KR20010062366A

KR20010062366A - 알루미늄 열교환기를 분위기 가스 납땜하기 위한 플럭스

Info

Publication number: KR20010062366A
Application number: KR1020000075852A
Authority: KR
Inventors: 그랩제랄드아담; 잘루젝매튜존; 에반스티모시반; 헤일웬디엘.
Original assignee: 제이. 알. 드로우일래드; 포드 글로벌 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2001-07-07
Also published as: GB2357300A; DE10044454A1; GB0028039D0

Abstract

알루미늄 열교환기를 분위기 가스 납땜(controlled atmosphere brazing)하기 위한 플럭스는 플루오르화 세슘, 플루오르화 리튬 및 플루오르화 칼륨 알루미늄을 포함한다. 플루오르화 세슘은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 14 중량 퍼센트의 범위로 존재하고, 플루오르화 리튬은 약 0.5 중량 퍼센트 내지 약 15 중량 퍼센트의 범위로 존재하며, 잔부는 플루오르화 칼륨 알루미늄으로 이루어진다.

Description

알루미늄 열교환기를 분위기 가스 납땜하기 위한 플럭스 {FLUX FOR CAB BRAZING ALUMINUM HEAT EXCHANGERS}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 특히 차량용 알루미늄 열교환기를 분위기 가스 납땜하기 위한 플럭스에 관한 것이다.

응축기, 증발기, 히터 코어 및 냉각기와 같은 열교환기들을 갖는 차량은 공지되어 있다. 이러한 열교환기들은 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속 재료로 제조된 컨벌류트 핀(convoluted fin)을 갖는 교대 배열의 관 또는 판들을 구비한다. 전형적으로, 열교환기들은 예비 제조 및 납땜된다. 종래에는, 열교환기들이 진공로에서 납땜되었다. 최근에, "분위기 가스 납땜(controlled atmosphere brazing; CAB)" 로(furnace)에 의한 공지된 납땜 공정이 비부식 플럭스와 함께 사용되었다. 분위기 가스로 납땜은 제조 수율이 개선되고 노 유지 요구 조건이 낮으며 납땜 공정이 더 확실히 이루어진다는 점에서 진공로 납땜(vaccum furnace brazing)보다 더 바람직하다.

또한, 알루미늄 열교환기를 제조하는데 현재 사용되는 분위기 가스로(CAB furnace) 납땜은 분위기 가스 납땜로(CAB braze furnace)로 들어가기 전에 조립 열교환기에 가해지는 염화기 또는 불화기 중 하나인 플럭스 용제를 사용하여야 하는 것으로 알려져 있다. 양호하게는, 그 플럭스는 Nocolok^TM(등록상표)로 알려진 플루오르화 칼륨 알루미늄 플럭스이다. 종래의 알루미늄 열교환기들에 플럭스 용제를 사용하는 것은 알루미늄 열교환기의 표면에 제공된 천연 산화알루미늄 및 산화마그네슘 층들의 해리 및 파열을 촉진시킴으로써 대응 요소들 사이의 용융 클래드층의 습식을 조장하고 견고한 납땜 조인트를 제공한다. 플럭스 부착은 플럭스를 물 내에서 부유시켜 예비 제조된 알루미늄 열교환기들의 외부에 입히고 그 다음에 과도한 수분을 제거하도록 열교환기를 오븐에서 완전히 건조시킴으로써 달성된다.

천연 산화알루미늄을 환원시키는 기구는 Nocolok^TM플럭스 납땜 공정에서 잘제시되어 있다. 알루미늄 열교환기를 제조하기 위해 낮은 마그네슘 함량(Mg 0.25 중량 퍼센트 미만)의 납땜 시트들이 사용될 때, Nocolok^TM는 산화물을 효과적으로 환원시키고 클래드 유동 및 납땜 필릿 이음(filleting)을 증진시킨다. 더 높은 마그네슘 함량의 알루미늄 납땜 시트들은 동일한 표면 산화물을 갖지 않고, 대신에 마그네슘을 함유하는 더 복잡한 산화물을 갖는다. 마그네슘의 존재는 산화층의 조성을 알루미늄/마그네슘 착화합물의 스피넬(spinel)의 조성으로 변화시킬 뿐만 아니라 또한 마그네슘 독이 Nocolok^TM플럭스이어서 산화환원제로서 비활성이 되게 하는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 결과에 반작용하도록, Nocolok^TM에 LiF를 첨가하는 것은 착산화물(complex oxide)이 환원될 수 있도록 플럭스의 화학적 활성을 증진시킨다. 그러나, LiF가 Nocolok^TM플럭스에 첨가될 때, 플럭스의 용융 온도가 595℃ 이상으로 상승되고 이는 알루미늄 납땜 시트 상의 클래드 층의 용융 온도보다 높은 것이다.

상기 Nocolok^TM플럭스가 알루미늄 열교환기들에서 작용될지라도, 그 플럭스는 단지 낮은 마그네슘 함량의 알루미늄 납땜 시트들 상에서 효과적으로 작용하는 단점이 있다. 결과적으로, 이러한 플럭스는 합금 원소로서 0.25 중량 퍼센트 이상을 함유하는 더 높은 강도의 알루미늄 납땜 시트 합금 상에서는 작용하지 않는다. 또한, 그 플럭스는 환경 친화적이지 않는 단점이 있다.

따라서, 본 기술 분야에서는 분위기 가스 납땜 중에 높은 마그네슘 함량을 갖는 알루미늄 열교환기들을 효과적으로 납땜할 수 있는 환경 친화적인 플럭스를 제공하는 것이 요구된다.

도1은 열교환기의 사시도이다.

도2는 도1의 열교환기에 대해 본 발명에 의한 플럭스로 납땜된 관-매니폴드 조립체의 확대 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 열교환기

12 : 매니폴드

16 : 유체 관

18 : 핀

20 : 관-매니폴드 조립체

따라서, 본 발명은 알루미늄 열교환기를 분위기 가스 납땜하기 위한 플루오르화 세슘, 플루오르화 리튬 및 플루오르화 칼륨 알루미늄을 포함하는 플럭스에 관한 것이다. 본 발명에 따른 플럭스에서, 플루오르화 세슘은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 14 중량 퍼센트의 범위로 존재하고, 플루오르화 리튬은 약 0.5 중량 퍼센트 내지 15 중량 퍼센트의 범위로 존재하며, 플루오르화 칼륨 알루미늄은 잔부를 이룬다.

본 발명의 한 이점은 산화층 파괴를 촉진하기 위해 모터 차량용 알루미늄 열교환기를 분위기 가스 납땜하기 위한 플루오르화 세슘, 플루오르화 리튬 및 플루오르화 칼륨 알루미늄을 함유하는 조성을 갖는 플럭스를 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 이점은 플럭스가 환경 친화적이다는 것이다. 본 발명의 또 다른 이점은 플럭스가 높은 마그네슘 함량(0.25 중량 퍼센트 이상)을 갖는 알루미늄 납땜 시트로부터 제조된 알루미늄 열교환기를 효과적으로 납땜할 수 있다는데 있다. 본 발명의 또 다른 이점은 알루미늄 납땜 시트의 표면 상에 알루미늄/마그네슘 표면 착산화물(스피넬로 알려짐)을 효과적으로 환원시키는 플루오르화 첨가물의 조절된 조성에 플럭스가 기초한다는 점이다.

본 발명의 기타 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 설명으로부터용이하고 잘 이해될 것이다.

도면을 참조하면, 특히 도1에는 본 발명에 따른 열교환기(10)의 한 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 열교환기(10)는 차량(도시안됨)의 공기 조화 시스템(도시안됨)용 응축기이다. 열교환기(10)는 평행 유동 응축기, 곡류형 증발기, 히터 코어 또는 트랜스미션 오일 냉각기일 수 있다.

열교환기(10)는 소정의 거리로 분리 이격된 한 쌍의 대체로 수직 평행한 매니폴드(12)(1개만 도시됨)를 포함한다. 또한, 열교환기(10)는 매니폴드(12)들 사이에서 연장되고 그 사이에서 냉매와 같은 유체를 운반하는 복수의 평행하고 평평한 관(14)을 포함한다. 또한, 열교환기(10)는 하나의 매니폴드(12)에 형성된 열교환기(10)로 유체를 배향하는 유체 관(16)과 다른 매니폴드에 형성된 열교환기(10)로부터 유체를 배향하는 유체 관(도시안됨)을 포함한다. 또한, 열교환기(10)는 관(14)들 사이에 배치되고 각 관(14)들의 외부에 부착된 복수의 컨벌류트형 또는 곡류형 핀(18)을 포함한다. 핀(18)들은 관(14)으로부터 열을 전도하는 수단으로 작용하고 열교환기(10) 위로 유동하는 공기에 의한 대류 열 전달을 위한 표면 영역을 추가적으로 제공한다. 열교환기(10)는 차량 이외의 다른 용도에서 열교환기로 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.

도2를 참조하면, 열교환기(10)용 관-매니폴드 조립체(20)가 도시되어 있다. 관-매니폴드 조립체(20)는 열교환기(10)에 고정되는 보조 요소이다. 관-매니폴드 조립체(20)는 유체 관(16)인 제1 요소와 매니폴드(12)인 제2 요소를 포함한다. 유체 관(16) 및 매니폴드(12)는 알루미늄계 재료로 제조된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "알루미늄계"는 조성이 대부분 알루미늄이고 나머지 다른 금속으로서 실리콘, 구리, 마그네슘 및 아연 등이 합금될 수 있는 알루미늄을 기본으로 하는 금속을 의미한다. 양호하게는, 알루미늄계 재료는 알루미늄 어소시에이션(Aluminum Association) 1XXX, 3XXX, 5XXX 및 6XXX 시리즈(series) 알루미늄 합금으로부터 선택되고, 보다 바람직하게는 6XXX 알루미늄 합금이 선택된다. 알루미늄계 재료는 마그네슘을 포함할 수 있으며, 또한 포함하는 것이 바람직하다. 양호하게는, 알루미늄계 재료는 0.25 중량 퍼센트 이상의 마그네슘을, 보다 양호하게는 0.4 내지 2.5 중량 퍼센트 사이의 마그네슘을 포함한다. 열교환기(10)는 관-매니폴드 조립체(20) 이외의 다른 보조 요소를 포함할 수 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 관-매니폴드 조립체(20)는 분위기 가스 납땜에 의해 유체 관(16)에 접합되는 유체 관(16)에 인접하여 배치된 매니폴드(12)를 포함한다. 예를 들어, 매니폴드(12)는 유체 관(16)을 수용하는 구멍(21)을 구비한다. 유체 관(16)은 내부면(22) 및 외부면(24)을 구비한다. 내부면(22) 및 외부면(24)은 각각 그 상에 합성 클래딩을 갖는다. 충전재(26)는 유체 관(16)의 외부면(24)의 일부분에 씌워지며, 그 충전재는 알루미늄 어소시에이션 4XXX 시리즈 알루미늄 합금으로 제조된다. 양호하게는, 충전재(26)는 4047 충전 금속이다. 분위기 가스 납땜 공정 중에, 충전재(26)는 용융되어 유체 관(16)의 외부면(24)과 매니폴드(12)의 구멍(21) 사이의 연결부로 흘러들어와 그 연결부를 밀봉한다.

예비 관-매니폴드 조립체(20)를 형성하기 위해, 유체 관(16) 및 매니폴드(12) 사이의 연결부에 플럭스가 입혀진다. 플럭스는 브러싱(brushing),디핑(dipping), 수계(water based) 분무 또는 정전 분무와 같은 적절한 수단에 의해 연결부 영역에 입혀질 수 있는 데, 후자는 보다 균일하게 부착될 수 있다는 점에서 바람직하다.

플럭스는 플루오르화 세슘(CsF), 플루오르화 리튬(LiF) 및 플루오르화 칼륨 알루미늄(KAlF)의 혼합물이다. 플럭스는 약 0.5 중량 퍼센트 내지 약 15 중량 퍼센트 범위 내의 플루오르화 리튬(LiF)와, 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 14 중량 퍼센트 범위 내의 플루오르화 세슘(CsF)와, 잔부가 플루오르화 칼륨 알루미늄(KAlF)로 조성된다. 양호하게는, 플럭스는 약 1 중량 퍼센트의 플루오르화 리튬(LiF)과, 약 10 중량 퍼센트의 플루오르화 세슘(CsF)과, 잔부가 플루오르화 칼륨 알루미늄(KAlF)으로 조성된다.

열교환기(10)용 관-매니폴드 조립체(20)를 조립하는데 있어서, 매니폴드(12)는 분위기 가스로 납땜 공정을 이용하여 유체 관(16)에 접합된다. 예비 관-매니폴드 조립체(20)는 형성될 연결부 영역 내에서 플럭스로 덮여진다. 분위기 가스 납땜 공정 중에, 플럭스는 약 550℃에서 용융 또는 액화되고, 외부면(24)을 습식화하기 위해 외부면 상의 다공성 산화알루미늄(Al₂O₃)을 통해 유동한다. 이러한 습식 공정은 산화 층의 분산을 계속적으로 행하도록 매체를 제공하고, 용융된 충전재(26)가 연결부로 습식되어 흘러들어가서 땜납을 형성할 수 있게 한다. 그 다음에, 납땜된 관-매니폴드 조립체(20)는 노로부터 제거되어 냉각 및 그 의도된 사용 목적으로 이용될 수 있다. 분위기 가스로 납땜 공정은 본 기술 분야에서 공지되고 알려진 공정임을 이해하여야 한다.

플럭스의 상이한 조성 및 용융점은 열 분석기(도시안됨)로부터 얻어졌다. 플럭스의 조성 및 용융점은 다음과 같다:

플럭스 조성 용융점(℃)

1%LiF 9.3%CsF 558

1%LiF 14%CsF 554

10%LiF 565

3.3%LiF 2.3%CsF 569

10.3%LiF 4.7%CsF 561

15%LiF 587

1%LiF 572

3.3%LiF 9.3%CsF 558

5.7%LiF 567

10.3%LiF 2.3%CsF 562

5.7%LiF 4.7%CsF 562

1%LiF 4.7%CsF 566

5.7%LiF 9.3%CsF 559

5.7%LiF 4.7%CsF 562

Nocolok^TM554

LiF 및/또는 CsF를 포함하는 상기 플럭스 조성은 중량 퍼센트로 나타나고 잔부가 KAlF임을 이해하여야 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기(10)용 관-매니폴드 조립체(20)를 납땜하기 위한 방법이 개시된다. 본 방법은 내부면(22) 및 외부면(24)을 갖고 플럭스가 외부면(24)에 입혀지는 유체 관(16)과 같은 적어도 하나의 요소를 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 외부면(24)에 인접한 매니폴드(12)인 제2 요소를 배치하는 단계와, 분위기 가스 납땜 공정을 이용하여 유체 관(16) 및 매니폴드(12)를 접합하는 단계를 포함한다.

분위기 가스 납땜 공정에서, 열교환기(10)용 예비 관-매니폴드 조립체(20)는 납땜 보온 조정로(holding furnace)의 고정구(도시안됨) 상에 배치되고, 예를 들어 224℃ 내지 246℃(425℉ 내지 475℉) 사이의 범위의 온도로 예열된다. 열교환기(10) 및 납땜 보온 조정로 고정구는 예비 납땜 챔버로 운반되고 그 예비 납땜 챔버에서 약 399℃(750℉)에서 3 내지 15분 동안 일정한 온도로 지속된다(soaked). 그 이후에, 고온의 관-매니폴드 조립체(20) 및 보온 조정로 고정구는 컨베이어로 운반되어 분위기 가스 납땜로를 통해 이동된다. 분위기 가스 납땜로에서, 열교환기(10)는 약 591℃ 내지 610℃(1095℉ 내지 1130℉)에서 2 내지 3분 동안 유지된다. 납땜된 관-매니폴드 조립체(20)는 그 사용 목적에 따라 냉각, 제거 및 부착된다.

본 발명은 예시적인 방식으로 설명되었다. 사용된 용어는 제한적인 의미가아니라 그 단어 자체의 고유의 의미를 내포하는 것임을 이해하여야 한다.

전술한 개시 내용을 고려하여서 본 발명의 다수의 변형예 및 변경예가 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 있기만 하면 본 명세서에 특정 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다.

본 발명에 따르면, 분위기 가스 납땜 중에 높은 마그네슘 함량을 갖고 알루미늄 열교환기들을 효과적으로 납땜할 수 있는 환경 친화적인 플럭스가 제공된다.

Claims

알루미늄 열교환기를 분위기 가스 납땜하기 위한 플럭스에 있어서,

약 0.1 중량 퍼센트 내지 14 중량 퍼센트의 범위로 존재하는 플루오르화 세슘과, 약 0.5 중량 퍼센트 내지 15 중량 퍼센트의 범위로 존재하는 플루오르화 리튬과, 잔부로서 플루오르화 칼륨 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 플럭스.
제1항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 1 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 플럭스.
제1항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 4.7 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 1 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 플럭스.
제1항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 14 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 1 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 플럭스.
제1항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 3.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 플럭스.
제1항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 5.7 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 플럭스.
열교환기에 있어서,

제1 요소 및 제2 요소와, 상기 제1 요소 및 상기 제2 요소 중 적어도 하나에 입혀지는 플럭스를 포함하고,

상기 제1 요소 및 상기 제2 요소 중 적어도 하나는 0.25 중량 퍼센트 이상의 마그네슘을 함유하는 알루미늄계 재료로 제조되고,

상기 플럭스는 플루오르화 세슘, 플루오르화 리튬 및 플루오르화 칼륨 알루미늄의 혼합물로 이루어지고, 상기 플루오르화 세슘은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 14 중량 퍼센트의 범위로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 0.5 중량 퍼센트 내지 15 중량 퍼센트의 범위로 존재하고, 잔부는 플루오르화 칼륨 알루미늄으로 조성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
제7항에 있어서, 상기 제1 요소 및 상기 제2 요소 사이의 연결부 내에 배치된 충전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항에 있어서, 상기 충전재는 알루미늄 어소시에이션(Aluminum Association) 4XXX 시리즈(series) 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제7항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 1 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제7항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 14 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 1 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 3.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 5.7 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
알루미늄 열교환기를 납땜하는 방법에 있어서,

적어도 하나가 0.25 중량 퍼센트 이상의 마그네슘을 함유하는 알루미늄계 재료로 제조된 제1 요소 및 제2 요소를 제공하는 단계와,

제1 요소 및 제2 요소 중 적어도 하나에 플루오르화 세슘, 플루오르화 리튬 및 플루오르화 칼륨 알루미늄의 혼합물로 이루어진 플럭스를 입히는 단계와,

제1 요소를 제2 요소에 인접하게 배치하는 단계와,

분위기 가스 납땜(CAB; controlled atmosphere brazing) 공정을 이용하여 제1 요소 및 제2 요소를 함께 접합하는 단계를 포함하고,

상기 플루오르화 세슘은 약 0.1 중량 퍼센트 내지 14 중량 퍼센트의 범위로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 0.5 중량 퍼센트 내지 15 중량 퍼센트의 범위로 존재하고, 잔부는 플루오르화 칼륨 알루미늄으로 조성된 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 제1 요소 및 제2 요소 사이의 연결부에 충전재를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 상기 충전재는 4047 충전 금속인 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 1 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 14 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 1 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 3.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 플루오르화 세슘은 약 9.3 중량 퍼센트의 양으로 존재하고, 상기 플루오르화 리튬은 약 5.7 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.