KR20030093339A - 얇은 열교환판의 브래이징 방법과 이에 따라 제조된브래이징식 판형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철기 재료의 얇은 열교환판을 판형 열교환기에 접합시키는 방법을 언급한 것으로, 상기 열교환판은 포트 구멍과 판의 열교환 영역 또는 분포 영역이 있다면, 분포 영역 위의 앙각 및 부각의 가압 패턴을 구비한다. 상기 판은 브래이징 재료로 코팅되며 서로 브래이징 되기에 앞서 인접한 판들의 앙각 및 부각 사이의 접점이 얻을 수 있도록 배치된다. 상기 판들은 접점에서 브래이징 된다. 5% 내지 40%, 바람직하게는 10% 내지 30%의 열교환 영역 및 분포 영역이 브래이징에 앞서 브래이징 재료로 코팅된다. 또한, 본 발명은 포트 구멍과 판의 열교환 영역 위로, 만약 있다면 본 발명에 따라 마련된 분포 영역 위로 앙각 및 부각의 가압 패턴이 제공된 철기 재료인 얇은 열교환판에 조립된 브래이징식 열교환기를 포함한다. 브래이징식 열교환기에서 브래이징에 사용되는 브래이징 재료는 주로 브래이징 접합부에 남게 된다.

Description

얇은 열교환판의 브래이징 방법과 이에 따라 제조된 브래이징식 판형 열교환기{Method of Brazing Thin Heat Exchanging Plates and Brazed Plate Heat Exchanger Produced According to the Method}

브래이징에 앞서 상기 판은 브래이징 재료로 코팅된다. 상기 판은 인접한 판에서 앙각과 부각 사이으로 접점을 얻을 수 있도록 배치된다. 얻어진 판의 패키지는 브래이징 재료가 용융되도록 가열되며, 이때 판은 접점에서 서로 브레이징 된다. 또한, 본 발명은 포트 구멍과 판의 열 교환 영역 위의, 그리고 분포 영역이 만약 있다면 분포 영역 위의 앙각 및 부각 가압 패턴 및 포트 구멍이 제공된 철기 재료인 얇은 열 교환 판이 빌트 업(built up)된 것으로, 본 발명의 방법에 따른 브래이징식 판형 열 교환기를 포함한다.

판형 열 교환기를 제조할 때 일반적으로 적절한 브래이징 재료로서 열교환판들 사이에 놓여진 얇은 포일(foils)을 사용한다. 포일을 그들 사이에 위치시킨 열교환판들은 열을 교환하는 매질용 소정 갯수의 통로를 포함하는 판 패키지를 형성한다. 판 패키지는 노 안에 놓여지며 브래이징 재료가 용융되는 온도로 가열된다. 브래이징은 진공 상태에서 질소, 수소, 헬륨, 아르곤 또는 이러한 가스가 조합된 비활성 또는 활성 차폐 가스가 존재하는 상태에서 실시될 수 있다.

브래이징에 의한 접합을 이루기 위해, 브래이징 재료는 함께 브래이징될 물체의 표면에 스며들어야 하며 상기 물체의 용융점보다 낮은 융점을 가질 필요가 있다.

파우더 형상의 브래이징 재료를 사용할 경우 브래이징 재료는 충전재에 혼합될 수 있거나 판에 두 단계로 첨가될 수 있다.

또한, 브래이징 재료는 충전재와 액체의 혼합물에 분산될 수 있으며 기재의 표면에 프린트되거나 분사될 수 있다. 다른 방법은 충전재를 먼저 도포하고 이후 브래이징 재료를 분쇄하는 것이다. 충전재가 사용되는 경우, 판 패키지는 재료가 브래이징 온도에 도달하기 전에 충전재를 기화시키는 방법의 단계로 적당히 가열된다.

열 교환기의 충분한 강도를 확보하기 위해서는 취성 또는 균열 상태를 함유하지 않는 완전한 브래이징 접합부을 얻어야 한다. 취성 상태와 균열은 피로 파괴의 균열 시작 부위을 구성하며 열 교환기의 중대한 손상을 야기할 수 있는 부식 셀(cell)의 형성 조건을 형성한다. 또한, 크랙 시작 부위는 식품에 관한 적용예의 브래이징 구조체에서는 부적절한 열 교환 매질로 합금 요소들의 침출을 발생시킬 수 있다.

융점을 낮추는 요소를 함유한 브래이징 재료인 활성 브래이징 재료의 사용시, 취성 상태가 형성될 위험이 커진다. 이것은 브래이징 접합부와 그 주위로 융점을 낮추는 요소의 확산율에 영향을 끼치는 공정에 따른 것이다. 확산을 위한 구동력과 운동학적인 조건이 적당하면 소위 임계 접합 간극이 증가될 수 있으며, 이러한 접합 간극에서는 접합부 내의 취성 상태가 발전되지 않는다.

현재 사용되는 브래이징 재료는 틈(crevice)을 통과하기 위해 종종 양호한 유동성과 습윤성을 가지며 기부재료에 바람직한 접착을 이룰 수 있다. 판들이 서로 브래이징 되고 앙각 및 부각 가압 패턴을 갖는 판형 열 교환기에서는 일반적으로 브래이징 접합부가 점 형상을 갖는다. 일반적으로 포트 구멍으로부터 이격된 판 전체를 커버하는 일정 두께의 포일 형상의 브래이징 재료가 사용된다. 이것은 브래이징 접합부에서 충분한 양의 브래이징 재료를 갖도록 여분의 브래이징 재료를 사용한다는 것을 의미한다. 브래이징 접합부에서 브래이징 재료의 양을 제어하기 어렵기 때문에, 소정의 브래이징 접합부에 많은 브래이징 재료가 남게될 위험이 커진다. 이때 취성 상태의 위험이 증가한다.

1957년 3월의 용접 저널에 A. S. 맥도널드에 의한 "스테인레스 강의 얇은 섹션 브래이징용 합금"이라는 기사는 예로써 열 교환기에 얇은 강 요소를 브래이징하기에 적합한 것으로 합금이 고려될 수 있다고 설명하고 있다. 기사의 저자에 따르면 이상적인 합금은 대기를 차폐하면서 브래이징하는 중 소정의 플럭스 작용제 없이 스테인레스 강판의 표면 위로 습윤될 수 있고 유동할 수 있어야 한다. 이것은 기재를 용해시키거나 관통하여 기재를 손상시키지 말아야 하며, 얻어진 브래이징접합부는 양호한 기계적 강도와 내산화성을 가져야 한다.

상기 기사에서는 계속해서 붕소를 함유하고 다른 결합에서 매우 유용한 일반적인 니켈기 합금은 용해 및 관통 특성으로 인해 사용될 수 없다고 기재되어 있다.

놀랍게도 본 발명에 따라 전체적으로 소량으로 보이는 브래이징 재료를 사용하여 상기한 브래이징 재료와 브래이징 재료의 적절한 적용예를 사용할 때 모두 브래이징식 판형 열 교환기의 증가된 강도를 얻을 수 있음을 알게되었다.

본 발명은 철기(iron based) 재료의 얇은 열교환판을 판형 열교환기에 접합시키는 방법에 관한 것으로, 상기 열교환판은 포트 구멍과 판의 열교환 영역 또는 분포 영역 위의 앙각 및 부각(elevations and depressions)의 가압 패턴을 구비한다.

도1은 연성의 브래이징 접합부의 인장력 그래프를 도시한다.

도2는 취성 상태가 많은 브래이징 접합부의 인장력 그래프를 도시한다.

도3은 어떻게 브래이징 접합부와 브래이징 된 열 교환기의 특성이 브래이징 재료의 양에 영향 받는지를 도시한 그래프이다.

본 발명에 따른 방법은 분포 영역이 있을 때 열 교환 영역의 5 % 내지 40 %, 바람직하게는 10 % 내지 30 %와 브래이징에 앞서 브래이징 재료로 코팅된 것을 특징으로 한다. 포트 구멍과 에지 주변으로 판들을 브래이징하는 것은 통상의 방식으로 수행되며 본 발명에 의해 영향을 받지는 않는다. 브래이징식 판형 열 교환기에 사용되는 판은 0.8 mm에 이르는 두께를 갖는다. 더 두꺼운 판 재료를 사용할 때 열 교환 능력은 대단히 낮아진다. 가압된 브래이징식 판형 열 교환기에서, 브래이징 접합부는 오직 하중을 지탱하는 판 사이에 있게 된다. 브래이징 접합부 내의 브래이징 재료의 양만이 접합부가 변형(strain)에 저항하는 능력에 영향을 준다.

본 발명에 따른 방법은 브래이징 재료가 모든 점과 선 형상의 접촉면에 선택적으로 도포되어 사용되는 것에 그 이점이 있다. 또한, 브래이징 재료는 점 또는 선 형상의 접촉면의 소정의 개수에서만 선택적으로 도포될 수 있다. 통상적으로, 가압 패턴의 디자인, 판의 두께 및 판형 열 교환기가 격게 될 압력 조건에 따라 상기 두 가지 방법 중 하나를 선택한다. 적용예에 따라 압력은 1 bar 내지 40 bar 사이에서 변한다.

최대 강도를 갖는 판형 열 교환기를 얻기 위해서는, 연성의 브래이징 접합부가 얻어지도록 많은 양의 브래이징 재료가 추가된다. 이러한 브래이징 접합부는 취성 상태가 없거나 매우 적다. 브래이징 접합부의 취성 상태는 피로(수명이 감소된)에 의한 파단을 내포하며 부식에 의한 틈을 형성할 수 있다. 연성 브래이징 접합은 브래이징 재료의 양이 접점 영역을 약간 초과할 때 얻어질 수 있다.

본 발명의 방법에서, 브래이징 재료는 철기 판 재료로 확산되어 브래이징 접합부 내의 재료의 용융 간격을 변화시키기 위한 재료를 함유한 브래이징 재료인 활성 브래이징 재료로 구성된 이점이 있다. 이러한 브래이징 재료는 크롬과 융점을 낮추는 첨가제를 갖는 니켈 합금 또는 융점을 낮추는 첨가제를 갖는 스테인레스 강일 수 있다. 또한, 이것은 코발트기(Co- based) 또는 은기(Ag- based) 브래이징 재료이다.

사용된 브래이징 재료는 기재 내의 요소가 브래이징 충전재로 이동하여 브래이징 접합부에 높은 강도를 준다는 점에서 열 교환 판 내의 기재와 상호 작용하는 구리 및 은 브래이징 재료로 공지된 재료로 구성되는 이점이 있다.

본 발명에 따른 브래이징 재료는 예로써 셀룰로우즈(cellulous)기 충전재와 같은 비활성 충전재를 함유할 수 있다.

또한, 본 발명은 포트 구멍과 판의 열 교환 영역 위로, 만약 있다면 청구 범위 제1항에 따라 마련된 분포영역 위로 앙각 및 부각의 가압 패턴이 제공된 철기재료인 얇은 열 교환 판에 조립된(built-up) 브래이징식 열교환기를 포함한다. 브래이징에 사용되는 브래이징 재료는 브래이징 후 브래이징 접합부에 대부분 남게 된다.

본 발명에 따른 브래이징식 판형 열 교환기는 융점을 낮추는 요소를 함유한 브래이징 재료이며, 브래이징 중에 기재로 확산될 수 있는 활성 브래이징 재료를 갖는 판을 접합하여 마련된 이점이 있다. 접합 후 철기 판 재료로 확산된 융점을 낮추는 요소와는 별개로 브래이징 재료는 브래이징 접합부에 대부분 남아있다.

본 발명의 방법에 따른 브래이징 재료는 상이한 방식으로 도포될 수 있으며, 사용자는 노즐을 통해 재료를 가압하여 브래이징 재료의 스트링(string) 또는 액적을 도포할 수 있다. 또한, 사용자는 액적이나 스트링으로 충전재를 도포하여 표면에 브래이징 파우더를 분산시킬 수 있다. 여분의 브래이징 재료는 브래이징 전에 반드시 제거되어야 한다. 또한, 브래이징 재료는 예로써, 스크린-프린팅과 같은 몇몇 종류의 프린팅에 의해 열 교환 판에 도포될 수 있다. 이러한 방법에 의해 브래이징 재료는 판에 신속히 도포될 수 있다.

충전재의 선택과 그 사용양은 분배 후 형태 내구성에 대한 요구와 공급 물질, 압력 및 분배 노즐의 치수와 같은 변수에 따른다. 저장 중에 그리고, 분배 후에 브래이징 재료의 입자가 침강하는 것을 막기 때문에 아교질 충전재가, 보통은 셀룰로우즈기가 분배에 사용된다. 페이스트(paste)는 치약과 같은 방식으로 거동한다. 보통 9% 내지 15%의 충전재가 사용된다. 상기 량은 브래이징 파우더 내의 입자의 크기 분포에 따른다. 분포의 편차가 좁을수록, 부드러운 페이스트를 얻기위해 더 많은 충전재가 필요하다.

실크스크린을 통한 스크린 프린팅을 위해, 파우더 입자의 얇은 슬러리가 사용된다. 충전재는 특히, 최대 2000 cps에 이르는 고점도를 필요로 하지 않으며, 20%에 이르는 다량의 충전재가 사용될 수 있다.

개구를 통한 스텐실 프린팅을 위해, 브래이징 파우더와 충전재의 혼합물은 미세한 알갱이의 점토만큼의 점도가 되어야 한다. 상기 페이스트는 블레이드의 전면에 "소시지(sausage) 정도의" 롤링이 가능해야 하며 스텐실의 구멍을 통해 밀려진다. 이러한 충전재와 파우더의 페이스트 종류의 대표적인 점도 값은 50.00 cps 이하이다.

브래이징 재료의 점도는 브래이징 중에 브래이징 재료에 그 자체로는 용융되지 않는 것으로 공지된 미세 분할된 베이스 재료 또는 입자를 첨가시켜 증가시킬 수 있다.

브래이징 재료의 소정의 양은 상기된 또는 다른 방식으로 브래이징 될 접점에 공급된다. 이때, 브래이징 재료는 접점보다 다소 넓은 영역을 커버한다. 접점은 2 mm의 지름일 수 있다. 브래이징 재료는 접합될 두 개의 열 교환 판 사이의 틈으로 모세관력에 의해 흡수된다. 이를 위해 브래이징 재료는 브래이징 전에 접점을 둘러싸는 링 형상을 갖도록 도포될 수 있다.

브래이징식 열 교환기에 사용되는 판은 종종 열 교환 영역 위로 헤링본(herring bone) 타입의 가압 패턴을 갖는다. 패턴의 형상에 따라 첨가되는 브래이징 재료의 양은 다소 변하나 브래이징 재료가 모든 접점의 점에 도포될 때,상기한 예와 같이 열 교환 영역은 브래이징 재료로 13% 내지 15%가 커버된다. 브래이징 재료가 스트링으로 도포된다면 동일한 종류의 가압 패턴을 위해 열 교환 영역의 약 30%를 커버한다. 판이 교차되는 앙각 및 부각을 갖지 않고 판들 사이에서 몇몇 다른 종류의 접점을 갖는다면 상기 영역은 브래이징 재료로 10% 조금 넘게 코팅된다. 각각의 브래이징 점들은 1 mg 내지 30 mg의 브래이징 재료가 도포된다.

본 발명에 따라 최소한의 취성 상태를 갖는 브레이징 접합을 얻을 수 있다. 사용자는 취성 상태가 피로 강도에 부정적인 영향을 준다는 것을 안다. 취성 상태의 양은 결합 간격, 판 두께, 브래이징 재료의 양, 브래이징 재료의 도포 방법 및 브래이징 중의 시간-온도 관계에 따른다.

테스트를 위해, 브래이징 재료의 양을 변화시켜가며 소정의 방식으로 접합된 임의의 판 두께의 원형 블랭크를 사용한다. 얻어진 브래이징 접합부(4개)의 인장력이 테스트된다. 접합된 판의 블랭크는 각각의 임의의 고정된 변형율로 당겨진다.

하나 하나의 접합에 적용한 후 서로 브래이징 된, 테스트 블랭크의 인장 테스트를 도시한 도1과 같이, 연성의 브래이징 점은 제1 브래이징 점이 최대 인장력 작용점에 이르러 파단될 때까지는 고른 곡선으로 신장된다. 이후, 다른 브래이징 점들이 파단된다.

표면 영역 전체가 브래이징 재료로 커버된 테스트 블랭크의 인장 테스트 그래프를 도시한 도2에서, 이미 최대 인장력 직전에 있는 것으로 보이는 이러한 곡선은 취성 상태와 크랙 시작점을 나타내는 노치를 도시한다. 상기 노치는 예로써, 피로 성능에 있어 중요한 예비 크랙을 나타낸다.

도3은, 만약 있다면, 분포 영역을 포함한 열 교환 표면 영역 위의 브래이징 충전재의 양을 변화시킨 결과에 따라 브래이징식 판형 열 교환기의 특성이 어떻게 달라지는가를 중요하게 스케치하여 도시한다. 특성에서 유사한 변화를 갖는 그래프는 코발트기, 니켈기(Ni-based), 철기 합금에 근거한 활성 브래이징 재료에서 얻어진다. 그래프에 도시된 바와 같이 취성 상태의 양은 전체 표면 영역에 대한 브래이징 충전재의 양의 퍼센트가 증가함에 따라 함께 증가한다. 취성 상태의 양이 증가하면 연성은 감소된다. 표면의 브래이징 충전재의 퍼센트의 함수인 피로 사이클의 수(시간 수명)는 초기에는 정점을 향해 증가되고 이후, 시간 수명은 일정한 값으로 떨어진다.

긍정적인 인자와 부정적인 인자 사이의 균형은 5% 내지 40% 사이의 브래이징 충전재를 갖는 표면의 적용예가 브래이징식 열 교환기에 향상된 정적 및 동적 강도와 긴 수명과 연성의 브래이징 접합부를 제공한다는 것을 뜻한다.

10% 내지 30% 사이에서 최상의 결과가 얻어진다.

Claims (9)

1. 철기 재료의 얇은 열교환판들을 판형 열교환기에 접합시키기 위한 것으로, 상기 열교환판은 판의 열교환 영역 위의 그리고 만일 분산 영역이 있다면 그 위의 앙각 및 부각 가압 패턴과 포트 구멍을 구비하고, 인접한 앙각 및 부각들 사이에 접촉이 이루어지도록 접합부가 배치되기 전에 브래이징 재료로 코팅되고 이후 형성된 접점에서 서로 브래이징되는, 접합 방법에 있어서,

   상기 열 교환 영역과 분포 영역의 5% 내지 40%, 바람직하게는 10% 내지 30%가 브래이징 전에 브래이징 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 브래이징 재료가 모든 점 형상의 접촉 영역 또는 접촉 영역을 형성하는 선에 선택적으로 도포되는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 브래이징 재료가 단지 소정 개수의 점 형상 접촉 영역 또는 접촉 영역을 형성하는 선에 선택적으로 도포되는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브래이징 재료의 양이 매우 적어서 연성 브래이징 접합이 얻어지는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브래이징 재료는 브래이징 중에 철기 판 재료로 확산되며 브래이징 접합부의 재료의 용융 간격을 변화시키는, 융점을 낮추는 요소를 함유하는 브래이징 재료인 활성 브래이징 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브래이징 재료는 열 교환 판 내의 베이스 재료와 상호 작용하는 것으로 융점을 낮추는 요소를 함유하지 않고, 상기 요소들은 판들의 기부재료로부터 브래이징 재료로 이동하여 더욱 견고한 브래이징 접합부를 제공하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브래이징 재료가 활성 충전재를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
8. 철기 재료의 얇은 열교환판으로부터 조립된 것으로, 상기 열교환판은 판의 열교환면 위의 그리고 분산 영역이 있다면 그위의 앙각 및 부각 가압 패턴과 포트 구멍을 구비하는, 브래이징식 판형 열 교환기에 있어서,

   브래이징 재료는 브래이징에 사용되고 브래이징 후에 대부분 브래이징 연결부에 남아 있는 것을 특징으로 하는 브래이징식 판형 열교환기.
9. 제8항에 있어서, 상기 브래이징에 사용되는 브래이징 재료는 판의 철기 재료로 확산되는 융점을 낮추는 요소와는 별개로, 브래이징 후 브래이징 연결부에 대부분이 남아있는 활성 브래이징 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 브래이징식 판형 열교환기.