KR20040041548A - 열전달관을 생산하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동자의 라디에이터와 같은 열교환기용 열교환관을 생산하는 방법에 관한 것이다. 상기 관을 구리 또는 구리합금으로 만드는 것이 바람직하다. 재료의 시트를 B형 모양으로 접고 무플럭스 경납땜 재료와 함께 경납땜한다. 상기 경납땜 재료는 박막 또는 페이스트 형태이다. 상기 페이스트는 일반적으로 분말 충전제, 결합제 그리고 액체 또는 왁스가 될 수 있는 캐리어를 포함한다.

Description

열전달관을 생산하는 방법 { METHOD OF MANUFACTURING HEAT TRANSFER TUBES }

당업계에는 열교환관을 생산하는 많은 방법이 있다. 상기 방법들 중 대부분은 통로를 형성하기 위해 금속 시트를 접고, 접힌 금속에 플럭스 재료를 공급하고, 그리고 나서 경납땜 재료를 공급하면서 접힌 금속과 플럭스 재료를 가열하는 것을 포함한다. 가열 과정 동안, 플럭스 재료가 금속 표면을 정화시키고, 그 결과 경납땜 재료는 접힘부 사이의 틈 안으로 쉽게 유입하여 틈을 밀봉하고 접합을 형성하게 된다. 일반적으로, 금속의 전체 시트는 플럭스 재료로 코팅되고, 코팅된 후에 경납땜 재료가 공급되거나, 또는 전체 시트가 경납땜 재료와 플럭스 재료 모두로 코팅된다. 알루미늄과 같이 경납땜하기 어려운 몇몇 금속 또는 금속합금에 대해서는 이러한 유형의 생산공정을 용이하게 하기 위해 사용 전에 더 쉽게 경납땜이 가능한 금속이나 합금을 입혀야 한다.

이 기술의 몇몇 예들은 특허 문헌에서 찾을 수 있다. 유럽 특허 출원번호 0 302 232 에서 시트 재료의 말단부가 상기 재료의 중앙쪽으로 수직 이상으로 말려서, 말단부가 시트 재료에 경납땜 될 때 그 시트 재료와 평행인 열교환관이 개시되었다. 미국 특허번호 4,633,056 에서 타원형의 단면을 갖는 열교환관과 그러한 관들을 위한 크로스 웨브(cross web)를 생산하는 방법이 개시되었다. 상기 관은 전자 빔 용접으로 접합된다. 미국 특허번호 5,186,251 에서 이중 열(row)의 흐름 통로를 갖는 열교환관이 개시되었다. 미국 특허번호 5,441,106 에서 관의 길이방향을 따라 뻗어있는 복수의 내부 핀을 포함한 열교환관이 개시되었다. 상기 관은 클래딩된 알루미늄 빌렛으로 만들어지며 함께 경납땜된다. 미국 특허번호 5,579,837 에서 약 7 내지 15˚각도의 두 다리에 의해 형성되는 칸막이를 갖는 열교환관이 개시되었다. 상기 전체 관은 경납땜 전에 경납땜 플럭스로 코팅된다. 미국 특허번호 5,704,423에서 두 개의 상이한 금속 조각(각각은 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄합금)의 주 부분과 이차 부분을 결합하여 생산되는 열교환관이 개시되었다. 미국 특허번호 5,765,634 에서 보강 칸막이에 의해 둘로 나누어진 열교환관이 개시되었다. 상기 칸막이는 관의 내부까지 뻗는 플리트로 이루어지며, 이 플리트는 관을 만드는 시트 금속 스트립 내에 형성된다. 금속 스트립의 단부를 접합하기 전에, 스트립의 한 표면을 경납땜 금속으로 코팅한다. 앞서 말한 것에서 알 수 있듯이, 어떤 모양도 라디에이터 관 생산에 예외없이 적합할 수 없다. 이 참고문헌들은 일반적으로 금속, 특히 알루미늄을 사용할 때 함께 경납땜을 하기 위해 플럭스 또는 플럭스를 포함하는 페이스트를 사용하였다.

플럭스 재료는 일반적으로 관의 재료에 대해 부식성이 강하므로, 경납땜 작업이 끝난 후 플럭스 재료를 반드시 제거하어야 한다. 이로 인해 경납땜 후 플럭스의 제거를 보장하기 위해 별도의 단계와 추가적인 비용이 들게 된다. 클래딩이나 플럭스의 공급 없이 열교환관을 생산하는 것이 종종 바람직하다. 플럭스 없이 경납땜 충전제 재료로서 사용되는 구리합금이 미국 특허번호 5,378,294에 기재되어 있다. 그러한 합금을 경납땜 충전제 재료로서 열교환관의 생산에 사용하는 것은 유용할 수 있다.

이 기술들에도 불구하고, 여전히 개선된 열교환관 생산 방법이 필요하고, 본 발명은 공지된 기술의 단점을 피하는 바람직한 방법을 개시한다.

본 발명은 접힌 스트립으로 된 평평한 구리합금관으로 자동차의 라디에이터와 같은 열전달장치를 생산하는 방법에 관한 것이다. 누출을 막기 위해 상기 관은 경납땜 작업시 관의 접합면 사이에 삽입되는 경납땜 페이스트 또는 경납땜 박막으로 밀봉된다.

도 1 은 본 발명에서 개시된 관 경납땜 방법에 따라 만들어진 자동차의 라디에이터의 부분 사시도.

도 2 는 본 발명에 따라 생산된 열교환관의 단면도.

본 발명은 열교환기용 관의 생산방법에 관한 것으로, 본 방법은 밑면과 두 개의 단부를 갖는 금속 또는 금속합금의 시트를 준비하고, 서로 마주보는 측면과 시트의 밑면을 마주보는 측면을 갖는 다리를 형성하기 위해 상기 시트의 단부를 접고, 한 쌍의 액체 통로를 형성하도록 상기 시트의 단부를 서로 마주보게 더 접고, 플럭스 없이 시트 재료에 부착할 수 있는 경납땜 재료를, 다리의 마주보는 측면들 사이 및 시트의 밑면과 그와 마주보는 다리의 측면 사이에 공급하고, 다리들을 서로 접합시키고 또한 그 다리들을 시트의 밑면에 접합시켜 관을 형성하기 위해 경납땜 재료를 녹여서 이를 다리와 밑면에 부착시키기에 충분한 열을 시트와 경납땜 재료에 가한다.

본 방법에서, 시트가 구리 또는 구리합금으로 만들어지는 것이 유리하고, 경납땜 재료가 시트의 용융온도보다 더 낮은 용융온도를 갖는 구리합금을 포함한다. 시트를 경납땜 재료의 용융온도보다 약 20% 이하 더 높게 가열하는 것이 바람직하고, 경납땜 재료는 일반적으로 페이스트 또는 박막 형태이다. 박막이 사용되면, 경납땜 재료가 약 0.01 내지 0.05 ㎜ 의 두께를 갖고, 다리의 마주보는 측면들 사이 그리고 시트의 밑면과 그와 마주보는 다리의 측면 사이에 박막을 두어 경납땜 재료를 공급한다.

페이스트가 이용되면, 페이스트는 금속 또는 합금 분말 충전제, 결합제 그리고 캐리어를 포함한다. 분말 충전제는 15 내지 30 미크론의 입자 크기를 갖고, 구리, 니켈, 주석 그리고 인의 합금인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 합금은 약 1 내지 5% 니켈, 약 15 내지 20% 주석, 약 4 내지 7% 인 그리고 구리를 갖는 것이다. 물론, 이 재료는 플럭스의 도움 없이도 구리합금에 접합될 수 있기 때문에, 박막의 조성에도 또한 사용할 수 있다.

캐리어가 물 또는 알코올과 같은 액체를 포함하면, 페이스트 경납땜 재료를 브러싱, 분사 또는 분배로 공급할 수 있다. 상기 캐리어를 휘발시키기 위해 페이스트 경납땜 재료의 시트 표면에 대한 분사 또는 브러싱 후 관을 건조하는 것이 유리하다. 또한, 캐리어는 왁스가 될 수 있고, 결합제는 열가소성 재료가 될 수 있고, 페이스트 경납땜 재료는 시트에 공급되는 동안 가열된다. 이 실시예에서, 본 방법은 경납땜 재료를 시트의 다리와 밑면에 공급하기 전에 왁스 캐리어와 열가소성 결합제를 녹이는 것과 경납땜 재료를 제위치에 고정하기 위해 시트를냉각하는 것을 더 포함한다.

본 방법의 바람직한 적용은 여기에서 개시된 본 발명에 따른 복수의 열교환관을 준비하고, 그 다음 자동차의 라디에이터 내에 상기 관들을 형성함으로써 자동차의 라디에이터를 생산하기 위함이다. 본 방법에 의해 만들어진 라디에이터는 본 발명의 또 다른 실시예이다.

본 발명은 바람직한 실시예를 보여주는 첨부된 도면과 연관하면 더 잘 이해될 것이다.

도 1 에는 차량의 라디에이터와 같은 자동차 관련 부분에 사용하기 위해 설계된 열교환기(10)가 있다. 열교환기(10)는 헤더판(header plate, 14) 사이에서 실질적으로 평행하게 배열된 한 세트의 관(12)을 갖는다. 냉각용 유체가 헤더판(14) 사이의 관(12)을 관류한다. 핀(18)이 관(12)의 표면에 부착되고, 관(12)으로부터의 열전도를 촉진시키고 열교환기(10) 전체에 대한 공기 흐름으로 대류열전달을 위한 추가 표면적을 제공하기 위해 관(12) 사이에 배열되어 있다.

이 관은 본 기술 분야의 당업자에게 알려진 적합한 경납땜이 가능한 재료 중 어느 것으로도 제조될 수 있다. 상기 관은 구리 또는 구리합금으로 만들어지는것이 바람직하다. 한 실시예에서는, 관 금속은 경납땜 작업 동안 재료의 연화를 방지하기 위해 약 1 % 의 추가 합금 원소를 함유하는 CuZn 15 황동을 포함한다. 일반적인 합금 원소의 예로는 주석 또는 니켈이 있다. 다른 실시예에서는, 스웨덴, 베스테로스의 오또꿈뿌 구리 스트립 AB 에서 상업적으로 구입가능한 85 % 구리 황동인 SM2385 로 관 금속을 만들 수 있다.

본 발명의 관(12)은 구리 또는 구리합금 시트를 구부려 만든다. 상기 시트는 밑면(22)과 두개의 단부(23, 25)를 갖는다. 상기 단부(23, 25)를 시트의 중앙에서 그들이 만날 때까지 서로 마주보는 방향으로 접는다. 접는 동안, 마주보는 측면부분(26, 28)과 윗면(24)이 형성된다. 그 다음, 상기 단부(23, 25)를 구부려 다리(40, 42)가 형성되도록 한다. 이리하여 목적하는 관 구조의 외형이 만들어지지만, 금속 시트의 상기 단부는 자유롭고 접합되지 않았다.

도 2 는 열교환기(10)의 관(12) 중 하나를 보여준다. 상기 관(12)은 밑면(22), 윗면(24) 그리고 일반적으로 아치형인 두 개의 마주보는 측면부분(26, 28)을 갖는다. 상기 관(12)은 일반적으로 직사각형으로 성형되고, 둥근 단부를 가질 수 있으며, 한 쌍의 유체 통로(34, 36)를 한정하기 위해 밑면(22)에서 윗면(24)까지 이르는 칸막이(30)를 갖는다. 칸막이(30)는 상부(24)에서 구부려진 한 쌍의 다리(40, 42)를 갖는다.

금속 단부를 접합하고 밀봉된 통로를 형성하기 위해, 신규한 경납땜 기술(25)이 사용된다. 이 과정에서, 페이스트 또는 박막이 이용될 수 있다. 페이스트는 금속 또는 금속합금 분말, 결합제 그리고 캐리어를 포함한다. 일반적으로, 상기 분말이 주성분이고, 결합제는 약 3 내지 20 중량%, 캐리어는 약 1 내지 10 중량%로 존재한다. 예를 들면, 한 실시예에서 100 그램의 분말이 10 그램의 캐리어와 2 그램의 결합제와 혼합된다. 경납땜 재료가 페이스트 형태로 되면 그 재료가 응고되기 전에 관의 목적하는 위치로 흘러갈 수 있는 이점이 있다.

캐리어는 물 또는 알코올과 같은 액체가 바람직하며, 페이스트의 점도가 너무 커서 페인팅이나 브러싱을 용이하게 할 수 없지 않게 하기 위함이다. 또한 작은 분자량의 왁스를 사용할 수 있다. 가장 바람직한 캐리어는 광물성이다. 캐리어가 액체이고, 경납땜 될 부분에 페이스트가 가해지면, 건조과정이 이용된다. 이 건조과정은 대부분의 캐리어를 증발시키는 단순한 가열과정으로, 경납땜되는 부분에 적은 양만 일반적으로 약 2 % 미만 남게되는데, 캐리어 전부를 증발시키는 것이 바람직하다.

캐리어가 왁스계(wax-based)라면, 결합제는 열가소성 형태일 수 있다. 그렇다면, 분말이 공급 전에 상기 왁스와 혼합될 것이다. 페이스트의 공급 동안, 열가소성 결합제는 90℃까지 가열되어 녹는다. 열이 관의 금속에 전달되므로 페이스트는 상기 관에 공급되자마자 응고된다. 왁스가 건조과정 없이 재응고되므로, 왁스계 캐리어를 이용하면 건조과정이 필요하지 않다.

분말은 관 금속과 합금이 되는 동안, 관 스트립의 접합될 부분 사이의 이음새를 채우는 역할을 하는 충전제이다. 충전제는 인동(copper-phosphorus)과 같이 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 충전제를 포함한다. 충전제는 상업적으로 구입가능한 OKC600 과 같은 구리-니켈-주석-인 합금이 바람직하다. OKC600은 약 1 내지 5 % 니켈, 약 15 내지 20 % 주석, 약 4 내지 7 % 인 그리고 나머지로서 구리를 함유한다. 결합제는 목적하는 표면에 충전제를 고착시키기 위한 접착제 역할을 한다. 인이 구리-니켈-주석-인을 더 좋은 부식 특성의 결과를 낳는 자용합금(self-fluxing alloy)으로 만드는 플럭스 역할을 하므로, 플럭스를 첨가할 필요가 없다.

충전제는 가스미립화(gas-atomizing)에 의해 구형의 미립자 분말로 만들어진다. 최대 입자크기는 일반적으로 약 90 ㎛ 이고, 평균 입자크기는 약 5 내지 60 ㎛ 인데, 약 15 내지 30 ㎛ 가 바람직하다.

경납땜 페이스트는 일반적으로 스프레이건으로 관에 공급된다. 보통 수계(water-based) 페이스트는 파형 핀을 갖는 라디에이터에 사용되고, 더 경질인 용매계(solvent-based) 페이스트는 편평한 푸시튜브(push-tube) 라디에이터에 사용된다. 경납땜 재료의 두께는 일반적으로 중량으로 측정된다. 경납땜 재료는 약 100 내지 300 g/㎡ 으로 공급될 수 있는데, 약 150 내지 200 g/㎡ 이 바람직하다.

경납땜 박막을 페이스트 대신 이용하면, 박막을 관의 접합될 대상부위 사이에 삽입한다. 박막을 목적하는 곳인 관에 넣기는 매우 쉽다. 일반적으로 박막은 페이스트 충전제에 대한 조성과 같은 조성을 갖는데, 즉 본기술 분야의 당업자에게 공지된 구리 경납땜 합금이다. OKC600 과 같은 구리-니켈-주석-인 합금이 바람직하다. 박막은 약 0.025 ㎜ 이상의 두께를 갖는데, 약 0.01 내지 0.05 ㎜의 두께가 바람직하다. 일반적으로, 이 실시예에서는 어떤 플럭스, 결합제, 또는 캐리어도 필요하지 않다. 유리하게, 박막은 액체 성분을 휘발시키기 위한 건조단계가 필요하지 않다. 단지 필요한 단계는 박막을 필요한 곳에 두는 것이다. 그러나, 박막이 제위치에 유지되는 것을 보장하기 위해 결합제는 필요할 수도 있다.

일단 경납땜 재료를 공급하면, 관을 경납땜 재료의 충전제의 용융온도 바로 위까지 가열한다. 가열로 관이 경납땜 재료로 충분히 코팅되거나 젖을 수 있다. 관을 충전제의 용융온도 보다 약 20 % 더 높게 가열하는 것이 바람직한데, 용융온도 보다 약 5 % 더 높게 가열하는 것이 더 바람직하다. 이것은 알루미늄을 경납땜하는 공정과 대조적이다. 알루미늄용 경납땜 합금의 용융온도는 알루미늄 관의 용융온도에 매우 가깝다. 경납땜 합금은 일반적으로 관 벽 두께의 약 10 % 인 알루미늄 위의 클래드층이다. 그러므로, 알루미늄 경납땜 합금을 용해하려 할 때, 관 재료도 또한 용해될 위험이 있다. OKC600 의 용융온도는 일반적으로 약 600 ℃ 이다. 한 실시예에서, 관을 약 630 ℃ 까지 가열한다. 다른 실시예에서, 관을 약 610 ℃ 까지 가열한다. 이 온도들은 약 1000 내지 1100 ℃ 인 구리합금 관의 용융온도 보다 매우 낮다. 그러므로, 상기 관을 600 ℃ 보다 조금 더 높게 가열하면 관이 아닌 경납땜 합금만 용해될 것이다.

다리(40, 42)를 그들 사이에 삽입된 페이스트 또는 박막으로 먼저 코팅한다. 다리(40, 42)의 말단부를 또한 페이스트로 코팅하거나 또는 밑면 위에 놓인 박막 위에 놓는다. 일반적으로 페이스트를 페이스트 비드(bead)로서 경납땜 시임(braze seam, 44)을 따라 공급하고, 박막을 박막 스트립으로서 다리의 말단부와 바닥 사이에 있는 동일한 경납땜 시임을 따라 공급한다. 그리고 나서, 관 형성을 위해 경납땜 재료가 접합되도록 경납땜 재료의 용융온도 보다 높은 온도까지 관을 가열한다. 두 개의 다리(40, 42)를 함께 경납땜하고, 그 다리(40, 42)를 또한 밑면(22)에 경납땜한다. 상기 관의 단면은 B 모양과 비슷하다. 이 모양이 경납땜 재료, 특히 무플럭스 경납땜 재료를 받아들이는데 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다.

관을 밀봉하고 관을 통해 흐르는 냉각용 액체의 누출을 방지하기 위해 페이스트 또는 박막을 사용한다. 관이 형성되기 전, 형성되는 동안, 또는 형성된 후 페이스트 또는 박막을 시트의 표면에 둘 수 있다. 게다가, 관의 경납땜은 플럭스의 추가가 필요하지 않아 유리하다.

경납땜 공정은 일반적으로 노 안에서 행해진다. 경납땜 공정시 주의할 점은 관 또는 경납땜 재료의 산화방지이다. 노는 약 -40 ℃ 보다 낮은 이슬점과 약 100 ppm 보다 작은 산소 함량을 가져야 한다. 약 -65 ℃ 의 이슬점과 약 10 ppm 의 낮은 산소 함량을 갖는 (질소와 같은) 불활성 기체 분위기를 종종 사용한다.

본 발명은 여기에서 설명되고 기재된 바와 정확히 일치하는 구성에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 그러므로, 여기에서 설명한 발명으로부터 또는 발명의 일상적인 실험에 의해 기술 분야의 당업자가 쉽게 이룰 수 있는 모든 적절한 변형은 첨부된 청구의 범위에 의해 정의되는 본 발명의 보호범위에 속한다고 간주된다.

Claims (17)

1. 밑면과 두 개의 단부를 갖는 금속 또는 금속합금의 시트를 준비하고,

   서로 마주보는 측면과 시트의 밑면을 마주보는 측면을 갖는 다리를 형성하기 위해 상기 시트의 단부를 접고,

   한 쌍의 액체 통로를 형성하도록 상기 시트의 단부를 서로 마주보게 더 접고,

   플럭스 없이 시트 재료에 부착할 수 있는 경납땜 재료를, 다리의 마주보는 측면들 사이 및 시트의 밑면과 그와 마주보는 다리의 측면 사이에 공급하고,

   다리들을 서로 접합시키고 또한 그 다리들을 시트의 밑면에 접합시켜 관을 형성하기 위해 경납땜 재료를 녹여서 이를 다리와 밑면에 부착시키기에 충분한 열을 시트와 경납땜 재료에 가하는 열교환기용 관의 생산방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시트는 구리 또는 구리합금을 포함하고, 상기 경납땜 재료는 시트의 용융온도보다 더 낮은 용융온도를 갖는 구리합금을 포함하는 열교환기용 관의 생산방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 시트를 경납땜 재료의 용융온도보다 약 20% 이하 더 높게 가열하는 열교환기용 관의 생산방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 경납땜 재료가 페이스트 또는 박막 형태인 열교환기용 관의 생산방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 경납땜 재료가 금속 또는 합금 분말 충전제, 결합제, 그리고 캐리어를 포함하는 페이스트 형태인 열교환기용 관의 생산방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 분말 충전제가 15 내지 30 미크론의 입자 크기를 갖는 열교환기용 관의 생산방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 충전제가 구리, 니켈, 주석 그리고 인의 합금인 열교환기용 관의 생산방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 충전제가 약 1 내지 5% 니켈, 약 15 내지 20% 주석, 약 4 내지 7% 인, 그리고 구리를 포함하는 열교환기용 관의 생산방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 캐리어가 액체를 포함하고, 상기 페이스트 경납땜 재료를 브러싱, 분사 또는 분배로 공급하는 열교환기용 관의 생산방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 캐리어가 물 또는 알코올을 포함하는 열교환기용 관의 생산방법.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 캐리어를 휘발시키기 위해 시트의 표면에 상기 페이스트 경납땜 재료를 분사 또는 브러싱한 후에 관을 건조하는 것을 더 포함하는 열교환기용 관의 생산방법.
12. 제 5 항에 있어서, 상기 캐리어가 왁스를 포함하고, 상기 페이스트 경납땜 재료를 시트에 공급하는 동안 가열하는 열교환기용 관의 생산방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 결합제가 열가소성 재료인 열교환기용 관의 생산방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 경납땜 재료를 시트의 다리와 밑면에 공급하기 전에 왁스 캐리어와 열가소성 결합제를 녹이는 것과 상기 경납땜 재료를 제위치에 고정하기 위해 시트를 냉각하는 것을 더 포함하는 열교환기용 관의 생산방법.
15. 제 4 항에 있어서, 상기 경납땜 재료가 약 0.01 내지 0.05 ㎜ 의 두께를 갖는 박막 형태이고, 다리의 마주보는 측면들 사이 그리고 시트의 밑면과 그와 마주보는 다리의 측면 사이에 상기 박막을 두어 상기 경납땜 재료를 공급하는 열교환기용 관의 생산방법.
16. 제 1 항에 따른 복수의 열교환관을 준비하고 자동차의 라디에이터 내에 상기 관들을 형성함으로써 자동차의 라디에이터를 생산하는 방법.
17. 제 16 항의 방법에 따라 생산된 라디에이터.