KR20100076051A - 얇은 열교환판의 접합 방법과 이에 따라 제조된 브래이징식 판형 열교환기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 판형 열교환기에 철기 재료의 얇은 열교환판들을 접합시키는 방법으로서, 열교환판들은 포트 구멍과, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴을 구비하고, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴은 열교환판들의 열교환 영역에 걸쳐 존재한다. 열교환판들은 브래이징 재료로 코팅되고, 열교환판들을 함께 브래이징하기 전에 인접한 열교환판들의 인접한 돌출부와 함몰부 사이에 접촉 영역이 형성되도록 배치된다. 그 후, 열교환판들은 접촉 영역에서 브래이징된다. 열교환 영역의 5% 내지 40%, 바람직하게는 10% 내지 30%가 브래이징 전에 브래이징 재료로 코팅된다. 또한, 본 발명은 철기 재료의 얇은 열교환판으로부터 조립된 본 발명의 방법 따라 제조된 브래이징식 판형 열교환기로서, 열교환판들은 포트 구멍과, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴을 구비하고, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴은 열교환판들의 열교환 영역에 걸쳐 존재한다. 브래이징에 사용된 브래이징 재료는 브래이징 후에 브래이징 접합부에 대부분 존재한다.
Description
본 발명은 판형 열교환기에 철기(iron based) 재료의 얇은 열교환판들을 접합시키는 방법으로서, 상기 열교환판들은 포트 구멍과, 돌출부 및 함몰부(elevations and depressions)의 압착 성형 패턴(pressing pattern)을 구비하고, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴은 열교환판들의 열교환 영역에 걸쳐 존재한다.
열교환판들을 브래이징하기 전에 열교환판들은 브래이징 재료로 코팅된다. 열교환판들은 인접한 열교환판들의 인접한 돌출부와 함몰부 사이에 접촉 영역이 형성되도록 배치된다. 얻어진 열교환판들의 패키지는 브래이징 재료가 용융되어, 열교환판들이 접촉 영역에서 함께 브래이징되도록 가열된다. 또한, 본 발명은 철기 재료의 얇은 열교환판으로부터 조립되고 본 발명의 방법에 따라 함께 브래이징된 브래이징식 판형 열교환기로서, 열교환판들은 포트 구멍과, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴을 구비하고, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴은 열교환판들의 열교환 영역에 걸쳐 존재한다.
판형 열교환기를 제조할 때, 함께 브래이징될 열교환판들 사이에 위치되는 얇은 포일(foils)이 적절한 브래이징 재료로서 통상 사용된다. 포일이 열교환판들 사이에 위치된 열교환판들은 열을 교환시킬 매체를 위한 소정수의 통로를 포함하는 판 패키지를 형성한다. 판 패키지는 노 안에 위치되고 브래이징 재료가 용융되는 온도로 가열된다. 브래이징은 진공 상태에서 또는, 질소, 수소, 헬륨, 아르곤 또는 이들의 혼합물과 같은 비활성 또는 활성 차폐 가스가 존재하는 상태에서 실시될 수 있다.
브래이징에 의한 접합을 달성하기 위해, 브래이징 재료는 함께 브래이징될 물체의 표면을 적시고, 함께 브래이징될 물체의 융점보다 낮은 융점을 가질 필요가 있다.
파우더 형태의 브래이징 재료를 사용할 경우, 브래이징 재료는 충전재와 혼합되거나, 다르게는 두 단계로 판에 첨가될 수 있다.
또한, 브래이징 재료는 충전재와 액체의 혼합물 내에 분산되어 기재의 표면에 페인팅 또는 분사될 수 있다. 다른 방법은 충전재를 먼저 도포한 후에, 분말의 브래이징 재료를 도포하는 것이다. 충전재가 사용되는 경우, 판 패키지는 브래이징 재료가 브래이징 온도에 도달하기 전에 충전재가 기화되도록 여러 단계에서 적절히 가열된다.
열교환기의 충분한 강도를 확보하기 위해서는 취성상(brittle phase) 또는 균열을 포함하지 않는 완전한 브래이징 접합부를 달성해야 한다. 취성상과 균열은 피로 파괴의 균열 시작 부위를 이루어, 열교환기의 심각한 손상을 야기할 수 있는 부식 셀(cell)을 형성하는 조건을 형성할 수 있다. 또한, 크랙 시작 부위는 열교환 매체로의 합금 성분들의 용해를 야기할 수도 있는데, 이는 식품 용도를 위한 브래이징 구조체에서는 부적절하다.
융점 저하 성분을 함유하는 브래이징 재료인 활성 브래이징 재료의 사용시, 취성상이 형성될 위험이 커진다. 이는 브래이징 접합부 내로의 그리고 브래이징 접합부 주위로의 융점 저하 성분의 확산율에 영향을 끼치는 공정에 따른 것이다. 확산을 위한 구동력과 운동학적인 조건이 적절한 경우에는, 접합부에서 취성상이 전개되지 않는 소위 임계 접합부 간극이 증가된다.
현재 사용되는 브래이징 재료는 틈(crevice)에 침투하도록 종종 양호한 유동성과 습윤성을 가져 기재에 바람직하게 접착된다. 판들이 함께 브래이징되고 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴을 갖는 판형 열교환기에서는 일반적으로 브래이징 접합부가 점 형상을 갖는다. 일반적으로, 포트 구멍을 제외한 전체 판을 커버하는 균일한 두께의 포일 형상의 브래이징 재료가 사용된다. 이는 사용자가 브래이징 접합부에 충분한 양의 브래이징 재료가 존재하도록 초과 브래이징 재료를 사용한다는 것을 의미한다. 브래이징 접합부에서의 브래이징 재료의 양을 제어하는 것은 어렵기 때문에, 브래이징 재료의 양이 임의의 브래이징 접합부에서 너무 과도하게 될 위험이 커진다. 이때 취성상의 위험이 증가한다.
1957년 3월의 용접 저널에 A. S. 맥도널드에 의한 "스테인레스 강의 얇은 섹션 브래이징용 합금"이란 표제의 논문에 예로서 열교환기에 얇은 강 요소를 브래이징하기에 적합한 것으로 합금이 고려될 수 있다고 설명하고 있다. 논문의 저자에 따르면 이상적인 합금은 대기를 차폐하면서 브래이징하는 동안 임의의 플럭스 작용제 없이 스테인레스강 표면 위에 적셔져 유동할 수 있어야 한다. 이상적인 합금은 기재를 용해시키거나 기재 내로 침투하여 기재를 손상시키지 말아야 하며, 얻어진 브래이징 접합부는 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.
본 발명에 따른 방법은 열교환 영역의 5 % 내지 40 %, 바람직하게는 10 % 내지 30 %가 브래이징 전에 브래이징 재료로 코팅되는 것을 주 특징으로 한다. 포트 구멍과 에지 주변의 판들을 함께 브래이징하는 것은 통상적인 방식으로 수행되며 본 발명에 의해 영향을 받지 않는다. 브래이징식 판형 열교환기에 사용되는 판은 0.8 mm 이하의 두께를 갖는다. 더 두꺼운 판 재료를 사용할 경우 열교환 능력이 상당히 나빠진다. 가압된 브래이징식 판형 열교환기에서, 판들 사이의 브래이징 접합부만이 하중을 지탱한다. 브래이징 접합부의 브래이징 재료의 양만이 접합부가 노출되는 변형(strain)에 저항하는 능력에 영향을 준다.
본 발명에 따른 방법은 접촉 영역이 점 형상 접촉 영역 또는 선 형상 접촉 영역이고, 브래이징 재료가 모든 점 형상 및 선 형상 접촉면(즉, 접촉점 또는 접촉 영역)에 선택적으로 도포된다는 점에서 바람직하게 이용된다. 다르게는, 브래이징 재료는 단지 소정 개수의 점 형상 또는 선 형상 접촉면에 선택적으로 도포될 수 있다. 통상, 압착 성형 패턴의 디자인, 판의 두께 및 판형 열교환기가 받는 압력 조건에 따라 상기 두 가지 방법 중 하나를 선택한다. 적용예에 따라 압력은 1 bar 내지 40 bar 사이에서 변한다.
본 발명에 따르면, 전체적으로 더 적은 브래이징 재료를 사용함으로써, 상술된 브래이징 재료를 사용하는 경우와, 용도 접합성 브래이징 재료를 사용하는 다른 경우 양자 모두에서 브래이징식 판형 열교환기의 강도를 증가시킬 수 있다는 것을 놀랍게도 발견하였다.
도1은 연성의 브래이징 접합부의 인장력 그래프를 도시한다.
도2는 취성상이 많은 브래이징 접합부의 인장력 그래프를 도시한다.
도3은 브래이징 접합부와 브래이징식 열교환기의 특성이 브래이징 재료의 양에 의해 어떻게 영향을 받는지를 도시한 주요 그래프이다.
도2는 취성상이 많은 브래이징 접합부의 인장력 그래프를 도시한다.
도3은 브래이징 접합부와 브래이징식 열교환기의 특성이 브래이징 재료의 양에 의해 어떻게 영향을 받는지를 도시한 주요 그래프이다.
최대 강도를 갖는 판형 열교환기를 얻기 위해서는, 대체로 연성인 브래이징 접합부가 얻어질 만큼의 양의 브래이징 재료가 추가된다. 이러한 브래이징 접합부는 취성상이 없거나 매우 적다. 브래이징 접합부의 취성상은 브래이징 접합부가 피로로 인해 조기에 파손되고(수명이 감소되고), 부식 파괴의 틈을 형성할 수도 있다는 것을 의미한다. 연성 브래이징 접합부는 브래이징 재료의 양이 접촉점의 영역을 약간 초과할 때만 얻어질 수 있다.
본 발명의 방법에서, 브래이징 재료는 바람직하게는 철기 판 재료 내로 확산되어 브래이징 접합부에서 브래이징 재료의 용융 간격(즉, 브래이징 재료의 고상 온도와 액상 온도 사이의 온도 범위)을 변화시키는 성분을 함유하는 브래이징 재료인 활성 브래이징 재료로 구성된다. 이러한 브래이징 재료는 크롬과 융점 저하 첨가제를 갖는 니켈 합금 또는 융점 저하 첨가제를 갖는 스테인레스강일 수 있다. 또한, 코발트기(Co- based) 또는 은기(Ag- based) 브래이징 재료도 존재한다.
사용된 브래이징 재료는 바람직하게는, 기재 내의 성분이 브래이징 충전재 내로 이동되어 더 높은 강도를 갖는 브래이징 접합부를 제공하도록 작용하는, 공지된 구리 및 은 브래이징 재료로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 브래이징 재료는 예컨대 셀룰로우즈(cellulous)기 충전재와 같은 비활성 충전재를 함유할 수 있다.
또한, 본 발명은 철기 재료의 얇은 열교환판으로부터 조립된 제1항에 따라 제조된 브래이징식 판형 열교환기로서, 열교환판들은 포트 구멍과, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴을 구비하고, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴은 열교환판들의 열교환 영역에 걸쳐 존재한다. 브래이징에 사용된 브래이징 재료는 브래이징 후에 브래이징 접합부에 대부분 존재한다.
본 발명에 따른 브래이징식 판형 열교환기는 바람직하게는 브래이징 동안 기재 내로 확산될 수 있는 융점 저하 성분을 함유하는 브래이징 재료인 활성 브래이징 재료로 열교환판들을 접합시킴으로써 제조된다. 접합 후, 브래이징 재료는 철기 판 재료 내로 확산된 융점 저하 성분을 제외하곤 브래이징 접합부에 대부분 존재한다.
본 발명의 방법에 따른 브래이징 재료는 다양한 방식으로 도포될 수 있고, 사용자는 노즐을 통해 재료를 추진시킴으로써 브래이징 재료의 스트링(string) 또는 액적을 도포할 수 있다. 또한, 사용자는 충전재를 액적이나 스트링으로 도포한 후, 표면 위에 브래이징 파우더를 살포할 수도 있다. 초과 브래이징 재료는 브래이징 전에 반드시 제거되어야 한다. 또한, 브래이징 재료는 예컨대, 스크린-프린팅과 같은 몇몇 종류의 프린팅에 의해 열교환 판에 도포될 수 있다. 이러한 방법으로, 브래이징 재료는 판에 신속히 도포될 수 있다.
충전재와 충전재 사용량의 선택은 분배 후의 형태 내구성에 대한 요구 사항과, 분배 노즐의 공급, 압력 및 치수와 같은 변수에 따른다. 충전재는 저장 중에 그리고 분배 후에 브래이징 재료의 입자가 침강하는 것을 방지하기 때문에, 통상 셀룰로우즈기인 아교질 충전재가 분배에 사용된다. 페이스트(paste)는 치약과 같은 방식으로 작용한다. 통상, 충전재의 양은 브래이징 재료와 충전재의 총 질량의 9% 내지 15%이다. 이러한 양은 브래이징 파우더 내의 입자의 크기 분포에 따른다. 미세한 성분의 분율이 커질수록, 더 많은 충전재가 부드러운 페이스트를 얻기 위해 필요하다.
실크스크린을 통한 스크린 프린팅을 위해서는, 파우더 입자의 얇은 슬러리가 사용된다. 충전재는 최대 약 2000 cps의 특히 높은 점도를 가질 필요는 거의 없고, 브래이징 재료와 충전재의 총 질량의 20%이하의 더 많은 양의 충전재가 사용될 수 있다.
개구를 통한 스텐실 프린팅을 위해, 브래이징 파우더와 충전재의 혼합물은 미세한 과립의 점토만큼의 점도를 가져야 한다. 이러한 페이스트는 블레이드 앞에서 "소시지(sausage)와 같이" 롤링되어 스텐실의 구멍을 통해 추진될 수 있어야 한다. 이러한 종류의 페이스트, 충전재 및 파우더의 대표적인 점도 값은 50.000 cps보다 크다.
브래이징 재료의 점도는 브래이징 중에 브래이징 재료에 그 자체로는 용융되지 않는 것으로 공지된 미세 분할된 베이스 재료 또는 입자를 첨가시켜 증가시킬 수 있다.
소정량의 브래이징 재료가 상술된 또는 다른 방식으로 함께 브래이징될 접촉점에 공급된다. 이때, 브래이징 재료는 접촉점보다 다소 넓은 영역을 커버한다. 접촉점은 2 mm의 직경을 가질 수 있다. 브래이징 재료는 접합될 두 개의 열교환 판 사이의 틈으로 모세관력에 의해 흡인된다. 이를 위해, 브래이징 재료는 브래이징 전에 접촉점을 둘러싸는 링 형상을 갖도록 도포될 수 있다.
브래이징식 열교환기에 사용되는 판은 종종 열교환 영역에 걸쳐 있는 헤링본(herring bone) 타입의 압착 성형 패턴을 갖는다. 패턴의 형상에 따라, 첨가되는 브래이징 재료의 양은 다소 변하지만, 일례로서 브래이징 재료가 모든 접촉점에서 점에 도포되는 경우에는, 열교환 영역의 13% 내지 15%가 브래이징 재료로 커버될 수 있다. 브래이징 재료가 스트링으로 도포되는 경우, 브래이징 재료는 동일한 종류의 압착 성형 패턴을 위해 열교환 영역의 약 30%를 커버한다. 판이 교차하는 돌출부 및 함몰부를 갖지는 않지만 판들 사이에 몇몇 다른 종류의 접촉부를 갖는 패턴을 갖는 경우, 열교환 영역의 10% 조금 넘는 영역이 브래이징 재료로 코팅된다. 각각의 브래이징 점에는 1 mg 내지 30 mg의 브래이징 재료가 도포된다.
본 발명에 따르면, 최소량의 취성상을 갖는 브래이징 접합부를 얻을 수 있다. 사용자는 취성상의 양이 피로 강도에 악영향을 준다는 것을 안다. 취성상의 양은 접합부 간격, 판 두께, 브래이징 재료의 양, 브래이징 재료의 도포 방법, 및 브래이징 동안의 시간-온도 관계에 따른다.
테스트를 위해, 브래이징 재료의 양을 변화시켜가며 소정의 방식으로 함께 접합되는 임의의 판 두께의 원형 블랭크를 사용한다. 얻어진 브래이징 접합부(4개)의 인장력이 테스트된다. 접합된 판의 블랭크는 일정한 고정 변형율로 서로로부터 당겨진다.
브래이징 재료를 점마다 도포한 후 함께 브래이징된, 테스트 블랭크의 인장 테스트를 도시한 도1에서 알 수 있는 바와 같이, 연성의 브래이징 점은 제1 브래이징 점이 최대 인장력에서 파단될 때까지 고른 곡선으로 이어진다. 그 후, 다른 브래이징 점들이 차례로 파단된다.
표면 영역 전체가 브래이징 재료로 커버된 테스트 블랭크의 인장 테스트 그래프를 도시한 도2에서는, 곡선이 최대 인장력 이전에 취성상과 크랙의 시작을 나타내는 노치를 이미 나타내고 있다는 것을 알 수 있다. 노치는 예컨대, 피로 성능에 있어 결정적인 예비 크랙을 나타낸다.
도3은 브래이징식 판형 열교환기의 여러 가지 특성이 열교환 영역 위의 브래이징 충전재 양의 변화 결과에 따라 어떻게 변화되는지를 도시하는 주요 스케치이다. 유사한 특성 변화를 갖는 그래프가 코발트 합금, 니켈 합금, 철 합금에 기초하는 활성 브래이징 재료에 대해 얻어진다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 취성상의 양은 브래이징 충전재의 양이 증가함에 따라 전체 표면적의 퍼센트로서 증가한다. 취성상의 양이 증가하면 연성은 감소된다. 열교환 영역 상의 브래이징 충전재의 퍼센트의 함수인 피로까지의 사이클 수(수명)는 초기에 정점까지 증가되고, 수명 이후에는 거의 일정한 값으로 떨어진다.
열교환 영역의 5% 내지 40%에 브래이징 충전재를 도포하여, 향상된 정적 및 동적 강도를 갖는 브래이징식 열교환기와, 긴 수명 및 연성의 브래이징 접합부를 제공하는 것이 긍정적인 요소와 부정적인 요소가 균형을 이루고 있다고 말할 수 있다.
열교환 영역의 10% 내지 30%에 브래이징 충전재를 도포하는 것이 최상의 결과를 얻는다.
Claims (1)
- 판형 열교환기에 철기 재료의 얇은 열교환판들을 접합시키는 방법으로서,
상기 열교환판들은 포트 구멍과, 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴을 구비하고,
상기 돌출부 및 함몰부의 압착 성형 패턴은 열교환판들의 열교환 영역에 걸쳐 존재하고,
상기 열교환판들은 브래이징 재료로 코팅되고, 열교환판들을 접합시키기 전에 인접한 열교환판들의 인접한 돌출부와 함몰부 사이에 접촉 영역이 형성되도록 배치된 후, 상기 접촉 영역에서 함께 브래이징되는, 열교환판들을 접합시키는 방법에 있어서,
상기 열교환 영역의 5% 내지 40%가 브래이징 전에 브래이징 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 열교환판들을 접합시키는 방법.
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