KR20120091125A - 열간 정압 압축에 의하여 중공 영역을 갖는 모듈을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간 정압 압축에 의하여 중공영역(2)을 갖는 모듈(1)을 제조하기 위한 방법으로서, 중공영역을 형성하는 중첩된 부재(6, 10)들을 포함하는 조립체(4)를 제작하는 단계를 포함하고, 상기 조립체는 상기 중공영역을 포함하는 기밀 케이싱을 형성하도록 제작되고, 또 조립체의 외부로부터 상기 중공영역(2)을 분리하는 적어도 하나의 용융가능한 폐쇄부재(12)를 포함하고, 이어서 상기 부재들의 확산 용접을 얻기 위하여 상기 조립체의 열간 정압 압축을 위한 단계가 수행되며, 이 단계는 온도 및 압력조건들을 변화시킴으로써 이루어져서 이 단계 동안에 온도 및 압력조건들의 변화가, 상기 용융가능한 폐쇄부재(12)의 파괴를 유발하여 압력가스가 상기 중공영역(2)으로 침입하는 것을 허용한다.

Description

열간 정압 압축에 의하여 중공 영역을 갖는 모듈을 제조하기 위한 방법{METHOD FOR MANUFACTURING A MODULE HAVING A HOLLOW AREA BY MEANS OF HOT ISOSTATIC PRESSING}

본 발명은 일반적으로 열간 정압 압축(hot isostatic compression)에 의해 적용된 확산용접에 의하여 중공 영역을 갖는 모듈을 제조하는 분야에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 중공 영역(hollow area)이, 바람직하기에는 유체의 순환을 위한 하나 또는 복수의 채널 형태를 취하는 모듈의 제조에 관한 것이다.

이러한 모듈에 대하여, 열교환기와 같은 그리고 바람직하기에는 소위 컴팩트한 플레이트 교환기들과 같은 많은 적용례가 고려될 수 있고, 얻어진 열교환기들은 열교환 표면적과 열교환기 체적 사이의 큰 비율 때문에 아주 만족스럽다. 예컨대, 이는 플레이트들을 적층하기 위하여 한 방향을 따라 제1유체 순환영역과 제2유체 순환영역을 교대로 형성하는 모듈 또는 모듈 적층체(stack)를 포함하는 열교환기 시스템일 수 있고, 또 이러한 유체 순환영역의 적어도 하나에서 화학반응, 가능하게는 촉매반응이 일어나도록 설계된다. 따라서, 이들 영역 중 적어도 하나에서 일어나는 화학반응 때문에, 그러한 교환기들은 또한 반응기라고도 불린다. 더 일반적으로, 그러한 열교환기들은 교환기/반응기로 불린다.

이러한 타입의 교환기 시스템에 대하여, 예컨대 화학제품 또는 의약제품을 생산하는 몇 가지 용도가 고려될 수 있다.

냉각된 압력장치, 열 흡수기, 열 회수기(heat reclaimer)에서, 그리고 더 일반적으로 유체의 순환을 위한 내부 채널들을 포함하는 모든 기구에서, 중공 (hollow) 모듈을 위한 다른 적용례가 고려될 수 있다.

종래 기술로부터, 원하는 순환 채널들의 기하구조에 대응하도록 정육면체가 삽입되는 캐비티를 함께 형성하기 위하여, 서로에 대하여 가압하는 2개의 홈이 형성된(grooved) 플레이트로부터 중공 모듈을 제조하는 것이 알려져 있다. 이러한 구성에서, 확산에 의하여 조립될 표면들이 먼저 세정되고, 부위들은 적층되며 또 그 다음 양쪽 플레이트의 둘레는 용접에 의하여 또는 이들 플레이트를 용접에 의하여 또한 기밀유지된 케이싱에 삽입함으로써 기밀유지가 된다. 또한, 튜브의 단부들의 둘레는 이들 2개의 동일한 플레이트들과 또는 컨테이너(container)로도 불리는 케이싱과 용접함으로써 기밀유지가 된다.

이렇게 형성된 조립체의 통상적인 탈기(degassing) 후, 조립체는 열간 정압사이클을 거치고, 그동안에 압력가스는 조립체의 부재(element)들 사이의 계면(interface)에 침입할 수 없으며, 조립체의 부재들은 확산에 의하여 서로에 대하여 적절하게 용접될 수 있다. 한편, 압력가스는 튜브들의 내부로 침입하여 튜브들이 조립체의 외무표면들의 압력과 동일한 압력을 받게 된다. 따라서 튜브들의 압착(crushing)이 일어나지 않고, 튜브들의 초기 기하구조를 유지한다.

그럼에도 불구하고, 어떤 실시예들에서, 채널들의 형상은 튜브들로부터는 얻을 수 없는 바, 특히 채널형상이 굴곡부를 포함하면 너무 두드러져서 곧은 튜브들을 굽힘(bending)으로써 얻어질 수 없다.

이러한 관점에서, 홈이 형성된 플레이트들 사이에 임의의 튜브를 끼우지 않고, 홈이 형성된 플레이트들의 열간 정압 압축으로 확산용접에 의한 조립은, 상당한 구조물의 열화가 있어야만 가능하다. 게다가, 채널들의 입구 및 출구들이 밀봉적으로 폐쇄되지 않으면, 압력가스가 홈이 형성된 플레이트들 사이로 침입하여 그들의 접합을 방해한다. 반대로, 채널들의 입구 및 출구들이 밀봉적으로 폐쇄되면, 채널들이 압력에 의하여 압착되어, 채널들의 치수 정확성에 수용할 수 없는 손실로 이어지거나 또는 심지어 채널이 없어지기도 한다. 그러한 경우, 압력의 감소는 물론 채널들의 보다 약한 압착을 유발하지만, 용접 접합부들의 저항의 감소가 또한 수반된다.

채널들의 압착을 피하기 위한 다른 기술적 해결방안은, 문서 JP-A-2006 263746에 기재된 바와 같이, 화학적 용해에 의해 또는 다른 수단에 의해 조립 후 제거될 수 있는 재료로 만들어진 코어(core)들로 홈들을 충전하는 것이다. 그러나 실제로, 충전재료의 한정 및 그 제거가 매우 어려운 것으로 알려져 있다.

또한, 다른 제조방법이 문서 FR-A-2 879 489로 알려져 있다. 이는 플레이트에 채널로 될 예정인 홈들을 기계가공하고, 용접으로 얇은 스트립들을 추가함으로써 이 홈들의 상부를 밀봉하며, 홈이 형성된 플레이트 위에서 열간 정압 압축으로 확산용접에 의하여 얇은 스트립들을 덮는 덮개(lid) 형상을 갖는 제2부재를 조립하는 것으로 구성된다. 이러한 해결방안은 몇 가지 결점을 갖는바, 그 중에서 고비용, 채널이 곧지 않을 때 얇은 스트립의 용접 곤란성, 다중 채널 또는 매우 긴 채널들을 포함하는 구조물을 위한 스트립들의 모든 용접부들의 밀봉 확보 및 제어의 곤란성, 또는 소위 << 3D >> 채널들을 형성함에 있어서, 또는 나아가서 채널의 높이에서 비규칙적인 채널 폭을 갖는 채널을 형성하가기 불가능하다.

끝으로, 다른 제조방법이, P. Norajitra 등의 문서 << EU HCPB 블랭킷용 제1벽 및 냉각플레이트 시편에 관한 HIP 실험>>, 뉴클리어 머티리얼 저널 307-311 페이지(2002)로부터 알려져 있다. 이에는 열간 정압 압축으로 2단계로 확산용접함으로써 기본 부재들을 조립하는 것으로 구성된 원리가 기재되어 있다. 기본 부재들의 전부 또는 일부는, 이들을 나란히 정렬함으로써 원하는 채널들을 재형성할 가능성을 제공한다. 이러한 기본 부재들은 조립체를 형성하기 위하여 밀봉된 컨테이너 내부로 삽입되고, 이 조립체는 탈기된 다음 또 밀폐된다.

대신에, 기본 부재들의 둘레는 밀봉되게 용접되고 또 채널들은 밀폐되어, 중공 영역을 포함하는 기밀 케이싱을 형성하도록 된다.

확산용접을 위한 제1단계 동안에, 열간 정압 압축의 온도 및 압력조건들은, 한편으로는 그들의 계면을 기밀상태로 만드는 부위들의 용접을 얻기 위하여 또 다른 한편으로는 채널들의 가능한 변형이 무시 가능하게 남도록 하기 위하여, 유지된다.

이러한 제1단계 후에, 조립체는 채널들을 향하여 천공되어 공기가 그 내부로 침입하는 것을 허용한다. 다음으로, 중공영역의 밀봉이 파괴되고, 더욱 높은 압력에서 얻어진 확산에 의하여 제2용접단계가 이어져서 기본 부재들 사이에 양호한 품질의 확산 용접이 얻어지는 것을 보증한다. 이러한 제2단계 동안에, 제1용접단계와는 달리 압력가스가 채널들로 침입하여, 채널들의 압착이 안 될 수도 있고 또 수용가능한 기하구조가 존속할 수 있다.

이러한 해결방안은 많은 결점을 갖는바, 그 중에서 채널에 직각으로 조립체를 천공하기 위하여 양쪽 단계에서 공기빼기(venting)를 하면서, 조립체를 열간 정압 압축 용기(enclosure) 내부로 2번 통과시키는 요구조건이다. 이는 오랜 제조시간과 높은 제조비용을 발생시킨다. 또한, 천공공정 동안의 에러 위험성이 존재하는바 왜냐하면 대형 사이즈일 수 있고 또 채널들의 배치를 미세하게 하는 제1단계 동안에 변형을 받을 수 있는 구성부품을 정확하게 천공하는 것이 문제일 수 있기 때문이다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 실시예들과 관련한 상기 언급된 결점들에 대한 해결책을 적어도 부분적으로 발견하는 것이다.

이를 위하여, 본 발명의 목적은 열간 정압 압축에 의하여 중공영역을 갖는 모듈을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것으로, 이 방법은 중공영역을 형성하는 중첩된 부재들을 포함하는 조립체를 제작하는 단계를 포함하되, 상기 조립체는 상기 중공영역을 포함하는 기밀 케이싱을 형성하도록 제작되고, 또 조립체의 외부로부터 상기 중공영역을 분리하는 적어도 하나의 용융가능한 폐쇄부재(obturation member)를 포함하고, 이어서 상기 폐쇄부재들의 확산에 의하여 용접부를 얻기 위하여 상기 조립체의 열간 정압 압축을 위한 단계가 수행되며, 이 단계는 온도 및 압력조건들을 변화시킴으로써 이루어져서 이 단계 동안에 온도 및 압력조건들의 변화가 상기 용융가능한 폐쇄부재를 파괴하여, 압력가스가 상기 중공영역으로 침입하는 것을 허용하게 된다.

따라서 상기 열간 정압 압축단계는, 폐쇄부재의 파괴에 선행하는 제1상태 (a first phase)를 포함하고, 이 상태 동안에 조립체의 부재들은 중공영역에 침입할 수 있는 압력가스가 없이 확산에 의하여 계면들에 용접되기 시작하고 또 계면들에서 이러한 용접작동을 교란(perturb)하기 시작한다. 이러한 제1상태 동안에 관찰된 용접부는 계면들에서 밀봉을 얻기에 충분하나, 낮은 기계적 강도를 가져서, 후속의 제2압축 상태의 적용에 의하여 강화되도록 된다. 이러한 제2압축 상태를 시작하기 전에, 가해진 온도 및 압력조건들은 폐쇄부재의 파괴를 유발하고, 이는 제1상태와 달리 중공영역으로 압력가스의 침입으로 나타난다. 이는 제1상태 동안 보다도 훨씬 큰 압력의 적용을 허용하여, 중공영역의 압착을 유발함이 없이 확산용접된 계면들에서 강한 기계적 강도를 얻기에 유리하고, 따라서 원하는 기하학적 구조를 얻을 수 있다. 이는 중공영역의 내부가, 압축을 받고 있는 조립체의 외부표면에 적용되는 압력과 동일한 압력을 받는다는 사실에 의하여 설명된다.

본 발명에 특별한 이러한 원리는, 제조시간 및 비용 항목의 이득으로 표현되는 제조의 단순화를 제공하는 점에서 유리하다. 이러한 이득은 특히 열간 정압 압축의 동일한 단계 동안에 폐쇄부재의 자동적인 파괴로부터 얻어지고, 조립체를 천공하기 위하여 압력용기로부터 조립체를 꺼내고 또 이를 압력용기 내부로 재장입할 필요가 없는 바, 이는 <<EU HCPB 블랭킷용 제1벽 및 냉각플레이트 시편에 관한 HIP 실험>> 란 제목의 종래기술에서의 경우에서 그러하였다.

또한, 방법의 신뢰도가 만족스러운바, 왜냐하면 바로 직전에 언급된 종래 기술에 기재된 천공작동과는 달리, 폐쇄부재의 파괴가 조립체의 외부와 중공영역 사이의 연통을 보증하기 때문이다.

조립체는 필요에 따라 하나 이상의 용융가능한 폐쇄부재를 포함할 수 있다. 이러한 관점에서, 폐쇄부재의 파괴 후에 조립체의 외부와 중공영역 사이에 동일한 연통 경로를 생성하기 위하여 몇몇 부재들이 중첩될 수 있다.

나아가서, 본 발명은 특히 채널들이 금속시트에 레이저 가공으로 만들어진다면, 바람직하기에는 채널들의 형상을 나타내는 중공영역의 형상을 선택함에 큰 자유도를 허용한다. 예컨대 <<3D>> 채널과 같은, 얻어진 채널의 복잡한 형상은 열교환기 내에 사용되면 컴팩트하고 또 열적으로 고성능인 모듈을 얻게 되고, 또 열교환기/반응기 내에 사용되면 화학 반응물의 혼합에 고성능인 모듈을 얻게 된다.

끝으로, 본 발명은 부재들을 조립하기 위하여 어떠한 납땜도 필요하지 않으므로, 부식성 유체를 사용하는 경우에 아무런 문제가 없다.

바람직하기에는, 온도 T1, 압력 P1에서 지속시간 D1 동안에 제1압축 상태를 얻기 위하여 또 그 다음 온도 T2, 압력 P1 보다 더 큰 압력 P2에서 지속시간 D2 동안에 제2압축 상태를 얻기 위하여 상기 온도 및 압력조건들이 유지되고, 상기 용융가능한 폐쇄부재의 파괴가 제1 및 제2압축 상태 사이에서 야기된다. 압력 P1 및 P2으로 지속시간 D1 및 D2 에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지된다.

따라서, 제1압축 상태는 보다 낮은 압력에서 얻어지고, 그럼에도 불구하고 중공영역의 압착을 유발함이 없이 조립체의 부재들의 계면들에서 밀봉이 얻어지는 것을 허용한다. 제2단계 동안에 최고 압력이 가해지는바 왜냐하면 이는 계면들에서 강화된 기계적 접합부들을 얻을 가능성을 부여하기 때문이다. 그러므로 압력의 상승 동안에 폐쇄부재의 파괴가 이루어진다. 이러한 폐쇄부재의 속성에 따라, 압력의 영향 하에서 파열(bursting)에 의해, 또는 온도의 영향 하에서 용융온도에 도달한 때에 액화 또는 파열에 의하여 폐쇄부재의 파괴가 얻어진다. 이러한 관점에서, 폐쇄부재의 온도는 압력에 의한 파열의 순간에 영향을 줄 뿐만 아니라, 압력은 액화된 폐쇄부재가 파괴되는 순간에 영향을 미친다.

어떤 경우라도, 폐쇄부재가 온도의 영향 하에서 액화에 의하여 파괴되도록 설계된 때에, 온도 T2 는 온도 T1 이상의 값으로 설정되고, 폐쇄부재의 융점은 온도 T1 과 T2 사이에 포함된다. 또한, 온도 T2는, 폐쇄부재가 압력의 영향 하에서 파열에 의해 파괴되도록 제공된 때라도 온도 T1 이상의 값으로 설정될 수 있고, 또 이는 확산에 의한 용접을 향상시킬 목적을 갖는다. 그럼에도 불구하고, 온도 T1 과 T2는, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 동일하거나 또는 근접할 수 있다.

바람직하기에는, 그리고 특히 사용된 합금이 철, 니켈 또는 구리, 또는 스테인리스강에 기초한 경우, 또는 티타늄 기지의 합금인 경우, 상기 압력 P1 은 50 과 200 바아 사이에 포함되고, 예컨대 150 바아에 근접하며, 압력 P2 는 1,000 과 2,000 바아 사이에 포함되고, 예컨대 1,500 바아에 가깝다. 압력 P1 과 P2 는 지속시간 D1 과 D2 동안에 상기 한계 내에서 변화할 수 있으나, 바람직하기에는 대체로 일정하다.

바람직하기에는, 상기 온도 T1 과 T2 는 각각 900 과 1,200℃ 사이에서 구성된다.

바람직하기에는, 앞서 언급된 바와 같이, 폐쇄부재는 열적인 퓨즈(fuse) 또는 기계적인 퓨즈를 형성한다. 첫 번째의 경우에는 열의 영향 하에서 액체로 될 때 퓨즈의 파열이 얻어지는 반면에, 두 번째의 경우에는 압력의 영향 하에서 파괴됨으로써 퓨즈의 파열이 얻어진다. 이들 각각의 경우에서, 파괴된 퓨즈는 더 이상 폐쇄기능을 충족시키지 않고 또 그 결과로서 중공 영역과 조립체의 외부 사이에 유체연통을 허용한다.

예컨대, 상기 폐쇄부재는 0.3 과 0.5mm 사이의 평균 두께를 갖는 격막(membrane)형상을 갖는다.

바람직하기에는, 상기 폐쇄부재는, 조립체의 상기 부재들 중의 하나의 일체 부위이거나 또는 예컨대, 용접에 의하여 이러한 부재들 중의 하나에 추가된다.

바람직하기에는, 상기 중공 영역은 복수의 유체순환채널 중의 하나 이상의 형태를 갖는다.

바람직하기에는, 상기 모듈은, 상기 언급된 모든 적용례들이 고려될 수 있다면, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 열교환기 시스템을 준비하기 위하여 제공된다.

바람직하기에는, 상기 모듈은, 플레이트의 형태를 가질 뿐만 아니라 상기 조립체의 각 구성부재들도 플레이트의 형태를 취한다.

본 발명의 다른 이점 및 특징들이, 이하의 한정적이지 않은 상세설명에서 명확해질 것이다.

본 상세설명은 첨부된 도면을 참조하여 이루어질 것이다:
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법의 적용으로 후속적으로 얻어진 유체순환 모듈의 개략적인 사시도를 나타낸다;
도 2는, 도 1의 모듈을 형성하도록 된 조립체의 처리하기 전의 분해사시도를 나타낸다;
도 3은, 도 2에 도시된 조립체의 분해하기 전의 사시도를 나타낸다;
도 4는, 도 2와 3에 도시된 조립체의 일부를 나타낸다;
도 5는, 도 4의 V - V 선을 따른 단면도이다;
도 6은, 조립체의 열간 정압 압축을 위한 단계 동안에 적용된 온도 및 압력조건들의 시간 의존성을 나타내는 그래프이다;
도 7은, 용융가능한 폐쇄부재의 파열 후, 도 5와 유사한 단면도를 나타낸다; 및
도 8과 9는, 용융가능한 폐쇄부재에 대한 변형예를 도시한다.

도 1을 참조하면, 예컨대 화학적 또는 약학적 제품을 제조하기 위하여 제공된, 바람직하기에는 교환기/반응기 타입의 열교환기 시스템용 모듈(1)이 도시된다. 예컨대, 이러한 모듈은 30cm 정도의 길이, 15cm 정도의 폭, 1 내지 2cm 정도의 두께를 갖는다. 그러나 시스템의 적용에 따라 임의의 치수가 고려될 수 있다.

본 발명에 특수한 제조방법이 후술될 모듈(1)은, 유체순환을 위한 하나 또는 복수의 채널(2)이 교차된 대체로 평행 6면체 형상 또는 플레이트 형상을 갖는다. 도시된 예에서, 입구(2a)와 출구(2b)를 갖는 하나의 채널(2)이 제공되고, 그 사이에 바람직하기에는 서로 평행한 복수의 채널섹션(2')이 갖춰진다. 섹션(2')들은 그들의 마주보는 단부에서 쌍으로 연결된다. 채널섹션(2')들은 대체로 직선일 수 있고, 또는 도 1의 점선으로 개략적으로 도시된 바와 같이 소위 굴곡진 또는 지그재그 형상과 같은 널리 알려진 적합한 기타 형상을 취할 수도 있다. 또한, 이러한 채널(2)들의 단면은 필요에 따라 수정될 수도 있다. 예시적인 예로서, 정사각형, 직사각형 또는 나아가서 << 3D >> 채널을 생성하기 위하여 시간에 걸쳐 변화될 수 있는 형상일 수 있다.

이러한 채널(1)의 제조를 개시하기 위하여, 적층된(stacked) 부재들의 조립체가 먼저 만들어지고, 이 조립체는 도 2에서 일반적으로 참조부호 4로 표기된다.

적층작업은 통상적인, 바람직하기에는 수평한 지지대 상에서 수행되는바, 예컨대 염화구리 합금처럼 구리 함량이 높은 합금과 같은 높은 열전도성을 갖는 합금으로 된 금속 플레이트(6)가 그 위에 제일 먼저 놓여진다.

상기 플레이트(6)의 표면 위에는, 채널(2)을 도시하기 위하여 가공된 다른 플레이트(10)가 위치된다. 이러한 가공은 바람직하기에는, 예컨대 스테인리스 강 316L과 같은 스테인리스 강으로 만들어진 금속 플레이트(10)를 매개로 레이저 절삭가공에 의하여 수행된다.

도시된 예에서, 각 채널섹션(2')의 단면은 한 변이 약 3mm인 정사각형이다.

다음, 대체로 첫 번 째와 동일하면서 3mm정도의 두께를 갖는 다른 플레이트(6)가, 홈이 형성된 플레이트(10)를 덮는다. 따라서 채널섹션(2')은 하부의 플레이트(6)에 의하여 아래쪽으로 그리고 상부의 플레이트(6)에 의하여 위쪽으로 폐쇄된다.

본 발명의 특징들 중의 하나는, 홈이 형성된 플레이트(10)가, 도 3에 도시된 적층된 상태인 조립체(4)의 외부로부터, 중공영역을 형성하는 채널(2)을 분리하는 하나 또는 몇몇의 용융가능한 폐쇄부재들을 구비한다는 점이다. 특히, 2개의 폐쇄부재가, 홈이 형성된 플레이트(10)의 2개의 돌출부(14)에 각각 구비되어, 유체순환 채널(2)의 입구 및 출구를 향하도록 배열된다.

용융가능한 폐쇄부재(12)들 중의 하나가 도 4와 5에 상세히 도시되고, 다른 하나는 기능 및 구조 면에서 모두 이와 동일 또는 유사함을 알 수 있다. 이들 도면에서, 돌출부(14)는 채널(2)의 입구(2a)에 직각으로 위치되는 것을 실제로 볼 수 있다. 플레이트(10)의 외부로부터 채널(2)을 향하여 돌출부(14)를 통해 관통부(16)가 형성된다. 그럼에도 불구하고, 상기 관통부(16)는 채널을 개방(unblock)하지는 않는바, 왜냐하면 용융가능한 폐쇄부재를 형성하기 위하여 채널 사이에 재료의 연결대(ligament)가 격막으로서 유지되기 때문이다. 관통부의 직경은 2mm 정도이다. 압축 동안에 재료의 열간 기계적 거동의 법칙 및 가해진 온도 및 압력을 사용하여 유한요소법 계산으로 바람직하게 결정된, 평균 두께(E)를 갖는 잔류 연결대는, 바람직하기에는 0.3 과 0.5mm 사이, 더욱 바람직하기에는 0.4mm 정도로 구성된다. 이는 후술하는 바와 같이, 그 두께는 제1열간 정압 압축 상태를 위한 채널(2)의 폐쇄를 보증하고, 또 다음에는 제2열간 정압 압축 상태 동안에 가압가스가 채널로 도입되는 것을 허용하기 위하여 자동으로 해제되는 기능을 수행할 수 있도록 설정된다.

일단 플레이트(6, 10)들이 적충되면, 이 플레이트들은, 중공영역을 형성하는 채널을 포함하는 기밀 케이싱을 형성하기 위하여, 바람직하기에는 TIG용접에 의하여 플레이트들의 둘레에서 서로 용접된다. 이러한 특별한 경우에, 기밀 케이싱은 양쪽 플레이트(6)와, 양쪽의 용융가능한 폐쇄부재(12)를 포함하는 홈이 형성된 플레이트(10)의 둘레 및, 도 3에서 참조부호 18로 표기된 주변 벽들에 의하여 형성된다.

비록 도시되지 않았다 하더라도, 하나의 용융가능한 부재의 존재가 충분할 수 있음을 알 수 있다. 하나 이상의 용융가능한 부재, 특히 채널의 각 단부에 하나를 위치시키는 것으로 구성된 도 3에 도시된 바람직한 실시예는, 부재들 중의 하나가 결함이 있을 경우에 폐쇄방법을 확보할 가능성을 부여한다.

변형 실시예는, 폐쇄부재(들)이 빠져나오도록 하는 개구부들을 포함하는 컨테이너 내부로 조립체(4)를 슬라이딩시키는 것을 포함한다. 컨테이너의 내부는, 적층함에 대응하는 형상을 갖거나 또는 열간 정압 압축 동안에 변형되거나 또 조립체(4)에 압력을 전달하도록 충분히 유연하다. 컨테이너의 외부로 돌출하는 용융가능한 부재들은, 컨테이너/용융가능한 부재의 계면을 밀봉하기 위하여 그 둘레에서 용접된다. 이러한 기술은, 원하는 모듈이 몇몇 유체순환단계들, 즉 플레이트의 적층방향을 따라 고체 플레이트에 의해 홈이 형성된 플레이트들을 서로 적층함으로써 얻어진 몇몇 중첩된 채널을 포함할 때 특히 바람직하다. 이는 또한 플레이트(6, 10)의 둘레가 예컨대, 야금학적인 적합성을 이유로 용접될 수 없을 때에 바람직하다.

모듈(1)의 제작작업은, 열간 정압 압축에 의하여 조립체(4)를 처리함으로써 계속된다. 압축하기 이전에, 도 2에 도시된 바와 같이 케이싱, 여기서는 플레이트(6)들 중의 하나의 벽에 형성된 오리피스(20)를 매개로 펌핑작업을 함으로써 적층체의 탈기(degassing)작업이 수행된다. 일단 탈기작업이 완료되면, 조립체(4)의 외부에 대하여 채널(2)의 밀봉을 얻기 위하여, 오리피스(20)가 스토퍼(22)로써 밀봉되게 폐쇄된다.

조립체(4)의 압축작업이, 도 6을 참조하여 이제 상술되는 온도 및 압력조건을 적용함으로써 적절한 용기(도시 안 됨)내에서 수행된다.

상기에서 언급된 바와 같이, 무엇보다 먼저 압력 및 온도 상승이 이루어져 순간 ta에서 P1 및 T1 값에 각각 도달한다. 이러한 상승은 1 시간 또는 더 길게 유지될 수 있고, 퓨즈는 비활성 상태로 남아있음을 알 수 있다.

이러한 순간 ta으로부터, 제1 열간 정압 압축 상태가 수행되고, 그동안에 T1 및 P1 값이 약 1,100℃ 및 150 바아에서 각각 유지된다. 이러한 제1상태 동안에, 플레이트(6, 10)들은, 압력가스가 채널(2) 내로 침입할 수 없이 또 용접부를 방해함이 없이 확산에 의해, 즉 고체상태에서 계면들과 접합되기 시작한다. 지속시간 D1이 약 1시간인 이러한 제1상태 동안에 관찰된 용접부는, 계면들의 밀봉을 얻기에 충분하지만, 낮은 기계적 저항성을 가지므로, 후속적인 제2압축상태를 적용함으로써 강화될 예정이다. 여기서, 상기 언급된 계면들은 물론 플레이트(6, 10)들 사이의 접촉면들이다.

제1상태 동안에 가해진 압력 P1 및 온도 T1은 폐쇄부재(12)의 파열을 유발하기에 충분하지 않고, 이는 아마도 약간의 변형 가능성에 저항하게 된다. 더구나, 압력가스가 계면들에서의 용접부를 방해하지 않도록 보증하는 것은 상기 부재들이 보존되기 때문이다.

압축단계는, 온도 값 T2 가 1,200℃ 그리고 압력 값 P2 가 1,500 바아 정도로 각각 온도 및 압력이 새롭게 상승함으로써 계속된다.

이러한 압력 상승 동안에, 지속시간 D2 는 1 내지 2시간 정도일 수 있고, 각 폐쇄부재(12)는 가해진 압력의 영향 하에서 파열됨으로써 파괴되며, 폐쇄부재는 기계적인 퓨즈의 기능을 완수한다. 파열순간 tr 로부터, 케이싱의 밀봉이 파괴되고, 조립체(4)의 외부와 채널(2) 사이의 연통이 이루어진다. 따라서 압력가스는 접합 오리피스(24)를 매개로 채널(2) 내부로 침입할 수 있는바, 환언하면 도 7에 도시된 바와 같이 최초에 구비된 부재(12)에 통로가 형성된다. 바람직하기에는 순간 tr 은 순간 tb에 근접한다.

순간 tc에서, 일단 압력 P2 및 온도 T2에 도달하면, 제2압축 상태가 시작된다. 이는 냉각의 개시에 대응하는 순간 td 까지 약 2시간 동안 지속할 수 있다. 제2압축상태는, 제1상태 동안 보다도 더 큰 압력을 적용할 가능성이 있는바, 이는 확산용접 계면들에서 강한 기계적 강도를 얻기에 유리하여, 채널(2)의 압착을 유발하지 않고 그럼으로써 원하는 기하구조를 유지할 수 있다. 이는 채널(2)의 내부가, 압축을 받고 있는 조립체의 외부표면에 가해진 압력과 동일한 압력을 받게 된다는 사실에 의하여 설명된다.

그러면, 유체순환채널(2)이 교차된 예컨대, 다중재료와 같은 대형 블럭에 대응하는 소위 모놀리식(monolithic) 모듈인, 모듈(1)이 얻어진다.

모듈(1)을 사용하기 이전에, 모듈에서 유체의 만족한 유입 흐름/배출 흐름을 허용하기 위하여 각각의 접합 오리피스(24)는, 가공에 의하여 재조정되거나, 또는 입구(2a)/출구(2b)를 도시하기 위하여 도 3, 4 및 7에 도식화된 평면(28)을 따라 구획된다.

열교환기에서 모듈을 사용하는 동안에, 유체는 예컨대 채널(2)의 입구(2a)에 위치된 유입 매니폴드(도시 않됨)를 통해 도입된다. 다음, 유체는 출구(2b)를 통해 배출되기 전에 채널(2) 내에서 구불구불 흘러서 순환되고, 예컨대 시스템의 배출 매니폴드(도시 않됨)로 침입한다.

이제 도 8을 참조하여, 용융가능한 폐쇄부재(12)에 대한 변형예가 도시된다. 폐쇄부재(12)는 더 이상 홈이 형성된 플레이트(10)와 일체 부위가 아니고, 바람직하기에는 용접에 의하여 플레이트(10) 상에 부가된다. 이는 이러한 목적을 위하여 제공된 오리피스 내부로 슬라이딩되거나 또는 도 8에 도시된 바와 같이 플레이트의 가장자리에 부가될 수 있다. 이러한 폐쇄부재는 상기에서 기술된 것과 유사한 기계적인 퓨즈의 형태를 취하거나, 또는 순간 tb에서 시작된 온도 상승 동안에 파괴되도록 온도 T1 과 T2 사이에 융점이 포함되는 열적 퓨즈의 형태를 가질 수 있다. 구리, 또는 심지어 공융(eutectic) 혼합물과 같은 임의의 재료가 고려될 수 있다.

도 9에서, 상기의 양쪽 해결방안이 조합되는바, 왜냐하면 홈이 형성된 플레이트(10)는 채널(2)과 관통부(16)의 출구를 향하는 재료의 연결대(12)뿐만 아니라, 조립체를 수용하는 용기(30)에 형성된 관통 오리피스(29)를 폐쇄하는 다른 부재(12a)가 구비되기 때문이다. 이러한 구성에서, 오리피스(29)는 관통부(16)와 연속하여 위치된다. 여기서, 양쪽 퓨즈는 각각, 순간 tb에서 시작된 온도 및 압력 상승 동안에 동시에 또는 순차적으로 파괴되도록 설정되어, 제2압축 상태의 개시 순간 tc에서 채널(2)이 케이싱(30)의 외부와 연통하게 된다. 바람직하기에는, 퓨즈(12a)는 열적 퓨즈이고, 또 퓨즈(12)는 기계적 퓨즈이며; 이 경우 열적 퓨즈는, 낮은 압력상태 동안에 기계적 퓨즈(12)를 압력으로부터 차단함으로써 이를 보호한다. 이는 만일 연결대 두께 E가 의도한 것보다 작다면, 기계적 퓨즈의 조기 파괴 위험성을 감소시키는 효과를 갖는다.

단지 비한정적인 예로서 상기에서 기재된 본 발명에 대하여 당업자에 의해 다양한 수정들이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (9)

1. 열간 정압 압축에 의하여 중공영역(2)을 갖는 모듈(1)을 제조하기 위한 방법으로서,
   중공영역을 형성하는 중첩된 부재(6, 10)들을 포함하는 조립체(4)를 제작하는 단계를 포함하고, 상기 조립체는 상기 중공영역을 포함하는 기밀 케이싱을 형성하도록 제작되고, 또 조립체의 외부로부터 상기 중공영역(2)을 분리하는 적어도 하나의 용융가능한 폐쇄부재(12)를 포함하고,
   이어서 상기 폐쇄부재들의 확산 용접을 얻기 위하여 상기 조립체의 열간 정압 압축 단계가 수행되며, 이 단계는 온도 및 압력조건들을 변화시킴으로써 실행되어, 이 단계 동안에 온도 및 압력조건들의 변화가 상기 용융가능한 폐쇄부재를 파괴하여, 압력가스가 상기 중공영역으로 침입하는 것을 허용하는 것인 모듈 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도 및 압력조건들은, 지속기간 D1 동안에 온도 T1, 압력 P1에서 제1압축상태를 달성하고, 또 지속기간 D2 동안에 온도 T2, 압력 P1 보다 큰 압력 P2 에서 제2압축상태를 달성하도록 유지되며, 제1 및 제2 압축상태 사이에서 상기 용융가능한 폐쇄부재의 파괴가 유발되는 것인 모듈 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 압력 P1 은 50 내지 200 바아 사이에 포함되고, 또 압력 P2 는 1,000 내지 2,000 바아 사이에 포함되는 것인 모듈 제조 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 온도 T1 과 T2 는 각각 900 내지 1,200℃ 사이에 포함되는 것인 모듈 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 항에 있어서, 상기 폐쇄부재(12)는 열적 퓨즈 또는 기계적 퓨즈를 형성하는 것인 모듈 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폐쇄부재(12)는, 상기 조립체의 부재들 중의 하나의 일체 부위이거나 또는 이들 부재들 중의 하나 위에 부가된 것인 모듈 제조 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 영역은, 하나 또는 복수의 유체순환 채널(2)의 형태를 갖는 것인 모듈 제조 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈(1)은 열교환기 시스템을 만들기 위하여 제공되는 것인 모듈 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈(1)은 플레이트 형태를 갖는 것인 모듈 제조 방법.

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