KR20170014315A - 열교환기용 튜브시트 제조방법 - Google Patents
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Abstract
열교환기용 튜브시트 및 그것의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트 및 그것의 제조방법은 튜브 결합공 및 부식성 유체가 접촉될 수 있는 부분의 경계부분만이 용접된 클래드 강판으로 튜브시트가 형성되도록 함으로써 튜브시트를 제조하는 데에 소요되는 시간 및 노력이 절감되도록 할 수 있고, 클래드 강판의 형성에 마찰교반용접 방법을 적용함으로써 튜브시트 내의 잔류응력 및 변형을 최소화함으로써 튜브시트의 치수정확도 및 내구성이 향상되도록 할 수 있다.
Description
본 발명은 열교환기용 튜브시트 및 그것의 제조방법에 관한 것으로, 클래드 강판으로 이루어진 열교환기용 튜브시트를 제조하는 데에 소요되는 시간 및 노력을 절약할 수 있는 열교환기용 튜브시트 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.
열교환기는 서로 온도가 다른 두 종류의 유체 사이에 열을 주고받도록 하는 장치를 지칭한다. 넓은 의미로는 냉각기, 응축기, 재가열기, 증발기, 예열기 등 열교환이 일어나는 다양한 목적의 장치를 포함하지만, 보통은 열의 회수를 목적으로 하는 것을 열교환기라 칭한다.
열교환기는 그 구조에 따라 다관식 열교환기, 이중관식 열교환기, 평판형 열교환기, 공냉식 열교환기, 가열로, 코일식 열교환기 등으로 구분된다. 이들 중 다관식 열교환기는 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있고 신뢰성과 효율이 높으므로 가장 널리 사용되고 있다.
다관식 열교환기는 외각을 이루는 동체(셸, shell) 내에 다수의 튜브(tube)로 이루어진 튜브번들(tube bundle, 관속)을 배치하고, 튜브번들의 일단 또는 양단을 튜브시트(tube sheet)로 고정시킨 구조를 갖는다.
상술한 바와 같은 다관식 열교환기가 도금공장과 같이 부식성이 큰 폐수가 발생되는 화학공업분야에 적용되어 폐수로부터 열을 회수하는 용도로 사용될 경우, 튜브 및 튜브시트 등에 부식이 발생되어 다관식 열교환기의 수명이 크게 단축되는 문제가 발생될 수 있다.
이러한 문제를 해결하고자 다관식 열교환기(이하, '열교환기'라고 함) 전체를 내부식성의 금속으로 제조할 경우, 충분한 구조적 강도를 갖는 동시에 내식성을 갖는 소재는 대부분 고가이므로 대규모의 열교환기를 제조하는 데에는 과도한 비용이 소요되는 문제가 다시 발생될 수 있다.
이에, 철과 같이 가격이 비교적 저렴하면서도 구조적 강도가 높은 소재에 부식성의 유체가 접촉되는 부분에만 내식성의 소재를 접합한 클래드 강판(clad sheet, 합재 또는 클래딩(clading)이라고도 함)을 적용함으로써 구조적인 강도와 내식성을 모두 얻을 수 있으면서도 가격의 상승은 최소화 할 수 있는 방법이 사용되고 있다.
예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0007950호(이하, '특허문헌 1'이라고 함) 및 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0067919호(이하, '특허문헌 2'라고 함)에는 내식성이 필요한 부분에만 내식성 소재를 접합한 부분적 클래드 강판을 열교환기에 적용하는 내용이 제안되어 있다.
그런데, 특허문헌 1의 경우에는 튜브시트와 튜브가 결합되는 부분에만 내식성의 소재를 추가로 용접한 다음 튜브가 결합될 부분을 재가공하는 방법이 제안되어 있고, 특허문헌 2의 경우에는 적층된 이종소재의 사이에 용융된 금속이 침투하게 함으로써 이종소재가 서로 결합되도록 하는 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 1 및 특허문헌 2는 상술한 공정에 상당한 시간과 노력이 소요되며, 튜브시트 전체가 아닌 튜브시트와 튜브가 결합되는 부분만 내식성 소재가 결합되므로, 그 외의 부분은 내식성이 취약하다는 문제가 여전히 남게 된다.
따라서, 튜브시트를 클래드 강판으로 제조하여 구조적 강도 및 내식성을 모두 얻을 수 있으면서도, 튜브시트의 제조에 소요되는 시간 및 노력을 더욱 절약할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
본 발명의 실시예는 클래드 강판으로 이루어진 튜브시트를 제조하는 데에 소요되는 시간 및 노력이 절감되도록 하고자 한다.
또한 본 발명의 실시예는 클래드 강판으로 이루어진 튜브시트가 충분한 내식성 및 밀폐성을 갖도록 하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 튜브 단부가 결합되는 열교환기용 튜브시트의 제조방법으로서, 구조판재의 일면 또는 양면에 내식판재를 적층하는 적층단계와, 상기 내식판재에 상기 튜브의 수에 상응하는 수 만큼의 홀용접비드를 각각 형성하고 상기 홀용접비드가 형성되는 과정에서 상기 구조판재 및 상기 내식판재의 서로 접촉된 부분 중 상기 홀용접비드가 배치된 부분은 서로 용접되도록 하는 홀용접단계와, 상기 내식판재의 외주연이 상기 구조판재에 용접되도록 경계용접비드를 형성하는 경계용접단계와, 복수의 상기 홀용접비드로 둘러싸인 부분을 각각 삭제하여 복수의 상기 튜브의 단부가 각각 삽입되는 복수의 튜브홀을 형성하는 가공단계를 포함하는 열교환기용 튜브시트의 제조방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 튜브홀의 내주면은 상기 구조판재 및 상기 내식판재가 서로 용접된 부분의 범위 내에 배치될 수 있다.
한편, 상기 용접은 레이저용접, 전자빔용접 및 마찰교반용접 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 홀용접단계에서 상기 용접이 상기 마찰교반용접일 경우에는 상기 용접팁의 이송이 종료되는 지점은 상기 홀용접비드에 의해 둘러싸인 부분의 내측에 배치될 수 있다. 이때, 상기 용접팁의 이송이 시작되는 지점은 상기 홀용접비드에 의해 둘러싸인 부분의 내측에 배치될 수 있다.
상기 적층단계에서는 상기 구조판재의 일면 또는 양면에는 상기 내식판재가 삽입되는 형상으로 안착되는 안착부가 형성될 수 있다.
상기 가공단계에서는 상기 구조판재의 가장자리 부분에 방사상으로 배치된 복수의 체결홀이 형성될 수 있다.
상기 홀용접비드가 등간격으로 나란하게 배치된 복수의 직선 형상을 갖는 비드그룹을 형성하고, 상기 비드그룹은 서로 다른 각도로 복수 개 배치되어, 복수의 상기 홀용접비드가 복수의 격자 형상을 이룰 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 열교환기용 튜브시트의 제조방법에 의해 제조된 열교환기용 튜브시트로서, 상기 구조판재는 알루미늄 또는 철을 포함하고 상기 내식판재는 구리, 니켈 또는 티타늄을 포함하는 열교환기용 튜브시트가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 튜브 결합공 및 부식성 유체가 접촉될 수 있는 부분의 경계부분만이 용접된 클래드 강판으로 튜브시트가 형성되도록 함으로써 튜브시트를 제조하는 데에 소요되는 시간 및 노력이 절감되도록 할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예는 클래드 강판의 형성에 마찰교반용접 방법을 적용함으로써 튜브시트 내의 잔류응력 및 변형을 최소화함으로써 튜브시트의 치수정확도 및 내구성이 향상되도록 할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예는 용접 비드가 충분하게 형성된 부분에 튜브 결합공이 형성되도록 함으로써 충분한 내식성 및 밀폐성을 갖도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트가 적용된 열교환기를 예시한 단면도
도 2는 도 1에 도시된 열교환기용 튜브시트의 정면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도
도 4는 도 3의 적층단계를 설명하기 위한 도면
도 5는 도 3의 홀용접단계를 설명하기 위한 도면
도 6은 도 3의 경계용접단계를 설명하기 위한 도면
도 7은 도 6의 A-A 선분에 따른 단면도
도 8은 도 7에 홀가공이 행해진 후의 모습을 나타낸 단면도
도 9는 마찰교반용접을 설명하기 위한 도면
도 10은 마찰교반용접에 의한 홀용접단계를 설명하기 위한 도면
도 11 내지 도 14는 마찰교반용접에 의한 홀용접단계 및 가공단계의 변형예를 설명하기 위한 도면
도 2는 도 1에 도시된 열교환기용 튜브시트의 정면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도
도 4는 도 3의 적층단계를 설명하기 위한 도면
도 5는 도 3의 홀용접단계를 설명하기 위한 도면
도 6은 도 3의 경계용접단계를 설명하기 위한 도면
도 7은 도 6의 A-A 선분에 따른 단면도
도 8은 도 7에 홀가공이 행해진 후의 모습을 나타낸 단면도
도 9는 마찰교반용접을 설명하기 위한 도면
도 10은 마찰교반용접에 의한 홀용접단계를 설명하기 위한 도면
도 11 내지 도 14는 마찰교반용접에 의한 홀용접단계 및 가공단계의 변형예를 설명하기 위한 도면
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트가 적용된 열교환기를 예시한 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 열교환기용 튜브시트의 정면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트(200, 201)가 적용된 열교환기(100)에는 복수의 튜브(110), 셸(120), 고정헤드(140, 150) 및 배플(160)이 포함된다.
참고로, 열교환기(100)는 앞에서 언급했던 다관식 열교환기로, 다관식 열교환기는 그 구조에 따라 유동두형 열교환기, 고정관판형 열교환기, U자 관형 열교환기, 케틀형 열교환기 등으로 분류될 수 있다.
U자 관형 열교환기에는 하나의 튜브시트(200)만 사용되며, 그 외에는 한 쌍의 튜브시트(200, 201)가 사용되는 것이 일반적이다. 따라서, 열교환기의 종류에 따라 필요한 튜브시트(200, 201)의 수가 상이할 수 있다. 즉, 도 1에는 고정관판형 열교환기가 예시되어 있는데, 이는 튜브시트(200, 201)의 활용을 예시한 것으로 그 용도를 한정하는 것은 아님을 밝힌다.
복수의 튜브(110)는 서로 나란하게 배치되어 튜브번들을 형성한다. 도시되지는 않았으나, 열교환기(100)에는 복수의 튜브(110)가 자중에 의해 변형되어 튜브(110)들 사이의 간격이 불균일해지는 것을 방지하는 스페이서가 더 포함될 수 있다.
셸(120)은 중공관 형상의 동체로, 셸(120)의 양단에는 셸플랜지(121, 122)가 형성되며, 셸(120)의 양측에는 셸노즐(123, 124)이 형성된다.
셸(120) 내에는 복수의 튜브(110)가 배치되고, 튜브시트(200, 201)는 튜브(110)의 양측 단부가 각각 결합되며, 튜브시트(200, 201)는 셸(120)의 양단에 각각 배치된다.
튜브시트(200)에는 시트본체(210) 및 내식성부(220)가 포함된다.
시트본체(210)의 외각은 셸(120)의 개방된 양단부를 커버할 수 있는 형상을 갖도록 형성된다. 내식성부(220)는 시트본체(210)의 중간부분에 배치되며, 내식성부(220)의 외주연은 용접에 의해 경계용접비드(260)를 형성하며 시트본체(210)에 결합된다.
참고로, 시트본체(210)는 철이나 알루미늄과 같이 구조적인 강도가 높은 소재로 이루어질 수 있고, 내식성부(220)는 구리, 니켈 또는 티타늄과 같이 내식성이 높은 소재로 이루어질 수 있다.
튜브시트(200)의 내식성부(220)가 배치된 부분 내에는 튜브시트(200)를 관통하는 형상으로 복수의 튜브홀(230)이 형성된다. 이때 튜브홀(230)은 튜브(110)의 단부가 삽입될 수 있도록 형성되며, 튜브홀(230)의 가장자리 부분에는 홀용접비드(240)가 형성되어 있다. 홀용접비드(240)에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.
튜브시트(200)의 가장자리 부분에는 방사상으로 배치된 체결공(250)이 관통 형성된다.
참고로, 도 1에 도시된 튜브시트(201)는 도 2를 참조하여 설명한 튜브시트(200)와 동일하므로 설명을 생략한다.
고정헤드(140, 150)에는 헤드플랜지(141, 151) 및 고정헤드노즐(142, 152)이 각각 형성된다. 일측의 고정헤드(140)는 헤드플랜지(141) 및 셸플랜지(121)에 결합된다. 이때 튜브시트(200)는 헤드플랜지(141) 및 셸플랜지(121) 사이에 개재되는 형상으로 결합된다.
마찬가지로, 타측의 고정헤드(150)는 헤드플랜지(151) 및 셸플랜지(122)에 결합되며, 튜브시트(201)는 헤드플랜지(151) 및 셸플랜지(122) 사이에 개재되는 형상으로 결합된다.
자세하게 도시되지는 않았으나, 복수의 튜브(110)는 상술한 바와 같이 그 단부가 복수의 튜브홀(230)에 각각 삽입된 후 튜브홀(230)의 가장자리 부분에 용접된다. 그러므로, 셸(120)의 양측은 튜브시트(200, 201)에 의해 커버되며, 이에 따라 셸(120) 내부, 튜브(110)의 외주면 및 튜브시트(200, 201)에 의해 형성되는 공간과 고정헤드(140, 150) 및 튜브(110)의 내주면에 의해 형성되는 공간이 서로 분리된다.
이와 같이 분리된 공간에 의해 고정헤드노즐(142)로 제1 유체(180)가 유입되면, 제1 유체(180)는 고정헤드(140)의 내부, 복수의 튜브(110) 및 고정헤드(150)의 내부를 거친 후 고정헤드노즐(152)을 통하여 유출된다.
한편, 셸노즐(124)로 유입된 제2 유체(190)는 복수의 튜브(110) 사이를 거친 후 셸노즐(123)로 유출된다.
이 과정에서 제1 유체(180) 및 제2 유체(190)는 서로 혼합되지 않도록 별도의 경로를 유동하면서도 복수의 튜브(110)에 의해 형성된 다수의 유로로 분산 유동되면서 복수의 튜브(110) 및 튜브시트(200, 201)의 열전도에 의해 열교환이 일어난다.
여기서, 배플(160)은 제2 유체(190)의 유동경로가 연장되도록 하여 제2 유체(190)가 복수의 튜브(110)와 더욱 장시간 접촉되도록 함으로써 열교환 효율이 높아지도록 한다.
한편, 제1 유체(180)가 도금공장에서 배출된 부식성 유체이고, 열교환기(100)가 제1 유체(180)에 포함된 폐열을 회수하는 목적으로 사용되는 경우를 상정해 보기로 한다.
이때 제2 유체(190)로는 담수 또는 열매체유 등이 사용될 수 있으므로, 제2 유체(190)가 유동되는 셸(120)의 내주면, 튜브시트(200, 201) 및 튜브(110) 외주면에 의해 형성된 공간은 내부식성을 크게 요하지 않게 된다.
반면, 고정헤드(140, 150)의 내면, 튜브시트(200, 201) 및 파이프(110)의 내주면으로는 부식성이 높은 제1 유체(180)가 유동되므로 높은 내부식성이 요구된다.
이때, 고정헤드(140, 150)의 내면에는 내식성 소재가 코팅되도록 할 수 있다. 그런데 파이프(110) 및 튜브시트(200, 201)는 우수한 열전도성과 높은 구조적 강도가 요구되므로, 앞에서 설명한 바와 같이 클래드 강판이 사용된다.
반대로, 제2 유체(190)가 부식성 유체이고 제1 유체(180)가 담수 또는 열매체유인 경우에는 파이프(110) 및 튜브시트(200, 201)의 내식성을 갖는 부분이 앞에서 설명한 바와 반대가 되어야 한다. 또한, 제1 유체(180) 및 제2 유체(190)가 모두 부식성을 가질 때에는 파이프(110)의 내주면 및 외주면, 튜브시트(200, 201)의 양면 모두가 내부식성을 가져야 한다.
따라서, 튜브시트(200)의 내식성부(220) 필요에 따라 시트본체(210)의 일면 및 양면에 형성될 수 있다. 참고로, 도시되지는 않았으나, 파이프(110)는 내부식성을 갖는 소재가 접합된 클래드 강판을 롤링하는 방식으로 제조될 수 있는데, 이에 대해서는 설명을 생략한다.
이하에서는, 튜브시트(200)의 제조방법에 대해 설명한다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트의 제조방법에는 적층단계(S10), 홀용접단계(S20), 경계용접단계(S30) 및 가공단계(S40)가 포함될 수 있다.
도 4에는 도 3의 적층단계(S10)를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 구조판재(211)의 일면에 내식판재(221)가 적층된다.
구조판재(211)에는 내식판재(221)가 안착되는 안착부(212)가 형성될 수 있다. 여기서, 안착부(212)는 아래에서 설명할 홀용접단계(S20) 또는 경계용접단계(S30)가 행해질 때에 내식판재(221)를 구조판재(211)에 용이하게 고정되도록 할 수 있다. 필요에 따라서는 홀용접단계(S20) 또는 경계용접단계(S30)에서 내식판재(221)가 구조판재(211)에 견고하게 고정되도록 하는 클램프와 같은 별도의 고정수단이 사용될 수 있다.
참고로, 구조판재(211)는 아래에서 설명할 가공단계(S40)를 거친 후 시트본체(도 2의 210)를 형성하는 부분이며, 내식판재(221)는 가공단계(S40)를 거친 후 내식성부(220)를 형성하는 부분이다.
그리고, 도시되지는 않았으나, 필요에 따라 구조판재(211)의 타면에도 내식판재(221)가 적층될 수 있다.
도 5에는 도 3의 홀용접단계(S20)를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 6에는 도 3의 경계용접단계(S30)를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있으며, 도 7에는 도 6의 A-A 선분에 따른 단면도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 내식판재(221)에 복수의 홀용접비드(241)가 형성되고 있다. 홀용접비드(241)는 용접팁(270)이 이송라인(242)에 따라 이동되면서 형성되는 부분으로, 용접이 완료된 홀용접비드(243)가 배치된 부분은 내식판재(221)와 구조판재(211)의 서로 접촉된 부분이 용접되도록 한다.
도 7을 참조하면, 용접이 완료된 홀용접비드(243)에 의해 내식판재(221) 및 구조판재(211)가 서로 결합된 모습이 도시되어 있다.
참고로, 이와 같이 홀용접비드(243)가 내식판재(221)를 관통한 후 구조판재(211)까지 이를 수 있도록 하기 위해서는 홀용접비드(243)가 형성되는 깊이가 상대적으로 깊은 용접방법이 적용되어야 하므로, 용접팁(270)에 의해 행해지는 용접은 레이저용접, 전자빔용접 및 마찰교반용접(friction stir welding, FSW) 등이 될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 용접팁(270)에 의한 홀용접비드(241)의 용접이 완료되면 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 홀용접비드(243)가 형성된다. 이때, 홀용접비드(243)는 튜브(도 1의 110)의 수에 상응하는 수 만큼이 각각 형성되며, 복수의 홀용접비드(243)의 배치는 복수의 튜브(도 1의 110)의 단부의 배치와 상응하도록 한다.
도 6을 참조하면, 용접팁(270)에 의해 내식판재(221)의 외주연이 구조판재(211)에 용접되어 경계용접비드(261)가 형성되는 경계용접단계(S30)가 행해지고 있다.
내식판재(221)의 외주연이 기밀성 및 수밀성을 갖도록 모두 구조판재(211)에 용접되면 도 2에 도시된 경계용접비드(260)가 완성된다. 따라서, 경계용접단계(S30)를 거치면 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 일체화되며, 구조판재(211)의 일면 중 내식판재(221)가 결합된 부분은 내식성을 갖게 된다.
즉, 구조판재(211) 및 내식판재(221)는 복수의 홀용접비드(243) 및 경계용접비드(260)에 의해 부분적으로 용접 결합된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 유체(180) 및 제2 유체(190)가 고압의 유체일 경우에는 튜브시트(200) 전체에 압력에 의한 외력이 가해질 수 있다. 이때 튜브시트(200)의 가장자리 부분은 셸플랜지(121) 및 헤드플랜지(141)에 의해 지지되고 튜브홀(230)의 가장자리 부분은 튜브(110)에 의해 지지된다.
그러므로 상술한 압력에 의한 외력은 튜브시트(200)의 가장자리 부분과 그 외의 부분 사이의 경계인 경계용접비드(260) 부분 및 튜브홀(230)의 가장자리 부분에 집중된다.
튜브시트(200)의 전체적인 구조적 강도가 향상되도록 하기 위해서는 시트본체(210) 및 내식성부(220)의 접촉면이 모두 용접되어 일체화되도록 할 수 있겠으나, 이럴 경우 용접에 과도한 시간 및 노력이 소요되는 단점이 있다.
따라서, 튜브시트(200)가 일반적인 목적으로 사용될 때에는 상술한 바와 같이 외력이 집중되는 부분만이 용접에 의해 결합되도록 함으로써 충분한 구조적 강도를 얻을 수 있는 동시에, 용접에 소요되는 시간 및 노력이 크게 절약되도록 할 수 있다.
한편, 가공단계(S40)는 복수의 홀용접비드(243)으로 둘러싸인 부분을 각각 삭제하여 복수의 튜브(110)의 단부가 각각 삽입되는 복수의 튜브홀(도 2의 230)을 형성하는 단계이다. 여기서, 홀용접비드(243)로 둘러싸인 부분을 삭제하는 방법으로는 드릴링, 펀칭 등 다양한 방법이 사용될 수 있는데, 튜브홀(230)이 형성될 수 있는 범위에 대해서는 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8에는 도 7에 홀가공이 행해진 후의 모습을 나타낸 단면도가 도시되어 있다. 도 7 및 도 8을 함께 참조하여 설명한다.
우선 도 7을 참조하면, 용접이 완료된 홀용접비드(243)는 내식판재(221)로부터 구조판재(211)에 이르도록 형성된다.
여기서, 홀용접비드(243) 중 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 결합된 부분의 폭(Bi)은 홀용접비드(243)의 최대폭(Bo)보다 좁게 형성될 수 있으며, 그 깊이(Hi)s는 홀용접비드(243)의 전체 깊이(H)보다 작게 형성된다.
가공단계(S40)에서는 상술한 바와 같이 홀용접비드(243)로 둘러싸인 부분이 삭제되어 튜브홀(230)이 형성되는데, 이때 튜브홀(230)의 내주면이 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 서로 용접되어 홀용접비드(243)가 형성된 범위 내에 배치되어야 한다.
예를 들어, 튜브홀(230)의 내경이 D1보다 작은 경우에는 홀용접비드(243)에 의해 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 결합된 상태가 유지될 수는 있으나, 튜브홀(230)의 내주면에 구조판재(211) 및 내식판재(221)의 경계선이 노출될 수 있다.
이때 튜브홀(230)에 결합된 튜브(도 1의 110)의 단부에 외력이 가해질 경우 구조판재(211) 및 내식판재(221)의 경계선으로부터 균열이 발생되어 홀용접비드(243)가 손상될 수 있으며, 이 경계선으로 부식성 유체가 유입되어 구조판재(211)에 부식이 발생될 가능성이 있다.
반대로, 튜브홀(230)의 내경이 D2보다 큰 경우에는 홀용접비드(243)에 의해 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 결합된 부분의 범위(Bi, Hi)를 벗어나게 되므로, 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 접촉만 되어 있을 뿐 결합되지는 않은 부분이 튜브홀(230)의 내주면으로 노출된다.
따라서, 튜브홀(230) 및 튜브(110) 단부와의 결합에서 그 구조적 강도가 취약해지게 되며, 부식성 유체가 구조판재(211) 및 내식판재(221) 사이를 통하여 용이하게 유입되는 문제가 발생될 수 있다.
튜브홀(230)의 내경이 D1보다는 크고 D2보다는 작은 범위, 즉 튜브홀(230)의 내주면이 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 서로 용접된 부분의 범위 내에 배치되는 경우에는, 튜브홀(230)의 내주면에 홀용접비드(243)의 절단면 및 구조판재(211)만이 노출된다.
이 경우에는 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 홀용접비드(243)를 형성하면서 결합되어 있으므로, 구조적으로 안정하며 부식성 유체가 구조판재(211) 및 내식판재(221) 사이로 유입되는 것이 차단된다.
이상적으로는, 튜브홀(230)의 내경이 홀용접비드(243)의 높이가 최대(H)인 부분의 직경(D)일 때가 가장 구조적 강도가 높을 수 있으며, 이러한 경우가 도 8에 예시되어 있다.
즉, 도 8을 참조하면, 가공단계(S40)에 의해 홀용접비드(도 7의 243)의 일부가 삭제된 나머지 홀용접비드(240) 및 그 내측의 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 함께 삭제되어 튜브홀(230)이 형성된다.
따라서, 홀용접비드(243)는 튜브홀(230)이 적절한 범위 내에서 형성될 수 있도록, 튜브(110)의 외경을 감안하여 적절한 위치에 형성되도록 한다.
다시 도 7을 참조하면, 용접비드(243)의 형상은 용접의 방식, 즉 상술한 레이저용접, 전자빔용접, 마찰교반용접 등의 특성에 따라 달리 형성될 수 있다. 특히 레이저용접이나 전자빔용접은 투과성이 높으므로, 용접비드(243)의 최대폭(Bo) 및 구조판재(211)와 내식판재(221)가 용접 결합된 부분의 폭(Bi)의 편차는 작아지고 구조판재(211)로 침투한 깊이(Hi) 또한 더 깊어질 수 있다.
마찰교반용접은 그 팁의 형상에 따라 홀용접비드(243)의 폭(Bo, Bi) 및 깊이(H, Hi)가 조절되도록 할 수 있는데, 이에 대해서는 도 9를 참조하여 설명한다.
참고로, 미설명부호 Ho는 홀용접비드(243)의 전체 깊이(H) 중 내식판재(221)의 두께에 해당되는 부분을 나타낸 것이다.
그리고, 홀용접비드(243)는 내식판재(221)와 마찬가지로 내식성을 가져야 하므로, 레이저용접 및 전자빔용접과 같이 용가재를 이용하는 용접 방법이 사용될 때에는 용가재가 내식성을 갖는 소재로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 가공단계(S40)에서는 상술한 튜브홀(30)의 가공 외에 구조판재(211)의 외주연을 시트본체(210)의 형상으로 가공하고, 그 가장자리 부분에 체결공(250)을 가공하여 구조판재(211)가 시트본체(210)를 형성하도록 할 수 있다.
도 9에는 마찰교반용접을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
마찰교반용접에 사용되는 팁본체(11)에는 비소모성의 어깨부(12) 및 돌기부(13)가 구비된다. 돌기부(13)의 외주면에는 나선이 형성되어 있으며, 어깨부(12)는 평면 형상의 저면을 갖는다.
이러한 팁본체(11)를 회전시키면서 가압(P)하여 용접하고자 하는 피용접재(21, 22)의 접합선에 돌기부(13)가 삽입되도록 한다. 이때 피용접재(21, 22)는 견고하게 고정되도록 한다.
팁본체(11)가 충분히 삽입되어 어깨부(12)가 피용접재(21, 22)의 표면에 접하게 되면 어깨부(12)의 마찰에 의해 발생된 마찰열에 의해 피용접재(21, 22)는 연화되며, 이에 따라 피용접재(21, 22)가 서로 혼합된다.
이때 용접팁(10)을 용접을 행하는 방향으로 진행시키면 연화되어 혼합된 피용접재(21, 22)는 다시 경화되며 용접비드(30)를 형성하게 된다.
이와 같은 마찰교반용접은 알루미늄합금과 구리합금, 알루미늄합금과 철강 재료와 같이 용융용접이 곤란한 이종 금속 재료에 대한 접합이 가능하며, 용접 중 유해 광선이나 유해 물질이 배출되지 않으므로 경제적이면서도 환경친화적인 장점이 있다.
마찰교반용접이 종료되면 용접팁(10)을 가압하던 방향과 반대로 이동시켜 피용접재(21, 22)로부터 분리되도록 한다. 이때 용접이 종료된 부분에는 어깨부(12)와 마찰되던 마찰면(31) 및 돌기부(13)가 삽입되었다가 인출된 인출공(32)이 형성된다.
아래에서는 도 10 내지 도 14를 참조하여 상술한 바와 같은 장점을 갖는 마찰교반용접을 튜브시트의 제조에 적용한 예를 설명한다.
도 10에는 마찰교반용접에 의한 홀용접단계(S20)를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 9를 함께 참조하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 용접팁(10)이 이송라인(247)을 따라 이동되며 마찰교반용접을 행하면 홀용접비드(244)가 형성된다.
이 과정에서 용접팁(10)은 폐곡선형상을 갖는 홀용접비드(244)의 내측으로부터 용접을 시작하고, 용접의 종료 또한 홀용접비드(244)의 내측에서 이루어지도록 할 수 있다.
즉, 용접팁(10)은 용접이 시작되는 위치인 시작점(247a)에서 용접을 시작하여 연장부(245)를 형성하다가 방향전환점(247b)에서 방향이 전환되어 이송라인(247)을 따라 이송되며 홀용접비드(244)를 형성하고, 다시 방향전환점(247b)의 위치에 도달되어 방향전환점(247b)을 지나친 후 다른 방향전환점(247c)을 형성하며 홀용접비드(244)에 의해 둘러싸인 부분의 내측으로 이동하여 연장부(246)를 형성한 후 종료점(247d)에 이르러 용접이 종료될 수 있다.
이는 용접팁(10)이 용접을 종료한 후 분리된 부분에는 상술한 바와 같이 인출공(32)이 형성되므로, 이 인출공(32)이 상술한 가공단계(S40)에서 삭제될 부분(231)에 배치되도록 하기 위한 것이다.
즉, 인출공(32)이 내식성부(도 2의 220)에 형성될 경우 이 부분으로 부식성 유체가 유입되는 결함으로 작용될 수 있으므로, 이러한 인출공(32)이 가공단계(S40)에서 삭제될 부분(231)에 형성되도록 함으로써 내식성부(220)에 결함이 형성되는 것이 방지되도록 할 수 있다.
또한, 용접이 시작되는 시작점(247a) 또한 홀용접비드(244)가 형성되는 조건과 미세한 용접 온도 차이 및 조성비의 차이에 의해 다른 성질을 나타낼 가능성을 배제할 수 없으므로 상술한 가공단계(S40)에서 삭제될 부분(231)에 배치되도록 함으로써 홀용접비드(244)가 전체적으로 더욱 균일한 성질을 갖도록 할 수 있으나, 이는 필요에 따라 선택될 수 있다.
즉, 필요에 따라 도시된 바와 같이 시작점(247a)으로부터 용접이 시작되도록 할 수도 있고, 도시되지는 않았으나 시작점(247a)이 이송라인(247) 상에 배치되도록 할 수도 있다.
참고로, 도시된 바와 같이 첫 번째 방향전환점(247b) 및 두 번째 방향전환점(247c) 사이의 부분은 홀용접비드(244)가 충분히 중복되어 삭제될 부분(231)이 홀용접비드(244)에 의해 완전히 둘러싸이도록 할 수 있다.
아울러, 도시되지는 않았으나, 시작점(246a) 또한 종료점(246c)과 같이 홀용접비드(244)로 둘러싸인 부분의 내측에 배치되도록 하면, 홀용접비드(244)가 전체적으로 더욱 균일한 성질을 갖도록 할 수 있다.
그리고, 마찰교반용접에 의해 홀용접비드(244)가 형성된 부분의 내식판재(221) 및 구조판재(211)가 용접될 수 있어야 하므로, 용접팁(10)의 돌기부(13)의 길이 및 어깨부(12)의 직경을 적절히 조절할 수 있다.
도 11 내지 도 14에는 마찰교반용접에 의한 홀용접단계(S30) 및 가공단계(S40)의 변형예를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 9를 함께 참조하여 설명한다.
우선 도 11을 참조하면, 구조판재(211)에 적층된 내식판재(221) 상에 복수의 홀용접비드(301, 302, 303, 304, 305, 306)가 형성된다.
여기서, 홀용접비드(301)는 용접팁(10)이 이송라인(301a)을 따라 이동하면서 용접을 행하여 형성되며, 홀용접비드(301)가 형성된 부분은 구조판재(211) 및 내식판재(221)가 용접에 의해 결합된다.
용접팁(10)은 시작점(301a)으로부터 방향전환점(301c)까지는 직선 형상으로 이송된다. 방향전환점(301c)에서는 방향이 변경되어 종료점(301d)에 이른 다음 용접이 종료된다. 나머지 홀용접비드(302, 303, 304, 305, 306) 또한 설명한 홀용접비드(301)와 같은 구성을 갖는다.
다만, 방향전환점(301c) 이후의 용접팁(10)의 이송은 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이 추후 삭제될 부분에 종료점(301d)이 형성되도록 하기 위한 것으로, 도 14에 도시된 바와 같이 튜브홀이 가공될 위치(330)를 미리 파악하여 종료점(301d)이 형성되도록 한다.
아래에서는 방향전환점(301c)으로부터 종료점(301d)까지의 이송은 제외하고 설명한다.
복수의 홀용접비드(301, 302, 303, 304, 305, 306)는 등간격(S1)으로 나란하게 배치된 복수의 직선 형상을 갖는다. 이러한 복수의 홀용접비드(301, 302, 303, 304, 305, 306)를 편의상 제1 비드그룹이라고 칭한다.
도 12를 참조하면, 상술한 제1 비드그룹이 형성된 이후 복수의 홀용접비드(307, 308, 309, 310, 311, 312)가 형성된다.
이때, 복수의 홀용접비드(307, 308, 309, 310, 311, 312) 또한 등간격(S2)으로 나란하게 배치된 복수의 직선 형상을 갖는다. 다만, 제1 비드그룹에 대하여 다른 각도(θ1)를 형성하며 배치된다.
복수의 홀용접비드(307, 308, 309, 310, 311, 312)를 편의상 제2 비드그룹이라고 칭한다.
도 13을 참조하면, 상술한 제1 비드그룹 및 상술한 제2 비드그룹이 형성된 이후 복수의 홀용접비드(313, 314, 315, 316, 317, 318)가 형성된다.
앞에서와 마찬가지로 복수의 홀용접비드(313, 314, 315, 316, 317, 318) 또한 등간격(S3)으로 나란하게 배치된 복수의 직선 형상을 가지며, 제1 비드그룹에 대하여 제2 그룹과 다른 각도(θ2)를 형성하며 배치된다. 복수의 홀용접비드(313, 314, 315, 316, 317, 318)를 편의상 제3 비드그룹이라고 칭한다.
도 14를 참조하면, 상술한 제1 내지 제3 비드그룹에 의해 홀용접비드(320)가 형성되어 있는데, 홀용접비드(320)에는 상술한 다수의 홀용접비드(301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 309, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318)의 간격 및 상이한 각도 배치에 의해 격자 형상이 형성된다.
이 격자 형상에 의해 홀용접비드(320)에 의해 둘러싸인 부분이 복수로 형성되며, 튜브홀이 가공될 위치(330)를 따라 이 부분을 삭제하는 가공을 하면 복수의 튜브홀(도 2의 230 참조)이 형성되도록 할 수 있다.
상술한 마찰교반용접에 의한 홀용접단계(S30) 및 가공단계(S40)의 변형예는 용접팁(10)의 이송을 최대한 단순하게 함으로써 동시에 다수의 튜브홀이 가공될 위치(330)를 형성할 수 있도록 한 것이다.
즉, 앞에서 예시한 튜브시트(도 2의 200)보다 튜브홀(230)의 수가 매우 많은 경우에는 이와 같은 방법으로 다수의 격자 형상 홀용접비드가 형성되도록 함으로써 용접에 소요되는 시간이 절약되도록 할 수 있다.
참고로, 앞에서 설명한 간격(S1, S2, S3) 및 각도(θ1, θ2)가 적절한 값을 갖도록 하고, 상술한 그룹의 수가 증가됨에 따라 상술한 격자는 상술한 그룹의 수에 따라 사각형, 육각형 등 다각형 형상을 갖게 될 수 있다.
특히 간격(S1, S2, S3) 및 각도(θ1, θ2)의 크기가 모두 동일해지도록 하면 격자는 정사각형, 정육각형 등 정다면체의 형상을 갖게 되므로 원형의 튜브홀(230)이 가공될 위치(330)를 형성하는 데 더 유리해질 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브시트 및 그것의 제조방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 열교환기 110: 튜브
120: 셸 140, 150: 고정헤드
160: 배플 180: 제1 유체
190: 제2 유체 200: 튜브시트
210: 시트본체 211: 구조판재
212: 안착부 220: 내식성부
221: 내식판재 241: 홀용접비드
242: 이송라인 243, 244: 홀용접비드
245: 연장부 246: 이송라인
230: 튜브홀 240: 홀용접비드
250: 체결공 260, 261: 경계용접비드
270: 용접팁
120: 셸 140, 150: 고정헤드
160: 배플 180: 제1 유체
190: 제2 유체 200: 튜브시트
210: 시트본체 211: 구조판재
212: 안착부 220: 내식성부
221: 내식판재 241: 홀용접비드
242: 이송라인 243, 244: 홀용접비드
245: 연장부 246: 이송라인
230: 튜브홀 240: 홀용접비드
250: 체결공 260, 261: 경계용접비드
270: 용접팁
Claims (8)
- 복수의 튜브 단부가 결합되는 열교환기용 튜브시트의 제조방법으로서,
구조판재의 일면 또는 양면에 내식판재를 적층하는 적층단계;
상기 내식판재에 상기 튜브의 수에 상응하는 수 만큼의 홀용접비드를 각각 형성하고, 상기 홀용접비드가 형성되는 과정에서 상기 구조판재 및 상기 내식판재의 서로 접촉된 부분 중 상기 홀용접비드가 배치된 부분은 서로 용접되도록 하는 홀용접단계;
상기 내식판재의 외주연이 상기 구조판재에 용접되도록 경계용접비드를 형성하는 경계용접단계; 및
복수의 상기 홀용접비드로 둘러싸인 부분을 각각 삭제하여 복수의 상기 튜브의 단부가 각각 삽입되는 복수의 튜브홀을 형성하는 가공단계;를 포함하는
열교환기용 튜브시트의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 튜브홀의 내주면은 상기 구조판재 및 상기 내식판재가 서로 용접된 부분의 범위 내에 배치된
열교환기용 튜브시트의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 용접은 레이저용접, 전자빔용접 및 마찰교반용접 중 어느 하나를 포함하는
열교환기용 튜브시트의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 홀용접단계에서 상기 용접이 상기 마찰교반용접일 경우,
상기 용접팁의 이송이 종료되는 지점은 상기 홀용접비드에 의해 둘러싸인 부분의 내측에 배치된
열교환기용 튜브시트의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 용접팁의 이송이 시작되는 지점은 상기 홀용접비드에 의해 둘러싸인 부분의 내측에 배치된
열교환기용 튜브시트의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 가공단계에서는 상기 구조판재의 가장자리 부분에 방사상으로 배치된 복수의 체결홀이 형성되는
열교환기용 튜브시트의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 홀용접단계에서는
상기 홀용접비드가 등간격으로 나란하게 배치된 복수의 직선 형상을 갖는 비드그룹을 형성하고,
상기 비드그룹은 서로 다른 각도로 복수 개 배치되어,
복수의 상기 홀용접비드가 복수의 격자 형상을 이루는
열교환기용 튜브시트의 제조방법.
- 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 열교환기용 튜브시트의 제조방법에 의해 제조된 열교환기용 튜브시트로서,
상기 구조판재는 알루미늄 또는 철을 포함하고,
상기 내식판재는 구리, 니켈 또는 티타늄을 포함하는
열교환기용 튜브시트.
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