KR20190127575A - 용가제 및 이를 이용한 열교환기의 브레이징 방법 - Google Patents

Abstract

저가이면서 열교환기의 내압성을 향상시킬 수 있는 용가제와 이를 이용한 열교환기의 브레이징 방법을 제공한다. 판형 열교환기 브레이징용 용가제는 0 보다 크고 20wt% 이하의 니켈, 0 보다 크고 30wt% 이하의 크롬, 0 보다 크고 10wt% 이하의 실리콘, 0 보다 크고 5wt% 이하의 인, 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 탄소, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

용가제 및 이를 이용한 열교환기의 브레이징 방법 {BRAZING FILLER AND METHOD FOR BRAZING HEAT EXCHANGERS USING THE SAME}

본 발명은 용가제 및 이를 이용한 열교환기의 브레이징 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 저가이면서 내압성을 향상시킨 용가제 및 이를 이용한 열교환기의 브레이징 방법에 관한 것이다.

판형 열교환기에서는 여러 겹의 전열판들을 포개서 설치하고, 그 전열판들 사이로 유체를 서로 교대로 흘려서 열교환시킨다. 전열판에는 주름 형상이 형성되어 유체의 레이놀즈수가 낮아도 난류를 유발시켜 전열 효율을 상승시킨다. 판형 열교환기의 대류 열전달계수는 관형 열교환기의 대류 열전달계수의 2-4배이다.

전열판들을 브레이징하여 판형 열교환기를 소형화할 수 있다. 즉, 전열판들에 용가제를 도포한 후 고온 가열하여 용가제들을 용융하고 냉각시켜서 전열판들을 상호 접합할 수 있다.

중국등록특허 제101,844,281호

저가이면서 열교환기의 내압성을 향상시킬 수 있는 용가제를 제공하고자 한다. 또한, 이를 이용한 열교환기의 브레이징 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용가제는 열교환기 브레이징에 사용된다. 용가제는, i) 0 보다 크고 20wt% 이하의 니켈, ii) 0 보다 크고 30wt% 이하의 크롬, iii) 0 보다 크고 10wt% 이하의 실리콘, iv) 0 보다 크고 5wt% 이하의 인, v) 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 탄소, 및 vi) 잔부 철과 불가피한 불순물을 포함한다.

좀더 바람직하게는, 니켈의 양은 15wt% 내지 18wt%이고, 크롬의 양은 20wt% 내지 26wt%이며, 실리콘의 양은 6.5wt% 내지 7wt%이고, 인의 양은 4.5wt% 내지 5wt%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 니켈의 양은 16wt%이고, 크롬의 양은 21.6wt% 내지 25.6wt%이며, 실리콘의 양은 5.7wt% 내지 6.2wt%일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 브레이징 방법은, i) 용가제 50wt% 내지 52wt%와 나머지 액상 수지 바인더를 혼합한 페이스트를 제공하는 단계, ii) 열교환기에 포함된 복수의 전열판들 중 하나 이상의 전열판 위에 페이스트를 토출하고, 상기 복수의 전열판들을 상호 겹쳐 놓는 단계, iii) 복수의 전열판들을 진공로내의 수소 분위기하에서 1120℃ 내지 1200℃로 가열하여 브레이징하는 단계, 및 iv) 복수의 전열판들을 냉각하면서 수소 분위기를 질소 분위기로 치환하는 단계를 포함한다. 페이스트를 제공하는 단계에서, 액상 수지 바인더는 브틸폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 부타디엔스티렌, 폴리이소부틸렌 및 1-메톡시-2-프로판올-아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 바인더일 수 있다.

복수의 전열판들을 브레이징하는 단계에서, 수소 분위기를 생성하는 수소는 1L/min 보다 크고 5L/min 이하의 주입 속도로 진공로내로 공급될 수 있다. 페이스트를 제공하는 단계에서, 페이스트 중 용가제의 평균 입도는 60㎛ 내지 80㎛일 수 있다.

복수의 전열판들을 상호 겹쳐 놓는 단계에서, 하나 이상의 전열판은 스테인리스강으로 제조될 수 있다. 복수의 전열판들을 브레이징하는 단계에서, 복수의 전열판들은 15℃/min로 승온될 수 있다. 복수의 전열판들을 상호 겹쳐 놓는 단계에서, 페이스트는 0.035MPa 내지 0.040MPa의 압력으로 토출될 수 있다. 복수의 전열판들을 브레이징하는 단계에서, 복수의 전열판들은 1160℃ 내지 1200℃로 가열될 수 있다.

열교환기의 내누수성과 내압성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 열교환기를 통과하는 물의 수압 변화에 관계없이 열교환기의 수명을 크게 늘릴 수 있다. 또한, 저가에 열교환기를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 브레이징 방법을 나타낸 개략적인 순서도이다.
도 2는 도 1의 브레이징 방법 중 페이스트를 토출하여 전열판들을 겹치는 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 브레이징 방법 중 전열판들을 진공로내에서 브레이징하는 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6은 각각 본 발명의 실험예에 따른 용가제 잉곳의 제조 과정을 순차적으로 나타낸 사진들이다.
도 7 내지 도 12는 각각 본 발명의 실험예에 따른 열교환기의 브레이징 방법을 순차적으로 나타낸 사진들이다.
도 13 내지 도 16은 각각 본 발명의 실험예에 따른 열교환기의 실험 사진들이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서 사용하는 “토출”이라는 용어는 디스펜서 등의 기계를 사용하여 페이스트를 방출하는 것을 의미한다. 여기서, 페이스트는 적절한 두께를 가져서 그 형태를 유지할 정도의 점도를 가진다. 따라서 토출은 넓은 면적에 걸쳐 얇은 막으로 퍼지는 코팅을 의미하는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 브레이징 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 열교환기의 브레이징 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 열교환기의 브레이징 방법을 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 열교환기의 브레이징 방법은 용가제와 바인더를 혼합한 페이스트를 제공하는 단계(S10), 전열판 위에 페이스트를 토출하고, 전열판들을 상호 겹쳐 놓는 단계(S20), 전열판들을 진공로내의 수소 분위기하에서 가열해 브레이징하는 단계(S30), 그리고 전열판들을 냉각하면서 수소 분위기를 질소 분위기로 치환하는 단계(S40)를 포함한다. 이외에, 열교환기의 브레이징 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S10)에서는 용가제와 바인더를 혼합한 페이스트를 제공한다. 여기서, 용가제는 판형 열교환기를 브레이징하기 위해 사용한다. 용가제는 i) 0 보다 크고 20wt% 이하의 니켈(Ni), ii) 0 보다 크고 30wt% 이하의 크롬(Cr), iii) 0 보다 크고 10wt% 이하의 실리콘(Si), iv) 0 보다 크고 5wt% 이하의 인(P), v) 0 보다 크고 0.1wt% 이하의 탄소(C), 및 잔부 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다. 이외에, 필요에 따라 용가제는 다른 성분들을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 조성의 용가제를 사용하여 기공 발생을 방지하고 그 내식성이 향상된다. 특히, 기공이 발생하지 않으므로, 우수한 내압성을 가진다.

먼저, 철은 판형 열교환기에 포함된 전열판이 강재, 특히 스테인리스강으로 제조될 수 있기 때문에 사용한다. 전열판이 강재인 경우, 철을 주성분으로 하는 용가제를 사용하는 것이 바람직하다. 용가제의 성분이 전열판의 성분과 유사하므로, 열교환기를 사용시에 접합부에 균열이 발생하는 등의 문제점이 발생하지 않는다. 이와는 달리, 니켈을 주성분으로 하는 용가제를 사용하는 경우, 전열판과의 조성이 상이하여 접합부에 화학적 또는 기계적인 문제점을 발생시킬 수 있다. 이러한 점에서 철을 주성분으로 하는 용가제를 사용한다.

니켈은 용가제에 의해 형성된 접합부가 내식성을 가지도록 사용된다. 특히, 접합부가 물이 순환하는 열교환기내에 위치하므로, 고온수와 맞닿아 부식될 가능성이 있다. 따라서 니켈을 용가제에 첨가하여 접합부의 부식을 방지할 수 있다. 이 경우, 니켈의 양은 20wt%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 좀더 바람직하게는, 니켈의 양은 15wt% 내지 18wt%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 니켈의 양은 실질적으로 16wt%일 수 있다. 니켈의 양이 너무 큰 경우, 니켈로 인한 내식성 향상 효과가 크게 나타나지 않는 반면에 그 사용량 증가로 인한 소재 비용이 급상승하는 문제점이 있다. 따라서 니켈의 양을 전술한 범위로 조절한다.

크롬은 열교환기의 내식성 확보를 위해 사용한다. 특히, 전열판의 소재로서 스테인리스강 304를 사용하는 경우, 원하는 내식성을 얻기 위해 사용한다. 좀더 바람직하게는, 크롬의 양은 20wt% 내지 26wt%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 크롬의 양은 21.6wt% 내지 25.6wt%일 수 있다. 다만, 크롬의 양이 너무 많은 경우, 전열판의 인성을 저하시켜 전열판의 소둔이 어려울 수 있다. 따라서 크롬의 양을 전술한 범위로 조절한다.

실리콘은 용가제의 융점을 저하시키고 탈산제 기능을 한다. 실리콘의 양은 10wt% 이하일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 실리콘의 양은 6.5wt% 내지 7wt%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 실리콘의 양은 5.7wt% 내지 6.2wt%일 수 있다. 실리콘의 양이 너무 많은 경우, 열교환기의 가공성이 저하될 수도 있다. 따라서 실리콘의 양을 전술한 범위로 조절한다.

인은 용가제의 융점을 저하시킨다. 인과 실리콘을 함께 사용하여 용가제의 융점을 낮춰서 열원 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 과열로 인한 열교환기의 열피로 현상을 저감할 수 있다. 이를 위해 인은 5wt% 이하로 첨가할 수 있다. 좀더 바람직하게는, 인의 양은 4.5wt% 내지 4wt%일 수 있다. 인의 양이 너무 많은 경우, 접합부에 인으로 인해 취성이 발생할 수 있다.

탄소는 적절한 양의 미세한 탄화물을 생성한다. 그 결과, 접합부의 고온 강도를 확보할 수 있다. 0.1wt% 이하의 탄소를 첨가하면 전열판과의 밀착성이 향상되어 내마모성을 확보할 수 있다. 바람직하게는, 탄소의 양은 0.005wt% 이하일 수 있다. 탄소의 양이 너무 많은 경우, 접합부의 취성이 증가할 수 있다.

용가제의 평균 입도는 60㎛ 내지 80㎛일 수 있다. 용가제의 평균 입도가 너무 작은 경우, 용가제를 볼 밀링 등을 통해 분말화하는데 다량의 에너지가 소비되어 바람직하지 않다. 또한, 용가제의 평균 입도가 너무 큰 경우, 브레이징시 열을 흡수할 수 있는 표면적이 크지 않아 전열판들이 잘 융착되지 않을 수 있다. 따라서 용가제의 평균 입도를 전술한 범위로 조절한다.

전술한 조성의 용가제를 사용하는 경우, 접합부의 내압성을 높일 수 있다. 즉, 판형 열교환기내에서 물이 순환하면서 큰 수압이 작용하므로, 전술한 조성 범위의 용가제를 사용하면 그 내압을 잘 유지할 수 있다. 그 결과, 열교환기의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 희토류 원소 등 특수 원소를 사용하지 않아서 용가제를 저가에 제조할 수 있다.

이러한 용가제와 바인더를 혼합한 페이스트를 제조한다. 바인더는 액상 수지로 되어 있어서 페이스트의 유동성을 높인다. 액상 수지로는 브틸폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 부타디엔스티렌, 폴리이소부틸렌 등의 인조 고무 화합물과 1-메톡시-2-프로판올-아세테이트 등의 아크릴 수지를 사용할 수 있다. 바인더를 사용하여 페이스트를 디스펜서로부터 전열판 위로 잘 토출시킬 수 있다. 페이스트에 포함된 용가제의 양은 40wt% 내지 60wt%일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 용가제의 양은 50wt% 내지 52wt%일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 용가제의 양은 52wt%일 수 있으며, 이 경우 페이스트의 작업성 및 흐름성이 우수하다. 그 나머지로서 바인더를 사용할 수 있다.

용가제의 양이 너무 적은 경우, 접합부의 브레이징 강도가 저하될 수 있고, 토출된 용가제가 고정되지 못하고 퍼져서 전열판 아래로 흘러 브레이징 후 막힘 현상이 생긴다. 반대로, 용가제의 양이 너무 많은 경우, 용가제를 토출하는 디스펜서의 노즐이 막히거나 페이스트가 경화되어 작업성이 떨어진다. 또한, 브레이징시 용가제의 흐름성이 좋지 않아 전열판들의 접합 면적이 크지 않아 접합 불량이 발생할 수 있다. 한편, 디스펜서의 노즐이 막히지 않도록 페이스트를 0.035MPa 내지 0.040MPa의 압력으로 토출하는 것이 바람직하다. 토출 압력이 너무 강한 경우, 토출액이 튈 수 있다. 반면에, 토출 압력이 너무 약한 경우, 디스펜서의 노즐이 막힐 수 있다. 따라서 페이스트의 토출 압력을 전술한 범위로 조절한다.

다음으로, 단계(S20)에서는 전열판 위에 페이스트를 토출하고 전열판들을 상호 겹쳐 놓는다. 열교환기는 다수의 전열판들을 포함한다. 따라서 전열판 위에 페이스트를 토출한 후 상호 겹쳐서 전열판과 페이스트를 상호 교대로 위치시킨다. 이를 도 2을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.

도 2는 도 1의 브레이징 방법 중 페이스트(10)을 토출하여 전열판들(20)을 겹치는 단계를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 공정은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2의 공정을 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 열교환기(100)는 복수의 전열판들(20)이 상호 적층되어 이루어진다. 전열판(20)에 형성된 포트(201)에는 커넥터(30)가 결합된다. 동으로 된 커넥터(30)를 사용할 수 있으나 1050℃이상의 고온에서는 스테인리스강으로 된 커넥터를 사용할 수도 있다.

용가제를 포함하는 페이스트(10)을 x축 방향을 따라 선형으로 전열판(20) 위에 도포할 수 있다. 도 2에는 편의상 설명을 위해 페이스트(10)이 전열판(20)으로부터 이격된 것으로 도시하였지만, 실제로는 페이스트(10)이 전열판(20) 위에 바로 토출되어 고정된다. 또한, 각 선형의 페이스트(10)는 y축 방향을 따라 상호 이격되어 위치한다. 여기서, 전열판(20)의 양단에 형성된 포트들(201)까지 페이스트(10)를 토출시킬 필요는 없다. 따라서 페이스트(10)의 토출 방향, 즉 x축 방향을 따라 전열판(20)의 양단에 포트들(201)이 위치하는 곳에는 그 사이에 페이스트(10)를 토출한다. 그리고 포트들(201)이 없는 곳에는 이보다 길게 페이스트(10)를 토출한다. 그 결과, 전열판(20)의 양단에 형성된 포트들(201)의 사이에 위치한 페이스트(10)의 길이는 포트들(201)이 형성되지 않은 전열판(20)에 토출된 페이스트(10)의 길이보다 짧다.

다시, 도 1로 되돌아가면, 단계(S30)에서는 전열판들을 진공로내의 수소 분위기하에서 가열하여 브레이징한다. 진공로내에서의 수소 분위기 형성을 위해 수소를 1L/min 보다 크고 5L/min 이하의 주입 속도로 진공로내에 공급한다. 수소의 주입 속도가 1L/min 이하이거나 너무 큰 경우, 브레이징이 잘 이루어지지 않는다. 따라서 수소의 주입 속도를 전술한 범위로 조절한다. 브레이징 공정은 소결 공정에 가깝다. 전열판들을 수소 분위기하에서 브레이징하므로, 페이스트가 용융되어 전열판들 사이에 융착되면서 산화되지 않는다. 이를 도 3을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.

도 3은 도 1의 브레이징 방법 중 전열판들(20)을 진공로(40)내에서 브레이징하는 단계를 개략적으로 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 3은 진공로(40)를 분해한 평면 구조를 개략적으로 나타낸다. 즉, 배치(batch) 형태로 브레이징 공정을 진행할 수 있다. 도 3의 브레이징 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 브레이징 방법을 다른 형태로도 변형할 수 있다. 예를 들면, 연속로를 사용하여 연속 공정으로 브레이징 공정을 진행할 수도 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 진공로(40) 내부에는 히터들(401)이 전열판들(20)의 주위를 둘러싸면서 방사상으로 위치한다. 히터들(401)은 세라믹 히터들을 사용할 수 있다. 히터들(401)은 전열판들(20)이 15℃/min로 승온되도록 균일하게 가열한다. 적절한 브레이징을 위해 이러한 승온 속도가 가장 적합하다.

그 결과, 전열판들(20) 사이의 페이스트들이 그 위치에 관계없이 잘 용용되어 전열판들(20)을 잘 융착시킨다. 또한, 일측으로 진공로(40) 내부에 수소가 유입된 후 타측으로 배출된다. 진공로(40) 내부를 이러한 수소 분위기로 유지하여 페이스트의 산화를 방지할 수 있다. 한편, 전열판들(20)을 가열하여 브레이징하는 온도는 1000℃내지 1200℃일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 이 온도는 1120℃ 내지 1200℃일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 이 온도는 1160℃ 내지 1200℃일 수 있다. 이 온도가 너무 낮으면 페이스트가 용융되지 않아 전열판들(20)의 상호 융착이 일어나지 않는다. 또한, 이 온도가 너무 높으면, 열원 사용에 따른 비용이 많이 소모되고, 전열판들(20)이 열피로로 손상될 수 있다. 따라서 전술한 온도 범위로 전열판들(20)을 가열하여 브레이징한다. 특히, 누수 및 파괴압을 고려시 전열판들(20)을 가열하여 브레이징하는 온도는 1160℃가 적합하다. 페이스트에 포함된 바인더는 가열에 따라 200℃내지 300℃에서 휘발되어 없어지고, 용가제만 남아 전열판들(20) 사이에 융착된다. 좀더 바람직하게는, 전열판들(20)을 1000℃내지 1160℃로 가열할 수 있다.

다시, 도 1로 되돌아가면, 단계(S40)에서는 진공로내에서 전열판들을 냉각하면서 수소 분위기를 질소 분위기로 치환한다. 즉, 일정 시간 동안 1000℃내지 1200℃로 온도를 가열 유지하여 페이스트를 용융시켜 전열판들을 융착시킨 후 온도를 서서히 낮춘다. 이와 함께 수소 분위기를 퍼징하여 질소 분위기로 치환한다. 브레이징시 전열판에 피막이 입혀지므로, 그 표면이 유려할 뿐만 아니라 산화가 잘 일어나지 않는다.

진공로 온도를 50℃에서 1000℃까지 서서히 상승시킨다. 그리고 전열판들을 1160℃에서 유지하면서 페이스트를 용융시켜 상호 융착시킨다. 즉, 이 온도에서 전열판들이 브레이징된다. 이 후 온도를 서서히 낮추어 650℃까지 떨어뜨린다. 이러한 온도 조절을 통하여 열교환기를 제조할 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

용가제 제조 실험

도 4 내지 도 6은 본 발명의 실험예에 따른 용가제 잉곳의 제조 과정을 순차적으로 나타낸 사진들이다. 좀더 구체적으로, 도 4는 용가제 잉곳의 원재료를 나타내고, 도 5는 원재료를 배합한 상태를 나타내며, 도 6은 배합한 원재료를 이용해 제조한 잉곳을 나타낸다.

먼저, 도 4에 도시한 바와 같이, Fe-Cr 합금, Fe-P 합금, Fe-Si 합금, Fe-C 합금 및 니켈의 원재료를 준비하였다. 각 원재료의 조성을 아래의 표 1에 나타낸다.

표 1의 Fe-Cr 합금, Fe-P 합금, Fe-Si 합금, Fe-C 합금 및 니켈을 적절하게 혼합하여 아래의 표 2의 A 내지 E의 용가제를 제조하였다. 즉. 다양한 용가제 조성을 활용한 실험을 위하여 용가제에 함유된 Fe, C, Si, P, Ni, Cr의 양을 각각 다르게 설계하였다. A 내지 E의 용가제를 제조시 아래의 표 2의 용가제 조성을 목표로 하여 전술한 원재료들의 양을 적절하게 배합하여 도 5의 혼합물을 제조하였다.

혼합한 원재료들을 도가니에 넣고 용융하여 편석이 발생하지 않도록 잘 저어 주었다. 그리고 이를 냉각시켜서 잉곳을 제조하였다. 도 6에 이러한 방법으로 제조한 잉곳의 사진을 나타낸다. A 내지 E의 잉곳을 아토마이저로 분말화하고, 그 성분을 분석하였다. A 내지 E의 용가제의 성분들을 아래의 표 3에 나타낸다.

표 3의 조성 이외에 잉곳내에 Mn, S, Cu, Mo, Sn도 존재하는 것으로 확인되었다. 다만, 그 양은 미미한 정도이어서 용가제의 물성에 큰 영향을 주지는 않은 것으로 예측되어 그 기재를 생략하였다.

열교환기 브레이징 실험

용가제와 바인더를 혼합하여 페이스트를 제조하였다. 바인더로서 1-메톡시-2-프로판올-아세테이트를 사용하였다. 1-메톡시-2-프로판올-아세테이트는 아크릴 수지로서 고온에 사용 가능하며 액상이었다. 용가제와 바인더를 적절한 비율로 혼합한 페이스트를 SUS 403으로 된 전열판 위에 선형으로 토출하였다. 페이스트의 토출 면적은 전열판 면적의 45%이었다. 7개의 전열판들 위에 각각 페이스트를 도포한 후 이들을 상호 중첩시키고, 그 위에 다시 전열판을 덮은 후 진공로에 장입하였다. 그리고 진공로를 저진공화하고 수소를 주입해 가열하였다. 진공로는 10분 동안 가열해 50℃에 도달하고, 15℃/min로 승온하여 다시 100분 동안 가열해 1000℃에 도달한 후 다시 50분 동안 가열하여 1110℃에 도달하고, 20분 동안 가열해 1160℃에 도달하였다. 다음으로, 특정 온도에서 240분 동안 유지하였다. 그리고 진공로의 온도를 60분 동안 650℃까지 서서히 낮추면서 질소로 진공로 내부를 퍼징하였다. 브레이징 공정이 완료된 전열판을 진공로에서 꺼내어 열교환기를 제조하였다.

도 7 내지 도 12는 본 발명의 실험예에 따른 열교환기의 브레이징 방법을 각각 순차적으로 나타낸 사진들이다. 도 7은 용가제와 바인더를 배합한 상태를 나타내고, 도 8은 핸드 믹서를 사용하여 이를 고르게 혼합해 페이스트를 제조한 상태를 나타낸다. 도 9는 전열판 위에 페이스트를 토출하는 단계를 나타내고, 도 10은 이러한 전열판들을 상호 겹쳐 놓는 상태를 나타낸다. 도 11은 전열판들을 진공로에 넣고 가열하여 브레이징하는 상태를 나타내고 도 12는 브레이징된 열교환기를 나타낸다.

이와 같이 제조한 열교환기의 브레이징 접합부의 단면을 육안으로 확인하였다. 그리고 열교환기를 수몰시킨 후 25bar의 수압하에서의 누수 여부를 체크하였다. 즉, 누수부가 있는 경우 기포가 발생하므로 이를 통해 누수 여부를 체크할 수 있었다. 또한, 물주입 압력을 높이면서 열교환기가 수압에 견디는 능력, 즉 열교환기의 파괴압을 측정하였다. 마지막으로 5%의 NaCl 수용액을 72시간 동안 분무하여 열교환기에 대한 내식성 실험을 실시하였다.

도 13 내지 도 16은 각각 본 발명의 실험예에 따른 열교환기의 실험 사진들을 나타낸다. 도 13은 열교환기의 브레이징 접합부의 단면을 육안으로 검사하는 사진을 나타내고, 도 14는 열교환기를 수몰시켜 누수 여부를 체크하는 사진을 나타낸다. 그리고 도 15는 열교환기에 가해지는 수압을 점차 높여서 그 파괴압을 측정하는 사진을 나타내고, 도 16은 열교환기에 염수 분무 시험을 실시하는 사진을 나타낸다.

실험예 1

용가제 A를 사용하여 페이스트를 제조한 후 열교환기를 브레이징하였다. 용가제와 바인더는 그 질량비를 조절하였고, 디스펜서를 통해 페이스트를 전열판 위에 토출하는 압력도 조절하였다. 그리고 브레이징 온도를 15℃/min으로 승온하여 적절한 시간 동안 유지하였다. 수소의 주입 속도는 1L/min으로 설정하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예와 동일하였다. 아래의 표 4에 용가제 A를 사용한 실험예 1-1 내지 실험예 1-14의 상세 조건을 나타낸다.

실험예 1의 실험 결과

전술한 실험예 1-1 내지 실험예 1-14의 실험 결과, 일단 열교환기의 접합부 브레이징이 육안상 미흡한 것으로 관찰되었다. 따라서 열교환기의 누수 여부, 파괴압 및 내식성까지 체크할 필요는 없었다. 다만, 일부 열교환기의 누수 여부를 체크한 결과, 실험예 1-5 내지 실험예 1-8, 실험예 1-12 및 1-13의 열교환기에서는 누수가 있었고, 특히 실험예 1-4의 열교환기의 파괴압은 20bar로 측정되었다.

실험예 2

용가제 B를 사용하여 페이스트를 제조한 후 열교환기를 브레이징하였다. 용가제와 바인더는 그 질량비를 조절하였고, 디스펜서를 통해 페이스트를 전열판 위에 토출하는 압력도 조절하였다. 그리고 브레이징 온도를 15℃/min으로 승온하여 적절한 시간 동안 유지하였다. 수소의 주입 속도는 1L/min으로 설정하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예와 동일하였다. 아래의 표 5에 용가제 B를 사용한 실험예 2-1 내지 실험예 2-17의 상세 조건을 나타낸다.

실험예 2의 실험 결과

전술한 실험예 2-1 내지 실험예 2-17의 실험 결과, 일단 열교환기의 접합부 브레이징이 육안상 미흡한 것으로 관찰되었다. 따라서 열교환기의 누수 여부, 파괴압 및 내식성까지 체크할 필요는 없었다.

실험예 3

용가제 C를 사용하여 페이스트를 제조한 후 열교환기를 브레이징하였다. 용가제와 바인더는 그 질량비를 조절하였고, 디스펜서를 통해 페이스트를 전열판 위에 토출하는 압력도 조절하였다. 그리고 브레이징 온도를 15℃/min으로 승온하여 적절한 시간 동안 유지하였다. 수소의 주입 속도는 1L/min으로 설정하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예와 동일하였다. 아래의 표 6에 용가제 C를 사용한 실험예 3-1 내지 실험예 3-10의 상세 조건을 나타낸다.

실험예 3의 실험 결과

전술한 실험예 3-1 내지 실험예 3-10의 실험 결과, 일단 열교환기의 접합부 브레이징이 육안상 미흡한 것으로 관찰되었다. 따라서 열교환기의 누수 여부, 파괴압 및 내식성까지 체크할 필요는 없었다. 다만, 일부 열교환기의 누수 여부를 체크한 결과, 실험예 3-4, 3-6, 및 3-7의 열교환기에서 누수가 있었다.

실험예 4

용가제 D를 사용하여 페이스트를 제조한 후 열교환기를 브레이징하였다. 용가제와 바인더는 그 질량비를 조절하였고, 디스펜서를 통해 페이스트를 전열판 위에 토출하는 압력도 조절하였다. 그리고 브레이징 온도를 15℃/min으로 승온하여 적절한 시간 동안 유지하였다. 수소의 주입 속도는 적절하게 설정하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예와 동일하였다. 아래의 표 7에 용가제 D를 사용한 실험예 4-1 내지 실험예 4-23의 상세 조건을 나타낸다.

실험예 4의 실험 결과

전술한 실험예 4-1 내지 실험예 4-23의 실험 결과, 일단 열교환기의 접합부 브레이징이 대체적으로 양호한 것으로 관찰되었다. 열교환기의 누수 여부, 파괴압 및 내식성을 실험하여 그 결과를 아래의 표 8에 나타낸다. 여기서, 누수 여부는 모든 열교환기에 대해 실시하였으나 파괴압 측정과 염수 분무는 부분적으로 실시하였다.

표 8에 기재한 바와 같이, 실험예 4-3, 4-8, 4-9, 4-11 내지 4-16, 및 4-21 내지 4-23의 열교환기는 최종 판정 결과, 합격인 것으로 판명되었다. 특히, 실험예 4-21 내지 4-23의 열교환기는 내식성도 우수한 것으로 밝혀졌다. 따라서 이러한 공정 조건을 사용하는 경우, 우수한 품질의 열교환기를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

이와는 대조적으로, 실험예 4-1, 4-4 내지 4-7 및 4-10의 열교환기는 누수 현상이 발생되어 불합격 판정을 받았다. 또한, 실험예 4-17 내지 4-19는 열교환기의 내부 막힘 현상이 발생하였고, 실험예 4-2 및 4-20의 열교환기는 누수 현상은 발생하지 않았으나 파괴압이 너무 낮아서 불합격으로 판정되었다.

실험예 5

용가제 E를 사용하여 페이스트를 제조한 후 열교환기를 브레이징하였다. 용가제와 바인더는 그 질량비를 조절하였고, 디스펜서를 통해 페이스트를 전열판 위에 토출하는 압력도 조절하였다. 그리고 브레이징 온도를 15℃/min으로 승온하여 적절한 시간 동안 유지하였다. 수소의 주입 속도는 5L/min으로 설정하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예와 동일하였다. 아래의 표 9에 용가제 E를 사용한 실험예 5-1 내지 실험예 5-7의 상세 조건을 나타낸다.

실험예 5의 실험 결과

전술한 실험예 5-1 내지 실험예 5-7의 실험 결과, 일단 열교환기의 접합부 브레이징은 대체적으로 양호한 것으로 관찰되었다. 열교환기의 누수 여부 및 파괴압을 실험하여 그 결과를 아래의 표 10에 나타낸다. 여기서, 누수 여부는 모든 열교환기에 대해 실시하였으나 파괴압 측정은 부분적으로 실시하였다.

표 10에 기재한 바와 같이, 실험예 5-2 및 5-4의 열교환기는 최종 판정 결과, 합격인 것으로 판명되었다. 즉, 누수가 발견되지 않았고, 파괴압도 적정 수준 이상인 것으로 판명되었다.

이와는 대조적으로, 실험예 5-1, 5-3, 5-5 및 5-7의 열교환기는 누수 현상이 발생되어 불합격 판정을 받았다. 또한, 실험예 5-6의 열교환기는 누수 현상은 발생하지 않았으나 파괴압이 너무 낮아서 불합격으로 판정되었다.

전술한 실험예 1 내지 실험예 5에서 알 수 있는 바와 같이, 대체적으로 실험예 4 또는 실험예 5의 용가제를 이용하여 열교환기를 제조시 브레이징이 양호하게 이루어졌다. 또한, 전열판들을 가열 온도는 1160℃ 내지 1200℃가 좀더 바람직하였다. 그리고 전열판들을 브레이징하는 진공로에서는 1L/min 보다 크고 5L/min 이하의 주입 속도로 수소를 공급하는 것이 바람직하였다. 한편, 복수의 전열판들은 실질적으로 15℃/min로 승온하는 것이 바람직하였다. 그리고 페이스트는 0.035MPa 내지 0.040MPa의 압력으로 전열판들 위에 토출되는 것이 바람직하였다. 결론적으로, 본 발명의 실험예를 통하여 누수가 없으며, 파괴압이 높고 내식성이 우수한 용가제의 조성과 이에 부합하는 브레이징 공정을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명의 실험예를 통하여 우수한 품질의 열교환기를 제조할 수 있었다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 페이스트
20. 전열판
30. 커넥터
40. 진공로
100. 열교환기
201. 포트
401. 열원

Claims (10)

1. 열교환기 브레이징에 사용되는 내압성 용가제로서,
   0 보다 크고 20wt% 이하의 니켈,
   0 보다 크고 30wt% 이하의 크롬,
   0 보다 크고 10wt% 이하의 실리콘,
   0 보다 크고 5wt% 이하의 인,
   0 보다 크고 0.1wt% 이하의 탄소, 및
   잔부 철과 불가피한 불순물
   을 포함하는 용가제.
2. 제1항에서,
   상기 니켈의 양은 15wt% 내지 18wt%이고, 상기 크롬의 양은 20wt% 내지 26wt%이며, 상기 실리콘의 양은 6.5wt% 내지 7wt%이고, 상기 인의 양은 4.5wt% 내지 5wt%인 용가제.
3. 제1항에서,
   상기 니켈의 양은 16wt%이고, 상기 크롬의 양은 21.6wt% 내지 25.6wt%이며, 상기 실리콘의 양은 5.7wt% 내지 6.2wt%인 용가제.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 용가제 50wt% 내지 52wt%와 나머지 액상 수지 바인더를 혼합한 페이스트를 제공하는 단계,
   열교환기에 포함된 복수의 전열판들 중 하나 이상의 전열판 위에 상기 페이스트를 토출하고, 상기 복수의 전열판들을 상호 겹쳐 놓는 단계,
   상기 복수의 전열판들을 진공로내의 수소 분위기하에서 1120℃ 내지 1200℃로 가열하여 브레이징하는 단계, 및
   상기 복수의 전열판들을 냉각하면서 상기 수소 분위기를 질소 분위기로 치환하는 단계
   를 포함하고,
   상기 페이스트를 제공하는 단계에서, 상기 액상 수지 바인더는 브틸폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 부타디엔스티렌, 폴리이소부틸렌 및 1-메톡시-2-프로판올-아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 바인더인 열교환기의 브레이징 방법.
5. 제4항에서,
   상기 복수의 전열판들을 브레이징하는 단계에서, 상기 수소 분위기를 생성하는 수소는 1L/min 보다 크고 5L/min 이하의 주입 속도로 상기 진공로내로 공급되는 열교환기의 브레이징 방법.
6. 제4항에서,
   상기 페이스트를 제공하는 단계에서, 상기 페이스트 중 상기 용가제의 평균 입도는 60㎛ 내지 80㎛인 열교환기의 브레이징 방법.
7. 제4항에서,
   상기 복수의 전열판들을 상호 겹쳐 놓는 단계에서, 상기 하나 이상의 전열판은 스테인리스강으로 제조되는 열교환기의 브레이징 방법.
8. 제4항에서,
   상기 복수의 전열판들을 브레이징하는 단계에서, 상기 복수의 전열판들은 15℃/min로 승온되는 열교환기의 브레이징 방법.
9. 제4항에서,
   상기 복수의 전열판들을 상호 겹쳐 놓는 단계에서, 상기 페이스트는 0.035MPa 내지 0.040MPa의 압력으로 토출되는 열교환기의 브레이징 방법.
10. 제4항에서,
    상기 복수의 전열판들을 브레이징하는 단계에서, 상기 복수의 전열판들은 1160℃ 내지 1200℃로 가열되는 열교환기의 브레이징 방법.

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