KR20200106508A - 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법 - Google Patents

브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법 Download PDF

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KR20200106508A
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니클라스 보르네가드
스벤 안데르손
한스 안드레
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스웹 인터네셔널 에이비이
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Abstract

매체가 열을 교환하는 플레이트 간 유로(interplate flow channels)가 형성된 열교환기 플레이트가 서로로부터 거리를 유지하도록, 이웃하는 열교환기 플레이트 사이에 접촉점을 제공하도록 구성된 프레스 패턴이 있는 열교환기 플레이트의 스택을 포함하는 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법에 있어서, 상기 플레이트 간 유로는 상기 매체가 열을 교환하는 포트 개구와 선택적으로 연통하고, 외부 누출을 방지하기 위해 외부 주변부를 따라 원주 밀봉되는 것을 특징으로 하고, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
a. 이웃하는 플레이트 사이의 상기 접촉점의 위치를 계산하는 단계;
b. 상기 열교환기가 사용되는 경우에 각 접촉점에 의해 전달되어야 하는 힘을 계산하는 단계;
c. 상기 단계 a 및 b에 의거하여, 각 접촉점에 필요한 브레이징 물질의 양을 계산하는 단계;
d. 상기 브레이징 물질을 상기 열교환기 플레이트에 스크린 프린팅하기 위한 스크린을 제공하는 단계―여기서, 상기 스크린에는 개구가 있고, 상기 개구의 크기, 위치, 플레이트 두께, 및 형상은 필요한 브레이징 물질의 양을 각 접촉점에 제공하기에 적합하도록 구성됨;
e. 상기 스크린을 활용하여 상기 브레이징 물질로 상기 열교환기 플레이트를 스크린 프린팅하는 단계;
f. 상기 열교환기 플레이트를 스택으로 적층하는 단계; 및
상기 열교환기 플레이트를 서로 결합시켜 상기 열교환기를 형성하기 위하여 상기 열교환기 플레이트의 상기 스택을 브레이징하는 단계.

Description

브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법
본 발명은 매체가 열을 교환하는 플레이트 간 유로(interplate flow channels)가 형성된 열교환기 플레이트 또는 그 일부가 서로로부터 거리를 유지하도록, 이웃하는 열교환기 플레이트 사이에 접촉점을 제공하도록 구성된 프레스 패턴이 있는 열교환기 플레이트의 스택을 포함하는 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법에 관한 것이다. 여기서, 플레이트 간 유로는 매체가 열을 교환하는 포트 개구와 선택적으로 연통하고, 외부 누출을 방지하기 위해 외부 주변부를 따라 원주 밀봉된다.
SE539695에 브레이징 이전에 열교환기 플레이트 상에 브레이징 물질을 적용하는 방법이 개시되어 있다. 요약하면, 이 방법은 이웃하는 열교환기 플레이트의 리지(ridges)와 그루브(grooves) 사이의 접촉점(contact points) 가까이에 그러나 닿지 않게 브레이징 물질을 적용하는 단계를 포함한다. 이 방법에 의하면, 리지와 그루브 사이의 브레이징 조인트(brazing joints)는 리지와 그루브 사이의 접촉점에 브레이징 물질을 적용하여 이루어진 브레이징 조인트에 비하여 상당히 얇아지게 된다.
상기 특허 출원에 따른 방법에 의해, 적은 양의 브레이징 물질로 강도가 높은 브레이징 조인트를 형성할 수 있다. 여기에는 여러 이점이 있는데, 브레이징 물질을 상당히 절약할 수 있다는 이점 외에도, 열교환기 플레이트의 물질의 용해가 가능한 브레이징 물질이 브레이징 물질로 사용되는 경우에 열교환기 플레이트의 소위 용락(burn-through)의 위험이 감소된다.
의외로, 접촉점에 가까이 그러나 닿지 않게 적용된 브레이징 물질의 양은 브레이징 조인트의 강도에 심각한 영향을 미치지 않게 되는 것으로 나타났다. 이는 아마도 브레이징 물질을 더 많이 사용하면, 브레이징 물질이 열교환기 플레이트 두께의 일부를 용해하므로 열교환기 플레이트의 소재가 되는 판금에 부식이 증가한다는 사실 때문일 것이다. 단, 브레이징 물질을 더 많이 사용하면 브레이징 조인트의 전반적인 강도는 증가하겠지만, 그 차이는 예상보다 작다.
본 발명의 목적은 브레이징 물질의 특정 총량에 대해 최적의 강도를 가진 브레이징된 열교환기를 확보하기 위하여 각 접촉점 가까이에 또는 각 접촉점에 적용되는 브레이징 물질의 양을 최적화하는 것이다.
본 발명은 다음과 같은 단계를 포함하는 방법에 의해 상기 문제점 및 기타 문제점을 해결한다.
i. 이웃하는 플레이트 사이의 접촉점의 위치를 계산하는 단계;
ii. 열교환기가 사용되는 경우에 각 접촉점에 의해 전달되어야 하는 힘을 계산하는 단계;
iii. 상기 단계 i 및 ii에 의거하여, 각 접촉점에 필요한 브레이징 물질의 양을 계산하는 단계;
iv. 브레이징 물질을 열교환기 플레이트에 스크린 프린팅하기 위한 스크린을 제공하는 단계―여기서, 스크린에는 개구가 있고, 개구의 크기, 위치, 플레이트 두께, 및 형상은 단계 iii에서 계산된 필요한 브레이징 물질의 양을 각 접촉점에 제공하기에 적합하도록 구성됨;
v. 스크린을 활용하여 브레이징 물질로 열교환기 플레이트를 스크린 프린팅하는 단계;
vi. 열교환기 플레이트를 스택으로 적층하는 단계; 및
vii. 열교환기 플레이트를 서로 결합시켜 열교환기를 형성하기 위하여 열교환기 플레이트의 스택을 브레이징하는 단계.
브레이징 물질을 최소로 사용하여 최대의 강도를 달성하기 위하여, 스크린 개구는 포트 개구로부터의 거리가 멀어질수록 적용되는 브레이징 물질의 양이 줄어들게 할 수 있다.
내부 유로를 외부 누출로부터 밀봉하기 위하여, 각 열교환기 플레이트에 제공된 원주 스커트(circumferential skirts)에 의해 원주 밀봉이 제공될 수 있고, 여기서 이웃하는 플레이트의 스커트는 서로 중첩하는 방식으로 서로 접촉하도록 구성된다.
바람직하게는, 열교환기 플레이트는 일반적으로 사각형이고, 포트 개구는 열교환기 플레이트의 모서리 부근에 배치된다. 이는 소재 효율적인 방식으로 코일 형태로 판금을 활용할 수 있다는 점에서 이점이 된다.
두께가 최소인 브레이징 연결을 제공하기 위하여, 브레이징 물질은 각 접촉점의 양측에 '더블 도트(double dots)'의 형상으로 배치될 수 있다. 더블 도트는 둘레가 원형인 형상, 정사각형 형상, 길쭉한 형상, 반달 모양의 형상, 또는 괄호 표시 모양의 형상일 수 있다.
이하, 다음과 같은 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 예시를 통해 본 발명을 설명하기로 한다.
도 1은 브레이징 이전에 브레이징 물질로 열교환기 플레이트를 스크린 프린팅하는데 사용되는 스크린(또는 스텐실)의 평면도이다.
도 2 내지 도 5는 스크린의 개구의 예시적인 형상의 평면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 우선, 일부 기본 성질에 대해 간략히 설명하기로 한다.
본 발명은 브레이징된 열교환기의 제작에 유용하다. 브레이징된 열교환기는 복수의 열교환기 플레이트를 포함하고, 열교환기 플레이트에는 플레이트가 스택(stack)으로 배치되는 경우에 이웃하는 플레이트 사이에 접촉점을 형성하도록 구성된 리지(ridges)와 그루브(grooves)를 포함하는 프레스 패턴(pressed pattern)이 있다. 접촉점에 의해 플레이트들은 접촉점을 제외하곤 서로로부터 거리를 두고 떨어져 있게 되어, 매체가 열을 교환하는 플레이트 간 유로가 플레이트들 사이에 형성된다. 플레이트 간 유로는 일반적으로 플레이트의 주변부 전체를 따라 이어지는 스커트 형태인 가장자리 밀봉에 의해 둘레가 밀봉되고, 여기서 서로 이웃하는 플레이트들의 스커트는 서로 중첩되어 플레이트 간 유로로부터의 누출을 막는 원주 밀봉을 형성하도록 구성된다.
플레이트 간 유로는 일반적으로 열교환기 플레이트의 모서리 부근에 배치된 포트 개구와 연통한다. 대부분의 경우, 4개의 포트 개구, 즉, 제1 유체에 대한 주입구와 배출구 및 제2 유체에 대한 주입구와 배출구가 제공된다. 제1 유체에 대한 주입구와 배출구는 제1 세트의 플레이트 간 유로에 의해 서로 연통하고, 제2 유체에 대한 주입구와 배출구는 제2 세트의 플레이트 간 유로에 의해 서로 연통한다. 일반적으로, 각 세트의 플레이트 간 유로의 유로들은 하나씩 걸러서 각각 제1 세트의 플레이트 간 유로와 제2 세트의 플레이트 간 유로에 포함되도록 구성된다.
포트 개구와 유로 사이의 선택적 연통은 포트 개구를 둘러싼 영역을 서로 다른 높이에 제공하여 이웃하는 플레이트의 포트 개구를 둘러싼 영역이 서로 접촉하거나 서로 접촉하지 않게 함으로써 이루어지는 경우가 많다. 예를 들어, 이러한 영역이 서로 접촉하는 경우, 이웃하는 플레이트가 서로 브레이징되는 경우에 이웃하는 플레이트 사이에 포트 개구와 플레이트 간 유로 사이의 연통이 없게 되는 반면에, 이러한 영역이 서로 접촉하지 않는 경우에는 연통이 있게 된다.
작동 중에, 서로 열을 교환하는 유체의 압력이 주변의 기압을 초과하는 경우가 흔하다. 이러한 압력에서 초래되는 힘은 이웃하는 플레이트들을 서로 밀어내게 되고, 이러한 플레이트들이 밀려나지 않도록 유지하기 위하여 서로 이웃하는 플레이트의 리지와 그루브 사이의 접촉점은 힘을 플레이트에서 플레이트로 전달해야 한다. 이러한 힘은 압력 및 각 접촉점이 압력에서 초래되는 힘을 전달해야 하는 영역에 따라 달라지게 된다.
포트 개구는 유압에 노출되게 되고, 포트 개구에는 접촉점이 없으므로, 포트 개구 주변의 브레이징 조인트가 상당히 큰 힘을 전달해야 한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 유압에 의해 가해지는 전체 힘이 고작 몇 개의 접촉점에 의해 전달되어야만 한다.
도 1을 참조하면, 브레이징 이전에 열교환기 플레이트에 브레이징 물질의 적용 패턴이 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 브레이징 물질은 '더블 도트' 형태의 점의 쌍으로 적용되어 있다. 각 쌍의 각 점은 서로 이웃하는 열교환기 플레이트의 리지와 그루브 사이의 접촉점에 인접하게 되도록 배치된다. 대안적으로, 브레이징 물질은 단일 점으로 제공될 수 있고, 여기서 이러한 점은 서로 이웃하는 플레이트의 리지와 그루브 사이의 접촉점에 배치된다. 점은 둘레가 원형인 형상, 정사각형 형상, 또는 길쭉한 형상 등과 같은 임의의 형상일 수 있다. 더블 도트가 사용되는 경우, 각 도트가 반달 또는 괄호 표시와 유사한 형상인 경우에 결과가 좋은 것으로 나타났다. 이러한 형상이 사용되는 경우, 문장에서 괄호 표시가 사용되는 방식과 동일한 방식으로 각 쌍의 괄호 표시 또는 반달의 개구가 서로 마주보게 된다.
바람직하게, 브레이징 물질 도트는 스크린 프린팅, 즉 브레이징 물질이 선택적으로 적용될 영역에 스크린 또는 스텐실을 배치하는 것에 기반한 프린팅 기술에 의해 적용되고, 여기서 스크린 또는 스텐실에는 그 크기, 형상, 및 위치가 원하는 브레이징 물질 적용 패턴에 상응하는 개구가 있다.
브레이징된 열교환기 분야의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 앞서 설명한 이유로 인해, 이러한 열교환기는 너무 높은 압력이 가해지면 포트 영역 주변에서 파손되는 경향이 있다.
이에 따라, 스크린의 개구의 크기는 포트 개구의 주변에서 더 크다. 스크린 개구가 클수록 브레이징 물질의 양을 많아지게 되고, 따라서 브레이징 조인트의 크기도 커진다. 많은 양의 브레이징 물질을 포함하는 브레이징 조인트는 단위 면적당 강도가 약해지겠지만 크기는 커지게 되고, 따라서 더 큰 힘을 전달할 수 있게 된다. 기재(base material)의 용해가 가능한 브레이징 물질이 사용되는 경우에, 하나의 접촉점을 브레이징하기 위하여 많은 양의 브레이징 물질을 사용하면 용락(burn-through)의 위험도 증가하게 된다. 단, 용락은 브레이징 물질의 양에만 달려있는 것이 아니라는 점에 유의해야 한다. 온도와 시간과 같은 다른 요인들도 중요하다. 모든 접촉점에 동일한 양의 브레이징 물질이 적용된 열교환기에서, 어느 정도 비율의 브레이징 포인트는 기재를 용락시킬 수 있다. 사용되는 브레이징 물질의 양이 적을수록 이 비율은 줄어들게 된다. 용락의 비율은 많은 양의 브레이징 물질이 적용된 접촉점에 대해서도 매주 낮지만, 각 접촉점에 대해 사용되는 브레이징 물질의 양을 줄이면 이 비율은 더 낮아지게 된다.
따라서, 접촉점에 가까이 또는 닿게 적용되는 브레이징 물질의 양을 달리 하여 큰 힘을 받는 접촉점에는 많은 양의 브레이징 물질이 가까이 또는 닿게 적용되고 작은 힘을 전달해야 하는 접촉점에는 적은 양의 브레이징 물질이 가까이 또는 닿게 적용되도록 함으로써, 다음과 같은 예상치 못하고 복합적인 일부 이점이 생긴다.
1. 열교환기 제조에 필요한 브레이징 물질의 양이 감소된다.
2. 용락의 위험이 줄어든다.
3. 열교환기의 파열 강도(burst strength)는 모든 브레이징 조인트에 적용된 브레이징 물질이 큰 힘을 받는 브레이징 조인트와 동일한 정도의 브레이징 물질인 열교환기와 동일하게 된다.
도 1을 다시 참조하면, 서로 다른 브레이징 물질 적용 패턴이 사용되는 예시가 도시되어 있다. 도 1에서, 개구 부근의 접촉점에 대한 브레이징 물질 적용 패턴은 도 2에 도시된 바와 같은 형상으로 이루어져 있다. 즉, 브레이징 물질이 콩팥 형상의 도트 형태로 적용되어 있고, 각 쌍의 도트의 각 콩팥 형상의 개방단(open ends)은 서로 마주 보고 있다. 두 도트의 총 면적은 비교적 넓으며, 이는 비교적 많은 양의 브레이징 물질이 포트 개구 주변의 접촉점 가까이에 적용되게 됨을 의미한다. 도 2에 따른 적용 패턴은 G 구역에 사용된다.
G 구역에 이웃하여, F 구역은 도 3에 따라, 즉, 두 개의 원형면으로 브레이징 물질이 적용되는 영역을 구분한다. 도시된 예에서, 원형면의 반경은 0.77mm이다. 이웃하는 E 구역에서, 브레이징 물질이 도 4에 따라, 즉, 반경이 0.67mm인 원형면으로 적용되고, E 구역에 이웃하는 D 구역에서, 브레이징 물질은 반경이 0.58mm인 원형면으로 적용된다.
D 구역, E 구역, 및 F 구역에서, 가장 큰 원형 점(0.77mm의 반경)과 가장 작은 원형 영역(0.58mm) 사이에 1.76의 면적비가 있다. 그러나, 가장 큰 점과 가장 작은 점 사이의 면적비는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 넓은 한도 내에서 달라질 수 있다. 예를 들어, 면적비는 각 브레이징 조인트에 요구되는 힘에 따라 1.1 내지 10의 범위일 수 있다.
여기서, 포트 개구로부터의 거리가 증가할수록 D 구역 내지 G 구역에 적용되는 브레이징 물질의 양은 감소한다. 이는 포트 개구로부터 멀어질수록 접촉점의 평균 표면 밀도가 증가한다는 사실에 기인하며, 즉, 각 접촉점에 가해지는 힘이 약해짐을 의미한다.
도 5에는 또 다른 가능한 형상의 브레이징 물질 적용 패턴이 도시되어 있다. 도 5에 따르면, 브레이징 물질이 길쭉한 영역으로 적용된다. 이 형상은 상당히 많은 양의 브레이징 물질이 브레이징 물질이 적용되는 리지의 중심부를 벗어나지 않고 적용될 수 있다는 이점이 있다.
다양한 양의 브레이징 물질 적용을 확보하기 위해 스텐실에 개구의 형상을 구성하는 것에 대한 대안 또는 보완으로, 다양한 두께의 스크린을 사용하는 것도 가능하다. 즉, 스크린이 두꺼운 영역에서는 특정 적용 패턴으로 많은 양의 브레이징 물질이 적용되게 되고, 스크린이 얇은 경우에는 적은 양의 브레이징 물질이 적용되게 된다.
다양한 두께의 스크린과 스크린의 개구의 다양한 형상을 조합하면 적용되는 브레이징 물질의 양을 매우 광범위한 한계 이내에서 달리 할 수 있다. 모든 스크린 두께에는 각 두께에 해당하는 '릴리스 리밋(release limit)'이 있으므로, 특정 스크린 두께에는 최소의 가능한 개구 크기가 있다. 간략히 말해, 릴리스 리밋은 브레이징 물질이 적용되는 표면보다 개구의 벽에 더 달라붙게 되는 한계이다. 릴리스 리밋이 초과되는 경우, 브레이징 물질의 적용이 없게 된다. 릴리스 리밋은 다양한 요인에 따라 달라지게 되지만, 일반적으로 말해, 두꺼운 스크린에 비해 얇은 스크린이 더 작은 개구에 유리하다고 할 수 있다. 따라서, 개구 크기와 스크린 두께를 다양하게 조합함으로써, 적용되는 브레이징 물질의 양을 더욱 다양하게 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 매체가 열을 교환하는 플레이트 간 유로(interplate flow channels)가 형성된 열교환기 플레이트가 서로로부터 거리를 유지하도록, 이웃하는 열교환기 플레이트 사이에 접촉점을 제공하도록 구성된 프레스 패턴이 있는 열교환기 플레이트의 스택을 포함하는 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법에 있어서, 상기 플레이트 간 유로는 상기 매체가 열을 교환하는 포트 개구와 선택적으로 연통하고, 외부 누출을 방지하기 위해 외부 주변부를 따라 원주 밀봉되는 것을 특징으로 하고,
    a. 이웃하는 플레이트 사이의 상기 접촉점의 위치를 계산하는 단계;
    b. 상기 열교환기가 사용되는 경우에 각 접촉점에 의해 전달되어야 하는 힘을 계산하는 단계;
    c. 상기 단계 a 및 b에 의거하여, 각 접촉점에 필요한 브레이징 물질의 양을 계산하는 단계;
    d. 상기 브레이징 물질을 상기 열교환기 플레이트에 스크린 프린팅하기 위한 스크린을 제공하는 단계―여기서, 상기 스크린에는 개구가 있고, 상기 개구의 크기, 위치, 플레이트 두께, 및 형상은 필요한 브레이징 물질의 양을 각 접촉점에 제공하기에 적합하도록 구성됨;
    e. 상기 스크린을 활용하여 상기 브레이징 물질로 상기 열교환기 플레이트를 스크린 프린팅하는 단계;
    f. 상기 열교환기 플레이트를 스택으로 적층하는 단계; 및
    g. 상기 열교환기 플레이트를 서로 결합시켜 상기 열교환기를 형성하기 위하여 상기 열교환기 플레이트의 상기 스택을 브레이징하는 단계
    를 포함하는, 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스크린 개구는 상기 포트 개구로부터의 거리가 멀어질수록 적용되는 브레이징 물질의 양이 줄어들게 하는 것을 특징으로 하는, 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    각 열교환기 플레이트에 제공된 원주 스커트(circumferential skirts)에 의해 상기 원주 밀봉이 제공되고, 이웃하는 플레이트의 상기 스커트는 서로 중첩하는 방식으로 서로 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 플레이트는 일반적으로 사각형이고, 상기 포트 개구는 상기 열교환기 플레이트의 모서리 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는, 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법.
  5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이징 물질은 각 접촉점의 양측에 '더블 도트(double dots)'의 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 더블 도트는 둘레가 원형인 형상, 정사각형 형상, 길쭉한 형상, 반달 모양의 형상, 또는 괄호 표시 모양의 형상인 것을 특징으로 하는, 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법.
  7. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    큰 힘이 전달되어야 하는 접촉점에 직접 또는 그 주변에 적용되는 브레이징 물질의 양 대 작은 힘이 전달되어야 하는 접촉점에 직접 또는 그 주변에 적용되는 브레이징 물질의 양의 비율은 1.1 내지 20, 바람직하게는 1.1 내지 10의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 브레이징된 판형 열교환기의 제작 방법.
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