KR20220130414A - 열교환기 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

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Abstract

개시된 실시예는 튜브, 열교환핀 및 필러(filler)의 합금 조성을 제어하여 부식 환경에서 열교환핀의 희생 부식을 유도하여 튜브를 보호할 수 있는 내식성이 향상된 열교환기 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공한다. 개시된 실시예에 따른 열교환기는 냉매가 유동하는 복수의 튜브; 상기 복수의 튜브 사이에 사이에 마련되는 열교환핀; 및 상기 튜브와 상기 열교환핀을 결합시키는 필러;를 포함하고, 상기 튜브, 상기 열교환핀 및 상기 필러는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 튜브는 -745 내지 -695mV의 부식 전위(Corrosion Potential)를 갖고, 상기 필러는 -810 내지 -720mV의 부식 전위를 갖고, 상기 열교환핀은 -810 내지 -740mV의 부식 전위를 갖는다.

Description

열교환기 및 이를 포함하는 공기 조화기{HEAT EXCHANGER AND AIR CONDITIONER HAVING THE SAME}
본 발명은 열교환기 및 이를 포함하는 공기조화기에 관한 것이다.
일반적으로 공기조화기는 냉동 사이클을 이용하여 인간이 활동하기 알맞은 온도, 습도 등을 조절할 수 있다. 냉동사이클을 이루는 주요 구성요소로써 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 송풍팬 등이 구비된다.
공기조화기는 실내기와 실외기가 분리되어 설치되는 분리형 공기조화기와, 실내기와 실외기가 하나의 캐비닛에 함께 설치되는 일체형 공기조화기로 구분될 수 있다. 이 중 분리형 공기조화기의 실내기는 패널 내부로 흡입된 공기를 열교환시키는 열교환기와, 실내의 공기를 패널 내부로 흡입하고 흡입된 공기를 다시 실내로 송풍시키는 송풍팬을 구비한다.
열교환기는 공기조화기를 구성하는 장치로써 응축기나 증발기의 역할을 할 수 있다. 열교환기는 냉매를 안내하는 냉매관으로 마련되고, 냉매관은 다수의 열교환핀과 결합하여 열교환 효율을 높일 수 있다.
냉매관으로 마이크로 채널 튜브를 구비하는 열교환기는 다른 형태의 열교환기에 비해 열전달 특성이 우수한 것으로 알려져, 공기조화기의 열교환기로 사용된다.
한편, 알루미늄 소재는 구조용 금속으로써 구리 대비 가격이 저렴하고 비중이 낮은 소재로, 가공성이 우수하여 압출공정으로 많이 사용되고 있다. 최근에는 에너지 효율 향상을 위해 열교환기의 마이크로 채널 튜브에 적용되고 있다.
마이크로 채널 튜브는 핀 타입이나 매크로 튜브 타입보다 열교환 효율이 상당히 높으나 튜브의 두께가 핀 및 매크로 튜브 타입보다 얇아 내식성에 취약하다. 특히 기존 구리 소재를 대체하는 열교환기 부품의 경우 내식성이 떨어지기 때문에 고내식성을 갖는 알루미늄 마이크로 채널 튜브의 개발이 필요하다.
개시된 실시예는 튜브, 열교환핀 및 필러(filler)의 합금 조성을 제어하여 부식 환경에서 열교환핀의 희생 부식을 유도하여 튜브를 보호할 수 있는 내식성이 향상된 열교환기 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공한다.
개시된 실시예에 따른 열교환기는 냉매가 유동하는 복수의 튜브; 상기 복수의 튜브 사이에 사이에 마련되는 열교환핀; 및 상기 튜브와 상기 열교환핀을 결합시키는 필러;를 포함하고, 상기 튜브, 상기 열교환핀 및 상기 필러는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 튜브는 -745 내지 -695mV 의 부식 전위(Corrosion Potential)를 갖고, 상기 필러는 -810 내지 -720mV의 부식 전위를 갖고, 상기 열교환핀은 -810 내지 -740mV의 부식 전위를 갖는다.
또한, 상기 튜브는 Al-aMn-bMg-cZn-dCr-eGa 의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 a, b, c, d 및 e는 하기의 식 1을 만족할 수 있다.
(1) 70≤52a-11.6b-87c+0.15d-0.37e≤-70,
여기서, 0.25≤a≤1.2, 0.05≤b≤1.2, 0.05≤c≤1.0, d≤0.2, e≤0.1.
또한, 상기 열교환핀은 Al-xMn-yMg-zZn의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 x, y 및 z는 하기의 식 2을 만족할 수 있다.
(2) -90≤52x-11.6y-87z≤70,
여기서, x≤2, y≤0.3, z≤2.7.
또한, 상기 열교환핀은 상기 Mn을 0.7중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환핀은 상기 Mg 및 Zn을 각각 1중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환핀은 상기 Mg을0.2 중량% 이상 1중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환핀은 상기 Zn을 0.3 중량% 이상 1중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 필러는 Al-mSi-nZn의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 m 및 n은 하기의 식 3을 만족할 수 있다.
(3) -110≤2.7m-87n≤40,
여기서, m≤10, n≤1.3.
또한, 상기 필러는 상기 Zn을 1.3 중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 튜브는 미시 메탈(Misch Metal), 이트륨(Y), 및 스캔디움(Sc) 중 적어도 하나를 0.1중량% 미만으로 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 공기 조화기는 압축기; 실내 열교환기; 실외 열교환기; 및 팽창 기구; 를 포함하고, 상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기 중 적어도 어느 하나는, 냉매가 유동하는 복수의 튜브; 상기 복수의 튜브 사이에 사이에 마련되는 열교환핀; 및 상기 튜브와 상기 열교환핀을 결합시키는 필러;를 포함하고, 상기 튜브, 상기 열교환핀 및 상기 필러는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 튜브는 -745 내지 -695mV 의 부식 전위(Corrosion Potential)를 갖고, 상기 필러는 -810 내지 -720mV의 부식 전위를 갖고, 상기 열교환핀은 -810 내지 -740mV의 부식 전위를 갖는다.
또한, 상기 튜브는 Al-aMn-bMg-cZn-dCr-eGa 의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 a, b, c, d 및 e는 하기의 식 1을 만족할 수 있다.
(1) 70≤52a-11.6b-87c+0.15d-0.37e≤-70,
여기서, 0.25≤a≤1.2, 0.05≤b≤1.2, 0.05≤c≤1.0, d≤0.2, e≤0.1.
또한, 상기 열교환핀은 Al-xMn-yMg-zZn의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 x, y 및 z는 하기의 식 2을 만족할 수 있다.
(2) -90≤52x-11.6y-87z≤70,
여기서, x≤2, y≤0.3, z≤2.7.
또한, 상기 열교환핀은 상기 Mn을 0.7중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환핀은 상기 Mg 및 Zn을 각각 1중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환핀은 상기 Mg을0.2 중량% 이상 1중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환핀은 상기 Zn을 0.3 중량% 이상 1중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 필러는 Al-mSi-nZn의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 m 및 n은 하기의 식 3을 만족할 수 있다.
(3) -110≤2.7m-87n≤40,
여기서, m≤10, n≤1.3.
또한, 상기 필러는 상기 Zn을 1.3 중량% 미만으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 튜브는 미시 메탈(Misch Metal), 이트륨(Y), 및 스캔디움(Sc) 중 적어도 하나를 0.1중량% 미만으로 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 튜브는 -745 내지 -695mV 의 부식 전위(Corrosion Potential)를 갖고, Al-aMn-bMg-cZn-dCr-eGa 의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 a, b, c, d 및 e는 하기의 식 1을 만족한다.
(1) 70≤52a-11.6b-87c+0.15d-0.37e≤-70,
여기서, 0.25≤a≤1.2, 0.05≤b≤1.2, 0.05≤c≤1.0, d≤0.2, e≤0.1.
개시된 실시예는 열교환핀의 희생부식을 통해 내식성이 향상된 튜브를 포함하는 열교환기 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공할 수 있다.
또한, 개시된 실시예는 열교환기의 튜브 제조 시 아연 용사 공정을 생략할 수 있으므로 제조 공정을 단순화할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 공기조화기의 냉매의 흐름과 관련된 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 열교환기의 외관을 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 열교환기를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 A 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 열교환기의 열교환핀과 튜브의 결합 예를 도시한 도면이다.
도 6은 복수의 튜브에 열교환핀을 브레이징 용접하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 열교환기의 전위차 설계 예를 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 열교환기의 부식 과정을 도시한 도면이다.
도 9는 CASS테스트 및 SWAAT테스트의 결과를 나타낸 사진이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술된 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
각 단계들에 있어 식별 부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별 부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 작용 원리 및 실시예에 대해 설명한다.
일반적으로 열교환기는 내부에 냉매가 유동하며 외부 공기와 열교환하는 튜브와, 방열 면적을 넓히도록 튜브에 접촉하는 열교환핀과, 튜브의 양단이 연통되는 헤더를 구비하여, 냉매를 외부 공기와 열교환시키는 장치이다.
이러한 열교환기는 고온 액체와 저온 액체 사이에서 열 이동을 실시하는 범위 내에서 다양한 형태로 적용 가능할 수 있다. 예를 들어 열교환기는 폐열의 회수, 고온측 유체의 냉각, 저온측 유체의 가열, 증기의 응축 및 저온측 유체의 증발 등과 같은 여러 분야에 적용될 수 있다.
이러한 열 교환기는 공기조화기, 냉장고 등을 포함하는 다양한 기기에 적용될 수 있다. 이하, 열 교환기에 대해 설명하기에 앞서 공기조화기를 예로 들어 열 교환기의 적용 예를 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 공기조화기의 냉매의 흐름과 관련된 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바를 참조하면, 일 실시 예에 따른 공기조화기(200)는 실외기(300) 및 실내기(400)와 함께 실외기(300)와 실내기(400) 사이를 연결하며 기상 냉매가 유동하는 통로가 되는 가스관(P1)과 액상 냉매가 유동하는 통로가 되는 액관(P2)을 포함하며, 가스관(P1)과 액관(P2)은 실외기(300) 및 실내기(400) 내부로 연장된다.
실외기(300)는 냉매를 압축하는 압축기(310)와, 실외 공기와 냉매 사이의 열교환을 수행하는 실외 열교환기(320)와, 난방 또는 냉방 모드에 따라 압축기(310)에서 압축된 냉매를 실외 열교환기(320)와 실내기(400) 가운데 어느 하나로 선택적으로 안내하는 사방 밸브(330)와, 난방 모드 시에 실외 열교환기(320)로 안내되는 냉매를 감압하는 실외 팽창밸브(340)와, 미처 증발되지 못한 액상 냉매가 압축기(310)로 유입되는 것을 방지하는 어큐뮬레이터(350)를 포함한다.
압축기(310)는 외부 전원으로부터 전기에너지를 공급받아서 회전하는 압축기 모터(미도시)의 회전력을 이용하여 저압의 기상 냉매를 고압으로 압축할 수 있다.
사방 밸브(330)는 냉방 시에는 압축기(310)에서 압축된 냉매를 실외 열교환기(320)로 안내하고, 난방 시에는 압축기(310)에서 압축된 냉매를 실내기(400)로 안내한다.
실외 열교환기(320)는 냉방 시에 압축기(310)에서 압축된 냉매를 응축하고, 난방 시에 실내기(400)에서 감압된 냉매를 증발시킨다. 이와 같은 실외 열교환기(320)는, 개시된 발명에 따른 열교환기(1)가 적용될 수 있다. 다시 말해 냉매가 유동하는 튜브(10), 튜브 표면에 결합되는 열교환핀(30)을 포함하고, 튜브(10)와 열교환핀(30)은 필러(36)에 의해 결합될 수 있다. 이하 전술한 바와 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
실외 팽창밸브(340)는 난방 모드 시에 냉매를 감압할 뿐만 아니라 실외 열교환기(320)에서 충분한 열교환이 이루어지도록 실외 열교환기(320)에 제공되는 냉매의 양을 조절할 수도 있다. 구체적으로 실외 팽창밸브(340)는 냉매가 좁은 유로를 통과하면 외부와의 열교환 없이도 압력이 감소하는 냉매의 교축(throttling) 작용을 이용하여 냉매를 감압할 수 있다.
실내기(400)는 실내 공기로 냉매 사이의 열 교환을 수행하는 실내 열교환기(410)와, 냉방 시에 실내 열교환기(410)로 제공되는 냉매를 감압하는 실내 팽창밸브(420)를 포함한다.
실내 열교환기(410)는 냉방 시에는 저압의 액상 냉매를 증발시키고, 난방시에는 고압의 기상 냉매를 응축할 수 있다. 이와 같은 실내 열교환기(320) 는, 개시된 발명에 따른 열교환기(1)가 적용될 수 있으며, 설명의 편의상 전술한 바와 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
실내 팽창밸브(320)는 교축 작용을 이용하여 냉매를 감압할 뿐만 아니라 실내 열교환기(410)에서 충분한 열교환이 이루어지도록 실외 열교환기(320)에 제공되는 냉매의 양을 조절할 수 있다.
이상에서는 일 실시 예에 따른 열교환기(1)가 공기조화기(200)에 적용된 예에 대해 설명하였다.
다음으로, 개시된 발명에 따른 열교환기(1)에 대해 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 열교환기의 외관을 도시한 도면이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 열교환기를 도시한 분해 사시도 이고, 도 4는 도 3의 A 부분을 확대 도시한 도면이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 열교환기의 열교환핀과 튜브의 결합 예를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5를을 참조하면, 일 실시 예에 따른 열교환기(1)는 복수의 튜브(10), 헤더(20a, 20b) 및 복수의 열교환핀(30)을 포함할 수 있다.
복수의 튜브(10)는 서로 나란히 배치될 수 있으며, 유체인 냉매가 유동할 수 있도록 내부에 채널이 형성될 수 있다. 아울러, 복수의 튜브(10)는 결합되어 튜브 어셈블리를 형성할 수 있다.
냉매는 기체 상태에서 액체 상태로 상 변화(압축)하면서 외부 공기와 열교환 하거나, 액체상태에서 기체상태로 상 변화(팽창)하면서 외부 공기와 열교환할 수 있다. 냉매가 기체 상태에서 액체 상태로 상 변화 할 때 열교환기(1)는 응축기로 사용될 수 있으며, 냉매가 액체 상태에서 기체 상태로 상 변화 할 때 열교환기(1)는 증발기로 사용될 수 있다.
복수의 튜브(10)는 압출 및 사출 성형될 수 있으며, 이하 설명의 편의상 복수의 튜브(10)가 압출 성형된 경우를 예로 들어 설명한다. 실시 예에 따라 복수의 튜브(10) 양 단부에는 연결부재가 결합될 수 있다. 연결부재(12)는 복수의 튜브(10)의 양 단부에 결합되어 튜브 어레이를 형성할 수 있다.
헤더(20a, 20b)는 연결 부재의 외측에 결합되는 제 1 헤더(20a) 및 제 2 헤더(20b)를 포함할 수 있다. 제 1 헤더(20a)는 제 1 방향을 향하고, 제 2 헤더(20b)는 제 2 방향(B)을 향하도록 튜브(10)의 외측에 결합될 수 있다. 제 1 헤더(20a) 및 제 2 헤더(20b)는 상호 일정 간격으로 이격 되도록 배치될 수 있으며, 제 1 헤더(20a) 및 제 2 헤더(20b) 사이에는 복수 개의 튜브(10)가 배치될 수 있다.
제 1 헤더(20a)에는 제 1 방향(D1)을 향하는 복수의 튜브(10)의 일단부가 연결될 수 있고, 제 2 헤더(20b)에는 제 2 방향(D2)을 향하는 복수의 튜브(10)의 다른 단부가 연결될 수 있다. 다만 헤더(20a, 20b) 및 복수의 튜브(10)의 배치 구조가 전술한 예에 한정되는 것은 아니다.
제 1 헤더(20a)는 유입 헤더(21) 및 유출 헤더(22)를 포함할 수 있으며, 유입 헤더(21)에는 복수의 튜브(10)를 향하여 냉매가 유입되는 유입구가 형성되고 유출 헤더(22)에는 복수의 튜브(10)에서 냉매가 유출되는 유출구가 형성될 수 있다.
실시 예에 따라 유입 헤더와 유출 헤더가 서로 다른 방향을 향하도록 유입 헤더(21)가 제 2 헤더(20b)에 마련되거나 유출 헤더(22)가 제 2 헤더(20b)에 마련될 수 있음은 물론이다.
열교환핀(30)은 튜브(10) 내부에 형성된 채널을 따라 유동하는 냉매와 외부 공기가 효율적으로 열을 교환할 수 있도록 복수의 튜브(10) 사이에 마련될 수 있다. 즉, 열교환핀(30)은 열교환 공간에서 튜브(10)와 접촉되도록 배치될 수 있다.
복수의 열교환핀(30)과 복수의 튜브(10)가 접촉되는 부분은 브레이징 용접에 의해 고정될 수 있다. 브레이징 용접은 필러 메탈(filler metal)을 고온에서 용융시켜 용접하는 방식으로, 이 때 필러 메탈(filler metal)은 피접착제 보다 저용융점의 것이 사용될 수 있다.
이하 도 6을 참조해 튜브(10)와 열교환핀(30) 의 결합 형태에 대해 보다 상세하게 설명한다. 도 6은 복수의 튜브(10)에 열교환핀(30)을 브레이징 용접하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바를 참조하면 열교환핀(30)은 복수회 절곡된 형상으로 마련될 수 있다. 보다 상세하게 열교환핀(30)은 제 1 방향으로 상향경사진 제 1 경사면과 제 1경사면으로부터 연장되어 제 1 방향으로 하향경사진 제 2 경사면을 포함할 수 있다. 여기서 제 1 방향은 튜브(10)와 열교환핀(30)의 접촉부를 따라 열교환핀(30)이 연장된 방향으로 정의한다. 열교환핀(30)은 제 1 경사면과 제 2 경사면이 복수 개가 결합되어 지그재그 형상으로 마련될 수 있다. 실시 예에 따라 열교환핀(30)은 외부 공기와 접촉되는 면을 증가시키기 위해 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 제 1 경사면과 제 2 경사면이 연결되어 절곡되는 부분이 튜브(10)와의 접촉부(10a)의 내측면에 접촉되어 열 교환이 일어나도록 설치될 수 있다.
열교환핀(30)의 핀재는 고온에서 납땜 가능한 브레이징 시트형 핀재일 수 있다. 이러한 브레이징 시트(S)는 코어층(32) 및 코어층(32)의 일면 또는 양면에 형성된 클래드층(34)을 포함할 수 있다.
코어층(32)의 일면에 클래드층(34)이 형성된 경우, 튜브(10)와 열교환핀(30)의 브레이징 용접 시 클래드층(34)의 클레드면과 튜브(10)가 마주보는 상태에서 브레이징 용접을 수행할 수 있다. 실시 예에 따라 복수의 튜브(10) 사이에 열교환핀(30)을 위치시킬 경우 코어층(32)의 양면에 클래드층(34)을 형성하는 것이 바람직하다.
브레이징 용접 과정에서 클래드층(34)에 고온의 열이 가해질 수 있으며, 이에 클래드층(34)이 용융되어 튜브(10)와 열교환핀(30)의 접촉부(10a)를 고정시킬 수 있다. 이하, 열교환핀(30)의 클래드층(34)이 용융되어 열교환핀(30)의 코어층(32)와 튜브(10) 사이에 형성된 결합 부위를 필러(36)라 정의한다.
필러(36)는 열교환핀(30)의 클래드층(34)이 용융되어 형성된 것으로 그 구성 성분은 클래드층(34)과 동일할 수 있다. 다시 말해, 클래드층(34)이 용융되어 형성된 알루미늄 합금재가 필러(36)를 형성할 수 있다.
한편, 개시된 실시예에 따른 열교환기(1)의 튜브(10), 열교환핀(30) 및 필러(36)는 알루미늄 합금으로 형성된다. 만약 열교환기가 부식환경에 있다면, 고전위 합금 함량이 많은 열교환핀이 부식될 수 있고, 열교환핀이 부식되면서 튜브 또한 열교환핀과의 전위차에 의해 부식되어 냉매 누설 현상이 발생하기도 한다.
최근에는 열교환기에 아연 용사코팅을 실시하여 튜브의 부식을 방지하는 방법이 적용되고 있다. 이는, 튜브보다 전위가 낮은 아연 확산층이 먼저 부식되도록 하여 튜브의 부식을 방지할 수 있었다.
튜브 단품에 대해 일정한 농도와 두께를 갖는 아연 확산층이 형성된다면 튜브의 내식성이 향상될 수 있다. 그러나, 브레이징 시 아연이 튜브 쪽으로 확산되어 아연 확산층이 두껍게 형성된다. 따라서, 아연 농도가 높은 튜브의 표면층의 전위와 열교환핀 또는 필러 사이에 전위차가 발생하여 열교환핀의 희생부식 효과가 없어지고, 튜브에 공식(pitting corrosion)이 발생하는 문제가 있다.
또한, 기존 열교환기의 튜브는 그 물성을 증가시키고 열교환핀의 희생 부식을 위한 전위차 증가를 목적으로 1 중량% 미만의 구리를 포함한다. 그러나, 튜브에 구리가 포함되면, 주조 시 알루미늄 기지에 분포하는 미세한 Al2Cu 상이 기지보다 높은 화학적 포텐셜을 갖기 때문에 튜브의 표면에 공식이 발생하는 문제가 있다.
이에 개시된 실시예는 전술한 문제점들을 해결하기 위해, 구리를 합금 원소로 포함하지 않고, 아연 용사 공정을 생략하여도, 브레이징 후 열교환기 자체의 내식성을 유지하고 부식환경에서는 열교환핀의 희생부식을 유도하여 튜브를 보호할 수 있는 열교환기를 제공한다.
이를 위해 개시된 발명에 따른 열교환기(1)는 열교환기(1)의 튜브(10) 및 열교환핀(30)에 첨가되는 합금원소 성분을 최적화함으로써 튜브(10)의 전극 전위를 높게 형성하여 튜브(10)의 내식성을 향상시키고자 한다. 다시 말해, 열교환핀(30)의 전극 전위를 낮게 형성하여 열교환핀(30)의 희생부식을 유도할 수 있으며, 결과적으로 튜브(10)의 보호를 유도할 수 있다.
이와 같은 열교환핀(30)의 희생 부식을 갈바닉 부식(Galvanic corrosion, 또는 이종금속 접촉부식)이라 한다.
갈바닉 부식은 서로 다른 금속이 접촉하여 한쪽 금속이 다른 쪽 금속의 산화를 촉진시킴으로써 일어나는 부식으로, 서로 다른 금속이 가지고 있는 고유의 전기 전위 차이로 인해 발생될 수 있다. 구체적으로, 서로 다른 금속이 전기적으로 접속된 상태에서 전해질 용액에 접촉하면 부식 전지가 형성되는데, 이 때 전위가 낮은 쪽의 금속이 애노드(anode)가 되어 부식이 촉진되게 되고, 전위가 높은 쪽의 금속이 캐소드(cathode)가 되어 보호되게 된다.
전술한 부식 작용을 역이용하면 금속의 부식을 막을 수도 있는데, 이를 음극 보호라 한다. 본 실시 예에 따른 열교환기(1)는 음극 보호 방법에 의해 튜브(10)의 부식을 막을 수 있다. 보다 상세하게, 열교환기(1)의 튜브(10)와 열교환핀(30)이 약 20 내지 60 mV 범위의 전위차를 가지도록 설계함으로써 튜브(10)를 보호할 수 있다. 다만, 전술한 수치 범위는 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위한 것이며, 발명의 기술적 사상이 전술한 수치 범위에 의해 한정되는 것은 아니다.
전위차 설계와 관련해, 튜브(10)와 열교환핀(30)의 전위차가 지나치게 큰 경우 열교환핀(30)의 부식이 가속화되어 튜브(10)가 부식되는 것을 막기 어려울 수 있으며, 튜브(10)와 열교환핀(30)의 전위차가 지나치게 적을 경우 열교환핀(30)과 튜브(10)의 부식이 동시에 진행되어 결과적으로 튜브(10)의 보호가 어려울 수 있다. 이에, 튜브(10)의 부식을 막기 위해서는 튜브(10)와 열교환핀(30) 간에 갈바닉 쌍의 형성 시 튜브(10)와 열교환핀(30)사이에 형성되는 부식 전위를 일정 범위 내에서 조절할 필요가 있다.
같은 이유로 열교환핀(30)과 필러(36), 그리고 필러(36)와 튜브(10) 사이에 형성되는 부식 전위 역시 적절하게 조절할 필요가 있다. 일 예에 따르면 열교환핀(30)과 필러(36), 필러(36)와 튜브(10) 사이에 형성되는 부식 전위는 각각 10 내지 50 mV 및 19 내지 65 mV의 범위로 형성될 수 있다. 다만, 전술한 수치 범위는 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위한 것이며, 발명의 기술적 사상이 전술한 수치 범위에 의해 한정되는 것은 아니다.
개시된 발명에서는 튜브(10)와, 필러(36)와, 열교환핀(30)간에 형성되는 전위차를 조절하기 위해 각각의 알루미늄 합금재에 다양한 물질들을 여러 조성비로 첨가할 수 있다. 이하, 알루미늄 합금재의 조성 비에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 일 실시 예에 따른 열교환기(1)용 튜브(10)의 알루미늄 합금재 성분에 대해 설명하도록 한다.
개시된 실시예에 따른 열교환기(1)의 튜브(10)는 Al-Mn-Mg-Zn-Cr-Ga의 합금계를 바탕으로 설계되는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 나머지는 Fe 등의 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 열교환기(1)의 튜브(10)는 기존 열교환기 튜브에 첨가되는 Cu를 포함하지 않는다. 이를 통해 Cu가 포함될 경우 생성될 수 있는 Al2Cu에 의한 공식의 문제를 방지할 수 있으므로 튜브(10)의 내식성이 향상될 수 있다.
튜브(10)를 형성하는 알루미늄 합금은 필러(36)와 열교환핀(30)보다 높은 전위값을 갖도록 각 합금원소 함량이 제어될 수 있다.
튜브(10)는 -745 내지 -695mV 의 부식 전위(Corrosion Potential)를 갖도록 Al-aMn-bMg-cZn-dCr-eGa 의 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지며, a, b, c, d 및 e는 하기의 수학식 (1)을 만족한다.
(1) 70≤52a-11.6b-87c+0.15d-0.37e≤-70, (여기서 0.25≤a≤1.2, 0.05≤b≤1.2, 0.05≤c≤1.0, d≤0.2, e≤0.1).
튜브(10)에 첨가된 Ga은 Ga-Si 및 Ga-Fe간 금속간화합물을 형성하는데, Ga-Si간 및 Ga-Fe간 음의 혼합 엔탈피를 갖기 때문에, 결정립의 크기가 감소하게 되고 이로 인해 내식성이 증가하는 효과를 갖는다.
튜브(10)는 열교환핀(30)과의 브레이징 시 튜브(10)와 열교환핀(30)간의 접합성을 높이기 위해 미쉬메탈(Misch Metal), 이트륨(Y), 및 스캔디움(Sc) 중 적어도 하나의 합금 원소를 더 포함할 수 있다.
튜브(10)는 전술한 것처럼 Mg 및 Zn을 포함한다. Mg 및 Zn이 첨가되면, 결정립이 미세화되고, 압출 시 재료의 유동성이 증가하게 된다. 이로 인해, 컨테이너 금형의 압력이 감소하게 되고 튜브(10)의 압출속도가 증가하게 된다.
Mg 및 Zn을 포함함으로써 Mn을 1wt% 포함하는 기존의 A3003 알루미늄 합금보다 압출속도가 70% 이상 향상될 수 있다.
다음으로, 일 실시 예에 따른 열교환기(1)의 열교환핀(30)의 알루미늄 합금 성분에 대해 보다 상세하게 설명한다.
개시된 실시예에 따른 열교환기(1)의 열교환핀(30)은 Al-Mn-Mg-Zn의 합금계에 따라 설계되는 알루미늄 합금으로 이루어진다. 열교환핀(30)을 형성하는 알루미늄 합금은 튜브(10)와의 전위차를 형성하기 위해 Mn이 0.7wt%미만으로 첨가된다.
열교환핀(30)은 -810 내지 -740mV의 부식 전위를 갖도록 Al-xMn-yMg-zZn의 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지며, x, y 및 z는 하기의 수학식 (2)를 만족한다.
(2) -90≤52x-11.6y-87z≤70, (여기서, x≤2, y≤0.3, z≤2.7).
열교환핀(30)을 형성하는 알루미늄 합금은, 내식성 개선을 위해 Cu 및 Si 원소를 인위적으로 첨가시키지 않고, Mg 및 Zn을 각각 1wt% 미만으로 포함한다. 보다 구체적으로, 열교환핀(30)은 Mg을 0.2 wt% 이상 1wt% 미만으로 포함하고, Zn을 0.3wt% 이상 1wt% 미만으로 포함한다. 또한, 열교환핀(30)은 전위값을 튜브(10)의 전위값보다 낮게 설정하기 위해 300~400도에서 열처리 수행하여 전위값을 감소시킬 수 있다.
다음으로, 일 실시 예에 따른 열교환기(1)의 필러(36)의 알루미늄 합금 성분에 대해 보다 상세하게 설명한다.
개시된 실시예에 따른 열교환기(1)의 필러(36)는 4000계 알루미늄 합금을 바탕으로 설계되며, 특히 Al-Si-Zn 합금계에 따라 설계되는 알루미늄 합금으로 이루어진다.
필러(36)는 -810 내지 -720mV의 부식 전위를 갖도록 Al-mSi-nZn 의 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지며, m 및 n은 하기의 수학식 (3)을 만족한다.
(3) -110≤2.7m-87n≤40, (여기서 m≤10, n≤1.3)}
Zn 함량이 1.3wt%이상 첨가될 경우 내식성이 급격히 감소하므로, 필러(36)는 1.3wt% 미만의 Zn을 포함한다. 또한, 필러(36)는 내식성 개선을 위해 앞서 설명한 튜브(10) 및 열교환핀(30)과 마찬가지로 Cu 원소가 인위적으로 첨가되지 않는다.
이하, 도 7은 일 실시 예에 따른 열교환기(1)의 전위차 설계 예를 도시한 도면이고, 도 8은 일 실시 예에 따른 열교환기(1)의 부식 과정을 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바를 참조하면, 전술한 실시예에 따른 합금 조성의 알루미늄 합금으로 이루어진 열교환기(1)는 열교환핀(30)의 전위 Vc와, 필러(36)의 전위 Vf와, 튜브(10)의 전위 Vt가 각각 Vt > Vf > Vc의 관계를 가지도록 설계된다.
도 8에 도시된 바를 참조하면, 위와 같이 형성된 전위 차에 의해 열교환핀(30)이 가장 먼저 부식될 수 있으며, 이어서 필러(36)의 부식이 진행될 수 있다. 열교환핀(30)의 부식이 진행될 경우, 열교환핀(30)과 필러(36) 또는 열교환핀(30)과 튜브(10) 사이에 갈바닉 쌍이 형성될 수 있다. 이 경우, 열교환핀(30)에서 필러(36) 방향으로 또는 열교환핀(30)에서 튜브(10) 방향으로 전자(e-)가 이동할 수 있으며, 결과적으로 열교환핀(30)의 희생 부식이 진행될 수 있다.
열교환핀(30)의 희생 부식이 어느 정도 진행되면, 이어서 필러(36)의 부식이 진행될 수 있다. 필러(36)의 부식이 진행될 경우, 필러(36)에서 튜브(10) 방향 또는 튜브(10) 표면에서 튜브(10) 내부 방향으로 전자(e-)가 이동할 수 있다. 이와 같이 열교환핀(30), 필러(36) 및 튜브(10) 표면의 부식이 순차적으로 진행된 후, 최종적으로 튜브(10) 내부가 부식되게 됨에 따라 튜브(10)를 보호할 수 있다.
전술한 실시예에 따른 합금조성을 갖는 열교환기(1)의 튜브(10)의 내식성을 평가하였다.
전술한 알루미늄 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금에 대해 주조, 열처리, 고온 압연, 상온 압연 및 어닐링을 수행하여, 평가 대상 샘플이 제조되었고, SWAAT테스트와 CASS테스트를 통해 샘플의 내식성을 평가하였다.
CASS테스트는 5%NaCl과 CuCl2가 혼합된 pH 3.1 내지 3.3의 용액을 1.0 내지 2.0ml/h로 24시간 동안 분무하여 수행되었다. SWAAT테스트는 pH 2.8 내지 3.0의 5%NaCl 용액을 1.0 내지 2.0ml/h로 24시간 동안 분무하여 수행되었다.
평가 결과는 하기의 표 1에 나타내었다. 도 9는 CASS테스트 및 SWAAT테스트의 결과를 나타낸 사진이다.
구분 내식성 분석(두께: 0.35t)
CASS 테스트 SWAAT테스트
비교예 비교예1 14일차 관통 43일차 관통
실시예 실시예1 31일차 관통 62일차 양호
실시예2 43일차 관통 62일차 양호
실시예3 36일차 관통 62일차 양호
실시예4 36일차 관통 62일차 양호
상기 표 1의 비교예 1 의 합금 조성은 하기의 표 2와 같다.
열교환기 튜브 wt%(분석값)
Si Fe Cu Mn Ce La Mg Cr Zn Ti
비교예1 0.07 0.16 0.01 0.30 - - - - - -
실시예 1은 Al-0.25Mg-0.31Zn-0.5Mn-Ga의 합금조성을 갖고, 실시예2는 Al-0.25Mg-0.31Zn-0.7Mn-Ga의 합금조성을 갖는다. 실시예 3은 Al-0.1Mg-0.1Zn-0.1Cr-0.5Mn의 합금조성을 갖고, 실시예4는 Al-0.1Mg-0.1Zn-0.1Cr-0.7Mn의 합금조성을 갖는다.
표 1 및 도 9를 참조하면, 실시예 1, 2, 3 및 4의 경우, Cu를 포함하는 비교예 1에 비해 CASS테스트 및 SWAAT테스트 결과, 2배 가량 내식성이 우수한 것을 알 수 있다.
전술한 실시예에 따른 합금조성을 갖는 열교환기(1)의 튜브(10), 열교환핀(30) 및 필러(36)의 전위값을 분석한 결과를 하기의 표 3에 나타내었다.
구분 전위값(mV)
튜브 실시예1
(Al-0.25Mg-0.31Zn-0.5Mn-Ga)
-739
실시예2
(Al-0.25Mg-0.31Zn-0.7Mn-Ga)
-727
실시예 3(Al-0.1Mg-0.1Zn-0.1Cr-0.5Mn) -705
실시예4(Al-0.1Mg-0.1Zn-0.1Cr-0.7Mn) -695
열교환핀 실시예1
(0.5Mg-0.5Zn-0.5Mn)
-758
실시예2
(1.6Mn-1.4Zn-0.3Mg)
-778
실시예3(1.6Mn-1.0Zn) -744
실시예4(1.6Mn-1.4Zn) -776
실시예5(1.6Mn-1.6Zn) -797
필러 실시예1
(10Si-0.5Zn)
-755
실시예2
(8Si-0.5Zn)
-755
실시예 3(6Si-0.5Zn) -755
실시예 4(7.8Si-0.2Zn) -720
실시예 5(7.8Si-0.4Zn) -743
실시예 6(7.8Si-1.0Zn) -764
표 3에 나타낸 것처럼, 각 실시예에 따른 튜브(10), 열교환핀(30) 및 필러(36)의 전위값은 열교환핀(30)이 가장 전위값이 낮고 튜브(10)가 가장 전위값이 높으며 필러(36)가 그 중간의 전위값을 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 부식 상황에서 열교환기(1)의 부식 순서는 열교환핀(30), 필러(36), 튜브(10) 순서로 부식이 진행되는 것을 알 수 있다.
하기의 표 4는 전술한 튜브, 필러, 열교환핀의 실시예들 중 일부 실시예들에 따른 튜브, 필러, 열교환핀을 이용하여 제조한 열교환기의 CASS 테스트 결과를 나타낸다.
구분 열교환기 CASS 테스트
비교예1 튜브 비교예1 25일 냉매 누설
필러 비교예1
(Al-7.1Si)
열교환핀 비교예1(Al-1.6Mn-1.4Zn)
적용예 1 튜브 실시예2 50일 이상
필러 실시예5
열교환핀 실시예5
적용예 2 튜브 실시예3 50일 이상
필러 실시예6
열교환핀 실시예5
표 4에 나타낸 것처럼, 개시될 실시예에 따른 튜브, 필러 및 열교환핀을 이용하여 제조한 적용예1 및 적용예2에 따른 열교환기의 CASS테스트 결과가 비교예 1에 따른 열교환기의 CASS테스트 결과에 비해 2배 이상 내식성이 개선된 것을 알 수 있다.
이상으로 개시된 발명의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능할 수 있다.
1: 열교환기
10 : 튜브
20a, 20b : 헤더
30 : 열교환핀
32 : 코어층
34 : 클래드층
36 : 필러
200 : 공기조화기
300 : 실외기
400 : 실내기

Claims (21)

  1. 냉매가 유동하는 복수의 튜브;
    상기 복수의 튜브 사이에 사이에 마련되는 열교환핀; 및
    상기 튜브와 상기 열교환핀을 결합시키는 필러;를 포함하고,
    상기 튜브, 상기 열교환핀 및 상기 필러는 알루미늄 합금으로 이루어지고,
    상기 튜브는 -745 내지 -695mV 의 부식 전위(Corrosion Potential)를 갖고,
    상기 필러는 -810 내지 -720mV의 부식 전위를 갖고,
    상기 열교환핀은 -810 내지 -740mV의 부식 전위를 갖는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 Al-aMn-bMg-cZn-dCr-eGa 의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 a, b, c, d 및 e는 하기의 식 1을 만족하는 열교환기.
    (1) 70≤52a-11.6b-87c+0.15d-0.37e≤-70,
    여기서, 0.25≤a≤1.2, 0.05≤b≤1.2, 0.05≤c≤1.0, d≤0.2, e≤0.1.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환핀은 Al-xMn-yMg-zZn의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 x, y 및 z는 하기의 식 2을 만족하는 열교환기.
    (2) -90≤52x-11.6y-87z≤70,
    여기서, x≤2, y≤0.3, z≤2.7.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열교환핀은 상기 Mn을 0.7중량% 미만으로 포함하는 열교환기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 열교환핀은 상기 Mg 및 Zn을 각각 1중량% 미만으로 포함하는 열교환기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 열교환핀은 상기 Mg을0.2 중량% 이상 1중량% 미만으로 포함하는 열교환기
  7. 제3항에 있어서,
    상기 열교환핀은 상기 Zn을 0.3 중량% 이상 1중량% 미만으로 포함하는 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 필러는 Al-mSi-nZn의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 m 및 n은 하기의 식 3을 만족하는 열교환기.
    (3) -110≤2.7m-87n≤40,
    여기서, m≤10, n≤1.3.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 필러는 상기 Zn을 1.3 중량% 미만으로 포함하는 열교환기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 미시 메탈(Misch Metal), 이트륨(Y), 및 스캔디움(Sc) 중 적어도 하나를 0.1중량% 미만으로 포함하는 열교환기.
  11. 압축기;
    실내 열교환기;
    실외 열교환기; 및
    팽창 밸브; 를 포함하고,
    상기 실내 열교환기와 상기 실외 열교환기 중 적어도 어느 하나는,
    냉매가 유동하는 복수의 튜브;
    상기 복수의 튜브 사이에 사이에 마련되는 열교환핀; 및
    상기 튜브와 상기 열교환핀을 결합시키는 필러;를 포함하고,
    상기 튜브, 상기 열교환핀 및 상기 필러는 알루미늄 합금으로 이루어지고,
    상기 튜브는 -745 내지 -695mV 의 부식 전위(Corrosion Potential)를 갖고,
    상기 필러는 -810 내지 -720mV의 부식 전위를 갖고,
    상기 열교환핀은 -810 내지 -740mV의 부식 전위를 갖는 공기 조화기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 튜브는 Al-aMn-bMg-cZn-dCr-eGa 의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 a, b, c, d 및 e는 하기의 식 1을 만족하는 공기 조화기.
    (1) 70≤52a-11.6b-87c+0.15d-0.37e≤-70,
    여기서, 0.25≤a≤1.2, 0.05≤b≤1.2, 0.05≤c≤1.0, d≤0.2, e≤0.1.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 열교환핀은 Al-xMn-yMg-zZn의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 x, y 및 z는 하기의 식 2을 만족하는 공기 조화기.
    (2) -90≤52x-11.6y-87z≤70,
    여기서, x≤2, y≤0.3, z≤2.7.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열교환핀은 상기 Mn을 0.7중량% 미만으로 포함하는 공기 조화기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 핀은 상기 Mg 및 Zn을 각각 1중량% 미만으로 포함하는 공기 조화기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 열교환핀은 상기 Mg을0.2 중량% 이상 1중량% 미만으로 포함하는 공기 조화기
  17. 제13항에 있어서,
    상기 열교환핀은 상기 Zn을 0.3 중량% 이상 1중량% 미만으로 포함하는 공기 조화기.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 필러는 Al-mSi-nZn의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 m 및 n은 하기의 식 3을 만족하는 공기 조화기.
    (3) -110≤2.7m-87n≤40,
    여기서, m≤10, n≤1.3.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 필러는 상기 Zn을 1.3 중량% 미만으로 포함하는 공기 조화기.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 튜브는 미시 메탈(Misch Metal), 이트륨(Y), 및 스캔디움(Sc) 중 적어도 하나를 0.1중량% 미만으로 포함하는 공기 조화기.
  21. -745 내지 -695mV 의 부식 전위(Corrosion Potential)를 갖고,
    Al-aMn-bMg-cZn-dCr-eGa 의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 a, b, c, d 및 e는 하기의 식 1을 만족하는 튜브.
    (1) 70≤52a-11.6b-87c+0.15d-0.37e≤-70,
    여기서, 0.25≤a≤1.2, 0.05≤b≤1.2, 0.05≤c≤1.0, d≤0.2, e≤0.1.
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