KR960003724B1 - 무용제 납땜 접합방법 및 그 방법으로 제작한 열교환기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

무용제 납땜 접합방법 및 그 방법으로 제작한 열교환기

제1도는 본 발명에 따른 알루미늄 부재 결합방법의 순서도.

제2도는 알루미늄 부재 결합방법에 제공된 열교환기의 부분 단면을 도시한 부분 사시도.

제3도는 제2도의 선 3-3을 따른 부분 단면도.

제4도는 제2도의 선 4-4을 따른 부분 단면도.

제5도는 제2도의 선 5-5을 따른 부분 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 열교환기 5 : 알루미늄 탱크

7 : 헤어핀 8 : 핀스톡

54 : 플랜지가 형성된 개구 74 : U자형 만곡부

본 발명은 알루미늄 접합부의 납땜 특히 열교환기 부품을 납땜하는 방법 및 그 방법에 의해 제공된 열교환기에 관한 것이다.

아연 땜납을 이용하여 관행 알루미늄 접합부를 납땜하면 알루미늄 부재위에 점착성의 표면 산화물 층을 형성하는 것과 관련된 많은 문제점을 나타낸다. 접합부가 종모양 또는 스피곳(spigot)모양인 경우에는 통상 납땜 용탕에 잠겨있는 알루미늄 부재 또는 직접 용탕에 초음파 에너지가 작용하게 된다. 관형부재의 접합부상에 땜납링 또는 땜납으로 미리 피복된 단부를 추가로 이용하여 종래 기술을 개량한 것이 공지되어 있다. 종래 공정에서의 공통적인 단점은 결합된 부재로부터 산화물을 제거하기 위해서 땜납이나 용접 대상 부재에 충분한 에너지를 전달해주기 힘들다는 점이다. 또한 고강도 초음파 에너지를 이용하는 것도 바람직하지 못한데, 그 이유는 접합 부재의 벽에 국부적인 결합이 발생하여, 결과적으로 기지 금속을 국부적으로 용융시키거나 또는 합금을 형성하기 때문이다. 이런 문제점은 널리 인식된 것으로서, 예컨대 영국 특허 제1,519,891호에 잘 나타나 있으며, 따라서 특히 접합부분의 넓은 경우, 상기의 방법으로는 일관되고도 일정한 납땜접합은 달성할 수가 없다.

미합중국 특허 제4,377,024호에는 자동차용 라디에이터를 만드는 방법이 설명되어 있는바, 그 특허에서는 충분한 강도를 지니며 새지않는 라디에이터를 만들기 위해서 튜브와 해더(header)사이에 일차 하중(primary load)을 지탱하는 용접 접속부가 마련되고 그 후에 튜브와 헤더의 용접지역을 덮어서 땜납 밀봉제가 도포된다. 이런 방법은 특별한 용접장비를 필요로 하고, 또, 관을 밀봉하는 작용을 하기 위한 납땜 용제와 관에 핀스톡을 납땜하기 위한 납땜 용제를 모두 사용해야 하는 번거로운 조립 방법이다. 납땜 공정에서 용제를 사용하면 부가적인 세정 작업이 필요하며, 조립된 라디에이터에서 부식을 촉진하게될 위험을 갖게된다.

따라서, 본 발명의 목적은 알루미늄 접합부를 용제없이 납땜하는 새롭고 단순한 무용제 납땜방법을 제공하여 접합부가 강하고 변함없이 균일하게 용접되게 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 한번의 단순한 납땜으로 열교환기를 조립하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 양호한 열전달 성능을 갖춘 새지않고 강인한 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 계류중인 미합중국 특허 출원 제570,845호에서 설명된 방법으로 아연 땜납이 피복된 알루미늄 부재는, 사용된 땜납의 용융점보다 높은 온도에 일정 시간 동안 유지하면서 단지 다른 물질로 피복되었거나 혹은 피복되지 않은 알루미늄 부재와 동시에 진동시키는 등 기계적으로 교반하는 방식으로 접촉하게 함으로써 그 다른 물질로 피복되었거나 피복되지 않은 알루미늄 부재와 견고하게 간단히 접합될 수 있는 것으로 판명되었다.

이 방법은 헤어핀관(hairpin tube)과, 유체탱크로부터 연장하여 상호 연결되는 핀(fin)을 구비하는 알루미늄 열교환기를 상업적으로 생산하기에 특히 적합하다. 유체탱크와 헤어핀관 양자 모두는 아연으로 피복되는 것이 바람직한데, 이 경우 상호 연결되는 핀들을 헤어핀관에 납땜하고 그 관을 탱크에 납땜하는 것이 단 한번의 공정으로 이루어지는 것이 바람직하다.

용융된 아연 또는 아연합금에 의해 피복된 초기상태에 알루미늄 부재는 피복층과 알루미늄 기층 사이에 탁월한 접착성을 나타낸다.

일루미늄과 아연사이에 적절한 확산 접합이 이루어지는 것은 피복공정중에 알루미늄 기층상에 방해가 되는 산화물층(입자)이 없기 때문에 가능하다. 아연 땜납이 피복된 알루미늄 부재를 피복되지 않은 알루미늄 부재와 접합시키는 기존의 방법과 반대로, 본 발명에 따르면 상기 부재중 적어도 하나는 확산접합된 접착 아연 땜납을 피복하고 접합부재에 진동과 같은 기계적인 교반을 적용함으로써 그 접합 부재들사이에 강력하고도 일관된 접합이 이루어졌다.

제1도는 열교환기 조립공정에서 알루미늄 부재의 접합단계의 순서도를 도시하고 있다. 상기 공정의 초기단계는 유동체가 순환되는 한개 또는 그 이상의 분리된 챔버를 갖는 압출된 아연 피복 알루미늄 탱크를 제공하는 것이다. 탱크의 전표면 또는 바로 열교환기 코어(core)의 중공튜브가 접합될 하나의 측면에는 두께가 30 내지 150μm 응고된 아연으로 이루어진 접합층이 마련되어 있다.

여기에서 아연이라함은 순수 알루미늄외에 알루미늄이나 구리를 포함하는 아연합금을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 순수아연에 비해 융점이 40℃ 낮은 아연 합금을 사용함으로써 대체로 낮은 온도에서 납땜을 할 수 있게 된다.

그 다음 단계는 탱크 챔버의 납땜이 피복된 벽에 일체적인 함몰부와 같은 플랜지가 구비된 구멍을 제공하는 것이다. 높이와 면적이 일정하고 아연피복으로 이루어진 접합층을 갖고 있는 플랜지는 상업적으로 채택된 방법, 예를 들면 처음에 구멍을 뚫고 그 다음에 맨드릴(manarel)과 받침용 공구(도시되지 않음)사이로 플랜지를 드로우잉(drawing)함으로써 챔버벽에 있는 개구 주위에서 챔버 안쪽으로 돌출되게 형성되어 있다. 양호한 실시예에 있어서, 관들 사이에 위치하며 열교환기 코어를 형성하는 프레임 또는 고정구(固定具)에 의해 함께 유지되는 아연이 피복된 알루미늄 핀스톡(finstock)을 구비한 아연 피복관은 열교환기 코어에 대하여 축방향으로 가압함으로써 400℃ 내지 500℃로 예열된 탱크에 함께 접합된다. 이러한 접합 작업중에 접합부재 중 적어도 하나에 주기적인 기계적 교반, 즉 진동이 가해진다. 접합 부재는 진동 또는 불연속적인 압력을 받을 수 있으므로 접합 부분사이에 상대운동이 일어나게 된다.

이것은 접합 알루미늄 부재중 하나가 피복되지 않았을때, 즉 제1도에서 점선으로 표시한 다른 조립 공정에서의 피복되지 않은 관이 제공되는 경우에 특히 중요하다. 접합 부분은 일정시간 동안 피복된 땜납의 융점보다 높은 온도로 유지된다. 이 유지시간은 예열온도를 30초 내지 300초 작용시킴으로써 모든 조립된 부품이 적절히 접합되게 해준다. 제1도에 도시한 최종 조립단계에서 납땜으로 접합된 코어 및 탱크부재는 단부 밀폐캡을 완성하여 제2도에서 도시한 가열기 같은 열교환기 유니트를 형성하게 된다. 밀폐단부 캡은 탱크와 브레이징(brazing)으로 용접될 수 있으며 사용재료에 따라서는 아교로 접합될 수도 있다.

제2도에는 본 발명에 따른 방법에 의해 제공된 열교환기(1)의 부분사시도가 도시되어 있다. 열교환 매체의 순환을 위해 입구통로 및 출구통로를 구비하고 있는 2개의 분리된 챔버를 갖고 있는 알루미늄 탱크(5)는 챔버(52)에서 내부로 돌출한 플랜지를 구비한 개구(54)로 연장하는 아연 땜납 접합층을 구비하고 있다.

각각의 입구 및 출구챔버와 연결하는 헤어핀관(7)이 열교환기를 관통하는 연속적인 경로를 형성한다. 상부 탱크(5)의 개구(54)로 삽입되어 납땜된 개방단부를 가진 상기 헤어핀관중 하나가 제4도에 부분 수직단면도로서 도시되어 있다. 헤어핀관 사이에서 지그재그로 배치되어 있는 핀플레이트(finplate)처럼 도시되어 있는 핀스톡(8)은 이 경우에 그 헤어핀 관들에 납땜되어 있다.

계류중인 미합중국 특허 출원 제589,932호에 설명되어 있는 헤어핀관의 독특한 형상은 제2도의 선 3-3 및 선 4-4를 따라 절개한 부분 단면도를 도시한 제3도 및 제4도에 도시되어 있다.

이 알루미늄 헤어핀관(7)은 2개의 평행한 직선형 레그부들(71)을 구비하며, 그들 레그부들은 그것들은 일체로 형성된 U형 절곡부(74)에 의해 상호 연결된 제1단부 및 개방된 단부(72)를 구비한다. 그 레그부들은 전체 길이에 걸쳐 타원형 단면을 갖고 있으며, 따라서, 그 인접한 헤어핀관 사이에 있는 핀 플레이트를 적절히 지지할 수 있고, U자형 절곡부(74)는 단면이 원형이어서 각각의 레그부(71)의 내부통로 면적보다 작지 않은 내부 통로를 형성할 수 있다(제4도).

헤어핀관(7)과 탱크 챔버의 연결을 용이하고도 단순화하기 위해서, 개방 단부(72)는 제2도 및 제5도에 도시된 바와 같이 플랜지가 형성된 구멍(54)의 원형 단면에 꼭맞도록 할 수 있다. 제5도는 제2도의 선 5-5를 따라 취한 열교환기 상부의 개략적인 단면도이다. 압출된 알루미늄 탱크는 격벽(隔璧)에 의해서 2개의 챔버로 나뉘어지며, 상기 챔버 각각은 납땜에 의해 단단히 접합된 헤어핀 관의 개방단부를 수용하는 플랜지가 형성된 다수의 구멍(54)을 포함하고 있다. 탱크 단부에 용접, 브레이징(brazing) 또는 접합된 밀폐캡(9)이 열교환 유체 순환용 통로를 제공하는 챔버들을 밀폐한다.

열교환기에 헤어핀관 같은 구조를 구비함으로써 2가지 주요 장점을 얻을 수 있다. 즉, 헤어핀 관의 레그부의 최대 직경부는 그 최대직경과 레그부 사이의 연결부 사이의 각에 관계없이 항상 공기(기체) 유동 방향으로(혹은 동평면으로) 향하도록 할 수 있으며, 그로인해 열전달 변수(heat transfer parameter)를 최적화 할 수 있다. 헤어핀 관의 레그부의 (평평한) 타원형 단부는, 관을 수용할 정렬된 구멍이 없는 핀스톡이 헤어핀에 관해 납땜되어 있는 지그재그 형태로 배열된 핀플레이트(finpate)에 사용되는 경우, 핀스톡과 관 사이를 충분히 접촉하게 해준다.

전술한 내용으로부터, 지금까지 도시 설명한 접합과정 및 열교환기는 첨부된 청구범위에 표현된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 다양하게 개조될 수 있다. 예를 들면, 헤어핀관 대신에 탱크 사이에서 연장하는 상호 연결된 핀(fin)을 갖는 다수의 직선형 중공관과 아연 땜납으로 피복된 2개의 유체탱크를 함께 접합하여 본 발명에 따른 열교환기를 제공할 수 있으며, 관을 수용하도록 정렬된 구멍을 갖는 핀스톡을 구비한 피복되지 않은 관, 즉 탱크에 용제없이 납땜하기 전에 팽창하여 핀스톤과 견고하게 접촉하는 관은 알루미늄 부재를 이용하는 것은 접합방법의 개조된 예이다.

Claims (5)

1. 응고된 아연 땜납이 피복된 제1의 알루미늄 부재들을 피복되지 않은 제2의 알루미늄 부재에 접합하는 알루미늄 부재의 무용제 납땜 접합 방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 부재를 원하는 구조로서 배열하여 상호 접촉시키는 접촉 단계와 ; 상기 접촉 단계에서 접촉된 상기 제1 및 제2알루미늄 부재를 예열하여 상기 제1알루미늄 부재들의 표면상의 제위치에서 용융된 아연 땜납 용탕을 형성하는 예열 단계와 ; 진통시키지 않는 고정 주기(holding periods of no vibrations)들에 의해 분리된 복수의 횟수의 진동 주기로서, 온도가 상승되어 접촉된 상기 제1 및 제2알루미늄 부재를 진동시켜 상기 제2알루미늄 부재들과 상기 제1알루미늄 부재들의 상기 피복된 아연 땜납 아래의 표면들을 직접 접촉시키는 단계와 ; 상기 진동 단계에서 직접 접촉된 부재들을 냉각시켜 상기 아연 땜납을 응고시킴으로써 접합된 조립체를 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무용제 납땜 접합 방법.
2. 유체탱크로부터 연장하는 상호 연결된 핀(fin)과 중공 관으로 이루어진 코어를 구비하는 열교환기의 제작 방법에 있어서, 유체가 순환할 수 있도록 분리된 쳄버를 구비하고 접합용의 응고된 땜납이 확산 피복되어 있는 압출된 알루미늄 탱크를 제공하는 단계와 ; 땜납이 피복된 챔버벽에 일체적인 함몰부와 같은 플랜지가 형성된 구멍을 형성하는 단계와 ; 땜납의 용융점보다 높은 온도로 탱크를 예열하여 제위치에서 용융된 땜납 용탕을 형성하는 단계와 ; 핀(fin)에 부착되어 있는 중공관의 개방단부를 탱크의 상기 플랜지가 형성된 구멍에 삽입하는 단계와 ; 상기 중공관을 축방향으로 가압하는 단계와 ; 접합된 관과 탱크를 일정주기 동안 땜납 융점보다 높은 온도와 일정 압력하에 있도록 유지하는 단계 및 ; 접합된 부재들을 냉각시켜 땜납을 응고시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 제작방법.
3. 제2항에 이어서, 상기 중공튜브는 땜납이 피복된 헤어핀 관이며, 상기 상호 연결된 핀(fin)은 상기 조립과정중 유지단계에서 납땜에 의해 상기 헤어핀 관과 접합되는 것을 특징으로 하는 열교환기 제작방법.
4. 중공관으로 이루어진 코어와 유체탱크로부터 연장하여 상호 연결된 핀(fin)을 구비하는 열교환기에 있어서, 상기 탱크는 땜납으로 피복된 챔버벽에 일체적인 함몰부와 같은 플랜지가 형성된 다수의 구멍을 구비한 적어도 2개의 분리된 챔버를 구비하고, 알루미늄을 압출하여 형성되며, 상기 챔버는 열교환 유체 순환용의 연속적인 통로를 구비하는 다수의 중공 헤어핀관에 의해 연결되어 있으며, 상기 헤어핀관은 평행하게 형성된 2개의 직선형 레그부를 구비하고 있고, 그들 레그부는 각기 그들 레그부와 일체로 형성된 U형 절곡부에 의해 상호 연결되는 제1단부와 개방된 제2단부를 구비하며, 그 개방된 제2단부는 상기 플랜지가 형성된 구멍에 삽입되어 탱크에 납땜되고, 상기 레그부들은 상기 U형 굴곡부를 제외한 전체 길이 부분에 타원형 단면으로 형성되고, 상기 U형 절곡부는 각각의 레그부의 내부 통로 면적보다 작지않은 면적의 원형 단면으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제4항에 있어서, 상기 헤어핀관들이 아연으로 피복되어 인접한 그 헤어핀관들 사이에 배치된 핀들(fins)과 납땜되며 상기 헤어핀관의 레그부의 개방단부는 탱크의 플랜지가 형성된 구멍의 원형단면과 일치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.

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