KR20030065521A - 플레이트식 열 교환기 및 그 제조 방법 - Google Patents

플레이트식 열 교환기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

적층된 복수의 플레이트 및 핀의 각 접촉부 혹은 적층된 복수의 플레이트의 각 접촉부가 납땜되어 열 교환부를 구성하는 플레이트식 열 교환기에 있어서, 적어도 유체와 접하는 플레이트 표면 및 핀 표면이 중량비로 크롬 25∼35%, 인 5∼7%, 규소 3∼5%, 알루미늄, 칼슘, 이트륨 및 미시 메탈(mish metal)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 1종 0.01∼0.1%, 잔부의 주성분이 니켈인 합금으로 코팅되어 있는 것으로 한다. 또, 이 합금은 철 15% 이하 및/또는 몰리브덴 10% 이하를 함유하여도 좋다. 이러한 플레이트식 열 교환기는 내압 강도가 높고, 또 내식성이 뛰어난 것이 된다.

Description

플레이트식 열 교환기 및 그 제조 방법{Plate type heat exchanger and method for manufacture thereof}
플레이트식 열 교환기는 예를 들면, 복수의 플레이트와 핀(fin)을 서로 번갈아 적층시키고, 각 플레이트와 핀의 접촉부를 납땜하여 열 교환부가 구성된다. 또, 플레이트의 평면에 스페이서와 교반용 요철부를 형성하여 핀을 생략하는 것도 가능하며, 이 경우에는 플레이트 끼리의 접촉부가 납땜된다.
납땜에 사용되는 납재로서는 각 분야에서 사용 실적이 풍부한 동납이 많이 사용되어 왔지만, 고온 특성이나 내식성이 요구되는 열 교환기에는 이들 특성이 일반적으로 동납에 비해 뛰어난 니켈납도 사용되게 되었다.
가공성이 나쁘기 때문에, 분말상으로 사용되는 니켈납을 플레이트식 열 교환기에 적용하는 경우, 플레이트 상에 형성된 철부(凸部)나 플랜지부 등의 납땜부, 혹은 핀을 사용하는 경우에는 핀과 접촉하는 플레이트면에 분말상의 납땜재를 부착시킨 후, 가열하는 것에 의해서 납땜된다.
종래부터 이러한 플레이트면에 대한 분말상의 납재의 부착방법으로, 납재와 납재 고정용 액상 결합제를 미리 페이스트 상으로 혼합한 것을 스크린 인쇄에 의해 부착시키거나, 페이스트 상의 납재를 디스펜서를 사용하여 부착시키거나, 납재와 결합제를 동시에 스프레이하여 부착시키는 방법이 알려져 있다. 또, 결합제로서는 안전성이나 환경 문제를 고려하여 수성 결합제가 많이 사용된다.
최근에 한층 더 향상된 신뢰성을 목적으로 내식성이나 강도 특성에 의해서 우수한 열 교환기가 요구되게 됨에 따라, 이것에 대응하기 위한 내식성이 뛰어난 납땜 강도가 높은 니켈납이 요망되기 시작하였다.
그렇지만, 니켈납으로 많이 사용되고 있는 니켈-크롬-보론-실리콘 합금 납(예를 들면, JIS Z 3265 BNi-2)은 납땜 강도는 높지만 내식성이 떨어진다는 문제가 있고, 또 유동성이 나쁘기 때문에 납재와 납땜 부품과의 경계 부근에서의 부식이 문제가 되고 있다.
일본공개특허 제 2000-171188호 공보에는 유동성이 뛰어난 니켈-크롬-인 합금 납으로 납땜한 플레이트식 열 교환기가 개시되어 있다. 또, 일본공개특허 2000-190069호 공보에는 니켈-크롬-인 합금 납을 이용한 플레이트식 열 교환기의 제조 방법이 개시되어 있다. 그러나, 대표적인 니켈-크롬-인 합금 납으로서 JIS 규격에 규정된 BNi-7은 다른 니켈납에 비해서 일반적으로 납땜 강도가 낮고, 또 내식성이 떨어진다는 문제가 있었다.
본 발명은 내압 강도가 높고, 또 내식성이 뛰어난 플레이트식 열 교환기 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 복수의 플레이트와 핀 혹은 복수의 플레이트를 적층시키고, 서로 납땜하는 것에 의해서 열 교환부가 구성되는 플레이트식 열 교환기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 플레이트식 열 교환기에 있어서의 플레이트와 핀의 상태를 나타내는 조립 개념도.
본 발명에 따른 플레이트식 열 교환기는 적층된 복수의 플레이트 및 핀의 각 접촉부 혹은 적층된 복수의 플레이트의 각 접촉부가 납땜되어 열 교환부가 구성되는 플레이트식 열 교환기에 있어서, 적어도 유체와 접하는 플레이트 표면 및 핀 표면이 중량비로 크롬 25∼35%, 인 5∼7%, 규소 3∼5%, 알루미늄, 칼슘, 이트륨 및 미시 메탈(mish metal)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 1종 0.001∼0.1%, 잔부의 주성분이 니켈인 합금으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 또, 이 합금은 철 15% 이하 및/또는 몰리브덴 10% 이하를 함유하고 있어도 좋다.
또, 본 발명에 따른 플레이트식 열 교환기의 작업성이 좋은 제조 방법은, 플레이트 혹은 핀이 적어도 어느 한 쪽에 결합제를 스프레이 도포하고, 이 결합제 도포면에 상기 합급으로 이루어지는 분말상의 납재를 부착시키고, 그 후에 이것을 여러 단 적층시켜서 가열하여 납땜하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 니켈 합금을 납재로 사용한 경우, 납땜 강도가 높기 때문에 내압 강도가 높은 플레이트식 열 교환기를 얻을 수 있다. 또, 유동성이 뛰어나기 때문에 납땜 시에 용융되면 열 교환부를 구성하는 플레이트나 핀의 표면에도 유출하여 유체와 접하는 플레이트 표면이나 핀 표면을 코팅 가능하게 된다. 따라서, 납재가 흘러간 선단부 부근에서 납재와 플레이트 혹은 핀과의 부식 전위차 등이 원인이 되어 발생하는 부식을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 플레이트식 열 교환기는 부식이 문제가 되는 유체와 접하는 플레이트 표면 및 핀 표면이 내식성이 뛰어난 니켈 합금으로 코팅되어 있기때문에 부식성 유체에 대해 적용이 가능하게 된다.
다음에, 본 발명에 따른 니켈 합금에 포함되는 각 성분량의 한정 이유에 대해서 설명한다.
크롬은 니켈에 고용(固溶)하여 니켈 크롬 고용체(固溶體)가 되고, 내식성이나 내산화성을 향상시키는데 필요한 원소이지만, 25% 미만에서는 황산 등에 대한 내식성이나 강도 향상의 효과가 적고, 또, 다량으로 함유시키면 습윤성을 저하시키기 때문에 25∼35%로 한다.
인은 5% 미만에서는 합금의 융점이 상승하고, 또 7%를 넘으면 내식성이 나빠져서 강도가 저하되기 때문에 5∼7%로 한다.
규소는 3% 미만에서는 내식성이 떨어지고 강도가 저하한다. 또, 5%를 넘으면 융점이 상승하기 때문에 3∼5%로 한다.
몰리브덴과 철은 모두 합금 강도를 향상시키는데 유효한 원소이지만, 다량으로 함유시키면 강도 향상의 효과가 적고, 내식성도 나빠지기 때문에 각각 10% 이하, 15% 이하로 한다.
알루미늄, 칼슘, 이트륨 및 미시 메탈(mish metal)은 습윤성을 향상시키는데 필요한 원소이지만, 0.001% 미만에서는 효과가 적고, 0.1%를 넘으면 습윤성이나 강도를 저하시키기 때문에 0.001∼0.1%로 한다. 또, 알루미늄의 사용이 특히 바람직하다.
추가로, 본 발명에서 사용하는 니켈 합금은 니켈의 일부를 코발트로 치환하여도 좋다. 이 경우 코발트의 사용량은 합금의 10% 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 플레이트 등에 분말상의 납재를 부착시키기 위한 결합제로 유기용매계 결합제 및 수성 결합제 모두를 사용할 수 있지만, 안정성이 뛰어난 수성 결합제를 사용하는 것이 바람직하다. 종래, 수성 결합제는 일반적으로 습윤성이 나쁘고 접착력도 약하기 때문에 분말상의 납재를 납땜 부품 위에 확실하게 부착시키는 것은 곤란하였지만, 본 발명에서는 결합제를 스프레이 도포하고 그후 결합제 도포면상에 분말상의 납재를 산포하는 등의 방법으로 부착시키는 것에 의해서 균일하게 또는 확실하게 납재를 고정할 수 있어서 신속한 처리가 가능해졌다.
수성 결합제로서는 초산비닐계 수지, 폴리비닐알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜 등의 수성 에멀젼이나 수용액을 들 수 있다.
본 발명에 있어서는 납재의 뛰어난 내식성이나 유동성을 얻기 위해서 납땜 열처리 분위기를 10-3토르(torr)보다도 고진공 분위기 혹은 비산화성 분위기로 하는 것이 바람직하다.
또, 열 교환기를 흐르는 유체의 한 쪽에서만의 부식이 문제가 되는 경우, 이 유체가 흐르는 유로측의 플레이트 표면 및 핀 표면만을 본 발명에 따른 니켈 합금으로 코팅하여도 좋다.
본 발명은 플레이트와 핀을 서로 번갈아서 적층시키고, 각 플레이트와 핀의 접촉부 사이를 납땜하여 구성되는 열 교환부에 대해서도, 또 플레이트의 평면에 스페이서나 교반용 요철부를 형성시켜 핀을 생략하고 플레이트 끼리의 접촉부 사이를납땜하여 구성되는 열 교환부에 대해서도, 추가로 한 쪽 유체에만 핀을 삽입하고 접촉부 사이를 납땜하여 구성되는 열 교환부에 대해서도 적용가능하다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
실시예에서는 도 1과 같이 복수의 플레이트와 핀을 서로 번갈아 적층시키고, 서로 납땜하여 구성되는 플레이트식 열 교환기를, 분말상의 납재를 플레이트(1)에 부착시키고, 핀(2) 및 바(3)를 적층시켜 소정의 형상으로 한 후, 납땜하는 방법으로 제조하였다.
[실시예 1]
표 1에 나타내는 성분으로 구성되는 합급 A를 용해하고, 가스-아토마이징법 (gas atomizing method)으로 분말 납재를 제작하였다.
다음에, SUS304제의 플레이트(1)의 표면에 스프레이법으로 결합제(폴리비닐알콜 수용액)를 분무한 후, 제작된 분말 납재를 결합제 위에 부착시키고, 계속해서, 이들 플레이트(1)와 핀(2) 및 바(3)를 적층시킨 후, 1100℃에서 10분간, 10-4토르의 진공중에서 납땜하여 플레이트식 열 교환기를 완성하였다.
완성된 열 교환기에 대해서, 내압 시험을 실시한 결과, 내압 강도는 63kg/㎠이었다. 또, 내압 시험 후의 열 교환기를 절단하여 납재의 흐름을 조사한 결과, 납재가 플레이트 및 핀의 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.
또, 합금 A를 용해하고 쉘주형에 주조한 것에서 10×10×5mm의 시험편을 제작하고, 이 시험편을 5% 황산용액중에 침지시키켜서 부식 시험을 실시하였다. 그 결과, 부식 감량은 0.0001 mg/㎡s이었다.
[실시예 2]
표 1에 나타내는 성분으로 구성되는 합금 B를 용해하고, 가스-아토마이징법으로 분말 납재를 제작하였다.
다음에, 실시예 1과 동일하게, SUS304제의 플레이트에 이 분말 납재를 부착시킨 후, 이것을 핀, 바와 적층시키고, 1090℃에서 10분간, 10-4토르의 진공중에서 납땜을 하여 플레이트식 열 교환기를 완성하였다.
완성된 열 교환기에 대해서, 내압 시험을 실시한 결과, 내압 강도는 59 kg/㎠이었다. 또, 내압 시험 후의 열 교환기를 절단하여 납재의 흐름을 조사한 결과, 납재가 플레이트 및 핀의 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.
합금 B에 대해서, 실시예 1과 동일한 부식 시험을 실시한 결과, 부식 감량은 0.0003 mg/㎡s 이었다.
[실시예 3]
표 1에 나타내는 성분으로 구성되는 합금 C를 용해하고, 가스-아토마이징법 으로 분말 납재를 제작하였다.
다음에, 결합제로서 폴리초산비닐 에멀젼을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 SUS304제의 플레이트에 이 분말 납재를 부착시킨 후, 이것을 핀, 바와 적층시키고, 1080℃에서 10분간, 10-4토르의 진공중에서 납땜하여 플레이트식 열 교환기를 완성하였다.
완성된 열 교환기에 대해서, 내압 시험을 실시한 결과, 내압 강도는 61kg/㎠이었다. 또, 내압 시험 후의 열 교환기를 절단하여 납재의 흐름을 조사한 결과, 납재가 플레이트 및 핀의 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.
합금 C에 대해서, 실시예 1과 동일한 부식 시험을 실시한 결과, 부식 감량은 0.0002 mg/㎡s 이었다.
[실시예 4]
표 1에 나타내는 성분으로 구성되는 합금 D를 용해하고, 가스-아토마이징법으로 분말 납재를 제작하였다.
다음에, 결합제로서 폴리초산비닐 에멀젼을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 SUS304제의 플레이트에 이 분말 납재를 부착시킨 후, 이것을 핀, 바와 적층시키고, 1080℃에서 10분간, 10-4토르의 진공중에서 납땜하여 플레이트식열 교환기를 완성하였다.
완성된 열 교환기에 대해서, 내압 시험을 실시한 결과, 내압 강도는 58 kg/㎠이었다. 또, 내압 시험 후의 열 교환기를 절단하여 납재의 흐름을 조사한 결과, 납재가 플레이트 및 핀의 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.
합금 D에 대해서, 실시예 1과 동일한 부식 시험을 실시한 결과, 부식 감량은 0.0003 mg/㎡s이었다.
[실시예 5]
표 1에 나타내는 성분으로 구성되는 합금 E를 용해하고, 가스-아토마이징법으로 분말 납재를 제작하였다.
다음에, 결합제로서 폴리초산비닐 에멀젼을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 SUS304제의 플레이트에 이 분말 납재를 부착시킨 후, 이것을 핀, 바와 적층시키고, 1090℃에서 10분간, 10-4토르의 진공중에서 납땜하여 플레이트식 열 교환기를 완성하였다.
완성된 열 교환기에 대해서, 내압 시험을 실시한 결과, 내압 강도는 60 kg/㎠이었다. 또, 내압 시험 후의 열 교환기를 절단하여 납재의 흐름을 조사한 결과, 납재가 플레이트 및 핀의 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.
합금 E에 대해서, 실시예 1과 동일한 부식 시험을 실시한 결과, 부식 감량은 0.0004 mg/㎡s 이었다.
[실시예 6]
표 1에 나타내는 성분으로 구성되는 합금 F를 용해하고, 가스-아토마이징법으로 분말 납재를 제작하였다.
다음에, 결합제로서 폴리비닐피롤리돈 수용액을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 SUS304제의 플레이트에 이 분말 납재를 부착시킨 후, 이것을 핀, 바와 적층시키고, 1090℃에서 10분간, 10-4토르의 진공중에서 납땜하여 플레이트식 열 교환기를 완성하였다.
완성된 열 교환기에 대해서, 내압 시험을 실시한 결과, 내압 강도는 59 kg/㎠이었다. 또, 내압 시험 후의 열 교환기를 절단하여 납재의 흐름을 조사한 결과, 납재가 플레이트 및 핀의 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.
합금 F에 대해서, 실시예 1과 동일한 부식 시험을 실시한 결과, 부식 감량은 0.0003 mg/㎡s 이었다.
[비교예 1]
표 1에 나타내는 성분으로 구성되는 합금 G를 용해하고, 가스-아토마이징법 으로 분말 납재를 제작하였다.
다음에, 결합제로서 폴리비닐피롤리돈 수용액을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 SUS304제의 플레이트에 이 분말 납재를 부착시킨 후, 이것을 핀, 바와 적층시키고, 1080℃에서 10분간, 10-4토르의 진공중에서 납땜하여 플레이트식 열 교환기를 완성하였다.
완성된 열 교환기에 대해서, 내압 시험을 실시한 결과, 내압 강도는 34 kg/㎠이었다. 또, 내압 시험 후의 열 교환기를 절단하여 납재의 흐름을 조사한 결과, 납재가 플레이트 및 핀의 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.
합금 G에 대해서, 실시예 1과 동일한 부식 시험을 실시한 결과, 부식 감량은 0.002 mg/㎡s 이었다.
[비교예 2]
합금 BNi-7을 용해하고, 가스-아토마이징법으로 분말 납재를 제작하였다.
다음에, 실시예 1과 동일한 방법으로 SUS304제의 플레이트에 이 분말 납재를 부착시킨 후, 이것을 핀, 바와 적층시키고, 1080℃에서 10분간, 10-4토르의 진공중에서 납땜하여 플레이트식 열 교환기를 완성하였다.
완성된 열 교환기에 대해서, 내압 시험을 실시한 결과, 내압 강도는 31 kg/㎠이었다. 또, 내압 시험 후의 열 교환기를 절단하여 납재의 흐름을 조사한 결과, 납재가 플레이트 및 핀의 표면을 덮고 있는 것을 알 수 있었다.
합금 BNi-7을 용해하고, 실시예 1과 동일한 부식 시험을 실시한 결과, 부식 감량은 0.015 mg/㎡s 이었다.
실시예 1∼7 및 비교예 1∼2의 시험 결과를 사용 재료와 함께 표 2에 나타낸다.
성분 비율(중량%)
Cr P Si Al Ca Mo Fe Co Ni
합금 A 29 6 4.5 0.03 - 3 7 - 남음
합금 B 28 6 4 - 0.02 5 - - 남음
합금 C 29 6.1 4.3 0.02 - - - - 남음
합금 D 30 6.2 4.5 0.03 - - 8.1 - 남음
합금 E 29 5.8 4.5 0.02 - - 1.2 8 남음
합금 F 28 6 4 0.002 0.02 5 0.1 - 남음
합금 G 24 9.5 - - - - - - 남음
BNi-7 13 10 - - - - - -
사용재료 시험결과
합금 결합제 내압강도(kg/㎠) 부식감량 (mg/㎡s)
실시예 1 합금 A 폴리비닐알콜 63 0.0001
실시예 2 합금 B 폴리비닐알콜 59 0.0003
실시예 3 합금 C 폴리초산비닐 61 0.0002
실시예 4 합금 D 폴리초산비닐 58 0.0003
실시예 5 합금 E 폴리초산비닐 60 0.0004
실시예 6 합금 F 폴리비닐피롤리돈 59 0.0003
비교예 1 합금 G 폴리비닐피롤리돈 34 0.002
비교예 2 BNi- 7 폴리비닐알콜 31 0.015
이상과 같이, 본 발명에 따른 실시예에서 얻어진 플레이트식 열 교환기는 내압 강도 및 내부식성이 매우 뛰어난 것이었다.
또, 본 발명에 있어서 %로 되어 있는 것은 특별히 언급하지 않는 한, 중량%를 나타낸다.

Claims (4)

  1. 적층된 복수의 플레이트 및 핀의 각 접촉부 혹은 적층된 복수의 플레이트의 각 접촉부가 납땜되어 열 교환부를 구성하는 플레이트식 열 교환기에 있어서,
    적어도 유체와 접하는 플레이트 표면 및 핀 표면이 중량비로 크롬 25∼35%, 인 5∼7%, 규소 3∼5%, 알루미늄, 칼슘, 이트륨 및 미시 메탈(mish metal)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 1종 0.001∼0.1%, 잔부의 주성분이 니켈인 합금으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 플레이트식 열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 합금이 15% 이하의 양으로 철을 함유하는 플레이트식 열 교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 합금이 10% 이하의 양으로 몰리브덴을 함유하는 플레이트식 열 교환기.
  4. 플레이트 혹은 핀의 적어도 어느 한 쪽에 결합제를 스프레이법으로 도포한 후, 이 결합제 도포면 상에 상기 니켈 합금으로 구성되는 분말상의 납재를 부착시키고, 그 후에 이것을 다수단 적층하고 가열하여 납땜하는 것을 특징으로 하는, 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항의 플레이트식 열 교환기의 제조 방법.
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