KR20140033163A - 채널을 구비하는 메탈 폼의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 메탈 폼 - Google Patents

채널을 구비하는 메탈 폼의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 메탈 폼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 채널(12)을 구비하고 볼의 프리폼(1)을 사용하여 열 교환기를 제조하도록 의도된 메탈 폼(10)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 중심 코어(3, 9) 및 낮은 온도에서 용융가능한 물질의 코팅(4)으로 구성된 주조 코어(2)가 주조 몰드에 배열되고, 상기 프리폼(1)은 이후 코어 주위에 타이트하게 배열되고, 상기 용융가능한 물질은 이후 낮은 온도에서 가열하는 것에 의해 제거되고, 이후 상기 용융된 금속 물질은 상기 몰드에 주입되어 상기 볼들 사이 및 상기 볼 및 상기 중심 코어(3) 사이의 자유 공간에 충전되고, 마지막으로 상기 볼들이 제거된다.

Description

채널을 구비하는 메탈 폼의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 메탈 폼{METHOD FOR MANUFACTURING A METAL FOAM PROVIDED WITH CHANNELS AND RESULTING METAL FOAM}
본 발명의 기술 범위는 양측에 채널 개구를 구비하는 메탈 폼(metal foam)을 제조하는 것에 관한 것이다
이러한 메탈 폼은 특히 열 교환기에 사용되어 열을 발산하거나 순환시킬 수 있다. 그러나, 교환기 내에 제 2 유체를 순환시키거나 또는 선호하는 통로(바이패스로 알려진 것)를 형성하는 보다 복잡한 교환기를 제조하기 위해서는 메탈 폼의 일측으로부터 타측으로 지나가는 하나 또는 수 개의 채널을 구비하는 것이 중요하다.
메탈 폼 내에 하나 이상의 채널을 제공하는 것은 이미 제안되어 있다. 따라서, 문헌 US 2009/0085520은 폼을 천공하여 튜브를 도입하고 튜브를 도입한 후 강제에 의하여 또는 브레이징(brazing)에 의하여 튜브를 폼과 일체형으로 제조할 것을 제안한다. 이 기술은 제일 먼저 메탈 폼을 제조하고, 이후 이를 천공한 후 마지막으로 이 폼과 일체형으로 튜브를 설치할 것을 요구하는 것으로 이해된다. 이 문헌에 따르면, 튜브는 여러 방식으로, 예를 들어 브레이징에 의하여, 튜브 주위에 폼을 압축하는 것에 의하여, 튜브를 타이트하게 끼워맞추는 것 등에 의하여 폼 내에 제 위치에 배치된다. 마지막으로, 이 시스템은 직선 튜브만을 삽입할 수 있는 것으로 이해된다.
특허 문헌 EP-1808241은 용융된 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 주입(cast)되기 전에 또는 주입된 후에 프리폼(preform)에 금속 튜브를 삽입하는, 메탈 폼을 통과하는 채널을 제조하는 방법을 개시한다. 이 시스템은 프리폼된 튜브를 삽입하는 것을 제공한다.
메탈 폼 기술은 잘 알려져 있어서 이에 대해서는 염화 나트륨(sodium chloride)과 같은 염에 기초한 입자(salt-based granule) 또는 볼(ball) 형태의 프리폼의 제조를 제안하는 특허 문헌 EP-1808241, US-3236706 및 EP-2118328을 참조할 수 있다. 이후, 입자들 사이의 자유 공간이 용융된 금속으로 충전되고, 이에 염은 용해되어 메탈 폼이 생성된다.
메탈 폼 내에 채널을 형성하는데 사용되는 방법이 무엇이든 간에, 전도율이 열악한 문제가 폼의 다공성 매체와 튜브 사이의 접합부에 나타난다. 더욱이, 시간에 따라, 2개의 부분을 형성하는 폼 및 튜브 사이에 기계적 강도가 변한다. 마지막으로, 지금까지 동일한 물질을 사용하여 단일 동작으로 채널 및 메탈 폼을 모두 형성하는 것은 불가능하다.
본 발명의 목적은 메탈 폼 그 자체를 제조하는 동안 메탈 폼을 통과하여 형성된 튜브를 구비하는 메탈 폼을 제공하는 것이다.
이 폼은 예를 들어, 이후 언급된 문헌에 설명된 입자를 구비하는 프리폼을 사용하여 전통적으로 제조된다.
사실, 특허 문헌 EP-2118328은 곡물 가루 입자(grain flour granule)를 사용하여 프리폼을 제조하는 것을 제안하는 것에 의해 특히 유리한 방법을 개시한다. 이 프리폼은 입자의 탄소 체인을 파괴하기 위하여 금속이 주입되기 전에 베이킹된다. 이 특허 문헌은 이에 따라 제일 먼저 가루, 염화 나트륨 및 물로 형성된 페이스트(paste)를 제조하는 것을 제공한다. 프리폼을 제조하는데 이후 사용되는 입자는 이 페이스트를 사용하여 준비된다.
본 발명은 이에 따라 적어도 하나의 채널을 구비하며 볼의 프리폼을 사용하여 열 교환기를 제조하도록 의도된 메탈 폼을 제조하는 방법으로서, 주조 코어(foundry core), 중심 코어 및 낮은 온도에서 용융가능한 물질의 코팅이 주조 몰드(foundry mould)에 배열되고, 프리폼은 이후 코어 주위에 타이트하게 배열되고, 용융가능한 물질은 이후 낮은 온도에서 가열하는 것에 의해 제거되고, 이후 용융된 금속 물질(mass)이 몰드에 주입되어 볼들 사이 및 볼 및 중심 코어 사이의 자유 공간에 충전되고, 마지막으로 볼이 제거되는 것을 특징으로 하는 제조 방법에 관한 것이다.
특정 실시예에 따라, 채널은 금속 물질이 주입된 후에 금속 물질이 왁스 코팅을 대체하는 것에 의하여 구성된다.
다른 특정 실시예에 따라, 코어의 중심 코어는 세라믹, 스틸, 모래, 용해가능한 물질 또는 프리폼을 형성하는 것과 동일한 물질에 의해 형성된다.
또 다른 실시예에 따라, 코어는 3개의 요소, 즉 세라믹, 스틸 또는 모래 코어로 구성된 제 1 요소, 내화 물질의 주변 층으로 구성된 제 2 요소 및 낮은 온도에서 용융가능한 물질의 코팅으로 구성된 제 3 요소로 형성된다.
더 다른 실시예에 따라, 코어는 4개의 요소, 즉 세라믹, 스틸 또는 모래 코어로 구성된 제 1 요소, 내화 물질의 주변 층으로 구성된 제 2 요소, 세라믹 물질 층으로 구성된 제 3 요소 및 낮은 온도에서 용융가능한 물질 코팅으로 구성된 제 4 요소로 형성된다.
또 다른 실시예에 따라, 코어는 직선이다.
또 다른 실시예에 따라, 코어는 곡선을 구비한다.
또 다른 실시예에 따라, 코어는 관형이다.
또 다른 실시예에 따라, 낮은 온도에서 용융가능한 물질은 왁스이다.
또 다른 실시예에 따라, 코팅은 내부 표면에 연속적인 또는 불연속적인 돌출부를 구비한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법에 따라 형성되고 적어도 하나의 채널을 구비하는 메탈 폼에 관한 것이다.
유리하게는, 채널은 직선 또는 곡선 관형 형상이다.
다시 유리하게는, 채널 및 폼은 알루미늄 또는 알루미늄-합금에 기초한다.
본 발명의 제 1 잇점은 폼 그 자체와 동일한 특성의 채널을 구비하는 폼을 생산하는 것에 있다.
본 발명의 다른 잇점은 메탈 폼 및 채널 또는 채널들을 처음에 동시에 생산하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 잇점은 임의의 형상, 예를 들어, 직선, 곡선 등의 채널을 생산하는 사실에 있다.
본 발명의 더 다른 잇점은 채널 및 메탈 폼 사이에 임의의 부정적인 상호작용이 없는 것에 있다.
본 발명의 더 다른 잇점은 채널 또는 채널들 및 메탈 폼 사이에 기계적 강도 또는 열 전도율의 문제를 제거하는 것에 있다.
본 발명의 다른 특성, 잇점, 및 상세는 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 이하 제공된 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 코어가 내부에 삽입된 프리폼을 도시하는 도면;
도 2 내지 도 6은 코어의 상이한 실시예의 단면도;
도 7은 코어의 다른 실시예를 도시하는 단면도;
도 8 및 도 9는 제 위치에 만들어진 채널을 구비하는 메탈 폼의 단면도이다.
이하 상세한 설명에서, 프리폼은 예를 들어 염화 나트륨과 같은 염으로 만들어진 뭉쳐진 볼(agglomerated ball)을 사용하는 알려진 방식으로 만들어지고, 알려진 방식으로 메탈 폼을 생산하는데 사용되는 것으로 고려된다. 메탈 폼을 구성하는 물질은 또한 알려져 있고, 예를 들어, 주조에 사용되는 알루미늄, 알루미늄 합금 및 임의의 다른 알려진 물질이 사용될 수 있다. 추가적인 상세에 대해서는 전술된 특허 문헌을 참조할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따라 코어는 프리폼에 삽입되는데, 이 코어는 여러 방식으로 준비될 수 있다. 일반적으로 말하면, 본 발명은 채널을 제 위치에 생성하기 위하여 메탈 폼과 동일한 구성 물질에 의하여 용융 가능한 코팅 물질 층을 대체하는 것에 기초한다.
도 1은 압축되거나 압축되지 않은 볼(1)에 코어(2)가 배열된 것으로 구성된 프리폼을 도시한다. 이 코어는 중심 코어(3) 및 코팅(4)으로 구성된다. 명료함을 위하여, 프리폼(6)은 몰드로부터 제거된 것으로 도시되었다. 이 프리폼은 형상이 평행 6면체이고; 도 1에 따른 코어(2)는 이 내부에 삽입되었다. 모든 볼(1)은 서로 맞닿아 있는 것을 볼 수 있다. 코팅(4)의 말단은 프리폼의 측벽과 동일 높이인 반면, 코어(3)는 돌출해 있다. 이 도시는 발명을 제한하기 위한 것이 아니며 본 발명은 단지 왁스를 돌출시켜 스킨(skin)을 형성하거나 폼에 대하여 튜브를 돌출 생성하는 것에 의해 만들어질 수도 있다.
물론, 코어(2)는 유저의 요구에 따라 수직 위치 또는 경사진 위치에 용융된 금속 주입 몰드에 제일 먼저 배열되고 이후 볼이 몰드 안으로 주입된다. 폼은 이후 알려진 기술을 사용하여 생산되어 본 명세서에서 더 설명이 요구되지 않는다. 수 개의 코어를 삽입하여 수 개의 채널을 생성하는 것이 가능하다는 것은 두 말할 필요도 없다.
도 2는 중심 코어(3) 및 코팅(4)으로 형성된 코어(2)의 제 1 실시예의 단면도를 도시한다. 중심 코어(3)는 주조 기술에서 통상 사용되는 예를 들어, 세라믹 물질, 스틸 또는 모래로 구성된다. 여기서 코팅은 왁스 또는 낮은 온도에서 용융가능한 임의의 다른 물질 층으로 구성된다. 낮은 온도에서 용융가능한 물질은 용융점이 40℃ 내지 150℃ 사이인 것으로 고려된다. 물론, 중심 코어의 직경 및 코팅층의 두께는 메탈 폼에 의도된 응용에 따라 결정된다. 따라서, 2 mm 이상의 중심 코어(3)의 직경이 고려되고 0.5 mm 내지 10 mm (바람직하게는 0.5 내지 3 mm)의 코팅 두께가 사용될 수 있다.
도면은 직선 코어를 도시하고 있으나, 임의의 형상의 코어가 사용될 수 있다는 것은 두 말할 필요가 없다. 이 경우에, 중심 코어가 모래인 것이 바람직하다.
코어(2)를 포함하는 프리폼(1)이 메탈 폼을 제조하는데 전통적으로 사용된다. 이에 따라, 몰드 내 온도가 상승함에 따라, 볼이 뭉쳐져 강성의 프리폼을 형성하고, 이후 코팅(4)이 용융되어 이를 간단히 쏟아붓는 것에 의해 제거된다. 이후 용융된 금속이 알려진 방식으로 주입되어 볼들 사이의 공간과 프리폼 및 나머지 코어 사이 코팅에 의해 남겨진 자유 공간을 차지하여 채널을 구성한다. 냉각 후 중심 코어(3)는 모래로 만들어진 경우 추출하거나 제거되어 채널이 형성된다.
도 3은 3개의 부분으로 만들어진 코어(2)의 변형 실시예의 단면도를 도시하며: 중심 3 위에 내화 물질 층 5이 적용되고 이후 왁스 또는 낮은 온도에서 용융가능한 물질의 코팅(4)이 적용된다. 이 내화 물질의 잇점은 금속이 냉각된 후 몰드로부터 코어를 용이하게 제거하게 하는 한편, 중심 코어(3)에 강성을 보장하는 것에 있다. 이 내화 물질은 또한 중심 코어를 변경시키지 않고도 최종 채널의 직경을 변경할 수 있게 한다.
도 4는 중심 코어(3)에 길이방향으로 중공이 형성되어 채널 6을 형성하는 도 3에 따른 코어(2)를 도시한다. 이 실시예의 잇점은 중심 코어(3)를 구성하는 물질을 감소시키는 것에 있다. 이 실시예의 다른 잇점은 이 채널을 통해 공기 흐름을 순환시켜 주입 후 냉각을 개선시킬 수 있는 가능성이 있다는 것이다. 중심 코어는 이 경우에 다소 두꺼운 튜브 형상으로 있다.
도 5는 4개의 부분으로 만들어진 코어(2)의 다른 실시예의 단면도를 도시한다. 중심 코어(3)는 내화 물질 층(5)으로 덮혀 있고, 이 내화 물질 층은 세라믹 물질 층(7) 및 마지막으로 코팅 층(4)으로 덮혀 있다. 세라믹 물질을 사용하면 내화 물질의 강성을 개선할 수 있고 용융된 알루미늄이 내화 물질로 침투할 수 있는 가능성을 방지하여 마이크로 크랙(micro-cracking)이 생기는 것을 피할 수 있다.
도 6은 튜브 형상의 중공 중심 코어(3)가 제공된 도 5에 도시된 것의 변형 실시예를 도시한다. 이 실시예는 중심 코어의 구성 물질을 절감할 수 있게 한다.
도면을 참조하여 전술된 모든 코어는 프리폼에 삽입되어 메탈 폼 내에 하나 또는 수 개의 채널을 생산할 수 있게 한다. 이를 위해, 코어는 폼 제조 몰드에 배열되고 이후 볼이 제 위치에 배치되고 상호 접촉을 보장하도록 콤팩트하게 만들어진다. 필요한 경우 프리폼이 압축된다.
이들 모든 코어는 세라믹 물질, 스틸 또는 모래로 만들어진 중심 코어, 및 보다 일반적으로 주조 작업에 적절한 임의의 물질을 포함할 수 있다. 중심 코어는 추출을 보장하기 위하여 직선 로드 형상인 경우 세라믹 물질 또는 스틸로 만들어질 수 있고 이 경우 형성된 채널은 직선이라는 것은 두 말할 필요가 없다. 코어는 프리폼 내 임의의 위치에 배치될 수 있고 튜브는 메탈 폼의 임의의 면에 임의의 지점, 즉 입구 또는 출구에서 개방될 수 있다.
도 7은 중심 코어(9)가 여러 곡선을 구비하고, 왁스 또는 다른 낮은 온도에서 용융가능한 물질의 코팅(4)에 의하여 덮혀 있는 코어(2)의 다른 실시예를 도시한다. 이 경우에, 중심 코어(9)는 모래 또는 다른 취성 물질로 만들어진다. 폼 내에 형성된 채널은 메탈 폼을 통해 순환하는 유체 및 채널에서 순환하는 유체 사이에 더 큰 표면 영역을 제공한다.
도 8은 코팅이 용융된 후 볼 및 중심 코어 사이의 자유 공간에 관형 채널(12)이 형성된 와이어 메쉬(11)에 의해 형성된 메탈 폼(10)의 블록 단면도를 도시한다. 채널(12)의 두께는 왁스 층의 두께와 실질적으로 동일한 것으로 이해된다.
본 발명의 이익은 용융된 금속이 주입됨과 동시에 폼(10) 및 채널(12)이 만들어지기 때문에 용이하게 알 수 있다. 이들은 모두 이에 따라 동일한 특성이어서, 이들 2개의 요소의 전도율이 동일한 것을 보장하고 기계적 강도의 문제를 제거한다.
도 9는 채널(12)이 물질의 용융으로 메탈 폼의 메쉬(11)에 완전히 매립된 것을 볼 수 있는 채널(12)을 따른 길이방향 단면도를 도시한다.
도 10 및 도 11은 중심 코어(3)의 외부 표면(또는 내화 물질)에 그루브(groove) 또는 노치(notch)를 수행하는 것으로 구성된 변형 실시예를 도시한다. 상기 그루브 또는 노치에 코팅(4)이 충전되면, 이들 그루브 또는 노치는 코팅(4)의 내부 표면을 따라 연속적이거나 불연속적인 돌출부(13)를 형성하며 이는 금속이 주입될 때, 채널 내에 교환 면이 배열되게 하여 열 교환을 개선시킨다. 이들 돌출부(13)는 여기서 비제한 예로서 삼각형 및 직사각형 단면 형태로 도시된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 이들 돌출부는 채널 내 유체의 흐름을 유지하면서 열 교환을 개선시키는 다른 형태일 수 있다는 것은 두 말할 필요가 없다. 이 실시예의 하나의 잇점은 채널 내 교환 면 및 이에 따라 디바이스의 성능을 증가시키는 것에 있다.
본 발명을 도시하는 도면은 비제한적인 예로서 실질적으로 원형 단면을 갖는 코어, 코팅 및 튜브를 도시하고 있으나, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상이한 단면, 즉 타원형 또는 직사각형을 사용하여 본 발명을 실시할 수 있다는 것은 두 말할 필요도 없다.
본 발명에 따른 폼은 특히 임의의 유형, 즉 액체/액체, 또는 액체/기체, 또는 기체/기체 또는 상 변화 유체(액체 -> 기체)의 열 교환기를 생산하는데 적합하다.

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 채널(12)을 구비하고 볼의 프리폼(1)을 사용하여 열 교환기를 제조하기 위한 메탈 폼(10) 제조 방법에 있어서,
    중심 코어(3, 9) 및 낮은 온도에서 용융가능한 물질의 코팅(4)으로 구성된 코어(2)가 주조 몰드에 배열되고, 상기 프리폼(1)이 상기 코어 주위에 타이트하게 배열된 후, 상기 용융가능한 물질이 낮은 온도에서 가열하여 제거되고, 용융된 금속 물질이 상기 몰드에 주입되어 상기 볼들 사이 및 상기 볼과 중심 코어(3, 9) 사이의 자유 공간에 충전되고, 마지막으로 상기 볼이 제거되는 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널(12)은, 상기 금속 물질이 주입된 후에, 상기 금속 물질이 왁스 코팅(4)을 대체하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중심 코어(3, 9) 또는 상기 코어(2)는 세라믹, 스틸, 모래, 용해가능한 물질 또는 상기 프리폼을 형성하는 물질과 동일한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어(2)는, 세라믹, 스틸 또는 모래 중심 코어(3)로 구성된 제 1 요소, 내화 물질의 주변 층(5)으로 구성된 제 2 요소, 및 낮은 온도에서 용융가능한 물질의 코팅(4)으로 구성된 제 3 요소의 3개의 요소로 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어(2)는, 세라믹, 스틸 또는 모래 중심 코어(3)로 구성된 제 1 요소, 내화 물질의 주변 층(5)으로 구성된 제 2 요소, 세라믹 물질 층(7)으로 구성된 제 3 요소, 및 낮은 온도에서 용융가능한 물질의 코팅(4)으로 구성된 제 4 요소의 4개의 요소로 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심 코어는 직선형인 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심 코어(9)는 곡선형인 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심 코어(3)는 관형인 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 낮은 온도에서 용융가능한 물질은 왁스인 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅(4)은 내부 표면에 연속적인 또는 불연속적인 돌출부(13)를 구비하는 것을 특징으로 하는 메탈 폼 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 형성되고 적어도 하나의 채널(12)을 구비하는 메탈 폼.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 채널(12)은 직선 또는 곡선 튜브 형태인 것을 특징으로 하는 메탈 폼.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 채널(12) 및 폼(10)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 메탈 폼.
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