많은 설계자와 엔지니어들이 공학 수업이나 대학 물리학 수업에서 배웠듯이, 열은 자연적으로 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 효율적인 열 전달은 이러한 열 흐름을 가능하게 하거나 향상시키는 방식으로 재료를 배열하고 장치를 설계할 때 실현됩니다.
열교환기는 서로 다른 온도를 가진 두 유체 사이에서 제어된 열 전달을 가능하게 하는 장치입니다. 열전도 표면을 이용하여 따뜻한 유체에서 차가운 유체로 열을 전달하며, 이 과정에서 두 유체는 서로 섞이지 않습니다.
판형 열교환기는 매우 흔한 유형의 열교환기이며, 브레이징 기술이 가장 잘 적용되는 분야라고 할 수 있습니다. 자동차, 냉난방 장비, 에너지 기술, 상수도 설비 등 다양한 분야에 사용됩니다. 브레이징 방식으로 제작된 판형 열교환기의 장점과 성능 특성은 다음과 같습니다. 제품 납땜 품질과 무관하지 않습니다.
판형 열교환기의 구조 및 원리
기본 구조
판형 열교환기는 얇고 형태가 있는 금속판들이 교대로 쌓여 있는 구조로 되어 있습니다. 각 판에는 주름이나 갈매기 모양의 홈이 새겨져 있어, 판들이 쌓였을 때 뱀처럼 구불구불한 유로를 형성합니다. 뜨거운 유체와 차가운 유체는 판의 얇은 벽으로만 분리된 평행한 유로를 통해 흐르게 되므로, 매우 효율적인 열 전달이 가능합니다.
제조 관점에서 볼 때, 이 적층 소재는 "금속 책"과 같은 특성을 지닙니다. 판은 페이지를 나타내고, 접합된 부분은 모든 페이지를 하나의 견고한 블록으로 결합시키는 보이지 않지만 매우 강력한 접착제를 나타냅니다.
납땜이 없으면 작동 조건에서 구조적 무결성을 유지하는 것이 불가능합니다.
재료 선택
브레이징 판형 열교환기의 재료 선택은 적용 환경에 따라 크게 달라집니다.
스테인리스강 판형 열교환기의 적용 분야:
토목 상수도 설비, 식품 공학, 화학 공학 분야에서는 1.4401(AISI 316) 또는 1.4301(AISI 304)과 같은 오스테나이트계 스테인리스강이 가장 일반적으로 사용됩니다. 이러한 합금은 내식성, 기계적 강도, 우수한 용접성 및 위생적인 특성을 제공합니다. 표면에는 안정적인 산화막이 형성되어 국부적인 공식, 응력 부식 균열 또는 틈새 부식을 방지합니다.
알루미늄 PHE의 응용 분야
자동차 라디에이터 및 인터쿨러, 오일 쿨러, 소형 HVAC 장치 등에 AA3003 합금 코어에 Al-Si 필러 층을 덧댄 알루미늄 브레이징 시트가 널리 사용됩니다. 알루미늄의 낮은 밀도와 열전도율 덕분에 경량의 소형 열교환기 설계가 가능합니다.
판형 열교환기에 사용되는 브레이징 공정
진공 브레이징 스테인리스강 PHE
스테인리스강 PHE 생산에서 브레이징은 일반적으로 산업용 진공로에서 1050~1150°C의 온도로 수행됩니다. 이 통합 공정에서는 두 가지 공정이 동시에 진행됩니다.
순수 브레이징: 판재 사이에 모세관 용접을 형성하기 위해 충전재(일반적으로 니켈 또는 구리 합금)를 녹입니다.
스테인리스강의 용체화 열처리: 스테인리스강을 일반적인 브레이징 온도(1050~1150°C)까지 가열하면(이는 용체화 열처리 범위보다 훨씬 높은 온도임) 가열 중에 생성된 크롬 카바이드가 용해되어 급속 냉각 시 재료의 완전한 내식성을 회복할 수 있습니다.
진공 브레이징을 이용한 스테인리스강 판형 열교환기의 장점:
- 플럭스를 사용하지 않고 산화물이 없는 표면
- 육안으로 보기에 깨끗한 이음새는 식수 및 식품 용도에 적합합니다.
- 최대 접합 강도 및 부식 저항성
스테인리스강 판형 열교환기(PHE)용 산업용 용광로 기술은 안정적인 온도 균일성과 정확한 분위기 생성/소모에 중점을 둡니다. 얇은 금속판을 여러 겹으로 쌓아 한 번에 브레이징하는 과정에서는 적재물 전체에 열을 고르게 분산시키는 데 상당한 어려움이 있습니다.
저자가 잘 알고 있는 장비 중, 공급업체의 제품군에 열교환기 생산용 산업용 진공 브레이징로가 포함된 독자들에게 직접적으로 관련성이 있을 만한 장비를 나열했습니다. 혹시 알고 계신 장비가 있다면 알려주시면 목록에 추가하겠습니다.
제어 분위기 브레이징 알루미늄 PHE
제어 분위기 브레이징(CAB)은 오늘날 알루미늄 판형 열교환기에 가장 널리 사용되는 접합 방법입니다. 이 방법에는 다음이 포함됩니다.
- 표면에 Al-Si 충전층이 이미 코팅된 알루미늄 코어 플레이트로 시작하십시오.
- 가열 장치를 질소 가스로 채워진 용광로에서 약 600°C까지 가열합니다.
- 코어 재료는 고체 상태로 유지되는 동안 클래드 층이 녹아 흐르면서 브레이징 접합부를 형성합니다.
CAB의 장점은 다음과 같습니다:
- 높은 생산 처리량
- 일관되게 반복 가능한 접합부
- 연속 벨트로 구성에 적합합니다.
CAB 공정의 과제는 PHE 코어 전체에 걸쳐 균일한 온도를 유지하는 것입니다. 온도가 낮은 부분이나 높은 부분이 있으면 결함이 발생합니다.
용접봉 적용 및 혁신
용가재의 종류
PHE 브레이징에 가장 일반적으로 사용되는 용접봉 시스템은 다음과 같습니다.
니켈계 합금(BNi 시리즈):
이러한 소재는 주로 스테인리스강 PHE(압연 열교환기)의 브레이징에 사용되며, 특히 식수 및 화학 분야에서 널리 사용됩니다. 높은 강도, 우수한 내식성 및 탁월한 습윤성을 제공합니다.
구리계 합금(BCu 시리즈):
이러한 물질은 특정 산업용 열교환기에 사용되지만 부식 및 이온 용출 위험 때문에 식수 처리 용도로는 바람직하지 않습니다.
Al-Si 필러 합금:
이러한 소재들은 CAB 적용을 위해 알루미늄 브레이징 시트에 클래딩 층으로 통합됩니다.
사전 배치 방법
크고 골이 진 판 표면에 용접봉을 고르게 분포시키기 위해 다음과 같은 첨단 기술이 사용됩니다.
비정질 박막(BNi-5b / MBF-51):
얇은 금속박을 판재 사이에 넣어 자동 조립을 가능하게 하고, 잔류물이 남지 않는 깨끗한 접합부를 만듭니다. 이 금속박의 균일한 두께는 일관된 접합 간격과 브레이징 품질을 보장합니다.
스크린 인쇄:
메쉬를 이용하여 플레이트 표면에 필러 금속 분말 페이스트를 인쇄합니다. 이 기술을 통해 필러 금속의 양과 위치를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
롤링 테이프 방식:
접착 테이프에 충전재 금속 분말이 혼합되어 접합 부위에 도포되면 조립 과정에서 취급 및 위치 조정이 더 쉬워집니다.
이러한 기술은 접합부 품질이 조립된 접합부의 압력 저항 및 신뢰성에 직접적인 영향을 미치는 대량 생산에서 매우 중요합니다.
브레이징 판형 열교환기의 주요 적용 분야
자동차 배기가스 냉각
브레이징 열교환기(PHE)의 가장 널리 사용되는 응용 분야 중 하나입니다. 다음과 같은 용도에서 찾아볼 수 있습니다.
- EGR 쿨러
- 엔진 오일 쿨러
- 변속기 오일 쿨러
- DPF 열 관리 시스템
알루미늄 및 스테인리스강 판형 열교환기(PHE) 어셈블리는 모두 누출 방지에 대한 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다. 이들은 높은 열 응력, 진동에 노출되며, 경우에 따라 부식성 배기가스에 노출되기도 합니다.
민간 및 식품 서비스용 냉난방 시스템
스테인리스강 브레이징 방식의 판형 열교환기(PHE)는 다음과 같은 분야에서 업계 표준으로 사용됩니다.
- 가정용 온수 글리콜 냉난방 시스템
- 중앙 난방/냉방 회로
- 식품 가공용 냉각/가열 시스템
산소가 함유된 식수와 접촉하는 경우, 구리 함유 용접봉보다 니켈 기반 용접봉이 선호됩니다. 부식성 물질에 의한 손상이나 보호막 파괴는 구리 접합부의 국부적인 피팅이나 양극 부식을 유발할 수 있습니다. 적절하게 브레이징 및 부동태 처리된 스테인리스강 판형 열교환기(PHE)는 우수한 내식성과 위생 성능을 보여주며, 보건 및 안전 기준을 쉽게 충족합니다.
에너지 및 환경 시스템
브레이징 방식의 판형 열교환기(PHE)는 다음과 같은 고효율 청정 에너지 시스템에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
- 히트펌프
- 연료 전지 열 단위
- CO₂ 냉동 시스템
- 폐열 회수 시스템
판형 열교환기(PHE) 플레이트와 외부 하우징 사이에는 단열층이 필수적입니다. 브레이징 방식의 판형 열교환기는 소형화된 크기로 압력 저항을 극대화하고 뛰어난 열효율을 제공합니다.
기술적 과제 및 과학적 시뮬레이션
브레이징 중 잔류 응력 관리
조립식 판형 열교환기는 둘레를 따라 여러 개의 얇은 금속판을 접합하여 구성됩니다. 이러한 설계는 열 순환 과정에서 변형 및 불균일한 잔류 응력 발생에 취약합니다. 응력과 관련된 일반적인 고장 유형은 다음과 같습니다.
- PHE 전체의 왜곡
- 납땜 접합부의 균열
- 사용 중 조기 피로 파손
유한요소해석(FEA)은 다음과 같은 모델링에 사용할 수 있습니다.
- 브레이징 주기 동안의 온도 분포
- 브레이징 접합부에서의 잔류 응력 발생
- 판 두께, 프로파일 형상 및 브레이징 갭 크기가 잔류 응력에 미치는 영향
적절한 조립 설계와 최적화된 가열 사이클을 적용하면 브레이징 후 판재 변형을 크게 줄일 수 있습니다.
브레이징로의 온도 균일성
PHE(판상 열교환기)는 적층 구조로 되어 있기 때문에 공정 일관성을 위해서는 적재물의 전체 폭에 걸쳐 균일한 온도를 유지하는 것이 매우 중요합니다. 온도가 너무 낮으면 용접봉이 완전히 녹지 않고, 너무 높으면 판재가 휘거나 접합부가 약해질 수 있습니다. 과도 가열 중 온도 분포를 모델링하는 한 가지 방법은 등가 영역(EZ) 모델링이라고 합니다.
스테인리스강 열교환기(PHE)에서 니켈 방출
적절하게 부동태화 처리된 스테인리스강 PHE에서는 구리가 식수로 방출되지 않습니다. 니켈은 니켈 기반 용접봉을 사용할 때 발생하는 부산물입니다. 연구자들은 다음과 같은 경우에 니켈이 방출된다는 사실을 발견했습니다.
- 조립 과정에서 틈새 크기가 정밀하게 제어됩니다.
- 니켈 용가재가 접합면 전체에 고르게 분포되어 있습니다.
- 스테인리스강 표면에는 안정적인 보호 산화막이 형성됩니다.
니켈 이온 수치는 EU 법적 기준치인 20µg/L보다 훨씬 낮게 유지될 것입니다.
결론
브레이징 기술은 제조업체가 얇은 금속판을 누출 방지 및 내압성이 뛰어난 형태로 접합할 수 있도록 하는 핵심 기술입니다. 판형 열교환기(PHE)를 브레이징하는 방법에는 스테인리스강의 고온 진공 브레이징이나 알루미늄 코어의 CAB(콘크리트 접합 브레이징) 등 여러 가지가 있습니다. 접합부의 견고성은 브레이징 판형 열교환기의 열전도율, 내압 등급, 내식성 및 수명을 결정하는 중요한 요소입니다.
재료 과학, 용접봉 개발, 용광로 설계 및 공정 제어는 모두 완성된 열교환기의 성능에 영향을 미칩니다. 브레이징 판형 열교환기는 열을 한 매체에서 다른 매체로 효율적이고 안전하게 전달할 수 있기 때문에 자동차 열 관리, HVAC 시스템, 청정 에너지 기술 및 식수 처리 분야에서 지속적으로 활용되고 있습니다.
브레이징은 모든 페이지를 하나로 묶는 강력한 접착제입니다. 압력과 열 응력 하에서도 인쇄판 페이지들을 단단하게 고정시켜 줍니다. 더욱 중요한 것은, 브레이징은 유해한 오염 물질, 온도 변화, 또는 깨끗한 식수가 안전하게 통과할 수 있도록 연속적인 보호층을 형성한다는 점입니다.
판형 열교환기용으로 신뢰할 수 있고 정밀한 브레이징 솔루션을 찾는 제조업체에게는 경험이 풍부한 기술 공급업체와의 협력이 매우 중요합니다. Dodo Machine은 고품질 열교환기 제작을 위한 브레이징 장비와 턴키 솔루션을 제공하며, 이 솔루션은 판형 열교환기 제조에서 요구되는 복잡한 판 형상과 대량 생산 조건을 충족하도록 설계되었습니다.
제어된 분위기 브레이징의 이점, 엄격한 온도 허용 오차 유지 등 다양한 정보를 통해 최적의 접합 강도와 장기적인 내식성을 확보하는 브레이징 공정을 간소화하는 방법을 알아보세요. 도도 머신.
