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KR20180028265A - 알루미늄 판재 및 이를 이용한 이지알쿨러 - Google Patents

알루미늄 판재 및 이를 이용한 이지알쿨러 Download PDF

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KR20180028265A
KR20180028265A KR1020160115742A KR20160115742A KR20180028265A KR 20180028265 A KR20180028265 A KR 20180028265A KR 1020160115742 A KR1020160115742 A KR 1020160115742A KR 20160115742 A KR20160115742 A KR 20160115742A KR 20180028265 A KR20180028265 A KR 20180028265A
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KR
South Korea
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tube
mass
pin
exhaust gas
core
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Ceased
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KR1020160115742A
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Inventor
하석
이동영
윤성일
정태호
Original Assignee
현대자동차주식회사
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Publication date
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Abstract

알루미늄 판재 및 이를 구비한 이지알 쿨러가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따라서 엔진의 배기라인에 흡기라인으로 재순환되는 배기가스를 냉각하는 이지알 쿨러는 내부에 공간이 형성되는 하우징, 상기 하우징의 내부 공간에 설정된 간격을 두고 배치되는 튜브, 및 상기 튜브의 내측에 배치되고, 일측은 상기 튜브의 내면에 접촉하는 핀을 포함하고, 상기 하우징과 상기 튜브 사이로 냉각수가 흐르고, 상기 튜브 내측으로는 배기가스가 흐르며, 상 핀은 알류미늄 계열로 만들어지고, Mg과 Ti을 설정비율 포함할 수 있다.

Description

알루미늄 판재 및 이를 이용한 이지알쿨러{ALUMINUM PLATE AND EGR COOLER USING THIS}
본 발명은 배기가스에서 발생되는 질소산화물과 입자상물질을 저감시키기 위해서 배기라인에서 흡기라인으로 배기가스를 재순환시키고, 이렇게 재순환되는 배기가스를 냉각시키는 이지알 쿨러 및 이에 사용되는 알루미늄 판재에 관한 것이다.
최근 들어, 지구 온난화 등 환경문제가 대두되면서 배기가스에 대한 규제가 강화되고 있는데, 특히 자동차 배기가스의 배출량에 대한 엄격한 기준이 적용되고 있다.
구체적으로, EURO-6 에 의하면 승용차용 디젤 엔진의 경우 NOx 의 발생량을 80mg/km 수준으로 저감시켜야 하는데, 이에 대응하여, 자동차 관련 업체들은 EGR, LNT, SCR 등의 신기술을 적용하고 있다.
상기 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 장치로서 배기 가스를 재순환하여 압축된 공기와 혼합시키는 고압 배기가스 재순환(High Pressure Exhaust Gas Recirculation, HP-EGR) 장치와, DPF(Diesel Particle Filter) 후단의 배기가스를 재순환하여 터보차저 전단에서 공기와 혼합시키는 저압 배기가스 재순환(Low Pressure Exhaust Gas Recirculation, LP-EGR) 장치가 있다.
이 때, 재순환 배기가스를 냉각시키기 위해서 배기가스 재순환 라인에는 이지알 쿨러(EGR cooler)가 배치되며, 이러한 이지알 쿨러는 고온상태와 응축수에 대한 부식 저항성이 높은 스테인레스 재질로 만들어진다.
그런데, 스테인레스 재질로 만들어진 이지알 쿨러는 무겁고, 열전달 효율이 낮고, 성형성이 좋지 않으며, 전체적인 부품 가격도 비싸다. 따라서, 열전달효율이 높고, 성형성이 좋으며, 부품 가격도 상대적으로 저렴한 알루미늄 재질의 이지알 쿨러에 대한 연구가 진행되고 있다.
통상적으로 쿨러인 연교환기의 핀과 튜브에는 순알루미늄계(A1xxx)인 A1100 및 알루미늄-망간계(A3xxx)인 A3003이 사용되는데, 재순환 배기가스의 온도가 약 섭씨 550도에 이른다.
또한, 응축수 성분으로써 CI-, SO42-, NO3-등과 같은 부식성 이온이 존재하여, 알루미늄 계열의 핀 또는 튜브가 고온환경 및 부식환경에 손상될 수 있으며, 이에 고강도이면서 고내식성의 알루미늄 판재에 대한 연구가 진행되고 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
대한민국 특허공개번호 10/2014/0000406
본 발명의 목적은 응축수 성분으로써 CI-, SO42-, NO3-등과 같은 부식성 이온이 존재하고, 재순환 배기가스의 온도가 약 섭씨 550도 이르는 환경에서 강도를 유지하고 내식성이 강한 알루미늄 판재 및 이를 이용하는 이지알 쿨러를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서 엔진의 배기라인에 흡기라인으로 재순환되는 배기가스를 냉각하는 이지알 쿨러는 내부에 공간이 형성되는 하우징, 상기 하우징의 내부 공간에 설정된 간격을 두고 배치되는 튜브, 및 상기 튜브의 내측에 배치되고, 일측은 상기 튜브의 내면에 접촉하는 핀을 포함하고, 상기 하우징과 상기 튜브 사이로 냉각수가 흐르고, 상기 튜브 내측으로는 배기가스가 흐르며, 상 핀은 알류미늄 계열로 만들어지고, Mg과 Ti을 설정비율 포함할 수 있다.
상기 핀은, 외측 표면층에 형성되는 클래드재와 상기 클래드재의 안쪽에 배치되는 심재를 포함하고, 상기 클래드재는 A4000계열의 알루미늄 합금이고, 상기 심재는 Mg과 Ti을 설정비율 포함하는 알루미늄 합금일 수 있다.
상기 심재는 Cu, Si, Fe, Zn, Mg, Mn, Ti, 및 Al을 포함할 수 있다.
상기 심재는 Cu(0.5-0.6 질량%), Si(0.25 질량%), Fe(0.4 질량%), Zn(0.1% 이하), Mg(0.05 질량%), Mn(1.0-1.3), Ti(0.1-0.2 질량%), 및 Al(나머지 질량)을 포함할 수 있다.
상기 핀과 상기 튜브가 브레이징되어 접합되는 과정에서, 상기 심재와 상기 클래딩재 사이에는 AlxMnySiz로 구성되는 밴드층이 형성될 수 있다.
상기 핀과 상기 튜브가 브레이징되는 온도는 섭씨 500도 내지 600도 영역에 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 판재는 튜브, 및 상기 튜브의 내측에 배치되고, 일측은 상기 튜브의 내면에 접촉하는 핀을 포함하고, 상 핀은 알류미늄 계열로 만들어지고, Mg과 Ti을 설정비율 포함할 수 있다.
상기 핀은, 외측 표면층에 형성되는 클래드재와 상기 클래드재의 안쪽에 배치되는 심재를 포함하고, 상기 클래드재는 A4000계열의 알루미늄 합금이고, 상기 심재는 Mg과 Ti을 설정비율 포함할 수 있다.
상기 심재는 Cu, Si, Fe, Zn, Mg, Mn, Ti, 및 Al을 포함할 수 있다
상기 심재는 Cu(0.4-0.64 질량%), Si(0.6-0.84 질량%), Fe(0.4-0.6 질량%), Zn(0.05% 이하), Mg(0.3-0.4 질량%), Ti(0.1-0.2 질량%), 및 Al(나머지 질량)을 포함할 수 있다.
상기 튜브와 상기 핀이 브레이징되어 접합되는 과정에서, 상기 심재와 상기 클래딩재 사이에는 AlxMnySiz로 구성되는 밴드층이 형성될 수 있다.
상기 튜브와 상기 핀이 브레이징되어 접합되는 온도는 섭씨 500도 내지 600도 영역에 포함될 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 고온과 부식성 이온이 존재하는 환경에서 알루미늄 판재는 일반적인 A3003 의 알루미늄 판재보다 강도가 높고, 내식성이 향상된다.
아울러, 이러한 알루미늄 판재를 사용하는 이지알 쿨러는 알루미늄 계열의 재질특성을 통해서 무게를 줄일 수 있고, 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 비교적 고강도 고내식 특성을 가지고 있어서, 상품성과 내구성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ라인에 따른 이지알 쿨러의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 핀에 적용되는 알루미늄 합금 소재의 성분을 보여주는 표이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 핀이 브레이징 된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핀의 부식실험결과를 보여주는 단면사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핀의 부식실험조건, 부식전위, 및 강도를 각각 보여주는 표이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이지알 쿨러의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 이지알 쿨러(100)는 엔진시스템에서 배기라인에서 흡기라인으로 재순환되는 배기가스를 냉각시키도록 배치된다.
상기 이지알 쿨러(100)는 냉각수를 이용하여 재순환되는 배기가스를 냉각시키며, 상기 이지알 쿨러(100)에는 냉각수가 유입되고 배출되는 제1 냉각수 파이프(105a)와 제2 냉각수 파이프(105b)와 각각 연결된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 이지알 쿨러(100)를 지나는 배기가스는 약 섭씨 550도에 이르고, 상기 이지알 쿨러(100)에 의해서 배기가스 온도 하강에 따른 응축수가 생기는데, 이러한 응축수 성분은 CI-, SO42-, NO3-등과 같은 부식성 이온을 포함한다.
따라서, 상기 이지알 쿨러(100)의 튜브(200, 도 2)와 핀(205, 도 2)에 사용되는 알루미늄의 재질특성을 개선함으로써, 고온과 부식성 이온이 존재하는 환경에서 일반적인 A3003 의 알루미늄 판재보다 강도가 높고, 내식성이 향상된다.
아울러, 이러한 알루미늄 판재를 사용하는 이지알 쿨러(100)는 알루미늄 계열의 재질특성을 통해서 무게를 줄일 수 있고, 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 비교적 고강도 고내식 특성을 가지고 있어서, 상품성과 내구성이 향상된다. 본 명세서에서 설명되지 않은 부분에 대해서는 공지기술을 참조한다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ라인에 따른 이지알 쿨러의 단면도이다.
상기 하우징(220)의 내부에 공간이 형성되고, 상기 튜브(200)는 상기 하우징(220) 안쪽에 상부에서 하부로 설정된 간격을 두고 배열되고, 상기 튜브(200)의 안쪽에 지그재그 형태를 갖는 핀(205)이 배치된다.
상기 핀(205)의 상측은 상기 튜브(200)의 내측 상부면에 브레이징 접합되고, 상기 핀(205)의 하측은 상기 튜브(200)의 내측 하부면에 브레이징 접합되며, 상기 핀(205)은 재순환 배기가스와 냉각수 사이의 열전달 효율을 향상시킨다.
상기 튜브(200)의 외면과 상기 하우징(220)의 내면 사이에는 냉각수가 흐르는 냉각수통로(210)가 형성되고, 상기 튜브(200)의 안쪽에는 재순환 배기가스가 지나는 배기가스통로(215)가 형성되며, 재순환 배기가스는 상기 핀(205)과 상기 튜브(200)를 통해서 냉각수에 의해서 냉각된다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 핀에 적용되는 알루미늄 합금 소재의 성분을 보여주는 표이다.
도 3a를 참조하면, 이지알 쿨러(100)에 사용되는 핀(205) 또는 튜브(200)는 Cu, Si, Fe, Zn, Mg, Mn, Ti, 및 Al을 포함하고, 각 원소의 질량비는 Cu 0.5 내지 0.6 wt%, Si 0.25 wt%, Fe 0.4 wt%, Zn 최대 0.1 wt%, Mg 0.05 wt%, Mn 1.0 내지 1.3 wt%, Ti 0.1 내지 0.2 wt%, 및 나머지 Al이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 핀이 브레이징 된 상태를 보여주는 단면도이다.
상기 핀(205)은 크게 3개의 층으로 형성되는데, 가운데에는 본 발명의 소재로 구성되는 심재(core layer), 및 상기 심재의 양면에 형성되는 클래드재(cladding layer)를 포함한다.
상기 클래드재는 A4000계열의 알루미늄 합금이 사용되고, 상기 심재는 본 발명의 소재로 구성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 심재에는 마그네슘(Mg)성분을 첨가하여, MgSi의 석출에 의한 시효경화효과를 기대할 수 있다.
아울러, Ti성분을 첨가하여 내식성을 향상시킬 수 있는데, 알루미늄 합금 내 Ti성분의 첨가는 부식의 과정을 국부부식(localized corrosion)에서 균일부식(lateral corrosion)으로 변화시켜 관통부식을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명 소재를 다층구조(심재와 클래드재)로 제조 후, 브레이징 공정을 거치면, 표층 내부에 금속간 화합물인 AlxMnySiz 로 구성된 밴드(band)가 형성되고, 이러한 밴드는 모재에 비해서 양극 특성을 가지고 있어서, 모재를 보호하는 희생양극재 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핀의 부식실험결과를 보여주는 단면사진이다.
도 4를 참조하면, 기존의 A3000재질이 부식환경에 노출된 경우에 국부적으로 관통된 실험결과를 보여주고, 본 발명에 따른 소재는 일부 표면이 얇아지는 현상은 있으나, 관통되는 현상은 발견되지 않는다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핀의 부식실험조건, 부식전위, 및 강도를 각각 보여주는 표이다.
도 5의 (a)는 SWAAT(sea water acetic acid test)방법으로, 인공해수에 아세트산을 첨가하여 PH를 설정치(2.8 내지 3)로 맞추고, 설정된 온도에서 설정 시간 동안 시험편을 노출시키는 방법이다.
다시 도 4의 (b)를 참조하면, A3003의 부식전위는 -720이고, 개발된 소재의 부식전위는 -690이므로, 개발된 소재는 부식에 대한 저항성이 향상된 것을 알 수 있다.
아울러, 도 4의 (c)를 참조하면, A3003의 인장강도는 115MPa이고, 항복강도는 44MPa이며, 개발된 소재의 인장강도는 145MPa이고, 항복강도는 54MPa이므로, 개발소재의 인장강도와 항복강도가 모두 향상된 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 이지알 쿨러 105a: 제1 냉각수 파이프
105b: 제2 냉각수 파이프 200: 튜브
205: 핀 210: 냉각수통로
215: 배기가스통로 220: 하우징

Claims (12)

  1. 엔진의 배기라인에 흡기라인으로 재순환되는 배기가스를 냉각하는 이지알 쿨러에 있어서,
    내부에 공간이 형성되는 하우징;
    상기 하우징의 내부 공간에 설정된 간격을 두고 배치되는 튜브; 및
    상기 튜브의 내측에 배치되고, 일측은 상기 튜브의 내면에 접촉하는 핀; 을 포함하고, 상기 하우징과 상기 튜브 사이로 냉각수가 흐르고, 상기 튜브 내측으로는 배기가스가 흐르며,
    상 핀은 알류미늄 계열로 만들어지고, Mg과 Ti을 설정비율 포함하는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀은,
    외측 표면층에 형성되는 클래드재와 상기 클래드재의 안쪽에 배치되는 심재를 포함하고,
    상기 클래드재는 A4000계열의 알루미늄 합금이고,
    상기 심재는 Mg과 Ti을 설정비율 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 심재는 Cu, Si, Fe, Zn, Mg, Mn, Ti, 및 Al을 포함하는 알루미늄 합금인것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 심재는 Cu(0.5-0.6 질량%), Si(0.25 질량%), Fe(0.4 질량%), Zn(0.1% 이하), Mg(0.05 질량%), Mn(1.0-1.3), Ti(0.1-0.2 질량%), 및 Al(나머지 질량)을 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 핀과 상기 튜브가 브레이징되어 접합되는 과정에서, 상기 심재와 상기 클래딩재 사이에는 AlxMnySiz로 구성되는 밴드층이 형성되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 핀과 상기 튜브가 브레이징되는 온도는 섭씨 500도 내지 600도 영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  7. 튜브; 및
    상기 튜브의 내측에 배치되고, 일측은 상기 튜브의 내면에 접촉하는 핀; 을 포함하고,
    상 핀은 알류미늄 계열로 만들어지고, Mg과 Ti을 설정비율 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 판재.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 핀은,
    외측 표면층에 형성되는 클래드재와 상기 클래드재의 안쪽에 배치되는 심재를 포함하고,
    상기 클래드재는 A4000계열의 알루미늄 합금이고,
    상기 심재는 Mg과 Ti을 설정비율 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 판재.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 심재는 Cu, Si, Fe, Zn, Mg, Mn, Ti, 및 Al을 포함하는 알루미늄 합금인것을 특징으로 하는 알루미늄 판재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 심재는 Cu(0.4-0.64 질량%), Si(0.6-0.84 질량%), Fe(0.4-0.6 질량%), Zn(0.05% 이하), Mg(0.3-0.4 질량%), Ti(0.1-0.2 질량%), 및 Al(나머지 질량)을 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 판재.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 튜브와 상기 핀이 브레이징되어 접합되는 과정에서, 상기 심재와 상기 클래딩재 사이에는 AlxMnySiz로 구성되는 밴드층이 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 판재.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 튜브와 상기 핀이 브레이징되어 접합되는 온도는 섭씨 500도 내지 600도 영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 판재.
KR1020160115742A 2016-09-08 2016-09-08 알루미늄 판재 및 이를 이용한 이지알쿨러 Ceased KR20180028265A (ko)

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