열교환기의 발전

확산 접합 공정을 통해 생산된 소형 인쇄 회로 열교환기(PCHE)는 극한의 온도 및 압력 환경에서 기존 대안을 능가합니다.

전통적인 판형 또는 쉘 앤 튜브 열교환기는 가공 산업에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. 그러나 오늘날 고압, 온도 및 부식성 환경에 대한 노출과 관련된 많은 새로운 응용 분야로 인해 더 많은 제조업체가 소형 인쇄 회로 열교환기(PCHE)로 전환하고 있습니다.

PCHE는 유체 흐름 마이크로 채널이 각 층에 화학적으로 에칭되어 복잡한 흐름 패턴을 형성하는 얇고 평평한 금속판으로 구성된 다층 열 교환기입니다. 그런 다음 층을 확산 결합하여 우수한 공기 흐름과 열 전달 특성을 지닌 조밀한 열 교환기를 만듭니다.

이러한 방식으로 설계하면 열 교환기는 기존의 플레이트 또는 쉘 및 튜브 설계보다 최대 85% 더 작고 가벼워질 수 있습니다. 또한 PCHE에는 과도한 배관, 프레임 또는 기타 관련 구조 요소가 필요하지 않아 비용이 더욱 절감됩니다.

“고품질 확산 결합 PCHE는 수백 바의 매우 높은 압력과 800°C 이상의 극한 온도를 견딜 수 있습니다. 결과적으로 PCHE는 석유 및 가스, 수소 차량 연료 충전소 및 항공우주를 포함한 광범위하고 까다로운 응용 분야에 매우 적합합니다.”라고 PVA Industrial Vacuum Systems의 전무이사인 Udo Broich 박사는 말합니다.

수년 동안 확산 접합은 다른 방법으로는 어렵거나 불가능한 고강도 내화성 금속을 접합하는 데 사용되었습니다. 이 공정에는 PVA TePla에서 제공하는 것과 같은 고진공 핫 프레스에서 접합 부분에 고온과 압력을 가하는 작업이 포함됩니다. 이로 인해 고체 금속 표면의 원자가 산재되어 결합됩니다. 재료가 유사한 경우 최종 조각에는 인터페이스 선이나 줄무늬가 거의 또는 전혀 없습니다. 한 재료의 경계면이 다른 재료와 혼합되고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 올바른 장비, 재료 준비 및 프로세스를 사용하면 서로 다른 재료를 사용해도 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.

이 공정의 핵심은 확산 접합을 사용하여 진공 브레이징과 같은 다른 대안을 통해 레이어를 결합하는 것입니다. 브레이징은 일반적인 조건에서 금속을 접합하는 데 널리 사용되지만 고온, 압력 또는 부식 상황에서는 충분하지 않을 수 있습니다. 브레이징은 두 개 이상의 금속 품목을 녹여 용가재를 접합부로 흘러들어가는 접합 공정입니다. 용가재는 모세관 작용을 통해 층 사이의 틈으로 흘러 들어갑니다.

충진재와 공정 매개변수를 적절하게 선택하면 브레이징을 통해 고강도 및 내열성 접합부를 만들 수도 있습니다. 그러나 용가재는 항상 접합 부품 재료와 다른 화학적 조성을 갖기 때문에 납땜된 부품의 특성은 일반적으로 고체 부품의 특성에 도달할 수 없습니다.

“PCHE를 브레이징하는 경우 엔지니어는 또 다른 문제를 고려해야 합니다. 브레이징 중에 용융된 필러 금속이 마이크로 채널에 침투하여 응고되어 공기 흐름에 필요한 채널을 차단할 수 있다는 것입니다. 이는 PCHE를 매우 비효율적으로 만들 수 있습니다.”라고 Broich는 말합니다. “확산 접합에는 필러 금속이 필요하지 않고 고체 접합 공정이기 때문에 마이크로채널은 그대로 유지됩니다.

“PCHE의 층이 확산 결합되면 최종 제품은 모재의 기계적, 화학적, 열적 특성을 유지합니다. 재료의 높은 강도와 ​​무결성을 고려하면 PCHE는 매우 혹독한 작동 조건을 견딜 수 있습니다.”라고 Broich는 설명합니다.

확산 결합 PCHE의 중요한 장점은 열교환기의 크기를 크게 줄일 수 있다는 것입니다. Broich는 “PCHE는 기존 열교환기보다 질량과 부피가 약 85% 적고 마이크로채널은 열교환을 위한 넓은 표면적을 제공합니다.”라고 말했습니다. "표준 [판 또는 쉘 앤 튜브] 열 교환기] 설계로 동일한 열 전달 속도를 달성하려면 훨씬 더 많은 질량과 부피가 필요합니다."