CH317259A - Process for the manufacture of heat exchangers - Google Patents

Process for the manufacture of heat exchangers

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CH317259A
CH317259A CH317259DA CH317259A CH 317259 A CH317259 A CH 317259A CH 317259D A CH317259D A CH 317259DA CH 317259 A CH317259 A CH 317259A
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CH
Switzerland
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cell body
alloy
heat exchangers
sep
heat
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German (de)
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Charles Moore Donald
Albert Edge Dennis
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Ici Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/084Heat exchange elements made from metals or metal alloys from aluminium or aluminium alloys

Description

  

  Verfahren zur Herstellung von     Wärmeaustauschern       Vorliegende Erfindung bezieht sich auf  die Herstellung von     Wärmeaustauschern    aus  Leichtmetallegierungen und insbesondere auf  die Anwendung verbesserter Legierungen zur  Erleichterung. des     Zusammenbaues    und zur  Herstellung solcher Apparate mit besseren  mechanischen Eigenschaften.

      Bei der Herstellung von     Wärmeaustaii-          schern    aus Leichtmetallegierungen verwendet  man allgemein     Schmelzschweiss-    und     Hartlöt-          verfahren    unter Benutzung von     Aluminium-          Silizium-Legierungen    als Zusatzwerkstoff. Die       Wärmeaustauscher    bestehen aus einem     Zel-.          lenkörper,    in welchem der Wärmeübergang  von einem Medium zum andern stattfindet,  und Hilfseinrichtungen, um die beiden Me  dien dem Zellenkörper zuzuführen.

   Der Zel  lenkörper besteht     äus    einer Anzahl nahe bei  einanderliegender Kanäle, durch welche die  Medien strömen, und die Wandungen dieser  Kanäle bestehen aus     dünnen    Material,     iun     die Wärmeübertragung zu erleichtern.

   Die  Einzelelemente des Zellenkörpers werden vor  zugsweise durch     Tauchhartlötung    miteinan  der verbunden, wobei die die Verbindungen       bildende,    5     bis        10%        Silizium        enthaltende        Alu-          minium-Silizium-Legierung    als     Vorplattierung     auf das Material aufgebracht wird, während  des     Zusammenbaues    separat in Form von Bei  lageblechen oder Drähten eingeführt.

   Die    Hilfsanschlüsse, die so leicht als möglich sein  müssen, werden durch     Schmelzschweissung     hergestellt und mit dem Zellenkörper durch  Schweissen verbunden, wobei man     Al-Si-Legie-          rungen        mit    5     bis        14%        Si        als        Zusatzwerkstoff     verwendet.

      Infolge der hohen Temperaturen, die beim  Hartlöten mit     Al-Si-Legierungen    als Zusatz  werkstoff erforderlich     sind,    können nur sol  che Legierungen, die einen hohen     Solidus-          punkt    besitzen, in befriedigender Weise für  die Einzelelemente des     Wärmeaustauschers     verwendet werden. Legierungen mit genü  gend hohen Schmelzpunkten enthalten sehr  wenig legierendes Element und besitzen dem  zufolge eine sehr geringe Festigkeit. Dies ist  ein grosser Nachteil, da     Wärmeaustauscher,     insbesondere in Flugzeugen, so leicht als mög  lich sein und gleichzeitig den hohen Bean  spruchungen unter den herrschenden Be  triebsbedingungen widerstehen müssen.

      Die Legierungsart, die zur Erfüllung  der an hartgelötete     Wärmeaustauscher    gestell  ten     Anforderungen    am vielversprechendsten  scheint, sind     Aluminium-Magnesiiim-Silizium-          Legierungen,    die verhältnismässig schwach le  giert sind und noch durch Wärmebehandlung  gehärtet werden können, doch ist der Bereich  der Legierungen, die gegenwärtig in der Tech  nik Verwendung finden und dem Material           HS    10 der     British    Standard-     Specification     Nr.

   1470/1948 entsprechen, dessen     Haupt-          Bestandteile        0,4        bis        1,5%        Mg,        0,75        bis        1,3%          Si,    0     bis        1,01/o,        yln,        '0        bis        0,

  2%        Ti        sind        wäh-          rend    des     Tauchlötens    infolge beginnenden       Sehmelzens    der Bildung von Hitzerissen und  dem Angriff des Korngefüges unterworfen.  Auch beim Löten mit der Lampe und beim  Schweissen treten Hitzerisse auf.

      Vorliegende Erfindung ermöglicht nun die  befriedigende     Herstellung    von     Wärmeaustau-          schern,    die aus Aluminiumlegierungen     her-          gestellt        sind,    welche einer     Wärmebehandlung          unterworfen    werden können, unter Anwen  dung von     Hartlötverfahren,    und es wurde  gefunden, dass dies durch Verwendung von  speziell ausgewählten und modifizierten     Al-          Mg-Si-Legierungen    möglich ist.

      Gemäss vorliegender Erfindung besteht  das Verfahren zur Herstellung von Wärme  austausehern der beschriebenen Art     darin,-          dass    man die Einzelteile des     Zellenkörpers     aus     einer        Legierung    herstellt, die 0,35 bis       0,55%        Mg,        0,35        bis        0,55%        Si,        bis        0,35%        Ti,          bis        1%        Mn,

          Rest        Al        enthält,        diese        Einzelteile     nach einem     Hartlötverfahren    miteinander  verbindet, bei dem man ein Lot aus     Al-Si-          Legierung    verwendet, die Hilfsanschlüsse des       Wärmeaustausehers    aus einer Legierung     her-          stellt,        die        0,5        bis        1,0%        Mg,        0,

  75        bis        1,250%        Si,          0,2        bis        0,350/0        Ti,        bis        1%        Mn,        Rest        A1        ent-          hält    und diese Anschlüsse mit dem Zellenkör  per durch     Hartlotung    verbindet.

   Ferner kann  man den teilweise oder ganz zusammengelöte  ten     Wärmeaustauscher    einer     Wärmebehand-          hmg        unterwerfen,    um eine Ausscheidungshär  tung der Legierungen zu bewirken.  



       Die        Legierungen        können        bis        zu        0,5%        der     üblichen technischen Verunreinigungen ausser  Silizium enthalten doch sollte deren Anteil       vorzugsweise        0,4%        nicht        überschreiten.     



  Die Einzelteile des     Zellenkör-pers    werden  vorzugsweise durch     Tauchhartlöten    miteinan  der verbunden, doch kann man auch die Ofen  ;     lötung    anwenden. Vorzugsweise werden sie aus  einem geeigneten Material hergestellt, das mit    einer haftenden     Vorplattierung    aus     Al-Si-Löt-          legierung,        die    5     bis        10%        Si        enthält,        versehen     ist.  



  Vorzugsweise verwendet man die binären  Lötlegierungen, doch kann man gewünschten  falls     AI-Legierungen    verwenden, die kleine  Mengen Zink, Kupfer und Nickel enthalten.    Die obengenannten Legierungen, aus denen  die Hilfsanschlüsse gebildet werden, besitzen  neben ihren guten Löteigenschaften eine be  trächtlich geringere Neigung zur     Rissbildung          während    des     Schmelzschweissens        als    das Mate  rial     HS    10 der B.

   S. 1470;1948, .was die Her  stellung dieser Teile als solche     erl'eiehtert.       Nach dem Zusammenbau und der Vereini  gung der Teile können die     Wärmeaustauscher     durch geeignete Wärmebehandlung gefestigt  werden. Dies geschieht durch Erhitzen auf  solche Temperaturen und während so langer  Zeit, um die die     Alterungshärtung    von     Al-Mg-          Si-Legierungen    bewirkenden Komponenten in  feste Lösung zu bringen, und anschliessendes  Abschrecken oder     sonstwie    genügend rasches  Abkühlen, um diese in fester Lösung zu hal  ten.

   Das Abschrecken kann in kaltem Wasser  erfolgen, wobei man dafür Sorge trägt, dass  keine Verzerrungen vorkommen, oder man  kann ein genügend rasches Abschrecken unter  Verwendung von heissem Wasser, Sprühwas  ser oder Aufblasen von Luft erreichen, wobei  die Gefahr einer Verzerrung auf ein Mini  mum herabgesetzt ist. Anschliessend kann man  die     Wärmeaustauscher    einer     Alterungshär-          tung    bei Zimmertemperatur unterwerfen,  doch erhält man viel bessere mechanische  Eigenschaften, wenn man die Alterung bei  einer geeigneten höheren Temperatur vor  nimmt.  



  Typische mechanische Eigenschaften, wie  sie mit Legierungen im vorgenannten Zusam  mensetzungsbereich nach dem Erhitzen beim  Zusammenbau des Apparates, einer halbstün  digen Lösungsbehandlung bei 525  C, Ab  schrecken in- kaltem Wasser und 18stündiges  Altern bei 160  C erhältlich sind, sind fol  gende:.

      
EMI0003.0001     
  
    Zellenkörper <SEP> Legierung <SEP> für <SEP> die
<tb>  Legierung <SEP> Hilfseinrichtungen
<tb>  0,1% <SEP> Prüfbeanspruchung <SEP> kg/cm2 <SEP> 1890 <SEP> 2J992;5
<tb>  Zugfestigkeit <SEP> kg/em2 <SEP> _ <SEP> 2362,5 <SEP> 3307,5
<tb>  Dehnung <SEP> o/o <SEP> auf <SEP> 5,8 <SEP> cm <SEP> 10 <SEP> 10
<tb>  Vickers-Härte <SEP> 90 <SEP> 125       (Die Dehnungswerte der Legierung für  die     Hilfseinrichtungen    können in der Nähe  der Verbindungsstellen etwas niedriger sein.)  Da hauptsächlich ' im Zellenkörper der       Wärmeaustauscher    hohe     Festigkeiten    erfor  derlich sind, kann man zur Erhöhung der  Festigkeit dieser Teile eine vereinfachte  Wärmebehandlung durchführen.

   Diese besteht  darin, dass man den     Zellenkörper    unmittelbar  nach dem     Tauchlötbad    abschreckt     und    dann  entweder natürlich oder künstlich altert, nach  dem die Hilfselemente eingefügt sind. Die  beim Anlöten der     Hilfselemente    erforderliche  Erhitzung zerstört die Wirkung der Ab  schreckbehandlung in der unmittelbaren Nach  barschaft der Verbindungsstellen, doch bleibt  der Rest des Zellenkörpers unbeeinflusst und  spricht auf die anschliessenden     Alterungs-          behandlungen    an.



  Methods of Making Heat Exchangers The present invention relates to making heat exchangers from light metal alloys and, more particularly, to using improved alloys for ease of use. assembling and manufacturing such devices with better mechanical properties.

      In the manufacture of heat exchangers from light metal alloys, fusion welding and brazing processes are generally used, using aluminum-silicon alloys as filler material. The heat exchangers consist of a cell. body in which the heat transfer from one medium to the other takes place, and auxiliary devices to supply the two media to the cell body.

   The cell body consists of a number of closely spaced channels through which the media flow, and the walls of these channels are made of thin material to facilitate heat transfer.

   The individual elements of the cell body are preferably connected to each other by immersion brazing, with the 5 to 10% silicon-containing aluminum-silicon alloy forming the connections being applied to the material as a pre-plating, during assembly separately in the form of case sheets or Wires introduced.

   The auxiliary connections, which must be as light as possible, are made by fusion welding and connected to the cell body by welding, using Al-Si alloys with 5 to 14% Si as filler material.

      As a result of the high temperatures required when brazing with Al-Si alloys as additional material, only such alloys that have a high solidus point can be used in a satisfactory manner for the individual elements of the heat exchanger. Alloys with sufficiently high melting points contain very little alloying element and consequently have very little strength. This is a major disadvantage because heat exchangers, especially in aircraft, have to be as light as possible and at the same time have to withstand the high demands under the prevailing operating conditions.

      The type of alloy that appears most promising to meet the requirements placed on brazed heat exchangers are aluminum-magnesium-silicon alloys, which are relatively weakly alloyed and can still be hardened by heat treatment, but this is the range of alloys currently in use the technology used and the material HS 10 of the British Standard Specification No.

   1470/1948, the main components of which are 0.4 to 1.5% Mg, 0.75 to 1.3% Si, 0 to 1.01 / o, yln, '0 to 0,

  2% Ti are subject to the formation of heat cracks and the attack of the grain structure during dip soldering due to the beginning of the melting of the clay. Heat cracks also occur during lamp soldering and welding.

      The present invention now enables the satisfactory production of heat exchangers made of aluminum alloys which can be subjected to heat treatment using brazing processes, and it has been found that this can be achieved by using specially selected and modified Al-Mg -Si alloys is possible.

      According to the present invention, the method for producing heat exchangers of the type described consists in that the individual parts of the cell body are produced from an alloy containing 0.35 to 0.55% Mg, 0.35 to 0.55% Si, to 0.35% Ti, up to 1% Mn,

          Contains the rest of Al, these individual parts are connected to one another by a brazing process in which a solder made of Al-Si alloy is used, the auxiliary connections of the heat exchanger are made from an alloy that contains 0.5 to 1.0% Mg, 0,

  Contains 75 to 1.250% Si, 0.2 to 0.350 / 0 Ti, up to 1% Mn, remainder A1 and connects these connections with the cell body by hard soldering.

   Furthermore, the partially or fully soldered heat exchanger can be subjected to a heat treatment in order to effect precipitation hardening of the alloys.



       The alloys can contain up to 0.5% of the usual technical impurities apart from silicon, but their proportion should preferably not exceed 0.4%.



  The individual parts of the cell body are preferably connected to one another by dip brazing, but the furnace can also be used; apply soldering. They are preferably made from a suitable material which is provided with an adhesive pre-plating of Al-Si solder alloy containing 5 to 10% Si.



  The binary soldering alloys are preferably used, but if desired Al alloys can be used which contain small amounts of zinc, copper and nickel. The above-mentioned alloys, from which the auxiliary connections are formed, have, in addition to their good soldering properties, a considerably lower tendency to form cracks during fusion welding than the material HS 10 from B.

   S. 1470; 1948, .what explains the manufacture of these parts as such. After the parts have been assembled and united, the heat exchangers can be strengthened by means of suitable heat treatment. This is done by heating to such temperatures and for such a long time as to bring the aging hardening of Al-Mg-Si alloys into solid solution, and then quenching or otherwise sufficiently rapid cooling to keep them in solid solution .

   The quenching can be done in cold water, taking care that no distortions occur, or sufficiently rapid quenching can be achieved using hot water, spray water or blowing air, the risk of distortion being reduced to a minimum is. The heat exchangers can then be subjected to aging hardening at room temperature, but much better mechanical properties are obtained if the aging is carried out at a suitably higher temperature.



  Typical mechanical properties, such as those obtainable with alloys in the abovementioned composition range after heating when assembling the apparatus, a half-hour solution treatment at 525 C, quenching in cold water and aging at 160 C for 18 hours, are as follows:

      
EMI0003.0001
  
    Cell body <SEP> alloy <SEP> for <SEP> die
<tb> alloy <SEP> auxiliary equipment
<tb> 0.1% <SEP> test load <SEP> kg / cm2 <SEP> 1890 <SEP> 2J992; 5
<tb> Tensile strength <SEP> kg / em2 <SEP> _ <SEP> 2362.5 <SEP> 3307.5
<tb> elongation <SEP> o / o <SEP> to <SEP> 5.8 <SEP> cm <SEP> 10 <SEP> 10
<tb> Vickers hardness <SEP> 90 <SEP> 125 (The elongation values of the alloy for the auxiliary equipment can be slightly lower near the connection points.) Since high strengths are mainly required in the cell body of the heat exchanger, it is possible to increase perform a simplified heat treatment to ensure the strength of these parts.

   This consists in quenching the cell body immediately after the dip solder bath and then aging either naturally or artificially after the auxiliary elements have been inserted. The heating required when soldering the auxiliary elements destroys the effect of the deterrent treatment in the immediate vicinity of the connection points, but the rest of the cell body remains unaffected and responds to the subsequent aging treatments.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Herstellung von Wärmeaus- tauschern mit Zellenkörper, in welchem eine Wärmeübertragung von einem Medium an das andere stattfindet und Hilfsanschlüsse für die Zuführung der Medien zum Zellen körper, dadurch gekennzeichnet, dass man die Einzelteile des Zellenkörpers aus einer Legie- rung herstellt, die 0,35 bis 0,55% Mg, 0, PATENT CLAIM I Process for the production of heat exchangers with cell bodies in which heat is transferred from one medium to the other and auxiliary connections for the supply of the media to the cell body, characterized in that the individual parts of the cell body are made from an alloy, the 0.35-0.55% Mg, 0, 35 bis 0,55% Si, bis 0,35% Ti, bis 1% Mn, Rest A1 enthält, diese Teile durch Hartlöten mit tels einer Al-Si-Legierung miteinander verbin det, die Hilfsanschlüsse aus einer Legierung herstellt, die 0,5 bis 1,0 % Mg, 35 to 0.55% Si, up to 0.35% Ti, up to 1% Mn, remainder A1, these parts are connected to one another by brazing with an Al-Si alloy that produces auxiliary connections from an alloy that contains 0 5 to 1.0% Mg, 0,75 bis, 1,25 % Si, 0,2 bis 0,35% Ti, bis <B>1</B> 0/a Mn, Rest A1 ent- hält und diese Anschlüsse an den Zellenkör per hart anlötet. UNTERANSPRÜCHE 1. 0.75 to 1.25% Si, 0.2 to 0.35% Ti, to <B> 1 </B> 0 / a Mn, the remainder contains A1 and these connections are hard-soldered to the cell body. SUBCLAIMS 1. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die Zellenkörper- legierung 0,2 bis 0,35% Ti enthält. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, da-, durch gekennzeichnet, dass man die Elemente des Zellenkörpers aus Material herstellt, das mit einer haftenden Vorplättierung aus einer Al-Si-Hartlötlegierung versehen ist, die 5 bis 1011/o Si enthält. . 3. Method according to patent claim I, characterized in that the cell body alloy contains 0.2 to 0.35% Ti. 2. The method according to claim I, characterized in that the elements of the cell body are produced from material which is provided with an adhesive pre-plating of an Al-Si brazing alloy which contains 5 to 1011 / o Si. . 3. Verfahren nach Unteranspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass die Hartlötlegie- rung ausserdem noch kleine Mengen. Zn, Cu und Ni enthält. 4. Verfahrnen nach Patentanspruch I, da-, durch gekennzeichnet, dass man den Wärme austauscher nach dem Zusammenbau einer Ausscheidungshärtungsbehandlungunterwirft. 5. Method according to dependent claim 2, characterized in that the brazing alloy also has small quantities. Contains Zn, Cu and Ni. 4. Verfahrnen according to claim I, characterized in that the heat exchanger is subjected to precipitation hardening treatment after assembly. 5. Verfahren nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass man eine Lösungs- wärmebehandlung mit anschliessender Alte rungshärtung anwendet. 6. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass man den Zellen körper unmittelbar nach dem Zusammenlöten abschreckt und nach dem Anbringen der Hilfsanschlüsse altert. PATENTANSPRUCH II Wärmeaustauscher, hergestellt nach dem Verfahren des Patentanspruches I. Method according to dependent claim 4, characterized in that a solution heat treatment with subsequent aging hardening is used. 6. The method according to claim I, characterized in that the cell body is quenched immediately after soldering together and ages after attaching the auxiliary connections. PATENT CLAIM II heat exchangers manufactured according to the method of claim I.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4673551A (en) * 1984-05-25 1987-06-16 Sumitomo Light Metal Industries, Ltd. Fin stock material for use in plate fin heat exchanger adapted for superhigh pressure service

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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