CN105705900A - 结合的热交换器基体以及相应的结合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属热交换器基体，其特征在于，组件(4、5)的叠体，尤其为蚀刻板的叠体，或者为散热片(4)、金属隔离板(5)和块的叠体，或者为上述两种类型叠体的组合，其中，所述组件(4、5)的至少一部分通过基于环氧树脂的结构性粘合剂的层(15)结合在一起，所述层(15)优选地具有介于20μm和150μm之间的厚度，所述结构性粘合剂含有阻蚀剂并且填充有以质量计20％至60％的导热体，以确保粘合剂的热导率为2W/m/K至5W/m/K。本发明优选地适用于腐蚀性环境，尤其是海洋环境。

Description

结合的热交换器基体以及相应的结合方法
技术领域
本发明涉及金属(特别是铝)热交换器领域，该金属热交换器为蚀刻板的类型，隔离金属板、块和散热片的类型，或者包括这两种类型的组合。
背景技术
由于这些热交换器具有非常好的能量性能、在非常低的温度下的非常好的机械强度和轻质，因此，目前在从空气中分离气体的方法以及液化天然气的方法中使用这些热交换器。
在已知的方式中，这些热交换器的基体通过铜焊来组装，而它们的流体分配头被焊接在该铜焊的基体上。
由此形成的热交换器具有纯金属的性质，并且对腐蚀敏感。因此，它们的应用范围仅限于清洁以及不是非常有腐蚀性的环境。值得注意的是，它们既不适用于海水，也不适用于海洋性气氛。
这种不兼容性的起因源自于交换器的构成组件和铜焊的构成组件的界面处产生的扩散现象，该扩散现象导致初始材料的金属改性。冷却后，金属间沉淀物的存在被认为是产生腐蚀坑的主要原因之一，该腐蚀坑随后形成有助于蚀刻相近金属基的电化学电池。
尽管存在抗蚀涂层，但是将它们涂覆到这些类型的设备上仍然是一个问题。抗蚀涂层既可在组装和铜焊之前涂覆在各个部件上，又可在铜焊之后涂覆在成品的基体上。
第一种方法的缺点是只能使用在铜焊温度下保持稳定且不影响该铜焊的抗蚀涂料。而由于在铜焊的基体上包括许多难以接近的缝隙，第二种方法不能在整个铜焊的基体上均匀地沉积抗蚀涂层。
发明内容
因此，本发明的目的是制造具有较好耐腐蚀性且同时保持致密以及良好热导性的热交换器金属基体。这种基体应当特别适于海洋性应用。
根据本发明，该目的通过一种热交换器金属基体来实现，所述热交换器金属基体的特征在于组件的叠体，特别是蚀刻板的叠体，或者为散热片、隔离金属板和块的叠体，或两种类型叠体的组合，其中，所述组件的至少一部分通过基于环氧树脂的结构性粘合剂的层结合在一起，所述层优选地具有介于20μm和150μm之间的厚度，所述结构性粘合剂含有阻蚀剂，并且填充有以质量计20％至60％的导热体，以确保所述粘合剂的热导率为2W/m/K至5W/m/K。
通过利用所述粘合剂使所述基体的组件的至少一部分结合，从而能够不进行铜焊且不使用对腐蚀敏感的传统焊料。通过所选定的粘合剂制剂，保护所述基体免受腐蚀并且使其保留其机械性能和热性能。
根据本发明的基体特别有利地应用至处于腐蚀性环境(特别是海洋介质)中的热交换器中的应用，无论该热交换器是否浸渍在水中或海洋性气氛中。
根据优选的实施方式，以任何技术可能的组合，根据本发明的基体包括以下特征中的一个、多个或全部：
所述粘合剂的导热体基于金属和/或陶瓷；
所述粘合剂的阻蚀剂基于锌氧化物；
所述组件涂覆有粘合保持物，尤其是转化层和/或粘合保持底漆的层；
所述转化层具有介于1μm和50μm之间，并且优选介于5μm和20μm之间的厚度；
所述组件由铝或铝合金制成，所述转化层由氧化铝制成；
所述组件的一部分铜焊在一起。
本发明还涉及一种热交换器，所述热交换器包括如上所限定的基体；以及优选地，特别通过所述粘合剂粘附至所述基体的用于流体分配的至少一个头。
本发明的另一目的是实现一种用于组装适用于腐蚀性环境的热交换器金属基体的方法。
根据本发明，该目的通过一种用于组装热交换器金属基体的方法来实现，所述方法的特征在于以下步骤：
a)提供所述基体的组件；
b)在所述组件的至少一部分上沉积基于环氧树脂的结构性粘合剂，所述结构性粘合剂含有阻蚀剂，并且填充有以质量计20％至60％的导热体以确保粘合剂的热导率为2W/m/K至5W/m/K；
c)叠置所述组件，以得到叠体；以及
d)烘烤所述叠体以使所述粘合剂固化，从而形成所述基体。
根据优选的实施方式，以任何技术可能的组合，根据本发明的方法包括以下特征中的一个、多个或全部：
在步骤b)之前，在所述组件上施加粘合保持物的步骤；
施加所述粘合保持物包括：阳极化处理或磷化处理的第一步骤和/或通过将所述组件浸渍在保持底漆中或在所述组件上喷射所述保持底漆来施加所述保持底漆的第二步骤；
在介于50℃和200℃之间的温度下，对覆盖有保持底漆的组件干燥和加热介于30分钟至120分钟的时段，以使所述保持底漆结合至所述组件的步骤。
步骤b)包括：
i)以浆料提供所述粘合剂，利用刮浆刀使所述粘合剂在所述组件上铺展；或
ii)将所述粘合剂共层压在所述组件上；
所述步骤d)包括：第一阶段，使所述叠体在介于50℃和120℃之间的温度下维持最短30分钟的时段；随后，第二阶段，使所述叠体在介于150℃和250℃之间的温度下维持最短1小时的时段；
步骤d)包括在高于100kPa的压力下，维持对所述叠体的压制。
附图说明
除了上述布置之外，本发明还包括在将在下文中以更清楚的方式讨论的参照后附附图所描述的示例性实施方式的一定数目的其它布置，但是这些都不是意味着对本发明的限制。在附图中：
图1示出了根据本发明示例性实施方式的基体在叠置期间的立体分解图；
图2为图1的基体的细节7，示出了基体的各组件的粘合剂结合；
图3至图6示出了根据本发明的组装方法对图1的基体的金属隔离片的处理；以及
图7至图9示出了根据本发明的组装方法对图1的基体的散热片的处理。
具体实施方式
在下文中，为了简化本发明的描述，在本发明中应当意识到，对具有金属隔离片、块和散热片的热交换器基体的介绍也适用于具有蚀刻板的交换器或包括金属隔离片、块和散热片以及蚀刻板的组合的交换器。此外，下文将描述铝基体。然而，本发明还涵盖由其它金属(例如特别是钢)组成的基体。
参照图1，可看到示意性示出的所制成的基体2的叠体。以已知的方式，基体2由各个组件，即，散热片4、金属隔离片5以及铝块6的叠体3组成。
图2中可见基体2的特性。在图2中，放大示出的图1中标出的基体2的区域7是醒目的。散热片4位于两个金属隔离片5之间并且结合至金属隔离片。金属隔离片5均具有两个相对的面8和9，并且散热片4具有两个相对的面10和11。
根据本发明，在金属隔离片5和散热片4的两组相对的面8和9以及10和11上覆盖有粘合保持物12。该粘合保持物12由两层，即在表面8、9、10、11上延伸的转化层13以及沉积在转化层13上的粘合保持底漆层14构成。转化层13由氧化铝组成。底漆层14由来自环氧树脂家族的、其中并入有阻蚀剂(例如锌盐)的树脂组成。转化层13具有介于1μm和50μm，并且优选介于5μm和20μm之间的厚度I。底漆层14优选地具有几微米的厚度d。
沉积在金属隔离片5的两个相对表面8、9上的粘合剂层15确保了该金属隔离片5与散热片4之间的连接。优选地，粘合剂层15的厚度e介于20μm和100μm之间。
粘合剂15为来自环氧树脂家族的结构性粘合剂。粘合剂15包含阻蚀成分，例如锌的盐或氧化物。粘合剂15还填充有以质量计20％至60％的额外的成分，该额外的成分(例如金属或陶瓷源)明显地提高该粘合剂的热导率。从而，粘合剂15的热导率在2W/m/K至5W/m/K之间。
参照图3至图9，现将描述用于组装基体2的方法。
在第一步骤中，基体2的金属隔离片5、散热片4以及块6由铝制成，金属隔离片5的实例示出在图3中，而散热片4的实例示出在图7中。
在第二步骤中，对金属隔离片的相对的面8、9，散热片4的相对的面10、11，以及块6进行阳极化以产生氧化铝(Al2O3)的转化层13。该阳极化优选地为硫酸阳极化或铬酸阳极化。该结果示于图4和图8中。
如果由钢组件组装基体2时，则阳极化将用磷化操作来代替。
在第三步骤中，转化层13覆盖有保持底漆层14。优选地，该步骤通过将块6、散热片4和金属隔离片5浸渍在保持底漆的水性溶液中来进行。因此，组件4、5、6被涂敷有保持底漆14。在替代方式中，该保持底漆14通过喷射被施加在组件4、5、6上。
应当确保的是，以均匀的方式完成保持底漆14在整个表面上的施加，以后续保证整个组件4、5、6的良好的粘附。第三步骤的结果示于图5和图9中。
在施加保持底漆14之后，通过加热进行干燥以使保持底漆14化学结合至经处理的表面。优选地，通过热风处理获得保持底漆14和阳极化的表面13之间的连接，该热风处理在介于50℃和200℃之间的温度下，进行优选30分钟和120分钟之间的时段。在尤其优选的方式中，将涂覆有保持底漆14的阳极化的组件4、5、6在约90℃下维持约120分钟。
在第四步骤中，仅在金属隔离片5的保持底漆14上施加粘合剂15。该施加可通过以下方式来完成：通过刮浆刀将粘合剂浆料以层的形式均匀地沉积直至具有足够且均匀的厚度；或也可通过施加将共层压在金属隔离片上的膜；或通过能够在金属隔离片5上提供粘合剂15沉积的任何其它方式。粘合剂15的施加应当尽可能地呈现残余物厚度为约20微米至150微米，以同时确保其粘结剂的作用以及保护下层的金属隔离片5的作用。第四步骤的结果示于图6中。
明显有利的是，能够在各个组件4、5、6(其表面能够容易地接近)上进行第二步骤至第四步骤的事实。通过观察该方法，促进对预定参数(如沉积的厚度或均匀性)的控制。因此，根据本发明的方法明显不同于在组装叠体3之后凭经验完成组件4、5、6表面制备的方法。
在第五步骤中，将组件4、5、6进行叠置以获得叠体3。
第六步骤为在低于150℃的温度下，对叠体3进行的烘烤阶段，以使粘合剂15固化(聚合)。在烘烤结束时，获得致密且耐腐蚀的基体2。烘烤例如包括在90℃下对叠体3进行加热并维持4小时，随后在120℃下对叠体3进行加热并维持1小时。该过程可在加压烘箱、具有强制对流的烘箱中进行或以任何其它等效的加热方法进行。优选地，在聚合过程中，使用夹持叠体3的装置来优化组件4、5、6的连接。该夹持装置可例如使组件4、5、6维持在超过100kPa的恒定的负荷下。
经完成的基体2然后可设置有用于分配流体的头以形成热交换器。流体分配头可利用所述粘合剂15粘附地直接结合至基体2的表面。
可替代地，流体分配头经由中间部件焊接至基体2，该中间部件根据凸/凹配置在基体2叠置期间预先嵌入至基体2中。所述中间部件使焊接区域距离基体2足够远以避免由于焊接期间常见的高温使基体2的粘结接头的劣化。在该情况下，通过基于硅酮的弹性体确保中间部件和基体2之间连接的密封。
凭借根据本发明的组装方法，每个金属组件4、5、6覆盖有多个层，该多个层用作腐蚀源扩散和传播的阻挡层。
根据本发明的替代实施方式，基体2的某些组件4、5、6被铜焊，而其它组件经粘结结合。例如，通过粘结结合的组件4、5、6来界定用于接收腐蚀性流体(诸如海水)的基体2的流体通路；而通过铜焊的组件4、5、6界定用于流体(例如氨)的基体2的流体通路，对该流体通路使用的压力超出粘合剂15的使用范围。
为了得到该混合组件，在第一阶段，根据用于制造铜焊热交换器的常规方法，对必须要铜焊的组件4、5、6进行铜焊。利用所有的这些组件4、5、6来制成基体2的子组件，应当意识到该铜焊仅存在于必须要被铜焊的表面上。在铜焊后，铜焊的子组件和剩余的组件4、5、6涂覆有粘合剂15，并且进行叠置以形成叠体3。叠体3随后经受上述烘烤(第六步骤)。该烘烤的低温并不会使在第一阶段中进行的铜焊劣化。
根据本发明的另一替代实施方式，利用低温铜焊(铜焊的熔融温度低于200℃)组装粘结结合/铜焊混合的基体。这就能够利用涂覆有粘合剂和铜焊的子组件首先组装整个叠体3，并且随后烘烤所述叠体3，从而使粘合剂固化，并且同时融合该铜焊。
凭借根据本发明的粘结结合，所提供的热交换器基体可应用至腐蚀性环境，同时保留所需的热性能和耐压性质。此外，根据本发明的方法能够组装大容量的热交换器基体。

Claims (15)

1.一种热交换器金属基体(2)，其特征在于，组件(4、5、6)的叠体，尤其为蚀刻板的叠体，或者为散热片(4)、金属隔离板(5)和块(6)的叠体，或者为上述两种类型叠体的组合，其中，所述组件(4、5、6)的至少一部分通过基于环氧树脂的结构性粘合剂的层(15)结合在一起，所述层(15)优选地具有介于20μm和150μm之间的厚度，所述结构性粘合剂含有阻蚀剂并且填充有以质量计20％至60％的导热体，以确保所述粘合剂的热导率为2W/m/K至5W/m/K。
2.根据权利要求1所述的基体，所述粘合剂(15)的导热体基于金属和/或陶瓷。
3.根据前述权利要求中任一项所述的基体，所述粘合剂(15)的阻蚀剂基于锌氧化物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的基体，其中，所述组件(4、5、6)涂覆有粘合保持物(12)，尤其是涂覆有转化层(13)和/或粘合保持底漆的层(14)。
5.根据权利要求4所述的基体，其中，所述转化层(13)具有介于1μm和50μm之间，并且优选介于5μm和20μm之间的厚度。
6.根据权利要求4或5所述的基体，其中，所述组件(4、5、6)由铝或铝合金制成，所述转换层(13)由氧化铝制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的基体，其中，所述组件(4、5、6)的一部分铜焊在一起。
8.一种热交换器，所述热交换器包括根据前述权利要求中任一项所述的基体(2)；以及优选地，尤其通过所述粘合剂(15)粘附至所述基体(2)的至少一个流体分配头。
9.一种用于组装热交换器金属基体(2)的方法，其特征在于以下步骤：
a)提供所述基体(2)的组件(4、5、6)；
b)在所述组件(4、5、6)的至少一部分上施加基于环氧树脂的结构性粘合剂(15)，所述结构性粘合剂(15)含有阻蚀剂并且填充有以质量计20％至60％的导热体，以确保所述粘合剂的热导率为2W/m/K至5W/m/K；
c)叠置所述组件(4、5、6)，以得到叠体(3)；以及
d)烘烤所述叠体(3)以使所述粘合剂(15)固化，从而得到所述基体(2)。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在步骤b)之前，在所述组件(4、5、6)上施加粘合保持物(12)的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，施加粘合保持物(12)包括：阳极化处理或磷化处理的第一步骤和/或通过将所述组件浸渍在保持底漆(14)中或在所述组件上喷射所述保持底漆来施加所述保持底漆(14)的第二步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：在介于50℃和200℃之间的温度下，对覆盖有保持底漆(14)的组件(4、5、6)进行干燥和加热30分钟至120分钟的时段，以使所述保持底漆(14)结合至所述组件。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，步骤b)包括：
i)以浆料提供所述粘合剂(15)，利用刮浆刀使所述粘合剂在所述组件上铺展；或
ii)将所述粘合剂(15)共层压在所述组件(5)上。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中，所述步骤d)包括：第一阶段，使所述叠体(3)在介于50℃和120℃之间的温度下维持最短30分钟的时段；随后，第二阶段，使所述叠体(3)在介于150℃和250℃之间的温度下维持最短1小时的时段。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中，所述步骤d)包括在高于100kPa的压力下，维持对所述叠体(3)的压制。
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