CN107735640A - 用于制造热交换器的方法和热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造热交换器(1)的方法，该热交换器包括在纵向端侧上固定在集热器(5)的管板(4)的相关联开口(3)中的管(2)。根据本发明，a)通过粘合剂片(7)或粘合剂膜(8)的层压而将粘合剂层(6)涂覆至管(2)的外侧，b)将管(2)的纵向端侧管壁部分(9)插入管板(4)上的相应的相关联开口(3)中，其中，管(2)的管壁部分(9)以这种方式弯曲，使得它们抵靠相关联开口(3)的非平行壁(10)布置，c)加热粘合剂层(6)，以将管壁部分(9)粘合至开口(3)的壁(10)。本发明还涉及一种使用该类型的方法制造的热交换器(1)。

Description

用于制造热交换器的方法和热交换器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于制造热交换器的方法，该热交换器包括在纵向端侧上固定在集热器的管板的相关联开口中的管。本发明还涉及这种热交换器。
背景技术
数十年来，已经制造了冷却模块用于制冷剂的使用和冷却剂的使用，冷却模块通常以适于钎焊的材料制造，例如不锈钢、铜或铝。作为半成品，所述材料涂覆有钎焊金属。半成品的钎焊镀层由熔点比基础材料低的材料层组成。为了钎焊，部件被支撑并且随后在炉中在接近基础材料的熔点的温度下钎焊。为此目的所需的物料包括例如使位于外面的氧化层破开或溶解的助熔剂。然而，助熔剂具有对健康有害的缺点；此外，残留物可能残留在组件上，残留物对组件的所需纯度具有负面影响。另外，钎焊可以有用地仅将相同类型的材料彼此连接，以便例如吸收热伸长或者根本不允许后者出现。类似地，就腐蚀方面而言，不同材料之间不应在电位上具有任何差异。如果观察到如下各种边界条件，则可以成功地进行钎焊：去除部件的油污(目前通过PER)、堆叠和支撑镀钎焊的半成品、在炉中在650℃左右钎焊若干小时、检查部件的紧密性以及如果部件不紧密，可选地重新钎焊部件。然而，该过程非常耗时，成本高，而且耗费大量资源，这对CO2平衡具有负面影响。
在由不同材料组成的两个联接体的连接期间，必须考虑和补偿不同的热膨胀，这能保证仅在有限程度上进行钎焊或者只具有一定的蠕变强度。
目前，热交换器是完全钎焊的，其中钎焊持续时间可能有若干小时，取决于组件的尺寸。此外，钎焊温度约在600℃，这意味着在所提及的时间段内能量消耗巨大。另外，只能在几个小时并且耗费大量能量之后才能看到钎焊是否完成。
因此，这种热交换器的不利之处在于其生产成本非常高，耗费大量资源，而且对环境有害。此外，只有有限数量的材料适于钎焊，其中组件必须由相同类型的材料或相似材料制造以实现可靠的钎焊。另外，即使有的话，由不同材料组成的组件也不能以所需的质量彼此连接。
发明内容
因此，本发明涉及的问题在于，针对一种用于制造热交换器的方法以及这种热交换器，详细说明一种改进的或至少不同的实施方案，其特别是以更经济的生产而出众。
根据本发明，该问题是通过独立权利要求的主题来解决的。有利的实施方案是从属权利要求的主题。
本发明基于这样的总体构思，即首次借助于粘性连接在热交换器中的管与管板之间建立连接，由此省去了迄今为止在此区域中使用的钎焊连接。在根据本发明的用于制造热交换器的方法的情况下，首先通过粘合剂片或粘合剂膜的层压而将粘合剂层简单(在制造方面)且成本有效地涂覆(apply)至热交换器的管的外侧，这提供了所述粘合剂层触摸干燥并且不涉及低粘度粘合系统的优点。随后将管的相应纵向端侧管壁部分插入管板上相应的相关联开口中，其中管的管壁部分在插入期间或之后以这种方式弯曲，使得所述管壁部分抵靠管板中的相关联开口的非平行壁定位。如果建立了这种类型的形状配合连接，则加热粘合剂层，由此管壁部分被粘合至相应开口的壁，并且由此实现管与管板之间的固定组装。根据本发明的方法在此具有很大的优点，即省去了迄今为止昂贵的钎焊金属，因此该方法在资源和能量方面均显著地更加成本有效。此外，在根据本发明的方法的情况下，可以涂覆非常薄的粘合剂层，因此所需的粘合剂量总体上可以保持相对较低。然而，不仅可以减少加热的持续时间，而且可以降低用于固化粘性连接所需的温度，由此也可以在此实现显著的能量节约。因此，总体来说，根据本发明的方法显著地更加经济，此外，还具有很大的优点，即由不同材料构成的组件(在此是管和管板)可以彼此连接，而不需要担心两个组件之间由于不同电位而造成的电偶腐蚀。如果需要，可选地，塑料水箱或金属集热器也可以期望地或方便地附接。借助于组合不同材料的可能性，根据本发明的热交换器的整个构造也可以更加灵活。通过省去钎焊工艺，也可以省去迄今为止存在的助熔剂残留物的去除。此外，通过层压将粘合剂层涂覆至管构成了成本有效且同时在质量上具有高价值的制造工艺。一般来说，以下进一步的优点可以通过根据本发明的方法实现：
-增加了粘性连接区域的强度，
-粘合剂层触摸干燥，无低粘度粘合系统，
-粘合剂由于其材料特性而同时具有柔韧性，
-消除了在不同温度水平下在连接处产生的导致连接过早失效的应力集中，
-省去了表面预处理，并因此省去了迄今为止所需的附加工作步骤，
-在粘合期间，甚至在粘合之后，还使管与相关联的管板彼此至少稍微对准的可能性，
-省去了昂贵的钎焊材料，
-省去了迄今为止预处理所需的溶剂。
一般来说，所有类型的热交换器，例如Cossacs、蒸发器、发动机散热器、冷凝器、增压空气冷却器、冷冻器、油冷却器、加热元件、PTC辅助加热器、翅片式热交换器等，都可以通过根据本发明的方法来制造。
粘合剂层的加热优选地导致粘合剂层的形状变化和/或结构变化，这允许和/或有利于管或管板的连接。例如，粘合剂层的这种变化是粘合剂层的软化和/或熔化和/或膨胀和/或硬化。组件之间借助于粘合剂层的连接优选地在加热然后冷却粘合剂层之后达到稳定的状态。特别是当粘合剂层固化时就是这种情况。
此外，管与管板借助于热粘合的连接还具有这样优点，即，当需要时，它们可以简单地和/或没有粘合剂层残留地彼此分开。这有利地通过粘合剂层再次被加热的事实而发生，其中粘合剂层以这种方式被加热，使得粘合剂层可以与组件中的至少一个分离。由此特别可能的是，在其使用寿命到期之后，将热交换器简单且整齐地并且根据类型分解成其各个部分，从而更好地再循环所述热交换器。
粘合剂层具有至少一个粘合装置，为了固化，该粘合装置需要80℃与400℃之间的温度，以便连接相关联的连接区域。这种粘合装置的例子是Makrofol□、Bayfol□、Kleberit 701.1-701.9等。粘合剂层有利地具有具有热塑性的粘合剂。也就是说，粘合剂可以在粘合剂特定的温度以上变形，该粘合剂特定的温度优选地对应于加热粘合剂层以连接组件期间的温度。
根据本发明的用于将管连接至管板的方法还使得有可能必须仅在相对短的时间内加热粘合剂层。特别地，借助于根据本发明的方法，可以加热粘合剂层少于10分钟。加热粘合剂层的这种短的持续时间导致能量消耗的降低，因此热交换器可以以成本有效且环境友好的方式制造。这种短的所需加热持续时间尤其通过适当选择粘合剂层和/或粘合剂层的层厚度来实现。
优选地使用具有相对小的层厚度的粘合剂层。根据本发明的方法允许使用具有5μm或更小的层厚度的粘合剂层。特别地，使用层厚度在5μm与500μm之间的粘合剂层。
为了改进组件(管和管板)之间的连接和/或为了实现组件相对于彼此的期望的相对定位，组件以接触压力彼此压靠。还可以设想的是，在组件的加热期间和/或之后将组件彼此压靠。接触压力在此可以任意地大或小。在此，接触压力的极限是根据这样的事实设置的，即首先是接触压力旨在导致插入管板的开口中的管壁部分与开口的壁的改进连接，其次是不希望造成对组件的不期望损坏。在此，该方法优选地以这种方式构造，即为此目的使用0.1N/mm2与0.7N/mm2之间的接触压力。
在优选的变形中，接触压力是通过被推入管中的膨胀心轴而产生的，其中接触压力是通过管的膨胀(expansion，扩展)来实现的。其中膨胀心轴还用于加热粘合剂层的改进是特别优选的。也就是说，膨胀心轴可以被加热，并且因此在将膨胀心轴推入相关联的管中之后或期间，粘合剂层被加热并且同时实现接触压力。因此，组件的连接仅通过几个方法步骤并且尽可能简单且有效地实现，特别是在减少的时间内。
粘合剂层也可以以任何其他方式加热。例如，可以在炉中加热粘合剂层。在炉中加热粘合剂层尤其可以执行用于在炉中生产热交换器的其他方法步骤。
为了改进粘性连接和/或为了缩短建立粘性连接所需的时间，粘合剂层可以在加热之后冷却。该冷却可以以任何方式实现。例如，冷却可以通过这样的事实实现，即粘合剂层的加热是时间受限的。冷却还可以通过被引导或布置在具有降低的温度的环境中的组件来主动地发生。粘合剂层的特定冷却也可以通过这样的事实来进行，即使冷却装置与组件或粘合剂层接触。
根据本发明的热交换器及其制造方法的优点在于更简单且更成本有效的设计。通过这种方法，如通常在粘合剂粘合中已知的那样，具有不同热膨胀系数和腐蚀电位的各种各样的材料可以彼此连接，同时具有极其薄的层厚度。对于电子冷却，例如，作为用于电子组件的钎焊或烧结的功能表面的铜材料需要进行多次处理。但是，用现有的钎焊炉不能进行这种处理，因为由加工过的铜导致的杂质对铝部件造成腐蚀。由于薄的粘合剂层，确保了高导热性，这同样是很有利的。此外，还确保了通常仅在焊接或钎焊组件的情况下产生的所需的高紧密性。借助于粘合剂层/粘合剂片，粘合比例如环氧树脂或硅树脂粘合剂显著地更加成本有效。以珠粒形式涂覆粘合剂将需要比所需的更多的材料量。这因此节省了材料、资源，并因此节省了成本。此外，由于粘合剂的加工不需要任何机器(泵、喷嘴、阀门)，仅将组件压在一起，所以粘合剂的加工被大大地简化。此外，更快速且更简单的部件处理是节约的；尤其是不需要炉中几个小时的固化时间来进行交联。所层压的粘合剂层在相应的加热装置下仅需要约3分钟来粘合各个部件，所述装置在所述的时间内施加压力。
本发明的其他重要特征和优点从从属权利要求、附图以及参考附图的相关联的附图描述显现。
不言而喻，上述特征以及还将在下文中解释的特征不仅可以在所述的各个组合中使用，而且还可以以其他组合或其本身使用，而不脱离本发明的范围。
附图说明
本发明的优选示例性实施方案在附图中示出，并且在以下描述中更详细地说明，其中相同的附图标记指示相同或相似或功能相同的组件。
在附图中，在各种情况下，示意性地，
图1示出了根据本发明的热交换器在插入管板中的管的区域中的截面图，
图2示出了如图1中的视图，但是是略有修改的实施方案。
具体实施方式
根据图1和图2，根据本发明的热交换器1具有多个管2，在每幅图中仅示出了多个管中的单个管。在此，管2在纵向端侧上固定在集热器5的管板4的相关联开口3中。根据本发明，现在通过粘合剂片7或粘合剂膜8的层压而将粘合剂层6涂覆至管2的外侧。在此将管2的纵向端侧管壁部分9插入管板4上的相关联开口3中，其中管2的管壁部分9以这种方式弯曲，使得所述管壁部分抵靠相关联开口3的非平行壁10定位。加热粘合剂层6，以将管壁部分9粘合至开口3的壁10。在此以复数形式提到开口3是由于根据图1和图2仅示出了具有单个开口3的管板4的仅一个切口。
粘合剂层6在此具有5μm与500μm之间的层厚度d，因此在此涂覆得极其薄，由此首先真正提供了有效的电绝缘。电绝缘在此是很有利的，特别是在电偶腐蚀方面，因为其在此开辟了由与管板4不同的金属形成管2或多个管2的可能性。如果选择用于管2的材料具有与管板4完全不同的热膨胀系数，则可以增加粘合剂层6的层厚度d，因此可以允许相对移动性。
热交换器1实际上可以在任何实施方案中实现，例如作为蒸发器、发动机散热器、冷凝器、冷冻器、增压空气冷却器、油冷却器、加热元件、PTC辅助加热器、翅片式管热交换器等。
根据本发明的热交换器1是首先通过粘合剂片7或粘合剂膜8的层压而将先前描述和提及的粘合剂层6涂覆至管2的外侧而制造的。随后将管2的纵向端侧管壁部分9插入管板4上的相应的相关联开口3中，其中管2的管壁部分9以这种方式弯曲，例如以直角膨胀或弯曲，使得所述管壁部分抵靠相关联开口3的非平行壁10定位。如果发生这种情况，则加热粘合剂层6，特别是通常加热至80℃与400℃之间的温度，以将管壁部分9粘合至开口3的壁10。
粘合剂层6在此被加热相对较短的时间，特别是少于10分钟，通常仅有2-3分钟，其中与先前的钎焊相比，能够在周期时间方面具有显著的优点。为了能够实现尽可能稳定的连接以及管壁部分9与开口3的壁10的粘合，在粘合期间，管壁部分9以0.1N/mm2与0.7N/mm2之间的接触压力压靠开口3的相关联的壁10。例如，如果管壁部分9通过被推入相应的管2或待膨胀的相应的管壁部分9的膨胀心轴11而膨胀(参见图2)，则可以产生所述的接触压力。所述膨胀心轴11可以配备有加热装置，由此还可以用于加热粘合剂层6。一般来说，粘合剂层6当然也可以被加热并因此在热交换器1被完全放置在其中的炉中被激活。
进一步看图1和图2，可以看到，翅片结构12(例如波状翅片)通过粘合剂层6粘合至管2的外侧，其中所述翅片结构12旨在带来增加的热传输表面并因此带来改进的热传递。
为了能够进一步减少用于制造根据本发明的热交换器1的周期时间，还可以设置成粘合剂层6在粘合之后被冷却，因此减少了固化时间。
通过根据本发明的制造方法，特别是根据本发明通过层压所涂覆的粘合剂层6，粘合剂的加工可以显著简化，因为不再需要在粘合之后必须以相应的复杂方式清洁的机器(泵、喷嘴、阀)。由于可以有利地通过例如能加热的膨胀心轴11来辅助的粘合剂层6的比较快速的固化时间，例如仅仅1-20分钟，周期时间也可以显著减少，此外，实现了高度自动化。与钎焊相比，开口3的壁10不必预先通过PER去除油污，由此不再需要对环境有害的溶剂PER。
通过根据本发明的方法以及根据本发明的热交换器1，可以实现以下优点：
-粘合剂层触摸干燥，无低粘度粘合系统，
-增加了管部分9与开口3的壁10之间的粘合处的强度，粘合剂由于其材料特性而同时具有柔韧性，消除了在不同温度水平的情况下在连接处产生的导致连接过早失效的应力集中，
-省去了复杂且昂贵的表面预处理，
-在粘合期间，甚至在一些情况下在粘合之后，可以使管2相对于管板4对准，
-通过不导电粘合剂层6防止电偶腐蚀，
-省去了清除助熔剂残留物的清洁工作，
-省去了昂贵的钎焊，
-由于非常薄的粘合剂层6而降低了资源上的支出，
-各种材料的组合是可能的，
-避开迄今为止钎焊所需的昂贵的铝合金。

Claims (12)

1.一种用于制造热交换器(1)的方法，所述热交换器包括在纵向端侧上固定在集热器(5)的管板(4)的相关联开口(3)中的管(2)，
其特征在于，
a)通过粘合剂片(7)或粘合剂膜(8)的层压而将粘合剂层(6)涂覆至所述管(2)的外侧，
b)将所述管(2)的纵向端侧管壁部分(9)插入所述管板(4)上的相应的相关联开口(3)中，其中，所述管(2)的管壁部分(9)以这种方式弯曲，使得它们抵靠所述相关联开口(3)的非平行壁(10)布置，
c)加热所述粘合剂层(6)，以将所述管壁部分(9)粘合至所述开口(3)的壁(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述粘合剂层(6)在步骤c)中被加热至80℃与400℃之间的温度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述粘合剂层(6)在步骤c)中被加热少于10分钟。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，
其特征在于，
在所述粘合期间，所述管壁部分(9)以0.1N/mm2与0.7N/mm2之间的接触压力压靠在所述开口(3)的所述相关联的壁(10)上。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
所述接触压力是通过被推入相应的管(2)或其管壁部分(10)的膨胀心轴(11)而产生的，和/或
所述管(2)的纵向端侧管壁部分(9)是通过被推入相应的管(2)或其管壁部分(9)的膨胀心轴(11)而变形的。
6.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
所述膨胀心轴(11)还用于加热所述粘合剂层(6)。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，
其特征在于，
所述粘合剂层(6)在炉中加热，和/或
所述粘合剂层(6)在步骤c)之后冷却。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，
其特征在于，
所述粘合剂层(6)以5μm与500μm之间的层厚度(d)涂覆。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，
其特征在于，
翅片结构(12)通过所述粘合剂层(6)粘合至所述管(2)的外侧。
10.一种热交换器(1)，所述热交换器包括在纵向端侧上固定在集热器(5)的管板(4)的相关联开口(3)中的管(2)，所述热交换器是根据权利要求1至9中的任一项所述的方法制造的。
11.根据权利要求10所述的热交换器，
其特征在于，
所述粘合剂层(6)具有5μm与500μm之间的层厚度(d)。
12.根据权利要求10或11所述的热交换器，
其特征在于，
所述管(2)和所述管板(4)是由不同材料制造的。
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