CN112296616B - 用于制造板式热交换器的方法以及板式热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造板式热交换器的方法。在此提供由金属材料制成的两个板(1、2)，所述两个板置于贴靠中，将焊料设置在所述两个板之间。将所述两个板加热到第一温度T1。将所述两个板放入模具(6)中，所述模具的型面(9)具有用于设定的通道结构的型腔(10)。在通过模具以压力加载的情况下通过至少一个板的局部的内压技术的成形构成通道结构。将所述两个板加热到第二温度T2。将所述两个板在处于贴靠中的表面处钎焊技术地连接。本发明还涉及一种板式热交换器，其具有由金属材料制成的两个板，在至少一个板中形成通道结构并且所述两个板在通道结构旁边钎焊技术地相互连接，在焊料层中形成具有最长尺寸小于50微米的共晶组织结构。

Description

用于制造板式热交换器的方法以及板式热交换器
技术领域
本发明涉及一种用于制造板式热交换器的方法以及一种板式热交换器。
背景技术
例如使用板式热交换器，以便对在机动车中用于电能的存储单元调温。在此已知，利用大面积的板式热交换器对所有设置给容器的存储单元调温。也已知，对存储单元的各个模块调温。尤其是存储单元应该在运行中或在充电时冷却。
此外，在许多其他的技术领域中可使用板式热交换器并且因此具有广泛的尺寸范围。
由DE 10 2010 051 106A1已知一种板式热交换器，其包括两个由铝制成的板元件。在板元件中成形有隆起，所述隆起相互形成至少一个冷却通道。所述板元件此后焊接技术地相互连接。该制造方法使得需要单独的成形模具。此外，焊接是耗费并且昂贵的方法，此外随着尺寸增大而焊缝的长度也增大。热量输入对于材料的强度也是不利的。
在DE 10 2014 219 812 A1中公开一种方法，其中在两个金属板之间设置分离装置，以便限定通道结构。金属板在滚动接合方法中不可脱开地相互连接。随后，对借助分离装置处理的区域充气，以便构成通道结构。但在滚动接合中，尺寸稳定性随着板尺寸增大而下降。此外，对于金属板的可行的材料副的选择受限制。
最后还已知，在板式热交换器的制造中将两个板相互钎焊。DE 2012 009 148 B4公开一种由两个金属层组成的构件，其中至少一个成型，从而在所述两个层之间形成空腔，以便在其中输送介质。所述两个层也可以钎焊技术地相互连接。通常的是，在炉中实施所述钎焊，构件输送通过所述炉。除了炉之外，也出现成形模具和用于在炉中的构件的特别的固定架，这引起高的投资成本。此外，钎焊过程持续一至两个小时，这伴随着长的生产周期。该长时间持续的热加载此外具有缺点，即，在较高强度的铝合金中出现镁分离物，这削弱钎焊连接。借此这些材料对于板式热交换器不可使用。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种方法，该方法能够实现具有长的使用寿命的板式热交换器的低成本的、高尺寸稳定的并且在材料方面灵活的制造。此外，本发明的任务是，提供一种板式热交换器，该板式热交换器能以低成本并且在材料方面灵活的方式制造以及具有长的使用寿命。
本发明涉及用于制造板式热交换器的方法，该方法具有如下步骤：
·提供两个由金属材料制成的板，其中，所述板置于贴靠中，其中，焊料设置在所述板之间，
·将所述板加热到第一温度，
·将所述板放入模具中，所述模具的型面具有用于设定的通道结构的型腔，
·在通过所述模具以压力加载的情况下通过至少一个板的局部的内压技术的成形构成所述通道结构，
·将所述板加热到第二温度。
·将所述板在处于贴靠中的表面上钎焊技术地连接。
所述板连同在这些板之间设置的焊料一起首先加热到第一温度。该第一温度选择为使得虽然所述板中的至少一个板的材料能更容易地成形，但焊料还未熔化。优选地，第一温度为200℃至550℃、特别优选为300℃至350℃。
在内压技术的成形中，介质在高的压力下引导到所述板之间。在型腔的区域中，所述板的材料可以变形并且施加到型腔的内表面上，由此得出空心的通道结构，而在型腔旁边的区域中，所述板全表面地保持在贴靠中。同时，所述板相对于彼此保持在其位置中。所述方法通过能复制地在模具中形成精确的通道结构以有利的方式实现高尺寸稳定的板式热交换器。
内压技术的成形优选借助惰性的气体、例如氮气进行。在此，所述气体可被预热。
在形成通道结构时，也可将提高刚度的凸缘(Sicken)引入板式热交换器中，所述凸缘不与通道结构处于流体连接中。
所述板接着加热到第二温度，在所述第二温度时，焊料熔化并且在处于贴靠中的面上产生钎焊连接。借此实现所述板之间的稳定的连接。有利地，第二温度为550℃至650℃、优选600℃至615℃。
优选地，所述板在其设有焊料的区域中均匀地加热到第二温度，其中在板上的温度跨度ΔT为小于50K、优选小于10K。
本发明的一种有利设计设置，所述模具能被加热并且在模具中进行到第一温度的加热。板的加热借助热传导进行，这实现板的特别顺利的加热。此外，可利用内压技术的成形直接在达到第一温度时开始。因此，可实现缩短生产周期并且节省用于加热和用于运输板的附加的装置。
此外，有利的是，在通过模具以压力加载的情况下也在该模具中进行板的钎焊技术的连接。这意味着，板在内压技术的成形之后优选保留在该模具中并且进一步加热到第二温度。由于与模具直接的接触，这也在非常短的时间中发生。在这里也有利的是，所述板不可移开地相对于彼此支撑，从而不再可能发生相对于彼此翘曲或移动。这也实现在该板式热交换器中的高的尺寸稳定性。
所述方法的总持续时间为数分钟，这显著短于直至多个小时的在钎焊炉中的通常的停留持续时间。
所述模具优选被预热。尤其是预热到550℃至700℃的温度、优选预热到600℃至650℃的温度、特别优选预热到615℃至625℃的温度。在板放入预热的模具之后，直接进行板和焊料材料的加热，模具的温度越高，则所述加热越快速地进行。这也有助于生产周期的减少。
在本发明的一种有利设计中设置，相邻于型面的型腔和/或环绕模具地设置密封凸缘(Abdichtsicken)，以便在内压技术的成形中对产生的通道结构密封。借此所述板局部地以高的压力相互挤压，从而内压技术的成形在型腔的区域中精确并且高尺寸稳定地进行。
有利地，一个板设置作为基板、另一个板设置作为成形板并且在所述成形板中产生所述通道结构。这意味着，这两个板中的仅一个板被内压技术成形并且所述模具仅仅在一个模具部件中具有为此所需要的型腔。这减少了用于提供模具的花费。此外可实现，为基板分派附加的功能，例如作为底板保护板材(Bodenschutzblech)。
优选地，基板具有0.5至5毫米、优选1至2毫米的厚度。
优选地，成形板具有0.2至2毫米、优选0.8至1毫米的厚度。
板的厚度也依赖于所使用的材料、例如具体的合金和/或预处理和其特性。
本发明的另一种有利的实施方式设置，所述板由铝合金制成、优选高强度的铝合金制成。在此，各个板可由不同的合金制成。这可以是典型地在钎焊技术的方法中使用的合金、例如3000系列、例如3003或3005的合金。但也可以是5000系列的合金。6000和7000系列的合金一般认为难以焊接，因为在到钎焊温度的一般缓慢的加热期间，镁分离物在表面上形成。然而，按照本发明的方法能够实现在秒或数分钟的范围中对板的非常迅速的加热，相反于在常规的炉钎焊过程中的直至多个小时。这意味着，很大程度上也可以避免镁分离物。借此通过按照本发明的方法也考虑用于在板式热交换器中使用如下铝合金，所述铝合金通常不可以使用。最高强度的铝合金再次能够实现板式热交换器可承担的附加功能，例如作为结构构件。
优选地，这两个板之一设有镀覆的(plattierten)焊料层。这简化了板的处理并且避免了施加焊料的附加工作步骤。
有利地，所述板这样设置，使得镀焊料的板在上方设置在模具中。在钎焊过程期间，至下方的板的扩散过程可重力辅助地进行并且有助于较稳定的连接。
此外，在至少一个所述板中形成接头开口。这可以例如通过冲压、切割或另外的方法进行。接头开口用于接纳接头元件，通过所述接头元件，之后导入或导出冷却介质。
此外，将接头元件设置在该接头开口上或中。优选地，该接头元件设置在所述接头开口上或中。特别优选地，所述接头元件以焊环和/或焊膏设置在接头开口中。这样在接头元件和所属的板之间的连接可与板的钎焊技术的连接同时进行。
此外，本发明的一种特别的设计设置，将用于内压技术的成形的介质通过接头开口引入。因此不需要附加的接头用于引入用于内压技术的成形用的介质。利用用于导入或导出冷却介质本来存在的接头。
有利地，在按照本发明的方法中使用如下模具，所述模具的型面设有涂层，以便阻止板的粘附。在此，可以例如是由陶瓷或其他的适合材料制成的涂层。
与此共同地或替代地，可设置，在板和模具的型面之间设置分离措施，以便阻止板的粘附。所述分离措施可以例如是合适的流体，所述流体施加到板或模具的型面上。替代地，可以是放入在板和模具之间的膜片板材。替代地，可以是耐磨板材，该耐磨板材也可脱开地固定在模具中。
优选设置，在内压技术的成形中，通过模具施加第一压力，并且在板的钎焊技术的连接中，通过模具施加第二压力，其中，第一压力高于第二压力。在成形中，所述板以较高的压力加载，以便将所述板相对于彼此固定并且生成相对于引入的用于内压成形介质的反压力并且以便密封通道结构，以便取得高的尺寸稳定性。此后所加载的压力减小，这伴随着上升的温度，因为高的温度有利于粘附。通过减小的压力，减少在板中的法向应力，所述法向应力是板材料在模具上粘附的一个原因。
可通过有弹性地支撑的模具实现和辅助这样的压力变化。在使用有弹性地支撑的模具时，也可影响加热过程，其方式为通过压紧力的变化改变在模具和板之间的传热。
在所述板的钎焊技术的连接之后，所述板再次冷却。所述冷却可以通过以冷却介质的加载在模具中进行或在从模具中取出之后进行。替代地，板式热交换器也可以运送到冷却模具或冷却架中。所述或其他方法步骤的组合也是可行的。
尤其是，用于内压技术的成形的介质可以用于冷却或用于辅助冷却过程。如果所述介质是惰性的气体、例如氮气，则产生阻止氧化层形成的附加优点。此外，该冷却例如较均匀地进行并且减少板的可由于内应力引起的变形。
优选地，在钎焊技术的连接和焊料固化之间的冷却时间段短于60秒、优选短于20秒、特别优选短于10秒。该短的冷却时间实现，在焊料层中形成具有最长尺寸小于50微米的共晶组织结构(eutektische Gefügestrukturen)。在常规的方法中，这些组织显著较粗粒状并且形成具有200微米或更大的长度的长形的针形的结构。产生这些结构，是因为在常规的钎焊方法、例如炉钎焊中，冷却可以持续数十分钟并且所述结构在该时间中发展。但细粒的组织实现，钎焊连接显著更稳定和更抗疲劳。尤其是在处于贴靠中的板和通道结构之间的过渡区域中，形成细粒的组织并且阻止板在该在运行中强烈加载的区域中过早的裂纹和裂开。由此，按照本发明的板式热交换器的使用寿命显著提高。
此外优选地，在冷却之后不到72小时之内，接着在温度140℃至250℃中在20分钟至24小时、优选20分钟至8小时、特别优选20分钟至2小时的时间间隔中进行热处理。以有利的方式，可这样在使用高强度和最高强度的铝合金时改善板式热交换器的强度特性。
此外，本发明涉及一种板式热交换器，该板式热交换器具有两个由金属材料制成的板，其中，在至少一个板中形成通道结构并且所述板在通道结构旁边钎焊技术地相互连接，其特征在于，在焊料层中形成具有最长尺寸小于50微米的共晶组织结构。该板式热交换器通过按照本发明的方法制造。如以上已经阐释的，这样的组织实现这两个板的持久稳定的连接和因此实现具有高的使用寿命的抗疲劳的板式热交换器。
优选地，在从处于贴靠中的板至通道结构的过渡区域中的焊料积聚部中形成该共晶组织结构。当冷却介质引导通过通道结构时，该区域在运行中经受特别高的负载。因此，在该位置处形成所述组织实现针对在该敏感区域中的裂纹和裂开而言的改善的抵抗性。
该板式热交换器优选内压技术地制造。关于对此的优点，为了避免重复，参阅上文阐释的内容。同样适用于以下示出的特征。
此外，有利地，一个板是基板并且一个板是成形板，在所述成形板中形成所述通道结构。
基板在此优选具有0.5至5毫米、优选1至2毫米的厚度。
成形板优选具有0.2至2毫米、优选0.8至1毫米的厚度。
此外，在该板式热交换器的一种优选的实施形式中，至少一个所述板在大于100MPa、优选大于140MPa、特别优选大于160MPa的拉伸试验中具有屈服极限Rp0.2。
附图说明
附图中：
图1示出用于按照本发明的方法的实施例；
图2示出按照本发明的方法的时间-温度-图表；
图3示出在按照本发明的板式热交换器的焊料层中的组织结构的示图。
具体实施方式
在图1和2中示意性示出按照本发明的用于制造板式热交换器的方法以及与此相关的温度变化过程。首先，提供基板1和成形板2。在此涉及由3000系列的铝合金(例如具有标志3003、3005、3903或3905的合金)制成的板。基板1的厚度在这里为1.3毫米至2毫米。成形板2的厚度为0.5毫米至1.5毫米。成形板2以焊料镀覆。在基板1中产生接头开口3。接头元件4连同焊环5一起设置在接头开口3处。
基板1和成形板2置于贴靠中并且放入预热的模具6中。模具6在此预热到大约630℃的温度。模具6具有上模7和下模8。在上模7的型面9中引入型腔10，所述型腔对应于要制造的板式热交换器的设定的通道结构。下模8具有用于接头元件4的接纳开口11。用于内压技术的成形的介质14的输送通道12与接纳开口11连接。
然后模具6闭合。这对应于在图2中的图表的时刻t0。在模具6中提供的热量传输到板1、2上，所述板因此被加热。
在时刻t1达到设置的第一温度T1，在所述第一温度开始内压技术的成形。具体的时刻依赖于模具6的温度以及板1、2的材料和厚度。在板1、2由铝制成的情况下，由于其好的热传导特性，在t0和t1之间的时间段仅仅为数秒。第一温度T1在该实施例中为300℃至350℃。
用于内压技术的成形，介质14、优选惰性的气体(如氮气)在压力下引导通过输送通道12、接头元件4和板1、2之间的接头开口3。在此，成形板2变形，直至该成形板与上模7的型面9形成贴靠。模具6也以第一压力p1对板1、2加载，以便抵抗介质14的内压力并且以便对产生的通道结构密封。相邻于型面9的型腔10设置有密封凸缘13，所述密封凸缘确保：仅在型腔10的区域中发生所述成形过程。因此确保高的尺寸稳定性和成形精度。
当成形过程结束时(时刻t2)，板1、2进一步加热。在大约560℃时，在该示例的方法流程中，焊料开始熔化。在时刻t3达到第二温度T2。用于加热需要的时间段再次依赖于所使用的材料。第二温度T2在这里为600℃至615℃、优选大约610℃。板1、2的钎焊技术的连接在以热量和通过模具6以第二压力p2加载的情况下开始。在此，板1、2的全表面地处于贴靠中的区域材料锁合地连接。同时，接头元件4通过焊环5材料锁合地与基板1连接。
第二压力p2小于第一压力p1，以便抑制铝板1、2在模具6上的可能的粘附。为此目的，上模7和/或下模8具有弹簧支座。
在时刻t4，钎焊技术的连接结束。此后，相互连接的板1、2再次冷却至室温(时刻t6)。为此，板式热交换器15从模具6中取出并且运送到冷却模具中或存放在冷却架中。
尤其是用于内压技术的成形的介质可以用于冷却或用于辅助冷却过程。在使用氮气作为惰性的介质时，产生附加的优点，即，阻止氧化层的形成。此外，冷却稍微更均匀地进行并且减少板的可能由于内应力引起的变形。
可选地，可以与此同时或在此之后进行另外的热处理步骤。
在时刻t5焊料固化。在t4和t5之间的时间段优选非常短并且为仅仅数分钟或甚至数秒。直到焊料固化的短的冷却时间实现：在焊料层中构成具有最长尺寸小于50微米的共晶组织结构。
图3将两个显微照片对比示出。在左边的图中，示出在通道结构和处于贴靠中的板1、2之间的过渡区域中的焊料积聚部，所述板可在图平面中在所述图右边找到。该钎焊连接在常规的炉钎焊过程中借助长的冷却时间产生。构成细长或针状的共晶组织结构，并且具有200微米和更大的长度尺寸。
与此相对，在右边的图中示出利用按照本发明的方法产生的焊料层。在暗的区域中，构成对应的共晶组织结构。这些共晶组织结构比在左边的图中细粒得多，其具有小于50微米的长度尺寸。所述细粒的组织实现：该钎焊连接显著更加稳定和更加抗疲劳。这在通道结构和焊接区域之间的过渡区域中尤其是重要的，因为在运行中在那里出现高的负载，所述负载可导致这两个板1、2的裂纹和裂开。
附图标记列表
1 基板
2 成形板
3 接头开口
4 接头元件
5 焊环
6 模具
7 上模
8 下模
9 7的型面
10 型腔
11 接纳开口
12 输送通道
13 密封凸缘
14 介质
15 板式热交换器
p1 第一压力
p2 第二压力
T1 第一温度
T2 第二温度
t0 时刻
t1 时刻
t2 时刻
t3 时刻
t4 时刻
t5 时刻
t6 时刻

Claims (36)

1.用于制造板式热交换器(15)的方法，该方法具有如下步骤：
·提供由金属材料制成的两个板(1、2)，其中，所述两个板(1、2)置于贴靠中，其中，将焊料设置在所述两个板(1、2)之间，
·将所述两个板(1、2)加热到第一温度T1，
·将所述两个板(1、2)放入模具(6)中，所述模具的型面(9)具有用于设定的通道结构的型腔(10)，
·在通过所述模具(6)以压力加载的情况下通过至少一个板的局部的内压技术的成形构成通道结构，
·将所述两个板(1、2)加热到第二温度T2，
·将所述两个板(1、2)在处于贴靠中的表面处进行钎焊技术的连接。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具(6)能被加热并且在所述模具(6)中进行到第一温度T1的加热。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在通过所述模具(6)以压力加载的情况下也在所述模具(6)中进行所述两个板(1、2)的钎焊技术的连接。
4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述模具(6)进行预热。
5.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述模具(6)预热到550℃至700℃的温度。
6.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述模具(6)预热到600℃至650℃的温度。
7.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述模具(6)预热到615℃至625℃的温度。
8.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一温度T1为200℃至550℃。
9.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一温度T1为300℃至350℃。
10.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第二温度T2为550℃至650℃。
11.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第二温度T2为600℃至615℃。
12.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，相邻于所述型面(9)的型腔(10)和/或环绕模具地设置密封凸缘(13)，以便在内压技术的成形时对所产生的通道结构进行密封。
13.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将一个板(1)设置作为基板、将另一个板(2)设置作为成形板并且在所述成形板中产生所述通道结构。
14.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述两个板(1、2)由铝合金制成。
15.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述两个板(1、2)由高强度的铝合金制成。
16.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述两个板(1、2)之一设有镀覆的焊料层。
17.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在至少一个所述板(1、2)中形成接头开口(3)。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，将接头元件(4)设置在该接头开口(3)上或设置在该接头开口中。
19.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，通过所述接头开口(3)引入用于内压技术的成形的介质(14)。
20.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用如下模具(6)，所述模具的型面(9)设有涂层，以便阻止所述两个板(1、2)的粘附。
21.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述两个板(1、2)和所述模具(6)的型面(9)之间设置分离措施，以便阻止所述两个板(1、2)的粘附。
22.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在内压技术的成形中，通过所述模具(6)施加第一压力p1，并且在所述两个板(1、2)的钎焊技术的连接中，通过所述模具(6)施加第二压力p2，其中，第一压力p1高于第二压力p2。
23.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在钎焊技术的连接和焊料固化之间的冷却时间段短于60秒。
24.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在钎焊技术的连接和焊料固化之间的冷却时间段短于20秒。
25.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在钎焊技术的连接和焊料固化之间的冷却时间段短于10秒。
26.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述两个板(1、2)的钎焊技术的连接之后，将所述两个板在少于60秒的时间中冷却到低于200℃的温度。
27.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述两个板(1、2)的钎焊技术的连接之后，将所述两个板在少于20秒的时间中冷却到低于200℃的温度。
28.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述两个板(1、2)的钎焊技术的连接之后，将所述两个板在少于10秒的时间中冷却到低于200℃的温度。
29.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述两个板(1、2)的钎焊技术的连接之后，将所述两个板在少于60秒的时间中冷却到低于60℃的温度。
30.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述两个板(1、2)的钎焊技术的连接之后，将所述两个板在少于20秒的时间中冷却到低于60℃的温度。
31.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述两个板(1、2)的钎焊技术的连接之后，将所述两个板在少于10秒的时间中冷却到低于60℃的温度。
32.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在冷却之后不到72小时之内，接着在140℃至250℃的温度中在20分钟至24小时的时间段中进行热处理。
33.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在冷却之后不到72小时之内，接着在140℃至250℃的温度中在20分钟至8小时的时间段中进行热处理。
34.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在冷却之后不到72小时之内，接着在140℃至250℃的温度中在20分钟至2小时的时间段中进行热处理。
35.板式热交换器(15)，该板式热交换器具有由金属材料制成的两个板(1、2)，其中，在至少一个板中形成通道结构并且所述两个板(1、2)在所述通道结构旁边钎焊技术地相互连接，其特征在于，该板式热交换器通过按照权利要求1至34之一所述的方法制造，其中，在焊料层中形成具有最长尺寸小于50微米的共晶组织结构。
36.按照权利要求35所述的板式热交换器(15)，其特征在于，在从处于贴靠中的两个板(1、2)至所述通道结构的过渡区域中的焊料积聚部中形成所述共晶组织结构。
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