DE10152623A1 - Plattenwärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers aus einer Vielzahl von Platten und eventuell Distanzelementen aus einem lötbaren Material, durch Aufbringen von Bändern aus Lötlegierung auf die zu verlötenden Bereiche und Colaminieren vor dem Verlöten.

Description

Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher, die durch Verbindung von gelöteten Platten hergestellt werden.

Verdampfer/Kondensatoren für Lufttrennanlagen werden seit Jahrzehnten ge­ wöhnlich aus miteinander verlöteten Platten aus Aluminium oder einer Alumi­ niumlegierung hergestellt. Sie können auch aus Kupfer, Nickel, rostfreiem Stahl oder aus jedem anderen lötbaren Metall hergestellt werden. Diese Aus­ tauscher bestehen im allgemeinen aus zwei oder mehr Kreisen, die durch die Form der Platten und eventuell Distanzelemente zwischen den Platten, wie z. B. Wärmeaustauschwellen, definiert sind. Die verschiedenen Kreise für die Fluide sind mit der übrigen Anlage durch ein System von Rohren verbunden, die an den Austauscher geschweißt sind.

Der Auftrag des Materials zur Bildung der Lötstelle erfolgt herkömmlich durch Aufbringen von Pulver, Drähten oder Bändern auf den zu lötenden Bereichen des Austauschers. Dieser Auftrag kann entweder auf den Platten des Austau­ schers oder auf den Wärmeaustauschwellen erfolgen. Wegen der Anzahl und der Länge der zu verlötenden Bereiche ist der Auftrag des Lötmaterials sehr kostspielig und wenig zuverlässig. Bei Pulvern stellt sich das Problem ihrer Verteilung auf dem Lötbereich. Außerdem sind die für die Lötstelle verwende­ ten Materialien oft Edelmetalllegierungen, die zum Beispiel Silber in großen Mengen enthalten. Da diese Legierungen sehr teuer sind, sollte die Menge der verwendeten Lötlegierung so weit als möglich reduziert werden können, ohne deswegen die Qualität der Lötung zu beeinträchtigen, die insbesondere von der Gleichmäßigkeit der Dicke des Auftrags der Legierung abhängt.

Unter diesem Gesichtspunkt ist das Aufbringen der Lötlegierung in Form von Bändern insofern interessant, als deren Dicke gut beherrschbar ist. Nach dem Aufbringen auf den zu lötenden Bereich können diese Bänder jedoch Wellen und Falten bilden, die die Güte der Lötung ungewiss machen.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von gelöteten Platten­ wärmeaustauschern zu schaffen, bei dem das Lot in Form von Bändern auf­ gebracht wird und das eine bessere Zuverlässigkeit als die derzeit angewen­ deten Verfahren dieses Typs aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Plattenwär­ meaustauschers, aus einer Vielzahl von Platten und eventuell Distanzelemen­ ten aus einem lötbaren Material, die Fluidkreise begrenzen und miteinander verlötet sind, wobei die Lötung nach dem Aufbringen von Bändern aus Lötle­ gierung auf die zu lötenden Bereiche stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder und die zu lötenden Bereiche vor dem Löten colaminiert wer­ den.

Bevorzugt sind die zu lötenden Bereiche aus Kupfer, und die Bänder sind aus einer Legierung auf Kupferbasis, mit mindestens einem Element aus der Gruppe Silber, Arsen, Mangan, Zinn, Phosphor, Silizium, Beryllium, Tellur, Nickel.

Die Bänder weisen nach dem gemeinsamen Walzen vorzugsweise eine Dicke zwischen 10 und 100 µm auf.

Das Colaminieren kann einen Warmwalzschritt der Bänder auf die zu lötenden Bereiche und ggf. einen anschließenden Kaltwalzschritt umfassen.

Das Material der zu lötenden Bereiche und das Material der Bänder können in diesem Fall vorzugsweise Mischkristalle bilden.

Insbesondere können die zu lötenden Bereiche aus Kupfer oder einer Kupfer­ legierung sein, und die Bänder können aus Silber oder einer Legierung auf Silberbasis sein.

Das Colaminieren kann auch aus einem Kaltwalzen der Bänder auf die zu lö­ tenden Bereiche bestehen.

In diesem Fall können die zu verlötenden Bereiche aus Kupfer oder Kupferle­ gierung sein, und die Bänder können aus mindestens einem der Elemente aus der Gruppe Arsen, Mangan, Zinn, Phosphor, Silizium, Beryllium, Tellur, Nickel zusammengesetzt sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann das aufeinanderfolgende Aufbringen von mindestens zwei Bändern aus Lötmaterial auf die zu lötenden Bereiche umfassen, wobei das Colaminieren nach dem Aufbringen des letzten Bandes durchgeführt wird.

Nach dem Aufbringen von mindestens einem der Bänder, mit Ausnahme des letzten, kann ein Colaminieren als Zwischenschritt durchgeführt werden. Vor dem Verlöten kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, um eine Diffusion zwischen den Bändern zu erzielen.

Vor dem Colaminieren kann auch ein pulverförmiges Material zwischen die Platten aus lötbarem Material und die Bänder und/oder die nacheinander auf­ gebrachten Bänder eingebracht werden.

Gegenstand der Erfindung ist des weiteren ein Plattenwärmeaustauscher, um­ fassend eine Vielzahl von Platten und eventuell Distanzelemente aus einem lötbaren Material, die Kreise zu Umlauf von Fluiden begrenzen und durch Lö­ ten miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass er durch das obige Verfahren hergestellt werden kann.

Die Erfindung besteht also im Kern darin, vor dem eigentlichen Lötvorgang das aufgebrachte Band oder die Bänder auf die zu lötenden Bereiche aufzuwal­ zen. Auf diese Weise erhält man eine Lötmaterialschicht, deren Dicke voll­ kommen gleichmäßig ist und die überall auf dem zu lötenden Bereich zufrie­ denstellend haftet. Dadurch wird die Qualität der Lötstelle sowie die verwende­ te Menge an Lötmaterial optimiert.

Vorzugsweise werden die Lötmaterialbänder auf die Platten des Austauschers aufgebracht. Ein Aufbringen auf die Wärmeaustauschwellen, die die Austau­ scher enthalten können, kommt in Betracht, muss jedoch auf beiden Seiten der Wellen und vor ihrer Formung stattfinden. Deshalb sind größere Mengen an Lötmaterial als beim Aufbringen auf die Platten erforderlich, und das Auf­ tragen ist komplexer.

Als Material für die Platten des Austauschers ist Kupfer zu bevorzugen (insbe­ sondere, wenn es weichgeglüht oder getempert ist), doch die anderen lötbaren Metalle mit guter Wärmeleitfähigkeit, die üblicherweise zu diesem Zweck ver­ wendet werden, wie zum Beispiel Aluminium, Nickel oder rostfreier Stahl, kön­ nen ebenfalls eingesetzt werden.

Als Lötmaterial können Silber, Arsen, Kupfer, Mangan, Nickel, Zinn, Phosphor, Silizium, Beryllium oder Tellur verwendet werden. Die Lötmaterialbänder kön­ nen aus einem dieser Elemente in praktisch reinem Zustand oder aus einer Legierung aus zwei oder mehreren dieser Elemente bestehen.

Wenn man ein Lötmaterial herstellen möchte, das mehrere der obengenann­ ten Elemente enthält, kann man auf dem Lötbereich eine einzige Folie abla­ gern, die selbst die gewünschte Zusammensetzung aufweist. Es ist jedoch auch möglich, nacheinander und übereinander mindestens zwei Bänder mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufzubringen, wobei das gemeinsame Walzen nach dem Aufbringen des letzten Bandes stattfindet. Als Variante kann man zusätzlich zum abschließenden Colaminieren nach dem Aufbringen von mindestens einer der Folien, mit Ausnahme der letzten, einen oder mehrere Zwischenwalzvorgänge durchführen.

Wenn das Lötmaterial in mehreren aufeinandergelagerten Schichten aufge­ bracht wird, kann nach dem Colaminieren und vor der Erzeugung der Lötstelle eine Wärmebehandlung vorgenommen werden, mit der erreicht werden soll, dass die Elemente, aus denen die Bänder bestehen, teilweise oder ganz von einem zum anderen diffundieren, um vor der Herstellung der Lötstelle ein ho­ mogeneres Lötmaterial zu erhalten. Wenn die Erfahrung jedoch zeigt, dass ohne eine derartige Wärmebehandlung eine Lötstelle von ausreichender Qualität erzielt wird, kann jedoch das Verlöten direkt nach dem Zusammenwalzen durchgeführt werden.

Das Colaminieren kann in Form eines Warmwalzens, ggf. gefolgt von einem Kaltwalzen, erfolgen, oder es kann nur durch ein Kaltwalzen erfolgen. Jeder dieser Walzvorgänge kann in einem oder mehreren Stichen durchgeführt wer­ den, wobei dies von der Art der eingesetzten Materialien, ihrer Dicke urad den Merkmalen des Walzwerks, insbesondere von den Kräften, die dieses auf die Materialien ausüben kann, abhängt.

Das Warmwalzen weist den Vorteil auf, dass es einen Teil der zum Colaminie­ ren nötigen Energie in thermischer Form statt in mechanischer Form liefert, weshalb zum Erzielen einer bestimmten Dickenreduktion ein Walzwerk ver­ wendet werden kann, das weniger mechanisch Kräfte aufbringt als ein Kaltwalzwerk. Die Erwärmung birgt jedoch die Gefahr, dass die Unterschiede im Verhalten der verschiedenen Materialien übertrieben betont werden und die Verbindungsgüte daher nicht optimal wird.

Ganz allgemein gesprochen, ist das Colaminieren durch Warmwalzen (und ggf. anschließendes Kaltwalzen) gut für die Materialien geeignet, die Misch­ kristalle bilden können. Dies gilt vor allem für Kupfer und Silber, für deren Ver­ lötung die Erfindung sich besonders gut eignet. Da Silber und seine Legierun­ gen teure Lötmaterialien sind, ist es von besonderem Vorteil, dass die ver­ wendete Menge durch das erfindungsgemäße Verfahren minimiert wird.

Die Materialien, die keine Mischkristalle bilden, werden vorzugsweise nur durch Kaltwalzen colaminiert. Dies ist zum Beispiel bei Kupfer und Zinn, Kup­ fer und Phosphor usw. der Fall.

Nach der Durchführung des Paketwalzens oder Colaminierens und der even­ tuellen Wärmebehandlung sowie dem Zusammensetzen des Austauschers wird die Lötung durchgeführt, indem der Austauscher in einen Ofen verbracht wird, der ihn auf eine Temperatur bringt, die für die Herstellung der Lötstelle geeignet ist, wie dies bereits bekannt ist.

Zum Beispiel können eine Grundplatte aus Kupfer mit einer Stärke von 10 mm auf diese unter Bildung eines Sandwichs aufgebrachte Nickelbänder von je 1 mm Stärke bei einer Temperatur zwischen 56 und 700°C colaminiert wer­ den. Durch diesen einzigen Warmwalzschritt erhält man eine Platte mit einer Stärke von 1,2 mm, die lötfertig ist.

Ein weiteres Beispiel ist das Colaminieren einer Grundplatte aus weichgeglüh­ tem Kupfer mit einer Stärke von 2 µm und 2 Bändern einer Tu-Ni-Sn-P- Legierung mit einer Stärke von 0,15 µm ebenfalls in Sandwichanordnung. Durch Colaminieren, in diesem Fall durch Kaltwalzen bei Umgehungstempera­ tur, erhält man eine lötfertige Platte mit einer Stärke von 0,8 µm.

Erfindungsgemäß können auch die Grundplatte und Bänder aus lötbarem Ma­ terial zusammen mit einer Zwischenschicht aus dem pulverförmigen Material colaminiert werden. Letzteres wird bei der abschließenden Verlötung nach der Colaminierung in die weitere Zusammensetzung eindringen.

Gemäß dieser Verfahrensweise kann man z. B. auf eine Grundplatte aus weichgeglühtem Kupfer mit einer Stärke von 2 µm eine Schicht aus einem Ni­ ckel-Phosphor-Pulver mit einer Stärke von 70 µm aufbringen, anschließend ein Band aus einer Kupfer/Zinn-Legierung mit einer Stärke von 100 µm. Das gan­ ze wird bei Umgebungstemperatur colaminiert. Man erhält eine lötfertige Platte mit einer Stärke von 0,8 µm.

Bei Verwendung der Bänder aus Lötlegierung, die nacheinander auf die Grundplatte aufgebracht werden, kann das pulverförmige Material zwischen die Bänder eingebracht werden, und zwar zusätzlich oder anstelle des Auf­ bringens dieses Materials zwischen die Grundplatte und das erste Band.

Die Erfindung kann auf alle Typen von gelöteten Plattenwärmeaustauschern angewendet werden, unabhängig von ihrer Verwendung und ihren Abmes­ sungen, wobei die Verdampfer/Kondensatoren für Lufttrennanlagen nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sind.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers, umfassend eine Vielzahl von Platten und eventuell Distanzelemente aus einem lötbaren Material die Fluidkreise begrenzen und durch Löten miteinander verbun­ den sind, wobei die Lötung nach dem Aufbringen von Bändern aus Lotle­ gierung auf die zu lötenden Bereiche stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Löten ein Colaminieren der Bänder und der zu lötenden Be­ reiche durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu lötenden Bereiche aus Kupfer sind und dass die Bänder aus einer Legierung auf Kupferbasis sind, enthaltend mindestens ein Element aus der Silber, Arsen, Mangan, Zinn, Phosphor, Silizium, Beryllium, Tellur, Nickel, umfassenden Gruppe.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bän­ der nach dem Colaminieren eine Dicke zwischen 100 µm und 10 µm ha­ ben.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Colaminieren einen Schritt des Warmwalzens der Bänder auf die zu lötenden Bereiche und ggf. einen anschließenden Kaltwalzschritt um­ fasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der zu lötenden Bereiche und das Material der Bänder in der Lage sind, Mischkristalle zu bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu lötenden Bereiche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sind, und dass die Bänder aus Silber oder einer Legierung auf Silberbasis sind.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu lötenden Bereiche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sind, und dass die Bänder aus Nickel oder aus einer Legierung auf Nickelbasis sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Colaminieren aus einem Kaltwalzen der Bänder auf die zu löten­ den Bereiche besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu lötenden Bereiche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sind und die Bänder aus mindestens einem der folgenden Elemente, aus der Gruppe Arsen, Man­ gan, Zinn, Phosphor, Silizium, Beryllium, Tellur, Nickel, zusammengesetzt sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es das aufeinanderfolgende Aufbringen von mindestens zwei Bändern aus Lötmaterial auf die zu lötenden Bereiche umfasst, wobei das Colami­ nieren nach dem Aufbringen des letzten Bandes durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen von mindestens einem der Bänder, mit Ausnahme des letzten, ein Zwischen-Walzschritt durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bildung der Lötstelle eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, um ei­ ne Diffusion zwischen den Bändern zu erzielen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder auf die Platten des Austauschers aufgebracht werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Colaminieren ein pulverförmiges Material zwischen die Platte aus lötbarem Material und die Bänder und/oder zwischen die nach­ einander aufgebrachten Bänder einbringt.

15. Plattenwärmeaustauscher, umfassend eine Vielzahl von Platten und even­ tuell Distanzelemente aus einem lötbaren Material, die Fluidkreise begren­ zen und durch Löten miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass er durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 herge­ stellt werden kann.