DE102004041309A1

DE102004041309A1 - Manufacture of heat transmission block for a fuel cell with micro-structured panels soldered under pressure

Info

Publication number: DE102004041309A1
Application number: DE102004041309A
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich Dr.Rer.Nat. Angermann
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2006-03-02

Abstract

A fuel cell has a heat transmission layer which is fabricated by soldering a number of sheet metal microstructure panels into a compact block. In the process a series of panels are assembled, each sandwiched against the next by soldering layers of thickness 1 to 25 mm and then heated to melting point under high pressure and cooled. Also claimed is a commensurate fuel cell heat exchange block.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von mikrostrukturierten, metallischen Schichtblechen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Schichtblock eines Mikrowärmeübertragers oder -reaktors nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.The The invention relates to a method for soldering microstructured, Metallic laminations according to the preamble of claim 1 and a layer block of a micro heat exchanger or -reaktors after the preamble of claim 5.

Mikrowärmeübertrager oder so genannte Schichtwärmeübertrager sind bekannt und werden insbesondere für Brennstoffzellenantriebe benötigt. Ein Schichtwärmeübertrager besteht aus einem Stapel von miteinander verlöteten strukturierten Schichtblechen, welche aufgrund ihrer Strukturen Kanäle für Wärmetauschmedien bilden. Typische Abmessungen für die Strukturen der Schichtbleche, also Kanalhöhe, Kanalbreite, Stegbreite, Steghöhe bewegen sich im Bereich von Zehntelmillimetern, entsprechend gering sind die Wandstärken der Schichtbleche, welche vielfach aus Edelstahl hergestellt und mit Kupfer-, Nickel-, Silber-Loten oder anderen Lotlegierungen verlötet sind.Micro-heat exchangers or so-called layer heat exchangers are known and are used in particular for fuel cell drives needed. One Bed heat exchanger consists of a stack of structured laminated sheets soldered together, which form channels for heat exchange media due to their structures. typical Dimensions for the structures of the laminations, ie channel height, channel width, web width, Base height move in the range of tenths of a millimeter, correspondingly low are the wall thicknesses the laminations, which are often made of stainless steel and soldered with copper, nickel, silver solder or other solder alloys.

Ein Verfahren zum Löten von metallischen mikrostrukturierten Blechen für einen Mikrowärmeübertrager wurde durch die DE-C 198 01 374 bekannt, bei dem Lotschichtdicken im Bereich von 3 bis 25 μm zwischen den zu verlötenden Schichtblechen appliziert werden. Dabei wird die Lotschicht in Form einer Folie, Paste oder eines Pulvers oder galvanisch auf die zu fügenden Schichtbleche aufgebracht. Dadurch soll verhindert werden, dass durch ein zu hohes Lotangebot das Lot während des Lötvorganges tendenziell in die feinen Kanäle läuft und diese zu verstopfen droht oder so weit zusetzt, dass ein erhöhter Druckabfall für das Strömungsmedium die Folge ist. Problematisch ist, dass aufgrund des geringen Lotangebots, z. B. bei Verwendung von Ni-Basislot eine unvollständige Lötung erfolgt, was Festigkeitsnachteile für den Schichtblock in Folge fehlender Zugankerwirkung nach sich zieht und zur Folge hat, dass die Schichtbleche des zu verlötenden Stapels während des Lötprozesses nicht dicht und gleichmäßig aneinander liegen, sondern dass sich Spalte ergeben, die nicht mit Lot gefüllt werden und somit eine defekte Lötverbindung ergeben.One Method of soldering of metallic microstructured sheets for a micro heat exchanger was known from DE-C 198 01 374, in which Lotschichtdicken in the range of 3 to 25 μm between the one to be soldered Laminated sheets are applied. The solder layer is in shape a foil, paste or a powder or galvanic on the joining laminations applied. This is to prevent that by too high Lot offer the lot during the soldering process tends to be in the fine channels runs and this threatens to clog or so far clogs that an increased pressure drop for the flow medium The result is. The problem is that due to the low Lotangebots, z. B. incomplete soldering occurs when using Ni-Basislot, what strength disadvantages for pulls the layer block in consequence of missing tie rod effect and has the consequence that the laminations of the stack to be soldered during the soldering process not tight and even together lie, but that arise gaps that are not filled with solder and thus a defective solder joint result.

Durch die DE-A 198 25 102 wurde ein ähnliches Lötverfahren zur Herstellung eines kompakten katalytischen Reaktors, eines Mikroreaktors, bekannt, bei welchem in den durch die Schichtbleche gebildeten Kanälen zusätzlich ein katalytisches Material deponiert ist. Die Schichtbleche sind aus Metallfolien, vorzugsweise aus einem Chromnickelstahl mit einer Dicke im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm gebildet, und die Lotschichtdicken liegen im Bereich von 30 bis 100 μm bei Verwendung von Lotfolien und bei 10 – 40 μm bei Beschichtung mit Lot.By DE-A 198 25 102 was a similar soldering for the production of a compact catalytic reactor, a microreactor, in which in addition to the channels formed by the laminations Catalytic material is deposited. The laminations are off Metal foils, preferably of a chromium-nickel steel with a Thickness formed in the range of 0.3 to 0.5 mm, and the solder layer thicknesses are in the range of 30 to 100 microns when using Lotfolien and at 10 - 40 microns when coated with solder.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Schichtwärmeübertragers sowie ein Schichtwärmeübertrager wurden durch die DE-A 103 28 274 der Anmelderin bekannt. Nach dem Stapeln von strukturierten Platten zu einem Schichtblock wird dieser mechanisch fixiert und anschließend verlötet. Das Fixieren erfolgt durch Legen von Schweißnähten bzw. durch Anschweißen von Sammelkästen oder so genannten Stülpkästen. Die Kästen dienen als so genannte verlorene Lötvorrichtung. Nachteilig ist hier, dass es beim Anschweißen der Sammelkästen auf dem mit Lot versehenen Stapel aus Edelstahlplatten zu Rissen in solchen Schweißnähten kommen kann, die durch Verschweißung eines Sammelkastens mit einem Stapel beloteter Schichtbleche entstehen. In diesen Schweißnähten ist die Verwendung von Ni-Basis-Lot, ein Faktor, der die Ausbildung von so genannten Heißrissen begünstigt.One Another method for producing a Schichtwärmeübertragers as well as a layer heat exchanger were known from DE-A 103 28 274 of the applicant. After this Stacking structured sheets into a layer block becomes this mechanically fixed and then soldered. The fixing takes place by laying welds or by welding collection boxes or so-called Stülpkästen. The boxes serve as a so-called lost soldering device. The disadvantage is here that it is when welding the collection boxes on the soldered stack of stainless steel plates to cracks come in such welds can, by welding a collecting box with a pile of sheet piled sheet arise. In these welds is the use of Ni-base solder, a factor that causes the formation of so-called hot cracks favored.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches ein Löten mit dünnen Lotschichten, d. h. minimalem Lotverbrauch erlaubt und zu einer vollständigen, vakuumdichten Verlötung der Schichtbleche führt, ohne dass die Strukturen, insbesondere die Kanäle durch Lot verstopft werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schichtblock eines Mikrowärmeübertragers oder -reaktors der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher die vorgenannten Lotergebnisse, d. h. vollständige Verlötung bei freien Kanalquerschnitten aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die Neigung zu Rissen in den Schweißnähten zu minimieren.It Object of the present invention, a method of the initially specify type, which is a soldering with thin solder layers, d. H. minimal Lotverbrauch allowed and to a complete, vacuum-tight soldering the Laminates leads, without the structures, in particular the channels are clogged by solder. It is another object of the invention to provide a layer block of a micro heat exchanger or reactor of the type mentioned, which the aforementioned solder results, d. H. complete soldering with free channel cross sections having. Furthermore, it is an object of the invention to increase the inclination Cracks in the welds too minimize.

Diese Aufgabe wird zunächst durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden dünne Lotschichten im Bereich von 1 bis 25 μm, bevorzugt von 1 bis 20 μm und besonders bevorzugt von 1 bis 19 μm verwendet, und auf die Schichtbleche des fertigen Stapels wird während des Lötprozesses ein relativ hoher Druck zur Erzeugung einer hohen Pressung zwischen den Schichtblechen ausgeübt. Damit wird der Vorteil erreicht, dass sämtliche Schichtbleche im Bereich der Lötstellen bzw. Lotschichten gleichmäßig und spaltfrei aufeinander gepresst werden, sodass es auch bei den angegebenen dünnen Lotschichten und demzufolge geringem Lotangebot zu einer vollständigen Verlötung der Schichtbleche untereinander kommt. Damit werden einerseits die erforderliche Festigkeit des Schichtblockes in Folge Zugankerwirkung und andererseits eine gasdichte Trennung der einzelnen Kanäle gegeneinander erreicht. Andererseits dient das geringe Lotangebot dazu, ein Zulaufen der Kanäle zu verhindern. Durch die Verringerung der Menge an Lot wird – insbesondere im Falle von Ni-Lot – die Neigung zur Ausbildung von Rissen in den Schweißnähten reduziert. Weiterhin ist im Falle des bevorzugt verwendeten Ni-Basis-Lots das Lotmaterial recht teuer, sodass sich eine Verringerung der erforderlichen Lotschichtdicke günstig auf die Fertigungskosten auswirkt.This object is initially achieved by the features of claim 1. According to the invention, thin solder layers in the range from 1 to 25 .mu.m, preferably from 1 to 20 .mu.m and particularly preferably from 1 to 19 .mu.m are used, and a relatively high pressure is applied to the laminations of the finished stack during the soldering process to produce a high pressure between the laminations Laminated sheets exercised. Thus, the advantage is achieved that all laminations in the solder joints or solder layers are pressed uniformly and without gaps on each other, so that even with the specified thin solder layers and consequently low Lotangebot to complete soldering of the laminations with each other. Thus, on the one hand the required strength of the layer block as a result Zugankerwirkung and on the other hand, a gas-tight separation of the individual channels are achieved against each other. On the other hand, the low Lotangebot serves to prevent running of the channels. By reducing the amount of solder, especially in the case of Ni solder, the tendency to form cracks in the welds is reduced. Furthermore, in the case of the preferably used Ni-base solder, the solder material is quite expensive, so that a reduction of the required Lotschichtdicke has a favorable effect on the production costs.

Besonders günstig wirkt sich das angegebene Verfahren bei Loten aus, denen zur Erniedrigung der Schmelztemperatur des Basiselements schmelzpunkterniedrigende Elemente beigefügt sind. Ein bevorzugtes Beispiel sind die Ni-Lote (Ni = Basiselement). Ni-Lote enthalten schmelzpunkterniedrigen de Elemente wie Si, P und/oder B. Diese Elemente, insbesondere das Bor tendieren dazu, schon während der Lötphase, also in schmelzflüssigem Zustand des Lotes, aus dem flüssigen Lot in den Grundwerkstoff abzudiffundieren. Dadurch nimmt schon im schmelzflüssigen Zustand die Schmelztemperatur des Ni-Lotes und insbesondere auch die Menge des flüssigen Ni-Lotes ab. Dies kann zu einem Phänomen führen, das als isotherme Erstarrung bekannt ist, d. h. das Lot erstarrt schon während des Haltens auf Lottemperatur. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von konstant schmalen Spalten lässt sich auch mit dünnen Lotschichten, d. h. entsprechend geringerer Menge an flüssigem Lot eine vakuumdichte und mechanisch feste Fügung erzielen.Especially Cheap affects the specified method in Loten, which to lower the Melting temperature of the base element melting point-lowering elements enclosed are. A preferred example is the Ni solders (Ni = base element). Ni solders contain low melting point elements such as Si, P and / or B. These elements, in particular the boron tend to already during the soldering phase, so in molten Condition of the solder, from the liquid Diffuse solder into the base material. This already takes in the molten one State the melting temperature of the Ni solder and in particular also the amount of liquid Ni solder from. This can become a phenomenon lead that is known as isothermal solidification, d. H. the solder is already frozen while holding at solder temperature. By the method according to the invention for the generation of constantly narrow gaps, it is also possible to use thin layers of solder, d. H. correspondingly lower amount of liquid solder a vacuum-tight and mechanically fixed joint achieve.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck entweder durch eine Lötvorrichtung oder – in einer Weiterbildung der Erfindung – durch eine verlorene Lötvorrichtung in Form von angeschweißten Sammelkästen ausgeübt. Beispielhaft ist eine solche verlorene Lötvorrichtung in Form von so genannten Stülpkästen in der Offenlegungsschrift DE-A 103 28 274 beschrieben, die hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Die Stülpkästen werden unter Vorspannung der Schichtbleche angeschweißt und konservieren diese Spannung während des Lötprozesses, sodass eine Pressung zwischen den Schichtblechen während des Lötens aufrechterhalten wird.In Advantageous embodiment of the invention, the pressure is either by a soldering device or - in one Development of the invention - by a lost soldering device in the form of welded collection boxes exercised. By way of example, such a lost soldering device in the form of so-called Stülpkästen in the published patent application DE-A 103 28 274, which hereby included in the disclosure of the present application becomes. The Stülpkästen be welded under bias of the laminations and conserve this tension while the soldering process, so that a pressure between the laminations during the soldering is maintained.

In Weiterbildung der Erfindung können auch anders geformte, d. h. Nicht-Stülpkästen angeschweißt werden. Der Druck auf die Stapelbleche wird dann nicht durch das Aufstülpen der Kästen eingebracht, sondern durch einen Spannprozess nach den Verfahrensschritten a) und b) gemäß Anspruch 1 der Offenlegungsschrift DE 103 28 274 und vor dem Fixierprozess gemäß Verfahrensschritt c). Beim Spannen wird auf die Bleche eine geeignet hohe Kraft bzw. in Abhängigkeit der Blechgeometrie ein geeignet hoher Druck ausgeübt. Geeignet heißt, dass sich in Abhängigkeit der Blechgeometrie die Bleche unter dem Druck noch nicht verformen, der Druck aber groß genug ist, dass sich auch bei geringem Lotangebot eine feste und vakuumdichte Verbindung ausbilden kann. Der Fixierschritt c) kann entweder durch das Aufschweißen von Sammelkästen oder eines Rahmens stirnseitig auf den Blechstapel erfolgen oder durch Aufbringen mindestens einer Schweißnaht über den gesamten Blechstapel an geeigneter Stelle.In a further development of the invention, differently shaped, ie non-Stülpkästen can be welded. The pressure on the stacking sheets is then not introduced by the slipping of the boxes, but by a clamping process according to the method steps a) and b) according to claim 1 of the published patent application DE 103 28 274 and before the fixing process according to method step c). When clamping a suitably high force or depending on the sheet geometry is exerted a suitably high pressure on the sheets. Suitable means that, depending on the sheet geometry, the sheets do not deform under pressure, but the pressure is high enough that a firm and vacuum-tight connection can be formed even with a small amount of solder. The fixing step c) can be done either by the welding of headers or a frame on the front side of the stack of sheets or by applying at least one weld over the entire stack of sheets at a suitable location.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch die Merkmale des Patentanspruches 5 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schichtbleche eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen. Damit wird der Vorteil erreicht, dass bei der Ausübung des Druckes auf die Schichtbleche während des Lötprozesses keine Verformung der Schichtbleche auftritt, sondern dass die Schichtbleche mit ihren Lötstellen gleichmäßig und spaltfrei aufeinander gepresst werden. Die Spaltfreiheit gewährleistet, dass auch mit dem erfindungsgemäß geringen Lotangebot ein vakuumdichtes Teil erhalten werden kann. Die Biegesteifigkeit ist an den ausgeübten Druck angepasst, d. h. je höher der Anpressdruck, desto höher die Biegesteifigkeit. Letztere kann durch die bekannten Gesetze der Festigkeitslehre erreicht werden, d. h. durch Steigerung der Materialfestigkeit (hoher Elastizitätsmodul), durch eine Erhöhung der Materialdicke oder des Widerstandsmomentes, z. B. durch geeignete Strukturwahl.The The object of the invention is further characterized by the features of claim 5 solved. According to the invention, it is provided that the laminations have a high bending stiffness. In order to the advantage is achieved that when exerting pressure on the laminations while of the soldering process no deformation of the laminations occurs, but that the laminations with their solder joints evenly and be pressed against each other without gaps. Ensures the gap, that even with the invention low Lotangebot a vacuum-tight part can be obtained. The bending stiffness is exercised at the Pressure adjusted, d. H. the higher the Contact pressure, the higher the flexural rigidity. The latter can by known laws the strength theory are achieved, d. H. by increasing the Material strength (high modulus of elasticity), by increasing the Material thickness or resistance moment, z. B. by appropriate Structure choice.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bilden die Schichtbleche des Schichtblockes zwischen sich Kanäle mit einer Kanalhöhe im Bereich von 0,05 bis 1,0 mm, bevorzugt im Bereich von 0,6 mm, wobei diese Kanalhöhe entweder durch einseitig strukturierte oder zweiseitig strukturierte Schichtbleche realisierbar ist. Möglich ist auch die Aufteilung eines strukturierten Schichtbleches in mindestens zwei getrennte Bleche, wobei mindestens eines ein so genanntes Kanalblech ist, in dem durch Stanzen kostengünstig die Kanalstruktur dargestellt ist, und mindestens eines ein im allgemeinen vollflächiges Trennblech repräsentiert, das die Medien voneinander trennt. Die Lotschichten können sich wahlweise auf Kanal- oder Trennblech oder auf beiden befinden. Bevorzugt ist die Belotung des Trennbleches, da dann die Lotbeschichtung weniger durch einen Stanzprozess negativ mechanisch beeinflusst wird und zudem wegen der größeren beloteten Fläche mehr Lot zu Verfügung steht. Möglich sind natürlich auch noch andere Realisierungen einer Blechstruktur und Medientrennung, wie z. B. durch am Rand umgefalzte Bleche (Falzbleche), bekannt aus der Offenlegungsschrift DE-A 100 42 690 der Anmelderin.In Another advantageous embodiment of the invention form the laminations of the layer block between them channels with a channel height in the area from 0.05 to 1.0 mm, preferably in the range of 0.6 mm, these channel height either by one-sided structured or two-sided structured laminations is feasible. Possible is also the division of a structured laminated sheet in at least two separate sheets, at least one of which is a so-called channel plate is, in which by punching the channel structure is shown cost, and at least one represents a generally full-surface separating plate, that separates the media from each other. The solder layers can become optionally on channel or separating plate or on both. Prefers is the Belotung of the separating plate, because then the solder coating less is mechanically negatively influenced by a punching process and also because of the bigger ones area more solder available stands. Possible are natural also other realizations of a sheet metal structure and media separation, such as B. by folded over at the edge plates (folding plates), known from the published patent application DE-A 100 42 690 of the applicant.

Es soll betont werden, dass die Möglichkeit, mit dünnen Lotschichten zu löten, insbesondere für die Herstellung von Mikrostrukturen mit sehr kleiner Kanalhöhe von kleiner als 0,2 mm geeignet ist; dies deswegen, da der Kapillarfüllungsdruck dieser schmalen Kanäle sehr hoch ist und diese daher besonders leicht während des Lötprozesses tendenziell mit Lot teils oder ganz zulaufen.It should be emphasized that the opportunity with thin Solder solder layers, especially for the Production of microstructures with very small channel height of smaller is suitable as 0.2 mm; this is because of the capillary filling pressure these narrow channels is very high and therefore tends to be particularly easy during the soldering process Lot partly or completely.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die Schichtbleche bei einer Herstellung aus einem Edelstahlband eine Blechstärke im Bereich von 0,155 bis 1,4 mm auf. Bevorzugt ist eine Blechstärke von 0,8 mm. Dadurch wird bereits eine hinreichende Biegesteifigkeit der Schichtbleche erzielt.In a further advantageous embodiment of the invention, the laminations in a Her From a stainless steel strip a sheet thickness in the range of 0.155 to 1.4 mm. Preferred is a sheet thickness of 0.8 mm. As a result, a sufficient bending stiffness of the laminations is already achieved.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Schichtbleche zweiseitig strukturiert und weisen eine Bodendicke zwischen 0,05 mm und 0,40 mm auf. Bevorzugt ist eine Bodendicke von 0,20 bis 0,30 mm. Durch die senkrecht zueinander verlaufenden Strukturen bzw. Stege auf der Oberseite und der Unterseite eines Schichtbleches in Verbindung mit der minimalen Bodenwandstärke ergibt sich eine relativ hohe Biegesteifigkeit, insbesondere durch ein erhöhtes Widerstandsmoment.In Another advantageous embodiment of the invention are the laminations structured on two sides and have a floor thickness between 0.05 mm and 0.40 mm. Preferred is a floor thickness of 0.20 to 0.30 mm. Due to the perpendicular structures or Webs on the top and bottom of a laminar sheet in conjunction with the minimum bottom wall thickness results in a relative high bending stiffness, in particular by an increased resistance moment.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Schichtbleche zweiseitig strukturiert und weisen auf jeder Seite eine Strukturtiefe bzw. Steghöhe von mindestens 0,05 mm, bevorzugt etwa 0,3 mm auf, sodass bei der bevorzugten Blechdicke von 0,8 mm und der bevorzugten Steghöhe von etwa 0,3 mm ebenfalls eine Bodendicke im Bereich von 0,2 mm verbleibt. Beim Stapeln der zweiseitig strukturierten Schichtbleche entspricht die Strukturtiefe der halben Kanalhöhe – die Lotnaht zwischen zwei Schichtblechen liegt somit auf halber Kanalhöhe. Die Kanalhöhe eines Strömungskanals beträgt also 0,6 mm.To An advantageous development of the invention are the laminations structured on two sides and have a structure depth on each side Base height of at least 0.05 mm, preferably about 0.3 mm, so that in the preferred sheet thickness of 0.8 mm and the preferred web height of about 0.3 mm also a bottom thickness in the range of 0.2 mm remains. When stacking the two-sided structured laminations corresponds the structure depth of the half channel height - the solder seam between two Laminated sheets thus lie at half the height of the channel. The channel height of a flow channel is so 0.6 mm.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die beidseitig strukturierten Schichtbleche auf jeder Seite jeweils zwei Randstreifen auf, die eine Höhe von etwa 0,5 mm aufweisen, d. h. bei einer Strukturtiefe von ca. 0,3 mm. Durch die durchgehenden Randstreifen ergibt sich der Vorteil eines erhöhten Widerstandsmomentes, d. h. einer höheren Biegesteifigkeit, insbesondere, wenn die Struktur keine durchgehenden Stege, sondern unterbrochene Stege aufweist.In further advantageous embodiment of the invention, the two sides structured laminations on each side two edge strips on that one height of about 0.5 mm, d. H. at a structure depth of approx. 0.3 mm. Through the continuous edge strips, there is the advantage of a increased Resistance moment, d. H. a higher bending stiffness, in particular, if the structure is not continuous webs but interrupted Has webs.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigenembodiments The invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below. Show it

1 ein einseitig strukturiertes Schichtblech mit durchgehenden Stegen, 1 one-sided structured laminated sheet with continuous webs,

2 ein zweiseitig strukturiertes Schichtblech mit Randstreifen und 2 a two-sided structured laminated sheet with edge strips and

2a eine Einzelheit X aus 2. 2a a detail X out 2 ,

1 zeigt ein einseitig strukturiertes Schichtblech 1, welches zum Erzeugen eines Schichtblockes für Mikrowärmeübertrager oder Mikro-Reaktoren verwendet wird. Das Schichtblech 1 weist eine glatte Unterseite 1a und eine strukturierte Oberseite 1b auf, auf welcher durchgehende Stege 2 und Kanäle 3 angeordnet sind. Das Schichtblech 1 ist aus einem Edelstahlband hergestellt und weist eine Blechstärke s von ca. 0,8 mm auf. Das Schichtblech 1 weist ferner einen durchgehenden Boden 4 mit einer Bodendicke d auf, welche mindestens 0,05 mm betragen soll. Die Stege 2 weisen eine Höhe h auf, welche der Kanalhöhe h eines Strömungskanals des fertigen Stapels entspricht, d. h. für den Fall, dass eine glatte, unstrukturierte Seite auf die strukturierte Seite mit den Stegen 2 gelegt wird. Die Kanalhöhe h, die der Strukturtiefe des Schichtbleches 1 entspricht, kann bei einer Blechstärke von ca. s = 0,8 mm zwischen 0,3 und 0,6 gewählt werden. 1 shows a one-sided structured laminated sheet 1 , which is used to produce a layer block for micro heat exchangers or micro reactors. The laminated sheet 1 has a smooth bottom 1a and a textured top 1b on, on which continuous webs 2 and channels 3 are arranged. The laminated sheet 1 is made of a stainless steel strip and has a plate thickness s of about 0.8 mm. The laminated sheet 1 also has a continuous floor 4 with a bottom thickness d, which should be at least 0.05 mm. The bridges 2 have a height h, which corresponds to the channel height h of a flow channel of the finished stack, ie in the event that a smooth, unstructured side on the structured side with the webs 2 is placed. The channel height h, the structure depth of the laminated sheet 1 corresponds, between 0.3 and 0.6 can be selected with a plate thickness of approx. s = 0.8 mm.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines zweiseitig strukturierten Schichtbleches 5 mit einer Oberseite 5a und einer Unterseite 5b. Die Oberseite 5a weist zwei erhabene Randstreifen 6, 7, sowie parallel zu den Randstreifen 6, 7 in Reihen angeordnete Strukturelemente 8 auf, welche erhabene Stegabschnitte bilden. Das Wärmetauschmedium durchströmt die durch die Strukturelemente 8 gebildeten Kanäle somit im Wesentlichen in Richtung der Pfeile P, wobei eine Querströmung infolge der unterbrochenen Stege 8 ebenfalls stattfindet. Auf der Unterseite 5b ist eine entsprechende Struktur, allerdings um 90 Grad um die Hochachse gedreht angeordnet, d. h. mit zwei durchgehenden unteren Randleisten 10, 11. 2 shows a further embodiment of the invention in the form of a two-sided structured laminated sheet 5 with a top 5a and a bottom 5b , The top 5a has two raised edge strips 6 . 7 , as well as parallel to the edge strips 6 . 7 arranged in rows structural elements 8th on which form raised web sections. The heat exchange medium flows through the through the structural elements 8th thus formed channels substantially in the direction of the arrows P, wherein a transverse flow due to the interrupted webs 8th also takes place. On the bottom 5b is a corresponding structure, but arranged rotated by 90 degrees around the vertical axis, ie with two continuous lower edge strips 10 . 11 ,

2a zeigt eine Einzelheit X aus 2, d. h. einen Eckbereich des Schichtbleches 5. Auf der Unterseite 5b des Schichtbleches 5 sind Stegabschnitte 12, gestrichelt dargestellt, senkrecht zu den Stegabschnitten 8 auf der Oberseite 5a angeordnet. Die Randleiste 11 auf der Unterseite 5b verläuft somit senkrecht zur Randleiste 7 auf der Oberseite 5a. Die Randleisten werden jeweils mit einer benachbarten Randleiste eines weiteren Schichtbleches verlötet und schließen damit die inneren Strömungskanäle nach außen ab. Das Schichtblech 5, welches vorzugsweise aus einem Edelstahlband hergestellt ist, hat folgende bevorzugten Abmessungen: Die Halbzeugdicke des Edelstahlbandes beträgt 0,8 mm; diese entspricht dem Maß s im Eckbereich des Schichtbleches 1 (vgl. 1). Die vier Randstreifen weisen jeweils eine durchgehende Dicke von H = 0,5 mm auf, unterbrochen von Stegabschnitten 8 bzw. 12, die die Dicke der Randstreifen lokal auf 0,8 mm erhöhen. Die Breite der Randstreifen beträgt 2,0 mm. Die Stegabschnitte 8 auf der Oberseite 5a und 12 auf der Unterseite 5b weisen jeweils eine Strukturtiefe auf, die einer halben Kanalhöhe h/2 von 0,3 mm entspricht. Somit ergibt sich beim Aufeinanderschichten von derartigen Schichtblechen 5 eine Gesamtkanalhöhe h von 0,6 mm. Die Breite der Stegabschnitte 8, 12 ist 1,0 mm. Die Bodendicke (d entsprechend 1), d. h. der Bereich des Schichtbleches 5 zwischen den Stegabschnitten 8 bzw. 12 beträgt demzufolge 0,2 mm. 2a shows a detail X from 2 ie a corner region of the laminated sheet 5 , On the bottom 5b of the laminated sheet 5 are footbridge sections 12 , shown in dashed lines, perpendicular to the web sections 8th on the top 5a arranged. The sidebar 11 on the bottom 5b thus runs perpendicular to the sidebar 7 on the top 5a , The edge strips are each soldered to an adjacent edge strip of a further laminated sheet and thus close the inner flow channels to the outside. The laminated sheet 5 , which is preferably made of a stainless steel strip, has the following preferred dimensions: The semifinished product thickness of the stainless steel strip is 0.8 mm; this corresponds to the dimension s in the corner region of the laminated sheet 1 (see. 1 ). The four edge strips each have a continuous thickness of H = 0.5 mm, interrupted by web sections 8th respectively. 12 which increase the thickness of the edge strips locally to 0.8 mm. The width of the edge strips is 2.0 mm. The bridge sections 8th on the top 5a and 12 on the bottom 5b each have a structural depth that corresponds to a half channel height h / 2 of 0.3 mm. Thus results in the stacking of such laminations 5 a total channel height h of 0.6 mm. The width of the web sections 8th . 12 is 1.0 mm. The bottom thickness (d accordingly 1 ), ie the area of the laminated sheet 5 between the web sections 8th respectively. 12 is therefore 0.2 mm.

Die bei der Verlötung (Hochtemperatur- und Hartlöten) der erfindungsgemäßen Schichtbleche verwendeten Lote entsprechen im Wesentlichen dem Stand der Technik: es handelt sich um Au- und Au-Basislegierungen, Ag- und Ag-Basislegierungen, Co- und Co-Basislegierungen, Cu und Cu-Basislegierungen und insbesondere Ni-Basislegierungen. Letztere können als Lotfolien mit einer Dicke zwischen 20 und 25 μm zwischen die Fügestellen eingelegt werden. Es wird als untere Grenze der Lotfoliendicke 20 μm genannt, da dies nach heutigem Stand der Technik die geeignete prozesssichere, darstellbare Lotfoliendicke ist. Sollte zukünftig diese untere Grenze sinken, steht dem Einsatz einer dünneren Lotfolie mit der erfindungsgemä ßen Technologie nichts im Wege. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch, dass Löcher (so genannte pin holes), die in sehr dünnen Lotfolien unter Umständen enthalten sind, die Qualität der gelöteten Wärmeübertrager nicht reduzieren. Anstelle von Folien sind auch eine galvanische Lotbeschichtung oder chemisch aufgebrachte Lotlegierungen möglich. Repräsentativ sind die kommerziell verwendeten Legierungen Ni11P (Ni106), (Ni107) und Ni25Cr10P. Galvanisch oder chemisch aufgebrachte Lotschichten haben gegenüber Lotfolien den Vorteil, dass sie in noch dünneren Schichtstärken aufgebracht werden können. Damit ergibt sich ein geringerer Lotverbrauch, und es können Wärmeübertrager mit noch kleineren Kanalhöhen realisiert werden. Außerdem ist das kontinuierliche Beloten eines Edelstahlbleches über chemisches Vernickeln sehr kostengünstig. Die Verwendung von Ni-Lot aus einer NiP-Legierung hat den weiteren Vorteil, dass aufgrund der relativ niedrigen Löttemperatur von im Wesentlichen kleiner oder gleich 1070°Celsius für eine Serienfertigung kostengünstig in einem Durchlaufofen statt in einer Vakuumanlage gelötet werden kann. Die Lotschichten können auch in mehreren Schichten aufgebracht werden, z. B. als chemisch aufgebrachte Grundierschicht aus einer NiP-Legierung und einer galvanisch aufgebrachten Deckschicht aus Cr mit einer Gesamtschichtdicke von 1 bis 25 μm.The in the soldering (High temperature and brazing) used the laminated sheets according to the invention Solder essentially correspond to the state of the art: it acts Au and Au base alloys, Ag and Ag base alloys, Co and Co base alloys, Cu and Cu base alloys and in particular Ni-base alloys. The latter can be used as solder foils with a Thickness between 20 and 25 μm between the joints be inserted. It is called the lower limit of Lotfoliendicke 20 microns, since, according to the current state of the art, this is the appropriate process-reliable, is pliable solder foil thickness. Should this lower limit sink in the future, is the use of a thinner solder foil nothing with the inventive technology Shen in the way. An advantage of the method according to the invention is also that holes (so-called pin holes), which may be contained in very thin solder foils are, the quality the soldered Heat exchanger do not reduce. Instead of films are also a galvanic Solder coating or chemically applied solder alloys possible. Representative are the commercially used alloys Ni11P (Ni106), (Ni107) and Ni25Cr10P. Galvanically or chemically applied solder layers have opposite Lotfolien the advantage that it applied in even thinner layers thicknesses can be. This results in a lower solder consumption, and it can heat exchangers with even smaller channel heights will be realized. Furthermore is the continuous soldering of a stainless steel sheet over chemical Nickel plating very cost-effective. The use of Ni solder from a NiP alloy has the other Advantage that due to the relatively low soldering temperature of substantially less than or equal to 1070 ° Celsius for one Serial production cost-effective be soldered in a continuous furnace instead of in a vacuum system can. The solder layers can be applied in several layers, for. B. as chemical applied primer layer of a NiP alloy and a galvanically applied Cover layer of Cr with a total layer thickness of 1 to 25 microns.

Um die Lotschichtdicke weiter zu verringern, kann auch alternierend nur jedes zweite Blech mit einer chemisch und/oder galvanisch aufgebrachten Lotschicht versehen sein, anstatt jedes Blech mit der Lotschicht zu überziehen. Die Lotnahtdicke wird dadurch nochmals halbiert.Around To further reduce the solder layer thickness can also be alternating only every second sheet with a chemically and / or galvanically applied solder layer Be provided instead of covering each sheet with the solder layer. The lotile thickness is thereby halved again.

Die Herstellung des Schichtblockes bzw. des Mikrowärmeübertragers erfolgt zunächst durch Stapeln der erfindungsgemäßen Schichtbleche, zwischen denen Lot deponiert wird, zu einem Schichtblock. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Schichtbleche durch Druckausübung von oben und unten auf den Stapel zusammengepresst und dann – unter Beibehaltung der Anpressung – durch Schweißnähte fixiert. Insbesondere erfolgt diese Fixierung durch Anschweißen von Stülpkästen oder allgemeiner Sammelkästen gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 103 28 274 der Anmelderin – wie bereits erwähnt, wird der Inhalt dieser Offenle gungsschrift vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen. Mit den angeschweißten Stülpkästen oder Sammelkästen wird der Schichtblock in einen Lötofen verbracht und dort auf Löttemperatur erwärmt. Dabei konservieren die Stülpkästen/Sammelkästen die aufgebrachte Vorspannung, d. h. die Pressung zwischen den Schichtblechen. Dies gewährleistet eine gleichmäßige und vollständige Verlötung sämtlicher Fügestellen zwischen den einzelnen Schichtblechen. Die Stülpkästen/Sammelkästen werden als verlorene Lötvorrichtung bezeichnet, weil sie als Lötvorrichtung nicht wieder verwendbar sind, sondern als Sammel- bzw. Verteilerkästen des Mikrowärmeübertragers fungieren.The Production of the layer block or the micro heat exchanger takes place first Stacking the laminations according to the invention, between which solder is deposited, to a layer block. After a preferred embodiment the invention, the laminations by pressure of compressed on the top and bottom of the stack and then - under Maintaining the contact pressure - through Fixed welds. In particular, this fixation is done by welding Stülpkästen or general collection boxes according to the German Published patent application 103 28 274 of the applicant - as already mentioned, is The content of this publication is fully in the disclosure included in the present application. With the welded cuff boxes or collection boxes the layer block becomes a soldering oven spent there and soldering temperature heated. The coverts / collection boxes preserve the applied bias, d. H. the pressure between the laminations. This ensures a uniform and full soldering all joints between the individual laminations. The Stülpkästen / collecting boxes are as a lost soldering device because they are not used as a soldering device are reusable, but as a collection or distribution boxes of the Micro heat exchanger act.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben: Beidseitig strukturierte quadratische Schichtbleche mit einer Randleistenlänge von 51,0 mm werden in einer Kassettiervorrichtung übereinander gestapelt. Die Bleche weisen eine Bodendicke d von 0,2 mm auf. Die Halbzeugdicke betrug 0,8 mm. Die Breite der Randstreifen und der Stege ist 2,0 bzw. 1,0 mm. Die Bleche sind mit einer Lotschicht, bestehend aus einer chemisch aufgebrachten, 5 μm starken Schicht aus Ni10P und einer galvanisch aufgebrachten, 1 μm dicken Cr-Lage, versehen. Komplettiert ist das Paket mit je einer 5 mm dikken Boden- und Deckabschlussplatte. Nach dem Stapeln wird das Paket mit einer Kraft von 10.000 N, entsprechend einer Gewichtsbelastung von 1.000 kg, vorgespannt. Eine solche Kraft wird bevorzugt für die bei dem verwendeten Blech sich ergebende über dem Blechstapel vorliegende durchgehende Pressfläche von 44 mm² verwendet. Bei Kräften über 50 KN würden sich die Bleche verformen, bei Presskräften unter 1 KN wäre das Zusammenpressen der Bleche nicht ausreichend. Nach dem Vorspannen werden die Sammelkästen mittels Laserschweißen an den Blechstapel angefügt. Somit ist die Vorspannung im Blechstapel fixiert (konserviert). Der Wärmeübertrager wird anschließend im Vakuum bei 1070°Celsius mit einer Haltezeit von 15 Min. auf Löttemperatur zu einer vakuumdichten und mechanisch festen Komponente verlötet. Der gelötete Wärmeübertrager weist im Helium-Lecktest eine Leckrate von kleiner als 1,0 × 10^–7 × mbar × l × s^–1 auf. Eine sonst übliche Gewichtsauflage oder irgendeine anders geartete in-situ-Spannung des Teils ist wegen des Einfrierens der Vorspannung im Teil im Allgemeinen nicht nötig.An exemplary embodiment is described below: Double-sided structured square laminated sheets having a peripheral strip length of 51.0 mm are stacked on top of one another in a cassette-type stacking device. The sheets have a bottom thickness d of 0.2 mm. The semifinished product thickness was 0.8 mm. The width of the edge strips and the webs is 2.0 or 1.0 mm. The sheets are provided with a solder layer, consisting of a chemically applied, 5 micron thick layer of Ni10P and a galvanically applied, 1 micron thick Cr layer. The package is completed with a 5 mm thick bottom and cover plate. After stacking, the package is preloaded with a force of 10,000 N, corresponding to a weight load of 1,000 kg. Such a force is preferably used for the continuous pressing surface of 44 mm ² which is present over the sheet stack in the case of the sheet used. At forces above 50 KN, the sheets would deform, with pressing forces below 1 KN, the compression of the sheets would not be sufficient. After tempering, the headers are attached to the sheet stack by laser welding. Thus, the bias in the sheet stack is fixed (conserved). The heat exchanger is then soldered in a vacuum at 1070 ° C with a holding time of 15 min. To soldering temperature to a vacuum-tight and mechanically strong component. The brazed heat exchanger has a leak rate of less than 1.0 × 10 ^-7 × mbar × 1 × s ^-1 in the helium leak test. An otherwise common weight bearing or other type of in situ tension of the part is generally unnecessary because of the freezing of the bias in the part.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist nur jedes zweite Blech mit einer 5 μm Ni10P und einer 1 μm Cr-Lage versehen. Die wirksame Lotschichtdicke ist gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel nochmals auf 5 μm halbiert. Mit den gleichen, im ersten Ausführungsbeispiel genannten Parametern und dem gleichen Verfahren erhält man auch hier eine vakuumdichte und mechanisch feste Wärmeübertragerkomponente.In another embodiment, only every other sheet is provided with a 5 micron Ni10P and a 1 micron Cr layer. The effective solder layer thickness is again halved compared to the first embodiment to 5 microns. With the same, In the first embodiment mentioned parameters and the same method is also obtained here a vacuum-tight and mechanically fixed heat exchanger component.

Claims

Method for soldering preferably microstructured, metallic laminations to a compact layer block in particular a micro heat exchanger or a micro-reactor, wherein first a stack of laminations and solder layers disposed between the laminations and have a layer thickness of 1 to 25 microns, produced and then soldered, characterized characterized in that the soldering of the stack using pressure in the vertical direction the laminations for generating a high pressure between the Laminated sheets and solder layers takes place.

Method according to claim 1, characterized in that that the pressure is generated by a soldering device becomes.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the pressure is introduced after stacking the laminations and then through a lost soldering device in the form of headers welded to the stack or Frame, in particular according to patent application 103 28 274 is held.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the pressure is introduced after stacking the laminations and then by attaching at least one weld at the front suitable place over the laminations, in particular according to patent application 103rd 28 274 is held.

Layer block, in particular for a micro heat exchanger or reactor, consisting of laminations connected to one another by soldering ( 1 . 5 ), in particular produced according to the method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the laminations ( 1 . 5 ) have a high flexural rigidity.

Layer block according to claim 5, characterized in that the laminations ( 1 . 5 ) are structured on one or two sides and form channels with a channel height h, wherein preferably 0.05 ≦ h ≦ 1.0 mm.

Layer block according to claim 5, characterized that a laminated sheet in each case at least one separate each Channel plate and a baffle is, with the in the channel plate introduced channels a channel height h of preferably 0.05 ≦ h ≦ 1.0 mm.

Layer block according to claim 5, characterized that a laminated sheet through a folding sheet according to the patent DE-A 100 42 690 is shown, wherein a folding plate a channel height of preferably 0.05 mm ≤ h ≤ 1.0 mm.

Layer block according to claim 5, 6, 7 or 8, characterized in that the laminations ( 1 . 5 ) are produced from a stainless steel strip, in particular with the designation No. 1.4404 and have a plate thickness s in the range of 0.8 mm.

Laminated block according to claim 5, 6, 7, 8 or 9, characterized in that the laminations ( 1 . 5 ) have a bottom thickness d, where d ≥ 0.05 mm.

Laminated block according to claim 5, 6, 7, 8, 9 or 10, characterized in that the laminations ( 5 ) are structured on two sides and structural elements ( 8th . 12 ) having a texture depth equal to one half channel height h / 2, where h / 2 is about 0.3 mm.

Layer block according to claim 11, characterized in that the laminations ( 5 ) on each of the two sides ( 5a . 5b ) Edge strips ( 6 . 7 ; 10 . 11 ) having a height H, where H is about 0.5 mm.