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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Herstellen von gelöteten Bauteilen, insbesondere von Wärmeübertragern, in einer Schutzgasatmosphäre.
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Die Schutzgasatmosphäre von Lötöfen beinhaltet Gase, die zum Beispiel mit Aluminium unter anderem zu Aluminiumoxid reagieren, wodurch die Lötbarkeit von Aluminiumteilen verschlechtert wird. Die Reaktionsprodukte, wie das Aluminiumoxid, können mit Hilfe eines Flussmittels gelöst werden. Das Aufbringen des Flussmittels ist aufwendig und kostenintensiv. Darüber hinaus sind die Bauteile nach dem Löten mit Flussmittel beaufschlagt, was insbesondere bei der Verwendung von chloridischen Flussmitteln einen aufwendigen Reinigungsvorgang impliziert.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 195 45 764 C2 ist ein Verfahren zur Schutzgaserzeugung für einen Wärmebehandlungsofen bekannt, bei dem das Schutzgas unter Verwendung von Ausgangsgas gewonnen wird, das mit einer vor Ort arbeitenden Luftzerlegungsanlage erzeugt wird. Die mit der Zerlegungsanlage erhaltene, überwiegend Stickstoff enthaltende Ausgangsgas-Fraktion wird ohne weitere Sauerstoffentfernung in die Einlauf- und gegebenenfalls die Auslaufzone des Ofens als Schutzgas eingeleitet. Ein Teil der von der Zerlegungsanlage ebenfalls erzeugten sauerstoffreichen Fraktion wird mit einem Kohlenwasserstoffgas gemischt. Dieses Gemisch wird unter Wärmezufuhr katalytisch zu einem -neben Stickstoff- hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch umgesetzt. Dieses Gasgemisch wird der Heizzone des Ofens als Schutzgas zugeführt. Nachteilig ist unter Umständen ein hoher Verbrauch von Stickstoff und/oder Energie.
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Die
DE 688 461 A offenbart ein Reinigungsverfahren von Schutzgas für die Wärmebehandlung von metallischem Gut.
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Die
DE 103 09 290 A1 offenbart eine Schutzgas-Kreislaufanlage im Recycling-Prinzip.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage oder ein Verfahren zu schaffen, durch welches die Herstellung von gelöteten Bauteilen, insbesondere von Wärmeübertragern, zum Beispiel mit einem Lötofen, insbesondere einem Durchlauflötofen, der eine Schutzgasatmosphäre umfasst, verbessert wird.
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Die Aufgabe ist bei einer Anlage zum Herstellen von gelöteten Bauteilen, insbesondere von Wärmeübertragern, mit einer Schutzgasatmosphäre, dadurch gelöst, dass die Anlage eine Schutzgasreinigungseinrichtung umfasst, die mindestens ein Metall, mindestens eine Metalllegierung und/oder mindestens eine Metallverbindung enthält, die mit unerwünschten anorganischen Schutzgasbestandteilen, wie Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, und/oder mit unerwünschten organischen Schutzgasbestandteilen, wie Binderverunreinigungen, Restölverbindungen und deren Crackprodukten, reagiert und keine gasförmigen Reaktionsprodukte bildet, sondern die unerwünschten Schutzgasbestandteile als Feststoff anbindet. Die angebundenen Feststoffe können dem System auf einfache Art und Weise, zum Beispiel durch eine geeignete Filtereinrichtung, entzogen werden. Auf diese Weise wird unter Umständen eine Rezyklierung des Schutzgases möglich, so dass das Schutzgas bei jedem Zyklus vergleichsweise wenig erwärmt werden muss, um das erforderliche Temperaturniveau zu halten. Neben einem deutlich geringeren Schutzgas-, insbesondere Stickstoffverbrauch ist somit auch ein verringerter Energieverbrauch möglich.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasreinigungseinrichtung Eisen, mindestens eine Eisenlegierung und/oder mindestens eine Eisenverbindung enthält. Eisen, Eisenlegierungen und Eisenverbindungen reagieren bei hohen Temperaturen zwischen 800 und 1050 Grad Celsius zum Beispiel mit Sauerstoff, Wasser und Kohlenmonoxid. Als Reaktionsprodukte entstehen unter anderem Eisenoxide und Eisencarbide. Wasserstoff kann zum Beispiel interstitiär in Eisen eingelagert werden. Die bei der Reaktion mit den unerwünschten Schutzgasbestandteilen entstehenden Eisenoxide sind porös. Das liefert den Vorteil, dass die Weiterreaktion nicht durch die Ausbildung geschlossener oder sehr dichter Oxidschichten behindert wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasreinigungseinrichtung Chrom, mindestens eine Chromlegierung und/oder mindestens eine Chromverbindung enthält. Diese Materialien reagieren unter anderem mit Sauerstoff, Wasser, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasreinigungseinrichtung Kupfer, Nickel, Zink und/oder Mangan in Reinfom, als Legierung oder in Verbindung enthält. Diese Materialien reagieren hauptsächlich mit Sauerstoff und Wasser.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metall, die Metalllegierung und/oder die Metallverbindung in Form einer gasdurchlässigen, porösen Schüttung vorliegen beziehungsweise vorliegt, durch die das Schutzgas hindurch geleitet wird. Der Begriff gasdurchlässige, poröse Schüttung umfasst einerseits eine Schüttung aus losem Schüttgut, zum Beispiel von Eisenspänen. Darüber hinaus umfasst der Begriff gasdurchlässige, poröse Schüttung auch ein zu Blöcken verpresstes Schüttgut.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metall, die Metalllegierung und/oder die Metallverbindung in Form von Metallschwamm, insbesondere Eisenschwamm, vorliegen beziehungsweise vorliegt, durch den das Schutzgas hindurch geleitet wird. Eisenschwamm liefert, wie Eisenspäne, den Vorteil, dass die Oberfläche, mit der das Schutzgas in Berührung kommt, vergrößert wird. Die Verwendung von Eisenschwamm und/oder Eisenspänen liefert darüber hinaus den Vorteil, dass diese Materialien günstig in der Anschaffung sind. Darüber hinaus können Eisenschwamm und Eisenspäne über existierende Schrottkreisläufe kostengünstig und umweltfreundlich entsorgt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metall, die Metalllegierung und/oder die Metallverbindung in Form von Metallspänen, insbesondere Eisenspänen, vorliegen beziehungsweise vorliegt, durch die das Schutzgas hindurch geleitet wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasreinigungseinrichtung eine Filtereinrichtung nachgeschaltet ist. Die Filtereinrichtung sorgt dafür, dass eventuell abgelöste Oxidstäube oder Abrieb eines Metallschwamms nicht in die Schutzgasatmosphäre gelangen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasreinigungseinrichtung eine Schüttung von Kohle, insbesondere von hochreiner Kohle, vorgeschaltet ist. Vorzugsweise wird die Kohleschüttung auf circa 700 bis 1000 Grad Celsius erhitzt. Die Kohleschüttung dient dazu, die unerwünschten Schutzgasbestandteile der zu reinigenden Schutzgasatmosphäre in eine für die Reaktion mit dem Eisen günstigere Form umzuwandeln.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasreinigungseinrichtung mit einem Lötofen, insbesondere einem Durchlauflötofen, in Verbindung steht, der die Schutzgasatmosphäre umfasst. Die Schutzgasreinigungseinrichtung kann separat zu dem Lötofen betrieben werden oder in den Lötofen integriert sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasreinigungseinrichtung eine Heizeinrichtung umfasst. Die Heizeinrichtung dient dazu, die für die Reaktion erforderliche Temperatur von circa 750 bis 1100 Grad Celsius bereitzustellen. Die Heizeinrichtung kann zum Beispiel elektrisch, mit Gas oder induktiv betrieben werden.
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Die Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Herstellen von gelöteten Bauteilen mit einer Schutzgasatmosphäre gelöst, bei dem das Schutzgas durch eine Schutzgasreinigungseinrichtung geleitet wird, die mindestens ein Metall, mindestens eine Metalllegierung und/oder mindestens eine Metallverbindung enthält, die mit unerwünschten anorganischen Schutzgasbestandteilen, wie Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, und/oder mit unerwünschten organischen Schutzgasbestandteilen, wie Binderverunreinigungen, Restölverbindungen und/oder deren Crackprodukten, unter Bildung von Feststoffen reagiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die zu lötenden Bauteile in einer Kammer auf Löttemperatur gebracht, wobei das Schutzgas nach dem Durchleiten durch die Schutzgasreinigungseinrichtung durch die Kammer geleitet wird. Somit wird das Schutzgas von Bestandteilen wie beispielsweise Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid gereinigt, die ansonsten die Lötatmosphäre in der Kammer beeinträchtigen könnten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die zu lötenden Bauteile in einer Kammer auf Löttemperatur gebracht, wobei das Schutzgas vor dem Durchleiten durch die Schutzgasreinigungseinrichtung durch die Kammer geleitet wird. Somit wird das Schutzgas von Bestandteilen wie beispielsweise Binderverunreinigungen und Restölverbindungen gereinigt, die es kurz zuvor in der Kammer aufgenommen hat.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die zu lötenden Bauteile in einer Kammer auf Löttemperatur gebracht, wobei das Schutzgas in einem Kreislauf rezykliert wird und nacheinander oder gleichzeitig durch die Schutzgasreinigungseinrichtung und die Kammer geleitet wird. Das Schutzgas wird dann sowohl vor als auch nach der Schutzgasreinigungseinrichtung durch die Kammer geleitet. Das Schutzgas muss bei jedem Zyklus vergleichsweise wenig erwärmt werden, um das erforderliche Temperaturniveau zu halten. Auch muss bei jedem Zyklus nur wenig Schutzgas in den Kreislauf zugegeben werden, um Verluste durch aus der Kammer austretendes Schutzgas auszugleichen. Neben einem deutlich geringeren Schutzgas-, insbesondere Stickstoffverbrauch ist somit auch ein verringerter Energieverbrauch möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Schutzgas vor oder in der Schutzgasreinigungseinrichtung auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1100°C, bevorzugt zwischen 700°C und 900°C gebracht, um die Reaktion des Metalles, der Metalllegierung und/oder der Metallverbindung der Schutzgasreinigungseinrichtung mit den unerwünschten Schutzgasbestandteilen zu unterstützen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigt
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1 eine Anlage zum Herstellen von Wärmeübertragern.
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Die erfindungsgemäße Anlage umfasst einen Durchlauflötofen 10 mit einem Gehäuse 20, das eine Kammer 30 begrenzt. Das Gehäuse 20 weist einen Eingang 40 und einen Ausgang 50 für die zu lötenden Bauteile auf. Die Kammer ist vorzugsweise als Muffel ausgebildet und wird mit Schutzgas gespült.
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Außerdem weist das Gehäuse 20 des Durchlauflötofens 10 eine Austrittsöffnung 60 auf, an die ein Ende einer Verbindungsleitung 70 angeschlossen ist. Das andere Ende der Verbindungsleitung 70 ist an eine Schutzgasreinigungseinrichtung 90 angeschlossen. Die Schutzgasreinigungseinrichtung 90 umfasst einen oder mehrere Reaktionsfilter 120 sowie eine nachgeschaltete Filtereinrichtung 130, durch die das Schutzgas hindurch geleitet wird. Die Schutzgasreinigungseinrichtung 90 dient dazu, das Schutzgas zu reinigen.
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An die Schutzgasreinigungseinrichtung 90 ist ein Ende einer weiteren Verbindungsleitung 100 angeschlossen. Das andere Ende der weiteren Verbindungsleitung 100 ist an eine Eintrittsöffnung 110 des Gehäuses angeschlossen. In einer der Verbindungsleitungen, vorliegend in der Verbindungsleitung 70, ist eine Schutzgasfördereinrichtung 80, vorliegend ein Ventilator, zur Umwälzung des Schutzgases in dem die Kammer 30 und die Schutzgasreinigungseinrichtung 90 aufweisenden Kreislauf vorgesehen. Die Schutzgasfördereinrichtung 80 dient dazu, Schutzgas aus der Kammer 30 des Durchlauflötofens 10 anzusaugen und durch die Reaktionskammer hindurch wieder in die Kammer 30 zu leiten.
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In den Reaktionsfiltern 120 ist eine lose Schüttung aus Eisenspänen enthalten. Die Eisenspäne werden mit Hilfe einer elektrischen Heizeinrichtung 140 auf circa 750 bis 1100 Grad Celsius erhitzt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält zumindest ein Reaktionsfilter einen Eisenschwamm.
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Das in den Eisenspänen und in dem Eisenschwamm enthaltene Eisen reagiert bei hohen Temperaturen (800 bis 1050 Grad Celsius) mit Sauerstoff, Wasser und Kohlenmonoxid, das in dem Schutzgas enthalten ist. Als Reaktionsprodukte entstehen Eisenoxide und Eisencarbide. Die Eisenspäne und der Eisenschwamm stellen eine große Oberfläche für die Reaktion mit den unerwünschten Schutzgasbestandteilen zur Verfügung. Die Eisenschüttung beziehungsweise der Eisenschwamm ist gasdurchlässig, porös ausgebildet.
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Der Reaktionskammer ist vorzugsweise eine nicht dargestellte Schüttung von hochreiner Kohle vorgeschaltet, die auf circa 700 bis 1000 Grad Celsius erhitzt wird. Die Kohleschüttung dient dazu, die unerwünschten Gasbestandteile der zu reinigenden Schutzgasatmosphäre in eine für die Reaktion mit dem Eisen günstigere Form umzuwandeln.
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Die den Reaktionsfiltern nachgeschaltete Filtereinrichtung 130 verhindert, dass eventuell abgeIöste Oxidstäube in die Kammer 30 gelangen. Bei dem Durchlauflötofen 10 handelt es sich vorzugsweise um einen so genannten CAB(controlled atmosphere brazing)-Durchlauflötofen.
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Anstelle von Eisen können auch andere Metalle, Metalllegierungen oder Metallverbindungen, verwendet werden, die mit Sauerstoff, Wasser, Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid reagieren. Dafür kommen beispielsweise Chrom und Chromlegierungen in Frage. Für die Reaktion mit Sauerstoff und Wasser können zum Beispiel Kupfer, Nickel, Zink oder Mangan eingesetzt werden.
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Gegenüber anderen Metallen, Metalllegierungen oder Metallverbindungen reagiert bis auf wenige weitere Ausnahmen Eisen mit den genannten gasförmigen Verunreinigungen im Lötofen. Ebenfalls vorteilhaft bei dem Einsatz von Eisen ist, dass die entstehenden Eisenoxide porös sind und dadurch die Reaktion durch Ausbildung sehr dichter Oxidschichten nicht zum Stillstand kommen kann. Eisenschwamm oder Eisenspäne sind günstig zu bekommen und können über existierende Schrottkreisläufe wieder umweltfreundlich beseitigt werden. Eisen stellt kein Gefahrgut dar und bildet keine giftigen Bestandteile.
