DE102008007609A1

DE102008007609A1 - Wärmeübertrager und Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers

Info

Publication number: DE102008007609A1
Application number: DE200810007609
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich Dr. rer. nat. Angermann
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2009-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit ersten Bauteilen, mit weiteren, Funktionszwischenräume aufweisenden Bauteilen und mit Lotmittel zum Verbinden der Bauteile, wobei sich der Wärmeübertrager durch Mittel zum Verringern eines Eindringens von geschmolzenem Lotmittel in die Funktionszwischenräume der weiteren Bauteile auszeichnet, wodurch verhindert wird, dass die Funktionszwischenräume sich kritisch mit Lotmittel zusetzen und verschließen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit ersten Bauteilen, mit weiteren Funktionszwischenräume aufweisenden Bauteilen und mit Lotmittel zum Verbinden der Bauteile. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers, bei welchem ein erstes Bauteil und ein weiteres Funktionszwischenräume aufweisendes Bauteil miteinander verlötet werden und mittels der miteinander verlöteten Bauteile Kühlkanäle oder sonstige Kanäle des Wärmeübertragers gebildet werden können.
In der Löttechnik ist es oftmals erforderlich, nur eine definierte Menge an Lotmitteln für eine Lötverbindung bereitzustellen, die einen Lötspalt mit einer vorbestimmten Breite zwischen zwei untereinander zu verbindenden Bauteilen füllt, um so eine stoffschlüssige und gegebenenfalls auch eine für Gas beziehungsweise Flüssigkeit dichte Verbindung zu erzielen. Leider kann es passieren, dass überschüssiges Lotmittel mittels Kapillarkräfte in Räume, insbesondere in Kapillarspalte oder -kanäle, steigt, an denen Lotmittel unerwünscht ist, da diese hierdurch teilweise oder ganz verstopft werden können.
Insbesondere Anordnungen für Lötverbindungen, mittels welchen insbesondere Wärmeübertrager hergestellt werden können, sind aus dem Stand der Technik vielseitig bekannt. Insbesondere wenn mittels zu verlötender Bauteile Funktionszwischenräume, wie etwa Kühlkanäle in einem Wärmeübertrager, gebildet werden sollen, sollte dafür gesorgt werden, dass in die Funktionszwischenräume beziehungsweise in die gebildeten Kanäle möglichst wenig Lotmittel, idealerweise keine Lotmittel, eindringen und in diesen verbleiben können. Andernfalls besteht die Gefahr, dass in diesen Funktionszwischenräumen beziehungsweise Kühlkanälen verbliebenes Lotmittel diese verstopfen, so dass eine dieses Bauteile umfassende Einrichtung nur eingeschränkt oder nicht funktionsfähig ist. Dies führt insbesondere bei der Herstellung von Wärmeübertrager immer wieder zu hohen Ausschussraten.
Besonders schnell können sich derartige Funktionszwischenräumen beziehungsweise Kühlkanäle mit Lotmitteln zusetzen, wenn Durchmesser eines Funktionszwischenraums beziehungsweise eines Kühlkanals im Bereich von Zehntel Millimetern liegen, was insbesondere bei Mikrowärmeübertrager insbesondere in Zusammenhang mit Brennstoffzellenantrieben keine Seltenheit ist. Deshalb kommt dem gezielten Umgang mit Lotmitteln an solchen Einrichtungen eine besonders wichtige Rolle zu teil.
Beispielsweise ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 041 309 A1 ein Verfahren bekannt, mittels welchem die Gefahr verringert werden kann, dass Kanäle von einem durch mikrostrukturierte, metallische Schichtbleche zusammengesetzten Mikrowärmeübertragers oder -reaktors durch Lotmittel verstopfen. Verhindert werden soll dies zum einen dadurch, dass lediglich ein geringes Angebot an Lotmitteln für den Lötprozess bereitgestellt wird, so dass hierdurch die Gefahr verringert ist, dass Kanäle mit überschüssigen Lotmittel zulaufen und verstopfen. Zum anderen werden, um der Gefahr von fehlerhaften Lötstellen auf Grund einer geringen Lotmittelmenge entgegen wirken zu können, die einzelnen Schichtbleche mit einer besonders hohen Pressung während des Lötvorganges miteinander verpresst. Hierdurch soll eine bessere Verlötung der einzelnen Schichtbleche miteinander erzielt werden. Allerdings erlauben die konstruktiven Gegebenheiten des Lötguts nicht immer die Ausübung einer hohen Presskraft, da sich zum Beispiel sonst Funktionselemente des Lötguts plastisch verformen können.
Eine Reduzierung der Lotmittelmenge kann durch besonders dünne Lotfolien erzielt werden. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen können Lotfolien häufig jedoch nicht beliebig dünn gefertigt werden, sondern weisen eine minimale nicht mehr sinnvoll zu unterschreitende Dicke auf. Zum Beispiel trifft dies bei Folien bestimmter Silber-Legierungen zu, die nicht beliebig dünn gewalzt werden können. Aber auch bei Lotfolien, die mittels Rascherstarrung hergestellt werden, besteht die Gefahr, dass diese mehr und mehr unerwünschte „pinholes" enthalten, so dass deren Fertigung nicht in beliebiger Bänderlänger realisierbar ist. Auch ein Konturieren der Lotfolien, das heißt, das Ausschneiden beziehungsweise Ausstanzen von Bereichen mit überflüssigem Lot aus der Lotfolie, ist kostenintensiv. Zumal ist die Lotfolie weniger steif ausgebildet und damit schlechter handhabbar.
Auch beim Applizieren einer alternativ eingesetzten Lotpaste können Schwierigkeiten auftreten, wenn zur Applikation der Lotpaste ein kostengünstiges und präzises Siebdruckverfahren verwendet werden soll, die Oberfläche, an welche die Lotpaste appliziert werden soll, jedoch nicht plan und damit nur sehr aufwändig oder gar nicht mittels des Siebdruckverfahrens bedruckbar ist.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, bekannte Lötmethoden zum Herstellen von Einrichtungen mit durchströmbaren Funktionszwischenräumen be ziehungsweise Kühlkanälen und/oder sonstige Kanäle derart weiter zu entwickeln, dass einerseits eine ausreichend große Menge an Lotmitteln zum betriebssicheren Verlöten der zum Bilden der Kanäle erforderlichen Bauteile bereitgestellt werden kann, und andererseits die Gefahr verringert werden kann, dass Lotmittel unbeabsichtigt in diese Funktionszwischenräume beziehungsweise Kanäle eindringt und diese verstopft.
Die Aufgabe der Erfindung wird von einem Wärmeübertrager mit ersten Bauteilen, mit weiteren, Funktionszwischenräume aufweisenden Bauteilen und mit Lotmittel zum Verbinden der Bauteile gelöst, bei welchem Mittel zum Verringern eines Eindringens von geschmolzenem Lotmittel in die Funktionszwischenräume der weiteren Bauteile vorgesehen sind.
Durch die erfindungsgemäß verwendeten Eindringverringerungsmittel kann vorteilhafter Weise eine Ausschussrate bei der Herstellung von Wärmeübertragern erheblich herab gesetzt werden, da mittels der Eindringverringerungsmittel wirkungsvoll unterbunden wird, dass geschmolzene Lotmittel in einem kritischen Maß in Kühlkanäle und/oder sonstige Kanäle des Wärmeübertragers eindringen und sich dort verfestigen können.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass die Aufgabe der Erfindung auch von einer Anordnung, insbesondere einer Anordnung aus Bauteilen eines Wärmeübertragers, für eine Lötverbindung mit ersten Bauteilen, mit weiteren, Funktionszwischenräume aufweisenden Bauteilen und mit Lotmittel zum Verbinden der Bauteile gelöst wird, bei welcher Mittel zum Verringern eines Eindringens von geschmolzenem Lotmittel in die Funktionszwischenräume der weiteren Bauteile vorgesehen sind.
Im Gegensatz zu bekannten Methoden, bei welchen mittels einer starken Lotmittelverringerung erreicht werden soll, dass überschüssige Lotmittel Funktionszwischenräume zusetzen, kann vorliegend vorteilhafter Weise auf eine derartig kritische Lotmittelverringerung verzichtet werden, da erfindungsgemäß Eindringverringerungsmittel vorgesehen sind, mittels welchen idealerweise vollständig verhindert wird, dass geschmolzenes Lotmittel während des Lötens der Bauteile in von den Bauteilen gebildeten Funktionszwischenräume gelangt. Selbst ein mittels Kapillarkräfte getriebenes Fließen von Lotmittel kann vorliegend vorteilhafter Weise unterbunden bzw. ausreichend eingeschränkt werden.
Ein derartiger Wärmeübertrager kann beispielsweise aus einzelnen, strukturierten Schichtblechen bestehen, die ihrerseits mit geeigneten Lötfolien ausgestattet sein können, so dass die einzelnen Schichtbleche des Wärmeübertragers mit gut bekannten Lötverfahren, auf die hier nicht weiter eingegangen wird, verlötet werden können.
In diesem Zusammenhang wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem Lötverfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils und eines weiteren, Funktionszwischenräume aufweisenden Bauteils gelöst, bei welchem wenigstens eines der Bauteile mit Lotmitteln versehen wird und die Bauteile miteinander verlötet werden, und sich das Lötverfahren dadurch auszeichnet, dass geschmolzenes Lotmittel von und/oder aus den Funktionszwischenräumen abgeleitet wird.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung ebenfalls von einem Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers gelöst, bei welchem ein erstes Bauteil und ein weiteres Funktionszwischenräume aufweisendes Bauteil miteinander verlötet werden, wobei mittels der miteinander verlöteten Bauteile Kühlkanäle und/oder sonstige Kanäle des Wärmeübertragers gebildet werden können, und sich das Herstellverfahren dadurch auszeichnet, dass geschmolzene Lotmittel von und/oder aus den Funktionszwischenräumen oder den Kühlkanälen und/oder sonstigen Kanälen abgeleitet werden.
Bei den ersten Bauteilen kann es sich vorteilhaft um überwiegend ebene Bauteile aus Edelstahl handeln, an welchen die weiteren und Funktionszwischenräume aufweisenden Bauteile angelötet werden können. Es versteht sich, dass die zu verlötenden Bauteile nahezu beliebig geformt und zusammengesetzt werden können, um im Ergebnis durchströmbare oder sonstige funktionelle Kanäle zu bilden.
Der Begriff „Mittel zum Verringern eines Eindringens" erfasst jegliche Einrichtungen, die geeignet sind, ein Eindringen von geschmolzenem Lotmittel in vorliegende Funktionszwischenräume oder durch diese gebildeten Kanäle zu verringern beziehungsweise idealerweise vollständig zu verhindern.
Mit dem Begriff „Funktionszwischenräume" sind Bereiche an einem oder mehreren Bauteilen beschrieben, mittels welchen spätestens bei einem Endprodukt funktionswesentliche Bereiche, wie etwa von einem Medium durchströmbare oder ein Medium enthaltende Kanäle, bereitgestellt werden können.
Es versteht sich, dass derartige Funktionszwischenräume in vielfältiger Weise an Bauteilen bereitgestellt werden können. Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass eines der Bauteile Rippen umfasst, mittels welcher die Funktionszwischenräume gebildet sind. Werden die die Rippen umfassenden Bauteile beispielsweise mit ihrer offenen Rippenseite an ein planes Bauteil gelötet, können hierdurch konstruktiv einfach Kanäle gebildet werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass eines der Bauteile eine plissierte Folie, vorzugsweise eine plissierte Cu-Folie, umfasst. Mittels einer plissierten Folie sind beispielsweise Kanäle eines Wärmeübertragers, welche mit einem Kühlmittel durchströmt werden können oder dessen Kanäle andere Funktionen haben, baulich besonders einfach realisierbar.
Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn die plissierte Folie die Funktionszwischenräume bildet. Somit können Kanäle an einem Wärmeübertrager mit sehr dünnen Wandungen realisiert werden, die einen effektiven Wärmeübergang zwischen zwei den Wärmeübertrager durchströmenden Medien gewährleisten können.
Es versteht sich, dass die miteinander zu verlötenden Bauteile aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen hergestellt sein können. Insbesondere im Bereich der Herstellung von Wärmeübertragern kann es vorteilhaft sein, wenn eines der Bauteile eine Edelstahloberfläche, insbesondere eine Oberfläche aus Chromoxid Cr₂O₃, aufweist, da durch die Verwendung von Edelstahl, insbesondere von einem austenitischen Edelstahl, wunschgemäß für eine spezielle Anwendung eine geringe Wärmeleitfähigkeit erzielt wird.
Konstruktiv besonders einfach können die Bauteile untereinander verlötet werden, wenn die ersten Bauteile Trägerelemente bilden, an welchen die weiteren, Funktionszwischenräume aufweisenden Bauteile angeordnet sind.
Als Lotmittel können eine Vielzahl an Loten verwendet werden. Die Lotmittel können insbesondere nach den Werkstoffeigenschaften der zu verlötenden Bauteile ausgewählt werden. Beispielsweise werden beim Hartlöten von Schichtblechen Au-, Ag-, Co-, Cu-Werkstoffe und/oder deren Basislegierungen, insbesondere Ni-Basislegierungen, verwendet. Eine weiter bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Lotmittel eine Lotfolie umfassen.
Die verwendeten Eindringverringerungsmittel können temporär an einem der Bauteile angeordnet werden. In der Praxis hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Eindringverringerungsmittel dauerhaft an einem der Bauteile, insbesondere an den ersten der vorliegenden Bauteile, angeordnet sind, da Bauteile so mit den Eindringverringerungsmitteln konstruktiv und verfahrenstechnisch einfach ausgestattet werden können.
Es versteht sich, dass die Eindringverringerungsmittel in vielfältiger Gestalt ausgebildet sein können, so lange sie geeignet sind, geschmolzenes Lotmittel daran zu hindern, unbeabsichtigt in die Funktionszwischenräume beziehungsweise in mittels der Bauteile gebildeten Kanäle einzudringen, dort zu erstarren und ungünstigendenfalls die Funktionszwischenräume beziehungsweise die Kanäle vollständig zu verschließen. Eine erste alternative Ausführungsvariante sieht vorteilhafter Weise vor, dass die Eindringverringerungsmittel bessere Benetzungseigenschaften für geschmolzenes Lotmittel aufweisen als eines der Bauteile bzw. als eine ursprüngliche Bauteiloberfläche der Bauteile. Es wurde überraschender Weise gefunden, dass das Vorsehen von Eindringverringerungsmitteln, welche bessere Benetzungseigenschalten für geschmolzene Lotmittel aufweisen als beispielsweise umliegende Oberflächen eines Bauteils, sich sehr gut dazu eignen, überschüssige geschmolzene Lotmittel, welche für die eigentliche Lötverbindung nicht erforderlich sind, insbesondere von Funktionszwischenräumen eines Bauteils abzuleiten. Hierdurch gelangen die überschüssigen geschmolzenen Lotmittel nicht oder nur vernachlässigbar gering in die bereitgestellten Funktionszwischenräume beziehungsweise Kanäle. So können sich Lotmittel im Wettbewerb mit Kapillarkräfte ausübenden konstruktiven Gegebenheiten gut an und/oder auf den Eindringverringerungsmitteln ausbreiten, ohne sich schädlich in Funktionszwischenräume einzudringen.
Mit dem in vorliegendem Zusammenhang verwendeten Begriff „ursprüngliche Bauteiloberfläche" sind diejenigen Oberflächen eines Bauteils gemeint, welche beispielsweise unterhalb der Eindringverringerungsmittel liegen, da die Eindringverringerungsmittel selbst auch Bauteiloberflächen bilden können, wenn sie insbesondere als Beschichtung auf ein Bauteil aufgetragen sind. In einem solchen Fall bezeichnet der Begriff „ursprüngliche Bauteiloberfläche" die unterhalb oder auch neben einer derartigen Beschichtung angeordneten Bauteiloberflächen. Bei einer ursprünglichen Bauteiloberfläche kann es sich etwa um eine Cr₂O₃-Oberfläche handeln, während es sich bei den Eindringverringerungsmitteln um eine CuO-Beschichtung handeln kann. Hierbei ist unter der CuO-Beschichtung insbesondere die natürliche CuO-Schicht zu verstehen, die sich auf einer Cu-Schicht, beispielsweise auf einer galvanischen Cu-Schicht, bildet.
Als Materialien zum Realisieren derartiger Eindringverringerungsmittel eignen sich nahezu alle Materialien, deren Benetzungseigenschaften besser sind als die Benetzungseigenschaften der verwendeten Bauteile beziehungsweise diesbezügliche ursprüngliche Bauteiloberflächen. Insbesondere eignen sich hierbei solche Materialien, deren Benetzungseigenschaften derart ausgebildet sind, dass sie geschmolzenes Lotmittel auch dann von Funktionszwischenräumen beziehungsweise Kanälen wegleiten beziehungsweise ableiten, wenn das geschmolzene Lotmittel auf Grund von vorhandenen Kapillarkräften in die Funktionszwischenräume aufsteigen kann.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Eindringverringerungsmittel Kupfer, insbesondere Kupferoxid CuO, umfassen, da diesem Werkstoff und dessen Legierungen besonders gute Benetzungseigenschaften innewohnen, um vorliegende Eindringverringerungsmittel bereit zu stellen.
Die erfindungsgemäßen Eindringverringerungsmittel können überall dort an Bauteilen vorgesehen werden, wo sie in geeigneter Weise auf geschmolzenes Lotmittel wirken können. Damit sie in besonders gutem Wirkkontakt mit geschmolzenem Lotmittel kommen, ist es vorteilhaft, wenn die Eindringverringerungsmittel an einer Lötverbindung zwischen einer Oberfläche der ersten Bauteile und den Lotmitteln angeordnet sind. Hierdurch ist gewährleistet, dass überschüssiges geschmolzenes Lotmittel besonders betriebssicher von vorhandenen Funktionszwischenräumen abgeleitet werden kann. Zum Aufnehmen der Eindringverringerungsmittel eignen sich die vorhandenen ersten Bauteile besonders gut, welche beispielsweise als Trägerelemente für eine plissiert Folie dienen.
Des Weiteren können die Eindringverringerungsmittel an einer Lötverbindung zwischen einer Oberfläche eines der ersten Bauteile und einer Oberfläche eines der weiteren Bauteile vorteilhaft angeordnet und eingesetzt sein, da sie hierdurch in unmittelbarer Nähe zu erforderlichen Lotmitteln, wie etwa einer Lotfolie, angeordnet sein können.
Um die Gefahr eines unerwünschten Eindringens geschmolzenen Lotes weiter reduzieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Eindringverringerungsmittel kumulativ oder alternativ an einer Lötverbindung neben den Lotmitteln angeordnet sind.
Konstruktiv besonders einfach lassen sich die Eindringverringerungsmittel an einem Bauteil vorsehen, wenn die Eindringverringerungsmittel eine Beschichtung eines der Bauteile bilden. Beispielsweise wird eine Cr₂O₃-Oberfläche einer Edelstahloberfläche eines Bauteils mit einer Cu-Beschichtung als Eindringverringerungsmittel versehen, welche eine natürliche CuO-Oberfläche aufweist.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Eindringverringerungsmittel einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, welcher geringer ist als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient eines der Bauteile, insbesondere einer ursprünglichen Bauteiloberfläche. Vorteilhafter Weise kann es bei einer geeigneten Erwärmung eines mit dem Eindringverringerungsmittel versehenen Bauteils zu einer unterschiedlichen Ausdehnung des eigentlichen Bauteilmaterials und der daran angeordneten Eindringverringerungsmittel kommen, so dass die Eindringverringerungsmit tel von dem sich stärker ausdehnenden Bauteil zumindest an ihrer Oberfläche konstruktiv leicht aufgerissen beziehungsweise aufgebrochen werden können. Hierdurch können die Eindringverringerungsmittel noch weitaus bessere Fähigkeiten erhalten, geschmolzenes Lotmittel besonders mengenreich verteilen zu können, da ihre Benetzungsfähigkeit durch eine derart rissige Oberfläche wesentlich verbessert werden kann.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn die natürliche Oxidschicht der Eindringverringerungsmittel eine freie Standardenthalpie ΔG° aufweist, welche größer ist als eine freie Standardenthalpie ΔG° der natürlichen Oxidschicht eines der Bauteile, insbesondere einer ursprünglichen Bauteiloberfläche. Ist die freie Standardenthalpie ΔG° der natürliche Oxidschicht de Eindringverringerungsmittel größer bzw. weniger negativ gewählt als die freie Standardenthalpie ΔG° der natürlichen Oxidschicht eines Bauteiles, an welchem die Eindringverringerungsmittel vorgesehen sind, können sich Oxide in vorhandenen Rissen der Eindringverringerungsmittel, beispielsweise einer CuO-Oberfläche, nicht so schnell neu bilden wie an einer Cr₂O₃-Oberfläche eines der Bauteile. Insbesondere bleibt hierdurch die Benetzungsfähigkeit der Oberfläche länger erhalten.
Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Eindringverringerungsmittel eine geringere treibende Keimbildungskraft insbesondere für eine Oberflächenneubildung der Deckoxide in vorhandenen Rissen aufweisen als diejenige treibende Keimbildungskraft, welche an ursprünglichen Bauteiloberflächen vorhanden ist. Vorteilhafter Weise können auch hierdurch die Eindringverringerungsmittel überschüssiges geschmolzenes Lotmittel besonders effektiv verteilen und von Funktionszwischenräumen fernhalten. Ein Überblick diesbezüglicher freier Standardenthalpien ΔG° zu ausgewählten Oxiden ist in nachstehend erläutertem Diagramm der 2 gezeigt.
In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die freie Standardenthalpie ΔG° der natürlichen Oxidschicht der Eindringverringerungsmittel einen Wert oberhalb –500 kJ/mol O₂ bei einer Temperatur von 1000°C, vorzugsweise einen Wert oberhalb –300 kJ/mol O₂ bei einer Temperatur von 1000°C, aufweist. Liegen die Standardenthalpien der beiden verwendeten Werkstoffe derart weit auseinander, kann eine betriebssichere Rissbildung gewährleistet werden.
Eine alternative Verfahrensvariante sieht vor, dass an einer Lötverbindung und/oder um die Lötverbindung herum Mittel zum Ableiten von geschmolzenem Lotmittel von und/oder aus den Funktionszwischenräumen oder den Kühlkanälen angeordnet werden. Werden kumulativ oder alternativ derartige Ableitmittel vorgesehen, kann ebenso erzielt werden, dass überschüssiges geschmolzenes Lotmittel vorteilhaft abgeleitet werden. Es versteht sich, dass solche Ableitmittel auch kumulativ verwendet und durch die im Zusammenhang mit den Eindringverringerungsmitteln genannten weiteren Merkmalskombinationen vorteilhaft weitergebildet werden können. Da jedoch bereits allein mittels solcher Ableitmittel überschüssiges geschmolzenes Lotmittel von Funktionszwischenräume bzw. Kanäle derart abgeleitet werden können, dass sich hierdurch eine Gefahr verringert, dass Lotmittel die Funktionszwischenräume bzw. Kanäle kontaminiert, sind die in diesem Zusammenhang genannten Merkmale auch ohne die übrigen Merkmale der Erfindung vorteilhaft.
Eine besonders vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass die Eindringverringerungsmittel und/oder Ableitmittel thermisch aktiviert werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Eindringverringerungsmittel oder die Ableitmittel erst dann in einen funktionsfähigen Zustand überführt werden, wenn dieser gefordert ist. Somit kann die Gefahr verringert werden, dass beispielsweise eine besonders geeignete Oberfläche der Eindringverringerungsmittel beziehungsweise der Ableitmittel vor einem eigentlichen Gebrauch durch Verschmutzung nicht mehr in einer gewünschten Weise voll funktionsfähig sind.
Kumulativ oder alternativ zu den bisher beschriebenen Eindringverringerungsmittel mit den besseren Benetzungseigenschaften können alternative Eindringverringerungsmittel mit schlechteren Benetzungseigenschaften für geschmolzenes Lotmittel als eines der Bauteile oder als eine der ursprünglichen Bauteiloberflächen vorgesehen werden, um hierbei ebenfalls die Gefahr eines unerwünschten oder kritischen Eindringens von geschmolzenem Lotmittel in vorhandene Funktionszwischenräume bzw. Kanäle zu gewährleisten.
Eine weiter bevorzugte Verfahrensvariante sieht in diesem Zusammenhang auch vor, dass an einer Lötverbindung und/oder um die Lötverbindung herum Mittel zum Verringern eines Eindringens des geschmolzenen Lotmittels in die Funktionszwischenräume und/oder in die Kühlkanäle angeordnet werden können. Hierdurch können die Eindringverringerungsmittel vorteilhafter Weise unmittelbar dort platziert werden, wo sie besonders gut wirken können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht in diesem Zusammenhang weiter vor, dass die alternativen Eindringverringerungsmittel mit den schlechteren Benetzungseigenschaften an den und/oder innerhalb der Funktionszwischenräume angeordnet sind. Hierdurch können die alternativen Eindringverringerungsmittel besonders wirkungsvoll verhindern, dass ein die Funktionszwischenräume aufweisendes oder bildendes Bauteil zu leichtbenetzt wird, so dass idealerweise die Benetzung mit geschmolzenem Lotmittel an anderer Stelle der Bauteile erfolgen kann.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn erste Eindringverringerungsmittel mit besseren Benetzungseigenschaften an ersten Bauteilen und alternative Eindringverringerungsmittel mit schlechteren Benetzungseigenschaften an zweiten Bautei len angeordnet sind. Hierdurch wird in doppelter Hinsicht gewährleistet, dass geschmolzenes Lotmittel nicht oder nur vernachlässigbar gering in vorhandene Funktionszwischenräume beziehungsweise Kanäle eindringen kann, da überschüssiges geschmolzenes Lotmittel einerseits von ersten Eindringverringerungsmittel mit besseren Benetzungseigenschaften von Funktionsräumen abgeleitet werden können. Unterstützend hierzu kann sich überschüssiges geschmolzenes Lotmittel wesentlich schlechter in Bereichen der Funktionszwischenräume anlagern, da dort alternative Eindringverringerungsmittel mit schlechteren Benetzungseigenschaften vorgesehen sind. Selbstverständlich dürfen hierbei die zu verlötenden Bauteiloberflächen nicht mit schlechteren Benetzungseigenschaften versehen sein.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher einerseits schematisch eine Anordnung für eine Lötverbindung an einem Wärmeübertrager und andererseits ein Richardson-Ellingham-Diagramm hinsichtlich freier Standardenthalpien für verschiedene Oxide dargestellt sind.
Es zeigt
1 schematisch eine Ansicht einer Lötanordnung zwischen einem Trägerbauteil mit einer Edelstahloberfläche und einer Funktionszwischenräume bildenden plissierten Cu-Folie und
2 schematisch eine Ansicht eines Richardson-Ellingham-Diagramms mit freien Standardenthalpien ΔG°, insbesondere auch für Kupferoxid.
Die in der 1 gezeigte Anordnung 1 umfasst eine Lötverbindung 2 an einem Wärmeübertrager 3, der nach dieser Ansicht hier nur schematisch und ausschnittsweise dargestellt ist. Die Lötverbindung liegt zwischen einem Trägerbauteil 4 der Anordnung 1 und einem Funktionszwischenräume 5 umfassenden Bauteil 6, welches in diesem Ausführungsbeispiel von einer plissierten Cu-Folie 7 gebildet ist.
Die plissierte Cu-Folie 7 erstreckt sich entlang einer Chromoxid Cr₂O₃ umfassenden Edelstahloberfläche 8 des Trägerbauteils 4. Auf dieser Edelstahloberfläche 8 ist ein Lotmittel 9 in Form einer Lotfolie 9A angebracht, wobei die Lotfolie 9A zwischen der Edelstahloberfläche 8 und der plissierten Cu-Folie 7 derart angeordnet ist, dass die plissierte Cu-Folie 7 mit ihren dem Trägerbauteil 4 zugewandten Wendebereichen 10 mit der Lotfolie 9A in Wirkkontakt steht. Mit anderen Worten, die plissierte Cu-Folie 7 ist mittels der Lotfolie 9A mit dem Trägerbauteil 4 verlötet. Hierdurch bildet die plissierte Cu-Folie 7 im Zusammenspiel mit dem Trägebauteil 4 insbesondere hinsichtlich der Funktionsräume 5 erste Kanäle 11 des Wärmeübertragers 3, welche beispielsweise von einem ersten Medium, wie etwa einem Kühlmittel (hier nicht dargestellt), durchströmt werden können. Zweite Kanäle 12 des Wärmeübertragers 3 können mittels benachbarter Zwischenräume 13 in Zusammenspiel mit einem hier nicht weiter gezeigten Bauteil realisiert werden, welche dann von einem weiteren Medium durchströmt werden können. Alternativ können die Kanäle zur Aufnahme von Medien dienen, welche nicht per se strömen müssen und deren Funktion hier nicht weiter erörtert werden soll.
Es versteht sich, dass bei dieser Lötverbindung 2 unterschiedliche Lotfolien 9A zum Einsatz kommen können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde als Lotfolie 9A eine Cuprobraze-Lotfolie, VZ2250 der Firma Vacuumschmelze verwendet, mittels welcher das die Funktionszwischenräume 5 aufweisende Bauteil 6 und das Trägerbauteil 4 unter Vakuumbedingungen bei einer Löttemperatur unterhalb 800°C miteinander verlötet werden.
Um beim eigentlichen Lötvorgang, bei welchem das Lotmittel 9 der Lotfolie 9A geschmolzen ist, die Gefahr zu verringern oder gänzlich zu unterbinden, dass geschmolzenes Lotmittel der Lotfolie 9A in die Funktionszwischenräume 5 gelangt, diese und insbesondere die hierdurch gebildeten ersten Kanäle 11 des Wärmeübertragers 3 verstopfen, ist die Edelstahloberfläche 8 mit Mitteln 14 zum Verringern eines Eindringens von geschmolzenem Lotmittel in die Funktionszwischenräume 5 versehen. Die Eindringverringerungsmittel 14 werden in diesem Ausführungsbeispiel als eine Cu-Schicht auf die Edelstahloberfläche 8 des Trägerbauteils 4 aufgebracht. Auf dieser Cu-Schicht bildet sich in Kontakt mit der Luft sofort eine CuO-Schicht 15. Zum Aufbringen dieser Cu-/CuO-Schicht 15 auf die Edelstahloberfläche 8 stehen eine Vielzahl an aus dem Stand der Technik gut bekannten Verfahren zur Verfügung, so dass auf eine explizite Erläuterung verzichtet wird.
Vorteilhafter Weise breitet sich das geschmolzene Lotmittel der Lotfolie 9 ebenso auf dieser Cu-/CuO-Schicht 15 aus, wie auf der Cu-/Cuo-Schicht der plissierten Folie 7, und steigt auf Grund von Kapillarkräften zumindest in einem vernachlässigbar geringem Maße in die Funktionszwischenräume 5, so dass mittels der Eindringverringerungsmittel 14 wirkungsvoll verhindert wird, dass insbesondere erste Kanäle 11 des Wärmeübertragers 3 von Lotmittel 9 der Lotfolie 9A dauerhaft verschlossen werden.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass die besseren Benetzungseigenschaften insbesondere der hier verwendeten Cu-/CuO-Schicht 15 dazu geeignet sind, geschmolzenes Lotmittel daran zu hindern, in einem kritischen Maß in die Funktionszwischenräume 5 einzudringen. Die Eindringverringerungsmittel 14 sind vorzugsweise im Bereich der Lötverbindung 2 zwischen der Edelstahloberfläche 8 und der Lotfolie 9A angeordnet und so auch zwischen der Edelstahloberfläche 8 des Trägerbauteils 4 und einer Oberfläche 16 der plissierten Cu-Folie 7.
Kumulativ oder alternativ können die Eindringverringerungsmittel 14 auch in einem Nebenbereich 17 neben der eigentlichen Lötverbindung 2 angeordnet sein, so dass geschmolzenes Lotmittel der Lotfolie 9A aus dem Bereich der Lötverbindung 2 abtransportiert werden kann. Insbesondere wenn die Eindringverringerungsmittel 14 auch in einem Nebenbereich 17 angeordnet sind, kann in einem solch gestalteten Ausführungsbeispiel auch von Mittel zum Ableiten des geschmolzenen Lotmittels gesprochen werden.
Die natürliche CuO-Schicht 15 der Cu-Eindringverringerungsmittel 14, also die CuO-Schicht 15, weisen in diesem Ausführungsbeispiel einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, welcher geringer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient einer Cr₂O₃-Schicht einer fiktiv freiliegenden Edelstahloberfläche 8 eines Trägerbauteils 4. Hierdurch kann sich das Bauteil 4 beziehungsweise die Edelstahloberfläche 8 bei einer Erwärmung mehr ausdehnen, als die CuO-Schicht 15, so dass die CuO-Schicht 15 zu einer Rissbildung neigen kann, so dass die Benetzungsfähigkeit der Eindringverringerungsmittel 14 und/oder der Ableitmittel 18 weiter erhöht werden kann, wodurch sie insbesondere für geschmolzenes Lotmittel noch besser benetzbar sind.
Ein Verkupfern von Oberflächen ist technisch ebenfalls gut bekannt und wird vielfach angewendet, zum Beispiel mittels galvanischer Verfahren oder durch Cu-Walzplattieren vorliegender Edelstahloberfläche 8.
Neben der hier beschriebenen Cu-/CuO-Schicht 15 können auch weitere Werkstoffe vorteilhaft eingesetzt werden und die Eindringverringerungsmittel 14 beziehungsweise geeignete Ableitmittel an der Edelstahloberfläche 8 bereitstellen, so lange ihre jeweilige freie Standardenthalpie ΔG° größer ist als die freie Standardenthalpie ΔG° des Trägerbauteils 4 beziehungsweise der Edelstahloberfläche 8 des Trägerbauteils 4.
Neben dem Material Kupfer zum Beschichten der Edelstahloberfläche 8 ist jedes andere Material geeignet, Eindringverringerungsmittel 14 beziehungsweise Ableitmittel 18 bereit zu stellen, dessen freie Standardenthalpien größer, vorzugsweise mindestens doppelt so groß, sind, wie die freie Standardenthalpie der Edelstahloberfläche 8, insbesondere von Chromoxid Cr₂O₃. So könnte auch eine Nickeloxid-Schicht, NiO-Schicht, als Material zum Bereitstellen von Eindringverringerungsmitteln 14 beziehungsweise Ableitmitteln 18 herangezogen werden, wenngleich NiO eine etwas geringere freie Standardenthalpie innewohnt als CuO. Weitere Alternativen könnten Beschichtungen mit einem der Grundwerkstoffe Eisen oder Silber gestaltet sein. Eine Cu-Beschichtung bietet allerdings eine gute Kombination aus kostengünstiger Beschichtung und einer hohen freien Standardenthalpie ΔG° des zugehörigen Oxids dar.
Kumulativ oder alternativ zu Maßnahmen, die bessere Benetzungseigenschaften für geschmolzenes Lotmittel bereitstellen, können auch alternative Eindringverringerungsmittel (hier nicht dargestellt) mit schlechteren Benetzungseigenschaften vorgesehen werden, die dann vorzugsweise im Bereich der Funktionszwischenräume 5 oder insbesondere in den Funktionszwischenräumen 5 an der Oberfläche 16 der plissierten Cu-Folie 7 angeordnet sein können. Mittels dieser alternativen Eindringverringerungsmittel mit schlechteren Benetzungseigenschaften kann zusätzlich oder auch ausschließlich ein Eindringen von geschmolzenem Lotmittel in die Funktionszwischenräume 5 verhindert werden.
In der 2 ist ein Richardson-Ellingham-Diagramm 20 für Oxide dargestellt, in welchem unter anderem die freie Standardenthalpie ΔG° in Abhängigkeit der Temperatur in °C dargestellt ist. Gut zu erkennen ist, dass die freie Standardenthalpie ΔG° von Chromoxid Cr₂O₃ im gesamten gezeigten Temperaturbereich deutlich unterhalb der freien Standardenthalpie ΔG° von Kupferoxid CuO liegt.
Insbesondere kann aus dem Diagramm leicht entnommen werden, welche Beschichtungen sich für Eindringverringerungsmittel 14 beziehungsweise Ableitmittel 18 im Hinblick auf einen Bauteilwerkstoff geeignet einsetzen lassen.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass das vorliegende Ausführungsbeispiel nicht einschränkend hinsichtlich vorliegender Erfindung wirken soll. Vielmehr können die erfindungsgemäßen Eindringverringerungsmittel 14 beziehungsweise Ableitmittel 18 auch im Zusammenhang mit anders gestalteten Lötanordnungen eingesetzt werden, um zu verhindern, dass Lotmittel 9 im Bereich einer Lötverbindung 2 unbeabsichtigt in Funktionszwischenräume 5 eindringen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004041309 A1 [0005]

Claims

Wärmeübertrager (3) mit ersten Bauteilen (4), mit weiteren, Funktionszwischenräume (5) aufweisenden Bauteilen (6) und mit Lotmittel (9) zum Verbinden der Bauteile, gekennzeichnet durch Mittel (14) zum Verringern eines Eindringens von geschmolzenem Lotmittel in die Funktionszwischenräume (5) der weiteren Bauteile (6).
Wärmeübertrager (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Bauteile (6) Rippen umfasst, mittels welcher die Funktionszwischenräume (5) gebildet sind.
Wärmeübertrager (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Bauteile (4) eine plissierte Folie, vorzugsweise eine plissierte Cu-Folie (7), umfasst.
Wärmeübertrager (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die plissierte Folie die Funktionszwischenräume (5) bildet.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Bauteile (4) eine Edelstahloberfläche (8), insbesondere eine Oberfläche aus Chromoxid Cr₂O₃, aufweist.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bauteile (4) Trägerelemente bilden, an welchen die weiteren, Funktionszwischenräume (5) aufweisenden Bauteile (6) angeordnet sind.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotmittel (9) eine Lotfolie umfassen.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringverringerungsmittel (14) dauerhaft an einem der Bauteile (4, 6) angeordnet sind.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringverringerungsmittel (14) bessere oder zumindest gleich gute Benetzungseigenschaften für geschmolzenes Lotmittel aufweisen als eines der Bauteile (4, 6) bzw. als eine ursprüngliche Bauteiloberfläche (8, 16) der Bauteile (4, 6).
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringverringerungsmittel (14) Kupfer, insbesondere Kupferoxid CuO, umfassen.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringverringerungsmittel (14) an einer Lötverbindung (2) zwischen einer Oberfläche (8) der ersten Bauteile (4) und den Lotmitteln (9) angeordnet sind.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringverringerungsmittel (14) an einer Lötverbindung (2) zwischen einer Oberfläche (8) eines der ersten Bauteile (4) und einer Oberfläche (16) eines der weiteren Bauteile (6) angeordnet sind.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringverringerungsmittel (14) an einer Lötverbindung (2) neben den Lotmitteln (9) angeordnet sind.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringverringerungsmittel (14) eine Beschichtung (15) eines der Bauteile (4) bilden.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringverringerungsmittel (14) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, welcher geringer ist als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient eines der Bauteile (4, 6), insbesondere einer ursprünglichen Bauteiloberfläche (8, 16).
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die natürliche Oxidschicht der Eindringverringerungsmittel (14) eine freie Standardenthalpie ΔG° (22) aufweist, welche größer ist als eine freie Standardenthalpie ΔG° (21) der natürlichen Oxidschicht eines der Bauteile (4, 6), insbesondere einer ursprünglichen Bauteiloberfläche (8, 16).
Wärmeübertrager (3) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Standardenthalpie ΔG° (22) der natürlichen Oxidschicht der Eindringverringerungsmittel (14) einen Wert oberhalb –500 kJ/mol O₂ bei einer Temperatur von 1000°C, vorzugsweise einen Wert oberhalb –300 kJ/mol O₂ bei einer Temperatur von 1000°C, aufweist.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch alternative Eindringverringerungsmittel mit schlechteren Benetzungseigenschaften für geschmolzenes Lotmittel als eines der Bauteile (4, 6) oder als eine der ursprünglichen Bauteiloberflächen (8, 16).
Wärmeübertrager (3) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die alternativen Eindringverringerungsmittel mit den schlechteren Benetzungseigenschaften an den Funktionszwischenräumen (5) und/oder innerhalb der Funktionszwischenräume (5) angeordnet sind.
Wärmeübertrager (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Eindringverringerungsmittel (14) mit besseren Benetzungseigenschaften an ersten Bauteilen (4) und alternative Eindringverringerungsmittel mit schlechteren Benetzungseigenschaften an zweiten Bauteilen (6) angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragers (3), bei welchem ein erstes Bauteil (4) und ein weiteres Funktionszwischenräume (5) aufweisendes Bauteil (6) miteinander verlötet werden, wobei mittels der miteinander verlöteten Bauteile (4, 6) Kühlkanäle (11, 12) und/oder sonstige Kanäle des Wärmeübertragers (3) gebildet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass geschmolzenes Lotmittel von und/oder aus den Funktionszwischenräumen (5) oder den Kühlkanälen (11, 12) und/oder den sonstigen Kanälen abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Lötverbindung (2) und/oder um die Lötverbindung (2) herum Mittel (18) zum Ableiten von geschmolzenem Lotmittel von und/oder aus den Funktionszwischenräumen (5) oder den Kühlkanälen (11, 12) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Lötverbindung (2) und/oder um die Lötverbindung (2) herum Mittel (14) zum Verringern eines Eindringens (14) des geschmolzenen Lotmittels in die Funktionszwischenräume (5) und/oder in die Kühlkanäle (11, 12) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Eindringverringerungsmittel (14) und/oder Ableitmittel (18) thermisch aktiviert werden.