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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere nach dem Oberbegriff eines der unabhängigen Patentansprüche. Solche Anordnungen und/oder Verfahren kommen insbesondere beim Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung durch Löten, Schweißen oder Kleben zum Einsatz, beispielsweise beim Hochtemperaturlöten von Wärmeübertragern aus austenitischen Edelstahlteilen und/oder beim Löten von Aluminium-Stapelscheiben-Wärmeübertragern.
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Stand der Technik
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Beim Löten von Wärmeübertragern, insbesondere von Plattenwärmeübertragern, wie beispielsweise von Aluminium-Stapelscheiben-Wärmeübertragern, ist es bekannt, den Anpressdruck auf die Lötstellen durch den Einsatz von Gewichten zu erhöhen. Diese Gewichte erhöhen allerdings die im Lötofen vorhandenen Volumina und Massen erheblich, und durch die Wärmekapazitäten dieser Massen verlangsamt sich der Aufheizvorgang bzw. der Abkühlvorgang und damit auch insgesamt die Lötdauer. Das für die Gewichte benötigte Volumen steht auch den zu lötenden Verbindungspartnern nicht mehr zur Verfügung.
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Ebenfalls bekannt ist beim Löten von Wärmeübertragern die Verwendung von Rahmen, in die die Verbindungspartner eingespannt werden. Durch Wärmezufuhr dehnen sich die Verbindungspartner thermisch aus und üben in der Folge dieser Ausdehnung und/oder durch die Verhinderung ihrer ungehinderten Ausdehnung durch den Rahmen Kräfte aufeinander aus, die den Anpressdruck erhöhen oder reduzieren können. Durch unvermeidbare Toleranzen in den Abmessungen der zu lötenden Bauteile treten Abweichungen beim Anpressdruck auf. Zu kleine Bauteile führen zu einer Erniedrigung oder gar zu einem völligen Ausbleiben des Anpressdrucks, wobei zu große Bauteile die Presskraft so sehr erhöhen können, dass die Bauteile oder der Rahmen deformiert werden.
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Eine weitere bekannte Methode zur Steigerung des Anpressdrucks sieht den Einsatz von Federkräften vor. Durch Materialermüdung, insbesondere unter Wärmeeinwirkung, tritt ein Nachlassen der Federkonstante auf, wodurch die Federn mit der Zeit unbrauchbar werden und/oder ein gleichbleibender Druck kaum mehr realisierbar ist.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen wenigstens zwei Verbindungspartnern zu schaffen, mit dem Nachteile bekannter Verfahren nach Möglichkeit vermieden werden können. Auch ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen wenigstens zwei Verbindungspartnern zu schaffen, mit dem Nachteile bekannter Anordnungen nach Möglichkeit vermieden werden können.
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Die Aufgabe zum Verfahren wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe zur Anordnung wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen wenigstens zwei Verbindungspartnern, bei dem diese Verbindungspartner wenigstens zeitweilig durch Anwendung eines Drucks gegeneinander gepresst werden, und bei dem der Druck wenigstens teilweise durch wenigstens eine Gasdruckfeder erzeugt oder verstärkt wird, deren Gasfüllung sich durch Wärmezufuhr während der Herstellung der Verbindung ausdehnt oder auszudehnen versucht.
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Der zum Löten oder allgemeiner zum Fügen, also insbesondere auch Schweißen und/oder Kleben der Verbindungspartner, notwendige Spanndruck wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch wenigstens ein Spannelement, die wenigstens eine Gasdruckfeder, erzeugt, das sich beim Erwärmen während des Lötens, also beispielsweise im Lötofen, vorzugsweise erheblich stärker ausdehnt als das Gegenlager oder der Rahmen und das Lötgut, und somit eine Kraft auf das Lötgut ausübt.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht die Einwirkung einer verhältnismäßig hohen Anpresskraft bei gleichzeitig verhältnismäßig geringem Gewicht. Gleichzeitig werden Toleranzen in den Abmessungen der Bauteile gut ausgeglichen. Eine Veränderung des Anpressdrucks durch Materialermüdung ist nicht zu befürchten, da die thermischen Ausdehnungseigenschaften von Gasen keiner Alterung unterliegen, zumindest solange die chemische Konstitution der verwendeten Gase sich nicht, beispielsweise durch eine chemische Reaktion, ändert. Ein etwaiges Setzverhalten der zu verbindenden Bauteile wird automatisch ausgeglichen.
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Unter einer stoffschlüssigen Verbindung versteht der Fachmann eine Verbindung wenigstens zweier Verbindungspartner, bei denen diese Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte, insbesondere durch die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte, zusammengehalten werden. Beispiele für Verfahren zur Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen sind das Löten, Schweißen und das Kleben.
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Vorzugsweise wird die Verbindung, die auch Fügung genannt wird, durch Löten, Schweißen, Kleben oder durch eine Kombination dieser Fügeverfahren, das sogenannte Hybridfügen, hergestellt.
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Beim Löten entsteht eine flüssige, vorzugsweise metallische Phase durch Schmelzen eines Lotes und/oder durch Diffusion an den Grenzflächen der Fügepartner, auch Verbindungspartner genannt. Die Liquidustemperatur bzw. die Liquidustemperaturen der zu verbindenden Materialien wird beim Löten nicht erreicht oder gar überschritten. Es wird also eine Oberflächenlegierung erzeugt, aber die Materialien der Fügepartner werden nicht in ihrer Tiefe aufgeschmolzen.
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Beim Schweißen werden die Liquidustemperaturen der zu verbindenden Materialien überschritten. Die zu verbindenden Materialien werden unter Inkaufnahme ihrer zumindest teilweisen Verflüssigung erhitzt. Dabei vermischen sich die verflüssigten Materialien zu einer Legierung. Durch die Verflüssigung und anschließende Verfestigung können die Materialeigenschaften der Fügepartner unter bestimmten Umständen nachteilig beeinflusst werden.
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Beim Kleben werden die Verbindungspartner mit Hilfe eines Klebstoffes stoffschlüssig verbunden. Der Klebstoff diffundiert beim Kleben in der Regel nicht oder nur in vernachlässigbarem Umfang in die Materialien der Verbindungspartner, die vom Klebstoff lediglich benetzt werden.
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Eine Gasdruckfeder, vom Fachmann auch kurz Gasfelder genannt, ist eine pneumatische Feder, also ein Bauteil mit vorzugsweise elastisch rückstellendem Verhalten unter Belastung durch äußere Kräfte, bei das pneumatische Verhalten eines Gases unter Kompression und/oder Expansion zur Bereitstellung der Rückstellkräfte herangezogen wird. Gasdruckfedern im Sinne der vorliegenden Erfindung weisen ein in einen Behälter mit einem variablen Volumen eingeschlossenes Gas auf, das sich durch Wärmezufuhr ausdehnt oder auszudehnen versucht und dabei eine Kraft auf die begrenzenden Wände des Behälters ausübt. Der Behälter weist vorzugsweise im Wesentlichen die Form eines vorzugsweise geraden Zylinders auf, dessen Höhe variabel ist, und dessen beide Grundflächen zwischen den zu verbindenden Bauteilen und einem Gegenlager eingespannt sind oder werden können. Das Gegenlager kann vorzugsweise ein Rahmen oder beispielsweise die Wand eines Ofens, insbesondere eines Lötofens sein.
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Vorzugsweise wird die Wärmezufuhr durch eine Wärmequelle bewirkt, die gleichzeitig die thermische Expansion des Gases in der wenigstens einen Gasdruckfeder und auch die stoffschlüssige Verbindung der Verbindungspartner, insbesondere das Schmelzen eines Lotes oder die Diffusion der Materialien der Verbindungspartner an deren Grenzfläche bewirkt. Die Wärmequelle ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Lot und/oder Materialien der Verbindungspartner durch die Wärmezufuhr ganz oder teilweise aufgeschmolzen wird bzw. werden, und dass gleichzeitig dem Gas in der Gasdruckfeder eine Wärmemenge zugeführt wird, die die erwünschte Steigerung des Pressdrucks bewirkt. Vorzugsweise ist die Wärmequelle ein Lötofen. Solche Ausführungsbeispiele haben den Vorteil, dass sie in der Regel weniger aufwändig und deshalb kostengünstiger sind als getrennte Wärmezuführungen.
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Alternativ dazu kann aber die Wärmezufuhr zum Lot oder zu den Materialien der Verbindungspartner auch unabhängig von der Wärmezufuhr zu der Gasdruckfeder ausgestaltet sein, wenn dies einer besseren Steuerung dieser Wärmezufuhren beiträgt. In solchen Fällen können das Lot oder die Materialien der Verbindungspartner beispielsweise induktiv beheizt werden, und das Gas in der Gasfeder könnte durch Wärmeleitung über einen wärmeleitenden Kontakt der Gasfeder zum Rahmen oder zum Lötofen beheizt werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen wenigstens zwei Verbindungspartnern, bei dem diese Verbindungspartner wenigstens zeitweilig durch Anwendung eines Drucks gegeneinander gepresst werden, wobei die Anordnung wenigstens eine Gasdruckfeder aufweist, die den Druck erzeugt oder verstärkt, indem ihre Gasfüllung sich durch Wärmezufuhr während der Herstellung der Verbindung ausdehnt oder auszudehnen versucht.
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Dabei wird die Gasdruckfeder vorzugsweise zusammen mit den Verbindungspartnern, beispielsweise einem Plattenstapel eines Wärmetauschers, derart in einen Rahmen oder zwischen die Wände eines Ofens eingespannt, dass eine Erwärmung des Gases in der Gasdruckfeder zu einer Erhöhung des Druckes auf die Verbindungspartner führt.
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Vorzugsweise ist die wenigstens eine Gasdruckfeder derart ausgestaltet oder eingerichtet, insbesondere dimensioniert, dass eine plastische Verformung dieser Gasdruckfeder einsetzt und ihre weitere Ausdehnung verhindert, bevor diese Ausdehnung eine unerwünschte plastische Verformung, insbesondere eine Deformation eines der Verbindungspartner bewirken könnte.
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Unter einer plastischen Verformung eines Körpers versteht der Fachmann eine irreversible Verformung des Körpers als Folge einer auf den Körper einwirkenden Kraft. Viele Materialien werden zunächst reversibel, insbesondere elastisch, verformt, bevor bei dem Überschreiten einer Grenze eine plastische Verformung eintritt. Diese Grenze kann auch abhängig von der Temperatur sein.
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Die Gasdruckfeder ist vorzugsweise derart ausgestaltet oder eingerichtet, insbesondere dimensioniert, dass Grenze, bei oder oberhalb der eine irreversible Verformung auftreten kann unter der entsprechenden Grenze für die übrigen beteiligten Körper und Materialien liegt. Wenn dies der Fall ist, findet bei Annäherung an oder nach dem Überschreiten dieser Grenze keine weitere Druckerhöhung statt, so dass eine irreversible Verformung der übrigen beteiligten Körper und Materialien auf diese Weise ausgeschlossen werden kann. Vorzugsweise ist die Gasdruckfeder mit einem Überdruckventil, einer Sollbruchstelle oder mit einer mechanischen Begrenzung ihrer Höhenausdehnung versehen, beispielsweise in Form einer Drahtverbindung zwischen den beiden Grundplatten eines die Gasdruckfeder konstituierenden Zylinders.
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Vorzugsweise besteht die wenigstens eine Gasdruckfeder aus einem Wellrohr oder weist ein Wellrohr auf. Das Wellrohr weist vorzugsweise parallele, ringförmige Ausformungen auf. Es können aber beispielsweise auch Wellrohre mit spiralförmigen Wellen eingesetzt werden. Anstelle eines Wellrohrs kann auch ein gasdichter Metallbalg, also ein metallischer Zylinder mit wellenförmig wechselndem Durchmesser, eingesetzt werden.
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Vorzugsweise ist die wenigstens eine Gasdruckfeder, insbesondere das Wellrohr, an ihren beiden Enden gasdicht verschlossen. Auf diese Weise ist ein Einschluss des Gases in der Gasdruckfeder auf eine Weise zu erreichen. Alternativ dazu könnten die an die Gasfeder angrenzenden Grenzflächen der Verbindungspartner und/oder des Gegenlagers (d. h. insbesondere des Rahmens oder der Ofenwand) für den Einschluss des Gases in der Gasdruckfeder sorgen, sofern diese Flächen ausreichend eben sind und mit den Rändern des die Gasdruckfeder konstituierenden Zylinders abschließen.
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Vorzugsweise ist die wenigstens eine Gasdruckfeder an ihren beiden Enden gasdicht verschweißt. Da verschweißte Verbindungen regelmäßig fester sind als gelötete oder geklebte Verbindungen und zu ihrer Herstellung oder zu ihrem Lösen regelmäßig höhere Temperaturen erforderlich sind als zum Löten oder Kleben, sollte eine verschweißte Gasdruckfeder höheren Belastungen stand halten.
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Vorzugsweise ist die wenigstens eine Gasdruckfeder derart ausgestaltet oder eingerichtet, insbesondere dimensioniert, dass ihre Ausdehnung bei Erwärmung groß ist gegen die Ausdehnung der Anordnung, insbesondere der Gegenlager und der Verbindungspartner. Auf diese Weise wird die Wirkung der Gasdruckfeder erhöht.
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Vorzugsweise enthält die wenigstens eine Gasdruckfeder das Gas wenigstens zeitweise in flüssiger und in gasförmiger Phase. Durch eine geeignete Wahl der chemischen Zusammensetzung des Gases ist es möglich, die thermodynamischen Eigenschaften des Gases oder des Gemisches aus dem Gas und der Flüssigkeit so zu beeinflussen, dass eine gewünschte Abhängigkeit der Federkraft von der Temperatur erreicht wird, mit der die Herstellung der Verbindung sicher und ohne unerwünschte Verformungen möglich wird. Unterhalb der kritischen Temperatur gibt es ein Zwei-Phasen-Koexistenzgebiet, in dem der Druck, zumindest innerhalb bestimmter Volumengrenzen, nicht oder im Wesentlichen nicht von dem Volumen des Gases abhängt. Dieser Bereich eignet sich besonders für eine einfache Montage der Anordnung. Erhöht man die Temperatur über die kritische Temperatur, hängt der Druck – mit steigender Temperatur zunehmend – in ähnlicher Weise vom Volumen ab, wir dies bei einem idealen Gas der Fall ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Figuren der Zeichnung
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Weise eine erste Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 in schematischer Weise eine zweite Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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3 eine schematische Darstellung der Kraft einer Gasfeder als Funktion der Temperatur.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Bei den in den 1 oder 2 gezeigten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Anordnung werden die Verbindungspartner W, insbesondere Wärmeübertragern W, mit Gasdruckfedern GF verspannt, um die notwendige Presskraft F zu erzeugen. Die Erhöhung des Gasinnendrucks durch die thermische Ausdehnung bewirkt eine hohe Spannkraft bei hohen Temperaturen.
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Die Anpresskraft wird vorzugsweise mittels Gasdruckfedern GF aufgebracht, die vorzugsweise zwischen dem zu lötenden Block W und einem Rahmen, insbesondere einem Lötgestell LG oder zwischen Gegenlagern GL, eingespannt werden. Über die Vorspannung der Anordnung kann die Kraft im kalten Zustand eingestellt werden. Zu lötende Wärmeübertrager W, zum Beispiel Verdampfer und Kondensatoren für WHR-Systeme, bestehen in der Regel aus austenitischem Edelstahl. Stapelscheibenälkühler bestehen häufig aus Aluminium in Stapelscheibenausführung. Die Gasdruckfedern, die vorzugsweise ebenfalls aus austenitischem Edelstahl mit eingeschlossenem Gasvolumen aufgebaut sind, wachsen bedingt durch die Volumenzunahme des eingeschlossenen Gases bei Erwärmung des Systems im Lötofen. Die Anpresskraft wird dadurch erhöht.
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Durch die Längenausdehnung der Gasdruckfedern kann das Setzverhalten der Stapelscheiben bei ausreichender Anpresskraft kompensiert werden. Damit die Anpresskraft nicht zu hoch wird und zu einer Deformation des Wärmeübertragers oder des Lötgestells führt, sind die Gasdruckfedern so dimensioniert, dass zunächst eine plastische Verformung der Gasdruckfedern einsetzt bevor es zu eines plastischen Verformung des Wärmeübertragers kommen kann. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass einerseits eine ausreichend hohe Presskraft für eine prozesssichere Verlötung vorhanden ist, andererseits diese nicht zu hoch wird und den Wärmeübertrager oder das Lötgestell beschädigt.
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Die Gasdruckfedern bestehen aus einem Wellrohr, welches an beiden Enden gasdicht verschlossen wird, vorzugsweise verschweißt. Die Gasdruckfedern werden mit einem definierten Durchmesser und der entsprechenden Anzahl von Wellungen bauteilspezifisch ausgelegt und können daher die Bauteiltoleranzen und das Setzverhalten sehr leicht ausgleichen.
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Eine gleichmäßige Presskraft ist daher unabhängig von der Bauteiltoleranz sichergestellt. Je nach Bauteilgröße können eine oder mehrere Gasdruckfedern zum Einsatz kommen.
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In der 3 ist der für eine Gasfeder typische lineare Verlauf der Kraft als Funktion der Temperatur gut erkennbar. Dieser lineare Verlauf kann vorzugsweise durch die Verwendung eines Zwei-Phasensystems nach Bedarf anwendungsspezifisch modifiziert werden.
