DE102016124206A1

DE102016124206A1 - Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren und Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE102016124206A1
Application number: DE102016124206.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren, bei dem abwechselnd erste Platten (1) und zweite Platten (2) aufeinander gestapelt und so miteinander verlötet werden, dass ein Plattenstapel mit zwischen benachbarten Platten (1, 2) verlaufenden Kanälen (3) entsteht, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen zumindest einer ersten Platte (1) und einer zweiten Platte (2), wobei die erste Platte (1) und/oder die zweite Platte (2) Vertiefungen und Erhöhungen aufweisen, welche beim Aufeinanderlegen der ersten Platte (1) und der zweiten Platte (2) Kanäle (3) bilden; Flächiges Aufbringen einer ersten Lötmaterialschicht (4) auf die erste Platte (1); Aufbringen einer zweiten Lötmaterialschicht (5) auf die erste Platte (1) im zumindest an Kontaktbereichen (15) der ersten Platte (1) mit der zweiten Platte (2); Temperaturbehandlung der ersten Lötmaterialschicht (4) und der zweiten Lötmaterialschicht (5), sodass aus der ersten Lötmaterialschicht (4) eine Erstarrungsschicht (41) gebildet wird und die zweite Lötmaterialschicht (5) Lötverbindungen (51) zwischen der ersten Platte (1) und der zweiten Platte (2) an den Kontaktbereichen (15) erzeugt. Ferner betrifft die Erfindung einen Plattenwärmetauscher, der nach diesem Verfahren hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren und einen Plattenwärmetauscher. Bei dem Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren werden abwechselnd erste Wärmetauscherplatten, nachfolgend verkürzt erste Platten, und zweite Wärmetauscherplatten, nachfolgend verkürzt zweite Platten, aufeinander gestapelt und so miteinander verlötet, dass ein Plattenstapel mit zwischen benachbarten Platten verlaufenden Kanälen entsteht.
Ein Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren und ein Plattenwärmetauscher sind beispielsweise aus der WO02/090032A1 bekannt, welche ein Verfahren zum Verbinden von dünnen Platten aus einem eisenbasierten Material beschreibt, die mit Durchgangslöchern und einem Druckmuster von Erhöhungen und Vertiefungen über einen Wärmetauschbereich der Platten und, falls vorhanden, über einen Verteilbereich, versehen sind. Die Platten werden mit einem Lötmaterial derart beschichtet, dass 5-40 Prozent des Wärmetauschbereiches und des Verteilbereiches mit dem Lötmaterial beschichtet werden, und vor dem Verbinden auf eine solche Weise angeordnet, dass ein Kontakt zwischen benachbarten Erhöhungen und Vertiefungen erreicht wird. Anschließend werden die Platten mittels eines Heizvorgangs in den gebildeten Kontaktpunkten miteinander verlötet.
Weiterhin ist aus einem nicht druckschriftlich belegten Stand der Technik bekannt, Innenflächen von Wärmeübertragern mittels Laserabtragung oder mittels anderen Abtragungsverfahren mit Strukturen zu versehen. Wenn der Wärmeübertrager für Verdampfung ausgelegt ist, dann dienen diese Strukturen zur örtlichen Dampfblasenbildung. Im Falle eines Einsatzes als Kondensator dienen sie der örtlichen Dampfkondensation.
Es besteht aber weiterhin ein Bedarf, einen Wärmeübergang von Plattenwärmetauschern zu verbessern. Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren und einen Plattenwärmetauscher bereitzustellen, um einen optimierten Wärmeübergang zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Plattenwärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die Erfindung betrifft ein Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren, bei dem abwechselnd erste Platten und zweite Platten aufeinander gestapelt und so miteinander verlötet werden, dass ein Plattenstapel mit zwischen benachbarten Platten verlaufenden Kanälen entsteht. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: Bereitstellen zumindest einer ersten Platte und einer zweiten Platte, wobei die erste Platte und/oder die zweite Platte Vertiefungen und Erhöhungen aufweisen, welche beim Aufeinanderlegen der ersten Platte und der zweiten Platte Kanäle bilden; Flächiges Aufbringen einer ersten Lötmaterialschicht auf die erste Platte; Aufbringen einer zweiten Lötmaterialschicht auf die erste Platte zumindest an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der zweiten Platte; und Temperaturbehandlung der ersten Lötmaterialschicht und der zweiten Lötmaterialschicht, sodass aus der ersten Lötmaterialschicht eine Erstarrungsschicht gebildet wird und die zweite Lötmaterialschicht Lötverbindungen zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte an den Kontaktbereichen erzeugt.
Die Oberfläche der ersten Platte kann in einen ersten Wärmetauschbereich und einen ersten Verteilbereich unterteilt sein, wobei die Vertiefungen und Erhöhungen, wenn vorhanden, hauptsächlich oder ausschließlich im Wärmetauschbereich ausgebildet sein können. Entsprechend kann die zweite Platte in einen zweiten Wärmetauschbereich und einen zweiten Verteilbereich unterteilt sein. Dementsprechend ist dann der Plattenstapel in einen oder mehrere Wärmetauschbereiche, in dem oder in denen die Wärmeübertragung überwiegend oder hauptsächlich stattfindet, und einen oder mehrere Verteilbereiche unterteilt, welche für die Verteilung von Fluiden in die zugehörigen Kanäle zuständig sind. Alle nachfolgend für das Auftragen der ersten und/oder zweiten Lötmaterialschicht gemachten Angaben gelten für das Auftragen über die gesamte erste Platte. In alternativen Ausführungsformen können diese Angaben aber auch nur für das Auftragen in dem ersten Wärmetauschbereich oder in dem ersten Verteilbereich zutreffen.
Durch das flächige Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht entsteht bei der Temperaturbehandlung mit der Erstarrungsschicht eine Oberfläche der ersten Platte, die Oberflächen-Bereiche eines Grundmaterials der ersten Platte und weitere Oberflächen-Bereiche geschmolzenen Lotmaterials, bei einigen Lote, wie Eisenbasislote, mit teilweise angeschmolzenem Grundmaterial der ersten Platte aufweist. Die Oberflächen-Bereiche geschmolzenen Lotmaterials mit teilweise angeschmolzenem Grundmaterial unterscheiden sich von den Oberflächen-Bereichen des Grundmaterials nicht nur metallurgisch, sondern auch, insbesondere bei der Bildung von Sprödphasen, durch eine veränderte Oberflächenstruktur mit sehr feinen Strukturen. Diese, gegenüber der eines gesinterten oder durch Metallspritzen erzeugten Überzuges, sehr feine Oberflächenstruktur zieht eine Vergrößerung der Oberfläche nach sich und vergrößert die Rauigkeit. Dies geschieht vorliegend nicht durch Materialabtrag, wie beim Ätzen, oder durch Umverteilen des Materials, wie beim Strukturieren mittels Laser- oder Elektronenstrahl, sondern durch Materialauftrag und in einem Arbeitsgang gleichzeitig mit einem Fügevorgang. Diese sehr feine Präparierung der Oberfläche bewirkt zudem im Gegensatz zu makroskopischen Strukturen eine deutliche Steigerung des Wärmeübergangs.
Die Vorteile eines derart hergestellten Plattenwärmetauschers sind vielfältig und hängen teilweise von dem Einsatzgebiet und der Bauweise des Wärmetauschers ab. Bei einphasiger Wärmeübertragung, vergrößert das Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht die Rauigkeit der ersten Platte. Eine Vergrößerung der Rauigkeit bewirkt eine Vergrößerung der Oberfläche der ersten Platte und eine Vergrößerung der Wärmeübergangszahl. Bei Verdampfung in einem als Verdampfer ausgelegten Wärmetauschers ist die Bildung von Vertiefungen ein Vorteil, in denen die Flüssigkeit örtlich so weit verzögert wird, dass der Wärmestrom zu einer gegenüber einer glatten Oberfläche der ersten Platte vermehrten Bildung von Dampfblasen führt, die auch Blasenkeimstellen genannt werden. Bei der erfindungsgemäß hergestellten Oberfläche der ersten Platte mit angeordneter Erstarrungsschicht ist bei Verwendung des Plattenwärmetauschers als Verdampfungsvorrichtung eine Steigerung des Wärmeübergangs um einen Faktor zwischen 1 und 5 gegenüber einer glatten Oberfläche der ersten Platte ohne Erstarrungsschicht möglich.
Schließlich haben Wärmetauscher, die als Kondensator ausgelegt und eingesetzt sind, üblicherweise folgenden Nachteil: Wenn die Kondensation von Dampf an kühlenden Oberflächen eintritt, dann behindert die entstehende Kondensatschicht den Wärmeübergang vom Dampf an die Oberfläche. Wenn die raue Erstarrungsschicht insbesondere deren Sprödphasen so weit aus der Oberfläche heraus ragen, dass sie sich auch über die Kondensatschicht erheben, entziehen sie dem Dampf Wärme, sodass der Dampf kondensiert. Mit dem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher mit präparierter Oberfläche der ersten Platte kann bei Verwendung als Kondensationsvorrichtung eine Steigerung des Wärmeübergangs auf das 5-fache bis 10-fache erreicht werden.
Konventionelle Plattenwärmetauscher können sehr turbulent durchströmt werden und besitzen daher selbstreinigende Eigenschaften, die durch glatte Oberflächen innerhalb der Plattenstruktur unterstützt werden. Deshalb sind sie weniger empfindlich gegen Fouling als andere Bauarten. Diese glatte Oberfläche besitzen die ersten Platten zumindest nicht beidseitig, weshalb unter bestimmten Umständen eine vergrößerte Neigung zu Fouling möglich ist.
Das Grundmaterial der Platten ist vorzugsweise Metall. Bevorzugter sind die Platten Titan-, Aluminium- oder Stahlplatten. Besonders bevorzugt sind die Platten Edelstahlplatten. Sie weisen bevorzugt eine Dicke von maximal 0,8 mm, bevorzugter von maximal 0,6 mm auf.
Vorzugsweise wird die erste Lötmaterialschicht in einer so dünnen Schicht aufgebracht, dass sich nach der Temperaturbehandlung keine geschlossene Erstarrungsschicht bildet. Eine Schichtdicke der Lötmaterialschicht auf der ersten Platte liegt vorzugsweis in einem Bereich zwischen 10 µm und 100 µm, bevorzugt in einem Bereich von maximal 60 µm, 40 µm oder 20 µm.
Während die erste Lötmaterialschicht auf die erste Platte flächig aufgebracht wird, wird die zweite Lötmaterialschicht auf die erste Platte zumindest an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der zweiten Platte vorzugsweise punktförmig und/oder strichförmig aufgebracht. Beispielsweise kann die zweite Lötmaterialschicht aus einzelnen Lötmaterialinseln, vorzugsweise nur an den Kontaktbereichen, bestehen, welche Durchmesser von bis zu 5 mm, bevorzugter von bis zu 3 mm aufweisen.
Mit der Formulierung, dass „die zweite Lötmaterialschicht zumindest an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der zweiten Platte aufgebracht wird“, ist gemeint, dass die zweite Lötmaterialschicht auf einen Bereich der ersten Platte aufgebracht wird, der nach der Temperaturbehandlung den Kontaktbereich bildet, in dem die beiden Platten aufliegen und/oder über Lötverbindung miteinander verbunden sind. Die zweite Lötmaterialschicht kann auf einen Teil der Kontaktbereiche oder auf jedem Kontaktbereich aufgebracht werden. Der Kontaktbereich ist vorzugsweise punktförmig oder linienförmig ausgebildet.
Jede Platte weist zwei flächig ausgebildete Seiten auf. Das Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht auf die erste Platte kann einseitig erfolgen. Alternativ wird die erste Lötmaterialschicht beidseitig auf die erste Platte aufgebracht.
Das Aufbringen der zweiten Lötmaterialschicht auf die erste Platte zumindest an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der zweiten Platte erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform einseitig. Es ist alternativ bevorzugt, die zweite Lötmaterialschicht beidseitig aufzubringen. Dabei wird die zweite Lötmaterialschicht auf eine der beiden Seiten der ersten Platte zumindest an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der zweiten Platte aufgebracht und auf der anderen der beiden Seiten der ersten Platte zumindest an Kontaktbereichen der ersten Platte mit einer weiteren zweiten Platte aufgebracht.
Die Temperaturbehandlung umfasst einen Lötvorgang, bei dem die erste und zweite Platte an den vorbestimmten oder allen Kontaktbereichen miteinander verlötet werden. Die Temperaturbehandlung der ersten Lötmaterialschicht und der zweiten Lötmaterialschicht wird vorzugsweise unter Vakuum oder in Gegenwart eines Inert- oder Schutzgases wie beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff, Helium oder Argon durchgeführt. Beispielsweise wird die Temperaturbehandlung in einem Vakuumofen durchgeführt, oder in einem Durchlaufofen. Die Temperaturbehandlung der ersten Lötmaterialschicht und der zweiten Lötmaterialschicht kann gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen, beispielsweise ist es möglich, dass die Temperaturbehandlung der ersten Lötmaterialschicht vor dem Aufbringen der zweiten Lötmaterialschicht durchgeführt wird. Bevorzugt wird die Temperaturbehandlung der ersten und zweiten Lötmaterialschicht jedoch in einem Schritt durchgeführt. Dies spart Zeit, Energie und Kosten.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Lötmaterialschicht auf zumindest 70%, 80%, 90% oder 95% der Fläche der ersten Platte oder im Wesentlichen vollflächig auf die erste Platte aufgebracht. Dadurch kann eine vergleichsweise großflächige Rauigkeit an der Oberfläche der ersten Platte erzielt werden. Um die genannten Vorteile zu erzielen, ist es wichtig, dass die erste Lötmaterialschicht auf die überwiegende Fläche der ersten Platte aufgebracht wird, so dass die mit der ersten Lötmaterialschicht bedeckte Fläche gegenüber der unbedeckten Fläche überwiegt, vorzugsweise weit überwiegt.
Wie vorstehend erwähnt, weist eine der beiden Platten oder weisen die Platten Vertiefungen und Erhöhungen auf, welche beim Aufeinanderlegen der ersten Platte und der zweiten Platte Kanäle bilden. Der erste Verteilbereich bildet einen Eintrittsbereich für ein Medium, das bei Betrieb des Plattenwärmetauschers durch die Kanäle fließen soll, und weist daher eine Eintrittsöffnung auf, durch die das Medium über einen ersten Hohlraum in die Kanäle eintreten kann.
Die erste Lötmaterialschicht und die zweite Lötmaterialschicht können eine Lotlegierung aufweisen, die mit einem Bindemittel und/oder Lösungsmittel gemischt und/oder in einem Bindemittel und/oder Lösungsmittel dispergiert ist. Die Mischung und/oder die Dispersion wird auf die erste Platte aufgebracht. Der Gehalt an dem Binder hängt von dem Lösungsmittelgehalt, der Viskosität des Binders, von der gewünschten Konsistenz der Mischung und/oder Dispersion und von Betriebsparametern der Auftragsvorrichtung beispielsweise einer Sprühvorrichtung ab. Die Mischung und/oder Dispersion kann mittels Aufsprühen, Aufspritzen, auch Metallspritzen, Siebdruck oder Schablonendruck auf die erste Platte aufgebracht werden. Die erste Lötmaterialschicht wird vorzugsweise mittels Sprühen auf die erste Platte aufgebracht. Alternativ können der Binder und/oder das Lösungsmittel auch vor der Lotlegierung aufgebracht werden. Die Lotlegierung ist vorzugsweise pulverförmig. Sie weist einen Schmelzpunkt auf, der niedriger ist als der Schmelzpunkt des Grundmaterials der ersten und der zweiten Platte.
Die Temperaturbehandlung der ersten und zweiten Lötmaterialschicht wird vorzugsweise derart durchgeführt, dass das Lösungsmittel und/oder der Binder verdampfen, bevor die jeweilige Lotlegierung ihre Löttemperatur erreicht. Die Temperaturbehandlung wird bei Verwendung des Binders und/oder Lösungsmittels vorzugsweise stufenweise durchgeführt, so dass der Binder und das Lösungsmittel verdampfen, bevor die jeweilige Lotlegierung ihre Löttemperatur erreicht.
Die erste und die zweite Lötmaterialschicht können aus unterschiedlichen Lotlegierungen gebildet sein oder bestehen.
Bevorzugt enthalten die erste Lötmaterialschicht und die zweite Lötmaterialschicht die gleiche Lotlegierung. Eine geeignete Lotlegierung für die erste Lötmaterialschicht und die zweite Lötmaterialschicht ist beispielsweise eine Nickelbasislegierung gegebenenfalls mit Chrom oder eine Eisenbasislegierung. Alternativ bevorzugt können die erste Lötmaterialschicht und die zweite Lötmaterialschicht eine Lotlegierung auf Kupfer-, Cobalt- oder Silberbasis enthalten. Besonders bevorzugt enthält die Lotlegierung Eisen. Die Lotlegierung enthält bevorzugt weiterhin einen oder mehrere schmelzpunktsenkenden Zusatzstoff wie beispielsweise Silizium und/oder Bor. Der schmelzpunktsenkende Zusatzstoff kann während der Temperaturbehandlung in das Grundmaterial der ersten Platte diffundieren. Ferner können der Lotlegierung Partikel mit besserer Wärmeleitung und höherem Schmelzpunkt als das Lot wie beispielsweise Siliziumcarbid beigemischt werden. Damit kann der Wärmeübergang weiter gesteigert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Lötmaterialschicht aus einer Suspension auf die erste Platte aufgetragen, wobei die Suspension aus einer Lotlegierung, einem Binder und einem Lösungsmittel gebildet ist. Beispiele für den Binder sind Binder auf Gelatinebasis, bevorzugt Cellulosebasis oder Ethyleglycol oder solche auf Pyrenbasis. Der Gehalt an dem Binder und dem Lösungsmittel hängt von der Viskosität des Binders, der gewünschten Konsistenz der Suspension und den Abmessungen und Leistung einer verwendeten Auftragsvorrichtung ab. Vorzugsweise wird die Suspension mittels Besprühen der ersten Platte auf diese aufgebracht.
Bevorzugt wird während oder nach dem Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht aus der Suspension ein Trocknungsschritt durchgeführt, bei dem die erste Lötmaterialschicht mittels Erwärmung an die erste Platte angetrocknet wird. Bevorzugterweise wird der Trocknungsschritt zwischen der ersten Lötmaterialschicht und dem Aufbringen der zweiten Lötmaterialschicht durchgeführt, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Alternativ oder zusätzlich kann der Trocknungsschritt auch während des Aufbringens der ersten Lötmaterialschicht erfolgen, beispielsweise indem die erste Platte vor oder während des Aufbringens der ersten Lötmaterialschicht erwärmt wird. Ein Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht mittels Aufsprühen auf eine bereits erhitze erste Platte kann zu einer homogeneren Verteilung des Lots führen, nachdem das Lösungsmittel verdampft ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird weiterhin die erste Lötmaterialschicht auf die zweite Platte beidseitig oder einseitig ausgebracht. Die vorangehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und Auftragsverfahren für das Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht auf die erste Platte können entsprechend auch für das Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht auf die zweite Platte eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Lötmaterialschicht einseitig auf die erste Platte und einseitig auf die zweite Platte aufgebracht, wobei die Seiten der ersten und zweiten Platte mit der ersten Lötmaterialschicht einander zugewandt sind, während die voneinander abgewandten Seiten der ersten und zweiten Platte jeweils frei von der ersten Lötmaterialschicht sind. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Plattenwärmetauscher als Verdampfer genutzt werden soll. Bei dieser Ausführungsform durchströmt lediglich eines der beiden Medien Kanäle, welche beidseitig mit der Erstarrungsschicht belegt sind, während das andere Medium innerhalb von Kanälen mit im Wesentlichen glatten Wänden strömt.
In besonderen Ausführungsformen werden die erste Lötmaterialschicht und die zweite Lötmaterialschicht auf unterschiedlichen Seiten der ersten Platte und/oder auf unterschiedlichen Seiten der zweiten Platte aufgebracht. Das bedeutet, die erste Lötmaterialschicht wird auf einer Seite der ersten Platte aufgebracht und die zweite Lötmaterialschicht wird auf die andere Seite der ersten Platte aufgebracht, und bei der zweiten Platte gegebenenfalls entsprechend. In vorteilhaften Ausführungsformen werden jedoch die erste Lötmaterialschicht und die zweite Lötmaterialschicht aufeinander auf der gleichen Seite der ersten Platte aufgebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Platten und/oder die zweiten Platten jeweils aus einem wellenförmig geformtem Metallblech gebildet, wobei die Vertiefungen und Erhöhungen in den Wärmetauschbereichen aus Wellentälern und Wellenbergen geformt sind. Die Wellenform weist bevorzugt ein Fischgrätenmuster auf. Der Ausdruck „wellenförmig geformtes Metallblech“ umfasst ein Metallblech mit sinusförmiger, trapezförmiger oder gestufter Profilierung. Auch weitere Profilierungen sind denkbar. Vorzugsweise ist die erste Platte einstückig mit dem Wärmetauschbereich und dem Verteilbereich ausgebildet. Die Vertiefungen und Erhöhungen können sich bei bestimmten Ausführungsformen auch in die Verteilbereiche hinein erstrecken.
Die erste und zweite Platte können identisch oder verschieden ausgebildet sein. Dabei ist eine Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen von Erhöhungen und Vertiefungen möglich. Beispielsweise kann die erste Platte eine so genannte H-Platte sein und die zweite Platte eine so genannte L-Platte sein oder umgekehrt. Bei der H-Platte handelt es sich um eine Platte mit Vertiefungen und Erhöhungen mit einem stumpfen Prägewinkel. Bei der L-Platte handelt es sich um eine Platte mit Vertiefungen und Erhöhungen mit einem spitzen Prägewinkel. Weiterhin können die erste und die zweite Platte einen gleichen oder verschiedenen Strömungsquerschnitt aufweisen. Auch ist es möglich, dass die erste Platte makroskopisch glatt ausgebildet ist, d.h. keine Erhöhungen und Vertiefungen aufweist, während die zweite Platte Erhöhungen und Vertiefungen aufweist oder umgekehrt.
Bevorzugt weist die zweite Platte die gleiche Struktur auf, wie die erste Platte, und ist im Plattenstapel gegenüber der ersten Platte um 180° um eine senkrecht zu einer Plattenebene verlaufende Achse gedreht. An Kontaktbereichen sich kreuzender Erhöhungen bzw. Vertiefungen werden die ersten und zweiten Platten über die Lötverbindungen fest und abdichtend miteinander verbunden. Der Einsatz identischer oder im Wesentlichen identischer erster und zweiter Platten hat den Vorteil, dass für sämtliche Platten das gleiche Presswerkzeug eingesetzt werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner einen Plattenwärmetauscher aufweisend einen Plattenstapel aus ersten Platten und zweiten Platten, welche abwechselnd aufeinander gestapelt und an Kontaktbereichen so miteinander verlötet sind, dass zwischen benachbarten Platten Kanäle verlaufen, wobei die erste Platte und/oder die zweite Platte Vertiefungen und Erhöhungen aufweisen, welche beim Aufeinanderlegen der ersten Platte und der zweiten Platte die Kanäle bilden, wobei auf der ersten Platte flächig eine Erstarrungsschicht angeordnet ist, welche aus einer ersten Lötmaterialschicht mittels einer Temperaturbehandlung erzeugt ist.
Bevorzugt sind an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der zweiten Platte Lötverbindungen angeordnet, welche aus einer zweiten Lötmaterialschicht mittels der Temperaturbehandlung erzeugt sind. Die Kontaktbereiche sind bevorzugt punktförmig ausgebildet. Weiterhin sind die Lötverbindungen vorzugsweise punktförmig und/oder strichförmig ausgebildet. Die Lötverbindungen können an vorbestimmten Kontaktbereichen oder allen Kontaktbereichen angeordnet sein.
Der Plattenwärmetauscher ist aus aufeinander gestapelten ersten und zweiten Platten so zusammengesetzt, dass jeweils in aufeinanderfolgenden Kanälen des Plattenstapels abwechselnd einmal ein erstes Medium und einmal ein zweites Medium strömt, um thermische Energie, also Wärme, von dem ersten Medium zu dem zweiten Medium zu übertragen. Dabei sind die Platten so ausgebildet, dass sie im Plattenstapel Ein- und Austrittskanäle und Verteil-Wärmeübertragungs- und Sammelbereiche für die Medien ausbilden. Der Wärmeaustausch findet durch die Platte hindurch statt, welche ein wärmeabgebendes Medium von einem wärmeaufnehmenden Medium trennt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der ersten Platte im ersten Wärmetauschbereich flächig die Erstarrungsschicht einseitig angeordnet, welche aus einer ersten Lötmaterialschicht mittels einer Temperaturbehandlung erzeugt ist und sind an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der zweiten Platte auf der gleichen Seite wie die Erstarrungsschicht Lötverbindungen angeordnet, welche aus einer zweiten Lötmaterialschicht mittels der Temperaturbehandlung erzeugt sind. Ferner ist eine weitere zweite Platte, die auf der der Erstarrungsschicht gegenüberliegenden Seite der ersten Platte angeordnet ist, ebenfalls an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der weiteren zweiten Platte auf der der Erstarrungsschicht gegenüberliegende Seite über Lötverbindungen verlötet, welche aus einer weiteren zweiten Lötmaterialschicht mittels der Temperaturbehandlung erzeugt sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist auf der ersten Platte flächig die Erstarrungsschicht beidseitig angeordnet, welche aus einer ersten Lötmaterialschicht mittels einer Temperaturbehandlung erzeugt ist und sind an Kontaktbereichen der ersten Platte mit der zweiten Platte Lötverbindungen angeordnet, welche aus einer zweiten Lötmaterialschicht mittels der Temperaturbehandlung erzeugt sind und sind an Kontaktbereichen der ersten Platte mit einer weiteren zweiten Platte Lötverbindungen angeordnet, welche aus einer zweiten Lötmaterialschicht mittels der Temperaturbehandlung erzeugt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann auf der zweiten Platte weiterhin die Erstarrungsschicht angeordnet sein, welche aus einer ersten Lötmaterialschicht mittels einer Temperaturbehandlung erzeugt ist. Bevorzugt sind die erste Platte und die zweite Platte jeweils an ihren zu dem Wärme abgebenden Medium weisenden Seiten frei von der ersten Lötmaterialschicht und jeweils an ihren zu dem Wärme aufnehmenden Medium weisenden Seiten mit der ersten Lötmaterialschicht flächig beschichtet, oder umgekehrt. Zusätzlich sind die Platten über Lötverbindungen an Kontaktbereichen miteinander verbunden. Die erste Ausführungsform ist bei der Nutzung des Plattenwärmetauschers als Verdampfer vorteilhaft, die zweite beim Kondensator.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Plattenwärmetauschers sind weiterhin in Bezug auf sein Herstellungsverfahren beschrieben und gelten entsprechend. Vorzugsweise ist der Plattenwärmetauscher aus mindestens 2, 50 oder 100 ersten Platten und mindestens 2, 50 oder 100 zweiten Platten gebildet. Es gibt auch Ausführungsformen mit je einer ersten und zweiten Platte. Bevorzugterweise weist der Plattenwärmetauscher maximal 200, 250 oder 300 erste Platten und maximal 200, 250 oder 300 zweite Platten auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen nicht maßstabsgerecht:

1 bis 5 schematisch Schritte eines Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahrens.

1 bis 5 zeigen schematisch ein Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren, wobei eine Querschnittsansicht einer ersten Platte 1 und einer zweiten Platte 2 gezeigt ist, die abwechselnd aufeinander gestapelt und so miteinander verlötet werden, dass ein Plattenstapel mit zwischen benachbarten Platten 1, 2 verlaufenden Kanälen 3, wie in 4 und 5 gezeigt, entsteht. Der Übersichtlichkeit halber sind nur eine Platte 1 und eine Platte 2 gezeigt. Ein gelöteter Plattenwärmetauscher weist in der Regel bis zu 300 Platten auf. Das Verfahren beinhaltet folgende Verfahrensschritte, die in den 1 bis 5 gezeigt sind:
In 1 ist das Bereitstellen einer ersten Platte 1 mit einem ersten Wärmetauschbereich 11 und einer zweiten Platte 2 mit einem zweiten Wärmetauschbereich 21 gezeigt. Der erste Wärmetauschbereich 11 und der zweite Wärmetauschbereich 21 sind jeweils aus einem wellenförmig geformten Metallblech gebildet, wobei Vertiefungen und Erhöhungen in den Wärmetauschbereichen 11, 21 aus Wellentälern und Wellenbergen geformt sind. Die Wellenformen sind hier rein beispielhaft sinusförmig ausgebildet. Die erste Platte 1 weist neben dem ersten Wärmetauschbereich 11 einen ersten Verteilbereich 13 auf, der eine Eintrittsöffnung 131 aufweist. Weiterhin weist die zweite Platte 2 neben dem zweiten Wärmetauschbereich 12 einen zweiten Verteilbereich 23 auf, der eine Austrittsöffnung 231 aufweist.
Eine erste Lötmaterialschicht 4 wird auf die erste Platte 1 im ersten Wärmetauschbereich 11 flächig aufgebracht, so dass die Platte 1 einseitig mit der Lötmaterialschicht 4 beschichtet ist, wie in 2 gezeigt. Die Lötmaterialschicht 4 wird durch Besprühen einer Oberfläche des ersten Wärmetauschbereichs 11 mit einer Suspension aus einer Lotlegierung, einem Binder und einem Lösungsmittel auf die Platte 1 aufgebracht. Optional wird während oder nach dem Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht 4 ein Trocknungsschritt durchgeführt, bei dem die erste Lötmaterialschicht 4 mittels Erwärmung an die erste Platte 1 angetrocknet wird, wobei das Lösungsmittel verdampft. Es ist auch möglich, in einer alternativen Ausführungsform, die erste Lötmaterialschicht 4 zusätzlich zu dem ersten Wärmetauschbereich 11 auch in dem ersten Verteilbereich 13 aufzubringen.
Es wird eine zweite Lötmaterialschicht 5 auf die erste Platte 1 im ersten Wärmetauschbereich 11 zumindest an Kontaktbereichen 15 der ersten Platte 1 mit der zweiten Platte 2 aufgebracht, wobei die zweite Lötmaterialschicht einseitig auf die erste Lötmaterialschicht 4 aufgebracht ist, wie in 3 gezeigt.
Beim Aufeinanderlegen der ersten Platte 1 und der zweiten Platte 2 bilden die Vertiefungen und Erhöhungen der Platten 1 und 2 jeweils Kanäle 3 aus, wie in 4 gezeigt ist. Ein Aufeinanderdrücken der ersten Platte 1 und der zweiten Platte 2 kann zudem dazu führen, dass das Material der zweiten Lötmaterialschicht plattgedrückt wird und die durch Material bedeckte Oberfläche sich vergrößert, weil das Material seitlich ausweicht.
Anschließend wird eine Temperaturbehandlung der ersten Lötmaterialschicht 4 und der zweiten Lötmaterialschicht 5 durchgeführt, sodass aus der ersten Lötmaterialschicht 4 eine Erstarrungsschicht 41 gebildet wird und die zweite Lötmaterialschicht 5 Lötverbindungen 51 zwischen der ersten Platte 1 und der zweiten Platte 2 an den Kontaktbereichen 15 erzeugt, wie in 5 gezeigt. Anders als hier in den 2 bis 5 gezeigt, kann die erste Lötmaterialschicht 4 auch in einem ersten Verteilbereich 13 der ersten Platte 1 aufgebracht werden bzw. sein.
5 zeigt prinzipiell die Erstarrungsschicht 41 und die Lötverbindungen 51 bei einem mittels des hier beschriebenen Verfahrens hergestellten Plattenwärmetauschers, wobei lediglich zwei Platten 1, 2 abgebildet sind. Wie vorangehend erläutert, weist ein gelöteter Plattenwärmetauscher in der Regel bis zu 300 Platten auf, so dass dann entsprechend das in 5 gezeigte Paar an verlöteten Platten 1, 2 bis zu 150 mal weiderholt wäre, gegebenenfalls mit weiteren Lötverbindungen und/oder Erstarrungsschichten zwischen der zweiten Platte 2 und weiteren ersten Platten.
Bezugszeichenliste

1: erste Platte
11: erster Wärmetauschbereich
13: erster Verteilbereich
131: Eingangsöffnung
15: Kontaktbereiche
2: zweite Platte
21: zweiter Wärmetauschbereich
23: zweiter Verteilbereich
231: Austrittsöffnung
3: Kanäle
4: erste Lötmaterialschicht
41: Erstarrungsschicht
5: zweite Lötmaterialschicht
51: Lötverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/090032 A1 [0002]

Claims

Plattenwärmetauscher-Herstellungsverfahren, bei dem abwechselnd erste Platten (1) und zweite Platten (2) aufeinander gestapelt und so miteinander verlötet werden, dass ein Plattenstapel mit zwischen benachbarten Platten (1, 2) verlaufenden Kanälen (3) entsteht, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: - Bereitstellen zumindest einer ersten Platte (1) und einer zweiten Platte (2), wobei die erste Platte (1) und/oder die zweite Platte (2) Vertiefungen und Erhöhungen aufweisen, welche beim Aufeinanderlegen der ersten Platte (1) und der zweiten Platte (2) Kanäle (3) bilden; - Flächiges Aufbringen einer ersten Lötmaterialschicht (4) auf die erste Platte (1); - Aufbringen einer zweiten Lötmaterialschicht (5) auf die erste Platte (1) zumindest an Kontaktbereichen (15) der ersten Platte (1) mit der zweiten Platte (2); - Temperaturbehandlung der ersten Lötmaterialschicht (4) und der zweiten Lötmaterialschicht (5), sodass aus der ersten Lötmaterialschicht (4) eine Erstarrungsschicht (41) gebildet wird und die zweite Lötmaterialschicht (5) Lötverbindungen (51) zwischen der ersten Platte (1) und der zweiten Platte (2) an den Kontaktbereichen (15) erzeugt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lötmaterialschicht (4) auf zumindest 70%, 80%, 90% oder 95% der Fläche der ersten Platte (1) oder im Wesentlichen vollflächig auf der ersten Platte (1) aufgebracht wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lötmaterialschicht (4) und die zweite Lötmaterialschicht (5) die gleiche Lotlegierung enthalten.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lötmaterialschicht (4) und die zweite Lötmaterialschicht (5) unterschiedliche Lotlegierungen enthalten.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotlegierung oder die Lotlegierungen Eisen enthält/enthalten.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lötmaterialschicht (4) aus einer Suspension auf die erste Platte (1) aufgetragen wird, wobei die Suspension aus einer Lotlegierung, einem Binder und einem Lösungsmittel gebildet ist.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach dem Aufbringen der ersten Lötmaterialschicht (4) aus der Suspension ein Trocknungsschritt durchgeführt wird, bei dem die erste Lötmaterialschicht (4) mittels Erwärmung an die erste Platte (1) angetrocknet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Platten (1) und/oder die zweiten Platten (2) jeweils aus einem wellenförmig geformten Metallblech gebildet sind, wobei die Vertiefungen und Erhöhungen aus Wellentälern und Wellenbergen geformt sind.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (2) die gleiche Struktur aufweist wie die erste Platte (1) und im Plattenstapel gegenüber der ersten Platte (1) um 180° um eine senkrecht zu einer Plattenebene verlaufende Achse gedreht ist.
Plattenwärmetauscher aufweisend einen Plattenstapel aus ersten Platten (1) und zweiten Platten (2), welche abwechselnd aufeinander gestapelt und an Kontaktbereichen (15) so miteinander verlötet sind, dass zwischen benachbarten Platten (1, 2) Kanäle (3) verlaufen, wobei die erste Platte (1) und/oder die zweite Platte (2) Vertiefungen und Erhöhungen aufweisen, welche beim Aufeinanderlegen der ersten Platte (1) und der zweiten Platte (2) die Kanäle (3) bilden, wobei auf der ersten Platte (1) flächig eine Erstarrungsschicht (41) angeordnet ist, welche aus einer ersten Lötmaterialschicht (5) mittels einer Temperaturbehandlung erzeugt ist.
Plattenwärmetauscher Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ferner auf der zweiten Platte (2) flächig eine weitere Erstarrungsschicht (41) angeordnet ist, welche aus einer weiteren ersten Lötmaterialschicht (5) mittels einer Temperaturbehandlung erzeugt ist.