EP1492984A1 - Wärmetauscher und heliothermische flachkollekturmodule und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Wärmetauscher und heliothermische flachkollekturmodule und verfahren zur herstellung derselben

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Publication number
EP1492984A1
EP1492984A1 EP03717277A EP03717277A EP1492984A1 EP 1492984 A1 EP1492984 A1 EP 1492984A1 EP 03717277 A EP03717277 A EP 03717277A EP 03717277 A EP03717277 A EP 03717277A EP 1492984 A1 EP1492984 A1 EP 1492984A1
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EP
European Patent Office
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solder
zinc
layer
difficult
adhesive layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03717277A
Other languages
English (en)
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Inventor
Jochen Spriestersbach
Frank Prenger
Jürgen Wisniewski
Sabine Kurowski
Armin Melzer
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Grillo Werke AG
Original Assignee
Grillo Werke AG
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • B23K1/0012—Brazing heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/70—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits
    • F24S10/75—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits with enlarged surfaces, e.g. with protrusions or corrugations
    • F24S10/755—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits with enlarged surfaces, e.g. with protrusions or corrugations the conduits being otherwise bent, e.g. zig-zag
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/14—Heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S25/00—Arrangement of stationary mountings or supports for solar heat collector modules
    • F24S25/60—Fixation means, e.g. fasteners, specially adapted for supporting solar heat collector modules
    • F24S2025/6011—Fixation means, e.g. fasteners, specially adapted for supporting solar heat collector modules by welding or brazing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/02—Fastening; Joining by using bonding materials; by embedding elements in particular materials
    • F28F2275/025—Fastening; Joining by using bonding materials; by embedding elements in particular materials by using adhesives
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention relates to heat exchangers and heliothermal flat-collector modules consisting of carrier panels made of zinc, copper or aluminum and capillary tubes made of another, not or only difficult to solder, connected by soldering.
  • Conventional heat exchangers and flat collector modules generally consist of a carrier panel and capillary tube coils attached to it. These capillary tubes are located on the back of the metal sheet panel facing away from the radiation and a liquid medium flows through them.
  • capillary tubes made of plastics cannot be soldered to metal sheets.
  • Adhesives also have the disadvantage that they have low thermal conductivity.
  • the soldering of metallic capillary tubes to the panels is also so expensive that this process would be a significant cost factor.
  • the present invention is based on the object of providing a heat exchanger which can be produced in a simple manner and of specifying a method which simplifies and reduces the cost of connecting the tubes of heat exchangers and heliothermal flat collector modules to the sheet metal panels.
  • pipes made of stainless steel, copper or plastic are to be soldered directly to carrier panels made of zinc, copper or aluminum.
  • a heat exchanger and heliothermal flat-collector module with support panels (1) made of zinc, copper or aluminum and at least over partial areas by capillary tubes (2) connected therewith by soldering from another material that is not or only difficult to solder, which thereby characterized in that at least the interconnected subregions made of material which is difficult or difficult to solder have one or more adhesive layers (3), one of the adhesive layers forms an uppermost layer and at least the uppermost layer of the adhesive layers can be soldered.
  • the solderable layer consists of zinc with up to 30% by weight of aluminum.
  • the aluminum content is in particular 5 to 25% by weight or 10 to 20% by weight.
  • the heat exchanger and heliothermal flat collector module according to the present invention has capillary tubes (2) which are made of stainless steel, copper or plastic.
  • the invention also relates to a method for producing heat exchangers and heliothermal flat collector modules of the present invention, the method being characterized in that a metallic adhesive layer (3) and the parts are applied at least to the subregions to be connected from materials that are difficult or impossible to solder then be connected together by soldering.
  • the metallic adhesive layer (3) consists in particular of zinc or a zinc alloy.
  • zinc aluminum is particularly suitable as zinc alloy.
  • the zinc layer is applied either by immersion in liquid zinc, but preferably by thermal spraying on the heat exchangers or flat collector modules. In the case of temperature-sensitive materials such as plastic in particular, this zinc layer can be applied by thermal spraying.
  • the soldering then takes place with a suitable solder. Tin base solder, for example SnCu 3 , SnZn30 or SnAg, is suitable. If the material of the panels cannot be directly soldered well, this material can also be coated beforehand with a solderable adhesive layer, for example made of zinc or a zinc-aluminum alloy.
  • solder required for soldering can in turn be sprayed onto the adhesive layer as a thin layer. If the material is temperature-resistant, the solder can also be applied in liquid form by dipping or electroplating.
  • the mechanical strength of the solder joint can be increased in some cases by rolling the layer system after application.
  • connection of the capillary tubes to the carrier panels can then be carried out in a particularly simple manner by heating the panels to temperatures above the melting point of the solder and bringing them together with the capillary tubes precoated with zinc or zinc alloy. When it cools down, the permanent solder connection is created immediately.
  • Tin base solder is particularly suitable as a solder. According to the invention, however, tin-zinc alloys with up to 50% zinc or tin-copper alloys with up to 14% copper can be used as solder.
  • the flux suitable for the respective solder can also be used. For example, the "ZD-Pro" soldering water from Felder Löttechnik is suitable.
  • Figure 2 shows schematically in part A the application of an adhesive layer and in part B additionally the application of a solder layer on a capillary tube.
  • Figure 3 shows an enlarged view of the connection between the capillary tube and the support panels.

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Abstract

Wärmetauscher und heliothermische Flachkollektormodule mit Trägerpaneelen 1 aus Zink, Kupfer oder Aluminium und zumindest über Teilbereiche damit durch Löten verbundenen Kapillarrohre 2 aus einem anderen, nicht oder nur schwer zu lötendem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die miteinander verbundenen Teilbereiche aus nicht oder nur schwer zu lötendem Material eine oder mehrere Haftschichten 3 aufweisen, eine der Haftschichten 3 eine oberste Schicht bildet und von den Haftschichten mindestens die oberste Schicht lötbar ist.

Description

Wärmetauscher und heliothermische Flachkollektormodule und Verfahren zur Herstellung derselben
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Wärmetauscher und heliothermische Flachkollektormodule bestehend aus Trägerpaneelen aus Zink, Kupfer oder Aluminium und damit durch Löten verbundenen Kapillarrohren aus einem anderen, nicht oder nur schwer zu lötendem Werkstoff.
Konventionelle Wärmetauscher und Flachkollektormodule bestehen im allgemeinen aus einer Trägerpaneele und darauf befestigten Kapillarrohrwendeln. Diese Kapillarrohre befinden sich auf der zur Strahlung abgewandten Rückseite des Metallblechpaneels und werden von einem flüssigen Medium durchflössen.
Typische derartige Wärmetauscher sind beschrieben in der DE-A-101 64 670 und DE-C-100 43 295.
Die Befestigung dieser Kapillarrohre mit der Trägerpaneele aus Metallblech ist sehr aufwendig und schwierig und erfordert beim Verlöten einen erheblichen technischen Aufwand. Insbesondere können Kapillarrohre aus Kunststoffen nicht mit Metallblechen verlötet werden. Beim Verbinden mittels Klebstoffen ist darauf zu achten, dass diese Verbindungen oftmals nicht ausreichend temperaturbeständig und alterungsbeständig sind. Klebstoffe haben darüber hinaus den Nachteil, dass sie eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Das Verlöten von metallischen Kapillarrohre mit der Paneele ist ebenfalls mit einem so großen Aufwand verbunden, dass dieser Arbeitsvorgang ein wesentlicher Kostenfaktor wäre.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, der in einfacher Weise herstellbar ist und ein Verfahren anzugeben, dass das Verbinden der Rohre von Wärmetauschern und heliothermischen Fiachkollektormodulen mit den Metallblechpaneelen vereinfacht und verbilligt. So sollen Rohre aus Edelstahl, Kupfer oder Kunststoff mit Trägerpaneelen aus Zink, Kupfer oder Aluminium direkt verlötet werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetauscher und heliothermischen Flachkollektormodul mit Trägerpaneelen (1) aus Zink, Kupfer oder Aluminium und zumindest über Teilbereiche damit durch Löten verbundene Kapillarrohre (2) aus einem anderen, nicht oder nur schwer zu lötendem Werk- stoff, der dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die miteinander verbundenen Teilbereiche aus nicht oder nur schwer zu lötendem Material eine oder mehrere Haftschichten (3) aufweisen, eine der Haftschichten eine oberste Schicht bildet und von den Haftschichten mindestens die oberste Schicht lötbar ist. Die lötbare Schicht besteht in einer Ausführungsform der Erfindung aus Zink mit bis zu 30 Gew.-% Aluminium. Der Gehalt an Aluminium liegt insbesondere bei 5 bis 25 Gew.-%, bzw. bei 10 bis 20 Gew.-%.
Der Wärmetauscher und heliothermische Flachkollektormodul gemäß der vorliegenden Erfindung weist Kapillarrohre (2) auf, die aus Edelstahl, Kupfer oder Kunststoff bestehen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern und heliothermischen Flachkollektormodulen der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest auf die zu verbindenden Teilbereiche aus nicht oder nur schwer verlötbaren Werkstoffen eine metallische Haftschicht (3) aufgebracht wird und die Teile dann durch Löten miteinander verbunden werden.
Die metallische Haftschicht (3) besteht insbesondere aus Zink oder einer Zinklegierung. Als Zinklegierung kommt, wie oben angegeben, insbesondere Zinkaluminium in Betracht.
Die Zinkschicht wird entweder durch Tauchen in flüssiges Zink, vorzugsweise aber durch thermisches Spritzen auf die Wärmetauscher oder Flachkollektormodule aufgetragen. Insbesondere bei temperaturempfindlichen Materialien wie Kunststoff kann diese Zinkschicht durch thermisches Spritzen aufgebracht werden. Das Verlöten findet dann mit einem geeigneten Lot statt. Geeignet ist beispielsweise Zinnbasislot, z.B. SnCu3, SnZn30 oder SnAg. Sofern das Material der Paneele sich nicht gut direkt verlöten lässt, kann auch dieses Material zuvor mit einer lötfähigen Haftschicht z.B. aus Zink oder einer Zink-Aluminiumlegierung beschichtet werden.
Das zum Löten notwendige Lot kann wiederum als dünne Schicht auf die Haftschicht aufgespritzt werden. Bei entsprechend temperaturbeständigem Material kann das Lot auch flüssig durch Tauchen oder Galvanisieren aufgebracht werden.
Die mechanische Festigkeit der Lötverbindung kann in einigen Fällen erhöht werden, in dem das Schichtsystem nach dem Auftragen gewalzt wird.
Das Verbinden der Kapillarrohre mit den Trägerpaneelen kann dann in besonders einfacher Weise erfolgen durch Erhitzen der Paneele auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes und zusammenbringen mit den mit Zink oder Zinklegierung vorbeschichteten Kapillarrohren. Beim Abkühlen entsteht dann unmittelbar die dauerhafte Lötverbindung.
Als Lot kommt insbesondere Zinnbasislot in Frage. Erfindungsgemäß können aber Zinn-Zink-Legierungen mit bis zu 50% Zink oder Zinn-Kupfer-Legierungen mit bis 14% Kupfer als Lot verwendet werden. Weiterhin kann die für das jewei- lige Lot geeignete Flussmittel zur Anwendung kommen. Geeignet ist beispielsweise das Lötwasser "ZD-Pro" der Firma Felder Löttechnik.
Für temperaturstabile Werkstoffkombinationen kann jetzt je nach verwendetem Lot das Verbinden im Ofen bei Temperaturen etwas oberhalb der Schmelztemperatur des Lotmaterials bei 200 bis 400°C erfolgen. Bei temperaturempfindli- chen Werkstoffpaarungen, insbesondere bei Verwendung von Kunststoffrohren wird nur ein Verbindungspartner, nämlich das Blech auf Löttemperatur gebracht und dann mit dem beschichteten Kapillarrohr durch die Restwärme verlötet. Ein typischer Wärmetauscher und ein typischer Flachkollektormodul ist schematisch in der Figur 1 dargestellt.
Figur 2 zeigt schematisch im Teil A das Aufbringen von einer Haftschicht und im Teil B zusätzlich das Aufbringen einer Lotschicht auf einem Kapillarrohr.
Figur 3 zeigt vergrößert die Verbindung zwischen Kapillarrohr und der Trägerpaneele.
In diesen Figuren bedeutet jeweils
1 die Trägerpaneele
2 ein Kapillarrohr
3 eine Haftschicht
4 eine Lötschicht eine thermische Spritzanlage

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher und heliothermische Flachkollektormodule mit Trägerpaneelen (1) aus Zink, Kupfer oder Aluminium und zumindest über Teilbereiche damit durch Löten verbundenen Kapillarrohre (2) aus einem anderen, nicht oder nur schwer zu lötendem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die miteinander verbundenen Teilbereiche aus nicht oder nur schwer zu lötendem Material eine oder mehrere Haftschichten (3) aufweisen, eine der Haftschichten (3) eine oberste Schicht bildet und von den Haftschichten mindestens die oberste Schicht lötbar ist.
2. Wärmetauscher und heliothermische Flachkollektormodule gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohre (2) aus Edelstahl, Kupfer oder Kunststoff bestehen.
3. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern und heliothermische Flach- kolletormodulen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf die zu verbindenden Teilbereiche aus nicht oder nur schwer verlötbaren Werkstoffen eine metallische Haftschicht (3) aufgebracht wird und die Teile dann durch Löten miteinander verbunden werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (3) aus Zink oder einer Zinklegierung besteht und durch Tauchen in flüssiges Zink oder thermisches Spritzen aufgebracht wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Haftschicht (3) zusätzlich eine Schicht (4) aus Zinnbasislot durch Spritzen, Tauchen oder Galvanisieren aufgebracht wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (3) aus Zink oder der Zinklegierung und die Lotschicht (4) nach dem Auftragen gewalzt werden. Verfahren gemäß Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil aus leicht zu lötendem Werkstoff auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Lots erhitzt, mit der auf der Haftschicht aufgebrachten Schicht aus Zinnbasislot zusammengebracht und dabei dann verbunden wird.
EP03717277A 2002-04-11 2003-04-07 Wärmetauscher und heliothermische flachkollekturmodule und verfahren zur herstellung derselben Withdrawn EP1492984A1 (de)

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