FI120051B - Method of connecting metal powder to a heat transfer surface and heat transfer surface - Google Patents
Method of connecting metal powder to a heat transfer surface and heat transfer surface Download PDFInfo
- Publication number
- FI120051B FI120051B FI20040760A FI20040760A FI120051B FI 120051 B FI120051 B FI 120051B FI 20040760 A FI20040760 A FI 20040760A FI 20040760 A FI20040760 A FI 20040760A FI 120051 B FI120051 B FI 120051B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- copper
- heat transfer
- transfer surface
- att
- eller
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- 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
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
- B23K35/302—Cu as the principal constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
- C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
- C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
- F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Description
MENETELMÄ METALLIPULVERIN LIITTÄMISEKSI LÄMMÖNSIIRTO-PINTAAN JA LÄMMÖNSIIRTOPINTAMETHOD FOR CONNECTING METALLIC POWDER TO THERMAL TRANSFER SURFACE AND HEAT TRANSFER SURFACE
KEKSINNÖN ALAFIELD OF THE INVENTION
s Kehitetyn menetelmän tarkoituksena on muodostaa lämmönsiirtopinnan päälle huokoinen pintakerros, joka saadaan liitettyä lujasti alla olevaan pintaan teolliseen tuotantoon soveltuvassa lämpötilassa ja ajassa. Lämmönsiirtopinta on kuparia tai kupariseosta, edullisesti hapetonta tai fosforilla deoksidoitua kuparia. Huokoisen pinnan muodostava pulveri on 10 hienojakoista kuparipulveria tai kupariseospulveria. Keksinnön mukaisessa menetelmässä lämmönsiirtopintaan tuodaan kovajuotetta kuparipulverin sitomiseksi alustaansa. Kovajuote edullisesti sisältää nikkeliä, tinaa ja fosforia seostettuna kupariin. Keksintö kohdistuu myös lämmönsiirtopintaan, johon on kupari- tai kupariseospulverin ja kuvatun kovajuotteen avulla is muodostettu huokoinen pinta.The purpose of the developed method is to form a porous surface layer on the heat transfer surface that can be firmly bonded to the underlying surface at a temperature and time suitable for industrial production. The heat transfer surface is copper or copper alloy, preferably non-oxygenated or phosphorus deoxidized copper. The powder forming the porous surface is 10 finely divided copper powders or copper alloy powders. In the method of the invention, brazing is applied to the heat transfer surface to bind the copper powder to its substrate. The solder preferably contains nickel, tin and phosphorus alloyed with copper. The invention also relates to a heat transfer surface having a porous surface formed by means of copper or copper alloy powder and brazing.
KEKSINNÖN TAUSTABACKGROUND OF THE INVENTION
Lämmönvaihtimien kehityksessä on lämmönsiirtopinnalle pyritty aina .***. saamaan mahdollisimman suuri lämmönsiirtokapasiteetti. Ensimmäisenä • · • · · . .·. 20 kehitysvaiheena voidaan pitää esimerkiksi putkea ajateltaessa sileää pintaa.The development of heat exchangers has always been focused on the heat transfer surface. ***. to get the maximum heat transfer capacity. First • · • · · . . ·. The development stage can be considered, for example, when thinking about a smooth surface.
• · ·• · ·
Toisena sukupolvena kehityksessä nähdään eri tavoin uritetut ja rihlatut pinnat, jolloin kuvio voi olla sekä putkien sisä- että ulkopinnalla. Viime • · · ··· vuosina on kehitetty lämmönsiirtopintojen kolmas sukupolvi, huokoiset • · · · pinnat. Huokoinen pinta muodostetaan saattamalla lämmönsiirtopinnalle 25 hienojakoista pulveria, joka kiinnitetään lämmönvaihtopintaan eri tavoin.The second generation in development is the appearance of differently grooved and fluted surfaces, whereby the pattern can be on both the inner and outer surfaces of the tubes. In recent years, the third generation of heat transfer surfaces, porous surfaces, has been developed. The porous surface is formed by depositing a finely divided powder on the heat transfer surface, which is attached to the heat exchange surface in various ways.
:T: Pulveri muodostaa putken tai muun lämmönvaihtimen pinnalle huokoisen • · · kerroksen, jonka avulla on mahdollista nostaa lämmönsiirtokapasiteettia.: T: Powder forms a porous layer on the surface of a pipe or other heat exchanger that allows the • heat transfer capacity to be increased.
• · · • · · • · • · Lämmönsiirtokapasiteetin nousu perustuu siihen, että huokoisella pinnalla .···. 30 kiehuminen alkaa jo normaalia matalammassa lämpötilassa. Kun # · • · · .·.: kuplakiehuminen alkaa normaalia matalammassa lämpötilassa, • · lämmönsiirtopinnan ja nesteen välinen lämpötilaero jää pienemmäksi.The increase in heat transfer capacity is based on the fact that the porous surface. 30 boiling begins at a lower temperature than normal. When # · • · ·. ·: Starts at a lower temperature than normal, the temperature difference between the heat transfer surface and the liquid becomes smaller.
22
Esimerkiksi vettä nesteenä käytettäessä ei lämpötila saa nousta sataan asteeseen, koska silloin ei ole enää kysymys nyt tarkoitetusta kuplakiehumisesta huokoisessa pinnassa, vaan silloin koko neste kiehuu.For example, when using water as a liquid, the temperature must not rise to 100 degrees Celsius, because then it is no longer a matter of the intended bubble boiling on the porous surface, but then the whole liquid boils.
5 Lämmönsiirtopintoja, joilla huokoista pintaa voidaan käyttää, ovat esimerkiksi lämmönvaihtimien putket, joiden sekä uiko- että sisäpintaan voidaan muodostaa huokoinen kerros. Sen lisäksi lämmönsiirtoon käytettäviä laitteita ovat muun muassa heat sink-, heat spreader-, heat pipe- ja vapour chamber-laitteet, kiehutuspinnat elektroniikan komponenttien jäähdytykseen samoin ίο kuin aurinkopaneelit, jäähdytyselementit, auton jäähdyttimet ja muut jäähdyttimet kuten valukokillit ja valujäähdyttimet.Heat transfer surfaces on which the porous surface can be used include, for example, heat exchanger tubes, which can be provided with a porous layer on both the outside and the inner surface. In addition, heat transfer devices include heat sink, heat spreader, heat pipette and vapor chamber, boiling surfaces for cooling electronic components, as well as solar panels, heat sinks, car radiators, and other coolers such as pouring ducts and water coolers.
US-patenttijulkaisuissa 3,821,018 ja 4,064,914 kuvataan huokoisen metallisen kerroksen muodostamista kuparin pinnalle. Metallinen kerros 15 muodostetaan kupari-, teräs- tai kupariseospulverista, liitospulverista ja inertistä nestemäisestä sideaineesta. Liitospulveri (bonding metal alloy powder) käsittää joko pulverin, jossa on kuparia 90.5-93 p-% ja 7-9.5 p-% fosforia, pulverin, jossa on 25-95 p-% antimonia ja loppu kuparia tai pulverin, .···. jossa on 56% hopeaa, 22% kuparia, 17% sinkkiä ja 5% tinaa. Sekä • · .*!*. 20 huokoisen pinnan muodostavan pulverin että liitospulverin kokoluokka on • · · ··· :·. välillä 32-500 um ja liitospulverin määrä 10-30% koko pulverin määrästä.U.S. Patent Nos. 3,821,018 and 4,064,914 describe the formation of a porous metal layer on a copper surface. The metallic layer 15 is formed of copper, steel or copper alloy powder, bonding powder and an inert liquid binder. The bonding metal alloy powder comprises either a powder containing 90.5-93% by weight of copper and 7-9.5% by weight of phosphorus, a powder containing 25-95% by weight of antimony and the remainder of copper or powder, ··· . with 56% silver, 22% copper, 17% zinc and 5% tin. Both • ·. *! *. The size of the 20 porous surface forming powder that the joint powder has is · · · ···: ·. between 32-500 µm, and the amount of bonding powder 10-30% of the total amount of powder.
• · · .*··. Pinta, johon huokoinen kerros muodostetaan, päällystetään ensin • · · sideaineella. Sideaineen päälle levitetään sen jälkeen yhtenäinen ··«· kuparipulverin ja liitospulverin kerros. Kappale kuumennetaan ei- • · · 25 hapettavissa olosuhteissa ensin alle 538 C:n lämpötilaan sideaineen ·:· haihduttamiseksi. Lämpötila nostetaan nopeudella noin 200 °C/h. Toisessa • · · · kuumennusvaiheessa lämpötila nostetaan nopeammin lämpötilavälille 732- . !·. 843 °C. Kyseisessä lämpötilassa liitospulveri sulaa ja juottaa koko • · · .···. pulverimassan alustaansa.• · ·. * ··. The surface on which the porous layer is formed is first coated with a binder. A uniform layer of ·· «· copper powder and bonding powder is then applied over the binder. The piece is first heated to below 538 ° C under non-oxidizing conditions to evaporate the binder. The temperature is increased at a rate of about 200 ° C / h. In the second · · · · heating step, the temperature is raised faster to 732-. ! ·. 843 ° C. At this temperature, the bonding powder melts and solders • · ·. ···. powder pulp to the substrate.
• · · 30 • · · • · JP-patenttihakemuksessa 61228294 esitetään menetelmä huokoisen pinnan muodostamiseksi lämmitysputken sisäpinnalle. Ensin putken pinnalle • · 3 levitetään sideainetta. Tämän jälkeen huokoinen pinta muodostetaan metallipartikkeleista, joiden koko on luokkaa 100 -300 pm. Juoksutteena voidaan käyttää esimerkiksi tinakloridia, joka ruiskutetaan pulverikerroksen päälle ja kuivataan, jolloin sideaine poistuu. Jos halutaan useampi kerros, 5 toimenpiteet suoritetaan useamman kerran. Lopuksi pulveri kiinnitetään tiukasti juotteen avulla putken pintaan. Juotteena käytetään tinaa tai tina* lyijyseosta. Juotoslämpötila on 300-350 °C.JP patent application 61228294 discloses a method of forming a porous surface on the inner surface of a heating pipe. First, • · 3 binder is applied to the pipe surface. The porous surface is then formed of metal particles of the order of 100 to 300 µm. As the fluxing agent, for example, tin chloride can be used, which is sprayed onto the powder layer and dried to remove the binder. If multiple layers are desired, 5 operations are performed more than once. Finally, the powder is firmly attached to the tube surface by solder. The solder used is tin or tin * lead alloy. The soldering temperature is 300-350 ° C.
JP-patenttihakemuksessa 2175881 on kuvattu pulverimaisen ainekerroksen ίο muodostamista lämmönsiirtoputken sisäpinnalle. Putki on kuparia tai alumiinia. Sopivan sideaineen tai juoksutteen avulla putken sisäpinnalle muodostetaan kahden pulverin seoksesta yhtenäinen kerros. Toinen pulvereista on metallia , jonka sulamispiste on alhainen kuten esimerkiksi tina ja toisen sulamispiste on korkeampi kuten esimerkiksi kupari. Pulverien 15 raekoko on 0.01-3 mm. Putken sisäpintaan muodostetaan lisäksi spiraalimainen uritus. Putki kuumennetaan alemman sulamispisteen omaavan pulverin sulamislämpötilaan, jolloin myös korkeammassa lämpötilassa sulava pulveri kiinnittyy putken pintaan. Samalla putken pintaan .···. muodostuu stabiili huokoinen kerros.JP patent application 2175881 describes the formation of a powdered material layer on the inner surface of a heat transfer tube. The tube is copper or aluminum. With the aid of a suitable binder or flux, a uniform layer of a mixture of two powders is formed on the inner surface of the tube. One of the powders is a metal having a low melting point such as tin and the other having a higher melting point such as copper. The powders 15 have a grain size of 0.01 to 3 mm. In addition, a spiral groove is formed on the inner surface of the tube. The tube is heated to a melting point of powder having a lower melting point, whereby the powder melting at a higher temperature also adheres to the surface of the tube. At the same time the surface of the pipe. a stable porous layer is formed.
• · • · · 20 • · · • · · :·.φ> CN-patenttihakemuksessa 1449880 esitetään matalan lämpötilan ;···. sintrausprosessi huokoisen pinnan muodostamiseksi putken pintaan. Sen • · · ··· mukaisesti putken pintaan sivellään liimaa, jonka jälkeen pinnalle • · · · ruiskutetaan kupari-tinapulveriseosta ja kappale siirretään uuniin, jossa sitä • · · 25 käsitellään suojakaasussa. Ensimmäisessä vaiheessa putkea pidetään lämpötilassa 400-500 °C 5-30 minuutin ajan, minkä jälkeen lämpötila nostetaan nopeasti 670-700 °C:een, missä lämpötilassa putkea pidetään 60- . 90 min. Pulveriseoksen tinapitoisuus on 9-13 p-%.Low Temperature is disclosed in U.S. Patent Application No. 1449880; ···. a sintering process to form a porous surface on the surface of the tube. Accordingly, a glue is applied to the surface of the tube, followed by an injection of copper-tin-powder mixture into a furnace, where it is treated with shielding gas. In the first step, the tube is maintained at 400-500 ° C for 5 to 30 minutes, after which the temperature is rapidly raised to 670-700 ° C, at which temperature the tube is maintained at 60 ° C. 90 min The powder mixture has a tin content of 9-13% by weight.
• · · • · · • · • · • · · 30 Edellä olevissa US-patenteissa 3,821,018 ja 4,064,914 on esitetty mene- • · !···. telmä, jossa hienojakoinen pulveri kiinnitetään lämmönsiirtopintaan • · • · · sideainetta ja liitospulveria käyttämällä. Sideaineen poisto tapahtuu hitaasti 4 kuumentamalla, minkä jälkeen lämpötila nostetaan vähintään 732 °C:n lämpötilaan, jotta liitospulveri sulaa ja juottaa pulverin lämmönsiirtopintaan. Kyseessä on kovajuotto, jossa tarvittava kuumennuslämpötila on korkea ja kuumennusaika pitkä toteutettavaksi tuotantomittakaavassa.The above-mentioned U.S. Patents 3,821,018 and 4,064,914 disclose success. A method in which a finely divided powder is bonded to a heat transfer surface using a binder and bonding powder. The binder is removed by slow heating 4, after which the temperature is raised to at least 732 ° C to melt and solder the bonding powder to the heat transfer surface. This is brazing, where the required heating temperature is high and the heating time is long to be realized on a production scale.
55
Hopeapitoisen juotteen käytön rajoituksena on korkeampi sulamis- ja juottolämpötila ja hinta. Muissa tekniikan tason mukaisissa menetelmissä käytetään tinaa tai tinaseosta, joiden avulla pulveri kiinnitetään lämmönsiirtopintaan pehmeäjuottamalla. Kuten tiedetään, pehmeäjuotetun ίο liitoksen lujuus on huomattavasti alhaisempi verrattuna kovajuotettuun liitokseen. Lämmönsiirtopinnalla virtaava neste voi pitkäaikaisessa käytössä irrottaa lämmönsiirtopinnasta pulveripartikkeleita, mikäli pulveripartikkelien välinen liitos on heikko. Seurauksena on kappaleen lämmönsiirtokyvyn heikkeneminen. Joissakin edellä kuvatuissa menetelmissä on käytetty 15 erillistä juoksutetta, minkä vuoksi tarvitaan erillisenä vaiheena juoksutusjätteiden poisto korroosion estämiseksi.The limitation of the use of silver-containing solder is the higher melting and soldering temperature and price. Other prior art methods employ tin or a tin alloy to attach the powder to the heat transfer surface by soldering. As is known, the strength of a soft-soldered ίο joint is significantly lower than that of a brazed joint. Fluid flowing through the heat transfer surface may, in long term use, release powder particles from the heat transfer surface if the bond between the powder particles is weak. The result is a decrease in the heat transfer capacity of the body. Some of the methods described above utilize 15 separate fluxes, which necessitates the removal of flux residues as a separate step to prevent corrosion.
KEKSINNÖN TARKOITUSPURPOSE OF THE INVENTION
...# Kehitetyn menetelmän tarkoituksena on muodostaa lämmönsiirtopinnan • · 20 päälle huokoinen pintakerros, joka saadaan liitettyä lujasti alla olevaan • · · :·*/ pintaan teolliseen tuotantoon soveltuvassa lämpötilassa ja ajassa.... # The purpose of the developed method is to form a porous surface layer on the heat transfer surface, which can be firmly bonded to the surface below at a temperature and time suitable for industrial production.
• · · • · · • · • ·• · · • · · · ·
KEKSINNÖN YHTEENVETOSUMMARY OF THE INVENTION
• · · · .···. Keksintö kohdistuu menetelmään lujasti kiinnittyvän huokoisen ·· · 25 pintakerroksen muodostamiseksi lämmönsiirtopinnalle. Lämmönsiirtopinta on ··· kuparia tai kupariseosta, edullisesti hapetonta tai fosforilla deoksidoitua • · · · kuparia. Huokoisen pinnan muodostava pulveri on hienojakoista kupari- • · · . 1*. pulveria tai kupariseospulveria. Keksinnön mukaisessa menetelmässä • · · .***. lämmönsiirtopintaan tuodaan kovajuotetta, joka edullisesti sisältää nikkeliä, • · • · · 30 tinaa ja fosforia kupariin seostettuna. Kovajuotoksen suorittamiseksi lämmönsiirtopinta johdetaan lämpökäsittelyyn, jossa lämpötila on korkeimmillaan 725 °C.• · · ·. ···. The invention relates to a method for forming a highly adherent porous ·· · 25 surface layer on a heat transfer surface. The heat transfer surface is ··· copper or copper alloy, preferably non-oxidized or phosphorus deoxidized copper. The powder forming the porous surface is finely divided copper · · ·. * 1. powder or copper alloy powder. In the method of the invention, the · · ·. ***. brazing, preferably containing nickel, • tin and phosphorus in copper alloy, is introduced into the heat transfer surface. To perform brazing, the heat transfer surface is subjected to a heat treatment at a maximum temperature of 725 ° C.
• · · 5• · · 5
Juotekerros voidaan tuoda lämmönsiirtopintaan useammalla eri tavalla, ja tämän jälkeen tai samanaikaisesti pintaan tuodaan varsinaisen huokoisen pinnan muodostava pulveri. Huokoisen pinnan muodostavat pulveripartikkelit 5 juotetaan toisiinsa ja alustana toimivaan lämmönsiirtopintaan hehkuttamalla.The solder layer can be applied to the heat transfer surface in a variety of ways, and thereafter or simultaneously a powder forming the actual porous surface is applied to the surface. The powder particles 5 forming the porous surface are soldered to each other and annealed to the heat transfer surface serving as the substrate.
««
Keksintö kohdistuu myös kuparia tai kupariseosta olevaan lämmönsiirto-pintaan, johon on muodostettu kupari- tai kupariseospulverista huokoinen pinta Ni-Sn-P-Cu-pitoisen kovajuotteen avulla.The invention also relates to a heat transfer surface of copper or copper alloy formed on a porous surface of copper or copper alloy powder by brazing containing Ni-Sn-P-Cu.
ioio
Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista patenttivaatimuksista.The essential features of the invention will be apparent from the appended claims.
Lämmönsiirtopinta, johon huokoinen pintakerros liitetään, on edullisesti 15 hapetonta tai fosforilla deoksidoitua kuparia, jonka fosforipitoisuus on luokkaa 150-400 ppm eli materiaalin lämmönsiirtokyky on jo luontaisesti hyvin korkea. Edellä on tekniikan tasossa kuvattu, miten lämmönsiirto-pinnaksi katsotaan lämmönvaihdinputkien lisäksi myös monia muita laitteita. Keksintömme mukaista menetelmää pysyvän huokoisen pinnan valmista- • · 20 miseksi samoin kuin keksinnön mukaista lämmönsiirtopintaa voidaan käyttää • · · näiden laitteiden valmistuksessa.The heat transfer surface to which the porous surface layer is attached is preferably 15 non-oxygenated or phosphorus deoxidized copper having a phosphorus content of the order of 150-400 ppm, i.e. the heat transfer capacity of the material is inherently very high. The prior art describes how many other devices are considered as heat transfer surfaces in addition to heat exchanger tubes. The process of our invention for producing a permanent porous surface, as well as the heat transfer surface of the invention, can be used in the manufacture of these devices.
• ·· • « · • · • · ·· ·• ·· • «· • · · · · · ·
Keksinnön mukaisessa menetelmässä ja tuotteessa käytettävä kovajuote on • · · · .···. metalliseos, joka sisältää kuparin lisäksi nikkeliä, tinaa ja fosforia.The brazing agent used in the process and product of the invention is • · · ·. ···. an alloy containing nickel, tin and phosphorus in addition to copper.
• · · 25 Juoteseoksen pitoisuudet ovat edullisesti seuraavalla alueella: 0,8-5,2 paino- .:· % Ni, 0-27,4 paino-% Sn, 2,2-10,9 paino-% P lopun ollessa kuparia. Erään, ··«· edulliseksi osoittautuneen juotteen koostumus on seuraava: 3,9 -4,5 p-% Ni, • · · . 1·. 14,6-16,6 p-% Sn, 5,0-5,5 p-% P lopun ollessa kuparia. Käytettävän juotteen • · · .···. määrä on 1-50 p-% koko lämmönsiirtopintaan syötettävän pulverin määrästä.Concentrations of solder alloy are preferably in the range: 0.8-5.2% by weight: ·% Ni, 0-27.4% by weight Sn, 2.2-10.9% by weight P with copper remaining . The composition of a solder which has been found to be advantageous has the following composition: 3.9 -4.5 wt% Ni, · · ·. 1 ·. 14.6-16.6 wt% Sn, 5.0-5.5 wt% P, the remainder being copper. Used solder • · ·. ···. the amount is 1-50% by weight of the amount of powder applied to the entire heat transfer surface.
• · «·· _ 30 Kovajuotteen sulamispiste on edullisesti alueella 590 - 605 C.Preferably, the solder has a melting point in the range of 590 ° C to 605 ° C.
• ♦ · • · • · · · • · • · • · · 6• ♦ • • • · 6 6 6 6 6 6
Huokoisen pinnan aikaansaamiseksi lämmönsiirtopinnalle tuodaan hienojakoista kupari- tai kupariseospulveria, jonka raekokojakautuma on varsin kapea ja pulverihiukkasten muoto edullisesti pyöreä tai pyöreähkö. Kapean raekokojakautuman vuoksi pinnoitteeseen jää runsaasti huokosia, 5 joissa lämmönsiirtoneste alkaa kiehua matalassa lämpötilassa.In order to obtain a porous surface, a finely divided copper or copper alloy powder having a relatively narrow particle size distribution and preferably having a powder or particle shape is introduced into the heat transfer surface. Due to the narrow particle size distribution, a large amount of pores remain in the coating where the heat transfer fluid begins to boil at low temperatures.
Raekokojakautuma voi olla esimerkiksi kapea alue väliltä 35 - 500 pm, edullisesti väliltä 35-300 pm. Eräs edullinen raekokoalue on 37-90 pm. Jos raekokojakautuma on suuri, pinnoite voi muodostua liian tiiviiksi ja huokoisen ίο pinnan edut menetetään.The grain size distribution may be, for example, a narrow range of 35 to 500 µm, preferably 35 to 300 µm. One preferred grain size range is 37-90 µm. If the grain size distribution is large, the coating may become too tight and the benefits of the porous surface will be lost.
Lämmönsiirtopinta voidaan käsitellä sideaineella tai sideainetta voidaan sekoittaa pinnoitteen valmistuksessa käytettäviin metallipulvereihin, kuten tekniikan tasossa on kuvattu, mutta se ei ole välttämätöntä. Jos sideainetta is käytetään, sen poisto tapahtuu tunnetun tekniikan mukaisesti hehkuttamalla.The heat transfer surface may be treated with a binder, or the binder may be mixed with the metal powders used to make the coating, as described in the prior art, but is not necessary. If the binder is used, it is removed by annealing according to the prior art.
Juotepulveri voidaan tuoda lämmönsiirtopinnalle useammalla eri tavalla. Erään keksinnön mukaisen tavan mukaan juotepulveri sekoitetaan kuparipulveriin. Tämä tapa on mahdollista erityisesti, jos halutaan käyttää * ♦ 20 erillistä sideainetta. Yksinkertaisuuden vuoksi tekstissä käytetään huokoisen • « · pinnan muodostamiseen käytettävästä pulverista nimitystä kuparipulveri, • ·· ]···. vaikka se voi olla myös kupariseospulveria. Erään toisen tavan mukaan • · "·. juotekerros tehdään lämmönsiirtopinnalle ennen kuparipulverin tuomista !···. siihen. Juote voidaan asettaa lämmönsiirtopinnalle esimerkiksi sideaineen • · ·· · 25 päälle ennen kuparipulverin tuomista pinnalle. Kolmannen tavan mukaan lämmönsiirtopinta voidaan kastaa juoteainesulaan ja sen jälkeen tuoda • · · · :***: kuparipulveri pinnalle. Juotepulveri voidaan tuoda lämmönsiirtopinnalle myös ··· # termisen ruiskutuksen avulla tai sivelemällä tai ruiskuttamalla kaasun • ♦ · .·*·. paineen avulla sideaineeseen sekoitettu juotepulveri.Solder powder can be applied to the heat transfer surface in several different ways. According to a method according to the invention, the solder powder is mixed with copper powder. This method is especially possible if you want to use * ♦ 20 separate binders. For simplicity, the powder used to form the porous surface is called copper powder, • ··] ···. although it may also be copper alloy powder. According to another method, the solder layer is applied to the heat transfer surface before the copper powder is applied! ···. To it. The solder can be applied to the heat transfer surface, such as binder, · · ·· · 25 before the copper powder is applied. bring: · · · ·: ***: Copper powder to the surface Solder powder can also be applied to the heat transfer surface by ··· # thermal spraying or by brushing or spraying gas • • · · · · solder powder mixed with a binder.
• · • · · 30 • · · :.t\ Varsinaisen huokoisen pinnan muodostava kuparipulveri voidaan myös • · "* syöttää lämmönsiirtopinnalle useammalla eri tavalla. Eräs tapa on sekoittaa 7 sideaine, juotepulveri ja kuparipulveri keskenään ja ruiskuttaa seos lämmönsiirtopinnalle. Erään suoritusmuodon mukaan juote tuodaan erikseen käsiteltävän materiaalin pinnalle ja kuparipulveri ruiskutetaan juotekerroksen päälle. Pulverikerroksen paksuus on edullisesti luokkaa 35 - 500 pm ja 5 edullisesti 35 - 300 pm.The copper powder forming the actual porous surface can also be fed to the heat transfer surface in a number of ways. One way is to mix 7 binder, solder powder and copper powder and spray the mixture on the heat transfer surface. is applied to the surface of the material to be treated and the copper powder is sprayed onto the solder layer, preferably having a thickness of the order of 35 to 500 µm and preferably of 35 to 300 µm.
Lämmönsiirtopinnan lämpökäsittely on edullista suorittaa suojakaasussa kuparin hapettumisen estämiseksi. Suojakaasuna voidaan käyttää yleisesti käytettäviä kaasuja tai kaasuseoksia kuten argonia, typpeä, vetyä, typpi-lo vetyseosta, hiilimonoksidia tai krakattua ammoniakkia. Sideaineen kuivaamiseen/haihduttamiseen riittää käsittely lämpötilassa noin 300 - 400 °C. Luja juotos pulveripartikkelien ja lämmönsiirtopinnan välille saadaan, kun käsiteltävä kappale on hetkellisesti, 1-10 minuuttia, lämpötilassa korkeintaan 725 °C, edullisesti alueella 650-700 °C. Juotemateriaali voi tällöin olla sula 15 tai puuromainen. Uunina voidaan tällöin käyttää esimerkiksi panosuunia tai läpivetouunia, jonka läpi lämmönsiirtopinnan käsittävä kappale johdetaan. Kun kappale on kyseisessä lämpötilassa vain hetkellisesti, se tarkoittaa selvää energiansäästöä tunnettuun tekniikkaan nähden. Samoin hetkellinen :*··; kuumennus tarkoittaa käytännössä myös sitä, että käytettävä uuni voi olla • t · : 20 suhteellisen lyhyt alentaen investointikustannuksia.It is preferable to carry out heat treatment of the heat transfer surface in the shielding gas to prevent the oxidation of the copper. Commonly used gases or gas mixtures such as argon, nitrogen, hydrogen, nitro-hydrogen, carbon monoxide or cracked ammonia may be used as the shielding gas. For drying / evaporating the binder, treatment at about 300 to 400 ° C is sufficient. Strong soldering between the powder particles and the heat transfer surface is obtained when the article to be treated is momentarily, for 1 to 10 minutes, at a temperature of up to 725 ° C, preferably in the range of 650-700 ° C. The solder material may then be molten 15 or wood-like. For example, a batch furnace or a pass-through furnace may be used as the furnace through which a piece comprising the heat transfer surface is passed. When the body is only momentarily at that temperature, it means a clear energy saving over the prior art. Also momentary: * ··; In practice, heating also means that the oven used can be • t ·: 20 relatively short, reducing investment costs.
• · · • · • · • · φ :***: On osoittautunut, että keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävä • · · φ>·:· kovajuote muodostaa lujan liitoksen lämmönsiirtopinnan ja kuparipulveri- '[[[: partikkelien välille sekä sitoo partikkelit toisiinsa. Koska keksinnön mukaista 25 juotetta käytettäessä ei tarvita erillistä juoksutetta, myös juoksutejätteiden poistovaihe jää käsittelystä pois. Juote ei sisällä mitään myrkyllisiä ainesosia • · ♦ kuten lyijyä, joten käytöstä poistettu, lämmönsiirtopinnan sisältävä tuote : voidaan johtaa vaaratta kierrätykseen ja käyttää uuden vastaavan tuotteen ··· valmistukseen.***: It has been shown that brazing used in the process according to the invention forms a strong bond between the heat transfer surface and the copper powder [[[:] particles and binds the particles together. . Since the solder 25 of the invention does not require a separate flux, the flux waste removal step is also eliminated. The solder does not contain any toxic ingredients • · ♦ such as lead, so a discarded product containing a heat transfer surface: can be recycled without risk and used in the manufacture of a new equivalent product ···.
• · · 30 • · • · .··*. Keksintö kohdistuu myös kupari tai kupariseosta olevaan lämmön- • · · siirtopintaan, johon on muodostettu kupari- tai kupariseospulverista 8 huokoinen pinta Cu-Ni-Sn-P-pitoisen kovajuotteen avulla. Lämmönsiirtopinta voidaan muodostaa lämmönvaihdinputkien lisäksi muihin lämmönsiirtoon käytettäviin laitteisiin, joita ovat muun muassa heat sink-, heat spreader-, heat pipe- ja vapour chamber-laitteistot ja kiehutuspinnat elektroniikan 5 komponenttien jäähdytykseen samoin kuin aurinkopaneelit, jäähdytysele-mentit, auton jäähdyttimet ja muut jäähdyttimet kuten erilaiset valukokillit ja valujäähdyttimet.• · · 30 • · • ·. ·· *. The invention also relates to a heat transfer surface of copper or copper alloy formed by a porous surface of copper or copper alloy powder 8 by brazing with Cu-Ni-Sn-P. In addition to heat exchanger tubes, the heat transfer surface may be formed in other heat transfer devices including heat sink, heat spreader, heat pipe and vapor chamber and boiling surfaces for cooling electronic components, as well as solar panels, heat sinks, car radiators and the like. various casting molds and casting coolers.
KUVALUETTELOLIST OF FIGURES
10 Kuvassa 1 nähdään suurennos esimerkin 1 mukaisesti valmistetusta huokoisesta lämmönsiirtopinnasta, kuvassa 2 nähdään suurennos esimerkin 1 mukaisesti valmistetusta pinnaltaan huokoisen kupariputken poikkileikkauksesta, ja kuvassa 3 nähdään esimerkin 1 mukaisesti valmistetun, pinnaltaan 15 huokoisen kupariputken lämmönsiirtokapasiteetti pinnan ja nesteen välisen lämpötilaeron funktiona verrattuna sileään ja rihlattuun pintaan.Figure 1 is an enlarged view of the porous heat transfer surface of Example 1, Figure 2 is a sectional view of the surface of a porous copper tube prepared according to Example 1, and Figure 3 is a view of the heat transfer and .
ESIMERKITEXAMPLES
:***: Esimerkki 1 • · · : 20 Lämmönsiirtopintana käytettiin fosforilla deoksidoitua kuparinauhaa (Cu- DHP). Kuparipulveri oli vesiatomisoitua pulveria, jonka kuparipitoisuus oli 99,86 % ja jonka raekoko oli alueella 37-90 pm. Juotepulverina käytettiin ..I:* pulveria, jonka koostumus oli: 3,9 -4,5 p-% Ni, 14,6-16,6 p-% Sn, 5,0-5,5 p- ··· % P lopun ollessa kuparia. Juotepulverin raemuoto oli pallomainen ja 25 raekoko jonkin verran kuparipulveria pienempi. Juotepulverin sulamisalue on ··*:* 593-604 °C. Molemmat pulveri sekoitettiin kaupalliseen orgaaniseen «·· • · *···* sideaineeseen, jolloin muodostui pulveripasta. Pastan koostumus paino- prosentteina oli 77% kuparipulveria, 18% sideainetta ja 5% juotepulveria.: ***: Example 1 • · ·: 20 Copper deoxidized copper strip (Cu-DHP) was used as the heat transfer surface. The copper powder was a water atomized powder with a copper content of 99.86% and a grain size in the range of 37-90 µm. The soldering powder used was a powder of the composition: 3.9 -4.5 wt% Ni, 14.6-16.6 wt% Sn, 5.0-5.5 wt% ···% - the rest being copper. The solder powder had a spherical shape and a grain size slightly smaller than the copper powder. The soldering powder has a melting range of ·· *: * 593-604 ° C. Both powders were mixed with a commercial organic «·· • · * ··· * binder to form a powder paste. The composition of the paste by weight was 77% copper powder, 18% binder and 5% solder powder.
··· • · • · ··· :*·*: 30 Pasta ruiskutettiin kuparinauhan pinnalle. Ruiskutetun pinnoitekerroksen • · paksuus oli noin 100 pm. Nauha johdettiin kuivaus- ja juoteuunina toimivien vastusuunien läpi nopeudella 10 cm/min. Sideaineen kuivaus- ja 9 haihdutusuunin lämpötila oli noin 300 °C ja juoteuunin noin 700 °C. Suojakaasuna käytettiin typpiatmosfääriä, jossa oli jonkin verran vetyä mukana estämässä kappaleen hapettumista.··· • · · · ···: * · *: 30 The paste was sprayed onto the copper strip. The sprayed coating layer had a thickness of about 100 µm. The strip was passed through resistors acting as drying and soldering furnaces at a speed of 10 cm / min. The temperature of the binder drying and evaporation furnaces was about 300 ° C and that of the soldering furnace about 700 ° C. The shielding gas was a nitrogen atmosphere with some hydrogen present to prevent the body from oxidizing.
5 Juotoksen jälkeen nauha johdettiin tarkastukseen, jossa todettiin, että pulveripartikkelit olivat tarttuneet tiukasti nauhan pintaan ja toisiinsa. Nauhaa voitiin myös taivutella ilman että pulveria irtosi pinnasta. Pinnan huokoisuus ja pinta-ala olivat suuria ja rakenteeseen oli muodostunut runsaasti nauhan pinnalta pulverikerroksen pinnalle ulottuvia kanavia, kuten kuvista 1 ja 2 ίο nähdään. Kuva 1 on SEM-kuva (SEM = Scanning Electron Microscopy) valmistetusta huokoisesta lämmönsiirtopinnasta ja kuva 2 mikroskooppikuva pinnaltaan huokoisen kupariputken poikkileikkauksesta.5 After soldering, the tape was subjected to an inspection which found that the powder particles had adhered firmly to the tape surface and to each other. The tape could also be bent without loosening the powder from the surface. The surface porosity and surface area were large and the structure had numerous channels extending from the surface of the strip to the surface of the powder layer, as shown in Figures 1 and 2. Figure 1 is a SEM image of a porous heat transfer surface made of Scanning Electron Microscopy and Figure 2 is a microscopic view of a cross-section of a porous copper tube.
Kuvassa 3 nähdään esimerkin 1 mukaisesti valmistetun, pinnaltaan 15 huokoisen kupariputken lämmönsiirtokapasiteetti pinnan (q) ja nesteen (pentaani) välisen lämpötilaeron (Ts - Tlq) funktiona verrattuna sileään ja rihlattuun pintaan.Figure 3 shows the heat transfer capacity of a porous copper tube of Example 15 prepared as described in Example 1 as a function of the temperature difference (Ts - Tlq) between the surface (q) and the liquid (pentane) compared to the smooth and fluted surface.
.···. Huokoisen pinnan muodostamisen jälkeen nauha hitsattiin putkeksi niin, että • « · ; 20 huokoinen pinta muodosti putken sisäpinnan. Hitsaus onnistui varsin hyvin ··· ·*·.. huokoisesta pinnasta huolimatta. Valmiin lämmönsiirtoputken sisäpinnan :1: pinnoitteen huokoisuus oli noin 40 tilavuus-%.. ···. After forming the porous surface, the strip was welded into a tube so that • «·; The 20 porous surface formed the inner surface of the tube. The welding was quite successful despite the porous surface ··· · * · .. The internal surface of the finished heat transfer tube: 1: The porosity of the coating was about 40% by volume.
»·· ··· m ··«· ♦ ·· • · • · ·»· 25 • · · ··♦· ··· • · ··· • · · • · · »·· • · · • · • · • · · ·· · • ♦ · ♦ · • · • · • · • · ·»· · · · · · · · · · · · · · · · · · · ··· ·••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Claims (23)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20040760A FI120051B (en) | 2004-06-03 | 2004-06-03 | Method of connecting metal powder to a heat transfer surface and heat transfer surface |
TW094117208A TW200602610A (en) | 2004-06-03 | 2005-05-26 | Method for attaching metal powder to a heat transfer surface and the heat transfer surface |
PCT/FI2005/000249 WO2005118912A1 (en) | 2004-06-03 | 2005-06-01 | Method for attaching metal powder to a heat transfer surface and the heat transfer surface |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20040760 | 2004-06-03 | ||
FI20040760A FI120051B (en) | 2004-06-03 | 2004-06-03 | Method of connecting metal powder to a heat transfer surface and heat transfer surface |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI20040760A0 FI20040760A0 (en) | 2004-06-03 |
FI20040760A FI20040760A (en) | 2005-12-04 |
FI120051B true FI120051B (en) | 2009-06-15 |
Family
ID=32524441
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI20040760A FI120051B (en) | 2004-06-03 | 2004-06-03 | Method of connecting metal powder to a heat transfer surface and heat transfer surface |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
FI (1) | FI120051B (en) |
TW (1) | TW200602610A (en) |
WO (1) | WO2005118912A1 (en) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20090269521A1 (en) * | 2008-04-24 | 2009-10-29 | 3M Innovative Properties Company | Porous structured thermal transfer article |
JP5700504B2 (en) * | 2010-08-05 | 2015-04-15 | 株式会社デンソー | Semiconductor device bonding materials |
DE102011102602A1 (en) * | 2011-05-27 | 2012-11-29 | Mtu Aero Engines Gmbh | Cold gas spraying process with improved adhesion and reduced layer porosity |
US10539041B2 (en) * | 2013-10-22 | 2020-01-21 | General Electric Company | Cooled article and method of forming a cooled article |
CN106141496B (en) * | 2016-07-28 | 2018-11-02 | 华南理工大学 | A kind of copper phosphor tin nickel solder and its preparation method and application |
TWI688741B (en) * | 2018-10-12 | 2020-03-21 | 廣州力及熱管理科技有限公司 | Method for making ultra-thin heat pipe plate with printing wick structure |
TWI702371B (en) * | 2019-03-21 | 2020-08-21 | 賴耀惠 | Composite siphon temperature plate |
TWI710744B (en) * | 2019-04-15 | 2020-11-21 | 廣州力及熱管理科技有限公司 | Manufacturing method of a thin vapor chamber |
CN116140866A (en) * | 2023-03-10 | 2023-05-23 | 北京工业大学 | Novel copper-based solder paste for low-melting-point VC soaking plate |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
BE757262A (en) * | 1969-10-10 | 1971-04-08 | Union Carbide Corp | POROUS METAL LAYER AND METHOD FOR FORMING IT |
JPS61210186A (en) * | 1985-03-15 | 1986-09-18 | Nippon Light Metal Co Ltd | Method for forming porous metallic layer on surface of metallic body |
US5378294A (en) * | 1989-11-17 | 1995-01-03 | Outokumpu Oy | Copper alloys to be used as brazing filler metals |
DE19747041A1 (en) * | 1997-10-24 | 1999-04-29 | Degussa | Hard solder paste, free of fluxing agent |
US6530514B2 (en) * | 2001-06-28 | 2003-03-11 | Outokumpu Oyj | Method of manufacturing heat transfer tubes |
US9533379B2 (en) * | 2002-08-23 | 2017-01-03 | Lincoln Global, Inc. | Phosphorous-copper base brazing alloy |
-
2004
- 2004-06-03 FI FI20040760A patent/FI120051B/en active IP Right Grant
-
2005
- 2005-05-26 TW TW094117208A patent/TW200602610A/en unknown
- 2005-06-01 WO PCT/FI2005/000249 patent/WO2005118912A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI20040760A (en) | 2005-12-04 |
WO2005118912A1 (en) | 2005-12-15 |
TW200602610A (en) | 2006-01-16 |
FI20040760A0 (en) | 2004-06-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
FI120050B (en) | Method for reducing and bonding metal oxide powder to a heat transfer surface and heat transfer surface | |
US6344237B1 (en) | Method of depositing flux or flux and metal onto a metal brazing substrate | |
CN105965177B (en) | Heat exchanger tube | |
US7032808B2 (en) | Thermal spray application of brazing material for manufacture of heat transfer devices | |
US5450666A (en) | Flux composition for aluminum brazing | |
WO2005118912A1 (en) | Method for attaching metal powder to a heat transfer surface and the heat transfer surface | |
US6317913B1 (en) | Method of depositing flux or flux and metal onto a metal brazing substrate | |
EP2830817A1 (en) | A novel brazing concept | |
JP2004532131A (en) | Heat transfer tube manufacturing method | |
JPS597763B2 (en) | Method for forming porous aluminum layer | |
EP3049207B1 (en) | A novel brazing concept | |
JPH01249294A (en) | Precoated brazing filler metal-coated metal sheet, production thereof and using method therefor | |
JP3356856B2 (en) | Anticorrosion aluminum material for brazing and method for producing the same | |
JP2009264711A (en) | Member for heat exchanger and manufacturing method therefor | |
CN114799617B (en) | Smokeless skin brazing filler metal and preparation method thereof | |
Baldantoni et al. | NOCOLOK™ sil Flux-A novel approach for brazing aluminum | |
JPS6082676A (en) | Manufacture of heat-exchanger pipe | |
JP2000190069A (en) | Manufacture of plate type heat exchanger | |
JPS62110866A (en) | Production of heat exchanger | |
JPH03155460A (en) | Production of heat exchanger | |
MXPA01008959A (en) | A method of depositing flux or flux and metal onto a metal brazing substrate | |
JPS6093297A (en) | Manufacture of heat exchanger made of aluminum |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC | Transfer of assignment of patent |
Owner name: LUVATA OY Free format text: LUVATA OY |
|
FG | Patent granted |
Ref document number: 120051 Country of ref document: FI |