KR20190124655A

KR20190124655A - 특히 자동차용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20190124655A
Application number: KR1020190048071A
Authority: KR
Inventors: 데이빗 보링; 피터 프리젠; 펠릭스 기르쉐이드; 로빈 슐루자렉; 안드레아스 브라이트너
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2019-11-05
Also published as: WO2019209070A1; US20210094111A1; KR102191450B1; DE102018127807A1; CN112399899A; CN117943649A

Abstract

본 발명은, 특히 자동차용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 장치(1)에 관한 것이다. 이 장치(1)는, 제1 수용 요소(2) 및 제2 수용 요소(3) 그리고 하나 이상의 열원(7)을 구비한다. 수용 요소(2, 3)는, 각각 하나 이상의 단열부(5, 6, 11a, 11b, 11c) 및 서로에 대해 정렬되어 있고 지지면들 사이에 결합될 대상물(12)을 배열하기 위한 지지면을 구비하여 형성되어 있다. 하나 이상의 수용 요소(2, 3)는 다른 수용 요소(2, 3)에 대하여 가동적으로 형성되어 있다. 적어도 제1 수용 요소(2)는, 열원(7)에 의해서 가열될 수 있는 하나 이상의 열 질량(8, 9)을 구비한다. 제2 수용 요소(3)는 대상물(12)을 위한 지지면을 갖는 지지 요소(11)를 구비하여 형성되어 있는 한편, 제1 수용 요소(2)의 하나 이상의 제1 열 질량(8)은 열 라인을 통해 대상물(12)을 가열하기 위한 대상물(12)용 지지면을 구비한다. 본 발명은, 또한 이와 같은 장치(1)를 이용해서 열적으로 결합하기 위한 방법, 및 자동차용 플레이트 요소로부터 열 교환기를 제조하기 위해서 이용되는 이 방법의 용도와도 관련이 있다.

Description

특히 자동차용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR THERMAL JOINING IN PARTICULAR A HEAT EXCHANGER FOR A MOTOR VEHICLE}

본 발명은, 특히 자동차용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는, 제1 수용 요소 및 제2 수용 요소 그리고 하나 이상의 열원을 구비한다. 수용 요소들은, 서로에 대해 정렬되어 있고 지지면들 사이에 결합될 대상물을 배열하기 위한 지지면을 구비하여 형성되어 있다.

본 발명은, 또한 본 발명에 따른 장치를 이용해서 대상물을 열적으로 결합하기 위한 방법과도 관련이 있다.

선행 기술에 공지된 재료 결합 방식의 결합에는, 적어도 440℃의 공정 온도를 갖는 소위 경질 납땜이 포함된다. 이 경우에는, 결합될 구성 요소들을 가열하기 위하여 다른 무엇보다 각각 용제를 이용한 불꽃 납땜 또는 기계화된 불꽃 납땜, 용제를 이용한 또는 보호 가스 분위기하에서의 오븐 납땜, 용제 염욕(salt bath)을 이용한 침지 납땜 또는 진공 납땜이 사용된다.

전술한 방법에는, 한 편으로는 부분적으로 다량의 용제를 사용하는 것, 그리고/또는 예를 들어 알루미늄에서 산화 층을 파괴하기 위하여 결합될 구성 요소들을 브러싱 하는 것과 같은 기계적인 가공이 내재되어 있다. 다른 한 편으로는, 산화 층의 재구성을 피하기 위하여, 진공 또는 보호 가스와 같은 특별한 분위기하에서 작업이 강제로 이루어진다. 오븐 납땜을 위해서는, 또한 매우 큰 면적도 필수적이다. 더 나아가, 재료 결합 방식의 결합을 위한 종래의 방법은 복잡한 프레임 구조물의 사용을 토대로 한다.

전술한 방법에서는, 한 편으로는 공정의 가급적 짧은 기간과 다른 한 편으로는 공정 안전 사이에서 목표의 상충이 야기된다. 결합될 구성 요소들은 방법 및 형상에 따라 눈에 띌만한 온도 차를 가질 수 있다. 예컨대 순환 오븐 내에서 다양한 구성 요소에서 온도 프로파일 또는 시간 프로파일을 유지하기 위하여, 추가의 강철 요소 및 알루미늄 요소가 온도를 보상하기 위한 열 질량으로서 사용되지만, 이와 같은 상황은 증가된 에너지 소비를 야기한다. 납땜할 대상물의 공지된 프로파일은 가열, 소킹(soaking), 납땜 및 설정된 유지 시간을 포함한 냉각과 같은 단계들을 포함하며, 이와 같은 상황은 대략 20분 내지 30분의 순환 시간을 야기한다.

따라서, 예를 들어 열 교환기의 요소들, 특히 배터리 냉각기의 플레이트 요소들은 제어된 분위기("Controlled Atmospheric Brazing": 이하 CAB로 지칭함)에서 납땜 방법을 사용하여 제조된다. 배터리 냉각기의 플레이트 요소들은 축전지로 이루어진 냉각된 패킷의 크기가 증가함에 따라 더 큰 치수를 갖게 된다. 하지만, 함께 결합될 열 교환기 요소의 크기는 납땜 오븐 또는 CAB-오븐의 치수에 의해서 제한되어 있다. 또한, 열 교환기 요소의 표면 품질은 CBA-납땜 방법 안에서 종래의 특수강-납땜 장치의 사용에 의해, 함께 결합될 열 교환기 요소들의 크기가 증가함에 따라 감소된다. 더 나아가, CAB-오븐의 납땜 용량은, 함께 결합될 열 교환기 요소들의 수용을 위해서 필요한 대형 납땜 장치의 높은 열 질량에 의해서 감소된다. "클린칭(clinching)"으로서도 지칭되고 프레스 연결 또는 관통 결합과 같은 함께 결합될 열 교환기 요소들의 대안적인 고정 방식은, 한 편으로는 추가의 공정 단계를 요구하고, 다른 한 편으로는 열 전달 요소들을 변형시키며, 이와 같은 상황은 재차 누설의 위험을 낳는다.

본 발명의 과제는, 특히 자동차 열 관리 시스템용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. 이 장치는, 최소의 에너지 및 시간을 소비해서 그리고 최대의 공정 안전 하에서 효율적인 제조 방법을 가능하게 해야만 한다. 결합된 요소들은 변형과 관련해서도 높은 품질을 가져야만 한다. 함께 결합될 요소들의 치수는 제한되어서는 안 된다. 장치의 제조 복잡성 및 비용 그리고 방법을 실행할 때의 복잡성 및 비용은 최소이어야 한다.

상기 과제는, 독립 특허 청구항들의 특징들을 갖는 대상들에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 특허 청구항들에 명시되어 있다.

상기 과제는, 특히 자동차용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 본 발명에 따른 장치에 의해서 해결된다. 이 장치는, 제1 수용 요소 및 제2 수용 요소 그리고 하나 이상의 열원을 구비하여 형성되어 있다.

본 발명의 컨셉에 따르면, 수용 요소들은 각각 하나 이상의 단열부를 구비하고, 서로에 대해 정렬되어 있고 결합될 대상물을 지지면들 사이에 배열하기 위한 지지면을 구비하여 형성되어 있다. 또한, 수용 요소들 중 하나 이상은 다른 수용 요소에 대해 가동적으로 배열되어 있다. 이 경우, 제2 수용 요소는, 결합될 대상물을 위한 지지면을 갖는 지지 요소를 구비하여 형성되어 있다.

본 발명에 따르면, 적어도 제1 수용 요소는 하나 이상의 열 질량을 구비하며, 이 열 질량은 열원에 의해서 가열될 수 있다. 이 경우, 제1 수용 요소의 하나 이상의 제1 열 질량은 열 라인을 통해 대상물을 가열하기 위한 대상물용 지지면을 구비하여 형성되어 있다.

본 발명의 일 개선예에 따르면, 열원은 제1 수용 요소 내부에 통합된 상태로 배열되어 있다.

열원은, 바람직하게 하나 이상의 유도 코일, 특히 독립적으로 제어될 수 있는 복수의 유도 코일로부터 형성되어 있으며, 이들 유도 코일은 가장 짧은 시간 안에 변동에 반응할 수 있고, 높은 에너지 밀도를 갖는다. 대안적으로, 열원은 또한 하나 이상의 전기 가열 요소 또는 하나 이상의 방사선원 또는 복수의 가열 요소 또는 방사선원으로서 형성될 수도 있다.

열원은, 바람직하게 제1 수용 요소의 단열부 내에 매립된 상태로 배열되어 있다.

이 경우, 제1 수용 요소는 바람직하게 제1 단열부 및 제2 단열부를 구비하며, 이 경우 제2 단열부는 제1 단열부에 접한 상태로 배열되어 있다. 제2 단열부는 재차 바람직하게 제1 층 및 제2 층으로 형성되어 있다.

열원은, 제2 단열부의 제1 층과 제2 층 사이에 배열될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1 수용 요소의 적어도 제1 열 질량은 결합될 대상물을 위한 편평한 지지면을 구비하여 플레이트 형상으로 형성되어 있다.

제1 수용 요소는, 또한 제1 열 질량과 단열부 사이에 배열된 제2 열 질량을 구비할 수 있다. 이 경우, 제1 열 질량 및 제2 열 질량은 바람직하게 다양한 재료로 형성되어 있다. 제1 수용 요소의 제2 열 질량도 마찬가지로 플레이트의 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에서는, 제2 수용 요소의 지지 요소가 단열부로서 또는 열 질량으로서 또는 열 질량과 단열부의 조합으로서 형성되어 있다. 이때, 수용 요소는 바람직하게 층 형상의 배열체를 구비한다.

제2 수용 요소의 지지 요소는 바람직하게 결합될 대상물을 위한 편평한 지지면을 구비하여 플레이트 형상으로 형성되어 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1 수용 요소는 장치의 제2 수용 요소에 대하여 비-가동적으로 그리고 제2 수용 요소는 제1 수용 요소에 대하여 이동 방향으로 가동적으로 배열되어 있다.

이 경우, 제1 수용 요소는 수직 방향으로 제2 수용 요소 위에 배열되어 있고, 제2 수용 요소는 수직 방향으로 조정될 수 있다.

이때, 수용 요소들의 지지면들은 바람직하게 각각 수평 평면에 정렬된 상태로 배열되어 있다.

본 발명의 일 개선예에 따르면, 제1 수용 요소의 제1 열 질량의 지지면에는 간격 유지 부재가 배열되어 있으며, 이 간격 유지 부재는 제2 수용 요소의 지지 요소의 지지면의 방향으로 연장된다. 이 경우, 간격 유지 부재의 치수는 제2 수용 요소의 지지 요소의 지지면의 방향으로, 결합 과정 후에 제2 수용 요소 상에 올려지는 대상물의 높이에 상응한다.

상기 과제는, 또한 전술된 특징들을 갖는 장치를 이용해서, 특히 자동차 열 관리 시스템을 위한 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해서도 해결된다. 이 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다:

- 열원을 스위치-온 하고, 장치의 제1 수용 요소의 플레이트 형상의 열 질량을 예열하는 단계,

- 결합될 대상물의 상호 연결된 요소들을 장치의 제2 수용 요소의 지지 요소의 지지면 상에 안착시키는 단계,

- 전달된 열을 보상하기 위해 열원을 스위치-오프 하거나 온도를 조절하고, 지지면과 제1 열 질량을 결합될 대상물의 요소에 열 접촉 방식으로 연결하는 단계,

- 열 라인을 통해 인접하는 제1 열 질량에 대하여 열 접촉함으로써, 결합될 대상물의 요소들을 직접 가열하는 단계, 및

- 수용 요소들을 함께 프레싱 함으로써, 지지면들 사이에 배열된 결합될 대상물의 요소들에 평탄하게 작용하는 압력을 가하는 단계, 그리고

- 시간 진행에 따라 열 질량의 온도를 예정된 값 아래로 감소시키는 단계,

- 대상물로부터 제1 열 질량을 제거하는 단계, 그리고

- 결합된 대상물을 인출하는 단계.

지지면을 갖는 제1 열 질량을 결합될 대상물의 요소에 결합하는 단계는 또한 장치의 폐쇄에도 상응한다. 그와 마찬가지로, 대상물로부터 제1 열 질량을 제거하는 단계는 장치의 개방으로서도 이해될 수 있다.

장치의 폐쇄에 의해서는, 지지면들 사이에 배열된 결합될 대상물의 요소들에 평탄하게 작용하는 압력을 형성하는 공정 단계, 그리고 열 질량의 온도를 감소시키는 공정 단계도 시작된다. 이들 단계는 시간상으로 서로 동시에 진행된다.

결합될 대상물의 요소들에는, 바람직하게 지지 요소의 지지면 상에 올리기 전에 용제가 제공된다.

본 발명의 일 개선예에 따르면, 열원의 스위치 온에 의해서는, 장치의 제1 수용 요소의 열 질량 외에 장치의 제2 수용 요소의 지지 요소의 플레이트 형상 열 질량도 가열된다. 이 경우, 결합될 대상물을 지지 요소의 지지면 상에 안착시킬 때에는, 대상물의 요소와 지지 요소의 지지면이 열적으로 접촉한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1 수용 요소의 열 질량 내에서는 하나 이상의 유도 코일에 의해서 전압이 유도되고, 와전류가 발생된다.

장치의 형성에 따라, 제2 수용 요소의 지지 요소의 열 질량 내에서는 하나 이상의 유도 코일에 의해서 전압이 유도될 수 있고, 와전류가 발생될 수 있다.

본 발명의 또 다른 한 가지 장점은, 하나의 유도 코일의 파워 또는 복수의 유도 코일의 파워가 상호 독립적으로 제어된다는 데 있다.

본 발명에 따른 방법은, 바람직하게 전도성 열 전달을 이용해서 열 교환기의 요소들을 납땜하기 위하여 사용된다. 이 경우, 열 교환기의 요소들은 지지면으로서 형성된 수용 요소들의 표면들 사이에 배열되어 고정된다. 그와 동시에, 장치의 지지면과 결합될 요소의 표면 간에 접촉을 보장하기 위하여, 요소들은 함께 프레스 된다. 열 질량으로서 형성된 장치 지지면들 중 하나 또는 다수는 유도 코일로서 형성된 하나 또는 다수의 열원에 의해서 간접적으로 가열된다. 열원은 전기식으로 작동된다. 열은 열 라인을 통해 결합될 요소의 표면으로 전달된다.

본 발명의 바람직한 실시예는, 자동차용 플레이트 요소로 이루어진 열 교환기, 특히 열 관리 시스템용 배터리 열 교환기를 열적으로 결합 및 제조하기 위하여, 본 발명에 따른 장치의 사용 및 본 발명에 따른 방법의 사용을 가능하게 한다. 대안적으로, 또한 대상물은 열 교환기의 플레이트 요소와 상이한 다양한 기하학적 구조, 예를 들어 연결 요소 또는 파이프, 바람직하게는 플랫 파이프를 구비하여 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치에 의해서 자동차용 플레이트 요소로부터 제조되는 본 발명의 컨셉에 따른 열 교환기, 특히 열 관리 시스템용 배터리 열 교환기는 최대 10%, 특히 최대 5%의 실리콘 함량을 갖는 재료로 이루어진 벽을 구비한다. 실리콘 함량을 결정하기 위하여, 기본 재료의 벽 두께가 연결 지점에서의, 특별히 납땜 지점에서의 벽 두께와 비교된다.

이로써, 예를 들어 납땜 과정은 기본 재료로부터 땜납을 형성하여 재료를 제거하는 과정과 연결되어 있다. 납땜을 위해서는 항상 기본 재료 및 땜납이 필요하며, 이 경우 땜납은 기본 재료상에 롤링 되거나 외부에서 부가된다. 납땜은, 땜납의 용융 온도를 기본 재료의 용융 온도 아래로 설정하기 위하여, 기본 재료보다 높은 실리콘 함량을 갖는다.

따라서, 실리콘 확산이란, 납땜 과정 중에 기본 재료가 실리콘과 합금되는 것으로 이해될 수 있으며, 이와 같은 상황은 재차 기본 재료의 제거와 관련이 있다. 따라서, 실리콘 함량에 대한 지시들은 기본 재료의 최초 벽 두께의 감소와 관련이 있다. 납땜 과정이 더 길게 지속되고 납땜 온도의 값이 더 높아짐에 따라, 기본 재료의 벽 두께의 감소는 각각 그만큼 더 커진다.

열 교환기의 벽이 소성 변형 영역에서는 바람직하게 200 ㎛ 내지 600 ㎛의 범위 내에 있는, 특히 200 ㎛ 내지 400 ㎛의 범위 내에 있는 입자 크기 직경을 갖는다.

열 교환기의 표면은 바람직하게 편평하게 그리고 흔적 없이, 다시 말하자면 예를 들어 프레스 연결 또는 관통 결합에 의한 소성 변형 없이 형성되어 있다.

요약해서 말하자면, 열적인 결합을 위한 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 또 다른 다양한 장점들을 갖는다:

- 종래의 CAB-공정에 비해 매우 짧은 시간 간격 안에 매우 신속하게 결합이 이루어지며, 이와 같은 상황은 다른 무엇보다 적은 실리콘 함량을 야기하고 - 결합된 대상물 내로의 실리콘 확산은 기본 재료의 약화를 야기함 - 이로 인해 재료의 감소된 약화 및 감소된 전기 전도성을 야기하며,

- 납땜 고정 과정이 전혀 필요치 않으며, 다만 간단히 고정 장치만을 사용하기만 하면 되며,

- 특히 공정 동안의 요소의 정적인 배치에 의해 결합된 요소의 최대의 편평도 및 최종 제품의 개선된 성형에 도달하게 되는데, 그 이유는 표면의 품질 증가 및 누설 위험의 감소를 위하여, 예를 들어 납땜 프레임 또는 프레스 연결의 사용에 의해서 변형이 전혀 이루어지지 않으며,

- 요소의 크기가 종래의 CAB-공정에서와 같이 납땜 오븐의 치수에 의해서 제한되지 않으며, 이로 인해 결합될 요소의 거의 제한 없는 크기, 그리고 다양한 치수 및 개별 부품 추적 가능성에 맞춘 스케일링이 가능해지며,

- 용제의 최소 사용에 의해 또한 결합된 대상물 외부에도 최소의 용제 잔류물이 존재하며,

- 공기 중에서 또는 진공 상태에서 또는 보호 가스 분위기에서 공정이 가능하나, 보호 가스 분위기는 필요치 않으며,

- 최소의 에너지 및 공간을 소비해서 그리고 최대의 온도 균일성 하에서 부품 제어된 결합 시간이 얻어지며,

그로 인해

- 최대의 공정 안전, 및

- 복잡성 및 재료 소비의 감소 그리고 이로 인한 제조 비용의 감소.

본 발명의 또 다른 세부 사항, 특징들 및 장점들은 관련 도면들을 참조하는 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 나타난다.
도 1은 특히 자동차 열 관리 시스템용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 장치를 개방된 상태에서 그리고 결합될 대상물이 올려진 상태에서 도시하고,
도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 장치를 이용해서 열적으로 결합하기 위한 방법의 단계들을 도시하며,
도 3은 도 1에 도시된 장치의 프레임 요소를 개방된 상태에서 그리고 결합될 대상물이 중간에 배치된 상태에서 사시도로 도시하고,
도 4a 및 도 4b는 종래 방식으로 결합된 그리고 도 1에 도시된 장치에 의해서 그리고 도 2a 내지 도 2f에 도시된 방법에 의해서 결합된 대상물의 일 벽의 단면의 현미경 사진을 각각 비교 도시하며, 그리고
도 5a 및 도 5b는 종래 방식으로 결합된 그리고 도 1에 도시된 장치에 의해서 그리고 도 2a 내지 도 2f에 도시된 방법에 의해서 결합된 대상물의 일 벽의 세부 사항의 현미경 사진을 각각 비교 도시한다.

도 1에서는, 특히 자동차 열 관리 시스템용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)가 개방된 상태에서 그리고 결합될 대상물이 올려진 상태에서 드러난다.

장치(1)는, 제1 수용 요소(2) 및 제2 수용 요소(3)로부터 형성되어 있다. 수직 방향으로 실질적으로 제2 수용 요소(3) 위에 배열된 제1 수용 요소는 정적이고, 제2 수용 요소(3)에 대하여 비-가동적이다. 제2 수용 요소(3)는 특히 제1 수용 요소(2)에 대하여 가동적으로 형성되어 있다. 제2 수용 요소(3)는 제1 수용 요소(2)의 방향으로의 이동을 위해, 높이 및 이로써 지지면의 조정을 위한 전기식 구동 장치를 갖춘 지지부 또는 유압식 램프(hydraulic ramp)로서 형성될 수 있다. 이 경우, 결합될 대상물(12)은 수직 방향으로 위에 그리고 수평 평면에 정렬된 지지면을 구비한다. 제2 수용 요소(3)는 이동 방향(4)에서 수직 방향으로 조정될 수 있다.

제1 수용 요소(2)는 제1 단열부(5)를 구비하며, 제1 단열부는 동시에 다양한 구성 요소를 층 방향으로 배열하기 위한 수용부 또는 홀더로서 형성되어 있다. 이 경우, 수직 방향 아래로 제1 단열부(5)에는 제2 단열부(6), 특히 제2 단열부(6)의 제1 층(6a)이 제공되어 있으며, 이 제1 층은 제1 단열부(5)의 환상 에지 영역에 접한다. 또 다른 층 구조에서는, 수직 방향 아래로 열원(7)이 후속하며, 이 열원은 제2 단열부(6) 내부에, 특히 제2 단열부(6)의 제1 층(6a)과 제2 층(6b) 사이에 매립되어 있다. 제2 단열부(6)는, 복수의 유도 코일로부터 형성된 열원(7)을 둘러싼다.

열원(7)의 유도 코일에 의해서는, 수직 방향으로 열원(7) 아래에 배열된 제1 열 질량(8) 및 제1 열 질량(8)과 제2 단열부(6) 사이에 배열된 제2 열 질량(9) 내에서 각각 전압이 유도되고, 와전류가 발생된다. 이 경우에는, 플레이트 형상의 그리고 각각 수평 평면에 정렬된 열 질량(8, 9)이 가열된다. 제1 열 질량(8)은 결합될 대상물(12) 내부에서 열의 균일한 분포를 위해 형성되어 있다. 제2 열 질량(9)은, 실질적으로 작동 동안 장치(1)의 효율 증가를 위해서 그리고 제1 열 질량(8) 내부에서 열의 균일한 분포를 위해서 이용된다.

도면에 도시되지 않은 장치(1)의 폐쇄 상태에서는, 제1 열 질량(8)이 하부면에 의해서, 결합될 대상물(12)에 바람직하게 편평하게 접한다. 이 경우, 제1 열 질량(8)은 제2 수용 요소(3)의 방향으로 위에 올려진 대상물(12)을 구비하여 형성된 하부면에 간격 유지 부재(10)를 구비하며, 이 간격 유지 부재의 수직 방향 치수는 실질적으로 제2 수용 요소(3) 상에 올려진 대상물(12)의 높이에 상응한다. 간격 유지 부재(10)는 각각 상부 면에서 제1 수용 요소(2)의 제1 열 질량(8)과 단단히 연결되어 있다. 장치(1)의 폐쇄 상태에서는, 간격 유지 부재(10)가 각각 하부면에 의해서, 제2 수용 요소(3)의 일 표면에 접한다.

이동 장치(4) 내에서 조정 가능한 제2 수용 요소(3)는, 결합될 대상물(12)을 위한 지지 요소(11)를 구비하여 형성되어 있다. 개별 층(11a, 11b, 11c)으로 구성된 지지 요소(11)는 필요에 따라 열 질량들의 조합 또는 단열부들의 조합으로부터 제조될 수 있다. 이 경우, 지지 요소(11)는 제3 열 질량(11a, 11b, 11c) 및/또는 제3 단열부(11a, 11b, 11c)를 구비할 수 있다. 층(11a, 11b, 11c)은 각각 수평 평면에 정렬되어 있다. 수직 방향으로 상부 층의 상부 면에, 결합될 대상물(12)이 배열되어 있다.

장치(1)는, 또한 열원(7)의 전기식 작동을 위한 제너레이터 및 단열부(5, 6)의 냉각을 위한 물 공급부를 구비하는 주변 요소(13)를 구비한다. 또한, 장치(1)는, 특히 결합 과정 동안에 생성되는 증기 및 공기를 장치(1)로부터 흡인하기 위하여, 흡입기(14)를 구비하여 형성되어 있다.

도면에 도시되지 않은 장치의 실시예들에서는, 수용 요소들 중 하나 이상이 로봇 암으로서의 하나 이상의 열 질량을 구비하여 그리고 이로써 다른 개별 수용 요소에 대하여 가동적으로 형성될 수 있다. 2개의 수용 요소가 로봇 암으로서 형성된 경우에는, 2개의 수용 요소가 서로에 대해 가동적으로 배열될 수 있다.

도면에 도시되지 않은 장치(1)의 폐쇄 상태에서는, 결합될 대상물(12)이 제1 수용 요소(2)와 제2 수용 요소(3) 사이에 배열되어 있다. 바람직하게 편평한 대상물(12), 예를 들어 열 교환기의 플레이트 요소 또는 특히 배터리 냉각기의 편평한 플레이트 열 교환기는 상부 면에 의해서는 제1 수용 요소(2)의 제1 열 질량(8)의 하부 면에 그리고 하부 면에 의해서는 제2 수용 요소(3)의 상부 층(11a)의 상부 면에 각각 바람직하게는 편평하게 접한다. 장치(1)에 의해서는, 또한 대상물이 다양한 기하학적 구조, 또한 플레이트 기하학적 구조와 상이한 기하학적 구조, 예를 들어 다양한 연결 요소 또는 파이프, 바람직하게는 플랫 파이프를 구비하여 제조될 수 있다.

플레이트 형상의 제1 열 질량(8)을 통해서는, 열 질량(8) 내에서 열원(7)과의 유도를 통해 발생된 열이 열 라인을 통과해서 결합될 대상물(12)로 전달된다. 제1 열 질량(8)과 대상물(12)의 편평한 인접 상태는 대상물(12)의 균일한 가열 및 이로써 결합될 대상물(12) 내부에서 균일한 온도 분포를 야기한다.

또한, 추가로 지지 요소(11)의 제3 열 질량(11c)도 열원(7)과의 유도를 통해서 가열될 수 있다. 결합될 대상물(12)과 제3 열 질량(11c)이 마찬가지로 편평하게 서로 접하기 때문에, 이 경우에는 대상물(12)이 또한 제3 열 질량(11c)에 의해서도 균일하게 가열되고, 대상물(12) 내부에서 균일한 온도 분포가 야기된다. 열은 제3 열 질량(11c)으로부터 열 라인을 경유하여 결합될 대상물(12)로 전달된다.

도 2a 내지 도 2f는, 도 1에 도시된 장치를 이용해서, 열 라인에 의해 요소들을 열적으로 결합하기 위한 방법의 단계들을 보여준다.

도 2a에 따른 제1 단계에서는, 대상물(12)의 함께 결합될 요소들, 특히 열 전달 요소들에 규정된 양의 용제가 제공된다. 그와 동시에, 제1 수용 요소(2)의 플레이트 형상의 제2 열 질량(8)이 예열된다. 열원(7)은 스위치 온 된다. 열원을 유도 코일로서 형성하는 경우에는, 제1 열 질량(8) 내에서 전압이 유도되고, 와전류가 발생된다. 따라서, 제1 열 질량(8)은 1회의 또는 다수 회의 유도 가열에 의해서 간접적으로 가열되며, 이 경우 플레이트 형상의 제1 열 질량(8)의 가열은 사로 독립적으로 제어되는 그리고 공정 내-온도 조절부로서의 소수의 또는 다수의 유도 코일에 의해서 이루어진다. 이 경우에는, 유도 코일 또는 유도 코일들의 파워가 각각 제어된다.

그 다음에 이어서, 도 2b에 따라 적층 배열된 결합될 대상물(12)의 요소들이 공동으로 가동적인 제2 수용 요소(3)의 지지 요소(11) 상에 안착된다. 이 경우에는, 지지 요소(11)의 층(11c)이 제3 열 질량으로서 또는 제3 단열부로서 형성될 수 있다. 장치(1)는 개방되어 있다.

열원(7)의 스위치 오프 후에는, 제1 열 질량(8)이 도 2c에 따라 수직 방향으로 위로부터, 적층 배열된 그리고 지지 요소(11) 상에 안착된 대상물(12)의 요소에 대상물(12)과 접촉하도록 접하며, 이와 같은 상황은 도 2d로부터 드러난다. 이 경우, 가동적인 제2 수용 요소(3)는 이동 방향(4)에서 수직 방향으로 위로 제1 수용 요소(2)까지 가이드 된다. 결합될 대상물(12)이 수용 요소(2, 3) 사이에서 인접한 제1 열 질량(8)과 제2 수용 요소(3)의 층(11a)에 열적으로 접촉하면서 배열되어 있는 동안에는, 대상물(12)이 열 라인을 통해 제1 열 질량(8)에 의해서 그리고 경우에 따라서는 제3 열 질량(11c)에 의해서 직접적으로 가열된다. 이 경우, 제3 열 질량(11c)은, 한 편으로는 제1 수용 요소(2)의 열원(7)에 의해서 또는 수직 방향으로 열 질량(11c) 아래에 배열된 추가 열원으로서의 유도 코일 또는 유도 코일들을 통해서 가열될 수 있다. 다른 한 편으로, 제3 열 질량(11c)은, 열 라인을 통한 제1 열 질량(8)과의 직접적인 열 접촉에 의해서 가열될 수 있다. 또한, 제3 열 질량(11c)은 예를 들어 전기식 가열 요소 또는 방사선원과 같은 대안적인 열원을 통해서 또는 대안적인 열원들을 통해 가열될 수도 있다.

제1 열 질량(8)의 표면과 제2 수용 요소(3)의 층(11a) 사이에 배열된, 결합될 대상물(12)의 함께 결합될 요소로서의 열 교환기 요소에는, 또한 상기 요소들의 결합될 표면들 간에 접촉을 보장하기 위하여 압력이 가해진다. 이 압력은 대상물(12)의 요소에 편평하게 작용한다.

열 질량(8, 11c)을 대상물(12)에 연결하는 단계 전에 이루어지는 열원(7)의 스위치 오프에 의해서는, 열 질량(8, 11c)의 온도가 시간이 경과함에 따라 예정된 값 아래로 감소한다. 열원(7)의 스위치 오프 단계에 대해 대안적으로, 열 질량(8, 11c)의 온도는 전달된 열을 보상하기 위하여, 또한 열원(7)에 의해서도 조절될 수 있다.

열 질량(8, 11c)의 온도의 예정된 값에 도달한 후에는, 제1 열 질량(8)이 도 2e에 따라 대상물(12)로부터 제거된다. 이 경우에는, 가동적인 제2 수용 요소(3)가 이동 방향(4)에서 수직 방향으로 아래로 그리고 이로써 제1 수용 요소(2)로부터 멀어지는 방향으로 가이드 된다. 장치(1)는 개방된다.

이제 열적으로 결합된 대상물(12)은 도 2f에 따라 제2 수용 요소(3)로부터 인출될 수 있다.

대상물(12)의 열적 결합의 전술된 공정 단계들은, 서로 동시에 이루어질 수 있고, 공정 시간을 단축시키고/단축시키거나 발생된 대상물의 품질을 높일 목적에 맞추어 조정될 수 있다.

도 3에는, 납땜 장치의 프레임 요소(15, 16)가 열적 결합 장치(1)의 개방된 상태에서 그리고 결합될 대상물이 중간에 배치된 상태에서 사시도로 도시되어 있다. 이 경우에는, 장치(1)의 플레이트 형상의 제1 열 질량(8)이 수직 방향으로 제1 프레임 요소(15) 위에 배열되어 있는 한편, 대상물(12)은 도면에 도시되지 않은 제3 단열부(11c) 상에 안착하기 위해 프레임 요소(15, 16) 사이에 배열된다. 프레임 요소(15, 16)는 중간에 배열된 대상물(12)과 함께 제2 프레임 요소(16)에 의해서 제2 수용 요소(3) 상에 안착되는 한편, 제1 프레임 요소(15)는 제1 수용 요소(2)의 방향으로 정렬되어 있다. 따라서, 프레임 요소(15, 16)는 결합될 대상물(12)의 고정 및 위치 결정을 위해서 이용된다.

도 4a 및 도 4b 그리고 도 5a 및 도 5b는, 각각 종래 방식으로 결합된 그리고 도 1에 도시된 장치에 의해서 그리고 도 2a 내지 도 2f에 도시된 방법에 의해서 결합된 대상물(12)의 일 벽의 현미경 사진들을 각각 비교해서 보여준다. 이 경우, 도 4a 및 도 5a로부터는, 일 벽의 단면의 현미경 사진 또는 선행 기술에 공지된 CAB-납땜 방법에 의해서 결합된 대상물의 일 벽의 세부 사항의 현미경 사진들이 드러나는 한편, 도 4b 및 도 5b에서는, 일 벽의 단면의 현미경 사진 또는 본 발명에 따른 및 본 발명에 따른 방법에 의해서 결합된 대상물(12)의 일 벽의 세부 사항의 현미경 사진들이 도시되어 있다.

도 4a 및 도 4b의 현미경 사진들은, 결합된 대상물(12)로서의 구부러진 시트의 소성 변형 영역(17a, 17b)을 명확하게 보여주며, 상기 영역에서는 냉간 변형 및 온도 영향으로 인해 재결정, 즉 입자 신규 형성 및 입자 조대화(coarsening)가 발생한다. 종래 방식으로 결합된 대상물의 소성 변형 영역(17a) 내부에서의 입자 조대화 및 입자 신규 형성의 치수, 예를 들어 입자 크기 직경은 도 1에 도시된 장치 및 도 2a 내지 도 2f에 도시된 방법에 의해서 결합된 대상물(12)의 소성 변형 영역(17b) 내부에서의 입자 조대화 및 입자 신규 형성의 치수보다 훨씬 더 크다. 본 발명에 따른 장치(1) 및 본 발명에 따른 방법에 의해서는, 소성 변형 영역(17b)에서, 특별히 냉간 경화의 영역에서 200 ㎛ 내지 600 ㎛의 범위 안에 있는 입자 크기 직경이 발생하는 한편, 종래 방식으로 결합된 대상물의 소성 변형 영역(17a)에서는 입자 크기 직경이 400 ㎛ 내지 1,200 ㎛의 범위 안에 놓여 있다. 이 경우에는, 하나의 입자의 주변을 둘러싸는 최소 원의 직경이 입자 직경 크기로서 지칭된다. 입자 크기 직경이 작아서 결과적으로 입자들이 정밀할수록, 강도, 특히 노치 임팩트 강도 및 연성을 그만큼 더 높아진다.

도 5a의 현미경 사진들은, 적어도 20%의 실리콘 함량을 갖는 벽을 명확하게 보여준다. 그와 달리, 도 5b에 도시된 현미경 사진들은 5% 미만의 실리콘 함량을 갖는 벽을 보여준다. 벽 내에서의 실리콘 함량을 결정하기 위하여, 기본 재료의 벽 두께가 연결 지점에서의, 특히 납땜 지점에서의 벽 두께와 비교된다. 실리콘 함량의 값이 높을수록, 벽의 기본 재료는 그만큼 더 약화된다.

1: 장치
2: 제1 수용 요소
3: 제2 수용 요소
4: 제2 수용 요소(3)의 이동 방향
5: 제1 수용 요소(2)의 제1 단열부
6: 제1 수용 요소(2)의 제2 단열부
6a, 6b: 제2 단열부(6)의 층
7: 열원
8: 제1 수용 요소(2)의 제1 열 질량
9: 제1 수용 요소(2)의 제2 열 질량
10: 간격 유지 요소
11: 지지 요소
11a, 11b, 11c: 제2 수용 요소(3)의 층, 제2 수용 요소(3)의 제3 열 질량/단열부
12: 대상물
13: 주변 요소
14: 흡인기
15: 제1 프레임 요소
16: 제2 프레임 요소
17a, 17b: 소성 변형 영역

Claims

특히 자동차용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 장치(1)로서,
제1 수용 요소(2) 및 제2 수용 요소(3) 그리고 하나 이상의 열원(7)을 구비하며,
- 상기 수용 요소(2, 3)는 각각 하나 이상의 단열부(5, 6, 11a, 11b, 11c)를 구비하며, 서로에 대해 정렬되어 있고 지지면들 사이에 결합될 대상물(12)을 배열하기 위한 지지면을 구비하여 형성되어 있으며,
- 하나 이상의 수용 요소(2, 3)는 다른 수용 요소(2, 3)에 대하여 가동적으로 형성되어 있으며,
- 적어도 상기 제1 수용 요소(2)는, 열원(7)에 의해서 가열될 수 있는 하나 이상의 열 질량(8, 9)을 구비하며, 그리고
- 상기 제2 수용 요소(3)는 대상물(12)을 위한 지지면을 갖는 지지 요소(11)를 구비하여 형성되어 있으며,
상기 제1 수용 요소(2)의 하나 이상의 제1 열 질량(8)은 열 라인을 통해 대상물(12)을 가열하기 위한 대상물(12)용 지지면을 구비하여 형성되어 있는, 특히 자동차용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 열원(7)이 제1 수용 요소(2) 내에 통합된 상태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 열원(7)이 하나 이상이 유도 코일로부터 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제3항에 있어서, 상기 열원(7)이 독립적으로 제어 가능한 복수의 유도 코일로부터 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제2항에 있어서, 상기 열원(7)이 제1 수용 요소(2)의 단열부(6) 내에 매립된 상태로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 제1 수용 요소(2)가 제1 단열부(5) 및 제2 단열부(6)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제6항에 있어서, 상기 제2 단열부(6)가 제1 층(6a) 및 제2 층(6b)으로부터 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제7항에 있어서, 상기 열원(7)이 상기 제2 단열부(6)의 제1 층(6a)과 제2 층(6b) 사이에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 적어도 상기 제1 수용 요소(2)의 제1 열 질량(8)이 결합될 대상물(12)을 위한 편평한 지지면을 구비하여 플레이트 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 제1 수용 요소(2)가 제2 열 질량(9)을 구비하여 형성되어 있으며, 상기 제2 열 질량이 제1 열 질량(8)과 단열부(6) 사이에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 제2 수용 요소(3)의 지지 요소(11)가 단열부로서 또는 열 질량으로서 또는 열 질량과 단열부의 조합으로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 제2 수용 요소(3)의 지지 요소(11)가 결합될 대상물(12)을 위한 편평한 지지면을 구비하여 플레이트 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 제1 수용 요소(2)는 상기 제2 수용 요소(3)에 대하여 비-가동적으로 형성되어 있고, 상기 제2 수용 요소(3)는 상기 제1 수용 요소(2)에 대하여 이동 방향(4)으로 가동적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제13항에 있어서, 상기 제1 수용 요소(2)가 수직 방향으로 제2 수용 요소(3) 위에 배열되어 있고, 상기 제2 수용 요소(3)가 수직 방향으로 조정 가능한 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제13항에 있어서, 상기 수용 요소(2, 3)의 지지면들이 각각 하나의 수평 평면 내에 정렬된 상태로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 제1 수용 요소(2)의 제1 열 질량(8)의 지지면에 간격 유지 요소(10)가 배열되어 있고, 상기 간격 유지 요소는 제2 수용 요소(3)의 지지 요소(11)의 지지면의 방향으로 연장되며, 상기 제2 수용 요소(3)의 지지 요소(11)의 지지면의 방향으로 상기 간격 유지 요소(10)의 치수는 결합 후에 상기 제2 수용 요소(3) 상에 올려진 대상물(12)의 높이에 상응하는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 장치(1)를 이용하여, 특히 자동차의 열 관리 시스템용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 방법으로서, 다음과 같은 단계들:
- 열원(7)을 스위치-온 하고, 상기 장치(1)의 제1 수용 요소(2)의 플레이트 형상의 열 질량(8)을 예열하는 단계,
- 결합될 대상물(12)의 상호 연결된 요소들을 제2 수용 요소(3)의 지지 요소(11)의 지지면 상에 안착시키는 단계,
- 전달된 열을 보상하기 위해 열원(7)을 스위치-오프 하거나 온도를 조절하고, 지지면과 제1 열 질량(8)을 결합될 대상물(12)의 요소에 열 접촉 방식으로 연결하는 단계,
- 열 라인을 통해 인접하는 제1 열 질량(8)에 대하여 열 접촉함으로써, 결합될 대상물(12)의 요소들을 직접 가열하는 단계, 및
- 수용 요소(2, 3)를 함께 프레싱 함으로써, 지지면들 사이에 배열된 결합될 대상물(12)의 요소들에 평탄하게 작용하는 압력을 가하는 단계, 그리고
- 시간 진행에 따라 열 질량(8)의 온도를 예정된 값 아래로 감소시키는 단계,
- 대상물(12)로부터 제1 열 질량(8)을 제거하는 단계, 그리고
- 결합된 대상물(12)을 인출하는 단계를 포함하는, 특히 자동차의 열 관리 시스템용 열 교환기를 열적으로 결합하기 위한 방법.
제17항에 있어서, 지지 요소(11)의 지지면 상에 올리기 전에, 함께 결합될 대상물(12)의 요소들에 용제가 제공되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제17항에 있어서, 열원(7)의 스위치 온에 의해서 장치(1)의 제2 수용 요소(3)의 지지 요소(11)의 플레이트 형상의 열 질량(11a)이 가열되며, 결합될 대상물(12)의 요소들을 지지 요소(11)의 지지면 상에 올릴 때에 상기 대상물(12)의 요소와 상기 지지 요소(11)의 지지면이 열적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제17항에 있어서, 제1 수용 요소(2)의 열 질량(8) 내에서 하나 이상의 유도 코일에 의해 전압이 유도되고 와전류가 발생하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제19항에 있어서, 제2 수용 요소(3)의 열 질량(11a) 내에서 하나 이상의 유도 코일에 의해 전압이 유도되고 와전류가 발생하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제20항에 있어서, 하나의 유도 코일의 파워 또는 복수의 유도 코일의 파워가 상호 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 방법.
자동차용 플레이트 요소로 이루어진 열 교환기, 특히 열 관리 시스템용 배터리 열 교환기를 제조하기 위하여, 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 열적 결합 방법을 이용하는, 용도.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 장치(1) 및 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 열적 결합 방법에 의해서 제조되는, 자동차용 플레이트 요소로 이루어진 열 교환기, 특히 열 관리 시스템용 배터리 열 교환기에 있어서,
상기 열 교환기의 일 벽이 최대 10%, 특히 최대 5%의 실리콘 함량을 갖는 재료로부터 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
제24항에 있어서, 상기 열 교환기의 벽이 소성 변형 영역(17b)에서는 200 ㎛ 내지 600 ㎛의 범위 내에 있는, 특히 200 ㎛ 내지 400 ㎛의 범위 내에 있는 입자 크기 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
제24항에 있어서, 상기 열 교환기의 표면이 편평하게 그리고 흔적 없이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.