TW201509560A - 以空間效率高的方式將多個小直徑鈀合金管熔接至共用基板的系統和方法 - Google Patents

Abstract

該管組件藉由板件被接合在一起成為一矩陣。該板件具有第一表面、相反的第二表面、及多個孔洞。每一孔洞具有一由該第一表面下降進入該板件之埋頭區域。管組件被提供。每一管組件具有第一端部、相反的第二端部、及喇叭形結構。該喇叭形結構之尺寸被設計成可完全被承納在該埋頭區域內。該等管組件穿過該板件中之孔洞。每一管組件的喇叭形結構在每一孔洞之埋頭區域內被熔接至該板件，而每一管組件通過該孔洞。

Description

以空間效率高的方式將多個小直徑鈀合金管熔接至共用基板的系統和方法

大致上，本發明有關被使用於製造平行管之矩陣的方法及程序。更特別地是，本發明有關多個平行管被熔接至共用基板之方法及程序。

平行管之矩陣被使用於很多不同設備之元件中。例如，很多熱交換器使用平行管。平行管矩陣的更獨特應用之其中一者可被發現在氫氣處理室。

於氫氣處理室中，諸如氫純化器及氫蒸氣重組器、鈀合金管被暴露至含有氫的氣體。該鈀合金在高溫係氫可透過的。據此，該氫通過該等管之壁面，且變得與其他氣體分開。利用平行管之矩陣的氫處理設備之範例能被發現於美國專利第7,972,417號中，標題為具有用於由混合氣體來源有效率地分開氫氣之微通道結構的氫氣分離器系統。

用於很多理由，其想要的是在氫氣處理室中使用極小 直徑之管。其亦想要的是將該等管盡可能近地放置在一起，而沒有接觸。為了將該等管牢固地固持在該想要之矩陣方位中，各種管典型被安置進入一共用的金屬基板。於該先前技藝中，孔洞被鑽入基板。該等管接著被放入該等孔洞，且被硬焊進入適當位置。

於某些氫氣處理室應用中，數百支管被安置進入單一基板。該等管被很密集地封裝，於鄰接管之間具有僅只一毫米的幾分之幾。傳統的熔接技術不能被使用，因為微小的區域被熔接，且環繞每一熔接缺乏可用之空間。據此，熱硬焊技術被應用。

於氫氣處理室中，鈀合金管被硬焊至不銹鋼端蓋。該等鈀管接著為了滲漏被測試及以別的方式改善供商業使用。其係僅只在鈀管已作品質測試之後，將其加至一管矩陣。這確保該管矩陣將不含有任一有瑕疵之管，因其將導致該整個矩陣有瑕疵。

一旦已測試管被加至一矩陣，該等已測試管傳統上遭受將該等管連接至該矩陣的第二硬焊程序。於該第二硬焊程序期間，該等預測試管之完整性可被熱應力所妥協。再者，於該第二硬焊製程期間，該等最初被硬焊的連接可變得未完成及造成滲漏。另外，當傳統硬焊技術被使用在大的管矩陣時，其已證實難以圍繞所有該等管建立一致的硬焊密封。通常，一些管具有適當之硬焊密封，其他則不。既然數百支管可為存在於單一矩陣中，甚至具有99.9%有效性的硬焊技術將因為至少一滲漏的硬焊密封而導致每一 氫氣處理室為有瑕疵的。

於美國專利第8,230,594號中，該申請人取得使用雷射熔接將管熔接至基板的系統之專利。於此系統中，管被製成具有停靠在該基板上之喇叭口。該雷射熔接器接著將該等喇叭口熔接至在下方的基板。此一系統係在先前技藝硬焊技術之上的巨大改良。然而，數個問題仍然發生。大多數地，需要用於該熔接之區域限制該等管如何能被密集地封裝成一矩陣。問題亦發生於繞著該密集矩陣引導該雷射，因為來自該雷射光的反射及藉由該熔接所造成之亮度傾向蒙蔽光學目標系統。

因此，對於用以於很密集的矩陣中將數百支小直徑管平行地接合至共用基板的改良技術存在一需要。對於使該等熔接當它們被建立時顯現的改良技術亦存在一需要。這些需要被如下面所敘述及主張之本發明所滿足。

本發明係一管矩陣及組合來形成該管矩陣的管組件。該管組件藉由板件一起被接合成一矩陣。該板件具有第一表面、相反的第二表面、及由該第一表面延伸至該第二表面之多個孔洞。每一孔洞具有一由該第一表面下降進入該板件之埋頭區域。

多個管組件被提供。每一管組件具有第一端部、相反的第二端部、及緊接該第一端部之喇叭形結構。該喇叭形結構之尺寸被設計成可完全被承納在該埋頭區域內。該等 管組件穿過該板件中之孔洞。每一管組件的喇叭形結構在每一孔洞之埋頭區域內被熔接至該板件，而每一管組件通過該孔洞。

12‧‧‧雷射光束

14‧‧‧熔接部

16‧‧‧表面熔合區

18‧‧‧次表面熔合區

20‧‧‧管矩陣

22‧‧‧管組件

24‧‧‧管

26‧‧‧熔接終端

28‧‧‧圓柱形本體

30‧‧‧頂端

32‧‧‧底端

34‧‧‧中心導管

36‧‧‧隆起緣

40‧‧‧喇叭形結構

42‧‧‧平坦表面

44‧‧‧成斜面的表面

45‧‧‧內側壁面

46‧‧‧成斜面的表面

48‧‧‧外側壁面

50‧‧‧基板

51‧‧‧第一表面

52‧‧‧孔洞

53‧‧‧第二表面

54‧‧‧成斜面的表面

55‧‧‧埋頭區域

56‧‧‧雷射熔接器

60‧‧‧光源

62‧‧‧光

64‧‧‧光學瞄準系統

70‧‧‧管

72‧‧‧基板

74‧‧‧孔洞

75‧‧‧喇叭形結構

用於本發明之更好理解，參考其示範實施例的以下敘述，會同所附圖面被考慮，其中：圖1係雷射光束熔接之先前技藝影像，並顯示表面擴散區；圖2係雷射光束熔接之截面先前技藝影像，並顯示次表面擴散區；圖3係一段管矩陣之片段截面視圖；圖4係具有一熔接終端的管組件之分解視圖；圖5係該喇叭形結構在熔接終端上之放大截面視圖；圖6係概要圖，顯示在雷射熔接機中之一段管矩陣；及圖7係替代實施例之一段管矩陣的截面視圖。

參考圖1及圖2兩者，其將被了解當雷射光束12被使用於建立一熔接部14時，該熔接部14具有第一直徑D1的表面熔合區16。該熔接部14亦具有最大深度D2之次表面熔合區18。

在該等熔合區16、18內，待熔接的金屬熔融及熔合 在一起，以建立該想要之熔接。該表面熔合區16的直徑D1典型係比該雷射光束12之直徑顯著地較寬。該等熔合區16、18的直徑D1及深度D2兩者被該雷射之強度、該雷射之脈衝的持續期間、及待熔接之材料所影響。

因此，其將被了解當作待雷射熔接成一密集圖案的物體，決定該密度之主要因素係藉由該等熔接部所建立之熔合區16、18的尺寸。所造成之熔合區越小，則可被產生的熔接部更密集。

本發明之系統及方法論能被使用於熔接比先前所可能者更密集的管矩陣。該矩陣中之管可被由很多不同材料所製成、諸如不銹鋼、鈀合金與類似者等。所選擇之管材料視該管矩陣的意欲應用而定。本發明於製成供使用於氫氣處理器中之管矩陣中係尤其有用的。一些氫處理室之模型使用不銹鋼管之矩陣及鈀合金管的矩陣兩者。如此，本申請案呈現二示範實施例，其顯示鈀合金管及不銹鋼管被熔接成矩陣。此等實施例呈現用於本發明所考慮之最佳模式。然而，該等範例係僅只示範的，且不應被考慮為限制該等申請專利之範圍。

參考圖3，一段管矩陣20被顯示。該管矩陣20含有多個管組件22。每一管組件22含有鈀合金管24。熔接終端26被連接至該鈀合金管24的一端部。該熔接終端26係在該鈀合金管24的一端部之上滑移的短管狀元件。

會同圖3參考圖4及圖5，其能被看出該熔接終端26具有圓柱形本體28，並具有頂端30及底端32。該熔接終 端26較佳地係由與該基板相同之材料所製成，該熔接終端最後將被熔接至該基板。該圓柱形本體28的頂端30及該底端32兩者係開通的，在其中界定一開通中心導管34之相反端子。隆起緣36被形成於該開通的中心導管34中，其中該開通中心導管34的內側直徑由第一內側直徑突然地改變至較大之第二內側直徑。該隆起緣36被由該熔接終端26的頂端30設置一長度L1。

該熔接終端26之頂端30具有複雜的喇叭形結構40。大部份該等熔接終端26具有共用的外徑D3。於該喇叭形結構40中，該外徑於5%及20%之間增加至第二較大外徑D4。該喇叭形結構40的頂部具有一平坦表面42。該喇叭形結構40具有一在內側成斜面的表面44，其由該平坦表面42延伸至界定該開通中心導管34的內側壁面45。該內側成斜面的表面44係以一銳角A1形成斜面的，其較佳地係在該水平面下方於20度與45度之間。

該喇叭形結構40亦具有由該平坦表面42延伸至該圓柱形本體28的外側壁面48之外側成斜面的表面46。該外側成斜面的表面46係以較佳地係在40度與75度間之銳角A2形成斜面的。

該鈀合金管24被插入該熔接終端26之開通底端32，直至該鈀合金管24安置抵靠著該隆起緣36。該鈀合金管24於分開程序中被硬焊在適當位置中。在該熔接終端26被硬焊至該鈀合金管24以形成該管組件22之後，該管組件22係做品質測試。如果管組件22通過品質測 試，其係得知該熔接終端26及該鈀合金管24間之硬焊係適當的。其係進一步得知該鈀合金管24本身不斷裂、破裂。或以別的方式有瑕疵。

於圖3及4中，一段基板50被顯示。該基板50係金屬，且較佳地係不銹鋼合金。然而，其他非反應合金、諸如赫史特合金(Hastelloy^®)亦可被使用。其較佳的是該基板50及該熔接終端26為相同之合金或相容的合金，以增進熔接之容易性及減少可藉由使用具有不同膨脹係數的合金所造成之應力。該基板50具有第一表面51及相反的第二表面53。於密集之矩陣圖案中，孔洞52被由第一表面51加工穿過該基板50至該第二表面53。每一孔洞52具有一主要內側直徑，其係僅只稍微大於該等管組件22的主要外側直徑D3。據此，該等管組件22能通過進入該等孔洞52，且一旦於該等孔洞52中具有極小的橫向游隙。該等孔洞52之直徑係比該等管組件22上之喇叭形結構40的直徑D4較小。據此，該喇叭形結構40防止該管組件22完全通過該等孔洞52。

每一孔洞52具有由其第一表面51延伸進入該基板50的埋頭區域55。該埋頭區域55之尺寸被設計成可承納該熔接終端26的喇叭形結構40。於所示實施例中，該埋頭區域55係藉由成斜面的表面54所界定，該表面54由該第一表面51朝該孔洞52逐漸變窄。該成斜面的表面54之角度匹配該熔接終端26的喇叭形結構40之外側成斜面的表面46。再者，該埋頭區域55之深度係大致上等 於該喇叭形結構40的高度。因此，該熔接終端26上之喇叭形結構40安置成齊平抵靠著該對應孔洞52的成斜面之表面54，而不會使該喇叭形結構40的任何部分延伸超出該孔洞52。

現在參考圖6，熔接終端26之喇叭形結構40被顯示安置抵靠著基板孔洞52之成斜面的表面54。這造成該喇叭形結構40的外側成斜面之表面46與該成斜面的表面54的全長之間在該孔洞52的頂部之表面對表面鄰接。

於圖6中，該表面對表面鄰接亦被顯示藉由雷射熔接器56的雷射光束12所熔接。該雷射光束12係產生動力，以建立次表面熔合區16，其至少與該成斜面的表面46之底部一樣深地貫穿。然而，該成斜面的表面46係靠近該中心最深及靠近其周邊最淺。因此，極小能量係需要的，以靠近該周邊建立該想要之熔接。沿著該成斜面的表面54之長度的表面對表面接觸係在該次表面熔合區16中熔接在一起。該次表面熔合區16可被朝內地移位遠離該周邊。這建立很小的溢流，且該熔接區之直徑係未遠大於待熔接的喇叭形結構40。再者，其將被了解既然沒有大多數該熔接終端26延伸超出該基板50之頂部，該雷射熔接不會建立任何將向下流動且橫越基板50的頂部表面51散佈的熔融流動。該結果係具有一僅只稍微比該喇叭形結構40之直徑較大的直徑之表面熔合區18。

藉由該雷射光束12所建立的熔合區16、18係以高效率之方式建立。據此，將該熔接終端26接合至該鈀合金 管24的硬焊僅只經歷來自該熔接之最小數量的熱及應力。因此，已被品質測試為好的鈀合金管組件22可遍及該雷射熔接製程被一致地維持在該條件中。

因此，其將被了解在該基板50之孔洞52的頂部之成斜面的表面54及該熔接終端26上之喇叭形結構40供給三個重要功能。首先，這些特色組合，以在該恰好深度將該熔接終端26安置進入該基板50。第二，這些特色建立藉由熔接所接合之表面對表面接觸的一長區域。這導致一特別強固及高品質熔接部。第三，既然沒有待熔接之材料係在該基板50的頂部表面上方，藉由該熔接部所建立之熔合區係小的及僅只稍微大於該基板50上之成斜面的表面54之直徑。因此，管組件22能於高度密集圖案中經過孔洞52被熔接於共用基板50中。

又另一利益能藉由使用本發明之熔接終端及成斜面的孔洞所獲得。再次參考圖6，其將被了解於某些雷射熔接系統中，該雷射熔接器56係使用光學瞄準軟體來控制。當諸如不銹鋼之明亮金屬正被熔接時，此等系統具有一困難時間維持成像作用。這是因為很多該雷射光束及照明光之能量藉由該金屬的反射率被反射回去朝該瞄準系統。

該熔接終端26被製成具有一內側成斜面的表面44。該內側成斜面的表面44係相對於該水平面在一銳角。光源60被定位至該雷射熔接單元之側面。該光源60在一角度建立光62之光束，該角度係與該內側成斜面的表面44之角度互補。該結果係該內側成斜面的表面44垂直地反 射該光向上朝光學瞄準系統64。該光學瞄準系統64可因此於該雷射熔接製程期間維持更好之瞄準控制。

如先前已被論及，氫氣處理器亦含有被以不銹鋼管所製成之管矩陣。參考圖7，一段矩陣被顯示，在此不銹鋼或赫史特合金之管70被直接地熔接至基板72。於此實施例中，已事先被顯示為該熔接終端的一部份之喇叭形結構尺寸可被直接地切削加工至每一管70的端部上。該基板72具有與先前所敘述相同之成斜面的孔洞74。該等管70通入該等孔洞74，其中每一喇叭形結構75依先前所敘述之方式安置進入該成斜面的孔洞74。該等喇叭形結構75接著以與先前所敘述相同之方式被雷射熔接至該基板72。

其將被了解本發明之已說明及敘述的實施例係僅只示範的，且熟諳該技藝者能對那些實施例作成很多變動。譬如，管間之任何想要的距離可被作成，而異於所顯示之最大密度實施例。再者，該等管與該等喇叭形結構的直徑能在功能性限制內被變動。同樣地，具有異於圓之形狀的管及喇叭形結構能被使用。譬如，具有方形喇叭口之方形管能被使用。所有此等變動、修改及替代實施例係意欲被包含在本發明的範圍內，如藉由該等申請專利範圍所界定者。

20‧‧‧管矩陣

22‧‧‧管組件

24‧‧‧管

26‧‧‧熔接終端

50‧‧‧基板

51‧‧‧第一表面

52‧‧‧孔洞

53‧‧‧第二表面

Claims (18)

1. 一種管矩陣，包括：板件，具有第一表面，及相反的第二表面與由該第一表面延伸至該第二表面之多個孔洞，其中來自該多個孔洞的每一孔洞具有第一成斜面之表面，該第一成斜面的表面由該第一表面逐漸變窄進入該孔洞；多個氫可滲透管元件，其中來自該多個氫可滲透管元件之每一管元件具有第一端部、相反的第二端部、及緊接該第一端部之喇叭形結構，其中該喇叭形結構具有第二成斜面的表面；其中該多個氫可滲透管元件穿過該板件中之該多個孔洞，且其中每一該管元件的第二成斜面之表面被熔接至每一該孔洞之該第一成斜面的表面，而每一該管元件通過該孔洞。
2. 如申請專利範圍第1項之管矩陣，其中該多個氫可滲透管元件中之每一該管元件係一包括鈀合金管及附接至該鈀合金管的熔接終端之組件，其中該喇叭形結構係該熔接終端的一部份。
3. 如申請專利範圍第1項之管矩陣，其中該板件係由合金所構成，且每一該熔接終端係亦由該合金所構成。
4. 如申請專利範圍第1項之管矩陣，其中每一該管元件的第一端部不會延伸超出該板件之該第一表面。
5. 如申請專利範圍第1項之管矩陣，其中每一該喇叭形結構具有一設有內部邊緣及外部邊緣的平坦頂部表 面，其中該第二成斜面之表面在該平坦頂部表面的外部邊緣開始。
6. 如申請專利範圍第5項之管矩陣，另包含第三成斜面的表面，其在該喇叭形結構的內部邊緣開始，且朝內地逐漸變窄。
7. 一種管矩陣，包括：板件，具有第一表面、相反的第二表面、與由該第一表面延伸至該第二表面之多個孔洞，其中來自該多個孔洞的每一孔洞具有由該第一表面下降進入該板件之埋頭區域；多個氫可滲透管元件，其中來自該多個氫可滲透管元件之每一管元件具有第一端部、相反的第二端部、及緊接該第一端部之喇叭形結構，其中該喇叭形結構的尺寸被設計成可完全承納在該埋頭區域內；其中該多個氫可滲透管元件穿過該板件中之該多個孔洞，且其中每一該管元件的喇叭形結構被熔接至每一該孔洞之該埋頭區域內的該板件，而每一該管元件通過該孔洞。
8. 如申請專利範圍第7項之管矩陣，其中該多個氫可滲透管元件具有一熔接終端，且每一該喇叭形結構被直接地形成至該熔接終端上。
9. 如申請專利範圍第7項之管矩陣，其中該多個氫可滲透管元件係管組件，其包含鈀合金管及覆蓋該等鈀合金管的不銹鋼熔接終端，其中每一該喇叭形結構被形成在 該等熔接終端上。
10. 如申請專利範圍第7項之管矩陣，其中每一該埋頭區域呈現朝該孔洞逐漸變窄之第一成斜面的表面。
11. 如申請專利範圍第10項之管矩陣，其中該喇叭形結構呈現第二成斜面的表面，該第二成斜面的表面緊靠每一該埋頭區域內之該第一成斜面的表面。
12. 如申請專利範圍第11項之管矩陣，其中該第一成斜面的表面及該第二成斜面的表面係在該埋頭區域中被熔接在一起。
13. 一種供使用於管矩陣中之管組件，該管組件包括：鈀合金管，具有第一端部及第二端部；熔接終端，覆蓋該鈀合金管的第一端部，其中該熔接終端具有一設有平坦頂部及外部表面之喇叭形結構，該外部表面係以一銳角形成斜面的。
14. 如申請專利範圍第13項的供使用於管矩陣中之管組件，其中該熔接終端具有一底端及一頂端，其中該喇叭形結構被形成在該熔接終端的頂端。
15. 如申請專利範圍第14項的供使用於管矩陣中之管組件，其中該熔接終端在該底端與該喇叭形結構之間具有一恆定的外徑，其中該喇叭形結構具有大於該外徑之第二直徑。
16. 如申請專利範圍第13項的供使用於管矩陣中之管組件，其中該熔接終端界定一與該鈀合金管相通之開放 的內部導管。
17. 如申請專利範圍第16項的供使用於管矩陣中之管組件，其中該熔接終端係由不銹鋼所製成，並以硬焊連接被固定至該鈀合金管。
18. 如申請專利範圍第17項的供使用於管矩陣中之管組件，其中該喇叭形結構亦具有一內部成斜面的表面，其以一銳角逐漸變窄進入該開放的內部導管。