TWI322736B - Thermal spray application of brazing material for manufacture of heat transfer devices - Google Patents

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TWI322736B
TWI322736B TW093128419A TW93128419A TWI322736B TW I322736 B TWI322736 B TW I322736B TW 093128419 A TW093128419 A TW 093128419A TW 93128419 A TW93128419 A TW 93128419A TW I322736 B TWI322736 B TW I322736B
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Description

1322736 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種製造熱傳元件諸如汽車散熱器 法。經由熱喷硬銲材料，諸如利用電漿或線-電弧（w i 噴塗，而塗佈待結合之熱交換器零件。於組合所有f 經由加熱硬銲材料將熱交換器零件硬銲在一起，而 銲接點並因而形成熱傳元件。 【先前技術】 技藝中存在許多製造熱交換管之方法。大多數的 括將經塗佈之金屬片材摺疊形成通道，將助熔劑（f 料塗佈至經摺疊之金屬，然後加熱經摺疊之金屬及 材料並同時塗佈硬銲材料。在加熱過程中，助熔劑 金屬表面清潔，以致硬銲材料可容易地流入至摺層 任何間隙中，而密封間隙及形成接點。一般先將整 片材塗佈硬銲材料，然後再塗佈助熔劑，或將整個 時塗佈硬銲及助熔劑材料。一些金屬或金屬合金諸 在使用前被包覆以更易硬銲之金屬或合金，以使此 製程容易。 此技術之一些例子可見於專利文獻中。歐洲專利 第0 3 0 2 2 3 2號揭示一種熱交換管，其中將片材材 緣朝材料之中心輥軋通過垂直，以致當將其硬銲時 與片材材料平行。美國專利第4，6 3 3，0 5 6號揭示一 具有橢圓形截面之熱交換管之方法及供此種管用之 料（c r 〇 s s w e b )。此管係使用電子束炫接結合。美國 312ΧΡ/發明說明書(補件)/94-0丨/93128419 之方 r e - a r c ) .件後， 製得硬 方法包 lux)# 助炫劑 材料將 之間的 個金屬 片材同 如ί呂， 類型之 申請案 料之端 ，邊緣 種製造 交又網 專利第 5 1322736 5 , 1 8 6 , 2 5 1號揭示一種具有雙列流動通道之熱交換管。美 國專利第5 , 4 4 1，1 0 6號揭示一種包括複數個沿管長度延伸 . 之内部散熱片的熱交換管。此管係由護面鋁胚所形成並硬 銲在一起。美國專利第5, 579,837號揭示一種具有由兩腳 (其間具有約7 °至1 5 °之角度）所形成之隔板的熱交換管。 在硬銲之前將整個管塗佈硬銲助熔劑。美國專利第 5,704,423號揭示一種經由組合兩不同件金屬（一般各為 鋁或鋁合金）之主要部分及第二部分而製得之熱交換管。美 國專利第5，7 6 5，6 3 4號揭示一種藉由強化隔板分隔為二之 熱交換管。隔板係由延伸至管内部且以製造管之片材金屬 條狀物所形成之摺狀物所組成。在結合金屬條狀物的末端 之前，將條狀物的一面塗佈硬銲材料。由前述說明可知， 沒有一種形狀被廣泛採納於散熱管的製造。此等參考文獻 一般將使用助熔劑或含助熔劑之糊料於將金屬硬銲在一 起，尤其係當使用鋁時。 助熔劑材料一般對管材料及使用於硬銲程序中之爐具 有腐蝕性。使用助熔劑會增加製程的成本。通常希望製造 未使用助熔劑之熱交換管。美國專利第5，3 7 8 , 2 9 4號中說 明一使用作為硬銲填料材料之此種無助熔劑的銅合金。使 用此一合金作為硬銲填料材料可有利於製造熱交換器管 件。 本發明人先前之美國專利第6 , 5 3 0, 5 1 4號中說明形成熱 傳管之另一方法。此專利大致說明及主張無助熔劑的硬銲 技術及明確言之係利用糊料及箔來硬銲。 6 312XP/發明說明書(補件)/94-01 /93128419 1322736 無助炫劑之硬銲材料可利 表面。明確言之，一種沈積 銲粉末與黏合劑及使用作為 料漿。於沈積之後，藉由熱 下藉由黏合劑黏著至表面之 材料之間，雖然箔可能不會 驟使此技術所需之時間增加 降低。 塗佈物件之另一已知的方 料漿之形態懸浮。使用似漆 之形狀典型上為球形，且空 末之密度低。通常必需增加 上之硬銲材料的量。當在組 時，增加厚度並非可行的選 增加，這在一些應用中可能 儘管有此等已知之塗佈技 識，仍有需要改良的熱交換 示一種避免已知技術之缺點 【發明内容】 本發明係關於一種形成熱 驟：自金屬或金屬合金之片 構，將.硬銲材料熱喷於片材 可黏合至結構而形成一或多 材料加熱至足以使硬銲材料 用各種塗佈技術塗佈至金屬 硬銲材料之方法包括經由將硬 載體之溶劑混合而製得的似漆 及強制空氣使載體蒸發，而留 粉末。亦可將羯插於待硬銲的 黏著至扁平管之表面。乾燥步 ，及使此等製程中之生產速率 法包括使待沈積粉末以似漆 料漿的數種缺失包括由於粉末 氣會陷入於球體之間，因而粉 塗層之厚度，以提高塗佈表面 合一些零件中需要密切配合 擇。厚度亦會導致零件尺寸的 並不希望出現。 術及製造熱傳元件之先前知 器元件形成方法，且本發明揭 的較佳方法。 交換器之方法，其包括下列步 材形成可經由硬銲結合的結 之選定部分上，其中硬銲材料 個硬銲接點，及將結構或硬銲 熔融之溫度，以致其黏著至結 312XP/發明說明書(補件)/94-0丨/93128419 7 1322736 構形成一或多個硬銲接點而形成熱交換器。 硬銲材料係經選擇成可與片材之金屬或合金相容的金 屬或合金較佳。典型上將片材加熱至高於硬銲材料之熔融 溫度不多於約2 0 %以形成硬銲接點，且加熱典型上係於爐 中進行。硬銲材料可為粉末或線之形態，且係經由熱喷搶 塗佈。熱喷包括電漿或線-電弧。 結構係經製成形成一或多個流體通道。利用硬銲接點將 結構密封，而形成包括通道之一或複數個管。藉由設置於 操作位置之一或多個管集箱將複數個管結合，而自通道導 引或接受流體及形成熱交換器（諸如使用於汽車散熱器 中）。片材包括銅或銅合金，及硬銲材料包括經調配成具有 較片材低之溶點的銅合金較佳。 本發明亦關於一種形成熱交換器之管的方法，其包括提 供一具有一底部及兩末端之金屬或金屬合金之片材；將片 材之末端摺疊形成具有彼此相對之側邊及與片材底部相對 之側邊的腳；將片材之末端進一步朝向彼此摺疊，而形成 一對流體通道；塗佈可於腳之相對側邊之間及於底部及與 片材底部相對之腳之側邊之間沒有助熔劑而黏著至片材材 料的硬銲材料；及對片材及硬銲材料施加足以使硬銲材料 熔融之熱，及使其黏著至腳及底部，以使腳彼此結合及結 合至片材之底部而形成管。 硬銲材料可利用熱喷塗佈，或可為糊料或箔之形態。片 材可由銅或銅合金或除銅或銅合金外之材料，諸如铭、銘 合金或不鎮鋼所形成。 8 312XP/發明說明書(補件)/94-01/93128419 1322736 【實施方式】 參照圖式，圖1顯示經設計使用於汽車應用中之熱交換 器10，諸如交通工具散熱器。熱交換器10包括一組於管 集箱板1 4之間延伸之實質上平行的管1 2。冷卻流體流動 通過管集箱板14之間的管12。散熱片18附著至管12之 表面，且於管1 2之間延伸，以利於熱之傳導離開管1 2， 及藉由於熱交換器10上方流動之空氣提供對流熱傳用之 額外表面積。 此等管.可由熟悉技藝人士已知之任何適當的可硬銲材 料所構成。管係由銅或銅合金諸如銅鋼所製成較佳。在一 具體例中，管金屬包括C u Ζ η 1 5黃銅，其包含約1 %之額外 的合金化元素，以防止材料在硬銲操作中軟化。典型的合 金化元素包括鋅或鎳。在另一具體例中，管金屬可由 SM2385- 85%銅黃銅製成，同時管集箱係由SM2464 -黄銅 合金製成，兩者皆係購自Outokumpu Copper Strip ΑΒ (Vasteras, Sweden)。管亦可由除銅或銅合金外之材料， 諸如鋁、鋁合金或不銹鋼、或任何其他常用於形成熱傳管 之材料形成。 本發明之管可以許多方式製造。一製造技術包括如美國 專利第6,530,514號（將其内容倂入本文為參考資料）中所 揭示將銅或銅合金片材彎曲。然而，本發明可考慮其他的 彎曲或形成方法，諸如高頻管熔接方法，且文中所揭示之 改良係關於利用熱沈積技術設置硬銲材料。熱沈積硬銲可 使用於標準的管形狀，以及’ 5 1 4專利中所說明之形狀上。 9 312XP/發明說明書(補件)/94-01/93128419 1322736 在一具體例中，管1 2係由具有一底部2 2及兩末 2 5之片材所形成。將末端2 3、2 5朝向彼此摺疊， 於片材之中心相會為止。在摺疊的過程中，形成相 邊部分2 6、2 8及頂側2 4。然後使末端2 3、2 5彎曲 4 0、4 2。此產生期望管狀結構之外形，但金屬片材 為自由且未結合。 圖2顯示熱交換器10之其中一管12。管12包：ί 22、頂側24及兩大致弧形、相對的側邊部分26、 12大致為矩形且可具有圓形末端，且更包括自底告丨 伸至頂側2 4，而界定一對流體通道3 4、3 6之隔板 板3 0包括一對自頂側2 4彎曲之腳4 0、4 2。 為結合金屬末端及形成密封通道，利用此處說明 的硬銲技術替代金屬或金屬合金粉末、黏合劑及載 硬銲结。糊料包含金属或金屬合金粉末、黏合劑及 一般而言，粉末係存在為主成分，其中黏合劑係以 2 0重量％之量存在，及載體係以約1 %至1 0重量％之： 舉例來說，在一具體例中，將1 0 0克之粉末與1 0克 及2克之黏合劑混合。糊料形態之硬銲材料具有可 在固化之前流至管上之期望位置的優點。 載體為液體，諸如水或醇，以使糊料之稠度不會 而利於經由上漆或刷塗塗佈較佳。亦可使用低分子 蠟。最佳的載體為礦油精。當載體為液體及將糊料 待硬銲之零件時，進行乾燥程序。此係將大部分之 發，而僅於待硬銲之零件上留下少量，典型上係低 312XP/發明說明書(補件)/94-01/93128419 端23、 直至其 對的側 形成腳 之末端 &底部 28。管 5 22延 30。隔 之新穎 體、或 載體。 約3 %至 t存在。 之載體 使材料 過黏， 量的 塗佈至 載體蒸 於約 10 1322736 2%，及將所有載體蒸發較佳的簡單加熱程序。 當載體為蠟基時，黏合劑可為熱塑性形態。接著在 之前將粉末與蠟混合。在糊料之塗佈過程中，將熱塑 合劑加熱至9 0 °C，以使其熔融。糊料當塗佈至管上當 送至管之金屬時固化。當使用蠟基載體時不需要乾燥 序，由於蠟可不利用此一程序而再固化。 粉末係可填補待結合之管條狀物之部分之間之接點 時與管金屬合金化的填料。填料可包括任何熟悉技藝 所知曉之填料，諸如銅-磷。填料係銅-鎳-錫-磷合金 如市售之OKC600較佳》OKC600包含約1%至5%鎳，約 至2 0 %錫，約4%至7 %磷，及其餘為銅。黏合劑係作為 料黏著至期望表面之黏著劑。由於磷可作為助熔劑， 並不需要加入助熔劑，而使銅-鎳-錫-磷成為可獲致較 蝕性質之自助熔合金。 填料係經由氣體霧化成球形細粒粉末而產生。最大 大小一般係約9 0微米，及平均顆粒大小係約5微米J 微米，及約1 5微米至3 0微米為較佳。 硬銲糊料典型上係經由利用噴搶噴塗而塗佈至管。 將水基糊料使用於具有波形散熱片之散熱器，及將以 溶劑為主之糊料使用於平推管（flat push-tube)散熱 硬銲材料之厚度典型上係以重量測量。硬銲材料可以 100至300克/平方米塗佈較佳，及約150克/平方 2 0 0克/平方米更佳。 當使用硬銲结替代糊料時.，將箔插於待結合的管件 312XP/發明說明書(補件)/94-01/93128419 塗佈 性黏 熱傳 程 ，同 人士 ，諸 15% 使填 因而 佳腐 顆粒 l 60 一般 較硬 器。 約 米至 之
II 1322736 間。箔相當容易置於需要的管上。箔一般係與糊料填料 使用者相同的組成物，即熟悉技藝人士所知曉之任何銅 鲜合金。銅-錄-錫_填合金，諸如OKC600為較佳"羯具 至少约0 . 0 2 5毫米之厚度，及在約0 . 0 1及0 · 0 5毫米之 較佳。此具體例典型上不需要助熔劑、黏合劑或載體。 有不需要乾燥步驟於使任何液體成分揮發的優點。唯一 要的步驟係將箔置於需要的位置。然而，可能需要黏合 以確保箔停留於定位。 在另一具體例中，使用熱喷方法於將期望的硬銲材料 積於管上較佳。使用電聚或線-電弧於塗佈粉末或線形態 硬銲合金。在熱喷霧器之喷嘴中的高溫區域將粉末或線 融，其接著再以相當高之速度衝擊於待硬銲之表面上。 旦其到達表面，則硬銲材料冷卻並固化而產生期望的塗 層。一旦熔融顆粒到達表面，則其之球體變平，同時其 卻並固化而產生期望的高密度塗層。可精確地控制硬銲 金供給至喷搶之速率，以產生期望的塗層厚度。 圖3顯示利用粉末進料之喷搶。噴搶50包括陰極52 陽極54。電漿氣體56在箭頭方向環繞陰極52流動並通 陽極54。電漿氣體56可由氬、氮、氫或氦形成。電漿 體56經於陰極52與陽極54之間形成的電弧58加熱， 使電漿氣體56達到極高溫，解離，並離子化形成電漿。 末6 2當離開噴嘴時被供給至電漿中。粉末6 2經電漿快 加熱及加速，以致其於基板74上形成塗層70。塗層70 著於基板7 4上快速冷卻及固化。基板7 4典型上將係熱 312ΧΡ/發明說明書(補件)/94-01/93128419 所 硬 有 間 箔 需 劑 沈 的 熔 冷 合 及 過 氣 其 粉 速 接 傳 12 1322736 管。管可為任何標準的尺寸及形狀，包括圖1-2中說明之 摺疊形狀。 可使用與期望方法一致之熟悉技藝人士已知之任何電 漿搶。其例子包括購自 Praxair(Danbury， Connecticut) 之 Praxair SG-100 及購自 BayState Surface Technologies, Inc. (Auburn, Massachusetts)之 P G 系歹1J 電漿搶。一種可有用於本發明之線-電弧系統係P r a x a i r 8835 Arc Spray System。 當製造用於構造熱交換器之扁平管時，管可於筒磨機上 在約6 0 0英尺/分鐘之機器速度下塗佈。管集箱亦可使用 此方法塗佈及硬銲。當構造油冷卻器時，可以此方式將製 成管及歧管之模鍛板塗佈及硬銲。為组合熱交換器，將散 熱片置於經塗佈之管上，及將管插入至經塗佈之管集箱 中，以產生熱交換器主體。硬銲爐接著將硬銲合金熔融及 將組件黏合在一起，而形成堅固的熱交換器單元。塗佈典 型上係於惰性大氣中進行，以確保當將零件硬銲在一起 時，經塗佈之硬銲材料將可再熔融。亦可將熱噴技術使用 於不需要管集箱之熱交換器，諸如當將兩相對#材結合形 成可包括一或多個通道之管時。 使用熱喷硬銲典型上將導致塗層中之硬銲合金的密度 顯著增加，而不使其厚度增加。熔融的粉末或線經衝擊速 度而表面被壓平，而非如同已知技術之球形。同樣地，對 於類似的塗層密度，厚度可經由使用熱噴塗佈而降低。塗 佈程序之速度可經由使用二或多個搶於同時塗佈管之兩側 13 312XP/發明說明書(補件)/94-01 /93128419 1322736 而進一步增加。 一旦硬銲材料經塗佈，則將管加熱至恰高於硬銲材 填料的熔點。加熱使得管成為可被硬銲材料充分地塗 潤濕。將管加熱至超過填料之熔點約2 0 %較佳，至超 點約5 %更佳。此係與將鋁硬銲之方法相反=鋁之硬銲 的熔點與鋁管之熔點相當接近。硬銲合金典型上係在 方之管壁厚度之約1 0 %的護面層。因此，當嘗試使鋁 合金熔融時，存在管材料亦將被熔融的危險。OKC600 合金之熔點典型上係約6 0 0 °C 。在一具體例中，將管 至約6 3 0 °C。在另一具體例中，將管加熱至約6 1 0 °C » 溫度甚低於約1 0 0 0 °C至1 1 0 0 °C之銅合金管的熔點。S 將管加熱至稍高於6 0 0 °C將僅使硬銲合金熔融而不使 融。 先將腳4 0、4 2塗佈糊料，或將箔置於其間。亦將腳 42之末端塗佈糊料，或將其置放在置於底部上之箔纪 方。糊料一般係沿硬銲接縫44塗佈成為糊料之珠粒， 係沿在腳之末端與底部之間之相同的硬銲接縫以箔之 物使用。接著將管加熱至高於硬銲材料之熔點的溫度 使材料結合形成管。將兩腳40、42硬銲在一起’及亦 4 0、4 2硬銲至底部2 2。管之截面類似B字形。經發現 狀尤其有利於接受硬銲材料，尤其係無助熔劑之硬銲4 使用糊料或箔於密封管，及防止流動通過管之冷卻 洩漏。糊料或箔可在形成管之前、之中或之後沈積於 表面上。管之硬鲜最好可不需要加入助炫劑。 312XP/發明說明書(補件)/94-0丨/93128419 料之 佈或 過熔 合金 鋁上 硬銲 硬銲 加熱 此等 1此， 管嫁 40、 J上 而箔 條狀 ， 以 將腳 此形 才料。 流體 片材 14 1322736 硬銲塗佈一般係於爐中進行。程序中之一顧慮係防止管 或硬銲材料氧化。爐應具有低於約-4 0 °C之露點及低於約 1 0 0 p p m之氧含量。通常使用具約-6 5 °C之露點的惰性氣體 大氣諸如氮及約lOppm之低氧含量。 (實施例） 使用細鋼喷粒製備待塗佈管之表面。在塗佈之前亦可將 表面前處理。使用電漿搶於在750毫米/秒下喷塗管進行 單程塗佈，其中噴嘴係位在距基板約4至5英吋。管上之 塗層的厚度係每面約0 . 0 0 1英吋。塗佈係於經氮淨洗之惰 性大氣中進行。 應瞭解本發明並不限於文中所說明及描述的確切形 態。因此，應將熟悉技藝人士可由文中所述之揭示内容或 經由例行實驗而容易達成之所有合宜的修改視為係在如由 隨附之申請專利範圍所定義之本發明的精神及範圍内。 【圖式簡單說明】 本發明已就說明較佳具體例之附圖獲得更佳之瞭解，其 中： 圖1顯示根據本發明之方法所製得之汽車散熱器的部分 透視圖； 圖2顯示根據本發明所製得之熱交換器管的橫剖面圖； 及 圖3係供本發明使用之利用粉末進料之電漿喷搶的示意 圖，其顯示塗佈高頻熔接管之一面。 【主要元件符號說明】 15 312XP/發明說明書(補件)/94-01/93128419 1322736 10 熱 交 換 器 12 管 14 管 集 箱 板 18 散 熱 片 22 底 部 23 末 端 24 頂 側 25 末 端 26 側 邊 部 分 28 側 邊 部 分 30 隔 板 34 流 體 通 道 36 流 體 通 道 40 腳 42 腳 44 硬 銲 接 縫 50 喷 搶 52 陰 極 54 陽 極 56 電 漿 氣 體 58 電 弧 62 粉 末 7 0 塗 層 74 基 板 312XP/發明說明書(補件)/94-01/93128419 16

Claims (1)

  1. DEC 1 6 2009 簪換本 1322736 _____ 喷_丨2_月4曰修(更)正本 範圍： 1. 一種形成熱交換器之管之方法，其包含： 提供一具有一底部及兩末端之金屬或金屬合金之片材； 將該片材之末端摺疊而形成具有彼此相對之側邊及與 片材底部相對之側邊的腳； 將該片材之末端進一步朝向彼此摺疊，而形成一對流體 通道； 於腳之相對側邊之間及於底部及與片材底部相對之腳 之側邊之間，以電漿或線電弧熱喷塗佈無需助熔劑而可黏 著至片材材料的硬銲材料；及 對該片材及硬銲材料施加足以使該硬銲材料熔融並使 其黏著至腳及底部之熱，以使腳彼此結合及結合至片材之 底部而形成管。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該硬銲材料係 為粉末或線之形態。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該硬銲材料係 為包含金屬或合金粉末填料、黏合劑及載體之糊料的形態。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該硬銲材料係 為置於腳之相對側邊之間及於底部及與片材底部相對之腳 之側邊之間之箔的形態。 5 .如申請專利範圍第1項之方法，其中，該片材係由選 自由铭、紹合金、銅、銅合金或不錄鋼所組成之群的材料 所形成。 6.如申請專利範圍第1項之方法，其中，該片材係由除 17 93128419 1322736 銅或銅合金外之材料所形成。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該硬銲材料係 可與該片材之金屬或合金相容的金屬或合金。 8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該片材係被加 熱至高於該硬銲材料之熔融溫度不多於約20%以形成硬銲 接點。 9. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，該硬銲材料係 利用熱喷搶塗佈。 1 0 .如申請專利範圍第1項之方法，其中，該硬銲材料 係於惰性大氣中塗佈。 1 1 .如申請專利範圍第1項之方法，其中，該加熱係於 爐中進行。 1 2 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，設置複數個 管，且其進一步結合至一或多個置於操作位置之管集箱， 以自流體通道導引或接受流體，而形成熱交換器。 13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中，一硬銲材料 經由熱喷塗佈至該管集箱。 14. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該片材包含 銅或銅合金，及該硬銲材料包含經調配成具有比片材低之 熔融溫度的銅合金。 15. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該管係一扁 平管。 16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該熱喷塗佈 係在一筒磨機上進行。 18 93128419 1322736 17. 具有· 18. 數個I 汽車J 19. 數個1· 20. 造一 f 如申請專利範圍第1項之方法，藉由該方法形成一 -或多個流體通道之熱交換器以製造一汽車散熱器。 如申請專利範圍第1項之方法，藉由該方法形成複 ^交換器管，及使該等管以流體締和連接，以製造一 t熱器。 如申請專利範圍第1項之方法，藉由該方法形成複 v交換器管，以製造一汽車散熱器。 如申請專利範圍第1項之方法，藉由該方法，在製 ^交換器時，於該熱交換器中形成一或多個流體通道。 93128419 19
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