DE2403024C2

DE2403024C2 - Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen

Info

Publication number: DE2403024C2
Application number: DE2403024A
Authority: DE
Inventors: Karl Gunnar Västerås Jonason
Original assignee: Granges Essem AB
Current assignee: Granges Essem AB
Priority date: 1973-01-29
Filing date: 1974-01-23
Publication date: 1986-04-17
Also published as: CA1003703A; IT1006189B; GB1461306A; SE368348B; JPS49105769A; US4025035A; ES431525A1; FR2215287B1; NL7401210A; ES422680A1; NL175793B; AU474488B2; FR2215287A1; AU6492874A; JPS6315064B2; BE810298A; DE2403024A1; NL175793C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen, bei dem ein Grundprofil und mindestens ein gewellter, mit einem Lötmittel beschichteten Metallstreifen unter Hitzeeinwirkung und unter Aufbringung einer ausreichenden Kontaktkraft zwischen Grundprofil und Metallstreifen miteinander verbunden werden.

Bei einem in der DE-OS 2105 068 beschriebenen Verfah?en wird das Lötmitte! auf ein glattes Grundprofilband flächig aufgetragen und in einem weiteren Verfahrensschritt wird dieses mit dem Lötmittelauftrag versehene Grundprofil mit einem gewellten Metallstreifen in Kontakt gebracht, um die beiden Elemente miteinander zu verbinden, wobei das Lötmittel auf eine Tempe= ratur über seinem Schmelzpunkt gebracht worden ist.

Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens liegt in einem unnötig hohen Lötmittelverbrauch, da das Grundprofil auch außerhalb seiner Verbindungsstellen mit dem gewellten Metallstreifen mit Lötmittel beschichtet ist. Daraus kann sich ein weiterer Nachteil ableiten, nämlich eine Herabsetzung derWärrnetauschereigenfür den Fall, daß die Wärmeleitfähigkeit des Lötmittels niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Grundprofilmaterials.

Die gleichen nachteiligen Verhältnisse liegen im wesentlichen auch bei einem in der US-PS 36 93 710 beschriebenen Verfahren vor, bei dem das Grundprofil ebenfalls flächig mit einem Lötmittelauftrag versehen wird, bevor das Grundprofil mit dem gewellten Metallstreifen in Kontakt gebracht wird.

Bei einem in der CH-PS 3 18 033 beschriebenen Verfahren wird zwischen das Grundprofil und den gewellten Metallstreifen eine von einer Rolle abgewickelte Lötfolie zwischengelegt, was ebenfalls zu einem Lötmittelauftrag über die gesamte Grundprofilfläche führt
Eei der Herstellung von Wärmetauschern der hier in Frage stehenden Art werden die Wellenberge mit dem Grundprofil in Kontakt gebracht, wobei es allgemein üblich ist, die Wärme von einem Träger höherer Wärmekapazität auf das Lötmittel zu übertragen, um saubere Lötverbindungen zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelenicnten zu schaffen, bei dem einerseits der Lötmittelverbrauch so gering wie möglich gehalten wird, während andererseits auch die Wärmetauschereigenschaften des fertigen Wärmetauscherelementes für den Fall verbessert werden sollen, daß die Wärmeleitfähigkeit des Lötmittels niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Grundprofilmaterials.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß man ausschließlich auf die Wellenberge des einzelnen Metallstreifens flüssiges Lötmittel aufträgt und dieses sich verfestigen läßt, bevor man die mit dem Lötmittelauftrag versehenen Wellenberge in Kontakt mit dem (in an sich bekannter Weise) vorher auf eine über dem Schmelzpunkt des Lötmittels Hegende Temperatur erhitzten Grundprofil bringt.

Das wesentliche Merkmal besteht darin, das Lötmittel allein auf die Wellenberge anstatt ah £a;iz deckende Schicht auf das Grundprofil aufzutragen, so daß Lötmittel nur an den Stellen verbraucht wird, an denen Lötverbindungen hergestellt werden. Dadurch ist auch zwischen den eigentlichen Lötstellen ein optimaler Wärmetausch gewährleistet, da das Grundprofil in den zwi-

« sehen den Wellenbergen liegenden Bereichen keine Lötmittelbeschichtung aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der F i g. 1 bis 9 erläutert. In den Figuren zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Seitenansieht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.2 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht einer bevorzugt verwendeten Einrichtung zum Lötmittelauftragen;

Fig.3 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht einer Vorrichtung für einen alternativen Lötmittclauftrag;

F i g. 4 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht eines erhitzten Grundprofilabschnittes und eines Wellenbergabschnittes eines gewellten Metallstreifens, auf den im Bereich des Wellenberges Lötmittel aufgetragen ist, das sich vor dem lnkontaktkommen mit dem Grundprofil verfestigt hat;

F i g. 5 eine der Darstellung von F i g. 4 entsprechende Darstellung nachdem der Wellenberg in Kontakt mit dem erhitzten Grundprofil gekommen ist;

Fig.6 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Befestigen von gewellten

Metallstreifen auf beiden Seiten eines Grundpröfils;

F i g. 7 einen Längenabschnitt des unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Wärmetauscherelementes, bei dem an einer ober beiden Seiten des Grundprofils zwei sich in Längsrichtung erstrekkende gewellte Metallstreifen befestigt sind;

F i g. 8 eine Draufsicht auf einen Abschnitt des fertigen Wärmetauscherelementes, das aus mehreren nebeneinander liegenden Grundprofilen und einem einzigen gewellten Metallstreifen zusammengesetzt ist, und

Fig.9 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfmdungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist in vereinfachter schematischer Darstel- is lung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt Innerhalb dieser Vorrichtung wird ein Grundprofil 10 mit einer bestimmten Fördergeschwindigkeit vorwärtsbewegt. Unter Grundprofil wird ein Profil aus einem Metall verstanden, das mittels eines Lötmittels an Oberflächen vergrößernden Elementen befestigt werden kann, die aus dem gleichen oder einem anderen Metall bestehen. Das Grundprofil kann die Form eines Metallstreifens oder eines im wesentlichen rechteckigen Rohres haben, oder das Grundprofil kann aus zwei oder mehreren übereinanderliegenden Metallstreifen bestehen, die an ihren aneinanderliegenden Flächen ganz oder teilweise miteinander verbunden sind. Das Grundprofil soll im wesentlichen ebene, sich in Längsrichtung erstreckende Seitenflächen zur Befestigung vcn mindestens einem gewellten Metallstreifen haben.

Die Dicke des Grundprofils ist an sich bedeutungslos, und zwar unabhängig davon, ob das Grundprofil die Form eines Rohres oder eines anders gestalteten Hohlkörpers hat, oder ob das Grundprofil beispielsweise als kompakter fester Streifen ausgebildet ist.

Das Grundprofil besteht vorzugsweise aus einem Material Tiit einer guten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung; das Grundprofil hat vorzugsweise eine geringe Dicke, beispielsweise in der Größenordnung von 20—40 μτη.

Gemäß F i g. 1 wird das Grundprofil, welches abgebeizt oder entfettet ist, um eine im wesentlichen oxyd- und fettfreie Lot- bzw. Befestigunjjsfläche zu haben, von rechts nach links vorwärtsbewegt. Nach dem Abbeizen bzw. Entfetten wird das Grundprofil durch einen Heizofen 11 bewegt, in dem das Profil auf eine Temperatur erhitzt wird, die über dem Schmelzpunkt des im späteren Verlauf des Verfahrens verwendeten Lötmittels liegt. In'olge der geringen Dicke des Grundprofils ist dessen Wärmespeicherungskapazität nur gering, so daß die Temperatur, auf die das Grundprofil erhitzt wird, beträchtlich über dem Schmelzpunkt des Lötmittels liegen muß.

Fig. 1 zeigt außerdem eine Schleife 12 eines Metallstreifens, der eine senkrecht zu seiner Längsrichtung liegende Wellung aufweist. Der Metallstreifen 12 kann aus dem gleichen Material bestehen wie das Grundprofil: wenn der Streifen 12 aus einem anderen Metall oder einer anderen Legierung besteht als das Grundprofil, ist darauf zu achten, daß das Grundprofil durch Löten mit dem Streifen verbunden werden kann. Der gewellte Metallstreifen 12 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.

Der Streifen 12 wi-d in Richtung des Pfeiles B an einer Walze 13 vorbeibewegt, auf die mittels einer Düse 14 od. dgl. ein Flußmittel aufgetragen wird, das von der Walze 13 an die Spitzen bzw. Wellenkämme des gewellten Metallstreifens 12 übertragen wird. Der Metallstreifen wird dann zwischen zwei Walzen 14 und 16 hindurchgeführt. Die Walze 15 hat die Funktion einer Stütz- bzw. Führungswalze, während die Walze 16 eine Auftragswalze für Lötmittel 17 ist, das auf die Peripherie der Walze 16 aufgetragen wird und im Bereich der Kontaktstellen der Wellenberge des Metallstreifens 12 an diese Wellenberge abgegeben wird. Das Lötmittel wird in einer verhältnismäßig gleichmäßigen Schicht beispielsweise mittels einer Düse 18, auf die Auftragswalze 16 aufgetragen. Da das Lötmittel sich in geschmolzenem Zustand befindet, wenn es mit den Wellenbergen des gewellten Streifens 12 in Kontakt kommt, verfestigt sich aufgrund der niedrigen Temperatur des Streifens 12 eine im wesentlichen gleichbleibende Menge des Lötmittels im Bereich der Wellenberge; das Lötmittel wird daher im verfestigten Zustand während der Weiterbewegung des Streifens 12 über eine Führungsbahn 19 festgehalten, durch die -.iC-r Streifen 12 in eine Bewegungsbahn umgelenkt wird, dk der Bewegungsbahn des Grundprofiles 10 benachbart ist und den Streifen 12 in Kontakt mit diesem Grundprofil bringt.

Wenn die einzelnen, mit einem Lötmittelauftrag versehenen Wellenberge des gewellten Streifens 12 mit dem Grundprofil 10 in Berührung kommen, das mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Streifen 12 vorwärts bewegt wird, bringt die Hitze des Grundprofils 10 das Lötmittel unmittelbar zum Schmelzen; da diese Wärme jedoch gleichzeitig über den gewellten Streifen 12 abgeleitet wird, verfestigt sich das Lötmittel praktisch sofort, so daß eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Wellenbergen des Streifens 12 und dem Grundprofil 10 erhalten wird. Um die Wellenberge in den engsten Kontakt mit dem Grundprofil 10 zu bringen, wird ein Anpreßorgan beispielsweise in Form einer Walze 20 benutzt, die drehbar auf einer stationären Welle gelagert ist oder auf einer mittels einer Druckfeder 21 od. dgl. nachgiebig, d. h. federbelasteten Welle.

Es sind mehrere Möglichkeiten zur Durchführung des Verfahrens und zur Gestaltung der Vorrichtung vorgesehen.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Walze 16 zum Auftragen des Lötmittels 17 auf die Wellenberge des gewellten Streifens 12. Gemäß Fig.2 wird ein Behälter 22 benutzt, der eine Schmelze 23 eines geeigneten Lötmittels enthält. Der gewellte Streifen 12 wird über die Oberfläche der Schmelze 23 gezogen und mittels Walzen 24 und 25 so geführt, daß er ausreichend tief in die Schmelze eintaucht, um im Bereich der Wellenberge Lötmittel aufzunehmen.

Gemäß F i g. 3 ist zum Auftragen des Lötmittels auf die Wellenberge des Streifens 12 eine Stützwalze 15 vorgesehen, der auf der anderen Seite des Streifens 12 eine Sprühdüse 26 gegenüberliegt, mit der unter einem geeigneten Winkel Lötmittel 27 auf die Wellenberge des Streifens 12 aufgesprüht wird. Es sind jedoch auch andere Anordnungen zum Auftragen des Lötmittels denkbar.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens beim eigentlichen Lötschritt wird anhand der F i g. 4 und 5 beschrieben, in denen das Grundprofil 10 und ein einziger Wellenabschnitt 28 des gewellten Metallstreifens 12da.-gestelksind.

Gemäß Fig.4 befindet sich an dem Wellenberg 30 des Wellenabschnitts 28 ein Lötmittelkörper 29, der sich verfestigt hat. In F i g. 4 ist eine Situation dargestellt, bei der sich das Grundprofil 10 mit einer bestimmten Ge-

schwindigkeit nach links in Richtung des Pfeiles A bewegt, während der Wellenabschnitt 28 sich im wesentlichen in der gleichen Richtung bewegt und sich gleichzeitig dem Grundprofil nähert. In diesem Augenblick ist die Temperatur des Grundprofils 10 höher als der Schmelzpunkt des Lötmittels 29, während der Wellenabschnitt 28 und das Lötmittel 29 eine verhältnismäßig niedrige Temperatur, beispielsweise Raumtemperatur, haben. Wenn der Metallstreifen 12 und das Grundprofil 10 in Kontakt miteinander kommen, schmilzt das Lötmittel 29 und bildet Stege bzw. Zwickel 31 und 32, die sich wieder unmittelbar verfestigen, da die Wärme durch den Wellenabschnitt 28 weggeleitet wird, so daß sich die endgültige, in Fig. 5 dargestellte Situation ergibt, bei der der Wellenberg 30 des Wellenabschnittes 28 in Kontakt mit dem Profil 10 ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vielfältiger Wpiςe 7.11m Befestigen von eewellten Metallstreifen an einem Grundprofil abgewandelt werden. So kann beispielsweise auf eine mehrzügige Anlage übergegangen werden, in der Längen des erwünschten Erzeugnisses in parallel zueinander liegenden Bearbeitungsstrecken hergestellt werden, wobei die gewellten Metallreifen an einer oder an beiden Seiten des Grundprofiles befestigt werden können.

Eine Ausführungsform einer derartigen mehrzügigen Anlage ist schematisch in F i g. 6 dargestellt. Gemäß F i g. 6 wird ein Grundprofi! 33 in Richtung des Pfeiles C durch einen Heizofen 34 bewegt. Es wird dabei davon ausgegangen, daß ein verhältnismäßig breiter Metallstreifen verwendet wird, der mittels Messerwalzen 35 und 36 in zwei oder mehrere in Längsrichtung nebeneinander liegende Einzelstreifen 37 zerschnitten wird. Der Streifen 37 wird dann zwischen Walzen 38 und 39 hindurchbewegt, durch die dem Streifen die verhältnismäßig langgezogene Wellung 40 erteilt wird. Die auf diese Weise hergestellten gewellten Streifen werden dann durch ein Verdichtungs- bzw. Zusammendrückaggregat bewegt, das ein erstes Walzenpaar 41, 42 und ein zweites Walzenpaar 43, 44 aufweist, dessen Walzen 43 und 44 mit einer niedrigeren Umfangsgeschwindigkeit angetrieben werden als die Walzen 41, 42, so daß die einzelnen Wellenberge zusammengedrückt werden und die gegenüber der langgezogenen Wellung 40 verdichtete Wellung 45 erhalten wird.

Wenn die in Längsrichtung nebeneinander liegenden gewellten Einzelstreifen das zweite Walzenpaar 43, 44 verlassen, werden die Wellungen, bezogen auf die Wellung 50, wieder geringfügig auseinandergezogen, wie es bei 46 dargestellt ist Die Metallstreifen werden dann in Form einer Schleife 47 weiterbewegt und zwischen zwei Walzen 48, 49 hindurchgeführt wobei die Walze 48 in der bereits beschriebenen Weise zum Auftragen eines Flußmittels dient Γ ». Streifen werden dann zwischen einer Stützwalze 50 und einer gegenüberliegenden Lötmittelauftragewalze 51 hindurchbewegt, auf die das Lötmittel 52 mittels einer Düse 53 od. dgl. aufgetragen wird. Das Lötmittel verfestigt sich an den entlang der Walze 51 entlangbewegten Wellenbergen in im wesentlichen genau bestimmbaren Mengen, und zwar, bezogen auf den Querschnitt der Anlage, auf ein und derselben Seite der gewellten Streifen. Nach Verlassen des Walzenpaares 50, 51 werden ein oder mehrere Einzelstreifer, entlang einer abgelenkten Schleifenbahn 54 in Richtung auf das Grundprofil 33 bewegt und mit den an den Wellenbergen der Einzelstreifen verfestigten Lötmittelmengen 55 zwischen Führungs- bzw. Stützwaizen 56,57 Die Metallstreifen werden dabei in der anhand der Fig. 1, 4 und 5 beschriebenen Weise an der einen Seite des Grundprofils 33 festgelötet.

Nach Verlassen des Walzenpaares 50, 51 werden ein oder mehrere Einzelstreifen entlang einer abgezweigten Schleifenbahn 58 weiterbewegt, wobei die Einzclstreifen im wesentlichen in Axial- bzw. Längsrichtung in einer Wendestation 59 gedreht bzw. umgewendet werden, so daß die mit eitlem Lötmittelauftrag versehenen Wellenberge 60 nunmehr in entgegengesetzter Richtung weisen als nach dem Verlassen des Walzenpaares 50, 51. Die Einzelstreifen werden dann entlang einer Schleifenbahn 61 über die Stützwalze 57 geführt, die der Unterseite 62 des Grundprofils 33 gegenüberliegt, so daß das Festlöten der entlang der Schleifenbahn 54 und 61 zugeführten Einzelstreifen an dem Grundprofil 33 gleichzeitig erfolgt. Das Umwenden bzw. Drehen der der Unterseite 62 des Grundprofils 33 zugeführten Einzelstreifen ist erforderlich, wenn das Auftragen des Lötmittels auf sämtliche Einzelstreilen mittels einer einzigen Lötmittelauftragewalze 51 erfolgt, da ansonsten die Lötmittelauftragepunkte der entsprechenden Einzelstreifen nicht in Kontakt mit der Unterseite 62 des Grundprofils 33 kommen wurden, sondern davon weggerichtet wären.

Der eigentlichen Lötstelle sind zwei zusammenwirkende Schneidwerkzeuge 63,64 nachgeschaltet, um Einzelabschnittf; geeigneter Länge abzuschneiden.

Ein gewebter Metallstreifen kann in Abwandlung der beschriebenen Verfahrensweise auch in anderer Weise an dem Grundprofil befestigt werden. Ein Beispiel dafür ist in F i g. 7 dargestellt, die ein Grunaprofil 65 zeigt, das entlang einer oder beider Längsseiten mit beispielsweise zwei gewellten Metallstreifen 66, 67 versehen ist, die parallel zueinander verlaufend unter Freilassung eines Abstandes 68 an dem Grundprofil befestigt sind.

Gemäß Fig.8 wird ein verhältnismäßig breiter gcweiiter metallstreifen 6S verwendet, an dem drei parallel verlaufende Grundprofilstreifen 70, 71, 72 befesiigt sind.

Um einer Oxydation des Ausgangsmaterials entgegenzuwirken, ist vorgesehen, die einzelnen Bauelemente der Vorrichtung in einer geschlossenen Kammer unterzubringen, die ein Inertgas enthält. Eine Ausfiihrungsform einer derartigen Vorrichtung ist schematisch in Fig. 9 dargestellt, gemäß der das Grundprofil 73 durch eine Station 74 zum Entfernen von Fett und Oxyden hindurchgeführt wird. Nach der Reinigung des Grundprofils 73 gelangt dieses durch eine Eintrittsöffnung 75 in eine Kammer 76, in der u. a. auch der Heizofen 78 untergebracht ist. Nach dem Festlöten des ptwellten Metallstreifens an dem Grundprofil verläßt das fertige Produkt die Kammer 76 durch eine Austrittsöffnung 79. Zum Einleiten von Inertgas in die Kammer 76 ist ein Einlaß 80 vorgesehen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Oxydation des Grundprofils 73, das auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, zu verhindern, und auch den gewellten Metallstreifen gegen Oxydation zu schützen.

Es wird vorzugsweise ein Lötmittel verwendet, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der gewellte Metallstreifen hat, so daß es möglich ist, mit einer sehr hohen Produktionsgeschwindigkeit zu arbeiten, ohne daß die Gefahr einer sogenannten Kaltlötung besteht.
Wenn das Grundprofil aus einer Kupferlegierung besteht, wird dieses Profil vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 450⁰C erhitzt, während das Lötmittel auf einer Temperatur unter etwa 100⁰C gehalten werden sollte, um für den eigentlichen Lötprozeß eine aus-

reichend große Temperaturdiflerenz zur Verfügung zu haben. Obwohl die Erfindung bei gewellten Metallstreilen jeder Dicke anwendbar ist, wird eine Streifendicke bis /u 10 μνη bevorzugt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

25

35

40

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen, bei dem ein Grundprofil und mindestens ein gewellter, mit einem Lötmittel beschichteten Metallstreifen unter Hitzeeinwirkung und unter Aufbringung einer ausreichenden Kontaktkraft zwischen Grundprofil und Metallstrelfen miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß man ausschließlich auf die Wellenberge des einzelnen Metallstreifens flüssiges Lötmittel aufträgt und dieses sich verfestigen läßt, bevor man die mit dem Lötmittelauftrag versehenen Wellenberge in Kontakt mit dem (in an sich bekannter Weise) vorher auf eine über den Schmelzpunkt des Lötmittels liegende Temperatur erhitzten Grundprofil bringt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Grundprofils eine größere Wärmeleitfähigkeit hat als das Lötmittel.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundprofil und der Metallstreifen aus Kupfer oder zumindest aus einer Kupferlegierung bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man gewelltes Streifenmaterial an beiden Längsseiten des Grundprofils befestigt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Auftragen des Lösungsmittels den Metallstreifen mit seinen Wellenbergen durch die Oöerfläcfe jnzone einer Lötmittelschmelze zieht

6. Verfahren nach einem der Ai ^pruche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das geschmolzene Lötmittel auf die Wellenberge des gewellten Metaiistreifens aufsprüht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das flüssige Lötmittel mittels rotierender Lötmittelauftragewalzen auf die Wellenberge des gewellten Metallstreifens aufträgt.