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Die
Erfindung betrifft ein Aluminiumprodukt, das mittels Hart- oder
Weichlöten
mit einem anderen Aluminiumprodukt verbunden wird.
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Ein
solches Produkt ist allgemein von der WO-A-98/51983 bekannt und alle technischen
Informationen, die in dieser Patentanmeldung offenbart sind, sind
durch Bezug darauf in dieser Beschreibung aufgenommen.
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In
der Praxis ist es üblich,
Aluminiumteile miteinander zu verbinden, indem eine Aluminium-Hartlötlegierung
zwischen oder direkt neben den zu verbindenden Komponentenoberflächen angeordnet wird,
und wobei die Hartlötlegierung
und die zu verbindenden Oberflächen
in einem geeigneten Zusammenbau auf eine Temperatur (Hartlöttemperatur)
erhitzt werden, bei welcher die Hartlötlegierung schmilzt, während die
Komponenten im ungeschmolzenen Zustand verbleiben. Nach dem anschließenden Abkühlen bildet
die Hartlötlegierung
eine Kehlnaht oder Verbindung, welche die zusammengefügten Oberflächen der
Komponenten fest verbindet. Um selektives Schmelzen nur der Hartlötlegierung
in der Erhitzungsstufe sicherzustellen, ist es allgemein bevorzugt,
daß der
Schmelzpunkt der Hartlötlegierung
mindestens 30° bis
40 °C unter
dem des Metalls der Komponenten liegt. Ein Beispiel einer typischen Aluminium-Hartlötlegierung
ist eine eutektische Aluminium-Silizium-Zusammensetzung, die bei
etwa 577 °C
zu schmelzen beginnt.
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Das
Verwenden von plattiertem Aluminium-Hartlötverbundblech zum Verbinden
von Aluminiumlegierungs-Komponenten
ist wohlbekannt, siehe z.B. US-A-5,622,220. Hartlötblech wird
eingesetzt, um Wärmetauscher-Komponenten
wie beispielsweise Rohre, Rippen, Sammelrohre, Tanks, Strömungsteiler
usw. herzustellen. Eine wichtige Einschrän kung besteht jedoch darin,
daß es
schwierig ist, komplizierte Profile herzustellen, indem nur gewalztes
Blech verwendet wird. Für
komplizierte Profile, wie beispielsweise Verteilungsrohre oder Mikrorohre,
kann das Extrudierverfahren eine kostengünstigere Lösung besserer Qualität anbieten.
Ein Nachteil der Verwendung von extrudierten Profilen liegt in dem Bereitstellen
von Extrusionen mit einem Hartlötlegierungs-Überzug.
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Der
CD-Prozeß ist
eines der Verfahren, die entwickelt wurden, um ein mit Lot „plattiertes", extrudiertes Profil
herzustellen. In diesem Prozeß wird
das Profil mit AlSi-Teilchen überzogen,
die mit Nocolok-Flußmittel überzogen
sind. Das Haften des Überzugs
wird durch den Einsatz eines Bindemittels (Polymer) erreicht. Der
Zusatz von AlSi-Teilchen
stellt während
des Hartlötprozesses
Füllmetall
für die
hartgelöteten
Verbindungsstellen bereit.
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Im „Brazeliner"-Prozeß wird das
Profil mit einer Mischung aus Nocolok und einer AlSi-Legierung in
Teilchenform überzogen.
Das Haften des Überzugs
wird durch den Einsatz eines Bindemittels (Polymer) erreicht. Während des
Hartlötens
schmelzen und fließen
die AlSi-Teilchen.
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Der
Si-Flußmittelprozeß ist ein
Verfahren, bei dem das Profil mit einer Mischung aus Nocolok- und
Siliziumteilchen überzogen
wird. Das Haften des Überzugs
wird durch den Einsatz eines Bindemittels (Polymer) erreicht. Während des
Hartlötens
diffundiert das Silizium in die Oberfläche und bildet eine eutektische
AlSi-Legierung, womit „in
situ" Füllmetall für hartgelötete Verbindungsstellen
geschaffen ist.
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Ein
Nachteil aller obigen Verfahren ist das Verwenden eines Bindemittels.
Das Bindemittel neigt dazu, die Ofenatmosphäre zu „vergiften" und stellt auch ein Umweltproblem dar.
Um diese Probleme zu überwinden
sind teure Ofenveränderungen
erforderlich gewesen. Beim Si-Flußmittelprozeß tritt
auch Siliziumerosion wegen des Vorhandenseins von Silizium in Teilchenform
verstärkt
auf.
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Bogenflammen-Sprühüberziehen
ist ein anderes Verfahren, bei dem das Profil mit einer AlSi-Legierung überzogen
wird. Während
dieses Prozesses werden eine Menge von Oxiden eingebracht, was im Hart-/Weichlötvorgang
unerwünscht
ist.
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Trotz
all der obigen Bemühungen,
ein extrudiertes Produkt mit einem im voraus aufgebrachten Füllmetall
herzustellen, stellt es für
die Branche immer noch ein Problem dar.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Aluminiumprodukt bereitzustellen,
bei welchem die obenerwähnten
Probleme umgangen werden.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die Stelle
der äußeren Oberfläche des
ersten Aluminiumproduktes, das mit dem zweiten Aluminiumprodukt verbunden
wird, mit mindestens einer Vertiefung ausgestattet ist, in der eine
Menge an Hartlötmaterial
eingeschlossen ist.
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Durch
dieses „mechanische" Zusammenfügen ist
es möglich,
ein Aluminiumprodukt auf integrierte Art mit einer Menge an Hartlötmaterial
ohne die Notwendigkeit bereitzustellen, spezielle Zusammensetzungen
zu verwenden, um das Hartlötmaterial
an das Aluminiumprodukt anhaften zu lassen. Es wird sogar möglich, handelsübliche Hartlötmaterialien
zu verwenden, wobei es nach ihrem Einschließen in die Vertiefung möglich ist,
das Aluminiumprodukt auf normale Weise so zu handhaben, daß das Hartlötmaterial
während
des nachfolgenden Handhabens oder nachfolgender Fertigungsabläufe, wie
Transport, spanabhebende Bearbeitung, Pressen, Stanzen, Schneiden,
Waschen oder Entfetten, an seiner Stelle verbleibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat jede Vertiefung die Form einer Rille und die Hartlötmaterial-Menge
hat die Form eines Drahtes.
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Auf
diese Weise wird es möglich,
handelsüblichen
Lötdraht
mit Flußmittelkern
zu verwenden, womit die Notwendigkeit für das zusätzliche Aufbringen von Flußmittel
bei dem Aluminiumprodukt eliminiert wird.
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Andere
Vorteile und Charakteristiken dieser Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung ersichtlich, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genommen wird, in welchen
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1 ein
Querschnitt eines Verteilungsrohrs als Aluminiumprodukt gemäß der Erfindung
ist,
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2 ein
Querschnitt eines Verteilungsrohrs als Aluminiumprodukt gemäß der Erfindung
ist, wobei Rillen einer anderen Form dargestellt sind,
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3A–3C schematische
Querschnitte einer veränderten
Ausführungsform
eines Verteilungsrohrs gemäß der Erfindung
sind,
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4A–4C schematische
Querschnitte einer anderen veränderten
Ausführungsform
eines Verteilungsrohrs gemäß der Erfindung
sind,
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5 ein
Querschnitt einer dritten veränderten
Ausführungsform
eines Verteilungsrohrs gemäß der Erfindung
ist.
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In 1 ist
ein Verteilungsrohr 1 als Beispiel gezeigt, aber die Erfindung
ist nicht auf diese Art von Produkt beschränkt, sondern sie kann bei allen
beliebigen Aluminiumprodukten eingesetzt werden, die nach ihrer
Formgebung hartgelötet
werden müssen.
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Das
Verteilungsrohr 1 besteht aus Aluminiumrohren mit Bohrungen
(nicht dargestellt) zur Aufnahme von Enden der Wärmeübertragungsrohre. Wie weiterhin
in 1 dargestellt, besteht das Verteilungsrohr aus
einer Anzahl von parallelen Rohren 3 mit gemeinsamen Wandungsbereichen 6,
wobei es als Flacherzeugnis ausgeformt ist, das zwei größere Wandungen 4 und 5 aufweist.
In der Wandung 4 und parallel zu den Fließkanälen der
Rohre 3 ist eine Anzahl von Rillen 8 bereitgestellt,
die oberhalb jedes Zwischenwandungsbereichs 6 des Verteilungsrohrs angeordnet
sind. In der gezeigten Ausführungsform weisen
diese Rillen einen kreisförmigen
Querschnitt auf, der mehr als einen Halbkreis umschreibt. Das in 1 gezeigte
Verteilungsrohr kann günstig
mithilfe eines Extrudierverfahrens hergestellt werden.
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Wie
im linken Endbereich der 1 dargestellt, kann ein Hartlötdraht auf
solche Art in die Rille 8 eingesetzt werden, daß er durch
eine formschlüssige
Weise in der Rille befestigt ist. Wenn das Verteilungsrohr 1 bei
der weiteren Herstellung des Wärmetauschers
mit den Endbereichen der Wärmetauscherrohre
verbunden werden muß,
kann das Material der Drähte 9 geschmolzen
und als Hartlötmaterial verwendet
werden.
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Im
rechten Endbereich der 2 ist eine andere Art von Rille 8B gezeigt,
die einen Querschnitt in Form eines Trapezes aufweist. Es ist möglich, einen
runden Hartlötdraht
in einer solchen Rille eingeklemmt zu haben, aber auch Hartlötdrähte mit
anderen Querschnitten, wie beispielsweise quadratisch, dreieckig
oder oval, können
eingeklemmt werden.
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Die
Rillen 8, 8B können
auf eine solche Art ausgelegt sein, daß der Hartlötdraht auf der Rille aufliegend
positioniert werden kann und danach mechanisch in die Rille eingeschoben
und eingeschlossen wird, z.B. durch das Aufbringen eines Drucks.
Dies kann unmittelbar nach dem Extrudieren des Verteilungsrohrs
geschehen, aber auch später
bei der Herstellung des Verteilungsrohrs oder sogar unmittelbar vor
dem Herstellen des Wärmetauschers.
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Die
verschiedenen Stufen beim Ablauf des Fertigens eines solchen Verteilungsrohrs
können sein
- – Schneiden
des extrudierten Profils in Stücke
definierter Länge;
- – Herstellen
von Bohrungen im Profil durch z.B. Stanzen, Fräsen, Sägen etc.;
- – Einsetzen
von Strömungsteilern
in die Profilstücke;
- – Waschen
und Entfetten der Profilstücke;
- – Einsetzen
der Hartlötdrähte;
- – Einsetzen
der Wärmetauscher-Rohrenden
in die in den Profilstücken
gefertigten Bohrungen;
- – Hartlöten der
Rohrenden an das Verteilungsrohr oder die Profilstücke.
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Während des
Hart-/Weichlötvorgangs schmilzt
der Hartlötdraht
und durch Kapillarwirkung und, falls vorhanden, unterstützt durch
ein Flußmittel, wird
der geschmolzene Draht in die Verteilungsrohr/Rohr-Fuge gezogen.
Während
des Abkühlens erstarrt
das flüssige
Metall, wobei eine feste Verbindung zwischen dem Verteilungsrohr
und den Rohren und anderen Komponenten geschaffen wird, die auf solche
Art am Verteilungsrohr angebracht sind, daß sie mit dem Hartlötdraht in
Kontakt stehen oder sich in seiner Nähe befinden.
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Profile
wie beispielsweise Verteilungsrohre für Wärmetauscher werden allgemein
entweder als Strangpreßartikel oder
aus plattiertem Hartlötverbundblech
hergestellt. Es ist üblich,
Verteilungsrohre aus verschiedenen Aluminiumlegierungen herzustellen,
wobei AA 1000 oder 3000 Beispiele sind, und insbesondere AA 1100,
AA 1197, AA 3003 und AA 3102. Es ist auch üblich, daß das Füllmetall, das verwendet wird,
um das Verteilungsrohr mit den Rohren zu verbinden, sowie andere
Komponenten aus Aluminiumlegierungen der Serie AA 4000 oder insbesondere
aus AA 4343, AA 4045, AA 4047, AA 4343 + 1% Zink und AA 4045 + 1%
Zink hergestellt sind, die übliche
Bezeichnungen durch die Aluminium Association (AA [= Aluminium-Verband])
sind. Für
den Fachmann wird es ersichtlich sein, daß die Lehre dieser Erfindung
nicht auf die speziellen Aluminiumlegierungen beschränkt ist,
die in der folgenden Beschreibung beispielhaft verwendet sind, sondern
daß allgemein
angenommen werden kann, daß sie
eine breite Auswahl von Legierungen mit Aluminium als Grundmetall
umfaßt.
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Die
Form der Rille ist insofern wichtig, als sie so ausgelegt sein muß, daß
- a. der Fülldraht
an seiner Stelle „eingeklemmt" ist,
- b. sie den Fülldraht
davor schützt,
daß er
herausgerissen oder bei der Handhabung des Produktes auf andere
Weise beschädigt
wird,
- c. die Querschnittsfläche
ausreichend groß ist,
so daß die
Rille genügend
Füllmetall
für ein
erfolgreiches Hart- oder Weichlöten
aufnehmen kann.
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In 3A–3C ist
eine andere Ausführungsform
eines Verteilungsrohrs gemäß der Erfindung
dargestellt. Wie in 3A gezeigt, ist das Verteilungsrohr 10 mit
einer trapezförmigen
Rille 11 ausgestattet, die so ausgelegt ist, daß bei Aufbringen von
Druck auf einen Füllmetalldraht 12,
der in die Rille (3B) eingelegt ist, dieser Draht 12 in
die Rille eingequetscht und mechanisch darin festgehalten wird.
Falls erforderlich kann dieser Draht 12 eingepreßt werden,
indem das Verteilungsrohr 10 durch den Walzenspalt eines
Druckwalzenpaars läuft,
wobei die endgültige
Form, wie in 3C dargestellt, erreicht wird.
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Die
Ausführungsform
von 4A–4C ist
etwas anders als die in 3A–3C gezeigte, und
zwar ist das Verteilungsrohr 15 mit einer Rille 16 mit
einer oberen Querabmessung versehen, die größer ist als der Durchmesser
des Füllmetalldrahtes 17, der
in diese Rille eingesetzt wird (4B). Auf
diese Art kann der Draht 17 leicht in die Rille 16 aufgenommen
werden, wonach das Verteilungsrohr 15 durch den Walzenspalt
eines Druckwalzenpaars laufen kann, wodurch das in 4C gezeigte
Produkt erhalten wird.
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In 5 ist
ein Verteilungsrohr 20 dargestellt, das im Hinblick auf
die in den vorherigen Zeichnungen dargestellten Verteilungsrohre
so abgeändert
ist, daß hier
ein rundes Rohr als Verteilungsrohr eingesetzt ist, das mit zwei
Verlängerungen 21 und 26 versehen
ist, womit die Kanäle 23 und 24 bereitgestellt
sind, die sich an den Enden der in den Verteilungsrohren zu schaffenden Öffnungen 25 zum
Aufnehmen der Wärmetauscherrohre
befinden.
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In
jedem Fall sind die Kanäle 23, 24 auf
dem extrudierten Rohr so angeordnet, daß es der Hartlötzusammensetzung
oder dem Fülldraht 27 ermöglicht wird,
das Rohr, das schließlich
in die Öffnung
oder den Schlitz 25 eingesetzt wird, fast zu berühren. Wenn
die Hartlötzusammensetzung
ihren Schmelzpunkt erreicht, kann das flüssige Metall leichter durch Kapillarwirkung
in die Verbindungsstelle eingezogen werden. Wenn der Rohrdurchmesser
relativ klein ist, z.B. 10–40
mm, ist der Kurvenradius so ausgebildet, daß die Kraft, die geschmolzenes
Füllmetall
in die Verbindungsstelle hineinbewegt, hauptsächlich kapillarischer Natur
ist. Bei der typischen Ausrichtung eines Wärmetauschers in einem Hartlötofen befindet sich
die lange Achse des Verteilungsrohrs in einer horizontalen Lage.
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Wenn
sich der Durchmesser vergrößert, wird die
Wirkung der Schwerkraft wichtiger. In diesem Fall kann die Auslegung
des Verteilungsrohrs auf solche Art abgeändert werden, daß die Öffnungen
oder Schlitze 15 in einer Oberfläche mit minimaler Abrundung
eingebracht werden, um zu verhindern, daß das Füllmetall im geschmolzenen Zustand
zu glitschig wird und aus dem Kanal herausläuft.
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Der
Fachmann wird wissen, daß sich
bei zuwenig Füllmetall
eine kleine oder leckfreie Kehlnaht ergibt und bei zuviel Füllmetall
Rohrerosion eintreten kann, was schlimmstenfalls auch zu Lecks führen wird.
Die benötigte
Menge an Füllmetall
für erfolgreiches
Hart- oder Weichlöten
hängt vom
tatsächlichen Luftspalt
ab, der ausgefüllt
werden muß.
Im Fall einer Verbindung/Kehlnaht zwischen Verteilungsrohr und Rohr
in einem Wärmetauscher
wird sich das Volumen dieses Luftspalts verändern gemäß den Außenabmessungen des Rohrs, den
Innenabmessungen des Verteilungsrohrschlitzes (in den das Rohr eingesetzt
wird) und der Wandstärke
des Verteilungsrohrs. Wenn die Gesamtzahl der Verbindungen zwischen Verteilungsrohr
und Rohr pro Verteilungsrohr bekannt ist, kann die Gesamtmenge an
benötigtem
Füllmetall
berechnet werden. Gemäß dem Ergebnis
dieser Berechnung kann das benötigte
Füllmetall
leicht in die Rillen eindosiert werden.