SE527509C2 - Lödd plattvärmeväxlare med plattor av i huvudsak rostfritt stål och förfarande för tillverkning av en sådan plattvärmeväxlare - Google Patents

Description

25 30 35 527 509' t. ex. över 12%. Enligt en teori beror denna svårighet på att ytskiktet hos det rostfria stålet innehåller en hög an- del kromdioxid. För att få lödningen att fästa mot det rost- fria stålet är det nödvändigt att reducera kromdioxiden.

Kromdioxid är emellertid svårt att reducera med vanliga flussmedel som har en liten giftighet och/eller aggressivi- tet, utan det är nödvändigt att tillgripa mer aggressiva och giftiga flussmedel, flussmedel som innehåller fluor. Därmed skulle det av miljö- och hälsoskäl vara nöd- vändigt att genomföra också lödningen av nämnda rörorgan i exempelvis ett slutet utrymme.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med denna uppfinning är att undanröja ovan nämnda problem. Närmare bestämt är ändamålet att åstadkoma en plattvärmeväxlare som erbjuder förbättrade möjligheter att fästa anslutningsledningar genom lödning.

Detta ändamål uppnås med den inledningsvis angivna plattvär- meväxlaren som kännetecknas av att anslutningsytan bildas av ett skikt av ett material som innefattar nickel och är mer reduktionsbenäget än kromdioxid och som därmed nædger löd- ning av nämnda rörorgan vid anslutningsytan på ett enklare sätt än mot rostfritt stål. Genom att förse plattvärmeväxla- ren med ett sådant material vid portkanalerna kan rörorgan såsom externa ledningar på ett enkelt sätt anslutas till re- spektive portkanal genom en lödprocess som kan utföras under normala omgivningsförhållanden. Därmed är det möjligt att genomföra dessa anslutningar på en godtycklig plats, t. ex. där plattvärmeväxlaren skall användas. Eftersom nämnda mate- rial är mer reduktionsbenäget än kromdioxid kan den oxid som bildas på materialet reduceras på ett enklare sätt än krom- dioxid och därmed kan en stark och tillförlitlig lödfog upp- nås med enklare medel. Nämnda material kan förutom nickel också innefatta koppar. 10 15 20 25 30 35 527 509 Enligt uppfinningen är nämnda lödförbindning uppnådd genom en lödprocess som kan genomföras i vakuum eller i en gasat- mosfär bestående av väsentligen inert gas eller reducerade gas. Vidare kan nämnda material vara bundet till det rost- fria stålet genom diffusion, varvid nämnda diffusion uppnås under nämnda lödprocess. Tack vare en sådan diffusion av atomer från materialet in i stålet och från stålet in i ma- terialet uppnås en stark metallisk bindning.

En av nämnda värmeväxlarplattor bildar en yttre värmeväxlar- platta som har ett respektive yttre ytomràde som omger var sin portkanal. Enligt en ytterligare utföringsform av upp- finningen kan nämnda material vara applicerat på det yttre I detta fall bildas således anslutningsytan direkt på den yttre vär- ytområdet för bildande av nämnda anslutningsyta. meväxlarplattan som är utformad att medge lödning av ett an- slutningsrör.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar plattvärmeväxlaren ett anslutningsorgan vid varje portkanal, varvid anslutningsorganet bildar nämnda anslutningsyta. Med fördel är anslutningsorganet fäst vid det yttre ytområdet.

Anslutningsorganet kan ha en primäryta på vilken nämnda ma- terial är applicerat för bildande av nämnda anslutningsyta. Även i detta fall kan nämnda material vara applicerat på primärytan och bundet till anslutningsorganet genom diffu- sion som uppnås under nämnda lödprocess.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen har pri- märytan en grov ytfinhet, som är uppnådd genom blästring el- ler någon liknande uppruggningsmetod och som underlättar vätning av primärytan med nämnda material. Med fördel kan då nämnda material ha applicerats på primärytan med hjälp av och under lödprocessen, varvid materialet på grund av den uppruggade ytan kommer att flyta ut och fördelas över pri- 10 15 20 25 30 35 527 509' märytan. Anslutningsorganet kan i huvudsak vara tillverkad av rostfritt stål som innehåller krom.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är an- slutningsorganet tillverkat av en legering som j. huvudsak innehåller koppar och nickel. Därvid kommer anslutningsytan att bildas av denna legering som på ytan oxiderar till nick- vilka båda är relativt lätta att re- ducera. Förslagsvis kan nämnda legering innehålla 55 till 95 eloxid och kopparoxid, viktprocent koppar och 5 - 45 viktprocent nickel, speciellt 70 till 80 procent koppar och 20 till 30 procent nickel.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är an- slutningsorganet utformat som en rörnippel, varvid rörnip- pelns väsentligen cylindriska inner- eller ytteryta bilda anslutningsytan. Alternativt kan anslutningsorganet vara ut- format som en bricka. Ändamålet uppnås också med det inledningsvis angivna förfa- randet som innefattar stegen: applicering av ett material som innefattar nickel och bildar anslutningsytan och som är mer reduktionsbenäget än kromdi- oxid och därmed nædger lödning av nämnda rörorgan vid an- slutningsytan på ett enklare sätt än mot rostfritt stål, anordnande av värmeväxlarplattorna bredvid varandra med en folie mellan värmeväxlarplattorna för bildande av ett platt- paket, komprimering av plattpaketet och upphettning av plattpaketet till en önskad temperatur för förbindning av värmeväxlarplattorna med varandra medelst en lödförbindning.

Fördelaktiga utföringsformer av förfarandet anges i de bero- ende kraven 18 till 27. 10 15 20 25 30 35 527 509 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen skall nu förklaras närmare med hjälp av olika utföringsformer och med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. 1 visar schematiskt en planvy av en plattvärmeväxla- re enligt en första utföringsform av uppfinningen.

Fig. 2 visar schematiskt en sidovy av plattvärmeväxlaren i Fig. 1.

Fig. 3 visar schematiskt en planvy av en plattvärmeväxla- re enligt en andra utföringsform av uppfinningen.

Fig. 4 visar schematiskt en sidovy av plattvärmeväxlaren i Fig. 3.

Fig. 5 visar schematiskt en planvy av en plattvärmeväxla- re enligt en tredje utföringsform av uppfinningen.

Fig. 6 visar schematiskt en sidovy av plattvärmeväxlaren i Fig. 5.

DETALJERAD BESKRIVNING AV OLIKA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig. 1 till 6 visar olika utföringsformer av en plattvärme- växlare. Plattvärmeväxlaren innefattar i alla utföringsfor- merna ett antal värmeväxlarplattor 1 som är anordnade bred- vid varandra så att de bildar ett plattpaket 2. Varje värme- växlarplatta 1 innefattar på i sig känt sätt en korrugering 3 för att öka värmeöverföringen och fyra porthàl för bildan- de av ett motsvarande antal portkanaler 4 som sträcker sig Det skall noteras att plattpaketet 2 kan innefatta ett annat antal portkanaler 4 än de fyra som genom plattpaketet 2. visas i utföringsformerna i Fig. 1 till 6.

Plattpaketet 2 innefattar en första yttre värmeväxlarplatta 1' och en andra yttre värmeväxlarplatta l". Mellan dessa värmeväxlarplattor är de övriga värmeväxlarplattorna 1 an- ordnade. I de visade utföringsformerna har den första yttre 10 15 20 25 30 35 527 509 värmeväxlarplattan 1' också försetts med porthål i linje med portkanalerna 4, medan den andra yttre värmeväxlarplattan l" ej har några porthål. Värmeväxlarplattorna 1, l', l" är anordnade på så sätt att de utbreder sig väsentligen paral- lellt med ett gemensamt huvudsakligt utbredningsplan p.

Värmeväxlarplattorna l, l', l" är i huvudsak tillverkade av rostfritt stål som innehåller krom. Kromhalten medför att värmeväxlarplattornas 1, l', 1" ytskikt kommer att innehål- la kromdioxid som är svårt att reducera. Värmeväxlarplattor- na l, 1' och l" är förbundna med varandra medelst en löd- förbindning. Lödningen sker med hjälp av ett lödmaterial som är baserat på eller innehåller koppar, nickel, järn eller silver och eventuellt något lämpligt flussmedel som kan in- nehålla fluor och som möjliggör reducering av kromdioxid. En tunn folie av lödmaterialet placeras i varje mellanrum mel- lan värmeväxlarplattorna 1, l', l". plattpaketet 2. Det komprimerade plattpaketet 2 placeras i ett ej visat slutet utrymme, såsom en vakuumugn, under vaku- Därefter komprimeras umliknande tryckförhållanden eller i en gasatmosfär beståen- de av en väsentligen inert gas eller en reducerande gas och en önskad lödtemperatur som kan uppgå till ca l100°C med koppar som lödmaterial och ca 1200°C med nickel som lödmate- rial.

En första utföringsform av uppfinningen skall nu förklaras närmare med hänvisning till Fig. l och 2. Varje portkanal 4 omges av en anslutningsyta 5 för anslutning av portkanalen 4 till ett rörorgan 6, exempelvis i form av en extern rörled- ning. Anslutningsytorna 5 befinner sig således på den första yttre värmeväxlarplattan l' som har ett yttre ytomràde som omger varje portkanal 4. Anslutningsytorna. 5 utbreder sig således väsentligen parallellt med värmeväxlarplattornas 1, l', l" ett material som är applicerat pà det yttre ytområdet. Detta huvudsakliga utbredningsplan p och har bildats av material medger lödning av rörorganen 6 mot respektive an- lO 15 20 25 30 35 527 509 slutningsyta 5 på ett enklare sätt än rostfritt stål och är mer reduktionsbenäget än kromdioxid. Speciellt kan detta ma- terial vara baserat på eller innefatta ett av' materialen nickel, Eventuellt kan material koppar, järn eller silver. också innefatta ett lämpligt flussmedel.

Enligt denna första utföringsform kan således det yttre yt- områdena beläggas med ett tunt skikt av exempelvis nickel.

Skiktet kan ha en tjocklek som uppgår till ca 20 till 50 mikrometer. Skiktet kan appliceras med olika metoder, exem- pelvis genom smältning eller kemisk eller elektrolytisk plä- tering. Denna applicering av materialet kan med fördel göras innan plattpaketet 2 löds och således innan plattpaketet 2 utsätts för det ovan angivna vakuumet/gasatmosfären och den ovan angivna lödtemperaturen. Nickelmaterialet kommer under denna lödprocess att bindas till det rostfria stålet hos det yttre ytområdena hos den första yttre värmeväxlarplattan 1' på så sätt att en mycket stark bindning uppnås genom diffu- sion.

Det skall noteras att skiktet av nickelmaterialet även kan appliceras efter det att plattpaketet har lötts samman en- Även i detta fall genom ligt den ovan beskrivning lödprocessen. kan nickel eller något annat material appliceras smältning eller kemisk eller elektrolytisk plätering.

Enligt en andra utföringsform som illustreras i Fig. 3 och 4 innefattar plattvärmeväxlaren fyra anslutningsorgan. I denna utföringsform är varje anslutningsorgan utformat som en rör- nippel 8. Rörnipplarna 8 är fästade mot det yttre ytområdet vid var sin av de fyra portkanalerna 4. Varje rörnippel 8 är i denna utföringsform, liksonl värmeväxlarplattorna l, l', l", i huvudsak tillverkad av rostfritt stål som innehåller krom. Varje rörnippel 8 har en primäryta på vilken skiktet med det ovan nämnda materialet är applicerat för bildande av anslutningsytan 5. I den visade utföringsformen bildas pri- 10 15 20 25 30 35 527 509 märytan av en yttre cylindrisk yta hos rörnippeln 8. Det är emellertid även möjligt att låta rörnippelns 8 inre cylind- riska yta bilda primärytan pà vilken skiktet med materialet appliceras. Rörnipplarna 8 kan med fördel appliceras på plattpaketet 2 innan det löds samman. En folie med lödmate- rial appliceras före nämnda lödprocess mellan rörnipplarna 8 och den första yttre värmeväxlarplattan l', varvid rörnipp- larna 8 kommer att lödas fast pà den första yttre värmeväx- larplattan 1'. Rörnipplarna 8 kan även fästas med andra me- toder, exempelvis svetsning.

Enligt en första variant av denna utföringsform appliceras skiktet av material på liknande sätt som enligt den ovan be- skrivna första utföringsformen. Således kan primärytan be- läggas med ett tunt skikt av exempelvis nickel. Skiktet kan ha en tjocklek som uppgår till ca 20 till 50 mikrometer.

Skiktet kan appliceras med olika metoder, exempelvis genom smältning eller kemisk eller elektrolytisk plätering. Denna applicering av materialet kan med fördel göras innan platt- paketet 2 och rörnipplarna 8 löds samman och således innan plattpaketet 2 och rörnipplarna 8 utsätts för det ovan an- givna vakuumet eller gasatmosfären och den ovan angivna löd- temperaturen. Det nickelmaterial som har applicerats pà rör- nipplarnas 8 primäryta kommer under denna lödprocess att bindas till det rostfria stålet hos primärytan på rörnipp- larna 8 på så sätt att en mycket stark metallisk bindning uppnås genom diffusion.

Det skall noteras att skiktet även kan innefatta ett materi- I detta fall är det emellertid viktigt att ett lödmaterial med lägre smältpunkt än koppar al som är baserat på koppar. utnyttjas för lödningen av värmeväxlarplattorna l, l', l".

Vid denna lödning näste en lödtemperatur som är lägre än smälttemperaturen hos det material som har applicerats på rörnipplarna 8 utnyttjas eftersom detta material inte får smälta och rinna bort från rörnipplarna 8. 10 15 20 25 30 35 527 509 Enligt en andra variant av den andra utföringsformen förses primärytan med en grov ytfinhet. Denna råa primäryta kan uppnås genom blästring eller någon liknande uppruggningsme- tod. Uppruggningen görs som ett inledande steg innan rör- nipplarna 8 monteras på plattpaketet 2. En sådan rå primär- yta underlättar vätning med det angivna materialet och leder till att materialet under den ovan beskrivna lödningen av plattpaketet 2 kommer att flyta ut över primärytan så att ett starkt skikt av materialet bildas på primärytan. Detta skikt, som således kan innefatta något av materialen koppar, nickel, järn eller silver, kan också ha en tjocklek på ca 20 till 50 mikrometer och bilda en anslutningsyta 5 næd goda lödegenskaper. Olika typer av rörorgan 6 kan sedan lödas vid denna anslutningsyta 5 med hjälp av enkla, konventionella lödmetoder.

En tredje utföringsform illustreras i Fig. 5 och 6. Denna utföringsform innefattar också fyra anslutningsorgan, ett runt varje porthål 4. I denna utföringsform är emellertid varje anslutningsorgan utformat som en bricka 9. Brickorna 9 är fästade mot det yttre ytområdet hos den yttre värmeväx- larplattan 1' vid var sin av de fyra portkanalerna 4. Varje bricka 9 uppvisar en yttre plan yta som bildar en väsentli- gen plan anslutningsyta 5 mot vilken ett rörorgan 6 kan an- bringas på liknande sätt som i den utföringsform som visas i Fig. 1 och 2. Vidare är varje bricka 9 i denna utföringsform tillverkad av en legering som innehåller i huvudsak koppar och nickel. Genom att tillsätta nickel till koppar kan le- geringens smälttemperatur ökas, ju högre halt nickel desto högre smälttemperatur. Företrädesvis skall legeringen inne- hålla endast så mycket nickel att smälttemperaturen blir högre än smälttemperaturen hos det lödmaterial som utnyttjas för att löda samman plattpaketet och för att löda brickorna 9 vid yttre värmeväxlarplattan l'. Exempelvis kan legeringen innehålla åtminstone 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 eller 95 10 15 527 509' 10 viktprocent koppar och motsvarande andel nickel, dvs. 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 eller 45 viktprocent nickel. Brickor- na 9 kan liksom i den utföringsform som visas i Fig. 3 och 4 fästas pà olika sätt mot den yttre värmeväxlarplattan l'.

Det skall noteras att anslutningsorganen som är tillverkade av rostfritt stål och som visas i Fig. 3 och 4 som ett al- ternativ kan vara utformade som brickor 9 och att anslut- ningsorganen som är tillverkade av en legering av koppar och nickel och som visas i Fig. 5 och 6 som ett alternativ kan vara utformade som rörnipplar 8. Även andra former hos de visade anslutningsorganen än rörnipplar 8 och brickor 9 är möjliga.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsfor- merna utan kan varieras och modifieras inom ramen för de ef- terföljande patentkraven.

Claims (27)

10 15 20 25 30 35 527 509V ll

1. Patentkrav _1. _Plattvärmeväxlare innefattande ett antal värmeväxlar-V plattor (1, 1',,1") som är anordnade bredvid varandra och förbundna med varandra medelst en lödförbindning uppnàdd ge- nom en lödprocess, . varvid värmeväxlarplattorna (l, l', 1") i huvudsak är till- verkade av rostfritt stål som innehåller krom, varvid plattvärmeväxlaren innefattar ett antal portkanaler. (4) som sträcker sig genom åtminstone några av värmeväxlar- plattorna, och A varvid en eller flera av portkanalerna (4) omges av en an- slutningsyta (5) för anslutning av portkanalen till ett rörorgan (6), kännetecknad av att anslutningsytan (5) bildas av ett skikt av ett material som innefattar nickel och är mer reduktions- benäget än kromdioxid och som därmed medger lödning av nämn- da rörorgan (6) vid anslutningsytan (5) på ett enklare sätt än mot rostfritt stål.

2. Plattvärmeväxlare enligt krav l, kännetecknad av att nämnda material innefattar koppar.

3. Plattvärmeväxlare enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att nämnda material är bundet till det rost-, fria stålet genom diffusion.

4. Plattvärmeväxlare enligt krav 3, kännetecknad av att nämnda diffusion är uppnàdd under nämnda lödprocess,

5. Plattvärmeväxlare enligt något av de föregående kraven,' kännetecknad av att en av nämnda värmeväxlarplattor (1, 1', l") bildar en yttre värmeväxlarplatta (l') som har ett re- spektive yttre ytområde som omger var sin portkanal, 10 15 20 25 30 35 527 509 12

6. Plattvärmeväxlare enligt krav 5,) kännetecknad av _att nämnda material är applicerat pà det yttre ytomràdet Vför bildande av nämnda anslutningsyta (5), I

7. Plattvärmeväxlare enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att plattvärmeväxlaren innefattar gett an- i <4). slutningsorganet (8, 9) bildar nämnda anslutningsyta (5). slutningsorgan (8, 9) vid varje portkanal varvid an-

8. Plattvärmeväxlare enligt kraven 55 och 7, kännetecknad- ay att anslutningsorganet (8, 9) är fäst vid det yttre ytom- rådet.

9. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 7 och 8, kän- netecknad av att anslutningsorganet (8, 9) har en primäryta på vilken nämnda material är applicerat för bildande av nämnda anslutningsyta (5).

10. Plattvärmeväxlare enligt krav' 9, kännetecknad avj att primärytan har en grov ytfinhet, som är uppnàdd genom bläst-V ring eller någon liknande uppruggningsprocess och som under- lättar vätning av primärytan med nämnda material-

11. .ll. Plattvärmeväxlare enligt krav 10, kännetecknad av att nämnda material har applicerats på primärytan med hjälp av och under lödprocessen.

12. Plattvärmeväxlare enligt_ något av kraven 7 till ll, kännetecknad av att anslutningsorganet (8, 9) i huvudsak är tillverkat av rostfritt stàl som innehåller krom.

13. Élattvärmeväxlare enligt något av kraven 7 och 8, kän- netecknad av att anslutningsorganet (8, 9) är tillverkat av en legering som i huvudsak innehåller koppar och nickel. 10 15 2o_ 25 ' 30 35 527 509 13

14. ; Plattvärmeväxlare enligt krav 13, kännetecknad av att nämnda legering innehåller 55 till 95 viktprocent koppar och 5 - 45 viktprocent nickel.

15. Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 7 och 14, kän- netecknad av att anslutningsorganet är utformat som en rör- nippel (8).

16._ Plattvärmeväxlare enligt något av kraven 7 och l4, kän- netecknad av_ att anslutningsorganet är 'utformat -som en bricka (8).

17. Förfarande för tillverkning av en plattvärmeväxlare in-» nefattande ett antal värmeväxlarplattor, tillverkade av rostfritt stål som innehåller krom, och inne- fattande ett antal portkanaler som sträcker sig genom åtmin- stone några av värmeväxlarplattorna, varvid en eller flera av portkanalerna omges av en anslut- ningsyta för anslutning av portkanalen till ett rörorgan, varvid förfarandet innefattar stegen: applicering av ett material som innefattar nickel och_bildar anslutningsytan och som är mer reduktionsbenäget än kromdi- oxid och därmed medger lödning av nämnda rörorgan vid an-' slutningsytan på ett enklare sätt än mot rostfritt stål, anordnande av värmeväxlarplattorna bredvid varandra med en folie mellan värmeväxlarplattorna för bildande av ett platt- paket, I _ V _ komprimering av plattpaketet och upphettning av plattpaketet till en önskad lödtemperatur för förbindning av värmeväxlarplattorna med varandra medelst en lödförbindning. A o

18. Förfarande enligt krav 17, varvid nämnda material inne- fattar koppar. som i huvudsak är 10 15 20 25 30 35 527 509 14-

19. l9._ Förfarande enligt något av kraven 17 och 18, varvid nämnda förbindningssteg innefattar en Iödprocess med lödning av värmeväxlarplattorna vid vakuumliknande tryckförhâllanden eller i en atmosfär med en väsentligen inert gas eller en reducerande gas.

20. Förfarande enligt något av kraven 17 till 19, varvid lödningen genomförs på ett sådant sätt att nämnda material, binds vid det rostfria stålet genom diffusion.

21. Förfarande enligt något av kraven 17 till 20, varvid en av' nämnda värmeväxlarplattor' bildar en yttre värmeväxlar- platta som har ett respektive yttre ytomràde som omger var sin portkanal och varvid nämnda appliceringssteg innefattar att nämnda_nwterial appliceras på det yttre ytomràdet för bildande av nämnda anslutningsyta. '

22. Förfarande enligt något av kraven 17 till 21, varvid en i av' nämnda värmeväxlarplattor' bildar en yttre värmeväxlar- platta som har ett respektive yttre ytomràde som omger var sin portkanal och varvid förfarandet innefattar stegetzy applicering av ett anslutningsorgan pà det yttre ytomràdet vid varje portkanal före nämnda förbindningssteg, varvid an- slutningsorganet bildar nämnda anslutningsyta. A

23. Förfarande enligt krav 22,' varvid anslutningsorganetv' har en primäryta och varvid nämnda appliceringssteg innefat- tar applicering av nämnda material pà primärytan för bildan- de av nämnda anslutningsyta med hjälp av och under nämnda lödprocess. I

24. Förfarande enligt krav 23, innefattande det inledande, steget att primärytan uppruggas genom blästring eller lik- nande för uppnàende av en grov ytfinhet som underlättar vät- ning av primärytan med nämnda material under nämnda lödpro- CGSS . 10 - 527 509 15'

25. Förfarande_enligt något av kraven 22 till 24, varvidï anslutningsorganet (8, 9) i huvudsak är tillverkat av rost- 'fritt stål som innehàller'krom.r

26. Förfarande enligt krav 22, varvid anslutningsorganet (8, 9) i huvudsak är tillverkat av en legering som i huvud- sak innehàller koppar och nickel.

27. Förfarande enligt krav 26, varvid nämnda legering inne- håller 55 till 95 viktprocent koppar och 5 - 45 viktprocent nickel.