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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten von Bauteilen
eines Wärmeübertragers in Schichtbauweise mit
Schichtblechen und Deckplatten.
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Verfahren
zum Herstellen von Wärmeübertragern sind bekannt.
die
DE 10328274 A1 derselben Anmelderin
betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtwärmeübertragers,
der im Wesentlichen aus aufeinander geschichteten Trenn- und Deckplatten
sowie Sammelkästen aufgebaut ist. Die
EP 1073537 B1 offenbart
ein Verfahren zum Löten eines Abgaswärmetauschers,
wobei Lot in Form einer geschmeidigen haftenden Folie aufgebracht
wird, die vorher entsprechend Löchern gelocht wurde. Die
DE 2924592 A1 derselben
Anmelderin zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Trägermatrix
für einen katalytischen Reaktor zur Abgasreinigung, wobei
ein Lotauftrag und ein anschließendes Aufheizen der Trägermatrix
erfolgt. Die
DE 10042690
A1 derselben Anmelderin bezieht sich auf einen Schichtwärmeübertrager
mit einem Schichtblock aus Trennplatten, die zwischenliegende Strömungskanalschichten
begrenzen. Die
DE
102004013688 A1 derselben Anmelderin betrifft eine Lotfolie
zum Löten von Bauteilen, insbesondere Platten von Wärmeübertragern.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Wärmeübertragung,
insbesondere einen verbesserten Wärmeübertrager,
insbesondere ein verbessertes Verfahren zum Verlöten von
Bauteilen eines Wärmeübertragers, insbesondere
mit preiswertem Lot und von Konstruktionsvorschriften für
Schicht wärmeübertrager, mit der vergleichsweise
wenig-starre Komponenten gelötet werden können,
die insbesondere für die Anwendung als Hochtemperatur-Wärmeübertrager
geeignet sind, bereitzustellen.
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Die
Aufgabe ist mit einem Verfahren zum Verlöten von Bauteilen
eines Wärmeübertragers in Schichtbauweise mit
Schichtblechen und Deckplatten mit folgenden Schritten gelöst:
Stapeln der Schichtbleche und der Deckplatten zu einem Stapel mit
Stirnseiten, Aufbringen von Lot auf zumindest eine der Stirnseiten,
Löten von an die zumindest eine Stirnseite angrenzenden
Dichtflächen der Schichtbleche und der Deckplatten und
dabei Erzeugen eines Lotflusses des Lots von der zumindest einen Stirnseite
ausgehend über die Dichtflächen in Richtung Inneres
des Stapels bis hin zu Lotflussbarrieren des Wärmeübertragers.
Vorteilhaft entsteht so ein Wärmeübertrager mit
einem kleineren E-Modul und damit mit einer geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit bei
einer zyklischen thermomechanischen Beaufschlagung bei hohen Temperaturen.
Unnötige Verlötungen im Inneren des Wärmeübertragers,
die den Wärmeübertrager steifer machen und damit
die Thermowechselfestigkeit negativ beeinträchtigen könnten,
sind nicht vorhanden. Vorteilhaft können dadurch auch die
benötigte Lotmenge und damit die Produktionskosten zur
Durchführung des Verfahrens reduziert werden. Insgesamt
ergibt sich ein einfaches, kostengünstiges und schnell
durchzuführendes Verfahren zum Verlöten der Bauteile
des Wärmeübertragers.
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Ausführungsbeispiele
des Verfahrens weisen folgenden Schritt auf: Aufkleben eines Lottapes auf
die zumindest eine Stirnseite zum Aufbringen des Lots. Vorteilhaft
ist Lottape kostengünstig verfügbar. Außerdem
kann das Lottape mit einer Klebeschicht versehen werden/sein, so
dass das Aufbringen auf die zumindest eine Stirnseite besonders
einfach erfolgen kann. Bei einer anschließenden entsprechenden
Erwärmung des Lottapes und/oder des gesamten Stapels beziehungsweise
des entsprechend vormontierten Wärmeübertragers
können die Lotpartikel des Lottapes entsprechend verflüssigt
werden und dabei den Lotfluss erzeugen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Aufbringen des Lots auf alle Stirnseiten des Stapels.
Dies ermöglicht ein gleichzeitiges Verlöten aller
Stirnseiten des Stapels.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Aufbringen des Lottapes auf alle Stirnseiten des Stapels.
Es können alle Seiten des Stapels gleichermaßen
auf einfache Art und Weise mit dem Lottape zur späteren Verlötung
bestückt werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen zumindest
einen der folgenden Schritte auf: Vorspannen des Stapels und/oder Arretieren
der Vorspannung des Stapels. Durch die Vorspannung des Stapels können
vorteilhaft die Dichtflächen mit einem möglichst
geringen Spalt aneinander angelegt werden. Dabei ist es möglich,
sogenannte Nullspalte zwischen den Dichtflächen zu gewährleisten.
Durch die Arretierung der Vorspannung des Stapels können
diese vorteilhaften geringen Spalte zwischen den Dichtflächen
während des anschließenden gesamten Verlötungsvorganges
beibehalten werden. Es ergibt sich eine besonders gute Dichtigkeit
und Maßhaltigkeit eines so hergestellten Wärmeübertragers.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Schweißen des Stapels zum Arretieren der Vorspannung.
Das Schweißen kann vorteilhaft beispielsweise durch Legen
von zumindest einer Schweißnaht oder mehreren Schweißnähten
erfolgen. Die Schweißnähte können vorteilhaft
so gelegt werden, dass die eigentlichen Dichtflächen dabei
nicht zerstört werden. Dies ist dann der Fall, wenn die
Schweißnähte an den Ecken eines Stapels angebracht
werden, d. h. eine Schweißnaht verläuft von einer
Ecke der einen Deckplatte über die übereinander
liegenden Ecken der daran angrenzend gestapelten Bleche hinweg zur
analogen beziehungsweise direkt gegenüber liegenden Ecke
der anderen Deckplatte. Dies kann an zumindest einer der Ecken,
vorzugsweise an allen Ecken des Stapels erfolgen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Gleichzeitiges Anschweißen von Stirnseiten
des Stapels überde ckenden Sammelkästen beim Schweißen
des Stapels. Im Allgemeinen weisen Wärmeübertrager zum
Führen von Medien ausgelegte Sammelkästen auf.
Die Sammelkästen überdecken die Stirnseiten des
Stapels und können dem Wärmeübertrager
im Kreuzstrom zwei sich innerhalb des Wärmeübertragers
thermodynamisch im Austausch stehende Medien zuführen.
Vorteilhaft können die Sammelkästen durch Schweißen
so an dem Stapel fixiert werden, dass die Vorspannung des Stapels
dabei gleichzeitig arretiert werden kann.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Erzeugen des Lotflusses von der zumindest einen Stirnseite
in keilförmige und/oder trichterförmige Spalte
hinein zu den Dichtflächen hin. Der Wärmeübertrager kann
sich zu den Dichtflächen hin verjüngende Spalte
aufweisen, wobei von der Stirnseite kommend, also bei sich öffnenden
Spalten das Lot aufgebracht werden kann. Bei einer entsprechenden
Erwärmung des Lotes kann dieses in die keil- und/oder trichterförmigen
Spalte eindringen, um von dort auf die Dichtflächen weiterzufließen.
Die keilförmigen Spalte können also für
das Lot ähnlich wie ein Trichter wirken, der den Lotfluss
zu den Dichtflächen hin richtet. Die keilförmigen
Spalte können beispielsweise durch Umfalzen oder durch
Anbringen einer Fase angrenzend an die Dichtflächen erzeugt
werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Erzeugen des Lotflusses in einem zwischen den Dichtflächen
verbleibenden Nullspalt hinein. Vorteilhaft kann beispielsweise
durch das Vorsehen des keilförmigen Spaltes wegen des Kapillardrucks,
der auf das flüssige Lot wirkt, auch ein sogenannter Nullspalt
mit dem Lot gefüllt werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens zeichnen
sich durch folgenden Schritt aus: Erzeugen des Lotflusses bis hin
zu den Lotflussbarrieren, wobei die Lotflussbarrieren als an die
Stirnseiten angrenzende unterbrochene Stege ausgebildet sind. Schichtwärmeübertrager
können Stege zur Beabstandung der einzelnen Schichtflächen
aufweisen. Diese Stege können in ungünstigen Fällen
als Halbkapillaren wirken, also einen Lotfluss in Richtung Inneres
des Stapels hin bewirken. Um einen solchen Lotfluss zu unterbinden,
können die Stege unterbrochen ausgebildet sein und dadurch
eine Lotflussbarriere bilden. So kann gewährleistet werden,
dass der Lotfluss sich nicht über die gesamte Länge,
also quer durch den Stapel hindurch, entlang des Steges ausbreiten
kann. Vorteilhaft kann dazu das Lot so gewählt werden,
dass dieses sich lediglich durch Kapillarkräfte in Fluss
setzt, also nicht ohne Weiteres die Oberfläche des Stapels
benetzt.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Erzeugen des Lotflusses mit einem Lot mit verringerter Fließfähigkeit.
Vorteilhaft kann es sich dabei um ein solches Lot handeln, das nicht
ohne Weiteres Oberflächen benetzt, also beispielsweise
zum sich in Fluss setzen zusätzliche Kapillarkräfte
benötigt. Vorteilhaft kann dazu noch die Prozesstemperatur
bei dem Verlötvorgang entsprechend eingestellt werden. Durch
das Lot mit verringerter Fließfähigkeit kann sichergestellt
werden, dass der Lotfluss auch sicher an den Lotflussbarrieren des
Wärmeübertragers zum Erliegen kommt. Die Lotflussbarrieren
können so ausgestaltet sein, dass diese möglicherweise
vorhandene und in Richtung Inneres des Wärmeübertragers
führende Kapillaren und/oder Halbkapillaren unterbrechen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Erzeugen des Lotflusses mit einem phosphor- und borfreien
Lot. Ein solches Lot weist vorteilhaft eine vergleichsweise geringere
Fließfähigkeit auf, die so eingestellt werden
kann, dass nicht ohne Weiteres Oberflächen mit dem Lot
benetzt werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Erzeugen des Lotflusses mit NiCr19Si10 (Ni105)-Lot.
Vorteilhaft weist dieses Lot die oben genannten positiven Eigenschaften
zur Durchführung des Verfahrens auf.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Aufdosieren einer Lotpaste, insbesondere zumindest
einer Pastenraupe senkrecht zu einem Verlauf der Dichtflächen
und/oder jeweils entlang des Verlaufes der Dichtflächen,
auf die zumindest eine Stirnseite. Lotpaste lässt sich
vergleichsweise einfach und genau dosiert auftragen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Aufbringen eines Streifens des Lottapes auf die zumindest eine
Stirnseite des Stapels. Vorteilhaft kann so die Lotmenge variiert
und exakt dosiert werden, wobei durch die wirkenden Kapillarkräfte
dennoch eine ausreichende Verteilung des flüssigen Lots
gewährleistet ist.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens weisen folgenden
Schritt auf: Aufsprühen einer Lotpaste auf die zumindest
eine Stirnseite des Stapels. Vorteilhaft kann das Lot gleichmäßig
und exakt dosierbar aufgetragen werden.
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Die
Aufgabe ist außerdem mit einem Schichtwärmeübertrager
in Schichtbauweise zum Führen eines ersten Mediums M1 im
Kreuzstrom mit einem zweiten Medium M2 mit den oben beschriebenen
Merkmalen und/oder hergestellt nach einem Verfahren wie oben beschrieben
gelöst.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene
Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Gleiche,
funktionsgleiche und/oder ähnliche Teile sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Stapel eines Wärmeübertragers in Explosionsansicht;
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2 einen
Wärmeübertrager mit einem Stapel und vier Sammelkästen
in Explosionsansicht;
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3 eine
Schnittansicht zweier Schichtbleche eines Wärmeübertragers,
jeweils mit einer längsseitigen Falzung;
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4 eine
weitere Schnittansicht zweier Schichtbleche, wobei jedes der Schichtbleche
eine Fase zur Ausbildung eines keilförmigen Spaltes an der
Stirnseite aufweist;
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5 ein
Schichtblech eines aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragers;
und
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6 ein
im Vergleich zu dem Schichtblech aus 5 mit erfindungsgemäßen
Lotflussbarrieren versehenes Schichtblech.
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1 zeigt
eine dreidimensionale Darstellung eines Teils eines Wärmeübertragers 1 mit
einem Stapel 3 in Explosionsdarstellung. Der Stapel 3 des Wärmeübertragers 1 weist
zwei Deckplatten 5 und zwischen den Deckplatten 5 gestapelte
Schichtbleche 7 auf. Der Stapel 3 des Wärmeübertragers 1 weist
eine Vielzahl solcher Schichtbleche 7 auf, wobei in 1 exemplarisch
lediglich zwei über Kreuz gelegte Schichtbleche 7 dargestellt
sind. Der prinzipielle Aufbau von Stapeln von Wärmeübertragern
ist bekannt. Der Wärmeübertrager 1 ist
zum Führen eines ersten Mediums M1 im Kreuzstrom mit einem zweiten
Medium M2 ausgelegt.
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2 zeigt
eine dreidimensionale Darstellung in Explosionsansicht des Wärmeübertragers 1 zusammen
mit insgesamt vier Sammelkästen 9. Die Sammelkästen 9 sind
Stirnseiten 11 des Stapels 3, der in 2 zur
Veranschaulichung nur teilweise dargestellt ist, zugeordnet. Dabei überdecken
die Sammelkästen 9 die Stirnseiten 11 derart,
dass die Medien M1 und M2 im Inneren des Stapels 3 im Kreuzstrom
zum thermodynamischen Austausch geführt werden können.
Auf zumindest einer der Stirnseiten 11, vorzugsweise an
allen vier Stirnseiten 11, ist ein Lot 13 angebracht,
das zur Abdichtung des Stapels 3 mit dem Stapel 3 verlötet
werden kann.
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3 zeigt
eine Detailansicht eines Schnittes von zwei aufeinander gelegten
Schichtblechen 7 des Stapels 3 des Wärmeübertragers 1.
Jedes der Schichtbleche 7 weist einen Falz 15 auf,
wobei die zwei Schichtbleche 7 so aufeinander gestapelt
sind, dass diese sich an einer gedachten Spiegelebe ne 17 spiegelbildlich
zueinander verhalten. Die zwei Schichtbleche 7 stehen dabei
an Dichtflächen 19, die auf der Spiegelebene 17 liegen,
miteinander in Anlagekontakt. Im Bereich der Falze 15,
die einen Teil der Stirnseite 11 des Stapels 3 ausmachen,
ist das Lot 13 angebracht. Dabei kann es sich beispielsweise
um eine Lotfolie, die an die Falze 15 angeklebt wurde, handeln.
Im Bereich der Falze 15, dicht an der Spiegelebene 17,
ergibt sich ein spiegelsymmetrischer Spalt 21, der sich
zu den Dichtflächen 19 hin, ausgehend von dem
Lot 13 an der Stirnseite 11, verjüngt. Es
ergibt sich eine stirnseitige Zone sich verringernder Kapillarkräfte
für das Lot 13, sofern dieses in Fluss gesetzt
wird.
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Zum
Verlöten der Dichtflächen 19 der Schichtbleche 7 kann
der von den Falzen 15 gebildete Spalt 21 wie ein
Trichter wirken, der das in Fluss gesetzte Lot 13 zu den
Dichtflächen 19 hin lenkt.
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Die
Schichtbleche 7 gemäß der Darstellung aus 3 weisen
jeweils eine Prägung 29 auf, wobei die Prägungen 29 miteinander
in Anlagekontakt stehen und die Beabstandung der Schichtbleche zur Ausbildung
eines Kanals 31, ausgelegt zum Führen des Mediums
M1 oder M2, gewährleisten.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel zweier aufeinander gelegter
Schichtbleche 7 in einem Detail einer Schnittansicht. Im
Unterschied weisen die Schichtbleche 7 gemäß der
Darstellung in 4 anstelle der Falze 15 jeweils
einen Randsteg 23 auf, der die Dichtflächen 19 beinhaltet.
Die Schichtbleche 7 sind ebenfalls spiegelsymmetrisch aufeinander
gelegt, wobei der sich verjüngende Spalt 21 jeweils
durch eine Fase 25 der Randstege 23 gebildet wird.
Die Fasen 25 sind ebenfalls spiegelsymmetrisch zueinander.
Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen denkbar, wobei beispielsweise
nur eines der Schichtbleche 7 eine Fase 25 aufweisen kann.
Es ist ersichtlich, dass das in Fluss gesetzte Lot ebenfalls entlang
des durch die Fasen 25 gebildeten Spaltes 21 durch
die stirnseitige Zone sich verringernder Kapillarkräfte
zwischen die Dichtflächen 19 befördert
wird.
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An
einem innen liegenden Ende der Randstege, das in Ausrichtung der 4 rechtsseitig
liegt, und an dem auch die Dichtflächen enden, ergibt sich eine Lotflussbarriere 27.
Dazu kann das Lot 13 so ausgelegt sein, dass sich dieses
lediglich durch Kapillarkräfte fließend fortbewegt
und nicht automatisch auch Oberflächen der Schichtfläche 7 benetzt.
Es ist ersichtlich, dass durch wirkende Kapillarkräfte
das verflüssigte Lot 13 in den Spalt 21 und
zwischen die Dichtflächen 19 eindringen kann,
wobei der Fluss an der Lotflussbarriere, also an dem rechts liegenden Ende
der Randstege 23 zum Erliegen kommt. Vorteilhaft kann dadurch
gewährleistet werden, dass das Lot 13 nicht weiter
in das Innere des Stapels 3 vordringen kann.
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5 zeigt
ein Schichtblech 33, wie es aus dem Stand der Technik bekannt
ist. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes
Schichtblech 7 mit Lotflussbarrieren 27. Im Vergleich
zur Darstellung gemäß 5 wird das
erfindungsgemäße Prinzip der Lotflussbarrieren 27 näher
erläutert. Gemäß der Darstellung aus 5,
kann sich an Stegen 35 des Schichtbleches 7 ein
Lotfluss, ausgehend von der Stirnseite 11 des Schichtbleches 33 in
Richtung Inneres des Stapels 3 des Wärmeübertragers 1 ergeben,
was durch einen Pfeil 37 dargestellt ist. Ein Fuß des
Steges 35 des Schichtbleches 33 kann dabei als
Halbkapillare wirken.
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Vorteilhaft
sind bei dem Schichtblech 7 gemäß der
Darstellung aus 6 Lotflussbarrieren 27 an
den Stegen 35 vorgesehen. Hierzu weisen die Stege 35 gemäß 6 Unterbrechungen 39 auf,
an denen der mittels des Pfeiles 37 symbolisierte Lotfluss
zum Erliegen kommt. Es ist ersichtlich, dass mittels der Unterbrechungen 39,
die die Lotflussbarrieren 27 bilden, ein weiteres Eindringen
des Lots 13 in Richtung Inneres des Stapels 3 des
Wärmeübertragers 1 unterbunden werden
kann.
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Zum
Verlöten des Wärmeübertragers 1 können
zunächst die Deckplatten 5 und die Schichtbleche 7 zu
einem Stapel 3 gestapelt werden. Der Stapel 3 wird
oben und unten jeweils durch eine der Deckplatten 5 begrenzt,
wobei sich zwischen den Deckplatten 5 eine Vielzahl der
Schichtbleche 7 befinden kann. Zusätzlich kann
der Stapel vorgespannt und die Spannung beispielsweise durch Schweißnähte
fixiert werden, wobei die Schweißnähte vorteilhaft,
aber nicht notwendigerweise gleichzeitig zum Fixieren der Sammelkästen 9 an
den Stirnseiten 11 verwendet werden können. Das
Lot 13 kann an zumindest einer der Stirnseiten 11,
insbesondere in Form eines Lottapes, aufgebracht werden. Das aufgebrachte
Lot 13 kann zum Verlöten so weit erwärmt werden,
dass dieses fließfähig wird. Die an die Stirnseiten 11 angrenzenden
Dichtflächen 19 können, insbesondere
mittels der Spalte 21, mit dem fließenden Lot 13 beaufschlagt
werden. Vorteilhaft kann der Lotfluss des Lots 13 an den
Lotflussbarrieren 27 des Wärmeübertragers 1 gestoppt
werden. Das Lottape des Lots 13 kann vorteilhaft lediglich
auf zumindest eine der Stirnseiten 13 aufgeklebt werden,
kann also eine entsprechende Klebeschicht aufweisen. Anstelle des
Lottapes ist es denkbar, das Lot 13 durch eine Lotpaste
auf die Stirnseiten 11 aufzubringen. Dazu kann die Lotpaste
entlang des Verlaufs der Dichtflächen 19 oder
ungefähr senkrecht zum Verlauf der Dichtflächen 19,
insbesondere in Form einer Pastenraupe, aufdosiert werden. Möglich
ist auch ein Aufsprühen der Lotpaste.
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Der
Schichtwärmeübertrager 1 kann zur Übertragung
einer hohen spezifischen Wärmeübertragungsleistung
der Medien M1 und M2 ausgelegt sein. Die Schichtbleche 7 sind
dazu entsprechend konturiert und aufeinander gestapelt zu dem Stapel 3 zusammengefügt.
Der Wärmeübertrager 1 kann für vielfältige
Anwendungen vorgesehen sein, insbesondere auch zur Wärmeübertragung
bei hohen Temperaturen. Die Sammelkästen 9 können
als sogenannte verlorene Lötvorrichtung, beispielsweise
durch die vorgesehenen Verschweißungen, dienen.
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Vorteilhaft
kann durch das vorgeschlagene Verfahren jegliche innere Verlötung
des Wärmeübertragers 1 beziehungsweise
der Schichtbleche 7 des Wärmeübertragers 1 vermieden
werden. Vielmehr wird angestrebt, Idealerweise nur die äußeren,
also benachbart zu der Stirnseite 11 angeordneten, Dichtflächen 19 zu
verlöten, wobei die stoffliche Trennung der beiden Wärmeübertragermedien
M1 und M2 gewährleistet werden kann. Hierzu kann das Lot 13 nur an
den Stirnseiten 11 angebracht werden, wobei es jedoch denkbar
ist, dieses zusätzlich auch an anderen Positionen, beispielsweise
bereits an den Dichtflächen 19 anliegend, aufzutragen
beziehungsweise aufzubringen. Vorteilhaft kann an den Stirnseiten 11 des
Stapels 3 ein kostengünstiges Lottape angebracht
werden. Hierzu ist es nicht notwendig, das Lottape vorzubehandeln,
beispielsweise zu perforieren. Der Stapel 3 kann zum Verlöten
mittels des Lotes 13 entsprechend vorgespannt sein.
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Eine
Lösung zum Vorspannen des Stapels 3 ist in der
nicht veröffentlichten Anmeldung derselben Anmelderin mit
dem Aktenzeichen 102006005270.5 angegeben, die hiermit durch Bezugnahme,
insbesondere die Figuren und die dazu gehörige Beschreibung,
zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Vorteilhaft können
so Lötnähte ohne spröde Ausscheidungsphasen
erzielt werden. Vorteilhaft kann beim Löten unter Spannung
stehender Schichtflächen 7 der Spalt 21 als
eine Art Trichter wirken, so dass aufgrund zunehmender Kapillarkräfte
das Lot 13 in die außen liegende Fügenaht
gezogen wird. Damit der Wärmeübertrager 1 nur
außen verlötet, können nach innen führende
Kapillarspalte und/oder Halbkapillaren für das flüssige
Lot 13 sorgfältig mittels der Lotflussbarrieren 27 vermieden
werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass ein Wärmeübertrager 1,
der hohen mechanischen, insbesondere thermomechanischen Spannungen
im Inneren seines Stapels 3 ausgesetzt ist, Vorteile bietet,
sofern dieser nur außen verlötet ist. Die Schichtbleche 7 können dadurch
besser durch elastische Verformungen den Spannungen ausweichen.
Der Wärmeübertrager 1 weist deshalb ein
kleineres E-Modul auf. Insbesondere gilt dies für alle
Wärmeübertrager 1 in Schichtbauweise,
die zyklisch mit hohen Temperaturen > 600°C, insbesondere ca. 900°C,
beaufschlagt sind, z. B. in der Peripherie einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle
(SOFC).
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Durch
die über eine kurze Distanz recht unterschiedlichen Temperaturen
und die somit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen bauen sich lokal
hohe thermomechanische transiente Spannungen auf. Vorteilhaft können
beispielsweise Ermüdungsbrüche, wie sie von einem
voll verlöteten Schichtblechgebilde herrühren
könnten, das eher starr ist, vermieden werden. Vorteilhaft
kann eine innere Verlötung des Stapels 3 zunächst
vermieden werden, indem das Lot 13 nur stirnseitig auf
den Stapel 3 aufgebracht wird.
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Dies
kann beispielsweise in Form des Lottapes erfolgen. Bei Lottape kann
es sich um eine Mischung aus Lotpartikeln und einem organischen
Binder system handeln. Das Lottape liegt dabei in einem fest-elastischen
Aggregatszustand vor und weist eine flächige Geometrie
auf. Vorteilhaft kann sich auf einer Seite des Lottapes eine Haftschicht
befinden, so dass das Tape auf einfache Art und Weise aufgeklebt
werden kann.
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Die
vorgeschlagene Verlötung von lediglich der zumindest einen
Stirnseite 11 des Stapels 3 erhöht zwar
in geringem Umfang die Steifigkeit des Stapels 3, dient
jedoch vorteilhaft dazu, die beiden Medienströme M1 und
M2 des Wärmeübertragers 1 stofflich voneinander
zu trennen. Vorteilhaft ist es denkbar, sofern diese Trennung nicht
zwingend notwendig und/oder nur in einem geringen Maß notwendig
ist, die Verlötung des Stapels 3 nur partiell
vorzunehmen, also nur partiell zu beloten, und die Elastizität
des Wärmeübertragers 1 weiter zu erhöhen.
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Vorteilhaft
ist es auch möglich, das Lottape nicht vollflächig
auf die Stirnseite 11 aufzukleben, sondern nur in schmäleren
Streifen, die von einer Deckplatte 5 zur gegenüberliegenden
Deckplatte 5 reichen. Die Dichtflächen 19 können
vorteilhaft trotzdem überall verlötet werden,
da das flüssige Lot 13 durch die Kapillarkraft
auch parallel zur Ausdehnung der Dichtflächen 19 verteilt
werden kann. Vorteilhaft kann so das Lot 13 genau dosiert
werden, insbesondere auch dann, falls das Lottape bei vollflächiger Aufbringung
zu viel Lot 13 liefern würde.
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Zur
Vermeidung von Sprödphasen in den Lötnähten,
also zwischen den Dichtflächen
19, kann die Lötnahtdicke
hinreichend klein sein. Dazu kann vor dem Verlöten der
Stapel
3 vorgespannt werden, wie beispielsweise in der
DE 2924592 A1 derselben Anmelderin
vorgeschlagen. Diese Anmeldung wird durch Bezugnahme zum Inhalt
dieser Anmeldung gemacht.
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Durch
das Vorspannen kann lokal zwischen den Schichtblechen, also an den
Dichtflächen
19 auch ein sogenannter Nullspalt
entstehen. Um diese Lotspalte gesichert mit dem Lot
13 zu
füllen, können an den Schichtblechen
7 stirnseitig
die Spalte
21 vorgesehen sein, die eine Art Trichter bilden,
die eine Zone sich erhöhender Kapillarkraft für
das sich außen befindliche Lot
13 darstellen.
Falzblech-Schichtbleche
7 sind in der
DE 10042690 A1 derselben Anmelderin
offenbart. Diese Anmeldung wird durch Bezugnahme zum Inhalt dieser
Anmeldung gemacht.
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Die
gefalzten Schichtbleche 7 bilden eine Löthilfe
aus. Vorteilhaft kann dadurch das Lot 13 zuverlässig
auch in einen Lötnaht-Nullspalt gezogen werden. Es ist
auch denkbar, eine solche Löthilfe bei rechteckigen Schichtblechen 7 durch Ätzen,
Walzen, Prägen und/oder ähnliche Verfahren zu
erzeugen, wobei stirnseitig die Fase 25 an den Schichtblechen 7 entsteht,
so dass ein Keilspalt gebildet wird, der den Spalt 21 ausbildet,
der das Lot 13 auch in einen Lötnaht-Nullspalt
zieht.
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Um
zu vermeiden, dass das Lot 13 von den Stirnseiten 11 des
Wärmeübertragers 1 in dessen Inneres
fließt, ist es vorteilhaft möglich, jedes konstruktive
Detail zu vermeiden, das für das Lot 13 eine Kapillare
oder Teilkapillare ins Innere des Stapels 3 darstellt.
Eine solche unerwünschte Führung des Lotflusses
ist beispielsweise in 5 dargestellt. Die Stege 35 der
Schichtbleche 33 führen ununterbrochen vom Äußeren
des Schichtbleches 33 ins Innere des Stapels 3.
Außerdem werden bei zwei solchen aufeinander gelegten Schichtblechen 33 durch
aufeinander liegende Stege 35 ebenfalls Kapillaren gebildet,
die Lot in das Innere des Stapels 3 ziehen könnten.
Im Vergleich dazu sind gemäß 6 jeweils an
den Stegen 35 die Lotflussbarrieren 27 vorgesehen,
die insbesondere mittels der Unterbrechungen 39 gebildet
werden.
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Vorteilhaft
kann das Lot 13 eine passende Fließfähigkeit
aufweisen, d. h. die Fließfähigkeit sollte einerseits
so hoch sein, dass das außen aufgebrachte Lot 13 in
die außen liegenden Dichtspalte, also zwischen die Dichtflächen 19 eindringen
kann, aber andererseits so niedrig sein, dass es nicht auch ohne
unterstützende Kapillarkräfte ins Innere des Wärmeübertragers 1 vordringen
kann. Beispielsweise sollte bei der Verwendung von Ni-Basislot darauf geachtet
werden, dass das Lot 13 kein oder nur wenig Phosphor enthält.
Die üblichen Lote NiP11 (Ni106) und NiCr14P10 (Ni107) oder
NiCr30Si4P6 können eine zu gute Fließfähigkeit
für die Anwendung des Bauteils bei hohen Temperaturen aufweisen.
Davon abgesehen können sie unvermeidbare Sprödphasen
in der Lötnaht ausbilden, die die mechanische Festigkeit
des Bauteils reduzieren könnten. Ein geeignetes Ni-Basislot
ist beispielsweise das phosphor- und borfreie kommerzielle Lot NiCr19Si10 (Ni105).
Andere Lote mit entsprechenden Eigenschaften sind denkbar.
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Zusammenfassend
ergibt sich ein Wärmeübertrager 1 mit
einem kleineren E-Modul und damit mit einer geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit
bei einer zyklischen thermomechanischen Beaufschlagung bei hohen
Temperaturen, geringere Kosten durch Lotersparnis und ein einfaches
und schnell durchzuführendes Belotungsverfahren zur Herstellung
des Wärmeübertragers 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10328274
A1 [0002]
- - EP 1073537 B1 [0002]
- - DE 2924592 A1 [0002, 0047]
- - DE 10042690 A1 [0002, 0048]
- - DE 102004013688 A1 [0002]