制造管板翅片式换热器的方法
【专利摘要】通过钎焊主要为铝或铝合金的金属部件制造管翅片式换热器(TFP)的方法，该方法包括以下步骤：-制造换热器的部件，包括管(2)和具有环(7)的板翅片(6)，-在管(2)上提供具有填充材料的预钎焊涂料，或提供具有焊剂涂层的(焊接)包覆管(2)，-将部件组装，包括将翅片(6)连接至管(2)，-加热组装的部件从而在管(2)和翅片(6)之间形成钎焊连接部。
【专利说明】制造管板翅片式换热器的方法
[0001]本发明涉及制造铝或铝合金的管翅片式(TFP)换热器的方法。
[0002]铝合金的轻重量和优异热传递性质使它们成为用于换热器的特别有吸引力的候选物。铝换热器通常用于汽车应用。这些换热器用于空调系统、发动机冷却系统、机油冷却系统以及用于汽车发动机涡轮增压器系统。除汽车应用之外，铝换热器目前越来越多地用于非汽车应用，例如工业和住宅应用，用以执行类似于汽车应用中的功能。
[0003]上述管板翅片型换热器最通常被机械组装以便在翅片和管之间获得良好的机械连接，从而在翅片和管之间也获得良好的热传递。
[0004]为换热器的其它设计良好建立的替代性连接方法是铝的钎焊。
[0005]同样为现有技术的是以所谓的CAB工艺(其代表受控气氛钎焊)钎焊铝换热器。其被称作受控气氛的原因在于，钎焊在惰性气体的保护下进行。该气体通常为氮气。
[0006]在引入氟铝酸钾络合物之后，在1980年代早期CAB变得流行。为了使填充金属牢固地结合到要连接的表面，所述表面必须是洁净的。钎焊工业中的主要问题是在此类表面的外部上形成金属氧化物。例如，在氧的存在下，铝氧化从而形成氧化铝，所述氧要么来自空气要么吸附在金属的表面上。氧化铝具有约2038°C的极高熔点。其既不熔化又不易于被使铝金属本身熔化的温度 还原成铝。
[0007]焊剂是施加于要连接的表面以及钎焊填充金属的物质，以清洁和使它们不含氧化物并且促进它们的接合。焊剂用于在钎焊温度下溶解或以其他方式去除金属氧化物，而不与要连接的金属反应。其还促进填充金属在要连接的表面周围和要连接的表面之间的流动。
[0008]利用受控气氛钎焊工艺钎焊换热器在很大程度上依赖于下述:
[0009]?焊剂(通常为氟化铝钾)
[0010].填料或包覆材料(通常来自AA4xxx系列)
[0011].保护气氛(通常为氮气)的性质，和
[0012].熔化填料或包覆材料以实现金属键合所需的高温暴露。
[0013]根据待钎焊的换热器的类型/尺寸以及所用的填充金属和焊剂化合物的类型来调节工艺参数。
[0014]用于在换热器中产生金属键合的常见措施是通过使待连接的两个部件中的一个包覆以AA4XXX系列(例如包覆的翅片和非包覆的管)。(如上文所定义的)焊剂的一般应用是在钎焊之前施加到整个换热器组件。
[0015]传统上，以机械方式组装圆型板翅片式换热器，而钎焊的换热器通常是平行流动型的。对于钎焊的换热器，然后将焊接的或挤压的管与波纹翅片材料组装在一起。在非汽车应用内，机械组装的换热器通常已经被特别用于蒸发器或分体单元HX，因为具有波纹翅片设计的钎焊管换热器可能具有结霜问题。然而，也可以利用传统设计来利用钎焊的优势。从EP0131444B1知晓了一种圆型板翅片换热器和制造所述换热器的方法，其中该换热器由翅片和管件形式的金属部件组成，其中所述金属部件由包覆有钎焊材料的钎焊薄板制成并且进一步拥有氟化物焊剂，并且其中通过将换热器加热到所需的钎焊温度而将金属部件与管件连接。
[0016]在多材料/合金系统中(例如换热器)，腐蚀将发生在最具牺牲性的部分(惰性最小的部分)上。当制造全铝换热器时，标准实践建议应当匹配铝材料部件使得最关键的部分得到保护。即，在该换热器的整个寿命内管件应得到保护免于渗漏。
[0017]为了钎焊铝部件的腐蚀防护，当需要时可以在管件上或者在整个部件上使用保护层。保护层通常可具有以下两种类型:
[0018]?钝化
[0019]籲牺牲
[0020]钝化层是化学钝性(惰性)并且覆盖表面的涂层。另一方面，牺牲层是比芯部材料惰性小的层。当暴露于侵蚀性环境时，将导致侧向腐蚀。铝上的典型牺牲层是锌层施加。通过例如锌电弧喷镀将这个锌层施加到铝表面。通常在挤压过程期间在生产线内(in line)将金属锌施加到所谓的多端口挤压(MPE)管或微通道管的表面。全腐蚀保护发生在管材已通过钎焊循环并且在管内形成锌扩散梯度之后。
[0021]作为上面提到的向铝部件表面锌电弧喷镀施加锌的替代，目前的主要兴趣在于在
铝表面上使用反应性Zn焊剂。包含反应性Zn焊剂的HYBRAZ TM/?涂覆产品将提供用于
钎焊的焊剂以及用于腐蚀防护的向管内的Zn扩散梯度。Zn焊剂是所谓的反应性焊剂，源自氟锌酸钾型，在钎焊循环期间产生钎焊焊剂和金属锌。金属锌在Al管内形成Zn梯度作为牺牲层。当使用Zn焊剂时，需要包覆翅片来钎焊翅片-管接头。
[0022]通过本发明，可利用HYBRAZ工艺得到多种涂料变体:
[0023]?用于接头形成的钎焊材料
[0024]?用于腐蚀防护的Zn
[0025]?用于管件上的腐蚀防护的来自钎焊材料的Si
[0026].用于去除氧化层的焊剂
[0027]?用于限制焊剂残留物水溶性的Li，并因此限制来自静水的侵蚀。
[0028] 通过本发明提供了制造管扁翅片型换热器的方法，其中将翅片通过钎焊附接，而不是机械附接至管件。通过根据本发明的这种发明方法，在以下两方面都做出改善:更快速和更廉价的生产，以及具有提高的腐蚀性能的换热器。同时，例如常规钎焊的换热器(即管和波纹翅片)中所见到的结霜问题在更大程度上得以避免。这里以圆形管板翅片(RTPF)相同的场景使用术语管扁翅片(TFP)，但意指具有任何形状例如圆形、方形、扁形或椭圆形的管件的这种类型的任何换热器。
[0029]本发明的特征在于如所附独立权利要求1中所限定的特征。从属权利要求2-9中进一步限定了优选的实施方案。
[0030]现在将在下文通过举例并参照附图进一步描述本发明，其中:
[0031]图1示出了根据本发明的换热器，
[0032]图2示出了先前如何将翅片机械附接至圆管，
[0033]图3示出了其中翅片钎焊至根据本发明的换热器管件的换热器，
[0034]图4以更大比例和横截面示出图3中所示管件和翅片的一部分。
[0035]根据本发明的圆管翅片换热器(TFP) I包括如图1中所示。U型管2(hair pin)是翅片和管式换热器的基本单元。将U型管插入一叠翅片6中。在膨胀之后，安装回弯管(return bend)并且钎焊3以便连接循环流体(未示出)的入口和出口管头4、5。进而为管提供翅片6。
[0036]如图2的a)和b)中所示，各自配备有翅片箍7(fin collar)的翅片6通常通过管2的膨胀连接至圆管，使得管的外壁机械连接至翅片箍7。膨胀是通过迫使芯轴8穿过各个管而实现，如图2b)中所示。
[0037]如图3和图4中所示，根据本发明的方法是基于将翅片钎焊至TFP的圆管，而不是使用由现有技术所知的机械连接。因此，根据本发明制造TFP换热器的方法包括以下步骤:
[0038]-以管2和具有箍7的板翅片6的形式提供TFP换热器的部件，
[0039]-在管2上提供具有填充材料的预钎焊涂料，或提供具有焊剂涂层的(焊接)包覆管 2(clad tube)，
[0040]-将翅片6连接至圆管2，
[0041]-加热圆管2和翅片6从而在它们之间形成钎焊连接部8。
[0042]预钎焊涂料可优选地由如下构成:焊剂，形式为氟化铝钾IV3AHV6、三氟锌酸钾KZnF3、氟化铝锂Li3AlF6 ;填充材料，形式为金属Si颗粒、Al-Si颗粒和/或氟硅酸钾K2SiF6 ；以及含有至少10重量％合成树脂的溶剂和粘结剂，所述合成树脂的主要成分是基于甲基丙烯酸酯均聚物或甲基丙烯酸酯共聚物。
[0043]如果不使用具有填充材料的预焊剂涂料，则可以使用典型地由AA4XXX系列合金制成的包覆管并且焊剂可典型为氟化铝钾。
[0044]利用本发明的优势可汇总如下:
[0045]1.改善的管上腐蚀防护(析出物的致密带)，改善的电防腐
[0046]2.直接的金属与金属与金属接触(改良的热传递)
[0047]3.可能减少的翅片间距？(由所需的箍高度决定)
[0048]4.可能的潜在翅片厚度减小？(由清洁时所需的机械翅片强度决定)
[0049]5.HX仍然是RTPF，不是钎焊的波纹翅片方案。
[0050]通过本发明提供了制造RTPF换热器的新方法，该方法基于使用预焊剂涂料进行钎焊，所述预焊剂涂料提供牺牲和钝化两种保护，并且同时其提供用于接头形成的钎焊(填充)材料和用于除去氧化层的焊剂。
[0051]因此，根据本发明的预焊剂涂料是基于下述的混合物:来自具有不同性质的不同焊剂的焊剂颗粒，以及作为填充材料的Si颗粒，并且包括溶剂和粘结剂。更具体而言，本发明由以下构成:以氟化铝钾OV3AlF4J、三氟锌酸钾(KZnF3)、氟化铝锂Li3AlF6形式的焊齐U，以金属Si颗粒、Al-Si颗粒和/或氟硅酸钾K2SiF6形式的填充材料，和含至少10重量％合成树脂的溶剂和粘结剂，所述合成树脂的主要成分是基于甲基丙烯酸酯均聚物或甲基丙烯酸酯共聚物。
[0052]上述的氟化铝钾OV3AlF4J可以是KAlF4和K2AlF5和K3AlF6或这些的组合。这是来自实际合成的产物。添加三氟锌酸钾KZnF3用于腐蚀防护。
[0053]氟硅酸钾K2SiF6与Al反应并且产生Si金属，其形成AlSi1Jt为填充金属。此外，添加氟化铝锂于限制焊剂残留物的水溶性，并因此限制来自静水的侵蚀。需要恰当的组成以实现来自钎焊后焊剂残留物的效果。
[0054]对于具有高Mg的合金，可以任选地添加以机械方式掺合的氟化铝钾(参见上述)加上氟化铝铯CsAlF4。
[0055]关于涂覆材料的组成，根据期望的应用性能，溶剂含量课优选是约30重量％。此外，颗粒与粘结剂的比率可以从3:1到4:1不等。
[0056]可以向涂覆材料中添加另外的增稠剂(纤维素)，相对于丙烯酸粘结剂的浓度为
约14重量％。
[0057]从下表可以清楚，不同焊剂的颗粒比率可以变化。
[0058]施加在铝部件上的涂层可进一步变化，具有在8g/m2和16g/m2之间的不同总加载量。关于这一点也可参见下表。
[0059]表格(颗粒含量):
【权利要求】
1.通过钎焊主要为铝或铝合金的金属部件制造管翅片式(TFP)换热器的方法，该方法包括以下步骤: -制造换热器的部件，包括管(2)和具有箍(7)的板翅片(6)， -在管(2)上提供具有填充材料的预钎焊涂料，或提供具有焊剂涂层的(焊接)包覆管⑵， -将部件组装，包括将翅片(6)连接至管(2)， -加热组装的部件从而在管(2)和翅片(6)之间形成钎焊连接部。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于: 该涂料由以下构成:氟化铝钾IV3AlFf6、三氟锌酸钾KZnF3、氟化铝锂Li3AlF6形式的焊齐U，金属Si颗粒、Al-Si颗粒和/或氟硅酸钾K2SiF6形式的填充材料，以及溶剂和粘结剂，所述溶剂和粘结剂包含至少10重量％的合成树脂，所述树脂的主要成分是基于甲基丙烯酸酯均聚物或甲基丙烯酸酯共聚物。
3.根据权利要求1和2的方法，其特征在于以单层涂料或者多层涂料掺合所述涂料，其中作为单层涂料时所有焊剂组分和填充材料与粘结剂和溶剂混合，并且其中作为多层涂料时焊剂组分和填充材料与粘结剂和溶剂被混合为不同涂料。
4.根据权利要求1-3的方法，其特征在于所述多层涂料包括2、3或4种独立掺合的涂料成分，每一种基于粘结剂和溶剂以及一种或多种焊剂组分和/或填充材料或填料生成材料。
5.根据权利要求1-4的方法，其特征在于氟化铝钾IV3AHV6是包括下列的焊剂:KAlF4, K2AlF5, K3AlF6或这些焊剂的组合。
6.根据权利要求1-5的方法，其中铝组分基于具有高Mg含量的铝合金，其特征在于添加氟化铝铯CsAlF4形式的另外焊剂。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于颗粒与粘结剂的比率在3:1到4:1之间。
8.根据权利要求1-5的方法，其特征在于涂料的不同成分的颗粒比率对应于如下加载量:0-5.2g/m2S1、l.41-16g/m2Zn 焊剂(KZnF3)、2.2-9.2g/m2 钾焊剂(KAIF4A3AIF6)和0.l-5g/m2Li 焊剂(Li3AlF6)。
9.根据权利要求1-8的方法，其特征在于通过喷涂或浸涂在部件上提供所述涂料。
【文档编号】B23K35/363GK103930238SQ201280055037
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年10月8日 优先权日:2011年11月14日
【发明者】J·H·诺德雷茵, H·简森, T·圭拉乌梅 申请人:诺尔斯海德公司