专利名称：高温钎接的废气热交换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热交换装置。本发明特别涉及一种用于汽车的废气热交换器。
背景技术：
今天，热交换器在许多技术领域，特别是在汽车技术、在发电厂和环保技术中发挥着日益重要的作用。这种热交换器的部件通常通过焊接或钎接相互连接或接合在一起。
通过钎接进行的接合经常采用所谓的镍钎料(Ni钎料)。这种镍钎料具有高抗氧化性或高耐腐蚀性的特点，但与其它钎料如铜钎料(Cu钎料)相比具有以下缺点为了防止在钎焊缝中出现降低强度和/或加大腐蚀的析出物，钎焊缝通常必须小于0.1mm；所有的镍钎料都相对较贵；为了防止钎料表面出现氧化，钎焊通常在一个真空钎焊炉中进行，这样，由于在真空钎焊炉中所必需的时间，使得这种镍钎接的热交换器的大批量生产的成本变得相对较高。
而使用铜钎接的热交换器则在许多方面带来问题，因为Cu钎料有时不具备面对在热交换器中穿流的流体所必需的耐腐蚀性或抗氧化性，使得钎焊缝可能由于腐蚀或氧化而受到破坏。
发明内容
本发明的任务是提供一种热交换装置以及这种装置的一种制作方法，从而克服现有技术的缺点。
这个目的由根据权利要求1所述的热交换装置以及根据权利要求18所述的这种装置的制作方法实现。根据本发明所述的装置的其它优选实施形式由从属权利要求2到17限定。根据本发明所述的方法的其它优选实施形式由从属权利要求19到21限定。
根据本发明所述的热交换装置(热交换器)具有至少一个用于第一流体的第一流路，它至少部分地由至少一个第一边界元件(Begrenzungselement)封闭；并具有至少一个用于第二流体的第二流路，它至少部分地由至少一个第二边界元件封闭。在第一流体和第二流体之间发生热量交换。
另外，根据本发明所述的热交换器具有一个第一扩流室，它布置在第一流路的前面，并与至少一个第一连接管接通，而第一流体则通过这个连接管流入到第一扩流室中。第一扩流室至少部分地由至少一个第三边界元件封闭。此外，本发明设置了一个第二扩流室，它布置在第一流路的后面，并至少部分地由至少一个第四边界元件封闭，在这里，它与至少一个第二连接管连通，而第一流体则通过这个连接管从扩流室中流出。
一个第三连接管和一个第四连接管与第二流路连通，并且第二流体通过它们进入到第二流路中或从第二流路排出。
另外，根据本发明所述的热交换器在第一流路的进口侧和出口侧具有一个分隔元件，它基本上阻止第一流体进入到第二流路中或第二流体进入到第一流路中，在这里，分隔元件与第一和第二边界元件形成密封连接。第三边界元件与第一或第二边界元件或分隔元件形成密封连接。
在本发明中，密封连接是一种材料结合(stoffschlüssige)的连接，其中，在构成材料结合的连接的材料基本上直接暴露在第一流体中的情况下，该连接至少由第一连接材料构成，并且，在构成材料结合的连接的材料没有或间接地暴露在第一流体中的情况下，该连接至少由第二连接材料构成，在这里，第一和第二连接材料的成分各不相同。
在构成材料结合的连接的材料基本上直接暴露在第一流体中的情况下，连接是指在这种连接中，第一流体直接加载在连接材料上，特别是第一流体直接冲击连接材料或直接掠过连接材料。
在根据本发明所述的热交换器中，可以根据各具体情况、特别是各连接所需的强度、弹性、温度、抗氧化性和/或耐腐蚀性采用各材料结合的连接中的连接材料。在那些对上述要求不是特别高的热交换器的部分区域，可以使用成本较低的连接材料，而热交换器上对腐蚀、氧化、温度、强度和/或弹性要求较高的区域的连接，则可使用能满足这些要求的连接材料。具有优点的是，使用Cu钎料可以使待连接的部件之间的钎焊缝较大，也就是说，待连接的部件的制造公差范围可以更大。
在本发明的一个优选实施形式中，第四边界元件与第一和/或第二边界元件或另一个分隔元件密封连接，其中，连接优选地使用第一或第二连接材料。
如果第四边界元件与第一或第二边界元件或另一个分隔元件之间的连接采用以下方式的材料结合的连接，即构成材料结合的连接的材料没有或间接地暴露在第一流体中，例如，只是间接地通过扩流、紊流等等而暴露在第一流体中，那么按照本发明，第四边界元件与第一或第二边界元件或另一个分隔元件之间的连接则可以使用第二连接材料，因为在这种情况下，连接材料不必承受较大的负荷。
特别优选的是，第一和/或第二边界元件基本上将第一或第二流路相对于外界环境或其它的流路封闭，这样就可以在边界元件区域防止第一流体进入到第二流路中或第二流体进入到第一流路中，特别是防止第一或第二流体从热交换器中泄漏出来。
通过这种方式可以将本发明所述的热交换装置用于以下布置中，即第一和/或第二流路中的压力高于外界环境。
在一个优选的实施形式中，第一边界元件的主延伸方向与第二边界元件的主延伸方向基本平行。特别优选的是，第一边界元件至少部分地布置在第二边界元件之中。
在另一个实施形式中，第一边界元件至少部分地布置在第二边界元件之中，而第一边界元件的主延伸方向、特别是第一流体的流向，与第二边界元件的主延伸方向、特别是第二流体的流向不平行。
第一边界元件中的第一流体的流向优选地至少部分地平行于或反向平行于第二边界元件中的第二流体的流向。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，第一和/或第二边界元件是一个管，它特别优选地至少部分地具有一个基本为矩形、正方形、圆形或椭圆形的横断面，其中，第二边界元件的横断面大于、优选为数倍大于第一边界元件的横断面。
分隔元件优选为一个管板，它带有可被第一边界元件插入的开口。管板上开口的横断面和第一边界元件的横断面基本相同，这样，分隔元件优选地将第一边界元件的一个端部区域基本上形状配合地包围。
分隔元件优选地被第二边界元件的一个部分基本上形状配合地包围，特别优选地被第二边界元件的一个端部区域包围。在另一个实施形式中，分隔元件的端面紧贴在第二元件上。在另一个实施形式中，分隔元件将第二元件的端部基本上形状配合地包围。
在本发明的一个实施形式中，第三边界元件和/或第四边界元件分别与第一或第二连接管密封连接，特别是形成材料结合的连接。在第三或第四边界元件与第一或第二连接管的形状配合的连接中，构成形状配合连接的材料优选为第一或第二连接材料。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，第二边界元件与第三或第四连接管密封连接，特别是由第二连接材料构成材料结合的连接。出发点在于，在第三和第四连接管与第二边界元件之间构成材料结合的连接的材料没有直接被第二流体加载，在这里，所选用的第二连接材料，可以基本上不受可能出现的第二流体的氧化或腐蚀作用的影响。
第一流体的温度优选地高于第二流体，其中，第一流体优选为一种气体，特别是燃烧过程中产生的废气，特别优选为汽车发动机的废气。第一流体在热交换器进口的温度优选地高于第二流体在热交换器进口的温度，优选地比第二流体的温度高出100℃到1000℃，特别优选地比第二流体的温度高出300℃到900℃，最好比第二流体的温度高出500℃到800℃。
第二流体优选一种液体，特别为一种制冷剂，尤其优选为冷却水，最好是汽车冷却回路中的冷却水。
特别优选的是，第一连接材料的耐腐蚀性、抗氧化性和/或耐热性高于第二连接材料的耐腐蚀性、抗氧化性和/或耐热性。特别是第一连接材料的耐湿性、硫化物、碳化物以及它们的酸类的特性高于第二连接材料。
按照本发明，热交换器的材料结合的连接优选为由钎焊、硬钎焊、特别是高温钎焊形成的连接。第一连接材料从下列材料中选择，即镍钎料(Ni钎料)、金钎料(Au钎料)、钴钎料(Co钎料)等等，特别是其它含有镍(Ni)、银(Ag)、金(Au)或钴(Co)等金属合金的钎料，在这里，这些金属构成了各合金的主要成分。
一个特别优选的镍钎料中除了作为主要成分的镍之外，还含有重量百分比为0-25％的铬、重量百分比为0-10％的硅、重量百分比为0-85％的硼、重量百分比为0-11％的磷等次要成分。其它的镍钎料还含有重量百分比为0-4.5％的铁和重量百分比为0-16％的钨。镍钎料特别优选为钎料Ni102、Ni105或Ni107。
一个特别优选的金钎料由重量百分比为100％的金构成，特别是在钎料层通过化学方法涂覆的情况下。其它的金钎料还有重量百分比最大为20的镍。
第二连接材料从下列材料中选择，即铜钎料(Cu钎料)、银钎料(Ag钎料)、黄铜钎料等等，特别是其它含有铜(Cu)、锌(Cn)、或银(Ag)等金属合金的钎料，在这里，这些金属构成了各合金的主要成分。
一个特别优选的铜钎料由重量百分比为100％的铜构成，在这里也可优选地使用含有重量百分比最大为3％的镍的铜钎料。其它的铜钎料含有重量百分比最大为15％的镍和/或重量百分比最大为47％的锌和/或重量百分比最大为17％的锡和/或重量百分比最大为13％的磷。这种钎料也被称为黄铜钎料。
根据本发明所述的热交换装置的制作方法通过以下方式实现本发明的目的，即边界元件和分隔元件(部件)相互之间在一个单一的接合工序中形成材料结合的连接。
在这个接合工艺中，采用第一连接材料所形成的材料结合的连接和采用第二连接材料所形成的材料结合的连接在一个单一的接合工序中完成，在这里，选用的接合工艺参数应使部件的连接牢固稳定。
按照本发明，各元件即分隔元件和/或至少一个边界元件的至少部分区域在接合工序前涂上第一和/或第二连接材料，特别是将连接材料涂覆到部件的接触区域，即分隔元件和边界元件和(必要时)连接管的接触区域上。
连接材料的涂覆优选地通过连接材料的涂刷、滚刷或喷涂等方式进行，特别是先涂上一层粘接剂，然后再涂上钎料粉末、钎料膏、钎料膜或钎料带，或者通过电镀涂覆连接材料，或者通过热喷涂工艺涂覆连接材料。
在构成材料结合的连接的材料直接暴露在第一流体中的热交换器上，连接区域上涂有第一连接材料，而在构成材料结合的连接的材料没有或间接暴露在第一流体中的热交换器上，连接区域上涂有第二连接材料。
在接合工序前，涂有连接材料的部件相互之间先形成传递力和/或形状配合的连接，使它们的布置与接合后的热交换器的部件的布置基本相同。接着，相互间形成传递力和/或形状配合的连接的部件进入到接合工序中。
在接合工序期间，涂有连接材料的部件、特别是分隔元件和边界元件，在一个规定的时间范围内处于范围为900℃到1300℃、优选为1000℃到1200℃、特别优选为1050℃到1150℃的温度下。这样，在接合工序期间，涂覆在热交换器元件上的连接材料就以下列方式发生变化，即连接材料溶化，使部件相互之间形成密封的材料结合的连接。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，接合工序在保护气氛下进行，其中，保护气体可以为氢气(H2)、氮气(N2)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)等等，以及上述气体的任意组合。
在接合工序期间，保护气氛可以防止连接材料和/或部件的表面或结构发生不良变化，例如氧化，这样就可以保证连接的质量，特别是连接的强度和耐久性。
在根据本发明所述的热交换器的制作方法中，接合工序优选为连续的，也就是说，相互间形成传递力和/或形状配合的连接的部件在一个连续式炉、步进式炉等中进行加热。通过这种方式，在根据本发明的热交换器的制作工序中，就可以避免出现在真空炉中由于高温钎焊工序时间长而导致的延误。特别是在连续式炉中的接合工序期间使用保护气体，将会对这种连续的接合工序产生正面影响。
下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。其中，图1为根据本发明的热交换器的爆炸图，图2为根据本发明的热交换器的另一个实施形式的侧视图，图3为图2中所示热交换器的断面图。
具体实施例方式
图1到3中是根据本发明的热交换器，特别是用于汽车的废气热交换器。
该热交换器具有被热废气穿流的第一边界元件1和一个被冷却液穿流的第二边界元件2。第一边界元件1基本上与第二边界元件2的主延伸方向平行(图中未示)，并布置在第二边界元件2之内。在图1和2所示的热交换器中，废气从右边进入到第一边界元件中，并向左或向上排出。
分隔元件3基本上与第二边界元件2的主延伸方向成正交布置。分隔元件3在前端部区域与第二边界元件2密封连接，在这里，密封连接由第一或第二连接材料所构成的材料结合的连接10形成。
分隔元件3带有开口，开口大小与第一边界元件1的横断面基本上相同，各第一边界元件1则插入到这些开口中，从而使各边界元件的端部被分隔元件3基本上形状配合地包围。第一边界元件1的端部区域与分隔元件3密封连接，在这里，密封连接由材料结合的连接11形成，由于材料结合的连接11处于废气的高温和废气冷凝物的腐蚀作用下，所以它使用了第一连接材料。
图中所示的热交换器，与分隔元件3相对的、在第二边界元件2的后端部具有另一个分隔元件(图中未示)，在这里，与前部区域相似，另一个分隔元件优选地被第二边界元件2的端部区域基本上形状配合地包围，并与它通过材料结合的连接形成密封连接。与热交换器的前部区域相似，第一边界元件1和另一个分隔元件在第一边界元件1的后端部区域密封连接，另一个分隔元件(图中未示)也是将第一边界元件基本上形状配合地包围。
图1和2中所示的热交换器的后部区域具有一个第四边界元件5。在第四边界元件5和第二边界元件2之间为由材料结合的连接12形成的密封连接。
根据在第一边界元件1中穿流的废气对各分隔元件、边界元件和各连接管之间的材料结合的连接中的连接材料的腐蚀和/或氧化作用的强弱，并在必要时根据材料结合的连接中的连接材料对废气冷凝物的耐抗程度，可以决定材料结合的连接是由第一和/或第二连接材料形成。
在第四边界元件5和第二边界元件2之间的材料结合的连接12区域，构成材料结合的连接的连接材料暴露在已冷却的废气中，这样密封连接就可由第二连接材料形成。但由于废气冷凝物的腐蚀作用可能仍然存在，所以也可优选使用第一连接材料。
图1中，第三边界元件4从第二边界元件2上分离出来。第三边界元件4与第二边界元件2的端部区域基本上形状配合地接触，在这里，它与第二边界元件2通过接合工序形成材料结合地密封连接。根据第三边界元件4和第二边界元件2之间连接区域的构成材料结合的连接的连接材料对废气的耐抗程度，第三边界元件4和第二边界元件2之间的材料结合的连接12可由第一或第二连接材料形成。
第三边界元件4以及第四边界元件5与第一和第二连接管6、7密封连接。第一和第二连接管6、7和第三或第四边界元件4、5之间的密封连接是材料结合的连接13或14。材料结合的连接13和14可以是焊接或钎接，其中，出于成本考虑和连接间接暴露在第一流体中的原因，钎接优选使用第二连接材料。
第二边界元件2在它的后下部区域和前上部区域具有第三和第四连接管8或9，它们与第二边界元件2密封连接。连接管8、9和第二边界元件2之间的密封连接是材料结合的连接15、16，其中，构成材料结合的连接的连接材料是第二连接材料，因为它没有暴露在废气流中，而且对连接区域15、16中的连接材料的耐腐蚀性或抗氧化性的要求不是很高。
在热交换器中穿流的废气通过与第三边界元件4连接的连接管6，进入到由第三边界元件形成的第一扩流室中，并通过形状为矩形管的第一边界元件1从扩流室排出。废气沿第一流路在第一边界元件1中穿流，到达热交换器的后部区域并进入到由第四边界元件5构成的第二扩流室中，并从那里经第二连接管7排出。
冷却液沿着至少部分地与废气流动方向平行或反向平行的流向在图中所示的热交换器中穿流。
在冷却液沿着与废气平行的方向流动的情况中，冷却液穿过与第二边界元件2接通的第四连接管9，进入到由第二边界元件形成的第二流路中，并通过第三连接管8从第二流路排出。
在冷却液沿着与废气反向平行的方向流动的情况中，冷却液穿过第三连接管8进入到第二流路中。在冷却液通过第二流路从废气中吸收热量后，在热交换器的前部区域通过与第二边界元件2接通的第四连接管9，从第二流路中排出。
权利要求
1.用于汽车的热交换装置，具有a)至少一个用于第一流体的第一流路，它至少部分地由至少一个第一边界元件(1)封闭；b)至少一个用于第二流体的第二流路，它至少部分地由至少一个第二边界元件(2)封闭；c)至少一个第一扩流室，它至少部分地由至少一个第三边界元件(4)封闭，并接在第一流路的前面，其中，第一扩流室与至少一个第一连接管(6)连通，而第一流体则通过这个连接管流入到第一扩流室中；d)至少一个第二扩流室，它至少部分地由至少一个第四边界元件(5)封闭，并接在第一流路的后面，其中，第二扩流室与至少一个第二连接管(7)连通，而第一流体则通过这个连接管从这个扩流室中流出；e)至少一个第三连接管和一个第四连接管(8、9)，它们与第二流路连通，并且第二流体通过它们进入到第二流路中或从第二流路排出；f)至少一个分隔元件(3)，它阻止第一流体进入到第二流路中或第二流体进入到第一流路中；g)所述分隔元件(3)与第一和第二边界元件(1、2)形成密封连接(10、11)，并且，第三边界元件(4)与第一或第二边界元件(2)和/或分隔元件(3)形成密封连接；h)所述第一和第二流体之间发生热量交换，其特征在于，密封连接(10、11)是材料结合的连接，其中，在构成材料结合的连接的材料直接暴露在第一流体中的情况下，该连接至少由第一连接材料构成，并且，在构成材料结合的连接的材料没有或间接地暴露在第一流体中的情况下，该连接至少由第二连接材料构成，并且，第一和第二连接材料的成分各不相同。
2.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，第四边界元件(5)与第一或第二边界元件(2)和/或另一个分隔元件密封连接。
3.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第一和/或第二边界元件将第一或第二流路相对于外界环境封闭。
4.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第一边界元件(1)的主延伸方向与第二边界元件(2)的主延伸方向基本平行。
5.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第一边界元件(1)至少部分地布置在第二边界元件(2)之中，特别是在第二流路之中。
6.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，分隔元件(3)是一个管板，第一和第二边界元件(1、2)分别是一个管。
7.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第一边界元件(1)至少在部分区域被分隔元件(3)包围，优选地在端部区域被它包围。
8.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，分隔元件(3)至少被第二边界元件(2)的一个部分包围，优选地被第二边界元件(2)的一个端部区域包围或者端面紧贴在第二边界元件上，或者分隔元件(3)至少将第二边界元件(2)的一个部分包围，优选地将第二边界元件(2)的一个端部区域包围。
9.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第三边界元件(4)和/或第四边界元件(5)与第一或第二连接管(6、7)形成密封连接，特别是材料结合的连接。
10.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第三和/或第四连接管(8、9)利用第二连接材料与第二边界元件(2)之间形成密封连接(15、16)。
11.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第一流体的温度高于第二流体。
12.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第一流体是一种气体，特别是燃烧过程中产生的废气。
13.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第二流体是一种液体，优选为制冷剂，最好为冷却水。
14.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第一连接材料的耐腐性和/或耐氧化性高于第二连接材料。
15.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，材料结合的连接通过钎焊形成，优选通过硬钎焊形成，最好是通过高温钎焊形成。
16.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第一连接材料从下列材料中选择镍钎料、金钎料、钴钎料，特别是其它含有镍、银、金或钴的金属合金的钎料，其中，这些金属构成了各合金的主要成分。
17.根据前面的权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，第二连接材料从下列材料中选择铜钎料、银钎料、黄铜钎料，特别是其它含有铜、锌、或银的金属合金的钎料，其中，这些金属构成了各合金的主要成分。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的热交换装置的制作方法，其特征在于，a)热交换器的部件，包括分隔元件(3)、边界元件(1、2、4、5)以及连接管(6、7、8、9)相互之间在一个单一的接合工序中形成材料结合的连接；b)所述分隔元件(3)和/或至少一个边界元件(1、2、4、5)在接合工序前至少在部分区域涂有第一和/或第二连接材料；c)并且，分隔元件(3)和边界元件(1、2、4、5)以及连接管(6、7、8、9)在接合工序前形成形状配合和/或传递力的连接，然后再进入接合工序。
19.根据权利要求18所述的热交换装置的制作方法，其特征在于，在接合工序期间，分隔元件和边界元件在一个规定的时间范围内处于900℃到1300℃、优选为1000℃到1200℃、最佳为1050℃到1150℃的温度范围下。
20.根据权利要求18或19所述的热交换装置的制作方法，其特征在于，热交换装置通过一个输送机构穿过至少一个被加热的区域以进入到接合工序中。
21.根据权利要求18到20中任一项所述的热交换装置的制作方法，其特征在于，接合工序在保护气氛下进行，其中，保护气体为H2、N2、Ar、Kr、Xe以及上述气体的任意组合。
全文摘要
本发明涉及一种热交换装置，它具有至少一个用于第一流体的第一流路和至少一个用于第二流体的第二流路。该热交换装置的各元件之间由材料结合的连接(10、11)而密封连接。那些构成材料结合的连接的材料直接暴露在第一流体中时，该连接由第一连接材料构成；而那些构成材料结合的连接的材料没有或间接地暴露在第一流体中的情况下，该连接由第二连接材料构成。该第一和第二连接材料的成分各不相同。
文档编号F28F9/02GK1882817SQ200480033618
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月10日 优先权日2003年11月14日
发明者汉斯-海因里希·安格曼 申请人:贝洱两合公司