专利名称：硬钎焊结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及硬钎焊结构(brazed structure)及其制造方法，其例如被用于热交换器的总箱(header tank)和管之间的连接部分。
背景技术：
例如，日本未审查专利出版物2002-286395(US6,736,197)中公开了一种热交换器，其中管的纵向端连接至总箱。在这种热交换器中，所述总箱通常由箱体和制有管孔的集管板(header plate)构成。所述管的纵向端插入在所述管孔中并硬钎焊至所述集管板。所述管和所述总箱例如由铝制成。
通常，硬钎焊的质量决定于硬钎焊材料是否能通过毛细管作用很好地吸入至连接部分之间的接合处的间隙中。如图7和下面的公式1所示，已知毛细管通常与硬钎焊材料BM的密度ρ和接合处的间隙d成反比。在公式1中，h表示硬钎焊材料BM通过毛细管作用的吸入高度，γ表示硬钎焊材料BM的表面张力，g表示重力加速度。
h＝2γ/dρg为了改善硬钎焊的质量，需要尽可能地减小所述间隙。如果具有高密度的材料被选择用于热交换器的材料，对于所述硬钎焊材料的密度增加，需要进一步减小所述接合处的间隙。这样，需要零件的尺寸精度。但是，在加工零件时尺寸精度是受到限制的。
另外，例如还提出了在所述管插入至所述集管板的管孔中之后机械地扩张所述管，以减小所述管端与管孔之间的间隙。但是，如果所述管有具有高弹性系数的材料(例如铜)制成，则管很不容易变形并可能导致回弹(spring back)。因此，很难减小所述间隙。
发明内容
考虑到上述问题而作出本发明，本发明的一个目的是提供一种具有改善的硬钎焊质量的硬钎焊结构及其制造方法，而不精确地设定硬钎焊部分之间的初始间隙。
根据本发明的一个方面，一种硬钎焊结构，具有第一元件，所述第一元件具有由凹陷部分和孔其中之一限定的第一部分；和第二元件，所述第二元件具有用铜焊材料硬钎焊至第一元件的第一部分的第二部分。所述第一元件的热膨胀系数小于第二元件的热膨胀系数。
在硬钎焊过程中，第二元件比第二元件更大地膨胀。因此，第二部分在硬钎焊过程中相对地变得靠近第一元件的第一部分。即，在第一部分和第二部分之间限定的初始间隙通过第一元件和第二元件之间的热膨胀系数的差异而减小。因此，硬钎焊的质量改善，且不需要精确地设定硬钎焊部分之间的初始间隙。
通过结合附图的详细说明，本发明的其他目的、特征和优点将变得更为明显，其中相同的部分由相同的附图标记表示，其中图1是根据本发明第一示例性实施例的中间冷却器的正视图；图2是沿图1中线II-II所取的中间冷却器的横截面视图；图3A是由图1中的线III表示的中间冷却器的部分的横截面视图；图3B是根据第一示例性实施例的中间冷却器的部分的横截面视图，用于显示中间冷却器的集管板上的涂敷层；图4是沿图3中线IV-IV所取的中间冷却器的横截面视图；图5是作为图1所示第一示例性实施例的修改的中间冷却器的横截面视图；图6是根据本发明第二示例性实施例的中间冷却器的管的横截面视图；图7是用于解释硬钎焊材料的毛细管作用的模型的示例性图示。
具体实施例方式
现在将参照附图1-4说明本发明的第一示例性实施例。在第一示例性实施例中，本发明的硬钎焊结构例如被用于气冷型中间冷却器100的基底部分(连接部分)101。
中间冷却器100是一种热交换器，用于在将被吸入车辆发动机用于燃烧的进气与用于冷却所述进气的外部冷却空气之间进行热交换。中间冷却器100具有芯体部分110和一对总箱120。中间冷却器100是大型热交换器并例如用于安装在例如卡车的大型车辆上。将在下面进行说明的中间冷却器100的各个部分由诸如铜、铜合金或铁等材料制成以具有足够的导热性和耐用性。
另外，各个部分之间的连接部分通过硬钎焊或者焊接连接。例如，含有75％铜、15％锡、5％镍和5％磷并具有在低熔点的溶解的铜焊材料被用作硬钎焊材料。
在芯体部分110中，管111外散热片112交替层叠并且侧板113沿层叠方向设置在芯体部分110的最外端。另外，内散热片114插入在管111内部。
管(第二元件)111是扁平管道件，进气通过所述扁平管道件流动。管111具有大体矩形横截面，从而尽可能大地增加进气的流动面积并减小进气的流阻。管111例如通过接合两个管板而形成。
此处，管111由含有15％锌和0.8％铁的铜合金制成。所述铜合金具有19×10-6m/K的线性膨胀(热膨胀)系数。
插入在管111中的内散热片114由纯铜板制成并成波状以扰乱进气的流动，从而改善进气的导热性。由于管111具有矩形横截面，内散热片114通过有效利用管111中的空间容纳在管111中。
类似地，外散热片112由纯铜板制成并成波状。另外，波状外散热片112的扁平部分被切割以具有倾斜件112a作为百叶窗部分。因此，冷却空气的热辐射面积通过百叶窗部分112a而增加。另外，百叶窗部分112a对冷却空气提供湍流作用以增强冷却空气与进气之间的热交换。
侧板113由黄铜制成并且作为加强件。每个侧板113沿管111的纵向延伸。侧板113具有大体U形的横截面。并且，侧板113在所述U形的大体中部具有沿侧板113的纵向延伸的肋。
每个管111通过硬钎焊两个管板而形成。膏状硬钎焊材料(硬钎焊材料和粘合剂的混合物)在进行硬钎焊之前施加在管板的两个表面上。另外，外散热片112和内散热片114用施加在所述管板上的硬钎焊材料硬钎焊至管111。
另外，在进行硬钎焊之前，所述膏状硬钎焊材料施加在面对最外面的外散热片112的侧板113的表面上。因此，侧板113用硬钎焊材料硬钎焊至最外面的外散热片112。
箔材硬钎焊材料可以被用于代替膏状硬钎焊材料。在这种情况下，箔材硬钎焊材料插入在各个连接部分之间，例如在管111与外散热片112之间，管与内散热片114之间以及侧板113与外散热片112之间。
管111的纵向端连接至总箱120以与总箱120的腔相联通。每个总箱120沿垂直于管111的纵向的方向延伸。总箱120由集管板121、箱体122和管道123构成。
如图4所示，集管板(第一元件)121具有大体U形的横截面，并包括纵向板部分和从所述板部分的纵向边缘延伸的侧面部分121b。并且，所述板部分形成以穹顶形朝管111延伸的延伸部分121c。
另外，集管板121的板部分在对应于管端111a的位置上形成管孔121a。每个管孔121a具有略微大于管111的横截面积(外部尺寸)的孔大小(内部尺寸)并且管孔121a在管111的侧面上的周边被倒角，从而管111很容易被插入至管孔121a中。
集管板121由铁材料(例如不锈钢或者钢)制成。围绕管孔121a并且除了侧面部分121b的集管板121的两个表面被涂敷或者覆盖纯铜，如图3B所示。集管板121的铁材料具有12×10-6m/K的线性膨胀(热膨胀)系数。即，集管板121具有小于管111的线性膨胀系数。
在管端111a插入在管孔121a的条件下，膏状硬钎焊材料(硬钎焊材料、焊剂和粘合剂的混合物)时间在管端111a与管孔121a之间的连接部分上。因此，管111和集管板121在它们之间的接触部分101a通过硬钎焊材料进行硬钎焊。硬钎焊的接触部分101a对应于基底部分101。另外，侧板113的纵向端通过施加在侧板113和集管板121之间的接触部分101a上的硬钎焊材料被硬钎焊至集管板121。
箱体122由铁材料制成，与集管板121的材料相同。箱体122具有在一侧具有开口的半管状外形。集管板121接合至箱体122的开口。集管板121的侧面部分121b被焊接至箱体122的开口的边缘。因此，形成了在其中限定腔的总箱120。
管道123由铁材料制成。管道123被焊接至箱体122的纵向端，从而管道123中的管道空间与总箱120的腔相联通。
在图1中，通过管道123流入一个总箱(右箱)120的进气被分送至管111。通过管111的进气被收集在剩下的总箱(左箱)120中，随后通过管道123排放至外部设备。
随后，将简要说明中间冷却器100的制造方法。首先，用于管111的管板、侧板113和集管板121通过压制而形成。并且，外散热片112和内散热片114通过使用压辊而成形。
随后，膏状硬钎焊材料施加在管板的两个表面上以及每个侧板113的一个表面上。然后，通过使用分层夹具(未示出)作为引导器，装配芯体部分110。例如，侧板113之一放置在底部。在侧板113上，预定数量的外散热片112、管板111、内散热片114和管板111按照上面的顺序重复交替层叠。另外，剩下的侧板设置在最上面的外散热片112上。在此装配件中，其中插入有内散热片114的管111通过在管板之间层叠内散热片114而形成。
随后，管端111a插入至集管板121的管孔121a并且含有硬钎焊材料、焊剂和粘合剂的膏状硬钎焊材料被施加在管端111a和管孔121a之间的连接部分上。在管端111a插入至管孔121b的条件下，在管端111a和管孔121a的内壁之间限定了预定间隙D(初始间隙)。所述预定间隙D由管端111a和管孔121a的最初尺寸限定。初始间隙D例如是0.15mm。并且，如果需要的话，另一个夹具(例如线)可以被用于保持芯体部分110。
然后，从装配的芯体部分110除去油脂。随后，装配的芯体部分110设置在加热炉中。芯体部分110在例如625℃的硬钎焊温度一体地硬钎焊。
然后，管道123被焊接至由压制制成的箱体122。另外，箱体122的开口的边缘焊接至集管板121的侧面部分121b。因此，箱体122和集管板121被连接。
随后，对中间冷却器100进行预定检查，例如用于检查硬钎焊和焊接质量的泄漏检查和尺寸检查。这样，制造出中间冷却器100。
在第一示例性实施例中，由于管111与集管板121之间的线性膨胀系数差异，在硬钎焊过程中，管111比集管板121膨胀更大。尤其地，在基底部分101，管111沿着减小管端111a和管孔121a之间的初始间隙D(例如0.15mm)的方向膨胀。
例如，从25℃的常温至625℃的硬钎焊温度，间隙D随着温度的变化的变化量(ΔD)如下计算ΔD＝0.15-(19-12)×10-6×56/2×(625-25)＝0.03。
此处，值56是管111的宽度L。
因此，初始间隙D通过管111和集管板121之间的热膨胀系数的差异而减小。因此，硬钎焊的质量得到改善，无需精确地设置初始间隙D。
在上述条件下制造的中间冷却器100在基底部分101切割并且硬钎焊的质量在基底部分101的横截面检查。在基底部分101的横截面，硬钎焊后的间隙D是0.05mm，并充分地填充有硬钎焊材料。
另外，上述硬钎焊的质量与对比热交换器的质量进行对比，所述对比热交换器利用由线性膨胀系数10×10-6m/K的铜合金制成的管和由线性膨胀系数21×10-6m/K的黄铜制成的集管板制造。在对比热交换器中，具有管孔的集管板比所述管膨胀得更多。因此，硬钎焊之后管与管孔之间的间隙D是0.25mm，并没有充分地填充有硬钎焊材料。
在第一示例性实施例中，管111和集管板121由不同的材料(例如铜合金和铁材料)制成，并且集管板121事先涂敷有与管111的材料相似的材料(例如纯铜)。因此，用于选择管111和集管板121的材料以具有不同线性膨胀系数的灵活性提高。另外，由于与管111相似的材料用作硬钎焊材料，管111和集管板121容易并充分地硬钎焊，硬钎焊材料扩散至涂层中。
在例如中间冷却器100的热交换器中，在基底部分101处的硬钎焊质量对于保持气密性非常重要。通过采用本发明的用于中间冷却器100的基底部分101的硬钎焊结构，在基底部分101处的硬钎焊质量得到改善。
并且，内散热片114插入在管111中而没有机械地膨胀管111。如果内散热片114插入在管111中而且机械地膨胀管111，其很可能从管111的内壁分开。在第一示例性实施例，内散热片114夹在管板之间并且一体地硬钎焊。因此，内散热片114充分地硬钎焊至管111。
如图5所示，集管板121可以在管孔121a的周边具有去毛刺部分121d，从而集管板121与管111之间的硬钎焊区域增加。在这种情况下，由于形成去毛刺部分121d的情况，可以除去膨胀部分121c。
将参照附图6说明本发明的第二示例性实施例。在第二实施例中，本发明的硬钎焊结构被用于中间冷却器100的管111。
管111由第一管元件(第一元件)111A和第二管元件(第二元件)111B构成，如图6所示。管元件111A和111B的每一个具有大体U形横截面并通过弯曲板而制成。在所述横截面的U形中，弯曲侧面部分之间的中间部分具有大于每个侧面部分的长度的宽度。第一管元件111A在所述U形内形成凹陷部分。第一管元件111A和第二管元件111B在第二管元件111B的侧面部分设置在由第一管元件111A的侧面部分限定的所述凹陷部分中的条件下进行硬钎焊。
第一管元件111A由铁材料制成，并且第一管元件111A的两个表面在硬钎焊至第二管元件111B之前都涂敷或者覆盖纯铜。第一管元件111A具有12×10-6m/K的线性膨胀(热膨胀)系数。第二管元件111B由包含15％锌和0.8％铁的铜合金制成，与第一示例性实施例的管111相似。第二管元件111B具有19×10-6m/K的线性膨胀(热膨胀)系数。因此，第一管元件111A具有小于第二管元件111B的热膨胀系数。
在第二示例性实施例中，管111的连接部分提供与第一示例性实施例的管111和集管板121之间的连接部分相同的效果。即，在硬钎焊过程中，由于第一管元件111A和第二管元件111B的线性膨胀系数之间的差异，第二管元件111B比第一管元件111A膨胀得更多。因此，在第一管元件111A和第二管元件111B之间限定的初始间隙D1(例如0.15mm)减小。
例如，在硬钎焊过程中，从常温(例如25℃)至硬钎焊温度(例如625℃)，间隙D1随着温度变化的变化量(ΔD1)如下计算ΔD1＝0.15-(19-12)×10-6×60/2×(625-25)＝0.024。
此处，值60是管111的宽度L1。
因此，第一管元件111A和第二管元件111B之间的初始间隙D通过第一管元件111A和第二管元件111B之间的热膨胀系数的差异而减小。因此，硬钎焊的质量得到改善，无需精确地设置初始间隙D1。
在第二示例性实施例中，第一管元件111A和第二管元件111B由不同的材料(例如铁材料和铜合金)制成，第一管元件111A事先涂敷有与第二管元件111B的材料相似的材料(例如纯铜)。因此，用于选择第一管元件111A和第二管元件111B的材料以具有不同线性膨胀系数的灵活性提高。
另外，由于与第二管元件111B相似的材料(例如铜焊材料)用作硬钎焊材料，第一管元件111A和第二管元件111B容易进行硬钎焊，所述硬钎焊材料扩散至第一管元件111A上的涂层中。另外，通过第一管元件111A和第二管元件111B之间的热膨胀系数差异，内散热片114充分地硬钎焊至管111的内壁。
本发明的硬钎焊结构被用于中间冷却器100的管板111A、111B之间的连接部分。因此，对于保持热交换器中的气密性很重要的硬钎焊的质量改善。
上述第一和第二示例性实施例可以如下修改。
在第一示例性实施例中，集管板(第一元件)121具有小于管(第二元件)111的线性膨胀系数。在第二示例性实施例中，第一管元件(第一元件)111A具有小于第二管元件(第二元件)111B的线性膨胀系数。作为对第一示例性实施例的修改，集管板121可以由纯铜制成，而不是铁材料。在这些情况下，不需要用铜涂敷集管板121和第一管元件111A的表面，因为元件121和111A用铜焊材料进行了硬钎焊。
在上述第一和第二示例性实施例中，中间冷却器100主要由铜或者铜合金制成。作为选择，本发明的硬钎焊结构可以被用于由其他材料制成的另外的热交换器。
在上述第一和第二示例性实施例中，本发明的硬钎焊材料被施加于集管板121和管111之间的基底部分101以及管板元件111A和111B之间的连接部分。另外，本发明的硬钎焊结构可以被应用于形成管孔的板形外散热片(第一元件)和插入所述管孔的管(第二元件)之间的连接部分。在这种情况下，所述外散热片具有小于管的线性膨胀系数。
另外，本发明的硬钎焊结构可以被用于将另外的元件(例如固定件)(第二元件)固定至总箱(第一元件)120。在这种情况下，凹陷部分形成在总箱120的表面并且所述固定件部分插入至所述凹陷部分并硬钎焊在其中。此处，总箱120具有小于所述固定件的线性膨胀系数。
另外，本发明的硬钎焊结构可以被用于壳管式热交换器的主体中。例如，管道元件(第二元件)的末端插入至由在盖件(第一元件)的周边形成的上升边限定的凹陷部分中。在这种情况下，所述盖件具有小于所述管道元件的线性膨胀系数。
并且，本发明所应用的热交换器不限于中间冷却器100。本发明的硬钎焊结构可以被用于其他热交换器，例如散热器或者冷凝器。
并且，本发明的硬钎焊结构的应用不限于热交换器。所述硬钎焊结构可以用于热交换器之外的其他装置，只要所述第一元件具有凹陷部分或者孔并且第二元件插入至所述凹陷部分或者孔中并硬钎焊在其中。
在第一示例性实施例中，管111由铜合金制成。作为选择，管111可以由纯铜制成。类似地，第二示例性实施例的第二管元件111B可以由纯铜而不是铜合金制成。
在第一示例性实施例中，由铁材料制成的集管板121的硬钎焊部分在硬钎焊之前涂敷有纯铜，因此其硬钎焊至管111，铜焊材料扩散至涂层中。代替纯铜，集管板121可以涂敷镍。类似地，第二示例性实施例的第一管元件111A可以涂敷镍而不是纯铜。
虽然通过上面的示例性实施例说明了本发明，但本发明不限于上述示例性实施例，只要不背离本发明的原理，本发明可以按照多种方式进行修改。
权利要求
1.一种硬钎焊结构，包括第一元件(121，111A)，其具有由凹陷部分和孔(121a)其中之一限定的第一部分；和第二元件(111，111B)，其具有用铜焊材料硬钎焊至所述第一部分的第二部分，其中所述第一元件(121，111A)具有小于第二元件(111，111B)的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的硬钎焊结构，其中，所述第一元件(121，111A)和第二元件(111，111B)由不同材料制成，并且所述第一元件(121，111A)和第二元件(111，111B)其中之一具有由通过所述铜焊材料的扩散硬钎焊至所述第一元件(121，111A)和第二元件(111，111B)其中另外一个的材料制成的涂层。
3.根据权利要求2所述的硬钎焊结构，其中所述涂层的材料包括铜和镍其中之一。
4.根据权利要求1或2所述的硬钎焊结构，其中，所述第一元件(121，111A)和第二元件(111，111B)被包括在热交换器(100)的元件中，所述热交换器(100)在其中流动的内部流体与在其外流动的外部流体之间进行热交换。
5.根据权利要求4所述的硬钎焊结构，其中，所述第一元件(121)被包括在热交换器(100)的总箱(120)中，所述内部流体在所述总箱(120)中流动，所述总箱(120)形成孔(121a)作为所述第一部分，所述第二元件(111)是热交换器(100)的管(111)，所述内部流体在所述管(111)中流动，所述管(111)具有硬钎焊在总箱(120)的孔(121a)中的管端(111a)作为所述第二部分。
6.根据权利要求5所述的硬钎焊结构，其中，所述管(111)封闭内散热片(114)。
7.根据权利要求4所述的硬钎焊结构，其中，所述第一元件(121，111A)和第二元件(111，111B)分别由铜和铜合金其中之一制成。
8.根据权利要求4-6其中任何一个所述的硬钎焊结构，其中，所述第一元件由不锈钢和钢其中之一制成并具有包含铜和镍其中之一的涂层，所述第二元件由铜和铜合金其中之一制成。
9.根据权利要求4、6和7其中任何一个所述的硬钎焊结构，其中，所述第一元件形成热交换器(100)的管(111)的第一管元件(111A)，第一管元件(111A)具有大体U形横截面并包括主要部分和从所述主要部分的侧面延伸的侧面部分，以在其中限定所述凹陷部分，所述第二元件形成管(111)的第二管元件(111B)，第二管元件(111B)具有大体U形横截面并包括主要部分和从所述主要部分的侧面延伸的侧面部分，并且所述第二管元件(111B)的侧面部分在所述凹陷部分的内部硬钎焊至所述第一管元件(111A)的侧面部分。
10.根据权利要求9所述的硬钎焊结构，其中，所述第一管元件(111A)和第二管元件(111B)之间插入有内散热片(114)。
11.一种制造硬钎焊结构的方法，所述硬钎焊结构包括第一元件(121，111A)，其具有由凹陷部分和孔(121a)其中之一限定的第一部分；和第二元件(111，111B)，其具有硬钎焊在所述第一部分中的第二部分，所述方法包括如下步骤将第二元件(111，111B)的第二部分设置在第一元件(121，111A)的第一部分中；并且将第二元件(111，111B)的第二部分硬钎焊至第一元件(121，111A)的第一部分中，同时使第二元件比第一元件热膨胀得更大。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述设置步骤中，第一元件(121，111A)和第二元件(111，111B)在所述第一部分和第二部分之间限定初始间隙(D，D1)，并且在所述硬钎焊步骤中，所述初始间隙(D，D1)通过第一元件(121，111A)和第二元件(111，111B)的热膨胀系数差异而减小。
全文摘要
一种硬钎焊结构，包括第一元件(121，111A)，其具有由凹陷部分和孔(121a)其中之一限定的第一部分；第二元件(111，111B)，其具有用铜焊材料硬钎焊至所述第一部分的第二部分。所述第一元件(121，111A)具有小于第二元件(111，111B)的热膨胀系数。
文档编号F28F9/26GK1862211SQ20061008175
公开日2006年11月15日 申请日期2006年5月11日 优先权日2005年5月11日
发明者渡边晴彦, 须佐澄男, 原田真树 申请人:株式会社电装