高溫釬接的廢氣熱交換裝置的制作方法

專利名稱：高溫釬接的廢氣熱交換裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱交換裝置。本發明特別涉及一種用于汽車的廢氣熱交換器。
背景技術：
今天，熱交換器在許多技術領域，特別是在汽車技術、在發電廠和環保技術中發揮著日益重要的作用。這種熱交換器的部件通常通過焊接或釬接相互連接或接合在一起。
通過釬接進行的接合經常采用所謂的鎳釬料(Ni釬料)。這種鎳釬料具有高抗氧化性或高耐腐蝕性的特點，但與其它釬料如銅釬料(Cu釬料)相比具有以下缺點為了防止在釬焊縫中出現降低強度和/或加大腐蝕的析出物，釬焊縫通常必須小于0.1mm；所有的鎳釬料都相對較貴；為了防止釬料表面出現氧化，釬焊通常在一個真空釬焊爐中進行，這樣，由于在真空釬焊爐中所必需的時間，使得這種鎳釬接的熱交換器的大批量生產的成本變得相對較高。
而使用銅釬接的熱交換器則在許多方面帶來問題，因為Cu釬料有時不具備面對在熱交換器中穿流的流體所必需的耐腐蝕性或抗氧化性，使得釬焊縫可能由于腐蝕或氧化而受到破壞。

發明內容
本發明的任務是提供一種熱交換裝置以及這種裝置的一種制作方法，從而克服現有技術的缺點。
這個目的由根據權利要求1所述的熱交換裝置以及根據權利要求18所述的這種裝置的制作方法實現。根據本發明所述的裝置的其它優選實施形式由從屬權利要求2到17限定。根據本發明所述的方法的其它優選實施形式由從屬權利要求19到21限定。
根據本發明所述的熱交換裝置(熱交換器)具有至少一個用于第一流體的第一流路，它至少部分地由至少一個第一邊界元件(Begrenzungselement)封閉；并具有至少一個用于第二流體的第二流路，它至少部分地由至少一個第二邊界元件封閉。在第一流體和第二流體之間發生熱量交換。
另外，根據本發明所述的熱交換器具有一個第一擴流室，它布置在第一流路的前面，并與至少一個第一連接管接通，而第一流體則通過這個連接管流入到第一擴流室中。第一擴流室至少部分地由至少一個第三邊界元件封閉。此外，本發明設置了一個第二擴流室，它布置在第一流路的后面，并至少部分地由至少一個第四邊界元件封閉，在這里，它與至少一個第二連接管連通，而第一流體則通過這個連接管從擴流室中流出。
一個第三連接管和一個第四連接管與第二流路連通，并且第二流體通過它們進入到第二流路中或從第二流路排出。
另外，根據本發明所述的熱交換器在第一流路的進口側和出口側具有一個分隔元件，它基本上阻止第一流體進入到第二流路中或第二流體進入到第一流路中，在這里，分隔元件與第一和第二邊界元件形成密封連接。第三邊界元件與第一或第二邊界元件或分隔元件形成密封連接。
在本發明中，密封連接是一種材料結合(stoffschlüssige)的連接，其中，在構成材料結合的連接的材料基本上直接暴露在第一流體中的情況下，該連接至少由第一連接材料構成，并且，在構成材料結合的連接的材料沒有或間接地暴露在第一流體中的情況下，該連接至少由第二連接材料構成，在這里，第一和第二連接材料的成分各不相同。
在構成材料結合的連接的材料基本上直接暴露在第一流體中的情況下，連接是指在這種連接中，第一流體直接加載在連接材料上，特別是第一流體直接沖擊連接材料或直接掠過連接材料。
在根據本發明所述的熱交換器中，可以根據各具體情況、特別是各連接所需的強度、彈性、溫度、抗氧化性和/或耐腐蝕性采用各材料結合的連接中的連接材料。在那些對上述要求不是特別高的熱交換器的部分區域，可以使用成本較低的連接材料，而熱交換器上對腐蝕、氧化、溫度、強度和/或彈性要求較高的區域的連接，則可使用能滿足這些要求的連接材料。具有優點的是，使用Cu釬料可以使待連接的部件之間的釬焊縫較大，也就是說，待連接的部件的制造公差范圍可以更大。
在本發明的一個優選實施形式中，第四邊界元件與第一和/或第二邊界元件或另一個分隔元件密封連接，其中，連接優選地使用第一或第二連接材料。
如果第四邊界元件與第一或第二邊界元件或另一個分隔元件之間的連接采用以下方式的材料結合的連接，即構成材料結合的連接的材料沒有或間接地暴露在第一流體中，例如，只是間接地通過擴流、紊流等等而暴露在第一流體中，那么按照本發明，第四邊界元件與第一或第二邊界元件或另一個分隔元件之間的連接則可以使用第二連接材料，因為在這種情況下，連接材料不必承受較大的負荷。
特別優選的是，第一和/或第二邊界元件基本上將第一或第二流路相對于外界環境或其它的流路封閉，這樣就可以在邊界元件區域防止第一流體進入到第二流路中或第二流體進入到第一流路中，特別是防止第一或第二流體從熱交換器中泄漏出來。
通過這種方式可以將本發明所述的熱交換裝置用于以下布置中，即第一和/或第二流路中的壓力高于外界環境。
在一個優選的實施形式中，第一邊界元件的主延伸方向與第二邊界元件的主延伸方向基本平行。特別優選的是，第一邊界元件至少部分地布置在第二邊界元件之中。
在另一個實施形式中，第一邊界元件至少部分地布置在第二邊界元件之中，而第一邊界元件的主延伸方向、特別是第一流體的流向，與第二邊界元件的主延伸方向、特別是第二流體的流向不平行。
第一邊界元件中的第一流體的流向優選地至少部分地平行于或反向平行于第二邊界元件中的第二流體的流向。
在本發明的一個特別優選的實施形式中，第一和/或第二邊界元件是一個管，它特別優選地至少部分地具有一個基本為矩形、正方形、圓形或橢圓形的橫斷面，其中，第二邊界元件的橫斷面大于、優選為數倍大于第一邊界元件的橫斷面。
分隔元件優選為一個管板，它帶有可被第一邊界元件插入的開口。管板上開口的橫斷面和第一邊界元件的橫斷面基本相同，這樣，分隔元件優選地將第一邊界元件的一個端部區域基本上形狀配合地包圍。
分隔元件優選地被第二邊界元件的一個部分基本上形狀配合地包圍，特別優選地被第二邊界元件的一個端部區域包圍。在另一個實施形式中，分隔元件的端面緊貼在第二元件上。在另一個實施形式中，分隔元件將第二元件的端部基本上形狀配合地包圍。
在本發明的一個實施形式中，第三邊界元件和/或第四邊界元件分別與第一或第二連接管密封連接，特別是形成材料結合的連接。在第三或第四邊界元件與第一或第二連接管的形狀配合的連接中，構成形狀配合連接的材料優選為第一或第二連接材料。
在本發明的一個特別優選的實施形式中，第二邊界元件與第三或第四連接管密封連接，特別是由第二連接材料構成材料結合的連接。出發點在于，在第三和第四連接管與第二邊界元件之間構成材料結合的連接的材料沒有直接被第二流體加載，在這里，所選用的第二連接材料，可以基本上不受可能出現的第二流體的氧化或腐蝕作用的影響。
第一流體的溫度優選地高于第二流體，其中，第一流體優選為一種氣體，特別是燃燒過程中產生的廢氣，特別優選為汽車發動機的廢氣。第一流體在熱交換器進口的溫度優選地高于第二流體在熱交換器進口的溫度，優選地比第二流體的溫度高出100℃到1000℃，特別優選地比第二流體的溫度高出300℃到900℃，最好比第二流體的溫度高出500℃到800℃。
第二流體優選一種液體，特別為一種制冷劑，尤其優選為冷卻水，最好是汽車冷卻回路中的冷卻水。
特別優選的是，第一連接材料的耐腐蝕性、抗氧化性和/或耐熱性高于第二連接材料的耐腐蝕性、抗氧化性和/或耐熱性。特別是第一連接材料的耐濕性、硫化物、碳化物以及它們的酸類的特性高于第二連接材料。
按照本發明，熱交換器的材料結合的連接優選為由釬焊、硬釬焊、特別是高溫釬焊形成的連接。第一連接材料從下列材料中選擇，即鎳釬料(Ni釬料)、金釬料(Au釬料)、鈷釬料(Co釬料)等等，特別是其它含有鎳(Ni)、銀(Ag)、金(Au)或鈷(Co)等金屬合金的釬料，在這里，這些金屬構成了各合金的主要成分。
一個特別優選的鎳釬料中除了作為主要成分的鎳之外，還含有重量百分比為0-25％的鉻、重量百分比為0-10％的硅、重量百分比為0-85％的硼、重量百分比為0-11％的磷等次要成分。其它的鎳釬料還含有重量百分比為0-4.5％的鐵和重量百分比為0-16％的鎢。鎳釬料特別優選為釬料Ni102、Ni105或Ni107。
一個特別優選的金釬料由重量百分比為100％的金構成，特別是在釬料層通過化學方法涂覆的情況下。其它的金釬料還有重量百分比最大為20的鎳。
第二連接材料從下列材料中選擇，即銅釬料(Cu釬料)、銀釬料(Ag釬料)、黃銅釬料等等，特別是其它含有銅(Cu)、鋅(Cn)、或銀(Ag)等金屬合金的釬料，在這里，這些金屬構成了各合金的主要成分。
一個特別優選的銅釬料由重量百分比為100％的銅構成，在這里也可優選地使用含有重量百分比最大為3％的鎳的銅釬料。其它的銅釬料含有重量百分比最大為15％的鎳和/或重量百分比最大為47％的鋅和/或重量百分比最大為17％的錫和/或重量百分比最大為13％的磷。這種釬料也被稱為黃銅釬料。
根據本發明所述的熱交換裝置的制作方法通過以下方式實現本發明的目的，即邊界元件和分隔元件(部件)相互之間在一個單一的接合工序中形成材料結合的連接。
在這個接合工藝中，采用第一連接材料所形成的材料結合的連接和采用第二連接材料所形成的材料結合的連接在一個單一的接合工序中完成，在這里，選用的接合工藝參數應使部件的連接牢固穩定。
按照本發明，各元件即分隔元件和/或至少一個邊界元件的至少部分區域在接合工序前涂上第一和/或第二連接材料，特別是將連接材料涂覆到部件的接觸區域，即分隔元件和邊界元件和(必要時)連接管的接觸區域上。
連接材料的涂覆優選地通過連接材料的涂刷、滾刷或噴涂等方式進行，特別是先涂上一層粘接劑，然后再涂上釬料粉末、釬料膏、釬料膜或釬料帶，或者通過電鍍涂覆連接材料，或者通過熱噴涂工藝涂覆連接材料。
在構成材料結合的連接的材料直接暴露在第一流體中的熱交換器上，連接區域上涂有第一連接材料，而在構成材料結合的連接的材料沒有或間接暴露在第一流體中的熱交換器上，連接區域上涂有第二連接材料。
在接合工序前，涂有連接材料的部件相互之間先形成傳遞力和/或形狀配合的連接，使它們的布置與接合后的熱交換器的部件的布置基本相同。接著，相互間形成傳遞力和/或形狀配合的連接的部件進入到接合工序中。
在接合工序期間，涂有連接材料的部件、特別是分隔元件和邊界元件，在一個規定的時間范圍內處于范圍為900℃到1300℃、優選為1000℃到1200℃、特別優選為1050℃到1150℃的溫度下。這樣，在接合工序期間，涂覆在熱交換器元件上的連接材料就以下列方式發生變化，即連接材料溶化，使部件相互之間形成密封的材料結合的連接。
在本發明的一個特別優選的實施形式中，接合工序在保護氣氛下進行，其中，保護氣體可以為氫氣(H2)、氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、氙氣(Xe)等等，以及上述氣體的任意組合。
在接合工序期間，保護氣氛可以防止連接材料和/或部件的表面或結構發生不良變化，例如氧化，這樣就可以保證連接的質量，特別是連接的強度和耐久性。
在根據本發明所述的熱交換器的制作方法中，接合工序優選為連續的，也就是說，相互間形成傳遞力和/或形狀配合的連接的部件在一個連續式爐、步進式爐等中進行加熱。通過這種方式，在根據本發明的熱交換器的制作工序中，就可以避免出現在真空爐中由于高溫釬焊工序時間長而導致的延誤。特別是在連續式爐中的接合工序期間使用保護氣體，將會對這種連續的接合工序產生正面影響。


下面通過附圖和實施例對本發明進行詳細說明。其中，圖1為根據本發明的熱交換器的爆炸圖，圖2為根據本發明的熱交換器的另一個實施形式的側視圖，圖3為圖2中所示熱交換器的斷面圖。
具體實施例方式
圖1到3中是根據本發明的熱交換器，特別是用于汽車的廢氣熱交換器。
該熱交換器具有被熱廢氣穿流的第一邊界元件1和一個被冷卻液穿流的第二邊界元件2。第一邊界元件1基本上與第二邊界元件2的主延伸方向平行(圖中未示)，并布置在第二邊界元件2之內。在圖1和2所示的熱交換器中，廢氣從右邊進入到第一邊界元件中，并向左或向上排出。
分隔元件3基本上與第二邊界元件2的主延伸方向成正交布置。分隔元件3在前端部區域與第二邊界元件2密封連接，在這里，密封連接由第一或第二連接材料所構成的材料結合的連接10形成。
分隔元件3帶有開口，開口大小與第一邊界元件1的橫斷面基本上相同，各第一邊界元件1則插入到這些開口中，從而使各邊界元件的端部被分隔元件3基本上形狀配合地包圍。第一邊界元件1的端部區域與分隔元件3密封連接，在這里，密封連接由材料結合的連接11形成，由于材料結合的連接11處于廢氣的高溫和廢氣冷凝物的腐蝕作用下，所以它使用了第一連接材料。
圖中所示的熱交換器，與分隔元件3相對的、在第二邊界元件2的后端部具有另一個分隔元件(圖中未示)，在這里，與前部區域相似，另一個分隔元件優選地被第二邊界元件2的端部區域基本上形狀配合地包圍，并與它通過材料結合的連接形成密封連接。與熱交換器的前部區域相似，第一邊界元件1和另一個分隔元件在第一邊界元件1的后端部區域密封連接，另一個分隔元件(圖中未示)也是將第一邊界元件基本上形狀配合地包圍。
圖1和2中所示的熱交換器的后部區域具有一個第四邊界元件5。在第四邊界元件5和第二邊界元件2之間為由材料結合的連接12形成的密封連接。
根據在第一邊界元件1中穿流的廢氣對各分隔元件、邊界元件和各連接管之間的材料結合的連接中的連接材料的腐蝕和/或氧化作用的強弱，并在必要時根據材料結合的連接中的連接材料對廢氣冷凝物的耐抗程度，可以決定材料結合的連接是由第一和/或第二連接材料形成。
在第四邊界元件5和第二邊界元件2之間的材料結合的連接12區域，構成材料結合的連接的連接材料暴露在已冷卻的廢氣中，這樣密封連接就可由第二連接材料形成。但由于廢氣冷凝物的腐蝕作用可能仍然存在，所以也可優選使用第一連接材料。
圖1中，第三邊界元件4從第二邊界元件2上分離出來。第三邊界元件4與第二邊界元件2的端部區域基本上形狀配合地接觸，在這里，它與第二邊界元件2通過接合工序形成材料結合地密封連接。根據第三邊界元件4和第二邊界元件2之間連接區域的構成材料結合的連接的連接材料對廢氣的耐抗程度，第三邊界元件4和第二邊界元件2之間的材料結合的連接12可由第一或第二連接材料形成。
第三邊界元件4以及第四邊界元件5與第一和第二連接管6、7密封連接。第一和第二連接管6、7和第三或第四邊界元件4、5之間的密封連接是材料結合的連接13或14。材料結合的連接13和14可以是焊接或釬接，其中，出于成本考慮和連接間接暴露在第一流體中的原因，釬接優選使用第二連接材料。
第二邊界元件2在它的后下部區域和前上部區域具有第三和第四連接管8或9，它們與第二邊界元件2密封連接。連接管8、9和第二邊界元件2之間的密封連接是材料結合的連接15、16，其中，構成材料結合的連接的連接材料是第二連接材料，因為它沒有暴露在廢氣流中，而且對連接區域15、16中的連接材料的耐腐蝕性或抗氧化性的要求不是很高。
在熱交換器中穿流的廢氣通過與第三邊界元件4連接的連接管6，進入到由第三邊界元件形成的第一擴流室中，并通過形狀為矩形管的第一邊界元件1從擴流室排出。廢氣沿第一流路在第一邊界元件1中穿流，到達熱交換器的后部區域并進入到由第四邊界元件5構成的第二擴流室中，并從那里經第二連接管7排出。
冷卻液沿著至少部分地與廢氣流動方向平行或反向平行的流向在圖中所示的熱交換器中穿流。
在冷卻液沿著與廢氣平行的方向流動的情況中，冷卻液穿過與第二邊界元件2接通的第四連接管9，進入到由第二邊界元件形成的第二流路中，并通過第三連接管8從第二流路排出。
在冷卻液沿著與廢氣反向平行的方向流動的情況中，冷卻液穿過第三連接管8進入到第二流路中。在冷卻液通過第二流路從廢氣中吸收熱量后，在熱交換器的前部區域通過與第二邊界元件2接通的第四連接管9，從第二流路中排出。
權利要求
1.用于汽車的熱交換裝置，具有a)至少一個用于第一流體的第一流路，它至少部分地由至少一個第一邊界元件(1)封閉；b)至少一個用于第二流體的第二流路，它至少部分地由至少一個第二邊界元件(2)封閉；c)至少一個第一擴流室，它至少部分地由至少一個第三邊界元件(4)封閉，并接在第一流路的前面，其中，第一擴流室與至少一個第一連接管(6)連通，而第一流體則通過這個連接管流入到第一擴流室中；d)至少一個第二擴流室，它至少部分地由至少一個第四邊界元件(5)封閉，并接在第一流路的后面，其中，第二擴流室與至少一個第二連接管(7)連通，而第一流體則通過這個連接管從這個擴流室中流出；e)至少一個第三連接管和一個第四連接管(8、9)，它們與第二流路連通，并且第二流體通過它們進入到第二流路中或從第二流路排出；f)至少一個分隔元件(3)，它阻止第一流體進入到第二流路中或第二流體進入到第一流路中；g)所述分隔元件(3)與第一和第二邊界元件(1、2)形成密封連接(10、11)，并且，第三邊界元件(4)與第一或第二邊界元件(2)和/或分隔元件(3)形成密封連接；h)所述第一和第二流體之間發生熱量交換，其特征在于，密封連接(10、11)是材料結合的連接，其中，在構成材料結合的連接的材料直接暴露在第一流體中的情況下，該連接至少由第一連接材料構成，并且，在構成材料結合的連接的材料沒有或間接地暴露在第一流體中的情況下，該連接至少由第二連接材料構成，并且，第一和第二連接材料的成分各不相同。
2.根據權利要求1所述的熱交換裝置，其特征在于，第四邊界元件(5)與第一或第二邊界元件(2)和/或另一個分隔元件密封連接。
3.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第一和/或第二邊界元件將第一或第二流路相對于外界環境封閉。
4.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第一邊界元件(1)的主延伸方向與第二邊界元件(2)的主延伸方向基本平行。
5.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第一邊界元件(1)至少部分地布置在第二邊界元件(2)之中，特別是在第二流路之中。
6.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，分隔元件(3)是一個管板，第一和第二邊界元件(1、2)分別是一個管。
7.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第一邊界元件(1)至少在部分區域被分隔元件(3)包圍，優選地在端部區域被它包圍。
8.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，分隔元件(3)至少被第二邊界元件(2)的一個部分包圍，優選地被第二邊界元件(2)的一個端部區域包圍或者端面緊貼在第二邊界元件上，或者分隔元件(3)至少將第二邊界元件(2)的一個部分包圍，優選地將第二邊界元件(2)的一個端部區域包圍。
9.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第三邊界元件(4)和/或第四邊界元件(5)與第一或第二連接管(6、7)形成密封連接，特別是材料結合的連接。
10.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第三和/或第四連接管(8、9)利用第二連接材料與第二邊界元件(2)之間形成密封連接(15、16)。
11.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第一流體的溫度高于第二流體。
12.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第一流體是一種氣體，特別是燃燒過程中產生的廢氣。
13.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第二流體是一種液體，優選為制冷劑，最好為冷卻水。
14.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第一連接材料的耐腐性和/或耐氧化性高于第二連接材料。
15.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，材料結合的連接通過釬焊形成，優選通過硬釬焊形成，最好是通過高溫釬焊形成。
16.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第一連接材料從下列材料中選擇鎳釬料、金釬料、鈷釬料，特別是其它含有鎳、銀、金或鈷的金屬合金的釬料，其中，這些金屬構成了各合金的主要成分。
17.根據前面的權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，第二連接材料從下列材料中選擇銅釬料、銀釬料、黃銅釬料，特別是其它含有銅、鋅、或銀的金屬合金的釬料，其中，這些金屬構成了各合金的主要成分。
18.根據權利要求1到17中任一項所述的熱交換裝置的制作方法，其特征在于，a)熱交換器的部件，包括分隔元件(3)、邊界元件(1、2、4、5)以及連接管(6、7、8、9)相互之間在一個單一的接合工序中形成材料結合的連接；b)所述分隔元件(3)和/或至少一個邊界元件(1、2、4、5)在接合工序前至少在部分區域涂有第一和/或第二連接材料；c)并且，分隔元件(3)和邊界元件(1、2、4、5)以及連接管(6、7、8、9)在接合工序前形成形狀配合和/或傳遞力的連接，然后再進入接合工序。
19.根據權利要求18所述的熱交換裝置的制作方法，其特征在于，在接合工序期間，分隔元件和邊界元件在一個規定的時間范圍內處于900℃到1300℃、優選為1000℃到1200℃、最佳為1050℃到1150℃的溫度范圍下。
20.根據權利要求18或19所述的熱交換裝置的制作方法，其特征在于，熱交換裝置通過一個輸送機構穿過至少一個被加熱的區域以進入到接合工序中。
21.根據權利要求18到20中任一項所述的熱交換裝置的制作方法，其特征在于，接合工序在保護氣氛下進行，其中，保護氣體為H2、N2、Ar、Kr、Xe以及上述氣體的任意組合。
全文摘要
本發明涉及一種熱交換裝置，它具有至少一個用于第一流體的第一流路和至少一個用于第二流體的第二流路。該熱交換裝置的各元件之間由材料結合的連接(10、11)而密封連接。那些構成材料結合的連接的材料直接暴露在第一流體中時，該連接由第一連接材料構成；而那些構成材料結合的連接的材料沒有或間接地暴露在第一流體中的情況下，該連接由第二連接材料構成。該第一和第二連接材料的成分各不相同。
文檔編號F28F9/02GK1882817SQ200480033618
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月10日 優先權日2003年11月14日
發明者漢斯-海因里希·安格曼 申請人:貝洱兩合公司