用于对车辆热交换器进行热接合的装置和方法

摘要

本发明特别地涉及一种用于对车辆热交换器进行热接合的装置(1)。装置(1)设置有第一保持元件(2)、第二保持元件(3)和一个或更多个热源(7)。保持元件(2、3)各自设置有：一个或更多个热绝缘部件(5、6、11a、11b、11c)；以及相对于彼此对准的支承表面，并且该支承表面用于将待接合的物体(12)布置在支承表面之间。保持元件(2、3)中的一个或更多个保持元件相对于另一保持元件(2、3)以可移动的方式形成。至少第一保持元件(2)设置有可以通过热源(7)加热的一个或更多个热质量件(8、9)。第二保持元件(3)设置有具有用于物体(12)的支承表面的支承元件(11)，而第一保持元件(2)的第一热质量件(8)中的一个或更多个第一热质量件设置有用于物体(12)的支承表面，以便通过热力线加热物体(12)。另外，本发明还涉及一种使用装置(1)的热接合方法以及该方法的一种用于由车辆的板元件制造热交换器的用途。

说明书

技术领域

本发明涉及用于进行热接合、特别是用于对机动车辆用的热交换器进行热接合的装置。该装置具有第一定位元件和第二定位元件以及至少一个热源。定位元件设计成具有彼此对准的接触表面，以便将待接合的物体布置在接触表面之间。

本发明还涉及用于使用根据本发明的装置对物体进行热接合的方法。

背景技术

从现有技术已知的用于阳性物质接合的方法包括以至少440℃的处理温度进行的所谓钎焊。为了加热待接合的部件，使用各自利用焊剂的火焰钎焊或机械化火焰钎焊、利用焊剂或在惰性气体环境下进行的炉内钎焊、利用焊剂盐浴的沉浸钎焊或真空钎焊。

上面提到的处理涉及在一些情况下使用大量的焊剂和/或机械处理、比如刷擦待接合的部件，以例如在为铝的情况下破坏氧化层。此外，在特殊的环境、比如真空或惰性气体环境下工作是必要的，以防止氧化层的再形成。另外，对于炉内钎焊而言需要非常大的区域。而且，用于阳性物质接合的常规处理基于对复杂的框架结构的使用。

目的的冲突发生在下述两者之间：一方面为处理的最短可能持续时间，另一方面为处理的可靠性。根据处理和形状，待接合的部件可以具有明显的温度差异。为了在连续的炉中保持温度特性或时间特性，例如使用附加的钢元件或铝元件作为热质量件以平衡温度，但这导致了能量消耗增加。待钎焊的物体的已知特性包括有包含设定保持时间的加热、浸泡、钎焊和冷却的步骤，这导致了约20分钟至30分钟的循环时间。

因此，使用可控气体环境钎焊处理或简称CAB来制造例如热交换器的元件、特别是电池冷却器的板元件。随着待冷却的蓄电器的包装的尺寸的增加，电池冷却器的板元件具有更大的尺寸。然而，待接合在一起的热交换器元件的尺寸受到钎焊炉或CAB炉的尺寸的限制。另外，热交换器元件的表面质量随着待接合在一起的热交换器元件的尺寸增大而降低，这是由于在CAB钎焊处理中使用了常规的不锈钢钎焊固定装置。此外，CAB炉的钎焊性能由于需要容纳待接合在一起的热交换器元件的较大的钎焊固定装置的较高的热质量而降低。对待接合在一起的热交换器元件的替代性固定、比如压配合或钉紧意味着额外的处理步骤，并且还使热交换器元件变形，这又产生了泄漏的风险。

发明内容

技术问题

本发明的任务包括提供一种用于进行热接合、特别是用于对机动车辆的热管理系统用的热交换器进行热接合的装置和方法。该装置应当能够实现具有最少的能量和时间支出以及最大的处理可靠性的高效的制造方法。接合的元件在变形方面也应当具有较高的质量。待接合在一起的元件的尺寸不应当是限制性的。制造该装置和实施该方法的努力和成本应当是最小的。

技术方案

该任务通过具有独立专利权利要求的特征的对象解决。在从属专利权利要求中指明了进一步的发展。

该任务通过根据本发明的用于进行热接合、特别是用于对机动车辆用的热交换器进行热接合的装置解决。该装置设计成具有第一定位元件和第二定位元件以及至少一个热源。

根据本发明的概念，定位元件在每种情况下具有至少一个热绝缘件，并且定位元件设计成具有彼此对准的接触表面，以便将待接合的物体布置在接触表面之间。另外，定位元件中的至少一个定位元件布置成能够相对于另一定位元件移动。第二定位元件设计成具有支承元件，该支承元件具有用于待接合的物体的接触表面。

根据本发明，至少第一定位元件具有至少一个热质量件，所述至少一个热质量件能够借助于热源加热。第一定位元件的至少第一热质量件设计成具有用于物体的接触表面，以便经由热传导对物体进行加热。

根据本发明的进一步发展，热源被一体化地布置在第一定位元件的内部。

有利地，热源由至少一个感应线圈形成，特别是由多个可独立控制的感应线圈形成，所述多个可独立控制的感应线圈可以响应最短时间内的变化并且具有较高的能量密度。替代性地，热源还可以设计为至少一个电加热元件或至少一个辐射源或多个加热元件或多个辐射源。

优选地，热源布置成嵌入在第一定位元件的热绝缘件中。

优选地，第一定位元件具有第一热绝缘件和第二热绝缘件，其中，第二热绝缘件布置成邻近于第一热绝缘件。有利地，第二热绝缘件又由第一层和第二层形成。

热源可以布置在第二热绝缘件的第一层与第二层之间。

根据本发明的优选设计，至少第一定位元件的第一热质量件是板状的并且具有用于待接合的物体的平坦的接触表面。

第一定位元件还可以具有第二热质量件，该第二热质量件布置在第一热质量件与热绝缘件之间。第一热质量件和第二热质量件优选地由不同的材料形成。第一定位元件的第二热质量件还可以具有板的形式。

本发明的另一有利的设计包括：第二定位元件的支承元件设计为热绝缘件或热质量件或热质量件和热绝缘件的组合。在此情况下，定位元件优选地具有层状的布置结构。

第二定位元件的支承元件优选地是板状的并且具有用于待接合的物体的平坦的接触表面。

根据本发明的另一有利的设计，第一定位元件布置成相对于装置的第二定位元件不能够移动，并且第二定位元件布置成能够相对于第一定位元件沿移动方向移动。

第一定位元件可以在竖向方向上布置在第二定位元件的上方，并且第二元件能够沿竖向方向调节。

然后，定位元件的接触表面优选地在每种情况下布置成在水平平面中对准。

根据本发明的进一步发展，在第一定位元件的第一热质量件的接触表面上布置有间隔元件，该间隔元件在第二定位元件的支承元件的接触表面的方向上延伸。间隔元件在第二定位元件的支承元件的接触表面的方向上的尺寸对应于接合处理后的放置在第二定位元件上的物体的高度。

该任务还通过根据本发明的用于使用具有上述特征的装置进行热接合、特别是用于对机动车辆的热管理系统用的热交换器进行热接合的方法解决。该方法具有以下步骤：

-将热源接通并对用于进行热接合的装置的第一定位元件的板状的热质量件进行预热，

-将待接合的物体的元件以彼此接触的方式放置到装置的第二定位元件的支承元件的接触表面上，

-将热源断开或调节温度以对传递的热量进行补偿，并且以热接触的方式将第一热质量件以接触表面施加到待接合的物体的元件上，

-通过与相邻的第一热质量件的热接触经由热传导而对待接合的物体的元件进行直接加热，以及，

-通过将定位元件挤压在一起而在布置于接触表面之间的待接合的物体的元件上施加以平面的方式施加的压力，以及，

-使热质量件的温度随着时间推移而降低到预定值以下，

-将第一热质量件从物体移除，以及，

-将接合的物体移除。

将第一热质量件以接触表面施加到待接合的物体的元件上也等同于将装置闭合。同样，将第一热质量件从物体移除也可以理解为将装置打开。

随着装置的闭合，在布置于接触表面之间的待接合的物体的元件上产生以平面的方式施加的压力的处理步骤以及使热质量件的温度降低的过程步骤也开始了。这些步骤按时间顺序并行地进行。

优选地，物体的待接合的元件在被放置到支承元件的接触表面上之前被提供有焊剂。

根据本发明的进一步发展，随着热源的接通，除了第一定位元件的热质量件被加热外，装置的第二定位元件的支承元件的板状的热质量件也被加热。当待接合的物体的元件被放置到支承元件的接触表面上时，物体的元件和支承元件的接触表面热接触。

根据本发明的优选设计，在第一定位元件的热质量件中，借助于至少一个感应线圈感应出电压并产生涡电流。

根据本发明的设计，在第二定位元件的支承元件的热质量件中，借助于至少一个感应线圈感应出电压并产生涡电流。

本发明的另一优点包括：感应线圈的功率或多个感应线圈的功率被彼此独立地控制。

根据本发明的方法优选地用于借助于传导性热传递来对热交换器的元件进行钎焊。热交换器的元件布置并保持在定位元件的被设计为接触表面的两个表面之间。同时，元件被挤压在一起以确保装置的接触表面与待接合的元件的表面之间的接触。装置的设计为热质量件的一个或更多个接触表面借助于设计为感应线圈的一个或更多个热源而被间接加热。热源是电动操作的。热量经由热传导而被传递至待接合的元件的表面。

本发明的有利设计实现了根据本发明的装置以及根据本发明的方法的用于对机动车辆用的由板元件制成的热交换器、特别是对热管理系统用的电池热交换器进行热接合和制造的用途。替代性地，另外还可以制造具有与热交换器的板元件不同的各种几何形状的物体，例如连接元件或管、优选地为扁平管。

根据本概念使用根据本发明的方法和根据本发明的装置制造的机动车辆用的由板元件制成的热交换器、特别是热管理系统用的电池热交换器具有由含有不多于10％、特别是不多于5％的硅含量的材料制成的壁。为了确定硅含量，将基础材料的壁强度与接合点处、特别是钎焊点处的壁强度进行比较。

因此，例如，钎焊过程与因合金形成而从基础材料除去材料是相关联的。钎焊始终需要基础材料和填充金属，其中，填充金属被卷到基础材料上或从外部添加。填充金属与基础材料相比具有更高的硅含量，以将填充金属的融化温度设定为低于基础材料的融化温度。

因此，硅的扩散意味着在钎焊处理期间，基础材料与硅合金化，这又涉及对基础材料的移除。因此硅含量的规格与基础材料的原始壁强度的降低有关。钎焊处理用时越长以及钎焊温度的值越高，在每种情况下，基础材料的壁强度的降低程度则越大。

热交换器的壁在塑性变形的区域中优选地具有在200μm至600μm的范围内、特别是在200μm至400μm的范围内的晶粒尺寸直径。

有利地，热交换器的表面形成为平坦且无压痕的、即没有例如由压配合或钉紧导致的塑性变形。

用于进行热接合的根据本发明的装置和根据本发明的方法总体上还具有各种优点：

-与常规的CAB处理相比，能够在非常短的时间段内非常快速地进行接合，除此之外这还实现了较低的硅含量——硅扩散到接合的物体中会导致基础材料的弱化——因此减轻了材料的弱化并且降低了电导率，

-不需要钎焊固定装置，仅需简单使用夹持装置，

-特别地由于元件在处理期间的固定位置，使接合的元件的平整度最大化，并且因为没有例如由使用钎焊框架或压配合引起的变形，所以改进了最终产品的成形，因此提高了表面的质量并且降低了泄漏的风险，

-如在常规的CAB处理中的那样，元件的尺寸不受钎焊炉的尺寸的限制，因此待接合的元件的尺寸几乎不受限制并且可以缩放至不同尺寸，并且实现单一部件的可追踪性，

-使焊剂的使用最小化，因此也使接合的物体的外侧的焊剂残留最小化，

–能够在空气或真空或惰性气体环境中进行该处理，不需要惰性气体环境，

–实现最小的能量和空间需求以及最大的温度均匀性的部件控制的接合次数，

因此，

–使处理的可靠性最大化，以及，

–降低复杂性和材料成本，并因此降低制造成本。

附图说明

参照相关联的附图从以下对示例性实施方式的说明得到本发明的设计的另外的细节、特征及优点。这些附图示出：

图1示出了用于进行热接合、特别是用于对机动车辆的热管理系统用的热交换器进行热接合的装置，该装置处于打开状态，其中，待接合的物体被放置在该装置上；

图2示出了借助于图1中所示的装置进行热接合的处理的步骤；以及，

图3示出了图1中所示的在打开状态下的装置的框架元件的立体图，其中，放置在中间的物体是待接合的，

图4a和图4b以对比的方式分别示出了以常规方式接合的物体的壁的部段的显微图以及使用图1中所示的装置和图2中所示的方法接合的物体的壁的部段的显微图，以及，

图5a和图5b以对比的方式分别示出了以常规方式接合的物体的壁的细节的显微图以及使用图1中所示的装置和图2中所示的方法接合的物体的壁的细节的显微图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于进行热接合、特别是用于对机动车辆的热管理系统用的热交换器进行热接合的装置，该装置(1)处于打开状态，其中，待接合的物体(12)被放置在装置上。

装置(1)由第一定位元件(2)和第二定位元件(3)形成。基本上在竖向方向上布置在第二定位元件(3)上方的第一定位元件(2)是固定的，并且具体地相对于第二定位元件(3)是不可移动的。第二定位元件(3)设计成特别地能够相对于第一定位元件(2)移动。为了朝向第一定位元件(2)移动，第二定位元件(3)可以被设计为具有用于调节高度并因此调节接触表面的电驱动的提升平台或支承件。待接合的物体(12)被放置在沿竖向方向向上并在水平平面中对准的接触表面上。第二定位元件(3)能够在移动方向(4)上沿竖向方向调节。

第一定位元件(2)具有第一热绝缘件(5)，该第一热绝缘件(5)同时被设计为用于各种部件的层状布置结构的接纳件或保持件。在第一热绝缘件(5)的竖向方向的下方设置有第二热绝缘件(6)、特别是第二热绝缘件(6)的第一层(6a)，其在外周边缘区域处接触第一热绝缘件(5)。在进一步的层状结构中，在竖向方向的下方接着设置有热源(7)，该热源(7)嵌入在第二热绝缘件(6)内、特别地位于第二热绝缘件(6)的第一层(6a)与第二层(6b)之间。第二热绝缘件(6)包围热源(7)，该热源(7)由多个感应线圈形成。

借助于热源(7)的感应线圈，在竖向方向上布置于热源(7)下方的第一热质量件(8)以及在布置于第一热质量件(8)与第二热绝缘件(6)之间的第二热质量件(9)中，在每种情况下感应出电压并且产生涡电流。因此，板状热质量件(8、9)被加热，板状热质量件(8、9)中的每个板状热质量件在水平平面中对准。第一热质量件(8)被设计成使待接合的物体(12)内的热量均匀分布。第二热质量件(9)基本上用于增加装置(1)在操作期间的效率并且用于使第一热质量件(8)中的热量均匀分布。

在装置(1)的未示出的闭合状态下，第一热质量件(8)优选地以平面的方式以下侧部与待接合的物体(12)接触。第一热质量件(8)在下侧部上——该下侧部形成在放置有物体(12)的第二定位元件(3)的方向上——具有间隔元件(10)，该间隔元件(10)在竖向方向上的尺寸基本上对应于放置在第二定位元件(3)上的物体(12)的高度。间隔元件(10)在每种情况下以上侧部牢固地附接至第一定位元件(2)的第一热质量件(8)。在装置(1)的闭合状态下，间隔元件(10)在每种情况下以下侧部与第二定位元件(3)的表面接触。

能够沿移动方向(4)调节的第二定位元件(3)被设计成具有用于待接合的物体(12)的支承元件(11)。由各个层(11a、11b、11c)组成的支承元件(11)可以根据需要由热质量件和热绝缘件的组合制成。支承元件(11)可以具有第三热质量件(11a、11b、11c)和/或第三热绝缘件(11a、11b、11c)。层(11a、11b、11c)各自在水平平面中对准。待接合的物体(12)在竖向方向上布置在顶层的上侧部。

装置(1)还具有外围元件(13)，比如用于热源(7)的电气操作的发电机和用于冷却热绝缘件(5、6)的供水源。另外，装置(1)设计成具有抽取系统(14)以从装置(1)抽取特别地在接合处理期间产生的蒸汽。

根据装置的未示出的实施方式，具有至少一个热质量件的定位元件中的至少一个定位元件还可以被设计为机器臂并因此可以设计成能够相对于相应的另一个定位元件移动。如果两个定位元件都被设计为机器臂，则这两个定位元件都可以布置成能够相对于彼此移动。

在装置(1)的未示出的闭合状态下，待接合的物体(12)布置在第一定位元件(2)与第二定位元件(3)之间。有利地平坦的物体(12)、例如热交换器的板元件或平板式热交换器、特别是电池冷却器在每种情况下优选地以平面的方式以上侧部抵靠第一定位元件(2)的第一热质量件(8)的下侧部并以下侧部抵靠第二定位元件(3)的上部层(11a)的上侧部。对于装置(1)，可以制造具有不同几何形状以及与板几何形状偏离的几何形状的另外的物体，比如各种连接元件或管、优选地为扁平管。

经由板状第一热质量件(8)，经由与热源(7)的感应而在热质量件8中产生的热量通过热传导而被传递至待接合的物体(12)。在第一热质量件(8)与物体(12)之间的平坦接触造成了对物体(12)的均匀加热并因此造成了待接合的物体(12)内的均匀的温度分布。

此外，另外地，可以通过热源(7)经由感应而对支承元件(11)的第三热质量件(11c)进行加热。由于待接合的物体(12)和第三热质量件(11c)也彼此平坦接触，因此物体(12)然后也可以被第三热质量件(11c)均匀加热并且造成了物体(12)内的均匀的温度分布。热量通过热传导而从第三热质量件(11c)传递至待接合的物体(12)。

图2示出了使用图1中示出的装置(1)通过热传导对元件进行热接合的处理的步骤。

在第一步骤中，待接合的物体(12)的元件、特别是热交换器元件被设置有限定量的焊剂。同时，对第一定位元件(2)的板状第一热质量件(8)进行预热。将热源(7)接通。当热源被设计为感应线圈时，在第一热质量件(8)中感应出电压并产生涡电流。因此，第一热质量件(8)通过单次或多次感应加热而被间接加热，其中，对板状第一热质量件(8)的加热由作为处理中温度控制件的单个或多个独立控制的感应线圈执行。在每种情况下，单个感应线圈或多个感应线圈的功率受到控制。

接着，待接合的物体(12)的叠置的元件被一起放置到可移动的第二定位元件(3)的支承元件(11)上。支承元件(11)的层(11c)可以被设计为第三热质量件或第三热绝缘件。将装置(1)打开。

在将热源(7)断开后，将第一热质量件(8)从上方沿竖向方向施加到被覆盖并放置在支承元件(11)上的物体(12)的元件上，从而与物体(12)接触。将可移动的第二定位元件(3)在移动方向(4)上沿竖向方向向上引导至第一定位元件(2)。将装置(1)闭合。当待接合的物体(12)在定位元件(2、3)之间布置成与相邻的第一热质量件(8)和第二定位元件(3)的层(11a)热接触时，物体(12)经由与第一热质量件(8)的热传导而被直接加热，并且在适用的情况下经由与第三热质量件(11c)的热传导而被直接加热。第三热质量件(11c)可以借助于第一定位元件(2)的热源(7)或经由作为附加的热源而在竖向方向上布置在热质量件(11c)下方的感应线圈或多个感应线圈而被加热。替代性地，第三热质量件(11c)可以通过与第一热质量件(8)直接热接触而经由热传导被加热。另外，第三热质量件(11c)可以经由替代性热源或经由多个替代性热源、例如电加热元件或辐射源而被加热。

此外，向作为物体(12)的待接合在一起的元件的布置在第一热质量件(8)的表面与第二定位元件(3)的层(11a)之间的热交换器元件施加压力，以便确保待接合的元件的表面之间的接触。压力以平面的方式作用在物体(12)的元件上。

由于在将热质量件(8、11c)施加至物体(12)的步骤之前将热源(7)断开，因此热质量件(8、11c)的温度随着时间推移而降低到预定值以下。作为将热源(7)断开的步骤的替代方案，热质量件(8、11c)的温度可以也借助于热源(7)来调节，以补偿经传递的热量。

一旦达到热质量件(8、11c)的温度的预定值，则将第一热质量件(8)从物体(12)移除。将可移动的第二定位元件(3)在移动方向(4)上沿竖向方向向下引导并因此远离第一定位元件(2)。将装置(1)打开。

现在可以将热接合的物体(12)从第二定位元件(3)移除。

前述对物体(12)进行热接合的处理步骤还可以彼此并行实施并且可以被调节，以缩短处理时间和/或提高生产的物体的质量。

图3示出了在用于热接合的装置(1)的打开状态下的钎焊固定装置的框架元件(15、16)的立体图，其中，布置在中间的物体(12)是待接合的。装置(1)的板状第一热质量件(8)在竖向方向上布置在第一框架元件(15)上方，而物体(12)布置成用于放置在位于框架元件(15、16)之间的未示出的第三热绝缘件(11c)上。框架元件(15、16)与中间物体(12)以下述方式放置，其中，第二框架元件(16)位于第二定位元件(3)上，同时第一框架元件(15)在第一定位元件(2)的方向上对准。因此框架元件(15、16)用于对待接合的物体(12)进行固定和定位。

图4a和图4b以及图5a和图5b以对比的方式分别示出了以常规方式接合的物体的壁的显微图以及使用图1中所示的装置(1)和图2中所示的方法接合的物体(12)的壁的显微图。在图4a和图5a中，可以看到使用现有技术中已知的CAB钎焊处理接合的物体的壁的部段的显微图以及壁的相应细节的显微图，而图4b和图5b示出了使用根据本发明的装置(1)和根据本发明的方法接合的物体(12)的壁的部段的显微图以及壁的相应细节的显微图。

图4a和图4b中的显微图图示了作为接合物体(12)的弯曲片的塑性变形的区域(17a、17b)，其中，由于冷却变形和温度的影响而发生了重结晶，即新的晶粒形成并且晶粒粗化。在以常规方式接合的物体的塑性变形的区域(17a)内的晶粒粗化的程度和新的晶粒形成的程度、例如晶粒尺寸直径基本大于使用图1中的装置和图2中的方法接合的物体(12)的塑性变形的区域(17b)内的晶粒粗化的程度和新的晶粒形成的程度。利用根据本发明的装置(1)和根据本发明的方法，在塑性变形的区域(17b)中、具体地在加工硬化的区域中，存在200μm至600μm的范围内的晶粒尺寸直径，而以常规方式接合的物体的塑性变形的区域(17a)中的晶粒尺寸直径在400μm至1200μm的范围内。将晶粒包围的最小圆的直径称为晶粒尺寸直径。晶粒尺寸直径越小，以及因此的晶粒越细，则强度、特别是缺口冲击强度以及韧性越高。

图5a中的显微图图示了具有至少20％的硅含量的壁。相比之下，图5b中的显微图图示了具有小于5％的硅含量的壁。为了确定壁中的硅含量，将基础材料的壁强度与接合点处、特别是在钎焊点处的壁强度进行比较。硅含量的值越高，则壁的基础材料被弱化得越多。

附图标记列表

1:装置

2:第一定位元件

3:第二定位元件

4:第二定位元件(3)的移动方向

5:第一定位元件(2)的第一热绝缘件

6:第一定位元件(2)的第二热绝缘件

6a、6b:第二热绝缘件(6)的层

7:热源

8:第一定位元件(2)的第一热质量件

9:第一定位元件(2)的第二热质量件

10:间隔元件

11:支承元件

11a、11b、11c:第二定位元件(3)的层、第二定位元件(3)的第三热质量件/热绝缘件

12:物体

13:外围元件

14:抽取系统

15:第一框架元件

16:第二框架元件

17a、17b:塑性变形的区域