Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten der Stirnplatten eines Rohrbündel-Abgaswärmetauschers mit einer Lotpaste.

Rohrbündel-Abgaswärmetauscher werden im großen Maßstab zur Kühlung des Abgases bei der Abgasrückführung von Dieselmotoren eingesetzt. Man spricht in diesem Zusammenhang von EGR-Kühlern (EGR = Exhaust Gas Recirculation). Solche Wärmetauscher bestehen aus einem Bündel von pa- rallelen Wärmetauscherrohren in einem zylindrischen oder prismatischen Gehäuse, welches durch Stirnplatten abgeschlossen ist. Die Wärmetauscherrohre sind an beiden Ende in entsprechende Öffnungen der Stirnplatten eingelötet. Die Öffnungen sind in einem definierten Muster auf den Stirnplatten angeordnet. Zur Verbindung der Wärmetauscherrohre mit den Stirnplatten und weiteren Elementen des EGR-Kühlers wird wegen der hohen Temperaturbelastungen im Betrieb der Kühler das sogenannte Hochtemperaturlöten eingesetzt. Beim Verfahren des Hochtemperaturlötens handelt es sich um flußmittelfreie Lötungen im Schutzgas- oder Vakuumofen mit Löttemperaturen über 900 ⁰ C. Typische Hochtemperaturlote sind auf Kupfer- oder Nickelbasislegierungen sowie Edelmetallen aufgebaut.

Zum Einlöten der Wärmetauscherrohre werden die Stirnplatten mit einer Lotpaste beschichtet. Dies geschieht bei bekannten Verfahren mit Hilfe von Siebdruck. Das Beschichten der Stirnplatten von EGR-Kühlern mittels Siebdruck wird zum Beispiel beschrieben in dem Buch „Hartlöten und Hochtem- peraturlöten : Grundlagen und Anwendung" von Lutz Dorn, herausgegeben 2007 im Expert-Verlag von W. J. Bartz und E. Wippler (ISBN-10:3-8169- 2545-6).

Beim Siebdruck ist ein Siebgewebe fest in einem Rahmen fixiert. Die Siebdruckpaste wird auf das Siebgewebe aufgetragen und mit Hilfe eines elasti- sehen Rakels durch die Öffnungen des Siebes auf das Bauteil übertragen. Ein spezielles Druckbild wird durch die Verwendung einer Maske erreicht. Diese verschließt alle nicht zu druckenden Flächen des Siebgewebes, so daß die Siebdruckpaste an diesen Stellen nicht auf das Werkstück übertragen werden kann. Übliche Schichtdicken liegen im Bereich von 50 bis 100 μm; bis zu 600 μm dicke Schichten sind möglich. Eine typische Anwendung des Siebdruckes ist die Beschichtung der gelochten Stirnplatten von EGR- Kühlern. Die Stirnplatten werden mit Nickelbasislot-Siebdruckpasten selektiv und konturengenau beschichtet. Die benötigte Menge an Lotlegierung kann hierbei ohne Materialverlust aufgetragen werden. Nach dem Trocknen der Pastenschicht werden die Bauteile zusammengesetzt und in einem Ofen gelötet. Die beschichtete Fläche der Stirnplatte dient als Lotdepot und speist beim Löten die Lötspalte zwischen Stirnplatte und Kühlrohren und zwischen Stirnplatte und dem äußeren Gehäuse des Kühlers. Die Dicke der Lotpasten- Beschichtung muß dabei sicherstellen, daß auf der beschichteten Fläche der Stirnplatte genügend Lot für das Füllen der Lotspalte zur Verfügung steht.

Moderne Rohrbündelwärmetauscher zeichnen sich durch eine sehr dichte Anordnung der Wärmetauscherrohre aus. Die Abstände zwischen den Rohren betragen teilweise weniger als 0,5 mm. Diese geringen Abstände führen dazu, daß die für die Lotpasten-Beschichtung vorhandene Fläche der Stirn- platten nicht mehr ausreicht, um bei üblichen Dicken der Beschichtung noch genügend Lotmaterial für das Füllen der Lotspalte zur Verfügung zu stellen. Wie Versuche der Erfinder gezeigt haben, läßt sich das mit dem oben beschriebenen Siebdruckverfahren nicht durch Erhöhen der Schichtdicke kompensieren, da die Lotpaste wegen der geringen Breite der beschichteten Flächen teilweise beim Entfernen des Siebes von den Stirnplatten abgerissen wird.

Der Trend zu immer kleineren Abständen zwischen den Wärmetauscherrohren erhöht die Anforderungen an die Genauigkeit des Druckverfahrens. Zwar wird in dem zitierten Buch von einer konturengenauen Beschichtung mit Siebdruck gesprochen, das gilt jedoch nur im Rahmen der mit Siebdruck erzielbaren Positionsgenauigkeit für die gedruckten Strukturen. Die Genauigkeit liegt nach den Erfahrungen der Erfinder nur bei 10 bis 20 μm. Ursa- che hierfür ist die Tatsache, daß das Siebgewebe nicht direkt auf das zu bedruckende Werkstück aufgelegt wird, sondern erst durch den Druck des Gummirakels auf das Werkstück aufgedrückt wird und nach dem Lotauftrag wieder in seine Ursprungslage zurückspringt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Beschichten der Stirnplatten eines Rohrbündelwärmetauschers anzugeben, welches die genannten Probleme der bekannten Verfahren vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 dieser Patentanmeldung gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens werden in den Unteransprü- chen beschrieben.

Das Verfahren geht von einer Stirnplatte (3) eines Rohrbündelwärmetauschers (1) aus, die eine bestimmte Form besitzt und in einem definierten Muster angeordnete Öffnungen (5) enthält für das spätere Einlöten von Wärmetauscherrohren (4). Zum Aufbringen der Lotpaste in einer gewünsch- ten Dicke wird erfindungsgemäß auf die Stirnplatte (3) eine zum Muster der Öffnungen (5) komplementäre Schablone (6) aufgelegt. Anschließend wird die Lotpaste mit einem Rakel auf die Stirnplatte (3) aufgebracht und nach Entfernen der Schablone (6) in einem Ofen getrocknet. Die Schablone (6) zum Abdecken der Öffnungen (5) enthält Blenden (10), die durch dünne Stege (8) miteinander verbunden sind. Die Dicke der Schablone entspricht der gewünschten Dicke der Lotpasten-Beschichtung. Die mit den Stegen untereinander verbundenen Blenden (10) sind vorteilhaft durch weitere Stege in einem Rahmen (9) befestigt.

Die Schablonen für das erfindungsgemäße Verfahren werden bevorzugt aus einem Metallblech entsprechender Dicke mit Hilfe von Laserschneidverfahren ausgeschnitten.

Das Verfahren wird an Hand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: Längsschnitt durch einen Rohrbündel-Wärmetauscher

Figur 2: Aufsicht auf eine Stirnplatte des Rohrbündel-Wärmetauschers Figur 3: Schablone für die Beschichtung der Stirnplatte mit einer Lotpaste mittels Schablonendruck

Figur 4: Einzelheit A von Figur 1 mit Lotbeschichtung vor dem Verlöten der Wärmetauscherrohre mit nicht aufgeweiteten Enden der Rohre

Figur 5: Einzelheit A von Figur 1 mit Lotbeschichtung vor dem Verlöten der Wärmetauscherrohre mit aufgeweiteten Enden der Rohre

Figur 6: Beispiele für Schablonen mit verschiedenen Blendenquerschnitten: a) Blenden mit zylindrischen Querschnitt b) Blenden mit einem Querschnitt in Form eines Kegelstumpfes mit dem Kegelwinkel α c) Blenden mit gestuftem Querschnitt

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Rohrbündelwärmetauscher (1). Er weist im allgemeinen eine zylindrische oder prismatische Form mit einer Mantelfläche (2) auf, wobei die Querschnittsform kreisförmig oder zum Beispiel rechteckförmig sein kann. Das Gehäuse (2) des Wärmetauschers ist an beiden Enden durch jeweils eine Stirnplatte (3) verschlossen. Beide Stirnplatten weisen Öffnungen (5) in einem definierten Muster auf, durch die die Wärmetauscherrohre hindurchgeführt sind. Stirnplatten (3) und Wärmetauscherrohre (4) sowie das Gehäuse (2) sollen möglichst in einem Arbeitsgang miteinander verlötet werden. Im Betrieb wird das heiße Abgas des Dieselmotors durch die Wärmetauscher geführt. Die Kühlung erfolgt durch Kühlwasser, das gewöhnlich im Kreuz- oder Gegenstrom an den Wärmetauscherrohren vorbeigeführt wird. Die Zu- und Ableitungen für das Kühlwasser sind in Figur 1 nicht gezeigt.

Figur 2 zeigt beispielhaft eine Stirnplatte (3) für einen Rohrbündelwärmetauscher mit rechteckförmigem Querschnitt, in die die Öffnungen (5) für die Wärmetauscherrohre eingebracht sind. In Figur 2 ist angenommen, daß die Wärmetauscherrohre einen runden Querschnitt aufweisen. Das erfindungs- gemäße Verfahren ist jedoch in gleicher Weise auch für Wärmetauscher mit rechteckförmigen Rohren geeignet. Die Öffnungen (5) der Stirnplatte (3) weisen einen Abstand voneinander zwischen 0,1 und 2 mm auf. Bevorzugt liegt der Abstand zwischen 0,3 und 1 mm.

Figur 3 zeigt die Aufsicht auf eine Schablone zur Beschichtung der Stirnplatte von Figur 2 mit Lotpaste. Die Schablone weist einen Rahmen (9) auf, dessen Form mit der Form der Stirnplatte korrespondiert. Im Rahmen sind Blenden (10) im Muster der Öffnungen (5) der Stirnplatte (3) angeordnet. Die Blenden sind untereinander und mit dem Rahmen (9) über dünne Stege (8) verbunden. Die Anordnung der Stege (8) zwischen den Blenden (10) und zum Rahmen (9) ist eine Frage der Zweckmäßigkeit. Bevorzugt verbinden die Stege die Blenden (10) an den engsten Stellen zwischen ihnen.

Die Breite der Stege (8) zwischen den Blenden (10) der Schablone können zwischen 0,1 und 1, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 mm, betragen. Mit diesen Abmessungen der Schablone ist es möglich, konventionelle Lotpasten in einer Dicke zwischen 0,1 und 1, bevorzugt zwischen 0,4 und 0,8 mm, auf die Stirnplatte aufzubringen.

Die Schablone (6) wird bevorzugt aus Edelstahlblech mittels Laserschneiden hergestellt. Die verwendete Blechdicke bestimmt dabei die Dicke der aufzu- bringenden Lotpastenbeschichtung. Die Blenden weisen die gleiche Form wie die Öffnungen (5) in der Stirnplatte (3) auf. Die Genauigkeit der Konturen der Schablone liegt beim Laserschneiden bei ±2 μm. Beim Drucken wird diese Schablone auf die Stirnplatte aufgelegt und hat somit direkten Kontakt mit der Oberfläche der Stirnplatte. Dadurch ist es möglich, die Lotpaste auf die Stirnplatten mit der Genauigkeit von ±2 μm aufzubringen. Nach dem Aufbringen der Lotpaste wird die Schablone (6) gemäß der Erfindung entfernt und die Lotpaste getrocknet.

Figur 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt A von Figur 1. Es ist die Situation nach dem Aufbringen und Trocknen der Lotpaste (16) auf die Stirnplatte (3) gezeigt und vor dem Verlöten mit den durch die Öffnungen in der Stirnplatte hindurchgesteckten Wärmetauscherrohre (4). Die Öffnungen für die Wärmetauscherrohre sind stets etwas größer als die Querschnittsabmessungen der Rohre, um ein leichtes Einführen der Rohre zu ermöglichen. Die verbleibenden Spalte zwischen den Rohren und den Wänden der Öffnungen müssen beim Verlöten vollständig mit der verwendeten Lotlegierung gefüllt werden.

Figur 4 verdeutlicht die Anforderungen an die Genauigkeit, mit welcher die Lotpaste auf die Stirnplatten aufgebracht werden muß. Wenn die Lotpaste durch ungenauen Auftrag teilweise in die freien Öffnungen hineinragt, besteht die Gefahr, daß die getrocknete Lotpaste beim Einführen der Wärme- tauscherrohre zum Teil abgestoßen wird. Wird dagegen die Lotpaste sicherheitshalber mit deutlich größeren Öffnungen aufgebracht, so verbleiben um die Öffnungen in den Stirnplatten herum unbelotete Ring- oder Sichelzonen, die das Fließen der Lotlegierung in die Lotspalte verhindern können.

Figur 6 zeigt drei verschiedene Ausführungsformen der Druckschablone in Detailansicht. Mit der Schablone 6 a) kann ein Lotauftrag entsprechend Figur 4 erhalten werden. Die Blenden (10) weisen einen zylindrischen Querschnitt mit zylindrischen Schnitt- oder Mantelflächen (11) auf. Beim Abheben der Schablone von den Stirnplatten kann es deshalb passieren, daß noch frische Lotpaste von der Schablone mitgerissen wird. Diese Gefahr wird mit den Schablonenformen 6 b) und 6 c) vermindert.

Die Blenden (10) der Schablone 6 b) sind in Form von Kegelstümpfen ausgeführt, wobei die Schnitt- oder Mantelflächen (11) der Kegelstümpfe einen Kegelwinkel α zwischen 0 und 45° zu einer Kegelachse aufweisen. Durch diese Unsymmetrie muß zwischen Oberseite (12) und Unterseite (13) der Schablone unterschieden werden. Die Unterseite (13) der Schablone wird auf die Stirnplatten (3) der Wärmetauscher aufgelegt und muß daher den Abmessungen der Stirnplatten (3) mit ihren Öffnungen (5) entsprechen. Durch die geneigten Mantelflächen (11) kann die Schablone nach dem Beschichten leicht aus der noch feuchten Lotpaste ohne Abrisse der Lotpaste herausgehoben werden. Außerdem wird damit ein weiteres Problem gelöst, das in Figur 5 gezeigt ist: Figur 5 zeigt eine Variante zu Figur 4. In Figur 5 sind die Enden der Wärmetauscherrohre zur Fixierung der Rohre in der Stirnplatte etwas aufgeweitet. Dieser Vorgang wird auch als Aufkelchen bezeichnet. Hierbei besteht die Gefahr, daß die schon getrocknete Lotpaste abplatzt. Dies geschieht nicht, wenn die Mantelflächen (11) der Blenden (10) gemäß Figur 6 b) geneigt ausgeführt sind.

Alternativ zu geneigten Mantelflächen kann die Schablone (6) auch aus wenigstens zwei Teilschablonen (14, 15) bestehen, die vorteilhaft aufeinander laminiert sind, wobei die Blenden (10) der Teilschablonen von einer untersten Teilschablone (15) zu einer obersten Teilschablone (14) in Stufen zunehmende Durchmesser aufweisen und wobei die Blendendurchmesser der untersten Teilschablone (15) exakt dem Durchmesser der Blendenöffnungen (5) der Stirnplatten (3) entsprechen. Man erhält dann die in Figur 6 c) dargestellte gestufte Schablone. Diese gestufte Schablone verhält sich in der Anwendung ähnlich positiv wie Schablonen mit geneigten Mantelflächen.

Sind die Teilschablonen (14, 15) nicht aufeinander laminiert, sondern liegen einzeln vor, dann kann das Aufbringen der Druckpaste auch sequentiell erfolgen. Hierbei wird zunächst die unterste Teilschablone (15) aufgelegt und eine erste Schicht aus Lötpaste aufgebracht, anschließend vorteilhaft die Schablone entfernt und die Lötpaste getrocknet. Danach wird dann die oberste Teilschablone (14) aufgelegt und eine weitere Schicht aus Lötpaste aufgebracht, anschließend vorteilhaft die Schablone entfernt und die Lötpaste getrocknet. Werden mehrere Teilschablonen verwendet, so werden diese entsprechend ihrer Größen sequentiell zum Auftragen der Schichten aus Lötpaste verwendet. Die Zusammensetzungen der Lötpasten in den unterschiedlichen Schichten können gleich oder verschieden sein, vorteilhaft sind diese gleich. Auch die Dicken der Schichten und damit auch der Teilschablonen können gleich oder unterschiedlich sein und sind vorteilhaft gleich. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass an die Viskosität der Lötpasten geringere Anforderungen gestellt werden, so dass auch niedriger viskose Lötpasten verwendet werden können. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass beim sequentiellen Aufbringen der Schichten das Auflegen der Teilschablonen und das Aufbringen der Paste mit großer Genauigkeit ausgeführt werden müssen. Werden die Teilschablonen dagegen aufeinander befestigt und sind aufeinander laminiert, so kann verfahren werden wie mit der in Figur 6 b) abgebildeten Schablone mit einem Querschnitt in Form eines Kegelstumpfes. Schablonen aus laminierten Teilschablonen können leicht erhalten werden, indem die Teilschablonen beispielsweise gestanzt, gefräst oder gesägt und dann aufeinander laminiert werden.

Wie schon ausgeführt, werden die Schablonen für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt mit Hilfe eines Lasers aus Edelstahlblechen ausgeschnitten. Durch die keglige Strahlform des Lasers weisen die Schnitt- oder Mantelflächen auch schon bei senkrechtem Strahleinfall einen gewissen Neigungswinkel auf. Dieser Neigungswinkel kann darüber hinaus in gewünschter Weise durch schrägen Einfall des Schneidstrahls bewußt eingestellt werden.

Die EGR-Kühler werden im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt. Sie müssen daher mit einem hochtemperaturfesten Lot verlötet werden. Geeig- net hierfür sind Nickelbasislote, sogenannte Hochtemperaturlote.

Für die Belotung der Stirnplatten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Lotpasten verwendet, die zum Drucken dicker Schichten geeignet sind. Sie bestehen aus einem Lotpulver, einem organischen Bindemittel und einem Lösungsmittel. Bevorzugt weist die Lotpaste ein strukturviskoses Verhalten mit einer geringen Relaxationszeit auf. Durch die beim Druckvorgang wirkenden Scherkräfte verändert sich die Struktur des Bindemittels und die Viskosität der Lotpaste sinkt ab, so dass die Paste auch durch schmale Schablonenöffnungen auf das Bauteil gedruckt werden kann. Nach Ende des Druckvorgangs baut sich in kurzer Zeit die Struktur reversibel wieder auf und verhindert damit das ungewollte Verfließen der Lotpastenschicht. Eine geeignete Lotpaste ist zum Beispiel die kommerzielle Lotpaste P1002 der Anmelderin (siehe BrazeTec's Delivery Programme 999-01-2008, Seite 12). Diese Lotpaste enthält das Lotpulver NI 102-Pulver nach DIN EN 1044 mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent

Nickel: Rest

Chrom: 6.0 - 8.0 Silizium: 4.0 - 5.0 Bor: 2.75 - 3.5

Eisen: 2.5 - 3.5

Der Schmelzbereich dieses Lotpulvers liegt zwischen 970 und 1000 ⁰ C. Damit auch feine Strukturen im Schablonendruck aufgetragen werden können, wird Lotpulver einer Korngröße kleiner 63 μm verwendet, das in der Paste in einem Gewichtsanteil von 80 - 95 Gew.-% enthalten ist.