Forschung über die Leichtigkeit von Radiatoren mit Plattenflossen

Angesichts des zunehmenden Wettbewerbs auf dem Markt sinken die Gewinnspannen für Plattenwärmetauscher. Einige herkömmliche Kühlertypen werden sogar nach Gewicht bepreist. Um die Rentabilität zu steigern, setzen Unternehmen alle möglichen Methoden ein, um das Produktgewicht als Mittel zur Kostensenkung zu reduzieren. Der Kern eines Kühlers ist seine Kernstruktur, wie in Abbildung 1 gezeigt, die bis zu 80 % des Gesamtgewichts ausmacht. Daher wird die Gewichtsreduzierung des Kerns zu einem entscheidenden Teil des Konstruktionsprozesses für Leichtbau. Wie kann der Kern leichter gemacht werden?

                                           Abbildung 1: Diagramm der Kühlerstruktur

Der Kern, der das Herzstück des Wärmetauschers bildet, besteht aus Lamellen, Plattierungen und Dichtleisten. Eine Basiseinheit wird gebildet, indem eine Lamelle auf eine Plattierung gelegt, mit einer weiteren Plattierung abgedeckt und die Seiten mit Dichtleisten versiegelt werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Kern eines Platten-Lamellen-Wärmetauschers wird aus vielen solchen Basiseinheiten zusammengesetzt. Basierend auf dieser Kernstruktur erfordert die Gewichtsreduzierung die Leichtbauweise seiner Bestandteile: Dichtleisten, Trennbleche und Lamellen.

                                         Abbildung 2: Basiseinheit der Kernstruktur

Dichtleisten befinden sich auf beiden Seiten jedes Strömungskanals in einem Platten-Lamellen-Wärmetauscher. Sie sind in verschiedenen strukturellen Formen erhältlich, wobei gängige Breiten von 6 bis 10 mm reichen. Eine geringere Breite führt zu einem geringeren Gewicht, kann aber auch die Schweißnahtrate beeinträchtigen. Derzeit werden hohle Dichtleisten häufig verwendet, um das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig eine ausreichende Schweißfläche zu erhalten.

Plattierungen sind die flachen Metallplatten, die sich zwischen zwei Lamellenschichten befinden und auch als beidseitige Plattierungen bezeichnet werden. Sie bestehen aus einer Basislegierung (typischerweise Aluminium-Mangan-Legierung), die auf einer oder beiden Seiten mit einer Lötmittellegierung beschichtet ist. Während des Lötprozesses schmilzt diese Lötmittellegierung und verbindet die Lamellen und die flachen Platten zu einer integrierten Einheit. Die Lötmittellegierung ist im Allgemeinen eine Aluminium-Silizium-Legierung mit 5-12 % Silizium, deren Schmelzpunkt typischerweise etwa 40 °C niedriger ist als der des Grundmaterials. Derzeit wurde die Dicke von Plattierungen von 0,8 mm auf 0,5 mm reduziert. Eine weitere Reduzierung ist durch Druckfestigkeitsanforderungen und aktuelle Prozessfähigkeiten begrenzt. In anspruchsvollen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und der Niedrigwirtschaft wurde die Dicke der Plattierungen auf 0,45 mm oder sogar 0,4 mm reduziert, obwohl dies extrem hohe Anforderungen an den Lötprozess stellt.

Lamellen sind das grundlegendste Element eines Platten-Lamellen-Wärmetauschers und hauptsächlich für die Wärmeübertragung verantwortlich. Sie werden typischerweise entweder durch Stanzen oder Rollformen hergestellt. In der Produktion werden Lamellen mit geringerer Höhe und größerem Abstand im Allgemeinen durch Rollformen (mit einer Rollformmaschine) hergestellt, während Lamellen mit größerer Höhe und kleinerem Abstand typischerweise durch Stanzen (mit einer Riffelmaschine) hergestellt werden. Das Stanzen bietet im Vergleich zur höheren Effizienz des Rollformens eine geringere Produktionseffizienz. Gängige Aluminiumfolienstärken sind 0,15 mm, 0,17 mm und 0,2 mm.

Derzeit sind Kühler weitgehend in Vollaluminiumbauweise ausgeführt. Die für Lamellen verwendete Aluminiumfolie wird zunehmend dünner, wobei derzeit eine vorherrschende Dicke von 0,17 mm, manchmal auch 0,15 mm, erreicht wird. Bei kleineren Kernbaugruppen kann die Folienstärke sogar auf 0,12 mm reduziert werden. Mit abnehmender Lamellenfolienstärke nimmt ihre Verformungsbeständigkeit ab. Vakuumlötung beinhaltet Temperaturen, die sehr nahe am Schmelzpunkt des Materials liegen, wodurch das Material anfällig für Erweichung und Verformung wird. Kernkollaps und Verformung, die zu Ausschuss führen, können während des Hochtemperatur-Lötprozesses auftreten, was eine wesentliche Ursache für die Erweichung der Lamellen ist. Basierend auf den aktuellen Vakuumlötungsfähigkeiten beträgt die Branchenstandarddicke 0,17 mm, wobei 0,15 mm für kleinere Kerne erreichbar sind. Es werden experimentelle Anstrengungen unternommen, um die Lamellendicke weiter auf 0,12 mm zu reduzieren, dies wird jedoch derzeit nur in gewichtskritischen Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt und hat noch keine breite industrielle Anwendung gefunden.

Fortschrittliche Herstellungsverfahren sind entscheidend für die Ermöglichung von Leichtbauweisen.

Vakuumlöttechnologie: Dies ist ein Schlüsselprozess für die Herstellung von Aluminium-Platten-Lamellen-Kühlern. Sie ermöglicht eine metallurgische Verbindung zwischen Lamellen und Trennblechen in einer Vakuumumgebung ohne Flussmittel, was zu einer starken, sauberen, leckfreien integrierten Struktur führt.

Noclock-Durchlauf-Löten: Der Übergang vom Vakuumlöten zum Noclock-Durchlauf-Löten wird als Mittel zur Kostensenkung untersucht.

Die Auswahl verschiedener Lamellentypen (wie glatt, gezahnt oder gewellt) ermöglicht ein Gleichgewicht zwischen Wärmeableitung, Strömungsgeschwindigkeit und Druckabfall. Gezahnte Lamellen verbessern beispielsweise die Wärmeübertragung, indem sie die thermische Grenzschicht stören. Einige branchenführende ultradünne Ganzaluminium-Kühler verwenden proprietäre Flachrohr-Turbulenzförderstrukturen und verdichtete Lamellenkonfigurationen, um die Wärmeübertragungsleistung zu verbessern.

Die technologische Entwicklung konzentriert sich weiterhin auf weitere Gewichtsreduzierung. Einige Patente schlagen beispielsweise die Gestaltung von V-förmigen Nuten und Vorsprüngen an kurzen Dichtleisten vor, um das Gewicht von Teilen zu reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit zu erhalten, wodurch die Leichtbauweise von Kühlern gefördert wird.