Diffusionsverbundene Wärmetauscher mit gedruckten Schaltkreisen für raue Umgebungen

Kompakte Wärmetauscher mit gedruckten Schaltkreisen übertreffen Alternativen in extremen Umgebungen.

Herkömmliche Platten- oder Rohrbündelwärmetauscher werden seit langem in der verarbeitenden Industrie eingesetzt. Heutzutage greifen jedoch immer mehr Hersteller auf kompakte Wärmetauscher mit gedruckten Schaltkreisen (PCHEs) zurück, da viele neue Anwendungen hohe Drücke und Temperaturen erfordern und korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind.

Ein PCHE ist ein mehrschichtiger Wärmetauscher, der aus dünnen, flachen Metallplatten besteht, in die in jeder Schicht Mikrokanäle für die Flüssigkeitsströmung chemisch geätzt werden, um ein komplexes Strömungsmuster zu bilden. Die Schichten werden dann durch Diffusion miteinander verbunden, um einen dichten Wärmetauscher mit hervorragenden Luftströmungs- und Wärmeübertragungseigenschaften zu schaffen.

Bei dieser Konstruktion kann ein Wärmetauscher bis zu 85 % kleiner und leichter sein als herkömmliche Platten- oder Rohrbündelkonstruktionen. Darüber hinaus erfordern PCHEs keine übermäßigen Rohrleitungen, Rahmen oder andere zugehörige Strukturelemente, was die Kosten weiter senkt.

„Ein hochwertiges diffusionsgebundenes PCHE kann sehr hohen Drücken von Hunderten von Bar und extremen Temperaturen über 800 °C standhalten. Dadurch eignen sich PCHEs gut für eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen, darunter Öl und Gas, Tankstellen für Wasserstofffahrzeuge und Luft- und Raumfahrt“, sagte Dr. Udo Broich, Geschäftsführer der PVA Industrial Vacuum Systems GmbH, Wettenberg, Deutschland.

Dr. Broich, der seine Doktorarbeit zum Thema Fügetechnik verfasste, beschäftigt sich seit 25 Jahren mit dem Vakuumlöten und dem Diffusionsschweißen. Die PVA TePla AG ist ein weltweit tätiger Hersteller von Industrieöfen und PulsPlasma-Nitrieranlagen.

Seit vielen Jahren wird Diffusionsschweißen eingesetzt, um hochfeste und hochschmelzende Metalle zu verbinden, die mit anderen Mitteln nur schwer oder gar nicht möglich sind. Bei diesem Verfahren werden in einer Hochvakuum-Heißpresse, wie sie von PVA TePla angeboten wird, hohe Temperaturen und Druck auf das Verbindungsteil ausgeübt. Dies führt dazu, dass sich die Atome auf festen Metalloberflächen vermischen und verbinden.

Wenn die Materialien ähnlich sind, weist das endgültige Stück kaum oder gar keine Grenzlinien oder Streifen auf; die Grenzfläche eines Materials geht in das andere über und umgekehrt. Das gleiche Ergebnis kann mit der richtigen Ausrüstung, Materialvorbereitung und dem richtigen Prozess auch mit unterschiedlichen Materialien erzielt werden.

Der Schlüssel zum Prozess liegt in der Nutzung der Diffusionsbindung zum Verbinden der Schichten gegenüber anderen Alternativen, wie etwa dem Vakuumlöten. Obwohl Hartlöten unter normalen Bedingungen häufig zum Verbinden von Metallen eingesetzt wird, kann es bei hohen Temperaturen, hohem Druck oder Korrosion unzureichend sein.

Beim Hartlöten handelt es sich um einen Verbindungsprozess, bei dem zwei oder mehr Metallteile durch Schmelzen und Einfließen eines Füllmetalls in die Verbindung miteinander verbunden werden. Der Zusatzwerkstoff fließt durch Kapillarwirkung in den Zwischenraum zwischen den Schichten.

Bei richtiger Wahl des Füllmaterials und der Prozessparameter können beim Hartlöten auch hochfeste und temperaturbeständige Verbindungen geschaffen werden. Da der Zusatzwerkstoff jedoch immer eine andere chemische Zusammensetzung aufweist als die Werkstoffe der Fügeteile, erreichen die Eigenschaften gelöteter Bauteile in der Regel nicht die eines Massivteils, so Dr. Broich.

„Beim Hartlöten eines PCHE müssen Ingenieure ein weiteres Problem berücksichtigen: Beim Hartlöten kann geschmolzenes Zusatzmetall in die Mikrokanäle eindringen und sich verfestigen, wodurch die für den Luftstrom erforderlichen Kanäle blockiert werden. Dies kann die PCHE ziemlich unwirksam machen“, sagte Dr. Broich. „Da beim Diffusionsschweißen kein Zusatzmetall erforderlich ist und es sich um einen Festkörperverbindungsprozess handelt, bleiben die Mikrokanäle intakt.“

„Wenn die Schichten eines PCHE durch Diffusion verbunden werden, behält das Endprodukt die mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials. Aufgrund der hohen Festigkeit und Integrität des Materials können PCHEs sehr harten Betriebsbedingungen standhalten“, erklärte Dr. Broich.

Ein wesentlicher Vorteil von diffusionsgebundenen PCHEs besteht darin, dass sie die Größe des Wärmetauschers deutlich reduzieren.

„PCHEs haben etwa 85 % weniger Masse und Volumen als herkömmliche Wärmetauscher, während die Mikrokanäle eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch bieten“, sagte Dr. Broich. „Um die gleiche Wärmeübertragungsrate mit einem Standarddesign [Platten- oder Rohrbündelwärmetauscher] zu erreichen, ist viel mehr Masse und Volumen erforderlich.“

Aufgrund der inhärenten Vorteile von diffusionsgebundenen PCHEs übernehmen viele Branchen diese sich entwickelnde Technologie, um die Wärmeübertragung in verschiedenen Anwendungen zu verbessern.

Die kompakten, effizienten Wärmeübertragungsfähigkeiten von PCHEs sind ideal für viele Öl- und Gasanwendungen, einschließlich Vorwärmer, Überhitzer, Gaskompressionskühler, Hochtemperatur-Rekuperatoren und Flüssigerdgas-Wärmetauscher (LNG).

Beispielsweise wird bei der Offshore-LNG-Produktion Erdgas in eine Flüssigkeit umgewandelt, um es sicher transportieren oder lagern zu können, wenn keine Pipelines verfügbar sind. LNG nimmt in flüssiger Form nur einen Bruchteil des Raums ein, allerdings muss das Erdgas im Rahmen des Prozesses auf etwa -260 °F abgekühlt werden, wodurch Wärme entsteht.

Ein PCHE ist eine praktische, kompakte Lösung für kleine Bereiche wie an Bord von Schiffen.

PCHEs sind eine Anforderung an Tankstellen für Wasserstofffahrzeuge. Gespeicherter Wasserstoff muss auf ca. -40 °C vorgekühlt werden, bevor er in den Tank des Fahrzeugs überführt wird. Dieser Kühlprozess verhindert mögliche Schäden durch zu hohe Temperaturen, die beim Befüllen zu Schäden an den Tanks führen können.

„Um einen Tank zu füllen, wird unter Druck stehender Wasserstoff mit etwa 1.000 Bar abgegeben; Dieser Prozess erzeugt übermäßige Wärme“, sagte Dr. Broich. „Da es wichtig ist, dass die Temperatur die kritischen Grenzen des Tanks nicht überschreitet, wird Wasserstoff auf etwa -40 °C vorgekühlt. Der PCHE im Kühlkreislauf der Tankstelle muss einem Druck von 1.000 oder mehr Bar und Temperaturen von bis zu -50 °C standhalten. Das kompakte Design von PCHEs erleichtert auch die Integration in das Gehäuse des Wasserstoffspenders.“

Kühlkörper aus Aluminium werden häufig für das Wärmemanagement vieler wichtiger Geräte eingesetzt, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt, beispielsweise in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Bei Elektrobatterien werden häufig auch Kühlkörper aus Aluminium verwendet.

Die am häufigsten in Kühlkörpern und Wärmetauschern verwendeten Aluminiumlegierungen sind die Legierungen der 6000er-Serie. Magnesium und Silizium sind jedoch die Hauptlegierungselemente und lassen sich mit Methoden wie Hartlöten nur schwer verbinden.

„Bei vielen Kühlkörperanwendungen ist Lötflussmittel oft verboten. Daher bleibt das Vakuumlöten eine Fügetechnik mit Zusatzwerkstoffen auf Basis einer eutektischen Aluminium-Silizium-Legierung. Allerdings haben diese Legierungen einen Schmelzpunkt von 580 °C, der sehr nahe am Schmelzpunkt des Grundmaterials liegt und somit nur ein winziges Prozessfenster für die Erzielung hochwertiger Verbindungen bietet“, sagte Dr. Broich.

Er weist darauf hin, dass PVA TePla im Laufe der Jahre ein Diffusionsschweißverfahren entwickelt hat, um hochlegierte Aluminiummaterialien wie 6061 erfolgreich zu verbinden.

Es gibt verschiedene Ansätze für die Ofenkonstruktion und Prozessimplementierung für das Diffusionsschweißen von PCHEs. Fortschritte bei Heißpressen im Hochvakuumofen ermöglichen eine bessere Druckkontrolle und schnelle Kühlsysteme, die die Bindung verbessern, die Ausbeute erhöhen und die Zykluszeit deutlich verkürzen.

Hersteller wie PVA TePla bieten Mehrzylindersysteme mit großen Pressplatten an, die verschiedene Teile aufnehmen. Der größte, der MOV 843 HP des Unternehmens, kann Substrate mit einer Größe von bis zu 950 mm (37,4 Zoll) x 1300 mm (51,18 Zoll) verarbeiten, was eine recht große Fläche für das Diffusionsschweißen darstellt.

Die Presskraft beträgt 8.000 kN. Es wird daran geforscht, auch diese geometrische Einschränkung zu verstärken.

Die integrierte Presse sorgt durch die Steuerung und Synchronisierung jedes Zylinders für einen bemerkenswert gleichmäßigen Druck auf der gesamten Oberfläche. Der MOV verfügt außerdem über integrierte Druckwandler an der Unterseite der Pressplatte.

Die einzelnen Hydraulikzylinder können in der Software angepasst werden, um anhand von Sensorrückmeldungen eine Gleichmäßigkeit auch über große Flächen zu erreichen.

Dr. Broich weist darauf hin, dass eine hohe Bindungsstärke für Anwendungen mit PCHEs unter extremen Bedingungen von entscheidender Bedeutung ist.

„Es erfordert eine hochfeste Konstruktion [wenn eine Hochvakuum-Heißpresse benötigt wird] der Presseinheit [Pressstempel und Platten), um 800 oder 1.000 Tonnen bei 1.000 °C oder noch höheren Temperaturen zu übertragen“, sagte Dr. Broich.

Darüber hinaus sollte die Presseinheit so konstruiert sein, dass die Masse innerhalb der heißen Zone minimiert und gleichzeitig eine gleichmäßige Kraftverteilung im gesamten Arbeitsraum und der Pressplatte erreicht wird, so Dr. Broich.

„Das Design einer Diffusionsschweißmaschine sollte möglichst kurze Zykluszeiten ermöglichen und gleichzeitig Energie sparen, indem die thermische Masse reduziert wird. Dies ist sehr wichtig für Produktivität und Wirtschaftlichkeit“, betonte er.

Um ein hochwertiges diffusionsgebundenes PCHE herzustellen, kann die Zusammenarbeit mit einem kompetenten Partner wie PVA TePla für Hersteller, die Prozess- und Technologieunterstützung benötigen, von entscheidender Bedeutung sein.

„Die meisten unserer Kunden sind mit dieser Technologie nicht vertraut. Wir unterstützen sie mit grundlegenden prozesstechnischen Kenntnissen, damit sie die Maschine richtig nutzen können, um ein hochwertiges diffusionsgebundenes PCHE herzustellen“, sagte Dr. Broich.

Aufgrund des schnell wachsenden Bedarfs an dieser Präzisionstechnologie in den USA eröffnet PVA TePla ein Diffusionsbond-Technologiezentrum in Corona, Kalifornien. In diesem Sommer wird ein vollwertiger Industrieofen verfügbar sein, der den in Deutschland angebotenen Möglichkeiten entspricht.

PVA TePla wird in der Lage sein, die Klebefähigkeiten der Maschine zu demonstrieren, Forschungs- und Entwicklungsmuster durchzuführen und Verarbeitungsdienstleistungen anzubieten.

„Sowohl in den USA als auch in Deutschland können wir die Qualität der Anleihen nachweisen, bevor sich ein Kunde für die Investition in eine Maschine entscheidet. Wir kümmern uns um die meisten Elemente der Prozessentwicklung, um die Technologie zu testen und bei der Skalierung auf Produktionsmengen zu helfen. Alternativ können wir unseren Kunden die komplette Lohnabwicklung anbieten, wenn sie die Produktion auslagern“, so Dr. Broich.

pvateplaamerica.com