JP2004517731A - 上下に積み重ねられかつ互いにろう付けされた複数のプレートから成る構成エレメントを製造する方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも部分的に切欠きが加工成形されている、上下に積み重ねられかつ互いにろう付けされた複数のプレートから成る構成エレメントを製造する方法であって、前記各プレートの間にろう付け拡散プロセスのために少なくとも１つのろう層を設ける形式の方法が提案される。本発明によれば、前記プレートが、該プレートの間に設けられたろう層と共に互いに積み重ねられて、ろう付け拡散プロセスの前に冷たい状態でプレスされる。このような手段により、実際のろう付け拡散プロセスの際に手間のかかるプレス工具を使用することが回避される。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、上下に積み重ねられかつ互いにろう付けされた複数のプレートから成る構成エレメント、たとえばマイクロ熱交換器（Ｍｉｋｒｏ−Ｗａｅｒｍｅｕｅｂｅｒｔｒａｇｅｒ）を製造する方法に関する。
【０００２】
背景技術
マイクロ熱交換器は、たとえば空調循環路における使用のために適している。さらに、マイクロ熱交換器は、たとえば出力電子装置内の電子構成素子を冷却する場合にも使用することができる。
【０００３】
特に車両における質量および／または容積を低減させるためには、熱交換器をコンパクトに製造することが望ましい。このために、幾つかの実施態様では、複数の通路、つまりチャンネルが加工成形されているプレートが互いに接合されて、構成部分集合体が形成される。チャンネル構造は、層構築加工（ａｕｆｔｒａｇｅｎｄ）によるか、または材料除去加工（ａｂｔｒａｇｅｎｄ）により製作され得る。材料除去加工による製作の場合には、フライス加工、エッチング加工またはたとえばレーザ加工により、材料から相応するチャンネルが形成される。これにより、流体が流れるチャンネル構造を製造することができる。層構築加工による製作の場合には、たとえば電気メッキステップにより、支持体上に構造体が構築される。個々のプレートの接合は、一般にろう付け法により行われる。接続部の取付けは、必ずしも１回の製作過程で済まされるとは限らない。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第１９８０１３７４号明細書に基づき、マイクロ構造化された金属薄板をろう付けするための方法が開示されている。この公知の方法では、薄板と、それぞれ隣接する２つの薄板の間に存在するろう付け層とから、１つの集合体であるスタックが形成され、このスタックは真空中または不活性ガス雰囲気中で押圧力負荷下にろう付け拡散プロセスに施される。このことは、相応して気密に閉じられた炉内で行われる。この過程では、特にマイクロ構造化された薄板から成るスタックを押圧力で負荷することが比較的厄介である。なぜならば、適当なプレス工具が、製造したい構成部分と共にろう付け温度にまで加熱されてしまうので、プレス工具はこのろう付け温度に耐えることができなければならないからである。
【０００５】
発明の課題および利点
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の構成エレメントの製造を簡単にすることである。
【０００６】
この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。
【０００７】
請求項２以下には、本発明の有利な改良形が記載されている。
【０００８】
本発明は、少なくとも部分的に切欠き、有利には通路もしくはチャンネルを形成するための切欠きが加工成形されている、上下に積み重ねられかつ互いにろう付けされた複数のプレートから成る構成エレメントを製造する方法であって、前記各プレートの間にろう付け拡散プロセスのために少なくとも１つのろう層を設ける形式の方法から出発する。ろう付け拡散プロセスは真空中または不活性ガス雰囲気中で実施されると有利である。そして、本発明の本質は、前記プレートを、該プレートの間に設けられた少なくとも１つのろう層と共に、あとで完成される構成部分の配置形式を考慮して互いに積み重ね、そして有利には冷たい状態で、まだろう付け拡散プロセスの前にプレスすることにある。この場合に本発明は、実際のろう付け拡散過程の前に前記プレートのプレスが実施されるだけで、ろう付け拡散プロセスの際に個々のプレートの良好な結合を得ることができ、これにより高温下でのろう付け拡散プロセスの際に前記プレートを比較的強力にプレスしなくて済むようになるという認識を利用している。これによって、従来では高いろう付け温度に耐えなければならなかった手間のかかるプレス工具を不要にすることができる。
【０００９】
本発明の特に有利な実施態様では、前記プレートと前記ろう層とから成るスタックに、ろう付け拡散プロセスの間、重しとしてウェイト、たとえばスチールブロックが載せられる。前プレスによっても、しばしば実際のろう付け拡散過程時に前記プレートの押合わせを完全に不要にすることはできない。もちろん、この場合には、通常の前プレスなしの場合に所要のプレス力を加えるためには不十分となるような載置ウェイトを用いて既に加えることのできる比較的小さなプレス力で既に十分となる。
【００１０】
本発明の別の特に有利な実施態様では、前記プレートと前記ろう層とから成るスタックが、ろう付け拡散プロセスのために収容部内に嵌め込まれる。この手段により、ろう付け過程の際のプレートスタックの確実な位置決めが保証される。収容部の載置面は、収容部の表面と、ろう付けしたいプレートスタックとの結合が回避されるように被覆されていると有利である。
【００１１】
収容部と、ろう付けしたいプレートスタックとの間の分離をさらに改善するためには、収容部とプレートスタックとの間に耐高熱性の絶縁材料を挿入することが提案される。
【００１２】
既にろう付けされたプレートスタックが、後続のろう付けプロセスによりたとえば接続部を直接に取り付ける際に損なわれてしまうことを回避するために、本発明のさらに別の有利な実施態様では、後続のろう付けプロセスを、先行したろう付けプロセスよりも低い温度で実施することが提案される。
【００１３】
確実なろう付け結合を経済的に製作しかつ保証するためには、前記プレートにプレスおよびろう付けの前にろう層、たとえば青銅層を電解質法でを被着させることが提案される。この場合に負圧条件下で行われる後続のろう付けプロセスのためには、ガス発生（Ａｕｓｇａｓｕｎｇ）を回避するために被覆体ができるだけ小さな光沢度を有するように配慮されなければならない。被覆体が空気との接触時に酸化傾向を示した場合には、このときに発生した酸化生成物が、ろう付け過程の前に、たとえば適当な溶液中への浸漬によって除去されると有利である。
【００１４】
本発明のさらに別の有利な実施態様では、前記プレートに、フォトリソグラフィによる構造化プロセスと、後続のエッチングプロセスとによって複数の切欠きが施与され、これによりたとえば流路を成すチャンネルが形成される。
【００１５】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１６】
実施例の説明
マイクロ熱交換器は、たとえば銅、アルミニウムまたはこれに類するものから成る、上下に積み重ねられた個々のプレート（薄板）から成っている。これらのプレートにはチャンネル構造および場合によっては位置決めのための補助構造が加工成形されている。個々の層の厚さならびにチャンネル（通路）の深さおよび幅は、広い範囲にわたって変化し得る。製作方法に応じて、方形のチャンネルまたは方形ではないチャンネルが得られる。
【００１７】
図１ａ〜図１ｆには、たとえば構造化されたプレートの種々の製造過程が示されている。これらのプレートは後続のろう付け拡散プロセス（Ｌｏｅｔｄｉｆｆｕｓｉｏｎｓｐｒｏｚｅｓｓ）のために上下に積み重ねることができる。基板１には、両面でドライフォトレジストフィルム２，３が積層される。マスク、たとえばシートマスク４を用いて、感光性のフォトレジストフィルム２，３がＵＶ放射線（矢印５により概略的に示す）によって露光される。チャンネル構造の製作時に一般に必要とされる精度を得るためには、廉価なシートマスクとコンタクト露光装置とで、たいていは十分である。露光されたフォトレジストフィルム２，３は適当な現像剤中で構造化される。このときに、あとでチャンネルを形成する範囲が露出される。各部分を個別化するためには、フォトレジストフィルム２，３が基板１の両面に被着されるだけではなく、基板１の両面でのフォトレジストフィルム２，３の露光および現像も行われる。この場合、上面と下面との、互いに向かい合って位置する個所で同時にエッチングが行われて、基板１は完全に分断される（図１ｄ）。たとえば等方性のエッチング特性を示す、使用されるエッチング剤に相応して、方形の輪郭ではなく、丸められたチャンネル横断面７が形成される。
【００１８】
エッチングプロセスは種々様々な形式で実施され得る。無電流エッチング除去では、金属溶解がレドックス反応、つまり酸化・還元反応により行われる。この場合に金属は酸化されかつ溶解される。この方法は通常、大きな基板面のために使用される。この場合には、基板に、製作したい熱交換器のための多数の個別層が相並んで配置されている。エッチングは連続法での廉価な製造のためにスプレエッチング設備で行うことができる。
【００１９】
エッチングプロセスの実施後に、フォトレジストフィルム２，３は除去される（図１ｅ）。
【００２０】
次の加工ステップとして、電解質被覆が行われる（図１ｆ）。たとえば、基板１の両面に青銅被覆体（ＣｕＳｎ_６）８が被着される。
【００２１】
図２ａおよび図２ｂには、図示の方法経過に相応して製造された、構造化されたプレート９，１０の平面図が示されている。プレート９，１０は方形に形成されており、この場合、プレート１０には、長手方向で複数の流れチャンネル（流れ通路）１１が、プレート９には横方向で複数の流れチャンネル１２が、それぞれ片面でのみエッチング加工されている。プレート９，１０には、さらに両面エッチングにより複数の孔１３が形成されており、これらの孔１３によってプレート９，１０を交互にかつ位置正確にガイドピン１４（図３参照）に差し被せることができる。プレート９，１０の外側輪郭はやはり両面エッチングにより形成されているが、しかしこの場合、プレート９，１０は基板内にノーズ１５によって保持されており、これらのノーズ１５は個々のプロセスステップ中の不本意な機械的破断を阻止する。
【００２２】
図３には、２つのジョー１７，１８の間で交互に上下に積み重ねられたプレート９，１０のスタック（積重ね体）１６が、ガイドピン１４に差し被された状態で示されている。上側のジョー１８によって、プレートスタック１６はプレートを結合するためのろう付け拡散プロセスのために少しだけ圧力で負荷される。すなわち、上側のジョー１８は押圧ウェイトとして働く。青銅被覆体がろうとして使用されるろう付け拡散過程の成功を決定付ける要因は、プレートスタック１６のプレス過程である。このプレス過程は有利には、実際のろう付け拡散過程の前に冷たい状態でプレス、たとえばハンドブレス内でジョー１７，１８を用いて行われる。これにより、従来ではろう付けのための炉内に一緒に持ち込まれてかつ一緒に加熱されなければならなかった複雑なプレス工具が回避される。プレス後に、プレートスタック１６をジョー１７，１８と共にプレス工具なしに、たとえば単チャンバ真空炉内に簡単に持ち込むことができる。この単チャンバ真空炉内でプレートスタック１６はろう付け温度にまで加熱される。
【００２３】
冷却段階の後に、ろう付けの完了したプレートスタック１９（図４ａ参照）を後加工のために炉から再び取り出すことができる。
【００２４】
図４ｂには、交互に積み重ねられたプレート９，１０と流れチャンネル１２とを備えたプレートスタックの一部が拡大されて図示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
たとえばマイクロ熱交換器に用いられる、構造化されたプレートを製造するための第１のプロセスステップを示す概略的な断面図である。
【図１ｂ】
たとえばマイクロ熱交換器に用いられる、構造化されたプレートを製造するための第２のプロセスステップを示す概略的な断面図である。
【図１ｃ】
たとえばマイクロ熱交換器に用いられる、構造化されたプレートを製造するための第３のプロセスステップを示す概略的な断面図である。
【図１ｄ】
たとえばマイクロ熱交換器に用いられる、構造化されたプレートを製造するための第４のプロセスステップを示す概略的な断面図である。
【図１ｅ】
たとえばマイクロ熱交換器に用いられる、構造化されたプレートを製造するための第５のプロセスステップを示す概略的な断面図である。
【図１ｆ】
たとえばマイクロ熱交換器に用いられる、構造化されたプレートを製造するための第６のプロセスステップを示す概略的な断面図である。
【図２ａ】
図１ａ〜図１ｆに示したプロセスステップを通過した、構造化されかつ被覆された２種類のプレートのうちの一方のプレートを示す平面図である。
【図２ｂ】
図１ａ〜図１ｆに示したプロセスステップを通過した、構造化されかつ被覆された２種類のプレートのうちの他方のプレートを示す平面図である。
【図３】
押圧ウェイトを備えた収容部内の上下に積み重ねられたプレートを示す概略図である。
【図４ａ】
ろう付けの完了したマイクロ熱交換器の斜視図である。
【図４ｂ】
ろう付けの完了したマイクロ熱交換器の一部を拡大して示す図である。

Claims (8)

1. 少なくとも部分的に切欠き（１１，１２，１３）が加工成形されている、上下に積み重ねられかつ互いにろう付けされた複数のプレート（９，１０）から成る構成エレメントを製造する方法であって、前記各プレート（９，１０）の間にろう付け拡散プロセスのために少なくとも１つのろう層（８）を設ける形式の方法において、前記プレート（９，１０）を、該プレート（９，１０）の間に設けられたろう層（８）と共に互いに積み重ねて、ろう付け拡散プロセスの前にプレスすることを特徴とする、上下に積み重ねられかつ互いにろう付けされた複数のプレートから成る構成エレメントを製造する方法。
2. 前記プレート（９，１０）と前記ろう層（８）とから成るスタックに、ろう付け拡散プロセスの間、重しとしてウェイトを載せる、請求項１記載の方法。
3. 前記プレート（９，１０）と前記ろう層（８）とから成るスタックを、ろう付け拡散プロセスのために収容部（１４，１７，１８）内に嵌め込む、請求項１または２記載の方法。
4. 前記収容部の構成部分とプレートスタック（１６）との間に耐高熱性の絶縁材料を挿入する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 接続部を、先行して行われたろう付けプロセスにおけるよりも低いろう付け温度で行われる後続のろう付けプロセスで取り付ける、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記プレート（９，１０）にプレスおよびろう付けの前にろう層（８）を被着させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記プレート（９，１０）に、フォトリソグラフィによる構造化プロセスと、後続のエッチングプロセスとによって複数の切欠き（１１，１２，１３）を施与する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 当該方法を、マイクロ熱交換器の製造のために使用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。