制造具有优选地用于流体循环的空心区域的模块的方法

摘要

本发明涉及一种制造具有空心区域(2)的模块的方法，包括：制造组件(4)的步骤：该组件包括至少一个凹板(6)，该凹板具有与至少一个面(6a)连通的凹部(8)，在其上限定有凹部轮廓(10a)，并且，在面(6a)与组件的直接邻近的板(12)之间具有沿着凹部轮廓延伸的材料串束(18)；处理组件的步骤：目的是获得串束(18)在与其接触的板(6，12)上的扩散结合，以便串束沿着其相关的凹部轮廓(10a)构成其间设置有材料串束的两个板(6，12)的密封结合；以及通过热等静压加强组件的步骤。

说明书

技术领域

本发明通常涉及制造具有空心区域的模块的领域，通过由热等静压产 生的扩散结合(diffusion bonding)来制造。

特别地，本发明应用于空心区域采用一个或多个通道的形式的模块的 制造，优选地被设计为用于流体循环。

对这种模块可考虑许多应用，例如热交换器，优选地是那些所谓的紧 凑型板式热交换器，由其获得的热交换由于热交换表面积与交换器的体积 具有较大比例而非常令人满意。例如，这可涉及一种包括一个模块或在板 堆叠方向上交替地形成第一流体循环区域和第二流体循环区域的堆叠模 块的热交换器系统，并将其设计为在这些流体循环区域的至少一个中发生 化学反应，该化学反应可能是起催化作用的。因此，由于在这些区域的至 少一个内建立的化学反应，所以这种交换器也叫做反应器。更一般地，这 种热交换器叫做交换器/反应器。

注意到，对这种类型的交换器系统可考虑几种用途，例如，化学产品 或药物产品的生产，或者甚至燃料电池设备的生产。

还可考虑空心模块在以下装置中的其他应用，在制冷加压装置、吸热 器、热量回收装置中，更一般地，在具有内部流体循环通道的所有装置中。

背景技术

从现有技术得知，空心模块的制造以两个压制在一起以共同限定腔体 的沟槽板为基础，其中，该腔体中插入管道，管道的几何形状与所需循环 通道的几何形状相对应。在这种假设情况中，首先清洗待通过扩散来装配 的表面，堆叠零件，然后通过焊接或通过将板插入因焊接而不透气的外壳 中而使板的周边不透气。同样地，通过焊接至相同的两个板或焊接至外壳， 使管道端部的周边不透气。这种外壳叫做罐子。

在对由此形成的组件进行传统的排气之后，使其受到热等静压循环， 在该循环的过程中，不允许加压气体透入组件的元件之间的界面中，然后 允许通过扩散而使这些界面自身适当地彼此结合。然而，加压气体透入管 道中，使得管道受到与组件外表面的压力相同的压力。结果，不会发生管 道的压碎，这保持了管道的初始几何形状。

然而，在某些情况中，通道的形状使得其不由管道形成，特别是当通 道包括过于紧凑而无法通过弯曲直管来获得的弯道时。

在这一点上，注意到，仅仅以结构的显著退化为代价，通过在沟槽板 的热等静压中扩散结合来装配也是可行的，而无需在沟槽板之间插入管 道。事实上，如果不以不透气的方式堵塞通道的入口和出口，那么加压气 体在沟槽板之间透过并防止沟槽板结合。相反，如果不透气地堵塞通道的 入口和出口，那么通过由于压力而被压碎，这导致通道的尺寸精度的不可 接受的损失，或者甚至导致通道完全消失。在这种情况中，减小压力当然 将导致通道更少的压碎，但是也将伴随有结合接头强度的降低。

用于避免通道压碎的另一技术方案包括：用通过化学溶解或通过一些 其他方式而能够在装配之后除去的材料制成的芯部来填充沟槽，例如在文 献JP-A-2006 263746中所描述的。然而，实际上，已经证明填充材料的规 格及其去除是非常困难的。

从文献FR-A-2 879 489中得知又一种制造方法。该方法包括：加工 预示着板中的通道的沟槽，通过焊接对沟槽施加薄条带来密封这些沟槽的 顶部，然后通过热等静压将覆盖薄条带的盖子形式的第二元件装配至板。 该解决方案表现出几个缺点，其中包括：高成本、当通道不平直时难以在 薄条上焊接、难以对包括多个通道或较大长度的通道的结构进行检查并确 保条带的所有焊缝的气密性、或者甚至不可能以制造所谓的“3D”通道为 目的而构造在通道的深度上具有不规则道宽度的通道。

最后，从P.Norajitra等人的题为“HIP experiments on the first wall and  cooling plate specimens for the EU HCPB blanket(在用于EU HCPB垫板的 第一壁部和冷却板样本上的HIP实验”)的文献(核材料学报307-311 (2002))中得知另一种制造方法。描述了一种方法，包括：在两个步骤 中通过在热等静压中扩散结合来装配基本零件。所有或部分基本零件通过 使其并列(juxtaposing)而可能重新构成所需通道。将这些基本零件插入 不透气的罐子中，以形成然后被排气进而被堵塞的组件。替换地，再次不 透气地焊接基本零件的周边，并堵塞通道，以便形成包围空心区域的不透 气的外壳。

在第一扩散结合步骤的过程中，通常设置热等静压的温度和压力条件 以及该步骤的持续时间，以便一方面获得使零件的界面不透气的零件的结 合，另一方面使得通道的变形(如果存在的话)保持可忽略不计。

在此第一步骤之后，与通道相对地对组件钻孔，优选地与堆叠成直角， 以允许空气透过其。然后破坏(breach)空心区域的气密性。之后是第二 扩散结合步骤，该步骤在更高的压力下执行，以便确保在基本零件之间实 现良好质量的扩散结合。在此第二步骤的过程中，加压气体透入通道中， 与第一结合步骤不同，这使得可能避免通道的压碎并使通道保持可接受的 几何形状。

该解决方案表现出较大的缺点，即，为了在不严重地改变通道形状的 情况下在界面处提供结合，对热等静压的温度和压力条件所采用的妥协通 常证明难以发现。实际上，已经观察到，在大量情况中，在界面处获得令 人满意的气密性所需的压力导致通道的压碎，同时，使通道仅产生可忽略 不计的变形的最大压力并不足以在界面处获得令人满意的气密性。

发明内容

因此，本发明具有至少部分地改正以上结合现有技术发展所描述的缺 点的目的。

为此，本发明的目的是一种用于具有空心区域的模块的制造方法，包 括：

-包括制造组件的步骤：该组件包括按照堆叠方向堆叠的板并限定有 空心区域，其中，至少一个凹板具有构成所有或部分空心区域并在其一个 面处敞开的凹部，在其上限定有凹部轮廓，所述组件在限定有凹部轮廓的 每个面与组件在堆叠方向上的直接邻近的板之间包括沿着所述凹部轮廓 的材料串束；

-包括处理组件的步骤：目的是获得每个材料串束对与其接触的组件 的板的扩散结合，使得沿着其相关的凹部轮廓构成其间设置有材料串束的 两个板的不透气连接；以及

-包括加强组件的步骤：通过热等静压执行，以便在其元件之间获得 扩散结合，通过允许加压气体进入所述空心区域来执行所述加强步骤。

本发明的创造性在于材料串束的植入，在处理步骤的过程中，材料串 束受到有利于扩散结合的较大的塑性变形。这可由以下事实来解释：其在 与堆叠方向正交的平面中的截面比凹板的浮雕状(in relief)部分的截面小 得多，使得其承受的压毁力大得多。

因此，对于此处理步骤，容易找到足以使材料串束自身结合至其所接 触的组件的板的压力，从而确保其间设置有材料串束的两个板的不透气连 接，从而不会导致那些板的任何变形。有利地，由此实现界面处的结合， 并保持空心区域的几何形状。在这点上，注意到，优选地通过热等静压来 实现该处理步骤，但可采用任何其他的扩散结合技术，例如使用单轴压力， 使用重物，或者甚至使用夹紧系统。

当对处理步骤采用热等静压技术时，阻止加压气体进入空心区域，以 避免破坏串束的接触面处的结合。

如上所述，在此处理步骤的过程中观察到的扩散结合足以在材料串束 处获得气密性，但具有较低的机械强度，该机械强度旨在通过执行后续加 强(consolidation)步骤来加强。在开始此步骤之前，优选地通过在之前 提到的一个和/或另一个堆叠板上钻孔，使得加压气体能够透入空心区域 中。这使得可以施加非常高的压力，有利于在扩散结合的界面处实现较高 的机械强度，而不会导致空心区域的压碎，从而可保持期望的几何形状。 这可由以下事实解释：空心区域的内部受到与施加至经历压制的组件的外 表面的压力相同的压力。

另外，本发明允许更自由地形成空心区域的形状，优选地具有通道的 形式，特别是如果通过在板中激光切割来制造通道。所获得的通道的复杂 形状，例如“3D”通道，有利地能够获得紧凑型模块，当在交换器内使用 该模块时，其具有非常高的热性能，并且，当在交换器/反应器内使用该模 块时，其在化学反应物的混合物中具有高性能。

最后，并不需要铜焊来装配元件，因此在使用腐蚀性流体的情况中不 会带来麻烦。

优选地，每个材料串束被设计为与其相关的凹板形成一体，或者作为 插入物应用于组件。在后一种情况中，在处理步骤的过程中，串束通过扩 散使其自身结合至其间设置有串束的两个板，在两个板之间提供不透气的 密封。

优选地，组件的至少一个凹板具有形成所有或部分空心区域并仅在其 一个面处敞开的凹部，同时在其上限定有凹部轮廓。然后，使得与仅在其 一个面处限定凹部开口的凹板有关的材料串束与实心板或组件的另一凹 板配合。实心板满足封闭空心区域的功能，而凹板形成其其余部分。在后 一种情况中，分别设置于两个凹板的两个相对面中的这两个凹部轮廓优选 地是相同或相似的。

替换地或同时地，可以使组件的至少一个凹板具有形成所有或部分空 心区域并在其两个相对面处敞开的凹部，这种贯通的凹部在两个相对面的 每个面上限定一凹部轮廓。然后，使得与限定有贯通凹部的凹板有关的两 个材料串束与实心板配合或与组件的另一凹板配合。而且，这里，在后一 种情况中，分别设置于两个凹板的两个相对面上的两个凹部轮廓优选地是 相同或相似的。

自然地，组件可包括一堆按照上述解决方案之一或按照这些解决方案 的组合的板。

如上所述，在比对所述加强步骤所采用的压力低的压力下，也通过热 等静压执行所述组件处理步骤。

优选地，以如下方式制造组件，在其处理步骤之前，具有凹部的板的 面在堆叠方向上的正投影中的面积至少比其相关的材料串束的面积大N 倍，N大于1.5，优选地大于3。甚至更优选地，N大于4。

压缩力与材料在垂直于堆叠方向的平面中的截面成反比，较高的N 值有利于材料串束的变形，而并不利于凹板的终止于板的上述面处的浮雕 状部分的变形。这使得可以在仍旧保持板的完整性和几何形状的同时，在 塑性变形的材料串束处获得良好的不透气的密封。

优选地，所述组件在限定有凹部轮廓的凹板的每个面与组件在堆叠方 向上的直接邻近的板之间，还包括沿着这两个板的周边的边缘材料串束， 后续的组件处理步骤还在于获得每个边缘材料串束对其所接触的组件的 板的扩散结合，以便沿着板的周边形成其间设置有边缘材料串束的两个板 的不透气连接。

一种替代方式是，在处理步骤之前，例如通过TIG焊接将板在其周 边处焊接在一起。

优选地，所述空心区域具有多个流体循环通道的形式。

优选地，所述模块被设计为装配热交换器系统，但在不背离本发明范 围的前提下，可考虑上述所有应用情况。

优选地，所述模块具有板的形式，如同构成组件的多数元件。

在以下详细的非限制性描述中，将呈现本发明的其他优点和特征。

附图说明

将通过参考附图给出此描述，附图中：

图1示出了由于执行根据本发明的一个优选实施方式的方法而获得 的流体循环模块的示意性透视图；

图2示出了被设计为形成图1中的所述模块的组件在其处理之前的分 解透视图；

图3示出了图2中所示的组件的一部分的非分解透视图；

图4示出了沿着图2中的平面P剖开的组件的一部分的透视图；

图5示出了与图3中的视图类似的视图，该组件呈现一个替代实施方 式的形式；

图6示出了呈现另一替代实施方式的形式的组件的剖视图；

图7示出了与图6中的视图类似的视图，该组件呈现另一替代实施方 式的形式；以及

图8示出了构成图7中所示的组件的组成部分的凹板。

具体实施方式

参照图1，可看到用于热交换器系统的模块1，优选地是板式热交换 器的类型，例如被设计为提取核反应堆产生的热量。

典型地，此模块具有大约10至30cm的长度、大约10至15cm的宽 度以及大约1至5cm的厚度。然而，根据系统的应用，可考虑任何类型 的尺寸。

模块1(将在下文中描述对于本发明来说具体的模块的制造方法)具 有基本上平行六面体或板状的形状，多个流体循环通道2贯穿该模块。在 所示实例中，给出了具有入口2a和出口2b的单个通道2，在入口和出口 之间是多个优选地相互平行的通道部段2’。部段2’在其相应端部处成对地 连接。通道部段2’可以基本上是直线状的，如图1中的虚线示意性所示， 或者采用被认为合适的任何其他形状，例如所谓的弯曲或之字形形状。另 外，还可使这些通道2的部段适应所遇到的需求。通过示例性实例，其可 以是正方形、矩形，或者甚至是变化的形状，以产生“3D”通道。

为了继续制造此模块1，首先制造堆叠元件的组件，该组件通常指的 是图2中的标记4。

可在传统的优选地是水平的底座上执行堆叠，首先将金属板6放置在 底座上，该金属板优选地由X2CrNiMo17-12-2奥氏体不锈钢制成。板6 具有在其上面6a上敞开的凹部8，该凹部8构成整个通道2。为了获得在 面6a上限定凹部轮廓或通道轮廓的此盲凹部8，优选地执行传统的机加 工，优选地通过铣削。

在所示实例中，每个通道部段的截面基本上是正方形的，在同样基本 上是正方形的凹板6(一边是10cm且厚25mm)上测量，一边大约是10 mm。

组件4还包括实心的或非凹入的上板12，该上板优选地也由 X2CrNiMo17-12-2奥氏体不锈钢制成，也基本上是正方形的，一边是10cm 且厚15mm。

沿着基本上垂直于板的堆叠方向14堆叠这两个板6、12，因此所述 板优选地是平坦的，但是替换地，其可以是稍微弯曲的。

因此，上板12具有在向上的方向上由其平坦的下面12a封闭的功能， 板6的凹部8构成通道。

本发明的特征之一在于在两个板6、12之间的组件4中植入有插入物 16，该插入物包含沿着凹部轮廓10a设置的材料串束(strand)18，其在 从面6a突出的同时延伸其侧面，如可在图3中最佳地看到的。因此，材 料串束18限定一闭合线，具有大约0.3mm的高度和大约1mm的宽度的 矩形横截面。这里，串束同样优选地由X2CrNiMo17-12-2奥氏体不锈钢制 成，但是在不背离本发明范围的前提下，可选择与为板6、12所选择的材 料不同的材料。在这些有利于扩散结合的材料中，例如是钢、镍合金、铜 合金、钛合金、锆合金、铝合金和耐火材料合金。注意到，可利用此相同 类型的材料来制造板6、12。

在组件4中，板6、12之间的串束18的插入由此在其相对面6a、12a 之间产生间隙，此间隙的大小对应于串束18的高度。

在上述优选实施方式中，插入物16还包括边缘材料串束20，其在两 个板6、12之间，并沿着板的周边设置，如可在图3和图4中看到的。然 后，此串束20采用正方形闭合线的形状，具有优选地与串束18的截面相 同的截面，并由相同的材料制成。为了将两个串束18、20互相连接，提 供连接串束22，优选地是平直的，定位在两个串束18、20之间的间隔最 小的位置处。对这些连接串束22也选择相同的截面和相同的材料。

插入物16可通过机加工或通过将其优选地从薄金属片上切掉来制 造，优选地利用水射流或激光来切割。

在堆叠方向14上的正投影中，板6的面6a的面积比插入物的面积大 得多，其中，可选择大约3至7的比例R。当然，此比例与板6的终止于 面6a的浮雕状部分的截面与插入物16的截面之间的比例相同，所述截面 分别在垂直于堆叠方向14的平面中。

在优选实施方式中，在垂直于堆叠方向14的平面中的板6的浮雕状 部分的截面(其是限定凹部8的凹槽部分)，相当于也在垂直于堆叠方向 14的平面中的此板6的实心部分的截面的72％。

同时，在垂直于堆叠方向14的平面中的插入物16的截面相当于也在 垂直于堆叠方向14的平面中的板6的实心部分的截面的12.4％，后一截 面对应于插入物的横截面。

因此，上述比例R在这里大约是5.8。

通过将板的堆叠滑入不透气的外壳24来继续组件4的制造，然后外 壳在其端部被封闭，也处于不透气的方式。于是，此外壳(也叫做罐子) 的内部体积具有与堆叠的形状匹配的形状。当所需模块包括几个流体循环 等级时(未示出的情况)，即，沿着通过堆叠板6、12来获得的板的堆叠 方向堆叠有几个通道，此技术是特别优选的。

然而，一个替代实现方式包括：将两个板6、12在其周边处将一个焊 接在另一个的顶部上，优选地通过TIG焊接，以便形成包围构成空心区域 的通道2的不透气的外壳。

通过用热等静压处理组件4来继续模块1的制造。在压制之前，通过 制造于外壳24中的开口28抽出来执行组件的排气，这里如图2示出其中 一个侧壁中的开口。一旦实现排气，便用塞子30封闭开口28，以便相对 于组件4的外部实现通道/凹部的气密性。

通过施加现在将详细描述的温度和压力条件，在适当的外壳(未示出) 内执行组件4的压制。

导致压力和温度的上升，使得它们分别达到值P1和T1，例如分别设 定为6MPa和1000℃。在大约2小时的期间内进行处理，在此过程中， 施加于板6的浮雕状部分上的压缩力是大约6/0.72，或大约8.3MPa，且 施加于插入物16上的压缩力是大约6/0.124MPa，或大约48.3MPa，即 5.8倍大。

因此，串束18、20、22具有在低压处理过程中塑性变形的趋势，并 通过扩散在面6a、12a处结合至板6、12，所述串束设置于所述板之间。 在这些串束(在堆叠方向上被压缩)的扩散结合的过程中，施加至板6、 12的力不足以使它们变形，使得凹部8的几何形状保持不变。而且，当串 束在塑性变形的同时逐渐压缩时，其在垂直于堆叠方向的平面中的截面增 大，并且，压缩力同样程度地减小，直到串束停止变形为止。为了终止处 理步骤，还可考虑停止热等静压。

因此，在此处理步骤的过程中观察到的结合足以实现插入物的界面的 气密性，但是具有较低的机械强度，该机械强度旨在通过执行后续加强步 骤也通过热等静压来加强。这里，上述界面当然是串束18、20、22与板6 和12的面6a、12a之间的接触面。

中间步骤包括：对所处理的组件4钻孔，以便具有凹部8，该凹部构 成与此组件的外部连通的通道。优选地，通过在面向通道8的板6、12的 一个和/或另一个中钻孔来执行此连通，与所述堆叠成直角。可利用被认为 合适的任何技术来执行此步骤。

然后，加强步骤执行温度和压力的上升，分别达到大约1100℃的值 T2和大约120MPa的值P2。此步骤持续大约3小时，在此过程中，所施 加的压力由此比处理步骤过程中的压力高得多。这有利于在扩散结合的界 面处(即在面6a和10a处)获得良好的机械强度。而且，由于凹部8的 内部在此受到与施加至经历压制的组件的外表面的压力相同的压力，所以 组件4不会坍塌。

于是获得所谓的整体式模块1，相当于大而重的块，例如是多种材料 的，流体循环通道2贯穿所述模块。

在使用模块1前，执行一个或多个机加工操作，以便允许流体进入/ 离开模块的通道。

在热交换器系统中使用模块的过程中，例如通过位于通道2的入口 2a处的进入歧管(未示出)带进流体。然后，在通过出口2b离开并且例 如进入系统的排出歧管(未示出)之前，流体在通道2中的蛇形路径中循 环。

现在参照图5，可看到一个替换实施方式，其中，组件的凹板6包含 作为一个单元的边缘串束20和沿着凹部轮廓10a设置的材料串束18。因 此，这两个串束18、20从凹板的上面6a突出，采用具有与对以上实施方 式的插入物的串束所描述的截面基本上相同的截面的珠子(bead)的形状。 因此，在堆叠组件中不再需要此插入物，并将串束18、20设计为使其上 部仅与实心板12的下面12a接触，仍是为了在串束处在两个板6、12之 间获得不透气的连接的目的。

图6示出了组件4的一个不同的实施方式，其中，用凹板6’代替堆 叠的上板，该凹版具有与下凹板6的形状相同或相似的形状，该形状是固 定的。然而，翻转板6’，使得在其下面6’a敞开的其凹部8’面向凹部8， 两个凹槽8、8’彼此延伸并共同构成将获得的通道。此外，在堆叠方向14 上，面6’a上的凹部轮廓10’a和面6a上的凹部轮廓10a合并(merge)， 并且每个凹部轮廓通过介于两个板6、6’之间的插入物16的串束18延伸。

最后，在图7和图8所示的实施方式中，凹板6具有由此在其上面 6a和在其下面6b均敞开的贯通凹部8，以便分别限定凹部轮廓10a和凹 部轮廓10b。被设计为构成整个通道的凹部8在其上部被上实心板12封闭 (与之前的描述相同)，并在其下部被与上实心板相同的下实心板12封闭。

而且，在这里，插入物16介于凹板6和每个实心板12之间，优选地 通过激光切割来制造凹板。

在图6至图8的实施方式中，自然地，可使用与凹板一体的串束的解 决方案来代替插入物的解决方案，如参照图5示出的。

当然，本领域技术人员可对仅通过非限制性实例描述的本发明进行各 种修改。