Onderzoek naar het verlichten van plaatvinnen

Te midden van toenemende concurrentie op de markt, nemen de winstmarges voor plaatvinradiatoren af. Sommige conventionele radiatortypen worden zelfs geprijsd op basis van gewicht. Om de winstgevendheid te vergroten, passen bedrijven alle mogelijke methoden toe om het productgewicht te verminderen als middel tot kostenreductie. De kern van een radiator is de kernstructuur, zoals weergegeven in Figuur 1, die tot 80% van het totale gewicht uitmaakt. Daarom wordt gewichtsvermindering van de kern een cruciaal onderdeel van het ontwerpproces voor lichtgewichtontwerp. Hoe kan de kern dan lichter worden gemaakt?

                                           Figuur 1: Diagram van de radiateurstructuur

De kern, die fungeert als het hart van de warmtewisselaar, is samengesteld uit vinnen, beklede platen en afdichtingsstrips. Een basiseenheid wordt gevormd door een vin op een beklede plaat te plaatsen, deze af te dekken met een andere beklede plaat en de zijkanten af te dichten met afdichtingsstrips, zoals geïllustreerd in Figuur 2. De kern van een plaatvin warmtewisselaar is opgebouwd uit vele van dergelijke basiseenheden. Op basis van deze kernstructuur is voor het bereiken van gewichtsvermindering een lichtgewichtontwerp van de samenstellende componenten noodzakelijk: afdichtingsstrips, scheidingsplaten en vinnen.

                                         Figuur 2: Basiseenheid van de Kernstructuur

Afdichtingsstrips bevinden zich aan beide zijden van elke stromingspassage in een plaatvin warmtewisselaar. Ze komen in verschillende structurele vormen, met gangbare breedtes variërend van 6 tot 10 mm. Een kleinere breedte resulteert in een lager gewicht, maar kan ook de lassuccesratio beïnvloeden. Momenteel worden holle afdichtingsstrips veel gebruikt om gewicht te verminderen en tegelijkertijd een adequate lasoppervlakte te behouden.

Beklede platen zijn de platte metalen platen die zich tussen twee lagen vinnen bevinden, ook wel dubbelzijdige beklede platen genoemd. Ze bestaan uit een basismetaallegering (meestal aluminium-mangaanlegering) die aan één of beide zijden is gecoat met een soldeerlegering. Tijdens het soldeerproces smelt deze vullegering, waardoor de vinnen en de platte platen tot een geheel worden verbonden. De vullegering is over het algemeen een aluminium-siliciumlegering met 5-12% silicium, met een smeltpunt dat typisch ongeveer 40°C lager ligt dan dat van het basismateriaal. Momenteel is de dikte van beklede platen verminderd van 0,8 mm naar 0,5 mm. Verdere reductie is beperkt door eisen aan drukbestendigheid en huidige procesmogelijkheden. In veeleisende toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart en de laagvliegeconomie is de dikte van beklede platen teruggebracht tot 0,45 mm of zelfs 0,4 mm, hoewel dit extreem hoge eisen stelt aan het soldeerproces.

Vinnen zijn het meest fundamentele element van een plaatvin warmtewisselaar, primair verantwoordelijk voor warmteoverdracht. Ze worden doorgaans vervaardigd met behulp van stempel- of rolvormmethoden. In de productie worden vinnen met lagere hoogtes en grotere spoeden over het algemeen geproduceerd door rolvormen (met een rolvormmachine), terwijl vinnen met grotere hoogtes en kleinere spoeden doorgaans worden geproduceerd door stempelen (met een golfmachine). Stempelen biedt een lagere productie-efficiëntie in vergelijking met de hogere efficiëntie van rolvormen. Gangbare diktes van aluminiumfolie die worden gebruikt zijn 0,15 mm, 0,17 mm en 0,2 mm.

Momenteel hebben radiatoren grotendeels een volledig aluminium constructie bereikt. De aluminiumfolie die voor vinnen wordt gebruikt, wordt steeds dunner, met een gangbare dikte van momenteel 0,17 mm, soms oplopend tot 0,15 mm. In kleinere kernassemblages kan de foliedikte zelfs tot 0,12 mm dalen. Naarmate de dikte van de vinfolie afneemt, neemt de weerstand tegen vervorming af. Vacuüm solderen omvat temperaturen die zeer dicht bij het smeltpunt van het materiaal liggen, waardoor het materiaal gevoelig wordt voor verzachting en vervorming. Kerninstorting en vervorming die tot schroot leiden, kunnen optreden tijdens het soldeerproces op hoge temperatuur, wat een belangrijke oorzaak is van vinverzachting. Op basis van de huidige vacuümsoldeermogelijkheden is de industriestandaard dikte 0,17 mm, met 0,15 mm haalbaar voor kleinere kernen. Experimentele inspanningen zijn gaande om de vin dikte verder te verminderen tot 0,12 mm, maar dit wordt momenteel alleen toegepast in gewichtsgevoelige lucht- en ruimtevaarttoepassingen en heeft nog geen wijdverbreide industriële adoptie gezien.

Geavanceerde productieprocessen zijn cruciaal voor het mogelijk maken van lichtgewicht ontwerpen.

Vacuüm Soldeertechnologie: Dit is een sleutelproces voor de productie van aluminium plaatvin radiatoren. Het maakt metallische binding mogelijk tussen vinnen en scheidingsplaten in een vacuümomgeving zonder de noodzaak van flux, wat resulteert in een sterke, schone, lekvrije geïntegreerde structuur.

Noclock Continue Soldeertechnologie: De verschuiving van vacuümsolderen naar Noclock continue soldeertechnologie wordt onderzocht als middel om kosten te verlagen.

Het selecteren van verschillende vintypes (zoals glad, gekarteld of gegolfd) maakt het mogelijk om warmteafvoer, stromingssnelheid en drukval te balanceren. Gekartelde vinnen verbeteren bijvoorbeeld de warmteoverdracht door de thermische grenslaag te verstoren. Sommige toonaangevende ultradunne volledig aluminium radiatoren maken gebruik van gepatenteerde platte buis turbulentie-bevorderende structuren en verdichte vinconfiguraties om de warmte-uitwisselingsprestaties te verbeteren.

Technologische ontwikkeling blijft gericht op verdere gewichtsvermindering. Sommige patenten stellen bijvoorbeeld voor om V-vormige groeven en uitsteeksels op korte afdichtingsstrips te ontwerpen om het gewicht van onderdelen te verminderen met behoud van sterkte, waardoor lichtgewicht radiatoren worden bevorderd.