CN102798253A - 一种全铝管翅式平行流换热器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种全铝管翅式平行流换热器，包括集流管、翅片和冷媒管，集流管、翅片或冷媒管至少在相互接触的部位是复合铝，复合铝表层的熔点温度低于基层的熔点温度。冷媒管带有内翅，带有通孔折边的翅片套装在冷媒管上，冷媒管两端插入集流管的翻边孔内，冷媒管的内部空间与集流管的内部空间相通，三者组装后，整体加热至复合铝表层熔点温度和基层熔点温度之间，表层熔化并起钎焊料作用，将全铝管翅式平行流换热器及其附件焊接成为一个整体。本发明可实现全铝管翅式平行流换热器的产业化生产，焊接质量一致，易于控制，可实现换热器的自动装配，保持换热器长期使用性能的一致。

Description

一种全铝管翅式平行流换热器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种平行流换热器，尤其涉及一种全铝管翅式平行流换热器。

背景技术

平行流热交换器易于优化分配冷媒流动和传热特性，具有较高的换热效率。现有平行流换热器多采用板翅式结构，其换热单元如图1所示，这些换热单元组成的换热器如图2所示，这种板翅式换热单元组成的换热器因为“板”(通常为微通道扁管的平侧面)的存在，导致空气侧的冷凝水无法顺利下行排除，影响换热效率，如果将换热器在空调中用于室外侧热交换器，在低温制热工况下，极易发生冰堵，甚至导致空调无法运行。与此相对，传统型管翅式换热器，由于冷凝排水机理较佳，基本不存在此类问题，而得以大量使用，热泵型空调机室外侧换热器中，铜管铝翅式换热器占有绝对主导地位。

近年来，首先在汽车空调中广泛使用的平行流全铝换热器不使用铜材，如CN201706910U公开了一种车用全铝管片式换热器，在复合铝翅片与铝合金管之间加入低熔点铝合金，采用钎焊工艺将其融化，使铝合金翅片与铝合金管连接成一体，具有成本低，换热效率高、体积较小、制冷剂充注量少的显著优点。如果全铝换热器在产量巨大的家用、商用空调器上得以应用，必将产生明显的社会效益。然而，由于传统平行流换热器的结构特点，使得其在用作蒸发器时，对冷凝水的排出非常不利。尤其是用于室外换热器时，在空调制热运行过程中，室外换热器表面将会逐渐结霜，进而结冰，堵塞空气通道，最终使得换热器能力急剧下降而导致空调系统工作非正常，甚至在巨大的系统压差工作下的空调系统有可能致使压缩机被迫关机，甚至使压缩机失效而导致整个空调机的无效甚至完全损坏。

目前的铜管铝翅式换热器的机械加工方式效率较低，数十个管间连接弯头机械化焊接技术复杂，设备成本高，目前尚不成熟，必须手工焊接；涨管效率较低，尤其是对小管径内螺纹铝管的涨管没有成熟工艺，涨管带来日后长期使用由于张力不均匀产生松动接触热阻增大带来整机性能下降，能耗增加，且铜铝之间存在固有的电位差，铝片与铜管交织在一起后，因铜管和翅片之间存在接触面，不可避免地产生电化学反应(即电化学腐蚀)，很容易生成氧化合物即三氧化二铝，像一层铠甲牢牢地包裹在铜管表面，导致热交换效率大大降低，空调在使用半年后，其能效比要下降10％左右，在使用4～5年时，其能效比要下降40％左右，同样制冷量的耗电量接近新空调的两倍。

随着铜在地球上的储存量日渐减少，现有铜矿仅可使用约45年，这就决定了铜价必然持续走高，使得空调器成本不断增高。而且，在同等体积用量的情况下，铜的重量是铝的3倍以上，也使空调器的制造成本居高不下。现有探明的铝的存量可用270年，价格较低，江苏兴荣的科技工作者在2005年发明了铜铝复合管替代纯铜管用于空调“两器”的连接，获得了令人意想不到的效果，不但空调的能效比提高3％～5％，而且还不会形成电化学腐蚀，使得空调使用寿命大大延长，因此可以节铜85％，空调生产成本也得以降低，如果采用全铝制造换热器，其成本将进一步下降。

US5632329A公开了一种空气冷却式冷凝器，其说明书附图显示该冷凝器为拼装式大型结构的管翅式平行流换热器，由于该冷凝器用于大型化工设备分馏器的蒸气冷却，无需解决冷凝水下行和冰堵问题，其用途不同于热泵空调器系统。CN101029808公开了一种圆管平行流换热器，该换热器只是用圆管代替扁管，仍采用折叠式翅片，冷凝水因翅片阻挡仍然难以下行排除。CN102032718A公开了一种平行流翅片式换热器，仅仅提供了一种总体技术方案，并未对平行流翅片式换热器的结构方案给以充分公开。

平行流换热器可实现全铝制造且换热效率高，易于优化分配冷媒流动和传热特性，我国的主要家用空调器生产厂家近年来不约而同开展了平行流换热器的研究，格力电器于2006年申请了中国专利，海信科龙和广东美的分别于2008年和2009年开始了相关专利的申请工作，但他们的研究都采用板翅式平行流换热器，由于难以解决冰堵问题，多用于空调室内蒸发器，迄今为止，尚未见全铝管翅式平行流换热器的公开文献及产品实物。

随着我国对家用电器节能水平的要求越来越高，以及空调厂家面临的生产成本压力越来越大，为具有较高换热效率的全铝平行流换热器带来了广阔的应用前景。同时，随着电动汽车的发展，未来全电动汽车极有可能采用热泵式空调制热，无论是家用空调还是汽车空调或其它用途的热泵式空调，都必须解决冷凝水排放和除霜问题，制约了板翅式平行流换热器的使用，全铝管翅式平行流换热器的研究和开发就尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能佳成本低的全铝管翅式平行流换热器，在解决冷凝水排放和化霜问题的同时，消除翅片和管间的电化学反应，延长空调器的使用寿命。

一种全铝管翅式平行流换热器，包括集流管、翅片和冷媒管，带有通孔折边的翅片套装在冷媒管上，冷媒管两端插入集流管的翻边孔内，冷媒管的内部空间与集流管的内部空间相通，所述集流管、翅片或冷媒管之中的一件或多件至少在相互接触的部位是复合铝结构，复合铝的表层材料的熔点温度低于基层材料的熔点温度。

所述冷媒管整体是复合铝结构，所述集流管、翅片是匀质铝或铝合金，复合铝表层材料的熔点温度低于基层材料的熔点温度。

所述集流管、翅片和冷媒管三者组装后，整体加热至表层材料熔点温度和基层材料熔点温度之间，表层材料熔化，表层材料起到钎焊料的作用，焊接成一体式全铝管翅式平行流换热器。

所述全铝管翅式平行流换热器的集流管、翅片或冷媒管的典型基层材料和匀质材料为AA3003铝合金或AA6001铝合金之一，表层材料为AA4343铝合金、AA4045铝合金或AA4047铝合金之一。

所述全铝管翅式平行流换热器的冷媒管为带有内翅的圆管，内翅可以增强冷媒管的刚度，并增加冷媒侧的换热面积，增强换热效果。

所述全铝管翅式平行流换热器的集流管内还设有挡片，使冷媒在换热器内成组流动，更好地提高换热性能。

依据本技术方案的全铝管翅式平行流换热器换热效率高，易于实现产业化生产，冷凝水排除顺畅，能保持空调性能的稳定。

附图说明

图1是传统平行流换热器的换热单元结构示意图。

图2是传统平行流换热器冷凝水堆积情况示意图。

图3是本发明全铝管翅式平行流换热器的结构示意图。

图4是图1的俯视图。

图5是设有挡片的全铝管翅式平行流换热器的冷媒流动示意图。

图6是本发明全铝管翅式平行流换热器装配结构示意图。

图7是本发明全铝管翅式平行流换热器立体装配结构示意图。

图8是复合冷媒管半剖结构示意图。

图9是本发明实施例冷媒管横截面结构示意图。

图10是复合翅片结构示意图。

图11是复合集流管结构示意图。

图12是全铝管翅式平行流换热器的冷凝水流动示意图。

具体实施方式

为更好地阐述本发明的特点，下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的损伤过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图3～图5所示，本实施例的全铝管翅式平行流换热器包括集流管1、翅片2、冷媒管3，集流管1上设有端盖13和挡片14，冷媒从冷媒进出口管15进入到集流管1中，挡片14迫使冷媒在换热器内成组流动，形成组流动回路5，充分换热，再通过冷媒进出口管16流出。本实施例在以圆管为基础的设计上，使用平行流动概念，在设计上采用集流管加流动挡片，实现圆管为基础的平行流换热器设计，流动回路易于控制，便于实现机械化工艺生产，同时，换热器还具有较好的冷凝水流出功能。

如图6～图8所示，为实现换热器产品的生产，翅片2带有折边21的通孔22套装在冷媒管3上，冷媒管3的两端插入集流管1的翻边孔11内，冷媒管3与集流管1的内部空间相通。冷媒管3具有双层复合结构，管体由基层31和镀层32构成，其内部带有内翅33，镀层32分别与翅片的折边21以及集流管孔的翻边12紧密接触，镀层32的厚度为0.05～0.13mm，其熔点温度低于基层31的熔点温度，如基层31的材料可采用熔点为643～645℃的AA3003铝合金，镀层则可采用熔点为577～612℃的AA4343铝合金，而集流管1、翅片2可以采用单一匀质材料比如与冷媒管基层31相同的AA3003铝合金材料制成，集流管1、翅片2及冷媒管3装配完成后，将三者整体加热到612～643℃之间的某一温度点，使冷媒管镀层32熔化，之后冷却使集流管1、翅片2及冷媒管3被焊接成为一个整体。依据同样的原理，也可以使冷媒进出口管15、冷媒进出口管16、端盖13、挡片14被一同焊接到集流管1上。冷媒管3的基层31、集流管1、翅片2还可以是熔点为638～652℃的AA6001铝合金，冷媒管3的镀层材料可以熔点577～599℃的AA4045铝合金、熔点为577～582℃的AA4047铝合金等，集流管1、翅片2、冷媒管3的基层31和镀层32的材料在此并不一一列举。依照本实施例，可以很容易地推论出冷媒管3的镀层32的熔点温度低于基层31以及集流管1、翅片2的熔点温度。

参见10～图11，集流管1和翅片2也可以采用如图10(a)、图11(a)所示的复合层结构，至少在其与冷媒管3接触的部位——图10(b)所示翅片孔折边21、图11(b)所示集流管孔翻边12具有双层复合结构，折边21的基层211、翻边12的基层121的熔点高于折边21的镀层212、翻边12的镀层122的熔点温度。换热器焊接完成后，还可以涂以亲水材料，使换热器的表层形成多个功能复合层，鉴于目前亲水膜翅片已行到广泛采用，在本发明的复合铝翅片上覆以亲水膜不是技术难点，本实施例不做详细说明。

如图9、图12所示，由于采用钎焊连接工艺，而非传统涨管工艺，内翅的存在并不影响制造的工艺性，因此，采用螺旋高内翅或十字内翅型面的冷媒管型变得可行。内翅可以是内嵌钎焊结合的，也可以是一次拉伸成型的。管壁的内侧依然可以刻有形状较为简单可行的内齿，同时亦可同时具有内翅。内翅的存在，使得冷媒侧换热增强，同时又可使得管材的机械强度提高。图9所示十字内翅仅仅显示了较为简单的设计，实际应用可在符合成本流阻等因素条件下，有不同的型面设计。图12所示冷凝水滴4可以很顺畅地通过管间间隙排除，从而使全铝平行流换热器在低温制热工况下也不会发生冰堵，保证了热泵空调的正常运行。

与铜管铝翅式换热器比较，全铝式换热器的换热性能并未有实质性降低，从而使全铝管翅式平行流换热器能确保空调器的使用性能。以下对全铝换热器以及铜管铝翅换热器应用经典换热器综合换热系数Uo进行材料传热性能敏感性对比分析和换热器仿真对比分析。

(1)敏感性对比分析

$\mathrm{Uo}=\frac{1}{1/(\mathrm{ho}.\mathrm{\ηf})+(\mathrm{Aof}/\mathrm{Am})(x/k)+(\mathrm{Ao}/\mathrm{Ai})(1/\mathrm{ff})+(\mathrm{Aof}/\mathrm{Ai})(1/\mathrm{hi})}---\left(1\right)$

式(1)中：ho——空气侧换热系数

ηf——翅片效率

Aof/Am——内外面积比

X——传热距离

k——传热系数

(Ao/Ai)(1/ff)——接触热阻

(Aof/Ai)——面积比

hi——管内侧换热系数

式(1)中，改变传热系数k及传热距离X即壁厚，即可进行材料导热性能对综合换热系数Uo的敏感性分析。

假设管外空气侧换热系数ho为90W/M²K，管内制冷剂侧换热系数为hi为1246W/M²K，管外传热面积Ao为0.63M²/M，管内传热面积Ai为0.027M²/M，典型翅片效率ηf为0.88。

假定铜管厚度Xc为0.45MM，取铜的典型导热系数为387W/MK，那么换热器总换热系数Uoc为30.49W/M²K。

类似地，假定铝管厚度Xa同样为0.45MM，取铝的典型导热系数为230W/MK，那么换热器总换热系数Uoa为30.47W/M²K。

比较两个Uo值，可知二者相差极小，敏感度为0.00066，小于1/1000。

(2)换热器仿真对比

使用两件标准管翅式换热器实际样件，A蒸发器，B冷凝器。二者均经过实际换热试验，有可对比试验数据。再对其进行数值理论模拟技术，确定实验数据与理论模拟结果一致，因此便确认了模拟软件的有效性。然后，在模拟计算中，分别用铜管和铝管代入比较，结果如表1所示。即，换热性能差别均小于千分之一。

表1：典型空调蒸发器冷凝器对比模拟

模拟样件	铜管换热器换热量	铝管换热器换热量	比较
				A蒸发器	4521.1W	4516.8	0.99905
B冷凝器	7825.6W	7823.9	0.99978

根据本发明的实施例，可实现一种全铝管翅式平行流换热器的产业化生产连续焊接，焊接质量一致，并易于控制，可实现换热器的自动装配，翅片和冷媒管的连接为同材料熔接，传热效果好，避免了管翅之间的电化学反应，长期使用性能一致，而且还进一步降低了空调换热器的成本。同时依据本发明的实施例还可以产生多个变例，所有这些变例均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种全铝管翅式平行流换热器，包括集流管、翅片和冷媒管，其特征在于带有通孔折边的翅片套装在冷媒管上，冷媒管两端插入集流管的翻边孔内，冷媒管的内部空间与集流管的内部空间相通，所述集流管、翅片或冷媒管之中的一件或多件至少在相互接触的部位是复合铝结构，复合铝的表层材料的熔点温度低于基层材料的熔点温度。

2.根据权利要求1所述的一种全铝管翅式平行流换热器，其特征在于冷媒管整体是复合铝结构，所述集流管、翅片是匀质铝或铝合金，复合铝表层材料的熔点温度低于基层材料的熔点温度。

3.根据权利要求1或2所述的一种全铝管翅式平行流换热器，其特征在于所述一种全铝管翅式平行流换热器的集流管、翅片或冷媒管的典型基层材料和匀质材料为AA3003铝合金或AA6001铝合金之一，表层材料为AA4343铝合金、AA4045铝合金或AA4047铝合金之一。

4.根据权利要求1或2所述的一种全铝管翅式平行流换热器，其特征在于冷媒管为带有内翅的圆管。

5.根据权利要求1或2所述的一种全铝管翅式平行流换热器，其特征在于集流管内还设有挡片。

6.一种全铝管翅式平行流换热器的制造方法，其特征在于所述集流管、翅片和冷媒管三者组装后，整体加热至表层材料熔点温度和基层材料熔点温度之间，表层材料熔化，表层材料起到钎焊料的作用，焊接成一体式全铝管翅式平行流换热器。

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