CN103846638A

CN103846638A - 热交换器及其制造方法

Info

Publication number: CN103846638A
Application number: CN201310634512.9A
Authority: CN
Inventors: 金周赫; 李汉春
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2014-06-11
Also published as: US20140151011A1; EP2738506A3; KR20140070012A; EP2738506A2

Abstract

本发明提供了一种热交换器及其制造方法。在该热交换器及其制造方法中，可将管插入形成在涂布有填充金属的鳍片中的通孔内；可使用扩管球扩展所述管；以及可以通过铜焊加工，利用填充金属接合所述管与所述鳍片。所述管可以由铝（Al）制成。在扩展所述管之前，所述管的外周面与鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或者更大，并且可以将所述管扩展为使得所述管的外周面与所述鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或者更小。因此，可以提高所述热交换器的传热性能。

Description

热交换器及其制造方法

技术领域

本文公开了一种热交换器及其制造方法。

背景技术

多种热交换器及其制造方法是公知的。然而，这些热交换器及其制造方法存在着各种缺点。

发明内容

本发明的实施例提供了一种制造热交换器的方法，该方法可包括：将管插入形成在覆盖有填充金属的鳍片中的通孔内、使用扩管球（tubeexpansion ball）扩展所述管、以及利用铜焊工艺通过该填充金属接合所述管和所述鳍片。

本发明的实施例提供了一种热交换器，该热交换器可包括：管，被构造为具有多个槽，这些槽形成在该管内并且通过扩展该管而被挤出；以及多个鳍片，每个鳍片被构造为在其中形成至少一个通孔以使该管插入该通孔，并且被构造为具有在该通孔附近竖直地弯曲的鳍片套圈（fin collar）。被该管所插入的所述多个鳍片可按与鳍片套圈的高度对应的间隔平行设置，并且该鳍片套圈的内周面与该管的外周面可由填充金属接合。

该管可由铝（Al）制成。在扩展该管之前，该管的外周面与鳍片的鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或更大。该管可被扩展为使该管的外周面与鳍片的鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或更小。填充金属可以仅涂布在可形成有通孔的鳍片的一个表面或者部分上。

本发明的实施例提高了热交换器的传热性能。此外，本发明的实施例提供了一种在冷却鳍片与管之间不具有间隙的热交换器。此外，本发明的实施例提供了一种可减少管内的槽的变形的热交换器。

根据本发明，可以降低在采用机械扩管方法制作鳍片-管热交换器时产生的接触热阻，并且由于形成在管内的槽不变形，因此可以提高热交换器的传热性能。

附图说明

现将参照下面的附图详细描述多个实施例，附图中类似的附图标记表示类似的元件，在附图中：

图1是使用常用的鳍片-管方法的热交换器的示意图；

图2是图1的热交换器的一部分的剖视图，示出利用扩管球对插入多个冷却鳍片中的管进行机械扩展的状态；

图3A至图3B示出在管的内周面中被加工并且通过机械扩管而变形的、具有或形成突起形状的多个槽；

图4示出在机械扩管之后，在管和鳍片之间产生的间隙；

图5A至图5D示出使用根据多个实施例的鳍片-管方法制造热交换器的工艺过程；

图6A至图6B是示出根据多个实施例的、在鳍片与管之间的间隙以及在鳍片套圈与管之间的接合面积的示意图；

图7是示出在根据多个实施例制作的热交换器中，鳍片与管之间的间隙和鳍片套圈与管之间的接合面积的比率的图表；以及

图8是示出基于鳍片与管之间的不同间隙，根据多个实施例制作的冷凝器和蒸发器的传热性能与以常规机械扩管方式制作的冷凝器和蒸发器的传热性能相比较的图表。

具体实施方式

以下参照附图详细描述根据多个实施例的热交换器及其制造方法。尽可能地使用类似的附图标记表示类似的元件，并且省略重复的文字描述。

在许多领域中，采用由实体的壁隔开的具有不同温度的两个流体之间的热交换。如上所述的用于使具有不同温度的两个或更多个流体之间能够传热的装置被定义为热交换器。

热交换器的具体产品通常可以指冷凝器和蒸发器，即，例如安装在空调、冰箱和冰柜中的冷却循环元件。基于安装位置，热交换器被用于通过响应于制冷剂（即传热介质）的变化而放热或吸热来实施加热或冷却。

在大多数用于加热和冷却的热交换器中，简单地使用将多个冷却鳍片插入制冷剂管道（也称管）的鳍片-管方法。当制冷剂在制冷剂管道内循环时，制冷剂与穿过制冷剂管道的外部空气之间进行热交换，并且同时，由与制冷剂管道的外周面紧密结合的多个冷却鳍片显著扩大了热交换面积，使得热交换得以迅速地进行。

图1示出了使用常用的鳍片-管方法的热交换器。图2是图1的热交换器的一部分的剖视图，示出了利用扩管球对插入多个冷却鳍片的管进行机械扩管的状态。图3A至图3B示出在管的内周面中被加工并且通过机械扩管而变形的多个槽，这些槽具有或形成为突起形状。图4示出在机械扩管之后在管和鳍片之间产生的间隙。

图1的热交换器100包括：制冷剂管道（或管）10，构造为可供制冷剂穿过，并且被弯曲成多个段；多个冷却鳍片20，与制冷剂管10的外侧结合，并且被构造为通过扩大热交换面积来提高与空气的热交换效率；以及支撑体30，被构造为支撑制冷剂管10的两端。

为了借助制冷剂管10的外周面与多个冷却鳍片20之间以较大的接触面积紧密联接来降低其间的接触热阻，将制冷剂管10插入多个冷却鳍片20，并且使用扩管球14对制冷剂管10进行机械扩管，以使制冷剂管10紧密地附贴到多个冷却鳍片20，如图2所示。为了将制冷剂管10插入多个冷却鳍片20，制冷剂管10的外径需要小于形成在上述多个冷却鳍片20中的鳍片套圈的内径。在图2的多个冷却鳍片20中，平行于制冷剂管10的外周面延伸的部分与鳍片套圈对应。

此外，为了提高热交换器的传热性能，可以在制冷剂管10（其为圆形管道）的内周面中加工出具有或形成突起形状的槽12，如图3A所示。槽12可通过机械扩管工艺而变形，如图3B所示，而这样的变形减小了槽的表面积，从而导致传热性能降低。

此外，如果使用机械扩管方法制作鳍片-管热交换器，则在管10与鳍片20之间可能形成间隙13（如图4所示），导致接触热阻增大且传热性能降低。

在采用鳍片-管方法的热交换器管中通常使用铜（Cu）。这是因为铜（Cu）具有以下优点：其具有高的可机加工性，这对于形成多个槽从而通过增大表面积来提高传热效率而言是必要的；具有减少在扩展工艺中发生的对槽的挤压或变形而言必要的强度；并且还具有相对较高的热导率。

因为铜（Cu）重量大且昂贵，所以需要能够代替铜（Cu）的金属。在采用多流（MF）通道方法的热交换器中使用铝（Al），这种热交换器是一种以重量为重要因素的热交换器，例如用于车辆中。与铜（Cu）相比，铝（Al）具有较低的热导率、较差的可制造性和较低的强度，但却具有比铜（Cu）更轻和更便宜的优点。

因为铝（Al）的机械加工性比铜（Cu）要差，强度比铜要小，所以将铝（Al）直接应用到使用通过扩管来接合管和鳍片的鳍片-管方法的热交换器的管上是受限制的。这是因为难以在管内形成细槽。此外，因为在扩展工艺中槽容易受到挤压和变形而减小了管内的表面积，所以使传热效率显著降低。在使用MF通道方法的热交换器中，铝（Al）管和铝（Al）鳍片可以通过铜焊法进行接合。

下面简要描述铜焊。

铜焊是通过在填充金属上施加热，在基底金属的熔点或以下，以450℃或更高的温度接合两种基底金属而不破坏两种基底金属的技术。更具体而言，使用液相线温度为450℃以上的填充金属，通过在基底金属的固相线温度或以下施加热来接合两种基底金属的方法可以称为铜焊。

作为参考，使用填充金属的接合方法基本上可分为定位焊接（welding）、铜焊和软焊（soldering）。三种方法之间的差别如下所述。软焊指的是使用具有450℃或更低的熔点的填充金属来接合金属的方法。在铜焊和定位焊接中，两种基底金属在450℃以上的温度接合。在定位焊接中，在基底金属的熔点或更高的温度下接合两种基底金属，而在铜焊中，在基底金属的熔点或更低的温度下通过仅熔合填充金属而不破坏基底金属来接合两种基底金属。

当实施铜焊时，理想的是，铜焊填充金属在达到一定温度时（即铜焊温度）熔化在两个基底金属之间。两种基底金属与填充金属之间的亲和度的特性表现可被描述为浸润性。使铜焊填充金属在两种基底金属之间的接合间隙之间流动的现象可被描述为毛细作用。

在这种情况下，重力可以发挥作用，但是铜焊的主要原理是在加热两种基底金属之后通过施加填充金属来接合两种基底金属时，填充金属以浸润的方式熔化在两种基底金属之间，并且填充金属以毛细作用方式在基底金属之间流动。如果填充金属对待铜焊的基底金属的浸润性较差，则无法实现或者完成接合。如果两种基底金属之间的接合间隙较大，则填充金属无法充分填充在两种基底金属之间，这可能导致不完全接合。

毛细作用是铜焊加工中非常重要的物理现象。填充金属的流动性可取决于毛细作用力、所熔化的金属的粘度和密度以及相对于接合面的重力位置。一般而言，在熔化状态下，抑制填充金属的流动的粘度与的温度相关联。可以看到填充金属的流动性随着温度的增加而上升。毛细作用与接合间隙有非常密切的关系，并且与例如溶剂的类型、粘度和密度、接合面的位置以及加热方法也具有非常密切的关联性。

铜焊的优点在于：可以接合异质金属零件；可以容易地接合具有不同尺寸和厚度的产品；可以降低成本；可以设计各种不同的零件；与其他接合方式相比接合强度相对较大；因为铜焊之后可以获得美观精致而洁净的接合，所以不需要诸如磨削或填充的额外机械加工；铜焊具有诸如清洁、气密和耐腐蚀的特性；容易进行人工处理和自动化；以及由于可形成各种填充金属，因此可用于各种类型的工程。

在此处所公开的实施例中，为了通过减小管与鳍片之间的接触热阻来提高热交换器的传热性能，将鳍片和通过鳍片的通孔插入鳍片的管通过铜焊进行接合。为了便于插入该管并提高毛细力，将插入鳍片的管略微地扩展。

如图1所示，根据一个实施例的热交换器100可包括：多个鳍片20，每个鳍片均被构造为呈平板形状；一个或多个管10，构造为贯穿上述多个鳍片20；以及支撑体30，构造为支撑管10的两端。与使用MF通道方法的热交换器不同的是，在根据此处公开的实施例的热交换器中，鳍片20不放置在管10之间，而是使管10贯穿鳍片20。

具有矩形和平板形状的每个鳍片20可以起到使在管10内流动的制冷剂与外部流体之间进行热交换的面积增大的作用。可以使鳍片20以特定间隔彼此隔开，使得相邻的鳍片彼此面对。

在每个鳍片20中可以形成可插入管10的通孔20a。如果多个管10被插入通孔20a中，则可以按照与管10沿鳍片20的长度方向设置的距离相等的间隔形成多个通孔20a。

在鳍片20中可形成呈管状的鳍片套圈21。鳍片套圈21可以大致对应于管10的外周面，并且以与形成鳍片20的平面大致成直角的角度延伸。鳍片套圈21可以紧密地贴附到贯穿鳍片20的管10的外周面，由此使管10与鳍片20之间的接合面积增大。

在每个鳍片20的鳍片套圈21的前端接触相邻的鳍片20、并且已经插入有管10的鳍片20以对应于鳍片套圈21的高度的间隔彼此隔开状态下，管10可插入到多个鳍片20的每个鳍片中。于是，鳍片套圈21可以保持两个相邻的鳍片20之间的间隔。

通孔20a需要形成为比待插入通孔20a的管10的外径大。也就是说，平行于通孔20a的鳍片套圈21的内径需要大于管10的外径。如果鳍片套圈21的内径远大于管10的外径，则管10可以顺利地插入通孔，但管10与鳍片20之间通过鳍片套圈21的接合变得困难。如果鳍片套圈21的内径远小于管10的外径，则管10的插入可能比较困难，并且当通过通孔插入管10时，可能使彼此以特定间隔隔开的鳍片20扭曲。

可以在管10的内表面中沿其长度方向形成两个或多个槽12，以便提高传热效率。槽12可以形成为沿长度方向平行的直线，或者可以形成为螺旋形的曲线。

图5A至图5D示出根据多个实施例的、采用鳍片-管方法制造热交换器的工艺过程，其中结合了扩管工艺和铜焊工艺。根据多个实施例的制作热交换器的工艺过程可以基本上包括：将管插入多个鳍片的工序；对所插入的管进行机械扩管的工序；以及通过铜焊接合多个鳍片与所述管的工序。

首先，可将管10与多个鳍片20结合，这些鳍片可被堆叠并且以对应于鳍片套圈21的高度的间隔彼此隔开。当管10依次贯穿形成在鳍片20中的通孔20a时，管10的外周面和鳍片套圈21的内周面可以被定向为大致彼此相邻或彼此面对。

为了顺利地将管10插入到多个鳍片20中，管10与鳍片20之间具有特定间隙是必要的。根据此处公开的多个实施例，鳍片20的通孔20a及鳍片套圈21可以形成为使得鳍片套圈21的内周面与管10的外周面之间的间隙大约为0.1mm或更大。由此，管10可以穿过鳍片20的通孔20a顺利地插入到堆叠的多个鳍片20中。

此外，如果在存在这样的间隙的状态下将管10插入到鳍片20中，然后进行铜焊加工，则因为鳍片20与管10之间的间隔较宽、进而用于接合鳍片20和管10的填充金属25可能不能均匀地分布在鳍片20与管10之间，所以毛细力很弱。结果是，不能合适地进行铜焊，无法实现鳍片20与管10之间的紧密接合。

在此处公开的实施例中，可以在铜焊加工前使用扩管球14对管10进行机械扩展，使得鳍片20与管10紧密地接合。管10可以被略微地扩展使得在扩管之后在鳍片20与管10之间的间隔中产生足够的毛细力，例如，使得经扩展的管10的外周面与鳍片套圈21的内周面之间的间隙变为大约0.1mm或更小。

如果管10被略微扩展，则因为形成在管10的内周面中的槽可以更少地被挤压或变形，所以可以更少地降低传热效率。因此，可以在管10中使用具有相对较低强度的铝（Al）。

此外，由于管10被略微扩展，因此与在扩展管10的工艺过程中首先扩展的管10的部分对应的鳍片20伸入到管10与下面的与随后被扩展的管10的一部分对应的鳍片20的鳍片套圈21之间，并且可减少鳍片20之间的间隔变得不规则的现象。此外，如果鳍片20彼此重叠的现象减少，则管10与鳍片20之间的间隔变得均匀，这样，填充金属可以借助均匀的毛细力渗透到管10与鳍片20之间。

在扩展了管10之后，将管10和鳍片20的组件在铜焊炉中进行铜焊，以使管10与鳍片20接合。可在鳍片20的表面上涂布用于接合管10和鳍片20的填充金属25，并且涂布在鳍片20的鳍片套圈21的内周面上的填充金属25可以通过铜焊熔化然后被固化。由此，管10和鳍片21可以紧密地接合。

可将填充金属25涂布在由铝（AL）制成的鳍片20的两面上，或者可以仅涂布在待与管10接合的鳍片20的一个表面上。在后一种情况下，可以通过在已涂布有填充金属24的鳍片20的表面上形成通孔使得填充金属25形成在鳍片套圈21的内周面上来形成鳍片套圈21。或者，在形成鳍片套圈21之后，可以将填充金属25涂布在鳍片20的所有两个表面上，或者仅涂布在形成鳍片套圈21的鳍片20的一个表面上。或者，填充金属25可以仅形成在待形成通孔然后形成鳍片套圈21的位置处，而不将填充金属25涂布在整个鳍片20上。

图6A至图6B是示出根据多个实施例的鳍片与管之间的间隙以及鳍片套圈与管之间的接合面积的示意图。在此处公开的实施例中，当形成鳍片20的通孔20a和鳍片套圈21时，管10与鳍片套圈21之间的间隔可以大约为0.1mm或更大。在将管10经由通孔插入到鳍片20中之后，当使用扩管球扩展管10时，鳍片套圈21与管10之间扩展的间隔可以为约0.1mm或更小。也就是说，如图6A至图6B所示，有利的是，管10被扩展为使得D2－D1≤0.1mm，其中管10的外径为D1，鳍片套圈21的内径为D2。

图6B示出了通过铜焊熔化的填充金属25已接合管10的外周面和鳍片套圈21的内周面的状态。如果在扩展之后管10的外周面与鳍片套圈21的内周面之间的间隙是均匀的，则由于填充金属25借助毛细力均匀地渗透在管10的外周面与鳍片套圈21的内周面之间，因此可以增加接合面积。

图7是示出在根据多个实施例制作的热交换器中，鳍片与管之间的间隙和鳍片套圈与管之间的接合面积的比率的图表。总面积表示与鳍片套圈21的内周面对应的管10的外周面总面积。接合面积表示熔化的填充金属25将管10的外周面与鳍片套圈21的内周面连接的部分的面积。

如图7所示，当管10的外周面与鳍片套圈21的内周面之间的间隔大约为0.15mm时，通过铜焊加工的填充金属25的接合面积大约为总面积的25％或更少，这意味着热传导性降低。当管10的外周面与鳍片套圈21的内周面之间的间隔大约为0.1mm时，接合面积大约为总面积的60％。当管10的外周面与鳍片套圈21的内周面之间的间隔大约为0.05mm时，接合面积大约为总面积的90％。

由图7可以看出，当管10的外周面与鳍片套圈21的内周面之间的间隔为大约0.1mm左右时，接合面积与总面积相比迅速增加。有利的是，插入鳍片20的管10被扩展为使得管10与鳍片20之间的间隙大约为0.1mm或更小。

图8是示出基于鳍片与管之间不同的间隙，根据多个实施例制作的冷凝器和蒸发器的传热性能与以常规机械扩管方式制作的冷凝器和蒸发器的传热性能相比较的图表。如果该管被机械扩展，假设蒸发器和冷凝器的传热性能为100，则在该管被扩展而使管10与鳍片20之间的间隙为大约0.1mm之后被铜焊的蒸发器和冷凝器的性能为98和102。在该管被扩展而使管10与鳍片20之间的间隙为大约0.05mm之后被铜焊的蒸发器和冷凝器的性能为106和110。

传热性能的这种提高可归因于通过铜焊降低了鳍片与管之间的接触热阻。这种提高还可归因于通过对管进行略微扩展以减少管内的槽的挤压或变形，抑制了传热效率的下降。

如上文所述，根据这里所公开的实施例，可以降低在采用机械扩管方法制作鳍片-管热交换器时产生的接触热阻，并且由于形成在管内的槽不变形，因此可以提高热交换器的传热性能。

本文公开的实施例提高了热交换器的传热性能。此外，本文公开的实施例提供了一种在冷却鳍片与管之间不具有间隙的热交换器。此外，本文公开的实施例提供了一种可减少管内的槽的变形的热交换器。

本文公开的实施例提供了一种制造热交换器的方法，该方法可包括：将管插入形成在覆盖有填充金属的鳍片中的通孔内、使用扩管球扩展所述管、以及利用铜焊工艺通过该填充金属接合所述管和所述鳍片。

本文公开的实施例提供了一种热交换器，该热交换器可包括：管，被构造为具有多个槽，这些槽形成在该管内并且通过扩展该管而被挤出；以及多个鳍片，每个鳍片被构造为在其中形成至少一个通孔以使该管插入该通孔，并且被构造为具有在该通孔附近竖直地弯曲的鳍片套圈。被该管所插入的所述多个鳍片可按与鳍片套圈的高度对应的间隔平行设置，并且该鳍片套圈的内周面与该管的外周面可由填充金属接合。

该管可以由铝（Al）制成。在扩展该管之前，该管的外周面与鳍片的鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或更大。该管可被扩展为使该管的外周面与鳍片的鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或更小。填充金属可以仅被涂布在可形成有通孔的鳍片的一个表面或者部分上。

以上为诠释的目的而公开了上述多个实施例，而本领域技术人员可以在所附权利要求公开的技术精神和范围内改进、替换或者增加各种其他实施例。

本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的指称意为与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。这样的术语出现在本说明书各种地方不一定均指称相同的实施例。此外，当与任何实施例结合描述特定特征、结构或特性时，应认为与其他实施例结合实现这样的特定特征、结构或特性在本领域技术人员的预见范围内。

虽然已经参照其多个示例性实施例描述了实施例，但是应理解的是，本领域技术人员可以设想出落入本公开的原理的精神和范围内的许多其他的修改和实施例。尤其是，在本公开、附图和所附权利要求的范围之内的主题组合设置的组成部件和/或设置可以有许多变型和修改。除了组成部件和/或设置的变型和修改之外，替代使用对本领域技术人员也是显而易见的。

Claims

1.一种制造热交换器的方法，所述方法包括：

将管插入形成在涂布有填充金属的至少一个鳍片中的通孔中；

扩展所述管；以及

利用铜焊工艺，通过所述填充金属接合所述管与所述至少一个鳍片。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述管由铝（Al）制成。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个鳍片由Al制成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在扩展所述管之前，所述管的外周面与所述至少一个鳍片的鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或者更大。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述鳍片套圈相对于所述至少一个鳍片的中心纵轴线以大致90°角延伸。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述填充金属被涂布在所述鳍片套圈的内周面上。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述扩展所述管包括扩展所述管使得所述管的外周面与所述至少一个鳍片的鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或者更小。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述鳍片套圈相对于所述至少一个鳍片的中心纵轴线以大致90°角延伸。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述填充金属仅被涂布在所述至少一个鳍片的一个表面上。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述填充金属仅被涂布在所述至少一个鳍片的形成有所述通孔的部分上。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述扩展所述管包括使用扩管球扩展所述管。

12.一种采用根据权利要求1所述的方法制造的热交换器。

13.一种热交换器，包括：

管，具有多个槽，所述槽形成在所述管内并且通过扩展所述管而变形；以及

多个鳍片，各自被构造为具有形成在相应鳍片中的至少一个通孔，其中所述管插入所述通孔，并且所述多个鳍片中每个鳍片具有在所述通孔附近竖直地弯曲的鳍片套圈，其中被所述管插入的所述多个鳍片以与相应的鳍片套圈的高度对应的间隔平行设置，并且其中每个鳍片套圈的内周面与所述管的外周面由填充金属接合。

14.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述管由铝（Al）制成。

15.根据权利要求14所述的热交换器，其中所述多个鳍片由Al制成。

16.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述管的外周面与每个鳍片套圈的内周面之间的间隔大约为0.1mm或者更小。

17.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述填充金属仅被涂布在所述多个鳍片中每个鳍片的一个表面上。

18.根据权利要求17所述的热交换器，其中所述填充金属仅被涂布在每个鳍片的形成有所述通孔的部分上。

19.根据权利要求17所述的热交换器，其中所述填充金属被涂布在所述多个鳍片中每个鳍片的鳍片套圈的内周面上。

20.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述鳍片套圈相对于相应鳍片的中心纵轴线以大致90°角延伸。