CN104204707A - 热交换器、包括该热交换器的家用器具和制造该热交换器的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明,热交换器(1)包括至少一组管(3、4),每组管(3、4)都包括至少两个管(3、4),其中,管(3、4)通过至少一个连接结构(5)机械地连接。至少两个管(3、4)由具有不同的热膨胀系数的不同金属制成;具有不同的热膨胀系数的管(3、4)中的至少两个通过软钎焊联接部(lib)或通过硬钎焊联接部联接。在这两个管(3、4)的联接部(lib)处,由热膨胀系数较低的金属制成的管(4)嵌入由热膨胀系数较高的金属制成的管(3)中。本发明还涉及一种包括至少一个这种热交换器(1)的家用器具(2)、尤其是衣物处理器具,以及一种制造这种热交换器(1)的方法。

Description

热交换器、包括该热交换器的家用器具和制造该热交换器的方法
技术领域
本发明涉及一种热交换器、尤其是翅片管型热交换器。本发明还涉及一种包括该热交换器的家用器具、尤其是衣物处理器具。本发明还涉及一种制造热交换器、尤其是翅片管型热交换器的方法。
背景技术
通常,翅片管型热交换器(例如空调器具、制冰机、冷藏/冷冻器具、或衣物干燥机的热泵中所使用的)如下地使用材料的组合来用于其翅片和管:
-铝翅片和铜管;
-铜翅片和铜管;
-铝翅片和铝管;
-铝翅片和不锈钢管;或
-不锈钢翅片和不锈钢管。
一般地,铝的价格低于铜或不锈钢的价格。因此,在热交换器中使用铝管有价格优势。然而,在热交换器中使用铝管也有某些缺点,包括:铝与铜相比导电性较低;需要较大的厚度来承受高压(尽管铝管仍然比由其他金属制成的管更轻);以及在铝管与其他金属物体之间的联接部处可出现电化学腐蚀,尤其当它们被硬钎焊(braze)或软钎焊(solder)时(例如在热交换器弯头处,在冷却回路冷却剂管路的连接处等)。
硬钎焊联接部尤其可以是通过借助合金将金属部件联接所获得的连接部,所述合金在大体上高于450℃、但低于联接部件的熔化温度的温度下熔化。软钎焊联接部尤其可以是通过借助金属混合物或合金将金属部件联接所获得的连接部,所述金属混合物或合金在大体上低于450℃的温度下熔化。
尤其地,铝到铜的硬钎焊或软钎焊由于铝与铜相比的较低熔点以及联接部对最终微观结构的高温度依赖性而出现难点。因此,铝和铜之间的硬钎焊或软钎焊联接部可产生关于张拉强度和振动强度的结构弱化区域。当这种硬钎焊或软钎焊实施于承受张力、屈曲力、扭转力和/或振荡力的区域时,会有相当大的风险在这些区域中和/或在它们附近产生破裂或损伤。应力和/或疲劳例如可被流体管路引入,且例如可通过用于热泵或制冷机的蒸汽压缩系统产生。应力和/或疲劳也可通过制造过程中的变形、通过运输过程中产生的振荡或震动等引入。
目前为止,这些问题通过使用机械连接而部分地避免,所述机械连接通过压力或压力和胶粘的组合(即使用Vulcan Lockring)提供联接部,从而相对较复杂且与硬钎焊或软钎焊相比可靠性相对较低。另一已知的解决方案是使用受控的硬钎焊/软钎焊过程,其不总能接近硬钎焊或软钎焊区域或不能产生足以承受所需压力的硬钎焊或软钎焊贯穿(例如感应式硬钎焊、超声波硬钎焊)。
发明内容
本发明的目的是至少部分地克服现有技术的局限并尤其提供一种成本效益好的、紧凑的且可靠的热交换器,尤其是翅片管型热交换器。
该目的通过根据相应的独立权利要求的特征的热交换器、家用器具和方法来实现。本发明的优选实施方式尤其可从从属权利要求、说明书及它们的组合得出。
该目的通过一种热交换器来实现,所述热交换器包括至少一组管,每组管都包括至少两个管,其中,所述管通过至少一个连接结构机械地连接,其中,至少两个管由具有不同的热膨胀系数的不同金属制成,其中,具有不同的热膨胀系数的管中的至少两个通过软钎焊联接部或通过硬钎焊联接部联接;且其中,在这两个管的联接部处,由热膨胀系数较低的金属制成的(“内”)管嵌入由热膨胀系数较高的金属制成的(“外”)管中。
该热交换器具有的优点是,管之间的通过连接结构提供的机械连接限制或约束了管的相对移动,使得在连接至联接部的管之间的联接部处的机械应力(张力、屈曲力、扭转力和/或振荡力)和应力循环疲劳可被极大降低、抑制或甚至避免。因此,两个管(例如管弯头和发夹管)之间的接界处的联接部是“内”联接部,且通过到连接结构的机械固定和连接结构的刚度而被保护免受外部引入的机械应力。
一组管可以以串联和/或并联来互相连接。通过以串联来将一组管互相连接,形成了敞开式流体通道。该流体通道的端部部分由末端管提供。流体可以是液体、蒸汽或其他气体、或它们的组合。
热膨胀系数不同的两个管通过软钎焊联接部或通过硬钎焊联接部联接。这种联接尤其包括管机械地和流体地联接。这种联接尤其还包括管直接连接(通过钎料或硬钎料)。软钎焊联接部或硬钎焊联接部尤其包括火焰软钎焊联接部或火焰硬钎焊联接部。
如果由热膨胀系数较高的金属制成的管嵌入由热膨胀系数较低的金属制成的管,由热膨胀系数较高的金属制成的管的膨胀就将导致钎料或软钎料(通常是软锌)的变形。这进而可在联接部或接合部内导致可能引起危险的裂纹。该不利效果基本上不发生于上述热交换器。
并且,如果由热膨胀系数较高的金属制成的管嵌入由热膨胀系数较低的金属制成的管且如果联接部或接合部被过度加热,热膨胀系数较高的内管就可强烈地变形或甚至熔化(如果与热膨胀系数较低的材料相比,热膨胀系数较高的材料具有更低的熔点的话),所述变形或所述熔化不能从外侧看见。这可能潜在地导致差质量的(弱)联接。因此,一种优选的实施方式是,热膨胀系数较高的材料与热膨胀系数较低的材料相比具有更低的熔点。因此,在联接部处的管材料的熔化可容易地被观察到。
所述热交换器可包括一组管,例如在流体-空气热交换器的情况下。替代性地,所述热交换器可包括多于一组的管、尤其是两组管,例如在流体-流体或液体-液体热交换器的情况下。
通常,管的横截面可具有任何期望形式(例如圆形、椭圆形、角形等)。所述横截面可在一组管上和/或在不同组的管上变化。
根据另一优选实施方式,热膨胀系数较高的金属包括铝。因此,至少一个管(至少主要地)包括铝。这使得能够利用相对较便宜的管。铝可具有95%或以上的纯度。替代性地,所述金属可以是铝合金。
一个优选的实施方式是,两个末端管由能够容易地连接至相应的流体管路的材料制成,尤其是与相应的流体管路相比由相同的材料制成。该实施方式具有的优点是,流体管路与相应的末端管之间的联接部可变得特别坚固且故障-安全,以承受机械应力(尤其是通过硬钎焊)。
根据又一优选实施方式,热膨胀系数较低的金属包括铜或钢。因此,由这样的金属制成的管均具有很好的导热性并可以可靠地连接至(通常所使用的)铜流体管路。铜可以是95%或以上的纯度。替代性地,该金属可以由铜合金制成。
因此,优选的是,两个管的联接部包括由铜或钢制成的管和由铝制成的管的软钎焊或硬钎焊联接部(和通常的软钎料)。
根据又一优选实施方式,所述至少两个管包括至少一个中间管和两个末端管,其中,所述两个末端管通过所述至少一个中间管流体地连接。尤其地,所述至少一个中间管由热膨胀系数较高的金属、尤其是铝制成,且所述末端管由热膨胀系数较低的金属、尤其是铜制成。这实现了热交换器的相对较便宜的流体通道,同时提供了到外部流体管路的可靠连接。
尤其地,多个中间管可在两端部上连接,而末端管仅在一端部处连接(例如经由管弯头连接到相应的中间管)。根据一个替代性的优选实施方式,该组管仅包括一个中间管和两个末端管。
根据又一优选实施方式,所述管包括基本的单“U”形式和/或多“U”形式(蜿蜒状形式)的管(“发夹管”),其中,相邻的发夹管通过相应的管弯头连接。该实施方式具有的优点是,所述热交换器易于组装且可以是紧凑的形式。尤其地,管的联接部可容易地接近和联接。
所述中间管可包括不同的分支。
所述末端管可以是“U”形式或直线形式(直管或管道)。
管之间的连接例如可通过至少弯曲约180°的管弯头来实现。通常,管弯头不限制于180°弯曲(“U”形弯曲或“C”形弯曲)。管弯头可具有两个或更多个连接端部。管弯头可互相交叉。
另一优选实施方式是,至少一个管弯头由热膨胀系数较低的金属制成且(在联接部处)嵌入由热膨胀系数较高的金属制成的另一管、尤其是发夹管。这使得硬钎焊或软钎焊更容易,因为该类型的联接部(其中,发夹管尤其具有较宽的端部,以使管弯头能够嵌入)对钎料来说更容易接近。
一个特别的实施方式是,所述末端管(例如由Cu制成)通过与该末端管相比以相同材料(例如Cu)制成的管弯头连接至中间管(例如由Al制成)。因此,所述热交换器包括至少一个相同金属联接部(例如Cu-Cu),从而特别能够抵抗机械和/或化学暴露。
其中一个优选的实施方式是,至少一个管弯头被制造为单独元件。这可有助于制造过程并实现这组管的特别柔性的设计。
其中一个优选的实施方式是,至少一个管弯头与另一管、尤其是发夹管整体地形成。这减少了这组管的联接部的数量,并由此减少了组装时间。并且,可有助于该组管与连接结构之间的连接。
所述连接结构可以是热交换结构。
根据又一优选实施方式,所述热交换器是翅片管型热交换器,其中,所述连接结构包括被管贯穿的一叠翅片。这种热交换器非常紧凑和高效。所述翅片充当用于管的热交换结构。在翅片管型热交换器中,所述管优选沿着相同的方向定向,以实现特别紧凑的形式。
根据又一优选实施方式,所述热交换器是包括用于传输流体的一组管的流体/空气热交换器。
为了至少将中间管连接至连接结构(尤其是一叠翅片),所述连接结构可具有一个或多个狭缝,所述中间管可嵌入所述一个或多个狭缝中。该实施方式具有的优点是,所述热交换器更易于组装。尤其地,仅末端管和中间管之间的联接部需要接近和联接。连接起来的管可被扩张,以便更牢靠地接触连接结构。
一个或多个热交换器可优选预期用于或被用于家用器具中、尤其是衣物处理器具中、特别是衣物干燥器具中、特别是滚筒式干燥机中。所述热交换器优选可以是热泵的一部分。此时,所述管优选预期用于引导或保持工作流体或制冷剂。
该目的还通过一种包括如上所述的至少一个热交换器的家用器具、尤其是衣物处理器具来实现,其中,末端管连接至材料基本上相同的流体管路。
这提供的优点是,流体管路和相应的金属末端管之间的联接部不存在材料不匹配,且因此可变得特别坚固且故障-安全,以承受机械应力。尤其地,可降低联接部处或联接部周围的电化学腐蚀。流体管路通常由铜制成。
尤其地,所述家用器具可以是衣物干燥器具。所述热交换器可尤其是热泵的一部分。衣物干燥器具的热泵中的流体管路通常由铜制成。
该目的还通过一种制造热交换器的方法来实现,所述方法至少包括以下步骤:(a)将至少两个管连接至连接结构,其中,至少一个管由热膨胀系数较低的金属制成,且至少一个其他管由热膨胀系数较高的金属制成;(b)通过硬钎焊或软钎焊将所述管互相(串联地和/或并联地)连接,其中,在两个管的联接部处,由热膨胀系数较低的金属制成的管嵌入由热膨胀系数较高的金属制成的管。
尤其地,由热膨胀系数较低的金属制成的所述至少一个管包括至少一个中间管,且由热膨胀系数较高的金属制成的所述至少一个管包括两个金属末端管,其中,所述末端管均包括一个敞开端部并通过它们的另一端部连接至所述至少一个中间管。
替代性地,所述管可彼此组装或连接起来,然后例如通过将所述管嵌入连接结构的狭缝中来连接至连接结构。
一个优选的实施方式是,该方法还包括(尤其在连接步骤之后):将所述(中间和/或末端)管中的至少一些(尤其通过机械手段)扩张。这提高了管和连接结构之间的接触性。
另一优选的实施方式是,末端管通过管弯头连接至中间管,所述管弯头与所述至少一个中间管或末端管相比由基本上相同材料制成。这提供了简单的方式来制造可靠的热交换器。替代性地,所述末端管可直接连接至相应的中间管。
如上所述,一个优选的实施方式是,末端管通过火焰硬钎焊或软钎焊连接至相应的中间管。在使用管弯头的情况下,末端管可通过将末端管弯头以火焰硬钎焊或软钎焊至末端管中的一个和相应的中间管上来连接至相应的中间管。材料不匹配的联接部此时位于末端管及其末端管弯头之间或位于中间管及其末端管弯头之间。
该目的还通过一种将热交换器安装于家用器具中的方法来实现(其中,所述热交换器通过上述方法制造),该方法至少包括以下步骤:将流体管路连接至相应的末端管的敞开端部,其中,所述流体管路与所述相应的末端管相比由基本上相同材料制成。
本发明尤其可表现出以下优点中的一个或多个:
-由于使用铝管的可能性带来的价格降低,且不会像用于连接流体管路的直接火焰硬钎焊或软钎焊那样导致硬钎焊/软钎焊/接合过程相关的额外成本或投资。相反,广泛使用的且廉价的硬钎焊/软钎焊/焊接过程可应用于末端管的联接部。
-这些联接部位于可尤其通过流体(尤其是制冷剂)管路引入的应力(张力、屈曲、扭转、振荡)减小的区域中。
-可能的电化学腐蚀被限于受到减小的应力或无应力的区域,从而使得联接部在它们的寿命期间更加耐久。
-这实现了成本效益更好的热交换器,且降低了在其寿命期间流体(尤其是制冷剂)泄露的风险。
附图说明
在附图中更详细地示意性地描述了本发明的某些优选实施方式。
图1示出了根据第一实施方式的热交换器的示意图;
图2示出了不匹配的联接部的剖视侧视图;
图3示出了根据第二实施方式的热交换器的示意图;
图4示出了根据第三实施方式的热交换器的示意图;
图5a示出了根据第一、第二或第三实施方式的热交换器的前视图;
图5b-d示出了图5a的结构元件;以及
图6示出了根据第四实施方式的热交换器的前视图。
具体实施方式
图1示出了根据第一实施方式的热交换器1或热交换器部分的局部顶视图。热交换器1是翅片管型,且例如可用作衣物干燥机2的热泵的一部分。
热交换器1包括成基本上相同的“U”形的、具有相同的定向且沿着相同方向排列的五个发夹管3、4。尽管发夹管3、4为清楚起见被示为处于同一平面中,但是它们通常布置成三维结构。发夹管3、4机械地且热连接至由一叠翅片5形成的连接结构。该叠翅片5在其前侧A和其后侧B处由相应的端板21覆盖,以用于机械防护。发夹管3、4的直段以垂直的方式贯穿翅片5。因此,发夹管3、4的弯曲部或弯曲段6都位于该叠翅片5的一侧,同时发夹管3、4的(敞开)端部7都位于该叠翅片5的另一侧。该叠翅片5为热交换器1提供了刚度,并限制了发夹管3、4的相对移动。因此,该叠翅片5限制或抑制了外部引入的力和移动到热交换器1的元件的传播。
发夹管3、4被连接以形成敞开端部的流体通道。为此,管3、4成对地连接,使得中间(发夹)管3在两个端部7上连接至相应的(发夹)管3、4,且两个末端(或位于末端的)(发夹)管4在一端部7上分别连接至中间管3。每个末端管4的另一端部7不连接至管3、4。因此,形成了在末端管4处具有两个敞开端部7的蜿蜒状流体通道3,所述两个敞开端部7可充当用于流体F的相应的进口开口和出口开口。
发夹管3、4之间的连接通过使用成180°弯曲的管弯头8、8a(“U”形或“C”形管弯头8、8a)形式的管来实现。管弯头8、8a通过硬钎焊或软钎焊(尤其是火焰硬钎焊或火焰软钎焊)附连至发夹管3、4的敞开端部7,以实现特别耐久的、紧凑的且成本效益好的连接。
为了(流体地)连接这样的热交换器1,外部流体管路9可装配至末端管4的(尚且的)敞开端部7。借助于外部流体管路9,流体F可被引入流体通道3、4、8、8a和从流体通道3、4、8、8a排放,如直箭头所示。
目前为止,如果热交换器的流体通道完全由铝制成,在末端管的端部和主要由铜制成的外部流体管路9之间的联接部处就会存在材料不匹配。联接部通常表现出降低的稳定性和对裂纹的高易感性。这是特别不利的,因为例如机械应力例如通过外部流体管路在蒸汽压缩系统的操作过程中的振荡被经常施加于联接部上。
为了克服与末端管4和外部流体管路9之间的联接部10相关的问题,末端管4由铜(或更通常地,与外部流体管路9相比由相同或类似的材料)制成,如阴影区所示。中间管3仍由铝制成。因此,末端管4和外部流体管路9之间的联接部10不再表现出材料不匹配或明显的材料不匹配。从而这些联接部10与现有技术中已知的那些相比抗机械应力性强得多。
与相应的末端管4连接的管弯头8a由铜制成,从而存在与相应的末端管4的匹配的联接部11a以及与相邻的中间管3的不匹配的联接部11b。然而,由于中间管3以及不匹配的联接部11b是热交换器1的整体部分,并通过成叠的翅片5被保持在位,因此,极大降低了中间管3和相应的管弯头8a之间的相对移动(例如在模式1-3中)。因此,在联接部11b处的铜/铝不匹配对于热交换器1的操作而言不再危险。
联接部10、11、11a和11b有利地能够容易地从外侧接近。
并且,在由Cu制成的管弯头8a和由Al制成的相邻中间管3的不匹配的联接部11b处,管弯头8a嵌入中间管3(如图2所示)并通过钎料或软钎料23(比如锌)彼此固定。该类型的联接部11b具有的优点是,可避免软锌(其与Al相比具有类似的热膨胀度)的变形和不匹配的联接部11b内的内部裂纹的形成。并且,在软钎焊或硬钎焊过程中在联接部处的Al熔化能容易地被探测。
图3示出了根据第二实施方式的热交换器12a或热交换器部分的局部顶视图。热交换器12a与热交换器1相比具有大致类似的形式,且也成翅片管型,并例如可充当衣物干燥机2的热泵的一部分。
热交换器12a于是仅使用一个中间管13,该中间管13成形为具有多“U”或“C”形弯曲段6的蜿蜒状。因此,不再需要连接热交换器1的多个中间管3。
与热交换器1的另一差别在于,衣物干燥机2的管弯头8a被整合到中间管13上。因此,仅两个剩余的不匹配联接部14正好相应地位于中间管13和两个末端管4之间。
中间管13被嵌入成叠的翅片19中的狭缝18中以用于连接,从而使中间管13的每个“U”形段都嵌入相应的狭缝18中。因此,热交换器12a可通过连接管4、13、随后通过将连接起来的管4、13嵌入连接结构(成叠的翅片19)中来制造。为了将管稳固地保持在成叠的翅片19中,管4、13可在嵌入后被机械地扩张。
图4示出了根据第三实施方式的热交换器12b或热交换器部分的局部顶视图。此处,末端管4形成为直管15或管道,并在联接部16处与中间管17连接,尤其是与中间管17的整体的(替代性地:单独制造的)管弯头连接。
图5a示出了热交换器1(此时包括六个而非三个中间管3)的沿着图1的方向A的前视图。前伸的“U”形或“C”形管弯头8、8a被描述如图5b所示,同时中间管3以及它们的后伸的弯曲段6被描述如图5c所示。图5d示出了末端管4以及它们的后伸的弯曲段6。图5b和图5c的铝中间管3和管弯头8以空白面示出,同时铜末端管4以阴影面示出,例如图5b和图5d所示。
热交换器1具有三维结构,以便进行良好的热交换和在衣物干燥机2中的容易放置。同样的基础结构也可应用于热交换器12a和12b。
图6示出了根据第四实施方式的热交换器22的前视图。热交换器22与热交换器1、12a或12b相比可具有大致类似的轮廓。然而,弯头8、20此时也可包括分支(三通或三端)弯头20,以实现中间管3的并联布置。
当然,本发明不限于所示出的实施方式。
例如,中间管的数量可变化很大,且可包括一个或多于一个、尤其是五个或更多个中间管。
尽管优选的实施方式示出了包括形成一个流体通道的一组管的流体/空气热交换器,但是本发明不限于此。所述热交换器也可以是流体/流体热交换器。所述热交换器可包括形成相应的流体通道的两组或更多组管。
可使用与铝相比热膨胀系数更低的任何其他合适材料(例如钢)来代替铜。
通常,所述管可以以串联和/或以并联来连接。
并且,联接部和管可以是不同的形式或位置。
另外,所述热交换器不限于翅片管型热交换器,而是例如可以是另一类型的管式热交换器。
所述热交换器可尤其是热泵的一部分,但不限于此。例如,所述热交换器可以是冷凝器式衣物干燥机的冷凝器。
所述热交换器尤其可以是家用器具、例如衣物干燥机或冷藏机的一部分。
所述管弯头或分支弯曲部可以是另一形式,例如十字形的或四通的或更多通的。
可使用硬钎焊联接部来代替软钎焊联接部。
附图标记列表
1   热交换器
2   衣物干燥机
3   管
4   管
5   翅片
6   弯曲段
7   敞开端部
8   管弯头
8a  末端管弯头
9   外部流体管路
10  匹配的联接部
11  匹配的联接部
11a 匹配的联接部
11b 不匹配的联接部
12a 热交换器
12b 热交换器
13  中间管
14  联接部
15  直管
16  联接部
17  中间管
18  狭缝
19  翅片
20  管弯头
21  端板
22  热交换器
23  钎料
F   流体
A   前侧
B   后侧

Claims (9)

1.一种热交换器(1),包括至少一组管(3、4),每组管(3、4)都包括至少两个管(3、4),其中,
-所述管(3、4)通过至少一个连接结构(5)机械地连接;
-至少两个管(3、4)由具有不同的热膨胀系数的不同金属制成;
-具有不同的热膨胀系数的管(3、4)中的至少两个通过软钎焊联接部(11b)或通过硬钎焊联接部联接;
-在这两个管(3、4)的联接部(11b)处,由热膨胀系数较低的金属制成的管(4)嵌入由热膨胀系数较高的金属制成的管(3)中;
-所述至少两个管(3、4)包括至少一个中间管(3)和两个末端管(4);
-所述两个末端管(4)通过所述至少一个中间管(3)流体连接;
-所述至少一个中间管(3)由热膨胀系数较高的金属制成,所述末端管(4)由热膨胀系数较低的金属制成;
-所述管(3、4)包括基本的单和/或多“U”形式的至少一个发夹管;
-所述发夹管(3、4)通过相应的管弯头(8a)连接;
且其中,
-至少一个管弯头(8a)由热膨胀系数较低的金属制成。
2.如权利要求1所述的热交换器(1),其特征在于,所述热膨胀系数较高的金属包括铝。
3.如前面权利要求中任一所述的热交换器(1),其特征在于,所述热膨胀系数较低的金属包括铜或钢。
4.如前面权利要求中任一所述的热交换器(1),其特征在于,所述末端管(4)通过相应的末端管弯头(8a)连接至所述至少一个中间管(3),所述末端管弯头(8a)与所述末端管(4)由相同的金属制成。
5.如前面权利要求中任一所述的热交换器(1),其特征在于,所述至少一个管弯头(8a)被制造成单独元件。
6.如前面权利要求中任一所述的热交换器(1),其特征在于,所述热交换器(1)是翅片管型热交换器,其中,所述连接结构(5)包括被所述管(3、4)贯穿的一叠翅片(5)。
7.一种家用器具(2),尤其是衣物处理器具,其包括至少一个如前面权利要求中任一所述的热交换器(1)。
8.如权利要求7所述的家用器具(2),其特征在于,所述家用器具(2)是衣物干燥器具,所述热交换器(1)是热泵的一部分。
9.一种制造如前面权利要求中任一所述的热交换器(1)的方法,该方法至少包括以下步骤:
-通过相应的管弯头(8a)借助于软钎焊或硬钎焊将所述两个末端管(4)与所述至少一个中间管(3)连接。
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