CN107003096A - 铝合金翅片式热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热交换器，所述热交换器包括含第一铝合金的导管；以及多个翅片，所述翅片与所述导管的外部导热接触。所述翅片包括第二铝合金，所述第二铝合金包括0.005重量％至0.1重量％的选自以下的至少一种合金元素：锡、钡、铟、汞以及镓。

Description

铝合金翅片式热交换器

发明背景

本文公开的主题总体上涉及热交换器，并且更具体地说涉及用于翅片式热交换器的合金。

热交换器广泛用于各种应用中，包括但不限于包括风机盘管单元的加热和冷却系统、各种工业和化学工艺中的加热和冷却、热回收系统等等，仅举数例。用于将热量从一种流体传递至另一种流体的许多热交换器利用一个或多个管子，一种流体流过所述一个或多个管子，而第二流体围绕所述管子流动。来自流体之一的热量通过管壁的传导而传递至另一种流体。许多配置还利用与管子的外部导热接触的翅片，以提供在上面流体之间可以传递热量的增加的表面积，改进流过热交换器的第二流体的热传递特征并且增强热交换器的结构刚性。这类热交换器包括微通道热交换器和圆管板翅片(RTPF)热交换器。

热交换器管可以由各种材料制成，包括金属诸如铝或铜，以及其合金。铝合金质轻，比强度高并且导热性高。由于这些优异的机械特性，铝合金在商业、工业、住宅、运输、制冷和海洋应用中用作加热或冷却系统的热交换器。然而，铝合金热交换器具有相对较高的腐蚀敏感性。腐蚀最终会导致管子中失去制冷剂以及加热或冷却系统的故障。突然管子故障会导致迅速失去冷却并且失去加热或冷却系统的功能性。许多铝合金当然是已知的，每种铝合金具有相对的腐蚀敏感性或耐腐蚀性。然而，据报道具有相对较高的耐腐蚀性的许多合金可能不具有用作热交换器翅片的所需的物理特性，或者可能不具有用于与热交换器管或通道一起进行翅片制造和组装的所需的可成形性特征。例如，常规阳极铝合金诸如合金7072受到可成形性的限制，这对于fpi (每英寸翅片)计数低，套环尺寸相对较大的热交换器来说是特别有问题的。对于具有较低fpi计数的一些热交换器设计，7072翅片在较低fpi计数下会经受因7072的有限可成形性所致的开裂和其他缺陷。对于这类设计，7072的可以实现的最小fpi计数是有限的。

鉴于以上和其他考虑，对于热交换器的铝合金领域的进一步贡献在本领域中是受欢迎的。

发明内容

根据本发明的一个方面，热交换器包括导管，所述导管包括第一铝合金；以及多个翅片，所述翅片与导管的外部导热接触。翅片包括第二铝合金，所述第二铝合金包括0.005重量％至0.10重量％的选自以下的至少一种合金元素：锡、钡、铟、汞、镓以及铊。

在一些实施方案中，合金元素选自铟或镓。

在一些实施方案中，第二铝合金包括0.005重量％至0.05重量％的至少一种合金元素。

在一些实施方案中，第二铝合金包括0.01重量％至0.03重量％的至少一种合金元素。

在一些实施方案中，第二铝合金的溶液阴电位比第一铝合金负至少100 mV。

在一些实施方案中，第二铝合金还包括0.5重量％至6.0重量％的锌或镁。

在一些实施方案中，第二铝合金还包括1重量％至5重量％的锌或镁。

在一些实施方案中，第二铝合金还包括2重量％至5重量％的锌或镁。

在一些实施方案中，第二铝合金还包括0.05重量％至1.0重量％的铁或硅。

在一些实施方案中，第二铝合金还包括0.1重量％至0.5重量％的铁或硅。

在一些实施方案中，第二铝合金包括选自3000或8000系列铝合金的合金，其中合金元素和任何锌、镁、铁或硅以上文指定的量添加至所述铝合金。

在一些实施方案中，第二铝合金包括选自AA1100、AA1145、AA7072、AA8005、AA8006以及AA8011的合金，其中合金元素和任何锌、镁、铁或硅以上文指定的量添加至所述铝合金。

在一些实施方案中，翅片由第二铝合金形成。

在一些实施方案中，翅片包括翅片主体部分和翅片表面层部分，其中翅片表面层部分包括第二铝合金，并且翅片主体部分包括第三铝合金。

在一些实施方案中，第三铝合金包括选自AA1100、AA1145、AA7072、AA8006以及AA8011的合金。

在一些实施方案中，翅片表面层覆盖翅片主体部分的与导管的外部接触的区域。

在一些实施方案中，翅片表面层包裹住翅片主体部分。

在一些实施方案中，翅片表面层具有5-50微米的厚度。

在一些实施方案中，翅片表面层具有15-250微米的厚度。

在一些实施方案中，翅片表面层通过冷喷涂或热喷涂工艺或者气相沉积来施加。

在一些实施方案中，翅片表面层通过冷气喷涂沉积来施加。

附图简述

在说明书结尾处的权利要求书中具体指出并明确主张了被视为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征及优点根据以下结合附图进行的具体实施方式将变得显而易见，在附图中：

图1展示示例性热交换器的示意图；

图2展示另一种示例性热交换器的示意图；

图3展示翅片式热交换器的一部分的截面图的示意图；

图4展示翅片式热交换器的一部分的截面图的示意图；

图5展示翅片式热交换器的一部分的截面图的示意图；并且

图6展示翅片式热交换器的一部分的截面图的示意图。

具体实施方式

现参考附图，图1展示微通道或微通道类型的热交换器。这些类型的热交换器的配置通常是相同的，其中主要差异是基于热传递管端口的大小而相当宽泛地应用。为了方便起见，这种类型的热交换器在本文中将被称为微通道热交换器。如图1所示，微通道热交换器200包括第一歧管212，所述第一歧管具有入口214，所述入口用于接纳工作流体，诸如冷却剂；以及出口216，所述出口用于排放工作流体。第一歧管212流体地连接至多个管子218中的每一个，所述多个管子分别在相对端上与第二歧管220流体地连接。此处应当指出，如本文所使用的术语“管子”意指导管并且包括任何形状或配置的任何类型的通道或导管，包括但不限于具有圆形、矩形和方形形状的截面的通道或导管。第二歧管220与多个管子222中的每一个流体地连接，所述多个管子将工作流体返回至第一歧管212，以便通过出口216排放。分区223位于第一歧管212内，以将第一歧管212的入口和出口区段隔开。管子218和222可以包括用于传送工作流体的通道，诸如微通道。上文描述的两次通过工作流体流动配置仅仅是许多可能的设计布置中的一种。单次和其他多次通过流体流动配置可以通过将分区223、入口214和出口216放置在第一歧管212和第二歧管220内的特定位置处来获得。

翅片224如图所示在管子218与管子222之间延伸。翅片224支撑管子218和管子222，并且在管子218与管子222之间建立开放的流动通道(例如，用于气流)以提供附加热传递表面并且增强热传递特征。翅片224还为热交换器结构提供支撑。翅片224在钎焊接头226处结合到管子218和222。翅片224不限于图2所示的三角形截面，因为也可以使用其他翅片配置(例如，矩形、梯形、椭圆形、正弦形)。翅片224可以具有用于改进热传递的百叶片。

现参考图2，示出了示例性RTPF (圆管板翅片)热交换器。如图2所示，热交换器200包括用于运送制冷剂的一个或多个流动回路。出于解释的目的，热交换器200被示出为具有由入口管线330和出口管线340组成的单一流动回路制冷剂管320。入口管线330在热交换器200的一端处通过90度管弯头350连接至出口管线340。然而，应显而易见的是，可以根据系统的需求来将更多回路添加至所述单元。例如，虽然管弯头350被示出为连接两个直管区段的单独的部件，但是管子320还可以形成为其中具有用于管弯头350的发夹区段的单一管件，并且这类发夹形管子的多个单元可以在开放端用u形连接器连接来形成呈‘来回’配置的连续的较长的流动路径。热交换器200还包括一系列翅片360，所述翅片包括径向安置的板状元件，所述板状元件沿着流动回路的长度间隔开，通常以过盈配合连接至管子320。翅片360提供在一对端板或管板370与380之间并且由管线330、340支撑，以便于限定调节空气在其中穿过制冷剂管320并穿过间隔开的翅片360之间的气体流动通道。翅片360可以包括热传递增强元件，诸如百叶片。

制冷剂管可以由基于铝合金的核心材料制成，并且在一些实施方案中可以由选自1000系列、3000系列、5000系列或6000系列铝合金的铝合金制成。翅片可以包括铝合金基底材料，例如像选自以下的材料：1000系列、3000系列、6000系列、7000系列或8000系列铝合金(如本文所使用，所有合金编号和合金系列编号以及个别合金编号都像铝业协会(TheAluminum Association)规定的一样)。本文描述的实施方案将铝合金用于具有铝合金管的管子-翅片式热交换器(即，所谓的“全铝”热交换器)的翅片。在一些实施方案中，制冷剂从中流过的部件，诸如管子和/或歧管可以由电化学上阴极比制冷剂未从中流过的连接部件(例如，翅片)更活跃的合金制成。这确保会在非流通部件中而不是在流通部件中发生任何电化学腐蚀，以便于避免制冷剂泄漏。

如上所述，热交换器部件连接，诸如管子与翅片之间，或管子与歧管之间的连接可以通过钎焊来连接。用于铝部件的钎焊组合物在本领域中是熟知的，例如在美国专利4,929,511、5,820,698、6,113,667和6,610,247以及美国公布的专利申请2012/0170669中所描述，所述专利中的每一个的公开内容以引用的方式整体并入本文。用于铝的钎焊组合物可以包括各种金属和类金属，包括但不限于硅、铝、锌、镁、钙、镧系金属等等。在一些实施方案中，钎焊组合物包括电化学上阳极比铝更活跃的金属(例如，锌)，以便于在钎焊接头而不是制冷剂管中提供牺牲性电化学腐蚀。可以使用助熔材料来促进钎焊过程。用于铝部件的钎焊的助熔材料可以包括高熔点(例如，约564℃至约577℃)，诸如LiF和/或KAlF₄。可以利用其他组合物，包括铯、锌和硅。助熔材料可以在钎焊之前施加到铝合金表面，或者可以被包括在钎焊组合物中。

如上所述，热交换器翅片包括第二铝合金，所述第二铝合金包括0.01重量％至1.0重量％的选自以下的至少一种合金元素：锡、钡、铟、汞、镓以及铊。在一些更具体的实施方案中，第二铝合金包括0.01重量％至0.05重量％的至少一种合金元素，以及甚至更具体地0.01重量％至0.03重量％的至少一种合金元素。在一些更具体的实施方案中，至少一种合金元素选自铟或镓。

现转到图3-6，图3-6中示出了管子和翅片组件10的示例性部分，其中翅片14附接至管子12。在一些实施方案中，第二铝合金可以如图3所示用作形成热交换器翅片的主要合金，其中翅片14由第二铝合金形成。在一些实施方案中，第二铝合金如图4所示作为表面层存在于由第三铝合金形成的翅片上，其中翅片14具有包括第二铝合金的表面层16。第三铝合金可以是可用于制造翅片坯料的任何铝合金，包括但不限于AA1000、AA7000、AA AA8000系列合金，诸如AA1100、AA1145、AA7072、AA8005或AA8011，本文所使用的合金牌号是按铝业协会出版的有关变形铝和变形铝合金的国际合金牌号和化学组成限制(InternationalAlloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum andWrought Aluminum Alloys)所载。表面层可以具有范围为15至250微米、更具体地为15至200微米的厚度。在一些实施方案中，包括第二铝合金的表面层包裹住翅片，包括如图4所示的那样。在一些实施方案中，包括第二铝合金的表面层覆盖翅片主体部分的邻近于与管子12的外部接触的接触点的区域，但是并未覆盖远离管子12的外部的翅片主体的其他部分。例如，在一些示例性实施方案中，诸如图5所示，表面层16并未涂布与管子12接触的翅片区域。这种配置可以促进良好的热传递，同时还提供耐腐蚀性。在其他示例性实施方案中，诸如图6所示，表面层16覆盖管子12附近的翅片表面的部分，而不覆盖管子/翅片界面。

在一些实施方案中，上文描述的表面层可以在钎焊之前施加。可以使用各种技术来施加阳极金属，诸如电沉积；物理气相沉积；或各种热喷涂方法，诸如等离子体喷涂、火焰喷涂、冷气喷涂沉积(CGSD)、HVOF以及其他已知的热喷涂技术。在更具体的示例性实施方案中，表面层通过CGSD来施加。可替代地，如本领域所已知，含第二合金的层可以物理地施加到表面，并且之后进行加热。表面层可以热扩散到铝基底中，例如到达80-100 μm的深度。

虽然本发明并不由任何特定理论或操作模式限定或受其限制，但是认为第二铝合金中的合金元素可能会干扰通常形成在铝合金的表面上的薄的保护性氧化物层的形成，从而使得翅片表面上更容易发生腐蚀。在一些实施方案中，第二铝合金中的合金元素可以与其他技术、材料和产品配置一起结合使用，所述技术、材料和产品配置也会促使腐蚀优先发生在热交换器翅片中而不是发生在运送制冷剂的管子中，但是合金元素也可以独自地使用。在一些实施方案中，第二铝合金还包括使第二铝合金的溶液阴电位比第一铝合金负至少100 mV的元素的存在。在一些实施方案中，0.5重量％至6.0重量％的镁或锌、更具体地为1重量％至5重量％的镁或锌、以及甚至更具体地为2重量％至5重量％的镁或锌。元素诸如镁或锌的存在往往会使铝合金具有更负的溶液阴电位，这使得任何电化学腐蚀都发生在翅片中而不是发生在管子中。在一些实施方案中，第二铝合金还包括形成金属间化合物颗粒的元素诸如铁或硅的存在，这也会干扰热交换器翅片上的保护性氧化膜的形成。在一些实施方案中，第二铝合金包含.05重量％至1.0重量％的铁或硅、更具体地为0.1重量％至0.5重量％的铁或硅、以及甚至更具体地为0.1重量％至0.5重量％的铁或硅。

本文描述的第二铝合金可以是基于具有至少一种合金元素和任选的锌的基础铝合金，并且镁可以添加至基础合金来形成第二铝合金。示例性基础铝合金包括AA1100、AA1145、AA7072、AA8005、AA8006和AA8011、以及其混合物。

这些合金的组合物和用于制备铝合金的技术在本领域中是熟知的。这类组合物的示例性实施方案描述于例如铝和铝合金(Aluminum and Aluminum Alloys)，ASM专业手册(ASM Specialty Handbook)，JR.Davis，ASM International，其公开内容以引用的方式整体并入本文。

尽管仅结合有限数目的实施方案详细描述了本发明，但应容易理解，本发明并不限于此类公开的实施方案。相反，可以对本发明进行修改，以结合前文未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数目的变化、改变、替代或等效布置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的各方面可以包括所描述的实施方案中的仅一些。因此，不应认为本发明受前文描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (20)

1. 一种热交换器，所述热交换器包括：

导管，所述导管包括第一铝合金；以及

多个翅片，所述翅片与所述导管的外部导热接触，所述翅片包括第二铝合金，所述第二铝合金包括0.005重量％至0.1重量％的选自以下的至少一种合金元素：锡、钡、铟、汞以及镓。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中所述合金元素选自铟或镓。

3.如权利要求1或2所述的热交换器，其中所述第二铝合金包括0.005重量％至0.05重量％的所述至少一种合金元素。

4.如权利要求1或2所述的热交换器，其中所述第二铝合金包括0.01重量％至0.03重量％的所述至少一种合金元素。

5. 如权利要求1-4中任一项所述的热交换器，其中所述第二铝合金的溶液阴电位比所述第一铝合金负至少100 mV。

6.如权利要求1-5中任一项所述的热交换器，其中所述第二铝合金还包括0.5重量％至6.0重量％的锌或镁。

7.如权利要求1-5中任一项所述的热交换器，其中所述第二铝合金还包括1重量％至5重量％的锌或镁。

8.如权利要求1-5中任一项所述的热交换器，其中所述第二铝合金还包括2重量％至5重量％的锌或镁。

9.如权利要求1-8中任一项所述的热交换器，其中所述第二铝合金还包括0.05重量％至1重量％的铁或硅。

10.如权利要求1-8中任一项所述的热交换器，其中所述第二铝合金还包括0.1重量％至0.5重量％的铁或硅。

11.如权利要求1-10中任一项所述的热交换器，其中所述第二铝合金包括选自AA1100、AA1145、AA7072、AA8005、AA8006以及AA8011的合金，其中所述合金元素和任何锌、镁、铁或硅以如权利要求1-10中任一项指定的量添加至所述铝合金。

12.如权利要求1-11中任一项所述的热交换器，其中所述翅片由所述第二铝合金形成。

13.如权利要求1-11中任一项所述的热交换器，其中所述翅片包括翅片主体部分和翅片表面层部分，其中所述翅片表面层部分包括所述第二铝合金并且所述翅片主体部分包括第三铝合金。

14.如权利要求13所述的热交换器，其中所述第三铝合金包括选自AA1100、AA1145、AA7072、AA8005以及AA8011的合金。

15.如权利要求13或14所述的热交换器，其中所述翅片表面层覆盖所述翅片主体部分的与所述导管的所述外部接触的区域。

16.如权利要求13-15中任一项所述的热交换器，其中所述翅片表面层包裹住所述翅片主体部分。

17.如权利要求13-16中任一项所述的热交换器，其中所述翅片表面层具有15-250微米的厚度。

18.如权利要求13-16中任一项所述的热交换器，其中所述翅片表面层具有5-50微米的厚度。

19.如权利要求13-18中任一项所述的热交换器，其中所述翅片表面层通过热喷涂工艺或气相沉积来施加。

20.如权利要求19所述的热交换器，其中所述翅片表面层通过冷气喷涂沉积来施加。