CN110608620A - 一种铝合金翅片换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金翅片换热器，包括第一铝合金的导管和与导管的外部导热接触的多个散热片。鳍片包括第二铝合金，其含量为0.005重量％至0.1wt。选自锡，钡，铟，汞和镓的至少一种合金元素的百分比。

Description

一种铝合金翅片换热器

技术领域

本发明涉及热交换器技术领域，具体为一种用于翅片式热交换器的合金。

背景技术

热交换器广泛用于各种应用中，包括但不限于包括风扇盘管单元的加热和冷却系统，各种工业和化学过程中的加热和冷却，热回收系统等。用于将热量从一种流体传递到另一种流体的许多热交换器利用一个或多个管，一种流体流过该管，而第二流体围绕该管流。来自一种流体的热量通过管壁的传导传递给另一种流体。许多配置还利用散热片与管子的外部进行导热接触，以提供增加的表面积，热量可以通过该表面积在流体之间传递。改善了流过热交换器的第二流体的传热特性，并提高了热交换器的结构刚度。这样的热交换器包括微通道热交换器和圆管板翅片（RTPF）热交换器。

热交换器管可以由多种材料制成，包括诸如铝或铜的金属及其合金。铝合金是轻质的，具有高比强度和高导热率。由于这些优异的机械性能，铝合金被用作商业，工业，住宅，运输，制冷和海洋应用中的加热或冷却系统的热交换器。但是，铝合金热交换器对腐蚀的敏感性较高。腐蚀最终导致管道中制冷剂的损失以及加热或冷却系统的故障。突然发生的管子故障会导致冷却的迅速丧失以及加热或冷却系统的功能丧失。当然已知许多铝合金，每种铝合金具有相对的敏感性或耐腐蚀性。然而，据报道许多具有相对较高的耐腐蚀性的合金可能没有用作热交换器翅片所需的物理特性，或者对于翅片的制造和与热交换器管或通道的组装可能没有所需的成形性。例如，常规的阳极铝合金例如合金7072受到可成形性的限制，这对于具有低fpi（每英寸的鳍片）数且相应地具有较高套环尺寸的热交换器而言尤其成问题。对于一些具有较低fpi数量的热交换器设计，由于7072的可成形性有限，所以在较低fpi数量的情况下，7072的散热片会产生裂纹和其他缺陷。对于这样的设计，可以实现的最小fpi数受到限制为7072。据报道，许多具有相对较高的耐腐蚀性的合金可能没有用作热交换器翅片所需的物理性能，或者对于翅片的制造和与热交换器管或通道的组装可能没有所需的成形性。例如，常规的阳极铝合金例如合金7072受到可成形性的限制，这对于具有低fpi（每英寸的鳍片）数且相应地具有较高套环尺寸的热交换器而言尤其成问题。对于一些具有较低fpi数量的热交换器设计，由于7072的可成形性有限，所以在较低fpi数量的情况下，7072的散热片会产生裂纹和其他缺陷。对于这样的设计，可以实现的最小fpi数受到限制为7072。据报道，许多具有相对较高的耐腐蚀性的合金可能没有用作热交换器翅片所需的物理性能，或者对于翅片的制造和与热交换器管或通道的组装可能没有所需的成形性。例如，常规的阳极铝合金例如合金7072受到可成形性的限制，这对于具有低fpi（每英寸的鳍片）数且相应地具有较高套环尺寸的热交换器而言尤其成问题。对于一些具有较低fpi数量的热交换器设计，由于7072的可成形性有限，所以在较低fpi数量的情况下，7072的散热片会产生裂纹和其他缺陷。对于这样的设计，可以实现的最小fpi数受到限制为7072。传统的阳极铝合金，例如7072合金，在可成型性方面受到限制，这对于具有低fpi（每英寸鳍片）数且相应的套环尺寸较大的热交换器尤其成问题。对于一些具有较低fpi数量的热交换器设计，由于7072的可成形性有限，所以在较低fpi数量的情况下，7072的散热片会产生裂纹和其他缺陷。对于这样的设计，可以实现的最小fpi数受到限制为7072。传统的阳极铝合金，例如7072合金，在可成型性方面受到限制，这对于具有低fpi（每英寸鳍片）数且相应的套环尺寸较大的热交换器尤其成问题。对于一些具有较低fpi数量的热交换器设计，由于7072的可成形性有限，所以在较低fpi数量的情况下，7072的散热片会产生裂纹和其他缺陷。对于这样的设计，可以实现的最小fpi数受到限制为7072。

鉴于以上和其他考虑，在用于热交换器的铝合金领域中的进一步贡献在本领域中是众所周知的。

发明内容

根据本发明的一个方面，热交换器包括导管，该导管包括第一铝合金和与该导管的外部导热接触的多个散热片。鳍片包括第二铝合金，该第二铝合金的含量为0.005重量％至0.10wt。选自锡，钡，铟，汞，镓和al的至少一种合金元素的百分比。

在一些实施例中，合金元素选自铟或镓。

在一些实施方案中，第二铝合金占0.005重量％至0.05wt。至少一种合金元素的百分比。

在一些实施方案中，第二铝合金占0.01重量％至0.03wt。至少一种合金元素的百分比。

在一些实施例中，第二铝合金的溶液负电势比第一铝合金的溶液负电势至少大100mV。

在一些实施方案中，第二铝合金进一步包含0.5至6.0重量％。在一些实施方案中，第二铝合金进一步包含1至5重量％。

在一些实施方案中，第二铝合金进一步包含2至5重量％。％锌或镁。

在一些实施方案中，第二铝合金进一步包含0.05至1.0重量％。在一些实施方案中，第二铝合金进一步包含0.1至0.5重量％。

在一些实施例中，第二铝合金包括选自3000或8000系列铝合金的合金，合金元素和以上述指定量添加到其中的任何锌，镁，铁或硅。

在一些实施例中，第二铝合金包括选自AA1100，AA1145，AA7072，AA8005，AA8006和AA8011的合金，其中合金元素和以上述指定量添加到其中的任何锌，镁，铁或硅。

在一些实施例中，鳍片由第二铝合金形成。

在一些实施例中，鳍片包括鳍片主体部分和鳍片表面层部分，其中鳍片表面层部分包括第二铝合金，而鳍片主体部分包括第三铝合金。

在一些实施例中，第三铝合金包括选自AA1100，AA1145，AA7072，AA8006和AA8011的合金。

在一些实施例中，鳍片表面层覆盖鳍片主体部分的与导管的外部接触的区域。

在一些实施例中，鳍片表面层包围鳍片主体部分。

在一些实施例中，鳍片表面层具有5-50微米的厚度。

在一些实施例中，鳍片表面层具有15-250微米的厚度。

在一些实施例中，鳍片表面层通过冷喷涂或热喷涂工艺或气相沉积来施加。

在一些实施例中，通过冷气喷涂沉积来施加鳍表面层。

附图说明

图1示出了示例性热交换器的示意图；

图2示出了另一示例性热交换器的示意图；

图3示出了翅片式热交换器的一部分的横截面示意图；

图4示出了翅片式热交换器的一部分的横截面示意图；

图5示出了翅片式热交换器的一部分的横截面示意图；

图6描绘了翅片式热交换器的一部分的横截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

现在参考图1描绘了微通道或微通道类型的热交换器。这些类型的热交换器的构造通常是相同的，主要区别是基于传热管端口的大小而较为宽松地应用。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。参照图1，微通道热交换器200包括第一歧管212，第一歧管212具有用于接收诸如冷却剂的工作流体的入口214和用于排出工作流体的出口216。第一歧管212流体连接到多个管218中的每个，每个管在相反端上与第二歧管220流体连接。在此应该注意的是，如本文所用，术语“管”是指导管并且包括具有任何形状或构造的任何类型的通道或导管，包括但不限于具有圆形，矩形和正方形横截面的那些。第二歧管220与多个管222中的每个流体连接，所述多个管222使工作流体返回至第一歧管212以通过出口216排出。分区223位于第一歧管内的212到入口分开和出口第一歧管的部分212。管218和222可包括用于输送工作流体的通道，例如微通道。上述的两程工作流体流动配置仅仅是许多可能的设计布置中的一种。通过将隔板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，可以获得单程和其他多程流体流动配置。

如图所示，翅片224在管218和管222之间延伸。翅片224支撑管218和管222，并在管218和管222之间建立开放的流动通道（例如，用于气流），以提供附加的热传递表面并增强热传递特性。翅片224也为热交换器结构提供支撑。散热片224在铜焊接头处结合到管218和222226。鳍片224不限于图2所示的三角形横截面。如图2所示，因为也可以使用其他鳍片构造（例如，矩形，梯形，椭圆形，正弦形）。鳍片224可具有百叶窗以改善热传递。

参照图2，示出了示例性RTPF（圆管板翅片）热交换器。如图1所示。如图2所示，热交换器200包括一个或多个用于输送制冷剂的流动回路。为了说明的目的，热交换器200示出为具有由入口管线330和出口管线340组成的单个流动回路制冷剂管320。入口管线330通过90度弯管在热交换器200的一端连接至出口管线340。350。但是，很明显，取决于系统的需求，可以向该单元增加更多的电路。例如，尽管管弯头350被示为连接两个直管段的单独部件，但是管320也可以形成为其中具有用于管弯头350的发夹段的单个管件，并且这种发夹管的多个单元可以在开口端与U形连接器相连，以“来回”构造形成连续的较长流动路径。热交换器200还包括一系列翅片360包括沿流动回路的长度间隔开的径向布置的板状元件，该板状元件通常以过盈配合连接至管320。翅片360被一对端板或管板之间提供370和380和由线支承330，340，以便限定通过该调节后的空气经过所述制冷剂管中的气体流路320和间隔开的翅片之间360。鳍片360可以包括诸如百叶窗的传热增强元件。

制冷剂管可以由铝合金基芯材料制成，并且在一些实施例中，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。鳍片可以包括铝合金基底材料，例如选自1000系列，3000系列，6000系列，7000系列或8000系列铝合金的材料（如本文所用，所有合金编号和合金序列编号以及单独的合金）数字是由铝业协会指定的。本文所述的实施例将铝合金用于具有铝合金管的管翅式热交换器的翅片，即所谓的“全铝”热交换器。在一些实施例中，制冷剂流过的部件，例如管和/或歧管，可由合金制成，该合金在电化学上比制冷剂不流经的连接组件（例如，散热片）更具阴极性。这样可以确保在非流通组件中而不是流通组件中发生任何电偶腐蚀，以避免制冷剂泄漏。

如上所述，热交换器部件连接，例如在管和翅片之间，或在管和歧管之间，可以通过钎焊连接。用于铝部件的钎焊组合物在本领域是众所周知的，例如在美国专利No.5,235,038中有所描述。美国专利4,929,511、5,820,698、6,113,667和6,610,247，以及美国公开专利申请2012/0170669，其每一个的公开内容通过引用整体并入本文。用于铝的钎焊组合物可以包括各种金属和准金属，包括但不限于硅，铝，锌，镁，钙，镧系金属等。在一些实施例中，钎焊组合物包含比铝（例如，锌）更电化学阳极的金属，为了在钎焊接头而不是制冷剂管中提供牺牲性的电偶腐蚀。助焊剂材料可用于促进钎焊过程。用于钎焊铝部件的助焊剂材料可包括高熔点（例如，从约564℃至约577℃），例如LiF和/或KAF4。可以使用其他成分，包括铯，锌和硅。可以在钎焊之前将助焊剂材料施加到铝合金表面上，或者可以将其包括在钎焊组合物中。

如上所述，换热器翅片包括第二铝合金，该第二铝合金的重量百分比为0.01wt％至1.0wt。选自锡，钡，铟，汞，镓和al的至少一种合金元素的百分比。在一些更具体的实施方案中，第二铝合金占0.01重量％至0.05wt％的至少一种合金元素，甚至更特别地为0.01重量％至0.03wt。至少一种合金元素的百分比。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。

参照图3至图6，在图1至图3中示出了管翅组件10的示例性部分。参见图3-6，其中鳍片14附接到管12。在一些实施例中，第二铝合金可用作形成热交换器翅片的主要合金，如图2所示。如图3所示，其中翅片14由第二铝合金形成。在一些实施例中，如图3所示，第二铝合金作为表面层存在于由第三铝合金形成的鳍片上。在图4中鳍14具有表面层图16包括第二铝合金。所述第三铝合金可以是可用于制造翅片料的任何铝合金，包括但不限于AA1000，AA7000，AAAA8000系列合金，例如AA1100，AA1145，AA7072，AA8005或AA8011，本文使用的合金名称是根据国际铝协会出版的“锻造铝和锻造铝合金的合金名称和化学成分极限”。该表面层的厚度可以在15至250微米的范围内，更具体地在15至200微米的范围内。在一些实施例中，包括第二铝合金的表面层包围鳍片，包括如图2所示。4。在一些实施例中，包括第二铝合金的表面层覆盖鳍片主体部分的与管12的外部的接触点相邻的区域，但是保留鳍片主体的远离管的外部的未被覆盖的其他部分。12。例如，在诸如图2中所示的一些示例性实施例中，可以使用诸如“如图5所示，表面层16使与管12接触的翅片区域未涂覆。这种构造可以促进良好的热传递，同时还提供耐腐蚀性。在诸如图2所示的其他示例性实施例中，图2中的示例性实施例包括：6，表面层16覆盖管子12附近的鳍片表面的一部分并且不覆盖管子/鳍片的界面。

在一些实施例中，可以在钎焊之前将上述表面层施加到其上。可以使用各种技术来施加阳极金属，例如电沉积，物理气相沉积，或各种热喷涂方法，例如等离子喷涂，火焰喷涂，冷气喷涂沉积（CGSD），HVOF和其他已知的热喷涂技术。在更具体的示例性实施例中，表面层通过CGSD施加。或者，如本领域中已知的，可以将第二合金层物理地施加到表面上，然后加热。该表面层可以热扩散到铝基板中，例如，扩散到80-100μm的深度。

管本发明不受限于任何特定的理论或操作模式，但据信第二铝合金中的合金元素可能会干扰通常在铝表面上形成的薄保护性氧化物层的形成。合金，从而使腐蚀更容易发生在散热片表面。在一些实施例中，第二铝合金中的合金元素可以与还促进腐蚀优先发生在热交换器翅片中而不是载有制冷剂的管中的腐蚀的其他技术，材料和产品构造结合使用，尽管合金元素可以也可以单独使用。在某些实施例中，第二铝合金还包括使第二铝合金的溶液负电势比第一铝合金的负电势至少至少100mV的元素的存在。在一些实施方案中，0.5wt％至6.0wt％的镁或锌，更具体地为1重量％至5wt％的镁或锌，甚至更特别地为2重量％至5wt％镁或锌。镁或锌等元素的存在往往会使铝合金具有更负的溶液负电性溶液电势，从而导致在散热片而不是管中发生任何电化腐蚀。在一些实施例中，第二铝合金还包括形成金属间颗粒，金属间颗粒，铁，硅等元素的存在，这也可能会干扰在散热片上形成保护性氧化膜。在一些实施方案中，第二铝合金占0.05重量％至1.0wt。铁或硅的重量百分比，更具体地为0.1重量％至0.5wt。铁或硅的重量百分比，甚至更特别地为0.1重量％至0.5wt％铁或硅。

本文所述的第二铝合金可以基于具有至少一种合金元素和任选的锌的基础铝合金，并且将镁和镁添加到基础合金中以形成第二铝合金。示例性基础铝合金包括AA1100，AA1145，AA7072，AA8005，AA8006和AA8011及其混合物。

这些合金的组成和制备铝合金的技术是本领域众所周知的。此类组合物的示例性实施方案描述于例如铝和铝合金，ASMSpecialtyHandbook，JRDavis，ASMInternational，其公开内容通过引用整体并入本文。

尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。而是，可以对本发明进行修改以结合迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化，变更，替换或等同布置。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种铝合金翅片换热器，包括包含第一铝合金的导管；和与所述导管的外部导热接触的多个翅片，所述翅片包括第二铝合金，所述第二铝合金的含量为0.005重量％至0.1wt，选自锡，钡，铟，汞和镓的至少一种合金元素的百分比。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述合金元素选自铟或镓。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金占0.005重量％至0.05wt％的所述至少一种合金元素。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金占0.01重量％至0.03wt。

5.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金的溶液负电势比所述第一铝合金的溶液负电势至少大100mV。

6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金进一步包括0.5至6.0重量％的碳。

7.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金进一步包括1至5重量％的碳。

8.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金进一步包括2至5重量％的碳。

9.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金进一步包含0.05至1重量％。

10.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金进一步包含0.1至0.5重量％。