CN114111429A - 阳极化传热管的内表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明标题为“阳极化传热管的内表面的方法”。公开了一种阳极化传热管的内表面的方法，包括将多个接触电极放置成与传热管的外表面电连通并沿着所述传热管的外表面，将反电极插入传热管的内部空间，向传热管的内部空间提供电解溶液，使多个接触电极和反电极之间的电流通过电解溶液，沿着传热管的内表面形成氧化层，其中氧化层具有沿着传热管的长度减小的氧化层厚度，停止电流的通过，移除电解溶液，以及将密封溶液施加至氧化层的表面，以沿着传热管的内表面形成所密封的氧化层。

Description

阳极化传热管的内表面的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2020年8月27日提交的美国临时申请号62/706594的益处，其内容整体地并入本文。

技术领域

示例性实施例涉及阳极化（anodizing）铝零部件（parts）的领域。更特定地，本公开涉及阳极化铝热交换器零部件以及用于制造该零部件的方法。

背景技术

铝提供了用于制造热交换器的铜的较轻、较便宜的备选方案。然而，铝可能更容易受到腐蚀和结垢（fouling）的影响。例如，水冷式冷却器可能暴露于各种各样的水质，这可能导致含水的传热管（heat transfer tubes）的腐蚀和结垢。考虑到这些管的独特几何形状、尺寸和重量，可能非常难以高效且有效地对它们施加表面处理。由于制造商试图利用铝或其它非传统金属（例如，除了铜之外）来制造热交换器管，因此在本领域中仍然有需要新的表面处理及它们的应用的具有成本效益（cost-effective）的方法。

发明内容

公开了一种阳极化传热管的内表面的方法，包括：将多个接触电极放置成与所述传热管的外表面电连通并沿着所述传热管的外表面，将反电极（counter electrode）插入所述传热管的内部空间，向所述传热管的所述内部空间提供电解溶液，使所述多个接触电极和所述反电极之间的电流通过所述电解溶液，沿着所述传热管的所述内表面形成氧化层，其中，所述氧化层具有沿着所述传热管的长度减小的氧化层厚度，停止所述电流的所述通过，移除所述电解溶液，以及将密封溶液施加至所述氧化层的表面，以沿着所述传热管的所述内表面形成所密封的氧化层。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，还包括将所述反电极配置成具有沿着其长度减小的电导率，并且其中，沿着所述传热管的所述长度的所述氧化层厚度的减小对应于沿着所述反电极的长度的电导率的减小。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，将所述反电极配置成具有沿着其长度减小的电流通量还包括将所述反电极配置成具有沿着其长度的至少一部分减小的电屏蔽厚度。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，将所述反电极配置成具有沿着其长度减小的电导率还包括将所述反电极配置成具有沿着其长度设置的电屏蔽的一个或多个部分，并且其中，所述一个或多个部分被布置成具有沿着所述反电极的所述长度减小的电导率。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，插入所述反电极还包括将所述反电极插入到部分地延伸到所述传热管的内部空间中的插入深度，并且其中，所述氧化层厚度沿着所述传热管的所述长度的减小的至少一部分对应于所述插入深度。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，形成所述氧化层还包括调节所述多个接触电极和所述反电极之间的电流的流动，以改变沿着所述传热管的所述长度的至少一部分的所述氧化层厚度。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，使所述电流通过还包括将电能施加到所述接触电极和反电极，从而在它们之间产生电压差。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，还包括沿着所述传热管的所述长度定位所述多个接触电极。

还公开了一种冷却器，包括多个热交换器，其中，所述多个热交换器中的至少一个包括多个传热管，其中，在所述多个传热管中的一个或多个管的内表面上形成氧化层，并且其中，所述氧化层具有沿着所述传热管的长度减小的氧化层厚度。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，所述传热管基本上包括铝。

还公开了一种传热管阳极化设备，包括：多个接触电极，所述多个接触电极被配置用于与传热管的外表面电连通并且沿着传热管的外表面放置，反电极，所述反电极包括沿着其长度的至少一部分厚度减小的电屏蔽，电源，所述电源包括正端子和负端子，其中，所述多个接触电极被设置成与所述正端子电连通，并且所述反电极被设置成与所述负端子电连通，以及控制器，所述控制器被配置成调整所述电源的电参数，其中，所述电参数包括输出功率、以及输出电压、输出电流、或包括前述中的至少一个的组合。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，所述反电极包括具有沿着其长度的至少一部分延伸的电屏蔽的金属线。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，所述反电极包括具有沿着其长度的至少一部分延伸的电屏蔽的多个金属线。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，所述电屏蔽包括沿着所述反电极的长度设置的多个电屏蔽部分，并且其中，至少两个部分具有不同的电导率值。

除了上面所公开的方面中的一个或多个之外或者作为备选方案，其中，所述多个电屏蔽部分被布置成具有沿着所述反电极的所述长度减小的电导率值。

附图说明

以下描述不应被认为以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件用相同的数字标记：

图1是所公开的方法步骤的图示。

图2是传热管和具有多个金属元件的反电极的示意图示。

图3是传热管和其上具有厚度减小的屏蔽材料的反电极的示意图示。

图4是在具有流动过程（flow process）的传热管阳极化设备中的传热管的示意图示。

图5是在具有分批过程（batch process）的传热管阳极化设备中的传热管的示意图示。

具体实施方式

本文参考附图通过举例并非限制的方式呈现了所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。

在HVAC系统中部署铝零部件的重大挑战可能是铝对腐蚀和结垢的易受影响性。为了降低腐蚀速率，可以应用表面处理以保护基础铝或铝合金材料免受腐蚀性相互作用（例如，与水和/或其中的杂质，诸如氯、氟和其它解离的离子物质）。然而，热交换器管的表面处理的挑战可能是在管的表面上存在表面特征。表面特征可包括鳍（fin）、钉状物（spikes）或凹入管的内表面和/或外表面或者从管的内表面和/或外表面延伸的其它突起。这些特征可以被配置成破坏边界层流并且增加局部对流传热系数。当在形成表面特征之后施加涂层时，涂层可通过填充凹部和/或覆盖特征的突起而部分地阻止表面特征的益处，从而限制其有效性。

为了解决这些问题，申请人已经开发了用于阳极化传热管的内表面的所公开的方法和设备。如附图中所示，所公开的方法包括将多个接触电极（30a、30b、30c）放置成与传热管10的外表面电连通并沿着传热管10的外表面的第一步骤100。接触电极（30a、30b、30c）可围绕管10的外表面缠绕，并可沿着管10的长度利用任何期望的间隔定位。例如，接触电极（30a、30b、30c）可沿着管10的轴向长度相等地间隔开，并可基本上围绕管10的外侧缠绕。放置多个接触电极（30a、30b、30c）可包括将接触电极接合到管10的外表面的任何合适的方法，诸如将使反电极滑动、缠绕、夹持和/或夹在在管10上等等。紧固件、带或条带和张紧器或其它机械固定件可以被用来将接触电极（30a、30b、30c）附接和/或按压在管10的外表面上，以增强电极与管10之间的电连通。

所公开的方法的第二步骤120可包括将反电极40插入传热管10的内部空间12内。可沿着管10的中心线8定位反电极40，或者围绕中心线8布置反电极40，使得在所有径向方向上，反电极40的表面和管10的内表面之间的距离基本相等。一个或多个定位导向件（guides）59可位于管内部空间12内，以帮助将反电极40定位在管10的中心线8上或围绕管10的中心线8定位。此外，一个或多个定心孔71可被包括在定位导向件59中，以帮助将反电极沿着或围绕中心线8定位。定位导向件59可包括在所公开的方法期间可允许流体流过管10的环绕孔72。定位导向件59可由不导电的介电材料制成，使得与反电极40和管10的接触将不会使在阳极化期间产生的电解电路短路。

反电极40可包括例如如图2中所示被布置在一起以形成反电极40的多个金属元件（42a、42b、42c）或者单个金属元件。反电极40可包括比铝更贵重的金属，例如，钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、铜、汞和铼。一个或多个金属元件可包括沿着其长度的至少一部分设置的电屏蔽材料（41a、41b、41c）。电屏蔽材料（41a、41b、41c）可包括介电材料，例如诸如聚丙烯、聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙烯（诸如高密度聚乙烯HDPE）等等之类的热塑性塑料，其被构造为防止电流沿着被电屏蔽材料41覆盖的部分流过反电极42。可基于热塑性塑料与电解质溶液61的相容性（例如，当被暴露于电解质溶液61、电极、部件和诸如热交换器管之类的工件时为惰性或不反应的化学物质）来选择热塑性塑料，诸如在提交本申请时有效的美国材料与试验协会（ASTM）D543-20所描述的。电屏蔽材料41的有效厚度可沿着反电极40的长度变化。例如，电屏蔽材料41可在反电极的一端45处最厚，并可过渡到较小厚度的材料，或过渡到在相对端48处的裸露、暴露的金属元件。电屏蔽在厚度上的过渡可为连续的或不连续的，其包括倾斜状过渡、阶梯状过渡等等。例如，反电极40可包括多个金属元件（42a、42b、42c），每个金属元件具有电屏蔽材料（41a、41b、41c），该电屏蔽材料覆盖金属元件（42a、42b、42c）的长度的一个或多个部分以形成有效电屏蔽厚度中的阶梯状过渡。因此，在通过反电极40和管10之间的电解溶液61的径向电流中产生阶梯状过渡，该阶梯状过渡根据管长度而变化。在另一个示例中，例如如图3中所示，反电极40可包括具有电屏蔽材料41的单个金属元件42，该电屏蔽材料41被配置成沿着反电极40的长度减小的厚度。因此，在通过反电极40和管10之间的电解溶液61的径向电流中产生连续的过渡，该连续的过渡根据管长度而变化。

通过电解溶液的屏蔽电流可虑及对沿着传热管10的内表面的不同深度的阳极化。例如，虑及氧化深度根据传热管10的长度而变化。这种方法可以被用来诸如当被用于热交换器中时在管的最热轴向位置处（例如，将最靠近热入口流体流或者热侧入口歧管的管的部分）为传热管10的最易受腐蚀的区域提供额外保护。

通过使用部分地延伸进传热管10内的反电极40（例如小于传热管10的全长）可以实现可变的涂层厚度。这样的方法可以虑及沿着其中存在反电极40的传热管10内表面的部分的表面处理（例如，同时沿着其中不存在反电极的部分将形成很少的表面处理或不形成表面处理）的局部化和/或变厚。例如，反电极40可被部分地插入传热管10中，以沿着管内表面形成表面处理达到对应于插入深度的距离。这样，表面处理可以在传热管10的一端最厚，并且在相对端最薄或者不存在。

此外，电屏蔽材料41可包括一个或多个导电部分和一个或多个部分非导电部分。一个或多个导电部分和一个或多个部分非导电部分可以沿着反电极40的长度以任何图案布置。该部分可以包括介电材料（例如，诸如聚氯乙烯、聚乙烯等等之类的热塑性塑料），其成分和/或厚度可以被定制以针对每个部分允许期望的电流通量分布（或电流密度分布，例如，沿着传热管10的内表面的电流分布）或缺少该电流通量分布。以这些方式，沿着反电极40的长度的电导率分布可以被定制以考虑当操作时沿着传热管10的长度可能存在的腐蚀和/或结垢状况的变化。

所公开的方法的第三步骤140可包括向传热管10的内部空间12提供电解溶液61。电解溶液61可包括酸（例如硫酸、铬酸、磷酸等等），其可使用任何合适的方式被提供到传热管10的内部空间12。例如，如图4中所示，电解液61可以在流动过程中被泵送通过管10，或者如图5中所示，管10可以在分批过程中被放置于电解液61的浴槽（bath）中。电解溶液可包括富氧电解质。电解溶液61可以包括染料（dye）、颜料、蚀刻溶液或其它化学物质，其可以被用来影响氧化物层的物理特性，诸如孔隙率、对管表面的粘附和颜色。

参考图4，传热管阳极化设备300可以包括泵52，其可以将电解溶液61从源贮存器50通过传热管10泵送到收集器60。源贮存器50可以包括用于将电解溶液61加热或冷却到期望的处理温度的热交换器51。入口阀54和出口阀57可以被用来在管被配置用于处理时将入口流动管线53和出口流动管线58与传热管10隔离。入口端盖55和出口端盖56可以被用来分别将传热管10流体连接到入口流动管线53和出口流动管线58。如果在收集器60处的电解溶液61中的活性物质（例如，硫酸、铬酸、磷酸等等）的浓度足够高，则该溶液可以可选地被再循环回到源贮存器50，在所述源贮存器50处它可以在该过程中被再利用。

参考图5，传热管阳极化设备300可以被配置用于将提供有反电极40的传热管10浸没进槽70中，所述槽70含有被设置在其中的一定体积的电解溶液61。槽70的内表面可由适合于含有电解溶液61的高介电、耐腐蚀材料制成或保护性地涂覆有适合于含有电解溶液61的高介电、耐腐蚀材料，诸如塑料（例如，聚乙烯、聚四氟乙烯）。如果需要，热交换器51可以被用来将槽70内的电解溶液61加热或冷却到期望的处理温度。

所公开的方法的第四步骤160可包括使多个接触电极（30a、30b、30c）和反电极40之间的电流通过电解溶液61。一个或多个电源（32a、32b、32c）可被配置成与一个或多个接触电极（32a、32b、32c）和反电极40的一个或多个金属元件电连通。一个或多个电源（32a、32b、32c）可以被用来在管10和反电极40之间产生电势差。一个或多个电源（32a、32b、32c）可与控制器控制连通，该控制器被配置成调节一个或多个电源（32a、32b、32c）的电参数以维持电源的期望输出电压（例如，跨电极的电势差）、来自电源通过电解溶液61的期望输出电流、来自电源的期望功率输出、或包括前述中的至少一种的组合。此电势差产生了电流从反电极40流过电解液61并流到管10的内表面的驱动力。管10的内表面可以充当阳极，在所述阳极处释放氧气并且形成和生长氧化铝层，而反电极40可以充当阴极，在所述阴极处放出氢气。

所公开的过程的第五步骤180可包括沿着传热管10的内表面形成氧化层。当电解溶液61存在于反电极40和接触电极（32a、32b、32c）之间并且在它们之间产生电势差时，氧化层可形成。可控制电解溶液61的电势差、浓度、酸度和温度、电流或包括前述中至少一种的组合，以便为管10提供有期望的氧化层。此外，可调节氧化层的轮廓（profile）以提供随管10的长度而变的期望的耐腐蚀性，这可虑及基于诸如传热阻力效应（例如，热导率）和耐腐蚀性效应之类的材料性质来优化氧化层。例如，氧化层可以沿着传热管10的长度的一部分变厚，该部分具有被施加到其上的增加的电势。被施加到管10的一部分的增加的电势可以是被施加到该部分的较高电势的结果，或者可以是由于反电极40的（一个或多个）电屏蔽材料41层沿着该部分的有效厚度的减小，或者电屏蔽材料41中的成分变化（例如，导致较低的屏蔽强度）而造成的。氧化层可具有沿着传热管10的长度减小的氧化层厚度，例如，具有从一端45到相对端48的减小的厚度。如本文所描述的所形成的氧化层可在沿着传热管10的长度的点处具有如下最大厚度：小于或等于约10微米（μm）、或从约1μm至约8μm、或从约1μm至约7μm、或从约1μm至约6μm、或从约2μm至约8μm、或从约2μm至约7μm、或从约2μm至约6μm、或从约3μm至约8μm、或从约3μm至约7μm、或从约3μm至约6μm、或小于或等于约5μm、或小于或等于约4μm、或小于或等于约3μm、或小于或等于约2μm、或小于或等于约1μm。在一实例中，可以在与基本上包括6000系列铝的传热管电连通的接触电极（30a、30b、30c）和反电极40之间施加从约12伏特直流电压（VDC）至约18 VDC的电势差达从约15至约30分钟的持续时间，以沿着传热管10的内表面形成具有从约3μm至约6μm最大厚度的氧化层。

所公开的过程的第六步骤200包括停止电流的通过。一旦达到期望的氧化层厚度，就可以移除所施加的电势，并且可以停止通过电解质溶液61的电流。

所公开的过程的第七步骤220可包括移除电解溶液61。移除可包括以任何合适的方式将电解溶液61与传热管10的内部空间12分离。例如，如图4中所示，可以停止电解溶液61的流动，并且清洗流体（例如水）、密封溶液等等可以被用来冲洗传热管10的内部空间12。在另一个示例中，如图5中所示，传热管10可以从电解溶液61的浴槽中移除，并放置在含有清洗流体（例如水）的单独的清洗槽中。

所公开的过程的第八步骤可包括将密封溶液（例如，耐腐蚀溶液）施加至形成在传热管10的内表面上的氧化层。密封溶液可有助于降低氧化层被腐蚀的速率，从而有助于改进耐久性。密封溶液的示例可包括但不限于乙酸镍、六氟锆酸钾和三价硫酸铬（例如三价铬法（TCP））的水溶液和去离子水。此外，水性乙酸镍密封步骤可包括在从约190℉至约210℉的温度下将传热管10的内表面暴露于从约0.5重量%（wt%）至约3 wt%乙酸镍的水溶液中达从约15分钟至约30分钟的持续时间。此外，TCP密封步骤可以包括在约环境温度（例如，72℉）下将传热管10的内表面暴露于从约10wt%至约30wt%的三价硫酸铬达从约5分钟至约15分钟的持续时间。此外，去离子水密封步骤可包括在沸腾温度（例如，在1个大气压下212℉）下将传热管10的内表面暴露于去离子水中达从约30分钟至约45分钟的持续时间。

如本文所描述的，其中形成有氧化层的传热管10可用于制造热交换器。例如，传热管10可用于制造壳和管式热交换器（shell and tube heat exchanger）、鳍式管热交换器、板鳍式管热交换器等等。该热交换器可用于加热、空调和制冷设备的构造中。例如，传热管10可用于壳和管式热交换器的构造，该壳和管式热交换器可被配置供空调系统的冷却器使用。如本文所描述的形成的氧化层可为传热管10提供有在其操作寿命期间免受腐蚀和结垢的额外保护，同时最小化氧化层厚度对传热管10的热导率的影响。

本文描述的数字步骤不旨在指定操作的对应时间顺序或次序。除非另外指出，否则在不背离本公开的本质并且仍然受益于本公开的情况下，步骤可以以任何顺序执行、被分离成不同的时间事件执行、被组合成单个时间事件执行、或者可以在时间上重叠地执行。

术语“约”旨在包括与基于提交本申请时可用的设备的特定量的测量相关联的误差度。

本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，且不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其群组的存在或添加。

尽管已经参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且等同物可以替换其元件。此外，在不背离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应于本公开的教导。因此，意图是本公开并不限于作为实施本公开所预期的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种阳极化传热管的内表面的方法，包括：

将多个接触电极放置成与所述传热管的外表面电连通并沿着所述传热管的外表面，

将反电极插入所述传热管的内部空间，

向所述传热管的所述内部空间提供电解溶液，

使所述多个接触电极和所述反电极之间的电流通过所述电解溶液，

沿着所述传热管的所述内表面形成氧化层，其中，所述氧化层具有沿着所述传热管的长度减小的氧化层厚度，

停止所述电流的所述通过，

移除所述电解溶液，以及

将密封溶液施加至所述氧化层的表面，以沿着所述传热管的所述内表面形成所密封的氧化层。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述反电极配置成具有沿着其长度减小的电导率，并且其中，沿着所述传热管的所述长度的所述氧化层厚度的减小对应于沿着所述反电极的长度的电导率的减小。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，将所述反电极配置成具有沿着其长度减小的电流通量还包括将所述反电极配置成具有沿着其长度的至少一部分减小的电屏蔽厚度。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，将所述反电极配置成具有沿着其长度减小的电导率还包括将所述反电极配置成具有沿着其长度设置的电屏蔽的一个或多个部分，并且其中，所述一个或多个部分被布置成具有沿着所述反电极的所述长度减小的电导率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，插入所述反电极还包括将所述反电极插入到部分地延伸到所述传热管的内部空间中的插入深度，并且其中，所述氧化层厚度沿着所述传热管的所述长度的减小的至少一部分对应于所述插入深度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，形成所述氧化层还包括调节所述多个接触电极和所述反电极之间的电流的流动，以改变沿着所述传热管的所述长度的至少一部分的所述氧化层厚度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述电流通过还包括将电能施加到所述接触电极和反电极，从而在它们之间产生电压差。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括沿着所述传热管的所述长度定位所述多个接触电极。

9.一种冷却器，包括多个热交换器，其中，所述多个热交换器中的至少一个包括多个传热管，其中，在所述多个传热管中的一个或多个管的内表面上形成氧化层，并且其中，所述氧化层具有沿着所述传热管的长度减小的氧化层厚度。

10.根据权利要求9所述的冷却器，其中，所述传热管基本上包括铝。

11.一种传热管阳极化设备，包括：

多个接触电极，所述多个接触电极被配置用于与传热管的外表面电连通并且沿着传热管的外表面放置，

反电极，所述反电极包括沿着其长度的至少一部分厚度减小的电屏蔽，

电源，所述电源包括正端子和负端子，其中，所述多个接触电极被设置成与所述正端子电连通，并且所述反电极被设置成与所述负端子电连通，以及

控制器，所述控制器被配置成调整所述电源的电参数，其中，所述电参数包括输出功率、以及输出电压、输出电流、或包括前述中的至少一个的组合。

12.根据权利要求11所述的阳极化设备，其中，所述反电极包括具有沿着其长度的至少一部分延伸的电屏蔽的金属线。

13.根据权利要求11至12中的任一项所述的阳极化设备，其中，所述反电极包括具有沿着其长度的至少一部分延伸的电屏蔽的多个金属线。

14.根据权利要求13的任一项所述的阳极化设备，其中，所述电屏蔽包括沿着所述反电极的长度设置的多个电屏蔽部分，并且其中，至少两个部分具有不同的电导率值。

15.根据权利要求14所述的阳极化设备，其中，所述多个电屏蔽部分被布置成具有沿着所述反电极的所述长度减小的电导率值。

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