專利名稱：鋁翅片管熱交換器的制作方法
鋁翅片管熱交換器
相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2010年7月26日提交的名為“Aluminum Fin and Tube Heat Exchanger”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/367,688以及于2010年7月27日提交的名為 “Aluminum Fin and Tube Heat Exchanger” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) No. 61/368，075 的優(yōu)先權(quán)。這些申請(qǐng)的內(nèi)容以引用的方式全文結(jié)合到本文中。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及翅片管熱交換器，且更具體地涉及特別適合用于與運(yùn)輸制冷單元的耐腐蝕的全鋁合金翅片和管的蒸發(fā)器熱交換器。
背景技術(shù)：
易腐爛的貨物(例如，新鮮產(chǎn)品、新鮮和冷凍肉類、家禽肉、海鮮和其他食物)通常在卡車、拖車或運(yùn)輸集裝箱的溫度受控的貨物箱中運(yùn)輸。這類集裝箱通常被設(shè)計(jì)成適于由拖車在陸地上運(yùn)輸、由集裝箱船舶在海上運(yùn)輸、由平板火車在軌道上運(yùn)輸以及甚至由貨機(jī)在空中運(yùn)輸。在常規(guī)工業(yè)實(shí)踐中，運(yùn)輸該易腐爛貨物的卡車、拖車或集裝箱配置有用于將貨物箱保持在指定溫度范圍內(nèi)的溫度下的制冷單元，以在搬運(yùn)區(qū)間保持新鮮度并且最小化腐爛。制冷單元被安裝到卡車、拖車或集裝箱的貨物箱的一個(gè)壁上，通常是前壁上。
制冷單元包括與貨物箱隔離的壓縮機(jī)和冷凝器單元；以及蒸發(fā)器單元，所述蒸發(fā)器單元包括管狀熱交換器，所述管狀熱交換器通常是管和翅片熱交換器并且可操作地與卡車、拖車或集裝箱的貨物箱相關(guān)聯(lián)。從貨物箱被抽吸的空氣被傳送到蒸發(fā)器熱交換器上， 而與通過(guò)熱交換器的管循環(huán)的制冷劑處于熱交換關(guān)系，由此空氣在被供應(yīng)回到貨物箱之前被冷卻。
用于運(yùn)輸制冷單元的常規(guī)蒸發(fā)器熱交換器具有圓管和板狀翅片構(gòu)造，其結(jié)合有銅管和招翅片。例如，轉(zhuǎn)讓給Carrier Corporation的美國(guó)專利No. 6，325，138和No. 6，578，628公開了一種具有銅管和鋁翅片的圓管和板狀翅片熱交換器，所述熱交換器具有改善的防電解腐蝕性能。為了增強(qiáng)熱交換，銅管通常具有內(nèi)部增強(qiáng)件和鋁翅片包圍波狀設(shè)計(jì)，以分別增強(qiáng)在制冷劑側(cè)和空氣側(cè)上的熱傳遞。內(nèi)部開溝槽銅管的價(jià)格相當(dāng)不穩(wěn)定，這是因?yàn)樵搩r(jià)格隨原銅材料價(jià)格變化，并且該價(jià)格代表熱交換器成本的主要部分。此外,銅的密度是鋁的三倍。因此，對(duì)于常規(guī)銅管和鋁翅片熱交換器，熱交換器重量主要由銅管重量來(lái)控制。
鋁管是可市售得到的，但是當(dāng)前并不用于運(yùn)輸制冷應(yīng)用中，這是由許多因素造成的，這些因素不但包括在運(yùn)輸制冷應(yīng)用中的過(guò)度腐蝕問(wèn)題和鋁對(duì)比銅降低的抗拉強(qiáng)度、以及用于同樣爆破強(qiáng)度所需的較厚壁，而且還由于鋁對(duì)比銅增加的熱膨脹、由挑戰(zhàn)性的幾何尺寸引起的用于A1/A1接頭的銅焊靈敏度、以及Al合金熔化溫度十分接近于黃銅合金熔化溫度、以及由高振動(dòng)水平引起的鋁容易疲勞和磨損。
因此，需要一種具有全鋁合金構(gòu)造的熱交換器(S卩，具有鋁合金管、鋁合金翅片和鋁合金管板的熱交換器)，所述熱交換器具有用于運(yùn)輸制冷應(yīng)用的可接受耐腐蝕性、較低的 重量、與用于運(yùn)輸制冷單元中的常規(guī)銅管和鋁翅片熱交換器大致相同的熱傳遞性能。發(fā)明內(nèi)容
熱交換器包括具有縱向延伸的管長(zhǎng)度的至少一個(gè)管以及被陣列在所述至少一個(gè) 管上的多個(gè)熱交換翅片。所述至少一個(gè)管由具有第一電解電位的第一鋁合金制成，并且所 述多個(gè)熱交換翅片由具有第二電解電位的第二鋁合金制成。所述第二電解電位高于第一電 解電位，由此，所述翅片相對(duì)于所述管是犧牲性的。在實(shí)施方式中，所述第二鋁合金和所述 第一鋁合金之間的電解電位差大于大約20毫伏。
在一個(gè)方面，熱交換器包括至少一個(gè)蛇形管，所述至少一個(gè)蛇形管具有多個(gè)縱向 延伸的管長(zhǎng)度；以及多個(gè)熱交換翅片，所述熱交換翅片陣列在所述至少一個(gè)管上。陣列的所 述多個(gè)熱交換翅片中的相鄰翅片具有圍繞所述至少一個(gè)管設(shè)置并且接觸所述至少一個(gè)管 的互鎖頸圈。所述互鎖頸圈共同形成繞所述至少一個(gè)管的保護(hù)層。所述管與所述翅片接觸 并且具有一定電解電位，所述翅片可由具有相對(duì)于所述管的電解電位更大的電解電位的鋁 合金制成，由此保護(hù)層變?yōu)橄鄬?duì)于所述管來(lái)說(shuō)的電解犧牲層。


為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，將參考下述詳細(xì)說(shuō)明，該下述詳細(xì)說(shuō)明待結(jié)合附圖被閱 讀，在附圖中圖1是局部分解的透視圖，示出了翅片和管熱交換器的單組；圖2是是圖1的組裝后熱交換器的返回彎曲端的透視圖；圖3是根據(jù)本文的鋁管和鋁翅片熱交換器的示例性實(shí)施方式的翅片和管接口的截面 正視圖；圖4是貫穿本文所公開的熱交換器的實(shí)施方式的內(nèi)部開溝槽的鋁管的截面圖；圖5是大致沿圖4的線5-5截取的內(nèi)部開溝槽的管的截面圖；以及 圖6是圖5的內(nèi)部開溝槽的管的放大截面的正視圖。
具體實(shí)施方式
最初參考附圖中的圖1和圖2，描述了通常被用作運(yùn)輸制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器的通 用類型的圓管和板熱交換器10的示例性實(shí)施方式，示出了一個(gè)蛇形管組12。要理解的是， 典型熱交換器10將具有以橫向隔開的關(guān)系設(shè)置的多個(gè)蛇形管組12，例如如圖2所示。蛇 形管12由多個(gè)發(fā)卡管段14形成，這些發(fā)卡管段由返回彎頭16連接成流體流連通。每個(gè)發(fā) 卡管段14具有一對(duì)大致平行地縱向延伸的管長(zhǎng)度18以及發(fā)卡U形彎頭20。管板22和24 在縱向延伸的管長(zhǎng)度18的相反兩端處以間隔開的關(guān)系設(shè)置，所述管板22和24由多個(gè)管組 12的每個(gè)管長(zhǎng)度18貫穿，并且提供用于管組的結(jié)構(gòu)支承。要理解的是，由返回彎頭16連接 的兩個(gè)筆直管段能替代單個(gè)發(fā)卡管段14。此外，一個(gè)或多個(gè)中間管板可被結(jié)合在熱交換器 10中。
熱交換器10包括多個(gè)翅片26，這些翅片以平行地間隔開的關(guān)系設(shè)置并且橫向于 縱向延伸的管長(zhǎng)度18延伸。每個(gè)翅片26包括在其中具有開口陣列的片狀板翅片，每個(gè)開口用于當(dāng)熱交換器10被組裝時(shí)容納從其穿過(guò)的管長(zhǎng)度18。為了組裝熱交換器10，多個(gè)片狀板翅片的每個(gè)翅片26 一個(gè)接一個(gè)地滑上管長(zhǎng)度18的陣列，其中每個(gè)翅片26中的每個(gè)開口接收管長(zhǎng)度18的相應(yīng)一個(gè)，直到全部翅片26都被組裝在所述多個(gè)管長(zhǎng)度18上。管長(zhǎng)度 18然后從管長(zhǎng)度18內(nèi)徑向向外膨脹，由此每個(gè)管長(zhǎng)度18的外壁被使得與每個(gè)頸圈部28強(qiáng)制配合接觸，所述頸圈部28的每一個(gè)圍繞每個(gè)翅片26中的開口。當(dāng)翅片26的陣列(通常被稱為翅片組)被組裝到管長(zhǎng)度18上時(shí)，該翅片組在隔開的管板22和24之間并且在管長(zhǎng)度18的大致全部長(zhǎng)度上延伸。翅片組內(nèi)的翅片之間的間距通常由翅片頸圈部28限定。該翅片26可具有熱性能增強(qiáng)特征，例如瓦楞、波紋、切縫和百葉窗等。
頸圈部28具有外擴(kuò)部30和凹部32，該外擴(kuò)部從翅片的第一邊緣向外突出，該凹部被設(shè)置在翅片的相對(duì)邊緣中。當(dāng)翅片26在組裝過(guò)程期間以面對(duì)面隔開的關(guān)系陣列時(shí)，翅片頸圈部28與被接收在相鄰翅片的凹部32中的一個(gè)翅片的外擴(kuò)部30嵌套。當(dāng)管長(zhǎng)度18徑向向外膨脹時(shí)，翅片頸圈部28被壓潰，由此將外擴(kuò)部30與相關(guān)凹部32互鎖。結(jié)果，可能已經(jīng)存在于組裝好的翅片組陣列中的相鄰互鎖翅片26之間的任何空間或間隙被消除，并且在管長(zhǎng)度18的外壁周圍形成一體層。
在本文所公開的熱交換器10的一方面，管12 (包括發(fā)卡管段14和返回彎頭16)、 管板22、24和翅片26全都由鋁合金制成。管12由第一鋁合金制成，管板22、24由第二鋁合金制成，并且翅片26由第三鋁合金制成，其中第二和第三鋁合金與第一鋁合金相比具有較高的電解電位。因此，第二和第三鋁合金與第一鋁合金相比是電解犧牲的。因此，鋁合金管板22、24以及鋁合金翅片26與鋁合金管12相比是電解犧牲的。
管合金(即，第一鋁合金)和翅片合金(即，第三鋁合金)組合的選擇對(duì)于提供鋁熱交換器10的足夠長(zhǎng)時(shí)間耐腐蝕來(lái)說(shuō)是重要的。在環(huán)境操作狀況下，翅片合金對(duì)于所述管合金來(lái)說(shuō)必須是電解犧牲的。通常，第三鋁合金(即，翅片合金)與第一鋁合金(即，管合金)之間的電解電位差大于大約20毫伏。此外，第三鋁合金(即，翅片合金)在環(huán)境操作狀況下應(yīng)當(dāng)展現(xiàn)低腐蝕率。用于運(yùn)輸制冷應(yīng)用的蒸發(fā)器熱交換器的良好翅片合金和管合金組合的示例包括管由AA3003鋁合金制成并且翅片由AAllOO或AA7072鋁合金制成；管由AA30048鋁合金制成并且翅片由AA7072鋁合金制成；以及管由AA3102鋁合金制成并且翅片由AA7072 鋁合金制成。鋁合金規(guī)格是鋁協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格。使用這種組合，互鎖的鋁翅片26形成覆蓋層，該覆蓋層對(duì)于下面的鋁發(fā)卡管14來(lái)說(shuō)是犧牲性的，從而在翅片組區(qū)域中提供增加的耐腐蝕性。
類似地，管板22、24相對(duì)于從其穿過(guò)的發(fā)卡管14來(lái)說(shuō)也應(yīng)該是犧牲性的。相對(duì)于供形成發(fā)卡管14的第一鋁合金，供形成管板22、24的第二鋁合金應(yīng)當(dāng)具有顯著的電解電位差，該電解電位差通常也大于大約20毫伏。用于運(yùn)輸制冷應(yīng)用的蒸發(fā)器熱交換器的良好管合金和管板合金組合的示例包括管由AA3003鋁合金制成并且管板由AA5052鋁合金制成； 管由AA30048鋁合金制成并且管板由AA7072鋁合金制成；以及管由AA3102鋁合金制成并且管板由AA7072鋁合金制成。
在制冷環(huán)境中的大熱梯度、運(yùn)輸應(yīng)用中的高振動(dòng)負(fù)載以及鋁相對(duì)于銅的較低抗拉強(qiáng)度的情況下，如果未提供足夠的間隙以避免由于磨損造成的長(zhǎng)期管損壞，那么這種管與管板的干涉可能存在問(wèn)題。從熱應(yīng)力角度看，必須保持管與管板的間隙；但是從與振動(dòng)相關(guān)的因素看，必須最小化這種間隙。管板22、24中的供外徑為D的圓管14從其穿過(guò)的開口之間的沿如圖5所示的徑向方向測(cè)量的間隙Ts可被選擇使得無(wú)量綱比Ts/D的值處于O. 0013 至O. 0363的范圍內(nèi)。
返回彎頭16和發(fā)卡管14的發(fā)卡彎部20設(shè)置在翅片組區(qū)域之外，且因此蛇形管12 的這些部分并不由互鎖翅片26所提供的犧牲層保護(hù)?？上蚍祷貜濐^16和發(fā)卡管14的發(fā)卡彎部20施加涂覆保護(hù)，以向發(fā)卡彎部20和返回彎頭16提供等于熱交換器翅片組區(qū)域設(shè)計(jì)壽命的耐腐蝕性。例如，保護(hù)涂層可被施加到管板端部以便涂覆發(fā)卡彎部20和返回彎頭 16?？山邮艿谋Ｗo(hù)涂層例如包括但不局限于透明丙烯酸溶劑清漆；氨基甲酸酯基清漆；轉(zhuǎn)化涂層；丙烯酸電泳漆；環(huán)氧樹脂電泳漆；防腐蝕電泳漆；聚酯粉末；粉末涂層；以及預(yù)處理的2組分環(huán)氧樹脂，能夠應(yīng)用上述保護(hù)涂層，這取決于期望的保護(hù)水平。
需要的話，保護(hù)涂層可被施加到整個(gè)熱交換器10，以在嚴(yán)苛環(huán)境暴露狀況下提供附加的耐腐蝕性，在一些運(yùn)輸制冷應(yīng)用中可能面對(duì)該嚴(yán)苛環(huán)境暴露狀況?？杀粦?yīng)用到整個(gè)熱交換器10的保護(hù)涂層的示例包括但不局限于三價(jià)鉻轉(zhuǎn)化涂層；鋯轉(zhuǎn)化涂層；磷酸鋅涂層；以及磷酸鐵涂層。此外，用于應(yīng)用到發(fā)卡彎部20和返回彎頭16的任何前述涂層可被應(yīng)用到整個(gè)熱交換器10以作為預(yù)處理，之后是外覆施加前述涂層。
鋁圓管和鋁板翅片熱交換器盤管能取代具有銅圓管和鋁翅片的類似構(gòu)造的熱交換器盤管，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在寬范圍的環(huán)境狀況和操作參數(shù)下的等同熱性能。鋁管需要具有較厚的壁，這是因?yàn)殇X合金與其銅對(duì)應(yīng)物相比具有減少的抗拉強(qiáng)度。用于熱交換器應(yīng)用的鋁管可在內(nèi)部開槽或者以其他方式設(shè)置有內(nèi)部翅片增強(qiáng)件，例如如在圖4-6中描述的管14的示例性實(shí)施方式中描述的。
代表增強(qiáng)熱性能內(nèi)管幾何尺寸和改善結(jié)構(gòu)剛度的各種無(wú)量綱組被提供在下表中 (單獨(dú)參數(shù)定義請(qǐng)見相關(guān)圖4-6)。
表 I
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，所述熱交換器包括 至少一個(gè)管，所述管具有縱向延伸的管長(zhǎng)度，所述至少一個(gè)管由具有第一電解電位的第一鋁合金制成；以及 多個(gè)熱交換翅片，所述熱交換翅片被陣列在所述至少一個(gè)管上，所述多個(gè)熱交換翅片由第二鋁合金制成，所述第二鋁合金具有第二電解電位，所述第二電解電位高于第一電解電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，所述第二鋁合金和所述第一鋁合金之間的電解電位差大于大約20毫伏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，所述第一鋁合金包括鋁合金AA3003，所述第二鋁合金包括選自由AAllOO和AA7072構(gòu)成的組的鋁合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，所述第一鋁合金包括選自由AA30048和AA3102構(gòu)成的組的鋁合金，并且所述第二鋁合金包括鋁合金AA7072。
5.一種熱交換器，所述熱交換器包括 至少一個(gè)蛇形管，所述至少一個(gè)蛇形管具有多個(gè)縱向延伸的管長(zhǎng)度；以及 多個(gè)熱交換翅片，所述熱交換翅片陣列在所述至少一個(gè)管上，陣列的所述多個(gè)熱交換翅片中的相鄰翅片具有圍繞所述至少一個(gè)管設(shè)置并且接觸所述至少一個(gè)管的互鎖頸圈，所述互鎖頸圈共同形成繞所述至少一個(gè)管的保護(hù)層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱交換器，其中，繞所述至少一個(gè)管的所述保護(hù)層包括相對(duì)于所述至少一個(gè)管來(lái)說(shuō)的電解犧牲層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱交換器，其中，所述至少一個(gè)管包括由具有第一電解電位的第一鋁合金制成的管；并且所述多個(gè)熱交換翅片包括由第二鋁合金制成的翅片，所述第二鋁合金具有第二電解電位，所述第二電解電位高于第一電解電位。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱交換器，其中，所述至少一個(gè)蛇形管包括被支承在隔開的管板之間的多個(gè)發(fā)卡管，每個(gè)發(fā)卡管具有一對(duì)縱向延伸的管長(zhǎng)度以及發(fā)卡彎部，所述多個(gè)發(fā)卡管通過(guò)多個(gè)返回彎頭流體互連。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換器，其中，每個(gè)管板包括由第三鋁合金制造的管板，所述第三鋁合金具有第三電解電位，所述第三電解電位高于所述第一電解電位。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱交換器，其中，所述第一鋁合金包括鋁合金AA3003，并且所述第三鋁合金包括鋁合金AA5052。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，所述第一鋁合金包括選自由AA30048和AA3102構(gòu)成的組的鋁合金，并且所述第三鋁合金包括鋁合金AA7072。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換器，其中，所述發(fā)卡彎部和所述返回彎頭被涂覆有保護(hù)涂層，以增強(qiáng)耐腐蝕性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱交換器，其中，所述保護(hù)涂層包括選自包括如下的組的用于增強(qiáng)耐腐蝕性的涂層透明丙烯酸溶劑清漆；氨基甲酸酯基清漆；轉(zhuǎn)化涂層；丙烯酸電泳漆；環(huán)氧樹脂電泳漆；防腐蝕電泳漆；聚酯粉末；粉末涂層；以及預(yù)處理2組分的環(huán)氧樹脂。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換器，其中，所述熱交換器涂覆有保護(hù)涂層，用于進(jìn)一步增強(qiáng)耐腐蝕性。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的熱交換器，其中，所述保護(hù)涂層包括選自包括如下的組的用于增強(qiáng)耐腐蝕性的涂層三價(jià)鉻轉(zhuǎn)化涂層；鋯轉(zhuǎn)化涂層；磷酸鋅涂層；以及磷酸鐵涂層。
16.—種用作與運(yùn)輸制冷系統(tǒng)相關(guān)的蒸發(fā)器盤管的熱交換器,所述熱交換器包括第一和第二縱向隔開的管板；被支承在所述隔開的管板之間的多個(gè)鋁合金發(fā)卡管，每個(gè)發(fā)卡管具有一對(duì)縱向延伸的管長(zhǎng)度以及發(fā)卡彎部，所述多個(gè)發(fā)卡管通過(guò)所述多個(gè)返回彎頭流體互連；以及多個(gè)熱交換翅片，所述熱交換翅片被陣列在所述多個(gè)發(fā)卡管的所述縱向延伸的管長(zhǎng)度上，陣列的所述多個(gè)熱交換翅片的相鄰翅片具有圍繞所述至少一個(gè)管設(shè)置并且接觸所述至少一個(gè)管的互鎖頸圈，所述互鎖頸圈共同形成繞所述至少一個(gè)管的保護(hù)層；所述管板以及所述多個(gè)翅片相對(duì)于所述發(fā)卡管來(lái)說(shuō)都是電解犧牲的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱交換器，其中，所述多個(gè)發(fā)卡管由具有第一電解電位的第一鋁合金制成，所述多個(gè)翅片由具有第二電解電位的第二鋁合金制成，并且所述管板由具有第三電解電位的第三鋁合金制成，所述第二電解電位和所述第三電解電位均大于所述第一電解電位。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的熱交換器，其中，所述第二鋁合金和第三鋁合金包括同一招合金。
19.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換器，其中，每個(gè)管板在其中均具有多個(gè)管孔，每個(gè)管孔接收所述多個(gè)發(fā)卡管的相應(yīng)一個(gè)的管長(zhǎng)度，每個(gè)管長(zhǎng)度具有外徑D，并且每個(gè)孔相對(duì)于所述管長(zhǎng)度具有間隙Ts，其中，比Ts/D的值在O. 0013至O. 0363的范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，所述至少一個(gè)管包括具有內(nèi)部翅片的管， 所述內(nèi)部翅片具有翅片周長(zhǎng)和翅片截面面積，所述翅片周長(zhǎng)與翅片截面面積的比的值在 400至650的范圍內(nèi)，所述比用〃英寸―1〃量綱表達(dá)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，所述至少一個(gè)管包括具有選自在表I中示出的參數(shù)組的至少一個(gè)參數(shù)的管，所述參數(shù)的值處于表I中為此指定的相應(yīng)范圍內(nèi)。
全文摘要
提供一種熱交換器(10)，所述熱交換器包括至少一個(gè)鋁合金管(12)和陣列在所述鋁合金管上的多個(gè)鋁翅片(26)。鋁管可由管板(24)支承，所述管板由鋁合金制成。
文檔編號(hào)F28F19/00GK103003654SQ201180036922
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月26日
發(fā)明者M.F.塔拉斯, J.斯卡塞拉, B.J.波普勞斯基, J.L.埃斯富姆斯, M.T.隆巴多, T.J.加羅申 申請(qǐng)人:開利公司