制造具有增强材料系统的换热器的方法

制造具有增强材料系统的换热器的方法
【专利摘要】一种制造换热器组件的方法，该换热器组件具有增强材料系统。该增强材料系统包括制冷剂管、散热片以及头部歧管，该制冷剂管由具有大约1重量百分比（wt%）Mn的高纯度AA3000系列合金坯挤压制成并且利用反应锌熔剂或元素锌粉末和由玻璃等离子体或诸如有机粘合剂之类有机粘合剂施涂的可控气氛钎焊（CAB）熔剂的混合物进行钎焊前处理，这些散热片由具有小于0.05wt%Cu以及1.2wt%至1.8wt%Zn的改型AA3003合金形成，而头部歧管由具有带有0.9%至1.1%Zn的AA4000系列包层的AA3003系列合金制成。增强材料系统还可包括钎焊后涂层和后续的有机聚合物树脂表面涂层。
【专利说明】制造具有增强材料系统的换热器的方法
【技术领域】
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011 年 4 月 25 日提交的题为 “ENHANCED MATERIAL SYSTEMS FORALUMINUM HEAT EXCHANGERS (用于铝制热交换器的增强材料系统)”的美国临时专利申请系列号N0.61/478，709的优先权，该申请的全文以参见的方式纳入本文。
[0003]本发明涉及一种铝制换热器；更确切地说，涉及一种制造具有增强材料系统的铝制换热器的方法。
【背景技术】
[0004]例如用在机动车辆中或者用在包括热泵的住宅/商业应用中的冷凝器或蒸发器之类的基本换热器组件通常包括入口头部歧管、出口头部歧管、多个制冷剂管件以及外部散热片，该多个制冷剂管件液压地连接头部歧管用于使两相制冷剂在致冷器管件和头部歧管之间流动，而外部散热片设置在相邻的制冷剂管件之间用于增大热传递效率。换热器组件的还被称为中心组件的芯部组件由制冷剂管件和将制冷剂管件互连起来的波纹状散热片的组件所限定。头部歧管、管件以及散热片通常组装成单体结构，然后进行钎焊以形成单体换热器组件。
[0005]铝制换热器组件由于轻型、易于制造以及热传递效率而是理想的。制冷剂管件已知通过挤压铝合金制造，并且使用氟铝酸钾熔剂进行可控气氛钎焊(CAB)。在换热器组件钎焊之前，CAB熔剂使用静电钎剂涂敷器或者通过湿浆施涂于换热器组件。在钎焊之前，以8至12g/m2的重量用预施涂的热喷涂锌涂层来处理铝制制冷剂管。在钎焊过程中，锌扩散到制冷剂管的铝制基材中，由此产生由锌梯度构成的牺牲腐蚀层。在钎焊之后，基于钎焊型式，表面下方的锌大约是4至7被％并且扩散至大约100微米的深度。波纹状散热片通常有双侧包层铝合金板形成。头部歧管通常由单侧包层铝板形成，该单侧包层铝板焊接到管中，而该管则具有相对应的槽来将铝板插入制冷剂管的端部中。
[0006]该材料系统足以用于通常具有较低环境污染物的地理位置中的大多数汽车和非汽车应用，这些环境污染物会腐蚀换热器组件的铝制基材。然而，从全球的视角来看，世界上存在具有较高水平的环境污染物的地区，这会加速侵蚀铝制换热器组件。环境污染物可以是酸雨、道路除冰盐、包括柴油机废气冷凝物的空气污染物、化肥、碱性化合物以及来自建筑施工和海岸氯化物的乙酸和甲酸。用作蒸发器的铝制换热器组件观察腐蚀冷凝物的PH数值，这些PH数值由于酸雨而可能低至4。堆积在换热器组件上的冷凝物会具有由于工业污染物而引起的高度导电性，其中较高的导电性会增大腐蚀效应。持续地需要减小铝制热交换器的腐蚀率，以延长腐蚀环境中的使用寿命。

【发明内容】

[0007]本发明涉及一种制造铝制热交换器的方法，该铝制热交换器具有增强材料系统。该方法包括:提供多个制冷剂管，该多个制冷剂管由AA3000系列铝合金挤压制成，该AA3000系列铝合金具有最大0.3重量百分比(wt%)的S1、最大0.2wt%的Fe、最大0.03wt%的Cu以及在0.90至1.10wt%的Mn ;提供多个散热片，该多个散热片由AA3000系列铝合金制成，该AA3000系列铝合金具有0.3至1.0wt%的S1、最大0.4wt%的Fe、最大0.05wt%的Cu、从1.3至1.8wt%的Mn、在1.2至1.8wt%之间的Zn以及最大0.20wt%的Zr ；以及提供至少一个头部歧管，该至少一个头部歧管具有多个制冷剂管槽。
[0008]该头部歧管由具有包层的AA3000系列铝合金板形成，其中铝合金板可包括芯部，该芯部具有最大0.6wt%的S1、最大0.7wt%的Fe、从0.05至0.65wt%的Cu、从1.0至1.6wt%的Mn、最大0.20wt%的Mg、最大0.10wt%的Zn以及最大0.25wt%的Ti。头部歧管的铝合金板的包层可包括6.8至8.2wt%的S1、最大0.8wt%的Fe、最大0.25wt%的Cu、最大0.10wt%的Mn以及0.9至1.lwt%的Zn。在替代方案中，头部歧管的铝合金板的包层可包括9.0至
11.0wt% 的 S1、最大 0.8wt% 的 Fe、最大 0.30wt% 的 Cu、最大 0.05wt% 的 Mn、最大 0.05wt% 的Mg 以及 0.9 至 1.lwt% 的 Zn。
[0009]将锌涂层施涂到多个制冷剂管中至少一个的外表面上。施涂锌涂层的步骤可包括施涂充足量的锌，以在钎焊之后获得具有I至3wt%的Zn以及在表面下方具有最大85微米扩散深度的锌扩散层。
[0010]将散热片组装到制冷剂管的相邻成对制冷剂管之间，并且将多个制冷剂管的敞口端部插到头部歧管的相对应制冷剂管槽中，由此形成换热器组件。然后，以充足的时间和温度对换热器组件进行热处理来将多个制冷剂管、散热片以及至少一个头部歧管钎焊成单个一体结构，并且将锌涂层扩散到制冷剂管中以形成锌扩散层。
[0011]制造具有增强材料系统的铝制热交换器的方法提供如下一种热交换器:该热交换器与现有技术中已知的铝制热交换器相比提供更优的腐蚀防护。通过阅读本发明的实施例的以下具体说明，本发明的另一些特征和优点将变得更加清楚，参照附图并以非限制性实例方式给出该说明。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]将参考附图来进一步描述本发明，其中:
[0013]图1示出典型的换热器组件，该换热器组件具有在两个头部歧管之间延伸的制冷剂管和波纹状散热片中心。
[0014]图2示出图1所示热交换器的制冷剂管、波纹状散热片以及头部的一部分的详细剖视图。
【具体实施方式】
[0015]参见图1，示出示例换热器组件(换热器组件)10的立体图，该换热器组件具有多个制冷剂管16，这些制冷剂管在第一头部歧管12和第二头部歧管14之间延伸。换热器组件10可以是用于机动车辆的冷凝器或蒸发器或者用于住宅/商业建筑应用的热泵。制冷剂管16中的每个都限定了两个相对的敞口端部18和两个端部之间的制冷剂通道。头部歧管12、14包括多个相对应的头部槽20，这些头部槽构造成接纳相对应的管端部的敞口端部18。制冷剂管16与第一头部歧管12和第二头部歧管14液压连接，用于使两相制冷剂在歧管之间流动。[0016]本发明的一实施例提供一种制造具有增强材料系统的换热器组件10的方法。该增强材料系统提供所具有的耐腐蚀性优于现有技术中已知的铝制热交换器的耐腐蚀性的铝制热交换器。增强材料系统包括制冷剂管、散热片以及头部歧管，其中制冷剂管由具有大约1.0重量百分比(wt%) Mn的高纯度AA3000系列合金坯挤压制成并且利用反应锌熔剂或元素锌粉末和由玻璃等离子体或诸如丙烯酸粘合剂之类有机粘合剂施涂的可控气氛钎焊(CAB)熔剂的混合物进行钎焊前处理，散热片由具有小于0.05wt%Cu以及1.2wt%至
1.8wt%Zn的改型AA3003合金形成，而头部歧管由具有带有0.9%至1.1%Ζη的AA4000系列包层的AA3003系列合金制成。增强材料系统还可包括钎焊后涂层，该钎焊后涂层由钒、锆或铬转化涂层、基于钛的陶瓷涂层或进行了底漆预处理的电泳涂布环氧或聚氨酯涂层构成。转化涂层的腐蚀性能可附加地由后续有机聚合物树脂表面涂层来改进。
[0017]铝制热交换器包括制冷剂管，该制冷剂管由高纯度的AA3000系列(AlMnl)合金坯挤压制成，该合金还包含大约1%的Mn，余下部分为Al和痕星兀素杂质。闻纯度AlMnl合金的使用确保铁(Fe)、硅(Si)以及铜(Cu)和镍(Ni)保持在微量杂质水平处或之下(参见表格I)。在通常用于压制制冷剂管的典型AA3000系列合金坯的铸造过程中，形成一定范围的粗铁金属间化合物，主要是a Al12 (Fe、MrO3Si以及AlFeSi。这些铁金属间化合物部分地是造成典型ΑΑ3000系列合金的腐蚀率的原因，因为它们与周围的富铝基质相比提供较小的局部阳极和阴极沉淀物，由此产生微观电化腐蚀电池(伽凡尼电池)的混合物。因此，为了增大耐腐蚀性，使用具有痕量的铁(Fe)和硅(Si)以及较低含量的铜(Cu)和镍(Ni)的高纯度AlMnl合金，来减小含有铁的金属间相的容积分数并且减小微观电化腐蚀电池的活动性。这些粗铁金属间化合物的容积分数较低；由此使得AlMnl合金较不容易受到腐蚀。
[0018]AlMnl合金挤压出的制冷剂管的表面在钎焊之前预施涂有反应锌熔剂、6KZnF3或元素锌粉末和可控气氛钎焊(CAB)熔剂的混合物。CAB熔剂可包括氟铝酸钾(IV3AlFh6)熔剂或氟铝酸钾熔剂(IV3AlFh6)和锂熔剂(Li3AlF6)的混合物。反应锌熔剂通过辊涂有机粘合剂输送，且元素锌粉末和CAB熔剂的混合物通过气体等离子体或辊涂有机粘合剂来输送，其中通过使平坦基材穿过两个辊子之间来向平坦基材施涂涂层以进行辊涂过程。在钎焊之前的热脱脂热处理过程中，原铝部件上使用的有机粘合剂和任何制造油会蒸发。
[0019]在钎焊过程中，反应锌熔剂(6KZnF3)化合物与挤压制成的AlMnl合金管反应以形成元素锌和氟铝酸钾(IV3AIFm)熔剂。来自反应锌熔剂或元素锌粉末的元素锌扩散到AlMnl的挤压制成的管的合金中，以形成牺牲性阳极防腐层。该熔剂溶解表面氧化物以使得来自散热片的包层填充金属(在下文将进行更详细地描述)能自由地流动以产生钎焊角焊缝，由此将散热片与管连结起来。
[0020]令人惊讶的发现在于，与利用传统的热电弧喷涂工艺来将钎焊前锌涂层施涂于管相比，通过由辊涂有机粘合剂将反应锌熔剂施涂于或者由气体等离子体或辊涂有机粘合剂将元素锌粉末和CAB熔剂施涂于AlMnl合金挤压制成的管可提供具有较优耐腐蚀性的铝制热交换器。由辊涂有机粘合剂将反应锌熔剂施涂于或者由气体等离子体或辊涂有机粘合剂将元素锌粉末和CAB熔剂的混合物施涂于AlMnl合金会输送具有大约4至6g/m2的较低锌重量的更均匀的锌的钎焊前覆层。均匀的锌覆层提供恒定的钎焊后锌扩散层。与此相反，传统的锌热电弧喷涂需要大约8至12g/m2的较大的锌重量，以确保均匀的管覆层和恒定的钎焊后锌扩散层。[0021]对于表面下方大致85微米的最大深度，通过辊涂有机粘合剂施涂反应锌熔剂或者通过气体等离子体或辊涂有机粘合剂施涂元素锌粉末和CAB熔剂的混合物而在钎焊后AlMnl合金管中形成的扩散层中的锌浓度小于3wt%但高于lwt%。通过热电弧喷涂锌来施涂锌而在扩散层中的锌浓度大约有4至7wt%，这些浓度的锌扩散至表面下方大约100微米的深度。与现有技术的教示相反，令人异的发现在于，扩散层中的较小锌浓度和较小的锌扩散深度与现有技术中的较高锌浓度和较大锌扩散深度相比可提供更大的耐腐蚀能力。换言之，由本发明方法制造的具有大约I至3wt%的锌浓度扩散层且表面下方最大扩散深度85微米的制冷剂管优于现有技术的具有大约4至7wt%的较高锌浓度以及大约100微米扩散深度的制冷剂管。
[0022]如果由传统的热电弧喷涂工艺施涂的钎焊前锌重量减小至4至8g/m2的范围内以获得较低的钎焊后锌扩散浓度，则会导致钎焊前覆层的非均匀区域低至40%。这会导致在AlMnl合金管内锌扩散具有较浅扩散深度的局部区域或无锌区域。这会危害牺牲性的防腐机构。元素锌覆层的最小钎焊前均匀面积需要高于85%以产生腐蚀性能所需的均匀且恒定的钎焊后锌扩散层。本发明的通过辊涂有机粘合剂施涂反应锌熔剂或者通过气体等离子体或辊涂有机粘合剂施涂元素锌粉末和CAB熔剂的混合物的方法在AlMnl合金管的表面上提供具有较低锌重量的更均匀的锌覆层，从而在钎焊之后在扩散层中提供较低的锌浓度和表面下方较小的锌扩散深度。
[0023]散热片由包层铝板形成，该包层铝板包括可与AlMnl合金挤压管电偶相容的低铜AA3003系列改型合金以及锌添加剂，以进一步牺牲性地保护AlMnl合金挤压管。改型的AA3003类型的合金包括小于0.05重量百分比(0.05%)的Cu、大约1.5%的Zn并且可包括Zr (参见表格I)。
[0024]热交换器头部歧管可通过焊接铝复合板制造而成，该铝复合板具有AA3003类型的系列芯部合金和AA4000系列(AA4343或AA4045)包层。AA4000系列的包层合金配制有大约0.9至1.lwt%的Zn，以在AA3003类型的芯部合金内实现钎焊后的锌扩散层。这产生具有锌扩散层的歧管以平衡腐蚀作用，从而延长使用寿命。
[0025]在歧管、管以及散热片的组装之后，在外部将CAB熔剂施涂在头部歧管上，用于在钎焊之前的管与头部歧管接合部。在钎焊之后，热交换器可涂有钎焊后涂层，该钎焊后涂层由钒、锆或铬转化涂层、基于钛的陶瓷涂层或进行了底漆预处理的电泳涂布环氧或聚氨酯涂层构成。转化涂层的腐蚀性能可附加地由后续有机聚合物树脂表面涂层来改进。这些涂层使得管和散热片表面上出现的所谓“白锈”的腐蚀产物的形成最小。
[0026]表格1.增强材料系统的元素组成*(总百分比)
[0027]
【权利要求】
1.一种制造铝制热交换器的方法，包括如下步骤: 提供多个制冷剂管，所述多个制冷剂管由AA3000系列铝合金挤压制成，所述AA3000系列铝合金具有最大0.3重量百分比(wt%)的S1、最大0.2wt%的Fe、最大0.03wt%的Cu以及在0.90至1.10wt%之间的Mn ； 将锌涂层施涂到所述多个制冷剂管中至少一个的外表面上； 提供多个散热片，所述多个散热片由AA3000系列铝合金制成，所述AA3000系列铝合金具有 0.3 至 1.0wt% 的 S1、最大 0.4wt% 的 Fe、最大 0.05wt% 的 Cu、从 1.3 至 1.8wt% 的 Mn、在1.2至1.8wt%之间的Zn以及最大0.20wt%的Zr ； 提供至少一个头部歧管，所述至少一个头部歧管具有多个制冷剂管槽，其中所述至少一个歧管由具有包层的AA3000系列的铝合金板形成，其中所述铝合金板包括芯部，所述芯部具有最大0.6wt%的S1、最大0.7wt%的Fe、从0.05至0.65wt%的Cu、从1.0至1.6wt%的Mn、最大0.20wt%的Mg、最大0.10wt%的Zn以及最大0.25wt%的Ti ； 将所述散热片组装到相邻成对的制冷剂管之间； 将所述多个制冷剂管的敞口端部插到头部歧管的相对应所述制冷剂管槽中，由此形成换热器组件；以及 以充足的时间和温度对所述换热器组件进行热处理来将所述多个制冷剂管、散热片以及所述至少一个头部歧管钎焊成单个一体结构，并且将所述锌涂层扩散到所述制冷剂管中以形成锌扩散层； 其中，将所述锌涂层施涂到所述多个制冷剂管中至少一个的外表面上的所述步骤包括施涂充足量的锌、以在钎焊之后获得具有I至3wt%Zn的所述锌扩散层。
2.如权利要求1所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，头部歧管的铝合金板的所述包层包括6.8至8.2wt%的S1、最大0.8wt%的Fe、最大0.25wt%的Cu、最大0.10wt%的Mn以及0.9至1.lwt%的Zn。
3.如权利要求1所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，头部歧管的铝合金板的所述包层包括9.0至11.0wt%的S1、最大0.8wt%的Fe、最大0.30wt%的Cu、最大0.05wt%的Mn、最大0.05wt%的Mg以及0.9至1.lwt%的Zn。
4.如权利要求1所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，将充足量的锌施涂到所述多个制冷剂管的至少一个的外表面上的步骤包括用反应锌熔剂化合物来施涂所述外表面，其中所述反应锌熔剂化合物通过辊涂有机粘合剂来输送。
5.如权利要求4所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，所述反应锌熔剂化合物是 6KZnF3。
6.如权利要求1所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，将充足量的锌施涂到所述多个制冷剂管的至少一个的外表面上的步骤包括由玻璃等离子体或有机粘合剂施涂的元素锌粉末和可控气氛钎焊(CAB)熔剂的混合物。
7.如权利要求6所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，所述CAB熔剂包括氟铝酸钾(IV3AIFm)熔剂或氟铝酸钾熔剂(IV3AlFh6)和锂熔剂(Li3AlF6)的混合物。
8.如权利要求1所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，在钎焊之前，以大约4至6g/m2将所述锌施涂于制冷剂管的超过85%的所述表面积。
9.如权利要求1所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，在钎焊之后，所述锌均匀地扩散至制冷剂管的所述表面下方小于85微米。
10.一种制造铝制热交换器的方法，包括如下步骤: 提供多个制冷剂管，所述多个制冷剂管由AA3000系列AlMnl合金形成； 将锌熔剂化合物施涂到所述AlMnl合金制冷剂管的表面上； 提供多个散热片，所述多个散热片由AA3003合金形成，所述AA3003合金具有最大0.05wt% 的 Cu 和 1.2 至 1.8wt% 的 Zn ； 提供头部歧管，所述头部歧管具有AA4343或AA4045包层，所述AA4343或AA4045包层制有0.9至1.lwt%的锌添加物； 将可控气氛钎焊(CAB)熔剂施涂到所述头部歧管上； 组装所述制冷剂管、所述散热片以及所述头部歧管，由此形成换热器组件；以及 对所述换热器组件进行热脱脂和钎焊； 其中，施涂锌熔剂化合物的所述步骤包括施涂充足量的锌，以在钎焊之后获得具有I至3wt%Zn的锌扩散层。
11.如权利要求10所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，所述锌熔剂化合物包括反应锌熔剂6KZnF3，所述反应锌熔剂由辊涂有机粘合剂输送。
12.如权利要求10所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，所述锌熔剂化合物包括元素锌粉末和可控气氛钎焊熔剂的混合物，所述元素锌粉末和可控气氛钎焊熔剂的混合物由气体等离子体或辊涂有机粘`合剂输送；`
13.如权利要求12所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，所述可控气氛钎焊熔剂包括氟铝酸钾(IV3AlFh6)熔剂或氟铝酸钾熔剂(IV3AlFh6)和锂熔剂(Li3AlF6)的混合物。
14.如权利要求10所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，以一定时间和温度对所述换热器组件进行热处理，以将所述锌均匀地扩散至制冷剂管的所述表面下方小于85微米。
15.一种制造铝制热交换器的方法，包括如下步骤: 提供多个制冷剂管，所述多个制冷剂管由AA3000系列铝合金挤压制成，所述AA3000系列铝合金具有0.9至1.lwt%的Mn ； 将锌涂层施涂到所述多个制冷剂管中至少一个的外表面上； 提供多个散热片，所述多个散热片由AA3000系列铝合金制成，所述AA3000系列铝合金具有1.2至1.8wt%之间的Zn和最大0.05wt%的Cu ； 提供至少一个头部歧管，所述至少一个头部歧管具有多个制冷剂管槽，其中所述至少一个歧管由具有包层的AA3000系列铝合金形成，其中所述铝合金板包括具有从1.0至`1.6wt%的Mn的芯部； 将所述散热片组装到相邻成对的制冷剂管之间； 将所述多个制冷剂管的敞口端部插到头部歧管的相对应所述制冷剂管槽中，由此形成换热器组件；以及 以充足的时间和温度对所述换热器组件进行热处理来将所述多个制冷剂管、散热片以及所述至少一个头部歧管钎焊成单个一体结构，并且将所述锌涂层扩散到所述制冷剂管中以形成锌扩散层；其中，将所述锌涂层施涂到所述多个制冷剂管中至少一个的外表面上的所述步骤包括施涂充足量的锌、以在钎焊之后获得具有I至3wt%Zn和小于85微米的深度的所述锌扩散层。
16.如权利要求15所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，还包括:在钎焊之后利用钒、锆或铬转化涂层；基于钛的陶瓷涂层或者经底漆预处理的电泳涂布环氧或聚氨酯涂层对所述换热器组件进行涂覆的步骤。
17.如权利要求16所述的制造铝制热交换器的方法，其特征在于，还包括:施涂有机聚合物树脂表面涂 层的步骤。
【文档编号】F28F19/06GK103502768SQ201280020152
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月25日 优先权日:2011年4月25日
【发明者】D·C·温特斯廷, K·R·米特利菲尔德特 申请人:德尔福技术有限公司