专利名称：铝翅片管热交换器的制作方法
铝翅片管热交换器
相关串请的交叉引用本申请要求于2010年7月26日提交的名为“Aluminum Fin and Tube Heat Exchanger”的美国临时专利申请No. 61/367,688以及于2010年7月27日提交的名为 “Aluminum Fin and Tube Heat Exchanger” 的美国临时专利申请 No. 61/368，075 的优先权。这些申请的内容以引用的方式全文结合到本文中。技术领域
本发明总体上涉及翅片管热交换器，且更具体地涉及特别适合用于与运输制冷单元的耐腐蚀的全铝合金翅片和管的蒸发器热交换器。
背景技术：
易腐烂的货物(例如，新鲜产品、新鲜和冷冻肉类、家禽肉、海鲜和其他食物)通常在卡车、拖车或运输集装箱的温度受控的货物箱中运输。这类集装箱通常被设计成适于由拖车在陆地上运输、由集装箱船舶在海上运输、由平板火车在轨道上运输以及甚至由货机在空中运输。在常规工业实践中，运输该易腐烂货物的卡车、拖车或集装箱配置有用于将货物箱保持在指定温度范围内的温度下的制冷单元，以在搬运区间保持新鲜度并且最小化腐烂。制冷单元被安装到卡车、拖车或集装箱的货物箱的一个壁上，通常是前壁上。
制冷单元包括与货物箱隔离的压缩机和冷凝器单元；以及蒸发器单元，所述蒸发器单元包括管状热交换器，所述管状热交换器通常是管和翅片热交换器并且可操作地与卡车、拖车或集装箱的货物箱相关联。从货物箱被抽吸的空气被传送到蒸发器热交换器上， 而与通过热交换器的管循环的制冷剂处于热交换关系，由此空气在被供应回到货物箱之前被冷却。
用于运输制冷单元的常规蒸发器热交换器具有圆管和板状翅片构造，其结合有铜管和招翅片。例如，转让给Carrier Corporation的美国专利No. 6，325，138和No. 6，578，628公开了一种具有铜管和铝翅片的圆管和板状翅片热交换器，所述热交换器具有改善的防电解腐蚀性能。为了增强热交换，铜管通常具有内部增强件和铝翅片包围波状设计，以分别增强在制冷剂侧和空气侧上的热传递。内部开沟槽铜管的价格相当不稳定，这是因为该价格随原铜材料价格变化，并且该价格代表热交换器成本的主要部分。此外,铜的密度是铝的三倍。因此，对于常规铜管和铝翅片热交换器，热交换器重量主要由铜管重量来控制。
铝管是可市售得到的，但是当前并不用于运输制冷应用中，这是由许多因素造成的，这些因素不但包括在运输制冷应用中的过度腐蚀问题和铝对比铜降低的抗拉强度、以及用于同样爆破强度所需的较厚壁，而且还由于铝对比铜增加的热膨胀、由挑战性的几何尺寸引起的用于A1/A1接头的铜焊灵敏度、以及Al合金熔化温度十分接近于黄铜合金熔化温度、以及由高振动水平引起的铝容易疲劳和磨损。
因此，需要一种具有全铝合金构造的热交换器(S卩，具有铝合金管、铝合金翅片和铝合金管板的热交换器)，所述热交换器具有用于运输制冷应用的可接受耐腐蚀性、较低的 重量、与用于运输制冷单元中的常规铜管和铝翅片热交换器大致相同的热传递性能。发明内容
热交换器包括具有纵向延伸的管长度的至少一个管以及被阵列在所述至少一个 管上的多个热交换翅片。所述至少一个管由具有第一电解电位的第一铝合金制成，并且所 述多个热交换翅片由具有第二电解电位的第二铝合金制成。所述第二电解电位高于第一电 解电位，由此，所述翅片相对于所述管是牺牲性的。在实施方式中，所述第二铝合金和所述 第一铝合金之间的电解电位差大于大约20毫伏。
在一个方面，热交换器包括至少一个蛇形管，所述至少一个蛇形管具有多个纵向 延伸的管长度；以及多个热交换翅片，所述热交换翅片阵列在所述至少一个管上。阵列的所 述多个热交换翅片中的相邻翅片具有围绕所述至少一个管设置并且接触所述至少一个管 的互锁颈圈。所述互锁颈圈共同形成绕所述至少一个管的保护层。所述管与所述翅片接触 并且具有一定电解电位，所述翅片可由具有相对于所述管的电解电位更大的电解电位的铝 合金制成，由此保护层变为相对于所述管来说的电解牺牲层。
为了进一步理解本发明，将参考下述详细说明，该下述详细说明待结合附图被阅 读，在附图中图1是局部分解的透视图，示出了翅片和管热交换器的单组；图2是是图1的组装后热交换器的返回弯曲端的透视图；图3是根据本文的铝管和铝翅片热交换器的示例性实施方式的翅片和管接口的截面 正视图；图4是贯穿本文所公开的热交换器的实施方式的内部开沟槽的铝管的截面图；图5是大致沿图4的线5-5截取的内部开沟槽的管的截面图；以及 图6是图5的内部开沟槽的管的放大截面的正视图。
具体实施方式
最初参考附图中的图1和图2，描述了通常被用作运输制冷系统中的蒸发器的通 用类型的圆管和板热交换器10的示例性实施方式，示出了一个蛇形管组12。要理解的是， 典型热交换器10将具有以横向隔开的关系设置的多个蛇形管组12，例如如图2所示。蛇 形管12由多个发卡管段14形成，这些发卡管段由返回弯头16连接成流体流连通。每个发 卡管段14具有一对大致平行地纵向延伸的管长度18以及发卡U形弯头20。管板22和24 在纵向延伸的管长度18的相反两端处以间隔开的关系设置，所述管板22和24由多个管组 12的每个管长度18贯穿，并且提供用于管组的结构支承。要理解的是，由返回弯头16连接 的两个笔直管段能替代单个发卡管段14。此外，一个或多个中间管板可被结合在热交换器 10中。
热交换器10包括多个翅片26，这些翅片以平行地间隔开的关系设置并且横向于 纵向延伸的管长度18延伸。每个翅片26包括在其中具有开口阵列的片状板翅片，每个开口用于当热交换器10被组装时容纳从其穿过的管长度18。为了组装热交换器10，多个片状板翅片的每个翅片26 一个接一个地滑上管长度18的阵列，其中每个翅片26中的每个开口接收管长度18的相应一个，直到全部翅片26都被组装在所述多个管长度18上。管长度 18然后从管长度18内径向向外膨胀，由此每个管长度18的外壁被使得与每个颈圈部28强制配合接触，所述颈圈部28的每一个围绕每个翅片26中的开口。当翅片26的阵列(通常被称为翅片组)被组装到管长度18上时，该翅片组在隔开的管板22和24之间并且在管长度18的大致全部长度上延伸。翅片组内的翅片之间的间距通常由翅片颈圈部28限定。该翅片26可具有热性能增强特征，例如瓦楞、波纹、切缝和百叶窗等。
颈圈部28具有外扩部30和凹部32，该外扩部从翅片的第一边缘向外突出，该凹部被设置在翅片的相对边缘中。当翅片26在组装过程期间以面对面隔开的关系阵列时，翅片颈圈部28与被接收在相邻翅片的凹部32中的一个翅片的外扩部30嵌套。当管长度18径向向外膨胀时，翅片颈圈部28被压溃，由此将外扩部30与相关凹部32互锁。结果，可能已经存在于组装好的翅片组阵列中的相邻互锁翅片26之间的任何空间或间隙被消除，并且在管长度18的外壁周围形成一体层。
在本文所公开的热交换器10的一方面，管12 (包括发卡管段14和返回弯头16)、 管板22、24和翅片26全都由铝合金制成。管12由第一铝合金制成，管板22、24由第二铝合金制成，并且翅片26由第三铝合金制成，其中第二和第三铝合金与第一铝合金相比具有较高的电解电位。因此，第二和第三铝合金与第一铝合金相比是电解牺牲的。因此，铝合金管板22、24以及铝合金翅片26与铝合金管12相比是电解牺牲的。
管合金(即，第一铝合金)和翅片合金(即，第三铝合金)组合的选择对于提供铝热交换器10的足够长时间耐腐蚀来说是重要的。在环境操作状况下，翅片合金对于所述管合金来说必须是电解牺牲的。通常，第三铝合金(即，翅片合金)与第一铝合金(即，管合金)之间的电解电位差大于大约20毫伏。此外，第三铝合金(即，翅片合金)在环境操作状况下应当展现低腐蚀率。用于运输制冷应用的蒸发器热交换器的良好翅片合金和管合金组合的示例包括管由AA3003铝合金制成并且翅片由AAllOO或AA7072铝合金制成；管由AA30048铝合金制成并且翅片由AA7072铝合金制成；以及管由AA3102铝合金制成并且翅片由AA7072 铝合金制成。铝合金规格是铝协会标准的规格。使用这种组合，互锁的铝翅片26形成覆盖层，该覆盖层对于下面的铝发卡管14来说是牺牲性的，从而在翅片组区域中提供增加的耐腐蚀性。
类似地，管板22、24相对于从其穿过的发卡管14来说也应该是牺牲性的。相对于供形成发卡管14的第一铝合金，供形成管板22、24的第二铝合金应当具有显著的电解电位差，该电解电位差通常也大于大约20毫伏。用于运输制冷应用的蒸发器热交换器的良好管合金和管板合金组合的示例包括管由AA3003铝合金制成并且管板由AA5052铝合金制成； 管由AA30048铝合金制成并且管板由AA7072铝合金制成；以及管由AA3102铝合金制成并且管板由AA7072铝合金制成。
在制冷环境中的大热梯度、运输应用中的高振动负载以及铝相对于铜的较低抗拉强度的情况下，如果未提供足够的间隙以避免由于磨损造成的长期管损坏，那么这种管与管板的干涉可能存在问题。从热应力角度看，必须保持管与管板的间隙；但是从与振动相关的因素看，必须最小化这种间隙。管板22、24中的供外径为D的圆管14从其穿过的开口之间的沿如图5所示的径向方向测量的间隙Ts可被选择使得无量纲比Ts/D的值处于O. 0013 至O. 0363的范围内。
返回弯头16和发卡管14的发卡弯部20设置在翅片组区域之外，且因此蛇形管12 的这些部分并不由互锁翅片26所提供的牺牲层保护。可向返回弯头16和发卡管14的发卡弯部20施加涂覆保护，以向发卡弯部20和返回弯头16提供等于热交换器翅片组区域设计寿命的耐腐蚀性。例如，保护涂层可被施加到管板端部以便涂覆发卡弯部20和返回弯头 16。可接受的保护涂层例如包括但不局限于透明丙烯酸溶剂清漆；氨基甲酸酯基清漆；转化涂层；丙烯酸电泳漆；环氧树脂电泳漆；防腐蚀电泳漆；聚酯粉末；粉末涂层；以及预处理的2组分环氧树脂，能够应用上述保护涂层，这取决于期望的保护水平。
需要的话，保护涂层可被施加到整个热交换器10，以在严苛环境暴露状况下提供附加的耐腐蚀性，在一些运输制冷应用中可能面对该严苛环境暴露状况。可被应用到整个热交换器10的保护涂层的示例包括但不局限于三价铬转化涂层；锆转化涂层；磷酸锌涂层；以及磷酸铁涂层。此外，用于应用到发卡弯部20和返回弯头16的任何前述涂层可被应用到整个热交换器10以作为预处理，之后是外覆施加前述涂层。
铝圆管和铝板翅片热交换器盘管能取代具有铜圆管和铝翅片的类似构造的热交换器盘管，同时实现在宽范围的环境状况和操作参数下的等同热性能。铝管需要具有较厚的壁，这是因为铝合金与其铜对应物相比具有减少的抗拉强度。用于热交换器应用的铝管可在内部开槽或者以其他方式设置有内部翅片增强件，例如如在图4-6中描述的管14的示例性实施方式中描述的。
代表增强热性能内管几何尺寸和改善结构刚度的各种无量纲组被提供在下表中 (单独参数定义请见相关图4-6)。
表 I
权利要求
1.一种热交换器，所述热交换器包括 至少一个管，所述管具有纵向延伸的管长度，所述至少一个管由具有第一电解电位的第一铝合金制成；以及 多个热交换翅片，所述热交换翅片被阵列在所述至少一个管上，所述多个热交换翅片由第二铝合金制成，所述第二铝合金具有第二电解电位，所述第二电解电位高于第一电解电位。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第二铝合金和所述第一铝合金之间的电解电位差大于大约20毫伏。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一铝合金包括铝合金AA3003，所述第二铝合金包括选自由AAllOO和AA7072构成的组的铝合金。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一铝合金包括选自由AA30048和AA3102构成的组的铝合金，并且所述第二铝合金包括铝合金AA7072。
5.一种热交换器，所述热交换器包括 至少一个蛇形管，所述至少一个蛇形管具有多个纵向延伸的管长度；以及 多个热交换翅片，所述热交换翅片阵列在所述至少一个管上，阵列的所述多个热交换翅片中的相邻翅片具有围绕所述至少一个管设置并且接触所述至少一个管的互锁颈圈，所述互锁颈圈共同形成绕所述至少一个管的保护层。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其中，绕所述至少一个管的所述保护层包括相对于所述至少一个管来说的电解牺牲层。
7.根据权利要求5所述的热交换器，其中，所述至少一个管包括由具有第一电解电位的第一铝合金制成的管；并且所述多个热交换翅片包括由第二铝合金制成的翅片，所述第二铝合金具有第二电解电位，所述第二电解电位高于第一电解电位。
8.根据权利要求5所述的热交换器，其中，所述至少一个蛇形管包括被支承在隔开的管板之间的多个发卡管，每个发卡管具有一对纵向延伸的管长度以及发卡弯部，所述多个发卡管通过多个返回弯头流体互连。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其中，每个管板包括由第三铝合金制造的管板，所述第三铝合金具有第三电解电位，所述第三电解电位高于所述第一电解电位。
10.根据权利要求9所述的热交换器，其中，所述第一铝合金包括铝合金AA3003，并且所述第三铝合金包括铝合金AA5052。
11.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一铝合金包括选自由AA30048和AA3102构成的组的铝合金，并且所述第三铝合金包括铝合金AA7072。
12.根据权利要求8所述的热交换器，其中，所述发卡弯部和所述返回弯头被涂覆有保护涂层，以增强耐腐蚀性。
13.根据权利要求12所述的热交换器，其中，所述保护涂层包括选自包括如下的组的用于增强耐腐蚀性的涂层透明丙烯酸溶剂清漆；氨基甲酸酯基清漆；转化涂层；丙烯酸电泳漆；环氧树脂电泳漆；防腐蚀电泳漆；聚酯粉末；粉末涂层；以及预处理2组分的环氧树脂。
14.根据权利要求8所述的热交换器，其中，所述热交换器涂覆有保护涂层，用于进一步增强耐腐蚀性。
15.根据权利要求14所述的热交换器，其中，所述保护涂层包括选自包括如下的组的用于增强耐腐蚀性的涂层三价铬转化涂层；锆转化涂层；磷酸锌涂层；以及磷酸铁涂层。
16.—种用作与运输制冷系统相关的蒸发器盘管的热交换器,所述热交换器包括第一和第二纵向隔开的管板；被支承在所述隔开的管板之间的多个铝合金发卡管，每个发卡管具有一对纵向延伸的管长度以及发卡弯部，所述多个发卡管通过所述多个返回弯头流体互连；以及多个热交换翅片，所述热交换翅片被阵列在所述多个发卡管的所述纵向延伸的管长度上，阵列的所述多个热交换翅片的相邻翅片具有围绕所述至少一个管设置并且接触所述至少一个管的互锁颈圈，所述互锁颈圈共同形成绕所述至少一个管的保护层；所述管板以及所述多个翅片相对于所述发卡管来说都是电解牺牲的。
17.根据权利要求16所述的热交换器，其中，所述多个发卡管由具有第一电解电位的第一铝合金制成，所述多个翅片由具有第二电解电位的第二铝合金制成，并且所述管板由具有第三电解电位的第三铝合金制成，所述第二电解电位和所述第三电解电位均大于所述第一电解电位。
18.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述第二铝合金和第三铝合金包括同一招合金。
19.根据权利要求8所述的热交换器，其中，每个管板在其中均具有多个管孔，每个管孔接收所述多个发卡管的相应一个的管长度，每个管长度具有外径D，并且每个孔相对于所述管长度具有间隙Ts，其中，比Ts/D的值在O. 0013至O. 0363的范围内。
20.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述至少一个管包括具有内部翅片的管， 所述内部翅片具有翅片周长和翅片截面面积，所述翅片周长与翅片截面面积的比的值在 400至650的范围内，所述比用〃英寸―1〃量纲表达。
21.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述至少一个管包括具有选自在表I中示出的参数组的至少一个参数的管，所述参数的值处于表I中为此指定的相应范围内。
全文摘要
提供一种热交换器(10)，所述热交换器包括至少一个铝合金管(12)和阵列在所述铝合金管上的多个铝翅片(26)。铝管可由管板(24)支承，所述管板由铝合金制成。
文档编号F28F19/00GK103003654SQ201180036922
公开日2013年3月27日 申请日期2011年7月21日 优先权日2010年7月26日
发明者M.F.塔拉斯, J.斯卡塞拉, B.J.波普劳斯基, J.L.埃斯富姆斯, M.T.隆巴多, T.J.加罗申 申请人:开利公司