用于铝热交换器的失效模式保护的牺牲铝翅片的制作方法
【专利摘要】一种对热交换器的局部阴极保护的方法包括：提供由第一金属合金形成的至少一个翅片；将第二金属的牺牲层施加到所述至少一个翅片中的至少一个区；以及将制冷剂管连接到所述至少一个翅片；其中所述第二金属的所述牺牲层包括来自锌合金或镁合金中的一者的金属。
【专利说明】用于铝热交换器的失效模式保护的牺牲铝翅片
【技术领域】
[0001]本文中所公开的标的物大体上涉及铝合金热交换器的阴极保护的领域，并且更明确地说，涉及通过在连接到铝制冷剂管的铝翅片上提供某种元素或某种合金的较具牺牲性的层来保护全铝合金热交换器以降低铝制冷剂管的腐蚀速率和热交换器的突变失效。
[0002]发明背景
铝合金是铝与其它金属(称为合金)的混合物，所述其它金属通常是锌、锰、硅、铜、稀土元素和锆。铝合金质轻，具有高比强度和高导热性。由于这些极好的机械性能，铝合金在商业、工业和航海应用中用作加热或冷却系统的热交换器。使用铝合金材料的典型热交换器是翅片、制冷剂管和板式热交换器。
[0003]然而,铝合金热交换器具有相对较高的腐蚀敏感性。尤其是在航海应用中,海水或风吹的海水水雾在这些热交换器中形成侵蚀性氯化物环境。这种氯化物环境迅速造成硬焊接头、翅片和制冷剂管的局部腐蚀和全面腐蚀。腐蚀模式包括电化腐蚀、裂隙腐蚀和点状腐蚀。腐蚀最终导致从制冷剂管损失制冷剂并且加热或冷却系统失效。突然的管失效导致迅速失去冷却并且货物腐败。向铝合金热交换器提供阴极保护以便降低其腐蚀速率并且防止制冷剂管发生突变失效的改进将在本领域中被很好地接受。
发明概要
[0004]根据本发明的一个方面，一种对热交换器的局部阴极保护的方法包括:提供由第一金属合金形成的至少一个翅片；将第二金属的牺牲层施加到所述至少一个翅片中的至少一个区；以及将制冷剂管连接到所述至少一个翅片；其中所述第二金属的所述牺牲层包括来自锌合金或镁合金中的一者的金属。
[0005]根据本发明的另一个方面，一种展现抗电化腐蚀性的热交换器包括:由第一金属合金形成的至少一个翅片；第二金属的牺牲层，其局部施加到所述至少一个翅片中的至少一个区；以及制冷剂管，其连接到所述至少一个翅片；其中所述第二金属的所述牺牲层包括来自锌合金或镁合金中的一者的金属。
[0006]将从结合附图所作的以下描述中更容易明白本发明的其它方面、特征和技术。
[0007]附图简述
在说明书之前，在权利要求书中明确地指出并且清楚地主张被认为是本发明的标的物。从结合附图所作的以下详细描述中容易明白本发明的前述和其它特征以及优点，在附图中:
图1描绘并入有根据本发明的一个实施方案来处理的热交换器翅片的热交换器的透视图；
图2描绘根据本发明的一个实施方案的并入有所述经过处理的热交换器翅片的制冷剂管和翅片的截面图；并且图3描绘根据本发明的一个实施方案的展示阳极元素的局部施加的制冷剂管和翅片的局部截面图。
【具体实施方式】
[0008]在以下描述中更明确地描述本发明，并且希望实施例仅仅是说明性的，因为本领域的技术人员将容易明白其中的许多修改和变化。如说明书和权利要求书中所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”可包括复数个指示物，除非上下文清楚地另有规定。而且，本文中所公开的所有范围包括端点，并且是可独立组合的。
[0009]用于保护铝合金热交换器以防在腐蚀性环境中通过腐蚀铝管而造成系统失效和突变失效的工艺的实施方案。腐蚀可导致缓慢冷却剂制冷剂泄漏，从而造成系统失效或突变失效。用于保护热交换器以防腐蚀失效的工艺包括提供较具牺牲性的金属层来局部施加到圆管板翅(RTPF)全铝合金热交换器的铝合金翅片。在一些实施方案中，阳极元素或锌(Zn)、镁(1%)或铍(Be)的合金可在一些非限制性实施方案中通过包层金属工艺来施加，表面处理包括热电弧喷射、等离子沉积或喷射、电镀、滚动或滚筒与喷射涂覆或者使铝局部与较高量的如Zn、Mg或Be等阳极元素形成合金。局部牺牲性铝合金翅片通过提供电子以支持管表面上的氧化反应来向管表面提供阴极保护，进而使铝合金翅片中的阳极(Zn、Be或Mg )富集层氧化。当所述两种铝合金金属(即，翅片和制冷剂管)在有电解液存在的情况下彼此电接触时，翅片相对于制冷剂管随时间牺牲。翅片的氧化防止制冷剂管受到腐蚀，进而防止制冷剂管破裂并且避免加热或冷却系统发生突变失效。
[0010]现在参看附图，图1描绘根据本发明的一个实施方案的示范性RTPF热交换器10，其具有为电化腐蚀保护来处理的热交换器翅片60。明确地说，热交换器10包括一个或多个流动回路以用于携载制冷剂通过热交换器10。出于解释的目的，热交换器10被展示为具有单个流动回路制冷剂管20，其由引入线路30和引出线路40组成。引入线路30在热交换器10的一端处通过90度管弯头50连接到引出线路40。然而，应当明显的是，可依据系统的需求来向所述单元添加更多回路。制冷剂管20大体上由基于铝合金的核心材料制成，并且在一些实施方案中，可由选自1000系列、5000系列或6000系列铝合金的铝合金制成。热交换器10进一步包括一系列翅片60，其包括沿着流动回路的长度间隔开的径向安置的板状元件。翅片60被设置在一对端板70与80之间，并且由线路30、40支撑，以便界定气体流动通道，通过所述气体流动通道，经过调节的空气在制冷剂管20上方并且在间隔开的翅片60之间经过。而且，在一些实施方案中，翅片60大体上由铝合金衬底材料制成，所述铝合金衬底材料例如为选自1000系列、7000系列或8000系列铝合金的材料。
[0011]在一个实施方案中，将高阳极性元素或合金沉积或包层到铝翅片合金衬底上。在一个实施方案中，根据本文所展示和描述的工艺，可在衬底上局部安置Zn、Mg或Be层，之后将其形成为翅片60。如本领域的技术人员将了解，富含Zn、Mg或Be的层比铝合金制冷剂管20活泼且更具阳极性，所述铝合金制冷剂管变成阴极性。局部的阳极性的富含Zn、Mg或Be的层将较多的氧化反应从管表面转移到翅片60上的局部的富含Zn、Mg或Be的层。因而，当所述两种铝合金金属(即，翅片60和制冷剂管20)彼此电接触时，翅片60相对于制冷剂管20随时间局部牺牲并且较早氧化。翅片60和硬焊接头的氧化提供制冷剂管20的阴极保护，其中翅片60中的较具阳极性的Zn、Mg或Be层在有电解液存在的情况下向制冷剂管20供应氧化电子，进而防止制冷剂管20破裂并且避免加热或冷却系统发生系统失效或突变失效。
[0012]图2到图3描绘根据本发明的一个实施方案的热交换器10的截面图，所述热交换器包括制冷剂管20和翅片60。在图2所示的典型布置中，具有回路流动引入线路30、40的铝合金制冷剂管20是由用于热交换器翅片60的大体共面铝合金板制成的。翅片60与线路30、40的附接点被硬焊来形成永久连接。返回参看图2到图3，在一个示范性实施方案中，翅片60包括一个或多个Zn表面层65 (图3)，其沿着翅片轴环形成区90、100局部地施加到大体共面铝合金衬底(或衬底)，之后被冲压成翅片60并且装配到热交换器10中。在另一个实施方案中，还可在不脱离本发明的范围的情况下使用Mg、Be或者呈各种组合的Zn、Mg或Be的富集层来代替区90、100处的Zn层65。通过在翅片轴环区90和100处施加阳极层，可使制冷剂管的阴极保护最大化，同时还提供翅片60的良好延展性来进行制造。翅片轴环形成区90、100是回路流动线路30、40接触翅片轴环所在的局部区(即，制冷剂管20与翅片60的界面，在该处形成电偶)。因而，在翅片轴环形成区90、100处发生电化腐蚀。在操作中，翅片60通过传导式热转移将热量从制冷剂管引走，并且接着通过对流式热转移将热量消散到在制冷剂管上方流动的气体(通常是空气)。利用铝合金来构造制冷剂管20，这是因为其良好的热转移性质、综合抗腐蚀性和修理方便性。用铝合金制作翅片60，这是因为其良好的热转移性质、制作方便性和低成本。
[0013]在一个实施方案中，沿着翅片轴环形成区(例如，区90、100)用Zn层65涂覆或富集翅片60的暴露表面。在一种示范性工艺中，用Zn对翅片60进行涂覆或表面富集的工艺是在装配热交换器10之前完成的。如先前所提及，还可在不脱离本发明的范围的情况下使用Mg、Be或者呈各种组合的Zn、Mg或Be的富集层来代替Zn层65。所述示范性工艺是由翅片60的铝合金衬底的表面预处理起始的，在表面预处理期间，衬底经受各种处理来产生适合于后续Zn涂覆或包层工艺的表面特征。表面预处理不仅用于从铝合金衬底的表面移除污垢和有机污染物，而且用于移除形成在铝合金衬底上的氧化物或氢氧化物。根据一种示范性工艺，衬底准备包括使用合适的技术(例如，在一些非限制性实施例中，溶剂冲洗、使用三氯乙烯或其它合适溶剂的蒸汽去油、溶剂乳化清洗等)移除表面污染物以便移除任何油脂或有机化合物。在一个示范性实施方案中，具有含有表面活性剂的碱性水溶液的去油槽可用以清洗衬底。去油槽的成分并不重要，只要所述槽能够移除有机污染物。在另一个实施方案中，机械预处理(例如，磨轮、钢丝刷、喷砂处理或等离子清洗)可用以移除氧化物或氢氧化物层。如本领域的技术人员将了解，这些表面预处理程序容许大量替代方案。因此，预期可同样利用任何数目的其它程序和实践，例如通过机械方法或通过浸溃或喷射清洗器系统，以便执行衬底的预处理工艺。
[0014]在一个实施方案中，在表面预处理之后，对经过预处理的衬底进行干燥并且使其遭受使用Zn基合金的包层工艺，以便向衬底提供高阳极性Zn层。所述包层工艺包括通过在高压下将Zn基合金薄片与铝合金衬底按压或滚动在一起来将Zn基合金与铝合金衬底以机械方式接合在一起。在另一个实施方案中，可使Zn基合金和招合金衬底挤压穿过冲模来形成包层材料。
[0015]在另一个实施方案中，可通过表面处理工艺(例如，热电弧喷射)将Zn表面层局部施加到衬底，以便使Zn扩散到铝合金衬底中。热电弧喷射是将熔融(或受热)Zn材料喷射到衬底上来用Zn均匀层涂覆表面，所述Zn均匀层具有约I微米到约10微米的平均厚度。在其它非限制性实施方案中，可通过以下方式来施加Zn材料:等离子沉积，其中将汽化或液化形式的Zn材料沉积到铝合金衬底上；电镀，其中使用电流通过电场移动Zn金属离子溶液来涂覆铝合金衬底；滚筒/喷射涂覆，其中用气体喷流将Zn材料的半固体喷射小滴沉积到铝合金衬底上；或类似方式。在又一个实施方案中，可将Zn或其它金属层作为金属粉末浆体或具有粘结剂的金属粉末喷射或滚筒涂覆到翅片上，并且接着使金属热扩散到铝翅片的表面中。在又一个示范性实施方案中，仅在翅片的与制冷剂管接触的区域上方局部施加所述层。可通过一系列试验来优化Zn层。
[0016]在另一个实施方案中，在图2所示的布置中，制冷剂管20与翅片60的界面是形成电偶之处以及发生铝合金翅片60的腐蚀之处。一旦翅片60已经在相交点处发生腐蚀，翅片60就不再与制冷剂管20接触，并且因此，大大降低了热交换器10的效率，这是因为翅片60失去了将热量引导离开制冷剂管20的能力。翅片60和硬焊接头的氧化防止制冷剂管20受到腐蚀，进而防止制冷剂管20破裂并且避免加热或冷却系统发生突变失效。
[0017]示范性实施方案的技术效果和益处包括用于保护铝合金热交换器以防突变腐蚀失效的工艺。所述工艺提供较具牺牲性的铝合金(例如Zn、Mg或Be)来施加到热交换器的翅片。在一些实施方案中，可通过包层金属工艺来施加Zn、Mg或Be层，表面处理包括热电弧喷射、等离子气相沉积或喷射、电镀、滚动或喷射涂覆或者使铝与较高量的如Zn、Mg或Be等阳极元素形成合金。牺牲铝合金翅片通过使铝合金翅片中的Zn、Mg或Be层氧化来向制冷剂管提供阴极保护。当所述两种铝合金金属(即，翅片和制冷剂管)在有电解液存在的情况下彼此电接触时，翅片相对于制冷剂管随时间牺牲。翅片和硬焊接头的氧化防止制冷剂管受到腐蚀，进而防止制冷剂管破裂并且避免加热或冷却系统发生突变失效。
[0018]本文中所使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而非意在限制本发明。尽管已经出于图解和描述的目的而呈现了本发明的描述，但其并非意在详尽的或限于呈所公开形式的发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员将容易明白至此尚未描述的许多修改、变型、更改、替代或等效布置。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的数个方面可仅包括一些所描述的实施方案。因此，不应将本发明视为由前述描述限制，而是本发明仅由所附权利要求书的范围限制。
【权利要求】
1.一种对热交换器的局部阴极保护的方法，其包括: 提供由第一金属合金形成的至少一个翅片； 将第二金属的牺牲层局部施加到所述至少一个翅片中的至少一个区；以及 将制冷剂管连接到所述至少一个翅片； 其中所述第二金属的所述牺牲层包括来自锌合金或镁合金中的一者的金属。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述制冷剂管的所述连接进一步包括在所述至少一个区内的接触区域处连接所述制冷剂管。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述制冷剂管的所述连接进一步包括在所述至少一个区内将所述制冷剂管连接到翅片轴环。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述制冷剂管至少由包含铝的所述第一金属合金形成。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述第一金属合金比所述第二金属不活泼，使得在有电解液存在的情况下所述至少一个翅片与所述制冷剂管之间的直接接触将导致所述牺牲层的电化腐蚀。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述牺牲层的所述施加进一步包括将锌(Zn)、镁(Mg)或铍(Be)基合金中的一者包层到所述至少一个翅片。
7.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述牺牲层的所述施加进一步包括将所述第二金属的熔融层喷涂到所述至少一个翅片。
8.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述牺牲层的所述施加进一步包括将所述第二金属的汽化形式沉积到所述至少一个翅片。
9.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述牺牲层的所述施加进一步包括将所述第二金属电镀到所述至少一个翅片。
10.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述牺牲层的所述施加进一步包括将包含所述第二金属的粉末的涂层组合物施加到所述至少一个翅片。
11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述牺牲层的所述施加进一步包括形成铝金属合金，所述铝金属合金包含按重量计的百分之0.5到2.5组分的所述第二金属。
12.—种展现抗电化腐蚀性的热交换器，其包括: 由第一金属合金形成的至少一个翅片； 第二金属的牺牲层，其局部施加到所述至少一个翅片中的至少一个区；以及 制冷剂管，其连接到所述至少一个翅片； 其中所述第二金属的所述牺牲层包括来自锌合金或镁合金中的一者的金属。
13.如权利要求12所述的热交换器，其中所述制冷剂管在所述至少一个区内连接在接触区域处。
14.如权利要求12所述的热交换器，其中所述制冷剂管在所述至少一个区内连接到翅片轴环。
15.如权利要求12-14中任一项所述的热交换器，其中所述制冷剂管至少由铝的所述第一金属合金形成。
16.如权利要求12-15中任一项所述的热交换器，其中所述第一金属合金大致上比所述第二金属不活泼，使得在有电解液存在的情况下所述至少一个翅片与所述制冷剂管之间的直接接触将导致所述牺牲层的电化腐蚀。
17.如权利要求12-16中任一项所述的热交换器，其中所述牺牲层包含包层到所述至少一个翅片的锌(Zn)、镁(Mg)或铍(Be)基合金中的一者。
18.如权利要求12-17中任一项所述的热交换器，其中所述牺牲层包含喷涂到所述至少一个翅片上的所述第二金属的熔融层。
19.如权利要求12-17中任一项所述的热交换器，其中所述牺牲层包含沉积到所述至少一个翅片的所述第二金属的汽化形式。
20.如权利要求12-17中任一项所述的热交换器，其中所述牺牲层包含电镀到所述至少一个翅片的所述第二金属。
21.如权利要求12-17中任一项所述的热交换器，其中所述牺牲层包含形成有按重量计的百分之I组分的所述第二金属的铝金属合金。
【文档编号】F28F19/06GK104204711SQ201380019440
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年4月11日 优先权日:2012年4月12日
【发明者】T.J.加罗申 申请人:开利公司