發(fā)明背景

本文公開的主題總體上涉及熱交換器，并且更具體地說涉及用于翅片式熱交換器的合金。

熱交換器廣泛用于各種應(yīng)用中，包括但不限于包括風(fēng)機(jī)盤管單元的加熱和冷卻系統(tǒng)、各種工業(yè)和化學(xué)工藝中的加熱和冷卻、熱回收系統(tǒng)等等，僅舉數(shù)例。用于將熱量從一種流體傳遞至另一種流體的許多熱交換器利用一個(gè)或多個(gè)管子，一種流體流過所述一個(gè)或多個(gè)管子，而第二流體圍繞所述管子流動(dòng)。來自流體之一的熱量通過管壁的傳導(dǎo)而傳遞至另一種流體。許多配置還利用與管子的外部導(dǎo)熱接觸的翅片，以提供在上面流體之間可以傳遞熱量的增加的表面積，改進(jìn)流過熱交換器的第二流體的熱傳遞特征并且增強(qiáng)熱交換器的結(jié)構(gòu)剛性。這類熱交換器包括微通道熱交換器和圓管板翅片(rtpf)熱交換器。

熱交換器管可以由各種材料制成，包括金屬諸如鋁或銅，以及其合金。鋁合金質(zhì)輕，比強(qiáng)度高并且導(dǎo)熱性高。由于這些優(yōu)異的機(jī)械特性，鋁合金在商業(yè)、工業(yè)、住宅、運(yùn)輸、制冷和海洋應(yīng)用中用作加熱或冷卻系統(tǒng)的熱交換器。然而，鋁合金熱交換器具有相對(duì)較高的腐蝕敏感性。腐蝕最終會(huì)導(dǎo)致管子中失去制冷劑以及加熱或冷卻系統(tǒng)的故障。突然管子故障會(huì)導(dǎo)致迅速失去冷卻并且失去加熱或冷卻系統(tǒng)的功能性。許多鋁合金當(dāng)然是已知的，每種鋁合金具有相對(duì)的腐蝕敏感性或耐腐蝕性。然而，據(jù)報(bào)道具有相對(duì)較高的耐腐蝕性的許多合金可能不具有用作熱交換器翅片的所需的物理特性，或者可能不具有用于與熱交換器管或通道一起進(jìn)行翅片制造和組裝的所需的可成形性特征。例如，常規(guī)陽極鋁合金諸如合金7072受到可成形性的限制，這對(duì)于fpi(每英寸翅片)計(jì)數(shù)低，套環(huán)尺寸相對(duì)較大的熱交換器來說是特別有問題的。對(duì)于具有較低fpi計(jì)數(shù)的一些熱交換器設(shè)計(jì)，7072翅片在較低fpi計(jì)數(shù)下會(huì)經(jīng)受因7072的有限可成形性所致的開裂和其他缺陷。對(duì)于這類設(shè)計(jì)，7072的可以實(shí)現(xiàn)的最小fpi計(jì)數(shù)是有限的。

鑒于以上和其他考慮，對(duì)于熱交換器的鋁合金領(lǐng)域的進(jìn)一步貢獻(xiàn)在本領(lǐng)域中是受歡迎的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，熱交換器包括導(dǎo)管，所述導(dǎo)管包括第一鋁合金；以及多個(gè)翅片，所述翅片與導(dǎo)管的外部導(dǎo)熱接觸。翅片包括第二鋁合金，所述第二鋁合金包括0.005重量％至0.10重量％的選自以下的至少一種合金元素：錫、鋇、銦、汞、鎵以及鉈。

在一些實(shí)施方案中，合金元素選自銦或鎵。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金包括0.005重量％至0.05重量％的至少一種合金元素。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金包括0.01重量％至0.03重量％的至少一種合金元素。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金的溶液陰電位比第一鋁合金負(fù)至少100mv。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金還包括0.5重量％至6.0重量％的鋅或鎂。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金還包括1重量％至5重量％的鋅或鎂。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金還包括2重量％至5重量％的鋅或鎂。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金還包括0.05重量％至1.0重量％的鐵或硅。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金還包括0.1重量％至0.5重量％的鐵或硅。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金包括選自3000或8000系列鋁合金的合金，其中合金元素和任何鋅、鎂、鐵或硅以上文指定的量添加至所述鋁合金。

在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金包括選自aa1100、aa1145、aa7072、aa8005、aa8006以及aa8011的合金，其中合金元素和任何鋅、鎂、鐵或硅以上文指定的量添加至所述鋁合金。

在一些實(shí)施方案中，翅片由第二鋁合金形成。

在一些實(shí)施方案中，翅片包括翅片主體部分和翅片表面層部分，其中翅片表面層部分包括第二鋁合金，并且翅片主體部分包括第三鋁合金。

在一些實(shí)施方案中，第三鋁合金包括選自aa1100、aa1145、aa7072、aa8006以及aa8011的合金。

在一些實(shí)施方案中，翅片表面層覆蓋翅片主體部分的與導(dǎo)管的外部接觸的區(qū)域。

在一些實(shí)施方案中，翅片表面層包裹住翅片主體部分。

在一些實(shí)施方案中，翅片表面層具有5-50微米的厚度。

在一些實(shí)施方案中，翅片表面層具有15-250微米的厚度。

在一些實(shí)施方案中，翅片表面層通過冷噴涂或熱噴涂工藝或者氣相沉積來施加。

在一些實(shí)施方案中，翅片表面層通過冷氣噴涂沉積來施加。

附圖簡述

在說明書結(jié)尾處的權(quán)利要求書中具體指出并明確主張了被視為是本發(fā)明的主題。本發(fā)明的前述和其他特征及優(yōu)點(diǎn)根據(jù)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的具體實(shí)施方式將變得顯而易見，在附圖中：

圖1展示示例性熱交換器的示意圖；

圖2展示另一種示例性熱交換器的示意圖；

圖3展示翅片式熱交換器的一部分的截面圖的示意圖；

圖4展示翅片式熱交換器的一部分的截面圖的示意圖；

圖5展示翅片式熱交換器的一部分的截面圖的示意圖；并且

圖6展示翅片式熱交換器的一部分的截面圖的示意圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)參考附圖，圖1展示微通道或微通道類型的熱交換器。這些類型的熱交換器的配置通常是相同的，其中主要差異是基于熱傳遞管端口的大小而相當(dāng)寬泛地應(yīng)用。為了方便起見，這種類型的熱交換器在本文中將被稱為微通道熱交換器。如圖1所示，微通道熱交換器200包括第一歧管212，所述第一歧管具有入口214，所述入口用于接納工作流體，諸如冷卻劑；以及出口216，所述出口用于排放工作流體。第一歧管212流體地連接至多個(gè)管子218中的每一個(gè)，所述多個(gè)管子分別在相對(duì)端上與第二歧管220流體地連接。此處應(yīng)當(dāng)指出，如本文所使用的術(shù)語“管子”意指導(dǎo)管并且包括任何形狀或配置的任何類型的通道或?qū)Ч?，包括但不限于具有圓形、矩形和方形形狀的截面的通道或?qū)Ч堋５诙绻?20與多個(gè)管子222中的每一個(gè)流體地連接，所述多個(gè)管子將工作流體返回至第一歧管212，以便通過出口216排放。分區(qū)223位于第一歧管212內(nèi)，以將第一歧管212的入口和出口區(qū)段隔開。管子218和222可以包括用于傳送工作流體的通道，諸如微通道。上文描述的兩次通過工作流體流動(dòng)配置僅僅是許多可能的設(shè)計(jì)布置中的一種。單次和其他多次通過流體流動(dòng)配置可以通過將分區(qū)223、入口214和出口216放置在第一歧管212和第二歧管220內(nèi)的特定位置處來獲得。

翅片224如圖所示在管子218與管子222之間延伸。翅片224支撐管子218和管子222，并且在管子218與管子222之間建立開放的流動(dòng)通道(例如，用于氣流)以提供附加熱傳遞表面并且增強(qiáng)熱傳遞特征。翅片224還為熱交換器結(jié)構(gòu)提供支撐。翅片224在釬焊接頭226處結(jié)合到管子218和222。翅片224不限于圖2所示的三角形截面，因?yàn)橐部梢允褂闷渌崞渲?例如，矩形、梯形、橢圓形、正弦形)。翅片224可以具有用于改進(jìn)熱傳遞的百葉片。

現(xiàn)參考圖2，示出了示例性rtpf(圓管板翅片)熱交換器。如圖2所示，熱交換器200包括用于運(yùn)送制冷劑的一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)回路。出于解釋的目的，熱交換器200被示出為具有由入口管線330和出口管線340組成的單一流動(dòng)回路制冷劑管320。入口管線330在熱交換器200的一端處通過90度管彎頭350連接至出口管線340。然而，應(yīng)顯而易見的是，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求來將更多回路添加至所述單元。例如，雖然管彎頭350被示出為連接兩個(gè)直管區(qū)段的單獨(dú)的部件，但是管子320還可以形成為其中具有用于管彎頭350的發(fā)夾區(qū)段的單一管件，并且這類發(fā)夾形管子的多個(gè)單元可以在開放端用u形連接器連接來形成呈‘來回’配置的連續(xù)的較長的流動(dòng)路徑。熱交換器200還包括一系列翅片360，所述翅片包括徑向安置的板狀元件，所述板狀元件沿著流動(dòng)回路的長度間隔開，通常以過盈配合連接至管子320。翅片360提供在一對(duì)端板或管板370與380之間并且由管線330、340支撐，以便于限定調(diào)節(jié)空氣在其中穿過制冷劑管320并穿過間隔開的翅片360之間的氣體流動(dòng)通道。翅片360可以包括熱傳遞增強(qiáng)元件，諸如百葉片。

制冷劑管可以由基于鋁合金的核心材料制成，并且在一些實(shí)施方案中可以由選自1000系列、3000系列、5000系列或6000系列鋁合金的鋁合金制成。翅片可以包括鋁合金基底材料，例如像選自以下的材料：1000系列、3000系列、6000系列、7000系列或8000系列鋁合金(如本文所使用，所有合金編號(hào)和合金系列編號(hào)以及個(gè)別合金編號(hào)都像鋁業(yè)協(xié)會(huì)(thealuminumassociation)規(guī)定的一樣)。本文描述的實(shí)施方案將鋁合金用于具有鋁合金管的管子-翅片式熱交換器(即，所謂的“全鋁”熱交換器)的翅片。在一些實(shí)施方案中，制冷劑從中流過的部件，諸如管子和/或歧管可以由電化學(xué)上陰極比制冷劑未從中流過的連接部件(例如，翅片)更活躍的合金制成。這確保會(huì)在非流通部件中而不是在流通部件中發(fā)生任何電化學(xué)腐蝕，以便于避免制冷劑泄漏。

如上所述，熱交換器部件連接，諸如管子與翅片之間，或管子與歧管之間的連接可以通過釬焊來連接。用于鋁部件的釬焊組合物在本領(lǐng)域中是熟知的，例如在美國專利4,929,511、5,820,698、6,113,667和6,610,247以及美國公布的專利申請(qǐng)2012/0170669中所描述，所述專利中的每一個(gè)的公開內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。用于鋁的釬焊組合物可以包括各種金屬和類金屬，包括但不限于硅、鋁、鋅、鎂、鈣、鑭系金屬等等。在一些實(shí)施方案中，釬焊組合物包括電化學(xué)上陽極比鋁更活躍的金屬(例如，鋅)，以便于在釬焊接頭而不是制冷劑管中提供犧牲性電化學(xué)腐蝕?？梢允褂弥鄄牧蟻泶龠M(jìn)釬焊過程。用于鋁部件的釬焊的助熔材料可以包括高熔點(diǎn)(例如，約564℃至約577℃)，諸如lif和/或kalf4?？梢岳闷渌M合物，包括銫、鋅和硅。助熔材料可以在釬焊之前施加到鋁合金表面，或者可以被包括在釬焊組合物中。

如上所述，熱交換器翅片包括第二鋁合金，所述第二鋁合金包括0.01重量％至1.0重量％的選自以下的至少一種合金元素：錫、鋇、銦、汞、鎵以及鉈。在一些更具體的實(shí)施方案中，第二鋁合金包括0.01重量％至0.05重量％的至少一種合金元素，以及甚至更具體地0.01重量％至0.03重量％的至少一種合金元素。在一些更具體的實(shí)施方案中，至少一種合金元素選自銦或鎵。

現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖3-6，圖3-6中示出了管子和翅片組件10的示例性部分，其中翅片14附接至管子12。在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金可以如圖3所示用作形成熱交換器翅片的主要合金，其中翅片14由第二鋁合金形成。在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金如圖4所示作為表面層存在于由第三鋁合金形成的翅片上，其中翅片14具有包括第二鋁合金的表面層16。第三鋁合金可以是可用于制造翅片坯料的任何鋁合金，包括但不限于aa1000、aa7000、aaaa8000系列合金，諸如aa1100、aa1145、aa7072、aa8005或aa8011，本文所使用的合金牌號(hào)是按鋁業(yè)協(xié)會(huì)出版的有關(guān)變形鋁和變形鋁合金的國際合金牌號(hào)和化學(xué)組成限制(internationalalloydesignationsandchemicalcompositionlimitsforwroughtaluminumandwroughtaluminumalloys)所載。表面層可以具有范圍為15至250微米、更具體地為15至200微米的厚度。在一些實(shí)施方案中，包括第二鋁合金的表面層包裹住翅片，包括如圖4所示的那樣。在一些實(shí)施方案中，包括第二鋁合金的表面層覆蓋翅片主體部分的鄰近于與管子12的外部接觸的接觸點(diǎn)的區(qū)域，但是并未覆蓋遠(yuǎn)離管子12的外部的翅片主體的其他部分。例如，在一些示例性實(shí)施方案中，諸如圖5所示，表面層16并未涂布與管子12接觸的翅片區(qū)域。這種配置可以促進(jìn)良好的熱傳遞，同時(shí)還提供耐腐蝕性。在其他示例性實(shí)施方案中，諸如圖6所示，表面層16覆蓋管子12附近的翅片表面的部分，而不覆蓋管子/翅片界面。

在一些實(shí)施方案中，上文描述的表面層可以在釬焊之前施加?？梢允褂酶鞣N技術(shù)來施加陽極金屬，諸如電沉積；物理氣相沉積；或各種熱噴涂方法，諸如等離子體噴涂、火焰噴涂、冷氣噴涂沉積(cgsd)、hvof以及其他已知的熱噴涂技術(shù)。在更具體的示例性實(shí)施方案中，表面層通過cgsd來施加?？商娲?，如本領(lǐng)域所已知，含第二合金的層可以物理地施加到表面，并且之后進(jìn)行加熱。表面層可以熱擴(kuò)散到鋁基底中，例如到達(dá)80-100μm的深度。

雖然本發(fā)明并不由任何特定理論或操作模式限定或受其限制，但是認(rèn)為第二鋁合金中的合金元素可能會(huì)干擾通常形成在鋁合金的表面上的薄的保護(hù)性氧化物層的形成，從而使得翅片表面上更容易發(fā)生腐蝕。在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金中的合金元素可以與其他技術(shù)、材料和產(chǎn)品配置一起結(jié)合使用，所述技術(shù)、材料和產(chǎn)品配置也會(huì)促使腐蝕優(yōu)先發(fā)生在熱交換器翅片中而不是發(fā)生在運(yùn)送制冷劑的管子中，但是合金元素也可以獨(dú)自地使用。在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金還包括使第二鋁合金的溶液陰電位比第一鋁合金負(fù)至少100mv的元素的存在。在一些實(shí)施方案中，0.5重量％至6.0重量％的鎂或鋅、更具體地為1重量％至5重量％的鎂或鋅、以及甚至更具體地為2重量％至5重量％的鎂或鋅。元素諸如鎂或鋅的存在往往會(huì)使鋁合金具有更負(fù)的溶液陰電位，這使得任何電化學(xué)腐蝕都發(fā)生在翅片中而不是發(fā)生在管子中。在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金還包括形成金屬間化合物顆粒的元素諸如鐵或硅的存在，這也會(huì)干擾熱交換器翅片上的保護(hù)性氧化膜的形成。在一些實(shí)施方案中，第二鋁合金包含.05重量％至1.0重量％的鐵或硅、更具體地為0.1重量％至0.5重量％的鐵或硅、以及甚至更具體地為0.1重量％至0.5重量％的鐵或硅。

本文描述的第二鋁合金可以是基于具有至少一種合金元素和任選的鋅的基礎(chǔ)鋁合金，并且鎂可以添加至基礎(chǔ)合金來形成第二鋁合金。示例性基礎(chǔ)鋁合金包括aa1100、aa1145、aa7072、aa8005、aa8006和aa8011、以及其混合物。

這些合金的組合物和用于制備鋁合金的技術(shù)在本領(lǐng)域中是熟知的。這類組合物的示例性實(shí)施方案描述于例如鋁和鋁合金(aluminumandaluminumalloys)，asm專業(yè)手冊(cè)(asmspecialtyhandbook)，jr.davis，asminternational，其公開內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。

盡管僅結(jié)合有限數(shù)目的實(shí)施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明，但應(yīng)容易理解，本發(fā)明并不限于此類公開的實(shí)施方案。相反，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改，以結(jié)合前文未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相稱的任何數(shù)目的變化、改變、替代或等效布置。另外，盡管已描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方案，但應(yīng)理解，本發(fā)明的各方面可以包括所描述的實(shí)施方案中的僅一些。因此，不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明受前文描述限制，而是僅受所附權(quán)利要求書的范圍限制。