仲明凱 聶源基

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

銅管換熱器具有較高的熱傳導率、較強的耐腐蝕性以及較好的延展性和加工性能，被當前國內(nèi)的空調(diào)行業(yè)廣泛使用。由于換熱器是空調(diào)機組的關(guān)鍵器件，其成本占整機成本的25%以上，而銅管換熱器成本構(gòu)成中，銅的占比超過70%。因此行業(yè)內(nèi)通過縮小銅管管徑的方法來降低成本[1]，但隨著當前銅價的增高，利潤空間被進一步壓縮，可能會使空調(diào)行業(yè)發(fā)展受到制約[2,3]。

目前歐美市場均有高能效鋁管換熱器空調(diào)產(chǎn)品，日本和韓國空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)的鋁管換熱器也處在產(chǎn)業(yè)化階段[4]。迫于成本壓力，國內(nèi)空調(diào)廠商開始通過以鋁代銅的方式來降低管路原材料的成本，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力[5]。但由于在潮濕的戶外空氣環(huán)境中容易發(fā)生電化學腐蝕，為保證空調(diào)的長期運行性能，室外側(cè)的換熱器以及易腐蝕地區(qū)不推薦使用銅鋁復合管[6]，因此本文僅針對室內(nèi)側(cè)的蒸發(fā)器進行分析，并從物理性能、耐壓、耐腐蝕和成本四個方面來闡述空調(diào)蒸發(fā)器管路材料由鋁管替代銅管的可行性。

1 鋁代銅的可行性分析

1.1 銅、鋁材料物理性能對比

通過廠家反饋以及測試得到，銅、鋁材料物理性能對比如表1所示。鋁管米克重系數(shù)遠低于銅管，因此使用鋁管蒸發(fā)器可以減小蒸發(fā)器和空調(diào)整機的重量，符合空調(diào)輕量化的開發(fā)方向。機械性能方面，鋁管抗拉強度雖然明顯弱于銅管，但是具有更好的屈服強度，而且結(jié)合蒸發(fā)器工作的實際情況，抗拉強度的減弱，并不影響其使用性能。鋁管的導熱系數(shù)不到銅的一半，然而陳劍波等[7]在空調(diào)冷凝器中以鋁管替代銅管的研究發(fā)現(xiàn)兩者的換熱量無明顯差異，因此針對蒸發(fā)器進行測試，結(jié)果也表明相同規(guī)格的銅、鋁管蒸發(fā)器性能差值并不大，換熱效率差值在1%以內(nèi)，實際對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 銅、鋁材料物理性能對比

表2 出口北美窗式空調(diào)器某機型對比

因此，通過對比同管徑的銅、鋁管蒸發(fā)器，鋁管蒸發(fā)器具備空調(diào)輕量化發(fā)展的基礎(chǔ)以及換熱效率與銅管蒸發(fā)器相近，并且屈服強度比銅管更高，更易于加工制作。

1.2 鋁管蒸發(fā)器的耐壓性能

從換熱性能角度考慮，管壁的厚度越薄則換熱效果越好，但在實際使用中，壁厚過薄會導致耐壓強度不足，無法達到制冷系統(tǒng)的耐壓性要求，因此蒸發(fā)器管路的壁厚需要參照經(jīng)驗值以及通過系統(tǒng)壓力、水壓壓力來進行計算，最終設計所選取的壁厚能滿足蒸發(fā)器的耐壓性能。

目前蒸發(fā)器的壁厚主要通過靜水水壓試驗的壓力反推出管壁中空圓柱體承受的張力從而得到壁厚值。參考GB/T 18033-2007《無縫銅水管和銅氣管》標準，靜水水壓試驗的計算公式為：

其中：P為最大工作壓力，單位為MPa；S為材料的允許應力，單位為MPa；t為管材壁厚，單位為mm；D為管材外徑，單位為mm；Pt為試驗壓力，單位為MPa；n為安全系數(shù)。

對3003合金鋁管進行計算，Pt取19 MPa，S取46 MPa，D取φ7 mm，n取2.7，可得合金鋁管的壁厚t應大于0.5 mm。因此，目前市場上的成熟產(chǎn)品中，3003合金鋁光管的規(guī)格常選用φ7×0.6 mm或者φ7×1 mm，以滿足管壁厚以及耐壓性能要求。

1.3 鋁管蒸發(fā)器的耐腐蝕性能

鋁和氧的親和力很強，因此鋁在空氣中極易氧化，氧化后的鋁表面會生成極薄、致密的氧化膜，從而保護鋁材內(nèi)部免受腐蝕，因此鋁在空氣和淡水中的耐腐蝕性是比較強的。通過圖1所示的純鋁電位-pH表可知，在水溶液中，當電極電位在-1.66 V以下時，鋁位于免蝕區(qū)，不發(fā)生腐蝕。在免蝕區(qū)以上，有腐蝕區(qū)和鈍化區(qū)，這與介質(zhì)的pH有關(guān)。當pH位于4.5～8.5之間時，鋁處于鈍化區(qū)，此時鋁的表面會生成鈍化膜，使鋁具有很好的耐蝕性；而當pH＜4.5時，為酸性腐蝕區(qū)，當pH＞8.5時，為堿性腐蝕區(qū)。因此，鋁蒸發(fā)器在使用過程中，需要避免暴露在強酸或者強堿性環(huán)境中。

圖1 純鋁電位-pH表

1.3.1 自然放置的耐腐蝕性能

為對比銅、鋁管蒸發(fā)器的防腐能力，進行了相應的試驗進行驗證。圖2所示為自然條件下（干球溫度35℃，濕球溫度24℃）放置60天后鋁管與銅管蒸發(fā)器的差異。

圖2 自然放置60天外觀差異對比

圖3所示為焊點差異對比，鋁管焊接處有輕微白粉，無明顯腐蝕痕跡；銅管焊點位置輕微均勻腐蝕異常，各焊點飽滿無泄漏。

圖3 焊點差異對比

1.3.2 保壓鹽霧試驗

通過進行保壓鹽霧試驗，以模擬鹽霧環(huán)境條件來進一步對比銅、鋁管蒸發(fā)器的防腐能力，其試驗條件如表3所示。

表3 蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗條件

通過對蒸發(fā)器進行噴霧試驗，得到表4所示的銅、鋁蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗相關(guān)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在600 h的試驗條件中，銅、鋁管均沒有產(chǎn)生泄漏，滿足耐腐性能。圖4所示為鋁管蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗的實物現(xiàn)象。

表4 銅、鋁蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗結(jié)果

圖4 鋁管蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗的實物現(xiàn)象

1.3.3 鋁管蒸發(fā)器增加防腐漆后的防腐性能

為驗證鋁管蒸發(fā)器在酸性條件下增加防腐漆后對其防腐能力的影響，進行相應的試驗驗證，試驗相關(guān)數(shù)據(jù)處理如表5所示。

表5 銅、鋁管蒸發(fā)器在酸性條件防腐的試驗處理

圖5所示為銅、鋁管蒸發(fā)器酸性鹽霧條件下對比有無防腐漆的實物現(xiàn)象。其中樣品1中鋁管涂防腐漆，試驗結(jié)果為彎頭處、U管底部、喇叭口處、翅片包裹處表面均無腐蝕痕跡，如圖5 a)所示。樣品2中鋁管未涂防腐漆，在鋁管蒸發(fā)器部件進行酸性煙霧試驗后，對其彎頭處、翅片包裹處進行金相分析，分析結(jié)果為其表面已產(chǎn)生較深的點蝕坑，腐蝕深度分別為129 μm和125 μm。對其漏點處進行金相分析，鋁管表面發(fā)生“皮下型”點蝕繼而穿孔引發(fā)泄漏，如圖5 b)所示。樣品3中銅管未涂防腐漆，未經(jīng)防腐處理的銅器樣件的彎頭表面及U管表面僅發(fā)生輕微腐蝕，翅片包裹處銅管未見腐蝕痕跡，如圖5 c)所示。

圖5 銅、鋁管蒸發(fā)器保壓鹽霧試驗的實物現(xiàn)象

因此，在酸性條件下，鋁管蒸發(fā)器可通過噴涂防腐漆增強其防腐能力。

1.4 銅、鋁蒸發(fā)器成本對比

以出口北美的某款窗式空調(diào)器為例，表6為原銅管蒸發(fā)器和替換為鋁管蒸發(fā)器后長U管的成本差異?？梢娫跐M足同等性能的條件下，長U管的成本降低78%。但由于使用鋁管蒸發(fā)器，蒸發(fā)器進出管需采用銅、鋁連接管，配管有所提升，因此經(jīng)過核算，銅、鋁蒸發(fā)器最終成本差異在11.86元，蒸發(fā)器成本降低約30%。

表6 銅、鋁蒸發(fā)器中長U管的成本差異

2 鋁管蒸發(fā)器設計要點

2.1 鋁管蒸發(fā)器邊板選型及設計

傳統(tǒng)銅管蒸發(fā)器的邊板主要使用熱鍍鋅板，其主要材質(zhì)為鐵。而在鋁管蒸發(fā)器上，由于鐵與鋁接觸時，因鋁鐵電位差發(fā)生電化學反應，會造成鋁管腐蝕，嚴重時甚至發(fā)生制冷劑泄漏的情況，因此鋁管蒸發(fā)器邊板設計時應使用與鋁屬性相同的材料。

空調(diào)行業(yè)中管翅式鋁管換熱器中鋁管材質(zhì)一般選用3系A(chǔ)l-Mn合金[8]，因此為防止鋁管腐蝕，鋁邊板的材料通常選用1060純鋁或者3003合金鋁，表7所示為GB/T 3190-2008中的1060純鋁和3003合金鋁的化學成分對比，其中3003鋁合金由于其化學成分中Mn含量較高，且具有更強的耐腐蝕性，以及更優(yōu)的機械性能，使得在實際使用中，鋁管蒸發(fā)器的邊板材質(zhì)通常選用3003鋁合金。

表7 1060純鋁和3003合金鋁的化學成分對比

但是鋁材熔點約630°C，鋁釬焊料熔點約560°C～580°C，兩者差值小，在焊接彎頭時容易燒壞邊板，因此鋁邊板的折邊需設計成朝向翅片，以此避免過火，同時也降低生產(chǎn)焊接的難度，保證設計質(zhì)量，鋁管蒸發(fā)器如圖6所示。

圖6 鋁管蒸發(fā)器

2.2 鋁管蒸發(fā)器流路設計

由于鋁管熔點較低的特性，鋁管蒸發(fā)器設計時不能照搬銅管蒸發(fā)器，需要注意如下幾點：

（1）排數(shù)：鋁管蒸發(fā)器彎頭焊接時采用自動焊接線生產(chǎn)，設計上應盡量保證彎頭受熱均勻，這樣焊接質(zhì)量才能統(tǒng)一，因此蒸發(fā)器的排數(shù)推薦兩排，最多三排。超過三排時，蒸發(fā)器內(nèi)外側(cè)彎頭受熱嚴重不均，容易發(fā)生外側(cè)彎頭燒毀而內(nèi)側(cè)彎頭焊料還未熔化或者外側(cè)彎頭已焊接牢固而內(nèi)側(cè)彎頭焊料仍未熔化的焊接缺陷。

（2）流路：受限于鋁管焊接工藝，鋁管蒸發(fā)器流路設計盡量避免抽管設計，確保彎頭焊接時受熱均勻，否則抽管位置的彎頭容易過熱。同時流路設計盡量減少進出掛管數(shù)（推薦一進一出），以免手工焊點過多影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

（3）管徑：由于受鋁管耐壓性能的影響，相同規(guī)格的鋁管的壁厚要大于銅管的壁厚，使得其內(nèi)部容積也小于銅管，因此為保證制冷劑的流通順暢，鋁管管徑推薦使用φ7及以上管徑，不推薦φ5管徑兩器。

2.3 鋁管蒸發(fā)器防腐

鋁管在酸度和堿度較高環(huán)境下容易被腐蝕，因此在設計上要避免鋁管接觸到這兩類物料。結(jié)合售后數(shù)據(jù)及實驗室研究測試，空調(diào)常用的海綿在水中會釋放酸根離子，在鋁管、海綿、水三者長期接觸后，鋁管容易發(fā)生腐蝕，因此在空調(diào)設計時需要將鋁管與海綿隔離。

2.4 鋁管蒸發(fā)器銅、鋁連接管設計

銅、鋁管連接一般采用電阻焊、熔接焊、摩擦焊、釬焊等連接方法。但熔接焊、摩擦焊、釬焊由于焊接工藝的特性，焊接時容易產(chǎn)生氣孔等缺陷且同時焊接難度較大。而電阻焊成本低且可靠性較高，因此考慮綜合成本、可靠性等因素，優(yōu)先選用電阻焊工藝。設計銅、鋁連接管時，需要考慮如下要點：

（1）銅、鋁管需使用管徑相同或者銅管管徑略小于鋁管的規(guī)格，以便于銅管插入鋁管中實施焊接；

（2）為進一步防漏，銅、鋁連接部分需增加熱縮套管進行防護，熱縮套管距離管口焊點尺寸推薦≥55 mm，以防止二次受熱，影響密封效果。

3 結(jié)論

本文通過對銅管蒸發(fā)器和鋁管蒸發(fā)器在物理性能、耐壓、耐腐蝕和成本等方面進行了綜合試驗評估。經(jīng)過試驗測試，結(jié)果表明：

（1）對比同管徑的銅、鋁管蒸發(fā)器，鋁管蒸發(fā)器具備空調(diào)輕量化發(fā)展的基礎(chǔ)以及換熱效率與銅管蒸發(fā)器相近；

（2）從耐壓要求上，鋁管的壁厚應大于0.5 mm，以滿足管壁厚和耐壓性能要求；

（3）在使用過程中為減少腐蝕需要避免暴露在強酸或者強堿性環(huán)境中，但可通過在蒸發(fā)器兩端噴涂防腐漆增強其在酸性環(huán)境下的防腐能力；

（4）以某出口北美窗機為例驗證鋁管蒸發(fā)器成本相對銅管蒸發(fā)器可降低約30%；

（5）通過對鋁管蒸發(fā)器的邊板材料、流路和管路等進行了分析表明，邊板材料需避免采用鐵，且應采用與鋁屬性相同的材料，以防止鋁鐵發(fā)生電化學反應；同時由于鋁管熔點低的特性以及需滿足耐壓性能要求，鋁管蒸發(fā)器排數(shù)推薦使用兩排、流路則使用一進一出的方式以及管徑優(yōu)選φ7及以上管徑。

但國內(nèi)目前對于鋁管蒸發(fā)器的相關(guān)工藝尚未完全成熟，需在生產(chǎn)中嚴格控制生產(chǎn)工藝，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此后續(xù)仍需提升鋁管蒸發(fā)器制造工藝以提高鋁管蒸發(fā)器的使用壽命和性能等。