平行流换热器用铝合金多孔微通道扁管评述

  伍  波，李  龙，周德敬

（银邦金属层状复合材料技术研究院，江苏省金属层状复合材料重点实验室，银邦金属复合材料股份有限公司，江苏无锡214145）

摘要：从微通道扁管的材料、结构、成形、表面防护及其应HJ进展等方面，对平行流换热器用铝合金多孔微通道扁管进行了简要评述，并对微通道扁管的发展趋势进行了展望。

关键词：换热器；铝合金；微通道扁管

中图分类号：TG146. 21 文章编号：1007 -7235(2016)02 -0009 -07

 随着科学技术的发展，电子、机械、生物、航空航天等领域设备都开始向小型化、高度集成化方向发展，但随之带来的问题是设备部件的功耗也会增大，因此，传统的散热设备及结构设计已无法满足小型化和高能效的苛刻要求。1981年，斯坦福大学的Tuckerman和Pease两位教授在硅芯片背面刻蚀了微矩形通道，得到了微细通道换热器，这种换热器的热流密度可达790 W／cm2，该成果推动了对微细通道的研究。铝合金多孔微通道扁管（又称“平行流铝扁管”，下文简称“微通道扁管”）是一种薄壁多孔扁形管状材料，主要用于制作各种采用新型平行流环保制冷剂空调系统中的平行流换热器，又称“微通道换热器”或“平行流微通道热交换器”，图l是宽16mm、厚2 mm的10孔微通道扁管照片。同传统铜管管片式和层叠式换热器相比，微通道扁管在环保、效能、节能和成本上具有十分显著的优势。在同等效率下，微通道换热器比铜质换热器能效平均提高30%以上，材料重量减少50%，制冷剂使用量减少30%以上，而成本也降低50%以上。

 虽然微通道换热器具有显著的优势，但由于作为主体部件的微通道扁管技术含量高，生产难度大，如超高的挤压比、超高尺寸精度、高气密性要求、表面喷锌难度大等，在2010年之前，世界上仅有德国、日本和韩国等国的少数厂家能够生产，并且生产技术基本被国外垄断，我国在这方面的技术及材料上基本依赖进口。近些年来，国内不少企业引进的连续挤压技术生产微通道扁管，但由于无法解决材料表面氧化夹杂带人到产品中导致抗腐蚀性能差等问题，所以这类产品只能应用在低端市场，无法与国外企业同类产品竞争。综合国内外文献资料发现，微通道扁管生产技术难点主要体现在结构设计、成形技术、尺寸精度及表面防护等方面。本文主要从材料、结构、成形、表面防护及其应用进展等方面，对微通道扁管作简要评述，为本行业研究人员提供参考。

1  微通道扁管的原材料、结构、成形及表面防护

1.1原材料

 微通道扁管的壁厚不大于0.45 mm，极限壁厚仅为0.16 mm，若铝合金铸锭纯净度和含氢量不满足要求，即使是极个别的气孔或夹杂，也会使扁管产生泄漏。因此对铝合金铸锭内部的杂质颗粒和含氢量要求极高。目前铝合金微通道扁管使用的合金牌号主要有1050、1060、1 100、1A97、3003、3F03、3102和3103等。表1列出了国内某公司对上述主要扁管合金牌号室温力学性能的规定。

1.2结构

 微通道扁管用来构成平行流换热器的主体部件，截面示意图如图2所示，其结构设计的好坏直接影响换热器使用效能的发挥，微通道扁管由于其孔径小、密排多孔，目前生产工艺普遍采用挤压成形，生产难度大、尺寸精度要求高。目前，还没有统一标准来划分微通道尺寸，Mehrndale等将当量直径Dh>6 mm划分为常规通道；1 mm< Dh≤6 mm的为紧凑型通道；0.1 mm <Dh≤1 mm的为过渡型通道；0. 001  mm<Dh≤0.1 mm的为微通道。Kandlikar则对微通道作如下划分：Dh>3 mm的为常规通道；0.2 mm< Dh≤3 mm的为细小通道；0.01 mm<Dh≤0.2 mm的为微通道；1μm < Dh<0. 01  mm的为过渡型通道；0.1μm <Dh≤1μm的为过渡型纳米通道；Dh≤0.1 μm为分子纳米通道。国内一般对微通道扁管的孔径要求为水力直径满足0. 01mm<Dc≤0.6 mm。表2是日本古河铝业公司(Furukawa)多孔扁管规格、尺寸及偏差要求。

 国内外对微通道平行流热交换器的研究主要集中在对热交换器的总体性能及制冷剂侧、空气侧流体的传热与流动特性，而微通道扁管结构参数对平行流热交换器的影响的研究相对较少。平行流换热器制冷剂侧的冷凝传热系数和压力降均可以水力直径为特征尺寸进行计算，与平行流换热器的扁管结构直接相关。

 代宝民等研究了不同孔型微通道扁管内单相对流换热特性。实验结果表明，圆孔和方孔扁管的实验值变化趋势一致，但圆孔的努赛尔数高于方孔的。舒朝晖等采用数值模拟的方法研究了微通道扁管内孔高度、宽度、宽高比及扁管孔数对平行流冷凝器制冷剂侧性能的影响。结果发现，对于家用空调器中的平行流冷凝器，适当减小扁管孔数、宽度、宽高比，可提高制冷剂侧传热系数，但压降有所增加，因此要想获得满意的传热系数和压降，就必须综合考虑扁管结构参数的影响。Chung等建立了两种平行流冷凝器模型，一种考虑微了通道扁管尺寸，另一种没有。结果表明，考虑扁管尺寸的影响，选取适合于扁管的关联式，则所建模型的计算结果更加准确和稳定。徐坤豪对铝合金多孔折叠微通道扁管进行了换热性能研究，并与传统挤压扁管进行了比较，研究发现，多孔折叠扁管的换热性能比挤压扁管高18.9%。若该种多孔折叠扁管应用于微通道换热器上，则可进一步减轻重量，缩小尺寸并且降低压缩机功耗。

1.3成形

 铝合金微通道扁管作为平行流交换器中最重要的制冷剂承载和热交换管道部件，其生产工艺和产品质量的好坏对平行流换热器的质量、性能、寿命和环境安全具有重要的影响。铝合金微通道扁管目前市场上主要有两种生产制造方式：一种是通过ɸ9.5mm铝合金杆为原料采用康风机连续挤压成的扁管；另一种是以高品质的铝合金圆锭为原料采用卧式挤压机热挤压成的扁管。后类管材常采用分流模进行挤压成形，即在高温、高压的焊合室中重新焊合后流出工作带，从而挤出所需的管材。分流模的最大特点是可挤压出双孔或多孔的内腔复杂的空心管材，具有拆换方便、成本低、生产效率高等优点。两种制造方法相比，耐腐蚀性差是康风挤压法管材最大的先天不足，主要是由于康风管连续生产时，包括表面氧化层的铝杆全部被挤进产品中，造成康风管中的氧化夹杂物含量高于热挤压管的，影响了其抗腐蚀性能。

 对微通道扁管挤压成形工艺进行了研究，研究发现，由于微孔模芯直径小，在高温下，

坯料的流变行为引起了弹性变形，造成了微通道管截面的尺寸偏差。方文利等模拟了微通道扁管的挤压成形过程，分别得出球面模和平面模挤压微通道扁管时焊合面上的静水压力、等效应力和金属速度的分布及变化规律。实验测得，球面模和平面模挤压制成的微通道扁管的爆破压力分别为26 M Pa和18.5 M Pa，可见，球面模挤压制成的扁管承压能力要好于平面模的。

 由于微通道扁管界面尺寸微小，管壁厚度一般在0.2 mm~0.45 mm范围内，允许偏差为±0.05 mm，因此该类管材对挤压工艺提出了极高的要求。微通道换热器扁管流道截面可以是矩形、三角形或圆形。据资料表明，平行流扁管成形技术难度大主要体现在以下几个方面：

 1)超大挤压比。微通道扁管是目前断面最小的铝合金管材之一，挤压比超过400，这对加热温度、模具设计、冷却条件等工艺条件控制有着很高的技术要求。

 2)超高尺寸精度。微通道扁管的尺寸精度要远高于普通热挤压管的，宽度尺寸偏差为±0. 02 mm~0. 03 mm，纵向和侧向弯曲度均要小于长度的0. 15%。

 3)气密性要求高。一套微通道热交换器大约有50 N150支微通道扁管，任何一支出现气密性缺陷，则整个空调器将面临报废的危险。

 4)焊合质量要求高。分流挤压时，材料在高温、高压的焊合室内进行固态焊合，这些贯穿于整个管材长度方向上的焊缝是扁管最薄弱的部位，微通道扁管的承压能力需要高于15 M Pa，所以焊合质量对扁管成形尤为重要。实际生产中很难通过测量某种工艺参数直接反应焊合质量，一般只能通过测量扁管的爆破压力来评估其焊合质量。

 由于微通道扁管的加工费用远高于材料自身的费用，若要在家用、商用空调器及其他制冷领域加以推广，就必须提高相关产业的加工工艺水平，提高成品合格率，降低生产加工成本。

1.4表面防护

 微通道扁管的抗腐蚀性能在很大程度上决定了产品后期在使用过程中的寿命。由于全铝平行流换热器的应用环境和工况有别于传统热交换器，现行的微通道扁管大多经过表面喷锌处理。由于微通道扁管对表面喷锌层的要求非常高，为保证喷锌层在热交换器钎焊时不影响焊接区的质量，采用纯度99. 99%的锌丝，利用高压电火花激发，将锌丝瞬时高温气化并吹附在扁管表面，但是目前国内外仅少数厂家的喷锌设备能满足喷锌作业要求。锌元素的添加可以降低材料的腐蚀电位，使得扁管表层的电位低于芯材的电位，这样的电位差促使扁管以平行方向的腐蚀为主，直到芯材扩散区腐蚀消耗完，因此喷锌扁管本身的抗腐蚀性能要好于普通挤压扁管。但是表面喷锌仍存在一些问题，如锌层难以保证绝对均匀，可能会产生“点蚀”，最终导致扁管的穿孔。另外，经过表面喷锌的扁管在高温状态下，锌层极易脱落，因此需要进行快速的非接触式冷却。常用办法是采取水雾激冷或水冷，随后快速烘干。

 部分用于汽车空调维修市场的则为了压缩成本也提供不喷锌的素材，其材料本身的缺陷使得扁管极易遭受点蚀从而造成穿孔失效。而目前使用表面涂覆钎料+钎剂复合涂层、钎剂涂层的只有少数几家，对于涂覆钎料+钎剂复合涂层、钎剂涂层的产品，由于目前采用胶辊双面涂覆机进行生产，其涂层与扁管的结合大多是依靠一种热分解树脂进行粘结，除了需要规定其涂布量和允许偏差外，还须检验其在扁管表面的附着力，从而保证产品在进入钎焊炉之前的生产、包装、运输和组装操作过程中不至于造成涂层脱落，导致钎焊不良引起过早的腐蚀失效。南于上述经过表面涂层的微通道扁管具有大幅度提高品质、钎焊速度、改善工作环境等作用，未来有可能得到大力推广。

 韦伟等人对比研究了表面喷锌及喷硅扁管对微通道换热器长效特性的影响。实验结果发现，采用喷硅扁管换热器样件经腐蚀后，由于扁管表面没有发生电化学反应，腐蚀后的各项性能（换热量、空气侧压降、总热阻）要优于喷锌扁管换热器样件。扁管的表面复合层钎料过多、细微划痕、钎焊温度过高及扁管在加工和切割过程形成的有利于钎料流通的通道，都会造成扁管的溶蚀。眭敏针对一例泄漏位置在多元微通道处的换热器空调装置的腐蚀失效案例进行研究，研究得出，通过合理控制多元微通道构件之间的原材料厚度、进一步控制钎焊总工艺时间等方法可显著提高多元微通道的整体耐腐蚀性能。王浩红等对新型复合折叠扁管在微通道换热器上进行了加速腐蚀试验，并研究了腐蚀过程中的热交换性能变化。研究发现，折叠扁管的抗腐蚀性能要明显好于喷锌扁管和硅钎剂预涂覆层的挤压扁管。并且将三种扁管制冷凝器样品进行传热效率测试，发现折叠扁管在后期传热效能的降低速度最小。可见，折叠扁管作为冷凝器扁管的新型应用表现出了一定的优势。

2微通道扁管的应用进展

2.1微通道扁管在汽车空调领域的应用进展

 由于具有结构紧凑、换热效率高、制冷剂充注量小等优异性能，微通道换热器的应用范围逐渐由微电子信息领域走向了汽车制冷和空调领域，并且得到了广泛应用。表3给出了微通道换热器与常规换热器的热力学特征比较。欧洲的汽车生产企业率先以传统精密热挤压生产技术为核心，开发出了一种厚度仅为3 mm的扁管基材，采用独特的平行流换热技术研制出了新一代高性能汽车用空调平行流换热器，为平行流换热器技术全面进入汽车空调行业奠定了技术基础。随后的10年，采用热挤压制作的扁管基材制成的平行流换热器逐渐成为欧洲、美国、日本等汽车空调企业生产汽车空调换热器的标准设计和配置。20世纪90年代末，美国德尔福公司旗下的哈里森与开利公司进行合作，开始开拓非车用空调市场，并于2006年首次向全球发布了基于汽车平行流技术和微通道铝扁管基材设计的概念性冷却器在大型中央空调机组上的应用，以及2008年的生产计划。自此，微通道换热器开始在北美市场引发非汽车行业的空调市场的产业升级。

 在汽车空调领域，传统的氟利昂系列制冷剂已被明确禁止使用。欧盟自1996年起、中国从2002年起，开始将微通道扁管应用于所有以R134a为冷媒的环保汽车空调系统中。作为过渡型制冷剂R134a也因过高的温室效应指数被《京都议定书》否定。C02( R744)作为自然界大量存在的物质，成本低廉，无毒，高温下不会分解出有害气体，且具有较高的蒸发潜热，单位体积制冷量高，但CO2的放热与吸热过程必须在跨临界状态下运行，对以其为工质

的换热器的耐压性能就提出了很高的要求，而微通道平行流换热器具有结构紧凑、耐压性能好等优点，经过比较，微通道换热器具有最好的综合效率。早在1998年，美国伊利诺斯大学的研究人员就成功地制造出了采用微通道换热器的汽车空调样机，研究发现，采用CO2为制冷工质的性能达到甚至超过了R134a系统。

 图3给出了2010 - 2014年连续5年中国汽车产量及同比增长率，从图中可以看出，除了2011年受国家宏观调控力度加大和汽车相关鼓励政策退出等诸多不利因素影响，造成产量增幅大减外，我国汽车产量仍保持高速增长的态势，并连续6年蝉联世界第一。据中国汽车协会估计，2015年中国汽车全年产量将突破2500万辆，按照每台汽车空调平均需用微通道扁管1.05 kg(用量范围为0.8 kg~ 1.6 kg)计算，汽车空调用微通道扁管的年需求量约为2.6万t。而这一需求量已经超出国内微通道扁管厂家的实际产量，为填补需求，只能依赖从国外进口。

2.2  微通道扁管在家用和商用空调领域的应用进展

 微通道换热器在家用和商业空调系统上的应用相比汽车空调领域要晚得多，原因在于《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》对传统制冷剂在家用、商用空调的限制和禁用作为第二阶段的目标，另外，微通道蒸发器气液两相的均匀分流及热泵工况下融霜水的排除等技术还不是很成熟。Hetsroni等研究了不同当量直径、不同根数的微通道内空气．水的两相流动，研究发现，当气、液流动速率一定时，微通道内均可出现不同流型，原因在于流量分配不均。流量分配不均同样会导致微通道支管内流型不一致。但随着《蒙特利尔议定书》对R22制冷剂禁令期限的临近，越来越多的空调生产企业都把目光转向了以新型环保制冷剂作为工质的微通道换热器。美国于2003年左右就已经开始在家用空调上使用全铝微通道换热器，全球最大的独立暖通空调和冷冻设备专业制造公司——美国约克公司已将微通道扁管换热器应用于所有产品上。日本、韩国的主要家用、商用空调生产企业正加紧开发以铝制微通道换热器替代铜铝管片式换热器空调。

 我国作为全球最大的空调生产国，也在努力加快微通道换热器在家用和商用空调领域的应用。图4是2010 - 2014年连续5年我国空调产量趋势图。从图中可以看出，除2012年产量有所下降外，整体呈上升趋势，可见，平行流换热器用铝合金多孔微通道扁管有着巨大的市场前景。随着铝合金微通道扁管在汽车空调领域的普遍使用，铝合金多孔微通道扁管在家用和商用空调领域的应用成了国内外相关研究人员的研究热点。

 陈芝久等[23]对平行流换热器用于家用空调领域进行了可行性分析，提出了存在的问题并给出了合理性改进方法。美的公司饶荣水等人研究了风量和流程设计对微通道换热器换热性能的影响。研究发现，增加风量可提高换热效率，流程不同，换热性能差别1.8%。长虹公司的李峰等对一种新型微通道换热器在家用空调中的应用进行了实验研究。研究发现，相比传统微通道换热器的家用空调系统，新型换热器内容积减小71%，系统充注量降低了28.3%。2010年新能耗标准的实施进一步推动了微通道换热器在家用空调上的应用，全铝微通道换热器逐步取代翅片管换热器已成为行业发展的必然趋势。微通道换热器作为冷凝器使用的技术已基本成熟，而作为蒸发器使用时，由于受到蒸发器分液歧管结构、制冷剂充注量和制冷剂流动方向等因素的制约，造成的制冷剂气液两相流在各通路中的分液不均是制约微通道蒸发器性能提升的一个瓶颈。

 据上海铝业行业协会报告，全球第三条一次挤8支微通道铝扁管挤压生产线于2012年在上海松江正式投产，标志着中国企业依靠自主研发，已经拥有了国际上最为领先的微通道扁管生产线。上海松江微通道扁管挤压生产线的投产，将使全球特别是中国微通道扁管市场供不应求的状态得到缓解。表4是目前全球微通道扁管的主要生产厂家及产能情况。

2.3微通道扁管在其他领域的应用

 除汽车空调，家用、商用空调两大主要市场外，微通道扁管技术还可应用在冰箱、发电机冷却、食品自动售货机、冰场等设备上。另外，微通道扁管还可应用于某些高科技领域，如微电子、航空航天、医疗、超温超导的冷却等。

3  结束语

 我国是世界上最大的汽车空调及家用、商用空调的制造和使用国，平行流换热器用铝合金多孔微通道扁管有着巨大的市场前景，目前国内年需求量超过20万t。我国微通道扁管在未来一段时间将主要呈现如下几点趋势：

 1)产量呈现高速增长，随着我国经济持续稳定增长，2015年上半年GDP仍保持了7%的增速，特别是国内外微通道扁管仍处于供不应求的状态，我国仍将发挥制造业大国的优势，增大产量，缓解产量不足的局面。

 2)品质稳步提升。随着平行流热交换器制造技术和应用范围的提升，特别是钎焊技术和与扁管相配套的复合材料产品品种的增加，以及对全铝两器（冷凝器和蒸发器）产品研究的逐步深入，使得铝合金微通道扁管产品在合金品种、规格和孔型等各方面都将有快速的发展。

 3)短期内国外产品仍占据一定优势。由于目前国内还未正式发布平行流热交换器用铝合金微通道标准，而生产该产品的厂家又比较多，不同的企业所采用的生产设备、工艺技术、质量标准都不尽相同，特别是，国外同类产品厂家采取高度的技术保密，在短期内，国产微通道扁管产品质量与国外同类产品相比仍将存在一定差距。