铝管蒸发器替代铜管蒸发器在空调上的可行性分析

仲明凯 聂源基

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

铜管换热器具有较高的热传导率、较强的耐腐蚀性以及较好的延展性和加工性能，被当前国内的空调行业广泛使用。由于换热器是空调机组的关键器件，其成本占整机成本的25%以上，而铜管换热器成本构成中，铜的占比超过70%。因此行业内通过缩小铜管管径的方法来降低成本[1]，但随着当前铜价的增高，利润空间被进一步压缩，可能会使空调行业发展受到制约[2,3]。

目前欧美市场均有高能效铝管换热器空调产品，日本和韩国空调生产企业的铝管换热器也处在产业化阶段[4]。迫于成本压力，国内空调厂商开始通过以铝代铜的方式来降低管路原材料的成本，从而提高产品的市场竞争力[5]。但由于在潮湿的户外空气环境中容易发生电化学腐蚀，为保证空调的长期运行性能，室外侧的换热器以及易腐蚀地区不推荐使用铜铝复合管[6]，因此本文仅针对室内侧的蒸发器进行分析，并从物理性能、耐压、耐腐蚀和成本四个方面来阐述空调蒸发器管路材料由铝管替代铜管的可行性。

1 铝代铜的可行性分析

1.1 铜、铝材料物理性能对比

通过厂家反馈以及测试得到，铜、铝材料物理性能对比如表1所示。铝管米克重系数远低于铜管，因此使用铝管蒸发器可以减小蒸发器和空调整机的重量，符合空调轻量化的开发方向。机械性能方面，铝管抗拉强度虽然明显弱于铜管，但是具有更好的屈服强度，而且结合蒸发器工作的实际情况，抗拉强度的减弱，并不影响其使用性能。铝管的导热系数不到铜的一半，然而陈剑波等[7]在空调冷凝器中以铝管替代铜管的研究发现两者的换热量无明显差异，因此针对蒸发器进行测试，结果也表明相同规格的铜、铝管蒸发器性能差值并不大，换热效率差值在1%以内，实际对比数据如表2所示。

表1 铜、铝材料物理性能对比

表2 出口北美窗式空调器某机型对比

因此，通过对比同管径的铜、铝管蒸发器，铝管蒸发器具备空调轻量化发展的基础以及换热效率与铜管蒸发器相近，并且屈服强度比铜管更高，更易于加工制作。

1.2 铝管蒸发器的耐压性能

从换热性能角度考虑，管壁的厚度越薄则换热效果越好，但在实际使用中，壁厚过薄会导致耐压强度不足，无法达到制冷系统的耐压性要求，因此蒸发器管路的壁厚需要参照经验值以及通过系统压力、水压压力来进行计算，最终设计所选取的壁厚能满足蒸发器的耐压性能。

目前蒸发器的壁厚主要通过静水水压试验的压力反推出管壁中空圆柱体承受的张力从而得到壁厚值。参考GB/T 18033-2007《无缝铜水管和铜气管》标准，静水水压试验的计算公式为：

其中：P为最大工作压力，单位为MPa；S为材料的允许应力，单位为MPa；t为管材壁厚，单位为mm；D为管材外径，单位为mm；Pt为试验压力，单位为MPa；n为安全系数。

对3003合金铝管进行计算，Pt取19 MPa，S取46 MPa，D取φ7 mm，n取2.7，可得合金铝管的壁厚t应大于0.5 mm。因此，目前市场上的成熟产品中，3003合金铝光管的规格常选用φ7×0.6 mm或者φ7×1 mm，以满足管壁厚以及耐压性能要求。

1.3 铝管蒸发器的耐腐蚀性能

铝和氧的亲和力很强，因此铝在空气中极易氧化，氧化后的铝表面会生成极薄、致密的氧化膜，从而保护铝材内部免受腐蚀，因此铝在空气和淡水中的耐腐蚀性是比较强的。通过图1所示的纯铝电位-pH表可知，在水溶液中，当电极电位在-1.66 V以下时，铝位于免蚀区，不发生腐蚀。在免蚀区以上，有腐蚀区和钝化区，这与介质的pH有关。当pH位于4.5～8.5之间时，铝处于钝化区，此时铝的表面会生成钝化膜，使铝具有很好的耐蚀性；而当pH＜4.5时，为酸性腐蚀区，当pH＞8.5时，为碱性腐蚀区。因此，铝蒸发器在使用过程中，需要避免暴露在强酸或者强碱性环境中。

图1 纯铝电位-pH表

1.3.1 自然放置的耐腐蚀性能

为对比铜、铝管蒸发器的防腐能力，进行了相应的试验进行验证。图2所示为自然条件下（干球温度35℃，湿球温度24℃）放置60天后铝管与铜管蒸发器的差异。

图2 自然放置60天外观差异对比

图3所示为焊点差异对比，铝管焊接处有轻微白粉，无明显腐蚀痕迹；铜管焊点位置轻微均匀腐蚀异常，各焊点饱满无泄漏。

图3 焊点差异对比

1.3.2 保压盐雾试验

通过进行保压盐雾试验，以模拟盐雾环境条件来进一步对比铜、铝管蒸发器的防腐能力，其试验条件如表3所示。

表3 蒸发器保压盐雾试验条件

通过对蒸发器进行喷雾试验，得到表4所示的铜、铝蒸发器保压盐雾试验相关结果，可以发现在600 h的试验条件中，铜、铝管均没有产生泄漏，满足耐腐性能。图4所示为铝管蒸发器保压盐雾试验的实物现象。

表4 铜、铝蒸发器保压盐雾试验结果

图4 铝管蒸发器保压盐雾试验的实物现象

1.3.3 铝管蒸发器增加防腐漆后的防腐性能

为验证铝管蒸发器在酸性条件下增加防腐漆后对其防腐能力的影响，进行相应的试验验证，试验相关数据处理如表5所示。

表5 铜、铝管蒸发器在酸性条件防腐的试验处理

图5所示为铜、铝管蒸发器酸性盐雾条件下对比有无防腐漆的实物现象。其中样品1中铝管涂防腐漆，试验结果为弯头处、U管底部、喇叭口处、翅片包裹处表面均无腐蚀痕迹，如图5 a)所示。样品2中铝管未涂防腐漆，在铝管蒸发器部件进行酸性烟雾试验后，对其弯头处、翅片包裹处进行金相分析，分析结果为其表面已产生较深的点蚀坑，腐蚀深度分别为129 μm和125 μm。对其漏点处进行金相分析，铝管表面发生“皮下型”点蚀继而穿孔引发泄漏，如图5 b)所示。样品3中铜管未涂防腐漆，未经防腐处理的铜器样件的弯头表面及U管表面仅发生轻微腐蚀，翅片包裹处铜管未见腐蚀痕迹，如图5 c)所示。

图5 铜、铝管蒸发器保压盐雾试验的实物现象

因此，在酸性条件下，铝管蒸发器可通过喷涂防腐漆增强其防腐能力。

1.4 铜、铝蒸发器成本对比

以出口北美的某款窗式空调器为例，表6为原铜管蒸发器和替换为铝管蒸发器后长U管的成本差异。可见在满足同等性能的条件下，长U管的成本降低78%。但由于使用铝管蒸发器，蒸发器进出管需采用铜、铝连接管，配管有所提升，因此经过核算，铜、铝蒸发器最终成本差异在11.86元，蒸发器成本降低约30%。

表6 铜、铝蒸发器中长U管的成本差异

2 铝管蒸发器设计要点

2.1 铝管蒸发器边板选型及设计

传统铜管蒸发器的边板主要使用热镀锌板，其主要材质为铁。而在铝管蒸发器上，由于铁与铝接触时，因铝铁电位差发生电化学反应，会造成铝管腐蚀，严重时甚至发生制冷剂泄漏的情况，因此铝管蒸发器边板设计时应使用与铝属性相同的材料。

空调行业中管翅式铝管换热器中铝管材质一般选用3系Al-Mn合金[8]，因此为防止铝管腐蚀，铝边板的材料通常选用1060纯铝或者3003合金铝，表7所示为GB/T 3190-2008中的1060纯铝和3003合金铝的化学成分对比，其中3003铝合金由于其化学成分中Mn含量较高，且具有更强的耐腐蚀性，以及更优的机械性能，使得在实际使用中，铝管蒸发器的边板材质通常选用3003铝合金。

表7 1060纯铝和3003合金铝的化学成分对比

但是铝材熔点约630°C，铝钎焊料熔点约560°C～580°C，两者差值小，在焊接弯头时容易烧坏边板，因此铝边板的折边需设计成朝向翅片，以此避免过火，同时也降低生产焊接的难度，保证设计质量，铝管蒸发器如图6所示。

图6 铝管蒸发器

2.2 铝管蒸发器流路设计

由于铝管熔点较低的特性，铝管蒸发器设计时不能照搬铜管蒸发器，需要注意如下几点：

（1）排数：铝管蒸发器弯头焊接时采用自动焊接线生产，设计上应尽量保证弯头受热均匀，这样焊接质量才能统一，因此蒸发器的排数推荐两排，最多三排。超过三排时，蒸发器内外侧弯头受热严重不均，容易发生外侧弯头烧毁而内侧弯头焊料还未熔化或者外侧弯头已焊接牢固而内侧弯头焊料仍未熔化的焊接缺陷。

（2）流路：受限于铝管焊接工艺，铝管蒸发器流路设计尽量避免抽管设计，确保弯头焊接时受热均匀，否则抽管位置的弯头容易过热。同时流路设计尽量减少进出挂管数（推荐一进一出），以免手工焊点过多影响生产效率和质量。

（3）管径：由于受铝管耐压性能的影响，相同规格的铝管的壁厚要大于铜管的壁厚，使得其内部容积也小于铜管，因此为保证制冷剂的流通顺畅，铝管管径推荐使用φ7及以上管径，不推荐φ5管径两器。

2.3 铝管蒸发器防腐

铝管在酸度和碱度较高环境下容易被腐蚀，因此在设计上要避免铝管接触到这两类物料。结合售后数据及实验室研究测试，空调常用的海绵在水中会释放酸根离子，在铝管、海绵、水三者长期接触后，铝管容易发生腐蚀，因此在空调设计时需要将铝管与海绵隔离。

2.4 铝管蒸发器铜、铝连接管设计

铜、铝管连接一般采用电阻焊、熔接焊、摩擦焊、钎焊等连接方法。但熔接焊、摩擦焊、钎焊由于焊接工艺的特性，焊接时容易产生气孔等缺陷且同时焊接难度较大。而电阻焊成本低且可靠性较高，因此考虑综合成本、可靠性等因素，优先选用电阻焊工艺。设计铜、铝连接管时，需要考虑如下要点：

（1）铜、铝管需使用管径相同或者铜管管径略小于铝管的规格，以便于铜管插入铝管中实施焊接；

（2）为进一步防漏，铜、铝连接部分需增加热缩套管进行防护，热缩套管距离管口焊点尺寸推荐≥55 mm，以防止二次受热，影响密封效果。

3 结论

本文通过对铜管蒸发器和铝管蒸发器在物理性能、耐压、耐腐蚀和成本等方面进行了综合试验评估。经过试验测试，结果表明：

（1）对比同管径的铜、铝管蒸发器，铝管蒸发器具备空调轻量化发展的基础以及换热效率与铜管蒸发器相近；

（2）从耐压要求上，铝管的壁厚应大于0.5 mm，以满足管壁厚和耐压性能要求；

（3）在使用过程中为减少腐蚀需要避免暴露在强酸或者强碱性环境中，但可通过在蒸发器两端喷涂防腐漆增强其在酸性环境下的防腐能力；

（4）以某出口北美窗机为例验证铝管蒸发器成本相对铜管蒸发器可降低约30%；

（5）通过对铝管蒸发器的边板材料、流路和管路等进行了分析表明，边板材料需避免采用铁，且应采用与铝属性相同的材料，以防止铝铁发生电化学反应；同时由于铝管熔点低的特性以及需满足耐压性能要求，铝管蒸发器排数推荐使用两排、流路则使用一进一出的方式以及管径优选φ7及以上管径。

但国内目前对于铝管蒸发器的相关工艺尚未完全成熟，需在生产中严格控制生产工艺，以保证产品质量，因此后续仍需提升铝管蒸发器制造工艺以提高铝管蒸发器的使用寿命和性能等。