空调用微通道换热器的可靠性研究进展

何国军

(珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070)

1 引言

微通道换热器是一种基于微通道技术发展起来的高效紧凑式换热器，最早应用于电子产品散热领域，微通道具有尺度效应[1]，面积体积比大，表面作用较强，传热效率较高，这些良好的性能使其应用领域迅速扩大。目前，微通道换热器在制冷领域的应用主要集中在汽车空调方面，同传统的铜管-铝翅片换热器相比，微通道换热器[2]采用全铝结构，具有体积小、成本低、换热效率高等优势，符合低成本高能效空调产品的开发需求，得到空调行业内的普遍关注。尽管微通道换热器具有众多优势，但在家用和商用空调上的推广进度缓慢，只能用于需求量较少的单冷机组，结霜化霜及排水困难等可靠性问题使其很难应用于需求量大的热泵机组。如图1所示，微通道换热器特殊的扁管结构增大了冷凝水与换热器的接触面和接触角，造成排水不畅，且扁管和翅片焊接处的表面粗糙度较大，排水不畅及粗糙表面为结霜创造了条件，而其紧凑的结构形式和较差的排水能力又使得化霜困难，性能衰减严重，同时易出现压缩机回液等问题，系统可靠性降低。此外，铝的腐蚀、焊接等影响微通道换热器可靠性及使用寿命的问题仍未得到有效解决。

图1 微通道换热器结构示意图

为扩大微通道换热器在空调领域的应用范围，加快其推广进度，除了对微通道的传热机理和换热性能进行深入研究外，微通道换热器的应用可靠性也成为行业内的研究热点。现有的可靠性研究可以分为系统可靠性研究、长期可靠性研究和工艺可靠性研究，主要集中在冷凝水排除、结霜化霜、防腐与积灰、加工工艺等方面，本文将对这些方面的研究进展进行总结分析。

2 系统可靠性研究

系统可靠性一般用于评价空调在使用环境中能否正常运行，如在高温工况是否出现高压保护，低温工况是否出现液击等。微通道换热器应用于空调系统时，如果不能针对其特殊的结构形式进行合理设计就会产生某些可靠性问题，其中冷凝水排除和结霜化霜就成为两大应用难点。微通道换热器作为空调的蒸发器使用时会有冷凝水产生，使得空气侧的热阻和风阻增大，并为低温条件下的结霜创造了条件。在低温制冷时，室内机换热器排水不畅，风量降低，换热效果下降，蒸发压力降低，当蒸发温度低于0℃时，换热器表面出现结霜，化霜困难又加剧了系统参数恶化，制冷剂蒸发不完全，使得压缩机回液，出现液击或润滑油稀释而加剧压缩机的磨损。在低温制热时，室外环境温度低于0℃，同样会出现结霜恶化等问题。影响排水及化霜的主要因素有进风状态、换热器结构及制冷剂分配。

Song[3]等通过实验研究了进风湿度和换热器倾角对微通道换热器空气侧热湿特性的影响，研究表明，当倾角大于45度时，倾角会对换热系数产生较大影响；湿工况的压降比干工况增大3%～14%；翅片间距较大时，进风湿度对换热系数和压降的影响较小；适当的倾角有利于排水，在某些情况下(如低风速)开窗片间的冷凝水形成液桥，此时即使增大风速，液桥依然存在。Zhang[4]等对带有平行翅片的微通道换热器的结霜特性进行研究发现，同传统的折弯翅片相比，平行翅片的排水能力更强，更有助于改善结霜。Xia[5]等对三种不同开窗片的微通道换热器进行实验研究发现，结霜使得开窗片出现霜桥，开窗片的缝隙被堵塞，空气流动形式由开窗片间的交叉流动变为通道式的流动，这也是影响换热的主要因素。Kim[6]等通过对两种不同翅片间距和扁管倾角的微通道结构进行研究，认为优化排水和集流管的制冷剂分配可以达到更好的除霜效果。陈小康[2]通过实验研究了微通道蒸发器的结霜过程，实验结果表明，霜通常在温度最低的靠近波纹式翅片表面的扁管开始形成；微通道蒸发器的制冷剂分配不均匀使得表面温度分布不均匀，并引起结霜不均匀；环境温度相对较高时，部分管内的制冷剂不完全蒸发是微通道蒸发器容易结霜的重要因素，并建议通过提高制冷剂分配的均匀性来改善结霜。

水的附着力通常被认为是引起微通道换热器快速结霜的主要因素之一，而Moallem[7]等的研究表明，影响结霜的主要因素并非水的附着力，尽管其对空气侧压降产生影响，但引起霜形成和生长的关键因素是翅片表面温度和翅片几何形状。他们[8]进而对7种不同宽度、高度和间距的翅片进行结霜实验研究，提出能够预测霜层厚度和风速衰减的关联式，并在翅片温度为-11～-5℃时进行验证，其中霜层厚度误差为±17.6%，风速衰减误差为±7.7%；该关联式能够用于计算结霜时的瞬时雷诺数，有助于预测准静态结霜条件下微通道换热器的传热系数。Padhmanabhan[9]等对微通道换热器和翅片管换热器的结霜除霜特性进行对比研究，结果显示，微通道换热器的结霜时间比翅片管换热器缩短50%以上，平均制热能力和系统性能下降；结霜首先发生在翅片和扁管焊接处，除霜后的残存水使得结霜速率加快，使用氮气将残存水排除后的结霜周期增加4%；干表面时的结霜周期比湿表面延长约60%。Padhmanabhan[10]等还建立了微通道换热器的结霜模型，该模型考虑了结霜不均匀所引起的风量重新分布，能够预测霜层厚度和结霜量，通过对不同进液温度条件下微通道换热器的结霜特性进行模拟分析和实验研究，霜层厚度的模拟结果同实验数据相匹配，而忽略风量重新分布的模拟结果将产生较大误差；研究结果还表明，表面温度越低结霜越快，换热器结霜时的性能几乎呈线性衰减，且表面温度越低，衰减速率越大。

由此可见，改善排水和除霜可从风速、换热器或扁管倾角、翅片几何参数、制冷剂分配等方面进行设计，并可借助可视化、仿真等技术进行辅助优化。

3 长期可靠性研究

长期可靠性一般用于评价空调的使用寿命，空调的使用环境复杂多变，恶劣的环境除了会对系统运行参数产生影响外，也会降低空调各部件的性能和寿命，如出现磨损、腐蚀等。换热器作为关键部件之一，其长期可靠性对整机寿命有重要影响。微通道换热器采用全铝结构，所面临的铝腐蚀问题成为制约其应用推广的重要原因之一，紧凑的结构形式容易积灰且不易清洗，除对空调性能产生影响外，还为细菌滋生及腐蚀提供条件，同时加剧了售后保养维护的困难程度，故微通道换热器的长期可靠性问题也引起行业内的关注。

丁汉新[11]等采用微通道换热器和铜管-铝翅片换热器进行了腐蚀实验，前者的实验时间约为7000h，后者的实验时间约为1000h，通过对比两种换热器的腐蚀情况发现，相比铜铝翅片换热器，微通道换热器具有良好的抗电化学腐蚀的性能，微通道换热器中集流管、扁管及翅片采用铝合金及配合一定的涂层,极大地降低了电位腐蚀的速率。何国军[12]在对平行流换热器进行1200h单体腐蚀实验后发现，换热器的翅片与扁管焊接处出现发黑现象，但氦检并未泄漏，可以应用于普通空调产品，但同时指出，在海盐离子浓度较高的环境中，仍存在翅片腐蚀粉化的现象，有必要对换热器进行整体防腐处理。Bell[13]等对比研究了ASHPAE标准粉尘和Arizona Road实验粉尘对微通道换热器空气侧压降和传热性能的影响，结果表明，ASHPAE标准粉尘会对压降产生较大影响，1612.5g/m2的粉尘会使压降增大200%；而Arizona Road实验粉尘并未使压降增大，但却使传热量降低10%；此外，在粉尘结垢过程中，开窗片的翅片间距小于2.0 mm时更易积灰。

目前，针对微通道换热器腐蚀及积灰等长期可靠性运行的研究资料还比较少，铝合金材料对扁管基材耐腐蚀性的影响，换热器整体喷涂处理对换热性能的影响，翅片结构对积灰的影响等问题仍是值得深入研究的内容。

4 工艺可靠性研究

传统的翅片管换热器加工方便，工艺成熟，而微通道换热器的结构完全不同于翅片管换热器，生产设备和加工工艺都发生很大变化。现阶段，空调用微通道换热器的生产加工仍不成熟，因焊点承压能力差产生的爆破泄漏或因焊接破坏表面涂层引起的腐蚀泄漏等现象普遍存在，为加快微通道换热器的推广进度，其工艺可靠性问题亟待解决。

Zhao[14]等对微通道换热器的焊接进行了较全面的研究，认为焊接条件的控制和焊接位置的设计是换热器加工的关键。他们[15]还对微通道换热器焊接过程中的焊料熔化流动及成型现象进行可视化研究，观察发现，在扁管和集流管的焊接过程中，熔化的金属液体很可能会在表面张力的作用下流入微通道，从而堵塞制冷剂通道；此外，还讨论了液态金属流动的理论模型，认为利用现代仿真技术能够很好的辅助焊接设计和选择焊接材料。包振球[16]等对平行流换热器最容易出现疲劳断裂的原因进行了分析，发现内部压力和热应力会造成疲劳破坏，指出在设计平行流换热器的集气管时，应尽量增加壁厚，选用小管径可以减小圆周应力；支架与集气管间的接触部位应留有足够的接触面积以改善该部位的散热能力和热应力，为防止应力集中，支架和集气管间应采用圆角过度。郭艳[17]对多元平行流式冷凝器炉中钎焊工艺进行了仿真建模和实验研究，分析发现，冷凝器在炉中钎焊过程中，扁管与翅片升温速率和降温速率均大于集流管与扁管；加热阶段，扁管与翅片的钎焊峰值温度和保温时间均高于集流管与扁管，集流管与扁管的钎焊接头是冷凝器炉中钎焊的薄弱环节；研究认为采用有限元软件进行工艺指导不仅是可行的，还可以提高生产效率和产品质量。

以上研究指出微通道扁管与集流管的焊接工艺是需要重点关注的地方，操作不当可能会造成微通道焊堵，影响制冷剂的分流，而该问题是隐蔽性的，除了采用破坏性的解剖，否则很难被发现，该位置的焊接质量还可能引起腐蚀泄漏，故在实际生产中应对此进行可靠控制。

5 总结

本文通过对微通道换热器应用于空调时的系统可靠性、长期可靠性和工艺可靠性的研究成果进行分析，总结了冷凝水排除、结霜化霜、防腐与积灰、加工工艺等方面存在的主要问题和研究进展，这对提高微通道换热器的可靠性具有重要的指导意义。为进一步加快微通道换热器在空调领域的应用推广，今后的可靠性研究方向包括：

(1)除了从风速、换热器或扁管倾角、翅片几何参数、制冷剂分配等方面来改善排水和除霜外，还可从控制逻辑方面进行优化，特别是对于变频空调，在低温工况下适当调节压缩机频率、电子膨胀阀开度、风机转速等，以提高蒸发温度，减少凝露和结霜。

(2)尽管微通道换热器抗电化学腐蚀的能力优于铜管-铝翅片换热器，但基材选择不当、焊接破坏涂层等问题使得腐蚀失效依然存在，故需对此进行深入研究。此外，耐腐蚀性设计标准和检验标准的制定、除尘清洗工艺的改进等也将有助于微通道换热器的应用推广。

(3)微通道换热器扁管和集流管的焊堵、焊漏问题已得到关注，但为了提供耐腐蚀性，扁管一般都喷有保护涂层，如电弧喷锌等，此时焊接扁管和翅片时会引起焊点周围的锌浓度分布发生变化，从而降低扁管的耐腐蚀性，这种因焊接造成腐蚀泄漏也普遍存在，故同样需要对扁管和翅片的焊接工艺进行研究。

(4)借助理论模型和仿真技术可以对微通道换热器的制冷剂分配、结霜、焊接等问题进行辅助指导和优化设计，并能够提高换热器质量,模拟仿真技术通用化也是非常必要的研究内容之一。

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