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铜包铝空调连接管的研发与应用
江苏兴荣高新科技股份有限公司 田福生

摘要：本文全面介绍了兴荣高科自主创新的专利产品—铜包铝空调连接管的研发过程。该新产品为外铜内铝结构，铜铝间实现了原子间金属键结合，具有与铜管相近的技术性能指标，是到目前为止空调连接用铜管的最佳替代产品。文中对现在市场上的几种常见空调连接管进行了对比。多家空调器厂应用结果表明：该产品使用中与铜管无差异，但比使用铜管降低管材采购成本40%左右。
关键词： 空调 连接管 铜包铝管 双金属管

一、研发背景
在空调安装时，内外机的连接通常是采用铜管两端套接铜螺母，铜螺母再与内外机的铜阀体或铜接头啮合，进而将室内外机连接起来。在应用的过程中，铜虽然具有良好的耐腐蚀性、导热性和良好的机械性能，但铜的成本较高、比重大，相同规格相同长度的铜管与铝及铝合金管相比，成本高6～9倍。我国为铜资源贫乏的国家，因此，人们不断地试图采用铝及铝合金管来替代铜管。但是若采用铝及铝合金管来替代铜管首先遇到的难题就是铜连接螺母与铝及铝合金管之间会产生电化学腐蚀，从而造成接头处腐蚀、泄漏，严重影响空调器的寿命和使用性能，为此人们又对整个铝及铝合金管的结构进行了改进，如国家知识产权局分别于2003年11月5日授权公告的CN2584995Y和2005年7月6日授权公告的CN2708156Y，名称分别为“一种用于空调室内外机的连接管”和“用于空调器室内外机的接管”的实用新型专利，均公开了一种在铝管或铝合金管的两端焊接有铜管接头或铜连接管段，并且在铝管或铝合金管与铜管焊接处设置绝缘和防腐作用的涂层。这样由于中间部分是铝管或铝合金管既可以降低铜的消耗量，又可以解决现有技术中铜铝接头处的电化学腐蚀问题。但是以上的改进在实际使用中仍然存在缺陷，连接管的铜铝接头处需要焊接、防腐处理，尤其是管径较大时焊接工艺不稳定导致质量不稳定。同时在空调器安装时恰好在铜铝接头处要进行弯曲，安装工不熟练或稍有不慎就造成接头泄漏。

图1 铜接头铝管 图2彩色铝合金空调连接管
为此，人们仍然在不断探索，试图找到更合理的结构以克服上述缺陷，其中国家知识产权局于2003年5月7日公开的CN2549297Y，名称为“一种用于铝连接管的连接装置”的实用新型专利，使用铝合金螺母代替铜螺母与铜连接头相啮合连接，在这篇专利中公开的用于铝连接管的连接装置包括铝合金连接管螺母、室外机铜接头、铝连接管以及铜接头表面覆盖的防腐蚀层。这一专利虽然实现了用铝螺母代替铜螺母与铜接头连接，但因防止电化学腐蚀采用的是在铜接头表面覆盖防腐层，仍然存在很大缺陷，一方面由于聚四氟乙烯等防腐层具有较低的分子内聚力和表面能，涂装时要对连接件进行前期处理（包括除油、干燥、喷沙打磨），以提高涂层与铜金属表面结合力，工艺复杂、结合不牢固；另一方面，在螺母受紧固或更换时，铜接头的防腐层很容易破裂，失去防腐蚀的特性而造成泄露的发生。此外，国家知识产权局于2001年7月18日公开的CN1304005A，名称为“分体式空调器用截止阀”的发明专利申请，公开了截止阀的阀体、密封帽、连接管和连接螺母的材料均为铝及铝合金材料，试图将铜接头或者铜阀座全部用铝及铝合金代替，以便与铝及铝合金螺母连接以彻底解决电化学腐蚀问题，且可以节省大量铜以降低成本。但是，在实际使用中这样方案效果并不好，因为铝的防腐性不如铜，造成阀体、连接处长期使用很容易发生泄露，难以达到空调、冰箱等产品超过十年使用寿命的要求；而且铝的机械性能不如铜，往往也造成连接处密封达不到要求而泄漏，均严重影响了空调、冰箱的使用，因此实际中人们仍然使用铜接头或铜阀座。而国家知识产权局于2003年11月5日公开的CN2585000Y，名称为“空调铝连机管”的实用新型专利，是将铝连接管内外壁表面均设有保护层膜，即在铝管或铝合金管的外部设有工程塑料或氧化铝镀膜作为保护层，试图解决连接处电化学腐蚀和铝的耐腐蚀不如铜的缺陷，但是因为该连接管中运行的是具有压力的冷或热介质，极易造成工程塑料等保护层变脆，从而不能有效起到保护作用，影响空调、冰箱等的使用。
江苏兴荣高新科技股份有限公司从2007年起推出了一种全新的、全铝合金的空调连接管，名称为彩色铝合金空调连接管（CAT管），成本非常低，使用效果也很不错。所研发的连接装置，包括连接管连接管两端的连接螺母，主要特征是：高强度铝合金螺母和防锈铝合金管表面带有20微米厚电绝缘层和防腐层。其中铝合金螺母的强度与黄铜相当，其抗拉强度为440MPa，可以保证连接的牢固程度。彩色铝合金空调连接管有以下优点和特点：
1、由于彩色铝合金空调连接管表面具有电绝缘层，避免了铝螺母与铜截止阀体的连接面上产生铜－铝电偶发生电化学腐蚀，有效地防止了接头发生泄露事故。有效地保证空调和冰箱等产品十年使用寿命的要求。
2、用铝合金管和高强铝合金螺母代替原来使用的铜管和铜螺母，减少铜的使用量，有效节约铜资源，极大地降低原材料费用和生产成本。而且由于铝比仅为铜比重1/3，使得整体连接装置的重量减轻60%以上。
3、由于绝缘、防腐层是生长在铝合金管和铝合金螺母的基体上，与铝合金基体本身成为一体。铝合金螺母在紧固过程中，其电绝缘层不会产生破裂、不破坏绝缘性。
4、考虑到安装后,铝合金管的喇叭口会出现拉伸变形现象。整机在制热运行过程中会出现轻微的振动,为确保使用寿命，将铝合金管的壁厚在原来铜管的基础上加厚30%以上，同时材质采用强度比纯铝高60%的3003防锈铝合金制造。

图3 彩色铝合金空调连接管盘管图
4彩色铝合金空调连接管在进行盐雾试验

该产品经数十个空调器厂试用，效果和铜管相当，被认为是几年后的主流产品，目前仍在推广中虽然实际使用效果不差，但人们对其全铝合金结构还有些担心，还要经受时间的考验。
从以上人们的努力可以看出，空调连接管的铜替代研发已经取得了一定的成果，但到目前仍然还有近80%新制造的空调还是采用铜质连接管，还没有从根本上解决问题。看来还要研发性能与铜管一样甚至超过铜管，同时其制造成本还能大幅降低的产品才能真正在空调的连接管上实现铜替代或减量替代。

二、研究内容及产品特点
为解决现有技术的不足，针对用户及市场上的需求，要研发提供一种结构简单、使用方便、可高效安装、成本低、可替代铜管的空调连接管总成。兴荣高科从2005年开始成立专门课题组从事这方面的研究。
研发思路与工艺路线：
兴荣高科在2005年首先研发成功了外铝内铜的铜铝复合管（ACC管），随后的三年中在空调两器上进行了推广，目前已经在近30万台空调和移动空调上得到了成功的应用。ACC管的生产方法获得了国家发明专利授权。
根据市场对空调连接管采用替代产品的需求，我们认为采用铜包铝管的结构可以满足空调对连接管的各项要求，但前提是铜铝间必须是冶金结合的。
经过近3年的研发，兴荣高科在成功研发了ACC管的基础上又研发成功了一种铜包铝管，其制造方法与铜铝复合管（ACC管）非常相似，我们称其为CCA管。它是一种铜铝间冶金结合的外铜内铝结构的铜铝复合管。其外侧为无氧铜，内侧为3003防锈铝合金，铜铝层间实现了原子间金属键结合在用于空调连接管时，实际使用中与铜管无差异，为目前中国使用量近10万吨/年的空调铜连接管的替代开辟了一条新的途径。
与市场上所流行的铜接头铝管替代铜管用于空调连接管不同，兴荣高科所开发铜铝复合管（外铜内铝型）是一种完全可以让空调厂和消费者都放心的产品。它具有以下一些特点和优点，几乎与铜管没有区别，但成本却降低很多。它具有以下一些特点和优点：
（一）、机械性能与结构
1、该管材的抗拉强度为150～190 MPa，延伸率35%～40%；耐压15MPa以上。其独特的双层结构具有超强的抗爆破能力，使用更安全、可靠。
2、管材为一体化材料，铜铝间无法分开，可象铜管一样弯曲、扩口，柔软度与铜管相同。
3、管材断面铜铝重量比为60/40，比重为4.3，管材外径、壁厚、规格与原铜管相同。
4、特有的双层结构使其抗振动疲劳强度为铜管的两倍。
（二）、用于空调连接管所具有的特点
5、可以根据空调安装现场的需要任意截成最合适的长度：实际使用中，空调连接管越短越好，可以最大限度地避免制冷剂的冷量浪费而节能。而铜铝焊接管一旦管材过长就只有盘起来背在外机上，影响美观，也造成能量的浪费。
6、可以象铜管一样任意接长：连接管需要接长时，可以将铜管进行扩口处理，将铜包铝管插入铜管的杯口中，杯口深度为管材的外径，采用锡基钎料进行火焰焊接。
7、与截止阀的连接仍然用黄铜螺母，外侧的铜管与之配合不会产生电化学腐蚀。通过500小时盐雾试验无任何腐蚀。
8、采用了双层金属加冶金结合层的三层结构。由于铜管和铝合金管中的缺陷几乎不可能在同一部位出现，相对于单体铜管、铝管、铝合金管其抗渗漏性能极佳，抗爆破强度提高。
9、由于内侧的铝合金相对铜比较软，在与空调截止阀连接时可以比铜管获得较大的接触面积达到更好的密封效果。
10、由于铝的导热系数仅为铜的60%，用于连接管时其保温效果比铜管好。
（三）、其他特点
11、与铜管相比可以节约大约35%的采购成本。
12、非常适用于制造蒸发器，能获得非常好的换热效果。
13、可以制造铜包铝小弯头与空调的ACC管两器配套，φ7×0.5的小弯头耐压达到18MPa。
14、适合制造空调的排气管和回气管替代相应的铜管。
15、双金属空调连接管是兴荣高科的一种专利产品，目前全球只有兴荣高科独家生产。

图5铜包铝空调连接管总成 图6 铜铝结合层结构与尺寸
兴荣高科在研发成功铜包铝管达的同时研发成功了全套铜包铝管生产线的装备，并已投入批量化生产。可以满足市场对这种新型管材的需求。

三、目前空调市场上几种常见连接管的对比
目前在使用在空调上的连接管大体分为以下几种：
1、铜管
2、铜接头铝管或铜铝焊接管（铝管两端加焊一段铜管）
3、铜包头铝管（铝管两端包覆铜帽）
4、铜包铝管（CCA管，铜铝间为冶金结合一体化的新型管材）
5、彩色铝合金空调连接管（CAT管，一种全铝合金的结构，其螺母也为表面绝缘的高强度铝合金。）
6、铝包铜管（ACC管，一种外铝内铜的机构，铜铝间为冶金结合一体化的新型管材，更适合用于空调两器。）
7、铝合金管（是一种无阳极氧化层的CAT管）
8、铜接头钢管（钢管两端加焊一段铜管）
以上各种连接管中，铜管依然占据市场份额的80%以上，铜接头铝管占据15%多，其他形式的连接管占5%左右。据空调业内专家分析，铜包铝空调连接管在几年后是最有可能替代铜管成为主流产品的品种。
几种空调连接管特点的对比表
序号
不同之处
铜连接管
铜接头铝管
彩色铝合金管
铜包铝空调连接管
1
管体
铜管
铜管+纯铝管
铝合金管
铜-铝合金复合体
2
管表面
铜表面
热缩管
阳极氧化防腐层
完整的铜表面
3
螺母
黄铜螺母
黄铜螺母
高强度铝合金螺母
黄铜螺母
4
管体接长方式
磷铜硬钎焊焊接
磷铜硬钎焊焊接
非焊接的扩口连接或铝钎焊。
锡基软钎焊和非焊接的扩口连接
5
安全性
安全
铜铝接头存在隐患
安全
安全
6
供货方式
盘管、蚊香盘
定尺直管
盘管、蚊香盘
盘管、蚊香盘、定尺直管
7
价格
100%
铜管价格的50%
铜管价格的30%
铜管价格的60%左右

四、铜包铝空调连接管应用前景展望
在我国，铜为稀缺资源和战略物资，而铝的储量却相对丰富。由于中国对铜的需求量逐年上升，使得国际上铜价自2003年来一直攀升，到2008年创出新高到8800美圆/吨，近三年来一直运行在高位。2008年9月份铜的现货价为5.7万元／吨，而铝仅为1.7万元／吨。铜密度约为8.9g/cm3，铝的密度为2.7 g/cm3，即相同规格的铜管和铝管相比，同样长度，后者是前者重量的30％。而铝的价格是铜的30%，两者相乘，采用铝所花费的原料成本仅为铜的9%，因此以铝代铜成本降低很多。相信这对还在用铜管做连接管的空调规模生产厂具有很大的诱惑力，毕竟这种管材用在空调上与铜管的效果是相同的。专家们预计在未来3年内，铜包铝空调连接管将逐步扩大其所占市场份额到30%左右。

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