极具前景的胶粘剂连接技术，适用于住宅及商业暖通空调与制冷应用

《International Journal of Refrigeration》：Promising adhesive-based joining technology for residential and commercial HVAC&R applications

　　

摘要

与传统的供热系统相比，蒸气压缩技术提供了更节能的加热方法。蒸气压缩系统不仅能减少碳排放，还能通过优化供冷和供热过程中的电力消耗来降低公用事业费用。这些技术的整体成本效益受系统设计、安装质量和所使用的热交换器类型等因素的影响。由于热交换器的制造过程能耗巨大，它们在暖通空调（HVAC&R）和制冷系统成本中占据了相当大的比例。本研究报道了一种住宅级蒸气压缩系统中胶接热交换器的实验结果。利用一种先进的环氧树脂胶粘剂构建具有良好粘接强度的热交换器接头，以探索其在创建耐用连接的同时减少制冷剂泄漏发生的可能性。通过以下两种方法评估了该连接材料和技术的化学相容性和材料稳定性：（1）采用ASHRAE标准97密封玻璃管测试，确定胶粘剂粘合的金属试片的化学稳定性；（2）对住宅级蒸气压缩系统进行热循环和田地机组评估。在装有R-410A制冷剂的蒸气压缩系统进行严苛测试中，胶粘剂接头表现出良好的振动和热疲劳抗性，在涵盖多种热循环环境条件下，即使蒸气压缩机组经历多达125,000次循环（相当于系统5年的使用寿命），也未观察到任何退化或失效迹象。

引言

蒸气压缩系统在为建筑提供更可靠、更节能的供热和供冷替代方案方面发挥着关键作用（Congedo等人，2023年；Gaur等人，2021年）。与主要依赖化石燃料的传统供热系统不同，蒸气压缩系统通过将一个位置的 heat 转移到另一个位置来运行，使用电力作为主要能源。

基于蒸气压缩系统的HVAC&R设备依赖一系列核心组件来运行，主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀（Huang等人，2023年）。冷凝器和蒸发器热交换器促进两种流体（热能来源和汇）之间的 heat 传递，实现热能的高效交换。在蒸气压缩系统的背景下，这一过程对于从低温热源（如室外空气或地面）提取热能并将其转移到较高温度的空间以供取暖至关重要（Kim等人，2011年）。这种高效的热量交换对于热泵系统的整体能效至关重要，使热交换器成为维持其最佳性能和增强其耐久性的关键元件。HVAC&R系统的基本组件通过制冷剂管路无缝连接，这些管路主要由铜管制成。建立这些连接的一种关键方法是钎焊，这是一种能耗巨大、热驱动的过程（如图1所示），需要在受控气氛的炉中进行。在钎焊过程中，填充金属被加热至熔点以上，并通过毛细作用在紧密配合的部件之间扩散（Anand，2021年）。冷却后，填充材料固化，形成耐用且牢固的接头。钎焊在HVAC&R系统中的热交换器中尤为重要，因为接头通常由异种金属组成，包括铝和铜。钎焊的通用性使其能够有效连接这些不同的材料，成为暖通空调和制冷（HVAC&R）行业的基本技术。此外，该过程不仅限于手动应用，还可以无缝集成到自动化生产线中。由于这种适应性，钎焊已成为大规模连续生产HVAC&R制造设施中的主要制造方法。

钎焊在HVAC&R制造过程中的广泛应用具有几个固有的优势（Jacobson和Humpston，2005年）：

1）均匀的热量分布：钎焊确保管道周围均匀分布热量，显著减少了变形的可能性。这一特性对于保持组件的结构完整性和系统的高效功能至关重要。

2）基础金属的完整性：钎焊的一个独特特征是仅填充材料熔化，基础管材材料不受影响（也许更好的术语是——材料在钎焊过程后恢复到焊接前的同一状态）。这一特性确保了精密公差得以维持，这对于HVAC&R系统的耐久性至关重要。

3）适合大规模生产（Schwartz，2003年）：钎焊与自动化系统的兼容性使其成为大规模生产的优选方法。在热交换器制造等工艺中，自动钎焊确保了快速且一致的组装。这种速度和精度还延伸到系统总装线上，其中钎焊在效率方面超过了其他焊接或连接技术。

钎焊能够创建耐用接头、其对不同材料的灵活性以及对手动和自动化应用的适应性，使其成为HVAC&R制造行业中不可或缺的技术。然而，铝部件的钎焊引入了一系列挑战。一个主要问题是可能将污染物引入系统中，特别是如果表面在钎焊前未彻底清洁，导致接头完整性受损或系统故障（Allen，2009年）。实现最佳钎焊温度也是至关重要的；过热会降解基础金属或钎焊填充剂，而热量不足则可能导致接头强度薄弱。使用不合格的填充材料会进一步削弱接头强度。在自动化操作中，钎焊设备的精确校准和严格维护对于获得一致结果至关重要。此外，钎焊可能导致后钎焊过程中的相容性问题，例如涂层。此外，铝的保护氧化层虽然有利于防腐蚀，却是钎焊的主要障碍，需要专用的助焊剂或气氛来促进有效的连接。铝的另一个复杂因素是电偶腐蚀的风险，特别是当铝在HVAC&R系统中与异种金属接触时（Olandria等人，2023年），需要谨慎的材料配对和绝缘策略。此外，铝的熔点与其钎焊填充剂之间的温度差很窄，这进一步增加了对过程的敏感性。随着铝在HVAC&R行业中的日益采用，对可靠技术解决方案的需求日益增长。

一种有前景的替代方案是使用结构胶粘剂材料，与钎焊相比，可以在低得多的温度下对表面进行热键合。胶粘剂连接涉及使用设计用于粘附表面的物质将材料结合在一起。由于该技术的可靠性已在汽车（Banea等人，2018年）、电子和海洋等行业中得到证实，其应用在这些领域不断增加（Machado等人，2018年；Marques等人，2015年）。然而，其在HVAC&R行业的采用仍然有限（Liu等人，2022年），尤其是在金属管粘合方面。对于HVAC&R行业，胶粘剂连接提供了几个显著的优点（Goetzler等人，2015年）：

1）与焊接或钎焊接头相比，胶粘剂接头提供更为均匀的应力分布，通过减少局部应力集中区域。例如，在焊接或钎焊管接头中，由于几何形状的突然转变、残余热应力以及高温加工过程中引入的局部冶金变化，应力集中可能出现在焊缝根部或热影响区附近。在循环压力或热载荷下，这些区域可能成为疲劳裂纹的起始点。相比之下，胶粘剂接头将施加的载荷更均匀地分布在粘合界面上，降低了峰值应力，并可能提高接头的耐久性。

2）与钎焊相比，在室温或显著较低温度下固化的胶粘剂减少了对额外加热的要求，从而节约能源并降低成本（Liu等人，2023年）。

3）胶粘剂连接方法可能不需要复杂的接头设计，也不需要定制配件和工具，从而可能实现更精简、更经济的系统。胶粘剂连接方法可能不需要复杂的接头设计，也不需要定制配件和工具。例如，传统的钎焊或机械连接的管系统通常需要对管端进行胀形、使用重叠套筒、钎焊插套、填充金属或带有专用安装工具的压缩接头，以实现适当的对齐和密封。相比之下，胶粘剂连接可以直接粘合普通管表面，只需最少的接头准备工作，从而实现更精简、更经济的组装过程。

4）胶粘剂连接，特别是当它提供电气绝缘时，可以通过允许不同材料的粘合来防止金属部件的电偶腐蚀。

5）经过适当的填充和固化后，胶粘剂在表面之间创建耐用且密封防漏的密封层，确保对高压气体或液体的容纳。

此外，减少HVAC&R设备的制冷剂泄漏有可能提高全生命周期的运行效率，降低运行成本，并解决安全问题，特别是随着行业转向轻度可燃的替代制冷剂。现有的钎焊过程可以被结构胶粘剂所取代，它可以粘合Al-Al、Al-Cu和Cu-Cu，并有可能减少制造成本、能耗和泄漏。此外，当钎焊异种金属（Al-Cu）时通常会发生电偶腐蚀，将不再是问题，因为胶粘剂粘合层充当了绝缘层。

鉴于蒸气压缩系统在实现低成本、高可靠性和减少维护方面的重要性，对高效、经济且耐用的接头制造方法的迫切需求，以及胶粘剂在HVAC接头应用方面研究的缺乏，进行了一项对结构胶粘剂材料使用的全面调查。

AHS-2084环氧树脂是在工业开发合作伙伴进行的内部工程筛选后选定的，因为它展示了铝对铝粘接强度、循环载荷下的疲劳抗性、与POE润滑剂和现代制冷剂的化学相容性以及长期环境耐久性的最有利组合。由于胶粘剂配方和详细筛选方法属于制造商的专有信息，无法公开披露进一步的配方细节。

粘合过程要求彻底的表面清洁以去除污染物，然后均匀涂覆胶粘剂并进行适当的固化时间。

本研究的目标是确定适用于胶粘剂材料和HVAC系统运行的适当资质和测试标准方法。本文提供的工作详述了所使用的测试方法和适用标准。全尺寸住宅HVAC系统的实验室和田地评估测试结果，以及接头稳定性和相容性测试结果，被提供以验证胶粘剂连接技术的适用性。

节选片段

方法/方法论

本研究报道的所有测试中均采用了AHS-2084环氧树脂胶粘剂（由3M制造）。所有热交换器接头均在148.9°C（300°F）下固化30分钟，代表了选定的实验室基准固化时间表，以确保环氧树脂完全交联和可重复的原型制造。这些固化条件是专门为实验室验证而选择的，不一定代表优化后的制造过程。未来的工业实施可能

相容性测试结果

18个玻璃管中总共18个金属试片的测试矩阵详细列于表1。根据ASHRAE标准97，选择铝（Al）、铜（Cu）和铁（Fe），因为这些金属由于其热学和力学性能而在HVAC系统组件中广泛使用。铁被纳入密封管测试中，以评估材料在腐蚀条件下的性能，超出了标准HVAC测试要求，提供了关于材料在各种条件下的耐久性的更广泛见解。

结论

本文详细报道了一项关于胶粘剂粘合在热泵系统热交换器中应用时制冷剂相容性和耐久性的实验研究，特别是使用R-410A制冷剂的系统。根据本研究的实验结果，胶粘剂粘合代表了热交换器制造中传统钎焊的一种有前景的、具有成本效益的替代方案，也可能适用于维修应用。根据ASHRAE 97测试结果，

CRediT作者贡献声明

Vishaldeep Sharma：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，监督，项目管理，调查研究，形式化分析。Praveen Cheekatamarla：撰写——审阅与编辑，形式化分析。Junjie Luo：数据整理。Tony Gehl：软件，数据整理。Dennis Ngo：调查研究。Eric Amann：调查研究。Pradeep Kodumuri：调查研究。Eli Beard：调查研究。Andy Poslinski：调查研究。Patrick Geoghegan：概念化。

Vishaldeep Sharma | Praveen Cheekatamarla | Junjie Luo | Tony Gehl | Dennis Ngo | Eric Amann | Pradeep Kodumuri | Eli Beard | Andy Poslinski | Patrick Geoghegan