Tal como dices la forma correcta de hacer la descarga no sería a través de un ajax, tienes que redirigir a la función en php que va a encargarse de la descarga del documento:
$('#export').click(function(){
var from_date = $('#from_date').val();
var to_date = $('#to_date').val();
var numero_serie = $('#numero_serie').val();
document.location.href = 'export.php'+
'?from_date='+JSON.stringify(from_date)+
'&to_date='+JSON.stringify(to_date)+
'&numero_serie='+numero_serie;
});
El código en PHP te quedaría mas o menos así:
<?php
if(isset($_GET["from_date"],$_GET["to_date"],$_GET["numero_serie"])) {
$from_date = json_decode($_GET["from_date"]);
$to_date = json_decode($_GET["to_date"]);
$numero_serie = $_GET["numero_serie"];
$connect = mysqli_connect("localhost:3306","usuario","password","bd");
$query="SELECT * FROM tabla WHERE fecha_reg BETWEEN '".$from_date."' AND '".$to_date."' AND numero_serie = '".$numero_serie."'";
$result = mysqli_query($connect, $query);
$output = fopen('php://output','w');
fputcsv($output, array('Fecha', 'Hora', 'WA', 'Estado', 'Numero_serie'));
while($row = mysqli_fetch_assoc($result))
fputcsv($output, $row, ";");
fclose($output);
$filename = date('Ymd').'-'.$numero_serie.'.csv';
header('Content-Type: text/csv; charset=utf-8');
header('Content-Disposition: attachment; filename='.$filename);
print($output);
}
?>
Coméntame si te funciona. Según mi propia experiencia el nombre del archivo no debe tener demasiados caracteres ya que puede que no se te descargue.