淺談汽車空調(diào)氦檢原理及漏率計算

李俊鋒，謝璐璐

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

淺談汽車空調(diào)氦檢原理及漏率計算

李俊鋒，謝璐璐

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

通過分析氦檢的原理、各種檢漏方式的優(yōu)劣等來說明汽車空調(diào)制造商在生產(chǎn)制造過程中為什么選擇氦檢、如何將氦檢運用到生產(chǎn)實際當(dāng)中，以及詳細(xì)講述汽車氦檢漏率的計算過程、氦檢設(shè)備報警點限值的設(shè)定和設(shè)備的校準(zhǔn)管理等。

汽車空調(diào)；氦檢；漏率計算

0 引言

氦檢是汽車空調(diào)生產(chǎn)制造中一項先進(jìn)的常用的檢漏技術(shù)。為確保汽車空調(diào)的制冷效果和使用壽命，汽車空調(diào)的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)等的檢漏是不可少的。傳統(tǒng)的檢漏方法，如水檢法、鹵素法、肥皂泡法、靜態(tài)升壓法等，由于靈敏度低、使用繁雜、工作強(qiáng)度大等已被高靈敏度、規(guī)范化、效率高的真空檢漏技術(shù)——氦檢所替代并取得理想的效果。

1 氦檢簡要介紹及與不同檢漏技術(shù)的比較

1.1 氦檢簡介

氦質(zhì)譜檢漏儀是根據(jù)質(zhì)譜學(xué)原理，用氦氣作示漏氣體制成的氣密性檢測儀器，由離子源、分析器、收集器、冷陰極電離規(guī)組成的質(zhì)譜室和抽氣系統(tǒng)及電氣部分等組成。質(zhì)譜室里的燈絲發(fā)射出來的電子，在室內(nèi)來回地振蕩，并與室內(nèi)氣體和經(jīng)漏孔進(jìn)入室內(nèi)的氦氣相互碰撞使其電離成正離子，這些氦離子在加速電場作用下進(jìn)入磁場，由于洛倫茲力作用產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，形成圓弧形軌道，改變加速電壓可使不同質(zhì)量的離子通過磁場和接收縫到達(dá)接收極而被檢測。

1.2 不同檢漏技術(shù)的比較

一般情況下，檢漏技術(shù)包含有靜態(tài)升壓法、肥皂泡沫法、水檢氣泡法 和氦檢漏法等等。表1是幾種不同檢漏方法的優(yōu)劣對比。

表1 不同檢漏方法優(yōu)劣比較

氦在空氣中含量極微，僅5×10-6，由于本底低，干擾小，同時氦分子直徑小，質(zhì)量輕，穿透力強(qiáng)并且擴(kuò)散快，有利于對微小泄漏進(jìn)行高精度檢測。而且，氦屬于惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒害，吸附性低，不污染檢測設(shè)備的真空系統(tǒng)，操作安全可靠。另外，它消除了水泡檢漏法檢漏靈敏度低、判斷較為困難、誤判較多的缺點；也消除了鹵素檢漏法易受干擾、維護(hù)費用較高、只能檢測單個漏孔等缺點。反觀氦氣檢漏確有許多優(yōu)點：檢漏靈敏度高、準(zhǔn)確、清潔無腐、不受干擾、顯示直觀明確等。氦充氣回收檢漏系統(tǒng)(以下簡稱氦檢系統(tǒng))在汽車空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器和壓縮機(jī)檢漏上在擁有氦氣檢漏普遍優(yōu)點的同時，更具備操作方便、工作節(jié)拍快、誤判率低等獨有特點。

因此，氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)逐漸得到推廣和重視，成為汽車空調(diào)檢漏測試中不可缺少的一種技術(shù)，

2 氦檢工作原理以及漏率的轉(zhuǎn)換計算

2.1 氦檢工作原理

一般都是采用氦檢漏儀進(jìn)行氦檢，其基本原理就是根據(jù)離子在垂直于磁場平面中運動時不同質(zhì)荷比的離子具有不同的偏轉(zhuǎn)半徑來實現(xiàn)異種離子的分離，對被檢工件抽空后充入一定壓強(qiáng)的氦氣，被檢工件外面是具有一定真空度要求的真空箱，真空箱與氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏口相接。若被檢工件有漏，則漏入真空箱的氦氣可通過氦質(zhì)譜檢漏儀測出。與被檢工件相連的是充氣回收裝置，在檢漏前后分別實現(xiàn)氦氣的充注和回收。

2.2 漏率轉(zhuǎn)換和計算漏率的轉(zhuǎn)換計算

(1)氦檢檢漏儀參數(shù)設(shè)定計算

1g/a的R134A 的泄漏量轉(zhuǎn)換成氣體漏率為7.6×10-7Pa·m3/s，根據(jù)阿伏伽德羅定律：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(壓力p0=1.013 25×105Pa，溫度T0=273 K)，每1 mol氣體的體積均為Vm=22.4 L。 所以，在室溫(T=293 K)下，年泄漏率q(g/a)對應(yīng)的氣體漏率為：Q=p0VmqT/(MtT0) (單位Pa·m3/s)，M為1g R134A分子的體積，壓縮機(jī)的冷媒為R134A，其分子量為102，因此，將1g/a的泄漏率轉(zhuǎn)變成氣體漏率即為：

Q=1.013 25×105×22.4×10-3×1×293/(102×60×60×24×365×273)=7.6×10-7Pa·m3/s

(2)將氣體漏率轉(zhuǎn)換成氦漏率

對于黏滯流，漏率與漏孔兩邊的壓力平方差成正比，與氦濃度成正比。不同氣體的漏率與氣體的黏度系數(shù)成反比。由于檢漏時工件充氦壓力與工作時壓力均為1.5 MPa，因此不用考慮壓力因數(shù)。

所以，1g/a R134A對應(yīng)的氦漏率：

式中：C為充入試件的氦濃度比(%)，純氦氣的理論值，通常設(shè)定為100%；QHe為檢漏儀讀出的氦漏率(Pa·m3/s)；QR134為試件工作時的制冷劑漏率(Pa·m3/s)；ηHe為氦氣的黏度系數(shù)(1.86×10-5Pa·s)；ηR134A為制冷劑R134A的黏度系數(shù)(1.21×10-5Pa·s)；p2、p1分別為試件充氦時的高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力(絕壓)；p4、p3分別為試件工作時，高壓側(cè)壓力和低壓側(cè)壓力(絕壓)。

則1 g/a R134A對應(yīng)的氦漏率：

(3)故N g/a R134A對應(yīng)的氦漏率QN=N×5×10-7Pa·m3/s，若產(chǎn)品要求2 g/a，那么R134A對應(yīng)的氦漏率Q2=2×5×10-7Pa·m3/s=1.0×10-6Pa·m3/s。

3 報警點限值的設(shè)定和氦檢設(shè)備的校準(zhǔn)

3.1 報警點限值的設(shè)定

在日常生產(chǎn)中，通常都會根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)要求以及氦檢設(shè)備的有關(guān)參數(shù)來制定生產(chǎn)工藝過程指導(dǎo)書；或者直接根據(jù)產(chǎn)品來設(shè)定氦檢工位的檢漏值。通常當(dāng)被測樣件超出限值，設(shè)備就會自動報警，閃紅燈進(jìn)行提示。

但是又該如何來設(shè)定這個限值λlim呢？在實際生產(chǎn)中，不僅要考慮氦檢檢漏儀的參數(shù)，還得結(jié)合設(shè)備的分流比K(設(shè)備固有的參數(shù)，由設(shè)備廠家提供)和考慮氦氣使用過程中的濃度值a(可設(shè)定為80%或60%)。假定某設(shè)備的分流比是750，設(shè)定其氦氣控制濃度為80%，故：

λlim=(α/K)·a=(1.0×10-6/750)×80%=1.06×10-8Pa·m3/s式中：α為漏孔漏率。故氦檢檢漏儀參數(shù)應(yīng)設(shè)為: 1×10-8Pa·m3/s

注意：分流比是由于檢漏時檢漏泵組和檢漏儀泵組同時參與了對箱體抽空，所以氦氣一部分被檢漏泵抽走，只有一小部分氦氣流往檢漏儀，這兩部分氣體的比例和泵組的抽速成比例，稱為分壓比/分流比。

3.2 氦檢設(shè)備的校準(zhǔn)

同時，隨著檢漏設(shè)備在生產(chǎn)過程中消耗折損，其準(zhǔn)確度也會有所偏差，如第3.1節(jié)中提及的分流比為750，這個也不是一成不變的，也會隨著設(shè)備的使用或折舊而不停地發(fā)生變化。所以，為了確保檢漏的準(zhǔn)確性，在日常生產(chǎn)過程中，不僅需要加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，也需要定期對設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和確認(rèn)。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)漏孔

首先來了解一下標(biāo)準(zhǔn)漏孔。

標(biāo)準(zhǔn)漏孔包括一被測氣體不可滲透的薄膜及形成于該薄膜內(nèi)預(yù)定數(shù)目的通孔;通孔具有預(yù)定尺寸孔徑，該孔徑范圍為納米級。此處所提到的標(biāo)準(zhǔn)漏孔，由于通孔的形狀標(biāo)準(zhǔn)，尺寸及數(shù)目都可預(yù)定，且孔徑大小達(dá)納米級，因此可用真空科學(xué)的經(jīng)典理論計算直接得出其漏率值，可自定標(biāo);且漏率范圍較寬，可實現(xiàn)超微小漏率的檢測，解決了現(xiàn)有技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)漏孔的漏率必須借助其他設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定、漏率范圍較窄等不足。圖1所示就是常用的標(biāo)準(zhǔn)漏孔之一，上面有壓力指示表、校準(zhǔn)漏孔等，設(shè)備簡易，操作方便。

3.2.2 通過標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)的方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)漏孔壓力和漏率的對照表，通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)漏孔出氣壓力，使之等于產(chǎn)品的氦漏率，若產(chǎn)品要求2g/a，那么R134A對應(yīng)的氦漏率為1.0×10-6Pa·m3/s，那么就可以將標(biāo)準(zhǔn)孔出氣壓力設(shè)定為1.0×10-6Pa·m3/s，再對比標(biāo)準(zhǔn)漏孔曲線圖，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)漏孔壓力調(diào)整至1×105Pa時，標(biāo)準(zhǔn)漏孔的實際漏率即為1.0×10-6Pa·m3/s。

然后，將標(biāo)準(zhǔn)漏孔壓力調(diào)整至1.0×105Pa后，將之置于真空氦檢設(shè)備的真空箱中，分別對3個箱體進(jìn)行5次檢測(原則上，這15個值不得出現(xiàn)離散異常)，取3個箱體的檢測漏率的最小值Qmin為該設(shè)備校準(zhǔn)后的漏率值。這種方法在生產(chǎn)制造工廠中常用，因氦檢設(shè)備和儀器較多，通過比較找到Qmin從而加嚴(yán)所有設(shè)備的工藝控制參數(shù)。

3.2.3 通過標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行絕對校準(zhǔn)方法

另外還有一種比較準(zhǔn)確的絕對校準(zhǔn)方法，參照圖2開展。常用的定容法，即直接測量密封容積V中，因被校準(zhǔn)漏孔漏氣而引起壓力p隨時間t的變化率Q=d(pV)/dt，從而得到被校漏孔的漏率。根據(jù)下面的公式即可計算得到校準(zhǔn)后的漏率值：

QL=(UL/Ur)·Qr

式中：QL為被校準(zhǔn)漏孔的漏率；Qr為供參考漏孔的漏率；Ur為供參考漏孔在氦質(zhì)譜檢漏儀上的指示值；UL為被校準(zhǔn)漏孔在氦質(zhì)譜檢漏儀上的指示值。

這種校準(zhǔn)方法，操作簡單，實效。其校準(zhǔn)精度滿足基層檢漏設(shè)備精度的要求，一般都用這種校準(zhǔn)方式進(jìn)行量值溯源。

4 氦檢在汽車空調(diào)檢漏上的應(yīng)用

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車空調(diào)行業(yè)對氦檢的需求越來越大，對氦檢的性能指標(biāo)要求越來越高。尤其是汽車空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、儲液罐和管路等零部件的檢漏要求和特點，越來越多的汽配制造企業(yè)或工廠在生產(chǎn)過程中采用了不同的氦檢設(shè)備進(jìn)行檢漏測試和質(zhì)量控制。在部件分總成和總成零件的生產(chǎn)線盤都設(shè)置有氦檢工序，并標(biāo)識為關(guān)鍵工序，另外部分企業(yè)在總成包裝發(fā)運前還會再次進(jìn)行檢測確認(rèn)，加強(qiáng)質(zhì)量管控。

圖3為氦檢在生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用，這是在芯體使用氦檢，而圖4則是總成控制的操作界面和參數(shù)監(jiān)控屏幕。在圖4中還能看到在生產(chǎn)過程中常用的氦檢質(zhì)量防錯門，如果在生產(chǎn)過程中檢測漏率超過限值，不僅設(shè)備會自動報警，這個防錯門還要求將其檢測出的故障件放在防錯門下，才能繼續(xù)開展下一件檢漏。這樣就更為有效地做好質(zhì)量管控，做到不傳遞不良品到下游工序。

氦檢在生產(chǎn)運用中的關(guān)鍵控制點和實際運用如下所示：

(1)提高靈敏度

汽車空調(diào)氦檢靈敏度高低主要取決于3個方面：檢漏儀檢測靈敏度、管路殘留氦氣、真空箱本底。針對這3個方面：

首先，在氦檢系統(tǒng)中配置了高精度的檢漏儀，如德國INFICON公司的LDS1000型檢漏儀，該型號檢漏儀最低可檢漏率可達(dá)5×10-12Pa·m3/s，應(yīng)用在汽車空調(diào)上的最低可檢漏率可達(dá)1×10-10Pa·m3/s。而以汽車空調(diào)為例：泄漏量為5g/a對應(yīng)的氦漏率為1×10-8Pa·m3/s，LDS1000型檢漏儀實際最低可檢漏率為1×10-10Pa·m3/s，比合格線漏率高兩個量級，從檢漏儀上保證了檢測靈敏度。

其次，在氦檢系統(tǒng)中，采用大抽速真空泵持續(xù)對管道進(jìn)行抽真空，在系統(tǒng)運行間隙只關(guān)閉閥門，管道內(nèi)的氦氣能夠被迅速抽走，不會影響檢漏靈敏度。

另外，氦檢系統(tǒng)采用拱形方箱，斜角開蓋結(jié)構(gòu)，令上一次檢漏后殘留在真空箱內(nèi)的氦氣在開蓋更換工件時最大程度逸走，而在檢漏過程中，將真空箱抽至10 Pa以下真空，保證檢漏箱本體不會對檢測靈敏度產(chǎn)生影響。

(2)加快檢漏節(jié)拍

為了充分利用系統(tǒng)資源，提高工作效率，加快檢漏節(jié)拍，將氦檢系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，盡量采用通導(dǎo)大、可靠性高的真空閥門和抽速大、性能穩(wěn)定的真空泵。另外，為充分糅合充氦回收和抽空檢漏的時間，在抽件充氦的同時對真空箱抽真空，以達(dá)到節(jié)省時間、加快節(jié)拍的目的。目前實際生產(chǎn)線更多的氦檢系統(tǒng)采用雙真空箱設(shè)計，通過程序自動控制真空泵和閥門的轉(zhuǎn)換，充分利用系統(tǒng)資源。如圖5所示， 有左右兩個檢漏工位，但是一人操控，節(jié)省了人力的同時，更是節(jié)省了等待時間，進(jìn)一步加快節(jié)拍和降低成本。

(3)降低成本

提高氦氣回收率、減少氦氣損耗是降低系統(tǒng)成本的有效措施，氦檢系統(tǒng)從設(shè)備制作過程和運行過程上為用戶節(jié)省成本。在制作上，從理論上保證氦氣回收率，并用傳感器檢測，對于不需要精確顯示氦氣濃度的客戶，不僅保證了氦氣濃度，還節(jié)省了成本；另外，在運行過程中，充氦前對工件充分抽真空，檢漏完畢后，再對工件充分回收，減少了氦氣損耗，降低運行成本。

5 結(jié)束語

真空檢漏技術(shù)為汽車工業(yè)許多零部件的檢漏提供了靈敏可靠的檢測手段，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和真空檢漏技術(shù)的不斷進(jìn)步、氦充氣回收檢漏設(shè)備的不斷更新提高，真空檢漏技術(shù)在汽車工業(yè)以及其他領(lǐng)域泄漏檢測方面已經(jīng)取得的主導(dǎo)地位，將繼續(xù)擴(kuò)大。

【1】GB/T21360 2008 汽車空調(diào)用制冷壓縮機(jī)[S].

Theory of Automobile Air Conditioning Helium-test and Leakage Rate Calculation

LI Junfeng, XIE Lulu
( SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China )

Through analyzing the theory of helium-test，the pros and cons of various kinds of leak detection methods, why automobile air conditioning manufacturers chose helium-test in manufacturing process and how to apply the helium-test in actual production were described. And the leakage rate calculation process,the emergency alarm limit setting for helium leak rate test equipment, equipment calibration management were illustrated.

Automobile air conditioning; Helium-test; Leakage rate calculation

2016-05-11

李俊鋒(1984—)，男，本科，研究方向為汽車零部件檢測，實驗室認(rèn)可，標(biāo)準(zhǔn)化。E-mail：lijunfengguilin@126.com。

U463

B

1674-1986(2016)06-074-04