翅片式換熱器檢漏工藝及其自動化研究

摘 要：通過對空調(diào)部件翅片式換熱器制造工藝的介紹以及對其制造過程中檢漏工藝方法參數(shù)的分析、計算以及制造裝備的設(shè)計，確定出翅片式換熱器檢漏工藝使用真空箱氦檢法，可以高效、精確地進(jìn)行檢測;同時將其與自動化生產(chǎn)方式進(jìn)行關(guān)系研究，探索兩者之間的依賴關(guān)系，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化。

關(guān)鍵詞：翅片式換熱器;檢漏;氣密性檢測;真空箱氦檢;自動化

0 引言

隨著人們生活水平以及對生活質(zhì)量要求的不斷提高，空調(diào)已經(jīng)成為千家萬戶必不可少的一種生活電器。同時，隨著信息化的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對工業(yè)空調(diào)的需求也有了突飛猛進(jìn)的增長。近十年間，我國已經(jīng)成為全球最大的空調(diào)生產(chǎn)國。空調(diào)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、冷凝器四大核心零部件組成，通過系統(tǒng)管路、控制閥門等連接起來。翅片式換熱器是空冷式蒸發(fā)器及冷凝器的主要形式之一，其制造水平對空調(diào)能效比起到重要作用，而泄漏是空調(diào)的一種常見故障，導(dǎo)致泄漏故障的主要因素集中在管路焊接與換熱器制造環(huán)節(jié)，焊接泄漏會導(dǎo)致產(chǎn)品氣密性下降，所以翅片式換熱器整體的氣密性檢測成為空調(diào)生產(chǎn)制造過程中的重中之重，其工藝方法是保障整個換熱器質(zhì)量的基礎(chǔ)，此工序的精確性、穩(wěn)定性、自動化程度將直接影響整個產(chǎn)品的制造能力與水平。

1 翅片式換熱器常見檢漏工藝及方法

翅片式換熱器是在制冷系統(tǒng)中通過吸熱使制冷劑液體汽化的部件，由翅片、管簇、側(cè)板、分液器、集管和毛細(xì)管組成[1]，熱泵運行時作風(fēng)冷冷凝器。翅片按規(guī)定的片距套入管簇，用脹管法使管簇緊密結(jié)合。在生產(chǎn)制造過程中，需要經(jīng)過沖片、彎管、裝配、脹管、烘干、管路裝配焊接、檢漏7道工序，檢漏工序作為最后一道工序是驗證產(chǎn)品制造質(zhì)量的關(guān)鍵。翅片式換熱器通用的檢漏工藝方法根據(jù)被測工件內(nèi)壓力特性，可分為充壓檢漏法、真空檢漏法及其他檢漏法。在空調(diào)行業(yè)較為常見的方法有充壓檢漏法中的液壓壓降檢漏法、氣壓氣泡檢漏法、氦質(zhì)譜吸槍檢漏法、真空箱氦檢法等。這些檢漏方法各有其優(yōu)缺點，在選取檢漏方法時要考慮以下基本原則：檢漏靈敏度要求，檢漏反應(yīng)時間要求，定位、定量要求，無損檢測要求等[2]。液壓壓降檢漏法及氣壓氣泡檢漏法檢漏精度較低，僅能達(dá)到1×10-4 Pa·m3/s;氦質(zhì)譜吸槍檢漏法效率較低，僅為其他檢漏方式效率的1/10。根據(jù)翅片式換熱器的設(shè)計要求及制造效率要求，要實現(xiàn)高精度、高節(jié)拍、自動化，必須選用檢漏靈敏度高、反應(yīng)時間短、方便實現(xiàn)自動化的檢漏方法，所以真空箱氦檢法成為空調(diào)制造中主要的檢漏工藝方法。

2 檢漏整體方案設(shè)計

2.1 ? ?檢漏工藝流程設(shè)計

在進(jìn)行工藝方法及生產(chǎn)流程設(shè)計時，首先需要分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，其次需要分析生產(chǎn)制造節(jié)拍的要求，綜合各因素設(shè)計生產(chǎn)工藝及流程。根據(jù)不同的檢漏技術(shù)優(yōu)缺點，在空調(diào)生產(chǎn)中的不同工序綜合使用多種檢漏方法，才能有效保證系統(tǒng)的密封性及生產(chǎn)可操作性[3]。可采用真空箱氦檢法，結(jié)合真空檢漏法與氦質(zhì)譜檢漏法的優(yōu)點進(jìn)行密封性測試。翅片式換熱器密封性能試驗主要包含耐壓強(qiáng)度試驗及氣密試驗，兩項試驗可一次性完成，否則應(yīng)先做耐壓試驗，后做密封性檢查。在生產(chǎn)制造過程中，往往將這兩項試驗結(jié)合，以提高生產(chǎn)節(jié)拍。耐壓試驗通過在翅片式換熱器中充入干燥的高壓空氣或氮氣等稀有氣體，以檢測其承壓能力。氣密性試驗基于氦質(zhì)譜檢漏特性，根據(jù)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)直徑來實現(xiàn)異種離子的分離，將被檢工件抽真空后充入一定壓強(qiáng)的氦氣，被檢工件外面是具有一定真空度的真空箱，真空箱與氦質(zhì)譜檢漏儀漏口對接[4]，通過氦氣特性進(jìn)行泄漏率的檢測。真空箱氦檢法作為生產(chǎn)過程中主要的檢漏方法，除了可以滿足高精度的檢漏要求外，還可與自動化流水線有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)自動輸送、自動檢漏的生產(chǎn)過程。生產(chǎn)工藝流程設(shè)計主要包括：安裝密封快速接頭—充注高壓氣體—保壓判斷壓降—氣體排空—工件抽真空—工件自動充注氦氣—工件進(jìn)入真空箱—真空箱抽真空—工件氦質(zhì)譜檢漏—真空箱空氣回填—工件輸出真空箱—工件氦氣回收—拆除快速接頭。通過以上動作循環(huán)，可實現(xiàn)自動化檢漏全過程。

2.2 ? ?檢漏工藝裝備設(shè)計

真空箱氦檢漏設(shè)備是將工件置于真空箱內(nèi)，通過系統(tǒng)管路及快速接頭與被檢產(chǎn)品相連接，經(jīng)過系統(tǒng)自動測試對泄漏率進(jìn)行判斷。設(shè)備主要由高壓檢大漏系統(tǒng)、充注回收系統(tǒng)、真空箱檢漏系統(tǒng)、自動輸送系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成，整體系統(tǒng)圖如圖1所示。電控系統(tǒng)為整機(jī)的中控系統(tǒng)，由PLC、觸摸屏、強(qiáng)電系統(tǒng)、弱電控制系統(tǒng)等構(gòu)成，其功能為按照PLC系統(tǒng)預(yù)設(shè)邏輯程序，根據(jù)生產(chǎn)流程，實現(xiàn)自動控制、自動檢測。

各系統(tǒng)的設(shè)計要求及特點如下：

（1）高壓檢大漏系統(tǒng)由高壓氣體控制閥、壓降檢測裝置、排空系統(tǒng)、管路系統(tǒng)等組成，其功能為對工件進(jìn)行耐壓測試及大漏測試。系統(tǒng)充入高壓氣體，達(dá)到設(shè)定數(shù)值后停止，同時關(guān)閉閥門，放置1～3 min，在放置時間內(nèi)，如果壓力急劇下降，超出設(shè)定值，判斷為泄漏率較高;如果壓力沒有較大變化，判斷為泄漏率較低。

高壓檢漏平均泄漏率Q的計算公式如下：

式中：P1為充入高壓氣體壓力;P2為放置t時間后壓力;V為被檢工件容積;t為放置時間。

（2）因氦氣的價值較高，為降低成本，利用回收系統(tǒng)實現(xiàn)氦氣的再循環(huán)利用。如圖2所示，充注回收系統(tǒng)由真空泵、回收泵、壓縮機(jī)、儲氦罐、氦濃度計、管路系統(tǒng)等構(gòu)成，其功能為對工件實現(xiàn)自動預(yù)抽、充氦氣和氦氣回收。

（3）真空箱檢漏系統(tǒng)由真空泵組、真空箱、真空閥門、真空計、氦質(zhì)譜檢漏儀、校準(zhǔn)單元、管路系統(tǒng)構(gòu)成，其功能為對由工件泄漏入真空箱的氦氣進(jìn)行檢測，使用校準(zhǔn)單元對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)檢測結(jié)果，自動對工件泄漏率進(jìn)行判斷。

根據(jù)阿伏加德羅定律，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣體泄漏率Q為：

式中：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下P0=1.01×105 Pa;標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積Vm=2.24×10-2 m3/mol;g為工件年泄漏率;T為環(huán)境溫度;T0=0 ℃（273.15 K）;Ma為氣體分子量。

根據(jù)《蒙特利爾公約》要求，2030年R22冷媒將被停用，按目前的市場發(fā)展趨勢來看，其將會被R32所替代。本文就以R32冷媒，20 ℃（293.15 K）環(huán)境溫度，2g的年泄漏率作為標(biāo)準(zhǔn)來計算Q：

其中R32冷媒分子量為52.02。

在常壓或正壓力下，漏孔泄漏的氣流為粘滯流，即流量與壓力平方成正比，與流過物質(zhì)的粘度系數(shù)成反比[5]，轉(zhuǎn)化的氦氣泄漏率QHe為：

式中：C為氦氣濃度;QR32為R32制冷劑泄漏率;ηR32為R32粘度系數(shù);ηHe為氦氣粘度系數(shù);P2、P1為充氦的高壓側(cè)和低壓側(cè)壓力（絕壓）;P4、P3為工件工作時冷媒系統(tǒng)高壓側(cè)和低壓側(cè)壓力（絕壓）。

各換熱器生產(chǎn)商因工件工作壓力不同，使用氦氣濃度、氦氣檢漏壓力不同，故需要依據(jù)自身需求進(jìn)行計算，然后使用標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行標(biāo)定及修正，消除系統(tǒng)管路及制造精度導(dǎo)致的偏差。

在實際生產(chǎn)過程中，采用真空箱氦檢法，可以快速準(zhǔn)確地確定整體泄漏率，同時通過全自動化的流水線，將整個生產(chǎn)流程連接起來，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。但真空箱氦檢法自身也存在無法測試具體泄漏點的缺陷，對于返修產(chǎn)品，需要通過氦質(zhì)譜吸槍檢漏法進(jìn)行泄漏點的確認(rèn)。

3 結(jié)語

真空箱氦檢法是翅片式換熱器檢漏的重要方法之一，利用專用設(shè)備可以準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行自動化檢漏，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 朱璐璐.淺談空調(diào)器生產(chǎn)過程中的檢漏技術(shù)與方法[J].科技與企業(yè)，2013（14）：280.

[4] 李俊鋒，謝璐璐.淺談汽車空調(diào)氦檢原理及漏率計算[J].汽車零部件，2016（6）：74-77.

[5] 趙琪.充氦檢漏裝置的研究與實現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2014.

收稿日期：2021-08-24

作者簡介：何冬明（1982—），男，陜西子洲人，機(jī)電工程師，研究方向：自動化裝備工藝及制造方法。