基于定量供料的微通道換熱器均勻涂覆系統(tǒng)設計

范召卿，陳煥煥，譚德強，王 奇，崔 潤，羅勇軍

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

人們對于生活質量的要求越來越高，環(huán)保、節(jié)能以及安全的空氣能熱水器逐步走進千家萬戶。按照制熱方式的差異，空氣源熱泵熱水器可以分為一次加熱式熱泵熱水器、循環(huán)加熱式熱泵熱水器和靜態(tài)加熱式熱泵熱水［1］，目前家用空氣能熱水器主流采用靜態(tài)加熱承壓式的方式，通過微通道換熱器通過接觸傳熱將熱量傳遞給緩沖水箱，理想裝配狀態(tài)是換熱器與水箱內膽緊密接觸貼合，熱量可靠傳遞，但由于產(chǎn)品加工精度、圓度等限制，實際上兩者的接觸面之間存在很多空隙（圖1）。接觸間隙間主要為空氣填充，其熱阻很大，會大幅降低微通道換熱器的傳熱效果，一般在間隙間填充散熱硅脂作為熱界面材料來提高導熱性能［2－3］。

圖1 接觸界面示意圖

硅脂主要成分為基體、硅油、填料、穩(wěn)定劑及其他添加劑混合而成，使用過程的錐入度過小則黏度相對較低，錐入度過大則黏度高，且硅脂受溫度變化影響較大，升溫會使得黏度降低易發(fā)生流淌、降溫會使得黏度升高涂布困難，故符合使用的產(chǎn)品錐入度一般為150～380（25℃，1／10 mm）之間，常溫下呈膏狀［4］。行業(yè)內目前多采用機械擠料的方式，配合人工／自動化在微通道換熱器表面進行涂覆作業(yè)［5］，在此過程受溫度、供料壓力及材料自身參數(shù)變化影響較大，其硅脂在微通道換熱器扁管表面涂覆的均勻性、一致性均難以保證，從而使得產(chǎn)品的性能一致性存在較大的波動。圖2為硅脂涂覆異常時狀態(tài)。

圖2 硅脂涂覆異常時狀態(tài)

基于上述原因，本文針對硅脂涂覆過程難點、關鍵技術點進行工藝開發(fā)，提出利用柱塞泵定量供料的方式解決硅脂送料過程受溫度、性能波動變化的不穩(wěn)定因素，進行微通道換熱器散熱硅脂均勻涂覆系統(tǒng)設計，提高散熱硅脂涂覆均勻性，保障空氣能熱水器能效指標穩(wěn)定。

1 設計原理

散熱硅脂的涂覆一個連續(xù)的過程，要想保證涂覆效果均勻穩(wěn)定，則需要持續(xù)保持散熱硅脂供料輸入與點膠閥輸出的穩(wěn)態(tài)平衡。另外由于微通道換熱器為多條的平行結構（圖3），需要執(zhí)行機構具有勻速運動以及靈活的邏輯控制切換以滿足功能需求。

圖3 微通道換熱器示意圖

1.1 涂覆系統(tǒng)原理

結合微通道換熱器的產(chǎn)品結構及散熱硅脂的性能特點，一個完整的涂覆系統(tǒng)主要包括料桶、動力部件、輸送管道、往復機、點膠閥等執(zhí)行部件以及邏輯電控部分（圖4）［6－7］，其各部件主要功能如下所述。

圖4 涂覆系統(tǒng)原理示意圖

（1）執(zhí)行部件

料桶，用于盛放散熱硅脂原料；動力部件，將料筒物料通過輸送管道傳遞給執(zhí)行機構并提供持續(xù)不斷的動力；輸送管道，用于將物料輸送至指定位置；往復執(zhí)行機，根據(jù)產(chǎn)品的尺寸規(guī)格、攜點膠閥、涂覆嘴執(zhí)行往復動作；點膠閥，通過控制通斷配合涂覆嘴使用將散熱硅脂涂敷于工件表面；涂覆嘴，一定的形狀截面，引導散熱硅脂擠出涂覆于工件表面。

（2）邏輯電控部分

邏輯電控部分主要通過IO接口聯(lián)動動力部件、往復執(zhí)行機以及點膠閥，通過聯(lián)動控制完成整個硅脂涂覆流程。工作過程，工件在工作臺定位完成后，動力部件由供電或供氣使硅脂由料桶經(jīng)輸送管道輸送至點膠閥處，由往復執(zhí)行機帶動點膠閥、涂覆嘴在工件表面做往復的相對運動，并按照一定的邏輯控制通斷點膠閥將散熱硅脂涂敷于微通道換熱器工件表面。

1.2 定量供料原理

目前變量調節(jié)的方式主要有直接排量調節(jié)控制、壓力調節(jié)控制、流量調節(jié)控制以及功率調節(jié)控制4種變量調節(jié)方式（圖5），主要適用工況為直接排量控制適用于變排量控制，壓力調節(jié)控制適用于壓力恒定、復雜流量變化，流量調節(jié)控制適用于流量穩(wěn)定，功率調節(jié)控制適用于負載壓力與流量作用下輸出功率一定［8－9］。

圖5 變量調節(jié)的主要形式

而散熱硅脂理論上為非牛頓流體，壓縮量可以近似為不可壓縮，結合直接排量調節(jié)控制的方式，在輸入壓力足夠大的條件下，對變量缸施加力使其勻速進給運動，在一個運動周期內幾乎可等價為固定排量的硅脂物料輸出，即可實現(xiàn)定量供料。

2 系統(tǒng)結構及邏輯設計

上述介紹了涂覆系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的設計包括執(zhí)行機構、邏輯控制兩方面，結合硅脂原料高黏度的特性，涂覆均勻性的關鍵在于供料穩(wěn)定性、涂覆均勻性以及出料均勻性等（圖6），下文將針對執(zhí)行機構與控制邏輯圍繞關鍵技術進行分析論述。

圖6 關鍵技術分析

2.1 執(zhí)行機構

2.1.1 供料動力部件

散熱硅脂呈膏狀態(tài)、黏度高，其錐入度（即黏度）受溫度波動、黏度批次差異影響較大，行業(yè)傳統(tǒng)的供料動力方式為機械擠壓（圖7），這種形式對供氣壓力要求較高（夏季0.6～0.8 MPa，冬天0.9 MPa以上），接近與車間供氣壓力的極限值，當用起點集中用氣時，會產(chǎn)生較大的氣壓波動，從而使得硅脂涂覆供料波動顯著，難以保證過程生產(chǎn)供料過程的穩(wěn)定一致。

圖7 壓力桶擠料示意圖

通過選用雙立柱壓盤式柱塞泵（圖8）作為供料動力部件，其由空氣馬達、啟動柱塞泵以及壓盤和空氣控制裝置組成［10］，氣動馬達在低壓空氣（0.25 MPa）的驅動下，其柱塞泵的缸體提拉壓力可達到2.5 MPa（約10倍），使缸體做周期性的勻速進給運動，選型時缸體周期運動容積大于或等于微通道換熱器單條扁管長度涂覆量或其倍數(shù)，即實現(xiàn)動力部件定量對散熱硅脂進行供料，確保供料穩(wěn)定。

圖8 雙立柱壓盤式柱塞泵

另外壓盤泵的選型主要包括流量與壓力，其流量（即單位時間出料量）與點膠閥的數(shù)量選擇相關，壓力與輸料管道的長度及硅脂黏度有關，可參考流體力學沿程阻力相關理論進行計算，具體以實際工況參數(shù)進行選用。

2.1.2 涂覆往復機及工作臺

微通道換熱器的結構是多條的平行結構，散熱硅脂涂覆需交替往復式作業(yè)，一般涂覆機需與工作臺結合進行設計，而微通道換熱器尺寸一般較大，常采用工作臺固定，涂覆機往復進行涂覆作業(yè)的方式。

（1）涂覆往復機。涂覆過程需保證單條扁管上形狀、尺寸均勻一致、多條扁管間換行的穩(wěn)定，需保證涂覆過程的速度均勻以及聯(lián)動控制能力，一般需采用自動化的方式，常選用往復式伺服機械手或六軸機器人（圖9），再由IO端口聯(lián)動供料系統(tǒng)及點膠閥。

圖9 六軸機器人作為涂覆往復機示意圖

（2）固定工作臺。工作臺為基準平面，需設置對應的限位結構以及保證平整度，以保證物料裝夾的一致性，避免涂覆過程出現(xiàn)偏位、撞機等問題。對于部分小尺寸的產(chǎn)品，可以考慮工作臺作往復、周向運動以實現(xiàn)涂覆動作

2.1.3 點膠閥及涂覆頭

點膠閥的進料口通過管路與壓盤泵的出料口相連接，出料口與涂覆頭相連，通過IO接口與涂覆往復機聯(lián)動控制實現(xiàn)對硅脂管路的通斷控制；涂覆頭以扁平狀結構為佳，盡量減少接觸面積，減少硅脂在通過涂覆頭時的阻力［11］。

2.1.4 輸送管道及壓力緩沖

供料系統(tǒng)采用直接直接排量式調節(jié)控制方式，而硅脂呈膏體狀，其輸送過程的沿程阻力與其黏度、管道長度等成正比。當溫度、黏度值變化波動時，其系統(tǒng)的輸送壓力則會隨之發(fā)生變化，管道承壓極限選型需按照低溫高黏度值時的系統(tǒng)輸送工況壓力進行設計選型，根據(jù)實際的應用，放大系數(shù)可設置在1.2～1.5倍。點膠閥選擇的數(shù)量越多或輸料距離a（圖10）越長，可考慮增加緩沖穩(wěn)壓罐［12］，避免周期性啟停流量急劇變化而影響輸出硅脂流量。此外點膠距離b應盡量短，且盡量直線接通，避免阻力加長而影響出料均勻性。

圖10 供料系統(tǒng)示意圖

2.2 邏輯控制

2.2.1 工作流程

自動涂覆的工作流程：①物料在工作臺裝夾就位；②機器人帶動點膠閥、涂覆嘴沿微通道換熱器扁管方向移動；③設置延時時間，機器人移動到位前延時啟動點膠閥；④設置提前補償時間，單條扁管涂覆完成前提前關閉點膠閥；⑤按照流程②～④的過程循環(huán)往復完成整個微通道散熱硅脂涂覆作業(yè)；⑥機器人離開作業(yè)區(qū)域；⑦物料下料。

2.2.2 控制策略

由于硅脂黏度較大，流動性差，為了保證涂覆啟動瞬間能有硅脂流出，需提前手動進行調整，使硅脂充滿整個管道系統(tǒng)及點膠閥、涂覆頭；此外啟停過程為保證涂覆均勻性，需結合硅脂特性現(xiàn)場驗證固化延時時間及提前補償時間。涂覆停止瞬間，由于管道系統(tǒng)壓力及硅脂重力仍高于大氣壓，涂覆頭內仍有硅脂流出，會污染工作臺及浪費，需在結束時進行回吸，避免滴落。工作結束后若長時間停機，為避免硅脂固化堵塞管路，需手動進行清洗排空處理。機器人往復機涂覆速度效率高，質量依靠于供料系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，一旦異常人工難以及時發(fā)現(xiàn)，可搭配機器視覺技術輔助檢測，在散熱硅脂涂覆過程比對物料有無、寬度、斷續(xù)、均勻性等參數(shù)［13］，保證過程質量穩(wěn)定受控。

3 測試與結果分析

通過對散熱硅脂涂覆系統(tǒng)進行連續(xù)一個月批量運行測試統(tǒng)計，原生產(chǎn)方式約1／6需人工補涂，現(xiàn)硅脂涂覆工作站實測一次涂覆合格率提升至99%（圖11），通過稱重測量硅脂的擠出量誤差控制在±1 g／m內，涂覆效果效果均勻穩(wěn)定（圖12）。

圖11 改善前后一次合格率對比

圖12 涂覆效果示意圖

進一步，為驗證極端工況下的硅脂涂覆一致性，分別設置對照組，低溫工況（30℃、5℃、－6.9℃）多批次混料工況與常溫正常工況進行對照對比（圖13），驗證料桶切換過程無需對參數(shù)進行調整，微通道換熱器上涂覆后的硅脂尺寸均勻穩(wěn)定，實測極端工況與常溫正常工況下的出料量重量差值小于或等于1%。

圖13 極端工況涂覆驗證效果圖

4 結束語

綜上所述，通過對定量供料原理的研究及應用，從散熱硅脂涂覆均勻性、供料穩(wěn)定性以及出料均勻性三方面進行工藝開發(fā)，設計涂覆系統(tǒng)執(zhí)行機構、邏輯控制，將行業(yè)常規(guī)的機械擠壓替代為壓盤泵定量供料的散熱硅脂均勻涂覆系統(tǒng)，徹底解決了高黏度硅脂受季節(jié)交替變化、物料批次差異大而引發(fā)的涂覆不均勻難題，實現(xiàn)了涂覆均勻性波動值小于或等于1%，有效保障了產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。