PTO－4018RT超聲波清洗機冷卻系統分析與改造

謝迎春

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶400060）

1 設備概況

1.1 超聲波清洗機冷卻系統作用與清洗液循環原理

PTO－4018RT超聲波清洗機用于電路板以及各種零部件的清洗，其分別在蒸餾槽、清洗槽與蒸汽槽上部安裝了冷卻排管，當冷卻系統工作時，在各槽上方區域形成溫度較低的冷凍區（－5℃以下）。槽底的加熱裝置工作會使槽內揮發性強、熔點較低的有機溶劑組成的清洗液沸騰，形成大量蒸汽，這些蒸汽上行到達冷凍區后，急劇凝結，又返回液態，被冷卻排管下方的集液器收集，經油水分離器去除水分后，清潔干凈的清洗液回流到各槽中進行循環利用，周而復始。

1.2 原超聲波清洗機冷卻系統存在的問題

（1）超聲波清洗機冷卻系統配套的壓縮機不合適。原廠配套的2P及3P壓縮機為空調壓縮機，當壓縮機燒毀后也是換用同類型號的空調壓縮機進行維修；空調壓縮機為高溫壓縮機，其適合的工作蒸發溫度為－10～10℃，冷卻排管形成的冷凍區溫度通常在－5℃以下，冷卻系統實際工作蒸發溫度為－15～－10℃，因此，原配套的空調壓縮機不合適，因為該工況會對壓縮機壽命有較大影響。（2）原廠設備選用冷卻系統制冷量與實際負荷不太匹配。該機采用2臺風冷冷凝機組，其中2P冷凝機組用于蒸餾槽冷卻，實際槽內加熱功率2 k W。3P冷凝機組用于清洗槽與蒸汽槽冷卻，清洗槽加熱功率2 k W，蒸汽槽加熱功率2 k W，清洗槽內溶液溫度通常控制在40～50℃，并沒有達到沸點，對該冷凝機組負荷影響小，可忽略不計，實際負荷只有2 k W左右。設備開機后冷卻系統為連續工作，長期處于“大馬拉小車”的狀態，導致其壓縮機壽命減短。（3）冷卻系統檢測、保護不完善。該冷卻系統沒有吸氣壓力、排氣壓力監測，沒有吸氣壓力過低保護。冷凝機組長期裸露在室外，沒有專門的避雷設施，夏季容易因雷擊而燒毀壓縮機。（4）室外冷凝機組維修極不方便。清洗機因生產使用需要安放在2樓，其冷凝機組受安裝位置所限只能安置在2樓外墻，維修時需搭梯子，維修操作困難。該清洗機從投入使用以來，冷卻系統各種故障頻發，每1～2年至少要燒毀1臺壓縮機，嚴重時曾在1年內就燒毀3臺壓縮機。特別是在夏季時，維修工作量很大，會對生產有較大影響。

2 冷卻系統改造

2.1 改造緣由

2011年6月底，PTO－4018RT超聲波清洗機開機后發現清洗槽與蒸汽槽的冷卻排管無冷氣，經檢測確認故障為冷卻系統3P冷凝機組壓縮機燒毀。該超聲波清洗機為關鍵生產設備，正值生產任務緊張時期，因而對生產進度有很大影響。鑒于設備冷卻系統故障多的實際情況，決定對其冷卻系統實施改造。

2.2 改造方案

（1）對清洗機冷卻系統進行優化設計。因冷卻系統實際負荷約為4 k W，擬將原有的2臺風冷冷凝機組改為1臺4 HP水冷冷凝機組；由2個膨脹閥分別調節蒸餾槽的冷卻排管、清洗槽與蒸汽槽的冷卻排管內制冷劑流量。（2）冷卻系統的重要部件，如制冷壓縮機、熱力膨脹閥等，采用知名品牌部件，以提高設備可靠性。（3）加強對冷卻系統的保護。加裝高低壓力表，便于監控工作狀態；管路裝設干燥過濾器、氣液分離器、電磁閥、高低壓力控制器，加強對壓縮機等重要部件的保護；同時，水冷機組置于室內，以大大減少雷電擊毀壓縮機的可能性，同時方便設備維修。

2.3 選型

（1）制冷壓縮機選型及制冷劑選擇。壓縮機為冷卻系統的核心部件，合理的選型對冷卻系統的正常運行至關重要。冷卻系統實際負荷約為4 k W，工作蒸發溫度范圍為－15～－10℃，選用中溫制冷壓縮機更為合適；經多方比較，最終采用谷輪ZB29 KQ－PFJ－524制冷壓縮機。選取廣泛應用的氟利昂R22作為制冷工質。（2）其他部件選型。依據壓縮機制冷量選取相應規格、型號的殼管式水冷冷凝器、熱力膨脹閥等部件（表1）。

表1 具體選型一覽表

2.4 制冷循環流程

制冷劑R22循環過程如下：壓縮機—殼管式冷凝器—出液總閥（供液閥）—干燥過濾器—電磁閥—熱力膨脹閥—冷卻排管（蒸發器）—氣液分離器—壓縮機。如此反復循環。

2.5 安裝、調試

2.5.1 安裝

本冷卻系統采用的制冷劑R22有很強的滲透力，易泄漏；R22在水中的溶解度為0.06%，屬于不溶水物質，當含水量超過溶解度時易造成冰堵現象；同時，含水時R22對金屬等有腐蝕作用，會減短壓縮機等部件的使用壽命，甚至燒毀壓縮機。因此，冷卻系統必須有嚴格的密封、防泄漏措施。除選用質優的部件外，安裝時對冷卻系統正常使用影響最大且容易被忽視的就是部件的干燥處理、管材選擇、管道的連接與密封，其控制要點如下：（1）所有部件、管道等使用前應進行干燥處理（必要時進行烘干），并用塞子或膠帶等密封部件接頭或管口。（2）冷卻系統管路連接采用脫磷無縫拉制的紫銅管，管道表面無裂紋、劃傷、凹坑等缺陷；吸氣連接管采用外徑15.9 mm優質厚壁紫銅管，排氣連接管采用外徑9.52 mm優質厚壁紫銅管。（3）管路連接盡量采用氣焊，焊接前必須仔細清除管路表面污物、氧化物等；焊接時應加入氮氣保護；操作時應小心，防止焊料掉入管內；焊點應無針孔、裂紋等；采用螺母連接時應處理好接頭，旋緊螺母。（4）系統安裝連接后先加干燥氮氣至0.3～0.5 MPa，檢查管路情況；若無泄漏，繼續加入干燥氮氣至20 MPa，壓力應保持24 h穩定，否則應重復本步，找出泄漏點重新處理，直至滿足要求。（5）加灌制冷劑前應先放掉氮氣，再抽真空不短于2 h或使真空度達到60 Pa以上。（6）吸氣管道部分應包扎保溫泡沫，保溫層厚度不小于15 mm。

2.5.2 制冷劑的沖注、調試

該冷卻系統制冷劑開始是按廠家推薦的重量進行沖注，但熱力膨脹閥的開度始終無法調整到合適狀態，原因在于2只熱力膨脹閥調整較為困難，另外，蒸餾槽的冷卻排管、清洗槽與蒸汽槽的冷卻排管布局、長度等對沖注量也有影響。設備改造現場檢查儀器有限，實際制冷劑的加灌、調試只有根據調機人員的經驗以及檢測的壓力參數、壓縮機電流等進行，控制要點如下：（1）停機，放掉部分制冷劑，分別記錄2只熱力膨脹閥調整螺釘全開到全關時旋轉圈數，再將2只熱力膨脹閥開度調節到中間位置。（2）開機，啟動2槽加熱4 k W，運行約10 min后檢查第一只膨脹閥、該路相連的冷卻排管以及壓縮機吸氣口的結霜情況。正常的結霜狀況為膨脹閥后部有薄薄的霜，冷卻排管后部3～4排結霜，壓縮機吸氣口附近有手掌大結霜區域；若沒有結霜再緩慢旋大開度，運行數分鐘后再觀察；若旋轉約2／3開度均沒有結霜或結霜情況不好，則應補充制冷劑，同時膨脹閥旋回1／2開度，重復先前的調節，直至結霜狀況正常。相反，若結霜過多，則旋小膨脹閥開度；若旋轉約1／3開度后結霜仍過多則應放掉部分制冷劑，同時膨脹閥旋回1／2開度，重復先前的調節，直至結霜狀況正常。調節過程中應監控保證吸氣壓力在0.1～0.3 MPa范圍內，壓縮機電流為額定電流；觀察壓縮機運轉聲音及機殼發熱是否正常。（3）按（2）中方法調節第二只膨脹閥的開度以及制冷劑的充注量。檢查冷卻系統結霜情況、吸氣壓力、排氣壓力、壓縮機電流是否正常；否則按上述方法調整制冷劑充注量與熱力膨脹閥開度，直至合適狀態。

注意：調節第二只膨脹閥開度對第一只膨脹閥開度也有影響，需經多次調整才能得到合適的結果。

3 改造效果

該超聲波清洗機冷卻系統從完成改造始至筆者發稿止，工作時間已超過2.5年，期間沒有發生過一次設備故障，系統運行良好，節約了維修成本，取得了較好的經濟效益。

［1］吳業正.制冷原理及設備［M］.第2版.西安交通大學出版社，1997

［2］GB50274—2010 制冷設備、空氣分離設備安裝工程施工及驗收規范［S］