干冰清洗在繼電器清洗行業(yè)中的應(yīng)用探討

楊 劍，熊培軍

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

干冰清洗是一門新興的環(huán)保清洗技術(shù)，與傳統(tǒng)的化學(xué)清洗、高壓水射流清洗以及噴砂清洗不同，干冰清洗利用高速氣流驅(qū)動的干冰顆粒去除表面污垢，噴射出的干冰顆粒瞬時氣化，無殘留，無污染，無處理清洗所產(chǎn)生廢物的麻煩和高額費(fèi)用。干冰清洗技術(shù)目前已經(jīng)在眾多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，如模具清洗行業(yè)、石化行業(yè)、電力行業(yè)、食品工業(yè)、印刷行業(yè)等。

在繼電器裝配過程中要用到諸多清洗，在環(huán)保問題日益突出的今天，干冰清洗技術(shù)是否可以運(yùn)用到繼電器裝配行業(yè)中呢？本文將對此問題進(jìn)行探討。

2 干冰清洗技術(shù)發(fā)展史

1930年，人們在實驗室中完成了冰的制造。1945年，美國海軍將干冰作為噴射介質(zhì)，用來清除各種油脂。1972年11月，埃德溫·瑞斯(EdwinRice)以"噴射高速干冰顆粒從物體上去除殘余部分"辦法獲得了一項技術(shù)專利。這些前人的工作為干冰清洗技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

干冰造粒機(jī)和干冰清洗設(shè)備在20世紀(jì)80年代晚期進(jìn)入市場，這時候的干冰清洗設(shè)備非常龐大，并且很昂貴，需要很高的空氣壓力(超過1.37MPa)。隨著干冰噴射清洗設(shè)備的尺寸減小，價格也降了下來，現(xiàn)今的噴嘴技術(shù)可使設(shè)備在0.49MPa空氣壓力下有效工作。

3 干冰清洗原理

干冰是CO2的固態(tài)形式。在常態(tài)下，CO2是一種無色無味的氣體，自然存在于空氣中。在-78℃低溫時，CO2以固體形式存在。在常壓下，固體CO2直接升華，沒有液化過程，這一特性意味著干冰清洗中噴射介質(zhì)徹底消失，只留下原有污垢待處理。原來不能用水清洗的地方，現(xiàn)在用干冰清洗完全可以解決。

CO2是工業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，這些氣態(tài)CO2可收集起來制成干冰。干冰清洗過程中CO2升華排放到大氣中時，并沒有新的CO2產(chǎn)生，只是原來的副CO2產(chǎn)品被排放掉了。所以，干冰清洗是一種綠色環(huán)保清洗。

干冰清洗是將干冰顆粒通過干冰清洗機(jī)，在高壓氣流的作用下，干冰顆粒被加速噴出，沖擊待清洗表面。高速噴射出的干冰顆粒與清洗表面迅速發(fā)生熱交換在常溫常壓下瞬間氣化消失，干冰顆粒的動量也在沖擊瞬問消失。

與其它噴射介質(zhì)不同，干冰顆粒介質(zhì)體溫度極低(-78℃)。這樣的低溫使干冰清洗具有獨(dú)特的熱力學(xué)性能。由于干冰顆粒與清洗表面間存在溫度差，就一定會發(fā)生熱沖擊現(xiàn)象。污垢層在熱-冷沖擊下，脆性增大，高速噴射出的干冰顆粒就能夠?qū)⑽酃笇記_擊破碎，見圖1。

圖1 熱沖擊導(dǎo)致污垢層皸裂

干冰顆粒在千分之幾秒內(nèi)體積急劇膨脹，這樣就在沖擊點(diǎn)造成"微型爆炸"，將污垢層吹掃剝離，見圖2所示。

圖2 CO2氣化膨脹和顆粒動量傳遞清除污垢

具有不同熱膨脹系數(shù)的兩種不同材料，它們之間的溫度差會破壞兩種材料間的結(jié)合。在從金屬物質(zhì)上清除非金屬污垢時，這樣的熱沖擊現(xiàn)象最為明顯。由于CO2揮發(fā)掉了，干冰清洗過程沒有產(chǎn)生任何二次廢物，留下需要收集清理的只是清除下來的污垢。

4 干冰清洗系統(tǒng)組成

一個完整的干冰清洗系統(tǒng)主要包含以下幾個部分：

1)CO2儲存系統(tǒng)

液態(tài)CO2需要在2MPa壓力下，-18℃低溫條件下儲存。CO2儲存系統(tǒng)用來儲存液態(tài)CO2，供給制冰機(jī)，生產(chǎn)干冰顆粒。

2)干冰制造系統(tǒng)

主要指制冰機(jī)，用于制造干冰顆粒，需要相關(guān)的干冰成型模具。

3)干冰儲存系統(tǒng)

由于干冰在常態(tài)下會升華為氣態(tài)CO2，因此必須對進(jìn)行儲存。干冰儲存箱是專用的干冰儲存系統(tǒng)，在國內(nèi)比較少見。

4)空氣壓縮系統(tǒng)

主要是空氣壓縮機(jī)，用于對干冰清洗劑提供動力，是整個干冰清洗系統(tǒng)的動力源。

5)干冰清洗機(jī)

是整個系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵部分，干冰顆粒就是通過它噴射到清洗對象表面實現(xiàn)對污垢的清洗。

整個干冰清洗系統(tǒng)組成見示意圖3。

圖3 干冰清洗系統(tǒng)組成示意圖

在新型干冰清洗機(jī)中，已經(jīng)對上述系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，直接使用液態(tài)二氧化碳，在干冰清洗機(jī)內(nèi)部即可完成制冰及碎冰過程，只要外加一個壓縮空氣作為動力源，即可完成干冰清洗工作，見圖4所示。

圖4 新型干冰清洗系統(tǒng)組成

5 在繼電器裝配清洗中的應(yīng)用探討

從干冰清洗原理可知，干冰清洗去除污染物的過程主要有冷卻脆化作用、干冰對沖擊點(diǎn)的微型爆炸氣掀作用、壓縮空氣流的吹掃剪切作用。下面探討這三個過程對繼電器裝配清洗的影響。

5.1 冷卻脆化對繼電器的影響

在干冰清洗過程中，噴射出的干冰顆粒溫度在-78℃左右，該溫度超過大多數(shù)繼電器使用的環(huán)境溫度-65℃，但由于噴射清洗產(chǎn)品在常溫中進(jìn)行，且干冰顆粒質(zhì)量很小，噴吹清洗后干冰顆粒升華吸收的熱量實際很少，因此清洗后繼電器零部件溫度下降一般不超過10℃，即噴吹后產(chǎn)品零部件的溫度在10℃以上。

繼電器裝配過程中的污染物主要有焊劑、手汗、點(diǎn)焊飛濺、手皮屑、纖維、塵埃顆粒等。在這些污染物中，手汗、點(diǎn)焊飛濺和焊劑在零部件表面的附著力最強(qiáng)，其余污染物的附著力相對較小，基本是以靜電吸附為主。從繼電器污染物的種類看，手汗、焊劑等依靠冷卻脆化去除的可能性比較大。由于繼電器中用的零件材料主要有電磁純鐵、鋅白銅、不銹鋼、玻璃粉、玻封膨脹合金、銀鎂鎳、漆包線、聚四氟乙烯等，這些材料的膨脹系數(shù)相差較大，由于干冰清洗引起的整體溫度下降不大，污物冷卻脆化后仍然可以保證連接強(qiáng)度。

5.2 氣掀作用影響

干冰清洗時，從清洗機(jī)中噴射出的干冰顆粒在極短時間內(nèi)升華，體積急劇膨脹近800倍，在污染物處產(chǎn)生微型爆炸形成氣掀作用將污染物剝離。

一個繼電器產(chǎn)品平均有二十余種零件，零件形狀千差萬別。由于繼電器內(nèi)部必須有可動部件才能實現(xiàn)電路的切換，因此，繼電器中的工作氣隙也是千差萬別的，這些氣隙中一旦有污染物進(jìn)入，要去除的難度就非常大，而這也是繼電器污染物去除的難點(diǎn)所在。很顯然，當(dāng)干冰顆粒噴射進(jìn)繼電器中的夾縫時，氣掀作用是可以將夾縫中的污染物去除干凈的。

一般來說，繼電器中有接觸簧片和復(fù)原簧片，由于繼電器種類不同，簧片壓力范圍大，最小的只有二十多毫牛，最大的有幾牛。在干冰噴射過程中，干冰不可避免會噴射到簧片上，對壓力很小的簧片來說，氣掀作用可能會引起簧片壓力減退，導(dǎo)致繼電器別的電氣參數(shù)不合格，因此，對小壓力的繼電器來說，在選擇干冰清洗時必須充分考慮清洗過程中的氣掀作用。

5.3 壓縮空氣噴吹影響

壓縮空氣在干冰清洗系統(tǒng)中既作為干冰噴射的動力，又可將脫落污染物吹離零件表面，目前干冰清洗系統(tǒng)所需的最小空氣壓力為0.49MPa，這個噴吹壓力對簧片壓力大于一百毫牛的繼電器影響很小，但對于只有幾十毫牛的繼電器來說是必須考慮的。

通過對干冰清洗三個過程的探討認(rèn)為，繼電器裝配清洗過程要引入干冰清洗，必須要充分考慮低溫冷卻脆化影響、氣掀作用影響和壓縮空氣流的吹掃剪切影響。綜合繼電器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，在功率型繼電器中引入干冰清洗技術(shù)是合適的，而對微小型繼電器來說，則應(yīng)慎重為宜。

5.4 干冰清洗試驗驗證

選擇某改進(jìn)型干冰清洗機(jī)作為試驗設(shè)備進(jìn)行試驗，該清洗機(jī)為完全手動，試驗驗證時只能手持產(chǎn)品進(jìn)行試驗清洗。見圖5。

圖5 干冰清洗試驗

試驗時選擇的產(chǎn)品為我公司的有x系列、xx系列、xxx系列，選擇的工序是接觸系統(tǒng)校正工序和機(jī)械老化工序，在試驗前和試驗后對產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行記錄，對多余物情況也進(jìn)行拍照記錄。典型的多余物清洗前后對比見圖6所示。

圖6 多余物清洗前后對比

X系列產(chǎn)品清洗前后參數(shù)變化情況見表1。

表1 X系列產(chǎn)品清洗前后參數(shù)變化情況

從上表參數(shù)對比可以看出，xxx系列產(chǎn)品用干冰清洗前后參數(shù)變化在合理范圍內(nèi)，屬于正常變化。

X系列產(chǎn)品清洗前后參數(shù)變化情況見表2。

表2 X系列產(chǎn)品清洗前后參數(shù)變化情況

從上表參數(shù)對比可以看出，xx系列產(chǎn)品用干冰清洗前后參數(shù)變化在合理范圍內(nèi)，屬于正常變化。

X系列產(chǎn)品清洗前后參數(shù)變化情況見表3。

表3 X系列產(chǎn)品清洗前后參數(shù)變化情況

從上表可以看出，對X系列產(chǎn)品，干冰清洗后的復(fù)原力變化很明顯，復(fù)原力變化導(dǎo)致了動作電壓和釋放電壓變化。

對以上試驗情況進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

1)干冰清洗這種新型清洗方式可有效清洗繼電器在裝配過程中產(chǎn)生的多余物，特別是對于聚酰亞胺這種容易帶靜電吸附的產(chǎn)品，多余物去除效果明顯；

2)干冰清洗對大產(chǎn)品參數(shù)影響不明顯，對微小型產(chǎn)品參數(shù)影響明顯。

6 結(jié)論

目前，繼電器裝配過程中的清洗大多屬于傳統(tǒng)的溶劑型清洗或水基清洗，離環(huán)保要求有不少差距。世界范圍內(nèi)的環(huán)保行動方興未艾，環(huán)保問題得到大家的廣泛關(guān)注，有關(guān)環(huán)境污染方面的立法將對工業(yè)排放施加持續(xù)的更加嚴(yán)格的管制，這必定要不斷淘汰傳統(tǒng)的、污染的、低效的清洗方式。干冰清洗作為新興的綠色環(huán)保清洗技術(shù)，已經(jīng)在清洗行業(yè)嶄露頭角。繼電器裝配過程中的清洗屬于電子行業(yè)的精密清洗，要引入干冰清洗，必須要對干冰清洗技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，解決清洗后微小型繼電器的參數(shù)變化問題。我們相信，在不遠(yuǎn)的將來，干冰清洗技術(shù)必將在繼電器裝配行業(yè)中得到推廣應(yīng)用。