空調冷凝器真空干燥除油工藝系統設計

高明燚 余清洲 李 斌 舒曉冬 馮紳紳 金昌度 干蜀毅

（1.合肥工業大學機械工程學院 合肥 230009；2.上海北玻鍍膜技術工業有限公司 上海 201614）

0 引言

空調冷凝器一般由黃銅管穿插均勻排列的鋁合金翅片組成，承擔著熱量交換的重要作用，是影響空調機性能的重要部件。翅片在沖壓加工、組裝工藝過程中，需要使用潤滑油作為沖壓潤滑劑，導致加工后翅片表面覆蓋一層油膜，這層油膜對冷凝器后續的焊接加工影響很大，因此需要施加單獨的除油工藝，將油膜清除。

對于翅片的沖壓油，行業內常用的除油方式有熱風循環法和洗劑法。熱風循環法采用高溫高壓氣流對工件表面進行吹掃，依靠高速氣流通過換熱器表面對吸附在工件表面油分子的裹挾、攜帶作用除油[1]，其主要弊端在于空氣攜帶油分子直排大氣，引起環境污染。洗劑法一般分為物理除油法和化學除油法，前者利用有機溶劑對油污的溶解能力將油污除去，常用的洗劑有三氯乙烯等氯烴類溶劑，其除油能力較好，但對操作人員的肝臟、中樞和末梢神經系統、心臟、皮膚等有損害[2]；化學除油法利用油脂在堿性溶液下加熱、發生皂化反應除油，缺點是堿性氣體在高溫下揮發[3]，同樣危害健康。

為了以無毒、無污染的方式去除翅片表面與銅管中殘存沖壓油，本文采用真空干燥除油法，即將工件置于負壓的環境下，以降低蒸發物的沸點，并施以一定的溫度促使其完全蒸發；再通過真空泵組的抽氣作用將蒸發物通過水冷捕集阱收集。整個過程沒有使用化學試劑，沒有污染，還可以對沖壓油進行回收，是一種很有工程應用價值的除油工藝。

根據工藝要求，整套設備布置在自動化生產線上，每臺散熱器除油、烘干的總時間不得超過12s。根據這一苛刻要求，本文制定了詳細的真空除油工藝方案，對抽除油液的真空獲得設備進行選型，并對方案中的重要部件如真空腔室、過渡閥門、傳送機構進行設計，滿足了工藝需求。

1 總體方案

根據工藝要求，若采用常規自動生產線一個接一個連續送料的方式，顯然無法滿足12s 內除油要求，因為營造真空環境需要抽氣，工件傳遞、閥門開關都需要時間。針對這些問題，系統采用了圖1所示設計方案。為便于說明，按工件移動順序對真空室和真空閘門進行編號，分別用A、B、C 表示3 個真空室，x、y、z 表示3 批次工件，1、2、3、4 為4 個真空閘門。由圖可見：

（1）設計采用了A，B，C 三個真空室，中間B 室作為工藝室，烘干除油工藝主要在此進行；兩側真空室做過渡室，為工件從大氣進入真空或從真空進入大氣提供過渡。這樣可使B 室始終保持在真空狀態，不必在破真空放氣與抽氣之間循環，節省大量時間，使除油工藝時間延長，除油更徹底。

（2）每批處理4 個工件，將整套工藝時間延長至48s。

（3）每個真空室內布置傳動機構，A、B 室裝加熱器，以加熱工件，促進油液的蒸發。

圖1 系統設計方案Fig.1 System design

具體工藝方案可描述如下：（1）開啟真空閘門1、4；（2）待除油工件x1～4 進入A 室，除油完成的工件z1～4 由C 室移出，進入下道工序；（3）關閉真空閘門1、4；（4）對真空室A、C 進行抽氣至預定真空度；（5）開啟真空閘門2、3；（6）工件x從真空室A 移至真空室B、工件y 從真空室B 進入真空室C；（7）關閉真空閘門2、3，對進入B室的x 批次工件加熱、除油；（8）打開真空室A、C 的放氣閥放氣。待放氣結束，回到（1），從而完成一個除油循環。在此過程中，需對閥門啟閉、工件移動、升溫、抽氣、放氣時間進行精確設計、計算并留出一定的裕度。

該方案的特點如下：真空室A、C 保證了工藝真空室2 始終處于真空狀態，其壓力不受工件進、出影響，以提高除油效率。其內部壓力在大氣和工藝真空之間循環，真空度無需維持。除油主要在真空室B 內進行，其內部真空度需要始終維持。低壓下被加熱翅片上的油會不斷蒸發，蒸發出的油分子被真空泵不斷抽除，這一動態平衡由真空系統配泵計算[4]完成。

2 真空獲得設備選配

系統總體設計方案確定后，接下來需要根據真空室大小、除油工藝時間、工件含油量等參數合理配置真空泵。通過理想氣體方程判斷出蒸氣量，再依據真空系統抽氣方程確定泵的抽速，最終配置的真空抽氣系統如圖2 所示。其中主真空室采用三級羅茨泵機組，其由主泵、中間泵和前級泵組成；兩個過渡真空室各選用二級羅茨泵機組，由羅茨主泵、前級泵組成。含油氣體進入真空泵前由冷阱冷卻、捕集、回收。

圖2 真空系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum system

3 總體結構設計

3.1 真空腔體設計

真空設備整體結構如圖3 所示，主要由真空室、傳輸機構和門閥三部分組成。

圖3 真空腔體示意圖Fig.3 Schematic diagram of vacuum chamber

真空腔體是除油系統的重要部件。本設計中考慮到散熱器翅片的排布方向，為取得好的抽氣效果，每批工件呈一字型排列。真空室設計成盒形殼體，以無磁不銹鋼316L 為材料，采用了可拆式密封連接，便于安裝、檢修；抽氣口設在側傾的底板的一側，節約空間并增大了蒸汽的流導；真空腔體整體用數個基座架起，保證了設備運行的穩定性。為便于觀察內部工況，側壁上開觀察窗。頂板必要時可吊起，以便對腔室內部加熱元件或傳輸元件進行更換、檢修。

盒型殼體設計時遵循的原則是在保證具有足夠強度情況下，盡量減少用料，因此采用加強筋以減小壁厚。根據設計尺寸，對設計的整體結構進行了有限元分析，整體計算滿足設計要求。圖4、5分別給出了腔體頂板應力與變形量分布圖。由圖可知，其應力分布在材料的許用應力范圍內，變形量較大的位置集中在頂板中心，密封圈附近變形量很小，不會產生泄漏。

圖4 頂板應力分布云圖Fig.4 Cloud diagram of roof stress distribution

圖5 頂板變形量分布云圖Fig.5 Cloud map of roof deformation distribution

3.2 閥門設計

本設計含有幾個真空室，都處于自動生產線上，工件在除油處理過程中被傳動鏈依次送入各真空室，因此真空室之間的閥門既需要隔絕大氣，又不能阻礙工件移動，因此需要對閥門進行具體而詳細的設計。根據常規的真空閥門（擋板閥、插板閥、翻板閥等）工作原理，結合本設計的具體工藝要求，由本設計借鑒翻板閥結構，以最大化地節約空間和材料，簡化結構。圖6 給出了所設計的翻板閥結構示意圖，其由閥板、支撐塊、旋轉軸、密封和四桿機構組成。閥板開密封槽，通過連接塊與旋轉軸相連。支撐塊通過螺紋連接固定在真空室上，用于支撐旋轉軸和閥板。旋轉軸通過四桿機構連接到帶有減速器的電機。

圖6 翻板閥結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of flap valve structure

3.3 傳送機構設計

傳送機構用于傳送工件至預定位置，分布在真空室進出口和真空室內。傳送結構需要滿足的條件如下：（1）盡可能降低結構對抽氣效果的影響；（2）傳動速度較快，響應靈敏；（3）傳動穩定；（4）耐一定的高溫。倍速鏈輸送機具有運行穩定、持久，設計靈活、多樣化等一些獨特的特性[5]，適合產品大批量連續生產的優點，滿足上述要求。

本設計中，倍速鏈主要由以下幾部分構成：倍速鏈鏈輪，倍速鏈鏈條，旋轉軸，軸承，軸承支座以及鋁型材，如圖7 所示。旋轉軸在外部與動力源相接，通過動密封連接接入真空室，內部通過軸承-軸承支座將倍速鏈鏈輪架起，將鋁型材連接、支撐、固定，使其承載的鏈條軌跡與鏈輪分度圓相切，通過托架承載工件進給。

圖7 倍速鏈傳送機構示意圖Fig.7 Schematic diagram of double-speed chain transmission mechanism

4 溫度場仿真試驗

由于潤滑油依附在翅片上的不規律性，以及冷凝器翅片本身排布密集，導致含油的冷凝器模型既不準確，又會非常復雜，因此建立完整的仿真模型去模擬真實的除油過程變得極為繁瑣。根據文獻[6]的實驗結論，推得當溫度在70℃時，潤滑油的飽和蒸氣壓約為63.37Pa，因此若將最低溫度控制在70℃以上，則抽至該壓強時，油就會被蒸發進而被抽走，達到除油目的。建立含熱源的真空腔與簡化翅片模型，采用Fluent 中的Do 模型，對其進行溫度場仿真。結果如圖8、9 所示。

圖8 翅片所處平面溫度場圖Fig.8 Temperature field diagram of the fin plane

圖9 真空腔溫度場分布圖Fig.9 Vacuum chamber temperature field distribution diagram

由以上溫度場仿真結果可得知：（1）翅片所處的溫度最低在70℃以上，且最高溫不超過200℃，既能保證油液可以蒸發，又可以保證翅片不會因高溫變形；（2）整個真空腔的溫度在70℃以內，可以認為蒸發出的翅片油不會重新凝結在真空室的某一點。基于上述判斷，可認為該裝置可實現翅片油的去除功能。

5 總結

針對空調冷凝器殘余沖壓油除油工藝提出了一種連續式真空干燥除油方法。確定了基于分段式真空的真空干燥除油系統原理圖，并提供了對應的工藝方案；對真空獲得設備進行計算，通過殘余油量推算出了排氣流量，結合工藝方案的時間要求確定了抽氣機組選型；對真空腔室的殼體和其他核心部件進行了設計，并進行了相關的模擬、計算；對真空腔流體域進行了溫度場仿真試驗，證明了除油的可靠性，滿足了自動化、高效、環保的除油工藝要求。