翅片式換熱器檢漏工藝及其自動化研究

摘 要：通過對空調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的分析、計算以及制造裝備的設計，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、精確地進行檢測;同時將其與自動化生產方式進行關系研究，探索兩者之間的依賴關系，實現了生產過程的自動化。

關鍵詞：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量要求的不斷提高，空調已經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展，數據中心對工業空調的需求也有了突飛猛進的增長。近十年間，我國已經成為全球最大的空調生產國。空調主要由壓縮機、蒸發器、節流裝置、冷凝器四大核心零部件組成，通過系統管路、控制閥門等連接起來。翅片式換熱器是空冷式蒸發器及冷凝器的主要形式之一，其制造水平對空調能效比起到重要作用，而泄漏是空調的一種常見故障，導致泄漏故障的主要因素集中在管路焊接與換熱器制造環節，焊接泄漏會導致產品氣密性下降，所以翅片式換熱器整體的氣密性檢測成為空調生產制造過程中的重中之重，其工藝方法是保障整個換熱器質量的基礎，此工序的精確性、穩定性、自動化程度將直接影響整個產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中通過吸熱使制冷劑液體汽化的部件，由翅片、管簇、側板、分液器、集管和毛細管組成[1]，熱泵運行時作風冷冷凝器。翅片按規定的片距套入管簇，用脹管法使管簇緊密結合。在生產制造過程中，需要經過沖片、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品制造質量的關鍵。翅片式換熱器通用的檢漏工藝方法根據被測工件內壓力特性，可分為充壓檢漏法、真空檢漏法及其他檢漏法。在空調行業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、氦質譜吸槍檢漏法、真空箱氦檢法等。這些檢漏方法各有其優缺點，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，僅能達到1×10-4 Pa·m3/s;氦質譜吸槍檢漏法效率較低，僅為其他檢漏方式效率的1/10。根據翅片式換熱器的設計要求及制造效率要求，要實現高精度、高節拍、自動化，必須選用檢漏靈敏度高、反應時間短、方便實現自動化的檢漏方法，所以真空箱氦檢法成為空調制造中主要的檢漏工藝方法。

2 檢漏整體方案設計

2.1 ? ?檢漏工藝流程設計

在進行工藝方法及生產流程設計時，首先需要分析產品的結構特點，其次需要分析生產制造節拍的要求，綜合各因素設計生產工藝及流程。根據不同的檢漏技術優缺點，在空調生產中的不同工序綜合使用多種檢漏方法，才能有效保證系統的密封性及生產可操作性[3]。可采用真空箱氦檢法，結合真空檢漏法與氦質譜檢漏法的優點進行密封性測試。翅片式換熱器密封性能試驗主要包含耐壓強度試驗及氣密試驗，兩項試驗可一次性完成，否則應先做耐壓試驗，后做密封性檢查。在生產制造過程中，往往將這兩項試驗結合，以提高生產節拍。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譜檢漏特性，根據在垂直于磁場平面中運動時不同質荷比的離子具有不同的偏轉直徑來實現異種離子的分離，將被檢工件抽真空后充入一定壓強的氦氣，被檢工件外面是具有一定真空度的真空箱，真空箱與氦質譜檢漏儀漏口對接[4]，通過氦氣特性進行泄漏率的檢測。真空箱氦檢法作為生產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結合，實現自動輸送、自動檢漏的生產過程。生產工藝流程設計主要包括：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—工件進入真空箱—真空箱抽真空—工件氦質譜檢漏—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，可實現自動化檢漏全過程。

2.2 ? ?檢漏工藝裝備設計

真空箱氦檢漏設備是將工件置于真空箱內，通過系統管路及快速接頭與被檢產品相連接，經過系統自動測試對泄漏率進行判斷。設備主要由高壓檢大漏系統、充注回收系統、真空箱檢漏系統、自動輸送系統、電控系統組成，整體系統圖如圖1所示。電控系統為整機的中控系統，由PLC、觸摸屏、強電系統、弱電控制系統等構成，其功能為按照PLC系統預設邏輯程序，根據生產流程，實現自動控制、自動檢測。

各系統的設計要求及特點如下：

（1）高壓檢大漏系統由高壓氣體控制閥、壓降檢測裝置、排空系統、管路系統等組成，其功能為對工件進行耐壓測試及大漏測試。系統充入高壓氣體，達到設定數值后停止，同時關閉閥門，放置1～3 min，在放置時間內，如果壓力急劇下降，超出設定值，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，利用回收系統實現氦氣的再循環利用。如圖2所示，充注回收系統由真空泵、回收泵、壓縮機、儲氦罐、氦濃度計、管路系統等構成，其功能為對工件實現自動預抽、充氦氣和氦氣回收。

（3）真空箱檢漏系統由真空泵組、真空箱、真空閥門、真空計、氦質譜檢漏儀、校準單元、管路系統構成，其功能為對由工件泄漏入真空箱的氦氣進行檢測，使用校準單元對檢測數據進行標定，根據檢測結果，自動對工件泄漏率進行判斷。

根據阿伏加德羅定律，在標準狀態下，氣體泄漏率Q為：

式中：標準狀態下P0=1.01×105 Pa;標準摩爾體積Vm=2.24×10-2 m3/mol;g為工件年泄漏率;T為環境溫度;T0=0 ℃（273.15 K）;Ma為氣體分子量。

根據《蒙特利爾公約》要求，2030年R22冷媒將被停用，按目前的市場發展趨勢來看，其將會被R32所替代。本文就以R32冷媒，20 ℃（293.15 K）環境溫度，2g的年泄漏率作為標準來計算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，與流過物質的粘度系數成反比[5]，轉化的氦氣泄漏率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;ηHe為氦氣粘度系數;P2、P1為充氦的高壓側和低壓側壓力（絕壓）;P4、P3為工件工作時冷媒系統高壓側和低壓側壓力（絕壓）。

各換熱器生產商因工件工作壓力不同，使用氦氣濃度、氦氣檢漏壓力不同，故需要依據自身需求進行計算，然后使用標準漏孔進行標定及修正，消除系統管路及制造精度導致的偏差。

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

3 結語

真空箱氦檢法是翅片式換熱器檢漏的重要方法之一，利用專用設備可以準確、高效地進行自動化檢漏，保證產品生產質量的穩定性。

[參考文獻]

[1] 氟利昂制冷裝置用翅片式換熱器：JB/T 7659.5—1995[S].

[2] 張春元，黃本誠，許忠旭，等.試驗設備檢漏技術[J].中國空間科學技術，2002，22（3）：49-55.

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

[4] 李俊鋒，謝璐璐.淺談汽車空調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[D].北京：中國科學院大學，2014.

收稿日期：2021-08-24

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