浅谈汽车空调氦检原理及漏率计算

李俊锋，谢璐璐

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

浅谈汽车空调氦检原理及漏率计算

李俊锋，谢璐璐

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

通过分析氦检的原理、各种检漏方式的优劣等来说明汽车空调制造商在生产制造过程中为什么选择氦检、如何将氦检运用到生产实际当中，以及详细讲述汽车氦检漏率的计算过程、氦检设备报警点限值的设定和设备的校准管理等。

汽车空调；氦检；漏率计算

0 引言

氦检是汽车空调生产制造中一项先进的常用的检漏技术。为确保汽车空调的制冷效果和使用寿命，汽车空调的蒸发器、冷凝器、压缩机等的检漏是不可少的。传统的检漏方法，如水检法、卤素法、肥皂泡法、静态升压法等，由于灵敏度低、使用繁杂、工作强度大等已被高灵敏度、规范化、效率高的真空检漏技术——氦检所替代并取得理想的效果。

1 氦检简要介绍及与不同检漏技术的比较

1.1 氦检简介

氦质谱检漏仪是根据质谱学原理，用氦气作示漏气体制成的气密性检测仪器，由离子源、分析器、收集器、冷阴极电离规组成的质谱室和抽气系统及电气部分等组成。质谱室里的灯丝发射出来的电子，在室内来回地振荡，并与室内气体和经漏孔进入室内的氦气相互碰撞使其电离成正离子，这些氦离子在加速电场作用下进入磁场，由于洛伦兹力作用产生偏转，形成圆弧形轨道，改变加速电压可使不同质量的离子通过磁场和接收缝到达接收极而被检测。

1.2 不同检漏技术的比较

一般情况下，检漏技术包含有静态升压法、肥皂泡沫法、水检气泡法 和氦检漏法等等。表1是几种不同检漏方法的优劣对比。

表1 不同检漏方法优劣比较

氦在空气中含量极微，仅5×10-6，由于本底低，干扰小，同时氦分子直径小，质量轻，穿透力强并且扩散快，有利于对微小泄漏进行高精度检测。而且，氦属于惰性气体，化学性质稳定，无毒害，吸附性低，不污染检测设备的真空系统，操作安全可靠。另外，它消除了水泡检漏法检漏灵敏度低、判断较为困难、误判较多的缺点；也消除了卤素检漏法易受干扰、维护费用较高、只能检测单个漏孔等缺点。反观氦气检漏确有许多优点：检漏灵敏度高、准确、清洁无腐、不受干扰、显示直观明确等。氦充气回收检漏系统(以下简称氦检系统)在汽车空调蒸发器、冷凝器和压缩机检漏上在拥有氦气检漏普遍优点的同时，更具备操作方便、工作节拍快、误判率低等独有特点。

因此，氦质谱检漏技术逐渐得到推广和重视，成为汽车空调检漏测试中不可缺少的一种技术，

2 氦检工作原理以及漏率的转换计算

2.1 氦检工作原理

一般都是采用氦检漏仪进行氦检，其基本原理就是根据离子在垂直于磁场平面中运动时不同质荷比的离子具有不同的偏转半径来实现异种离子的分离，对被检工件抽空后充入一定压强的氦气，被检工件外面是具有一定真空度要求的真空箱，真空箱与氦质谱检漏仪检漏口相接。若被检工件有漏，则漏入真空箱的氦气可通过氦质谱检漏仪测出。与被检工件相连的是充气回收装置，在检漏前后分别实现氦气的充注和回收。

2.2 漏率转换和计算漏率的转换计算

(1)氦检检漏仪参数设定计算

1g/a的R134A 的泄漏量转换成气体漏率为7.6×10-7Pa·m3/s，根据阿伏伽德罗定律：在标准状态下(压力p0=1.013 25×105Pa，温度T0=273 K)，每1 mol气体的体积均为Vm=22.4 L。 所以，在室温(T=293 K)下，年泄漏率q(g/a)对应的气体漏率为：Q=p0VmqT/(MtT0) (单位Pa·m3/s)，M为1g R134A分子的体积，压缩机的冷媒为R134A，其分子量为102，因此，将1g/a的泄漏率转变成气体漏率即为：

Q=1.013 25×105×22.4×10-3×1×293/(102×60×60×24×365×273)=7.6×10-7Pa·m3/s

(2)将气体漏率转换成氦漏率

对于黏滞流，漏率与漏孔两边的压力平方差成正比，与氦浓度成正比。不同气体的漏率与气体的黏度系数成反比。由于检漏时工件充氦压力与工作时压力均为1.5 MPa，因此不用考虑压力因数。

所以，1g/a R134A对应的氦漏率：

式中：C为充入试件的氦浓度比(%)，纯氦气的理论值，通常设定为100%；QHe为检漏仪读出的氦漏率(Pa·m3/s)；QR134为试件工作时的制冷剂漏率(Pa·m3/s)；ηHe为氦气的黏度系数(1.86×10-5Pa·s)；ηR134A为制冷剂R134A的黏度系数(1.21×10-5Pa·s)；p2、p1分别为试件充氦时的高压侧压力和低压侧压力(绝压)；p4、p3分别为试件工作时，高压侧压力和低压侧压力(绝压)。

则1 g/a R134A对应的氦漏率：

(3)故N g/a R134A对应的氦漏率QN=N×5×10-7Pa·m3/s，若产品要求2 g/a，那么R134A对应的氦漏率Q2=2×5×10-7Pa·m3/s=1.0×10-6Pa·m3/s。

3 报警点限值的设定和氦检设备的校准

3.1 报警点限值的设定

在日常生产中，通常都会根据产品的设计技术要求以及氦检设备的有关参数来制定生产工艺过程指导书；或者直接根据产品来设定氦检工位的检漏值。通常当被测样件超出限值，设备就会自动报警，闪红灯进行提示。

但是又该如何来设定这个限值λlim呢？在实际生产中，不仅要考虑氦检检漏仪的参数，还得结合设备的分流比K(设备固有的参数，由设备厂家提供)和考虑氦气使用过程中的浓度值a(可设定为80%或60%)。假定某设备的分流比是750，设定其氦气控制浓度为80%，故：

λlim=(α/K)·a=(1.0×10-6/750)×80%=1.06×10-8Pa·m3/s式中：α为漏孔漏率。故氦检检漏仪参数应设为: 1×10-8Pa·m3/s

注意：分流比是由于检漏时检漏泵组和检漏仪泵组同时参与了对箱体抽空，所以氦气一部分被检漏泵抽走，只有一小部分氦气流往检漏仪，这两部分气体的比例和泵组的抽速成比例，称为分压比/分流比。

3.2 氦检设备的校准

同时，随着检漏设备在生产过程中消耗折损，其准确度也会有所偏差，如第3.1节中提及的分流比为750，这个也不是一成不变的，也会随着设备的使用或折旧而不停地发生变化。所以，为了确保检漏的准确性，在日常生产过程中，不仅需要加强设备的维护保养，也需要定期对设备的参数进行校准和确认。

3.2.1 标准漏孔

首先来了解一下标准漏孔。

标准漏孔包括一被测气体不可渗透的薄膜及形成于该薄膜内预定数目的通孔;通孔具有预定尺寸孔径，该孔径范围为纳米级。此处所提到的标准漏孔，由于通孔的形状标准，尺寸及数目都可预定，且孔径大小达纳米级，因此可用真空科学的经典理论计算直接得出其漏率值，可自定标;且漏率范围较宽，可实现超微小漏率的检测，解决了现有技术中标准漏孔的漏率必须借助其他设备进行标定、漏率范围较窄等不足。图1所示就是常用的标准漏孔之一，上面有压力指示表、校准漏孔等，设备简易，操作方便。

3.2.2 通过标准漏孔进行校准的方法

根据标准漏孔压力和漏率的对照表，通过调整标准漏孔出气压力，使之等于产品的氦漏率，若产品要求2g/a，那么R134A对应的氦漏率为1.0×10-6Pa·m3/s，那么就可以将标准孔出气压力设定为1.0×10-6Pa·m3/s，再对比标准漏孔曲线图，当标准漏孔压力调整至1×105Pa时，标准漏孔的实际漏率即为1.0×10-6Pa·m3/s。

然后，将标准漏孔压力调整至1.0×105Pa后，将之置于真空氦检设备的真空箱中，分别对3个箱体进行5次检测(原则上，这15个值不得出现离散异常)，取3个箱体的检测漏率的最小值Qmin为该设备校准后的漏率值。这种方法在生产制造工厂中常用，因氦检设备和仪器较多，通过比较找到Qmin从而加严所有设备的工艺控制参数。

3.2.3 通过标准漏孔进行绝对校准方法

另外还有一种比较准确的绝对校准方法，参照图2开展。常用的定容法，即直接测量密封容积V中，因被校准漏孔漏气而引起压力p随时间t的变化率Q=d(pV)/dt，从而得到被校漏孔的漏率。根据下面的公式即可计算得到校准后的漏率值：

QL=(UL/Ur)·Qr

式中：QL为被校准漏孔的漏率；Qr为供参考漏孔的漏率；Ur为供参考漏孔在氦质谱检漏仪上的指示值；UL为被校准漏孔在氦质谱检漏仪上的指示值。

这种校准方法，操作简单，实效。其校准精度满足基层检漏设备精度的要求，一般都用这种校准方式进行量值溯源。

4 氦检在汽车空调检漏上的应用

随着汽车行业的迅猛发展，汽车空调行业对氦检的需求越来越大，对氦检的性能指标要求越来越高。尤其是汽车空调蒸发器、冷凝器、压缩机、储液罐和管路等零部件的检漏要求和特点，越来越多的汽配制造企业或工厂在生产过程中采用了不同的氦检设备进行检漏测试和质量控制。在部件分总成和总成零件的生产线盘都设置有氦检工序，并标识为关键工序，另外部分企业在总成包装发运前还会再次进行检测确认，加强质量管控。

图3为氦检在生产过程中的实际应用，这是在芯体使用氦检，而图4则是总成控制的操作界面和参数监控屏幕。在图4中还能看到在生产过程中常用的氦检质量防错门，如果在生产过程中检测漏率超过限值，不仅设备会自动报警，这个防错门还要求将其检测出的故障件放在防错门下，才能继续开展下一件检漏。这样就更为有效地做好质量管控，做到不传递不良品到下游工序。

氦检在生产运用中的关键控制点和实际运用如下所示：

(1)提高灵敏度

汽车空调氦检灵敏度高低主要取决于3个方面：检漏仪检测灵敏度、管路残留氦气、真空箱本底。针对这3个方面：

首先，在氦检系统中配置了高精度的检漏仪，如德国INFICON公司的LDS1000型检漏仪，该型号检漏仪最低可检漏率可达5×10-12Pa·m3/s，应用在汽车空调上的最低可检漏率可达1×10-10Pa·m3/s。而以汽车空调为例：泄漏量为5g/a对应的氦漏率为1×10-8Pa·m3/s，LDS1000型检漏仪实际最低可检漏率为1×10-10Pa·m3/s，比合格线漏率高两个量级，从检漏仪上保证了检测灵敏度。

其次，在氦检系统中，采用大抽速真空泵持续对管道进行抽真空，在系统运行间隙只关闭阀门，管道内的氦气能够被迅速抽走，不会影响检漏灵敏度。

另外，氦检系统采用拱形方箱，斜角开盖结构，令上一次检漏后残留在真空箱内的氦气在开盖更换工件时最大程度逸走，而在检漏过程中，将真空箱抽至10 Pa以下真空，保证检漏箱本体不会对检测灵敏度产生影响。

(2)加快检漏节拍

为了充分利用系统资源，提高工作效率，加快检漏节拍，将氦检系统进行优化配置，尽量采用通导大、可靠性高的真空阀门和抽速大、性能稳定的真空泵。另外，为充分糅合充氦回收和抽空检漏的时间，在抽件充氦的同时对真空箱抽真空，以达到节省时间、加快节拍的目的。目前实际生产线更多的氦检系统采用双真空箱设计，通过程序自动控制真空泵和阀门的转换，充分利用系统资源。如图5所示， 有左右两个检漏工位，但是一人操控，节省了人力的同时，更是节省了等待时间，进一步加快节拍和降低成本。

(3)降低成本

提高氦气回收率、减少氦气损耗是降低系统成本的有效措施，氦检系统从设备制作过程和运行过程上为用户节省成本。在制作上，从理论上保证氦气回收率，并用传感器检测，对于不需要精确显示氦气浓度的客户，不仅保证了氦气浓度，还节省了成本；另外，在运行过程中，充氦前对工件充分抽真空，检漏完毕后，再对工件充分回收，减少了氦气损耗，降低运行成本。

5 结束语

真空检漏技术为汽车工业许多零部件的检漏提供了灵敏可靠的检测手段，随着汽车工业的发展和真空检漏技术的不断进步、氦充气回收检漏设备的不断更新提高，真空检漏技术在汽车工业以及其他领域泄漏检测方面已经取得的主导地位，将继续扩大。

【1】GB/T21360 2008 汽车空调用制冷压缩机[S].

Theory of Automobile Air Conditioning Helium-test and Leakage Rate Calculation

LI Junfeng, XIE Lulu
( SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd.,Liuzhou Guangxi 545007,China )

Through analyzing the theory of helium-test，the pros and cons of various kinds of leak detection methods, why automobile air conditioning manufacturers chose helium-test in manufacturing process and how to apply the helium-test in actual production were described. And the leakage rate calculation process,the emergency alarm limit setting for helium leak rate test equipment, equipment calibration management were illustrated.

Automobile air conditioning; Helium-test; Leakage rate calculation

2016-05-11

李俊锋(1984—)，男，本科，研究方向为汽车零部件检测，实验室认可，标准化。E-mail：lijunfengguilin@126.com。

U463

B

1674-1986(2016)06-074-04