基于空调换热器密封技术研究与应用

张德付，吴晗，梁子文，李永民

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

空调换热器是空调器的核心部件，换热器的密封性直接影响空调换热器的换热效率，是决定空调器能效、能力及使用寿命的关键因素。

目前，公司及行业普遍采用传统丁基橡胶（俗称密封胶泥）+卡勾固定密封，员工手工装配，工艺方法落后，受材料特性、生产过程一致性、包装运输影响，密封胶泥脱落故障率≥300PPM，随产能增加，故障率程逐年增长趋势，密封胶泥脱落直接影响空调换热器的能效、能力、凝露、噪音等关键性能，产品可靠性难以满足产品质量及客户品质要求。

在密封材料方面，研究开发聚烯烃密封胶新材料，分别从材料可靠性、材料兼容性、高低温可靠性及空调产品性能可靠性、电器安全性能、运用DSC法对产品寿命进行研究、论证，行业首次成功应用。新材料的应用，粘接强度达到25N，与传统丁基橡胶提高700%以上，打破传统工艺材料的局限，彻底解决了传统胶泥脱落问题，故障率由整改前≥300PPM降低到了0PPM，实现零脱落、零故障的突破，提高产品质量可靠性及客户满意度。同时建立密封材料可靠性实验方法及公司级的企业标准，为公司产品可靠性、工艺技术变革奠定基础［1］。

1 密封材料选型开发

根据空调换热器密封性、可靠性、舒适性、性能要求及公司产品质量要求，确定密封胶选型技术条件。根据选型技术条件，结合生产工艺要求，从各类材料表干时间、固化时间、低温性能、高温性能四大维度进行分析选型［2］。研究组经过各种材料特性研究、分析对比，确立聚烯烃类密封胶作为研究开发对象，并进行可靠性研究。如图1为材料性能对比图。

图1 材料性能对比图

聚烯烃类密封胶是一种高分子热塑性密封胶，主要性能指标粘度、软化点、开放时间、固化时间、拉伸强度、断裂伸长率等。根据高分子材料老化原理，主要分为光老化、热老化，结合空调器产品使用工况、环境，分别展开验证研究。取样件分别对不同温度状态下进行测试，分别 持 续240H、480H、720H、960H、1200H、1440H后，验证样品是否存在老化、裂变等现象及性能变化。

经过长时间的高温持续性测试，胶品的外观色泽有轻微变黄、加深，没有出现老化、裂变等现象，物性指标之软化点、稀稠度、拉伸强度无明显变化，伸长率有一定的波动，但基本在300%以上。高温性能指标图如表1所示。

表1 高温性能指标图

经过长时间的低温持续性测试，胶品的外观色泽基本无明显变化，没有出现老化、裂变等现象。物性指标之软化点、稀稠度、拉伸强度无明显变化，伸长率会有一定的波动，但基本在300%以上。低温性能指标图如表2所示。

表2 低温性能指标图

根据DSC法工作原理，在化学反应动力学中，由反应速率方程及Amhenius方程，高分子材料老化方程为：

式中：τ，T分别表示材料的寿命(h)和老化温度(K)；a是与规定失效性能相关的常数；b(0.401E/R)是与活化能E有关的常数，R是气体常数(8.314J/(mol·K))。

根据DSC分析及相关研究表明：当温度≤80℃时，由式（1）可得：

根据研究表明，聚烯烃类材料热老化寿命常数a：

表3 聚烯烃类材料热老化寿命常数a

空调器制热工作极限温度约80℃，热老化寿命常数a=2.93 ，则材料有效寿命为有效寿命：

综上，根据高分子材料热老化、光老化可靠性试验验证及高分子材料有效寿命DSC法工作原理，聚烯烃材料有效寿命可达24年，远远大于空调器10年寿命，聚烯烃材料满足空调器的使用寿命十年品质可靠性要求。

2 密封胶可靠性研究

为确保密封胶的可靠性、密封胶与换热器翅片、铜管兼容性、密封胶与换热器粘接可靠性，研究组结合空调器产品使用工况、环境、空调器产品可靠性要求，分别展开验证研究。将密封胶在120℃恒温箱中，持续48H，胶不熔化，满足安全使用及质量要求［3］。将密封胶分别在-20℃、-30℃恒温试验箱内进行测试，持续48H，反复折弯多次，密封胶未出现硬脆、断裂，满足低温性能要求。将密封胶涂至蒸发器上，进行低温-30℃；高温：+85℃（湿度95%）工况中进行测试。循环周期：4H/次，实验周期：336H，密封胶未出现脱落、起翘、断裂、裂变等异常现象，满足要求。高低温可靠性实验如图4所示。

图4 高低温可靠性实验图

针对密封胶与铝箔、铜管兼容性进行研究，将密封胶分别涂在铜管、翅片铝箔上，置于高温100℃工况，周期720H，经金相分析铜管、铝箔无腐蚀，满足要求。将密封胶分别涂在铜管、翅片铝箔上置于60℃，湿度95%的工况，周期720H，金相分析铜管、铝箔无腐蚀，满足要求。将密封胶、铜管、铝箔进行环流水解（高温100℃加热240H，蚁巢）验证，无酸根离子产生，铜管、铝箔无腐蚀，满足要求。耐油实验如图5所示。

图5 耐油实验图

密封胶与换热器铝箔粘接强度直接影响粘接可靠性。研究组通过将密封胶涂敷至换热器上，密封胶渗入翅片1-2mm，密封胶固化后，采用拉力计进行测量，密封胶与换热器翅片的粘接强度≥25N，是传统密封胶泥（3N）的8倍。同时经高低温、跌落、随机振动可靠性验证，密封胶无脱落，粘接性能可靠。

3 密封技术方案设计

聚烯烃密封胶为热熔型固态密封胶，需采用设备熔胶，为解决涂胶一致性、稳定性，杜绝传统人工操作影响涂胶的一致性、可靠性。运用工艺创新理论，研究并开发了机器人自动涂胶密封技术、防倒片技术、信息化管理及设备防错技术，行业首次实现换热器自动送料、定位、检测、机器人自动取料、自动涂胶密封、自动下料、过程信息化管理的全流程自动化、信息化生产[4]。工艺技术变革，打破传统工艺局限，彻底消除传统工艺依靠人工手工装配，装配质量一致性受人为因素的影响，提高工艺方法稳定性、产品生产过程的可靠性。机器人自动密封仿真模型如图6所示。

图6 机器人自动密封仿真模型

自主开发机器人全自动密封技术，设备主要包括自动涂胶机器人、熔胶设备、自动送料机构、六轴机器人、下料机构、密封胶冷却机构等，实现蒸发器自动送料、检测、机器人自动取料、自动涂胶、自动下料全流程自动化生产。自主开发双手指蒸发器专用防倒片夹具和六轴机器人相结合技术，实现10大系列、不同角度蒸发器通用及自动抓取、自动涂胶、自动下料，全流程自动化生产，解决传统工艺生产劳动强度大、效率低问题。同时夹具夹持部分采用软体材料，有效解决了蒸发器倒片问题，实现零倒片，确保换热器质量一致性、换热可靠性［5］。机器人自动密封图如图7所示。

图7 机器人自动密封图

当胶机或机器人出现故障，通过声光报警器报警，机器人、线体同时停止工作，建立设备防火墙，有效避免因胶机故障导致涂胶异常及不良品流出。开发胶机工艺参数及设备故障显示、存储功能，设备异常报警后，故障信息直接显示显示屏，同时对故障代码、故障信息存储，实现信息化管理、追溯［6］。自主开发软件系统，实现胶量控制及加胶预警功能。当胶量低于胶桶容量1/2时提醒员工加胶，有效避免员工加胶不及时，影响熔胶、出胶、涂胶一致性及产品质量。

为有效对生产过程工艺、设备稳定性、一致性进行管理，确保涂胶的稳定性、可靠性。研究组自主研发信息化及防错技术，建立设备防火墙，有效杜绝设备异常导致的不良品流出，公司首次实现设备工艺参数自动监控、信息化、可视化管理，填补公司空白。应用信息化技术实现胶机变频器故障、高温保护、温控参数（胶桶、胶管、胶枪）自动检测、自动监控，设备或者涂胶工艺参数出现异常，触发报警系统，通过声光报警器报警，实现设备工艺参数自动监控、信息化、可视化管理。应用信息化技术，实现胶机、机器人、下料机构及线体之间联动，互锁。

4 结论

研究并开发了机器人自动涂胶密封技术、防倒片技术、信息化管理及设备防错技术，行业首次实现换热器自动送料、定位、检测、机器人自动取料、自动涂胶密封、自动下料、过程信息化管理的全流程自动化、信息化生产。机器人自动化技术应用，生产效率提高60%，全面应用格力集团直接减员100人。项目研究机器人自动化技术，发明专利行业可借鉴，促进产业自动化技术升级，行业具有很强的借鉴意义。

项目实施，新材料应用彻底解决了传统工艺胶泥脱落问题，故障率由整改前300PPM降低到了0PPM，实现零脱落、零故障的突破，提高产品的可靠性。同时新材料的应用，成本降低20%，直接经济效益750万元/年，总体经济效益约1000万元/年。产品质量、工艺技术实现质的飞跃，为公司产品开发、质量控制、工艺技术产业升级奠定基础，树立品牌形象、行业示范，公司及行业具有很强的借鉴、推广价值。