翅片式换热器检漏工艺及其自动化研究

摘 要：通过对空调部件翅片式换热器制造工艺的介绍以及对其制造过程中检漏工艺方法参数的分析、计算以及制造装备的设计，确定出翅片式换热器检漏工艺使用真空箱氦检法，可以高效、精确地进行检测;同时将其与自动化生产方式进行关系研究，探索两者之间的依赖关系，实现了生产过程的自动化。

关键词：翅片式换热器;检漏;气密性检测;真空箱氦检;自动化

0 引言

随着人们生活水平以及对生活质量要求的不断提高，空调已经成为千家万户必不可少的一种生活电器。同时，随着信息化的不断发展，数据中心对工业空调的需求也有了突飞猛进的增长。近十年间，我国已经成为全球最大的空调生产国。空调主要由压缩机、蒸发器、节流装置、冷凝器四大核心零部件组成，通过系统管路、控制阀门等连接起来。翅片式换热器是空冷式蒸发器及冷凝器的主要形式之一，其制造水平对空调能效比起到重要作用，而泄漏是空调的一种常见故障，导致泄漏故障的主要因素集中在管路焊接与换热器制造环节，焊接泄漏会导致产品气密性下降，所以翅片式换热器整体的气密性检测成为空调生产制造过程中的重中之重，其工艺方法是保障整个换热器质量的基础，此工序的精确性、稳定性、自动化程度将直接影响整个产品的制造能力与水平。

1 翅片式换热器常见检漏工艺及方法

翅片式换热器是在制冷系统中通过吸热使制冷剂液体汽化的部件，由翅片、管簇、侧板、分液器、集管和毛细管组成[1]，热泵运行时作风冷冷凝器。翅片按规定的片距套入管簇，用胀管法使管簇紧密结合。在生产制造过程中，需要经过冲片、弯管、装配、胀管、烘干、管路装配焊接、检漏7道工序，检漏工序作为最后一道工序是验证产品制造质量的关键。翅片式换热器通用的检漏工艺方法根据被测工件内压力特性，可分为充压检漏法、真空检漏法及其他检漏法。在空调行业较为常见的方法有充压检漏法中的液压压降检漏法、气压气泡检漏法、氦质谱吸枪检漏法、真空箱氦检法等。这些检漏方法各有其优缺点，在选取检漏方法时要考虑以下基本原则：检漏灵敏度要求，检漏反应时间要求，定位、定量要求，无损检测要求等[2]。液压压降检漏法及气压气泡检漏法检漏精度较低，仅能达到1×10-4 Pa·m3/s;氦质谱吸枪检漏法效率较低，仅为其他检漏方式效率的1/10。根据翅片式换热器的设计要求及制造效率要求，要实现高精度、高节拍、自动化，必须选用检漏灵敏度高、反应时间短、方便实现自动化的检漏方法，所以真空箱氦检法成为空调制造中主要的检漏工艺方法。

2 检漏整体方案设计

2.1    检漏工艺流程设计

在进行工艺方法及生产流程设计时，首先需要分析产品的结构特点，其次需要分析生产制造节拍的要求，综合各因素设计生产工艺及流程。根据不同的检漏技术优缺点，在空调生产中的不同工序综合使用多种检漏方法，才能有效保证系统的密封性及生产可操作性[3]。可采用真空箱氦检法，结合真空检漏法与氦质谱检漏法的优点进行密封性测试。翅片式换热器密封性能试验主要包含耐压强度试验及气密试验，两项试验可一次性完成，否则应先做耐压试验，后做密封性检查。在生产制造过程中，往往将这两项试验结合，以提高生产节拍。耐压试验通过在翅片式换热器中充入干燥的高压空气或氮气等稀有气体，以检测其承压能力。气密性试验基于氦质谱检漏特性，根据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直径来实现异种离子的分离，将被检工件抽真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的真空箱，真空箱与氦质谱检漏仪漏口对接[4]，通过氦气特性进行泄漏率的检测。真空箱氦检法作为生产过程中主要的检漏方法，除了可以满足高精度的检漏要求外，还可与自动化流水线有机结合，实现自动输送、自动检漏的生产过程。生产工艺流程设计主要包括：安装密封快速接头—充注高压气体—保压判断压降—气体排空—工件抽真空—工件自动充注氦气—工件进入真空箱—真空箱抽真空—工件氦质谱检漏—真空箱空气回填—工件输出真空箱—工件氦气回收—拆除快速接头。通过以上动作循环，可实现自动化检漏全过程。

2.2    检漏工艺装备设计

真空箱氦檢漏设备是将工件置于真空箱内，通过系统管路及快速接头与被检产品相连接，经过系统自动测试对泄漏率进行判断。设备主要由高压检大漏系统、充注回收系统、真空箱检漏系统、自动输送系统、电控系统组成，整体系统图如图1所示。电控系统为整机的中控系统，由PLC、触摸屏、强电系统、弱电控制系统等构成，其功能为按照PLC系统预设逻辑程序，根据生产流程，实现自动控制、自动检测。

各系统的设计要求及特点如下：

（1）高压检大漏系统由高压气体控制阀、压降检测装置、排空系统、管路系统等组成，其功能为对工件进行耐压测试及大漏测试。系统充入高压气体，达到设定数值后停止，同时关闭阀门，放置1～3 min，在放置时间内，如果压力急剧下降，超出设定值，判断为泄漏率较高;如果压力没有较大变化，判断为泄漏率较低。

高压检漏平均泄漏率Q的计算公式如下：

式中：P1为充入高压气体压力;P2为放置t时间后压力;V为被检工件容积;t为放置时间。

（2）因氦气的价值较高，为降低成本，利用回收系统实现氦气的再循环利用。如图2所示，充注回收系统由真空泵、回收泵、压缩机、储氦罐、氦浓度计、管路系统等构成，其功能为对工件实现自动预抽、充氦气和氦气回收。

（3）真空箱检漏系统由真空泵组、真空箱、真空阀门、真空计、氦质谱检漏仪、校准单元、管路系统构成，其功能为对由工件泄漏入真空箱的氦气进行检测，使用校准单元对检测数据进行标定，根据检测结果，自动对工件泄漏率进行判断。

根据阿伏加德罗定律，在标准状态下，气体泄漏率Q为：

式中：标准状态下P0=1.01×105 Pa;标准摩尔体积Vm=2.24×10-2 m3/mol;g为工件年泄漏率;T为环境温度;T0=0 ℃（273.15 K）;Ma为气体分子量。

根据《蒙特利尔公约》要求，2030年R22冷媒将被停用，按目前的市场发展趋势来看，其將会被R32所替代。本文就以R32冷媒，20 ℃（293.15 K）环境温度，2g的年泄漏率作为标准来计算Q：

其中R32冷媒分子量为52.02。

在常压或正压力下，漏孔泄漏的气流为粘滞流，即流量与压力平方成正比，与流过物质的粘度系数成反比[5]，转化的氦气泄漏率QHe为：

式中：C为氦气浓度;QR32为R32制冷剂泄漏率;ηR32为R32粘度系数;ηHe为氦气粘度系数;P2、P1为充氦的高压侧和低压侧压力（绝压）;P4、P3为工件工作时冷媒系统高压侧和低压侧压力（绝压）。

各换热器生产商因工件工作压力不同，使用氦气浓度、氦气检漏压力不同，故需要依据自身需求进行计算，然后使用标准漏孔进行标定及修正，消除系统管路及制造精度导致的偏差。

在实际生产过程中，采用真空箱氦检法，可以快速准确地确定整体泄漏率，同时通过全自动化的流水线，将整个生产流程连接起来，实现自动化生产。但真空箱氦检法自身也存在无法测试具体泄漏点的缺陷，对于返修产品，需要通过氦质谱吸枪检漏法进行泄漏点的确认。

3 结语

真空箱氦检法是翅片式换热器检漏的重要方法之一，利用专用设备可以准确、高效地进行自动化检漏，保证产品生产质量的稳定性。

[参考文献]

[1] 氟利昂制冷装置用翅片式换热器：JB/T 7659.5—1995[S].

[2] 张春元，黄本诚，许忠旭，等.试验设备检漏技术[J].中国空间科学技术，2002，22（3）：49-55.

[3] 朱璐璐.浅谈空调器生产过程中的检漏技术与方法[J].科技与企业，2013（14）：280.

[4] 李俊锋，谢璐璐.浅谈汽车空调氦检原理及漏率计算[J].汽车零部件，2016（6）：74-77.

[5] 赵琪.充氦检漏装置的研究与实现[D].北京：中国科学院大学，2014.

收稿日期：2021-08-24

作者简介：何冬明（1982—），男，陕西子洲人，机电工程师，研究方向：自动化装备工艺及制造方法。