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真空箱氦檢漏及回收系統在汽車空調的應用

真空箱氦檢漏及回收系統在汽車空調的應用

閏尚彬

(北京中科科美真空技術有限責任公司

 

摘要:確保汽車空調的制冷效果和使用壽命,汽車空調的蒸發器和冷凝器(通稱“兩器”)的檢漏是不可少的,傳統的檢漏方法,由于其靈敏度低,使用煩雜,工作強度大等因素,已被高靈敏度、規范化、效率高的真空檢漏技術——氦充氣回收檢漏系統所代替,并取得理想的效果。

關鍵詞:氦檢漏 冷凝器 蒸發器 氦回收

隨著國內汽車工業的蓬勃發展,國家和制冷行業對汽車空調兩器-冷凝器、蒸發器的年泄露量有嚴格要求。傳統的水檢方式精度低、誤判率高,已經不能滿足現代汽車空調檢測標準的要求。而氦質譜檢漏法具有檢漏精度高、誤判率低、清潔環保等優點,日益受到業內的廣泛關注和認可,并有逐步取代水檢的趨勢。北京中科科儀是國內最早從事氦質譜儀研發與生產的廠家,為滿足現代汽車空調兩器的檢測要求,自主研發生產了真空箱氦檢漏及回收系統,并廣泛的應用于國內諸多兩器生產廠家。本文簡要介紹了該系統的設計原理及其在汽車空調上的應用。

1 水檢和氦檢兩種檢漏方法的分析

目前,水檢和氦檢兩種檢漏方法國內汽車空調兩器檢漏最主要的方法,下面將分析兩種檢漏方法的優缺點。

1.1 傳統水泡法檢測分析

水泡檢漏法,屬于檢測精度要求不高的粗檢漏,就是將被檢工件充入一定壓力的干燥壓縮空氣或者是氮氣然后放入水中觀察是否有氣泡從被檢工件中跑出來如果有則說明漏而且指出什么位置泄漏,一般只確定被檢件是漏還是不漏,而不需定量。但并不是說氣泡檢漏就不能定量。在某些情況下,氣泡檢漏也可以定量。

檢出氣泡的漏率與氣泡直徑、氣泡形成速率、充氣的種類有關。設充入的示漏氣體為空氣,漏率Qi可以用下列公式(1)算出:

                                                  (1)

式中  Qi一在壓力pt下對示漏氣體i的漏率,Pa·m3/s;

      D—氣泡的直徑,m;

      n一氣泡形成速率,s-1

      pF一示漏液體表面的大氣壓力,Pa;

    空氣在標準狀態(0℃、101325Pa)下,氣泡尺寸、冒泡間隔時間、漏率之間的關系參見表1。

通過表1分析,可以看到要檢測到漏率為1.0×10-6 Pm3/s的漏率,相當于冷凝器泄露2克/年,觀察一個氣泡時間至少需要52秒。

因此,對于空調兩器檢漏來說,采用水檢方法,靈敏度較低。受人為因素影響,漏判誤判率會明顯增加。另外,工件水檢后,外表面有水需烘干處理耗電多,耗費勞動力也多。但水檢法也有優點,就是操作簡單直觀,而且能夠查找漏點位置。

表1  冒泡間隔時間與氣泡尺寸、漏率關系

漏率Pa m3/s

1×10 -2

1×10 -3

1×10 -4

1×10 -5

1×10 -6

1×10 -7

冒泡間隔時間

s

ф1mm

氣泡

 

0.05s

0.5s

5.2s

52s

524s

ф2mm

氣泡

0.04s

0.4s

4.2s

42s

419s

4189s

(1.16h)

ф3mm

氣泡

0.14s

1.4s

14.1s

141s

1414s

(0.4h)

14137s

(3.9h)

1cm3

氣泡

10s

102s

103s

(0.28h)

104s

(2.78h)

105s

(27.8h)

106s

(11.6d)

1.2 氦質譜檢漏方法分析

氦質譜檢漏是以氦作探索氣體,對各種需密封的容器的漏隙進行快速定位和定量檢測的理想方法。氦質譜檢漏法有優點在于:①氦是惰性氣體,對大氣無污染,使用安全;②氦原子質量小,黏度小,易滲透過可能存在的漏隙。③氦氣在大氣中含量小(5ppm),不易受干擾。④氦質譜檢漏儀檢測靈敏度高,速度快,適用范圍廣;

目前國內生產氦質譜檢漏儀最小可檢漏率可達到5.0×10-12 Pa·m3/s,如北京中科科儀生產的542檢漏儀。國外檢漏儀最小可檢漏率最高可達到5.0×10-13Pa·m3/s,如德國Inficon,法國阿爾卡特等。

目前,國內外比較流行的針對空調兩器檢漏方法,多采用真空箱法。后續將著重介紹真空箱法檢漏在空調兩器檢測方面的應用。

2 汽車空調兩器檢測要求

2.1 空調兩器實際工況

 (1)空調兩器工作介質:氟利昂或者碳氫化合物作為制冷劑工作于汽車空調內部,目前比較流行使用R134a作為汽車空調的制冷劑。

(2)壓力范圍:不同規格的空調兩器最高工作范圍在2.0~3.5MPa之間,正常工作壓力在0.8~2.0MPa之間。注:特殊情況除外。

 (3)氣密性要求:對于兩器產品,充注一定壓力R134a制冷劑,泄露量小于2克/年。

(4) 耐壓要求:對產品加壓到實驗壓力,保壓一段時間,降到常壓,經檢查無泄漏和異常變形。

2.2 空調兩器氦檢漏基本要求

(1)耐壓測試要求:一般兩器在執行氦檢漏之前會充注一定壓力(一般不超過3.5MPa)的高純氮氣或者干燥的壓縮空氣,對工件作耐壓測試,如果不出現明顯變形及大漏,再執行氦檢測工藝。

(2)氦檢測精度要求:由于不同生產企業對產品的檢測要求不盡相同,但一般都會遵循行業標準,或比行業標準要求稍高。通常“兩器”檢測標準不會超過1克/年。

(3)檢測節拍要求:據調查一般的兩器生產廠家年產量都會在十萬只以上,要實現所有產品全部使用氦檢測,就要求氦檢測節拍越快越好。中科科美生產的氦檢系統,針對冷凝器檢漏節拍在40秒/件,針對蒸發器檢漏可達20秒每件;

(4)氦氣回收要求:氦檢漏系統使用氦氣作為示蹤氣體,由于氦氣比較貴重,如果直接排放,必然導致檢測成本的大幅增加。因此,一般廠家都會要求氦氣可回收,即循環利用。KYKY生產的氦檢系統,氦氣回收率可達95%以上。

3 真空箱氦檢漏及回收系統工作原理及構成

3.1 真空箱氦檢漏及回收系統基本原理

 

圖一 雙工位氦檢漏及回收系統工作原理圖

 

                                        圖二 雙工位氦檢漏及回收系統實物圖

采用背壓法對被檢工件進行漏率檢測,并對氦氣進行回收利用。首先對被檢工件放入真空箱內,充入一定壓強的氮氣,作耐壓測試,通過保壓判斷壓降確定是否有大漏;然后對被檢工件抽空后充入一定壓強的氦氣,真空箱與檢漏儀的檢漏口相接,若被檢工件有泄漏,則漏入真空箱的氦氣可通過檢漏儀測出。與被檢工件相連的是充氣回收裝置,在檢漏前后分別實現氦氣的充注和回收。

為滿足工業現場快節奏檢測節拍、充分利用資源、節約設備制造成本。系統采用雙工位設計,系統原理簡圖如圖一所示,兩個工位共用一套粗抽機組、精抽機組、檢漏儀、耐壓測試單元、工件抽空單元、氦氣充注及回收單元。兩個工位可交替執行不同工藝流程,比如一個工位在檢漏時,另一個工位可執行抽空、檢漏等步序。根據此原理,我們設計雙工位氦檢漏系統如圖二。

3.2雙工位氦檢漏系統構成

(1)粗抽機組:一般采用旋片泵或者滑閥泵作為粗抽真空使用,獲得從一個大氣壓到千帕級真空,并為后續精抽真空作準備。

(2)精抽機組:一般采用羅茨泵作為精抽真空使用,獲得檢漏要求的真空,一般為5Pa左右。

(3)檢漏儀:是檢漏系統中的核心部件,檢漏儀執行檢漏工作時,給出工件泄露量大小,并判斷工件是否合格,輸出控制信號。

(4)耐壓測試單元:通過向工件內充注高壓氣體,一方面測試工件的耐壓性能。另一方面通過平衡、保壓過程,有傳感器感測壓力差,并由控制系統經過計算分析判斷是否有大漏。

(5)工件抽空單元:為保證氦氣有循環過程中氦氣的純度,在向工件充注氦氣之前,抽出工件內的空氣。

(6)氦氣充注及回收單元:

氦氣充注及回收單元工作流程見圖三。充氦過程為:對被檢工件抽空后,開V1,對工件充氦氣到規定壓力后關V1。檢完漏后,V2開,工件內氦氣自動流入回收罐。然后V2關,V3開,機械泵抽出工件內剩余氦氣并送入回收罐。同時主壓縮機將回收罐內的氦氣壓縮至儲氣罐。因為氦氣在檢測過程中會有損耗,所以當儲氣罐內壓力低于規定值時,需開V6,補充氦氣,以保持儲氣罐內的氦氣有足夠的壓力和濃度。

 

圖三、氦氣充注及回收單元原理圖

4 真空箱氦檢漏及回收系統設計關鍵技術

(1)真空箱體設計:首先、要保證箱體在抽真空過程中受力發生非彈性形變,造成箱體開裂。第二、要保證良好的氣密性,真空箱一般是焊接成型,根據真空系統要求,焊縫無氣孔、接痕, 表面光滑, 焊后焊縫表面磨光, 最后同箱體板一起拋光。這樣處理的箱體內表面光潔, 表面藏氣較少。第三、真空箱門開合自如,開合過程中不剮傷箱體密封圈,為提高箱體密封圈的使用壽命,設計時盡量考慮使密封圈在垂直箱體法蘭面方向上受力,盡量避免斜向受力。

(2)真空管路設計:真空管路設計首先要考慮管道流導要與真空泵的抽速相匹配,避免大馬拉小車現象。

(3)檢漏系統設計:首先、系統應具備檢測大漏、中漏、微漏功能,系統一但出現大漏應立即中止檢漏并給出報警,防止出現大漏后,繼續執行氦檢工藝, 造成系統累積大量氦氣而無法清除,也即是出現“氦中毒”現象。其次、一但出現大漏,應有清氦措施,最大程度的清除氦本底。

(4)氦氣充注及回收設計:首先、務必保證安全問題,因為涉及到高壓氣體,因此儲氣罐務必設置安全閥及壓力適時檢測裝置,保證壓力容器安全。第二、壓力管道務必密封良好,防止充氣及回收過程中空氣混入到系統中,造成氦氣純度下降。第三、需要有氦氣濃度檢測裝置,保證在氦氣壓力及純度達不到要求時,補充新鮮的氦氣。第四、具備慮油裝置,防止氦氣增壓泵以及真空泵中的油蒸汽進入氣罐,污染系統。

(5)抽空系統設計:抽空系統設計應本著適度、夠用、滿足需求原則。系統冗余過大,會導致制造成本偏高,也不離于節能環保。

5 真空箱氦檢漏系統在兩器使用經驗

5.1 實際產品漏率報警閾值的設定

在對空調兩器檢測時,對產品報廢點的設置非常關鍵,指標要求過高,將會帶來大批量產品不合格,太低又保證不了產品質量。正確確定產品的報警點需要以下步驟: 

(1) 將冷媒漏率換算成氣體漏率

在對空調兩器進行泄露檢測時,常使用氣體取代制冷劑進行泄露檢測,因此,需要將液體漏率與氣體漏率之間作一個等效轉換。

1) 首先制冷劑液體漏率轉變為氣體漏率:

3) 確定系統的分流因子

在實際檢漏時,由于有輔抽泵及其他因素的影響,并非所有的氦氣都進入到氦檢漏儀,因此,氦氣存在一定的程度的分流。也就是說檢漏儀指示漏率并非工件的實際漏率。要測定系統的分流因子,需要執行以下步驟。

將儀器調整至最佳工作狀態,將一個已知漏率(Q1)的標準漏孔置于真空箱內,開啟系統,觀察檢漏儀指示漏率(Q2),則系統的分流Q3= Q1/ Q2。

4)確定系統的報警點

根據本節2)所得等效氦氣漏率和3)所得系統分流因子,即可確定工件的報警點:

Q= QHe/Q3。

5.2 氦檢漏系統校準

氦檢漏系統在使用一段時間后,檢漏儀可能由于環境等其他因素的影響,系統檢測漏率會出現漂移。因此,需要定期對系統校準。系統校準分為內部校準和外部校準。

1)內部校準

內部校準即是對檢漏儀自身的校準,執行內部校準需要準備一個漏率已知的標準漏孔對檢漏儀進行校準。由于每款檢漏儀校準方法各不相同,限于篇幅,本文不作詳述。值得一提的是,一些檢漏儀會內置標準漏孔。內置標準漏孔在使用一段時間后,漏率會衰減。因此需要找專門計量單位對內置漏孔進行校準,通常漏孔每年校準一次。

2)外部校準

外部校準即是對整個檢漏系統校準,系統使用一段時間后,系統的分流因子可能會發生改變,因此需要定期使用標準漏孔來校準系統,以確定分流比是否已經改變。如果改變需要適當調整系統的報警點。

5.4 其它使用注意事項

1)一些用戶在使用氦檢漏系統時希望每個箱體一次檢測多個工件,以提高檢測效率。這樣做會有潛在的風險。一是可能存在累積效應,即多個工件累積漏率可能超過報警點,而實際單個工件在許可范圍內合格。二是一旦不合格需要單個重檢,要耗費公司。每個箱體一次檢測多個工件的基礎在于工件的合格率在90%以上,而且工件品質較好。

2)由于氦檢漏系統屬于一種精密檢測儀器,對使用環境要求相對苛刻。一是要求工件清潔干燥。二是要求環境溫度不能過高、濕度也不能過大。

3)為保證系統使用壽命和穩定運行,系統需要定期維護。比如更換泵油、清潔管道、更換配件等。條件不具備時,須請廠家技術人員作定期保養。

6 結語

綜上所述,氦質譜檢漏技術作為一種新型的檢漏技術,精度高、穩定可靠、清潔環保。

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