真空箱氦检漏及回收系统在汽车空调的应用

闰尚彬（北京中科科美科技股份有限公司） 摘要：确保汽车空调的制冷效果和使用寿命，汽车空调的蒸发器和冷凝器（通称“两器”）的检漏是不可少的，传统的检漏方法，由于其灵敏度低，使用烦杂，工作强度大等因素，已被高灵敏度、规范化、效率高的真空检漏技术——氦充气回收检漏系统所代替，并取得理想的效果。关键词：氦检漏 冷凝器 蒸发器 氦回收随着国内汽车工业的蓬勃发展，国家和制冷行业对汽车空调两器-冷凝器、蒸发器的年泄露量有严格要求。传统的水检方式精度低、误判率高，已经不能满足现代汽车空调检测标准的要求。而氦质谱检漏法具有检漏精度高、误判率低、清洁环保等优点，日益受到业内的广泛关注和认可，并有逐步取代水检的趋势。北京中科科仪是国内早从事氦质谱仪研发与生产的厂家，为满足现代汽车空调两器的检测要求，自主研发生产了真空箱氦检漏及回收系统，并广泛的应用于国内诸多两器生产厂家。本文简要介绍了该系统的设计原理及其在汽车空调上的应用。1 水检和氦检两种检漏方法的分析目前，水检和氦检两种检漏方法国内汽车空调两器检漏主要的方法，下面将分析两种检漏方法的优缺点。1.1 传统水泡法检测分析水泡检漏法，属于检测精度要求不高的粗检漏，就是将被检工件充入一定压力的干燥压缩空气或者是氮气，然后放入水中，观察是否有气泡从被检工件中跑出来，如果有，则说明漏，而且指出什么位置泄漏，一般只确定被检件是漏还是不漏，而不需定量。但并不是说气泡检漏就不能定量。在某些情况下，气泡检漏也可以定量。检出气泡的漏率与气泡直径、气泡形成速率、充气的种类有关。设充入的示漏气体为空气，漏率Qi可以用下列公式(1)算出： (1)式中 Qi一在压力pt下对示漏气体i的漏率，Pa·m3／s； D—气泡的直径，m； n一气泡形成速率，s-1； pF一示漏液体表面的大气压力，Pa； 空气在标准状态（0、101325Pa）下，气泡尺寸、冒泡间隔时间、漏率之间的关系参见表1。通过表1分析，可以看到要检测到漏率为1.0×10-6 Pa·m3/s的漏率，相当于冷凝器泄露2克/年，观察一个气泡时间至少需要52秒。因此，对于空调两器检漏来说，采用水检方法，灵敏度较低。受人为因素影响，漏判误判率会明显增加。另外，工件水检后，外表面有水，需烘干处理，耗电多，耗费劳动力也多。但水检法也有优点，就是操作简单直观，而且能够查找漏点位置。表1 冒泡间隔时间与气泡尺寸、漏率关系 漏率Pa m3/s1×10 -21×10 -31×10 -41×10 -51×10 -61×10 -7冒泡间隔时间sф1mm气泡 0.05s0.5s5.2s52s524sф2mm气泡0.04s0.4s4.2s42s419s4189s(1.16h)ф3mm气泡0.14s1.4s14.1s141s1414s(0.4h)14137s(3.9h)1cm3气泡10s102s103s(0.28h)104s(2.78h)105s(27.8h)106s(11.6d) 1.2 氦质谱检漏方法分析氦质谱检漏是以氦作探索气体，对各种需密封的容器的漏隙进行快速定位和定量检测的理想方法。氦质谱检漏法有优点在于：氦是惰性气体，对大气无污染，使用安全；氦原子质量小，黏度小，易渗透过可能存在的漏隙。氦气在大气中含量小（5ppm），不易受干扰。氦质谱检漏仪检测灵敏度高，速度快，适用范围广；目前国内生产氦质谱检漏仪小可检漏率可达到5.0×10-12 Pa·m3/s，如北京中科科仪生产的542检漏仪。国外检漏仪小可检漏率高可达到5.0×10-13Pa·m3/s，如德国Inficon，法国阿尔卡特等。目前，国内外比较流行的针对空调两器检漏方法，多采用真空箱法。后续将着重介绍真空箱法检漏在空调两器检测方面的应用。2 汽车空调两器检测要求2.1 空调两器实际工况 （1）空调两器工作介质：氟利昂或者碳氢化合物作为制冷剂工作于汽车空调内部，目前比较流行使用R134a作为汽车空调的制冷剂。（2）压力范围：不同规格的空调两器高工作范围在2.0~3.5MPa之间，正常工作压力在0.8~2.0MPa之间。注：特殊情况除外。 （3）气密性要求：对于两器产品，充注一定压力R134a制冷剂，泄露量小于2克/年。（4） 耐压要求：对产品加压到实验压力，保压一段时间，降到常压，经检查无泄漏和异常变形。2.2 空调两器氦检漏基本要求（1）耐压测试要求：一般两器在执行氦检漏之前会充注一定压力（一般不超过3.5MPa）的高纯氮气或者干燥的压缩空气，对工件作耐压测试，如果不出现明显变形及大漏，再执行氦检测工艺。（2）氦检测精度要求：由于不同生产企业对产品的检测要求不尽相同，但一般都会遵循行业标准，或比行业标准要求稍高。通常“两器”检测标准不会超过1克/年。（3）检测节拍要求：据调查一般的两器生产厂家年产量都会在十万只以上，要实现所有产品全部使用氦检测，就要求氦检测节拍越快越好。中科科美生产的氦检系统，针对冷凝器检漏节拍在40秒/件，针对蒸发器检漏可达20秒每件；（4）氦气回收要求：氦检漏系统使用氦气作为示踪气体，由于氦气比较贵重，如果直接排放，必然导致检测成本的大幅增加。因此，一般厂家都会要求氦气可回收，即循环利用。KYKY生产的氦检系统，氦气回收率可达95％以上。3 真空箱氦检漏及回收系统工作原理及构成3.1 真空箱氦检漏及回收系统基本原理 图一 双工位氦检漏及回收系统工作原理图 图二 双工位氦检漏及回收系统实物图采用背压法对被检工件进行漏率检测，并对氦气进行回收利用。首先对被检工件放入真空箱内，充入一定压强的氮气，作耐压测试，通过保压判断压降确定是否有大漏；然后对被检工件抽空后充入一定压强的氦气，真空箱与检漏仪的检漏口相接，若被检工件有泄漏，则漏入真空箱的氦气可通过检漏仪测出。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。为满足工业现场快节奏检测节拍、充分利用资源、节约设备制造成本。系统采用双工位设计，系统原理简图如图一所示，两个工位共用一套粗抽机组、精抽机组、检漏仪、耐压测试单元、工件抽空单元、氦气充注及回收单元。两个工位可交替执行不同工艺流程，比如一个工位在检漏时，另一个工位可执行抽空、检漏等步序。根据此原理，我们设计双工位氦检漏系统如图二。3.2双工位氦检漏系统构成（1）粗抽机组：一般采用旋片泵或者滑阀泵作为粗抽真空使用，获得从一个大气压到千帕级真空，并为后续精抽真空作准备。（2）精抽机组：一般采用罗茨泵作为精抽真空使用，获得检漏要求的真空，一般为5Pa左右。（3）检漏仪：是检漏系统中的核心部件，检漏仪执行检漏工作时，给出工件泄露量大小，并判断工件是否合格，输出控制信号。（4）耐压测试单元：通过向工件内充注高压气体，一方面测试工件的耐压性能。另一方面通过平衡、保压过程，有传感器感测压力差，并由控制系统经过计算分析判断是否有大漏。（5）工件抽空单元：为保证氦气有循环过程中氦气的纯度，在向工件充注氦气之前，抽出工件内的空气。（6）氦气充注及回收单元：氦气充注及回收单元工作流程见图三。充氦过程为：对被检工件抽空后，开V1，对工件充氦气到规定压力后关V1。检完漏后，V2开，工件内氦气自动流入回收罐。然后V2关，V3开，机械泵抽出工件内剩余氦气并送入回收罐。同时主压缩机将回收罐内的氦气压缩至储气罐。因为氦气在检测过程中会有损耗，所以当储气罐内压力低于规定值时，需开V6，补充氦气，以保持储气罐内的氦气有足够的压力和浓度。4 真空箱氦检漏及回收系统设计关键技术（1）真空箱体设计：首先、要保证箱体在抽真空过程中受力发生非弹性形变，造成箱体开裂。第二、要保证良好的气密性，真空箱一般是焊接成型，根据真空系统要求，焊缝无气孔、接痕， 表面光滑， 焊后焊缝表面磨光， 后同箱体板一起抛光。这样处理的箱体内表面光洁， 表面藏气较少。第三、真空箱门开合自如，开合过程中不剐伤箱体密封圈，为提高箱体密封圈的使用寿命，设计时尽量考虑使密封圈在垂直箱体法兰面方向上受力，尽量避免斜向受力。（2）真空管路设计：真空管路设计首先要考虑管道流导要与真空泵的抽速相匹配，避免大马拉小车现象。（3）检漏系统设计：首先、系统应具备检测大漏、中漏、微漏功能，系统一但出现大漏应立即中止检漏并给出报警，防止出现大漏后，继续执行氦检工艺， 造成系统累积大量氦气而无法清除，也即是出现“氦中毒”现象。其次、一但出现大漏，应有清氦措施，大程度的清除氦本底。（4）氦气充注及回收设计：首先、务必保证安全问题，因为涉及到高压气体，因此储气罐务必设置安全阀及压力适时检测装置，保证压力容器安全。第二、压力管道务必密封良好，防止充气及回收过程中空气混入到系统中，造成氦气纯度下降。第三、需要有氦气浓度检测装置，保证在氦气压力及纯度达不到要求时，补充新鲜的氦气。第四、具备虑油装置，防止氦气增压泵以及真空泵中的油蒸汽进入气罐，污染系统。（5）抽空系统设计：抽空系统设计应本着适度、够用、满足需求原则。系统冗余过大，会导致制造成本偏高，也不离于节能环保。5 真空箱氦检漏系统在两器使用经验5.1 实际产品漏率报警阈值的设定在对空调两器检测时，对产品报废点的设置非常关键，指标要求过高，将会带来大批量产品不合格，太低又保证不了产品质量。正确确定产品的报警点需要以下步骤： (1) 将冷媒漏率换算成气体漏率在对空调两器进行泄露检测时，常使用气体取代制冷剂进行泄露检测，因此，需要将液体漏率与气体漏率之间作一个等效转换。1) 首先制冷剂液体漏率转变为气体漏率：3) 确定系统的分流因子在实际检漏时，由于有辅抽泵及其他因素的影响，并非所有的氦气都进入到氦检漏仪，因此，氦气存在一定的程度的分流。也就是说检漏仪指示漏率并非工件的实际漏率。要测定系统的分流因子，需要执行以下步骤。将仪器调整至佳工作状态，将一个已知漏率（Q1）的标准漏孔置于真空箱内，开启系统，观察检漏仪指示漏率（Q2），则系统的分流Q3= Q1/ Q2。4)确定系统的报警点根据本节2）所得等效氦气漏率和3)所得系统分流因子，即可确定工件的报警点：Q= QHe/Q3。5.2 氦检漏系统校准氦检漏系统在使用一段时间后，检漏仪可能由于环境等其他因素的影响，系统检测漏率会出现漂移。因此，需要定期对系统校准。系统校准分为内部校准和外部校准。1）内部校准内部校准即是对检漏仪自身的校准，执行内部校准需要准备一个漏率已知的标准漏孔对检漏仪进行校准。由于每款检漏仪校准方法各不相同，限于篇幅，本文不作详述。值得一提的是，一些检漏仪会内置标准漏孔。内置标准漏孔在使用一段时间后，漏率会衰减。因此需要找专门计量单位对内置漏孔进行校准，通常漏孔每年校准一次。2）外部校准外部校准即是对整个检漏系统校准，系统使用一段时间后，系统的分流因子可能会发生改变，因此需要定期使用标准漏孔来校准系统，以确定分流比是否已经改变。如果改变需要适当调整系统的报警点。5.4 其它使用注意事项1）一些用户在使用氦检漏系统时希望每个箱体一次检测多个工件，以提高检测效率。这样做会有潜在的风险。一是可能存在累积效应，即多个工件累积漏率可能超过报警点，而实际单个工件在许可范围内合格。二是一旦不合格需要单个重检，要耗费公司。每个箱体一次检测多个工件的基础在于工件的合格率在90％以上，而且工件品质较好。2）由于氦检漏系统属于一种精密检测仪器，对使用环境要求相对苛刻。一是要求工件清洁干燥。二是要求环境温度不能过高、湿度也不能过大。3）为保证系统使用寿命和稳定运行，系统需要定期维护。比如更换泵油、清洁管道、更换配件等。条件不具备时，须请厂家技术人员作定期保养。6 结语综上所述，氦质谱检漏技术作为一种新型的检漏技术，精度高、稳定可靠、清洁环保。