淺談汽車空調氦檢原理及漏率計算

李俊鋒，謝璐璐

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

淺談汽車空調氦檢原理及漏率計算

李俊鋒，謝璐璐

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

通過分析氦檢的原理、各種檢漏方式的優劣等來說明汽車空調制造商在生產制造過程中為什么選擇氦檢、如何將氦檢運用到生產實際當中，以及詳細講述汽車氦檢漏率的計算過程、氦檢設備報警點限值的設定和設備的校準管理等。

汽車空調；氦檢；漏率計算

0 引言

氦檢是汽車空調生產制造中一項先進的常用的檢漏技術。為確保汽車空調的制冷效果和使用壽命，汽車空調的蒸發器、冷凝器、壓縮機等的檢漏是不可少的。傳統的檢漏方法，如水檢法、鹵素法、肥皂泡法、靜態升壓法等，由于靈敏度低、使用繁雜、工作強度大等已被高靈敏度、規范化、效率高的真空檢漏技術——氦檢所替代并取得理想的效果。

1 氦檢簡要介紹及與不同檢漏技術的比較

1.1 氦檢簡介

氦質譜檢漏儀是根據質譜學原理，用氦氣作示漏氣體制成的氣密性檢測儀器，由離子源、分析器、收集器、冷陰極電離規組成的質譜室和抽氣系統及電氣部分等組成。質譜室里的燈絲發射出來的電子，在室內來回地振蕩，并與室內氣體和經漏孔進入室內的氦氣相互碰撞使其電離成正離子，這些氦離子在加速電場作用下進入磁場，由于洛倫茲力作用產生偏轉，形成圓弧形軌道，改變加速電壓可使不同質量的離子通過磁場和接收縫到達接收極而被檢測。

1.2 不同檢漏技術的比較

一般情況下，檢漏技術包含有靜態升壓法、肥皂泡沫法、水檢氣泡法 和氦檢漏法等等。表1是幾種不同檢漏方法的優劣對比。

表1 不同檢漏方法優劣比較

氦在空氣中含量極微，僅5×10-6，由于本底低，干擾小，同時氦分子直徑小，質量輕，穿透力強并且擴散快，有利于對微小泄漏進行高精度檢測。而且，氦屬于惰性氣體，化學性質穩定，無毒害，吸附性低，不污染檢測設備的真空系統，操作安全可靠。另外，它消除了水泡檢漏法檢漏靈敏度低、判斷較為困難、誤判較多的缺點；也消除了鹵素檢漏法易受干擾、維護費用較高、只能檢測單個漏孔等缺點。反觀氦氣檢漏確有許多優點：檢漏靈敏度高、準確、清潔無腐、不受干擾、顯示直觀明確等。氦充氣回收檢漏系統(以下簡稱氦檢系統)在汽車空調蒸發器、冷凝器和壓縮機檢漏上在擁有氦氣檢漏普遍優點的同時，更具備操作方便、工作節拍快、誤判率低等獨有特點。

因此，氦質譜檢漏技術逐漸得到推廣和重視，成為汽車空調檢漏測試中不可缺少的一種技術，

2 氦檢工作原理以及漏率的轉換計算

2.1 氦檢工作原理

一般都是采用氦檢漏儀進行氦檢，其基本原理就是根據離子在垂直于磁場平面中運動時不同質荷比的離子具有不同的偏轉半徑來實現異種離子的分離，對被檢工件抽空后充入一定壓強的氦氣，被檢工件外面是具有一定真空度要求的真空箱，真空箱與氦質譜檢漏儀檢漏口相接。若被檢工件有漏，則漏入真空箱的氦氣可通過氦質譜檢漏儀測出。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。

2.2 漏率轉換和計算漏率的轉換計算

(1)氦檢檢漏儀參數設定計算

1g/a的R134A 的泄漏量轉換成氣體漏率為7.6×10-7Pa·m3/s，根據阿伏伽德羅定律：在標準狀態下(壓力p0=1.013 25×105Pa，溫度T0=273 K)，每1 mol氣體的體積均為Vm=22.4 L。 所以，在室溫(T=293 K)下，年泄漏率q(g/a)對應的氣體漏率為：Q=p0VmqT/(MtT0) (單位Pa·m3/s)，M為1g R134A分子的體積，壓縮機的冷媒為R134A，其分子量為102，因此，將1g/a的泄漏率轉變成氣體漏率即為：

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

(2)將氣體漏率轉換成氦漏率

對于黏滯流，漏率與漏孔兩邊的壓力平方差成正比，與氦濃度成正比。不同氣體的漏率與氣體的黏度系數成反比。由于檢漏時工件充氦壓力與工作時壓力均為1.5 MPa，因此不用考慮壓力因數。

所以，1g/a R134A對應的氦漏率：

式中：C為充入試件的氦濃度比(%)，純氦氣的理論值，通常設定為100%；QHe為檢漏儀讀出的氦漏率(Pa·m3/s)；QR134為試件工作時的制冷劑漏率(Pa·m3/s)；ηHe為氦氣的黏度系數(1.86×10-5Pa·s)；ηR134A為制冷劑R134A的黏度系數(1.21×10-5Pa·s)；p2、p1分別為試件充氦時的高壓側壓力和低壓側壓力(絕壓)；p4、p3分別為試件工作時，高壓側壓力和低壓側壓力(絕壓)。

則1 g/a R134A對應的氦漏率：

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

3 報警點限值的設定和氦檢設備的校準

3.1 報警點限值的設定

在日常生產中，通常都會根據產品的設計技術要求以及氦檢設備的有關參數來制定生產工藝過程指導書；或者直接根據產品來設定氦檢工位的檢漏值。通常當被測樣件超出限值，設備就會自動報警，閃紅燈進行提示。

但是又該如何來設定這個限值λlim呢？在實際生產中，不僅要考慮氦檢檢漏儀的參數，還得結合設備的分流比K(設備固有的參數，由設備廠家提供)和考慮氦氣使用過程中的濃度值a(可設定為80%或60%)。假定某設備的分流比是750，設定其氦氣控制濃度為80%，故：

λlim=(α/K)·a=(1.0×10-6/750)×80%=1.06×10-8Pa·m3/s式中：α為漏孔漏率。故氦檢檢漏儀參數應設為: 1×10-8Pa·m3/s

注意：分流比是由于檢漏時檢漏泵組和檢漏儀泵組同時參與了對箱體抽空，所以氦氣一部分被檢漏泵抽走，只有一小部分氦氣流往檢漏儀，這兩部分氣體的比例和泵組的抽速成比例，稱為分壓比/分流比。

3.2 氦檢設備的校準

同時，隨著檢漏設備在生產過程中消耗折損，其準確度也會有所偏差，如第3.1節中提及的分流比為750，這個也不是一成不變的，也會隨著設備的使用或折舊而不停地發生變化。所以，為了確保檢漏的準確性，在日常生產過程中，不僅需要加強設備的維護保養，也需要定期對設備的參數進行校準和確認。

3.2.1 標準漏孔

首先來了解一下標準漏孔。

標準漏孔包括一被測氣體不可滲透的薄膜及形成于該薄膜內預定數目的通孔;通孔具有預定尺寸孔徑，該孔徑范圍為納米級。此處所提到的標準漏孔，由于通孔的形狀標準，尺寸及數目都可預定，且孔徑大小達納米級，因此可用真空科學的經典理論計算直接得出其漏率值，可自定標;且漏率范圍較寬，可實現超微小漏率的檢測，解決了現有技術中標準漏孔的漏率必須借助其他設備進行標定、漏率范圍較窄等不足。圖1所示就是常用的標準漏孔之一，上面有壓力指示表、校準漏孔等，設備簡易，操作方便。

3.2.2 通過標準漏孔進行校準的方法

根據標準漏孔壓力和漏率的對照表，通過調整標準漏孔出氣壓力，使之等于產品的氦漏率，若產品要求2g/a，那么R134A對應的氦漏率為1.0×10-6Pa·m3/s，那么就可以將標準孔出氣壓力設定為1.0×10-6Pa·m3/s，再對比標準漏孔曲線圖，當標準漏孔壓力調整至1×105Pa時，標準漏孔的實際漏率即為1.0×10-6Pa·m3/s。

然后，將標準漏孔壓力調整至1.0×105Pa后，將之置于真空氦檢設備的真空箱中，分別對3個箱體進行5次檢測(原則上，這15個值不得出現離散異常)，取3個箱體的檢測漏率的最小值Qmin為該設備校準后的漏率值。這種方法在生產制造工廠中常用，因氦檢設備和儀器較多，通過比較找到Qmin從而加嚴所有設備的工藝控制參數。

3.2.3 通過標準漏孔進行絕對校準方法

另外還有一種比較準確的絕對校準方法，參照圖2開展。常用的定容法，即直接測量密封容積V中，因被校準漏孔漏氣而引起壓力p隨時間t的變化率Q=d(pV)/dt，從而得到被校漏孔的漏率。根據下面的公式即可計算得到校準后的漏率值：

QL=(UL/Ur)·Qr

式中：QL為被校準漏孔的漏率；Qr為供參考漏孔的漏率；Ur為供參考漏孔在氦質譜檢漏儀上的指示值；UL為被校準漏孔在氦質譜檢漏儀上的指示值。

這種校準方法，操作簡單，實效。其校準精度滿足基層檢漏設備精度的要求，一般都用這種校準方式進行量值溯源。

4 氦檢在汽車空調檢漏上的應用

隨著汽車行業的迅猛發展，汽車空調行業對氦檢的需求越來越大，對氦檢的性能指標要求越來越高。尤其是汽車空調蒸發器、冷凝器、壓縮機、儲液罐和管路等零部件的檢漏要求和特點，越來越多的汽配制造企業或工廠在生產過程中采用了不同的氦檢設備進行檢漏測試和質量控制。在部件分總成和總成零件的生產線盤都設置有氦檢工序，并標識為關鍵工序，另外部分企業在總成包裝發運前還會再次進行檢測確認，加強質量管控。

圖3為氦檢在生產過程中的實際應用，這是在芯體使用氦檢，而圖4則是總成控制的操作界面和參數監控屏幕。在圖4中還能看到在生產過程中常用的氦檢質量防錯門，如果在生產過程中檢測漏率超過限值，不僅設備會自動報警，這個防錯門還要求將其檢測出的故障件放在防錯門下，才能繼續開展下一件檢漏。這樣就更為有效地做好質量管控，做到不傳遞不良品到下游工序。

氦檢在生產運用中的關鍵控制點和實際運用如下所示：

(1)提高靈敏度

汽車空調氦檢靈敏度高低主要取決于3個方面：檢漏儀檢測靈敏度、管路殘留氦氣、真空箱本底。針對這3個方面：

首先，在氦檢系統中配置了高精度的檢漏儀，如德國INFICON公司的LDS1000型檢漏儀，該型號檢漏儀最低可檢漏率可達5×10-12Pa·m3/s，應用在汽車空調上的最低可檢漏率可達1×10-10Pa·m3/s。而以汽車空調為例：泄漏量為5g/a對應的氦漏率為1×10-8Pa·m3/s，LDS1000型檢漏儀實際最低可檢漏率為1×10-10Pa·m3/s，比合格線漏率高兩個量級，從檢漏儀上保證了檢測靈敏度。

其次，在氦檢系統中，采用大抽速真空泵持續對管道進行抽真空，在系統運行間隙只關閉閥門，管道內的氦氣能夠被迅速抽走，不會影響檢漏靈敏度。

另外，氦檢系統采用拱形方箱，斜角開蓋結構，令上一次檢漏后殘留在真空箱內的氦氣在開蓋更換工件時最大程度逸走，而在檢漏過程中，將真空箱抽至10 Pa以下真空，保證檢漏箱本體不會對檢測靈敏度產生影響。

(2)加快檢漏節拍

為了充分利用系統資源，提高工作效率，加快檢漏節拍，將氦檢系統進行優化配置，盡量采用通導大、可靠性高的真空閥門和抽速大、性能穩定的真空泵。另外，為充分糅合充氦回收和抽空檢漏的時間，在抽件充氦的同時對真空箱抽真空，以達到節省時間、加快節拍的目的。目前實際生產線更多的氦檢系統采用雙真空箱設計，通過程序自動控制真空泵和閥門的轉換，充分利用系統資源。如圖5所示， 有左右兩個檢漏工位，但是一人操控，節省了人力的同時，更是節省了等待時間，進一步加快節拍和降低成本。

(3)降低成本

提高氦氣回收率、減少氦氣損耗是降低系統成本的有效措施，氦檢系統從設備制作過程和運行過程上為用戶節省成本。在制作上，從理論上保證氦氣回收率，并用傳感器檢測，對于不需要精確顯示氦氣濃度的客戶，不僅保證了氦氣濃度，還節省了成本；另外，在運行過程中，充氦前對工件充分抽真空，檢漏完畢后，再對工件充分回收，減少了氦氣損耗，降低運行成本。

5 結束語

真空檢漏技術為汽車工業許多零部件的檢漏提供了靈敏可靠的檢測手段，隨著汽車工業的發展和真空檢漏技術的不斷進步、氦充氣回收檢漏設備的不斷更新提高，真空檢漏技術在汽車工業以及其他領域泄漏檢測方面已經取得的主導地位，將繼續擴大。

【1】GB/T21360 2008 汽車空調用制冷壓縮機[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

李俊鋒(1984—)，男，本科，研究方向為汽車零部件檢測，實驗室認可，標準化。E-mail：lijunfengguilin@126.com。

U463

B

1674-1986(2016)06-074-04