干冰清洗在继电器清洗行业中的应用探讨

杨 剑，熊培军

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

干冰清洗是一门新兴的环保清洗技术，与传统的化学清洗、高压水射流清洗以及喷砂清洗不同，干冰清洗利用高速气流驱动的干冰颗粒去除表面污垢，喷射出的干冰颗粒瞬时气化，无残留，无污染，无处理清洗所产生废物的麻烦和高额费用。干冰清洗技术目前已经在众多行业得到了广泛应用，如模具清洗行业、石化行业、电力行业、食品工业、印刷行业等。

在继电器装配过程中要用到诸多清洗，在环保问题日益突出的今天，干冰清洗技术是否可以运用到继电器装配行业中呢？本文将对此问题进行探讨。

2 干冰清洗技术发展史

1930年，人们在实验室中完成了冰的制造。1945年，美国海军将干冰作为喷射介质，用来清除各种油脂。1972年11月，埃德温·瑞斯(EdwinRice)以"喷射高速干冰颗粒从物体上去除残余部分"办法获得了一项技术专利。这些前人的工作为干冰清洗技术的发展奠定了坚实的基础。

干冰造粒机和干冰清洗设备在20世纪80年代晚期进入市场，这时候的干冰清洗设备非常庞大，并且很昂贵，需要很高的空气压力(超过1.37MPa)。随着干冰喷射清洗设备的尺寸减小，价格也降了下来，现今的喷嘴技术可使设备在0.49MPa空气压力下有效工作。

3 干冰清洗原理

干冰是CO2的固态形式。在常态下，CO2是一种无色无味的气体，自然存在于空气中。在-78℃低温时，CO2以固体形式存在。在常压下，固体CO2直接升华，没有液化过程，这一特性意味着干冰清洗中喷射介质彻底消失，只留下原有污垢待处理。原来不能用水清洗的地方，现在用干冰清洗完全可以解决。

CO2是工业生产过程中的副产品，这些气态CO2可收集起来制成干冰。干冰清洗过程中CO2升华排放到大气中时，并没有新的CO2产生，只是原来的副CO2产品被排放掉了。所以，干冰清洗是一种绿色环保清洗。

干冰清洗是将干冰颗粒通过干冰清洗机，在高压气流的作用下，干冰颗粒被加速喷出，冲击待清洗表面。高速喷射出的干冰颗粒与清洗表面迅速发生热交换在常温常压下瞬间气化消失，干冰颗粒的动量也在冲击瞬问消失。

与其它喷射介质不同，干冰颗粒介质体温度极低(-78℃)。这样的低温使干冰清洗具有独特的热力学性能。由于干冰颗粒与清洗表面间存在温度差，就一定会发生热冲击现象。污垢层在热-冷冲击下，脆性增大，高速喷射出的干冰颗粒就能够将污垢层冲击破碎，见图1。

图1 热冲击导致污垢层皲裂

干冰颗粒在千分之几秒内体积急剧膨胀，这样就在冲击点造成"微型爆炸"，将污垢层吹扫剥离，见图2所示。

图2 CO2气化膨胀和颗粒动量传递清除污垢

具有不同热膨胀系数的两种不同材料，它们之间的温度差会破坏两种材料间的结合。在从金属物质上清除非金属污垢时，这样的热冲击现象最为明显。由于CO2挥发掉了，干冰清洗过程没有产生任何二次废物，留下需要收集清理的只是清除下来的污垢。

4 干冰清洗系统组成

一个完整的干冰清洗系统主要包含以下几个部分：

1)CO2储存系统

液态CO2需要在2MPa压力下，-18℃低温条件下储存。CO2储存系统用来储存液态CO2，供给制冰机，生产干冰颗粒。

2)干冰制造系统

主要指制冰机，用于制造干冰颗粒，需要相关的干冰成型模具。

3)干冰储存系统

由于干冰在常态下会升华为气态CO2，因此必须对进行储存。干冰储存箱是专用的干冰储存系统，在国内比较少见。

4)空气压缩系统

主要是空气压缩机，用于对干冰清洗剂提供动力，是整个干冰清洗系统的动力源。

5)干冰清洗机

是整个系统中的核心关键部分，干冰颗粒就是通过它喷射到清洗对象表面实现对污垢的清洗。

整个干冰清洗系统组成见示意图3。

图3 干冰清洗系统组成示意图

在新型干冰清洗机中，已经对上述系统进行了优化改进，直接使用液态二氧化碳，在干冰清洗机内部即可完成制冰及碎冰过程，只要外加一个压缩空气作为动力源，即可完成干冰清洗工作，见图4所示。

图4 新型干冰清洗系统组成

5 在继电器装配清洗中的应用探讨

从干冰清洗原理可知，干冰清洗去除污染物的过程主要有冷却脆化作用、干冰对冲击点的微型爆炸气掀作用、压缩空气流的吹扫剪切作用。下面探讨这三个过程对继电器装配清洗的影响。

5.1 冷却脆化对继电器的影响

在干冰清洗过程中，喷射出的干冰颗粒温度在-78℃左右，该温度超过大多数继电器使用的环境温度-65℃，但由于喷射清洗产品在常温中进行，且干冰颗粒质量很小，喷吹清洗后干冰颗粒升华吸收的热量实际很少，因此清洗后继电器零部件温度下降一般不超过10℃，即喷吹后产品零部件的温度在10℃以上。

继电器装配过程中的污染物主要有焊剂、手汗、点焊飞溅、手皮屑、纤维、尘埃颗粒等。在这些污染物中，手汗、点焊飞溅和焊剂在零部件表面的附着力最强，其余污染物的附着力相对较小，基本是以静电吸附为主。从继电器污染物的种类看，手汗、焊剂等依靠冷却脆化去除的可能性比较大。由于继电器中用的零件材料主要有电磁纯铁、锌白铜、不锈钢、玻璃粉、玻封膨胀合金、银镁镍、漆包线、聚四氟乙烯等，这些材料的膨胀系数相差较大，由于干冰清洗引起的整体温度下降不大，污物冷却脆化后仍然可以保证连接强度。

5.2 气掀作用影响

干冰清洗时，从清洗机中喷射出的干冰颗粒在极短时间内升华，体积急剧膨胀近800倍，在污染物处产生微型爆炸形成气掀作用将污染物剥离。

一个继电器产品平均有二十余种零件，零件形状千差万别。由于继电器内部必须有可动部件才能实现电路的切换，因此，继电器中的工作气隙也是千差万别的，这些气隙中一旦有污染物进入，要去除的难度就非常大，而这也是继电器污染物去除的难点所在。很显然，当干冰颗粒喷射进继电器中的夹缝时，气掀作用是可以将夹缝中的污染物去除干净的。

一般来说，继电器中有接触簧片和复原簧片，由于继电器种类不同，簧片压力范围大，最小的只有二十多毫牛，最大的有几牛。在干冰喷射过程中，干冰不可避免会喷射到簧片上，对压力很小的簧片来说，气掀作用可能会引起簧片压力减退，导致继电器别的电气参数不合格，因此，对小压力的继电器来说，在选择干冰清洗时必须充分考虑清洗过程中的气掀作用。

5.3 压缩空气喷吹影响

压缩空气在干冰清洗系统中既作为干冰喷射的动力，又可将脱落污染物吹离零件表面，目前干冰清洗系统所需的最小空气压力为0.49MPa，这个喷吹压力对簧片压力大于一百毫牛的继电器影响很小，但对于只有几十毫牛的继电器来说是必须考虑的。

通过对干冰清洗三个过程的探讨认为，继电器装配清洗过程要引入干冰清洗，必须要充分考虑低温冷却脆化影响、气掀作用影响和压缩空气流的吹扫剪切影响。综合继电器的结构特点分析，在功率型继电器中引入干冰清洗技术是合适的，而对微小型继电器来说，则应慎重为宜。

5.4 干冰清洗试验验证

选择某改进型干冰清洗机作为试验设备进行试验，该清洗机为完全手动，试验验证时只能手持产品进行试验清洗。见图5。

图5 干冰清洗试验

试验时选择的产品为我公司的有x系列、xx系列、xxx系列，选择的工序是接触系统校正工序和机械老化工序，在试验前和试验后对产品参数进行记录，对多余物情况也进行拍照记录。典型的多余物清洗前后对比见图6所示。

图6 多余物清洗前后对比

X系列产品清洗前后参数变化情况见表1。

表1 X系列产品清洗前后参数变化情况

从上表参数对比可以看出，xxx系列产品用干冰清洗前后参数变化在合理范围内，属于正常变化。

X系列产品清洗前后参数变化情况见表2。

表2 X系列产品清洗前后参数变化情况

从上表参数对比可以看出，xx系列产品用干冰清洗前后参数变化在合理范围内，属于正常变化。

X系列产品清洗前后参数变化情况见表3。

表3 X系列产品清洗前后参数变化情况

从上表可以看出，对X系列产品，干冰清洗后的复原力变化很明显，复原力变化导致了动作电压和释放电压变化。

对以上试验情况进行分析，可得出以下结论：

1)干冰清洗这种新型清洗方式可有效清洗继电器在装配过程中产生的多余物，特别是对于聚酰亚胺这种容易带静电吸附的产品，多余物去除效果明显；

2)干冰清洗对大产品参数影响不明显，对微小型产品参数影响明显。

6 结论

目前，继电器装配过程中的清洗大多属于传统的溶剂型清洗或水基清洗，离环保要求有不少差距。世界范围内的环保行动方兴未艾，环保问题得到大家的广泛关注，有关环境污染方面的立法将对工业排放施加持续的更加严格的管制，这必定要不断淘汰传统的、污染的、低效的清洗方式。干冰清洗作为新兴的绿色环保清洗技术，已经在清洗行业崭露头角。继电器装配过程中的清洗属于电子行业的精密清洗，要引入干冰清洗，必须要对干冰清洗技术进行适当改进，解决清洗后微小型继电器的参数变化问题。我们相信，在不远的将来，干冰清洗技术必将在继电器装配行业中得到推广应用。