氢氮检漏代替氦检的可行性分析

2021-08-20杨芝明蔚鑫胡伟鹏

家电科技 2021年4期

杨芝明蔚鑫胡伟鹏

珠海格力电器股份有限公司广东珠海 519070

1 引言

两器件是空调的核心部件之一，两器的泄漏不仅影响着系统的性能，同时存在着污染环境的隐患。氦检可检出极小的漏孔，并且氦气是惰性气体，具有分子小、质量轻、扩散快、穿透力强、响应快、性能稳定、不污染工件、操作安全等优点，因此被广泛应用于空调两器检测泄露环节。由于氦气是不可再生的稀缺资源，我国氦气的储备又处于贫瘠状态，一直以来依赖于国外进口[1]，近年来随着经济的发展，各行业对氦气的需求逐年增加，氦气的使用成本也一直居高不下。张小明等人通过氢氮混合气检漏与卤素检漏方式的实验对比，改进了标准探头的结构[2]；李涛等人应用氮氢检漏技术，并与氦质谱检漏技术进行对比分析，确定了氢氮检漏技术在空调器售后系统返修的应用优势[3]。真空箱氢氮检漏尚属新课题，氢氮混合气技术若能替换现有氦气，则能够极大降低原料采购成本，降低两器生产成本，提高生产效益。本文通过对比其他两种检漏方式的优缺点，确定使用真空箱氢氮检方式更适合，并从漏率、可靠性、经济价值及实验验证分析，证明真空箱氢氮检漏具有可行性。

2 氢氮检漏方法

现有氢氮检漏仪主要采用感应探枪对泄漏工件进行检漏，不含有质谱仪、真空泵、灯丝等部件，体积较小可手持。氢气传感器为半导体构架，其表面镀有一层致密的金属膜，由于氢气分子的体积是所有气体分子中最小的，而该金属膜仅能让氢气分子通过，并将其分解成为氢原子到达下层的半导体构架。氢原子会改变半导体中原先通过的电流大小，检漏仪主机检测到电流的变化后，经过计算即可显示出泄漏率的大小。

氢气属于易燃易爆气体，浓度达到一定程度时遇明火会产生剧烈爆炸，具有一定的危险性，因此检漏过程中采用氢含量≤5%的氢氮混合气。低浓度氢气意味着需要增大工件压力去提升单位时间内氢气泄漏量，而高压检漏具备一定的危险性，对检漏气体的损耗也比较高，所以目前主要使用探枪式氢氮检漏仪对工件进行静置检漏。

静置检漏与实时检漏存在比较明显的差别，静置检漏需要将漏点在较密封环境下静置一段时间后，探枪探入密封空间，以单位时间通过的氢气量来计算漏率。实际上该方式检漏将漏点漏率放大，静置时间越长，密封空间中氢气泄漏量累积越多，单位面积内氢气浓度越高，放大倍数也越大[4]。

由此可知，该类探枪式检漏仪检漏精度较低，且对工作环境要求极高，在开放式环境下检漏示数为单位时间通过的氢气量，容易受到空气对流、探测距离等影响，无法定量推算泄漏量，虽能够判断工件泄漏以及泄漏点，但是误差较大。

3 氢氮质谱仪检漏方法

氢氮质谱仪检漏原理与氦质谱检漏仪工作原理相似，在原有氦质谱检漏仪设备的基础上，根据氢离子质荷比唯一的特点改变加速电压对内部偏转磁场进行调整，将H+与其他离子分离，仅H+能够被接收器接收并通过前置放大器放大，最终指示漏率，形成氢气检漏标准，实现氢检[5]，其工作原理如图1所示。

图1 氢氮检漏原理

测量需要在相对密闭无明显空气流动的空间中，则能保证空气中气体的浓度保持不变，入口压力的变化同时也会影响检漏的精度[6]。

4 真空室法氢氮检漏方法分析

4.1 漏率分析

根据阿氏定律冷媒介质泄漏率计算，如式（1）所示：

式（1）中，Q为气体漏率；P0为标准大气压；Vm为标准气体体积；q为液体泄漏率；T为工作温度；M为摩尔质量；T0为初始温度；t为时间。

假设以冷媒（R410A）泄漏率(q=0.5 g)/ y为例，将其他参数代入式（1）中可得QR410a=5.31×10-7pa·m3/s。

氦气泄漏率如式（2）所示：

式（2）中，C为气体浓度；η为粘滞系数；P2、P1为试件充气的高压侧绝对压力和低压侧绝对压力；P3、P4为试件工作时高压侧绝对压力和低压侧绝对压力。

氦检时在1.2 MPa压力条件下选用浓度为80%的氦气作为检漏介质，将其他参数代入式（2）中可得QHe=5.44×10-8pa·m3/s。当制冷剂液体泄漏率每次增加1 g/y时，可绘制如图2所示的氦气泄漏折线图。

氢气本身为易燃易爆气体，有一定的安全隐患，因此浓度必须≤5%。本文取氢气极限浓度5%作为计算例。当充气压力以1.2 MPa为起始，每次增加1 MPa，代入式（3）中计算出在相同浓度、不同压力条件下，QH2随制冷剂年漏率（g/y）升高的理论漏率值，当到达3.3 MPa时氦气泄漏曲线与氢气泄漏曲线接近，为了求得精确值在其附近以每次增加0.1 MPa精度计算并同时绘制如图2所示折线图。

图2 不同充气压力和泄漏率条件下氦气漏率与氢气漏率对比折线图

随着充气压力的不断提升，QH2与QHe值不断接近，当到达PH2=3.3 MPa值时，此时QH2与QHe值几乎重合，即5%浓度氢气在充气压力PH2值达到3.3 MPa时能够较准确的满足80%浓度、1.2 MPa的氦检标准。

根据上述漏率分析来看，在一定条件下，使用氢氮混合气检漏能够满足现有两器检漏标准，因此氢氮检漏理论上具备可行性。

4.2 真空箱氢氮检漏可靠性分析

根据氢氮混合气本身特性可知，在实际工作过程中，在氢含量较低和低灌注压力情况下，氢气泄漏量较少，经过真空箱时存在一定的衰减，造成氢检漏率值偏低，真空箱体积越大，衰减程度越大。

现有检漏设备采用分流形式检漏，即真空箱检漏泵组与检漏仪泵组同时参与对箱体的抽空，所以部分氢气被真空箱检漏泵抽走，另外部分氢气流往检漏仪，造成氢气含量流失。

大气中水蒸气含量与空气湿度相关，即空气湿度直接影响环境中水蒸气含量。正常环境水蒸气含量一般在1%～4%，当真空箱中的水汽未抽净，检漏过程中进入电离室中电离可形成H+，从而影响H+浓度，导致漏率波动异常。

氢氮混合气气瓶中标注氢含量为5%，而在实际使用过程中，存在随着气瓶的损耗，工件内灌注气体中氢浓度可能不足5%，那么检漏仪测出漏率值也会有小幅波动[7]。在检测时应确保氢氮含量充足。

4.3 经济效益分析

氢氮混合气体，氢含量极低灌注后无法提纯回收。工作时采用充气压力PH2=3.3 MPa。氦气通过纯化设备实现在线提纯循环使用，纯化后可得到纯度≥98%的氦气，采购成本可降低至原来的40%[8]。

根据现有气体用量定额公式：

式（4）中，V1为气体用量；P1为来料气瓶压力；P2为工件内部体积；P2为工件内部压力。

以某款蒸发器组件（内部容积为0.881791 L）作为标准进行计算，其各项指标如表1所示。

表1 不同气源经济成本对比

氢氮混合检虽然气体成本较低，但是需重新投入新的检漏配套设备，为满足较高检漏精度且屏蔽环境与系统干扰等，设备选材与系统技术要求较高，设备开发成本也相应增加。

同时氢氮混合气体检漏，工质是易燃易爆的氢气，在储存和使用过程中应建立相应的安全工作区及保障措施，投入较大。考虑到混合气含氢直接排放存在严重安全隐患，因此需建造整套气体回收排放管道、气体回收站，氢氮混合气无法提纯回收，耗用量大，若以气瓶供气，则还需考虑气瓶申购数量、占地面积、运输成本等，若以管道供气方式，还需建造混合气站、整套供气管道等。

综合来看，在检漏气体耗用成本方面，氦检成本为氢检成本的4倍。而考虑整套新工艺的开发，氢检如果要做到与氦检相近的准确性与稳定性，开发成本预计为现有氦检投入的3～5倍。

5 真空箱检漏实验验证

实验所用到的设备有氦检机一台，共有两个箱体A和B工位如图3所示，其中单个箱体容积为V=abh=1.1 m×0.93 m×0.28 m=0.28644 m3，其中a为真空箱长度，b为真空箱宽度，h为真空箱高度。泄漏的蒸发器三件，将氦检泄漏率设置为1.2×10-8Pa·m3/s，当泄漏率超过此值时，系统触发报警机制。