范召卿，陳煥煥，譚德強(qiáng)，王 奇，崔 潤，羅勇軍

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

人們對于生活質(zhì)量的要求越來越高，環(huán)保、節(jié)能以及安全的空氣能熱水器逐步走進(jìn)千家萬戶。按照制熱方式的差異，空氣源熱泵熱水器可以分為一次加熱式熱泵熱水器、循環(huán)加熱式熱泵熱水器和靜態(tài)加熱式熱泵熱水［1］，目前家用空氣能熱水器主流采用靜態(tài)加熱承壓式的方式，通過微通道換熱器通過接觸傳熱將熱量傳遞給緩沖水箱，理想裝配狀態(tài)是換熱器與水箱內(nèi)膽緊密接觸貼合，熱量可靠傳遞，但由于產(chǎn)品加工精度、圓度等限制，實(shí)際上兩者的接觸面之間存在很多空隙（圖1）。接觸間隙間主要為空氣填充，其熱阻很大，會大幅降低微通道換熱器的傳熱效果，一般在間隙間填充散熱硅脂作為熱界面材料來提高導(dǎo)熱性能［2－3］。

圖1 接觸界面示意圖

硅脂主要成分為基體、硅油、填料、穩(wěn)定劑及其他添加劑混合而成，使用過程的錐入度過小則黏度相對較低，錐入度過大則黏度高，且硅脂受溫度變化影響較大，升溫會使得黏度降低易發(fā)生流淌、降溫會使得黏度升高涂布困難，故符合使用的產(chǎn)品錐入度一般為150～380（25℃，1／10 mm）之間，常溫下呈膏狀［4］。行業(yè)內(nèi)目前多采用機(jī)械擠料的方式，配合人工／自動化在微通道換熱器表面進(jìn)行涂覆作業(yè)［5］，在此過程受溫度、供料壓力及材料自身參數(shù)變化影響較大，其硅脂在微通道換熱器扁管表面涂覆的均勻性、一致性均難以保證，從而使得產(chǎn)品的性能一致性存在較大的波動。圖2為硅脂涂覆異常時狀態(tài)。

圖2 硅脂涂覆異常時狀態(tài)

基于上述原因，本文針對硅脂涂覆過程難點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行工藝開發(fā)，提出利用柱塞泵定量供料的方式解決硅脂送料過程受溫度、性能波動變化的不穩(wěn)定因素，進(jìn)行微通道換熱器散熱硅脂均勻涂覆系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高散熱硅脂涂覆均勻性，保障空氣能熱水器能效指標(biāo)穩(wěn)定。

1 設(shè)計(jì)原理

散熱硅脂的涂覆一個連續(xù)的過程，要想保證涂覆效果均勻穩(wěn)定，則需要持續(xù)保持散熱硅脂供料輸入與點(diǎn)膠閥輸出的穩(wěn)態(tài)平衡。另外由于微通道換熱器為多條的平行結(jié)構(gòu)（圖3），需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有勻速運(yùn)動以及靈活的邏輯控制切換以滿足功能需求。

圖3 微通道換熱器示意圖

1.1 涂覆系統(tǒng)原理

結(jié)合微通道換熱器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及散熱硅脂的性能特點(diǎn)，一個完整的涂覆系統(tǒng)主要包括料桶、動力部件、輸送管道、往復(fù)機(jī)、點(diǎn)膠閥等執(zhí)行部件以及邏輯電控部分（圖4）［6－7］，其各部件主要功能如下所述。

圖4 涂覆系統(tǒng)原理示意圖

（1）執(zhí)行部件

料桶，用于盛放散熱硅脂原料；動力部件，將料筒物料通過輸送管道傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)并提供持續(xù)不斷的動力；輸送管道，用于將物料輸送至指定位置；往復(fù)執(zhí)行機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品的尺寸規(guī)格、攜點(diǎn)膠閥、涂覆嘴執(zhí)行往復(fù)動作；點(diǎn)膠閥，通過控制通斷配合涂覆嘴使用將散熱硅脂涂敷于工件表面；涂覆嘴，一定的形狀截面，引導(dǎo)散熱硅脂擠出涂覆于工件表面。

（2）邏輯電控部分

邏輯電控部分主要通過IO接口聯(lián)動動力部件、往復(fù)執(zhí)行機(jī)以及點(diǎn)膠閥，通過聯(lián)動控制完成整個硅脂涂覆流程。工作過程，工件在工作臺定位完成后，動力部件由供電或供氣使硅脂由料桶經(jīng)輸送管道輸送至點(diǎn)膠閥處，由往復(fù)執(zhí)行機(jī)帶動點(diǎn)膠閥、涂覆嘴在工件表面做往復(fù)的相對運(yùn)動，并按照一定的邏輯控制通斷點(diǎn)膠閥將散熱硅脂涂敷于微通道換熱器工件表面。

1.2 定量供料原理

目前變量調(diào)節(jié)的方式主要有直接排量調(diào)節(jié)控制、壓力調(diào)節(jié)控制、流量調(diào)節(jié)控制以及功率調(diào)節(jié)控制4種變量調(diào)節(jié)方式（圖5），主要適用工況為直接排量控制適用于變排量控制，壓力調(diào)節(jié)控制適用于壓力恒定、復(fù)雜流量變化，流量調(diào)節(jié)控制適用于流量穩(wěn)定，功率調(diào)節(jié)控制適用于負(fù)載壓力與流量作用下輸出功率一定［8－9］。

圖5 變量調(diào)節(jié)的主要形式

而散熱硅脂理論上為非牛頓流體，壓縮量可以近似為不可壓縮，結(jié)合直接排量調(diào)節(jié)控制的方式，在輸入壓力足夠大的條件下，對變量缸施加力使其勻速進(jìn)給運(yùn)動，在一個運(yùn)動周期內(nèi)幾乎可等價為固定排量的硅脂物料輸出，即可實(shí)現(xiàn)定量供料。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及邏輯設(shè)計(jì)

上述介紹了涂覆系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、邏輯控制兩方面，結(jié)合硅脂原料高黏度的特性，涂覆均勻性的關(guān)鍵在于供料穩(wěn)定性、涂覆均勻性以及出料均勻性等（圖6），下文將針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制邏輯圍繞關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析論述。

圖6 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.1.1 供料動力部件

散熱硅脂呈膏狀態(tài)、黏度高，其錐入度（即黏度）受溫度波動、黏度批次差異影響較大，行業(yè)傳統(tǒng)的供料動力方式為機(jī)械擠壓（圖7），這種形式對供氣壓力要求較高（夏季0.6～0.8 MPa，冬天0.9 MPa以上），接近與車間供氣壓力的極限值，當(dāng)用起點(diǎn)集中用氣時，會產(chǎn)生較大的氣壓波動，從而使得硅脂涂覆供料波動顯著，難以保證過程生產(chǎn)供料過程的穩(wěn)定一致。

圖7 壓力桶擠料示意圖

通過選用雙立柱壓盤式柱塞泵（圖8）作為供料動力部件，其由空氣馬達(dá)、啟動柱塞泵以及壓盤和空氣控制裝置組成［10］，氣動馬達(dá)在低壓空氣（0.25 MPa）的驅(qū)動下，其柱塞泵的缸體提拉壓力可達(dá)到2.5 MPa（約10倍），使缸體做周期性的勻速進(jìn)給運(yùn)動，選型時缸體周期運(yùn)動容積大于或等于微通道換熱器單條扁管長度涂覆量或其倍數(shù)，即實(shí)現(xiàn)動力部件定量對散熱硅脂進(jìn)行供料，確保供料穩(wěn)定。

圖8 雙立柱壓盤式柱塞泵

另外壓盤泵的選型主要包括流量與壓力，其流量（即單位時間出料量）與點(diǎn)膠閥的數(shù)量選擇相關(guān)，壓力與輸料管道的長度及硅脂黏度有關(guān)，可參考流體力學(xué)沿程阻力相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算，具體以實(shí)際工況參數(shù)進(jìn)行選用。

2.1.2 涂覆往復(fù)機(jī)及工作臺

微通道換熱器的結(jié)構(gòu)是多條的平行結(jié)構(gòu)，散熱硅脂涂覆需交替往復(fù)式作業(yè)，一般涂覆機(jī)需與工作臺結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，而微通道換熱器尺寸一般較大，常采用工作臺固定，涂覆機(jī)往復(fù)進(jìn)行涂覆作業(yè)的方式。

（1）涂覆往復(fù)機(jī)。涂覆過程需保證單條扁管上形狀、尺寸均勻一致、多條扁管間換行的穩(wěn)定，需保證涂覆過程的速度均勻以及聯(lián)動控制能力，一般需采用自動化的方式，常選用往復(fù)式伺服機(jī)械手或六軸機(jī)器人（圖9），再由IO端口聯(lián)動供料系統(tǒng)及點(diǎn)膠閥。

圖9 六軸機(jī)器人作為涂覆往復(fù)機(jī)示意圖

（2）固定工作臺。工作臺為基準(zhǔn)平面，需設(shè)置對應(yīng)的限位結(jié)構(gòu)以及保證平整度，以保證物料裝夾的一致性，避免涂覆過程出現(xiàn)偏位、撞機(jī)等問題。對于部分小尺寸的產(chǎn)品，可以考慮工作臺作往復(fù)、周向運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)涂覆動作

2.1.3 點(diǎn)膠閥及涂覆頭

點(diǎn)膠閥的進(jìn)料口通過管路與壓盤泵的出料口相連接，出料口與涂覆頭相連，通過IO接口與涂覆往復(fù)機(jī)聯(lián)動控制實(shí)現(xiàn)對硅脂管路的通斷控制；涂覆頭以扁平狀結(jié)構(gòu)為佳，盡量減少接觸面積，減少硅脂在通過涂覆頭時的阻力［11］。

2.1.4 輸送管道及壓力緩沖

供料系統(tǒng)采用直接直接排量式調(diào)節(jié)控制方式，而硅脂呈膏體狀，其輸送過程的沿程阻力與其黏度、管道長度等成正比。當(dāng)溫度、黏度值變化波動時，其系統(tǒng)的輸送壓力則會隨之發(fā)生變化，管道承壓極限選型需按照低溫高黏度值時的系統(tǒng)輸送工況壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用，放大系數(shù)可設(shè)置在1.2～1.5倍。點(diǎn)膠閥選擇的數(shù)量越多或輸料距離a（圖10）越長，可考慮增加緩沖穩(wěn)壓罐［12］，避免周期性啟停流量急劇變化而影響輸出硅脂流量。此外點(diǎn)膠距離b應(yīng)盡量短，且盡量直線接通，避免阻力加長而影響出料均勻性。

圖10 供料系統(tǒng)示意圖

2.2 邏輯控制

2.2.1 工作流程

自動涂覆的工作流程：①物料在工作臺裝夾就位；②機(jī)器人帶動點(diǎn)膠閥、涂覆嘴沿微通道換熱器扁管方向移動；③設(shè)置延時時間，機(jī)器人移動到位前延時啟動點(diǎn)膠閥；④設(shè)置提前補(bǔ)償時間，單條扁管涂覆完成前提前關(guān)閉點(diǎn)膠閥；⑤按照流程②～④的過程循環(huán)往復(fù)完成整個微通道散熱硅脂涂覆作業(yè)；⑥機(jī)器人離開作業(yè)區(qū)域；⑦物料下料。

2.2.2 控制策略

由于硅脂黏度較大，流動性差，為了保證涂覆啟動瞬間能有硅脂流出，需提前手動進(jìn)行調(diào)整，使硅脂充滿整個管道系統(tǒng)及點(diǎn)膠閥、涂覆頭；此外啟停過程為保證涂覆均勻性，需結(jié)合硅脂特性現(xiàn)場驗(yàn)證固化延時時間及提前補(bǔ)償時間。涂覆停止瞬間，由于管道系統(tǒng)壓力及硅脂重力仍高于大氣壓，涂覆頭內(nèi)仍有硅脂流出，會污染工作臺及浪費(fèi)，需在結(jié)束時進(jìn)行回吸，避免滴落。工作結(jié)束后若長時間停機(jī)，為避免硅脂固化堵塞管路，需手動進(jìn)行清洗排空處理。機(jī)器人往復(fù)機(jī)涂覆速度效率高，質(zhì)量依靠于供料系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，一旦異常人工難以及時發(fā)現(xiàn)，可搭配機(jī)器視覺技術(shù)輔助檢測，在散熱硅脂涂覆過程比對物料有無、寬度、斷續(xù)、均勻性等參數(shù)［13］，保證過程質(zhì)量穩(wěn)定受控。

3 測試與結(jié)果分析

通過對散熱硅脂涂覆系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)一個月批量運(yùn)行測試統(tǒng)計(jì)，原生產(chǎn)方式約1／6需人工補(bǔ)涂，現(xiàn)硅脂涂覆工作站實(shí)測一次涂覆合格率提升至99%（圖11），通過稱重測量硅脂的擠出量誤差控制在±1 g／m內(nèi)，涂覆效果效果均勻穩(wěn)定（圖12）。

圖11 改善前后一次合格率對比

圖12 涂覆效果示意圖

進(jìn)一步，為驗(yàn)證極端工況下的硅脂涂覆一致性，分別設(shè)置對照組，低溫工況（30℃、5℃、－6.9℃）多批次混料工況與常溫正常工況進(jìn)行對照對比（圖13），驗(yàn)證料桶切換過程無需對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，微通道換熱器上涂覆后的硅脂尺寸均勻穩(wěn)定，實(shí)測極端工況與常溫正常工況下的出料量重量差值小于或等于1%。

圖13 極端工況涂覆驗(yàn)證效果圖

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對定量供料原理的研究及應(yīng)用，從散熱硅脂涂覆均勻性、供料穩(wěn)定性以及出料均勻性三方面進(jìn)行工藝開發(fā)，設(shè)計(jì)涂覆系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、邏輯控制，將行業(yè)常規(guī)的機(jī)械擠壓替代為壓盤泵定量供料的散熱硅脂均勻涂覆系統(tǒng)，徹底解決了高黏度硅脂受季節(jié)交替變化、物料批次差異大而引發(fā)的涂覆不均勻難題，實(shí)現(xiàn)了涂覆均勻性波動值小于或等于1%，有效保障了產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。