PTO－4018RT超声波清洗机冷却系统分析与改造

谢迎春

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆400060）

1 设备概况

1.1 超声波清洗机冷却系统作用与清洗液循环原理

PTO－4018RT超声波清洗机用于电路板以及各种零部件的清洗，其分别在蒸馏槽、清洗槽与蒸汽槽上部安装了冷却排管，当冷却系统工作时，在各槽上方区域形成温度较低的冷冻区（－5℃以下）。槽底的加热装置工作会使槽内挥发性强、熔点较低的有机溶剂组成的清洗液沸腾，形成大量蒸汽，这些蒸汽上行到达冷冻区后，急剧凝结，又返回液态，被冷却排管下方的集液器收集，经油水分离器去除水分后，清洁干净的清洗液回流到各槽中进行循环利用，周而复始。

1.2 原超声波清洗机冷却系统存在的问题

（1）超声波清洗机冷却系统配套的压缩机不合适。原厂配套的2P及3P压缩机为空调压缩机，当压缩机烧毁后也是换用同类型号的空调压缩机进行维修；空调压缩机为高温压缩机，其适合的工作蒸发温度为－10～10℃，冷却排管形成的冷冻区温度通常在－5℃以下，冷却系统实际工作蒸发温度为－15～－10℃，因此，原配套的空调压缩机不合适，因为该工况会对压缩机寿命有较大影响。（2）原厂设备选用冷却系统制冷量与实际负荷不太匹配。该机采用2台风冷冷凝机组，其中2P冷凝机组用于蒸馏槽冷却，实际槽内加热功率2 k W。3P冷凝机组用于清洗槽与蒸汽槽冷却，清洗槽加热功率2 k W，蒸汽槽加热功率2 k W，清洗槽内溶液温度通常控制在40～50℃，并没有达到沸点，对该冷凝机组负荷影响小，可忽略不计，实际负荷只有2 k W左右。设备开机后冷却系统为连续工作，长期处于“大马拉小车”的状态，导致其压缩机寿命减短。（3）冷却系统检测、保护不完善。该冷却系统没有吸气压力、排气压力监测，没有吸气压力过低保护。冷凝机组长期裸露在室外，没有专门的避雷设施，夏季容易因雷击而烧毁压缩机。（4）室外冷凝机组维修极不方便。清洗机因生产使用需要安放在2楼，其冷凝机组受安装位置所限只能安置在2楼外墙，维修时需搭梯子，维修操作困难。该清洗机从投入使用以来，冷却系统各种故障频发，每1～2年至少要烧毁1台压缩机，严重时曾在1年内就烧毁3台压缩机。特别是在夏季时，维修工作量很大，会对生产有较大影响。

2 冷却系统改造

2.1 改造缘由

2011年6月底，PTO－4018RT超声波清洗机开机后发现清洗槽与蒸汽槽的冷却排管无冷气，经检测确认故障为冷却系统3P冷凝机组压缩机烧毁。该超声波清洗机为关键生产设备，正值生产任务紧张时期，因而对生产进度有很大影响。鉴于设备冷却系统故障多的实际情况，决定对其冷却系统实施改造。

2.2 改造方案

（1）对清洗机冷却系统进行优化设计。因冷却系统实际负荷约为4 k W，拟将原有的2台风冷冷凝机组改为1台4 HP水冷冷凝机组；由2个膨胀阀分别调节蒸馏槽的冷却排管、清洗槽与蒸汽槽的冷却排管内制冷剂流量。（2）冷却系统的重要部件，如制冷压缩机、热力膨胀阀等，采用知名品牌部件，以提高设备可靠性。（3）加强对冷却系统的保护。加装高低压力表，便于监控工作状态；管路装设干燥过滤器、气液分离器、电磁阀、高低压力控制器，加强对压缩机等重要部件的保护；同时，水冷机组置于室内，以大大减少雷电击毁压缩机的可能性，同时方便设备维修。

2.3 选型

（1）制冷压缩机选型及制冷剂选择。压缩机为冷却系统的核心部件，合理的选型对冷却系统的正常运行至关重要。冷却系统实际负荷约为4 k W，工作蒸发温度范围为－15～－10℃，选用中温制冷压缩机更为合适；经多方比较，最终采用谷轮ZB29 KQ－PFJ－524制冷压缩机。选取广泛应用的氟利昂R22作为制冷工质。（2）其他部件选型。依据压缩机制冷量选取相应规格、型号的壳管式水冷冷凝器、热力膨胀阀等部件（表1）。

表1 具体选型一览表

2.4 制冷循环流程

制冷剂R22循环过程如下：压缩机—壳管式冷凝器—出液总阀（供液阀）—干燥过滤器—电磁阀—热力膨胀阀—冷却排管（蒸发器）—气液分离器—压缩机。如此反复循环。

2.5 安装、调试

2.5.1 安装

本冷却系统采用的制冷剂R22有很强的渗透力，易泄漏；R22在水中的溶解度为0.06%，属于不溶水物质，当含水量超过溶解度时易造成冰堵现象；同时，含水时R22对金属等有腐蚀作用，会减短压缩机等部件的使用寿命，甚至烧毁压缩机。因此，冷却系统必须有严格的密封、防泄漏措施。除选用质优的部件外，安装时对冷却系统正常使用影响最大且容易被忽视的就是部件的干燥处理、管材选择、管道的连接与密封，其控制要点如下：（1）所有部件、管道等使用前应进行干燥处理（必要时进行烘干），并用塞子或胶带等密封部件接头或管口。（2）冷却系统管路连接采用脱磷无缝拉制的紫铜管，管道表面无裂纹、划伤、凹坑等缺陷；吸气连接管采用外径15.9 mm优质厚壁紫铜管，排气连接管采用外径9.52 mm优质厚壁紫铜管。（3）管路连接尽量采用气焊，焊接前必须仔细清除管路表面污物、氧化物等；焊接时应加入氮气保护；操作时应小心，防止焊料掉入管内；焊点应无针孔、裂纹等；采用螺母连接时应处理好接头，旋紧螺母。（4）系统安装连接后先加干燥氮气至0.3～0.5 MPa，检查管路情况；若无泄漏，继续加入干燥氮气至20 MPa，压力应保持24 h稳定，否则应重复本步，找出泄漏点重新处理，直至满足要求。（5）加灌制冷剂前应先放掉氮气，再抽真空不短于2 h或使真空度达到60 Pa以上。（6）吸气管道部分应包扎保温泡沫，保温层厚度不小于15 mm。

2.5.2 制冷剂的冲注、调试

该冷却系统制冷剂开始是按厂家推荐的重量进行冲注，但热力膨胀阀的开度始终无法调整到合适状态，原因在于2只热力膨胀阀调整较为困难，另外，蒸馏槽的冷却排管、清洗槽与蒸汽槽的冷却排管布局、长度等对冲注量也有影响。设备改造现场检查仪器有限，实际制冷剂的加灌、调试只有根据调机人员的经验以及检测的压力参数、压缩机电流等进行，控制要点如下：（1）停机，放掉部分制冷剂，分别记录2只热力膨胀阀调整螺钉全开到全关时旋转圈数，再将2只热力膨胀阀开度调节到中间位置。（2）开机，启动2槽加热4 k W，运行约10 min后检查第一只膨胀阀、该路相连的冷却排管以及压缩机吸气口的结霜情况。正常的结霜状况为膨胀阀后部有薄薄的霜，冷却排管后部3～4排结霜，压缩机吸气口附近有手掌大结霜区域；若没有结霜再缓慢旋大开度，运行数分钟后再观察；若旋转约2／3开度均没有结霜或结霜情况不好，则应补充制冷剂，同时膨胀阀旋回1／2开度，重复先前的调节，直至结霜状况正常。相反，若结霜过多，则旋小膨胀阀开度；若旋转约1／3开度后结霜仍过多则应放掉部分制冷剂，同时膨胀阀旋回1／2开度，重复先前的调节，直至结霜状况正常。调节过程中应监控保证吸气压力在0.1～0.3 MPa范围内，压缩机电流为额定电流；观察压缩机运转声音及机壳发热是否正常。（3）按（2）中方法调节第二只膨胀阀的开度以及制冷剂的充注量。检查冷却系统结霜情况、吸气压力、排气压力、压缩机电流是否正常；否则按上述方法调整制冷剂充注量与热力膨胀阀开度，直至合适状态。

注意：调节第二只膨胀阀开度对第一只膨胀阀开度也有影响，需经多次调整才能得到合适的结果。

3 改造效果

该超声波清洗机冷却系统从完成改造始至笔者发稿止，工作时间已超过2.5年，期间没有发生过一次设备故障，系统运行良好，节约了维修成本，取得了较好的经济效益。

［1］吴业正.制冷原理及设备［M］.第2版.西安交通大学出版社，1997

［2］GB50274—2010 制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范［S］