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范召卿，陈焕焕，谭德强，王 奇，崔 润，罗勇军
（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519000）
人们对于生活质量的要求越来越高，环保、节能以及安全的空气能热水器逐步走进千家万户。按照制热方式的差异，空气源热泵热水器可以分为一次加热式热泵热水器、循环加热式热泵热水器和静态加热式热泵热水［1］，目前家用空气能热水器主流采用静态加热承压式的方式，通过微通道换热器通过接触传热将热量传递给缓冲水箱，理想装配状态是换热器与水箱内胆紧密接触贴合，热量可靠传递，但由于产品加工精度、圆度等限制，实际上两者的接触面之间存在很多空隙（图1）。接触间隙间主要为空气填充，其热阻很大，会大幅降低微通道换热器的传热效果，一般在间隙间填充散热硅脂作为热界面材料来提高导热性能［2－3］。
图1 接触界面示意图
硅脂主要成分为基体、硅油、填料、稳定剂及其他添加剂混合而成，使用过程的锥入度过小则黏度相对较低，锥入度过大则黏度高，且硅脂受温度变化影响较大，升温会使得黏度降低易发生流淌、降温会使得黏度升高涂布困难，故符合使用的产品锥入度一般为150～380（25℃，1／10 mm）之间，常温下呈膏状［4］。行业内目前多采用机械挤料的方式，配合人工／自动化在微通道换热器表面进行涂覆作业［5］，在此过程受温度、供料压力及材料自身参数变化影响较大，其硅脂在微通道换热器扁管表面涂覆的均匀性、一致性均难以保证，从而使得产品的性能一致性存在较大的波动。图2为硅脂涂覆异常时状态。
图2 硅脂涂覆异常时状态
基于上述原因，本文针对硅脂涂覆过程难点、关键技术点进行工艺开发，提出利用柱塞泵定量供料的方式解决硅脂送料过程受温度、性能波动变化的不稳定因素，进行微通道换热器散热硅脂均匀涂覆系统设计，提高散热硅脂涂覆均匀性，保障空气能热水器能效指标稳定。
散热硅脂的涂覆一个连续的过程，要想保证涂覆效果均匀稳定，则需要持续保持散热硅脂供料输入与点胶阀输出的稳态平衡。另外由于微通道换热器为多条的平行结构（图3），需要执行机构具有匀速运动以及灵活的逻辑控制切换以满足功能需求。
图3 微通道换热器示意图
1.1 涂覆系统原理
结合微通道换热器的产品结构及散热硅脂的性能特点，一个完整的涂覆系统主要包括料桶、动力部件、输送管道、往复机、点胶阀等执行部件以及逻辑电控部分（图4）［6－7］，其各部件主要功能如下所述。
图4 涂覆系统原理示意图
（1）执行部件
料桶，用于盛放散热硅脂原料；
动力部件，将料筒物料通过输送管道传递给执行机构并提供持续不断的动力；
输送管道，用于将物料输送至指定位置；
往复执行机，根据产品的尺寸规格、携点胶阀、涂覆嘴执行往复动作；
点胶阀，通过控制通断配合涂覆嘴使用将散热硅脂涂敷于工件表面；
涂覆嘴，一定的形状截面，引导散热硅脂挤出涂覆于工件表面。
（2）逻辑电控部分
逻辑电控部分主要通过IO接口联动动力部件、往复执行机以及点胶阀，通过联动控制完成整个硅脂涂覆流程。工作过程，工件在工作台定位完成后，动力部件由供电或供气使硅脂由料桶经输送管道输送至点胶阀处，由往复执行机带动点胶阀、涂覆嘴在工件表面做往复的相对运动，并按照一定的逻辑控制通断点胶阀将散热硅脂涂敷于微通道换热器工件表面。
1.2 定量供料原理
目前变量调节的方式主要有直接排量调节控制、压力调节控制、流量调节控制以及功率调节控制4种变量调节方式（图5），主要适用工况为直接排量控制适用于变排量控制，压力调节控制适用于压力恒定、复杂流量变化，流量调节控制适用于流量稳定，功率调节控制适用于负载压力与流量作用下输出功率一定［8－9］。
图5 变量调节的主要形式
而散热硅脂理论上为非牛顿流体，压缩量可以近似为不可压缩，结合直接排量调节控制的方式，在输入压力足够大的条件下，对变量缸施加力使其匀速进给运动，在一个运动周期内几乎可等价为固定排量的硅脂物料输出，即可实现定量供料。
上述介绍了涂覆系统的原理，系统的设计包括执行机构、逻辑控制两方面，结合硅脂原料高黏度的特性，涂覆均匀性的关键在于供料稳定性、涂覆均匀性以及出料均匀性等（图6），下文将针对执行机构与控制逻辑围绕关键技术进行分析论述。
图6 关键技术分析
2.1 执行机构
2.1.1 供料动力部件
散热硅脂呈膏状态、黏度高，其锥入度（即黏度）受温度波动、黏度批次差异影响较大，行业传统的供料动力方式为机械挤压（图7），这种形式对供气压力要求较高（夏季0.6～0.8 MPa，冬天0.9 MPa以上），接近与车间供气压力的极限值，当用起点集中用气时，会产生较大的气压波动，从而使得硅脂涂覆供料波动显著，难以保证过程生产供料过程的稳定一致。
图7 压力桶挤料示意图
通过选用双立柱压盘式柱塞泵（图8）作为供料动力部件，其由空气马达、启动柱塞泵以及压盘和空气控制装置组成［10］，气动马达在低压空气（0.25 MPa）的驱动下，其柱塞泵的缸体提拉压力可达到2.5 MPa（约10倍），使缸体做周期性的匀速进给运动，选型时缸体周期运动容积大于或等于微通道换热器单条扁管长度涂覆量或其倍数，即实现动力部件定量对散热硅脂进行供料，确保供料稳定。
图8 双立柱压盘式柱塞泵
另外压盘泵的选型主要包括流量与压力，其流量（即单位时间出料量）与点胶阀的数量选择相关，压力与输料管道的长度及硅脂黏度有关，可参考流体力学沿程阻力相关理论进行计算，具体以实际工况参数进行选用。
2.1.2 涂覆往复机及工作台
微通道换热器的结构是多条的平行结构，散热硅脂涂覆需交替往复式作业，一般涂覆机需与工作台结合进行设计，而微通道换热器尺寸一般较大，常采用工作台固定，涂覆机往复进行涂覆作业的方式。
（1）涂覆往复机。涂覆过程需保证单条扁管上形状、尺寸均匀一致、多条扁管间换行的稳定，需保证涂覆过程的速度均匀以及联动控制能力，一般需采用自动化的方式，常选用往复式伺服机械手或六轴机器人（图9），再由IO端口联动供料系统及点胶阀。
图9 六轴机器人作为涂覆往复机示意图
（2）固定工作台。工作台为基准平面，需设置对应的限位结构以及保证平整度，以保证物料装夹的一致性，避免涂覆过程出现偏位、撞机等问题。对于部分小尺寸的产品，可以考虑工作台作往复、周向运动以实现涂覆动作
2.1.3 点胶阀及涂覆头
点胶阀的进料口通过管路与压盘泵的出料口相连接，出料口与涂覆头相连，通过IO接口与涂覆往复机联动控制实现对硅脂管路的通断控制；
涂覆头以扁平状结构为佳，尽量减少接触面积，减少硅脂在通过涂覆头时的阻力［11］。
2.1.4 输送管道及压力缓冲
供料系统采用直接直接排量式调节控制方式，而硅脂呈膏体状，其输送过程的沿程阻力与其黏度、管道长度等成正比。当温度、黏度值变化波动时，其系统的输送压力则会随之发生变化，管道承压极限选型需按照低温高黏度值时的系统输送工况压力进行设计选型，根据实际的应用，放大系数可设置在1.2～1.5倍。点胶阀选择的数量越多或输料距离a（图10）越长，可考虑增加缓冲稳压罐［12］，避免周期性启停流量急剧变化而影响输出硅脂流量。此外点胶距离b应尽量短，且尽量直线接通，避免阻力加长而影响出料均匀性。
图10 供料系统示意图
2.2 逻辑控制
2.2.1 工作流程
自动涂覆的工作流程：①物料在工作台装夹就位；
②机器人带动点胶阀、涂覆嘴沿微通道换热器扁管方向移动；
③设置延时时间，机器人移动到位前延时启动点胶阀；
④设置提前补偿时间，单条扁管涂覆完成前提前关闭点胶阀；
⑤按照流程②～④的过程循环往复完成整个微通道散热硅脂涂覆作业；
⑥机器人离开作业区域；
⑦物料下料。
2.2.2 控制策略
由于硅脂黏度较大，流动性差，为了保证涂覆启动瞬间能有硅脂流出，需提前手动进行调整，使硅脂充满整个管道系统及点胶阀、涂覆头；
此外启停过程为保证涂覆均匀性，需结合硅脂特性现场验证固化延时时间及提前补偿时间。涂覆停止瞬间，由于管道系统压力及硅脂重力仍高于大气压，涂覆头内仍有硅脂流出，会污染工作台及浪费，需在结束时进行回吸，避免滴落。工作结束后若长时间停机，为避免硅脂固化堵塞管路，需手动进行清洗排空处理。机器人往复机涂覆速度效率高，质量依靠于供料系统整体的稳定性，一旦异常人工难以及时发现，可搭配机器视觉技术辅助检测，在散热硅脂涂覆过程比对物料有无、宽度、断续、均匀性等参数［13］，保证过程质量稳定受控。
通过对散热硅脂涂覆系统进行连续一个月批量运行测试统计，原生产方式约1／6需人工补涂，现硅脂涂覆工作站实测一次涂覆合格率提升至99%（图11），通过称重测量硅脂的挤出量误差控制在±1 g／m内，涂覆效果效果均匀稳定（图12）。
图11 改善前后一次合格率对比
图12 涂覆效果示意图
进一步，为验证极端工况下的硅脂涂覆一致性，分别设置对照组，低温工况（30℃、5℃、－6.9℃）多批次混料工况与常温正常工况进行对照对比（图13），验证料桶切换过程无需对参数进行调整，微通道换热器上涂覆后的硅脂尺寸均匀稳定，实测极端工况与常温正常工况下的出料量重量差值小于或等于1%。
图13 极端工况涂覆验证效果图
综上所述，通过对定量供料原理的研究及应用，从散热硅脂涂覆均匀性、供料稳定性以及出料均匀性三方面进行工艺开发，设计涂覆系统执行机构、逻辑控制，将行业常规的机械挤压替代为压盘泵定量供料的散热硅脂均匀涂覆系统，彻底解决了高黏度硅脂受季节交替变化、物料批次差异大而引发的涂覆不均匀难题，实现了涂覆均匀性波动值小于或等于1%，有效保障了产品的性能稳定。
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