張 夢 鞏 猛 張宏偉 馬 星 王俊森 孫玉超 戴國良

格力大松(宿遷)生活電器有限公司 安徽 宿遷223800

引言

隨著人們對生活質(zhì)量追求的不斷提升,加濕器作為增加空氣濕潤、輔助補水的生活家電產(chǎn)品,越來越受到消費者的喜愛。近年來,各家電企業(yè)為博得顧客眼球,占有更多加濕器市場份額,其產(chǎn)品設計上也呈現(xiàn)出了百花齊放的追風氛圍。但多數(shù)家電企業(yè)仍更多側(cè)重于加濕器性能上的拓展、材料上的選擇以及外觀上的設計,對其水槽內(nèi)部結(jié)構和散熱系統(tǒng)的研究卻極其甚微。基于此,本文結(jié)合兩款不同結(jié)構的加濕器,從散熱系統(tǒng)、水槽內(nèi)部結(jié)構等方面進行對比實驗,提出一種加濕器最佳水槽結(jié)構的設計方案。

1 加濕器干燒保護原理

加濕器主要由水箱、底座、風機裝置、控制器、霧化板支架、超聲波霧化片、開關旋鈕、電源適配器八大部分構成,其中控制器、霧化板支架、超聲波霧化片組成的霧化器部件實現(xiàn)加濕器的各項功能控制,如圖1所示。

圖1 霧化器結(jié)構示意圖

在加濕器工作過程中,超聲波霧化片利用電子高頻震蕩將液態(tài)水分子打散變成水霧,風機裝置將水霧送出,即實現(xiàn)空氣加濕功能。同時,控制器中的采樣電路每間隔0.1 秒對超聲波霧化片發(fā)射超聲能量進行一次采樣對比,5次一個循環(huán)。當水箱中水量不足時,超聲波霧化片的超聲能量相比正常工作狀態(tài)下較低,檢測兩個循環(huán)超聲能量仍低于正常值時確認為加濕器已處于干燒狀態(tài)。干燒保護電路啟動,控制整機停止工作并進行報警顯示。

2 失效現(xiàn)象及實驗方法介紹

2.1 失效現(xiàn)象 B型號加濕器在長期壽命運行試驗中,缺水狀態(tài)下干燒保護電路不啟動且報警顯示功能不動作,整機持續(xù)干燒直至注塑件燒熔變形后停止工作,拆機檢查加濕器內(nèi)部發(fā)現(xiàn)底座水槽處燒焦,霧化器上的超聲波霧化片焊點脫落,線材表皮高溫熔化。

2.2 實驗介紹 結(jié)合我司加濕器產(chǎn)品生產(chǎn)情況,B型號異常加濕器霧化器同步適用于A型號加濕器,兩款機型僅B型號存在干燒保護失效異常。根據(jù)此現(xiàn)象,制定從系統(tǒng)散熱情況、工作時溫度和內(nèi)部水槽結(jié)構件三方面著手,對兩款機型展開對比實驗,分析導致加濕器持續(xù)干燒的原因。

3 實驗分析

3.1 散熱系統(tǒng)分析 兩種機型加濕器均采用水冷加風冷結(jié)合散熱方式,即霧化板支架和超聲波霧化片與水接觸,將部分熱量傳遞到水中,支架下部與空氣接觸,將部分熱量傳遞到空氣,然后風機吹風的時候通過空氣循環(huán)將熱量散出。

加濕器主要熱量來源為控制器上三極管的做功發(fā)熱,雖整機風道設計較為密封,但采取的水冷卻和風散熱能夠有效地使熱量消散,同時空氣并非為熱的良導體,因此,加濕器散熱系統(tǒng)結(jié)構并非是導致加濕器干燒保護失效的直接因素。

3.2 溫度實驗 對整機進行少量加水,加水量為1/4量杯,運行以模擬使用過程中出現(xiàn)干燒的問題,同時在加濕器霧化板支架三極管附近、霧化板支架遠端和超聲波霧化片壓片處布點實時監(jiān)測工作溫度,以此測試干燒直至報警時器件溫度。共監(jiān)測15次干燒狀態(tài)下測試點溫度,其溫度變化數(shù)據(jù)如表所示。

表1 測試點干燒溫度情況

經(jīng)過15次循環(huán)干燒以后,機型A經(jīng)過15次干燒循環(huán),布點測試溫度基本在0—2.5 ℃內(nèi)增加,與技術參數(shù)相符。機型B布點處監(jiān)測到的各點溫度變化增加約10℃,另外機型B加濕器干燒運行一段時間后,超聲波霧化片處的溫度變高,長時間干燒溫度達到150℃以上。

超聲波霧化片處的異常溫度可以判斷出超聲波霧化片工作狀態(tài)長時間處在不穩(wěn)定的狀態(tài),而干燒狀態(tài)下的超聲波霧化片的主要作用是反饋干燒信號,且兩款機型的超聲波霧化片無差異,因此需要考慮內(nèi)部結(jié)構件的因素。

3.3 內(nèi)部結(jié)構件影響功能對比實驗 對機型A、B加濕器分別進行3 ml、1 ml定量加水運行實驗,測試開機到干燒保護停機的運行時間,表2為機型A和機型B加濕器干燒保護實驗停機時長。

表2 A、B機型在1 ml和3 ml水量下的干燒保護反應時間

加濕器機型A在1 ml水量情況下約13S內(nèi)水就被霧化完控制器報干燒保護停機,相比機型B加濕器報干燒保護時間減少約30s,即對于同樣的水量機型B加濕器需要更多的時間去接收、判斷干燒信號,即是水在結(jié)構件中的狀態(tài)影響了超聲霧化片判定、反饋干燒信號。

觀察兩款加濕器的內(nèi)部結(jié)構,兩款加濕器的水槽采用不同結(jié)構,其水槽結(jié)構如下圖所示,機型A 水槽采用單側(cè)進水方式,環(huán)形水槽處為平滑狀結(jié)構,機型B水槽采用雙側(cè)進水方式,且環(huán)形水槽處為凹凸不平狀。

圖2 機型A和B水槽結(jié)構圖

機型A水槽結(jié)構為環(huán)形平滑狀,因此在水量不足時水會均勻呈環(huán)狀面分布在水槽和超聲波霧化片之間,所受的張力和重力方向一致且均勻。機型B加濕器底座與霧化板接觸的環(huán)形水槽結(jié)構是呈凹凸不平的,當水量不足時,殘余水聚集在水槽的凹陷處,殘余水附著在水槽與超聲波霧化片之間,此時水滴內(nèi)部的附著力和重力受力不對稱,水附著力大于重力,水分子的合力垂直于附著層指向超聲波霧化片,從而超聲波霧化片與殘留水相互作用力由面接觸變?yōu)辄c接觸。點接觸與面接觸相比接觸面積更小,同時受各凹坑點水量、受力不一致影響,各點與超聲波霧化片接觸時間不一致,變?yōu)榛煦珉S機狀態(tài)。

3.4 實驗結(jié)果討論 綜上,通過對兩組不同結(jié)構的加濕器進行散熱系統(tǒng)分析、干燒循環(huán)溫度實驗和內(nèi)部結(jié)構件功能影響實驗,從實驗數(shù)據(jù)可以分析出,加濕器干燒保護失效的根本原因為凹凸不平狀的水槽結(jié)構中殘留水受到重力和附著力影響導致分布不均勻,與超聲波霧化片接觸變?yōu)辄c混沌狀態(tài),長期運行過程中使B型號超聲波霧化片在特定情況下干燒信號采樣不穩(wěn)定,采樣電路無法在2個循環(huán)中形成有效監(jiān)控,最終導致機型B加濕器無法正常啟動干燒保護電路,造成注塑件高溫熔融變形。

4 水槽設計及實驗驗證

4.1 水槽設計 水槽的凹凸結(jié)構很大程度上影響殘余水的附著力受力方向,因此對水槽結(jié)構進行優(yōu)化,優(yōu)化方案為阻擋殘水不斷從水槽開口處回流至凹陷處以及減少低水位干燒時間,定型方案為水槽兩側(cè)開口處增加擋水筋,其結(jié)構圖如下所示:

圖3 水槽實物結(jié)構圖

4.2 實驗驗證 為了驗證此方案的可行性,對此設計方案的加濕器展開老化驗證,同時使用原結(jié)構進行對比試驗,其中兩臺加濕器的控制器電路和散熱系統(tǒng)保持不變。

對整機進行少量加水3 ml運行以模擬使用過程中出現(xiàn)干燒的問題,同時在加濕器霧化板超聲波霧化片處布點,測試干燒時候器件溫度,經(jīng)過多次干燒循環(huán),實驗數(shù)據(jù)情況如下所示:

表3 原結(jié)構和新結(jié)構的干燒溫度和干燒保護時間范圍

使用原結(jié)構的加濕器在測試時出現(xiàn)異常8次,故障率1.3 %,且干燒溫度已達97.4 ℃。使用新結(jié)構的加濕器運行600次均無異常,干燒溫度最高達78.3 ℃。新結(jié)構的加濕器在干燒溫度值上明顯低于原結(jié)構10℃—20℃,在干燒保護時間范圍上縮短至少3分鐘,因此可以判定新結(jié)構即在水槽兩側(cè)開口處增加擋水筋的設計方案可靠有效。

5 總結(jié)

改變原有的水槽結(jié)構,將其兩側(cè)開口處增加擋水筋,該設計方案能夠臨界狀態(tài)下及時通過超聲波霧化片工作將水槽內(nèi)殘水快速霧化排完,而擋水筋的結(jié)構可以避免少量殘水以后未完全霧化的水滴重新回到水槽中,超聲波霧化片可以及時反饋干燒采樣信號,在一定程度上提升整機干燒保護的反映時間,有效避免加濕器干燒發(fā)生安全隱患問題,同時也為后續(xù)其他加濕器新品的設計具有一定指導意義。