陳紹軍，葉偉洋，葉素美，黎嘉欣，蘇文斌

(1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000; 2.河源市信大石英電器有限公司，廣東 河源 517000)

由于碳纖維發(fā)熱體具備升溫降溫快速，熱量滯后小，發(fā)熱比較均勻，熱量輻射的距離比較遠(yuǎn)等良好性能，現(xiàn)如今，其發(fā)展迅速，已被各種領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在碳纖維發(fā)熱體研究領(lǐng)域，已經(jīng)研究出實(shí)用新型的碳纖維遠(yuǎn)紅外發(fā)熱管等，此種新型發(fā)熱管利用柔性碳纖維作為發(fā)熱體具有熱轉(zhuǎn)換效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在家電及醫(yī)用器械等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-3]。

本文主要對(duì)開發(fā)的新型碳纖維發(fā)熱管的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)制作工藝、檢驗(yàn)技術(shù)和方法等進(jìn)行了介紹，并對(duì)產(chǎn)品的熱效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試及研究。

1 碳纖維發(fā)熱管的結(jié)構(gòu)

碳纖維發(fā)熱管的結(jié)構(gòu)外管主要是采用石英為原材料，其螺旋狀發(fā)熱主體多呈現(xiàn)為空心結(jié)構(gòu)，主要材料為碳纖維，碳纖維由長絲經(jīng)過加捻后由一定工藝?yán)@制而形成，作為碳纖維發(fā)熱管的核心發(fā)熱元件。新型碳纖維發(fā)熱管的主體新型碳纖維絲在其兩端采用特殊包扎形式，其碳纖維絲材料為鉬片并在碳釬維樹加熱器兩端有導(dǎo)線安置。碳纖維發(fā)熱管的管身是透明管，其電氣設(shè)定參數(shù)為220～240 V、2 000 W。引線采用UL3122，50～52支線芯，300～500 V 200 ℃耐高溫玻纖線。兩端的電極是由銀白色難溶高熔點(diǎn)金屬鉬組成的，鉬片和鉬桿，接線端子等[4]。詳細(xì)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 碳纖維發(fā)熱管的結(jié)構(gòu)

2 碳纖維發(fā)熱管的生產(chǎn)制作工藝

碳纖維發(fā)熱管的生產(chǎn)制作工藝主要包括以下步驟：

(1)根據(jù)產(chǎn)品的直徑和長度，選擇具有所選直徑的內(nèi)外管進(jìn)行切內(nèi)管和切外管。

(2)選擇編絲的大小粗細(xì)等規(guī)格尺寸，確定合理的投料數(shù)量，進(jìn)行編絲。

(3)選擇繞絲規(guī)格，測(cè)量電阻，確定功率，測(cè)量導(dǎo)線長度進(jìn)行繞絲。

(4)調(diào)整定型機(jī)，確定定型電壓，進(jìn)行定型處理。

(5)選擇適合的電極并進(jìn)行點(diǎn)焊。

(6)進(jìn)行壓封和排氣，注意有無壓歪鉬桿，有無壓漏，是否有壓力泄漏。

(7)進(jìn)行老練檢測(cè)、功率抽檢，壽命抽檢。

(8)進(jìn)行點(diǎn)線、瓷件的打印和粘貼。

(9)成品檢驗(yàn)，再一次的確認(rèn)電壓、功率、長度、檢測(cè)內(nèi)絲。 具體如圖2所示。

圖2 碳纖維發(fā)熱管一般工藝制作流程圖

3 碳纖維發(fā)熱管檢驗(yàn)技術(shù)要求及檢驗(yàn)方法

3.1 碳纖維發(fā)熱管檢驗(yàn)技術(shù)要求

當(dāng)碳纖維發(fā)熱管制作完成后需按照技術(shù)要求進(jìn)行檢驗(yàn)，確保碳纖維發(fā)熱管的安全性。檢驗(yàn)技術(shù)要求主要包含以下內(nèi)容：

(1)外觀檢查項(xiàng)目：①新型碳纖維加熱氣管表面兒潔凈污染黑點(diǎn)最多有4個(gè)且小于0.5 mm，管表面氣路每條不得長度超過5 mm。②碳纖維加熱器管形狀正確管外表不允許變形扭曲薄厚不均勻不是符合國家安全外觀管理。③電壓和功率符合規(guī)定。④石英管表面無明顯劃痕排氣口位置兩端如有輕微白霧可收回。⑤硅膠套連接處牢固不存在硅膠套與無關(guān)部位粘連。⑥引線連接處安全牢固，碳纖維位置居中。

(2)尺寸檢測(cè)：碳纖維燈管直徑應(yīng)為設(shè)計(jì)尺寸的±0.05 mm，長度應(yīng)為設(shè)計(jì)尺寸的±1 mm，引出線長度應(yīng)為設(shè)計(jì)尺寸的±5 mm。進(jìn)行裝配檢驗(yàn)。

(3)功率檢測(cè)：將碳纖維管在其額定電壓下點(diǎn)亮，用功率儀測(cè)試其功率，應(yīng)在其額定功率的范圍為+3%～-7%。

(4)亮度檢測(cè)：碳纖維管點(diǎn)亮?xí)r兩根管子亮度接近，發(fā)熱體應(yīng)發(fā)光均勻，無明顯差別，單根碳纖維管亮度均勻且局部不得出現(xiàn)暗點(diǎn)或異常亮點(diǎn)。

(5)壽命檢測(cè)：通過一定的檢查，新型碳纖維發(fā)熱管在正常環(huán)境運(yùn)行下(額定電壓額定電流)，壽命應(yīng)大于6 000 h。

(6)沖擊檢測(cè)：電壓為AC1.3倍額定電壓瞬間通電時(shí)沒有出現(xiàn)以下異?，F(xiàn)象：①位于燈管的鉬片點(diǎn)焊處不得有打火現(xiàn)象。②燈管連續(xù)工作6 h工作并且在AC1.3倍額定電壓下，進(jìn)行抽查無斷絲或發(fā)黑的現(xiàn)象。

(7)性能檢測(cè)：①燈具不得有雜物、變色、鎳、鉬棒氧化、壓力密封開裂等現(xiàn)象。②鉬片不得有折斷、裂口增長現(xiàn)象，發(fā)熱體進(jìn)行工藝孔平面與排氣嘴平面設(shè)計(jì)一致。③壓封板內(nèi)的鉬片靠壓封口的距離要大于1.0 mm(外端口)。④導(dǎo)線應(yīng)與燈管結(jié)合牢固，25 N拉力時(shí)導(dǎo)線不得松動(dòng)。⑤燈管兩端的壓力密封板不易折斷，容許承壓任一方向10 N的力。⑥燈管上排氣嘴的高度不應(yīng)大于4 mm。⑦燈管上的引線根據(jù)電壓和功率，配置合適的引線。⑧用真空火花器檢測(cè)燈管不能有漏氣現(xiàn)象(全檢)。

3.2 檢驗(yàn)方法

生產(chǎn)出廠的碳纖維發(fā)熱管產(chǎn)品一般需符合國標(biāo)GB/T7287—2008、GB4706.1—1992，具體檢驗(yàn)方法參考河源市信大石英電器有限公司碳纖維發(fā)熱管檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范。

(1)外觀檢查：①表面應(yīng)平整、整潔、潔凈，無污斑瑕疵、無疤痕、無銹斑、無腐蝕，無損壞、變形;批峰≤0.05。使用視檢、游標(biāo)卡尺。②玻璃管表面光潔無劃痕和黑點(diǎn)，固定金屬片表面無銹跡，無臟污油漬；發(fā)熱體無歪斜現(xiàn)象，表面平整，色澤均勻，無凹坑、破損、裂紋。玻璃管內(nèi)無多作雜物。③鉬桿與接頭鎳片焊接應(yīng)良好，不能有虛焊，假焊，漏焊等焊接不良。

(2)尺寸檢查：尺寸符合圖紙要求。使用游標(biāo)卡尺、千分尺。

(3)標(biāo)識(shí)檢查：組件上應(yīng)有生產(chǎn)廠家或商標(biāo)，型號(hào)規(guī)格、額定電壓、功率、導(dǎo)線截面積標(biāo)稱值、線號(hào)標(biāo)志，標(biāo)識(shí)應(yīng)清晰，用蘸汽油的棉布來回檫15S，再用蘸水的棉布來回檫15 s，標(biāo)識(shí)應(yīng)清晰易讀。使用目測(cè)及擦拭。

(4)結(jié)構(gòu)檢查：①磁頭不允許出現(xiàn)歪斜和松動(dòng)的情況，在產(chǎn)品的外部封口處電極不能發(fā)生歪斜也不能發(fā)生斷裂。②外部連接引線與發(fā)熱管連接處用30N的拉力垂直拉，引線不能斷脫，套管不能松脫。外部連接引線與發(fā)熱管連接處左右搖動(dòng)30次(45°，5N，30次/min，搖動(dòng)位置在離瓷頭約10 cm處)引線不能斷脫。

(5)發(fā)熱體亮度及色溫檢驗(yàn)：產(chǎn)品在正常工作的同時(shí)，中心發(fā)熱體允許略暗內(nèi)中心發(fā)熱體熱效應(yīng)應(yīng)一致，即通電后目視檢查規(guī)定描述內(nèi)發(fā)熱體完全發(fā)紅。發(fā)熱體色溫須達(dá)到色溫<1 600 K。通電后目測(cè)，使用秒表和色溫儀。

(6)封裝質(zhì)量：需使用真空檢測(cè)儀檢驗(yàn)，將產(chǎn)品進(jìn)行真空抽取，檢驗(yàn)后密封良好無泄漏氣體情況則產(chǎn)品合格。

(7)額定功率及電氣強(qiáng)度：利用電參數(shù)測(cè)量儀，測(cè)試額定電壓工作狀態(tài)，功率偏差符合-8%～+4%。在電極和發(fā)熱管外殼之間，金屬片之間固定電極，管腳與燈管之間施加1 800 V/5 mA/1 min,無擊穿。

(8)玻璃管封口溫度：在1.15倍額定輸出電壓下工作至穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，玻璃管兩端以及封口處溫度≤250 ℃(環(huán)境不同溫度為20 ℃±5 ℃)。

(9)管腳機(jī)械強(qiáng)度：使用拉力計(jì)對(duì)管腳向引腳方向施加固定的拉力(50 N)，在1 min內(nèi)，管體無任何松動(dòng)和裂痕。

(10)跌落測(cè)試：正常樹立產(chǎn)品，后松手使其自由跌落在20 mm的質(zhì)地堅(jiān)硬的木板上，如產(chǎn)品無損傷則合格。使用跌落試驗(yàn)臺(tái)電參數(shù)測(cè)量儀。

(11)高低溫測(cè)試：在規(guī)定的額定1.25 V電壓下，將產(chǎn)品持續(xù)通電工作10 min，置于10 ℃的水中，產(chǎn)品不可有任何特殊情況，再連續(xù)5 h將產(chǎn)品放入恒溫(-20 ℃)的環(huán)境中，觀察加熱管，不容許有任何異樣反應(yīng)。

(12)泄漏電流及常態(tài)絕緣電阻測(cè)試：發(fā)熱管在額定電壓(1.06倍)穩(wěn)定工作時(shí)，允許外殼泄露的電流量為小于等于0.25 mA。檢驗(yàn)新型碳纖維發(fā)熱管兩電阻電極與其核心發(fā)熱管兩端的鉬片之間的電阻應(yīng)大于等于20 MΩ。使用泄漏電流測(cè)試儀、絕緣電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

(13)等效快速壽命檢驗(yàn)：使用電參數(shù)測(cè)試儀、變頻電源等進(jìn)行測(cè)試，在額定電壓下(1.35倍)，不間斷工作36 h；在測(cè)試結(jié)束之后，發(fā)熱管端部有部分微量薄霧狀態(tài)物體可以存在，不容許有其他異常反應(yīng)出現(xiàn)；并且在實(shí)驗(yàn)完畢后的發(fā)熱管的功率不容許大于實(shí)際功率的±3% 。

4 碳纖維發(fā)熱管熱效測(cè)試

碳纖維發(fā)熱管熱效測(cè)試在房間進(jìn)行，如圖3所示。開啟電源發(fā)熱管開始工作后，對(duì)房間中心、墻面中心及房間4個(gè)角落進(jìn)行溫度檢測(cè)，測(cè)試碳纖維發(fā)熱管產(chǎn)品使用對(duì)周圍環(huán)境溫度的影響情況。

圖3 用于熱效測(cè)試的碳纖維發(fā)熱管產(chǎn)品

1)測(cè)試數(shù)據(jù)。

各測(cè)試點(diǎn)溫度情況見表1所示。

表1 測(cè)試點(diǎn)溫度情況 ℃

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，做出了產(chǎn)品的熱效圖(見圖4、圖5)，通過熱效圖可以發(fā)現(xiàn)，在碳纖維發(fā)熱管產(chǎn)品通電運(yùn)行情況下，在1 h內(nèi)環(huán)境溫度迅速提升，隨后緩慢上升。且產(chǎn)品使用過程中，對(duì)房間中心、對(duì)射墻面中心及房角角落等周圍環(huán)境溫度提升大致相同，提升效果非常明顯。

圖4 房間中心及對(duì)射墻面中心熱效圖

圖5 房間四個(gè)角落熱效圖

5 結(jié) 論

開發(fā)的新型碳纖維發(fā)熱管在導(dǎo)熱過程中損失較小，熱轉(zhuǎn)換效率大大提高， 比其他鎳鉻、鎢鉬金屬制的發(fā)熱管節(jié)能15%～30%，且壽命長，環(huán)保性能更好，未來將在加熱領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。