侯慧健 富佳棟 林永明

（1.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663；2.嘉興威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 嘉興 314000）

引言

新型制冷劑R290(丙烷)是一種高效環(huán)保的制冷劑，然而其具有易燃易爆的特點(diǎn)，尚未規(guī)模化替代R22、R32和R410A等制冷劑。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于空調(diào)用R290的火災(zāi)危險(xiǎn)性的研究多集中在可燃制冷劑爆炸極限、可燃制冷劑與不燃制冷劑混合物的抑爆、以及可燃制冷劑的泄漏分析等。這些研究主要集中在制冷劑的特性和空調(diào)器整機(jī)方面，關(guān)于R290空調(diào)器用零部件的安全分析目前還沒有進(jìn)行過深入研究或研究并不系統(tǒng)、全面。

本次研究以空調(diào)器中常見的零部件PTC加熱器為研究對(duì)象，通過對(duì)不同PTC加熱器的溫度特性、故障特性及實(shí)際使用不同時(shí)間下的故障特性進(jìn)行研究，分析PTC加熱器對(duì)R290空調(diào)器的安全影響。希望借助本次研究，協(xié)助中國(guó)履行《蒙特利爾議定書》，全面淘汰HCFC制冷劑，助力空調(diào)器行業(yè)的長(zhǎng)效高質(zhì)量發(fā)展。

1 項(xiàng)目研究簡(jiǎn)介

爆炸的發(fā)生需要具備五個(gè)條件：可燃物、助燃劑（氧化劑）、密閉的空間、可燃物和爆炸物的混合物、火源等。對(duì)于空調(diào)器用PTC加熱器而言，可燃物、助燃劑和密閉的空間的研究應(yīng)結(jié)合空調(diào)整機(jī)考核，此處不再贅述。空調(diào)器用PTC加熱器一般用于空調(diào)器輔助加熱用，空調(diào)器出風(fēng)口處放置PTC加熱器，使熱風(fēng)吹送至室內(nèi)。而PTC加熱器本身由于發(fā)熱、故障爆裂等因素，有成為火源的可能，因此需要對(duì)PTC加熱器的各種特性進(jìn)行相關(guān)研究。

本次僅對(duì)PTC加熱器的控制火源進(jìn)行研究。控制火源也是控制或是消除爆炸的有效措施之一，在生產(chǎn)生活中為避免爆炸的產(chǎn)生在可燃性氣體或是可燃物堆積的場(chǎng)所應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)于點(diǎn)火源的管控，避免爆炸的發(fā)生。由于爆炸發(fā)生的點(diǎn)火源的多樣性需要在不同的場(chǎng)合根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況制定切實(shí)可行的措施來(lái)對(duì)點(diǎn)火源進(jìn)行管理，避免火種的產(chǎn)生。通過查詢標(biāo)準(zhǔn)IEC 60335-2-40:2018附錄BB中R290氣體特性，其自燃溫度（Auto ignition temperature）為470 ℃，最小點(diǎn)燃能量0.31 mJ。PTC加熱器作為空調(diào)器主要的發(fā)熱零部件，需要確保其最大溫度不會(huì)點(diǎn)燃R290。同時(shí)PTC加熱器在電壓升幅較大的情況下會(huì)有熱擊穿現(xiàn)象，應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)避免熱擊穿的發(fā)生。

另外，由于空調(diào)產(chǎn)品使用年限較長(zhǎng)，一般廠家保修期為6年，實(shí)際空調(diào)一般使用年限都在10年以上。PTC加熱器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用，是否會(huì)造成性能上的降低從而引起燃燒爆炸危險(xiǎn)，會(huì)再本次研究中進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.1 研究R290空調(diào)器用PTC加熱器在正常和非正常工作狀態(tài)下的溫度特性

1.1.1 選定空調(diào)器用PTC加熱器樣品

依據(jù)市面常見家用空調(diào)器用PTC加熱器，選取了如表1 產(chǎn)品。

表1 選定PTC加熱器測(cè)試樣品

1.1.2 模擬PTC加熱器在正常工作狀態(tài)下輸出相關(guān)溫度曲線

PTC加熱器依據(jù)現(xiàn)行法規(guī)和相關(guān)要求，宜滿足自愿性認(rèn)證需求，所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 14536.1-2022《電自動(dòng)控制器 第1部分:通用要求》。按照本標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)定的發(fā)熱測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。

將樣品置于風(fēng)機(jī)上，模擬空調(diào)出風(fēng)；在樣品的PTC片和散熱翅片處分別布一定數(shù)量的熱電偶（圖1）；通以規(guī)定的試驗(yàn)電壓，記錄溫度曲線；待溫度穩(wěn)定1 h后停止測(cè)試，記錄樣品最大穩(wěn)定溫度，見表2。

圖1 PTC加熱器熱電偶布點(diǎn)情況

表2 正常工作狀態(tài)下最大穩(wěn)定溫度

1.1.3 模擬PTC加熱器在非正常工作狀態(tài)下輸出相關(guān)溫度曲線

PTC加熱器在風(fēng)機(jī)故障條件下，會(huì)產(chǎn)生熱積聚，在得不到散熱的情況下一般發(fā)熱會(huì)比風(fēng)機(jī)正常情況下高。在取消風(fēng)機(jī)的情況下，按照相同的測(cè)試方法，在樣品的PTC片和散熱翅片分別布一定數(shù)量的熱電偶；通以規(guī)定的試驗(yàn)電壓，記錄溫度曲線（圖2、3）；待溫度穩(wěn)定1 h后停止測(cè)試，記錄樣品最大穩(wěn)定溫度，見表3。

圖2 非正常工作狀態(tài)下測(cè)試場(chǎng)景

圖3 非正常工作狀態(tài)下發(fā)熱曲線

表3 非正常工作狀態(tài)下最大穩(wěn)定溫度

1.2 本部分小結(jié)

綜上數(shù)據(jù)顯示，PTC加熱器在正常工作狀態(tài)下最大穩(wěn)定溫度為166.5 ℃，PTC加熱器在非正常工作狀態(tài)下最大穩(wěn)定溫度為251.9 ℃。各款PTC加熱器在模擬風(fēng)機(jī)失效時(shí)的溫度均遠(yuǎn)超風(fēng)機(jī)正常狀態(tài)，但即便如此，PTC加熱器在非正常工作狀態(tài)下最大穩(wěn)定溫度仍然遠(yuǎn)小于R290的自燃溫度470 ℃。

基于上述研究，PTC加熱器在正常和非正常工作狀態(tài)下的溫度特性符合相關(guān)要求，不會(huì)點(diǎn)燃R290。

2 研究PTC加熱器爆裂故障成因及對(duì)R290空調(diào)器的安全影響

PTC加熱器結(jié)構(gòu)一般為PTC和波紋管散熱片組成，造成PTC加熱器破裂原因多為電壓波動(dòng)較大時(shí)，電壓超過產(chǎn)品能承受的熱擊穿電壓，部分劣質(zhì)產(chǎn)品會(huì)因?yàn)闊釗舸﹪娚浠鹧婧皖w粒，從而點(diǎn)燃R290。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14536.1-2022《電自動(dòng)控制器 第1部分:通用要求》附錄J熱失控試驗(yàn)要求：給熱敏電阻器通電并在最大額定條件下運(yùn)行直到熱穩(wěn)定為止。然后慢慢地增加電壓直到熱得損壞或達(dá)到熱敏電阻兩倍工作電壓，在這時(shí)可結(jié)束試驗(yàn)。每2 min增加0.1倍的熱敏電阻工作電壓，構(gòu)成適當(dāng)?shù)纳仙俾蔥1]。

2.1 PTC加熱器熱擊穿試驗(yàn)

與上述溫度特性所選樣品一致，每款樣品選取三個(gè)新樣品進(jìn)行熱擊穿試驗(yàn)。PTC加熱器升壓過程見圖4～6。測(cè)試參數(shù)及測(cè)試現(xiàn)象見表4。

圖4 PTC加熱器升壓過程

圖5 PTC加熱器爆裂

圖6 加裝限溫器保護(hù)的PTC加熱器

表4 PTC加熱器熱擊穿測(cè)試

2.2 本部分小結(jié)

PTC加熱器在熱擊穿試驗(yàn)中現(xiàn)象有較大差異，質(zhì)量較好的D樣品，在達(dá)到兩倍電壓時(shí)，仍未擊穿；A樣品和C樣品由于加裝了限溫器，有效保護(hù)PTC加熱器，即便輸入電壓遠(yuǎn)大于額定電壓，產(chǎn)品也會(huì)因限溫器優(yōu)先動(dòng)作斷電，避免熱擊穿。

B樣品在電壓達(dá)到308 V時(shí)擊穿且噴射火焰，不滿足要求。然而通過對(duì)樣品結(jié)構(gòu)分析（見圖7），B樣品預(yù)留了限溫器或熱熔斷體安裝位置。在實(shí)際空調(diào)裝配中建議配備限溫器或熱熔斷體，避免PTC擊穿導(dǎo)致噴射火焰。另外，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》中規(guī)定：35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%；20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的土7 %；220 V單相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的+7 %，-10 %[2]。一般情況下，市電電壓波動(dòng)不會(huì)到達(dá)308 V。而空調(diào)制冷劑即出現(xiàn)泄漏，同時(shí)市電電壓波動(dòng)至三百多伏，可以認(rèn)為是極低概率事件。

圖7 預(yù)留限溫器或保險(xiǎn)絲安裝位置的PTC加熱器

綜上認(rèn)為PTC加熱器在爆裂故障方面符合相關(guān)要求，只有極低概率點(diǎn)燃R290。同時(shí)建議PTC加熱器應(yīng)配備相應(yīng)限溫器或熱熔斷體，防止PTC加熱器過熱。

3 研究PTC加熱器在實(shí)際使用不同時(shí)間下的故障特性和安全質(zhì)量分析

由于空調(diào)產(chǎn)品使用年限較長(zhǎng)，一般廠家保修期為6年，實(shí)際用戶一般年限時(shí)間都在10年或以上。PTC加熱器經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用，是否會(huì)造成產(chǎn)品性能上的降低從而點(diǎn)燃危險(xiǎn)，需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

同樣的，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14536.1-2022《電自動(dòng)控制器 第1部分:通用要求》，對(duì)多批次樣品按不同試驗(yàn)條件，進(jìn)行模擬加速耐久測(cè)試。觀察樣品的故障狀態(tài)，用耐久后樣品進(jìn)行溫升和熱擊穿試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)并觀察現(xiàn)象。

3.1 PTC加熱器耐久性測(cè)試

每個(gè)型號(hào)選取三個(gè)新樣品進(jìn)行1萬(wàn)次耐久性測(cè)試，測(cè)試裝置及操作界面見圖8、9。通斷時(shí)間比為60 s∶30 s，斷電時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)作強(qiáng)制冷卻。

圖8 模擬PTC加熱器耐久性測(cè)試裝置

完成耐久性測(cè)試后，檢查樣品各項(xiàng)功能和產(chǎn)品外觀，未發(fā)現(xiàn)PTC加熱器樣品出現(xiàn)故障。樣品進(jìn)行耐久性后溫升和熱擊穿試驗(yàn)，結(jié)果見表5、6。

表5 耐久后非正常工作狀態(tài)下最大穩(wěn)定溫度

表6 耐久后PTC加熱器熱擊穿測(cè)試

3.2 本部分小結(jié)

PTC加熱器在進(jìn)行耐久測(cè)試后各項(xiàng)功能和產(chǎn)品外觀，未發(fā)現(xiàn)PTC加熱器樣品出現(xiàn)故障。

耐久后的各樣品的發(fā)熱比耐久前溫度低，分析認(rèn)為PTC屬于電阻器，電阻器在經(jīng)受耐久老化后性能有所下降，導(dǎo)致發(fā)熱反而比耐久測(cè)試前較低，最大穩(wěn)定溫度仍然遠(yuǎn)小于R290的自燃溫度470 ℃。基于上述測(cè)試，認(rèn)為PTC加熱器在正常和非正常工作狀態(tài)下的溫度特性符合相關(guān)要求，不會(huì)點(diǎn)燃R290。

PTC加熱器在耐久后熱擊穿試驗(yàn)中現(xiàn)象與耐久前基本一致。質(zhì)量較好的D樣品，在達(dá)到兩倍電壓時(shí)，仍未擊穿；A樣品和C樣品由于加裝了限溫器，有效保護(hù)PTC加熱器，即便輸入電壓遠(yuǎn)大于額定電壓，產(chǎn)品也會(huì)因限溫器優(yōu)先動(dòng)作斷電，避免熱擊穿。

4 結(jié)論

空調(diào)器用PTC加熱器由于其發(fā)熱高的特性，一般被認(rèn)為是空調(diào)器制冷劑泄漏后一個(gè)潛在的點(diǎn)火源。經(jīng)過上述研究分析，市面上一般的PTC加熱器只要工藝良好，并且在產(chǎn)品前端加裝限溫器或保護(hù)裝置，那么其引燃引爆R290的概率極低，是相對(duì)可靠的空調(diào)器零部件。

為了空調(diào)器上下游企業(yè)以及廣大消費(fèi)者的生命財(cái)產(chǎn)安全著想，我們將繼續(xù)在其他如繼電器、保險(xiǎn)絲、負(fù)離子發(fā)生器等的零部件深入研究，為中國(guó)產(chǎn)品高質(zhì)量持續(xù)發(fā)展提供必要的技術(shù)支持。