烘焙類家電用石墨發熱片的設計與應用

魏云杰 劉海亮 劉朝登

杭州九陽小家電有限公司 浙江杭州 310000

0 引言

隨著社會的發展和生活品質的提升，家庭烘焙、燒烤已經逐漸成為現代社交和人們享受生活的方式之一，常用到的家電有烤箱、空氣炸鍋等。新冠肺炎疫情下居家時間增加，更是激發了人們對烘烤類家電的需求，市場蓬勃發展。在更加豐富的產品選擇中，人們對烤箱等產品的加熱速度、均勻性，烤制食物的氣味、色澤、口感等有了更高的要求[1]。傳統的鎳鉻合金電阻絲加熱管受限于金屬管的功率密度（≤5.5 W/cm3），不能通過增大功率的方式優化烤箱性能，常用的解決方案是通過強制對流改善烤箱的加熱均勻性。丁力[2]等針對現有某烤箱的溫度分布情況進行分析和研究，確認影響烤箱內部溫度均勻性的關鍵因素，及其變化后對烤箱溫度分布的影響，對烤箱溫度場優化有一定指導意義；袁宏[3]等采用數值模擬方法對比分析了烤箱原有結構溫度場不均勻的原因，通過添加徑向導葉結構、調整加熱管位置、改進加熱管形式和烤箱擋板等措施有效改善了溫度場的均勻性。本研究提出應用新型加熱材料——石墨，希望通過提升熱源本身發熱和熱輻射特性來改善烤箱性能。

1 石墨發熱片

1.1 石墨片材制備

聚酰胺酸溶液流延成膜、拉伸后，高溫酰亞胺化形成聚酰亞胺膜（PI膜）[4]。薄膜呈黃色透明，相對密度1.39～1.45，常用作柔性印制電路板基材和各種耐高溫電機電器絕緣材料[5]。除此之外，在高溫狀態下，聚酰亞胺膜經過高溫裂解與原子重新排列后可以發生碳化與石墨化的過程，最終形成石墨材料[6]。

在PI膜石墨化的過程中，高溫推動碳原子重新排列而形成發泡石墨層狀結構，在相同厚度的聚酰亞胺膜基準下，石墨化的溫度及時間影響著石墨發泡的厚度[7,8]，作為導電發熱材料，使其具有特定的電阻率并擁有良好的柔性和強度存在一定困難。

通過控制PI膜碳化、石墨化，并采用壓延工藝，得到了適合作為發熱體的石墨材料，如圖1所示。第一步，將平整無污染、厚度75 μm的PI膜放入真空度50 Pa～100 Pa的爐中，1100℃溫度條件下完成碳化；第二步，在氬氣保護下，進行2650℃溫度石墨化，形成180 μm～210 μm厚的石墨膜；因為直接燒結形成的石墨材料厚度變化范圍較大，最后一步需要通過壓延精準控制材料的厚度、密度和電阻率。有研究顯示，石墨片越厚，密度越小，電阻率越大[9]，實驗測試結果與此一致，如表1所示。石墨片的強度和電阻率將影響后續加熱管的成品率以及電阻設計模型，本研究最終確認石墨片材厚度170 μm ～200 μm，能夠避免“過硬折斷、過軟扭曲”的不良情況，將加熱管成品率提升至95%以上，此厚度范圍內的石墨片平均密度0.43 g/cm3，平均電阻率為4.15×10-6Ω·m。

圖1 聚酰亞胺膜和燒結后形成的石墨片材

表1 石墨片厚度、密度、電阻率之間的關系

1.2 電阻結構設計

石墨材料在通過電流時可以作為發熱電阻產生一定的熱量實現加熱功能，為了更好地控制其發熱功率和發熱量，使用模切或激光切割的工藝，在石墨片上形成特殊的電阻結構，具體的電阻設計模型如圖2 a)所示。該石墨電阻由中間N個長方形單元電阻與兩邊夾持部構成，單元電阻串聯形成發熱區，可以根據功率和溫度需求增減單元電阻的數量，設計靈活方便。

圖2 石墨電阻設計模型

如圖2 b)所示，當石墨電阻兩端加上額定電壓，電流從單元電阻之間的連接部流入，然后分別流經單元的上下兩部分，形成并聯關系，最后兩路電流交匯到一起從另一邊連接部流出。這種回路的設置增加了電流流經路徑的長度，提升了單元電阻阻值。其中，切縫尺寸L1、S1、L2、S2的變化會引起單元電阻的變化進而影響整體發熱功率和溫度。

本方案中，S1=20 μm，L1=5.6 mm，S2=20 μm，L2=3 mm，石墨電阻總長241.4 mm，寬度7.6 mm（其中包含兩端夾持部和一些低電阻的過渡段）。得到的石墨電阻常溫阻值7.94 Ω～9.26 Ω，滿足使用要求。

1.3 石墨加熱管及應用

根據焦耳定律，電流通過石墨電阻時產生熱量實現加熱功能，但是在大氣環境下石墨會逐漸氧化，因此將其封裝在耐高溫的石英管中，制成石墨加熱管（石英玻璃熔點1750℃）。如圖3所示，石墨電阻兩端夾持部由電極夾片固定，夾片使用鎳或者鉬這種熱膨脹系數小的材料（鎳的線膨脹系數為13.3×10-6/K；鉬的線膨脹系數為4×10-6/K），保證長期使用過程中連接的可靠性。因為石墨電阻是具有一定柔性的發熱體，與電極夾片焊接在一起的金屬桿上需要金屬支撐圈實現剛性支撐。為了保證加熱管的密封性，石英管兩端熱壓封口，并使用鉬片這種低膨脹系數的導電材料實現電極的連接，導電桿外接導線。

圖3 石墨加熱管

本研究需要重點說明的是加熱管氣氛保護和內部壓強的設計，這直接影響加熱管的加熱性能和使用安全性。首先，加熱管內是不允許有空氣的，以避免發熱狀態下石墨氧化損耗，出現電阻、功率變化影響加熱管性能，甚至出現石墨電阻燒斷等問題。另外，在加熱管中充入一定量的惰性氣體，也起到了控制加熱管表面溫度的作用，本研究解釋為氣體有一定的熱容，和石墨電阻成為一個整體的熱源，增大了熱源的表面積，熱量更快傳導至加熱管表面與外界進行熱交換，降低了表面溫度。

在加熱管裝配完成后，通過預留的氣口抽真空，使管內相對氣壓達到-0.1 MPa，持續抽真空的狀態下給加熱管通電點亮，排掉雜質、水汽，然后充入惰性氣體，控制管內絕對氣壓在0.005 MPa到0.068 MPa之間。根據理想氣體狀態方程[10]：

其中：P為壓強，V為氣體體積，n為氣體的物質的量，R為摩爾氣體常數，T為熱力學溫度。由方程可知，加熱管內的氣壓跟溫度成正比，工作狀態下管內氣體膨脹、壓強增大，上述范圍的氣壓在室溫及工作狀態下加熱管承受的內外壓強差（最大0.095 MPa）遠低于石英管強度要求范圍（5 MPa），保證了使用安全性并延長了加熱管的使用壽命。

詳細計算過程如下：

室溫下氣壓P1= 0.005 MPa，工作狀態580℃時氣壓P2=P1×(T2/T1) = 0.005×(580+273) / (25+273) ≈ 0.014 MPa。始終為負壓狀態，最大壓差為0.095 MPa。

室溫下氣壓P1= 0.068 MPa，工作狀態580℃時氣壓P2=P1×T2/T1) = 0.068×(580+273) / (25+273) ≈ 0.195 MPa。工作狀態下為正壓，最大壓差為0.095 MPa。

同上，通過計算，室溫下管內絕對氣壓0.035 MPa，在發熱溫度為580℃時，內部絕對壓強為0.1 MPa，剛好等于外界大氣壓，符合強度要求。

為了進一步驗證上述氣壓是否符合溫度需求，以家用烤箱為例，加熱管表面溫度過高（＞580℃），熱量太高且溫控調節難度增大，容易造成食物表面焦糊，存在健康隱患。在室溫、無強對流狀態下，加熱管兩端通110 V交流電，5 min后待溫度穩定時通過紅外測溫儀測量表面溫度，對比室溫下絕對氣壓在0.005 MPa、0.035 MPa、0.060 MPa的加熱管的工作表面溫度，如圖4所示，室溫下管內絕對氣壓大于0.035 MPa的加熱管表面溫度低于580℃，溫度適中，更適合烤箱使用，同時，管內絕對氣壓過大會導致表面溫度偏低，影響產品性能。綜合氣壓和表面溫度的因素，室溫下管內惰性氣體的絕對氣壓控制在0.005 MPa到0.068 MPa，優選0.035 MPa到0.058 MPa。

圖4 不同石墨加熱管的工作溫度

對批量生產的石墨加熱管隨機取樣，如圖5所示，在耐火磚搭建的安全環境下進行了壽命測試。根據國標GB/T 7287-2008《紅外輻射加熱器試驗方法》中的模擬（加速）壽命試驗要求，加熱器在1.35倍額定電壓下連續通電工作了60 h（標稱工作壽命5000 h），加熱管沒有出現功率衰減、結構破壞等問題，滿足應用要求。另外，測試也模擬了加熱管實際工作情況，在額定電壓下通電升溫5 min，斷電40 s、通電40 s為一個循環，持續20 min，隨后斷電冷卻5 min為一個工作周期，一共進行了600個周期，同樣沒有出現功率衰減、結構破壞等問題。

圖5 石墨加熱管壽命測試

更重要的是，在烤箱性能測試中，發現烘烤相同食物，裝配石墨加熱管的烤箱比傳統烤箱省時30%左右，并且食物的色澤、香味、口感均有不同幅度的改善和提升。原因分析如下：第一，石墨材料熱響應速度快、電熱輻射轉化效率高，不需要像電阻絲加熱管一樣熱量先由電阻絲傳遞到絕緣粉再傳遞到金屬管表面并向四周輻射能量實現加熱功能，而是直接以熱輻射的形式透過石英管加熱食物；第二，經測試，如圖6所示，石墨材料紅外輻射的波長主要集中在3.5 μm，而傳統加熱管紅外輻射波長集中在4.6 μm，短波長紅外輻射能量更高、穿透力更強。如圖7所示，大部分食物在3 μm左右的波長范圍內有強烈的吸收作用[11]，可以說石墨加熱管與食物匹配性更好[12,13]，使得烤箱能量利用率更高，食物加熱更快，進而鎖住更多營養，保持最佳的口感。尤其是在烤牛排過程中，快速升溫使牛排表面迅速形成鎖水層，保證牛肉嫩度，紅外輻射穿透表層，釋放內部營養，提升口感。

圖6 加熱管紅外輻射波長

圖7 一些食品物料的紅外吸收光譜[11]

2 結論

本研究提出的方案突破了傳統加熱管材料、功率的限制，制備了可應用于烘烤類家電中的新型加熱管。通過調節PI膜燒結、壓延工藝，控制石墨片材厚度170 μm～200 μm，電阻率和強度滿足后續制備要求，將加熱管成品率提升至95%以上；得到的石墨片材通過模切或激光切割的工藝，形成具有特殊結構單元的電阻，提升了阻值、功率、發熱量設計的靈活性；最后，將上述石墨發熱體封裝得到石墨加熱管，通過氣氛保護和內部壓強的控制保證了加熱管的強度，延長了其使用壽命。與此同時，新型加熱管熱響應速度更快，紅外輻射波長與加熱食物更加匹配，使得烤制時間縮短30%左右，食物色澤、氣味更佳。