超高壽命不銹鋼發熱盤的研究開發

黃福敏

（廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司 中山 528400）

前言

目前國內行業的電蒸爐壽命一般滿足1 000 h，而國外全球一線品牌的電蒸爐壽命可達到3 000 h。在頻繁使用條件下，也能達到真正的10年安全使用壽命要求。研究開發一款超高壽命、高質量的產品是當下最迫切的需求。蒸汽發生器是電蒸爐最關鍵的元器件之一。

要實現超高壽命產品開發，首先，要求蒸汽發生器也要達到3 000 h 壽命，而使用壽命要求提高3 倍難度極大。影響蒸汽發生器的壽命因素有很多。包括供水控制系統的準確性、防干燒控制、表面負荷的確定、水垢的處理、溫度均勻性等。發熱盤經常干燒會導致壽命極速下降，積水會影響蒸汽產生效率和蒸汽量。次之，有漏水隱患，需要豐富的經驗和大量的測試驗證、改良才可能實現。

1 蒸汽發生器選型及結構方案確定

行業內蒸汽發生器普遍采用的兩種結構，一種是外置發熱盤式蒸汽發生器，另一種是內置式蒸汽發生器。其結構各有優缺點。外置發熱盤式主要布置于內腔（內膽）底部，優點是：水垢易清除、加熱效率高。缺點：用戶會直接觀察到內腔的水垢。而內置式蒸汽發生器其布置在內腔外，產生蒸汽后導入內腔。其優點是：內腔整潔干凈，看不到水垢存在。缺點：水垢難清除，加熱效率慢。

水垢清潔問題，是電蒸爐開發難點之一。水垢導熱系數低，極易導致蒸汽發生器干燒或積水。干燒會導致蒸汽發生器的壽命極數下降。根據該經驗。要實現超高壽命必須能及時去去水垢方可實現。發熱盤式蒸汽發生器具備去除水垢簡單、快捷的特點。

防止發熱盤干燒、積水，是電蒸爐最核心技術之一，也是行業普遍存在問題。為確保發熱盤工作過程，不出現干燒，需要精準控溫。設計采用三重控溫來實現。即發熱盤底部布置兩個常閉式122 ℃突跳溫控器[3]。當發熱盤異常無水干燒時，溫度迅速上升，溫控器的雙金屬片到達切斷溫度后，反向變形，陶瓷推桿復位，動觸點彈簧片切斷電路，防止發熱盤干燒。下降到一定溫度時，雙金屬片復原，推桿推動彈簧片，重新接通電路。突跳溫控器使用鉚釘固定在盤體鋁板上。鋁板上再布置熱敏電阻式溫度傳感器[10]。其可實時監控發熱盤溫度，為供水系統提供溫度數據。因需確保突跳溫控器切斷和復位溫度的準確性及高壽命要求，設計選用高端進口突跳溫控器。

業內大部分廠家將溫控器與發熱管端子直接使用導線連接。但發熱盤工作時溫度較高，設計功率為1 600 W，通斷電流7.3 A 較大，且工作溫度較高，接線端子可能會出現燒黑、接觸不良。為實現超高壽命，發熱管與突跳溫控器端子之間設計采用不銹鋼連接棒碰焊連接。優點：連接牢固可靠性極高。發熱盤結構見圖1。

圖1 發熱盤結構示意圖

2 發熱盤突跳式溫控器異常的分析解決

2.1 機器異常現象

機器老化測試3 ～5 h 后部分機器內腔積水逐漸變多。10 臺機器中有2 臺積水較多，積水標準要求：停止加熱狀態內腔積水不能超過發熱盤密封圈外。異常現象見圖2。

圖2 內腔積水異常

2.2 溫控器異常分析

為了查出異常的原因，使用排除法來確認是什么因素導致內腔積水。首先，使用檸檬酸除垢劑清除發熱盤水垢后，繼續測試問題依舊。其次，確認發熱盤底部的熱敏電阻式溫度傳感器是否有溫度飄移或不準確，使用熱電偶進行布點，確認實測溫度與阻值表一致。最后，更換發熱盤確認為發熱盤異常引起。

使用功率測試儀測試發熱盤功率符合設計要求。

將發熱盤放置在烤箱中，以1 ℃/min 的加熱速度勻速上升，測試突跳式溫控器切斷溫度為109 ℃和107 ℃，設計要求切斷溫度為122±5 ℃。切斷溫度偏低。確認是突跳溫控器異常引起。

拆開突跳溫控器，檢查內部無灰塵、異物，排除灰塵、異物進入對溫控器造成影響。

使用測試工裝對突跳溫控器感溫片動作溫度進行測試：動作溫度分別為120.7 ℃，122.3 ℃，符合要求。

不良品發回溫控器進口原廠進行詳細分析，發現動觸點彈簧片已彎曲變形（見圖3），分析確認是由于不銹鋼連接棒與溫控器端子碰焊時溫度過高，高溫傳遞到內部的動觸點彈簧片上，導致彈簧片彎曲引起切斷溫度異常。

圖3 彈簧片彎曲變形

不良品動觸點彈簧片呈現藍色與紅色漸變，說明其至少已經受了500 ～600 ℃的高溫， 廠家要求：溫控器在任何生產工序下彈簧片經受溫度應低于200 ℃以下，否則極易導致溫控器通斷溫度不準或失效。

2.3 溫控器異常問題解決

由于彈簧片受到高溫變形，主要是碰焊接線端子與連接棒時溫度過高引起。普通焊機焊接過程，焊接電流大，焊極溫度極高，需要采購冷卻效果較好的點焊設備：有電極冷卻功能的點焊機，進行溫控器端子碰焊。并在碰焊的端子旁布點檢測焊接過程最高溫度。

新點焊機生產過程實測碰焊端子旁8 mm 處最高溫度為160 ℃，符合彈簧片耐溫要求。安排試產600 件發熱盤，生產完成采用測試工裝和烘箱全檢發熱盤溫控器切斷溫度，均符合突跳溫控器設計通斷要求。確認方案可行后，修改作業指導書，固化點焊設備參數，加嚴檢驗熱盤突跳溫控器通斷溫度。

3 發熱盤發熱管斷絲的分析解決

3.1 發熱管斷絲異常分析

要實現超高壽命的發熱盤開發，發熱管是最關鍵的元器之一，影響發熱管壽命的因素有很多，包括發熱管溫度均勻性、鎂粉、電阻絲等。

發熱盤老化測試過程，3 個盤壽命在1 250 h 左右，出現機器無功率、不能加熱。

對不良品進行分析，測試絕緣符合要求 ≥100 MΩ，耐壓符合要求≥1 800 V/6 s。

對不良品進行X 光檢測，未發現有明顯斷絲現象。

對發熱管進行逐段剝離，發現鎂粉非常凝實，無松弛的現象。斷絲發現在發熱管中部，見圖4所示。

圖4 發熱管剝離圖示

測量電阻絲線徑為Φ0.32 mm 符合要求。使用光譜儀測試電阻絲化學成份，符合要求，確認為未使用錯物料。

對發熱管鋁片進行剝離測試，目的是確認釬焊是否有異常導致傳熱不均，實測剝離后焊接良好，無異常。

正面觀察發熱盤，均發現發熱盤高溫區域有一定的水垢殘留。且斷絲位置均在發熱管高溫區域。2 不良品斷絲位置鎂粉碳化發黑，說明斷絲部位出現高溫導致。經研究分析總結，導致發熱盤發盤管燒斷絲可能有如下3 個深層次方面的綜合原因：

1）發熱盤水垢過多，傳熱不均導致發熱管燒斷絲。

2）發熱盤干燒過多，導致發熱管燒斷絲。

3）發熱盤表面負荷過高，局部高溫導致發熱管燒斷絲。

3.2 發熱盤水垢問題解決

發熱盤水垢過多過厚會導致傳熱不均，切面層級結構見圖5，由于水垢的導熱系數低（只有鋼的2 ～5 %），水垢過厚會導致傳熱不均，傳熱不均會引起溫度傳感器探測不準確，影響放水控制系統，最終會導致發熱盤積水或干燒。干燒后發熱管溫度會快速升高，導致電阻絲加速氧化，最終壽命下降。

圖5 切面層級結構圖

如何減小水垢的影響？首先需要識別水垢的多少，然后進行清除。如何識別水垢是問題的難點。經評估后采用戶了最簡單的方法。首先，需測試驗證機器工作不同時間水垢狀態。要求實驗室使用自來水測試并記錄累計10 個小時發熱盤的水垢的狀態圖。通過測試后發現初始程序設定的累計加熱150 h 清除一次水垢時間太長了。工作150 h 后發熱盤已存在大量水垢（見圖6）。

圖6 水垢狀態圖

發熱盤已存在大量水垢，會影響發熱盤壽命。需調整提醒清除水垢的時間，最終確認為累計加熱70 h 要求用戶清除一次水垢，并更改電腦板程序，報警提醒用戶定期清潔水垢，實驗室也按新要求執行，老化過程出現除垢提醒，立即使用檸檬酸除垢劑清潔水垢。防止水垢影響發熱盤的使用壽命。

3.3 發熱盤干燒問題解決

測試確認發熱盤工作一個周期：2 h 的干盤次數。因為干燒會導致發熱管溫度快速上升，發熱盤壽命極度下降。通用采用溫度點監測法，在發熱盤底部布溫度點，監控發熱盤老化過程的溫度。當發熱盤出現干燒時，發熱盤溫度會極速上升，溫度曲線會呈高斜率狀態，瞬間溫度可達140 ℃左右。初步實測發現發熱盤干盤次數竟然達到30 次左右。干盤次數較多。要實現超高壽命，正常情況應不能出現干盤干燒，但實現很難實現。行業其它廠家增加專用的水位監測裝置也無法徹底解決干燒干盤問題，且增加水位監測系統，增加產品成本。

如何解決發熱盤干盤干燒問題？經過大量的測試驗證，對發熱盤、內腔布點測試，調整優化放水控制程序，并增加流量計監測放水量。反復測試、修正放水控制系統的程序流程圖，最終實現測試一個周期：2 h，干盤干燒次數≤5 次。

如圖7為實測溫度曲線結果，圓圈所示為干燒次數。干燒干盤問題得到解決。

圖7 干燒監測溫度曲線

3.4 發熱盤表面負荷過高問題解決

表面負荷[2]是發熱管最主要的性能參數之一，表面負荷過高會使電阻絲壽命快速下降，

過低會影響發熱效率。經分析發現不良品剝離鎂粉凝實，無異常。但電阻絲燒斷區域鎂粉碳化發黑，初步預判電阻絲表面負荷偏高引起。

為實現15 s 快速產生蒸汽，并實測發熱管工作時表面溫度為200 ℃左右，發熱管表面溫度較低，綜合考慮成本等各項因素，并結合以往經驗，初始選用Φ0.32 mm 直徑的0Cr25AL5 鐵鉻鋁[8]電阻絲。

工作溫度下電阻率：

式中：

ρ1—工作溫度電阻率；

ρ20— 20 ℃電阻率；

C1—電阻率溫度因數（修正系數）。

式中：

Rt—工作溫度電阻；

U—額定電壓；

P—額定功率。

式中：

L—電阻絲長度；

S1—電阻絲截面積；

式中：

W—電阻絲表面負荷；

S—電阻絲表面積；

D—電阻絲直徑。

查詢GB/T 1234-2012 高電阻電熱合金[1]的電阻率溫度因數（修正系數），并通過如上公式計算[5]得出Φ0.32 mm 的電阻絲表面負荷為93.4 W/cm2。要降低電阻絲表面負荷最簡單快捷的方法是：加大電阻絲線徑，以便增加電阻絲表面積。經評估后，選用Φ0.35 mm 直徑的電阻絲，通過如上公式計算得出Φ0.35 mm 電阻絲表面負荷為71.4 W/cm2，表面負荷降低了23.6 %。

理論方案確認為可行后，安排使用Φ0.35 mm 的電阻絲制作新樣品。對發熱盤元件單獨進行干燒急冷測試：使用測試工裝儀器以1.15 倍額定功率進行通電干燒至極限工作溫度，然后沖水冷卻60 s，改良后實測干燒急冷壽命達到1.8 萬次。

3.5 發熱盤斷絲問題解決

發熱管斷絲問題，進行了3 個方面的改良：①減少發熱盤水垢的影響。②減小發熱盤干燒的次數。③降低發熱盤電阻絲的表面熱負荷。單零件進行干燒急冷測試合格，發熱盤裝在整機老化測試3 000 h(最高溫度工作加熱2 h，停止冷卻1 h，停止時間不計)，測試無異常，滿足超高壽命發熱盤設計要求。

4 結論

超高壽命發熱盤的開發過程，克服了干燒、積水、水垢、燒斷絲等多項技術難點。首先，從產品選型到方案確認，然后進行實際測試驗證，解決測試出現各種異常。每個問題都是相互關聯、環環相扣，需要系統的綜合分析才能解決。

積水問題是突跳式溫控器的動作溫度不準確引起，需采用有自動冷卻功能的設備進行點焊，生產過程需使用測試工裝全檢突跳式溫控器。

水垢的導熱系數低，發熱盤出現較多水垢會導致發熱盤干燒或積水，甚至燒斷絲，需提醒用戶定期清除水垢，通過程序設定報警提醒：累計加熱70 h 清除一次水垢。

干盤干燒會導致發熱盤壽命極度下降，通過反復測試驗證并調整優化放水控制程序，將一個工作周期的干燒次數降低到5 次以下。

表面負荷過高會加速電阻絲氧化速度引起燒斷絲，通過加大電阻絲線徑，有效降低電阻絲的表面負荷，提高其使用壽命。

通過如上一系列措施，發熱盤單元件各項性能測試、整機3 000 h 老化測試合格，最終完成超高壽命發熱盤開發，并大批量生產后投入市場，市場反饋良好。