新型碳纖維紅外發熱管的工藝設計及其性能測試

陳紹軍，葉偉洋，葉素美，黎嘉欣，蘇文斌

(1.河源職業技術學院，廣東 河源 517000; 2.河源市信大石英電器有限公司，廣東 河源 517000)

由于碳纖維發熱體具備升溫降溫快速，熱量滯后小，發熱比較均勻，熱量輻射的距離比較遠等良好性能，現如今，其發展迅速，已被各種領域廣泛應用。在碳纖維發熱體研究領域，已經研究出實用新型的碳纖維遠紅外發熱管等，此種新型發熱管利用柔性碳纖維作為發熱體具有熱轉換效率高、壽命長等優點，在家電及醫用器械等領域有廣泛應用[1-3]。

本文主要對開發的新型碳纖維發熱管的結構、生產制作工藝、檢驗技術和方法等進行了介紹，并對產品的熱效應進行了測試及研究。

1 碳纖維發熱管的結構

碳纖維發熱管的結構外管主要是采用石英為原材料，其螺旋狀發熱主體多呈現為空心結構，主要材料為碳纖維，碳纖維由長絲經過加捻后由一定工藝繞制而形成，作為碳纖維發熱管的核心發熱元件。新型碳纖維發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線安置。碳纖維發熱管的管身是透明管，其電氣設定參數為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金屬鉬組成的，鉬片和鉬桿，接線端子等[4]。詳細構造如圖1所示。

圖1 碳纖維發熱管的結構

2 碳纖維發熱管的生產制作工藝

碳纖維發熱管的生產制作工藝主要包括以下步驟：

(1)根據產品的直徑和長度，選擇具有所選直徑的內外管進行切內管和切外管。

(2)選擇編絲的大小粗細等規格尺寸，確定合理的投料數量，進行編絲。

(3)選擇繞絲規格，測量電阻，確定功率，測量導線長度進行繞絲。

(4)調整定型機，確定定型電壓，進行定型處理。

(5)選擇適合的電極并進行點焊。

(6)進行壓封和排氣，注意有無壓歪鉬桿，有無壓漏，是否有壓力泄漏。

(7)進行老練檢測、功率抽檢，壽命抽檢。

(8)進行點線、瓷件的打印和粘貼。

(9)成品檢驗，再一次的確認電壓、功率、長度、檢測內絲。 具體如圖2所示。

圖2 碳纖維發熱管一般工藝制作流程圖

3 碳纖維發熱管檢驗技術要求及檢驗方法

3.1 碳纖維發熱管檢驗技術要求

當碳纖維發熱管制作完成后需按照技術要求進行檢驗，確保碳纖維發熱管的安全性。檢驗技術要求主要包含以下內容：

(1)外觀檢查項目：①新型碳纖維加熱氣管表面兒潔凈污染黑點最多有4個且小于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：碳纖維燈管直徑應為設計尺寸的±0.05 mm，長度應為設計尺寸的±1 mm，引出線長度應為設計尺寸的±5 mm。進行裝配檢驗。

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

(4)亮度檢測：碳纖維管點亮時兩根管子亮度接近，發熱體應發光均勻，無明顯差別，單根碳纖維管亮度均勻且局部不得出現暗點或異常亮點。

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

(6)沖擊檢測：電壓為AC1.3倍額定電壓瞬間通電時沒有出現以下異常現象：①位于燈管的鉬片點焊處不得有打火現象。②燈管連續工作6 h工作并且在AC1.3倍額定電壓下，進行抽查無斷絲或發黑的現象。

(7)性能檢測：①燈具不得有雜物、變色、鎳、鉬棒氧化、壓力密封開裂等現象。②鉬片不得有折斷、裂口增長現象，發熱體進行工藝孔平面與排氣嘴平面設計一致。③壓封板內的鉬片靠壓封口的距離要大于1.0 mm(外端口)。④導線應與燈管結合牢固，25 N拉力時導線不得松動。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大于4 mm。⑦燈管上的引線根據電壓和功率，配置合適的引線。⑧用真空火花器檢測燈管不能有漏氣現象(全檢)。

3.2 檢驗方法

生產出廠的碳纖維發熱管產品一般需符合國標GB/T7287—2008、GB4706.1—1992，具體檢驗方法參考河源市信大石英電器有限公司碳纖維發熱管檢驗技術規范。

(1)外觀檢查：①表面應平整、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、游標卡尺。②玻璃管表面光潔無劃痕和黑點，固定金屬片表面無銹跡，無臟污油漬；發熱體無歪斜現象，表面平整，色澤均勻，無凹坑、破損、裂紋。玻璃管內無多作雜物。③鉬桿與接頭鎳片焊接應良好，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。使用游標卡尺、千分尺。

(3)標識檢查：組件上應有生產廠家或商標，型號規格、額定電壓、功率、導線截面積標稱值、線號標志，標識應清晰，用蘸汽油的棉布來回檫15S，再用蘸水的棉布來回檫15 s，標識應清晰易讀。使用目測及擦拭。

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

(5)發熱體亮度及色溫檢驗：產品在正常工作的同時，中心發熱體允許略暗內中心發熱體熱效應應一致，即通電后目視檢查規定描述內發熱體完全發紅。發熱體色溫須達到色溫<1 600 K。通電后目測，使用秒表和色溫儀。

(6)封裝質量：需使用真空檢測儀檢驗，將產品進行真空抽取，檢驗后密封良好無泄漏氣體情況則產品合格。

(7)額定功率及電氣強度：利用電參數測量儀，測試額定電壓工作狀態，功率偏差符合-8%～+4%。在電極和發熱管外殼之間，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定發展狀態，玻璃管兩端以及封口處溫度≤250 ℃(環境不同溫度為20 ℃±5 ℃)。

(9)管腳機械強度：使用拉力計對管腳向引腳方向施加固定的拉力(50 N)，在1 min內，管體無任何松動和裂痕。

(10)跌落測試：正常樹立產品，后松手使其自由跌落在20 mm的質地堅硬的木板上，如產品無損傷則合格。使用跌落試驗臺電參數測量儀。

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

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

(13)等效快速壽命檢驗：使用電參數測試儀、變頻電源等進行測試，在額定電壓下(1.35倍)，不間斷工作36 h；在測試結束之后，發熱管端部有部分微量薄霧狀態物體可以存在，不容許有其他異常反應出現；并且在實驗完畢后的發熱管的功率不容許大于實際功率的±3% 。

4 碳纖維發熱管熱效測試

碳纖維發熱管熱效測試在房間進行，如圖3所示。開啟電源發熱管開始工作后，對房間中心、墻面中心及房間4個角落進行溫度檢測，測試碳纖維發熱管產品使用對周圍環境溫度的影響情況。

圖3 用于熱效測試的碳纖維發熱管產品

1)測試數據。

各測試點溫度情況見表1所示。

表1 測試點溫度情況 ℃

2)實驗結果。

根據測試結果，做出了產品的熱效圖(見圖4、圖5)，通過熱效圖可以發現，在碳纖維發熱管產品通電運行情況下，在1 h內環境溫度迅速提升，隨后緩慢上升。且產品使用過程中，對房間中心、對射墻面中心及房角角落等周圍環境溫度提升大致相同，提升效果非常明顯。

圖4 房間中心及對射墻面中心熱效圖

圖5 房間四個角落熱效圖

5 結 論

開發的新型碳纖維發熱管在導熱過程中損失較小，熱轉換效率大大提高， 比其他鎳鉻、鎢鉬金屬制的發熱管節能15%～30%，且壽命長，環保性能更好，未來將在加熱領域得到更加廣泛的應用。