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(nèi)行業(yè)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(fā)一款超高壽命、高質(zhì)量的產(chǎn)品是當下最迫切的需求。蒸汽發(fā)生器是電蒸爐最關(guān)鍵的元器件之一。

要實現(xiàn)超高壽命產(chǎn)品開發(fā)，首先，要求蒸汽發(fā)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(fā)生器的壽命因素有很多。包括供水控制系統(tǒng)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(fā)熱盤經(jīng)常干燒會導致壽命極速下降，積水會影響蒸汽產(chǎn)生效率和蒸汽量。次之，有漏水隱患，需要豐富的經(jīng)驗和大量的測試驗證、改良才可能實現(xiàn)。

1 蒸汽發(fā)生器選型及結(jié)構(gòu)方案確定

行業(yè)內(nèi)蒸汽發(fā)生器普遍采用的兩種結(jié)構(gòu)，一種是外置發(fā)熱盤式蒸汽發(fā)生器，另一種是內(nèi)置式蒸汽發(fā)生器。其結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點。外置發(fā)熱盤式主要布置于內(nèi)腔（內(nèi)膽）底部，優(yōu)點是：水垢易清除、加熱效率高。缺點：用戶會直接觀察到內(nèi)腔的水垢。而內(nèi)置式蒸汽發(fā)生器其布置在內(nèi)腔外，產(chǎn)生蒸汽后導入內(nèi)腔。其優(yōu)點是：內(nèi)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(fā)難點之一。水垢導熱系數(shù)低，極易導致蒸汽發(fā)生器干燒或積水。干燒會導致蒸汽發(fā)生器的壽命極數(shù)下降。根據(jù)該經(jīng)驗。要實現(xiàn)超高壽命必須能及時去去水垢方可實現(xiàn)。發(fā)熱盤式蒸汽發(fā)生器具備去除水垢簡單、快捷的特點。

防止發(fā)熱盤干燒、積水，是電蒸爐最核心技術(shù)之一，也是行業(yè)普遍存在問題。為確保發(fā)熱盤工作過程，不出現(xiàn)干燒，需要精準控溫。設(shè)計采用三重控溫來實現(xiàn)。即發(fā)熱盤底部布置兩個常閉式122 ℃突跳溫控器[3]。當發(fā)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(fā)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(jiān)控發(fā)熱盤溫度，為供水系統(tǒng)提供溫度數(shù)據(jù)。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(shè)計選用高端進口突跳溫控器。

業(yè)內(nèi)大部分廠家將溫控器與發(fā)熱管端子直接使用導線連接。但發(fā)熱盤工作時溫度較高，設(shè)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(xiàn)燒黑、接觸不良。為實現(xiàn)超高壽命，發(fā)熱管與突跳溫控器端子之間設(shè)計采用不銹鋼連接棒碰焊連接。優(yōu)點：連接牢固可靠性極高。發(fā)熱盤結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 發(fā)熱盤結(jié)構(gòu)示意圖

2 發(fā)熱盤突跳式溫控器異常的分析解決

2.1 機器異?，F(xiàn)象

機器老化測試3 ～5 h 后部分機器內(nèi)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(tài)內(nèi)腔積水不能超過發(fā)熱盤密封圈外。異常現(xiàn)象見圖2。

圖2 內(nèi)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(nèi)腔積水。首先，使用檸檬酸除垢劑清除發(fā)熱盤水垢后，繼續(xù)測試問題依舊。其次，確認發(fā)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(fā)熱盤確認為發(fā)熱盤異常引起。

使用功率測試儀測試發(fā)熱盤功率符合設(shè)計要求。

將發(fā)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(shè)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(nèi)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(fā)回溫控器進口原廠進行詳細分析，發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)藍色與紅色漸變，說明其至少已經(jīng)受了500 ～600 ℃的高溫， 廠家要求：溫控器在任何生產(chǎn)工序下彈簧片經(jīng)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)600 件發(fā)熱盤，生產(chǎn)完成采用測試工裝和烘箱全檢發(fā)熱盤溫控器切斷溫度，均符合突跳溫控器設(shè)計通斷要求。確認方案可行后，修改作業(yè)指導書，固化點焊設(shè)備參數(shù)，加嚴檢驗熱盤突跳溫控器通斷溫度。

3 發(fā)熱盤發(fā)熱管斷絲的分析解決

3.1 發(fā)熱管斷絲異常分析

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

發(fā)熱盤老化測試過程，3 個盤壽命在1 250 h 左右，出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)有明顯斷絲現(xiàn)象。

對發(fā)熱管進行逐段剝離，發(fā)現(xiàn)鎂粉非常凝實，無松弛的現(xiàn)象。斷絲發(fā)現(xiàn)在發(fā)熱管中部，見圖4所示。

圖4 發(fā)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(fā)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(fā)熱盤，均發(fā)現(xiàn)發(fā)熱盤高溫區(qū)域有一定的水垢殘留。且斷絲位置均在發(fā)熱管高溫區(qū)域。2 不良品斷絲位置鎂粉碳化發(fā)黑，說明斷絲部位出現(xiàn)高溫導致。經(jīng)研究分析總結(jié)，導致發(fā)熱盤發(fā)盤管燒斷絲可能有如下3 個深層次方面的綜合原因：

1）發(fā)熱盤水垢過多，傳熱不均導致發(fā)熱管燒斷絲。

2）發(fā)熱盤干燒過多，導致發(fā)熱管燒斷絲。

3）發(fā)熱盤表面負荷過高，局部高溫導致發(fā)熱管燒斷絲。

3.2 發(fā)熱盤水垢問題解決

發(fā)熱盤水垢過多過厚會導致傳熱不均，切面層級結(jié)構(gòu)見圖5，由于水垢的導熱系數(shù)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(tǒng)，最終會導致發(fā)熱盤積水或干燒。干燒后發(fā)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(tài)。要求實驗室使用自來水測試并記錄累計10 個小時發(fā)熱盤的水垢的狀態(tài)圖。通過測試后發(fā)現(xiàn)初始程序設(shè)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(fā)熱盤已存在大量水垢（見圖6）。

圖6 水垢狀態(tài)圖

發(fā)熱盤已存在大量水垢，會影響發(fā)熱盤壽命。需調(diào)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(zhí)行，老化過程出現(xiàn)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(fā)熱盤的使用壽命。

3.3 發(fā)熱盤干燒問題解決

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

如何解決發(fā)熱盤干盤干燒問題？經(jīng)過大量的測試驗證，對發(fā)熱盤、內(nèi)腔布點測試，調(diào)整優(yōu)化放水控制程序，并增加流量計監(jiān)測放水量。反復測試、修正放水控制系統(tǒng)的程序流程圖，最終實現(xiàn)測試一個周期：2 h，干盤干燒次數(shù)≤5 次。

如圖7為實測溫度曲線結(jié)果，圓圈所示為干燒次數(shù)。干燒干盤問題得到解決。

圖7 干燒監(jiān)測溫度曲線

3.4 發(fā)熱盤表面負荷過高問題解決

表面負荷[2]是發(fā)熱管最主要的性能參數(shù)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(fā)熱效率。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)不良品剝離鎂粉凝實，無異常。但電阻絲燒斷區(qū)域鎂粉碳化發(fā)黑，初步預判電阻絲表面負荷偏高引起。

為實現(xiàn)15 s 快速產(chǎn)生蒸汽，并實測發(fā)熱管工作時表面溫度為200 ℃左右，發(fā)熱管表面溫度較低，綜合考慮成本等各項因素，并結(jié)合以往經(jīng)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(shù)（修正系數(shù)）。

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(shù)（修正系數(shù)），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(jīng)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(fā)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(fā)熱盤斷絲問題解決

發(fā)熱管斷絲問題，進行了3 個方面的改良：①減少發(fā)熱盤水垢的影響。②減小發(fā)熱盤干燒的次數(shù)。③降低發(fā)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(fā)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(fā)熱盤設(shè)計要求。

4 結(jié)論

超高壽命發(fā)熱盤的開發(fā)過程，克服了干燒、積水、水垢、燒斷絲等多項技術(shù)難點。首先，從產(chǎn)品選型到方案確認，然后進行實際測試驗證，解決測試出現(xiàn)各種異常。每個問題都是相互關(guān)聯(lián)、環(huán)環(huán)相扣，需要系統(tǒng)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(shè)備進行點焊，生產(chǎn)過程需使用測試工裝全檢突跳式溫控器。

水垢的導熱系數(shù)低，發(fā)熱盤出現(xiàn)較多水垢會導致發(fā)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(shè)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(fā)熱盤壽命極度下降，通過反復測試驗證并調(diào)整優(yōu)化放水控制程序，將一個工作周期的干燒次數(shù)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(fā)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(fā)熱盤開發(fā)，并大批量生產(chǎn)后投入市場，市場反饋良好。