超高寿命不锈钢发热盘的研究开发

黄福敏

（广东格兰仕微波生活电器制造有限公司 中山 528400）

前言

目前国内行业的电蒸炉寿命一般满足1 000 h，而国外全球一线品牌的电蒸炉寿命可达到3 000 h。在频繁使用条件下，也能达到真正的10年安全使用寿命要求。研究开发一款超高寿命、高质量的产品是当下最迫切的需求。蒸汽发生器是电蒸炉最关键的元器件之一。

要实现超高寿命产品开发，首先，要求蒸汽发生器也要达到3 000 h 寿命，而使用寿命要求提高3 倍难度极大。影响蒸汽发生器的寿命因素有很多。包括供水控制系统的准确性、防干烧控制、表面负荷的确定、水垢的处理、温度均匀性等。发热盘经常干烧会导致寿命极速下降，积水会影响蒸汽产生效率和蒸汽量。次之，有漏水隐患，需要丰富的经验和大量的测试验证、改良才可能实现。

1 蒸汽发生器选型及结构方案确定

行业内蒸汽发生器普遍采用的两种结构，一种是外置发热盘式蒸汽发生器，另一种是内置式蒸汽发生器。其结构各有优缺点。外置发热盘式主要布置于内腔（内胆）底部，优点是：水垢易清除、加热效率高。缺点：用户会直接观察到内腔的水垢。而内置式蒸汽发生器其布置在内腔外，产生蒸汽后导入内腔。其优点是：内腔整洁干净，看不到水垢存在。缺点：水垢难清除，加热效率慢。

水垢清洁问题，是电蒸炉开发难点之一。水垢导热系数低，极易导致蒸汽发生器干烧或积水。干烧会导致蒸汽发生器的寿命极数下降。根据该经验。要实现超高寿命必须能及时去去水垢方可实现。发热盘式蒸汽发生器具备去除水垢简单、快捷的特点。

防止发热盘干烧、积水，是电蒸炉最核心技术之一，也是行业普遍存在问题。为确保发热盘工作过程，不出现干烧，需要精准控温。设计采用三重控温来实现。即发热盘底部布置两个常闭式122 ℃突跳温控器[3]。当发热盘异常无水干烧时，温度迅速上升，温控器的双金属片到达切断温度后，反向变形，陶瓷推杆复位，动触点弹簧片切断电路，防止发热盘干烧。下降到一定温度时，双金属片复原，推杆推动弹簧片，重新接通电路。突跳温控器使用铆钉固定在盘体铝板上。铝板上再布置热敏电阻式温度传感器[10]。其可实时监控发热盘温度，为供水系统提供温度数据。因需确保突跳温控器切断和复位温度的准确性及高寿命要求，设计选用高端进口突跳温控器。

业内大部分厂家将温控器与发热管端子直接使用导线连接。但发热盘工作时温度较高，设计功率为1 600 W，通断电流7.3 A 较大，且工作温度较高，接线端子可能会出现烧黑、接触不良。为实现超高寿命，发热管与突跳温控器端子之间设计采用不锈钢连接棒碰焊连接。优点：连接牢固可靠性极高。发热盘结构见图1。

图1 发热盘结构示意图

2 发热盘突跳式温控器异常的分析解决

2.1 机器异常现象

机器老化测试3 ～5 h 后部分机器内腔积水逐渐变多。10 台机器中有2 台积水较多，积水标准要求：停止加热状态内腔积水不能超过发热盘密封圈外。异常现象见图2。

图2 内腔积水异常

2.2 温控器异常分析

为了查出异常的原因，使用排除法来确认是什么因素导致内腔积水。首先，使用柠檬酸除垢剂清除发热盘水垢后，继续测试问题依旧。其次，确认发热盘底部的热敏电阻式温度传感器是否有温度飘移或不准确，使用热电偶进行布点，确认实测温度与阻值表一致。最后，更换发热盘确认为发热盘异常引起。

使用功率测试仪测试发热盘功率符合设计要求。

将发热盘放置在烤箱中，以1 ℃/min 的加热速度匀速上升，测试突跳式温控器切断温度为109 ℃和107 ℃，设计要求切断温度为122±5 ℃。切断温度偏低。确认是突跳温控器异常引起。

拆开突跳温控器，检查内部无灰尘、异物，排除灰尘、异物进入对温控器造成影响。

使用测试工装对突跳温控器感温片动作温度进行测试：动作温度分别为120.7 ℃，122.3 ℃，符合要求。

不良品发回温控器进口原厂进行详细分析，发现动触点弹簧片已弯曲变形（见图3），分析确认是由于不锈钢连接棒与温控器端子碰焊时温度过高，高温传递到内部的动触点弹簧片上，导致弹簧片弯曲引起切断温度异常。

图3 弹簧片弯曲变形

不良品动触点弹簧片呈现蓝色与红色渐变，说明其至少已经受了500 ～600 ℃的高温， 厂家要求：温控器在任何生产工序下弹簧片经受温度应低于200 ℃以下，否则极易导致温控器通断温度不准或失效。

2.3 温控器异常问题解决

由于弹簧片受到高温变形，主要是碰焊接线端子与连接棒时温度过高引起。普通焊机焊接过程，焊接电流大，焊极温度极高，需要采购冷却效果较好的点焊设备：有电极冷却功能的点焊机，进行温控器端子碰焊。并在碰焊的端子旁布点检测焊接过程最高温度。

新点焊机生产过程实测碰焊端子旁8 mm 处最高温度为160 ℃，符合弹簧片耐温要求。安排试产600 件发热盘，生产完成采用测试工装和烘箱全检发热盘温控器切断温度，均符合突跳温控器设计通断要求。确认方案可行后，修改作业指导书，固化点焊设备参数，加严检验热盘突跳温控器通断温度。

3 发热盘发热管断丝的分析解决

3.1 发热管断丝异常分析

要实现超高寿命的发热盘开发，发热管是最关键的元器之一，影响发热管寿命的因素有很多，包括发热管温度均匀性、镁粉、电阻丝等。

发热盘老化测试过程，3 个盘寿命在1 250 h 左右，出现机器无功率、不能加热。

对不良品进行分析，测试绝缘符合要求 ≥100 MΩ，耐压符合要求≥1 800 V/6 s。

对不良品进行X 光检测，未发现有明显断丝现象。

对发热管进行逐段剥离，发现镁粉非常凝实，无松弛的现象。断丝发现在发热管中部，见图4所示。

图4 发热管剥离图示

测量电阻丝线径为Φ0.32 mm 符合要求。使用光谱仪测试电阻丝化学成份，符合要求，确认为未使用错物料。

对发热管铝片进行剥离测试，目的是确认钎焊是否有异常导致传热不均，实测剥离后焊接良好，无异常。

正面观察发热盘，均发现发热盘高温区域有一定的水垢残留。且断丝位置均在发热管高温区域。2 不良品断丝位置镁粉碳化发黑，说明断丝部位出现高温导致。经研究分析总结，导致发热盘发盘管烧断丝可能有如下3 个深层次方面的综合原因：

1）发热盘水垢过多，传热不均导致发热管烧断丝。

2）发热盘干烧过多，导致发热管烧断丝。

3）发热盘表面负荷过高，局部高温导致发热管烧断丝。

3.2 发热盘水垢问题解决

发热盘水垢过多过厚会导致传热不均，切面层级结构见图5，由于水垢的导热系数低（只有钢的2 ～5 %），水垢过厚会导致传热不均，传热不均会引起温度传感器探测不准确，影响放水控制系统，最终会导致发热盘积水或干烧。干烧后发热管温度会快速升高，导致电阻丝加速氧化，最终寿命下降。

图5 切面层级结构图

如何减小水垢的影响？首先需要识别水垢的多少，然后进行清除。如何识别水垢是问题的难点。经评估后采用户了最简单的方法。首先，需测试验证机器工作不同时间水垢状态。要求实验室使用自来水测试并记录累计10 个小时发热盘的水垢的状态图。通过测试后发现初始程序设定的累计加热150 h 清除一次水垢时间太长了。工作150 h 后发热盘已存在大量水垢（见图6）。

图6 水垢状态图

发热盘已存在大量水垢，会影响发热盘寿命。需调整提醒清除水垢的时间，最终确认为累计加热70 h 要求用户清除一次水垢，并更改电脑板程序，报警提醒用户定期清洁水垢，实验室也按新要求执行，老化过程出现除垢提醒，立即使用柠檬酸除垢剂清洁水垢。防止水垢影响发热盘的使用寿命。

3.3 发热盘干烧问题解决

测试确认发热盘工作一个周期：2 h 的干盘次数。因为干烧会导致发热管温度快速上升，发热盘寿命极度下降。通用采用温度点监测法，在发热盘底部布温度点，监控发热盘老化过程的温度。当发热盘出现干烧时，发热盘温度会极速上升，温度曲线会呈高斜率状态，瞬间温度可达140 ℃左右。初步实测发现发热盘干盘次数竟然达到30 次左右。干盘次数较多。要实现超高寿命，正常情况应不能出现干盘干烧，但实现很难实现。行业其它厂家增加专用的水位监测装置也无法彻底解决干烧干盘问题，且增加水位监测系统，增加产品成本。

如何解决发热盘干盘干烧问题？经过大量的测试验证，对发热盘、内腔布点测试，调整优化放水控制程序，并增加流量计监测放水量。反复测试、修正放水控制系统的程序流程图，最终实现测试一个周期：2 h，干盘干烧次数≤5 次。

如图7为实测温度曲线结果，圆圈所示为干烧次数。干烧干盘问题得到解决。

图7 干烧监测温度曲线

3.4 发热盘表面负荷过高问题解决

表面负荷[2]是发热管最主要的性能参数之一，表面负荷过高会使电阻丝寿命快速下降，

过低会影响发热效率。经分析发现不良品剥离镁粉凝实，无异常。但电阻丝烧断区域镁粉碳化发黑，初步预判电阻丝表面负荷偏高引起。

为实现15 s 快速产生蒸汽，并实测发热管工作时表面温度为200 ℃左右，发热管表面温度较低，综合考虑成本等各项因素，并结合以往经验，初始选用Φ0.32 mm 直径的0Cr25AL5 铁铬铝[8]电阻丝。

工作温度下电阻率：

式中：

ρ1—工作温度电阻率；

ρ20— 20 ℃电阻率；

C1—电阻率温度因数（修正系数）。

式中：

Rt—工作温度电阻；

U—额定电压；

P—额定功率。

式中：

L—电阻丝长度；

S1—电阻丝截面积；

式中：

W—电阻丝表面负荷；

S—电阻丝表面积；

D—电阻丝直径。

查询GB/T 1234-2012 高电阻电热合金[1]的电阻率温度因数（修正系数），并通过如上公式计算[5]得出Φ0.32 mm 的电阻丝表面负荷为93.4 W/cm2。要降低电阻丝表面负荷最简单快捷的方法是：加大电阻丝线径，以便增加电阻丝表面积。经评估后，选用Φ0.35 mm 直径的电阻丝，通过如上公式计算得出Φ0.35 mm 电阻丝表面负荷为71.4 W/cm2，表面负荷降低了23.6 %。

理论方案确认为可行后，安排使用Φ0.35 mm 的电阻丝制作新样品。对发热盘元件单独进行干烧急冷测试：使用测试工装仪器以1.15 倍额定功率进行通电干烧至极限工作温度，然后冲水冷却60 s，改良后实测干烧急冷寿命达到1.8 万次。

3.5 发热盘断丝问题解决

发热管断丝问题，进行了3 个方面的改良：①减少发热盘水垢的影响。②减小发热盘干烧的次数。③降低发热盘电阻丝的表面热负荷。单零件进行干烧急冷测试合格，发热盘装在整机老化测试3 000 h(最高温度工作加热2 h，停止冷却1 h，停止时间不计)，测试无异常，满足超高寿命发热盘设计要求。

4 结论

超高寿命发热盘的开发过程，克服了干烧、积水、水垢、烧断丝等多项技术难点。首先，从产品选型到方案确认，然后进行实际测试验证，解决测试出现各种异常。每个问题都是相互关联、环环相扣，需要系统的综合分析才能解决。

积水问题是突跳式温控器的动作温度不准确引起，需采用有自动冷却功能的设备进行点焊，生产过程需使用测试工装全检突跳式温控器。

水垢的导热系数低，发热盘出现较多水垢会导致发热盘干烧或积水，甚至烧断丝，需提醒用户定期清除水垢，通过程序设定报警提醒：累计加热70 h 清除一次水垢。

干盘干烧会导致发热盘寿命极度下降，通过反复测试验证并调整优化放水控制程序，将一个工作周期的干烧次数降低到5 次以下。

表面负荷过高会加速电阻丝氧化速度引起烧断丝，通过加大电阻丝线径，有效降低电阻丝的表面负荷，提高其使用寿命。

通过如上一系列措施，发热盘单元件各项性能测试、整机3 000 h 老化测试合格，最终完成超高寿命发热盘开发，并大批量生产后投入市场，市场反馈良好。