新型碳纤维红外发热管的工艺设计及其性能测试

陈绍军，叶伟洋，叶素美，黎嘉欣，苏文斌

(1.河源职业技术学院，广东 河源 517000; 2.河源市信大石英电器有限公司，广东 河源 517000)

由于碳纤维发热体具备升温降温快速，热量滞后小，发热比较均匀，热量辐射的距离比较远等良好性能，现如今，其发展迅速，已被各种领域广泛应用。在碳纤维发热体研究领域，已经研究出实用新型的碳纤维远红外发热管等，此种新型发热管利用柔性碳纤维作为发热体具有热转换效率高、寿命长等优点，在家电及医用器械等领域有广泛应用[1-3]。

本文主要对开发的新型碳纤维发热管的结构、生产制作工艺、检验技术和方法等进行了介绍，并对产品的热效应进行了测试及研究。

1 碳纤维发热管的结构

碳纤维发热管的结构外管主要是采用石英为原材料，其螺旋状发热主体多呈现为空心结构，主要材料为碳纤维，碳纤维由长丝经过加捻后由一定工艺绕制而形成，作为碳纤维发热管的核心发热元件。新型碳纤维发热管的主体新型碳纤维丝在其两端采用特殊包扎形式，其碳纤维丝材料为钼片并在碳钎维树加热器两端有导线安置。碳纤维发热管的管身是透明管，其电气设定参数为220～240 V、2 000 W。引线采用UL3122，50～52支线芯，300～500 V 200 ℃耐高温玻纤线。两端的电极是由银白色难溶高熔点金属钼组成的，钼片和钼杆，接线端子等[4]。详细构造如图1所示。

图1 碳纤维发热管的结构

2 碳纤维发热管的生产制作工艺

碳纤维发热管的生产制作工艺主要包括以下步骤：

(1)根据产品的直径和长度，选择具有所选直径的内外管进行切内管和切外管。

(2)选择编丝的大小粗细等规格尺寸，确定合理的投料数量，进行编丝。

(3)选择绕丝规格，测量电阻，确定功率，测量导线长度进行绕丝。

(4)调整定型机，确定定型电压，进行定型处理。

(5)选择适合的电极并进行点焊。

(6)进行压封和排气，注意有无压歪钼杆，有无压漏，是否有压力泄漏。

(7)进行老练检测、功率抽检，寿命抽检。

(8)进行点线、瓷件的打印和粘贴。

(9)成品检验，再一次的确认电压、功率、长度、检测内丝。 具体如图2所示。

图2 碳纤维发热管一般工艺制作流程图

3 碳纤维发热管检验技术要求及检验方法

3.1 碳纤维发热管检验技术要求

当碳纤维发热管制作完成后需按照技术要求进行检验，确保碳纤维发热管的安全性。检验技术要求主要包含以下内容：

(1)外观检查项目：①新型碳纤维加热气管表面儿洁净污染黑点最多有4个且小于0.5 mm，管表面气路每条不得长度超过5 mm。②碳纤维加热器管形状正确管外表不允许变形扭曲薄厚不均匀不是符合国家安全外观管理。③电压和功率符合规定。④石英管表面无明显划痕排气口位置两端如有轻微白雾可收回。⑤硅胶套连接处牢固不存在硅胶套与无关部位粘连。⑥引线连接处安全牢固，碳纤维位置居中。

(2)尺寸检测：碳纤维灯管直径应为设计尺寸的±0.05 mm，长度应为设计尺寸的±1 mm，引出线长度应为设计尺寸的±5 mm。进行装配检验。

(3)功率检测：将碳纤维管在其额定电压下点亮，用功率仪测试其功率，应在其额定功率的范围为+3%～-7%。

(4)亮度检测：碳纤维管点亮时两根管子亮度接近，发热体应发光均匀，无明显差别，单根碳纤维管亮度均匀且局部不得出现暗点或异常亮点。

(5)寿命检测：通过一定的检查，新型碳纤维发热管在正常环境运行下(额定电压额定电流)，寿命应大于6 000 h。

(6)冲击检测：电压为AC1.3倍额定电压瞬间通电时没有出现以下异常现象：①位于灯管的钼片点焊处不得有打火现象。②灯管连续工作6 h工作并且在AC1.3倍额定电压下，进行抽查无断丝或发黑的现象。

(7)性能检测：①灯具不得有杂物、变色、镍、钼棒氧化、压力密封开裂等现象。②钼片不得有折断、裂口增长现象，发热体进行工艺孔平面与排气嘴平面设计一致。③压封板内的钼片靠压封口的距离要大于1.0 mm(外端口)。④导线应与灯管结合牢固，25 N拉力时导线不得松动。⑤灯管两端的压力密封板不易折断，容许承压任一方向10 N的力。⑥灯管上排气嘴的高度不应大于4 mm。⑦灯管上的引线根据电压和功率，配置合适的引线。⑧用真空火花器检测灯管不能有漏气现象(全检)。

3.2 检验方法

生产出厂的碳纤维发热管产品一般需符合国标GB/T7287—2008、GB4706.1—1992，具体检验方法参考河源市信大石英电器有限公司碳纤维发热管检验技术规范。

(1)外观检查：①表面应平整、整洁、洁净，无污斑瑕疵、无疤痕、无锈斑、无腐蚀，无损坏、变形;批峰≤0.05。使用视检、游标卡尺。②玻璃管表面光洁无划痕和黑点，固定金属片表面无锈迹，无脏污油渍；发热体无歪斜现象，表面平整，色泽均匀，无凹坑、破损、裂纹。玻璃管内无多作杂物。③钼杆与接头镍片焊接应良好，不能有虚焊，假焊，漏焊等焊接不良。

(2)尺寸检查：尺寸符合图纸要求。使用游标卡尺、千分尺。

(3)标识检查：组件上应有生产厂家或商标，型号规格、额定电压、功率、导线截面积标称值、线号标志，标识应清晰，用蘸汽油的棉布来回檫15S，再用蘸水的棉布来回檫15 s，标识应清晰易读。使用目测及擦拭。

(4)结构检查：①磁头不允许出现歪斜和松动的情况，在产品的外部封口处电极不能发生歪斜也不能发生断裂。②外部连接引线与发热管连接处用30N的拉力垂直拉，引线不能断脱，套管不能松脱。外部连接引线与发热管连接处左右摇动30次(45°，5N，30次/min，摇动位置在离瓷头约10 cm处)引线不能断脱。

(5)发热体亮度及色温检验：产品在正常工作的同时，中心发热体允许略暗内中心发热体热效应应一致，即通电后目视检查规定描述内发热体完全发红。发热体色温须达到色温<1 600 K。通电后目测，使用秒表和色温仪。

(6)封装质量：需使用真空检测仪检验，将产品进行真空抽取，检验后密封良好无泄漏气体情况则产品合格。

(7)额定功率及电气强度：利用电参数测量仪，测试额定电压工作状态，功率偏差符合-8%～+4%。在电极和发热管外壳之间，金属片之间固定电极，管脚与灯管之间施加1 800 V/5 mA/1 min,无击穿。

(8)玻璃管封口温度：在1.15倍额定输出电压下工作至稳定发展状态，玻璃管两端以及封口处温度≤250 ℃(环境不同温度为20 ℃±5 ℃)。

(9)管脚机械强度：使用拉力计对管脚向引脚方向施加固定的拉力(50 N)，在1 min内，管体无任何松动和裂痕。

(10)跌落测试：正常树立产品，后松手使其自由跌落在20 mm的质地坚硬的木板上，如产品无损伤则合格。使用跌落试验台电参数测量仪。

(11)高低温测试：在规定的额定1.25 V电压下，将产品持续通电工作10 min，置于10 ℃的水中，产品不可有任何特殊情况，再连续5 h将产品放入恒温(-20 ℃)的环境中，观察加热管，不容许有任何异样反应。

(12)泄漏电流及常态绝缘电阻测试：发热管在额定电压(1.06倍)稳定工作时，允许外壳泄露的电流量为小于等于0.25 mA。检验新型碳纤维发热管两电阻电极与其核心发热管两端的钼片之间的电阻应大于等于20 MΩ。使用泄漏电流测试仪、绝缘电阻测试仪进行测试。

(13)等效快速寿命检验：使用电参数测试仪、变频电源等进行测试，在额定电压下(1.35倍)，不间断工作36 h；在测试结束之后，发热管端部有部分微量薄雾状态物体可以存在，不容许有其他异常反应出现；并且在实验完毕后的发热管的功率不容许大于实际功率的±3% 。

4 碳纤维发热管热效测试

碳纤维发热管热效测试在房间进行，如图3所示。开启电源发热管开始工作后，对房间中心、墙面中心及房间4个角落进行温度检测，测试碳纤维发热管产品使用对周围环境温度的影响情况。

图3 用于热效测试的碳纤维发热管产品

1)测试数据。

各测试点温度情况见表1所示。

表1 测试点温度情况 ℃

2)实验结果。

根据测试结果，做出了产品的热效图(见图4、图5)，通过热效图可以发现，在碳纤维发热管产品通电运行情况下，在1 h内环境温度迅速提升，随后缓慢上升。且产品使用过程中，对房间中心、对射墙面中心及房角角落等周围环境温度提升大致相同，提升效果非常明显。

图4 房间中心及对射墙面中心热效图

图5 房间四个角落热效图

5 结 论

开发的新型碳纤维发热管在导热过程中损失较小，热转换效率大大提高， 比其他镍铬、钨钼金属制的发热管节能15%～30%，且寿命长，环保性能更好，未来将在加热领域得到更加广泛的应用。