139-0157-5230
熱積聚對電熱元件性能的影響以及新品開發的方向探索
盛建寅
導讀：
1.對電熱管中如何產生熱積聚現象從原理上剖析，從中了解電熱管由于熱積聚導致熱態安全性能的下降以及壽命或電熱效率都較低的事實，從中尋找合適的方式來彌補。
2.從十五年前行業創導電熱元件朝著大功率小體積的方向發展，而行業近年來在創新項目上幾乎停滯不前，原因是對目前技術存在問題沒有原理上的認識，也就談不上創新的立足點，從節能的需求來解決熱積聚的問題從而誘導出新產品的研究思路與開發的重點。
3.新品開發的相關理論已經實踐取得了空前的成功，但相關原理與結構特征已經取得相關的知識產權，警告不要輕易模仿以避免侵權。
4.在全文介紹相關內容過程中，我們全部省略其公式演算過程和產品的結構圖示，其原因就是不在侵權范疇內介紹新的技術特征，對此敬請諒解。
電熱管的技術狀況在近五年多時間內只是現有技術的普及與小改小革，并沒有重大實質性的提高與發現，因此就目前行業整體來說處于創新產品的斷層期，并且有關在電熱技術行業所長久存在的缺陷也一直未能突破，造成了對應用行業發展的阻礙。例如：我們要實現大功率小體積的電熱元件，但急需具有超導熱而又有很好的電氣絕緣性的填充材料是無法在短期內提供市場所需的，因此其計劃也就無法實現；而且事實上目前就電熱管的結構與應用也有很多不盡人意的缺陷。例如：電熱管的電熱效率只能憑供應商所提供鎂粉品質好壞來決定（氧化鎂純正度是較難自檢的）；填充材料的熱穩定性又限制著高負荷產品的進一步體積優化設計方案等等情況，所以有必要對目前電熱技術所存在的死區內容作全面定性的研究，從原理性的突破再尋求結構性的突破，這樣整體水平才會自然提高，否則只有等待到材料行業的突破再引入則為時已晚，本文的中心一是剖析問題，二是解決問題的思路探索，由于忙于項目的開發與試驗等工程問題，所以在總結完善其理論方面還沒有系統歸納，文章所提出的論點或論據如存在原則性的缺點或錯誤敬請同行批評指正。
一、熱積聚現象特征及產生的主要因素
在電熱管的結構中填充材料是起導熱作用的，而且它必須具備相應的電氣安全性，并且其特征又必須要有對應的熱穩定性，用行業專業語言表達就是耐高溫低泄漏而且要防潮，就針對目前填充材料的特性來分析，在以電熔改性鎂粉作為行業主導使用材料中，它具有較為經濟實用的事實是存在的，但這種材料本身具有的導熱能力并沒有太大的優勢，也就是說，它的熱阻特性依然存在，其純度和密度即使是理想狀態時它們對熱的傳導能力還是有一定的局限性，通俗說就是材料熱阻特征的存在無法起到充分的導熱，況且從發熱絲表面到管殼內表面為保證一定的電氣安全強度，它必須有一定的距離存在，所以此時的熱阻總值又是與爬電距離成正比關系，要實現熱傳路徑零熱阻這種特征是目前材料業幾乎不可能解決的現實。發熱管工作過程中發熱絲是電能轉換成熱能的主要部件，而它所產生的熱量從理論上講可以認為是一具有連續函數特性的，如果因為填充材料的導熱能力小于發熱絲產生的熱量，則在管內或者說在填充材料中必然要有熱的剩余，這種現象的時間性積累就是我們所定義的熱積聚；
對上面所介紹的內容我們可以總概為熱積聚現象產生的結論是：熱傳路徑上由于傳熱材料傳熱能力不足而造成熱的剩余，就是熱積聚，所以材料熱阻特征決定了熱積聚程度的大小（利用以上的結論與條件對應的數學模型不仿自行嘗試建立起來）。
二、電熱元件熱積聚現象對電熱元件性能影響的綜合評估
過去我們在有關文章中曾介紹過有關電熱管的熱慣性特征，表述的含義與熱積聚現象類同，在理論結構上沒有上述的專業系統化，但這種現象對電熱管的性能卻有四大致命的影響，現歸納描述如下：
1、對壽命的影響：眾所周知發熱絲所處環境溫度愈高，它在線工作狀態有二大特征即一是CT系數明顯增加，二是發熱絲對高溫環境的熱腐蝕抵抗能力直接決定了它的使用壽命；由于熱積聚現象的存在，管內環境溫度一定遠高于吸熱介質的溫度，而填充材料熱態時的PH值已顯示出對發熱絲具有強大的腐蝕力的特征也已表露無疑，所以熱腐蝕對電熱絲或電熱管的壽命決定性的結論具有充分的理論支持和實驗數據來支持，對此結論內容是我們公開發表。
2、電熱效率的下降：填充材料與其它材料熱阻特征基本類似，即它在不同溫度狀態下的熱阻值是不同的，即說明材料熱阻值具有非常數特征的一致性是類同的，而且這種熱阻值所具有的正溫性，說明了填充材料溫度愈高所呈現的熱阻值也愈大，所以在溫度愈高的環境中熱積聚現象就愈嚴重，其填充材料的熱傳導能力或電熱效率也就愈低的理論與實際檢測的結論也就完全對應一致了。
3、防潮防濕能力的下降：電熱管的防潮能力是由封口材料和填充材料中防潮劑材料來決定的，而防潮劑目前無論所采用的是甲基硅油或二甲基硅油甚至含氫硅油，它們的耐溫性雖然有所區別，但需要達到600℃以上高溫的忍耐力從目前技術特征分析還不具備這種要求，所以有相當多的電熱管經使用不長時間后出現電熱管的防潮能力有下降或失效的現象也就不足為奇了，原因已十分清楚，即此時的硅油已部分或全部被熱積聚所產生的管內高溫所碳化。這就是最終的結論。
4、 熱慣性現象對控制的影響：對熱慣性的描述分啟動與關閉二種不同特征現象區分介紹，電熱管如管內不存在熱阻性，則它在啟動時管表溫度應很快達到發熱絲表的溫度，而事實上絲表溫度是管表永遠無法達到的，而且要達到管內填充材料的平衡溫度也需相當的時間，用電工學的專業術語表述即這種響應是一種滯后的現象；而斷電后電熱管表的余熱仍會存在相當長的時間來釋放，如果定性實檢時，電熱管處于液體中，斷電后電熱管內的熱積聚能量還會使液體溫度繼續升高。上述的這些特征一是進一步說明管內有熱積聚的現象事實存在，另一方面告知這種熱積聚特征要對它有事先防范意識，例后面所說余溫會使液體溫度進一步升高的特例，在即熱式電熱水器中就有這種現象時有燙傷的事故發生，而電氣控制對這種特征幾乎無法實現同步控制，敬請特別注意。
三、規避措施
我們對這種現象分析的同時，尋找對應解決的方案是同行所關切的內容，在導入主題前我們首先對現有產品如何改良進行引導，期望短期內品質有較大的提高，在此我們對下述內容申明其作用是對熱積聚現象的改良而非根除，因為我們無法提供超導熱的材料應用于電熱管的制造，只能從工程的角度來盡量減少這種特征的危害程度。
1、密度法：單位體積中參與導熱材料的多少決定了整體的導熱能力，這已是普通的理論基礎，為減少因導熱能力不足而產生的熱積聚現象，電熱管中填充材料的密度值是關注的重點，就目前的填充材料與機械的功能來分析，其密度的基本保證量在3.05～3.10g/cm3 之間，而部分企業的工藝工裝水平由于缺乏相應的理論認識，遠低于此水準，所以其產品的綜合性能遠不能達到應有的指標。這只是總體的評價，而作為電熱管的應用，在設計過程中不可避免需要有不同程度彎曲成形，對具有R結構的產品中由于管壁不同程度的延伸，其管內的填率密度必定會下降，在這種情況下，工程的應對辦法就是采用對這些部位進行面積壓縮的整形處理，以恢復達到設計值。有關詳細內容請參閱《電熱技術與工程實踐》有關章節。
2、純度法：鎂砂作為主要的填充材料，在它的成份中有氧化鎂、氧化鈣、三氧化二鋁、二氧化硅和三氧化二鐵的五大主要成份，這些不同成份材料的導熱性能從其導熱系數的大小可以判斷出中間三種成份的導熱系數要小于氧化鎂，而三氧化二鐵由于電氣性不適合安全性的基本要求而列入危害性雜質外，如何采用高純度氧化鎂材料作為填充物是減小熱積聚的又一個成本難題，但作為以安全和節能為主要因素考慮其可選性還是應當重視的。
3、控制功率密度的設計：功率密度的大小對于導熱能力已經確定的環境條件下是由熱積聚大小的決定因素，所以在與成品配套設計的電熱管在面積設計負荷這個關鍵指標的確定前，首先要做出對應的物理模型進行量化分析，從熱傳導的角度去進行定性的計算從中確定合理與否，而不是經盲目的打樣試驗來尋找是否可靠的依據，當然，對管表負荷具體值的確定方法還要取決于元件所處的工作環境因素以及管材性質和場合所需。
4、爬電距離的嚴格控制：熱傳路徑的長短直接決定了熱傳過程中的熱阻大小，由此決定了熱積聚量的大小，但應該說在如何選擇爬電距離的問題上許多企業存在理念上的差異，因為太小的爬電距離雖然解決了熱積聚的問題（當然熱效率等問題也同步得到改善），但它的不良品率也會隨之增加，如果要達到期望的品質效果，則選擇局部犧牲也是值得的，而對重表面合格率的做法事實上會存在較大的隱患和風險，是不可取的。
從上面的內容我們介紹了有關熱積聚的產生和相應的工程補救方式，要做到上述內容對工程技術人員來說尤其是從事于設計和工藝方面的應該不存在任何難點，而即使是照本宣科，其產品也只屬于局部的改進，而且是有限度的，因為你無法改變熱的傳導方式，也無法改變材料的特征，但經過上面的全面分析我們已知道了問題產生的原因，因此我們有了相對應的辦法，現從熱傳路徑來再次深化討論。
四、從熱傳路徑再分析熱積聚的根源
在目前的電熱管結構上，我們可以將電熱管的熱傳導過程近似看作以螺旋發熱圈為質點的同心圓熱散發場，理論上質點的單位趨于無窮小，而我們為什么將螺旋發熱圈作為質點呢？這就是描述問題的立足點所在。
首先我們對任一支已經使用過的電熱管進行縱向剖析，可以直視到內部尤其在芯部的填充材料有灰色的特征，而這種灰的程度由類似管表負荷使用時間長短等因素決定，先暫不對此展開，現重點描述熱散發場的有關物理現象；
1、單向或單維導熱場的模型：當發熱絲繞制成螺旋狀以后，芯棒區域內所在的空間在工作狀態是沒有參與任何熱傳導的，而且在其區間內會形成一個高溫特性的恒溫場，由于其填充材料的熱阻特征，所以它只有貯存熱量的作用，參與熱傳導的真正質點是絲表靠近管表部分的近半面積部分，而它的理論支持點是：熱量永遠是朝著低能量的方向擴散的。從中我們可以清楚知道：螺旋發熱絲的外側面才是電熱管的有效熱傳導散熱區，而芯部是電熱管的高溫死區，只有當死區內的溫度高于圈外溫度時，它才會有熱的溢出，這種熱傳導方式從理論上講它屬于平面的或單向性的，而將整個發熱圈作為質點化的理由是其內部溫度幾乎與絲表外側溫度類同，因此其假設論點具有量化指標上的可信度（除非絲間距有足夠大的狀態時這種描述就有缺陷存在）。
2、芯部工作狀態特征的概述：發熱絲芯部是整支電熱管的高溫區這一事實是大家可以認識的，但它也是整支電熱管熱積聚現象最嚴重的區域，沒有熱散發的空間只有熱量的積累，無論是防潮材料還是鎂砂中類似于低熔點的如二氧化硅等熱不穩定材料，在此區域內首先被碳化的過程也就不需要再多加解釋，現要說明的是：芯部填充材料熱積聚在量值上與其相關的因素必須解釋清楚：①絲與絲之間的間距愈小，其積聚量就愈多（絲間距愈小則相當于形成了一個閉環區域）；②芯部填充物密度愈低其芯部升溫速度愈快（溫度成像儀可證實），而且絲的載流能力也愈低，從芯部空松鎂粉的電熱管極易燒斷的事實可以證實其論證它的一致性；③絲表內外側的熱腐蝕程度在顯微鏡下的特征已充分說明了所推論的正確性。
在經過上述一系列的表述之后，我們發現了一個新的認識，即現在對絲表負荷的概念只是一個數學平均值，而實際上絲表負荷存在表面積不同的承受力。管內有熱積聚的現象存在已經被證實的同時，我們也同時發現了芯部存在熱量傳導的死區，并且電熱管是一種單向導熱特征的元件，所以我們就以此為突破點，即采用雙向導熱的概念引入新品開發的思路（以前所發表有關的表面擴展型和散熱片結構之產品雖有一定的功用但不屬原理性突破的范疇）。
對所有分析內容我們給予一個定論，即產生熱積聚現象是由于填充材料的導熱能力不足所產生的，這是目前結構和材料特征所決定的。
五、雙向導熱電熱元件結構特征概述
如果說單向導熱的電熱管是實芯體的話，它芯部的熱量是無法參與導熱（或者說發熱絲實際上是單邊或表面積的熱散發），所以我們研發出一種將發熱絲芯部熱量可以誘導并參與熱交換的電熱管，簡稱雙向導熱電熱管，其特征就是一支空芯電熱管，其用途是在即熱式電熱水器或有循環冷卻裝置的電加熱器具中，如即熱即開式開水機、蒸汽發生器和類似于咖啡壺機電加熱管；在結構上與傳統產品不同的就是“空芯”，并且芯部直接參與熱傳導，如果說它在原理上已解決了單向導熱的缺陷，還不如從它的性能上的表現再進行評估，請從如下試驗數據進行分析：
1、管的設計負荷是3300W/220V，單面的管表負荷分別是23W/cm2和34W/cm2 ，工作于供水壓力在0.03MPa的環境下，芯部為進水處，而它的出水仍由電熱外管循環加熱，流量為0.8L/min，原始水溫為18.7℃，從通電瞬間至輸出溫度恒定不變，在時間上僅用了7.2s，并且水溫達77.6℃，如用電熱效率值來衡量，它已趨于99％，這些數據說明的內容包括：①熱響應速度加快了；②電熱效率增加了，更具節能特征；③整支電熱管的體積比傳統設計的產品要小近40％的空間，所以大功率小體積在這類產品上有希望得到真正的體現。
2、過載試驗：其目的是論證這類產品管內從發熱絲的承載能力的變化到管的熱穩定性檢驗。在介紹之前先交待電熱管在制造時的有關材料與參數：發熱絲采用國產絲徑為0.5mm的0Cr25Al5材料，填充材料采用鎂管加普通中溫型電熔改性鎂砂，其密度為3g/cm3 左右；實驗檢測的方式是：采用調壓器不斷改變對電熱管的輸入功率，在此過程中分別檢測漏電流的變化量，并且從中分析出目前發熱絲材料在這種結構特征下真正具有的承載能力與傳統產品進行對比，過載的分檔原則是每次增量為額定值的15％（這種設置的目的是為了防止電網電壓在峰值波動時引起的過載，另方面與歐標用電環境有近似參閱性），值為額定值的60％，所以全過程分四個步驟進行，由于相關試驗參數相當繁瑣，現將結論告知如下：熱態穩定性是十分理想的，全過程沒有發生任何熱擊穿現象(1500V/0.5mA)，發熱絲的承載能力是可以達到目前設計參數的150％，而且熱慣性的時間也僅有3.3s(150％額定負載斷電后管表氣泡消失的時間)；綜合上述內容，我們可以給予充分的信心：利用現有的材料條件完全可以設計出新一代浸水式電熱管的可能性已具備了理論上可行性。類似產品的原理特征已在相關產品上得到了認證，對它的普及應用時間也已為時不遠了。
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