帶PTC電熱元件毛發(fā)護(hù)理器具輸入功率測(cè)量研究（上）

胡潤(rùn)澤

（廣東工業(yè)大學(xué) 威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

1 背景介紹

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述，測(cè)量利用PTC發(fā)熱元件發(fā)熱，熱傳導(dǎo)到器具表面，通過(guò)高溫塑造頭發(fā)造型的直發(fā)夾，卷發(fā)棒等器具，必須測(cè)量器具在正常工作中的輸入功率或電流，并與制造商指定的額定值比較。如果測(cè)量值大于額定值，那么第11章溫升試驗(yàn)中的零部件的溫升有可能低于實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的溫升。如果測(cè)量值過(guò)大，可能會(huì)造成器具內(nèi)使用的零部件處于過(guò)載的工作狀態(tài)，造成危險(xiǎn)；或者會(huì)帶來(lái)外部電源裝置的安全問(wèn)題。

例如，一個(gè)電熱器具，其輸入功率的測(cè)量值為2000W，而額定值為1000W。在第11章試驗(yàn)期間，施加了1.15倍額定輸入功率（按照本例就是1150W）。在消費(fèi)者真實(shí)的使用中，器具將消耗2000W，因此真實(shí)使用中的溫升將高于第11章試驗(yàn)期間測(cè)量的數(shù)值。

對(duì)于電熱器具和組合器具，如果測(cè)量值小于額定值，那么在第11章的試驗(yàn)條件下就不可能施加一個(gè)電壓而使零部件的溫升達(dá)到最高值。(注：因?yàn)榈?1章試驗(yàn)的目的就是要找出器具在正常工作條件下零部件可達(dá)到的最高溫升。)

例如，一個(gè)電熱器具，其輸入功率的測(cè)量值為1000W，而額定功率為1500W。在第11章試驗(yàn)期間，施加了1.15倍額定輸入功率（按照本例就是1725W）。然而，在這種情況下，為了試圖施加1725W的功率，可能需要施加更高的電壓，而該電壓可能會(huì)損壞器具，使試驗(yàn)無(wú)效。如果在第11章的試驗(yàn)過(guò)程中器具被損壞了，那么就不可能找到消費(fèi)者使用器具時(shí)可能達(dá)到的最高溫升，也就不可能說(shuō)器具是安全的。

圖1 PTC電阻－溫度特性

圖2 PTC電流－電壓特性（靜態(tài)特性）

圖3 PTC電流－時(shí)間特性（動(dòng)態(tài)特性）

3.1.9 定義的電動(dòng)器具的正常工作條件被IEC/TC61認(rèn)為是覆蓋了消費(fèi)者使用器具時(shí)可預(yù)見(jiàn)到的最嚴(yán)酷的條件。如果在額定電壓下測(cè)得的輸入功率值小于額定值，這是可接受的，因?yàn)樵谙M(fèi)者實(shí)際使用器具時(shí)的溫升將不會(huì)達(dá)到額定值。所以第11章試驗(yàn)期間所測(cè)得的溫升將會(huì)高于消費(fèi)者真實(shí)使用器具時(shí)的溫升，因而沒(méi)有安全問(wèn)題，因而也不需要限制電動(dòng)器具的下限偏差。

以上就是在安全標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量器具輸入功率，再與標(biāo)稱的額定功率比較的原因。

由于PTC元件本身的性質(zhì)，以及廠商為了達(dá)到更好的使用效果而加入的控制，加之國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的要求第一部分：通用要求》及皮膚和毛發(fā)護(hù)理器具標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.15-2008《皮膚及毛發(fā)護(hù)理器具特殊要求》并沒(méi)有對(duì)這類毛發(fā)護(hù)理器具的功率有明確的表明測(cè)量方法，所以PTC發(fā)熱毛發(fā)護(hù)理器具在功率測(cè)量這一方面暫時(shí)在國(guó)內(nèi)沒(méi)有很統(tǒng)一的做法。導(dǎo)致在抽查過(guò)程中，許多PTC毛發(fā)護(hù)理器具的功率不合格。

越來(lái)越多PTC發(fā)熱發(fā)夾產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售要做CCC認(rèn)證，認(rèn)證過(guò)程中對(duì)10章輸入功率檢測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題，本文旨在研究一種既科學(xué)反映輸入功率，保證器具安全，又節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)成本的功率測(cè)量方法。

2 國(guó)內(nèi)外研究狀況

家電產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005及皮膚和毛發(fā)護(hù)理器具標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.15-2008第10.1功率測(cè)量規(guī)定 ：如果輸入功率在整個(gè)工作周期是變化的， 則按一個(gè)具有代表性期間出現(xiàn)的輸人功率的平均值決定輸入功率。關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)中所述代表性期間，國(guó)內(nèi)各檢測(cè)機(jī)構(gòu)之間，甚至與同一部門(mén)不同人的理解也不相同，直接導(dǎo)致了該章節(jié)試驗(yàn)方法不同，沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。

國(guó)內(nèi)曾經(jīng)有關(guān)于功率波動(dòng)的電熱器具功率測(cè)量的論文，見(jiàn)參考文獻(xiàn) 。但當(dāng)時(shí)基于CTL決議DSH-554的內(nèi)容論述，現(xiàn)在已有新的IEC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。同時(shí)，兩篇論文中提到的操作方法在實(shí)際檢測(cè)中難以實(shí)現(xiàn)。具體會(huì)在后續(xù)論文中討論。

CTL決議中DSH-554文件，指出在穩(wěn)定狀態(tài)建立后，或者11.7章規(guī)定的30min工作時(shí)間最后時(shí)刻測(cè)量輸入功率。但此CTL決議為2004年底41屆CTL會(huì)議中討論結(jié)果，距離現(xiàn)在時(shí)間久遠(yuǎn)，局限性很大。

2012 年，關(guān)于皮膚和毛發(fā)護(hù)理器具的最新IEC標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，IEC 60335-2-23說(shuō)明30min為代表性期間測(cè)量輸入功率。但是國(guó)內(nèi)還沒(méi)有出現(xiàn)統(tǒng)一的說(shuō)法。并且30min的試驗(yàn)時(shí)間無(wú)論是對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，還是對(duì)生產(chǎn)廠商，都增加了試驗(yàn)時(shí)間成本。

3 PTC發(fā)熱毛發(fā)護(hù)理器原理

3.1 PTC元件基本概述

（1）電阻－溫度特性。如圖1所示，當(dāng)溫度超過(guò)居里點(diǎn)溫度時(shí)，PTC電阻值會(huì)上升。居里點(diǎn)：當(dāng)電阻值是25℃時(shí)電阻值的兩倍時(shí)的溫度。

PTC正常工作時(shí)，隨著外加電場(chǎng)逐步提高，其功率幾乎恒定，樣品內(nèi)的溫度則隨之升高，到達(dá)一定程度時(shí)，材料發(fā)生相變，進(jìn)入NTC區(qū)，樣品的電阻值開(kāi)始下降，此時(shí)繼續(xù)增加電壓，就會(huì)發(fā)生熱失控，使電流激增。早期PTC制作工藝的限制，使得PTC的晶界勢(shì)壘極為狹窄，強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電子急劇大量穿透勢(shì)壘，可能在瞬間造成局部迅速升溫，材料氣化，在試品上打出小孔。但有時(shí)由于勢(shì)壘較厚，電壓增加時(shí)，勢(shì)壘未擊穿，但所形成的局部過(guò)熱使得尺寸膨脹，又由于相變時(shí)的收縮，使得局部張力互相作用，在薄弱處發(fā)生損壞或裂紋。若開(kāi)裂處是立方晶相區(qū)，則裂面平滑；若開(kāi)裂處是四方相區(qū)時(shí)，裂紋則相對(duì)不平滑。

(2)電流－電壓特性（靜態(tài)特性）

如圖2所示，PTC元件施加一定電壓，自身散熱與產(chǎn)熱平衡后，電壓和電流的關(guān)系。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，PTC正溫度系數(shù)特性的斜率明顯變小，最大電阻值顯著減小，最大電流值變大。其工作點(diǎn)都是工作在最大值以下，PTC限制大電流，電路在正常狀態(tài)時(shí)，低電阻，出現(xiàn)故障時(shí)或因過(guò)載有大電流時(shí)，高電阻。

(3)電流－時(shí)間特性（動(dòng)態(tài)特性）

如圖3所示，PTC內(nèi)部發(fā)熱與外部散熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡之前的關(guān)系，特點(diǎn)在于擁有大的初始電流和突發(fā)性持續(xù)衰減部分。

當(dāng)PTC試片承受功率沖擊時(shí)，材料內(nèi)升溫不均及表面散熱，會(huì)產(chǎn)生電阻梯度和溫度梯度，梯度處的溫度差異導(dǎo)致熱膨脹差異，引起熱應(yīng)力。粗晶粒界，雜質(zhì)和氣孔處，易形成微裂紋，這是電流沖擊下的熱膨脹應(yīng)力和相變時(shí)收縮引起的張應(yīng)力的疊加效果。前者瞬態(tài)發(fā)生，后者是由電流引起的熱應(yīng)力，略慢。兩種因素互為因果。

綜合PTC的特性分析可知，對(duì)于用作恒溫發(fā)熱體PTC元件來(lái)說(shuō)，冷態(tài)時(shí)，其電阻值較低，工作后，電流較大，發(fā)熱多，逐漸發(fā)熱大于散熱，發(fā)熱元件本身的溫度升高，導(dǎo)致其電阻值突然升高，電流減小，發(fā)熱量降低，直至再次達(dá)到發(fā)熱與散熱的平衡狀態(tài)。若電壓升高，PTC的正溫度系數(shù)特性曲線會(huì)變緩，最大電阻值減小,最大電流值增大，但電壓增大到一定程度后，隨著電壓的升高，電流降低。

圖4 PTC元件在額定電壓下功率溫度對(duì)時(shí)間的曲線

圖5 卷發(fā)棒外觀

圖6 直發(fā)夾外觀

早期PTC生產(chǎn)工藝限制，在其內(nèi)部會(huì)有不規(guī)則的晶粒；或?yàn)榱嗽鰪?qiáng)晶粒勢(shì)壘，參雜一些添加物，若添加物的細(xì)度或分散度不夠，使得內(nèi)部元素不均勻，在結(jié)構(gòu)上會(huì)造成晶粒分布不均。出現(xiàn)這種情況時(shí)，這類樣品的耐壓試驗(yàn)通過(guò)率會(huì)降低。這是由于，在經(jīng)受高壓時(shí)，個(gè)別晶粒的尺寸較大，沿晶軸方向的膨脹和收縮會(huì)比一般晶粒更顯著，這會(huì)讓異常晶粒與周?chē)木Яｉg形成極大的內(nèi)應(yīng)力，力的大小正相關(guān)于晶粒尺寸大小的三次方，即晶粒越大，內(nèi)應(yīng)力越大。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大到一定程度時(shí)。在晶粒間或缺陷處會(huì)產(chǎn)生裂紋。若反復(fù)施加電場(chǎng)沖擊，則裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終開(kāi)裂。

使用單個(gè)PTC元件在額定電壓220V下進(jìn)行測(cè)試，記錄PTC元件表面溫升及輸入功率變換，如圖4所示。

可以看出：溫度迅速上升，2分半鐘溫升達(dá)到最終穩(wěn)定溫升的80%，6min溫度接近穩(wěn)定，最后穩(wěn)定在450℃。功率從398W下降，4min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定120W。說(shuō)明PTC元件具有自穩(wěn)定性。

3.2 PTC發(fā)熱毛發(fā)護(hù)理器基本原理及分類

這項(xiàng)技術(shù)起源于1995年，當(dāng)時(shí)是利用電磁原理使一種物體(即發(fā)熱體，下文稱發(fā)熱體）產(chǎn)生熱量，通過(guò)發(fā)熱體溫度傳送到一塊版面上，利用高溫把頭發(fā)拉直，一般溫度在200℃左右。國(guó)際美容權(quán)威人士指定的最佳造型溫度220℃，但在我們中國(guó)一般使用溫度在160℃～200℃之間。而直發(fā)器（卷發(fā)棒）發(fā)展到今天已經(jīng)有了翻天覆地的變化，不但能直發(fā)，同時(shí)也可以放射出臭氧和負(fù)離子。從2007年已進(jìn)入了家庭個(gè)人市場(chǎng)，在家里就可以給秀發(fā)做個(gè)SPA。21世紀(jì)直發(fā)器將進(jìn)入中國(guó)家庭市場(chǎng)，將會(huì)發(fā)展成為個(gè)人護(hù)理的必備產(chǎn)品，就像梳子一樣普及。

3.2.1 卷發(fā)棒

卷發(fā)棒是一種利用溫度將頭發(fā)燙卷的產(chǎn)品，外觀如圖5所示。頭發(fā)卷在圓棒上，圓棒上有一夾子，通電后發(fā)熱，使得頭發(fā)受熱變形。

3.2.2 直發(fā)夾

直發(fā)夾是拉直頭發(fā)的電熱產(chǎn)品，外觀如6圖所示。頭發(fā)放在夾子中間，通過(guò)熱量使毛發(fā)的蛋白質(zhì)受熱變形。

3.2.3 發(fā)熱發(fā)夾產(chǎn)品控制系統(tǒng)概述

隨著時(shí)代的發(fā)展，該類帶PTC電熱元件的毛發(fā)護(hù)理器具的控制方式也在發(fā)生許多變化。

發(fā)熱面積越大，器具的作用面積就越大。為了達(dá)到更好的效果，廠家往往采購(gòu)大面積發(fā)熱的PTC元件。但大面積PTC元件在沒(méi)有控制的情況下直接施加220V交流電時(shí)候溫度比較高，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.4。為了能夠使元件發(fā)熱在200℃左右最佳的造型效果，設(shè)計(jì)時(shí)常常加上一定PWM控制，使得在保證元件發(fā)熱面積的情況下，降低發(fā)熱溫度到合適范圍。

Table1 Power input deviation

4 功率測(cè)量的試驗(yàn)

名詞解析：由參考文獻(xiàn) 可知，

額定輸入功率：額定輸入功率 rated power input

由制造商為器具規(guī)定的輸入功率。

本研究從收集相關(guān)資料做起。收集IEC標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005關(guān)于功率測(cè)量的要求，詳見(jiàn)下列：

4.1.1 IEC 60335-1:2010

10 Power input and current

10.1 If an appliance is marked with rated power input, the power input at normal operating temperature shall not deviate from the rated power inputby more than the deviation shown in Table 1.

The deviation for motor-operated appliancesapplies for combined appliancesif the power input of the motors is more than 50% of the rated power input.The permissible deviations apply for both limits of the range for appliances marked with a rated voltage range having limits differing by more than 10% of the arithmetic mean

4.1 標(biāo)準(zhǔn)的要求

表1 輸入功率偏差

value of the range.

NOTE：In case of doubt, the power input of motors may be measured separately.

Compliance is checked by measurement when the power input has stabilized with

all circuits which can operate simultaneously being in operation;

the appliance being supplied at rated voltage;

the appliance being operated under normal operation.

If the power input varies throughout the operating cycle, the power input is determined as the arithmetic mean value of the power input occurring during a representative period.

The test is carried out at both the upper and lower limits of the ranges for appliances marked with one or more rated voltage ranges, unless the marking of the rated power input is related to the arithmetic mean value of the relevant voltage range, in which case the test is carried out at a voltage equal to the arithmetic mean value of that range.

4.1.2 GB 4706.1-2005

10 輸入功率和電流

10.1 如果器具標(biāo)有額定輸入功率，器具在正常工作溫度下，其輸人功率對(duì)額定輸人功率的偏離不應(yīng)大于表1中所示的偏差。

注1：在有疑問(wèn)時(shí)，可單獨(dú)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的輸人功率。

當(dāng)輸人功率穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)測(cè)量確定其是否合格。

所有能同時(shí)工作的電路都處于工作狀態(tài)；

器具按額定電壓供電；

器具在正常工作狀態(tài)下工作。

如果輸人功率在整個(gè)工作周期是變化的，則按一個(gè)具有代表性期間出現(xiàn)的輸人功率的平均值決定輸人功率。

注2：對(duì)標(biāo)記有一個(gè)或多個(gè)額定電壓范圍的器具，在這些范圍的上限值和下限值上都要進(jìn)行試驗(yàn)，除非標(biāo)稱的額定輸人功率與相關(guān)電壓范圍的平均值有關(guān)。在此情況下，要在該范圍的平均電壓值下進(jìn)行試驗(yàn)。

注3：對(duì)標(biāo)有一個(gè)額定電壓范圍，且該電壓范圍的上限、下限差值超過(guò)該范圍平均值的10%的器具，則允許偏差適用于該范圍的上限值、下限值兩種情況。

4.1.3 IEC 60335-2-23 ed5.2：2012

10.1 Addition:

The representative period for appliances incorporating PTC heating elements is 30 min

4.1.4 IEC 60335-1歷史版本

IEC 60335-1對(duì)冷態(tài)功率標(biāo)識(shí)的要求：

7.5 For appliance or detachable heating elements marked with more than one rated voltage or rated voltage range, the rated input for each of these voltages or ranges shall be marked,if greater than 25W.

The upper and lower limits fo the rated input shall be marked on the appliance or detachable heating element so that the relation between input and voltage appears distinctly unless the difference between the limits of a rated voltage range does not exceed 10% of the mean value of the range in which case the marking for rated input may be related to the mean value of the range.

If the input of the appliance or detachable heating element in cold condition differs by more than 25% from the input at operating temperature,the input in cold condition shall be marked in addition, and shall be placed in brackets after the marking of the input at operating temperature.

4.1.5 GB 4706.1歷史版本

GB 4706.1-1992對(duì)冷態(tài)功率標(biāo)識(shí)的要求：

7.5 對(duì)于標(biāo)有一個(gè)以上額定電壓或額定電壓范圍的器具或可拆卸的電熱元件，如果輸入功率大于25W，則應(yīng)標(biāo)出這些電壓或電壓范圍各自對(duì)應(yīng)的額定輸入功率。

額定輸入功率的上限和下限應(yīng)在器具或可拆卸的電熱元件上標(biāo)明，以便清楚地顯示輸入功率和電壓之間的關(guān)系，除非額定電壓范圍的上下限之差不超過(guò)該范圍平均值的10%，在這種情況下，額定輸入功率的標(biāo)志是與額定電壓的平均值相關(guān)的。

如果器具或可拆卸的電熱元件在冷態(tài)時(shí)輸入功率與工作溫度下的輸入功率相差大于25%，應(yīng)加標(biāo)冷態(tài)時(shí)的輸入功率，冷態(tài)輸入功率標(biāo)在工作溫度下的輸入功率后的括號(hào)內(nèi)。

（未完待續(xù)）

[1]JB/T7486-2008，溫度傳感器系列型譜[S].機(jī)械工業(yè)出版社

[2]IEC60335-1:2010，Household and similar electrical appliances Safety Part 1: General requirements[S]

[3]IEC60335-1:1977, Household and similar electrical appliances Safety Part 1: General requirements[S]

[4]GB 4706.1-2005，家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求[S]

[5]GB 4706.1-1992，家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求[S]

[6]PTC特性，百度[DB]

[7]IEC60335-2-23 ed5.2:2012，Household and similar electrical appliances Safety Part 2-23: Particular requirements for appliances for skin or hair care[S]

[8]GB 4706.15-2008，家用和類似用途電器的安全 皮膚及毛發(fā)護(hù)理器具的特殊要求[S]

[9]MX100使用說(shuō)明書(shū)[Z]

[10]WT500功率分析儀操作手冊(cè)[Z]

[11]CTL決議DSH-554[DB]

[12]陳偉升，Derek Johns，黃文秀，劉國(guó)榮，柳榮貴.家用電器安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)理解與案例分析——基于IEC60335-1第5版[M],北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012：48-49

[13]李建國(guó),姚東.帶PTC發(fā)熱元件的電熱器具額定輸入功率測(cè)定方法的探討[J].家電科技，2007（3）：31，34.

[14]劉智理,帶PTC的電夾板額定功率測(cè)量方法淺析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010，18：163