柔性電熱暖手器電極加熱適用性探討

王鑫 王洪建 張衍忠 辛勇

山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 山東濟南 250102

1 引言

電熱暖手器一般分為硬殼、柔性及USB充電式三類產(chǎn)品。近年來，電熱暖手器類產(chǎn)品市場銷售量一直穩(wěn)步增加，2011至2015年銷量增長率平均值在14.31%左右[1]。其中柔性電熱暖手器指外殼為軟質(zhì)材料的暖手器，內(nèi)部沖灌一定量的液體作為儲熱介質(zhì)。由于柔性電熱暖手器儲熱量大，外表柔軟，內(nèi)部為液體，人體觸感舒適，目前市場上銷售的電熱暖手器以柔性產(chǎn)品居多。

在家用和類似用途電器領(lǐng)域，通用安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“電極不應(yīng)用于加熱液體[2]”，作為家用的電熱暖手器類產(chǎn)品，其安全標(biāo)準(zhǔn)也繼承了這一要求，由于電極加熱方式結(jié)構(gòu)簡單成本低廉，市場上銷售的柔性暖手器電極加熱式占比較高，這一點可以從近年來各地的監(jiān)督抽查結(jié)果中得到驗證。據(jù)中國質(zhì)量新聞網(wǎng)獲取的數(shù)據(jù)顯示，2016年江蘇省工商局抽檢儲熱式電熱暖手器185批次，2017年浙江省質(zhì)監(jiān)局抽檢45批次，2018年上海市質(zhì)監(jiān)局抽檢70個批次，同年山西省質(zhì)監(jiān)局也開展了此類產(chǎn)品的抽檢，整體不合格率在28.9%至81.3%之間[3]，其中結(jié)構(gòu)部分采用電極加熱方式的產(chǎn)品不在少數(shù)。本文將探討柔性電熱暖手器采用電極加熱方式的適用性。

2 關(guān)于電極加熱

電加熱技術(shù)在工業(yè)化食品加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如微波加熱、感應(yīng)加熱和電極加熱等。電極加熱是指利用液體或液固混合物本身含有的導(dǎo)電離子導(dǎo)通電流，由于流體本身具有一定的電阻，因此根據(jù)歐姆定律，流體本身會在外部交流電壓的作用下發(fā)熱。這種電極歐姆加熱技術(shù)[4]在一些流體類食品防腐殺菌過程中的應(yīng)用較多。

歐姆加熱快慢與加熱頻率、電場強度和被加熱流體電導(dǎo)率有關(guān)。能量在被加熱流體內(nèi)部直接交換，因此，歐姆加熱過程的能量傳輸效率接近100%[5]。但該加熱方式存在一個較大的缺陷，在電壓電流的作用下，電極表面極易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬離子進入液體，并產(chǎn)生氣體。國外在應(yīng)用電極加熱方式時，會通過高頻的交流電技術(shù)或特殊材料的電極，克服或顯著減弱電極的電化學(xué)反應(yīng)[6]。國內(nèi)采用電極加熱方式的暖手寶，大多以鋁或鐵為電極材料，兩種暖手寶在使用一段時間后都會出現(xiàn)蝕損。如圖1所示，由于圖中右側(cè)電極與導(dǎo)線連接附近出現(xiàn)擊穿，導(dǎo)致兩個電極出現(xiàn)了程度不同的蝕損。

在家用電器領(lǐng)域，IEC 60335家用和類似用途電器的安全標(biāo)準(zhǔn)第1部分通用要求于2001年提出了電極加熱方式不可應(yīng)用于液體加熱的要求。電熱暖手器安全標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.99-2009關(guān)于電極加熱適用性的規(guī)定也是直接依據(jù)GB 4706.1-2005中結(jié)構(gòu)部分第22.33條的要求確認的。

3 樣品信息

在我院近期開展的電熱暖手器安全使用長效性相關(guān)研究中，從流通流域采購全新樣品17個批次，其中柔性暖手器13個批次，從用戶手中回收的已經(jīng)使用過一定時間的舊暖手器12個批次，其中柔性暖手器11個批次（均為電極加熱式暖手器）?；厥盏碾姌O加熱式暖手器的使用年限及功能狀況如表1所示。

4 適用性探討

4.1 安全性

根據(jù)電熱暖手器安全標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.99-2009對全新及回收的電極加熱式樣品開展安全性驗證試驗。新樣品存在的安全質(zhì)量問題有：標(biāo)志和說明信息缺失或不全；輸入功率和電流標(biāo)識不準(zhǔn)確；發(fā)熱試驗部分電源連接器過熱；結(jié)構(gòu)方面存在諸多不安全因素（缺乏過壓保護、電極加熱、外形設(shè)計不合理等）；電源軟性實測截面不能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值；電氣間隙爬電距離超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值要求。

回收樣品存在的問題有：防觸電方面不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；結(jié)構(gòu)方面缺乏過壓保護、采用電極加熱、外型容易被兒童當(dāng)作玩具等缺陷。此外，在機械強度方面，由于經(jīng)過若干時間的使用，密封出現(xiàn)老化，有部分產(chǎn)品未能通過擠壓試驗。

新舊電極加熱式樣品均通過了泄漏電流和電氣強度試驗，該加熱方式具備一定的電氣安全性。除采用電極加熱方式不符合標(biāo)準(zhǔn)要求外，其它的不符合均與產(chǎn)品設(shè)計有關(guān)，而非采用電極加熱所致。

表1 回收樣品使用年限及狀態(tài)匯總表

圖1 電極蝕損圖示

圖2 不同加熱方式電流變化曲線

4.2 加熱穩(wěn)定性

從直觀感受來講，電極加熱方式好像是一種很不穩(wěn)定的加熱方式，反應(yīng)過程比較劇烈。相關(guān)研究也表明在一定的電壓梯度下，被加熱液體的電導(dǎo)率會隨溫度的升高而增加[7]。

電極加熱式暖手器加熱過程的穩(wěn)定性可通過通電儲熱過程中電流的變化曲線來識別，圖2所示為電極加熱與非電極穩(wěn)定功率加熱兩種典型產(chǎn)品在通電儲熱過程中記錄的電流數(shù)據(jù)曲線，從圖中可以看出電極式暖手器加熱過程中，電流波動幅值小于1A相對穩(wěn)定，電極加熱反應(yīng)過程并不是很劇烈。

圖3 樣品加熱電極及沉積物示意圖

4.3 電極穩(wěn)定性

隨著使用時間的增長，電極加熱式暖手器的加熱電極會逐漸消減，如圖3中兩端照片所示，圖中樣品2-3#為使用1年的樣品，樣品2-8#為使用4年樣品示例。由圖可見樣品2-8#裸露在儲熱液體中的電極部分已經(jīng)被完全侵蝕掉了，進入熱塑包裹處后，由于接觸面積變小，且易于堆積沉淀物，造成導(dǎo)電通路電阻過大，失去加熱作用。從圖中可知從1年到4年，沉積物是一個逐漸增長的過程，在一定程度上也反映出電極的變化過程。由此可見，電極損耗也是一個相對較慢且反應(yīng)并不劇烈的過程。

4.4 平均首次故障時間

將用戶購買電極式暖手器后的使用過程，看作是該類產(chǎn)品的模擬壽命試驗，回收樣品的功能狀態(tài)及使用年限如表1所示。平均首次故障前工作時間MTTFF的區(qū)間估計計算置信下限值按下文公式計算，計算時置信度取90%。

式中：

(MTTFF)L為平均首次故障前時間（單側(cè)置信區(qū)間下陷）；∑ta為各受試樣品首次出現(xiàn)故障的工作時間之和；∑t0為未出現(xiàn)故障的各受試樣品工作時間之和；α為生產(chǎn)方風(fēng)險；1-α為置信度，除非另有規(guī)定，推薦置信度取90%；ra為試驗期間，發(fā)生首次故障的受試樣品總數(shù)。

帶入表1中數(shù)據(jù)得出的平均首次故障前工作時間為2.43年，一般該類器具的預(yù)期使用時間為2年，因此，單從器具平均無故障工作年限來看，電極式暖手器可以滿足日常使用要求。

4.5 適用性分析及改進建議

由以上分析可知，電極加熱方式具有一定的電氣安全性，其加熱過程相對穩(wěn)定。采用鋁鐵等活潑金屬材料的電極，其電化學(xué)蝕損過程穩(wěn)定，且根據(jù)回收樣品使用時間所得出的平均首次故障時間來看，基本滿足使用預(yù)期。由此可見電熱暖手器類產(chǎn)品采用電極加熱方式具備一定的適用性。

試驗中還發(fā)現(xiàn)，使用過一段時間的電極式暖手器，由于電極的蝕損，會出現(xiàn)棱邊或尖角，存在劃破袋體的危險，可以通過對加熱電極增加一個帶開孔的硬質(zhì)絕緣護管的方式消除此類危險。建議GB 4706.99修訂時，在滿足一定防護措施的情況下，允許采用電極加熱方式。

5 結(jié)束語

相關(guān)研究說明析出金屬與食品接觸會對人體產(chǎn)生巨大危害，因此，在電極材料及相關(guān)加熱技術(shù)沒有改進的情況下，電極材料的電化學(xué)腐蝕難以限制，應(yīng)嚴格限制該類技術(shù)用于家用類食品相關(guān)加熱器具的生產(chǎn)。但對于暖手寶類器具，該技術(shù)僅用于儲熱加熱，與食品處理過程無關(guān)，且電極安裝于密閉空間，非人體直接接觸，在防護得當(dāng)?shù)那闆r下，僅從安全角度考慮，認為該加熱方式具有一定的適用性。