空調(diào)陶瓷PTC電加熱器電氣擊穿問題分析

楊會(huì)敏 劉光有 鄧展威

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前空調(diào)器在環(huán)境溫度較低情況下，單純采用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行制熱效果相對(duì)一般，無法滿足用戶快速制熱的使用需求，因此，國(guó)內(nèi)各大空調(diào)廠商都配置電加熱器以輔助提升制熱量。因以BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷PTC作為發(fā)熱元件的加熱器換熱效率高、自動(dòng)恒溫、安全性高等特點(diǎn)[1]，使得陶瓷PTC電加熱器在空調(diào)行業(yè)中得到廣泛推廣應(yīng)用。

家用空調(diào)使用年限一般比較長(zhǎng)，所以空調(diào)的電氣安全設(shè)計(jì)就必須要接受嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而電加熱器作為發(fā)熱部件，其安全性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)則尤為重要。

某空調(diào)品牌家用空調(diào)年銷量達(dá)到3 000萬套，市場(chǎng)保有量更是超過2億套，其中至少有1.5 億套冷暖機(jī)型搭載陶瓷PTC電加熱器。在如此巨大市場(chǎng)體量之下，因使用環(huán)境惡劣、產(chǎn)品老化等情況下，售后反饋有部分機(jī)型陶瓷PTC電加熱器損壞，比較典型的即為電加熱器電氣擊穿，表現(xiàn)在管體穿孔、炸開或內(nèi)部破裂等。本文針對(duì)此問題對(duì)陶瓷PTC電加熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)剖析和故障失效模擬驗(yàn)證，并根據(jù)結(jié)果制定產(chǎn)品質(zhì)量改善方案。

1 陶瓷PTC加熱器材料組成及作用

陶瓷PTC電加熱器主要由波紋管、鋁條和鋁管組件構(gòu)成，關(guān)鍵組成部分拆解如圖1示意。波紋管是通過鋁材波紋片形式折疊成管狀體，高表面積用于快速將內(nèi)部熱量散發(fā)。鋁管用于傳熱并固定內(nèi)部發(fā)熱芯體作用。核心部分鋁管組件用于發(fā)熱，由PTC發(fā)熱片、電極條、絕緣膜等組成[2]。PTC熱敏電阻發(fā)熱片是以鈦酸鋇為基材，摻雜其它多晶陶瓷材料制成。兩組電極條作為零火電極給PTC發(fā)熱片供電。絕緣膜用于包裹PTC加熱片和電極條，通過多圈環(huán)繞方式形成絕緣效果，避免內(nèi)部帶電的電極片和發(fā)熱片導(dǎo)電至外部金屬鋁管和波紋管等。

圖1 陶瓷PTC電加熱器組成

除以上發(fā)熱管主體部分外，完整的PTC電加熱器還有配套安裝基座、溫控部件和電源線等。

2 背景及關(guān)鍵失效點(diǎn)鎖定

2.1 售后反饋統(tǒng)計(jì)

從售后返回?cái)?shù)據(jù)了解，近六年每年都有多單關(guān)于陶瓷PTC電加熱管電氣擊穿問題，從外觀來看，售后炸管故障件主要表現(xiàn)為鋁管處有明顯炸裂孔洞，如圖2所示。

圖2 電加熱管電氣擊穿樣件外觀

圖3為簡(jiǎn)易模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)并對(duì)擊穿位置進(jìn)行示意。

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)擊穿位置示意圖

將售后返回的故障件進(jìn)行歸攏，并按故障件電氣擊穿位置統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其中絕大部分故障位置在電加熱器的尾部，如圖4所示。

圖4 故障位置分布情況

進(jìn)一步通過實(shí)物解剖，發(fā)現(xiàn)89.4 %的故障件具有水垢水漬,具體異物分布比例見圖5。

圖5 內(nèi)部異物情況分布

通過以上對(duì)故障件的客觀現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)總結(jié)，基本可以假設(shè)故障規(guī)律：

1）空調(diào)在夏季比較潮濕的情況下長(zhǎng)期工作，制冷模式內(nèi)機(jī)換熱器周邊會(huì)產(chǎn)生大量凝露水，電加熱器安裝在蒸發(fā)器腔內(nèi)，其管體中也會(huì)積累不少的凝露水。

2）管體本體可能由于長(zhǎng)期老化、故障破壞、出廠質(zhì)量受控不良等原因?qū)е旅芊庑阅芟陆?，冷凝水或水汽通過管體密封不良處進(jìn)入管體內(nèi)部。

3）水液進(jìn)入管體集中在尾部陶瓷發(fā)熱片之間并無法排除，在長(zhǎng)時(shí)間累積之下，管體內(nèi)部積累的冷凝水形成水漬、水垢等，由于水漬、水垢等加速腐蝕PTC發(fā)熱片，或水漬、水垢滲透至發(fā)熱片之間的空隙，從而使上、下電極條零火線安全距離降低。

4）當(dāng)電加熱器經(jīng)歷多個(gè)夏季的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入冬天切換為制熱模式時(shí)，由于電加熱器工作自身電流較大，以及受到污染作用絕緣強(qiáng)度變低，最終導(dǎo)致電氣擊穿或炸管。

基于該思路，待進(jìn)一步異常模擬復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)證電加熱器是否有防護(hù)不當(dāng)情況導(dǎo)致內(nèi)部管體進(jìn)水以及內(nèi)部進(jìn)水后電氣擊穿失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 異常模擬復(fù)現(xiàn)

為驗(yàn)證水液是否會(huì)進(jìn)入管體以及是否會(huì)造成管體電氣強(qiáng)度降低，我們通過極間耐壓測(cè)試方法用于評(píng)價(jià)。當(dāng)零火端電極施加一定強(qiáng)度電壓后，耐壓電流使PTC 陶瓷元件迅速發(fā)熱，陶瓷片的內(nèi)核迅速達(dá)到高溫，此時(shí)電極之間的陶瓷元件或絕緣空隙承受絕大部分電壓，熱量自內(nèi)層傳向表層，而外表層仍處于較低溫度，即表面下層存在較大的溫度梯度，表面層經(jīng)受較大的熱應(yīng)力，微觀上會(huì)引起分層開裂，所以在相對(duì)比較薄弱的位置或絕緣不良位置容易耐壓擊穿[3]。

具體實(shí)驗(yàn)方法，我們通過以下相對(duì)惡劣（常規(guī)家庭環(huán)境難以滿足該條件）的方案進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試方法及結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目及結(jié)果

通過以上試驗(yàn)可以表面，電加熱器在積水比較嚴(yán)重的情況下確實(shí)存在內(nèi)部進(jìn)水問題，并且進(jìn)水后零火線電氣強(qiáng)度降低，有此可以推測(cè)，在極端惡劣情況下管體內(nèi)部浸水則存在零火線短路或擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 不良品核查

將上述測(cè)試失效的電加熱管管體進(jìn)行縫隙測(cè)量以及拆解，對(duì)比未失效的樣品情況分析，失效的電加熱管頭部位置具有較為明顯的孔隙而且呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)。所以可以獲得結(jié)論，水從頭部鋁管四角微孔進(jìn)入，積聚尾部后從尾部絕緣膜封膠口部位滲入至電極片或電極片縫隙中，失效品微孔浸水位置如圖6所示。

圖6 故障品浸水微孔

安排專業(yè)人員到某電加熱廠商對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)電加熱管尾部絕緣膜尺寸參差不齊，導(dǎo)致尾部絕緣膜封膠密封效果一致性較差，主要表現(xiàn)在絕緣膜未有效包裹電極片、電極片凸出于鋁條和絕緣膜包括層數(shù)不夠等[4]。

綜合以上論證分析，可以更加明確電加熱器電氣擊穿的機(jī)理，經(jīng)分析需要滿足三個(gè)關(guān)鍵不良因素。其一，廠家生產(chǎn)電加熱器頭部灌膠位置密封不良，水液可以從微孔流入。其二，絕緣膜未合理包裹PTC電極片，從而水液可以進(jìn)入內(nèi)部。其三，水液形成的水漬等長(zhǎng)期腐蝕PTC電極片，或滲透至電極片與電極片之間的縫隙，從而導(dǎo)致電氣強(qiáng)度降低。

3 改進(jìn)措施

結(jié)合上述失效機(jī)理，常規(guī)思路解決方案是采用電加熱管頭尾全密封方式，但是評(píng)估分析，管口封死對(duì)PTC加熱片也會(huì)帶來不良的影響。由于PTC發(fā)熱片效應(yīng)主要是晶界勢(shì)壘作用，晶界勢(shì)壘主要是陶瓷片生產(chǎn)燒結(jié)降溫過程中空氣的氧元素?cái)U(kuò)散到晶界內(nèi)構(gòu)成。如果管口采用絕緣膠完全密封，常規(guī)膠體在高溫下會(huì)揮發(fā)較多的還原性氣氛（有機(jī)溶劑等），堆積氣氛會(huì)奪取PTC陶瓷晶界上的氧離子，引起PTC效應(yīng)下降電阻降低，從而耐壓性能下降[4]，所以理論上也存在被擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

為有效解決以上問題，經(jīng)多方研討，最終確定采用以下方案進(jìn)行可靠性優(yōu)化：

1）電加熱器頭部支架位置采用熱縮套管對(duì)整體進(jìn)行包裹，盡可能避免冷凝水在端口位置形成水液。

2）管體頭部、尾部均采用普通密封并且設(shè)計(jì)自然流通孔隙，保證即使有水液進(jìn)入內(nèi)部也可以自然流出，避免長(zhǎng)期水液集聚在管體內(nèi)部。

3）加強(qiáng)發(fā)熱片之間的灌封效果，使水汽不會(huì)滲透至縫隙。

通過整機(jī)240 h潮態(tài)試驗(yàn)對(duì)更改后的電加熱器制品進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)后對(duì)電加熱器進(jìn)行耐壓測(cè)試和解剖，發(fā)現(xiàn)30組測(cè)試樣品均可通過1 000 V耐壓，同時(shí)內(nèi)部解剖也未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有明顯的水珠。由此可以說明，該優(yōu)化方案對(duì)進(jìn)水造成電氣擊穿問題具有明顯的改善作用。

4 結(jié)論

通過總結(jié)售后關(guān)于PTC電加熱器電氣擊穿或炸管的現(xiàn)狀，以及由外而內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，部分電加熱管在高濕潮態(tài)情況下確實(shí)存在內(nèi)部進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)，鎖定失效模式的關(guān)鍵點(diǎn)為管體內(nèi)部長(zhǎng)期進(jìn)水因腐蝕導(dǎo)致絕緣性能下降。從而挖掘了上游供方在管體設(shè)計(jì)不合理、質(zhì)量管控不足等失控點(diǎn)，進(jìn)而找到有效改善的辦法以提高產(chǎn)品質(zhì)量。