柔性电热暖手器电极加热适用性探讨

王鑫 王洪建 张衍忠 辛勇

山东省产品质量检验研究院 山东济南 250102

1 引言

电热暖手器一般分为硬壳、柔性及USB充电式三类产品。近年来，电热暖手器类产品市场销售量一直稳步增加，2011至2015年销量增长率平均值在14.31%左右[1]。其中柔性电热暖手器指外壳为软质材料的暖手器，内部冲灌一定量的液体作为储热介质。由于柔性电热暖手器储热量大，外表柔软，内部为液体，人体触感舒适，目前市场上销售的电热暖手器以柔性产品居多。

在家用和类似用途电器领域，通用安全标准规定“电极不应用于加热液体[2]”，作为家用的电热暖手器类产品，其安全标准也继承了这一要求，由于电极加热方式结构简单成本低廉，市场上销售的柔性暖手器电极加热式占比较高，这一点可以从近年来各地的监督抽查结果中得到验证。据中国质量新闻网获取的数据显示，2016年江苏省工商局抽检储热式电热暖手器185批次，2017年浙江省质监局抽检45批次，2018年上海市质监局抽检70个批次，同年山西省质监局也开展了此类产品的抽检，整体不合格率在28.9%至81.3%之间[3]，其中结构部分采用电极加热方式的产品不在少数。本文将探讨柔性电热暖手器采用电极加热方式的适用性。

2 关于电极加热

电加热技术在工业化食品加工领域得到了广泛的应用，如微波加热、感应加热和电极加热等。电极加热是指利用液体或液固混合物本身含有的导电离子导通电流，由于流体本身具有一定的电阻，因此根据欧姆定律，流体本身会在外部交流电压的作用下发热。这种电极欧姆加热技术[4]在一些流体类食品防腐杀菌过程中的应用较多。

欧姆加热快慢与加热频率、电场强度和被加热流体电导率有关。能量在被加热流体内部直接交换，因此，欧姆加热过程的能量传输效率接近100%[5]。但该加热方式存在一个较大的缺陷，在电压电流的作用下，电极表面极易发生电化学反应，导致金属离子进入液体，并产生气体。国外在应用电极加热方式时，会通过高频的交流电技术或特殊材料的电极，克服或显著减弱电极的电化学反应[6]。国内采用电极加热方式的暖手宝，大多以铝或铁为电极材料，两种暖手宝在使用一段时间后都会出现蚀损。如图1所示，由于图中右侧电极与导线连接附近出现击穿，导致两个电极出现了程度不同的蚀损。

在家用电器领域，IEC 60335家用和类似用途电器的安全标准第1部分通用要求于2001年提出了电极加热方式不可应用于液体加热的要求。电热暖手器安全标准GB 4706.99-2009关于电极加热适用性的规定也是直接依据GB 4706.1-2005中结构部分第22.33条的要求确认的。

3 样品信息

在我院近期开展的电热暖手器安全使用长效性相关研究中，从流通流域采购全新样品17个批次，其中柔性暖手器13个批次，从用户手中回收的已经使用过一定时间的旧暖手器12个批次，其中柔性暖手器11个批次（均为电极加热式暖手器）。回收的电极加热式暖手器的使用年限及功能状况如表1所示。

4 适用性探讨

4.1 安全性

根据电热暖手器安全标准GB 4706.99-2009对全新及回收的电极加热式样品开展安全性验证试验。新样品存在的安全质量问题有：标志和说明信息缺失或不全；输入功率和电流标识不准确；发热试验部分电源连接器过热；结构方面存在诸多不安全因素（缺乏过压保护、电极加热、外形设计不合理等）；电源软性实测截面不能满足标准规定值；电气间隙爬电距离超过标准规定值要求。

回收样品存在的问题有：防触电方面不符合标准要求；结构方面缺乏过压保护、采用电极加热、外型容易被儿童当作玩具等缺陷。此外，在机械强度方面，由于经过若干时间的使用，密封出现老化，有部分产品未能通过挤压试验。

新旧电极加热式样品均通过了泄漏电流和电气强度试验，该加热方式具备一定的电气安全性。除采用电极加热方式不符合标准要求外，其它的不符合均与产品设计有关，而非采用电极加热所致。

表1 回收样品使用年限及状态汇总表

图1 电极蚀损图示

图2 不同加热方式电流变化曲线

4.2 加热稳定性

从直观感受来讲，电极加热方式好像是一种很不稳定的加热方式，反应过程比较剧烈。相关研究也表明在一定的电压梯度下，被加热液体的电导率会随温度的升高而增加[7]。

电极加热式暖手器加热过程的稳定性可通过通电储热过程中电流的变化曲线来识别，图2所示为电极加热与非电极稳定功率加热两种典型产品在通电储热过程中记录的电流数据曲线，从图中可以看出电极式暖手器加热过程中，电流波动幅值小于1A相对稳定，电极加热反应过程并不是很剧烈。

图3 样品加热电极及沉积物示意图

4.3 电极稳定性

随着使用时间的增长，电极加热式暖手器的加热电极会逐渐消减，如图3中两端照片所示，图中样品2-3#为使用1年的样品，样品2-8#为使用4年样品示例。由图可见样品2-8#裸露在储热液体中的电极部分已经被完全侵蚀掉了，进入热塑包裹处后，由于接触面积变小，且易于堆积沉淀物，造成导电通路电阻过大，失去加热作用。从图中可知从1年到4年，沉积物是一个逐渐增长的过程，在一定程度上也反映出电极的变化过程。由此可见，电极损耗也是一个相对较慢且反应并不剧烈的过程。

4.4 平均首次故障时间

将用户购买电极式暖手器后的使用过程，看作是该类产品的模拟寿命试验，回收样品的功能状态及使用年限如表1所示。平均首次故障前工作时间MTTFF的区间估计计算置信下限值按下文公式计算，计算时置信度取90%。

式中：

(MTTFF)L为平均首次故障前时间（单侧置信区间下陷）；∑ta为各受试样品首次出现故障的工作时间之和；∑t0为未出现故障的各受试样品工作时间之和；α为生产方风险；1-α为置信度，除非另有规定，推荐置信度取90%；ra为试验期间，发生首次故障的受试样品总数。

带入表1中数据得出的平均首次故障前工作时间为2.43年，一般该类器具的预期使用时间为2年，因此，单从器具平均无故障工作年限来看，电极式暖手器可以满足日常使用要求。

4.5 适用性分析及改进建议

由以上分析可知，电极加热方式具有一定的电气安全性，其加热过程相对稳定。采用铝铁等活泼金属材料的电极，其电化学蚀损过程稳定，且根据回收样品使用时间所得出的平均首次故障时间来看，基本满足使用预期。由此可见电热暖手器类产品采用电极加热方式具备一定的适用性。

试验中还发现，使用过一段时间的电极式暖手器，由于电极的蚀损，会出现棱边或尖角，存在划破袋体的危险，可以通过对加热电极增加一个带开孔的硬质绝缘护管的方式消除此类危险。建议GB 4706.99修订时，在满足一定防护措施的情况下，允许采用电极加热方式。

5 结束语

相关研究说明析出金属与食品接触会对人体产生巨大危害，因此，在电极材料及相关加热技术没有改进的情况下，电极材料的电化学腐蚀难以限制，应严格限制该类技术用于家用类食品相关加热器具的生产。但对于暖手宝类器具，该技术仅用于储热加热，与食品处理过程无关，且电极安装于密闭空间，非人体直接接触，在防护得当的情况下，仅从安全角度考虑，认为该加热方式具有一定的适用性。