R290空调器用PTC加热器安全研究分析

2023-12-22侯慧健富佳栋林永明

日用电器 2023年11期

侯慧健富佳栋林永明

（1.威凯检测技术有限公司广州 510663；2.嘉兴威凯检测技术有限公司嘉兴 314000）

引言

新型制冷剂R290(丙烷)是一种高效环保的制冷剂，然而其具有易燃易爆的特点，尚未规模化替代R22、R32和R410A等制冷剂。目前，国内外对于空调用R290的火灾危险性的研究多集中在可燃制冷剂爆炸极限、可燃制冷剂与不燃制冷剂混合物的抑爆、以及可燃制冷剂的泄漏分析等。这些研究主要集中在制冷剂的特性和空调器整机方面，关于R290空调器用零部件的安全分析目前还没有进行过深入研究或研究并不系统、全面。

本次研究以空调器中常见的零部件PTC加热器为研究对象，通过对不同PTC加热器的温度特性、故障特性及实际使用不同时间下的故障特性进行研究，分析PTC加热器对R290空调器的安全影响。希望借助本次研究，协助中国履行《蒙特利尔议定书》，全面淘汰HCFC制冷剂，助力空调器行业的长效高质量发展。

1 项目研究简介

爆炸的发生需要具备五个条件：可燃物、助燃剂（氧化剂）、密闭的空间、可燃物和爆炸物的混合物、火源等。对于空调器用PTC加热器而言，可燃物、助燃剂和密闭的空间的研究应结合空调整机考核，此处不再赘述。空调器用PTC加热器一般用于空调器辅助加热用，空调器出风口处放置PTC加热器，使热风吹送至室内。而PTC加热器本身由于发热、故障爆裂等因素，有成为火源的可能，因此需要对PTC加热器的各种特性进行相关研究。

本次仅对PTC加热器的控制火源进行研究。控制火源也是控制或是消除爆炸的有效措施之一，在生产生活中为避免爆炸的产生在可燃性气体或是可燃物堆积的场所应当加强对于点火源的管控，避免爆炸的发生。由于爆炸发生的点火源的多样性需要在不同的场合根据现场的实际情况制定切实可行的措施来对点火源进行管理，避免火种的产生。通过查询标准IEC 60335-2-40:2018附录BB中R290气体特性，其自燃温度（Auto ignition temperature）为470 ℃，最小点燃能量0.31 mJ。PTC加热器作为空调器主要的发热零部件，需要确保其最大温度不会点燃R290。同时PTC加热器在电压升幅较大的情况下会有热击穿现象，应在产品设计时避免热击穿的发生。

另外，由于空调产品使用年限较长，一般厂家保修期为6年，实际空调一般使用年限都在10年以上。PTC加热器经过长时间使用，是否会造成性能上的降低从而引起燃烧爆炸危险，会再本次研究中进行相关试验验证。

1.1 研究R290空调器用PTC加热器在正常和非正常工作状态下的温度特性

1.1.1 选定空调器用PTC加热器样品

依据市面常见家用空调器用PTC加热器，选取了如表1 产品。

表1 选定PTC加热器测试样品

1.1.2 模拟PTC加热器在正常工作状态下输出相关温度曲线

PTC加热器依据现行法规和相关要求，宜满足自愿性认证需求，所依据标准为GB/T 14536.1-2022《电自动控制器第1部分:通用要求》。按照本标准试验规定的发热测试方法进行测试。

将样品置于风机上，模拟空调出风；在样品的PTC片和散热翅片处分别布一定数量的热电偶（图1）；通以规定的试验电压，记录温度曲线；待温度稳定1 h后停止测试，记录样品最大稳定温度，见表2。

图1 PTC加热器热电偶布点情况

表2 正常工作状态下最大稳定温度

1.1.3 模拟PTC加热器在非正常工作状态下输出相关温度曲线

PTC加热器在风机故障条件下，会产生热积聚，在得不到散热的情况下一般发热会比风机正常情况下高。在取消风机的情况下，按照相同的测试方法，在样品的PTC片和散热翅片分别布一定数量的热电偶；通以规定的试验电压，记录温度曲线（图2、3）；待温度稳定1 h后停止测试，记录样品最大稳定温度，见表3。

图2 非正常工作状态下测试场景

图3 非正常工作状态下发热曲线

表3 非正常工作状态下最大稳定温度

1.2 本部分小结

综上数据显示，PTC加热器在正常工作状态下最大稳定温度为166.5 ℃，PTC加热器在非正常工作状态下最大稳定温度为251.9 ℃。各款PTC加热器在模拟风机失效时的温度均远超风机正常状态，但即便如此，PTC加热器在非正常工作状态下最大稳定温度仍然远小于R290的自燃温度470 ℃。

基于上述研究，PTC加热器在正常和非正常工作状态下的温度特性符合相关要求，不会点燃R290。

2 研究PTC加热器爆裂故障成因及对R290空调器的安全影响

PTC加热器结构一般为PTC和波纹管散热片组成，造成PTC加热器破裂原因多为电压波动较大时，电压超过产品能承受的热击穿电压，部分劣质产品会因为热击穿喷射火焰和颗粒，从而点燃R290。

依据标准GB/T 14536.1-2022《电自动控制器第1部分:通用要求》附录J热失控试验要求：给热敏电阻器通电并在最大额定条件下运行直到热稳定为止。然后慢慢地增加电压直到热得损坏或达到热敏电阻两倍工作电压，在这时可结束试验。每2 min增加0.1倍的热敏电阻工作电压，构成适当的上升速率[1]。

2.1 PTC加热器热击穿试验

与上述温度特性所选样品一致，每款样品选取三个新样品进行热击穿试验。PTC加热器升压过程见图4～6。测试参数及测试现象见表4。

图4 PTC加热器升压过程

图5 PTC加热器爆裂

图6 加装限温器保护的PTC加热器

表4 PTC加热器热击穿测试

2.2 本部分小结

PTC加热器在热击穿试验中现象有较大差异，质量较好的D样品，在达到两倍电压时，仍未击穿；A样品和C样品由于加装了限温器，有效保护PTC加热器，即便输入电压远大于额定电压，产品也会因限温器优先动作断电，避免热击穿。

B样品在电压达到308 V时击穿且喷射火焰，不满足要求。然而通过对样品结构分析（见图7），B样品预留了限温器或热熔断体安装位置。在实际空调装配中建议配备限温器或热熔断体，避免PTC击穿导致喷射火焰。另外，标准GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》中规定：35 kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%；20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的土7 %；220 V单相供电电压偏差为标称电压的+7 %，-10 %[2]。一般情况下，市电电压波动不会到达308 V。而空调制冷剂即出现泄漏，同时市电电压波动至三百多伏，可以认为是极低概率事件。