新型碳纤维红外加热管的工艺设计及性能测试

碳纤维发热体由于具有升温和降温快、热滞小、加热均匀、热辐射距离远等优异性能，得到迅速发展，已广泛应用于各个领域。在碳纤维加热元件研究领域，开发出实用新型碳纤维远红外加热管。这种新型加热管采用柔性碳纤维作为加热元件，具有热转换效率高、使用寿命长等优点。已广泛应用于家用电器和医疗设备。本文主要介绍了新研制的碳纤维加热管的结构、生产工艺、检验技术和方法，并对产品的热效应进行了测试和研究。

1. 结构 碳纤维加热管

碳纤维加热管的外管主要以石英为原料制成，其螺旋加热体多为中空结构。主要材料为碳纤维，由长丝加捻并经过一定工艺缠绕而成。它作为碳纤维加热管的核心加热元件。新型碳纤维发热管的主体是新型碳纤维丝，两端采用特殊的缠绕形式。碳纤维丝材质为钼片，碳钎焊树加热器两端均安装有丝。碳纤维加热管的本体为透明管，其电气设定参数为220V-240V、2000W。引线采用UL3122、50~52支芯、300V-500V 200℃耐高温玻璃纤维丝。两端电极由银白色不溶性高熔点金属钼、钼片、棒、接线端子等组成。

2、碳纤维加热管的生产制造工艺

碳纤维加热管的生产工艺主要包括以下步骤：
(1)根据产品的直径和长度，选择所选直径的内外管，进行内外管的切割。

(2)选择编织的尺寸、厚度等规格，确定合理的喂料量，进行编织。

(3)选择绕线规格、测量电阻、确定功率、测量绕线的线长。

(4)调整整形机，确定整形电压，进行整形处理。

(5)选择合适的焊条进行点焊。

(6)进行压封排气，注意钼棒有无扭曲、漏压、漏压现象。

（7）进行成熟测试、功率采样、寿命采样。

(8)打印并粘贴点、线、陶瓷零件。

(9)成品检验，再次确认电压、功率、长度，检查内螺纹。

碳纤维加热管技术要求及检验方法

3.1 检验技术要求 碳纤维加热管

碳纤维发热管生产完成后，需要按照技术要求进行检验，以确保碳纤维发热管的安全。检验技术要求主要包括以下内容。
（一）外观检验项目：

①新碳纤维加热风管表面应有最多4个清洁和污染的黑点，其大小应小于0.5mm。管表面各气路长度不应超过5mm。

② 碳纤维发热管形状正确，管外表面不允许变形、扭曲、厚薄不均，不符合国家安全外观管理要求 电压、功率符合规定 如果石英管表面无明显划痕，排气口两端有轻微白雾，可收回硅胶套连接牢固，硅胶套与无关部件无粘连引线连接安全可靠，碳纤维位于中心。

(2)尺寸检查：碳纤维灯管直径应在设计尺寸±0.05mm以内，长度应在设计尺寸±1mm以内，引出线长度应在设计尺寸±5mm以内。设计尺寸。进行装配检查。

(3)功率检测：在额定电压下点亮碳纤维管，用功率计测试其功率，应在其额定功率的3%至-7%范围内。

(4)亮度检测：碳纤维管点亮时，两管的亮度接近，发热体应发光均匀，无明显差异。单根碳纤维管的亮度应均匀，局部不应有暗点或异常亮点。

(5)寿命测试：经过一定的检查，新的碳纤维加热管在正常工作条件下(额定电压和额定电流)应具有6000小时以上的寿命。

(6)冲击检测：电压为AC1.3倍额定电压，瞬间接通电源时，不出现以下异常现象：
①灯管上的钼点焊点不应产生火花。

②灯管连续工作6小时，在AC1.3倍额定电压下抽查，无断线、发黑现象。

(7) 性能测试：
① 灯管不得有杂质、变色、镍棒、钼棒氧化、压封破裂等现象。

② 钼片不得有断裂或裂纹扩展现象，加热元件的工艺孔平面应与排气喷嘴平面设计一致。密封板内钼片与密封口的距离应大于1.0mm（外口） 电线应与灯管连接牢固，受25N拉力时电线不应松动 灯管两端压封板不易破裂，可承受任一方向10N的力 灯管上排气嘴的高度不应超过4mm 灯管上的引线根据电压和功率配置合适的引线 使用真空火花检测器检测是否有空气灯管漏电（全面检查）。

3.2 检验方法

工厂生产的碳纤维加热管产品一般需要符合国家标准GB/T7287-2008； GB4706.1-1992，具体检验方法参照河源市鑫达石英电器有限公司碳纤维加热管检验技术规范。
(1)外观检查：
① 表面应平整、整齐、清洁，无污渍、缺陷、伤痕、锈蚀、腐蚀、破损、变形；批次峰值≤0.05。使用目视检查和游标卡尺。

②玻璃管表面光滑无划痕、黑点，固定金属片表面无锈迹、污垢、油污；发热体无倾斜现象，表面平整，颜色均匀，无凹坑、损伤、裂纹。玻璃管内无杂物。钼棒与接头镍片焊接应良好，无虚焊、假焊、漏焊等焊接缺陷。

(2)尺寸检查：尺寸符合图纸要求。使用游标卡尺和千分尺。

(3)鉴别检查：元件应有制造厂或商标、型号规格、额定电压、功率、电线标称截面积、线号标记。标识应清晰易读。用棉布蘸汽油来回擦拭15秒，然后用棉布蘸水来回擦拭15秒。标识应清晰易读。使用目视检查和擦拭。

(4)结构检查：
① 磁头不得歪斜、松动，产品外封处的电极不得歪斜、折断。

②外部连接引线与加热管的连接应以30N的拉力垂直拉动，引线不应断裂或套管不应松动。外接引线与加热管连接处左右摇动30次（45度角，5N，30次/分钟，摇动位置距离陶瓷头约10厘米），引线不应断开连接。

（5）发热体的亮度和色温检查：产品正常工作时，允许中心发热体稍暗，中心发热体的热效果应一致，即通电后，目视检查并描述内部加热元件完全呈红色。加热元件的色温必须达到小于1600K的色温。通电后，目视检查并使用秒表和色度计。

(6)包装质量：产品需要使用真空检测仪进行检查。抽真空后，若密封良好，无漏气，则产品合格。

(7)额定功率和电气强度：用电参数测量仪测试额定电压工作状态，保证功率偏差在-8%至4%以内。将电极固定在电极与加热管外壳之间，将电极固定在金属片之间。引脚与灯管之间施加1800V/5mA/1min不击穿。

（8）玻璃管密封温度：在1.15倍额定输出电压下运行至稳定展开状态，玻璃管两端及密封区域温度≤250℃（不同环境20℃±5℃）温度）。

(9) 引脚机械强度：用拉力测试仪对引脚的引脚方向施加固定拉力（50N），1分钟内，引脚本体不应有松动或裂纹。

(10)跌落试验：产品正常竖立后，松开，使其自由跌落到20mm硬木板上。如果产品没有损坏，则为合格产品。使用跌落试验台电参数测量仪。

（11）高低温测试：在规定的1.25额定电压下，将产品连续通电10分钟，放入10℃水中。产品不得有任何特殊情况，然后连续放置在恒温（-20℃）环境下5小时。观察加热管，不允许有异常反应。

（12）漏电流及正常绝缘电阻试验：加热管在额定电压（1.06倍）下稳定工作时，允许从外壳漏出的电流小于或等于0.25mA。新型碳纤维加热管的两个电阻电极与芯加热管两端钼片之间的电阻应大于或等于20MΩ。使用漏电流测试仪和绝缘电阻测试仪进行测试。

（13）等效快速寿命试验：采用电参数测试仪、变频电源等进行试验，在额定电压（1.35倍）下连续工作36小时；测试完成后，加热管末端可能存在一些微量雾状物体，不允许有其他异常反应；并且实验完成后加热管的功率不能超过实际功率的±3%。

4. 热效率测试 碳纤维加热管

碳纤维电热管的热效率测试在房间内进行，如图3所示。接通电源电热管开始工作后，对房间中心、墙壁中心、在房间的四个角落测试使用碳纤维电热管产品对周围环境温度的影响。

新开发的碳纤维加热管在热传导过程中损失极小，大大提高热转换效率，比其他镍铬、钨钼金属加热管节能15%-30%。它还具有较长的使用寿命和较好的环保性能，未来将广泛应用于采暖领域。