一種空調(diào)電加熱器用熱熔斷體的可靠性研究　

摘要：熱熔斷體是各類電器產(chǎn)品、電子產(chǎn)品中不可或缺的一種保護(hù)元件，在廣泛應(yīng)用的同時(shí)，熱熔斷體自身也不可避免地暴露出了一些問題，需不斷提高其可靠性。

引言

　　熱熔斷體也叫溫度保險(xiǎn)絲、溫度熔斷器，是屬于溫度感應(yīng)式回路切斷裝置。熱熔斷體能感應(yīng)電器產(chǎn)品、電子產(chǎn)品非正常工作條件下所產(chǎn)生的過熱，從而切斷回路以避免火災(zāi)的發(fā)生。熱熔斷體多用于家用或類似用途的電器中，其使用面廣泛，是家用和商用電器、電子產(chǎn)品中必不可少的關(guān)鍵零部件。本文所介紹的熱熔斷體是一種金屬外殼圓柱狀的熔斷體，以熱敏藥丸(有機(jī)化合物)為感熱材料，能承載大電流(6A～25A)，其實(shí)物圖如圖1所示。

　　按照“動(dòng)作前導(dǎo)線-可動(dòng)電極-金屬殼-導(dǎo)線間通電流”順序進(jìn)行工作，溫度上升，熱敏藥丸感應(yīng)熱度時(shí)熔化。熱敏藥丸熔化后，使彈簧伸張，可動(dòng)接點(diǎn)從導(dǎo)線端被分開，切斷電流(如圖2)。

　　熱熔斷體作為串聯(lián)安裝在電器工作回路中的一個(gè)元件，除了在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)斷開，起到保護(hù)作用外，正常情況下應(yīng)保持良好的導(dǎo)電性，盡可能地接近于一根導(dǎo)線，如果其阻值偏大，甚至發(fā)生故障斷開，必然會(huì)影響到整個(gè)工作電路。因此，熱熔斷體的可靠性十分重要。

　　經(jīng)統(tǒng)計(jì)空調(diào)器電加熱熔斷體開路的故障發(fā)現(xiàn)，存在一些并非工作環(huán)境過熱引起的情況，也就是說，熔斷體在未達(dá)到設(shè)計(jì)保護(hù)溫度時(shí)就已經(jīng)斷開，導(dǎo)致電加熱工作電路斷開，說明熔斷體本身的可靠性存在一定缺陷，本文主要針對(duì)此類問題作出一些研究分析。

1 熔斷體熱敏丸

1.1 熔斷體的特性參數(shù)

　　熱熔斷體的特性參數(shù)：①額定動(dòng)作溫度(Tf)：熱熔斷體的導(dǎo)電狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)的溫度;②最大過載電流(Im)：熱熔斷體所能承受的最大電流;③保持溫度(Th、Tc)：熱熔斷體在額定電流，168小時(shí)內(nèi)不會(huì)發(fā)生導(dǎo)電狀態(tài)改變的最高允許溫度;④極限溫度(Tm)：熱熔斷體動(dòng)作后，不能再次導(dǎo)通的最高溫度;⑤動(dòng)作精度：按照標(biāo)準(zhǔn)要求，熱熔斷體的動(dòng)作溫度范圍。

　　空調(diào)電加熱熔斷體選型時(shí)需要確定動(dòng)作溫度范圍，即為Tf-10～Tf，一般情況下熱熔斷體額定溫度應(yīng)當(dāng)比實(shí)際使用的最高溫度高25℃。

1.2 環(huán)境溫度對(duì)熱敏丸的影響

　　熱熔斷體的使用壽命與熱熔斷體長期使用的環(huán)境溫度密切相關(guān)，環(huán)境溫度與動(dòng)作溫度越接近，熱敏藥丸出現(xiàn)導(dǎo)熱老化現(xiàn)象就越嚴(yán)重，熱熔斷體的使用壽命就越短，特別是當(dāng)環(huán)境溫度超過熱熔斷體的保持溫度時(shí)，熱熔斷體的使用壽命就會(huì)急劇縮短。圖3為某廠家121℃熱熔斷體維持在109℃和99℃溫度下的使用壽命曲線。

1.3 試驗(yàn)對(duì)比

　　選取目前市場(chǎng)上某廠家生產(chǎn)的121℃熔斷體作為樣品，安排測(cè)量其熱敏丸的高度，在不同溫度的烘箱內(nèi)進(jìn)行高溫烘烤30min，然后再測(cè)量烘烤后的熱敏丸高度與原始溫度進(jìn)行對(duì)比。

　　將1號(hào)熔斷體樣品放入95℃的紅箱內(nèi)烘烤30min，其熱敏丸高度前后對(duì)比如圖4所示。

　　將2號(hào)熔斷體樣品放入106℃烘箱內(nèi)烘烤30min，其熱敏丸高度前后對(duì)比如圖5。

　　通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，該廠家的熔斷體在經(jīng)過95℃高溫烘烤時(shí)高度基本無變化，而經(jīng)過106℃高溫烘烤后高度已出現(xiàn)明顯縮減，說明熱敏丸在此條件下已出現(xiàn)了明顯熔化的跡象，而此時(shí)卻還遠(yuǎn)沒有達(dá)到其額定動(dòng)作溫度。同時(shí)，我們用萬用表測(cè)量2號(hào)熔斷體的阻值，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開路，用X光透視后的狀態(tài)如圖6所示。

　　實(shí)際在電加熱生產(chǎn)裝配過程中，熔斷體往往要經(jīng)過焊接、烘烤和熱縮套管等高溫工序，不可避免地會(huì)受到一些影響。所以，在進(jìn)行這些工序時(shí)，務(wù)必要注意對(duì)熔斷體進(jìn)行保護(hù)：

　　1)熔斷體在電加熱廠家生產(chǎn)裝配過程中，其導(dǎo)線在焊錫操作過程中應(yīng)該充分冷卻，如果過多的熱量傳遞至熔斷體，將會(huì)對(duì)熔斷體的可靠性造成不良影響。因此，各電加熱廠家應(yīng)在焊錫前后安排X光測(cè)試熱敏丸高度，保證熱敏丸沒有收縮，避免因過熱而導(dǎo)致熱敏丸部分熔化。

　　2)熱熔斷體可拼接電線或端子，如果拼接工藝不可靠，將產(chǎn)生高電阻，通電后會(huì)導(dǎo)致自身發(fā)熱量急劇增大，最終導(dǎo)致熱敏丸非正常熔化。

　　3)當(dāng)應(yīng)用樹脂成型或熱縮套管時(shí)，熱熔斷體本體上的溫度應(yīng)受控，保證在加工過程中，其體積不會(huì)縮小，以免影響其可靠性。

2 熔斷體的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 熔斷體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　前文已經(jīng)介紹了電加熱熔斷體的工作原理，熱敏丸是其中的關(guān)鍵，但最終保護(hù)動(dòng)作以及正常導(dǎo)通都要靠其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成。目前，其設(shè)計(jì)主要采用了如圖7所示結(jié)構(gòu)，各廠家略有差別，但總體大同小異，即在金屬外殼內(nèi)組裝絕緣筒、彈簧、可動(dòng)電極(也叫星型觸片)、圓板和熱敏藥丸，金屬外殼開口部用封止材料完全密封。

　　彈簧作為提供機(jī)械力的動(dòng)力源，正常裝配后應(yīng)處于壓縮狀態(tài)，同時(shí)，星型觸片由于受兩側(cè)彈簧的張力作用也會(huì)保持豎直狀態(tài)并與金屬外殼接觸，由于觸片本身體積較小且薄、材質(zhì)較軟、接觸金屬外殼的面積有限，因此，對(duì)其成型工藝和裝配工藝提出了較高的要求，我們不得不對(duì)其可靠性產(chǎn)生懷疑。

2.2 熔斷體異常開路的分析

　　某廠家生產(chǎn)的熱熔斷體曾經(jīng)在客戶使用時(shí)出現(xiàn)了數(shù)單開路的故障，其使用過程中并無高溫、大電流等惡劣條件出現(xiàn)，經(jīng)過X光檢查也發(fā)現(xiàn)熔斷體熱敏丸并沒有熔化，這說明熔斷體本身的內(nèi)部導(dǎo)通回路出現(xiàn)了問題。

　　將正常品與不良品進(jìn)行對(duì)比，我們不難發(fā)現(xiàn)以下問題：

　　a.2號(hào)、4號(hào)樣品出現(xiàn)過成型現(xiàn)象，已經(jīng)與金屬外殼脫離無法接觸，熔斷體的正常導(dǎo)通回路在這里被切斷;

　　b.3號(hào)樣品的電極出現(xiàn)了歪斜，星型觸片與外殼接觸不充分，電極與引線接觸面也比正常品小，測(cè)試導(dǎo)通但阻值較正常品偏大(如表1所示)。

　　經(jīng)過分析，造成熔斷體異常的原因?yàn)樾切陀|片加工不良(過成型)以及浮動(dòng)電極裝配歪斜導(dǎo)致，說明該廠家的生產(chǎn)加工工藝以及設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，無法保證其產(chǎn)品的一致性，可從設(shè)計(jì)及內(nèi)部尺寸控制上作出如下調(diào)整以獲得改善：

　　1)設(shè)計(jì)上收嚴(yán)陶瓷封帽的內(nèi)徑尺寸，將陶瓷內(nèi)圓與浮釘之間的間隙配合公差收窄，以避免出現(xiàn)浮動(dòng)電極歪斜的情況;

　　2)出廠前電阻阻值測(cè)試范圍收嚴(yán)，將由于浮釘歪斜而導(dǎo)致的星型觸片與外殼接觸不良制品檢出剔除;

　　3)更改星型觸片尺寸，對(duì)八爪簧片進(jìn)行加寬，增加與金屬外殼的接觸面積，提高可靠性。

3 結(jié)論

　　1)熔斷體熱敏藥丸的可靠性受環(huán)境溫度影響，即使沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的動(dòng)作溫度，長時(shí)間高溫烘烤也可能會(huì)造成熱敏丸熔化。熔斷體廠家需考慮對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，在保證靈敏度的同時(shí)，也要兼顧高溫穩(wěn)定性;熔斷體作為電加熱的部件，在裝配過程中也要注意做好高溫防護(hù)，同時(shí)引線焊接部位阻值也應(yīng)注意控制。

　　2)熔斷體的星型觸片是機(jī)械結(jié)構(gòu)中較為脆弱的部件，對(duì)加工工藝有較高的要求，不能出現(xiàn)過成型的現(xiàn)象，同時(shí)在其尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮保證與金屬外殼充分接觸。

　　3)熔斷體內(nèi)部的各部件配合公差根據(jù)需求應(yīng)當(dāng)盡量控制嚴(yán)格，否則難免會(huì)出現(xiàn)諸如浮動(dòng)電極歪斜等不良問題。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第40頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。