儲熱式電熱暖手器安全使用長效性改進研究

辛勇 孫積凱 趙靜 王洪建

山東省產品質量檢驗研究院 山東濟南 250102

1 引言

電熱暖手器一般分為硬殼、柔性及USB充電式三類產品。產品安全使用長效性研究是對產品能夠滿足長期安全使用特性的研究。該類研究由來已久，在過去40年間，工業(yè)化大生產不僅帶來了新產品的大量上市，也造成了較低的產品使用壽命和可靠性，增強產品質量和可靠性成為研究重點。當今在工業(yè)和服務業(yè)的社會架構領域，增長產品使用壽命的研究仍然比較前沿，消費類產品的耐久性和高性能是研究的熱點。

安全使用長效性與安全使用年限有關，安全使用年限指家用電器按照使用說明書的要求，經過一定時間后，其安全性能仍然符合國家安全標準要求，評價與驗證家用電器安全使用年限的依據(jù)標準是GB 4706.1及其特殊標準[1]。在此原理基礎上，項目研究人員對所收集的不同使用年限的舊暖手器與購買的全新暖手器進行了相關驗證試驗，在數(shù)據(jù)及結構分析的基礎上，發(fā)現(xiàn)了影響其長效性的缺陷并提出了改進措施。

2 背景

電熱暖手器的相關生產企業(yè)主要集中在浙江、廣東、上海及四川等地。該類產品由于消費基數(shù)大、產品使用周期相對較短，因此2011年以來市場銷售一直穩(wěn)步增加，呈逐年上升態(tài)勢。預計到2020年我國柔性電熱暖手器市場銷售量將達到3810萬只，銷售額可達27.2億元[2]。雖然產業(yè)規(guī)模較大，但從行業(yè)發(fā)展狀況看，由于生產工藝相對簡單，存在大量家庭作坊式廠家，市場競爭激烈，該類產品整體來說技術含量低、品質質量差且安全隱患較多，行業(yè)亟需整合提升。

2009年至2016年，上海、貴州、溫州、廣州以及寧波等省市的質量技術監(jiān)督部門先后開展了電熱暖手器類產品的質量監(jiān)督抽查，抽查不合格率在64%至90%，可見該類產品的質量安全狀況不佳，出現(xiàn)頻次較高的不合格項目有標志和說明、輸入功率和電流、結構、電源連接和外部軟線、電氣間隙、爬電距離和固體絕緣等項目，說明該類產品存在較嚴重的安全質量問題。

產品長效性在一定意義上與產品的耐久性相近，歐盟日益關注產品的耐久性設計，2016年歐盟委員會發(fā)布了一篇題為“更長的產品壽命：消費者和企業(yè)的效益”的研究報告，該報告評估了更長的產品壽命對經濟、社會和環(huán)境的潛在影響，其結果是產品的長效性對以上三個領域均有積極的影響，尤其是對環(huán)境領域，例如通過延長10%的壽命來改變烤面包機的市場，可以節(jié)省大約4000噸的二氧化碳當量，防止每年約60噸的廢物[3]。另外一個長效性的舉例為：在日本汽車壽命增加1年，在5年時間里，垃圾填埋場減少了20萬噸汽車相關垃圾[3]。

圖1 耐久性銘牌設計示例

圖2 電源連接器設計及故障示例

3 安全試驗

根據(jù)安全使用長效性與經過一段使用時間后，其安全性能應仍然符合國家安全標準要求的原理，對選取的試驗樣品采用GB 4706.1家用和類似用途電器安全的通用要求和GB 4706.99電熱暖手器產品的特殊要求開展安全性試驗。受材料尺寸限制未進行耐熱耐燃試驗。

3.1 回收樣品安全性

回收樣品12個批次，其中柔性暖手器11個批次，硬殼暖手器1個批次。回收樣品中有5個批次為已經發(fā)生了故障的樣品，經過故障檢查該5個批次的樣品均為電極加熱式暖手器，分別是由于元器件老化或電極損壞導致。

由于部分產品銘牌信息已經不全，未進行標志和說明及輸入功率和電流的相關驗證。安全試驗后，發(fā)現(xiàn)主要不符合為：易觸及帶電部件，電氣間隙爬電距離過小，存在觸電危險；在結構方面存在缺乏過壓保護、采用電極加熱、外形易被兒童當作玩具等缺陷；機械強度方面，少數(shù)產品未能通過擠壓試驗。

3.2 新樣品安全性

新樣品共計17個批次，其中柔性暖手器13個批次，硬殼暖手器2個批次，USB充電暖手器2個批次。經檢測，11個批次的柔性暖手器不合格，在6個方面存在安全質量問題，主要為標志和說明信息缺失或不全、輸入功率和電流標識不準確、發(fā)熱試驗部分電源連接器過熱、結構方面存在諸多不安全因素（缺乏過壓保護、采用電極加熱、外形易被兒童當作玩具等）、電源軟性實測截面不能滿足標準規(guī)定值、電氣間隙爬電距離超過標準規(guī)定值等。

銘牌的缺失，缺乏相應的內部過壓保護，不合理的電極加熱設計，不合理的連接器設計及不當?shù)碾姎忾g隙和爬電距離設計，使得當前的電熱暖手器產品存在一定的安全使用風險，且降低了產品的使用周期。

4 長效性改進措施

4.1 銘牌改進措施

對于柔性暖手器，應采用編織的柔性銘牌，不應采用印刷銘牌，由于暖手器為人體經常接觸器具，印刷銘牌不耐彎折摩擦，采用編織型銘牌能夠提高關系信息的保存時間。對于硬殼及USB充電式暖手器可采用圖1中所示的在器具平整表面上設置凹形銘牌粘貼區(qū)域，如圖1中左側照片所示，或者將銘牌內容模制到硬質外殼上，如圖1中右側照片所示。

銘牌粘貼于凹形平面上，邊角不再直接承受外力。將銘牌模制到外殼上，產品參數(shù)等信息不會因為銘牌的脫落而丟失。兩種設計能夠顯著的提升銘牌信息保持的長效性。

4.2 輸入功率測量改進

功率的偏差直接影響電源導線的選擇，如果實測值與額定值存在較大的正偏差，按照額定功率選擇的電源線將發(fā)熱過大，影響使用的長效性。從功率測量數(shù)據(jù)可見，標識額定功率與實際測量值存在一定的差異。器具輸入功率的檢驗一般是直接通過功率計直接讀取器具實際工作功率，如果其典型工作時期最大值及最小值均未超過標準中規(guī)定的限值，可取測量中間值為其額定功率，如果測量極值超過標準限值或測量過程中功率不夠穩(wěn)定，則通過計算典型工作周期中功率的平均值作為器具的額定功率。

因此生產商在標定器具的額定功率時，應當根據(jù)器具實際工作中功率的穩(wěn)定情況，實測相關數(shù)據(jù)后再確定器具的額定功率，進而合理選擇電源導線。

4.3 電源連接器改進

圖3 電源連接器改進設計圖示

市場上銷售的電熱暖手器，其電源線與器具的連接均采用器具輸入插口，通過電源連接器與電源進行耦合的方式。器具帶電源線的連接端，插口大多被設計成三端圓筒形接口，如圖2左側圖例所示。由于該類連接是剛性連接，隨著使用時間的增長，容易造成接觸不良，從而使插腳部位在工作時容易過熱，導致接口變形如圖2右側圖例所示。連接器過熱會造成火災危害，連接器過熱使材料變形，連接器帶電部件露出，易導致觸電事故的發(fā)生。

將圖2中原連接器標示部分集成到器具上，將原來三極筒型剛性支撐三極插口設置成圖3所示帶有彈性支撐的兩極插口結構，圖3中設計的插口采用雙片結構上層為連接電源線的良好導體，下層為帶有一定彈性的金屬片，該設計能夠保證連接器穩(wěn)定連接，降低了電極生產難度，并減少了一個電極，減少了材料的消耗，提高了電熱暖手器的安全使用長效性。

此外通過對連接電源線連接器端插口處電氣間隙和爬電距離的測量，發(fā)現(xiàn)大部分連接器插口內部帶電部件與連接器外表面之間距離不滿足標準中規(guī)定的安全距離要求，存在安全隱患。應當適當增加內部帶電部件與外表面之間的距離，以增強元件的防觸電性能。

4.4 結構設計改進

電熱暖手器的特殊標準中等22.7條要求：柔性暖手器在結構上應有防止在通電過程中出現(xiàn)暖手器內氣壓過高的保護裝置[4]。13個批次的柔性暖手器，僅有2個批次的產品設置了過壓保護裝置，對于安裝有加注液體接口（部分產品說明書標注為排氣口）的暖手器，考慮到內壓會對接口開啟有壓制作用，本次檢驗不認為該接口具備防止內部壓力過大的保護功能。比較合理的過壓保護裝置設計是通過感知袋體膨脹的機械開關動作起到相應過壓保護。

電極加熱方式在缺乏防護的情況下，由于易受擠壓、碰撞及跌落的影響，使內部電極密封受損極易出現(xiàn)故障，且由于電化學反應，在正常使用過程中電極會出現(xiàn)蝕損，易引起附加的電氣及物理危害，因此避免采用電極加熱方式，采用電阻加熱的形式能夠有效提高產品的安全性和長效性。

器具的外形設計采用卡通、動物及玩具等形象，容易引起孩子的注意而被當作玩具，充電時孩子觸碰會存在一定的危險，且在充滿電的情況下，電熱暖手器的溫度通常高于70℃，相關研究表明，接觸70℃的溫度持續(xù)1分鐘，接觸60℃的溫度持續(xù)5分鐘，皮膚就會被燙傷，引起皮膚燙傷的最低溫度為44℃[5]。經過試驗驗證柔性電熱暖手器保持60℃的溫度可達10分鐘以上，因此應注意使用安全，避免讓孩子接觸。

5 結束語

對于全新及回收樣品在安全試驗中出現(xiàn)的問題，有些問題是由于對產品的安全要求及試驗方法缺乏一定的認知，如標志信息不全，額定輸入功率實測偏差較大。有些問題的出現(xiàn)則是由于設計的不合理造成的，如標志耐久性差，電源連接器溫升過高，電氣間隙爬電距離過小等。生產企業(yè)應當在熟悉相關領域安全標準的基礎上，合理設計產品各個功能部件，以提高產品的安全使用長效性。