柔性電熱暖手器電極加熱適用性探討

王鑫 王洪建 張衍忠 辛勇

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。近年來，電熱暖手器類產品市場銷售量一直穩步增加，2011至2015年銷量增長率平均值在14.31%左右[1]。其中柔性電熱暖手器指外殼為軟質材料的暖手器，內部沖灌一定量的液體作為儲熱介質。由于柔性電熱暖手器儲熱量大，外表柔軟，內部為液體，人體觸感舒適，目前市場上銷售的電熱暖手器以柔性產品居多。

在家用和類似用途電器領域，通用安全標準規定“電極不應用于加熱液體[2]”，作為家用的電熱暖手器類產品，其安全標準也繼承了這一要求，由于電極加熱方式結構簡單成本低廉，市場上銷售的柔性暖手器電極加熱式占比較高，這一點可以從近年來各地的監督抽查結果中得到驗證。據中國質量新聞網獲取的數據顯示，2016年江蘇省工商局抽檢儲熱式電熱暖手器185批次，2017年浙江省質監局抽檢45批次，2018年上海市質監局抽檢70個批次，同年山西省質監局也開展了此類產品的抽檢，整體不合格率在28.9%至81.3%之間[3]，其中結構部分采用電極加熱方式的產品不在少數。本文將探討柔性電熱暖手器采用電極加熱方式的適用性。

2 關于電極加熱

電加熱技術在工業化食品加工領域得到了廣泛的應用，如微波加熱、感應加熱和電極加熱等。電極加熱是指利用液體或液固混合物本身含有的導電離子導通電流，由于流體本身具有一定的電阻，因此根據歐姆定律，流體本身會在外部交流電壓的作用下發熱。這種電極歐姆加熱技術[4]在一些流體類食品防腐殺菌過程中的應用較多。

歐姆加熱快慢與加熱頻率、電場強度和被加熱流體電導率有關。能量在被加熱流體內部直接交換，因此，歐姆加熱過程的能量傳輸效率接近100%[5]。但該加熱方式存在一個較大的缺陷，在電壓電流的作用下，電極表面極易發生電化學反應，導致金屬離子進入液體，并產生氣體。國外在應用電極加熱方式時，會通過高頻的交流電技術或特殊材料的電極，克服或顯著減弱電極的電化學反應[6]。國內采用電極加熱方式的暖手寶，大多以鋁或鐵為電極材料，兩種暖手寶在使用一段時間后都會出現蝕損。如圖1所示，由于圖中右側電極與導線連接附近出現擊穿，導致兩個電極出現了程度不同的蝕損。

在家用電器領域，IEC 60335家用和類似用途電器的安全標準第1部分通用要求于2001年提出了電極加熱方式不可應用于液體加熱的要求。電熱暖手器安全標準GB 4706.99-2009關于電極加熱適用性的規定也是直接依據GB 4706.1-2005中結構部分第22.33條的要求確認的。

3 樣品信息

在我院近期開展的電熱暖手器安全使用長效性相關研究中，從流通流域采購全新樣品17個批次，其中柔性暖手器13個批次，從用戶手中回收的已經使用過一定時間的舊暖手器12個批次，其中柔性暖手器11個批次（均為電極加熱式暖手器）。回收的電極加熱式暖手器的使用年限及功能狀況如表1所示。

4 適用性探討

4.1 安全性

根據電熱暖手器安全標準GB 4706.99-2009對全新及回收的電極加熱式樣品開展安全性驗證試驗。新樣品存在的安全質量問題有：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、電極加熱、外形設計不合理等）；電源軟性實測截面不能滿足標準規定值；電氣間隙爬電距離超過標準規定值要求。

回收樣品存在的問題有：防觸電方面不符合標準要求；結構方面缺乏過壓保護、采用電極加熱、外型容易被兒童當作玩具等缺陷。此外，在機械強度方面，由于經過若干時間的使用，密封出現老化，有部分產品未能通過擠壓試驗。

新舊電極加熱式樣品均通過了泄漏電流和電氣強度試驗，該加熱方式具備一定的電氣安全性。除采用電極加熱方式不符合標準要求外，其它的不符合均與產品設計有關，而非采用電極加熱所致。

表1 回收樣品使用年限及狀態匯總表

圖1 電極蝕損圖示

圖2 不同加熱方式電流變化曲線

4.2 加熱穩定性

從直觀感受來講，電極加熱方式好像是一種很不穩定的加熱方式，反應過程比較劇烈。相關研究也表明在一定的電壓梯度下，被加熱液體的電導率會隨溫度的升高而增加[7]。

電極加熱式暖手器加熱過程的穩定性可通過通電儲熱過程中電流的變化曲線來識別，圖2所示為電極加熱與非電極穩定功率加熱兩種典型產品在通電儲熱過程中記錄的電流數據曲線，從圖中可以看出電極式暖手器加熱過程中，電流波動幅值小于1A相對穩定，電極加熱反應過程并不是很劇烈。

圖3 樣品加熱電極及沉積物示意圖

4.3 電極穩定性

隨著使用時間的增長，電極加熱式暖手器的加熱電極會逐漸消減，如圖3中兩端照片所示，圖中樣品2-3#為使用1年的樣品，樣品2-8#為使用4年樣品示例。由圖可見樣品2-8#裸露在儲熱液體中的電極部分已經被完全侵蝕掉了，進入熱塑包裹處后，由于接觸面積變小，且易于堆積沉淀物，造成導電通路電阻過大，失去加熱作用。從圖中可知從1年到4年，沉積物是一個逐漸增長的過程，在一定程度上也反映出電極的變化過程。由此可見，電極損耗也是一個相對較慢且反應并不劇烈的過程。

4.4 平均首次故障時間

將用戶購買電極式暖手器后的使用過程，看作是該類產品的模擬壽命試驗，回收樣品的功能狀態及使用年限如表1所示。平均首次故障前工作時間MTTFF的區間估計計算置信下限值按下文公式計算，計算時置信度取90%。

式中：

(MTTFF)L為平均首次故障前時間（單側置信區間下陷）；∑ta為各受試樣品首次出現故障的工作時間之和；∑t0為未出現故障的各受試樣品工作時間之和；α為生產方風險；1-α為置信度，除非另有規定，推薦置信度取90%；ra為試驗期間，發生首次故障的受試樣品總數。

帶入表1中數據得出的平均首次故障前工作時間為2.43年，一般該類器具的預期使用時間為2年，因此，單從器具平均無故障工作年限來看，電極式暖手器可以滿足日常使用要求。

4.5 適用性分析及改進建議

由以上分析可知，電極加熱方式具有一定的電氣安全性，其加熱過程相對穩定。采用鋁鐵等活潑金屬材料的電極，其電化學蝕損過程穩定，且根據回收樣品使用時間所得出的平均首次故障時間來看，基本滿足使用預期。由此可見電熱暖手器類產品采用電極加熱方式具備一定的適用性。

試驗中還發現，使用過一段時間的電極式暖手器，由于電極的蝕損，會出現棱邊或尖角，存在劃破袋體的危險，可以通過對加熱電極增加一個帶開孔的硬質絕緣護管的方式消除此類危險。建議GB 4706.99修訂時，在滿足一定防護措施的情況下，允許采用電極加熱方式。

5 結束語

相關研究說明析出金屬與食品接觸會對人體產生巨大危害，因此，在電極材料及相關加熱技術沒有改進的情況下，電極材料的電化學腐蝕難以限制，應嚴格限制該類技術用于家用類食品相關加熱器具的生產。但對于暖手寶類器具，該技術僅用于儲熱加熱，與食品處理過程無關，且電極安裝于密閉空間，非人體直接接觸，在防護得當的情況下，僅從安全角度考慮，認為該加熱方式具有一定的適用性。