R290空調器用PTC加熱器安全研究分析

侯慧健 富佳棟 林永明

（1.威凱檢測技術有限公司 廣州 510663；2.嘉興威凱檢測技術有限公司 嘉興 314000）

引言

新型制冷劑R290(丙烷)是一種高效環保的制冷劑，然而其具有易燃易爆的特點，尚未規模化替代R22、R32和R410A等制冷劑。目前，國內外對于空調用R290的火災危險性的研究多集中在可燃制冷劑爆炸極限、可燃制冷劑與不燃制冷劑混合物的抑爆、以及可燃制冷劑的泄漏分析等。這些研究主要集中在制冷劑的特性和空調器整機方面，關于R290空調器用零部件的安全分析目前還沒有進行過深入研究或研究并不系統、全面。

本次研究以空調器中常見的零部件PTC加熱器為研究對象，通過對不同PTC加熱器的溫度特性、故障特性及實際使用不同時間下的故障特性進行研究，分析PTC加熱器對R290空調器的安全影響。希望借助本次研究，協助中國履行《蒙特利爾議定書》，全面淘汰HCFC制冷劑，助力空調器行業的長效高質量發展。

1 項目研究簡介

爆炸的發生需要具備五個條件：可燃物、助燃劑（氧化劑）、密閉的空間、可燃物和爆炸物的混合物、火源等。對于空調器用PTC加熱器而言，可燃物、助燃劑和密閉的空間的研究應結合空調整機考核，此處不再贅述?？照{器用PTC加熱器一般用于空調器輔助加熱用，空調器出風口處放置PTC加熱器，使熱風吹送至室內。而PTC加熱器本身由于發熱、故障爆裂等因素，有成為火源的可能，因此需要對PTC加熱器的各種特性進行相關研究。

本次僅對PTC加熱器的控制火源進行研究?？刂苹鹪匆彩强刂苹蚴窍ǖ挠行Т胧┲?，在生產生活中為避免爆炸的產生在可燃性氣體或是可燃物堆積的場所應當加強對于點火源的管控，避免爆炸的發生。由于爆炸發生的點火源的多樣性需要在不同的場合根據現場的實際情況制定切實可行的措施來對點火源進行管理，避免火種的產生。通過查詢標準IEC 60335-2-40:2018附錄BB中R290氣體特性，其自燃溫度（Auto ignition temperature）為470 ℃，最小點燃能量0.31 mJ。PTC加熱器作為空調器主要的發熱零部件，需要確保其最大溫度不會點燃R290。同時PTC加熱器在電壓升幅較大的情況下會有熱擊穿現象，應在產品設計時避免熱擊穿的發生。

另外，由于空調產品使用年限較長，一般廠家保修期為6年，實際空調一般使用年限都在10年以上。PTC加熱器經過長時間使用，是否會造成性能上的降低從而引起燃燒爆炸危險，會再本次研究中進行相關試驗驗證。

1.1 研究R290空調器用PTC加熱器在正常和非正常工作狀態下的溫度特性

1.1.1 選定空調器用PTC加熱器樣品

依據市面常見家用空調器用PTC加熱器，選取了如表1 產品。

表1 選定PTC加熱器測試樣品

1.1.2 模擬PTC加熱器在正常工作狀態下輸出相關溫度曲線

PTC加熱器依據現行法規和相關要求，宜滿足自愿性認證需求，所依據標準為GB/T 14536.1-2022《電自動控制器 第1部分:通用要求》。按照本標準試驗規定的發熱測試方法進行測試。

將樣品置于風機上，模擬空調出風；在樣品的PTC片和散熱翅片處分別布一定數量的熱電偶（圖1）；通以規定的試驗電壓，記錄溫度曲線；待溫度穩定1 h后停止測試，記錄樣品最大穩定溫度，見表2。

圖1 PTC加熱器熱電偶布點情況

表2 正常工作狀態下最大穩定溫度

1.1.3 模擬PTC加熱器在非正常工作狀態下輸出相關溫度曲線

PTC加熱器在風機故障條件下，會產生熱積聚，在得不到散熱的情況下一般發熱會比風機正常情況下高。在取消風機的情況下，按照相同的測試方法，在樣品的PTC片和散熱翅片分別布一定數量的熱電偶；通以規定的試驗電壓，記錄溫度曲線（圖2、3）；待溫度穩定1 h后停止測試，記錄樣品最大穩定溫度，見表3。

圖2 非正常工作狀態下測試場景

圖3 非正常工作狀態下發熱曲線

表3 非正常工作狀態下最大穩定溫度

1.2 本部分小結

綜上數據顯示，PTC加熱器在正常工作狀態下最大穩定溫度為166.5 ℃，PTC加熱器在非正常工作狀態下最大穩定溫度為251.9 ℃。各款PTC加熱器在模擬風機失效時的溫度均遠超風機正常狀態，但即便如此，PTC加熱器在非正常工作狀態下最大穩定溫度仍然遠小于R290的自燃溫度470 ℃。

基于上述研究，PTC加熱器在正常和非正常工作狀態下的溫度特性符合相關要求，不會點燃R290。

2 研究PTC加熱器爆裂故障成因及對R290空調器的安全影響

PTC加熱器結構一般為PTC和波紋管散熱片組成，造成PTC加熱器破裂原因多為電壓波動較大時，電壓超過產品能承受的熱擊穿電壓，部分劣質產品會因為熱擊穿噴射火焰和顆粒，從而點燃R290。

依據標準GB/T 14536.1-2022《電自動控制器 第1部分:通用要求》附錄J熱失控試驗要求：給熱敏電阻器通電并在最大額定條件下運行直到熱穩定為止。然后慢慢地增加電壓直到熱得損壞或達到熱敏電阻兩倍工作電壓，在這時可結束試驗。每2 min增加0.1倍的熱敏電阻工作電壓，構成適當的上升速率[1]。

2.1 PTC加熱器熱擊穿試驗

與上述溫度特性所選樣品一致，每款樣品選取三個新樣品進行熱擊穿試驗。PTC加熱器升壓過程見圖4～6。測試參數及測試現象見表4。

圖4 PTC加熱器升壓過程

圖5 PTC加熱器爆裂

圖6 加裝限溫器保護的PTC加熱器

表4 PTC加熱器熱擊穿測試

2.2 本部分小結

PTC加熱器在熱擊穿試驗中現象有較大差異，質量較好的D樣品，在達到兩倍電壓時，仍未擊穿；A樣品和C樣品由于加裝了限溫器，有效保護PTC加熱器，即便輸入電壓遠大于額定電壓，產品也會因限溫器優先動作斷電，避免熱擊穿。

B樣品在電壓達到308 V時擊穿且噴射火焰，不滿足要求。然而通過對樣品結構分析（見圖7），B樣品預留了限溫器或熱熔斷體安裝位置。在實際空調裝配中建議配備限溫器或熱熔斷體，避免PTC擊穿導致噴射火焰。另外，標準GB/T 12325-2008《電能質量 供電電壓偏差》中規定：35 kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%；20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的土7 %；220 V單相供電電壓偏差為標稱電壓的+7 %，-10 %[2]。一般情況下，市電電壓波動不會到達308 V。而空調制冷劑即出現泄漏，同時市電電壓波動至三百多伏，可以認為是極低概率事件。

圖7 預留限溫器或保險絲安裝位置的PTC加熱器

綜上認為PTC加熱器在爆裂故障方面符合相關要求，只有極低概率點燃R290。同時建議PTC加熱器應配備相應限溫器或熱熔斷體，防止PTC加熱器過熱。

3 研究PTC加熱器在實際使用不同時間下的故障特性和安全質量分析

由于空調產品使用年限較長，一般廠家保修期為6年，實際用戶一般年限時間都在10年或以上。PTC加熱器經過長時間使用，是否會造成產品性能上的降低從而點燃危險，需要進行相關試驗驗證。

同樣的，依據標準GB/T 14536.1-2022《電自動控制器 第1部分:通用要求》，對多批次樣品按不同試驗條件，進行模擬加速耐久測試。觀察樣品的故障狀態，用耐久后樣品進行溫升和熱擊穿試驗，記錄數據并觀察現象。

3.1 PTC加熱器耐久性測試

每個型號選取三個新樣品進行1萬次耐久性測試，測試裝置及操作界面見圖8、9。通斷時間比為60 s∶30 s，斷電時風機運作強制冷卻。

圖8 模擬PTC加熱器耐久性測試裝置

完成耐久性測試后，檢查樣品各項功能和產品外觀，未發現PTC加熱器樣品出現故障。樣品進行耐久性后溫升和熱擊穿試驗，結果見表5、6。

表5 耐久后非正常工作狀態下最大穩定溫度

表6 耐久后PTC加熱器熱擊穿測試

3.2 本部分小結

PTC加熱器在進行耐久測試后各項功能和產品外觀，未發現PTC加熱器樣品出現故障。

耐久后的各樣品的發熱比耐久前溫度低，分析認為PTC屬于電阻器，電阻器在經受耐久老化后性能有所下降，導致發熱反而比耐久測試前較低，最大穩定溫度仍然遠小于R290的自燃溫度470 ℃。基于上述測試，認為PTC加熱器在正常和非正常工作狀態下的溫度特性符合相關要求，不會點燃R290。

PTC加熱器在耐久后熱擊穿試驗中現象與耐久前基本一致。質量較好的D樣品，在達到兩倍電壓時，仍未擊穿；A樣品和C樣品由于加裝了限溫器，有效保護PTC加熱器，即便輸入電壓遠大于額定電壓，產品也會因限溫器優先動作斷電，避免熱擊穿。

4 結論

空調器用PTC加熱器由于其發熱高的特性，一般被認為是空調器制冷劑泄漏后一個潛在的點火源。經過上述研究分析，市面上一般的PTC加熱器只要工藝良好，并且在產品前端加裝限溫器或保護裝置，那么其引燃引爆R290的概率極低，是相對可靠的空調器零部件。

為了空調器上下游企業以及廣大消費者的生命財產安全著想，我們將繼續在其他如繼電器、保險絲、負離子發生器等的零部件深入研究，為中國產品高質量持續發展提供必要的技術支持。