一種空調電加熱器用熱熔斷體的可靠性研究　

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

引言

　　熱熔斷體也叫溫度保險絲、溫度熔斷器，是屬于溫度感應式回路切斷裝置。熱熔斷體能感應電器產(chǎn)品、電子產(chǎn)品非正常工作條件下所產(chǎn)生的過(guò)熱，從而切斷回路以避免火災的發(fā)生。熱熔斷體多用于家用或類(lèi)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)作前導線(xiàn)-可動(dòng)電極-金屬殼-導線(xiàn)間通電流”順序進(jìn)行工作，溫度上升，熱敏藥丸感應熱度時(shí)熔化。熱敏藥丸熔化后，使彈簧伸張，可動(dòng)接點(diǎn)從導線(xiàn)端被分開(kāi)，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(kāi)，起到保護作用外，正常情況下應保持良好的導電性，盡可能地接近于一根導線(xiàn)，如果其阻值偏大，甚至發(fā)生故障斷開(kāi)，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)統計空調器電加熱熔斷體開(kāi)路的故障發(fā)現，存在一些并非工作環(huán)境過(guò)熱引起的情況，也就是說(shuō)，熔斷體在未達到設計保護溫度時(shí)就已經(jīng)斷開(kāi)，導致電加熱工作電路斷開(kāi)，說(shuō)明熔斷體本身的可靠性存在一定缺陷，本文主要針對此類(lèi)問(wèn)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

　　熱熔斷體的特性參數：①額定動(dòng)作溫度(Tf)：熱熔斷體的導電狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)的溫度;②最大過(guò)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)內不會(huì )發(fā)生導電狀態(tài)改變的最高允許溫度;④極限溫度(Tm)：熱熔斷體動(dòng)作后，不能再次導通的最高溫度;⑤動(dòng)作精度：按照標準要求，熱熔斷體的動(dòng)作溫度范圍。

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

1.2 環(huán)境溫度對熱敏丸的影響

　　熱熔斷體的使用壽命與熱熔斷體長(cháng)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，熱敏藥丸出現導熱老化現象就越嚴重，熱熔斷體的使用壽命就越短，特別是當環(huán)境溫度超過(guò)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(chǎng)家121℃熱熔斷體維持在109℃和99℃溫度下的使用壽命曲線(xiàn)。

1.3 試驗對比

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

　　將1號熔斷體樣品放入95℃的紅箱內烘烤30min，其熱敏丸高度前后對比如圖4所示。

　　將2號熔斷體樣品放入106℃烘箱內烘烤30min，其熱敏丸高度前后對比如圖5。

　　通過(guò)對比可以發(fā)現，該廠(chǎng)家的熔斷體在經(jīng)過(guò)95℃高溫烘烤時(shí)高度基本無(wú)變化，而經(jīng)過(guò)106℃高溫烘烤后高度已出現明顯縮減，說(shuō)明熱敏丸在此條件下已出現了明顯熔化的跡象，而此時(shí)卻還遠沒(méi)有達到其額定動(dòng)作溫度。同時(shí)，我們用萬(wàn)用表測量2號熔斷體的阻值，發(fā)現已經(jīng)開(kāi)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(guò)程中，熔斷體往往要經(jīng)過(guò)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)必要注意對熔斷體進(jìn)行保護：

　　1)熔斷體在電加熱廠(chǎng)家生產(chǎn)裝配過(guò)程中，其導線(xiàn)在焊錫操作過(guò)程中應該充分冷卻，如果過(guò)多的熱量傳遞至熔斷體，將會(huì )對熔斷體的可靠性造成不良影響。因此，各電加熱廠(chǎng)家應在焊錫前后安排X光測試熱敏丸高度，保證熱敏丸沒(méi)有收縮，避免因過(guò)熱而導致熱敏丸部分熔化。

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

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

2 熔斷體的機械結構

2.1 熔斷體內部結構

　　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，但最終保護動(dòng)作以及正常導通都要靠其內部機械結構來(lái)完成。目前，其設計主要采用了如圖7所示結構，各廠(chǎng)家略有差別，但總體大同小異，即在金屬外殼內組裝絕緣筒、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(kāi)口部用封止材料完全密封。

　　彈簧作為提供機械力的動(dòng)力源，正常裝配后應處于壓縮狀態(tài)，同時(shí)，星型觸片由于受兩側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，對其成型工藝和裝配工藝提出了較高的要求，我們不得不對其可靠性產(chǎn)生懷疑。

2.2 熔斷體異常開(kāi)路的分析

　　某廠(chǎng)家生產(chǎn)的熱熔斷體曾經(jīng)在客戶(hù)使用時(shí)出現了數單開(kāi)路的故障，其使用過(guò)程中并無(wú)高溫、大電流等惡劣條件出現，經(jīng)過(guò)X光檢查也發(fā)現熔斷體熱敏丸并沒(méi)有熔化，這說(shuō)明熔斷體本身的內部導通回路出現了問(wèn)題。

　　將正常品與不良品進(jìn)行對比，我們不難發(fā)現以下問(wèn)題：

　　a.2號、4號樣品出現過(guò)成型現象，已經(jīng)與金屬外殼脫離無(wú)法接觸，熔斷體的正常導通回路在這里被切斷;

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

　　經(jīng)過(guò)分析，造成熔斷體異常的原因為星型觸片加工不良(過(guò)成型)以及浮動(dòng)電極裝配歪斜導致，說(shuō)明該廠(chǎng)家的生產(chǎn)加工工藝以及設計存在一定的缺陷，無(wú)法保證其產(chǎn)品的一致性，可從設計及內部尺寸控制上作出如下調整以獲得改善：

　　1)設計上收嚴陶瓷封帽的內徑尺寸，將陶瓷內圓與浮釘之間的間隙配合公差收窄，以避免出現浮動(dòng)電極歪斜的情況;

　　2)出廠(chǎng)前電阻阻值測試范圍收嚴，將由于浮釘歪斜而導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 結論

　　1)熔斷體熱敏藥丸的可靠性受環(huán)境溫度影響，即使沒(méi)有達到設計的動(dòng)作溫度，長(cháng)時(shí)間高溫烘烤也可能會(huì )造成熱敏丸熔化。熔斷體廠(chǎng)家需考慮對其進(jìn)行適當優(yōu)化，在保證靈敏度的同時(shí)，也要兼顧高溫穩定性;熔斷體作為電加熱的部件，在裝配過(guò)程中也要注意做好高溫防護，同時(shí)引線(xiàn)焊接部位阻值也應注意控制。

　　2)熔斷體的星型觸片是機械結構中較為脆弱的部件，對加工工藝有較高的要求，不能出現過(guò)成型的現象，同時(shí)在其尺寸設計時(shí)，應考慮保證與金屬外殼充分接觸。

　　3)熔斷體內部的各部件配合公差根據需求應當盡量控制嚴格，否則難免會(huì )出現諸如浮動(dòng)電極歪斜等不良問(wèn)題。

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