张 梦 巩 猛 张宏伟 马 星 王俊森 孙玉超 戴国良

格力大松(宿迁)生活电器有限公司 安徽 宿迁223800

引言

随着人们对生活质量追求的不断提升,加湿器作为增加空气湿润、辅助补水的生活家电产品,越来越受到消费者的喜爱。近年来,各家电企业为博得顾客眼球,占有更多加湿器市场份额,其产品设计上也呈现出了百花齐放的追风氛围。但多数家电企业仍更多侧重于加湿器性能上的拓展、材料上的选择以及外观上的设计,对其水槽内部结构和散热系统的研究却极其甚微。基于此,本文结合两款不同结构的加湿器,从散热系统、水槽内部结构等方面进行对比实验,提出一种加湿器最佳水槽结构的设计方案。

1 加湿器干烧保护原理

加湿器主要由水箱、底座、风机装置、控制器、雾化板支架、超声波雾化片、开关旋钮、电源适配器八大部分构成,其中控制器、雾化板支架、超声波雾化片组成的雾化器部件实现加湿器的各项功能控制,如图1所示。

图1 雾化器结构示意图

在加湿器工作过程中,超声波雾化片利用电子高频震荡将液态水分子打散变成水雾,风机装置将水雾送出,即实现空气加湿功能。同时,控制器中的采样电路每间隔0.1 秒对超声波雾化片发射超声能量进行一次采样对比,5次一个循环。当水箱中水量不足时,超声波雾化片的超声能量相比正常工作状态下较低,检测两个循环超声能量仍低于正常值时确认为加湿器已处于干烧状态。干烧保护电路启动,控制整机停止工作并进行报警显示。

2 失效现象及实验方法介绍

2.1 失效现象 B型号加湿器在长期寿命运行试验中,缺水状态下干烧保护电路不启动且报警显示功能不动作,整机持续干烧直至注塑件烧熔变形后停止工作,拆机检查加湿器内部发现底座水槽处烧焦,雾化器上的超声波雾化片焊点脱落,线材表皮高温熔化。

2.2 实验介绍 结合我司加湿器产品生产情况,B型号异常加湿器雾化器同步适用于A型号加湿器,两款机型仅B型号存在干烧保护失效异常。根据此现象,制定从系统散热情况、工作时温度和内部水槽结构件三方面着手,对两款机型展开对比实验,分析导致加湿器持续干烧的原因。

3 实验分析

3.1 散热系统分析 两种机型加湿器均采用水冷加风冷结合散热方式,即雾化板支架和超声波雾化片与水接触,将部分热量传递到水中,支架下部与空气接触,将部分热量传递到空气,然后风机吹风的时候通过空气循环将热量散出。

加湿器主要热量来源为控制器上三极管的做功发热,虽整机风道设计较为密封,但采取的水冷却和风散热能够有效地使热量消散,同时空气并非为热的良导体,因此,加湿器散热系统结构并非是导致加湿器干烧保护失效的直接因素。

3.2 温度实验 对整机进行少量加水,加水量为1/4量杯,运行以模拟使用过程中出现干烧的问题,同时在加湿器雾化板支架三极管附近、雾化板支架远端和超声波雾化片压片处布点实时监测工作温度,以此测试干烧直至报警时器件温度。共监测15次干烧状态下测试点温度,其温度变化数据如表所示。

表1 测试点干烧温度情况

经过15次循环干烧以后,机型A经过15次干烧循环,布点测试温度基本在0—2.5 ℃内增加,与技术参数相符。机型B布点处监测到的各点温度变化增加约10℃,另外机型B加湿器干烧运行一段时间后,超声波雾化片处的温度变高,长时间干烧温度达到150℃以上。

超声波雾化片处的异常温度可以判断出超声波雾化片工作状态长时间处在不稳定的状态,而干烧状态下的超声波雾化片的主要作用是反馈干烧信号,且两款机型的超声波雾化片无差异,因此需要考虑内部结构件的因素。

3.3 内部结构件影响功能对比实验 对机型A、B加湿器分别进行3 ml、1 ml定量加水运行实验,测试开机到干烧保护停机的运行时间,表2为机型A和机型B加湿器干烧保护实验停机时长。

表2 A、B机型在1 ml和3 ml水量下的干烧保护反应时间

加湿器机型A在1 ml水量情况下约13S内水就被雾化完控制器报干烧保护停机,相比机型B加湿器报干烧保护时间减少约30s,即对于同样的水量机型B加湿器需要更多的时间去接收、判断干烧信号,即是水在结构件中的状态影响了超声雾化片判定、反馈干烧信号。

观察两款加湿器的内部结构,两款加湿器的水槽采用不同结构,其水槽结构如下图所示,机型A 水槽采用单侧进水方式,环形水槽处为平滑状结构,机型B水槽采用双侧进水方式,且环形水槽处为凹凸不平状。

图2 机型A和B水槽结构图

机型A水槽结构为环形平滑状,因此在水量不足时水会均匀呈环状面分布在水槽和超声波雾化片之间,所受的张力和重力方向一致且均匀。机型B加湿器底座与雾化板接触的环形水槽结构是呈凹凸不平的,当水量不足时,残余水聚集在水槽的凹陷处,残余水附着在水槽与超声波雾化片之间,此时水滴内部的附着力和重力受力不对称,水附着力大于重力,水分子的合力垂直于附着层指向超声波雾化片,从而超声波雾化片与残留水相互作用力由面接触变为点接触。点接触与面接触相比接触面积更小,同时受各凹坑点水量、受力不一致影响,各点与超声波雾化片接触时间不一致,变为混沌随机状态。

3.4 实验结果讨论 综上,通过对两组不同结构的加湿器进行散热系统分析、干烧循环温度实验和内部结构件功能影响实验,从实验数据可以分析出,加湿器干烧保护失效的根本原因为凹凸不平状的水槽结构中残留水受到重力和附着力影响导致分布不均匀,与超声波雾化片接触变为点混沌状态,长期运行过程中使B型号超声波雾化片在特定情况下干烧信号采样不稳定,采样电路无法在2个循环中形成有效监控,最终导致机型B加湿器无法正常启动干烧保护电路,造成注塑件高温熔融变形。

4 水槽设计及实验验证

4.1 水槽设计 水槽的凹凸结构很大程度上影响残余水的附着力受力方向,因此对水槽结构进行优化,优化方案为阻挡残水不断从水槽开口处回流至凹陷处以及减少低水位干烧时间,定型方案为水槽两侧开口处增加挡水筋,其结构图如下所示:

图3 水槽实物结构图

4.2 实验验证 为了验证此方案的可行性,对此设计方案的加湿器展开老化验证,同时使用原结构进行对比试验,其中两台加湿器的控制器电路和散热系统保持不变。

对整机进行少量加水3 ml运行以模拟使用过程中出现干烧的问题,同时在加湿器雾化板超声波雾化片处布点,测试干烧时候器件温度,经过多次干烧循环,实验数据情况如下所示:

表3 原结构和新结构的干烧温度和干烧保护时间范围

使用原结构的加湿器在测试时出现异常8次,故障率1.3 %,且干烧温度已达97.4 ℃。使用新结构的加湿器运行600次均无异常,干烧温度最高达78.3 ℃。新结构的加湿器在干烧温度值上明显低于原结构10℃—20℃,在干烧保护时间范围上缩短至少3分钟,因此可以判定新结构即在水槽两侧开口处增加挡水筋的设计方案可靠有效。

5 总结

改变原有的水槽结构,将其两侧开口处增加挡水筋,该设计方案能够临界状态下及时通过超声波雾化片工作将水槽内残水快速雾化排完,而挡水筋的结构可以避免少量残水以后未完全雾化的水滴重新回到水槽中,超声波雾化片可以及时反馈干烧采样信号,在一定程度上提升整机干烧保护的反映时间,有效避免加湿器干烧发生安全隐患问题,同时也为后续其他加湿器新品的设计具有一定指导意义。