魏云杰 刘海亮 刘朝登

杭州九阳小家电有限公司 浙江杭州 310000

0 引言

随着社会的发展和生活品质的提升，家庭烘焙、烧烤已经逐渐成为现代社交和人们享受生活的方式之一，常用到的家电有烤箱、空气炸锅等。新冠肺炎疫情下居家时间增加，更是激发了人们对烘烤类家电的需求，市场蓬勃发展。在更加丰富的产品选择中，人们对烤箱等产品的加热速度、均匀性，烤制食物的气味、色泽、口感等有了更高的要求[1]。传统的镍铬合金电阻丝加热管受限于金属管的功率密度（≤5.5 W/cm3），不能通过增大功率的方式优化烤箱性能，常用的解决方案是通过强制对流改善烤箱的加热均匀性。丁力[2]等针对现有某烤箱的温度分布情况进行分析和研究，确认影响烤箱内部温度均匀性的关键因素，及其变化后对烤箱温度分布的影响，对烤箱温度场优化有一定指导意义；袁宏[3]等采用数值模拟方法对比分析了烤箱原有结构温度场不均匀的原因，通过添加径向导叶结构、调整加热管位置、改进加热管形式和烤箱挡板等措施有效改善了温度场的均匀性。本研究提出应用新型加热材料——石墨，希望通过提升热源本身发热和热辐射特性来改善烤箱性能。

1 石墨发热片

1.1 石墨片材制备

聚酰胺酸溶液流延成膜、拉伸后，高温酰亚胺化形成聚酰亚胺膜（PI膜）[4]。薄膜呈黄色透明，相对密度1.39～1.45，常用作柔性印制电路板基材和各种耐高温电机电器绝缘材料[5]。除此之外，在高温状态下，聚酰亚胺膜经过高温裂解与原子重新排列后可以发生碳化与石墨化的过程，最终形成石墨材料[6]。

在PI膜石墨化的过程中，高温推动碳原子重新排列而形成发泡石墨层状结构，在相同厚度的聚酰亚胺膜基准下，石墨化的温度及时间影响着石墨发泡的厚度[7,8]，作为导电发热材料，使其具有特定的电阻率并拥有良好的柔性和强度存在一定困难。

通过控制PI膜碳化、石墨化，并采用压延工艺，得到了适合作为发热体的石墨材料，如图1所示。第一步，将平整无污染、厚度75 μm的PI膜放入真空度50 Pa～100 Pa的炉中，1100℃温度条件下完成碳化；第二步，在氩气保护下，进行2650℃温度石墨化，形成180 μm～210 μm厚的石墨膜；因为直接烧结形成的石墨材料厚度变化范围较大，最后一步需要通过压延精准控制材料的厚度、密度和电阻率。有研究显示，石墨片越厚，密度越小，电阻率越大[9]，实验测试结果与此一致，如表1所示。石墨片的强度和电阻率将影响后续加热管的成品率以及电阻设计模型，本研究最终确认石墨片材厚度170 μm ～200 μm，能够避免“过硬折断、过软扭曲”的不良情况，将加热管成品率提升至95%以上，此厚度范围内的石墨片平均密度0.43 g/cm3，平均电阻率为4.15×10-6Ω·m。

图1 聚酰亚胺膜和烧结后形成的石墨片材

表1 石墨片厚度、密度、电阻率之间的关系

1.2 电阻结构设计

石墨材料在通过电流时可以作为发热电阻产生一定的热量实现加热功能，为了更好地控制其发热功率和发热量，使用模切或激光切割的工艺，在石墨片上形成特殊的电阻结构，具体的电阻设计模型如图2 a)所示。该石墨电阻由中间N个长方形单元电阻与两边夹持部构成，单元电阻串联形成发热区，可以根据功率和温度需求增减单元电阻的数量，设计灵活方便。

图2 石墨电阻设计模型

如图2 b)所示，当石墨电阻两端加上额定电压，电流从单元电阻之间的连接部流入，然后分别流经单元的上下两部分，形成并联关系，最后两路电流交汇到一起从另一边连接部流出。这种回路的设置增加了电流流经路径的长度，提升了单元电阻阻值。其中，切缝尺寸L1、S1、L2、S2的变化会引起单元电阻的变化进而影响整体发热功率和温度。

本方案中，S1=20 μm，L1=5.6 mm，S2=20 μm，L2=3 mm，石墨电阻总长241.4 mm，宽度7.6 mm（其中包含两端夹持部和一些低电阻的过渡段）。得到的石墨电阻常温阻值7.94 Ω～9.26 Ω，满足使用要求。

1.3 石墨加热管及应用

根据焦耳定律，电流通过石墨电阻时产生热量实现加热功能，但是在大气环境下石墨会逐渐氧化，因此将其封装在耐高温的石英管中，制成石墨加热管（石英玻璃熔点1750℃）。如图3所示，石墨电阻两端夹持部由电极夹片固定，夹片使用镍或者钼这种热膨胀系数小的材料（镍的线膨胀系数为13.3×10-6/K；钼的线膨胀系数为4×10-6/K），保证长期使用过程中连接的可靠性。因为石墨电阻是具有一定柔性的发热体，与电极夹片焊接在一起的金属杆上需要金属支撑圈实现刚性支撑。为了保证加热管的密封性，石英管两端热压封口，并使用钼片这种低膨胀系数的导电材料实现电极的连接，导电杆外接导线。

图3 石墨加热管

本研究需要重点说明的是加热管气氛保护和内部压强的设计，这直接影响加热管的加热性能和使用安全性。首先，加热管内是不允许有空气的，以避免发热状态下石墨氧化损耗，出现电阻、功率变化影响加热管性能，甚至出现石墨电阻烧断等问题。另外，在加热管中充入一定量的惰性气体，也起到了控制加热管表面温度的作用，本研究解释为气体有一定的热容，和石墨电阻成为一个整体的热源，增大了热源的表面积，热量更快传导至加热管表面与外界进行热交换，降低了表面温度。

在加热管装配完成后，通过预留的气口抽真空，使管内相对气压达到-0.1 MPa，持续抽真空的状态下给加热管通电点亮，排掉杂质、水汽，然后充入惰性气体，控制管内绝对气压在0.005 MPa到0.068 MPa之间。根据理想气体状态方程[10]：

其中：P为压强，V为气体体积，n为气体的物质的量，R为摩尔气体常数，T为热力学温度。由方程可知，加热管内的气压跟温度成正比，工作状态下管内气体膨胀、压强增大，上述范围的气压在室温及工作状态下加热管承受的内外压强差（最大0.095 MPa）远低于石英管强度要求范围（5 MPa），保证了使用安全性并延长了加热管的使用寿命。

详细计算过程如下：

室温下气压P1= 0.005 MPa，工作状态580℃时气压P2=P1×(T2/T1) = 0.005×(580+273) / (25+273) ≈ 0.014 MPa。始终为负压状态，最大压差为0.095 MPa。

室温下气压P1= 0.068 MPa，工作状态580℃时气压P2=P1×T2/T1) = 0.068×(580+273) / (25+273) ≈ 0.195 MPa。工作状态下为正压，最大压差为0.095 MPa。

同上，通过计算，室温下管内绝对气压0.035 MPa，在发热温度为580℃时，内部绝对压强为0.1 MPa，刚好等于外界大气压，符合强度要求。

为了进一步验证上述气压是否符合温度需求，以家用烤箱为例，加热管表面温度过高（＞580℃），热量太高且温控调节难度增大，容易造成食物表面焦糊，存在健康隐患。在室温、无强对流状态下，加热管两端通110 V交流电，5 min后待温度稳定时通过红外测温仪测量表面温度，对比室温下绝对气压在0.005 MPa、0.035 MPa、0.060 MPa的加热管的工作表面温度，如图4所示，室温下管内绝对气压大于0.035 MPa的加热管表面温度低于580℃，温度适中，更适合烤箱使用，同时，管内绝对气压过大会导致表面温度偏低，影响产品性能。综合气压和表面温度的因素，室温下管内惰性气体的绝对气压控制在0.005 MPa到0.068 MPa，优选0.035 MPa到0.058 MPa。

图4 不同石墨加热管的工作温度

对批量生产的石墨加热管随机取样，如图5所示，在耐火砖搭建的安全环境下进行了寿命测试。根据国标GB/T 7287-2008《红外辐射加热器试验方法》中的模拟（加速）寿命试验要求，加热器在1.35倍额定电压下连续通电工作了60 h（标称工作寿命5000 h），加热管没有出现功率衰减、结构破坏等问题，满足应用要求。另外，测试也模拟了加热管实际工作情况，在额定电压下通电升温5 min，断电40 s、通电40 s为一个循环，持续20 min，随后断电冷却5 min为一个工作周期，一共进行了600个周期，同样没有出现功率衰减、结构破坏等问题。

图5 石墨加热管寿命测试

更重要的是，在烤箱性能测试中，发现烘烤相同食物，装配石墨加热管的烤箱比传统烤箱省时30%左右，并且食物的色泽、香味、口感均有不同幅度的改善和提升。原因分析如下：第一，石墨材料热响应速度快、电热辐射转化效率高，不需要像电阻丝加热管一样热量先由电阻丝传递到绝缘粉再传递到金属管表面并向四周辐射能量实现加热功能，而是直接以热辐射的形式透过石英管加热食物；第二，经测试，如图6所示，石墨材料红外辐射的波长主要集中在3.5 μm，而传统加热管红外辐射波长集中在4.6 μm，短波长红外辐射能量更高、穿透力更强。如图7所示，大部分食物在3 μm左右的波长范围内有强烈的吸收作用[11]，可以说石墨加热管与食物匹配性更好[12,13]，使得烤箱能量利用率更高，食物加热更快，进而锁住更多营养，保持最佳的口感。尤其是在烤牛排过程中，快速升温使牛排表面迅速形成锁水层，保证牛肉嫩度，红外辐射穿透表层，释放内部营养，提升口感。

图6 加热管红外辐射波长

图7 一些食品物料的红外吸收光谱[11]

2 结论

本研究提出的方案突破了传统加热管材料、功率的限制，制备了可应用于烘烤类家电中的新型加热管。通过调节PI膜烧结、压延工艺，控制石墨片材厚度170 μm～200 μm，电阻率和强度满足后续制备要求，将加热管成品率提升至95%以上；得到的石墨片材通过模切或激光切割的工艺，形成具有特殊结构单元的电阻，提升了阻值、功率、发热量设计的灵活性；最后，将上述石墨发热体封装得到石墨加热管，通过气氛保护和内部压强的控制保证了加热管的强度，延长了其使用寿命。与此同时，新型加热管热响应速度更快，红外辐射波长与加热食物更加匹配，使得烤制时间缩短30%左右，食物色泽、气味更佳。