摘要：介绍了工程塑料在燃气壁挂炉的水路系统、排烟系统、冷凝系统上各重要零部件应用的技术进展，并讨论材料选择、产品结构设计和模具设计的技术要点。

关键词：燃气壁挂炉  材料  塑料  耐热性  工艺  成本

1 背景

随着材料技术的发展，塑料已被广泛地应用于建筑、家电和汽车等行业，同时建设资源节约型、环境友好型社会的目标是推动塑料产品需求的增长的重要因素。塑料以它的重量轻、耐腐蚀、易成型等一系列优点，在各工业领域有广泛的应用。目前汽车使用塑料的消费量逐年增加，据调查欧美小车塑料占车重的11%～15%。在家电行业塑料已成为家电领域应用量增长速度最快的材料，近几年每年平均增长速度达到近30%。而在燃气具行业，以往由于使用特殊性及高温条件限制了塑料的应用，一般仅限制在外观装饰件、内部绝热件上，不过近年来随着耐高温，高强度的改性塑料技术的发展，塑料的应用范围逐渐扩展到功能与结构件上。
在传统家用燃气壁挂炉的材料构成中，钢铁材料占整机重量的50%，铜材料占30%，不锈钢5%，铸铝2%，塑料仅有1%，随着铜、不锈钢等材料上涨，如何采用新材料替代金属材料已成为产品开发的重要课题。近几年来欧美及日本不少燃气具，通过创新设计和开发新工艺，采用高性能工程塑料代替金属材料，取得了显著经济效益。目前国内燃气具生产企业已经着手尝试，在以塑代铜、以塑代钢方面取得了一些成功的经验。

2 塑料替代可行性分析

壁挂炉应用塑料的最大优势是降低材料成本、简化制作工艺以降低加工成本。一般塑料的比重在0.9～1.5，纤维增强复合材料的比重也不会超过2.0，而金属材料的比重，不锈钢为7.8，黄铜为8.4，铝为2.7。它们不仅可以减轻零部件约70%的重量，还可以使采购成本降低80%左右，加工成本降低85%以上，这就使得塑料材料成为壁挂炉降成本的首选用材。在选用塑料取代金属时，必须要考虑到塑料使用温度有较大变化时物理性能的稳定问题，特别是抗拉强度、抗冲击强度、热变形温度、阻燃性能等技术指标，应符合设计和使用要求。下面简要介绍塑料在壁挂炉的水路系统，排烟系统，冷凝系统上各重要零部件应用的技术进展情况，并讨论材料选择、产品结构设计、模具设计的技术要点。

2.1 冷凝及排烟系统

（1）冷凝水收集盒的应用

随着冷凝技术的日趋成熟，由于冷凝机在节能和环保方面的出色表现将成为未来壁挂炉的发展主流。冷凝式壁挂炉结构是在普通机型的基础上增加冷凝换热器，将排烟温度从150℃降低到80℃以下。由于烟气温度降到露点以下将析出腐蚀性的酸性冷凝水，不论是冷凝换热器还是冷凝水收集器及烟道系统，所采用的材料都必须耐腐蚀。目前制作冷凝水收集器及烟道普遍采用不锈钢材料，由于原材料价格高、制作工艺复杂，所以制造成本较高。塑料具有耐腐蚀性强和易加工成型特性，成为取替不锈钢首选。冷凝水收集盒内置冷凝换热器如图1，由于局部温度依然比较高，瞬间耐温可能高达200℃以上，所以要求的塑料不但具有优异的耐酸性，且耐热性要求更高。而玻纤增强的PPS热变形温度超过260℃，长期使用温度高达220℃～240℃，抗腐蚀优良和高阻燃性，使之成为最常用的塑料种类。PPS是一种综合性能优异的热塑性特种工程塑料，其突出的特点是耐高温，耐腐蚀和优越的机械性能广泛应用于汽车，电子，机械工业。

（2）烟管应用

部分冷凝机结构是采用倒烧方法，从排烟口到冷凝盒中间这段烟道会凝结具有腐蚀性的冷凝水，因此多数采用不锈钢管或者铸铝管来制作，由于形状复杂，制作工艺难度大，且材料费用高，可以考虑采用塑料替代金属。PP（聚丙烯）塑料以它耐热性佳，熔点为170～172℃，经改性后连续使用温度高达110℃，优良的化学稳定性并可通吹塑成型较为复杂体积大的烟道。由于PP性价比高，非常合适壁挂炉内部烟道应用。虽然PP存在低温冲击强度差，易脆化，耐候性差的缺点，但是在壁挂炉上使用条件是可以满足要求的。

（3）风机上的应用     

随着人们对壁挂炉使用安全性的重视，为防止排烟中的CO，NOX等多种有毒气体引发中毒，市场上也逐渐淘汰烟道式壁挂炉，取而代之的是平衡机。通过增加排风机将烟气强制排出室外。因为烟气中的CO2，CO等气体带酸性，因此对风机具有一定的腐蚀性。风机高速旋转要求叶轮的平衡性高，否则容易产生噪音。如果采用塑料代替金属作为风机的外壳及叶轮，要求所使用的塑料不单具有优良的耐腐蚀性，长期使用温度在150℃以上，而且要求尺寸稳定性好，强韧性高，能适应风机高速旋转所产生的扭矩，综合了各种工程塑料的特性包括拉伸与弯曲强度，耐热性，耐疲劳性而玻纤增强的PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)以它出色的材质性能成为风机的理想塑料选择。

（4）冷凝换热器上的应用探索   

对冷凝换热器的材料选用从铜翅片到铝翅片再到不锈钢玻纹管的应用，人们总不断的探索一种换热效率好，使用寿命长，价格便宜，工艺更简单的理想材料，在2009年美国某公司成功研制出高导热塑料，导热系数高达100W/mK，耐温高达250℃以上，引起大家的关注。高导热塑料本身具备优越的化学稳定性，并突破了塑料低导热，耐温差的界限，是冷凝换热器材料技术领域的重大创新。

2.2 水路系统                    

壁挂炉的板式换热器上进出水阀体是供暖与卫浴水进出通道，因长期与高温水接触，为防止出现漏水要有足够的强度能承受高水压，因此选用塑料在耐热性及机械强度要有更高的要求。目前国内厂家未能大批量使用塑料代替铜材料作为一些水路上的重要阀体，主要原因是担心塑料强度与刚性不够，易出现变形导致漏水；长期与高温水接触，塑料有吸水性，导致尺寸不稳定，且容易老化；低温环境下，水路一旦出现结冰塑料会出现开裂。因此虽然塑料取替了铜材，能大幅降低成本，节约资源，但在整机可靠性会存在一定的风险，还需时间去验证。而塑料在国外壁挂炉水路上的应用已形成产业化生产，技术已经处于成熟稳定状态，意大利瑞帝安公司生产的储水式壁挂炉应用的水路包括板式换热器上的进出水阀体，电动三通阀体均采用的工程塑料PA66＋30GF。像丹麦的格兰富及德国威乐水泵上的头盖外壳，叶轮近几年开始采用塑料代替铸铝，能制作出非常结构复杂的端盖并能集排气阀，安全阀一体实现多功能化，性能稳定，价格低廉具有很强的市场竞争力。

日本能率、林内公司生产的燃气热水器所用水比例阀、水流量传感器等配件均采用PPS＋30GF，它不仅可靠性高、同时一些复杂结构可以一次性成型，可以与采用金属材料媲美。水流量传感器里装有磁性转子和两个塑料转子支座，转子在水流的推动下高速旋转与转子支座之间摩擦，因此对塑料转子支座耐磨性有较高要求。POM普遍用于制造各种齿轮，轴承，转轮摩擦轴承座等机械设备的结构零部件，因为它具耐磨性好并自润滑，优良的耐疲劳强度，因此目前国内90%以上的配件厂家都采用该材料制作水流量传感器上的转子支座，但它作为一种普通的工程塑料，它的耐热性有限。近两年日本配件厂家普遍采用一种耐高温的材料，可以防止在出现意外干烧引的倒流高温水蒸气，该种材料是采用了PPS作为基质，添加了石墨，四氟乙烯等高耐磨材质，使用的具有耐高温，高耐磨，克服了产品出现意外所带来的风险。由于价格昂贵，目前国内只有少数厂家采用。

    2.3 外观装饰件

壁挂炉上的外观装饰件，在不同部位和不同用途的材料选用要求，可以按以下方法考虑：

1）操作面板，要求表面有良好的光泽，电镀处理效果佳，印刷、喷涂、着色等表面处理工艺性好，而通用塑料ABS以它优异的综合特性广泛用于家用电器外壳及各种制品的外壳。由于ABS耐候性欠佳，表面易变黄，因此在成型过程中一般添加抗UV剂以提高它的抗紫外线能力，使它性能稳定，不易老化。

在力学性能及耐热性有更高的要求情况下，一般在ABS中添加20%～40%的PC，这种塑料合金既具有PC树脂的优良耐热耐候性，尺寸稳定性和耐冲击性能，又具有ABS树脂优良的加工流动性，表面光泽度，其热变形温度高达110℃，采用ABS＋PC合金容易产生应力开裂，特别是低温的使用环境下，因此在受力部位就需要尽量采用圆角光滑过渡。

PP加工过程流动性好，价格便宜，适合于制作大型壳体类产品，如果对外观要求不高，不需电镀的壳体，也是一种理想的选择材料。从性能优势对比ABS＋PC＞ABS＞PP，从价格优势对比PP＞ABS＞ABS＋PC，从加工方便考虑PP＞ABS＞ABS＋PC，因此在对产品材料选择时可综合考虑材料的性价比。

2）按键，它要反复不断的动作，要求有良好的抗疲劳性，耐反复冲击，而PP、ABS、PA都是不错的选型材料。

3）透明片，显示窗上的透明片材料选择如果设计成平板，形状简单可直接采用亚克力板材(PMMA)，再采用冲裁成型，因为它具有极佳的透光性，透光率高达92%以上，表面硬度高和抗划伤能力强，对内置光源具有良好的保护又有现成板材采购，成型模具简单，成为透明片的首先材料。如果非平板及形状复杂只能采用注塑成型，但表面易产生斑点，水花，气纹等一系列缺点，因此对成型工艺要求较高，透明塑料一般采用PS、ABS（透明）、PC、PMMA。

3 塑料产品加工

3.1 产品设计的结构工艺性

在产品开发和生产过程中，产品结构不仅需要满足使用功能要求，包括强度与刚度，而且对于制造工艺的要求也需要充分考虑，对于塑料结构部件，就是符合塑料的成型工艺要求。因为一般来说塑料制品强度和刚度不如钢铁，太薄容易出现漏水，太厚不利于成型，且提高了产品的成本。例如，在产品承受水压的地方，壁厚一般设置在3mm～4mm，并布置合量的加强筋，在与密封胶圈配合地方周圈尽可能做到壁厚均匀，否则收缩不均，造成收缩凹陷、变形，不利于密封。选取径向密封出现椭圆变形量一般不超过0.2mm，密封胶圈的压缩量一般设计为20%～25%，针对径向密封在装配容易出现偏位的，压缩量一般设计为25%～30%，胶圈的内外压缩量等分，这样更利于保证产品的密封性。

3.2 模具设计要点

PPS价格高，因而使用范围受到一定的限制，不过其优异的性能使之渐受到关注，随着价格的降低将成为第六大类工程塑料。在模具设计与成型条件有特别注意的地方。模具选材要能承受高温且耐腐蚀，一般采用加硬不锈钢材料如S136，8407，2083都是比较理想的模芯钢材，淬火硬度48～52HRC。

玻纤增强的PPS往往注塑出来的产品外观出现浮纤，麻点，表面很暗，要打出比较漂亮的外观，必须注意以下两点：第一，模具温度要高，一般要求120℃～150℃，采用运油加热；第二，PPS容易出现困气，模具开排气槽不能完全按常规设计，要增加排渣槽，类似于压铸模具上的排渣槽，这样一方面有利于排气，另一方面避免把排气不良的未端留在产品上，由于PPS脆性大，因此在产品固定或者零件之间的连接尽量避免打自攻螺钉，在无法避免采用螺钉固定时，可以增加嵌件。嵌入塑料中的部分应设计止转和防拔出结构，嵌件周围塑料应适当加厚，以防止塑件应力开裂。                 

４结论

高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已经成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺的重要保证，随着各应用行业的技术发展，将促进新型工程塑料工艺技术的不断发展与完善。燃气壁挂炉采用塑料部件是近年的技术发展重要课题，塑料部件在燃气壁挂炉应用工程实践中已经取得不少成功的经验，随着工程塑料的性能的改善以及燃气壁挂炉设计和工艺技术的发展，将有更多的塑料结构部件用于燃气壁挂炉。

参考文献
[1]夏昭知等，冷凝式燃气热水器，第1版，重庆大学出版社，重庆，2008.
[2]刘正英等，工程塑料改性技术，第1版，北方化学工业出版社，北京，2008.