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摘要：本文主要通过介绍了轨道车辆现有电加热器与新型碳纤维发热膜的优缺点对比，推出了新型的墙板电加热器结构，并进行应用可行性的分析。
关键词：轨道车辆；墙板；碳纤维发热膜
一、前言
目前轨道车辆在冬季的主要采暖方式为空调机组制热和客室电加热器制热两种方式。在冬季较寒冷地区，仅依靠空调机组的制热不能满足车内的采暖需求，都需要配备有辅助的客室电加热器。客室电加热器包含有自然通风式的电加热器和暖风机两种，一般安装在墙板或客室座椅下部等。现有电加热器的主要发热元件有铝型材板和电热管两种，为电阻式发热，其热传递方式为对流传递。自然通风式的电加热器根据罩板材质不同可分为铝型材电加热器和不锈钢电加热器，其中铝型材电加热器的底板和罩板需要开模具，成本较高。如车内设有暖风机，还会增加车内的噪音。现有电加热器主要的缺点是占用车辆空间、热量分布不均匀、增加车辆的制造成本等。
发热膜是近年来新兴的一种发热元件，它结合了PTC和导电涂料两种发热元件的特点制造而成，其中碳纤维发热膜具有耐腐蚀性、抗氧化性、高稳定性、寿命长、电-热转换率高等特点，已广泛应用到民用地暖和航空行业等等。为此，将碳纤维发热膜应用到轨道车辆上，取代现有电加热器，可作为一个研究的方向。
二、碳纤维发热膜的技术特点
碳纤维发热膜的发热材料为碳纤维，其中碳纤维分有聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维。碳纤维是由含炭量较高（通常在90%以上）的原料纤维，经200℃~300℃的热稳定氧化、1000℃～2000℃的碳化及石墨化处理而成的一种高强度、高模量纤维。碳纤维具有很高的化学稳定性和耐高温性能，且有良好的导电性和柔软性，可用于制作各种发热膜。
碳纤维发热膜相对现有的发热元件具有以下几个优点：
1）碳纤维发热膜物理性能稳定，加热功率变化小，安全可靠，使用寿命长。
2）碳纤维发热膜具有良好的导热性能，导热系数最高可达700W/（m•K），约是铜（377 W/（m•K））的1.9倍，是铝（230 W/（m•K））的3倍，是钢（45 W/（m•K））的15.6倍。
3）电-热转换效率高。碳纤维发热膜的热传递方式为热辐射，在能量转换过程中几乎没有其它形式的能量损失，电-热转换效率达到了97%以上。
4）电磁辐射小。碳纤维发热膜在加热工作过程中，产生的电磁辐射量很小，约为0.1—1.0μT，不会对人体构成危害。
5）体积小、质量轻。碳纤维发热膜厚度薄，一般1mm以内，且质量比重只约为300g/m²。
6）热均匀性好。碳纤维发热膜有效发热面积大，发热速度快，表面温差小，热均匀性好，同时以热辐射为主，体感温度舒适。
三、碳纤维发热膜在轨道车辆上的应用分析
轨道车辆客室墙板一般采用铝板制作而成，厚度约3mm，沿车长方向布置，墙板背面可利用空间大，可设有电加热元件。如果将碳纤维发热膜与内装墙板做为一个整体，即节省了车内的空间，又能减少车辆的制造成本。墙板靠地板面，且又靠近座位上的乘客，当墙板电热器工作时，电加热器辐射出的热量能够很快满足乘客的采暖需求，且热气能从下部往上部流动，使得车厢内的各个地方温度均匀。某车型的客室墙板结构如图1所示，墙板上部固定在车体安装座上，下部安装在地板的挡水板上，墙板中部用于电加热元件的布置。
①为墙板表面外观层；②为绝缘层；③为碳纤维发热膜层；④为绝缘反射层；⑤为隔热保温层；⑥为车辆的车体结构层；其中①~⑤层为墙板电加热器组成体，总厚度约15mm，能够满足车辆的安装。本结构方案，在碳纤维发热膜与墙板之间设有绝缘层，能够保证绝缘安全；在碳纤维发热膜背面设有绝缘反射层和隔热保温层，能够保证发热膜所产生的热量最大程度的辐射到客室内部。
墙板电加热器可以设有两级温度保护器：其中一级温度保护器为可恢复式，当发热膜温度达到设定值时，温度保护器将断开，电加热器停止工作，待温度下降后，温度保护器自动闭合，电加热器开始工作；二级温度保护器为不可恢复式，当发热膜温度达到设定值时，温度保护器将直接断开，电加热器不再工作。有着两级温度保护，能够保证电加热器的正常安全工作。
碳纤维发热膜的表面温升不超过45℃，乘客可以直接接触，不会有烫伤的安全隐患。碳纤维发热膜的最大面功率约为450W/m²，取轨道车辆每侧的客室墙板长度为18.5m、墙板下部可利用的高度空间为0.45m，则每车可布置的电加热功率为7KW左右，能够满足一般车辆的采暖需求。
墙板电加热器除了具有碳纤维发热膜本身的优点外，还有以下几方面的优点：
1）墙板与电加热器一体化设计，节省了电加热器占用车内的空间，也能够提高车内的整体美观性。
2）电加热器不再单独设计，节省了车辆制造的成本；
3）碳纤维发热膜为非金属材料，体积小、质量轻，更能满足车辆的轻量化设计要求；
4）墙板电加热器，无需再设置风机，也可以减小车内的噪音值。
四、结论
新型结构的墙板电加热器在多方面性能上优于现有电加热器，是一个可研究的方向。但是碳纤维发热膜目前多用在民用上，轨道车辆因结构、运营环境较复杂，还需要通过各种地面上的试验验证以及试装车的运营考核，逐步将墙板电加热器结构优化完善后，才能真正应用到轨道车辆上。
参考文献：
[1] 刘鹰.常用碳纤维发热元件性能分析及应用.工业加热，2015.
[2] 罗慧英.轨道车辆地板电加热膜国产化研发可行性分析.科技资讯，2013.
论文作者:何文辉,邵晓海,汪科成
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
标签：碳纤维论文; 电加热器论文; 墙板论文; 车辆论文; 轨道论文; 客室论文; 温度论文; 《基层建设》2018年第5期论文;