龍啟華

寧波浩嘉電器有限公司 浙江寧波 315400

作為重要的定溫發(fā)熱體，PTC發(fā)熱器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在日常家電產(chǎn)品中。隨著居里點(diǎn)為220℃的PTC發(fā)熱體材料進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)階段，標(biāo)志著中國(guó)具有高科技含量的PTC發(fā)熱器材料正式商品化。在此背景下，對(duì)PTC發(fā)熱器相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，既能夠更加深入了解發(fā)熱器元件特性，還可為行業(yè)人員開(kāi)展研究提供可靠理論。下文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PTC發(fā)熱器應(yīng)用原理和在家用電器中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行研究。

1 PTC發(fā)熱器特性

PTC發(fā)熱器僅花費(fèi)極短時(shí)間便得到廣泛應(yīng)用的原因，主要是其具有傳統(tǒng)發(fā)熱器所不具備的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下方面：

1.1 電流/時(shí)間特性

PTC發(fā)熱元件存在電流與時(shí)間特性，即：當(dāng)發(fā)熱器的材料確定后，進(jìn)入到PTC區(qū)域工作點(diǎn)的熱系統(tǒng)消耗情況也被確定。通常情況下，這一過(guò)程需要經(jīng)過(guò)數(shù)秒到十幾秒，此時(shí)的電流值變化幅度在。在正常工作條件下，發(fā)熱元件部分的額定電流值為9.8Aw-10.2Aw。由此可知，PTC發(fā)熱器具有電流/時(shí)間特性。

另外，對(duì)發(fā)熱元件施加電壓時(shí)，由于元件本身溫度較低，會(huì)呈現(xiàn)出低阻抗特征，當(dāng)元件持續(xù)發(fā)熱進(jìn)入到PTC特性區(qū)域，阻抗效應(yīng)更加明顯，此時(shí)，電流值會(huì)先出現(xiàn)大幅度降低，再達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。電流自接通到相對(duì)穩(wěn)定這一過(guò)程被稱為電流/時(shí)間特性[1]。

1.2 溫度點(diǎn)可變

溫度點(diǎn)可變特性可通過(guò)體積電阻率和溫度特性之間關(guān)系，即ρ和T的相關(guān)性表示。為確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性，需要保證試驗(yàn)在零功率和靜態(tài)條件下開(kāi)展。研究表明，當(dāng)材料高于本身的特征溫度（居里點(diǎn)）時(shí)，材料體積電阻率ρ出現(xiàn)急劇上升，表現(xiàn)出較強(qiáng)的正溫度系數(shù)關(guān)系。

在發(fā)熱器的具體應(yīng)用中，不同類型發(fā)熱器件對(duì)元件工作的溫度點(diǎn)，提出了差異化的要求，為達(dá)到理想溫度狀態(tài)，可使用、置換出一定數(shù)量的，促使居里點(diǎn)發(fā)生位移。在PTC發(fā)熱器中的選擇和應(yīng)用中，相關(guān)人員應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到電流與時(shí)間特性，通過(guò)改變材料和制造工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)ρ值的有效控制。

1.3 電流/電壓特性

PTC發(fā)熱器元件具有安培－伏特性，又被稱為電流/電壓特性，相關(guān)工作點(diǎn)的選擇與熱系統(tǒng)的散熱條件存在緊密關(guān)系，即：額定工作電壓下，發(fā)熱器元件的散熱性能良好并且功率好，反之則較低。

此外，當(dāng)工作系統(tǒng)中的傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)和環(huán)境溫度等條件確定后，發(fā)熱器元件的電流/電壓特性也隨之確定。當(dāng)伏特－安培曲線呈現(xiàn)出雙曲線性狀態(tài)時(shí)，則是電流與電壓的乘積為常數(shù)，此時(shí)達(dá)到熱平衡條件。由于電流/電壓特性存在，因此，發(fā)熱器元件在一定電壓條件下，可始終保持定溫發(fā)熱[2]。

2 PTC發(fā)熱器常見(jiàn)形式

2.1 蜂窩發(fā)熱器

蜂窩式發(fā)熱元件是常見(jiàn)的PTC發(fā)熱器模式，主要被應(yīng)用在電暖風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)和電熱梳器件等風(fēng)量大、體積小的空氣加熱類型裝置中。經(jīng)常應(yīng)用到的蜂窩式發(fā)熱元件有方形結(jié)構(gòu)和圓形結(jié)構(gòu)。通常情況下，圓形結(jié)構(gòu)的直徑在40mm-60mm，其厚度標(biāo)準(zhǔn)一般在4mm-8mm。這一類型的發(fā)熱器較為明顯的標(biāo)志是帶有圓盤式元件，并且在相應(yīng)位置有較多的六角型通孔，通孔密度為50孔cm2-70孔/cm2。同時(shí)，發(fā)熱構(gòu)件中帶有格子壁裝置，其厚度在0.2mm左右，并且在元件的邊緣位置通常安裝一個(gè)或多個(gè)鋁噴鍍電極。

在加熱環(huán)節(jié)，蜂窩式發(fā)熱器通過(guò)控制通風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的調(diào)節(jié)。相關(guān)發(fā)熱器在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通常將3個(gè)-5個(gè)發(fā)熱元件組裝到同一個(gè)金屬框架中，此時(shí)發(fā)熱系統(tǒng)中的功率值可達(dá)到400W-1000W。

2.2 帶式發(fā)熱器

作為全新發(fā)熱元件的帶式發(fā)熱器，其中心區(qū)域有2條平行母線存在，母線附近芯料由PTC制成，在芯料外側(cè)包裹著聚烯烴網(wǎng)，其作用主要是為發(fā)熱元件打造電絕緣空間，保證熱輻射性達(dá)到理想水平。發(fā)熱器最外層材質(zhì)為不銹鋼和銅，這樣設(shè)計(jì)可有效提高發(fā)熱器強(qiáng)度，使其使用壽命得到延長(zhǎng)。

2.3 圓盤發(fā)熱器

該發(fā)熱器的特點(diǎn)是表面發(fā)熱，通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式，達(dá)到對(duì)物體進(jìn)行加熱的目的，其形狀與圓盤相似，早期，主要被用來(lái)為小功率器具、小型器具的發(fā)熱提供技術(shù)支持。隨著技術(shù)的發(fā)展，該發(fā)熱器的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，通過(guò)增設(shè)散熱片的方式，使發(fā)熱量得到顯著增加。

現(xiàn)階段，該發(fā)熱器的形式主要分為以下兩種：其一，發(fā)熱器兩側(cè)均有電極存在，各電極通過(guò)引線進(jìn)行連接。其二，發(fā)熱器兩側(cè)所安裝構(gòu)件為氧化鋁瓷片，通過(guò)用硅橡膠包裹陶瓷片的方式，為陶瓷片打造絕緣空間。除此之外，發(fā)熱器形狀也變得更加多元，在圓盤形的基礎(chǔ)上，新增了長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方發(fā)熱器兩側(cè)所安裝構(gòu)件為梳形電極，這樣設(shè)計(jì)的初衷是對(duì)發(fā)熱器厚度進(jìn)行控制。作為出現(xiàn)時(shí)間最久的熱源，圓盤發(fā)熱器的應(yīng)用方向，主要是驅(qū)蚊器以及暖足器[3]。

2.4 口琴發(fā)熱器

口琴式發(fā)熱元件的種類豐富，可控選擇的尺寸及樣式較多，其主要發(fā)熱單元是空氣加熱裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：將30個(gè)左右較薄的長(zhǎng)方形發(fā)熱元件按照口琴形狀排列，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組裝。在實(shí)際組裝中，相關(guān)人員需要利用金屬電極板將電氣元件連接，最后組裝成形狀類似口琴的發(fā)熱器。

這種類型的PTC發(fā)熱器的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是在調(diào)節(jié)熱量的情況下，操作人員無(wú)需改變發(fā)熱器主體結(jié)構(gòu)外形尺寸，僅僅需要對(duì)組裝元件的片數(shù)進(jìn)行調(diào)整便可獲得預(yù)期發(fā)熱量。利用的主要原理是空氣通過(guò)薄片元件的間隙，與元件部分發(fā)生熱交換，以此獲得較大的熱量。此外，口琴發(fā)熱器也具有壓力損耗量小，電壓耐力較大，還有安裝便利等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用場(chǎng)景較為廣泛，例如，空調(diào)暖機(jī)、除濕器和干燥機(jī)等。

3 PTC發(fā)熱器的日常應(yīng)用

3.1 保溫板

餐桌所安裝保溫板的作用，主要是延長(zhǎng)食物維持適宜溫度的時(shí)間，包括飯菜和茶等?；赑TC發(fā)熱器對(duì)保溫板進(jìn)行制作，其優(yōu)勢(shì)主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，確保限溫及恒溫功能均能夠得到充分發(fā)揮。

3.2 電水壺

除特殊情況外，電水壺內(nèi)部的溫度均應(yīng)維持在72℃-74℃之間，如果沿用傳統(tǒng)的雙金屬材質(zhì)恒溫器，無(wú)論是觸點(diǎn)使用壽命，還是溫度調(diào)節(jié)時(shí)效性以及精確度，均存在無(wú)法達(dá)到預(yù)期水平的可能。用PTC發(fā)熱器替代傳統(tǒng)恒溫器，可使上述問(wèn)題得到有效解決。對(duì)電水壺而言，PCT既能夠起到發(fā)熱器的作用，又可以替代傳感器，確保即便電源電壓或外界溫度發(fā)生變化，電水壺仍然能夠維持原有溫度。

3.3 電熨斗

在電熨斗底板增設(shè)PTC瓷片，在將電極引出的前提下，按照常規(guī)熨斗要求對(duì)其進(jìn)行裝配，便可獲得PTC熨斗。研究表明，通常只需經(jīng)過(guò)12min的加溫，該電熨斗的底板就能夠上升到200℃，加熱所消耗功率約為130W。在穩(wěn)態(tài)工況下，該產(chǎn)品所消耗功率的平均值為90W。

受PTC特點(diǎn)影響，在正常使用過(guò)程中，電熨斗所消耗功率與底板溫度成反比，可通過(guò)增加功耗的方式，使底板消耗熱量得到補(bǔ)償，在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)，電熨斗功耗就能夠由90W上升至150W。在未施加外界負(fù)荷的情況下，該產(chǎn)品只需效果極少功率，便可使自身熱平衡得到維持[4]。

事實(shí)證明，該電熨斗可快速適應(yīng)外電壓所發(fā)生變化，其溫度變化幅度和功率消耗程度，均較常規(guī)電熨斗更小。使用該產(chǎn)品對(duì)毛料衣物、化纖衣物進(jìn)行熨燙，可避免衣物被熨壞的情況出現(xiàn)，在保證熨燙效果的前提下，對(duì)能源進(jìn)行有效節(jié)約，另外，其可靠性及安全性均較常規(guī)電熨斗更加理想。

3.4 暖風(fēng)機(jī)

暖風(fēng)機(jī)并未對(duì)PTC加熱器結(jié)構(gòu)提出明確要求，既可以是口琴式加熱器，也可以是蜂巢式加熱器，還可以借助其他器件，使加熱器傳熱功能得到強(qiáng)化。不同結(jié)構(gòu)加熱器往往對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)勢(shì)和不足，例如，蜂巢式加熱器的構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜，通常要使用多種元件，其成本自然較其他結(jié)構(gòu)加熱器更高。而通過(guò)實(shí)際應(yīng)用能夠發(fā)現(xiàn)，雖然蜂巢式加熱器的熱功率并不固定，但在無(wú)風(fēng)功率和吹風(fēng)功率所對(duì)應(yīng)比值方面，該加熱器的表現(xiàn)極為突出，這也間接說(shuō)明了蜂巢式加熱器的安全性[5]。

3.5 空調(diào)加熱

現(xiàn)階段，多數(shù)國(guó)家均已引入口琴式PTC，作為對(duì)空調(diào)進(jìn)行加熱的主要設(shè)備，此類產(chǎn)品的常見(jiàn)參數(shù)如下表1：

表1 空調(diào)加熱器參數(shù)

與常規(guī)口琴式加熱器相比，經(jīng)過(guò)強(qiáng)化傳熱處理的PTC，主要具有以下優(yōu)勢(shì)：一是對(duì)不重要元件進(jìn)行了合并或省略，使產(chǎn)品造價(jià)得到有效控制；二是在功率相同的前提下，處理后器件的出風(fēng)口，其溫度較常規(guī)器件更高。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文基于PTC發(fā)熱器將其應(yīng)用展開(kāi)研究，提出發(fā)熱器元件具有時(shí)間/電流特性、溫度可變特性和電流/電壓特性，通過(guò)分析不同發(fā)熱器的應(yīng)用形式，進(jìn)一步證實(shí)了上述特性。同時(shí)，在研究過(guò)程中，以保溫板、電水壺、電熨斗、暖風(fēng)機(jī)和空調(diào)加熱器為例，對(duì)PTC發(fā)熱器的應(yīng)用方式和具體路徑進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出PTC發(fā)熱器應(yīng)用場(chǎng)景廣泛這一觀點(diǎn)。日后，在PTC發(fā)熱器的研究中，相關(guān)人員應(yīng)將關(guān)注重心放在功率較大和溫度較高發(fā)熱元件上，通過(guò)先進(jìn)理論和技術(shù)投入，使PTC發(fā)熱器在使用過(guò)程中具有安全可靠性能。