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    青島電器:PTC加熱器工作原理分析

    2020-10-14 13:15:43

    PTC加熱器又叫PTC發熱體,采用PTC陶瓷發熱元件與鋁管組成。該類型PTC加熱器有熱阻小、換熱效率高的優點,是一種自動恒溫、省電的電加熱器。突出特點在于安全性能上,任何應用情況下均不會產生如電熱管類加熱器的表面“發紅”現象,從而引起燙傷,火災等安全隱患。它由鍍鋅外壓板、不銹鋼波紋狀彈簧片、鍍鋅內壓板、單層鋁散熱件、ptc發熱片、雙層鋁散熱件、鍍鎳銅電極端子和pps高溫塑膠電極護套所組成。該產品由于采用u型波紋狀散熱片,提高了其散熱率,且綜合了膠粘和機械式的優點,并充分考慮到ptc發熱件在工作時的各種熱、電現象,其結合力強,導熱、散熱性能優良,效率高,安全可靠。該類型PTC加熱器有熱阻小、換熱效率高的優點,是一種自動恒溫、省電的電加熱器。它的一大突出特點在于安全性能上,即遇風機故障停轉時,PTC加熱器因得不到充分散熱,其功率會自動急劇下降,此時加熱器的表面溫度維持在居里溫度左右(一般在250℃上下),從而不致產生如電熱管類加熱器的表面“發紅”現象。恒溫加熱PTC熱敏電阻具有恒溫發熱特性,其原理是PTC熱敏電阻加電后自熱升溫使阻值進入躍變區,恒溫加熱PTC熱敏電阻表面溫度將保持恒定值,該溫度只與PTC熱敏電阻的居里溫度和外加電壓有關,而與環境溫度基本無關。 PTC加熱器就是利用恒溫加熱PTC熱敏電阻恒溫發熱特性設計的加熱器件。在中小功率加熱場合, PTC加熱器具有恒溫發熱、無明火、熱轉換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等傳統發熱元件無法比擬的優勢, 在電熱器具中的應用越來越受到研發工程師的青睞。 恒溫加熱PTC熱敏電阻可制作成多種外形結構和不同規格,常見的有圓片形、長方形、長條形 、圓環以及蜂窩多孔狀等。把上述PTC發熱元件和金屬構件進行組合可以形成各種形式的大功率PTC加熱器。(1)以熱傳導為主的PTC陶瓷加熱器。其特點是通過PTC發熱元件表面安裝的電極板(導電兼傳熱)絕緣層(隔電兼傳熱)導熱蓄熱板(有的還附加有導熱膠)等多層傳熱結構,把PTC元件發出的熱量傳到被加熱的物體上。(2)以所形成的熱風進行對流式傳熱的各種PTC陶瓷熱風器。其特點是輸出功率大,并能自動調節吹出風溫和輸出熱量。(3)紅外線輻射加熱器。其特點實際利用PTC元件或導熱板表面迅速發出的熱量直接或間接地激發接觸其表面的遠紅外涂料或遠紅外材料使之輻射出紅外線,便構成了PTC陶瓷紅外輻射加熱器。(1)普通實用型PTC陶瓷加熱器。這類器具主要有: 電熱蚊藥驅蚊器、暖手器、干燥器、電熱板、電燙斗、電烙鐵、電熱粘合器、卷發燙發器等。其特點是功率不大,但熱效率高很實用。(2)自動恒溫型PTC加熱器。這類器具主要有:小型晶體器件恒溫槽、恒溫培養箱、電子保溫瓶、 保溫箱、保溫杯、保溫盤、保溫柜、保溫桌等。其特點是自動保溫、結構簡單、 恒溫特性好、熱效率高、使用環境溫度范圍寬。(3)熱風PTC加熱器。這類熱風PTC加熱器主要有:小型溫風取暖器、電吹風、暖房機、烘干機、干衣柜、干衣機、工業烘干設備等。 其特點是輸出熱風功率大、速熱、安全、能自動調節風溫和功耗。空調PTC波紋發熱器是一種自控制溫度加熱器。1.恒溫加熱PTC熱敏電阻具有恒溫發熱特性,其原理是PTC熱敏電阻加電后自熱升溫使阻值進入躍變區,恒溫加熱PTC熱敏電阻表面溫度將保持恒定值,該溫度只與PTC熱敏電阻的居里溫度和外加電壓有關,而與環境溫度基本無關。2.PTC加熱元件就是利用恒溫加熱PTC熱敏電阻恒溫發熱特性設計的加熱元件件。在中小功率加熱場合, PTC加熱元件具有恒溫發熱、無明火、熱轉換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等傳統發熱元件無法比擬的優勢, 在電熱器具中的應用越來越受到研發工程師的青睞。3.恒溫加熱PTC熱敏電阻可制作成多種外形結構和不同規格,常見的有圓片形、長方形、長條形 、圓環以及蜂窩多孔狀等。把上述PTC發熱元件和金屬構件進行組合可以形成各種形式的大功率PTC加熱元件。1. 固體恒溫加熱。1.1 固體加熱器結構。

    PTC加熱器原理及功能
    PTC加熱器原理及功能

    在有導熱系數較大的材料(如:鋁、銅、石墨塊等)傳導熱量的情況下,被加熱的固體與PTC加熱器的距離S應在30mm內;在導熱系數稍大的材料(如:鋼鐵、不銹鋼、鈦、導熱陶瓷等)傳導熱量的情況下,被加熱的固體與PTC加熱器的距離應在10mm內;在導熱系數較差的材料(如:塑料、無氣孔橡膠、絕緣紙、云母片等)傳導熱量的情況下,被加熱的固體與PTC加熱器的距離應在3mm內;不可使用絕熱材料(如纖維紙、橡塑、發泡板等)來傳導熱量。用導熱系數較好的材料,被加熱的固體與PTC加熱器的距離較小,則被加熱固體將會獲得比較穩定的溫度。散熱結構的面積與PTC陶瓷體的傳熱面積比,一般不要超過3倍。散熱結構的面積所占比例過大,會使被加熱固體獲得的溫度不穩定。1.2 表面溫度。在25℃±5℃的環境溫度下,PTC陶瓷加熱片的溫度公差見表1。但是如果PTC陶瓷加熱片安裝在散熱結構中,溫度精度變差,公差要增加。在加熱器內部傳熱較差、以及散熱結構的面積與PTC陶瓷體的傳熱面積比較大的情況下,溫度精度都會下降。表1。

    PTC加熱器原理及功能
    PTC加熱器原理及功能
    PTC加熱器原理及功能
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    圖2是PTC發熱/散熱平衡關系圖。PTC加熱器的電阻值,隨自身溫度的上升而急劇增加。所以當自身溫度上升時,發熱功率也會急劇下降;當發熱功率與散熱功率達到平衡時,溫度不再上升,功率也不再變化。但是,當散熱條件(如環境溫度、吹風、浸水等)發生改變時,PTC的功率和溫度重新調整,達到新的平衡。影響PTC表面溫度的因素,見表2。

    表2。

    PTC加熱器原理及功能
    PTC加熱器原理及功能

    影響PTC加熱器的表面溫度因素很多,所以表面恒溫溫度的精度不可能很高。在需要控溫精度很高的場合,可以采用PTC加熱器,外加溫度控制器的方法。當外加溫度控制器出現故障時,PTC加熱器的加熱表面溫度不會超過設定的恒溫溫度,具有超溫保護功能。1.3 升溫速度。PTC加熱器的升溫速度的影響因素見表3。

    PTC加熱器原理及功能

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    1.4 應用場合。

    電熱驅蚊器、按摩器、保暖器、電烙鐵、電熨斗、加濕機、卷發器、直發器、過膠機、電熱加香器、熱熔膠槍、電熨斗、熔蠟器、電子元件保溫、電路板驅潮等。用PTC加熱器作為固體恒溫加熱,適應的加熱溫度為0~300℃,在常溫下的加熱溫度為50~300℃。適應的環境溫度為-40~250℃。表面溫度太高或太低的PTC比較難制造,甚至沒有PTC特性。工作電壓3.7V~420V,交直流均可。工作電壓較低時,PTC的常溫電阻很小,電阻-溫度變化率也比較小,恒溫溫度精度要差些;另外在低電壓下,加熱功率較小,升溫速度較慢,甚至不能上升到較高的溫度。從安全性、可靠性考慮,PTC加熱器普遍要比傳統的電熱絲安全性高,耐絕緣電壓高,漏電流比較小而且比較穩定。有的應用場合使用傳統電熱絲不能通過安全認證,而用PTC加熱器可以通過安全認證,所以PTC可以用在安全性要求比較高的場合。但是并不是所有廠家的PTC,所有的PTC,安全性都會達到要求,所以要選擇質量優良的PTC生產廠供貨。PTC用于固體加熱,主要的安全、可靠性問題:一是,PTC陶瓷體擊穿燒毀,導致短路,燒毀絕緣層;二是,絕緣層擊穿漏電,使外殼帶電。從成本上考慮,小面積的恒溫加熱,用PTC加熱器可以省掉溫度控制和超溫保護部分,PTC的體積可以做到很小,安裝也相對簡單。大加熱面積的恒溫加熱,使用PTC加熱器加熱溫度更均勻性。PTC恒溫加熱器壽命比傳統電熱絲加熱器壽命長幾倍,使用PTC也節省壽命成本、維修成本。2. 液體(包括水、柴油、液壓油等)加熱。2.1液體加熱器結構。

    PTC加熱器原理及功能
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    圖3是浸入式液體加熱器的結構圖。圖5是加熱器在容器中的擺放位置。垂直加熱管安裝相對簡單,但是液體上、下層的溫度不夠均勻。平臥加熱管的加熱溫度比較均勻,但是安裝時,需要在容器上打孔,而且安裝孔上需要密封處理。彎形加熱管的加熱溫度比較均勻,不需要打孔,但是成本較高。容器底部加熱器安裝在底部時,加熱溫度比較均勻。與被加熱液體接觸的金屬外殼的材料可以選擇:鋁硅合金、鋁鋅合金、鋁鎂合金、紫銅、黃銅、鐵(鍍鋅等)、304不銹鋼、316不銹鋼、鈦、銅鎳合金等,根據用途、液體的性質、液體對金屬的腐蝕性等因素來確定選用金屬外殼材料。用于油的加熱,可用成本較低的鋁合金外殼;用于洗滌用水的加熱,也可以用鋁合金、紫銅、黃銅外殼;食用水的加熱可用304不銹鋼、316不銹鋼。水質比較差時,或是海水,或是用于電鍍水溶液的加熱,可用鈦外殼;腐蝕性較強的液體,可用銅鎳合金。此外,在金屬外殼表面附著一層氟塑料層,在耐受溫度下,可以抵抗絕大多數液體的腐蝕,但是加熱功率會顯著下降。容器底部(或側面)液體加熱器,加熱器不直接接觸液體,液體不會腐蝕加熱器的外殼。但是這種加熱器的體積較大,功率較低,成本較高。2.2 加熱功率。PTC加熱管的加熱功率-加熱時間的關系,與傳統的電熱絲加熱管相差較大。在加熱初期PTC加熱管的功率從小到大,到達MAX值(MAX沖擊功率)后,逐漸下降,最后穩定(煮水穩定功率)。而干燒的穩定功率要比煮水穩定功率要小很多(干燒功率約為煮水的8%)。穩定功率與液體溫度有關,液體溫度越高,則穩定功率越小??筛鶕嶋H使用的條件,規定一個標準的液體溫度,當加熱管加熱后,液體溫度從低到高,液體溫度達到標準溫度時,記錄的功率即是標準液體溫度下的穩定功率。穩定功率與液體的種類有關。液體為水時功率比較大,因為水的比熱容較大,流動性較好,容易形成對流;加熱其他液體時穩定功率一般都比水小。PTC加熱管干燒表面溫度越高,穩定功率則越大。但是提高表面溫度則會引起功率衰減增加,PTC加熱片擊穿機會增加,粘膠、電線、絕緣層等性能下降,可靠性下降。當PTC加熱管干燒表面溫度與液體溫度一樣時,加熱功率基本為0,就是不再加熱。所以PTC加熱管干燒表面溫度總是會高于液體溫度20℃以上,否則無法加熱。PTC加熱管干燒表面溫度與液體溫度的差越小,加熱管的功率密度就越小,體積就需要越大,成本就要越高。MAX沖擊功率大的加熱管,穩定功率不一定大。MAX沖擊功率過大,則會影響整個供電電路、開關的正常工作;但是如果MAX沖擊功率過小,則會引起穩定功率達不到要求。2.3 功率衰減。由于各PTC制造廠的質量有差異,讓使用者覺得PTC功率衰減太大。青島瓦特的PTC液體加熱管,連續一年不間斷工作的功率衰減一般在10%左右,完全在用戶能夠接受的范圍。而一些PTC制造廠的PTC,一個月的功率在30%左右,一年連續不間斷工作的功率衰減在40~50%,實際上已經無法使用。所以在購買PTC加熱管時,一定要做測試功率衰減試驗。功率衰減與PTC陶瓷加熱片的表面溫度成正相關,表面溫度越高,功率衰減越大。也就是說,降低PTC加熱片的表面溫度,可以減少功率衰減,但是加熱管的體積會增加,成本也會增加。功率衰減主要有兩種原因,一是PTC陶瓷加熱片常溫電阻的增加/沖擊電流的下降;二是傳熱結構的松動,使傳熱變差。2.4 應用場合。貯水式熱水器,即熱式熱水器,電開水壺,熱飲水機,洗菜、洗碗、洗臉、洗澡、泡腳、足浴的熱水,太陽能、熱泵熱水器的輔助加熱,光伏太陽能熱水器的電加熱,吸油煙機、清洗劑的熱水清洗,熱水床,電鍍槽、柴油汽車油箱、濾清器加熱,液壓油、潤滑油、食用油加熱,桑拿、美容、消毒、加濕的產生蒸汽,藥水熏蒸,水族、魚缸池的保溫,水管、水龍頭、管道、油管的防凍,三元催化、尿素溶液的加熱,水熱地暖,油汀型、水熱散熱片的采暖等。穩定加熱功率可以從10W到10KW。但是對于功率較大的加熱管,使用的PTC陶瓷加熱片數量比較多,會造成PTC陶瓷加熱片擊穿的機會增加;此外絕緣面積也比較大,絕緣的失效機會也會增加。所以一般能夠分成幾根加熱管,每根加熱管的功率都小些,這樣可以減少失效和廢品。工作電壓范圍12V~420V,交直流均可。工作電壓較低而且加熱功率較大時,沖擊電流和穩定電流都會很大,電源難于承受,所以當需要大功率時,一般不用低電壓。電熱絲電熱管的優點是成本較低。存在的問題:一是,使用一段時間后,絕緣耐壓、漏電流、絕緣電阻超標;二是,不能干燒,如果溫度保護裝置出現故障,則電熱管會因干燒而燒毀,甚至燒壞周邊材料,出現火災;三是,電熱絲長期工作后,可能氧化燒毀,影響壽命,甚至造成漏電;四是,當水質不良,含陽離子(鈣、鎂等)濃度比較大,電熱管表面容易出現水垢,表面傳熱變差,導致內部電熱絲燒毀。PTC液體發熱管可以克服電熱絲電熱管的缺點,絕緣耐壓、漏電流、絕緣電阻優良而穩定,耐干燒,使用壽命長,有水垢也不會燒壞。但是如果PTC制造質量不良,也還可能會出現問題:一是,PTC陶瓷體擊穿燒毀,導致短路,燒毀絕緣層;二是,絕緣層擊穿漏電,使外殼帶電;三是加熱功率隨使用時間增加而衰減;四是沖擊電流過大,造成供電線路和開關故障。PTC發熱管用戶,應慎重選擇PTC加熱片,以保證質量的可靠。3. 空氣加熱。3.1 空氣加熱器結構??諝饧訜岬慕Y構,按散熱器是否帶電區分,分為帶電型與絕緣型。圖7是帶電型空氣加熱器,散熱器是帶電的,PTC陶瓷加熱片的電極層直接接觸鋁散熱器,而且鋁散熱器作為一個電極引出端。帶電型空氣加熱器容易獲得較大的功率,成本也比較低;但是由于散熱器是帶電的,容易存在安全隱患。圖8是絕緣型空氣加熱器,散熱器與PTC陶瓷加熱片是由絕緣的,散熱器不帶電。絕緣型空氣加熱器比較安全,但是功率較低,成本較高。

    PTC加熱器原理及功能
    PTC加熱器原理及功能

    按散熱器的結構分,有波紋結構,插片結構,鋁擠型結構,壓縮空氣管道型加熱等。波紋結構的空氣加熱器,結構比較靈活,長度、寬度,比較容易調整,組成各種尺寸,各種功率,以適應各種風扇尺寸、風管尺寸、以及發熱功率的要求。波紋結構加熱器的散熱器與PTC加熱片(或加熱管)之間,是通過粘膠粘接的,在高溫長時間使用,或長期無風干燒后,粘接膠可能會脫落。插片結構與鋁擠型結構的長度可以適當調整,但是寬度難于調整。插片結構給人的印象是結構緊湊、結實,而且風阻也相對較小。按是否需要吹風來區分,又分為吹風型與自然對流型空氣加熱器。吹風型空氣加熱器的功率比較大,但是需要增加風扇,而且風扇會產生噪聲。對流型空氣加熱器不需要風扇,沒有噪聲,特別適合臥室加熱、床底加熱,但是加熱功率較小。3.2 加熱功率。加熱功率隨加熱時間的變化,見圖9。剛開始通電時,初始功率還比較?。ǔ跏脊β室话闶荕AX沖擊功率的1/3到1/5),然后加熱功率逐漸增加到MAX沖擊功率,隨后功率下降,最后達到穩定功率。在散熱過快的情況下,加熱器始終處在初始功率,不能達到MAX功率,所以穩定的加熱功率很小。MAX沖擊功率 =C * 使用電壓/常溫電阻MAX沖擊功率的數值取決于PTC陶瓷加熱片的常溫電阻、表面溫度、陶瓷體內部的晶粒尺寸、使用電壓等。其中倍數C為1~6,PTC陶瓷加熱片的表面溫度越高,則C越大;常溫電阻越大,C也會越大。如果一個加熱器內有多個不同電阻的PTC陶瓷加熱片,加熱器在冷態(室溫下)開始通電的MAX沖擊電流會較??;但是熱態(比表面溫度低40℃左右的溫度下)開始通電,MAX沖擊電流會較大。MAX沖擊功率大的空氣加熱器,穩定功率會稍大一些。MAX沖擊功率過大,則會影響整個供電電路、開關的正常工作;但是如果MAX沖擊功率過小,則會引起加熱功率達不到要求,甚至吹風風速越大時加熱功率越小。PTC空氣加熱器的穩定加熱功率與風速有關,一般來說風速越大,散熱越快,加熱功率越大。一般風扇的風速為3~5m/s。沒有吹風的功率是5m/s風速下的功率的10%左右。有需要時,可以通過調節風速來調節加熱功率。如果加熱器的沖擊功率與低風速時的穩定功率接近,則提高風速不能增加功率;風速太大反而會降低功率。非絕緣型PTC空氣加熱器的散熱比絕緣型的散熱快,所以加熱功率也比較大。散熱器比較密,受風面積增加,也會增加散熱,發熱功率也會增加。PTC發熱片的數量增加,穩定加熱功率并不會完全成正比例增加,每個加熱片的加熱功率會有所下降。PTC空氣加熱器的加熱功率與影響因素的關系式如下:穩定加熱功率 = 散熱系數*(干燒溫度-進風溫度)加熱功率與進風溫度有關,進風溫度越高,則穩定功率越小。當PTC陶瓷加熱片的無風干燒表面溫度與進風溫度一樣時,加熱功率基本為0,就是不再加熱。所以PTC陶瓷加熱片的無風干燒表面溫度總是會高于進風溫度20℃以上,否則無法加熱。PTC陶瓷加熱片的無風干燒表面溫度與進風溫度的差越小,加熱功率密度就越小,體積就需要越大,成本就要越高。當一個加熱器的出風溫度不能達到所需的高溫時,要增加出風溫度的話,則需要在沿風向擺放第二個PTC空氣加熱器。這時,靠近風扇的first加熱器功率較高;遠離風扇的第二個加熱器的進風溫度較高,所以功率就會低得多,穩定功率往往不到first加熱器的50%。PTC陶瓷加熱片的無風干燒表面溫度越高,加熱功率則越大。但是提高PTC陶瓷加熱片的表面溫度,加熱功率隨使用時間衰減增加,PTC加熱片擊穿機會增加,粘膠、電線、絕緣層等性能下降,鋁外殼返松,加熱器可靠性下降。3.3 功率衰減。PTC空氣加熱器功率衰減的因數主要有:PTC陶瓷加熱片電阻增大,粘膠松動,鋁散熱器松動等。一些PTC制造廠的PTC,一個月的功率在30%以上,所以選擇質量好的PTC非常重要,在購買PTC空氣加熱器時,一定要測試功率衰減。功率衰減與PTC陶瓷加熱片的表面溫度成正相關,表面溫度越高,PTC加熱片的電阻增加越多,粘接膠越容易松脫,鋁散熱器越容易返松,功率衰減越大。若使用表面溫度250℃以上的PTC加熱片來做空氣加熱器,無風狀態下通電,粘膠會在200小時以后強度逐漸下降,松脫。也就是說,降低PTC加熱片的表面溫度,可以減少功率衰減,但是空氣加熱器的體積會增加,成本也會增加。3.4 應用場合。暖風機,空調機,衣物、鞋、手、干燥劑、茶葉、農產品的熱風烘干,衣柜、書柜、鞋柜、房間、浴室、廠房、商場、倉庫、電控柜、高鐵動車車廂、電氣設備、儲物的加熱或干燥,隧道式烘箱,壓縮空氣加熱,電池放電負荷。穩定加熱功率可以從100W到10KW。如果單個加熱器的功率小些,可以減少失效,提高合格率,需要功率較大的則可以用多個加熱器。工作電壓12V~420V,交直流均可。工作電壓較低時,沖擊電流和穩定電流都會很大,所以當需要大功率時,一般不用低電壓。電熱絲吹風加熱器的優點是成本較低,出風溫度可以做得比較高,體積可以較小。存在的問題:一是,使用一段時間后,絕緣耐壓、漏電流、絕緣電阻超標;二是,不能無風通電,如果風扇停轉,風道被遮擋,溫度保護裝置出現故障,則加熱器會因無風超溫而燒毀,甚至燒壞周邊材料,出現火災;三是,電熱絲長期工作后,可能氧化燒毀,影響壽命,甚至造成漏電;四是,當有可燃性物質附著都在加熱器上時,可能會引起燃燒。微信圖片_20200907165240.jpg

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