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电热管PTC加热器原理及功能

文章来源:未知         发布时间:2018-06-08 10:50

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  PTC加热器又叫PTC发热体,采用PTC陶瓷发热元件与铝管组成。该类型PTC加热器有热阻小、换热效率高的优点,是一种自动恒温、省电的电加热器。突出特点在于安全性能上,任何应用情况下均不会产生如电热管类加热器的表面“发红”现象,从而引起烫伤,火灾等安全隐患。

  它由镀锌外压板、不锈钢波纹状弹簧片、镀锌内压板、单层铝散热件、ptc发热片、双层铝散热件、镀镍铜电极端子和pps高温塑胶电极护套所组成。该产品由于采用u型波纹状散热片,提高了其散热率,且综合了胶粘和机械式的优点,并充分考虑到ptc发热件在工作时的各种热、电现象,其结合力强,导热、散热性能优良,效率高,安全可靠。该类型PTC加热器有热阻小、换热效率高的优点,是一种自动恒温、省电的电加热器。它的一大突出特点在于安全性能上,即遇风机故障停转时,PTC加热器因得不到充分散热,其功率会自动急剧下降,此时加热器的表面温度维持在居里温度左右(一般在250℃上下),从而不致产生如电热管类加热器的表面“发红”现象。

  恒温加热PTC热敏电阻具有恒温发热特性,其原理是PTC热敏电阻加电后自热升温使阻值进入跃变区,恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持恒定值,该温度只与PTC热敏电阻的居里温度和外加电压有关,而与环境温度基本无关。 PTC加热器就是利用恒温加热PTC热敏电阻恒温发热特性设计的加热器件。在中小功率加热场合, PTC加热器具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等传统发热元件无法比拟的优势, 在电热器具中的应用越来越受到研发工程师的青睐。 恒温加热PTC热敏电阻可制作成多种外形结构和不同规格,常见的有圆片形、长方形、长条形 、圆环以及蜂窝多孔状等。把上述PTC发热元件和金属构件进行组合可以形成各种形式的大功率PTC加热器。

  (1)以热传导为主的PTC陶瓷加热器。其特点是通过PTC发热元件表面安装的电极板(导电兼传热)绝缘层(隔电兼传热)导热蓄热板(有的还附加有导热胶)等多层传热结构,把PTC元件发出的热量传到被加热的物体上。

  (2)以所形成的热风进行对流式传热的各种PTC陶瓷热风器。其特点是输出功率大,并能自动调节吹出风温和输出热量。

  (3)红外线辐射加热器。其特点实际利用PTC元件或导热板表面迅速发出的热量直接或间接地激发接触其表面的远红外涂料或远红外材料使之辐射出红外线,便构成了PTC陶瓷红外辐射加热器。

  (1)普通实用型PTC陶瓷加热器。这类器具主要有: 电热蚊药驱蚊器、暖手器、干燥器、电热板、电烫斗、电烙铁、电热粘合器、卷发烫发器等。其特点是功率不大,但热效率高很实用。

  (2)自动恒温型PTC加热器。这类器具主要有:小型晶体器件恒温槽、恒温培养箱、电子保温瓶、 保温箱、保温杯、保温盘、保温柜、保温桌等。其特点是自动保温、结构简单、 恒温特性好、热效率高、使用环境温度范围宽。

  (3)热风PTC加热器。这类热风PTC加热器主要有:小型温风取暖器、电吹风、暖房机、烘干机、干衣柜、干衣机、工业烘干设备等。 其特点是输出热风功率大、速热、安全、能自动调节风温和功耗。

  1.恒温加热PTC热敏电阻具有恒温发热特性,其原理是PTC热敏电阻加电后自热升温使阻值进入跃变区,恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持恒定值,该温度只与PTC热敏电阻的居里温度和外加电压有关,而与环境温度基本无关。

  2.PTC加热元件就是利用恒温加热PTC热敏电阻恒温发热特性设计的加热元件件。在中小功率加热场合, PTC加热元件具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等传统发热元件无法比拟的优势, 在电热器具中的应用越来越受到研发工程师的青睐。

  3.恒温加热PTC热敏电阻可制作成多种外形结构和不同规格,常见的有圆片形、长方形、长条形 、圆环以及蜂窝多孔状等。把上述PTC发热元件和金属构件进行组合可以形成各种形式的大功率PTC加热元件。

  在有导热系数较大的材料(如:铝、铜、石墨块等)传导热量的情况下,被加热的固体与PTC加热器的距离S应在30mm内;在导热系数稍大的材料(如:钢铁、不锈钢、钛、导热陶瓷等)传导热量的情况下,被加热的固体与PTC加热器的距离应在10mm内;在导热系数较差的材料(如:塑料、无气孔橡胶、绝缘纸、云母片等)传导热量的情况下,被加热的固体与PTC加热器的距离应在3mm内;不可使用绝热材料(如纤维纸、橡塑、发泡板等)来传导热量。用导热系数较好的材料,被加热的固体与PTC加热器的距离较小,则被加热固体将会获得比较稳定的温度。

  散热结构的面积与PTC陶瓷体的传热面积比,最好不要超过3倍。散热结构的面积所占比例过大,会使被加热固体获得的温度不稳定。

  在25℃5℃的环境温度下,PTC陶瓷加热片的温度公差见表1。但是如果PTC陶瓷加热片安装在散热结构中,温度精度变差,公差要增加。在加热器内部传热较差、以及散热结构的面积与PTC陶瓷体的传热面积比较大的情况下,温度精度都会下降。

  图2是PTC发热/散热平衡关系图。PTC加热器的电阻值,随自身温度的上升而急剧增加。所以当自身温度上升时,发热功率也会急剧下降;当发热功率与散热功率达到平衡时,温度不再上升,功率也不再变化。但是,当散热条件(如环境温度、吹风、浸水等)发生改变时,PTC的功率和温度重新调整,达到新的平衡。

  影响PTC加热器的表面温度因素很多,所以表面恒温温度的精度不可能很高。在需要控温精度很高的场合,可以采用PTC加热器,外加温度控制器的方法。当外加温度控制器出现故障时,PTC加热器的加热表面温度不会超过设定的恒温温度,具有超温保护功能。

  电热驱蚊器、按摩器、保暖器、电烙铁、电熨斗、加湿机、卷发器、直发器、过胶机、电热加香器、热熔胶枪、电熨斗、熔蜡器、电子元件保温、电路板驱潮等。

  用PTC加热器作为固体恒温加热,适应的加热温度为0~300℃,在常温下的加热温度为50~300℃。适应的环境温度为-40~250℃。表面温度太高或太低的PTC比较难制造,甚至没有PTC特性。

  工作电压3.7V~420V,交直流均可。工作电压较低时,PTC的常温电阻很小,电阻-温度变化率也比较小,恒温温度精度要差些;另外在低电压下,加热功率较小,升温速度较慢,甚至不能上升到较高的温度。

  从安全性、可靠性考虑,PTC加热器普遍要比传统的电热丝安全性高,耐绝缘电压高,漏电流比较小而且比较稳定。有的应用场合使用传统电热丝不能通过安全认证,而用PTC加热器可以通过安全认证,所以PTC可以用在安全性要求比较高的场合。但是并不是所有厂家的PTC,所有的PTC,安全性都会达到要求,所以要选择质量优良的PTC生产厂供货。PTC用于固体加热,主要的安全、可靠性问题:一是,PTC陶瓷体击穿烧毁,导致短路,烧毁绝缘层;二是,绝缘层击穿漏电,使外壳带电。

  从成本上考虑,小面积的恒温加热,用PTC加热器可以省掉温度控制和超温保护部分,PTC的体积可以做到很小,安装也相对简单。大加热面积的恒温加热,使用PTC加热器加热温度更均匀性。PTC恒温加热器寿命比传统电热丝加热器寿命长几倍,使用PTC也节省寿命成本、维修成本。

  图5是加热器在容器中的摆放位置。垂直加热管安装相对简单,但是液体上、下层的温度不够均匀。平卧加热管的加热温度比较均匀,但是安装时,需要在容器上打孔,而且安装孔上需要密封处理。弯形加热管的加热温度比较均匀,不需要打孔,但是成本较高。容器底部加热器安装在底部时,加热温度比较均匀。

  与被加热液体接触的金属外壳的材料可以选择:铝硅合金、铝锌合金、铝镁合金、紫铜、黄铜、铁(镀锌等)、304不锈钢、316不锈钢、钛、铜镍合金等,根据用途、液体的性质、液体对金属的腐蚀性等因素来确定选用金属外壳材料。用于油的加热,可用成本较低的铝合金外壳;用于洗涤用水的加热,也可以用铝合金、紫铜、黄铜外壳;食用水的加热可用304不锈钢、316不锈钢。水质比较差时,或是海水,或是用于电镀水溶液的加热,可用钛外壳;腐蚀性较强的液体,可用铜镍合金。此外,在金属外壳表面附着一层氟塑料层,在耐受温度下,可以抵抗绝大多数液体的腐蚀,但是加热功率会显著下降。

  容器底部(或侧面)液体加热器,加热器不直接接触液体,液体不会腐蚀加热器的外壳。但是这种加热器的体积较大,功率较低,成本较高。

  PTC加热管的加热功率-加热时间的关系,与传统的电热丝加热管相差较大。在加热初期PTC加热管的功率从小到大,到达最大值(最大冲击功率)后,逐渐下降,最后稳定(煮水稳定功率)。而干烧的稳定功率要比煮水稳定功率要小很多(干烧功率约为煮水的8%)。

  稳定功率与液体温度有关,液体温度越高,则稳定功率越小。可根据实际使用的条件,规定一个标准的液体温度,当加热管加热后,液体温度从低到高,液体温度达到标准温度时,记录的功率即是标准液体温度下的稳定功率。

  稳定功率与液体的种类有关。液体为水时功率比较大,因为水的比热容较大,流动性较好,容易形成对流;加热其他液体时稳定功率一般都比水小。

  PTC加热管干烧表面温度越高,稳定功率则越大。但是提高表面温度则会引起功率衰减增加,PTC加热片击穿机会增加,粘胶、电线、电热管绝缘层等性能下降,可靠性下降。

  当PTC加热管干烧表面温度与液体温度一样时,加热功率基本为0,就是不再加热。所以PTC加热管干烧表面温度总是会高于液体温度20℃以上,否则无法加热。PTC加热管干烧表面温度与液体温度的差越小,加热管的功率密度就越小,体积就需要越大,成本就要越高。

  最大冲击功率大的加热管,稳定功率不一定大。最大冲击功率过大,则会影响整个供电电路、开关的正常工作;但是如果最大冲击功率过小,则会引起稳定功率达不到要求。

  由于各PTC制造厂的质量有差异,让使用者觉得PTC功率衰减太大。东莞天成的PTC液体加热管,连续一年不间断工作的功率衰减一般在10%左右,完全在用户能够接受的范围。而一些PTC制造厂的PTC,一个月的功率在30%左右,一年连续不间断工作的功率衰减在40~50%,实际上已经无法使用。所以在购买PTC加热管时,一定要做测试功率衰减试验。

  功率衰减与PTC陶瓷加热片的表面温度成正相关,表面温度越高,功率衰减越大。也就是说,降低PTC加热片的表面温度,可以减少功率衰减,但是加热管的体积会增加,成本也会增加。

  功率衰减主要有两种原因,一是PTC陶瓷加热片常温电阻的增加/冲击电流的下降;二是传热结构的松动,使传热变差。

  贮水式热水器,即热式热水器,电开水壶,热饮水机,洗菜、洗碗、洗脸、洗澡、泡脚、足浴的热水,太阳能、热泵热水器的辅助加热,光伏太阳能热水器的电加热,吸油烟机、清洗剂的热水清洗,热水床,电镀槽、柴油汽车油箱、滤清器加热,液压油、润滑油、食用油加热,桑拿、美容、消毒、加湿的产生蒸汽,药水熏蒸,水族、鱼缸池的保温,水管、水龙头、管道、油管的防冻,三元催化、尿素溶液的加热,水热地暖,油汀型、水热散热片的采暖等。

  稳定加热功率可以从10W到10KW。但是对于功率较大的加热管,使用的PTC陶瓷加热片数量比较多,会造成PTC陶瓷加热片击穿的机会增加;此外绝缘面积也比较大,绝缘的失效机会也会增加。所以最好能够分成几根加热管,每根加热管的功率都小些,这样可以减少失效和废品。工作电压范围12V~420V,交直流均可。工作电压较低而且加热功率较大时,冲击电流和稳定电流都会很大,电源难于承受,所以当需要大功率时,最好不用低电压。

  电热丝电热管的优点是成本较低。存在的问题:一是,使用一段时间后,绝缘耐压、漏电流、绝缘电阻超标;二是,不能干烧,如果温度保护装置出现故障,则电热管会因干烧而烧毁,甚至烧坏周边材料,出现火灾;三是,电热丝长期工作后,可能氧化烧毁,影响寿命,甚至造成漏电;四是,当水质不良,含阳离子(钙、镁等)浓度比较大,电热管表面容易出现水垢,表面传热变差,导致内部电热丝烧毁。

  PTC液体发热管可以克服电热丝电热管的缺点,绝缘耐压、漏电流、绝缘电阻优良而稳定,耐干烧,使用寿命长,有水垢也不会烧坏。但是如果PTC制造质量不良,也还可能会出现问题:一是,PTC陶瓷体击穿烧毁,导致短路,烧毁绝缘层;二是,绝缘层击穿漏电,使外壳带电;三是加热功率随使用时间增加而衰减;四是冲击电流过大,造成供电线路和开关故障。PTC发热管用户,应慎重选择PTC加热片,以保证质量的可靠。

  图7是带电型空气加热器,散热器是带电的,PTC陶瓷加热片的电极层直接接触铝散热器,而且铝散热器作为一个电极引出端。带电型空气加热器容易获得较大的功率,成本也比较低;但是由于散热器是带电的,容易存在安全隐患。

  图8是绝缘型空气加热器,散热器与PTC陶瓷加热片是由绝缘的,散热器不带电。绝缘型空气加热器比较安全,但是功率较低,成本较高。

  按散热器的结构分,有波纹结构,插片结构,铝挤型结构,压缩空气管道型加热等。波纹结构的空气加热器,结构比较灵活,长度、宽度,比较容易调整,组成各种尺寸,各种功率,以适应各种风扇尺寸、风管尺寸、以及发热功率的要求。波纹结构加热器的散热器与PTC加热片(或加热管)之间,是通过粘胶粘接的,在高温长时间使用,或长期无风干烧后,粘接胶可能会脱落。插片结构与铝挤型结构的长度可以适当调整,但是宽度难于调整。插片结构给人的印象是结构紧凑、结实,而且风阻也相对较小。

  按是否需要吹风来区分,又分为吹风型与自然对流型空气加热器。吹风型空气加热器的功率比较大,但是需要增加风扇,而且风扇会产生噪声。对流型空气加热器不需要风扇,没有噪声,特别适合卧室加热、床底加热,但是加热功率较小。

  加热功率随加热时间的变化,见图9。刚开始通电时,初始功率还比较小(初始功率一般是最大冲击功率的1/3到1/5),然后加热功率逐渐增加到最大冲击功率,随后功率下降,最后达到稳定功率。在散热过快的情况下,加热器始终处在初始功率,不能达到最大功率,所以稳定的加热功率很小。

  最大冲击功率的数值取决于PTC陶瓷加热片的常温电阻、表面温度、陶瓷体内部的晶粒尺寸、使用电压等。其中倍数C为1~6,PTC陶瓷加热片的表面温度越高,则C越大;常温电阻越大,C也会越大。如果一个加热器内有多个不同电阻的PTC陶瓷加热片,加热器在冷态(室温下)开始通电的最大冲击电流会较小;但是热态(比表面温度低40℃左右的温度下)开始通电,最大冲击电流会较大。最大冲击功率大的空气加热器,稳定功率会稍大一些。最大冲击功率过大,则会影响整个供电电路、开关的正常工作;但是如果最大冲击功率过小,则会引起加热功率达不到要求,甚至吹风风速越大时加热功率越小。

  PTC空气加热器的稳定加热功率与风速有关,一般来说风速越大,散热越快,加热功率越大。一般风扇的风速为3~5m/s。没有吹风的功率是5m/s风速下的功率的10%左右。有需要时,可以通过调节风速来调节加热功率。如果加热器的冲击功率与低风速时的稳定功率接近,则提高风速不能增加功率;风速太大反而会降低功率。

  非绝缘型PTC空气加热器的散热比绝缘型的散热快,所以加热功率也比较大。散热器比较密,受风面积增加,也会增加散热,发热功率也会增加。

  PTC发热片的数量增加,稳定加热功率并不会完全成正比例增加,每个加热片的加热功率会有所下降。

  加热功率与进风温度有关,进风温度越高,则稳定功率越小。当PTC陶瓷加热片的无风干烧表面温度与进风温度一样时,加热功率基本为0,就是不再加热。所以PTC陶瓷加热片的无风干烧表面温度总是会高于进风温度20℃以上,否则无法加热。PTC陶瓷加热片的无风干烧表面温度与进风温度的差越小,加热功率密度就越小,体积就需要越大,成本就要越高。

  当一个加热器的出风温度不能达到所需的高温时,要增加出风温度的话,则需要在沿风向摆放第二个PTC空气加热器。这时,靠近风扇的第一个加热器功率较高;远离风扇的第二个加热器的进风温度较高,所以功率就会低得多,稳定功率往往不到第一个加热器的50%。

  PTC陶瓷加热片的无风干烧表面温度越高,加热功率则越大。但是提高PTC陶瓷加热片的表面温度,加热功率随使用时间衰减增加,PTC加热片击穿机会增加,粘胶、电线、绝缘层等性能下降,铝外壳返松,加热器可靠性下降。

  PTC空气加热器功率衰减的因数主要有:PTC陶瓷加热片电阻增大,粘胶松动,铝散热器松动等。一些PTC制造厂的PTC,一个月的功率在30%以上,所以选择质量好的PTC非常重要,在购买PTC空气加热器时,一定要测试功率衰减。

  功率衰减与PTC陶瓷加热片的表面温度成正相关,表面温度越高,PTC加热片的电阻增加越多,粘接胶越容易松脱,铝散热器越容易返松,功率衰减越大。若使用表面温度250℃以上的PTC加热片来做空气加热器,无风状态下通电,粘胶会在200小时以后强度逐渐下降,松脱。也就是说,降低PTC加热片的表面温度,可以减少功率衰减,但是空气加热器的体积会增加,成本也会增加。

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  稳定加热功率可以从100W到10KW。如果单个加热器的功率小些,可以减少失效,提高合格率,需要功率较大的则可以用多个加热器。工作电压12V~420V,交直流均可。工作电压较低时,冲击电流和稳定电流都会很大,所以当需要大功率时,最好不用低电压。

  电热丝吹风加热器的优点是成本较低,出风温度可以做得比较高,体积可以较小。存在的问题:一是,使用一段时间后,绝缘耐压、漏电流、绝缘电阻超标;二是,不能无风通电,如果风扇停转,风道被遮挡,温度保护装置出现故障,则加热器会因无风超温而烧毁,甚至烧坏周边材料,出现火灾;三是,电热丝长期工作后,可能氧化烧毁,影响寿命,甚至造成漏电;四是,当有可燃性物质附着都在加热器上时,可能会引起燃烧。

  PTC空气加热器可以克服电热丝加热器的缺点,绝缘耐压、漏电流、绝缘电阻优良而稳定,可无风通电,自动保护,不会起火燃烧,使用寿命长。但是如果PTC加热器制造质量不良,也还可能会出现问题:一是,PTC陶瓷体击穿烧毁,导致短路,烧毁绝缘层;二是,加热功率随使用时间增加而衰减,不能达到预期使用寿命。有些PTC加热器生产厂为了降低生产成本而使用低档材料,制造工艺不能严格控制,没有寿命测试试验。不是所有PTC生产厂的PTC加热器都能保证质量,各厂的PTC,在功率衰减、功率精度、冲击电流、耐电压、绝缘性能、使用可靠性等各项性能的控制都有参差,应慎重选择PTC生产厂,以保证质量的可靠。

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