PTC加熱器件在智能家居產(chǎn)品中的應(yīng)用

趙 軍

（深圳市天翔宇科技有限公司，廣東深圳 518000）

隨著信息與體驗(yàn)時(shí)代的到來(lái)，智能家居產(chǎn)品在市場(chǎng)逐漸發(fā)展，是社會(huì)科技不斷進(jìn)步的體現(xiàn)；而PTC加熱器件在智能家居產(chǎn)品中的安全性、自動(dòng)恒溫、節(jié)能環(huán)保帶給人們的體驗(yàn)感上滿(mǎn)足了現(xiàn)代生活的理念，在智能家居中，PTC 加熱器件作為基本的電子部件發(fā)揮著極大的作用。

1 PTC加熱器件概述

PTC 加熱器由PTC 的陶瓷導(dǎo)熱部分和鋁管組成，具有熱阻低、換熱效率高的特性，其最明顯優(yōu)勢(shì)就是在安全功能方面，在任何情形下，表面都不會(huì)產(chǎn)生“發(fā)紅”的現(xiàn)象，以及因此而產(chǎn)生的燙傷、燃燒等安全隱患事件的發(fā)生。

1.1 PTC加熱器件原理

PTC 器件可以當(dāng)作是一個(gè)純電阻負(fù)載看，當(dāng)電流通過(guò)電阻時(shí)，電能將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為熱能，使電阻發(fā)熱，所以就是利用電阻發(fā)熱的原理來(lái)進(jìn)行加工加熱。但是由于PTC 器件還具有一個(gè)特性，那就是在常溫（或者室溫）狀態(tài)下，該器件的阻值較小，所以剛通電開(kāi)始，電流比較大而加熱相對(duì)較快，然而，當(dāng)PTC 實(shí)現(xiàn)了它自身的“溫度居里點(diǎn)”時(shí)，其電阻將急劇上升，由于電阻的上升而使通過(guò)的電流變小，而電流的變小，又會(huì)使發(fā)熱量變小，就“自動(dòng)衡定”在一個(gè)溫度范圍內(nèi)。

1.2 PTC加熱器件特點(diǎn)

（1）節(jié)省成本，使用壽命長(zhǎng)。它雖然能夠調(diào)節(jié)加熱器的加熱速度，但沒(méi)有通過(guò)特殊溫度控制器、高熱阻熱電偶，以及其他特殊溫度傳感器產(chǎn)生的溫度反饋。其溫度控制調(diào)節(jié)完全依靠其本身的材料特點(diǎn)，所以該產(chǎn)品的使用壽命較其他高溫加熱器長(zhǎng)得多。

（2）安全可靠，綠色環(huán)保。加熱器本體設(shè)計(jì)為多個(gè)檔次，加熱水溫低于200 ℃，在所有狀況下，本體均沒(méi)有發(fā)紅，還有一層絕緣層。在所有使用時(shí)，由于冷卻處理都不需要石棉或其他的隔熱材料。因此，使用安全，無(wú)燙傷和火災(zāi)等現(xiàn)象。

（3）節(jié)省能源。同電加熱管和電阻絲等加熱產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品能夠根據(jù)材料本身的熱特性，隨著環(huán)境溫度的變化調(diào)整自身的發(fā)熱效率輸出，以便于在較小程度上優(yōu)化和調(diào)節(jié)加熱器的能量消耗。另一方面，發(fā)熱效率較高的材料也極大提高了電能的效率。

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)和電熱梳等風(fēng)量大、體積小的空氣加熱類(lèi)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40～60 mm，其厚度標(biāo)準(zhǔn)一般在4～8 mm。這一類(lèi)型的發(fā)熱器較為明顯的標(biāo)志是帶有圓盤(pán)式元件，并且在相應(yīng)位置有較多的六角型通孔，通孔密度一般為50～70孔/cm2。同時(shí)，發(fā)熱構(gòu)件中帶有格子壁裝置，其厚度在0.2 mm 左右，通常放置在一個(gè)或多個(gè)鋁噴鍍電極或元件的邊緣部位。在加熱環(huán)節(jié)，蜂窩式發(fā)熱器可以通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)量，完成對(duì)加熱溫度的調(diào)整。相關(guān)發(fā)熱器在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通常將3～5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)中的功率可達(dá)到400～1 000 W。

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(pán)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(pán)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：①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。②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(pán)形的基礎(chǔ)上，新增了長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形發(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(pán)發(fā)熱器的應(yīng)用方向主要是驅(qū)蚊器以及暖足器。

2.4 口琴式發(fā)熱器

口琴式發(fā)熱元件的種類(lèi)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，需要利用金屬電極板將電氣元件連接，最后組裝成形狀類(lèi)似口琴的發(fā)熱器。

該種形式的PTC 發(fā)熱器的主要應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)即為在調(diào)節(jié)熱量的情形下，作業(yè)人員無(wú)需更改發(fā)熱器主體結(jié)構(gòu)與外型規(guī)格，僅需對(duì)已組裝部件的片數(shù)加以調(diào)節(jié)，便能達(dá)到預(yù)期發(fā)熱量。利用的主要機(jī)理是壓縮空氣經(jīng)過(guò)金屬薄片元件的孔隙處，與元件部分產(chǎn)生熱交換，以獲取巨大的熱能。另外，空氣口琴發(fā)熱器也具備了壓力損耗量小、電壓耐力大，以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，其使用場(chǎng)合也相當(dāng)廣闊，比如空調(diào)暖機(jī)、除濕器和干燥機(jī)等。

3 PTC加熱器件在智能家居產(chǎn)品中的應(yīng)用

3.1 液體加熱PTC加熱器

直接探入液態(tài)容器中加熱升溫，使液態(tài)達(dá)到一定溫度，并采用PTC 原件作為發(fā)熱量機(jī)組，具有升溫速率較高、恒溫發(fā)熱、輸出功率自調(diào)節(jié)、熱能傳遞效率高、耐水垢性好、即使干燒也不破而裂等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家電行業(yè)。

如圖1采用PTC 半導(dǎo)體陶瓷作為熱源，發(fā)熱芯通過(guò)熱熔鑲嵌技術(shù)置于水道之間，成型工藝采用激光焊接技術(shù)。PTC 半導(dǎo)體陶瓷雙面的熱量都能接觸到液體，這種設(shè)計(jì)能使PTC 半導(dǎo)體陶瓷的發(fā)熱熱量充分被液體帶走，從而大幅提升加熱體的電熱轉(zhuǎn)化率。

圖1 PTC半導(dǎo)體加熱器

使用范圍：半導(dǎo)體電鍋爐、家用電采暖爐、即熱式熱水器、儲(chǔ)熱式熱水器、太陽(yáng)能熱水器電輔助加熱、空氣能熱泵電輔熱、蒸汽發(fā)生器、電鍍電解液加熱器、智能坐便器、SPA 淋浴等眾多液體加熱領(lǐng)域。

主要優(yōu)點(diǎn)：采用PTC 半導(dǎo)體作為熱源，當(dāng)溫度上升時(shí)，PTC 陶瓷的電阻會(huì)增大，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫的效果，更節(jié)能，更安全環(huán)保；采用雙面加熱技術(shù)，U 型走水增大換熱面積、電熱轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%。

3.2 通風(fēng)型PTC加熱器

如暖風(fēng)機(jī)、空調(diào)機(jī)、熱風(fēng)烘干機(jī)等，元件的結(jié)構(gòu)多為蜂典式或口琴式。帶電波紋PTC 加熱器如圖2所示。

圖2 帶電波紋PTC加熱器

電波紋PTC加熱器具有靈活的結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度和寬度，也比較容易改變，組成了不同規(guī)格，各種容量，可以滿(mǎn)足不同風(fēng)機(jī)規(guī)格、風(fēng)管大小、溫度以及加熱能力的需要。其輻射體和PTC 發(fā)熱片連接處，是采用黏膠黏接的，但當(dāng)高溫長(zhǎng)時(shí)間工作，又或者長(zhǎng)時(shí)間不風(fēng)干燒時(shí)，黏膠就可能會(huì)松動(dòng)。插片形式與鋁擠型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度可適當(dāng)調(diào)節(jié)，但長(zhǎng)度難以改變。結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固，而且風(fēng)阻也相對(duì)較小。

3.2.1 按傳導(dǎo)方式分類(lèi)

（1）采用熱傳導(dǎo)的PTC 陶瓷加熱器，主要優(yōu)點(diǎn)是在PTC 發(fā)熱器件表面裝有多級(jí)的熱能傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，把熱能直接傳導(dǎo)給被加熱物質(zhì)，如電極板（導(dǎo)電和傳熱）、絕緣層（電絕緣和傳熱）和傳熱儲(chǔ)熱板（有些還附有傳熱黏合劑）。

（2）以其所產(chǎn)生的熱風(fēng)進(jìn)行對(duì)流式傳熱的各種PTC 或陶瓷熱風(fēng)裝置。其優(yōu)點(diǎn)是輸出功率高，可自行調(diào)整送風(fēng)溫度并傳遞熱能。

（3）紅外線輻射加熱器。實(shí)際上，就是利用在PTC 元件或?qū)岚灞砻嫔峡焖俜派涞臒崃?，而形成的PTC 或陶瓷的遠(yuǎn)紅外線放射加熱器。通過(guò)直接或間接的激發(fā)與表面接觸的遠(yuǎn)程紅外線涂層或遠(yuǎn)紅外線材料放射紅外線。

3.2.2 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)

（1）普通使用的PTC 陶瓷加熱器，主要包括：電蚊香、暖手器、烘干機(jī)、電熱板、電黏合裝置、燙發(fā)器等，具有功耗低、熱效率高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

（2）自動(dòng)恒溫型PTC 加熱器，主要包括：電子恒溫箱、恒溫杯、恒溫板、恒溫箱、恒溫臺(tái)等，具備自動(dòng)保溫、構(gòu)造簡(jiǎn)便、恒溫性能好、熱效率高、溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

（3）熱風(fēng)PTC 加熱器，一般包括：電吹風(fēng)、暖房機(jī)，以及各種烘干設(shè)備等，具有熱風(fēng)功率大、加熱速度快、安全、風(fēng)溫自動(dòng)控制、能耗大的特點(diǎn)。

3.3 固體加熱PTC加熱器

工作介質(zhì)為金屬材料、塑膠、陶瓷等，如電熨斗、電烙鐵、餐桌保溫層、驅(qū)蚊器、卷毛筒、卷發(fā)器等，工作元件的構(gòu)造多為片狀或管狀。

固體恒溫加熱時(shí)，溫度控制非常重要，當(dāng)表面溫度不適宜時(shí)PTC 很難被制造，甚至不具有PTC 該有的特性。交流和直流均可（3.7～420 V），工作電壓相對(duì)較低時(shí)，因?yàn)镻TC 的常溫電流較小，導(dǎo)致電阻的變化率也相對(duì)較小，因此恒溫精度較差；此外，在低氣壓時(shí)，加熱功率相對(duì)較小，升溫速率也比較緩慢，甚至不能上升到更高的溫度。從安全和穩(wěn)定性上來(lái)說(shuō)，PTC 加熱器通常比傳統(tǒng)電加熱線更安全，具有高絕緣電壓、低泄漏電流和穩(wěn)定性。

3.4 使用注意事項(xiàng)

（1）使用PTC 加熱器加熱液體（如水、柴油、液壓油等）時(shí)，液體干燥后不會(huì)損壞。

（2）如果使用PTC 加熱器加熱冷空氣，PTC 加熱器在沒(méi)有空氣供應(yīng)的情況下不會(huì)損壞。

（3）將多個(gè)PTC 加熱片串聯(lián)使用必須十分慎重。因?yàn)椴煌位蛘呦嗤萎a(chǎn)品的PTC 加熱元件的特性很難相同。串聯(lián)應(yīng)用時(shí)，由于器件溫升速率的不同，電流下降分布變動(dòng)很快，從而形成了惡性循環(huán)。電流降幅越大，工作溫度越高的元器件出現(xiàn)擊穿的可能性就越大，同時(shí)擊穿現(xiàn)象也會(huì)連鎖進(jìn)行，因此除非嚴(yán)格選定元器件，否則采用并聯(lián)方法很難達(dá)到更高的允許電流或更大的耗散功率，因此應(yīng)采用并聯(lián)的方式。

（4）通電時(shí)加熱功率由大逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。而穩(wěn)定功率又與工作環(huán)境直接相關(guān)。如果對(duì)同一PTC 加熱器的使用要求不同，輸出功率也可能會(huì)存在較大差異。散熱速率越快，穩(wěn)定輸出的功率就越大；而PTC 表層溫度越高，則輸出功率就越大。

（5）PTC 發(fā)熱器件的表面溫度由PTC 本身或通過(guò)斷開(kāi)電路來(lái)控制，但不能通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)控制表面溫度。

（6）PTC 本身安全性較高，且使用壽命長(zhǎng)，在正常環(huán)境下可長(zhǎng)達(dá)十余年。不過(guò)，如若材料選擇得不好，則產(chǎn)品的功率與溫度也不穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

PTC 作為一種新興的材料和成分，憑借穩(wěn)定性高、自動(dòng)恒溫、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而得到了充分的重視，PTC 加熱器在現(xiàn)代智能家居產(chǎn)品中的使用也日益普遍，并隨著下游應(yīng)用的發(fā)展不斷擴(kuò)大。隨著科學(xué)的進(jìn)展和制造技術(shù)的改善，PTC 加熱器的特性也將會(huì)不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)前景和發(fā)展空間也會(huì)越來(lái)越寬廣。