PTC發熱器及其在家用電器中的應用探討

龍啟華

寧波浩嘉電器有限公司 浙江寧波 315400

作為重要的定溫發熱體，PTC發熱器現已被廣泛應用在日常家電產品中。隨著居里點為220℃的PTC發熱體材料進入到工業生產階段，標志著中國具有高科技含量的PTC發熱器材料正式商品化。在此背景下，對PTC發熱器相關應用進行研究具有重要的現實意義，既能夠更加深入了解發熱器元件特性，還可為行業人員開展研究提供可靠理論。下文結合實踐經驗，對PTC發熱器應用原理和在家用電器中的應用實例進行研究。

1 PTC發熱器特性

PTC發熱器僅花費極短時間便得到廣泛應用的原因，主要是其具有傳統發熱器所不具備的優勢，具體表現在以下方面：

1.1 電流/時間特性

PTC發熱元件存在電流與時間特性，即：當發熱器的材料確定后，進入到PTC區域工作點的熱系統消耗情況也被確定。通常情況下，這一過程需要經過數秒到十幾秒，此時的電流值變化幅度在。在正常工作條件下，發熱元件部分的額定電流值為9.8Aw-10.2Aw。由此可知，PTC發熱器具有電流/時間特性。

另外，對發熱元件施加電壓時，由于元件本身溫度較低，會呈現出低阻抗特征，當元件持續發熱進入到PTC特性區域，阻抗效應更加明顯，此時，電流值會先出現大幅度降低，再達到相對穩定的狀態。電流自接通到相對穩定這一過程被稱為電流/時間特性[1]。

1.2 溫度點可變

溫度點可變特性可通過體積電阻率和溫度特性之間關系，即ρ和T的相關性表示。為確保試驗結果可靠性，需要保證試驗在零功率和靜態條件下開展。研究表明，當材料高于本身的特征溫度（居里點）時，材料體積電阻率ρ出現急劇上升，表現出較強的正溫度系數關系。

在發熱器的具體應用中，不同類型發熱器件對元件工作的溫度點，提出了差異化的要求，為達到理想溫度狀態，可使用、置換出一定數量的，促使居里點發生位移。在PTC發熱器中的選擇和應用中，相關人員應充分認識到電流與時間特性，通過改變材料和制造工藝，實現對ρ值的有效控制。

1.3 電流/電壓特性

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

此外，當工作系統中的傳導機構和環境溫度等條件確定后，發熱器元件的電流/電壓特性也隨之確定。當伏特－安培曲線呈現出雙曲線性狀態時，則是電流與電壓的乘積為常數，此時達到熱平衡條件。由于電流/電壓特性存在，因此，發熱器元件在一定電壓條件下，可始終保持定溫發熱[2]。

2 PTC發熱器常見形式

2.1 蜂窩發熱器

蜂窩式發熱元件是常見的PTC發熱器模式，主要被應用在電暖風機、干燥機和電熱梳器件等風量大、體積小的空氣加熱類型裝置中。經常應用到的蜂窩式發熱元件有方形結構和圓形結構。通常情況下，圓形結構的直徑在40mm-60mm，其厚度標準一般在4mm-8mm。這一類型的發熱器較為明顯的標志是帶有圓盤式元件，并且在相應位置有較多的六角型通孔，通孔密度為50孔cm2-70孔/cm2。同時，發熱構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或多個鋁噴鍍電極。

在加熱環節，蜂窩式發熱器通過控制通風量，實現對加熱溫度的調節。相關發熱器在設計環節，通常將3個-5個發熱元件組裝到同一個金屬框架中，此時發熱系統中的功率值可達到400W-1000W。

2.2 帶式發熱器

作為全新發熱元件的帶式發熱器，其中心區域有2條平行母線存在，母線附近芯料由PTC制成，在芯料外側包裹著聚烯烴網，其作用主要是為發熱元件打造電絕緣空間，保證熱輻射性達到理想水平。發熱器最外層材質為不銹鋼和銅，這樣設計可有效提高發熱器強度，使其使用壽命得到延長。

2.3 圓盤發熱器

該發熱器的特點是表面發熱，通過熱傳導的形式，達到對物體進行加熱的目的，其形狀與圓盤相似，早期，主要被用來為小功率器具、小型器具的發熱提供技術支持。隨著技術的發展，該發熱器的結構也發生了明顯變化，通過增設散熱片的方式，使發熱量得到顯著增加。

現階段，該發熱器的形式主要分為以下兩種：其一，發熱器兩側均有電極存在，各電極通過引線進行連接。其二，發熱器兩側所安裝構件為氧化鋁瓷片，通過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，發熱器形狀也變得更加多元，在圓盤形的基礎上，新增了長方形，長方發熱器兩側所安裝構件為梳形電極，這樣設計的初衷是對發熱器厚度進行控制。作為出現時間最久的熱源，圓盤發熱器的應用方向，主要是驅蚊器以及暖足器[3]。

2.4 口琴發熱器

口琴式發熱元件的種類豐富，可控選擇的尺寸及樣式較多，其主要發熱單元是空氣加熱裝置，結構設計如下：將30個左右較薄的長方形發熱元件按照口琴形狀排列，并根據設計要求進行組裝。在實際組裝中，相關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熱器。

這種類型的PTC發熱器的主要應用優勢是在調節熱量的情況下，操作人員無需改變發熱器主體結構外形尺寸，僅僅需要對組裝元件的片數進行調整便可獲得預期發熱量。利用的主要原理是空氣通過薄片元件的間隙，與元件部分發生熱交換，以此獲得較大的熱量。此外，口琴發熱器也具有壓力損耗量小，電壓耐力較大，還有安裝便利等優勢，其應用場景較為廣泛，例如，空調暖機、除濕器和干燥機等。

3 PTC發熱器的日常應用

3.1 保溫板

餐桌所安裝保溫板的作用，主要是延長食物維持適宜溫度的時間，包括飯菜和茶等。基于PTC發熱器對保溫板進行制作，其優勢主要是結構簡單、制作成本低，確保限溫及恒溫功能均能夠得到充分發揮。

3.2 電水壺

除特殊情況外，電水壺內部的溫度均應維持在72℃-74℃之間，如果沿用傳統的雙金屬材質恒溫器，無論是觸點使用壽命，還是溫度調節時效性以及精確度，均存在無法達到預期水平的可能。用PTC發熱器替代傳統恒溫器，可使上述問題得到有效解決。對電水壺而言，PCT既能夠起到發熱器的作用，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PTC瓷片，在將電極引出的前提下，按照常規熨斗要求對其進行裝配，便可獲得PTC熨斗。研究表明，通常只需經過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。在穩態工況下，該產品所消耗功率的平均值為90W。

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

事實證明，該電熨斗可快速適應外電壓所發生變化，其溫度變化幅度和功率消耗程度，均較常規電熨斗更小。使用該產品對毛料衣物、化纖衣物進行熨燙，可避免衣物被熨壞的情況出現，在保證熨燙效果的前提下，對能源進行有效節約，另外，其可靠性及安全性均較常規電熨斗更加理想。

3.4 暖風機

暖風機并未對PTC加熱器結構提出明確要求，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化。不同結構加熱器往往對應不同的優勢和不足，例如，蜂巢式加熱器的構成相對復雜，通常要使用多種元件，其成本自然較其他結構加熱器更高。而通過實際應用能夠發現，雖然蜂巢式加熱器的熱功率并不固定，但在無風功率和吹風功率所對應比值方面，該加熱器的表現極為突出，這也間接說明了蜂巢式加熱器的安全性[5]。

3.5 空調加熱

現階段，多數國家均已引入口琴式PTC，作為對空調進行加熱的主要設備，此類產品的常見參數如下表1：

表1 空調加熱器參數

與常規口琴式加熱器相比，經過強化傳熱處理的PTC，主要具有以下優勢：一是對不重要元件進行了合并或省略，使產品造價得到有效控制；二是在功率相同的前提下，處理后器件的出風口，其溫度較常規器件更高。

4 結語

綜上，本文基于PTC發熱器將其應用展開研究，提出發熱器元件具有時間/電流特性、溫度可變特性和電流/電壓特性，通過分析不同發熱器的應用形式，進一步證實了上述特性。同時，在研究過程中，以保溫板、電水壺、電熨斗、暖風機和空調加熱器為例，對PTC發熱器的應用方式和具體路徑進行了分析，在此基礎上提出PTC發熱器應用場景廣泛這一觀點。日后，在PTC發熱器的研究中，相關人員應將關注重心放在功率較大和溫度較高發熱元件上，通過先進理論和技術投入，使PTC發熱器在使用過程中具有安全可靠性能。