CN102113407A - 加热装置和用于制造加热装置的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种具有成型体的加热装置，该成型体具有至少两个区域，这些区域具有不同组分的正电阻温度系数的陶瓷材料。还将说明一种用于制造加热装置的方法。
Description
本发明涉及一种加热装置和一种用于制造加热装置的方法。
介质例如流体可以通过与材料的热接触被加热，所述材料具有正的电阻温度系数（PTC材料）。这种PTC材料目前可以成型为盘形或矩形件，其由唯一的PTC材料构成。这种盘形或矩形件不能集成于在构造上难以够到的区域上。这样就不能实现短暂的加热时间和较小的加热功率，因为盘形或矩形件不能设置在需要热量之处。
要实现的目的在于，提供一种具有高效率的加热装置。该目的通过根据权利要求1的加热装置得以实现。该装置的其它实施方式和用于制造加热装置的方法是其它权利要求的内容。
根据一种实施方式，提供一种包含有成型体的加热装置，该成型体含有正电阻温度系数的陶瓷材料。在这里，成型体至少包括第一区域和第二区域，其中第一区域具有第一种组分的陶瓷材料，第二区域具有不同于第一区域的第二种组分的陶瓷材料。
由此提供了一种含有成型体的加热装置，该成型体具有至少两种不同组分的陶瓷材料。通过使用具有正电阻温度系数的陶瓷材料，提供了一种成型体，其通过施加电压而变热，并能将热量排放到周围环境中。在此，成型体具有一种自我调节特性。如果成型体中的温度达到了临界值，则成型体中的电阻也增大，致使流经成型体的电流减小。由此防止成型体进一步升温，从而不必对加热功率进行额外的电控制。
通过在成型体中使用至少两种不同的陶瓷材料，可以在一个成型体中实现不同的加热特性。例如可以使第一区域具有缓慢的加热特性，而第二区域则表现出快速的加热特性。最高加热温度在这两个区域中也可以是不同的。
此外，成型体可以通过注塑来制得，进而可以成型为相应构造环境所需要的任何几何形状。这种加热装置因而也可以设置于在构造上难以够到的区域。由此能以很短的加热时间和很低的加热功率将介质高效地加热。
通过使用一个唯一的具有至少两个区域的成型体，这些区域具有不同的加热特性，可以避免必须将多个部件接合和相互固定。在成型体中通过不同的无中断地相互过渡的区域已经预先给定不同的功能。
有待加热的介质视被其加热的区域而定，不同程度地或者不同速度地受热。这样就能例如在介质沿着成型体的不同区域经过时实现逐级加热。
陶瓷材料的第一和第二组分可以包括物质的（stofflich）和/或化学计量的（stöchiometrisch）组分。这些组分因而可以仅在其物质的组分方面或者仅在其化学计量的组分方面有所改变，或者在其物质的及其化学计量的组分方面有所改变。在任何情况下，材料的组分都互不相同，且可以具有不同的特性。
成型体的第一区域和第二区域可以具有各不相同的热特性和/或电特性。例如，这些区域在电特性相同的情况下可以具有不同的加热速度和不同的要达到的最大温度。另一方面，这些区域在给定温度的情况下例如可以具有不同的电阻。在这两个区域中，也可以使得所有所述特性各不相同。在陶瓷材料的电阻-温度特性曲线中，说明了材料的热特性和电特性的逻辑关系，该曲线的变化情况体现了与比电阻相关的热特性。
由此提供了一种成型体，其在至少两个区域中基于那里存在的陶瓷材料的电特性和热特性而具有不同的功能。因而在成型体中例如可以实现变化的温度分布。
陶瓷材料所具有的结构式可以为Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3。在这里，x包含的范围为0~0.5，y的范围为0~0.01，a的范围为0~0.01，b的范围为0~0.01，M包含两价的阳离子，D包含三价或四价的施主（Donor），N包含五价或六价的阳离子。这种结构具有钙钛矿结构（Perowskitstruktur）。M例如可以是钙、锶或铅，D例如可以是钇或镧，N例如可以是铌或锑。成型体可以包含有含量小于10ppm的金属杂质。金属杂质的含量是如此之小，以至于不会影响成型体的PTC特性。
成型体的第一区域和第二区域可以具有在-30℃~340℃范围内的居里温度。在温度为25℃时，成型体的第一区域和第二区域可以具有在3Ωcm~100000Ωcm范围内的比电阻。
成型体的第一区域和第二区域可以具有相同的居里温度和不同的在温度为25℃时的比电阻，或者具有相同的在温度为25℃时的比电阻和不同的居里温度，或者具有不同的居里温度和不同的在温度为25℃时的比电阻。成型体的两个区域由此具有不同的加热特性，其要么基于不同的电特性，要么基于不同的热特性，要么基于不同的电特性和热特性。利用成型体的可能局部不同的加热特性，可以实现加热功率适配于逐级地最佳地将热量传递至有待加热的介质。
在第一区域和第二区域之间可以有界面区域，第一区域的陶瓷材料和第二区域的陶瓷材料在该界面区域中相互烧结。
加热装置还可以具有电的接触部位，用于产生流经成型体的电流。这些接触部位可以设置在成型体上，且包括安置在成型体上的电极，这些电极与外部的电触头导电地连接。
这些接触部位可以适当地设置在成型体上，以使得电流流经成型体的每个区域。这样就能在成型体的每个区域中通过陶瓷材料的PTC特性来产生热量。
每个接触部位都可以接触成型体的至少两个区域中的每个区域。例如，成型体的两个并排布置的区域可以在两个对置的侧面上具有电的接触部位，这些接触部位均接触两个区域。由此在成型体的这些区域中产生热特性的和电特性的平行于电的接触部位的平面变化的梯度。
这些区域还可以并排地布置，而每个区域分别被对置侧面上的两个接触部位接触。由此可以实现这些区域的并联。
成型体的这些区域还可以设置在接触部位之间，使得每个接触部位都接触不同的区域。例如，可以使得两个上下布置的区域被第一和第二电的接触部位接触，其中第一接触部位接触第一区域，第二接触部位接触第二区域。同时，这两个接触部位可以相对而置。由此实现这些区域的串联，并在成型体中产生热特性的和电特性的垂直于电的接触部位的平面变化的梯度。也可以将成型体的具有不同的电特性和热特性的三个或者更多个区域上下叠置，只有外面的两个区域被电的接触部位接触，从而产生流经所有区域的电流。
成型体可以适当地成型，使得介质例如流体流经该成型体。于是，例如可以将成型体成型为管或喷嘴的形式。另外，成型体还可以被介质绕流（umspülen），且可以成型为任何其它几何形状。
如果成型体被成型为喷嘴，即成型为一端缩窄的管，则喷嘴可以具有不同的区域，这些区域具有不同的电特性和/或热特性，从而被引导经过喷嘴的介质可以相继地流过这些区域，进而可以逐级地加热这些区域。这些区域可以沿着管的纵轴线前后相继布置，或者垂直于纵轴线上下布置。
成型体可以大面积地或者全面积地被钝化层包围。钝化层的材料可以选自玻璃、塑料、硅树脂或陶瓷材料，这种陶瓷材料与成型体的陶瓷材料不同。由此防止在成型体与有待加热的介质之间发生直接接触。这样就能避免成型体受到有待加热的介质的腐蚀或者被介质溶解。还将避免有待加热介质被成型体的材料污染。
此外，将提供一种用于制造加热装置的方法，其具有如下方法步骤：
A) 浇铸生坯；
B) 烧结生坯，以便制造成型体；
C) 在成型体上设置电的接触部位。
在方法步骤A)中，相继地浇铸至少两种不同的陶瓷材料，这些陶瓷材料具有正的电阻温度系数。由此在一个唯一的方法步骤中产生一种生坯，其具有至少两个含有陶瓷材料的区域。然后在后续的方法步骤B)中将所述这种生坯烧结成成型体，这种成型体具有两个带有不同加热特性的区域。
另外在方法步骤A)中，为了制造生坯而准备陶瓷原料，这种原料具有基质和结构为Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3的陶瓷填料。
为了制得金属杂质少于10ppm的陶瓷原料，可以使用具有硬镀层的工具来制造所述原料，以避免磨损。硬镀层例如可以由碳化钨构成。工具的所有与陶瓷材料接触的表面都可以镀上硬镀层。
以此方式能使得陶瓷填料与基质混合，并加工成颗粒材料（Granulat），所述填料能通过烧结而转变为陶瓷的PTC材料。这种颗粒材料可以为了后续加工而被浇铸。
将陶瓷填料加入到基质中，致使基质的熔点小于陶瓷材料，在这里，基质的含量可以比陶瓷材料少20（质量）％。基质所包含的材料可以选自一组蜡、树脂、热塑性塑料和水溶性聚合物。也可以有其它添加物，如抗氧化剂或软化剂。
方法步骤A)可以具有如下步骤：
A1) 准备陶瓷原料；
A2) 将陶瓷原料浇铸成形；和
A3) 去除基质；
在方法步骤B)中的烧结期间，陶瓷原料转变为成型体的材料，这种材料具有正的电阻温度系数。
在方法步骤B)中，在至少两种不同的材料之间形成界面区域，不同的陶瓷材料在该界面区域中相互烧结，进而形成混合晶体。该界面区域的厚度可以为1微米~200微米，其中该厚度取决于对材料的选择。两种材料的完全混合将得以避免。陶瓷材料相互烧结时所在的界面区域还用于使得成型体的区域相互连接，从而实现这些区域之间的无空隙的过渡，进而实现整体的（monolithisch）成型体。因而无需在这些区域之间的额外的固定。
本发明还将借助附图和实施例予以详述。
图1为加热装置的第一实施方式的示意性的侧视图；
图2为加热装置的第二实施方式的示意性的侧视图；
图3为加热装置的一个实施方式的示意性的立体图；
图4为加热装置的另一个实施方式的示意性的立体图；
图5示出陶瓷材料的电阻-温度特性曲线。
图1为加热装置的第一实施方式的示意性的侧视图。在这里，成型体30的第一区域10和第二区域20上下叠置。两个区域包含有陶瓷材料，这种陶瓷材料具有正的电阻温度系数，其结构为Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3，其中陶瓷材料的组分在这些区域中是不同的。
在区域10上设置有电的接触部位40，在区域20上设置有另一电的接触部位40。由此使得每个区域都被另一电的接触部位接触。由于这些区域在成型体30中如此布置，在该成型体中产生电特性和/或热特性的垂直于接触部位的平面变化的梯度。这用箭头示意性地示出。不同的电特性和/或热特性，例如在温度为25℃时区域10和20的居里温度或比电阻，由这两个区域中的陶瓷材料的不同组分产生。可以考虑到，在区域10和20之间或之上或之下还有其它区域（这里未示出），这些其它区域具有不同于区域10和20的其它组分。
图2为加热装置的另一实施方式的示意性的侧视图。在这里，区域10设置在区域20旁边，电的接触部位分别接触两个区域，且设置在成型体的相对侧。由此在成型体30中产生热特性和/或电特性的平行于电的接触部位40的平面变化的梯度。这用箭头示出。除了区域10和20外，成型体还可以有其它区域（这里未示出），这些其它区域设置在区域10和20的旁边，且被电的接触部位40接触。
图3为加热装置的一个实施方式的示意性的立体侧视图。在这里，成型体被成型为喷嘴，该成型体具有沿喷嘴纵向前后相继设置的区域10和20。为明了起见，这里并未示出电的接触部位40。电的接触部位例如可以设置在成型体表面上、设置在喷嘴外侧面和内侧面上、或者设置在成型体端侧面上。现在，如果有待加热的介质被引导穿过喷嘴，则可能例如区域10给介质预先加热，而区域20将介质加热到所希望的最终温度。由此可以想到利用具有不同区域的成型体来逐级地加热介质。在这里，除了两个区域10和20外，同样可以有其它区域，以便对加热温度进行微调。
图4为加热装置的一个实施方式的示意性的另一立体侧视图。在这里，成型体也被成型为喷嘴。为明了起见，将喷嘴前部区域的一部分略去。区域10和20在这里的布置方式为，使得有待加热的被引导穿过喷嘴的介质仅与所述区域之一接触，而另一区域则布置在喷嘴的外侧面上。这里例如可能有益的是，适当地选取区域10的材料，使得通过施加电压仅进行略微加热，而在区域20中进行高强度加热。由此仅在靠近有待加热的介质的区域中对成型体进行高强度加热。在该实施例中，例如可以将电极40（这里未示出）设置在喷嘴内面和外面上。
为了表明电特性和热特性和它们相互间的关系，图5示出具有不同掺杂程度的陶瓷材料的电阻-温度特性曲线（RT特性曲线）。温度T（℃）与比电阻ρ（Ωcm）相关地示出。陶瓷材料为Ba0.9Sr0.1TiO3，其未掺杂Mn（曲线a）、掺杂有0.02%的Mn（曲线b）、0.04%的Mn（曲线c）、0.06%的Mn（曲线d）、0.08%的Mn（曲线e）、0.1%的Mn（曲线f）。在一定温度范围内，电阻根据温度而上升，在温度低于该温度范围情况下和在温度高于该温度范围情况下，陶瓷材料中的掺杂度越高，比电阻ρ就越大。
图中所示实施方式可以任意改型。还应考虑到，本发明并不局限于这些范例，而是允许有其它这里未介绍的设计方案。
附图标记列表
10 第一区域
20 第二区域
30 成型体
40 电的接触部位
T 温度
ρ 比电阻
a 未掺杂的Ba0.9Sr0.1TiO3的RT特性曲线
b 掺杂0.02%的Mn的Ba0.9Sr0.1TiO3的RT特性曲线
c 掺杂0.04%的Mn的Ba0.9Sr0.1TiO3的RT特性曲线
d 掺杂0.06%的Mn的Ba0.9Sr0.1TiO3的RT特性曲线
e 掺杂0.08%的Mn的Ba0.9Sr0.1TiO3的RT特性曲线
f 掺杂0.1%的Mn的Ba0.9Sr0.1TiO3的RT特性曲线
Claims (15)
1. 一种包含有成型体（30）的加热装置，该成型体含有正电阻温度系数的陶瓷材料，且至少包括第一区域（10）和第二区域（20），其中第一区域（10）具有第一种组分的陶瓷材料，第二区域具有不同于第一区域的第二种组分的陶瓷材料。
2. 如前述权利要求所述的加热装置，其中陶瓷材料的第一和第二组分包括物质的和/或化学计量的组分。
3. 如前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中成型体（30）的第一区域（10）和第二区域（20）具有各不相同的热特性和/或电特性。
4. 如前述权利要求中任一项所述的加热装置，陶瓷材料具有的结构为Ba1-x-yMxDyTi1-a-bNaMnbO3，其中x=0~0.5，y=0~0.01，a=0~0.01，b=0~0.01，M包含两价的阳离子，D包含三价或四价的施主，N包含五价或六价的阳离子。
5. 如前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中成型体（30）的第一区域（10）和第二区域（20）具有在-30℃~340℃范围内的居里温度。
6. 如前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中在温度为25℃时，成型体（30）的第一区域（10）和第二区域（20）具有在3Ωcm~100000Ωcm范围内的比电阻。
7. 如权利要求5和6所述的加热装置，其中成型体（30）的第一区域（10）和第二区域（20）具有相同的居里温度和不同的在温度为25℃时的比电阻，或者具有相同的在温度为25℃时的比电阻和不同的居里温度，或者具有不同的居里温度和不同的在温度为25℃时的比电阻。
8. 如前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中成型体（30）具有电的接触部位（40），用于产生流经成型体的电流。
9. 如前述权利要求所述的加热装置，其中接触部位（40）适当地设置在成型体（30）上，使得电流流经成型体（30）的每个区域。
10. 如权利要求8或9中任一项所述的加热装置，其中每个接触部位（40）都接触成型体（30）的至少两个区域（10、20）中的每个区域。
11. 如权利要求8或9中任一项所述的加热装置，其中成型体（30）的区域设置在接触部位（40）之间，使得每个接触部位（40）都接触不同的区域。
12. 如前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中成型体（30）被成型为喷嘴。
13. 如前述权利要求中任一项所述的加热装置，其中在成型体（30）设置有钝化层。
14. 一种用于制造加热装置的方法，具有如下方法步骤：
A) 浇铸生坯（30）；
B) 烧结生坯，以便制造成型体（30）；
C) 在成型体上设置电的接触部位（40）,
其中在方法步骤A)中，相继地浇铸至少两种不同的陶瓷材料，这些陶瓷材料具有正的电阻温度系数。
15. 如前述权利要求所述的方法，其中在方法步骤B)中，在至少两种不同的材料之间形成界面区域，陶瓷材料在该界面区域中相互烧结。
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