CN104869674B - 一种ptc电热管及电动汽车水暖加热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PTC电热管及电动汽车水暖加热器，PTC电热管包括发热体、电极板、固体绝缘层、隔离片和金属管，两电极板将多个装有PTC发热片的固体绝缘层及每相邻固体绝缘层之间的隔离片串在一起并且置于金属管内；固体绝缘层为绝缘陶瓷空心瓷柱，通过拉拔工艺使PTC发热片和电极板紧密贴合，在绝缘陶瓷空心瓷柱内留有一定的变形空间，拉拔时PTC发热片不会受到金属管和绝缘陶瓷瓷柱形变时的挤压而损坏。本发明通过使用绝缘陶瓷材料作为绝缘层，提高了电热管的热效率和工作可靠性。同时，通过拉拔工艺，使电热管各部件的接触面更紧密，增强传热效果及抗震性。还通过对绝缘陶瓷瓷柱内部腔体结构的设计，使瓷柱内部有足够的形变空间，PTC发热片不会受到金属管和固体绝缘层形变时的挤压力而压坏。

Description

一种PTC电热管及电动汽车水暖加热器

技术领域

本发明属于电加热及电动汽车空调供暖系统领域，更具体地，涉及一种PTC电热管及电动汽车水暖加热器。

背景技术

汽车作为环境污染和能源消耗的主要来源之一，其节能减排问题受到了越来越广泛的重视，各国政府和汽车企业均将节能环保当作未来汽车技术发展的指导方向，这样节能环保的电动汽车也就应运而生。电动汽车的出现也为电动汽车空调的研究开发提出了新的课题与挑战。传统的燃油汽车空调供暖系统采用发动机的余热作为热源，达到供暖、除雾除霜的目的。而对于纯电动汽车或燃料电池汽车来说，没有发动机作为制热热源，因而无法直接采用传统燃油汽车空调解决方案。

电动汽车拥有高压直流电源，因此在电动压缩机制冷的基础上添加电辅助加热装置。现有的加热装置采用PTC热敏电阻或电热管作为发热元件。其中电热管应用最广泛的是金属电热管，发热材料采用镍铬丝或铁铬丝等，在管内填充绝缘材料而成，其缺点是热效率低，耗电大，安全性能差，使用寿命短。而PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，具有恒温发热、热效率高、使用寿命长等优点，是一种较为理想的电加热材料。

公开号为CN203884011U的专利申请文件中公开了一种PTC加热管，如图1所示；该加热管包括PTC组件和金属外壳，PTC组件置于金属外壳中，PTC组件包括PTC发热片、电极片和绝缘层，PTC发热片相对的两个面分别设有电极片，绝缘层使用耐高温绝缘塑料薄膜，包覆PTC发热片和电极片。在加工形成上述PTC加热管时，PTC加热管由PTC组件和金属外壳压接构成，金属外壳向电极片表面方向压接。

然而，上述的加热管存在以下问题：一是绝缘层使用的是耐高温绝缘塑料薄膜，导热性能差，降低加热效率，而且容易老化，缩短加热管寿命，降低其可靠性；二是PTC组件和金属外壳压接采用直接压接的方式，容易压碎PTC发热片，影响加热管正常工作及易引起安全隐患。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种PTC电热管，其目的在于通过拉拔工艺使PTC发热片和电极板紧密贴合，能更好地减小接触电阻，避免了电弧放电击穿PTC发热片的危险。

本发明提供了一种PTC电热管，包括发热体、电极板、固体绝缘层、隔离片和金属管；所述发热体包括多个PTC发热片；每个PTC发热片置于固体绝缘层中，且PTC发热片的上、下表面各设有一个电极板，两电极板将多个装有PTC发热片的固体绝缘层及每相邻固体绝缘层之间设置的隔离片串在一起并且置于所述金属管内；所述固体绝缘层为绝缘陶瓷空心瓷柱，通过拉拔工艺使PTC发热片和电极板紧密贴合，在所述绝缘陶瓷瓷柱内留有一定的变形空间，拉拔时PTC发热片不会因受到金属管和绝缘陶瓷瓷柱形变时的挤压力而损坏。

更进一步地，所述绝缘陶瓷空心瓷柱包括：空腔和两个长方形孔；由第一长方形腔体和第二长方形腔体垂直相交形成所述空腔，所述空腔从所述绝缘陶瓷瓷柱上底面开孔至下底面，贯穿整个瓷柱，通过所述空腔将PTC发热片放置于所述绝缘陶瓷瓷柱内；在所述长方形腔体上、下两侧各设置一个所述长方形孔，长方形孔与空腔连通，所述长方形孔用于穿插两个电极板；两个长方形孔对称设置，且所述长方形孔从所述绝缘陶瓷瓷柱上底面开孔至下底面，贯穿整个瓷柱。更进一步地，所述第一长方形腔体用于放置PTC发热片，所述第二长方形腔体的设置是为了留有一定的形变空间，不让PTC发热片左右两侧因受到瓷柱形变时的挤压力而损坏。

更进一步地，所述第一长方形腔体截面的长与PTC发热片的长相当，所述第一长方形腔体截面的宽大于PTC发热片的宽；且所述第二长方形腔体截面的宽小于PTC发热片的宽。

更进一步地，所述隔离片设有两长方形孔，两长方形孔对称设置且贯穿隔离片，用于穿插两电极板；在每相邻的固体绝缘层之间设有隔离片，其作用是将相邻的PTC发热片隔开，防止拔拉时PTC发热片窜到一块互相挤压而损坏。

更进一步地，所述电极板为波纹结构。

更进一步地，所述电极板为正弦波结构。

更进一步地，所述绝缘陶瓷瓷柱和隔离片的材料为AlN。

本发明还提供了一种的电动汽车水暖加热器，包括上壳体，高压连接器，密封防水板，PTC加热管组件、进水管，出水口和下壳体；所述高压连接器置于所述上壳体与所述密封防水板对合形成的空腔中，并且安装在所述密封防水板上；所述下壳体与所述密封防水板形成空腔加热室，在所述空腔加热室中设有用于加热液体介质的PTC加热管组件，用于将液体介质供给到所述空腔加热室中的所述进水管、所述出水口以及将所述空腔加热室底部已加热的介质引到出水口的出水仓；所述出水仓置于所述出水口处，所述进水管流入加热室的介质只能经过PTC加热管加热后从加热室底部进入出水仓，介质再从出水口流出；所述PTC加热管组件由多个PTC加热管等间距并列组成，所述PTC加热管为上述的PTC电热管。

更进一步地，所述PTC加热管组件为U型结构，所述进水管横跨穿插于PTC加热管组件的U型间隙，所述进水管的进水口置于所述下壳体右侧面上部中间位置，所述出水口置于所述下壳体左侧面上部中间位置，且与所述进水管的进水口相互对称；所述进水管的两侧管壁均设置有由若干个圆孔阵列组成的进水孔，圆孔的半径从进水端往出水端方向依次增大；每个圆孔阵列依次对着所述PTC电热管的管壁，液体介质在水泵的压力下从所述进水孔喷出，并喷到PTC电热管附近，以便介质及时加热。

本发明通过使用绝缘陶瓷材料作为绝缘层，由于良好的导热性和耐老化性，提高了电热管的热效率和工作可靠性。同时，通过拉拔工艺，使电热管各部件的接触面更紧密，增强传热效果及抗震性。还通过对绝缘陶瓷瓷柱内部腔体结构的设计，使瓷柱内部有足够的形变空间，PTC发热片不会因受到金属管和固体绝缘层形变时的挤压力而压坏。

附图说明

图1是现有技术提供的加热管结构图；

图2是本发明实施例提供的绝缘陶瓷瓷柱结构图，其中(a)为绝缘陶瓷空心瓷横截面图，(b)为经过拉拔后的绝缘陶瓷空心瓷柱结构的示意图,(c)为绝缘陶瓷实心瓷柱剖视图；

图3本发明实施例提供的隔离片横截面图；

图4是本发明实施例提供的电极板示意图，其中(a)为平面结构的电极板的示意图，(b)为波纹结构的电极板的示意图；

图5是本发明实施例提供的PTC加热组件的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的未拉拔加工的PTC电热管的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的拉拔加工后的PTC电热管的结构局部放大图；

图8是本发明实施例提供的U型PTC电热管的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的电动汽车水暖加热器分解结构示意图；

图10是本发明实施例提供的电动汽车水暖加热器结构的俯视图；

图11是本发明实施例提供的下壳体结构示意图；

图12是本发明实施例提供的U型进水管下壳体结构示意图；

图13是本发明实施例提供的E型进水管下壳体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的不足，本发明提供了一种PTC电热管，通过拉拔工艺使PTC发热片和电极板紧密贴合，能更好地减小接触电阻，避免了电弧放电击穿PTC发热片的危险。为了提高导热性能和耐老化性能，本发明使用绝缘陶瓷材料作为固体绝缘层，绝缘陶瓷材料具有高导热率，优良的绝缘性能，耐高温性能，耐老化性能。为了确保在拉拔挤压收紧的同时不会导致PTC发热片压坏，对成型的固体绝缘层内部腔体结构进行了设计，固体绝缘层内部留有一定的变形空间，拉拔时PTC发热片不会受到金属管和固体绝缘层形变时的挤压力。

本发明提供的PTC电热管包括发热体、电极板、固体绝缘层、隔离片、金属管。发热体由多个PTC发热片构成，每个PTC发热片置于对应的成型固体绝缘层中，且PTC发热片的上、下表面都设有电极板，两电极板将多个装有PTC发热片的固体绝缘层及每相邻固体绝缘层之间设置的隔离片串在一起并且置于金属管内。

作为本发明的一个实施例，电极板可以采用金属与合金作为电极材料。固体绝缘层可以为绝缘陶瓷空心瓷柱，绝缘陶瓷空心瓷柱是粉体原料经过干压成型，具有优良的导热性、绝缘性、化学稳定性；采用绝缘陶瓷空心瓷柱一是比耐高温绝缘塑料膜有更好的导热能力及耐老化能力，二是瓷柱成型时，可以对它的形状和结构进行设计，让其内部留有一定的变形空间，拉拔时PTC发热片不会受到金属管和固体绝缘层形变时的挤压力，避免了现有技术中PTC发热片易压碎的现象。

作为本发明的一个实施例，绝缘陶瓷空心瓷柱粉体原料可选用A1₂O₃、MgO、ZnO、NiO、AlN、Si₃N₄、BN，SiC陶瓷粉等。目前常用的是A1₂O₃、MgO、ZnO等，具有一定的导热能力，优良的电绝缘性，而且价格较低、来源较广。SiC、BN比A1₂O₃等导热率更高，且具有抗氧化性、热稳性好等优点。本发明中优选AlN作为陶瓷瓷柱材料，AlN价格虽高，但具有良好的绝缘性、化学稳定性和力学性能，具有与SiC相接近的高热导率但绝缘性能比SiC好，热膨胀系数低于A1₂O₃的优点。

作为本发明的一个实施例，隔离片选用和所述绝缘陶瓷空心瓷柱一样的材料AlN陶瓷粉，粉体原料经干压成型。

金属管可以为不锈钢或铝合金等。不锈钢具有硬度强，良好的耐热性、耐腐蚀性等优点。优选铝合金，铝合金质量轻、良好的耐热性、耐腐蚀性，易加工成型，最重要的是比不锈钢导热性要好。

电热管采用拉拔式压实加工成型。未拉拔压实之前，PTC加热组件(如图5)中的PTC发热片、电极板、绝缘陶瓷空心瓷柱、隔离片相互贴合，在所有的部件装好在金属管里面后，为了使电热管传热效果及抗震性更好，通过拉拔机拉拔，令金属管直径变小，金属管内的绝缘陶瓷瓷柱因压力而随之发生形变，向管内的PTC发热片收紧，电极板也会发生延展，变长变薄，若电极板使用波纹结构，由压力作用变成扁平状。通过拉拔，最终使各部件紧密贴合，提高传热效果和抗震性能。

总而言之，本发明提供的电热管，与现有技术相比，主要具备以下优点：

(1)通过使用绝缘陶瓷材料作为绝缘层，由于良好的导热性和耐老化性，提高了电热管的热效率和工作可靠性。

(2)通过拉拔工艺，使电热管各部件的接触面更紧密，增强传热效果及抗震性。

(3)通过对绝缘陶瓷空心瓷柱内部腔体结构的设计，使瓷柱内部有足够的形变空间，PTC发热片不会受到金属管和固体绝缘层形变时的挤压力而压坏。

为了使本发明所解决的技术问题和技术方案更加清楚明白，下面将结合附图实施例对本发明作进一步说明。

参照图5至图7，本发明提供的PTC电热管包括PTC发热片13、第一电极板8、第二电极板9、绝缘陶瓷空心瓷柱15、绝缘陶瓷实心瓷柱14、隔离片30和金属管12；PTC发热片13的上表面设有第一电极板8，PTC发热片13的下表面设有第二电极板9；且PTC发热片13，第一电极板8和第二电极板9都置于绝缘陶瓷空心瓷柱15中，每相邻绝缘陶瓷之间设有隔离片30，绝缘陶瓷空心瓷柱15及隔离片30置于金属管12中。

在本发明实施例中，将PTC发热片13组装到成型的绝缘陶瓷空心瓷柱15中，并将多个这样装有PTC发热片13的瓷柱及每相邻瓷柱之间设有的隔离片30通过第一电极板8和第二电极板9串在一起，且第一电极板8和第二电极板9分别与PTC发热片上、下表面相贴合，形成PTC加热组件(如图5)，可根据功率要求配置不同数量、不同限温值的PTC发热片。用相同的方法形成另外一个PTC加热组件，将两个加热组件分别装入金属管12两端中，且将没有装入PTC发热片的绝缘陶瓷实心瓷柱14置于金属管中间段(如图6)，并将两电极板分别插入绝缘陶瓷实心瓷柱14的插槽141、142，装入绝缘陶瓷实心瓷柱14的目的一是金属管在弯成U型时作为弯曲端的填充物避免金属管弄瘪，同时具有传热作用，二是固定PTC加热组件位置，使两端的PTC加热组件的电极板保持在同一水平面。当所有部件都装好在金属管内后，需要对金属管进行拉拔式压实加工使得金属管直径变小，让金属管12、绝缘陶瓷空心瓷柱15、PTC元件13以及第一电极板8和第二电极板9相互之间紧密贴合，使传热效果更好，提高加热管工作效率(局部放大图如图7所示)。拉拔变细后将金属管弯成U型，头尾再用导热灌封胶11处理，起到固定和绝缘作用，形成如图8所示的U型PTC电热管。

具体实施时，金属管也可以不用弯成U型，可根据需求加工成任意形状。如加工成直形时，只需将PTC加热组件装入金属后进行拉拔压实，最后进行封头封尾处理即可。

绝缘陶瓷空心瓷柱15的结构如图2(a)所示，从图中看出，瓷柱中间位置有空腔150，空腔150由长方形腔体151和长方形腔体152垂直相交形成，空腔150是从瓷柱上底面开孔至下底面，PTC发热片设置在绝缘陶瓷瓷柱15的空腔内。空腔152的设置是为了留有一定的形变空间，不让PTC发热片左右两侧因受到瓷柱形变时的挤压力而损坏。空腔151用于放置PTC发热片，为了防止PTC发热片13置于腔体151后左右晃动，长方形腔体151截面的长与PTC发热片的长相当，且腔体152截面的宽要小于PTC发热片的宽，不让发热片滑进腔体152内。同时为了PTC发热片的上、下表面不因受到陶瓷瓷柱发生形变时的挤压力而损坏，腔体151截面的宽要大于PTC发热片的宽。腔体151上、下两侧各设置一个长方形孔153，长方形孔153与空腔150连通，两个长方形孔153对称设置，且长方形孔153从瓷柱上底面开孔至下底面，贯穿瓷柱，用于穿插电极板。

绝缘陶瓷实心瓷柱14结构如图2(c)所示，实心瓷柱一底面设有插槽141、142，电极板插入插槽，用于固定PTC加热组件位置，使两端的PTC加热组件的电极板保持在同一水平面，两个插槽141、142对称设置，插槽深度5mm至10mm。

隔离片30横截面图如图3，从图中看出，隔离片30设有长方形孔301和长方形孔302，两长方形孔对称设置且贯穿隔离片，用于穿插两电极板；在每相邻的固体绝缘层之间设有隔离片，其作用是将相邻的PTC发热片隔开，防止拔拉时PTC发热片窜到一块互相挤压而损坏。

第一电极板8和第二电极板9结构如图4所示，电极板可采用平面结构(如图(a)所示)或波纹结构(如图(b)所示)，针对本发明PTC电热元件，优选可以采用波纹结构，电极板从侧面看可以呈现正弦波形。采用这种结构作用是因为电极板置于长方形孔153后，电夹板与PTC发热片以及陶瓷瓷柱能够相互贴合，由于挤压力的作用，起到夹持住PTC发热片作用，防止其在腔体151内上下移动。

本发明进一步提供了一种电动汽车水暖加热器，用于电动汽车空调供暖系统。所述的电动汽车水暖加热器包括：上壳体、下壳体、密封防水板及密封防水板和下壳体对合形成的空腔，还包括设置在空腔内的多个PTC电热管、与PTC电热管电连接的控制系统及与控制系统电连接的高压连接器，所述的PTC电热管安装固定在密封防水板上，下壳体设置有进水管、出水口、出水仓。

本发明电动汽车水暖加热器(如图9-图11)包括上壳体1，与PTC电热管电连接的控制系统及与控制系统电连接的高压连接器2，密封防水板3，PTC电热管组件4，进水管5，出水口6，下壳体7。与PTC电热管电连接的控制系统及控制系统电连接的高压连接器2置于上壳体1与密封防水板3对合形成的空腔中，并且安装在密封防水板上。下壳体7与密封防水3板形成空腔加热室21，加热室21中设有用于加热液体介质的PTC加热管组件4、用于将液体介质供给到加热室中的进水管5、出水口6及用于将加热室底部已加热的介质引到出水口的出水仓20。PTC加热管组件4由多个加热管等间距并列组成，安装在密封防水板3上。进水管5横跨穿插于PTC加热管组件4的U型间隙，进水管5的进水口置于下壳体7右侧面上部中间位置，出水口6置于下壳体7左侧面上部中间位置，且与进水管5的进水口相互对称。出水仓20置于出水口6处，进水管5流入加热室的介质只能经过PTC加热管加热后从加热室底部进入出水仓20，介质再从出水口6流出。下壳体7的内部结构如图11所示。进水管5的两侧管壁有若干圆孔阵列组成的进水孔(每个圆孔阵列依次对着PTC电热管的管壁)，液体介质在水泵的压力下从进水孔喷出，喷到PTC电热管附近，以便介质及时加热，从进水端往出水端方向，圆孔的半径依次增大，这样做的原因是由近到远水压会降低，使得远端圆孔进水量不会因进水速度小而减少，保证了介质能够均匀加热。介质从圆孔阵列处喷出流入加热室21，PTC电热管组件4对介质进行加热，经过加热的介质从出水仓20流入出水口6。出水仓20截面成梯形，底面有开口，介质从开口处流入出水口6。从出水口流出的介质经过热交换器交换热量后，在水泵的压力下再次循环流入进水管5。

上述使用的直管进水管，介质是从进水孔喷出，喷到U型加热管的直管两内壁附近进行加热，而加热管两外壁没有利用到。具体实施时，可使用图12所示的U型进水管，进水管的进水孔与直管进水孔设置一样，PTC加热管组件置于进水管U型间隙内，介质喷到PTC加热管的直管两外壁进行加热。也可以使用图13所示的E型进水管，进水管的进水孔与直管进水孔设置一样，PTC加热管组件置于进水管E型两间隙内，介质喷到PTC加热管的直管内、外壁进行加热，由于加热管的内外壁都利用到了，提高了加热效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种PTC电热管，包括发热体、电极板、固体绝缘层、隔离片和金属管；所述发热体包括多个PTC发热片；每个PTC发热片置于固体绝缘层中，且PTC发热片的上、下表面各设有一个电极板，两电极板将多个装有PTC发热片的固体绝缘层及每相邻固体绝缘层之间设置的隔离片串在一起并且置于所述金属管内；其特征在于，所述固体绝缘层为绝缘陶瓷空心瓷柱，通过拉拔工艺使PTC发热片和电极板紧密贴合，在所述绝缘陶瓷瓷柱内留有一定的变形空间，拉拔时PTC发热片不会受到金属管和绝缘陶瓷瓷柱形变时的挤压而损坏；

所述绝缘陶瓷空心瓷柱包括：空腔(150)和两个长方形孔(153)；

由第一长方形腔体(151)和第二长方形腔体(152)垂直相交形成所述空腔(150)，且所述空腔(150)从所述绝缘陶瓷空心瓷柱上底面开孔至下底面，贯穿整个瓷柱，通过所述空腔(150)将PTC发热片放置于所述绝缘陶瓷空心瓷柱内；

在所述长方形腔体(151)上、下两侧各设置一个所述长方形孔(153)，所述长方形孔(153)与长方形腔体(151)连通，所述长方形孔(153)用于穿插两个电极板；两个长方形孔(153)对称设置，且所述长方形孔(153)从所述绝缘陶瓷空心瓷柱上底面开孔至下底面，贯穿整个瓷柱。

2.如权利要求1所述的PTC电热管，其特征在于，所述第一长方形腔体(151)用于放置PTC发热片，所述第二长方形腔体(152)的设置是为了留有一定的形变空间，不让PTC发热片左右两侧因受到瓷柱形变时的挤压力而损坏。

3.如权利要求2所述的PTC电热管，其特征在于，所述第一长方形腔体(151)截面的长与PTC发热片的长相当，所述第一长方形腔体(151)截面的宽大于PTC发热片的宽；且所述第二长方形腔体(152)截面的宽小 于PTC发热片的宽。

4.如权利要求1所述的PTC电热管，其特征在于，所述电极板为波纹结构。

5.如权利要求4所述的PTC电热管，其特征在于，所述电极板为正弦波结构。

6.如权利要求1所述的PTC电热管，其特征在于，所述绝缘陶瓷瓷柱的材料为AlN。

7.一种电动汽车水暖加热器，包括上壳体(1)，高压连接器(2)，密封防水板(3)，PTC加热管组件(4)、进水管(5)，出水口(6)和下壳体(7)；所述高压连接器(2)置于所述上壳体(1)与所述密封防水板(3)对合形成的空腔中，并且安装在所述密封防水板(3)上；所述下壳体(7)与所述密封防水板(3)形成空腔加热室(21)，在所述空腔加热室(21)中设有用于加热液体介质的所述PTC加热管组件(4)，用于将液体介质供给到所述空腔加热室(21)中的所述进水管(5)、所述出水口(6)以及将所述空腔加热室(21)底部已加热的介质引到出水口(6)的出水仓(20)；所述出水仓(20)置于所述出水口(6)处，所述进水管(5)流入加热室的介质只能经过PTC加热管加热后从加热室底部进入出水仓(20)，介质再从出水口(6)流出；其特征在于，所述PTC加热管组件(4)包括多个等间距并列布置的PTC加热管，所述PTC加热管为权利要求1-6任一项所述的PTC电热管。

8.如权利要求7所述的电动汽车水暖加热器，其特征在于，所述PTC加热管组件(4)为U型结构，所述进水管(5)横跨穿插于PTC加热管组件(4)的U型间隙，所述进水管(5)的进水口置于所述下壳体(7)右侧面上部中间位置，所述出水口(6)置于所述下壳体(7)左侧面上部中间位置，且与所述进水管(5)的进水口相互对称；

所述进水管(5)的两侧管壁均设置有由若干个圆孔阵列组成的进水孔， 圆孔的半径从进水端往出水端方向依次增大；每个圆孔阵列依次对着所述PTC电热管的管壁，液体介质在水泵的压力下从所述进水孔喷出，并喷到PTC电热管附近以便介质及时加热。