CN107135558B - 一种适用于曲面加热的新型ptc陶瓷加热元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于曲面加热的新型PTC陶瓷加热元件，其可有效提高PTC陶瓷散热能力，且适用于平面和不规则曲面加热。本发明的一种PTC陶瓷加热元件，在PTC陶瓷加热片的一个表面设有金属对电极，所述PTC陶瓷加热片的非电极表面采用共烧陶瓷层绝缘。以此可以方便地实现与任意形状的被加热面共形贴合。
Description
技术领域
本发明涉及一种PTC陶瓷加热元件，尤其涉及一种适用于曲面加热的新型PTC陶瓷加热元件。
背景技术
PTC（Positive Temperature Coefficient，正温度系数）陶瓷加热元件广泛用于各类加热器，通常采用热传导和对流传热将PTC陶瓷加热元件的热量输送到需加热的部位或空间。PTC陶瓷加热元件通常要求散热面积大，热阻小，因此，PTC陶瓷加热元件一般为薄片状或蜂窝状。由于蜂窝状加热元件制造过程复杂，质量控制困难且成本相对较高，因而使用不多。目前使用最为普遍的PTC陶瓷加热元件均采用双面电极的片状形式。
PTC陶瓷是一种钙钛矿结构的多晶半导体材料，双面电极片状的PTC陶瓷加热片的等效电路可以看作是沿厚度方向的多层电阻串联，，由于PTC陶瓷的热导率仅为~0.5 W/m·K，在持续通电的情况下，双面电极片状的PTC陶瓷加热片中间层常处于高阻状态，存在“箍缩”效应（pinch effect），导致流经PTC陶瓷加热片的电流对加热片表面温度变化的响应迟缓。此外，为了增加散热面积，通常需要在双面电极片状PTC陶瓷加热片的散热面上粘贴金属翅式散热条，利用金属良好的热传导性，将热量带出。因此，为了弥补以上不足，通常采用提高PTC陶瓷材料的居里温度、增加居里温度/加热温度的比值或减小PTC陶瓷加热片的厚度等方式以改进PTC陶瓷加热器加热性能。
值得一提的是，提高PTC陶瓷材料的居里温度是通过增加原料中的Pb含量来实现的，无论从材料制备还是环境保护方面来说，都会增加企业的生产成本，同时付出破坏环境的代价。另外，减小PTC陶瓷加热片的厚度会使加热元件承受的电压梯度增高，对材料性能要求极高。从加热器结构上看，双面电极片状PTC陶瓷加热元件的电气连接和绝缘处理等环节均会对加热元件的导热性能及可靠性造成不利影响，更为重要的是，双面电极片状PTC陶瓷加热片的传热面只能用于平面加热，其加热应用范围受到一定程度的限制。
根据中华人民共和国专利局发明专利申请公开说明书（申请号95190068.4），PTC平面型加热器可通过切断电极图案的导电通道来调节加热片电阻，并通过多个加热片并联的形成具有很大散热面的加热器。然而，上述发明专利申请公开说明书中的平面加热片须通过粘接绝缘片以形成大面积平面加热器，这样不仅会增加热阻，而且难以做到与被加热面的共形贴合，从而降低热效率。
发明内容
为了克服以上现有技术中的不足之处，本发明提供一种可有效提高PTC陶瓷散热能力，且适用于平面和不规则曲面加热的新型PTC陶瓷加热元件。
本发明所述的PTC陶瓷加热元件，其主要结构特征是，在PTC陶瓷加热片的一个表面设有金属对电极，所述PTC陶瓷加热片的非电极表面采用共烧陶瓷层绝缘。以此可以方便地实现与任意形状的被加热面共形贴合。
本发明所述的PTC陶瓷加热元件的电极分布于一个平面上，与传统双面电极片状的PTC陶瓷加热元件相比，本发明提出的PTC陶瓷加热元件的等效电路是平面方向及厚度方向的多电阻并联，当散热面温度下降时，该层电阻下降，电流增大，温度上升，以此循环。通电后加热元件厚度方向不存在高电阻层串联引起的“箍缩”效应，因而加热元件的功率响应迅速，且非电极面可以加工成任何形状。同时，本发明提出的加热元件散热面采用共烧陶瓷绝缘，可极大简化PTC陶瓷加热器的绝缘结构设计。
较佳为，所述金属对电极材料为银、金、铝、镍和铬之一的导电金属。
较佳为，所述共烧陶瓷层形成散热面，所述散热面是平面或不规则曲面。
由于本发明的PTC陶瓷加热元件采用了共烧陶瓷层绝缘，因而与被加热面之间无需设置额外的绝缘结构，具有结构简单、重量轻、低温环境下的加热效率高、输出功率响应快、适用于不规则曲面的表面加热等优点，可满足航空器、汽车、医疗器械及厨电家用电器等对具有复杂形状表面的物体加热应用需求。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施形态的可适用于曲面加热的PTC陶瓷加热元件的结构示意图；
图2示出了图1所示平面电极PTC陶瓷加热元件用于曲面加热的示意图；
图3示出了PTC陶瓷加热元件通电后的热分布示意图：其中，（a）为传统双面电极，（b）为本发明的平面电极；
图4示出了平面对电极PTC加热陶瓷元件散热面升温曲线；
图5示出了不同厚度平面对电极PTC陶瓷加热元件散热面升温曲线；
图6示出了PTC陶瓷加热片厚度方向温度分布测试结果：其中，（a）为室温时双面电极陶瓷片厚度方向温度分布，（b）为0℃时双面电极陶瓷片厚度方向温度分布，（c）为室温时平面对电极陶瓷片厚度方向温度分布，（d）为0 ℃时平面对电极陶瓷片厚度方向温度分布。
附图标记：
1. 银电极
2. PTC陶瓷
3. 导线
4. 共烧绝缘散热层
5. 被加热面。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步详述，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。另外，附图中同样的构件采用相同的附图标记，省略重复的说明。
本发明要描述的一种PTC陶瓷加热元件具有平面对电极结构，通过设计一种类似于叉指及其变体结构的电极对，使PTC陶瓷加热元件的电极分布于一个平面上。在本发明的PTC陶瓷加热元件的一个表面设有对电极，设有所述对电极的电极面为平面，在非电极表面采用共烧陶瓷层绝缘。
图1示出了根据本发明一实施形态的可适用于不规则曲面的PTC陶瓷加热元件示意图。其中，PTC陶瓷加热元件的设有银电极1的电极面是平面，其他表面可以是任何形状。通过在银电极表面焊接或粘接导线3连接外部电源。在非电极表面（散热面）采用共烧陶瓷层绝缘（共烧绝缘散热层4），绝缘层厚度可以实现10~200 μm连续可调，该绝缘层可以由低温共烧陶瓷（授权专利号：ZL201310422945.8）构成。散热面可以是平面或不规则曲面。共烧绝缘散热层4与PTC陶瓷2形成一体，由于共烧绝缘层厚度很薄，且不存在外部绝缘贴合形成的空气热阻层，可有效提高热量散发能力，加热效率高。
本实施形态中，电极对位于一个平面上，通电后加热元件厚度方向不存在高电阻层串联，加热元件功率响应迅速，加热元件的最厚度处可达4mm以上，用低温共烧陶瓷将散热面绝缘，散热面可以是弯曲面，与被加热面5共形，如图2所示。
采用平面对电极结构结合散热面低温共烧陶瓷绝缘，热效率高，可靠性好。
低温（0~-55℃）条件下加热效率高，热平衡时间短，材料居里温度与热平衡温度的比值小。
可以通过调节平面对电极线宽、间距及走线，调整加热元件电阻和发热密度。
具有平面对电极的PTC陶瓷加热元件，除电极以外的其余面用低温共烧陶瓷绝缘。因此，其余面可以是平面或不规则曲面，可直接贴合到需要加热的表面上。由于共烧陶瓷层的厚度一般在100μm以内，PTC陶瓷2的传热效率会大大提高，同时绝缘电阻可达500MΩ以上。
本发明源于PTC陶瓷平面对电极的等效电路为多电阻并联状态，当PTC陶瓷散热面温度低于居里温度时，就在这一并联电路中产生出一个低电阻，电流随之升高，温度向居里温度逼近。与传统双面电极片状的PTC陶瓷加热元件相比，由于不存在导热方向的层间高阻态，本发明提出的PTC陶瓷加热片厚度对加热效率的影响较小，传统双面电极和本发明提出的平面电极的PTC陶瓷加热片在通电后的热分布示意图如图3所示。低温共烧介质陶瓷绝缘可以使PTC陶瓷外层绝缘整体化，在实现热阻最小化的同时可将散热面做成曲面或双曲面从而与被加热面共形。
本发明的第二个方面是平面对电极PTC陶瓷加热元件的厚度对被加热面的温度上升速度的影响小，因此，加热片不需要通过减小厚度提高热效率，从而能确保加热元件的耐电压强度及可靠性。
本发明的第三个方面是该结构特别适用于低温（0~55℃）环境下的加热，由于不存在高阻层，低温环境下的环境温度更有利于加热面热量耗散，加热效率提升更为明显，表现为居里温度与加热温度比值显著减小。
本发明第四个方面是可以通过优化电极线宽、对电极间距，电极走线调整发热元件电阻及有效发热密度。
通过以下实施例来详细描述本发明。
实施例1：
采用干压工艺将PTC陶瓷粉体压制成35×35×4mm的方片，经1320℃烧结成瓷。烧结后的PTC陶瓷为28×28×3.5mm陶瓷片，将叉指状银电极通过丝网印刷工艺涂覆在PTC陶瓷片的一个面上，经烧银工艺后得到平面对电极的PTC陶瓷加热元件。在电极上焊接导线，接通电源，用红外温度热成像仪观察散热面（不含电极的表面）温度上升的情况，通电10秒，散热面温度65℃ 以上，60秒后散热面温度平衡在80℃左右。
实施例2：
采用干压工艺将低居里点PTC陶瓷粉体压制成35×35×4mm的方片，经1320℃烧结成瓷。烧结后的PTC陶瓷为28×28×3.5mm陶瓷片，发热元件的散热面用低温共烧介质浆料涂覆，于900℃-30分钟共烧形成绝缘介质层，绝缘电阻大于500MΩ。将叉指状银电极烧制在PTC陶瓷片的另一个面上，得到平面对电极PTC陶瓷加热元件。电极上焊接导线，接通电源，用红外热成像仪观察共烧介质绝缘层温度，通电10秒，覆有共烧绝缘层的散热面温度65℃以上，60秒后散热面温度平衡在78℃左右，图4示出了无共烧绝缘层（实施例1）和有共烧绝缘层（实施例2）的PTC加热陶瓷元件的散热面升温曲线，测试结果表明，共烧绝缘层表面（散热面）温度上升速度与无共烧绝缘层的PTC陶瓷表面（散热面）基本一致。说明采用本发明提出的共烧绝缘层对PTC陶瓷元件的发热效果影响不大。
实施例3：
采用干压工艺将低居里温度PTC陶瓷粉体压制成35×35×4mm的方片，经1320℃烧结成瓷。烧结后的PTC陶瓷2为28×28×3.5mm陶瓷片，将样品的厚度分别加工成1mm和3.5mm两种厚度作对实验，将叉指状银电极1烧制在不同厚度PTC陶瓷片的一个面上，1mm厚度加热元件通电40秒钟后散热面73℃左右， 3.5mm厚度加热元件通电90秒钟后散热面达73℃左右，温度随时间变化如图5所示。说明采用本发明提出的平面对电极PTC陶瓷加热片的厚度对发热效果影响较小。
实施例4：
采用干压工艺将中等居里温度PTC陶瓷粉体压制成35×35×4mm的方片，经1320℃烧结成瓷。烧结后的PTC陶瓷为28×28×3.5mm陶瓷片，分别采用传统双面电极和本发明提出的平面对电极的方式制备发热元件，传统双面电极和本发明提出的平面对电极通电达到热平衡状态时陶瓷片截面的温度分布可参见图6，从中可以看出，0℃时，平面对电极截面恒温区宽度明显大于双面电极样品。说明平面对电极的PTC陶瓷加热片发热效率高，不存在双面电极导致的“箍缩”效应。
以上实施例说明，与传统现有的双面电极PTC陶瓷加热元件相比，本发明提出的可用于曲面加热的新型PTC陶瓷加热元件绝缘结构简单，发热效率高，适合于平面或不规则曲面的加热应用。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。
Claims (3)
1.一种PTC陶瓷加热元件，其特征在于，
在PTC陶瓷加热片的一个表面设有金属对电极，
在PTC陶瓷加热片的非电极表面用低温共烧介质浆料涂覆，共烧形成低温共烧陶瓷绝缘介质层；
所述PTC陶瓷加热片的非电极表面是不规则曲面。
2.根据权利要求1所述的PTC陶瓷加热元件，其特征在于，
所述非电极表面用低温共烧介质浆料涂覆，于900℃、30分钟共烧形成所述低温共烧陶瓷绝缘介质层。
3.根据权利要求1所述的PTC陶瓷加热元件，其特征在于，
所述PTC陶瓷加热片的非电极表面为散热面。
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