CN110381611A - Ptc陶瓷半导体热源 - Google Patents

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Abstract

本发明属发热装置领域，尤其涉及一种PTC陶瓷半导体热源，包括外壁为正多边形内壁为圆形的加热管（1）；在所述加热管（1）外壁周围横向设有加热腔（2）；在所述加热腔（2）内置有PTC加热片（3）；所述PTC加热片（3）通过设置在加热片两边和侧面的铝片电性连接；在所述加热管（1）内壁上轴向设有散热翅片（4）；在所述加热腔（2）外侧螺旋缠绕一层铜管（5）；在铜管（5）外部固定设有保温层（6）；在所述加热腔（2）内壁与PTC加热片（3）远离加热管（1）中轴一侧位置之间固定设有隔热层（7）。本发明热利用率高，加热速度快，且能够耐酸、碱和氧化腐蚀，室温电阻分布窄，PTC强度高，稳定性强。

Description

PTC陶瓷半导体热源
技术领域
本发明属发热装置领域，尤其涉及一种PTC陶瓷半导体热源。
背景技术
加热装置是日常生活中常用的设备，电加热具有安全方便无污染的特性。根据电能转换方式的不同，电加热通常分为电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热等。尤其以电阻加热为主。但现有的电加热装置在进行流体加热过程中，存在如下不足：
1、不能有效实现液水分离，容易出现导电事故；2、加热装置导热速度慢，热浪费较大，导致热效率低；3、加热装置中热交换面积小，热传导效率低。以上问题导致了加热速度低，热效率低且控制不便；4、目前的有机 PTC 材料主要以石墨和炭黑为导电填料，主要存在室温电阻分布较宽，PTC 强度小、稳定性较低等问题。
PTC是Positive Temperature Coefficient 的缩写，意思是正的温度系数， 泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。陶瓷PTC是由钛酸钡（或锶、铅）为主成分，添加少量稀土（Y、Nb、Bi、Sb）、受主（Mn、Fe）元素，以及玻璃（氧化硅、氧化铝）等添加剂，经过烧结而成的半导体陶瓷。陶瓷PTC在居里温度以下具有小电阻，居里温度以上电阻阶跃性增加1000倍～百万倍,包含PTC发热元件的PTC加热器已逐渐在很多电器产品上得到应用，如电热水器、家庭用按摩休闲水池、暖风机、洗脚盆、浴霸等。
发明内容
本发明旨在克服现有技术不足之处而提供一种热利用率高，加热速度快，且能够耐酸、碱和氧化腐蚀，室温电阻分布窄，PTC强度高，稳定性强的适应于加热各种液体的PTC陶瓷半导体热源。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种PTC陶瓷半导体热源，包括外壁为正多边形内壁为圆形的加热管；在所述加热管外壁周围横向设有加热腔；在所述加热腔内置有PTC加热片；所述PTC加热片通过设置在加热片两边和侧面的铝片电性连接；在所述加热管内壁上轴向设有散热翅片；在所述加热腔外侧螺旋缠绕一层铜管；在铜管外部固定设有保温层；在所述PTC加热片外壁包覆绝缘层；在所述加热腔内壁与PTC加热片远离加热管中轴一侧位置之间固定设有隔热层；在所述加热腔内，PTC加热片的侧面设有铝波纹条。
作为一种优选方案，本发明所述PTC加热片为由通式AnBO3所表示的钙钛矿型BanTiO3系材料为主成分，其中A位和B位的摩尔比1.0008≤n≤1.02，并且用Na、Ca以及La置换构成A位的Ba的一部分；当A位元素总摩尔数为1摩尔时，所述Na的摩尔比为0.03～0.3，所述Ca的摩尔比为0.03～0.30，所述La的摩尔比为0.0006～0.017。
进一步地，本发明所述PTC加热片的电阻温度系数满足：ɑ=[ln（β2-β1）/（T2-T1）]×100；其中，β1代表电阻率，它是PTC加热片的温度为室温25℃时所获得的电阻率β0的10倍；β2代表电阻率，它是PTC加热片的温度为室温25℃时所获得的电阻率β0的100倍；T1为电阻率为β1时的温度；T2为电阻率为β2时的温度。
本发明热利用率高，加热速度快，且能够耐酸、碱和氧化腐蚀，室温电阻分布窄，PTC强度高，稳定性强。
本发明通过加热腔外侧螺旋缠绕一层铜管，使得水流过加热器的时间长，有利于水吸收热量，所述铜管与加热腔外侧紧密接触，形成良好的热传递接触，所述PTC加热单元产生的热量一部分传导到PTC 加热器加热腔外部，从而把热量传导到缠绕在PTC加热器加热腔外部的铜管，再传导到管内的水中，使得热利用效率高，加热速度快；此外，由于缠绕在PTC加热器加热腔外部铜管的通水（或其他液体）的具有一定的耐腐蚀性，适应于加热各种液体。
本PTC陶瓷半导体热源的所有带电体完全与外界隔绝，其整个产品外部都不带电，同时，由于所有带电体都是密封在加热腔里，无法与水接触，也起到了防水的作用，这样就不会对使用者产生危害。
本发明PTC加热片在加热腔内且与加热腔绝缘连接，连接可靠，电绝缘可靠；PTC加热片接触紧密，热传导好；在内壁设有导热翅片，增加了与内部流体的接触面积，提高了导热效率，同时对流体的流动起到的扰动的效果。在PTC加热片外侧设有隔热层，减少了热量的流失，在加热腔外还螺旋缠绕一层铜管，可以对流失的热量进一步回收再利用，在最外面设有保温层，可以更进一步的减少热量的损失。本发明发热效率高，热传导速度快，还设有热回收结构，总体使热损失特别小。
室温（25℃）下，零功率电阻为16mΩ，PTC强度达到9.1以上，将其在-20℃和136℃之间热循环150次后，其室温电阻仍在25mΩ以下，并且在热循环中电阻的变化情况稳定，具有长期通流大于110A的通流能力。PTC陶瓷半导体热源发热材料寿命：21分钟通电一次，21分钟断电一次，42分钟一个循环，通断3500次，功率变化率95.1%，温度变化率97.9%。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明PTC陶瓷半导体热源剖视图。
图中：1、加热管；2、加热腔；3、PTC加热片；4、散热翅片；5、铜管；6、保温层；7、隔热层；8、绝缘层；9、铝波纹条。
具体实施方式
如图所示，PTC陶瓷半导体热源，包括外壁为正多边形内壁为圆形的加热管1；在所述加热管1外壁周围横向设有加热腔2；在所述加热腔2内置有PTC加热片3；所述PTC加热片3通过设置在加热片两边和侧面的铝片电性连接；在所述加热管1内壁上轴向设有散热翅片4；在所述加热腔2外侧螺旋缠绕一层铜管5；在铜管5外部固定设有保温层6；在所述PTC加热片3外壁包覆绝缘层8；在所述加热腔2内壁与PTC加热片3远离加热管1中轴一侧位置之间固定设有隔热层7；在所述加热腔2内，PTC加热片3的侧面设有铝波纹条9。铝波纹条9用于散热，保证PTC发热装置不至于过热而被烧坏。本发明所有带电体完全与外界隔绝，使其整个产品外部都不带电，只有引出的带绝缘的引线是带电的。同时，由于所有带电体都密封在加热腔里，无法与水接触，也起到了防水的作用，这样就不会对使用者产生危害。本发明在所述加热管1内壁上轴向设有散热翅片4，增加了与内部流体的接触面积，提高了导热效率。本发明在所述加热腔2内壁与PTC加热片3远离加热管1中轴一侧位置之间固定设有隔热层7，减少了热量损失。
本发明所述PTC加热片3为由通式AnBO3所表示的钙钛矿型BanTiO3系材料为主成分，其中A位和B位的摩尔比1.0008≤n≤1.02，并且用Na、Ca以及La置换构成A位的Ba的一部分；当A位元素总摩尔数为1摩尔时，所述Na的摩尔比为0.03～0.3，所述Ca的摩尔比为0.03～0.30，所述La的摩尔比为0.0006～0.017。
本发明所述PTC加热片3的电阻温度系数满足：ɑ=[ln（β2-β1）/（T2-T1）]×100；其中，β1代表电阻率，它是PTC加热片的温度为室温25℃时所获得的电阻率β0的10倍；β2代表电阻率，它是PTC加热片的温度为室温25℃时所获得的电阻率β0的100倍；T1为电阻率为β1时的温度；T2为电阻率为β2时的温度。本发明在高湿度（相对湿度87%）气氛下也能抑制电阻值的异常变化，具有较高的可靠性。
本发明提供一种优选的PTC陶瓷半导体，其结构通式为：（Ba1-a-b-cNaaCabLac）nTiO3。作为稀土金属的La是一种半导体化剂，起到半导体化的作用。
AnBO3中，A位和B位的摩尔比n控制在1.0008与1.02之间，超过1.02或低于1.0008均会影响可靠性。本发明Na与Ti经煅烧热处理后生成Na-Ti化合物。
（1）在具体制备时，将BaCO3、NaCO3、CaCO3、La2O3及TiO2，按照烧结后的组成称量混合（见表1），得到混合粉末。
（2）在步骤（1）所得混合粉末中加入乙醇和高分子型分散剂，在球磨机中湿式混合粉碎，在950℃温度下进行1.8小时热处理，获得煅烧粉。
（3）在步骤（3）所述煅烧粉中添加醋酸乙烯类有机粘合剂，并再次在球磨机中湿式混合粉碎，制作成浆液。
（4）将步骤（3）所述浆液干燥后，获得原料粉末。
（5）将步骤（4）所得原料粉末用压模机压模成形。
（6）对步骤（5）所得成形体在650℃温度下进行脱粘合剂处理，在惰性气体气氛中，以1450℃温度烧结2.5小时即得目标物PTC陶瓷半导体。β0为温度为室温25℃时所获得的电阻率。β为温度为T时的电阻率。
表1
在本发明的描述中，需要理解的是，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语 “设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种PTC陶瓷半导体热源，其特征在于，包括外壁为正多边形内壁为圆形的加热管（1）；在所述加热管（1）外壁周围横向设有加热腔（2）；在所述加热腔（2）内置有PTC加热片（3）；所述PTC加热片（3）通过设置在加热片两边和侧面的铝片电性连接；在所述加热管（1）内壁上轴向设有散热翅片（4）；在所述加热腔（2）外侧螺旋缠绕一层铜管（5）；在铜管（5）外部固定设有保温层（6）；在所述PTC加热片（3）外壁包覆绝缘层（8）；在所述加热腔（2）内壁与PTC加热片（3）远离加热管（1）中轴一侧位置之间固定设有隔热层（7）；在所述加热腔（2）内，PTC加热片（3）的侧面设有铝波纹条（9）。
2.根据权利要求1所述的PTC陶瓷半导体热源，其特征在于：所述PTC加热片（3）为由通式AnBO3所表示的钙钛矿型BanTiO3系材料为主成分，其中A位和B位的摩尔比1.0008≤n≤1.02，并且用Na、Ca以及La置换构成A位的Ba的一部分；当A位元素总摩尔数为1摩尔时，所述Na的摩尔比为0.03～0.3，所述Ca的摩尔比为0.03～0.30，所述La的摩尔比为0.0006～0.017。
3.根据权利要求1所述PTC陶瓷半导体热源，其特征在于：所述PTC加热片（3）的电阻温度系数满足：ɑ=[ln（β2-β1）/（T2-T1）]×100；其中，β1代表电阻率，它是PTC加热片的温度为室温25℃时所获得的电阻率β0的10倍；β2代表电阻率，它是PTC加热片的温度为室温25℃时所获得的电阻率β0的100倍；T1为电阻率为β1时的温度；T2为电阻率为β2时的温度。
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