CN1173799A - Ptc平面型加热器以及对其电阻的调节方法 - Google Patents

Ptc平面型加热器以及对其电阻的调节方法 Download PDF

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Abstract

一种用于调节PTC平面型加热器的电阻的方法,其中通过调节该PTC平面型加热器的每个PTC陶瓷元件(1)的电极(2)之间的电阻来调节PTC陶瓷元件之间的电阻,调节的进行是通过切断各电极图形中的导电通道或者通过利用焊接技术将先前已断开的导电通道上的预定位置(8)进行连接来实现的。

Description

PTC平面型加热器以及 对其电阻的调节方法
本发明涉及一种应用于航空、航天、汽车、航海业之类的PTC平面型加热器，其中它必须以有限的重量提供高的输出以及涉及用于调节该加热器电阻的方法。
通常，通过将电极2形成在以图24(a)所示的以矩形片的形状烧结的PTC陶瓷元件1的两侧上以及向其施加电压来制造PTC陶瓷制品。因为它的释热面积有限，PTC陶瓷元件1的输出不很高。为了增加输出，如图24(b)所示，将一金属释热片17粘接到其上。然而，根据这种方法，PTC陶瓷元件1的厚度必须等于或大于某一数值以及该释热片17必须相当大。这就导致成本增加并在限制添加重量的应用场合处成为问题。
此外，由于散热系数的增加受限制，增加的输出受非缠绕的条件限制。
根据日本未经审查的实用新型公开文件昭和55-105904号，如图23所示，通过形成薄片形的PTC热敏电阻1，在其一侧形成一对电极22，以及使热量释放片17的表面的热量通过绝缘基片3释放，建议解决这一问题。这已经使单位面积的输出成功地增加了。
然而，对于在上述的日本未经审查的实用新型公开文件昭和55-105904号公开的结构中，该PTC陶瓷元件在烧结的过程中对于气体环境很敏感。其带来的问题是在成批生产的过程中PTC陶瓷元件的电阻明显产生变化，导致可能使成本增加。
此外，在薄片的一侧上形成电极可能导致在印制和烧结过程之后产生翘曲。
用于调节这种器件电阻的常规方法包括在日本的未经审查的专利公开文件昭和51-109461号中公开的方法，其中在PTC热敏电阻基片的后侧上形成—予辅助电极。然而，根据这种方法，为了容纳该辅助电极，必须明显改变表面面积。这要用复杂的技术，降低了这种方法的可行性。
此外，关于在上述日本未经审查的实用新型公开文件昭和55-105904号中所公开的器件，如图22所示，当在施加电压之后流有冲击电流Imax时，由于自身加热的作用电阻急剧增加，使在其中流过的电流衰减，当达到热平衡时，该电流达到一很低的数值Io。然而，假如因加热器件安装的环境条件影响使PTC热敏电阻劣化，在热平衡状态下本应很低的电流再次增加如图中曲线(OS)所示。这会导致产生电流，来自PTC电阻的很小的火花就能够引起非常危险的状态。尽管可以串联一电流熔丝来防止这种危险，但这会增加成本，而假如连续流过的电流其数值略低于熔断电流时，仍然留下故障的可能性。
图21(a)和图21(b)表示另一种常规的器件，其中的在其一侧上具有电极2的两个PTC热敏电阻1通过导电连接部分8连接在一起并用绝缘膜4覆涂。这种器件在施加52OV电流时会击穿。当发生击穿时，形成火花并使封装该器件的树脂之类烧掉。
本发明的第一个目的是提供一种PTC平面型加热器，其具有的结构使其电阻变化较小以就它是片状的，翘曲的可能性较小，以及一种用于调节加热器电阻的方法。
本发明的第二个目的是提供一种PTC平面型加热器，其中将过电流熔断部分装设在各PTC热敏电阻之间，以防止例如不可控的运行和火花之类故障发生。
为了实现第一个目的，根据本发明提供一种PTC平面型加热器，其中将在其表面上形成一对电极的一个或多个片状PTC陶瓷元件粘接到一绝缘体上。假如设有多个PTC陶瓷元件，具有相同极性的各电极以并联的方式电连接。此外，将一绝缘弹性层形成在该已形成电极的表面上，以防止翘曲、电线漏和短路。片状PTC陶瓷元件的厚度等于或大于0.5mm，以防止在印制和烧结之后产生翘曲。
根据用于调节本发明的电阻的方法，通过切断电极图形的导电通道或在先前已经切断的导电通道上的预定位置进行连接、焊接之类来调节上述PTC陶瓷元件电极间的电阻。
根据本发明，通过采这样一种结构提供一种平面型加热器，其中将其表面上设有一对电极的一个或多个片状加热元件粘接到片状绝缘体上。通过将具有相同极性的各电极并联连接作为多个加热器元件可以得到具有很大释热面积的加热器。
本发明使得具有很大释热面积的各加热器能够大量地制造。此外，尽管通常PTC陶瓷元件其电阻会有显著变化，但本发明通过使具有不同数值的电阻相综合，使得能够以高成品率制造具有均匀特性的加热器。通过使片状PTC陶瓷元件的厚度等于或大于0.5mm，可以有效地防止在印制和绕结之后产生翘曲。此外，通过切断电极图形的导电通道或者在先前已经切断的导电通道的预定位置进行连接、焊接之类来实现调节电阻，使加热器可以具有均匀的冲击电流。
通过对于环绕可能产生火花的位置的区域使用不可燃及耐弧材料，即使这些功能失灵和故障发生，也可以避免火灾之类危险发生。
为了实现第二个目的，根据本发明的第二个方面，将一过电流熔断部分设在PTC热敏电阻元件之间，以便防止例如不可控的运行以及火花的故障发生，以及形成一种配置，即使这一功能不能实现，也能防止火花和火焰从器件中飞出。
根据本发明，在PTC热敏电阻元件的两侧上，特别是在可能产生电弧和火花的区域中，装设一绝缘基片。此外，在PTC热敏电阻元件之间的过电流熔断部分具有的优点是防止例如为不可控运行和火花之类的故障，以及即使这一功能不能实现时，火花和火焰也将不会从器件中飞出。另外，在过流熔断部分周围设有空闲空间，以防止由于过电流熔断部分延迟动作时出现温度升高。这即有利于在出现过电流后该部分熔断动作时不产生时滞，又有利于熔断位置和熔断电流不发生变化，从而能够稳定地动作。
图1是表示本发明的PTC平面型加热器的一个实施例的透视图。
图2是图1中的部分断面图。
图3是表示本发明的PTC陶瓷元件的电极图形的透视图。
图4是表示电极图形的另一实例的透视图。
图5是本发明的PTC陶瓷元件的断面图。
图6是用于解释PTC陶瓷元件翘曲的断面图。
图7是表示调节电阻的方法的一个实例的透视图。
图8是本发明的PTC陶瓷元件另一实施例的透视图。
图9是表示对图8中所示实施例中的切口部分进行连接的实例的透视图。
图10是本发明的PTC陶瓷元件的另一实施例的透视图。
图11是图10中的实施例的背部透视图。
图12是表示用于调节在本发明的实施例中采用的电阻的方法的另一实例的透视图。
图13是一曲线图，表示在两侧形成电极得到的电阻以及在一侧上形成一对电极得到的电阻之间的相互关系。
图14(a)是本发明的PTC平面型元件的正视图。
图14(b)是本发明的PTC平面型元件的断面图。
图15是本发明的用绝缘膜涂覆的PTC平面型元件的断面图。
图16是包含两个本发明的元件的PTC平面型元件的正视图。
图17是本发明的具有螺旋形电极的PTC平面型元件的正视图。
图18(a)和18(b)是本发明的包含一个PTC平面型元件的加热器的断面图。
图19是本发明的具有过电流熔断部分的PTC平面型元件的断面图。
图20(a)、20(b)和20(c)是本发明的在过电流熔断部分具有空闲空间的PTC平面型元件的断面图。
图21(a)是常规的PTC加热器单元的正视图。
图21(b)是常规的PTC加热器单元的断面图。
图22表示通过PTC加热器单元的电流的转变特性。
图23是常规的PTC加热器单元的的透视图。
图24(a)是常规的PTC加热器单元的一个元件的透视图。
图24(b)是加热器单元的断面图。
通过参照如在各附图中表示的各优选实施例下面将详细地介绍本发明。
下面介绍本发明的第一实施例。
图1是表示该实施例的透视图，图2是表示该实施例一部分的断面图。两个PTC陶瓷元件1居里点为220℃，每一个尺寸均为400mm×40mm×1mm，是对利用挤压成型或模压成型之类得到的未经处理的成形元件进行烧结得到的。如图3所示，将一对电极2形成在PTC陶瓷元件1的表面上。如图3所示，一电极2可以呈梳状排列。该图形也可以如图4所示呈螺旋状排列。将该片状PCT陶瓷元件1粘接到尺寸为50mm×100mm×0.6mm的氧化铝基片3上。基片3可以由例如MgO、AIN和SiC具有高导热率的其它陶瓷材料构成。此外，通过将引线6电连接到电阻上，在基片的后侧上形成一绝缘的电阻，当将100V的交流电压加到形成的加热器时，得到40W的稳定输出。加热器的重量为31克。
利用导电粘接剂或通过焊接可以将引线6顺利和可靠地进行连接。同时，将绝缘的弹性层4粘接到已经形成电极的表面上，以防止由于加热和冷却相关带来的损害。由于电极2沿着片状PTC陶瓷元件1的一侧形成，由于在烧结过程中的电极2的收缩的结果产生如图6所示的翘曲。通过使厚度等于或大于0.5mm可以避免在电极形成过程中的这种变形。对图5所示的结构即按照每个间隔为3mm以及宽度Y为2mm形成电极，研究厚度t和翘曲之间的相互关系。因此由下面1中明显看出，厚度等于或大于0.5mm时基本上没有产生翘曲。
表1
  序号     厚度(mm)     翘曲(mm)
    12345     0.10.30.50.70.9     0.50.3000
此外，除了会有相关的电泄漏和短路可能发生之外，形成电极的表面还会受到污染和损伤。通过粘接如上所述的绝缘弹性层4提供的降低热应力作用可以避免这种伤害和污染。由例如为硅树脂和环氧树脂的材料来构成绝缘性层4，它们具有优异的耐热和绝缘特性。当与一其中没有粘接绝缘弹性层4的器件相比是比时，硅树脂的采用加倍提高了耐压值。
下面介绍本发明的第二实施例。
按图4所示构成的电阻其测量值为1KΩ。由于希望的电阻为在1.5到2.5KΩ的范围内，如图7所示，在距中心20mm远的位置5处将该图形切断。这就使电阻为1.6KΩ，处在适当的范围内。当将交流100V电压加到具有这种配置的一个加热器上时，冲击电流为0.23A，也在适当的范围内。温度分布范围在±2℃内，不会引起明显的问题。
下面介绍本发明的第三实施例。
通过将作为粘接剂的PVB(聚乙烯醇缩丁醛)和酒精添加到预制备的粉末中得到浆料，该粉末的成分为Bao.8Pbo.2TiO3+0.001Y2O3+0.005SiO2+0.005MnO2。对所形成的浆料利用刮浆刀操作，以形成厚度为0.66mm的未经处理的片。将该片在大气环境中在1350℃下持续1小时进行烧结，在以图4所示的形状进行印制和干燥电极之后，在650℃下持续20分钟进行烘焙。对因此得到的元件的100片的电阻进行测量。每片的电阻300到1500Ω的范围内。
下面介绍本发明的第四实施例。
如图8的所示，使在需要的地方具有切口部分8的图形形成在一利用与在第三实施例中的操作相类似的操作得到的绕结元件上，测量该元件上的电阻。对于每片而言电阻在1000到3000Ω的范围内。然后，如图9所示，通过导电粘接剂或焊接形成的连接部分9，将在一到三个位置的切口部分8电连接，这取决于所需电阻的大小。因此每片电阻落在1000到1300Ω的范围内。
下面介绍本发明的第五实施例。
通过将作为粘接剂的PVA(聚乙烯醇缩乙醛)添加到预制备的粉末中得到浆料，该粉末具有的成分为Bao.8Pbo.2TiO3+0.001Y2O3+0.005SiO2+0.005MnO2。然后，利用喷射干燥器使该浆料粉化为粉末。将形成的粉末模压成如图10所示的矩形，并在大气环境中在1350℃下持续1小时进行绕结成烧结元件。在印制如图10和11所示的电极2和2’和进行干燥之后，在650℃下持续20分钟进行烘焙。对因此得到的元件的100片的电阻进行测量。每片电阻在500到1500Ω的范围内。然后，取决于电阻对图12(a)所示的切口部分8或图12(b)上所示的凹槽部分10进行选择和处理。因此，使每片的电阻处在1200到1500Ω的范围内。
尽管所示的实例其中如图12(a)所示的切口部分8或图12(b)所示的凹槽部分10是在电极形成之后形成的以覆盖元件的整个表面，可以采用另外替换方法，其中先前切断如图12(a)所示的电极以及增加如图12(b)所示的一些连接部分9(未表示)。可以利用激光或锉进行切断，考虑成本、可操作性及其它因素选择适当的方法。另一方面，可以利用不同于导电粘接剂的适当方法处理连接部分，这种方法由焊接、钎接、火焰喷射、熔焊和溅射中选择，考虑所采用的方法要适用于引线连接、成本及元件的居里点。
下面介绍本发明的第六实施例。
图13表示对于PTC陶瓷元件的电极之间的各种不同的距离之间的相互关系研究的结果，该PTC陶瓷元件是以与在第五实施例中相似的方式得到的(见图10)。图13以对数刻度表示：当沿水平轴方向在两侧的整个表面上形成电极(如图24(a)所示的构形)时得到的电阻以及当沿竖直轴方向在一侧上形成一对电极(如图10中表示的构形)时得到的电阻。由图13明显看出，电阻不与距离的整数倍成比例，该关系可以用呈抛物线形状的某些曲线来描述。因此，很明显可以通过调节电极间的距离来调节电阻。
下面介绍本发明的第七个实施例。
在图14(a)和14(b)中所示PTC平面型元件是本发明的又一实施例，其中将其上形成电极2的PTC陶瓷元件1直接粘接到绝缘基片3上，并且其中将用作保护极的绝缘基片5粘接覆盖在电极2上。如图15所示，可以利用夹在其中的由硅树脂等制的绝缘膜4来粘接绝缘基片5。对于绝缘基片3，考虑耐热特性、强度和重量主要由氧化镁组成的所需氧化镁基片是优选的。然而本发明并不限于此，该其片可以由例如云母、氧化镁、氮化铝，环氧树脂和硅中的任一种材料构成，只要其绝缘、耐热和呈片形即可。
另一方面，可能承受电弧、火花之类的绝缘基片5在考虑耐弧特性时，最好由云母材料构成。然而，本发明并不限于此，该基片可以由如上所述的例如氧化镁、氮化铝、环氧树脂和硅之类的材料构成，只要它们是绝缘的、耐热的和呈片状即可。
当将高压加到这些元件时，具有如图14(a)和14(b)中所示结构的元件在350V下击穿，而具有图15中所示结构的元件在500V下击穿。这种差别来源于电极间的绝缘的不同。然而，在任一实例中，即使前后绝缘基片有裂纹也不会产生火花之类。
当使用多个常规的PTC元件时，如参照图23和24所介绍的，在PTC元件之间的导电通道的构成是使用引线连接部分13。根据本发明，这些部分用如图16中所示的过电流熔断部分6a和6b替代。确切地说，考虑金属线的电阻率，使用直径为0.1～1.0mm，最好为0.3～0.5mm以及长度为1-40mm，最好为3-10mm的不锈钢丝。采用这种形状，当PTC元件产生过电流时，电压集中在其电阻高于电极电阻的过电流熔断部分6a和6b处。当进一步流过过电流时，该过电流熔断部分6a和6b被熔断，以保护陶瓷元件1。通过安装具有一对形成在其表面上的如图17所示的涡旋形电极2的两个PTC陶瓷元件，如图16所示可以沿同样的方向将引线7引出。通过将粘接到金属盖16上的PTC片状元件11安装到一外框壳体12中得到如图18(a)和18(b)所示的加热器单元，在外壳12中其间填充绝热材料14。在这个实例中，PTC片型元件具有两个PTC陶瓷元件，从陶瓷元件可以沿相同的方向引出二引线7。二引线7可以易于粘接到引线连接部分13，该引线连接部分13连接到主壳体电源连接部分9。因此，具有的优点在于，加热器单元可以做得紧凑，降低了失效和故障的可能性。
图19表示过电流熔断部分6的可能的横断面结构，其中的过电流熔断部分6用绝缘膜4涂覆。这种结构增加了向绝缘涂覆层式表面上绝缘板的传热量。因此，过电流熔断部分的温度升高被相应地延迟了，这接着又引起对过电流的熔断动作的时滞。此外，会产生熔断位置和熔断电流的变化。这将使得控制操作不稳定并要求较高的熔断电流。为了避免这种情况，可以采用如图20(a)、20(b)、20(c)所示的结构，其中围绕过电流熔断部分6提供一个空间16。在图20(a)中，在过电流熔断部分6上没有设置表面绝缘膜，在熔断部分6的底部和绝缘膜4之间留一空间16。在图20(b)中，设有绝缘膜4，以便环绕过电流熔断部分6留一空间16。在图20(c)中，利用带一夹在其中的金属覆盖片15的绝缘基片5覆盖该过电流熔断部分6，以便提供空间16。空间16消除了在过电流熔断部分的温度上升的延迟，因而也就消除了对于过电流的熔断动作的时带。此外，它消除了熔断位置和熔断电流的变化，使得能够稳定地运行。
本发明的PTC平面型加热器能够在与航空、航天、汽车、航海业以及其它方面相关的应用场合中使用，其中加热器必须以有限的重量提供高输出。

Claims (4)

1.一种用于调节PTC平面型加热器的电阻的方法，其特征在于，通过调节PTC平面型加热器的其中每一个片状PTC陶瓷元件的电极之间的电阻来调节PTC陶瓷元件之间的电阻，实行这种调节是通过切断电极图形中的导电通道。
2.一种调节PTC平面型加热器的电阻的方法，其特征在于，形成两个或多个先前在多个位置被切断的电极，以及在此之后该切口部分被电连接。
3.一种调节PTC平面型加热器的电阻的方法，其特征在于，两个或多个电极形成在一侧，以及通过改变一对电极之间的距离进行该调节。
4.一种调节PTC平面型加热器的电阻的方法，其特征在于，一个或多个公用电极形成在一元件的后侧，该元件具有在其一侧上形成的两个或多个电极；形成一切口部分和凹槽；以及将先前已经形成的切口部分和凹槽部分电连接。
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