CN1399497A - 合金正温度系数管状电热元件 - Google Patents

Abstract

一种能使周围介质自动恒温的管状电热元件，它是用具有正温度系数的高阻合金作发热材料，不需任何温控装置就可使全长度实现温度。它本身既是电热元件，又是测温元件和控制元件，不但能自动控制介质恒温，而且能避免管状元件过热烧坏，具有很长的连续使用寿命。

Description

合金正温度系数管状电热元件

本发明涉及一种能使周围介质自动恒温、发热材料具有测控温功的管状电热元件。

目前公知的管状电热元件由金属管、引出棒、氧化镁粉和电热丝构成。电热丝制成螺旋簧状穿入金属管内孔中，引出棒连接在螺旋簧状电热丝的两端并伸出至金属管两端口作为电源接线用，在金属管的内壁与螺旋簧状电热丝的空隙中紧密地填充氧化镁粉绝缘。当对两个引出棒输以额定电压，电流经过电热丝产生焦耳热，经氧化镁粉传至金属管，使周围介质升温发热。其中电热丝材料为中国国家标准GB/T1234-1995《高电阻电热合金》规定的制造电加热元件专用的镍铬、镍铬铁和铁铬铝电阻电热合金(如Cr20Ni80、Cr30Ni70、Cr20Ni30、Cr15Ni60、1Cr13AL4、0Cr25AL5等)，这些材料具有较高的电阻率，但电阻温度系数很小甚至接近于零，冷态与加热高温状态的电功率几乎没有区别，因此，用它们制成的管状电热元件加热器具有“恒功率”特性，即发热功率和工作电流不随环境温度和内在温度的变化而变化。中国机械行业标准JP/T2397-1993《金属管状电热元件》规定了当今公知的“恒功率”管状电热元件的制造标准，它的发热功率是不随环境温度及内在温度变化的，发热功率的测量对环境的变化也没有要求，起动瞬间不存在冲击电流峰值及考核指标。这种“恒功率”管状电热元件当加热区域散热状态出现变化时，管状电热元件表面某些温度过高的局部仍在“恒功率”加热，会导致局部过热超温，很容易烧坏，缩短了使用寿命。实际使用时，传统方法是另设“过热温度控制器和测温传感器及相并附件”与管状电热元件配套使用，以限制其工作温度。但是，这种方法传感器只能测量管状电热元件上一个点的过热温度，不能反映管状电热元件全长度每一处的温度是否过热超温，而且这种方法造价高，甚至还高于管状电热元件主体造价。

本发明目的是提供一种新型的管状电热元件，它不仅能有效避免管状电热元件的过热烧坏，使用寿命大大提高，而且不需要测温元件和控制电器装置就能实现控温。

本发明的目的是这样实现的：一般金属呈现正的电阻温度系数，但电阻率较小，上述高电阻电热合金具有较大的电阻率，但电阻温度系数极小或接近于零。现有技术证明：在镍铬类合金中掺入一定量的钴、铌、铁等元素形成的合金既具有比较高的电阻率，又具有很大的电阻温度系数。本明是在传统的管状电热元件中，将具有较大电阻温度的系数的正温度系数合金取代传统的镍铬、镍铬铁和铁铬铝合金作电热丝的发热材料，其它材料和结构不变，这使管状电热元件的发热特性出现了温度控制和调功功能：

1.电热丝的电阻值原来与温度变化无关，变为随温度变化灵敏改变，即随环境温度或内在温度的上升而自动增大；随环境温度或内在温度的下降而自动减小。当重复地改变正温度系数电热丝的温度，其电阻值不受重复次数而改变。

2.管状电热元件的发热功率由原来的“恒功率”特性变为随环境温度或内在温度灵敏变化，即随环境温度或内在温度的上升而发热功率下降；随环境温度或内在温度的下降而发热功率上升。其功率值不受使用时间和温度变化次数而影响。

3.在一定温度下，由于合金正温度系数管状发热元件的发热功率与温度变化调整方向是相反的，会出现平衡点，当改变环境温度或内在温度就会打破原平衡点，正温度系数合金电热丝的电阻自动应变调整发热功率建立了新的平衡点，这种新的平衡点的建立，即发热功率随温度变化的调整过程不需要测温元件和控制元件来实现。正温度系数合金电热丝同时完成了测温、控制和调功作用，在没有增加元件的情况下完成了温控，而一般管状电热元件无此特性。

4.当对合金正温度系数管状电热元件在一定温度下输以额定电压，则起动瞬间存在一峰值冲击电流，并随时间的延长逐渐下降至工作电流(平衡点电流)，即在加额定电压的瞬间正温度系数合金电热丝为室温或冷态，电阻值低，电流大，随着通电时间的延长正温度系数合金电热丝产生内在的焦耳热使其逐渐上升，电流逐渐下降，最后趋于稳定工作电流，因此形成了一起动峰值冲击电流。而“恒功率”特性的管状电热元件无起动峰值电流。

正是因为正温度系数合金电热丝的高值电阻温度系数使合金正温度系数管状电热元件自身具有控制和调功功能。由于采用上述方案，可以有效避免管状电热元件的烧坏，大大延长使用寿命，不增加任何元件就能实现过热保护限温。

下面结合附图和实施对本发明进一步说明。

图1为本发明的双端引出结构的剖面图。

图2为本发明的双端引出，其中一端接外壳结构的剖面图。

图3为本发明的单端引出的结构的剖面图。

图4为本发明的“一”形结构外形图。

图5为本发明的“U”形结构外形图。

图6为本发明的双“W”形结构外形图。

图7为本发明螺旋形结构外形图。

图8为本发明实施例的“温度—直流电阻”特性曲线图。

图9为本发明实施例的“温度—电流”特性曲线图。

图10为本发明实施例的“温度—功率”特性曲线图。

图11为本发明实施例的“时间—起动电流”特性曲线图。

图1为本发明的实施例：金属管(1)的规格为Φ16×1.2mm长3.6m的1Cr18Ni9Ti不锈钢无缝管；引出棒(2)的规格为M5的1Cr18Ni9Ti不锈钢；氧化镁粉(3)的规格为纯度＞95％、200目、电工级；正温度系数合金电热丝(4)的规格为φ0.8mm、10℃下电阻率为0.18Ω·mm²/m、电阻温度系数为0.005/℃、其主要成分为镍、钴、铬、铌、铁。将正温度系数合金电热丝(4)制成螺旋簧状穿入金属管(1)的内孔中，引出棒(2)连接在螺旋簧状正温度系数合金电热丝(4)的两端并伸出至金属管(1)的两端口作为电源接线用，在金属管(1)的内壁与正温度系数合金电热丝的空隙中紧密地填充氧化镁粉作绝缘。当对两个引出棒(2)输以220V额定电压，电流流经正温度系数合金电热丝产生焦耳热，经氧化镁粉(3)传至金属管(1)，使周围介质达到恒温。

图2为本发明的第2种形式：双端引出，其中一端接外壳，其内部结构与图1完全相同，所有内在的特性也相同。图3为本发明的第3种形式：单端引出、引出棒平行，其内部结构与图1完全相同，所有内在特性也相同。

图4、图5、图6和图7为本发明典型的四种外形。它们的引出棒(2)的形式可以制成图1、图2或图3的形式。

将图1实施例的合金正温度系数管状电热元件放入电控温烘箱中，使烘箱温度从0℃逐渐上升到500℃，同时测量引出棒(2)间的直流电阻值得图8所示的“温度—直流电阻”特性曲线。由图8可见：合金正温度系数电热丝(4)的电阻值随环境温度上升自动增大；随环境温度下降自动减小。将电控温烘箱温度在0℃～500℃间重复升降1000次后再重新测量“温度—直流电阻”特性，其电阻值与图8所示数值完全相同，可见其阻值不受温度变化次数而改变。

将图1实施例的合金正温度系数管状电热元件放入电控温烘箱中，输以220V额定电压，使烘箱温度从0℃逐渐上升到400℃，同时测量其电流值，得图9所示的“温度—功率”特性曲线图。由图9可见：合金正温度系数管状电热元件的加热功率随环境的上升而自动减小；随环境温度的下降而自动增大。将电控温烘箱温度在0℃～500℃间重复升降温1000次后再重新测量“温度—功率”特性，其功率值与图9所示数值完全相同，可见其功率值不受工作和温度变化次数而改变。

将图1实施例的合金正温度系数管状电热元件放入400℃电控温烘箱中，当输以220V额定电压；用记录仪观察其电流变化，在电流完全稳定后，得图10所示的“时间—功率”特性曲线。由图10可见：合金正温度系数管状电热元件的加热功率随通电焦耳热产生的内在温度的上升而减小；随通电焦耳产生的内在温度的下降而增大。然后关断加热电源，使直流电阻完全稳定，这样作为一个周期重复上述通断电过程1000次后重新测量其功率值，功率与图10所示完全相同。

将图1实施例的合金正温度系数管状电热元件放入电控温烘箱中，使烘箱温度为10℃，对其输以220V额定电压，用记录仪观察其电流变化，得图11所示的“时间—起动电流”特性曲线图。由图11可见：合金正温度系数管状电热元件在起动瞬间存在一峰值起动的电流，关随时间的延长逐渐下降至稳定工作电流。

Claims (5)

1一种管状电热元件，由金属管(1)、引出棒(2)、氧化镁粉(3)和PTC合金电热丝(4)构成，PTC合金电热丝(4)制成螺旋簧状穿入金属管(1)的内孔中，引出棒(2)连接在螺旋簧状PTC合金电热丝(4)的两端并伸出至金属管(1)的两端口作为电源接线用，在金属管(1)的内壁与PTC合金电热丝(4)的空隙中紧密地填充氧化镁粉(3)作绝缘，其特征是：电热丝为具有正温度系数的合金，即PTC合金，其中电阻率不小于0.18Ω·mm/m，电阻温度系数不小于0.005/℃。

2根据权利要求1所述的管状电热元件，其特征是：PTC电热丝(4)的电阻随环境温度的上升自动增大；随环境温度的下降自动减小，其阻值不受其重复次数而改变。

3根据权利要求1所述的管状电热元件，其特征是：加热功率随环境温度和内在温度的上升而自动减小；随环境温度和内在温度的下降而自动增大，加热功率不受工作时间和温度变化次数而影响。

4根据权利要求1所述的管状电热元件，其特征是：不需测温元件和控制元件就能实现加热温度与加热功率的自动调整。

5根据权利要求1所述的管状电热元件，其特征是：在一定温度下，输以额定电压，则起动瞬间存在一峰值起动电流，并随时间的延长逐渐下降至稳定工作电流。

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