MCH与PTC陶瓷电热元件节能对比及原理探究

MCH与PTC陶瓷电热元件节能对比及原理探究 MCH与PTC陶瓷电热元件 节能对比及原理探究 ? 文/苏方宁1 赵营刚2 吴崇隽1 1.珠海粤科京华电子陶瓷有限公司 2.洛阳理工学院材料科学与系 随着现代材料科学技术的迅猛发展，家庭理疗保健取暖、工业领域制品热加工成形及热处理条件要求越来越严格，因而，加热方式和新型加热材料的开发研究在材料科学和能源开发领域内占有极为重要的地位[1]。 在电加热材料中，熔点高、耐高温的碳化硅材料、铬酸镧材料、正温度系数热敏电阻(PTC)陶瓷材料、碳陶复合材料、高温共烧氧化铝金属陶瓷发热片(MCH)等陶瓷电热材料引起了人们的普遍兴趣。MCH就是金属陶瓷发热元件，它是利用高温共将发热电阻浆烧多层陶瓷技术[2-3]， 料按照发热电路设计要求印刷于流延陶瓷生坯上，然后多层叠合共烧成一体，从而具有耐腐蚀、耐高温、寿命长、高效节能、温度均匀、导热良好、 热补偿快等优点，不含铅、汞、六价铬等有害物质，完全符合欧盟环保要求，具有十分广阔的发展前景和市场PTC陶瓷主要是掺杂的钛酸前景[4]。 钡半导体瓷，它的电离能比较小，在室温下就可以受到热激发产——————————————————————————————————————————————— 生导电载流子，从而形成半导体。PTC陶瓷是一种半导体热敏陶瓷，其特性是对温度敏感，在低于居里温度时现出负电阻特性，当达到居里温度时，其电阻值开始急剧增大。作为发热材料使用时，PTC陶瓷具有以下优越特性:自动恒温，无氧耗，耐腐蚀等。 同面积与加热长度的PTC与MCH发热元件，在相同的加载电压下，测试两者的空气加热效果，由于回路的加载电压恒定，发热元件的功耗可用其串联电路回路的电流表征，通过测试回路的电流，对比PTC与MCH空气加热效果及功耗。空载启动后，30s通过自制风机加载恒定量的风阻，自制风机分别与PTC及MCH发热组件组成一热风机。 图1和图2分别是根据实验数据得到的加热空气的温度曲线与电流曲线。分析图1和图2可知，在其它相同条件下加载固定电压，MCH发热元件空 一、MCH与PTC发热组件节能 对比 1.组件直接加热空气 由同一规格铝散热片分别粘连相 气加热效果优于PTC，一是表现在空载加载的30s内，MCH升温明显快，15s时，MCH温度达140?，而PTC对应温度仅为78?;二是MCH平衡温度为 新材料产业 NO.11 201065 功率为1300W，黄色外壳，带摇头功能，分低热和高热2个加——————————————————————————————————————————————— 热档位。把其中一台的发热元件拆下来，其PTC发热组件为4组并排的PTC发热组件，每2片铝散热片中间分别夹持4、3、3、4片PTC发热材料，根据低热档为左3组并联、高热档为全部4组并联，换上MCH陶瓷发热组件，其低热和高热档跟原装PTC电暖器一样分别3组、4组并联。然后在相同的加载电压下，测试两台电暖器的空气加热效果。 2台电暖器分别加上市电(电压表显示:226V)，加热前吹冷风30s，加热后吹冷风使其温度恢复至初始室 温(28?)。通过测试，记录原装PTC电暖器及改装MCH电暖器的在相同时间内加热空气的温度(图3)、电流(图4)，测温点都固定在电暖器前外表壳中间格点。 由图3可知，在其它相同条件下加载固定电压，MCH电暖器空气加热效果优于PTC电暖器空气加热效果，一是低热档时，MCH加热50s温度可达103?,而PTC对应温度只有79?;二是低热档时，MCH最高温度可达115?，而PTC只有93?。从图4可以看出，高热档时，MCH的平衡电流为4.34A，PTC为5.34A，MCH的平衡功率仅为PTC的81% (4.34/5.34) 。 169?，PTC对应平衡温度为153?;三则加载相同风阻后的风口平衡温度MCH(风口5mm温度:138?;风口40mm温度:78?)也同样优于PTC(风口5mm温度:119?;风口40mm温度:71?)。 ——————————————————————————————————————————————— 通过对电流曲线的积分计算(见图2中的计算结果)，结果表明，在相同条件下，空载启动后30s加载相同风阻，MCH的加热效果优于PTC，同时MCH能耗比PTC低28.72%(〔6899.45-4918.05〕/6899.45)。 2.电暖器加热空气 利用市场型号都是QG13的同一品牌同批号的2台电暖器，其额定 图1 PTC及MCH直接加热空气的温度曲线图2 PTC及MCH直接加热空气的电流曲线 图3 PTC与MCH电暖器加热空气温度曲线图4 PTC与MCH电暖器加热空气电流曲线 Advanced Materials Industry 对图4的电流曲线取0?600s积分，表1给出了对应的积分计算结果。高热档，在相同条件下，在加热效果略优(MCH平衡温度比PTC的140?高5?)情况下，在测试时间段内(600S)，MCH的功耗比PTC低了18.94%(〔3201.675-2595.075〕/3201.675)。 测试上面提到PTC与MCH电暖器低热档加热恒定场管道的空气加热效果，测试结果见图5和图6。图5的加热温度曲线表明，在其它相同条件下加载固定电压，MCH电暖器空气加热效果优于PTC电暖器空气加热效果。由图6的加热电流曲线可知，低热档时，MCH的平衡电流为3.45A，PTC为4.86A。电流曲线取0?3600s积分，表2给出了对应的积分计算结果，从积分面积看，MCH为12373.975，PTC为17563.35，MCH积分面积少了29.546%(〔17563.35-12373.975〕——————————————————————————————————————————————— /17563.35)，故由此可知，在相同条件下，在加热效果略优情况 下，在测试时间段内(3600S)，MCH的功耗比PTC低了29.546%。 4.封闭7.44m3空间加热试验 利用标题2所述的电暖器，把电暖器放置在一个封闭的7.44m3(1.2m×2.0m×3.1m)空间中进行加热试验，加热前使封闭空间的初始室温同为32?，在其他参比设置条件不变的条件下，加载220V的市电，测试两台电暖器加热上述同样封闭空间的加热性能及耗电量，对比分析PTC与MCH电暖器密闭房间空气加热的效果及功耗。加热空间的测温点取2点，一是取能表征空间实际温度效果的中间上部，二是表征加热器附 3.电暖器加热恒定热场管道 在上述实验基础上，对自制的一个近似恒定热场管道进行测试，该管道为一梯度逐渐收拢的方形管道，外面用高温保温棉包裹以保证热量尽可能少损失，在管道尾端的截面上，可以认为其空气流量及温度近似恒定。对比 表1 电暖器空气加热电流曲线积分计算结果 近温度效果的空间底部。测试记录原装PTC电暖器及改装MCH电暖器在相同时间内加热空气的电流、温度及电表读数(表3)。 从表3的数据可以明显看出，在其它相同条件下加载市电，MCH电暖器空气加热效果与PTC电暖器空 表2 电流曲线积分计算结果 气加热效果基本相当。图7与图8给出了MCH与PTC电暖器高——————————————————————————————————————————————— 热档的温度曲线图，其中，图7表征空间实际温度效果，图8表征加热器附近温度效果。 图5 电暖器加热恒定热场管道的温度曲线图6 电暖器加热恒定热场管道的电流曲线 新材料产业 NO.11 201067 表3 高热档加热性能对比测试数据 图7 房间加热温度曲线(一) 图8 房间加热温度曲线(二) 由表3数据可以得到如图9所示的PTC及MCH实际电耗曲线及其拟合的电耗曲线，并且可以看出电耗近似为一直线，可以清楚看出，PTC的电耗明显比MCH高，因为PTC的拟合电耗直线为Y(t)=0.01972t，MCH的电耗直线为Y(t)=0.01487t，故MCH的电耗量只有 PTC的75.40568%(0.01487/0.01972)，换句话说，MCH比PTC节能24.59%。 油(20.3×15.5×10.5mL)的同一容器中进行加热试验，对比测试PTC及MCH发热组件在硅油中的加热效果及能耗。盛装3300mL硅油的容器底面规格为203mm×155mm，硅油液面高度为105mm，由于硅油的导热系数只有0.16W/(m.K)，而其在 5.加热硅油对比测试 利用硅油作为加热与传导介质进行PTC及MCH发热组件加热性能及电耗的对比测试介质。通过把发热组件放置在一个装有规定体积硅 ——————————————————————————————————————————————— Advanced Materials Industry -50,250?温度范围内稳定存在，故测温点取2点，一取比最高液面低5mm的上部液面点，该温度表征加热过程硅油的最高温度液面层温度;二是表征硅油加热过程最低温度的硅油液面最低处。表4、表5给出了PTC与MCH发热组件在硅油中加热的电流、温度及电表读数，其中，环比温升1=测温点1的温度-29，环比温升2=测温点2的温度-32。 从表4、表5的数据可以明显看出，在其它相同条件下加载市电(232V)，在消耗相同电量(0.27k Wh) 图9 密闭空间加热电耗曲线 表4 PTC加热硅油性能测试数据 新材料产业 NO.11 201069 表5 MCH加热硅油性能测试数据 Advanced Materials Industry 前提下，硅油的初始温度都是(29?，32?)，MCH发热组件加热硅油效果明显比PTC发热组件的加热效果优越，MCH在25min内加热硅油达到了(65?，192?)，而PTC组件加热40min效果只能达到(57?，167?)。图10给出了MCH与PTC发热组件加热硅油的温升及温度分布曲线图，同时给出了积分计算结果，从拟合温度(Fit T)数据看，PTC加热40min，硅油上下温度(上温度就是最高液面温度，即是测温点1的温度值，下温度就是液面最底液面温度，也即温度点——————————————————————————————————————————————— 2的温度值)为(57?，167?)的效果相当于硅油的整体温升为81.5?(整体温升就是归一化平均值，81.5=〔57+167〕/2-〔29+32〕/2)，即是说PTC加热硅油40min能使其整体温升81.5?，整体温度达到112?(〔57+167〕/ 2)。同理，MCH加热硅油25min上下温度为(65?，192?)相当于硅油整体温升98?，整体温度达128.5?。 根据图10的拟合数据，MCH的加热硅油温度积分面积为PTC的120.245%(10 290/8557.7)，就是说在相同电耗情况下，MCH加热硅油的热效果是PTC的1.20245倍，换句话说，单位耗电量MCH加热硅油的热效果比PTC 高20.245%。上述是在假设硅油在一对外完全绝热的封闭系统前提下得出的节能数据，但实际上，硅油与盛装容器之间，以及硅油液面与空气之间，都必定存在相当的热损失，而且温度越高，其热损失必定越大。从上面分析可知，MCH的温升比PTC高16.5?(98-81.5)。同时根据表2与表3数据，MCH加热测试时，盛装硅油的容器表面温度为97?，而PTC加热时盛装硅油的容器表面温度为53?，故MCH加热硅油的对外热损失必定比PTC大，将热损失考虑入内，则相同热效 果情况下，MCH比PTC节能必定大于20.245%。 二、MCH与PTC发热组件节能 对比的理论验证 从以上各种对比试验可以发现，在其他相同测试条件下，在加热效果优于PTC发热组件的前提下，MCH发热组件比PTC组件节能20%——————————————————————————————————————————————— 以上。如何从理论上解释MCH的节能，本文主要从材料本身的特性角度去分析。 MCH发热片是高温共烧多层的金属-陶瓷复合材料，发热的金属浆料 图10 MCH与PTC发热组件加热硅油的温升及温度分布曲线 新材料产业 NO.11 201071 层被印刷在作为绝缘介质的氧化铝陶 瓷生坯上，再通过上面叠合另外一氧化 铝陶瓷生坯，通过高温共烧成为一体。 从发热原理上看，MCH为金属钨导电 发热，而金属钨的电热转换效率高是公 认的，因而，MCH为纯阻性发热元件。 PTC本质上是一种半导体材料， 其通电发热原理是因为半导体掺杂形成得到了一定数量产生导电性的自由电子。PTC是以钛酸钡为基体，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，在晶格中，钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代，因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。而PTC掺杂形成的自由电子是存在于绝缘的基体多晶材料中，定向移动的导电粒子在多晶材料中定向移动势必受到有一定势垒高度的晶界的阻碍，导电粒子与晶界会产生非弹性的散射碰撞，从而导致效率差及损耗高。所以，MCH中自由电子的定向移动效率肯定高于PTC，MCH通电发热过程——————————————————————————————————————————————— 损耗肯定小于PTC，故MCH发热效率就优于PTC。 10.3969/j.issn.1008-892X.2010.11.015参考文献 [1]徐栋，百家还，杨东亮，等.陶瓷电热材料的研究与应用[J].山东陶瓷，2007，30(3):28-32. [2]邹勇明，吴金岭，郑宏宇.钨金属化与氧化铝陶瓷高温共烧[J].真空电子技术，2004(4):20-23. [3]苏方宁，雷云燕，吴崇隽.网版印刷陶瓷发热片阻值分布的影响[J].丝网印刷，2008(8):14-16. [4]孟庆钧.高精度PTC陶瓷发热材料研究[J].陶瓷科学与艺术，2003(1):32-35. Advanced Materials Industry ———————————————————————————————————————————————