PTC加热器件在智能家居产品中的应用

赵 军

（深圳市天翔宇科技有限公司，广东深圳 518000）

随着信息与体验时代的到来，智能家居产品在市场逐渐发展，是社会科技不断进步的体现；而PTC加热器件在智能家居产品中的安全性、自动恒温、节能环保带给人们的体验感上满足了现代生活的理念，在智能家居中，PTC 加热器件作为基本的电子部件发挥着极大的作用。

1 PTC加热器件概述

PTC 加热器由PTC 的陶瓷导热部分和铝管组成，具有热阻低、换热效率高的特性，其最明显优势就是在安全功能方面，在任何情形下，表面都不会产生“发红”的现象，以及因此而产生的烫伤、燃烧等安全隐患事件的发生。

1.1 PTC加热器件原理

PTC 器件可以当作是一个纯电阻负载看，当电流通过电阻时，电能将自动转换为热能，使电阻发热，所以就是利用电阻发热的原理来进行加工加热。但是由于PTC 器件还具有一个特性，那就是在常温（或者室温）状态下，该器件的阻值较小，所以刚通电开始，电流比较大而加热相对较快，然而，当PTC 实现了它自身的“温度居里点”时，其电阻将急剧上升，由于电阻的上升而使通过的电流变小，而电流的变小，又会使发热量变小，就“自动衡定”在一个温度范围内。

1.2 PTC加热器件特点

（1）节省成本，使用寿命长。它虽然能够调节加热器的加热速度，但没有通过特殊温度控制器、高热阻热电偶，以及其他特殊温度传感器产生的温度反馈。其温度控制调节完全依靠其本身的材料特点，所以该产品的使用寿命较其他高温加热器长得多。

（2）安全可靠，绿色环保。加热器本体设计为多个档次，加热水温低于200 ℃，在所有状况下，本体均没有发红，还有一层绝缘层。在所有使用时，由于冷却处理都不需要石棉或其他的隔热材料。因此，使用安全，无烫伤和火灾等现象。

（3）节省能源。同电加热管和电阻丝等加热产品相比，该产品能够根据材料本身的热特性，随着环境温度的变化调整自身的发热效率输出，以便于在较小程度上优化和调节加热器的能量消耗。另一方面，发热效率较高的材料也极大提高了电能的效率。

2 PTC发热器常见形式

2.1 蜂窝发热器

蜂窝式发热元件是常见的PTC 发热器模式，主要被应用在电暖风机、干燥机和电热梳等风量大、体积小的空气加热类型装置中。经常应用到的蜂窝式发热元件有方形结构和圆形结构。通常情况下，圆形结构的直径在40～60 mm，其厚度标准一般在4～8 mm。这一类型的发热器较为明显的标志是带有圆盘式元件，并且在相应位置有较多的六角型通孔，通孔密度一般为50～70孔/cm2。同时，发热构件中带有格子壁装置，其厚度在0.2 mm 左右，通常放置在一个或多个铝喷镀电极或元件的边缘部位。在加热环节，蜂窝式发热器可以通过调节通风量，完成对加热温度的调整。相关发热器在设计环节，通常将3～5个发热元件组装到同一个金属框架中，此时发热系统中的功率可达到400～1 000 W。

2.2 带式发热器

作为全新发热元件的带式发热器，其中心区域有2条平行母线存在，母线附近芯料由PTC 制成，在芯料外侧包裹着聚烯烃网，其作用主要是为发热元件打造电绝缘空间，保证热辐射性达到理想水平。发热器最外层材质为不锈钢和铜，这样设计可有效提高发热器强度，使其使用寿命得到延长。

2.3 圆盘发热器

该发热器的特点是表面发热，通过热传导的形式，达到对物体进行加热的目的，其形状与圆盘相似，早期，主要被用来为小功率器具、小型器具的发热提供技术支持。随着技术的发展，该发热器的结构也发生了明显变化，通过增设散热片的方式，使发热量得到显著增加。现阶段，该发热器的形式主要分为以下两种：①发热器两侧均有电极存在，各电极通过引线进行连接。②发热器两侧所安装构件为氧化铝瓷片，通过用硅橡胶包裹陶瓷片的方式，为陶瓷片打造绝缘空间。除此之外，发热器形状也变得更加多元，在圆盘形的基础上，新增了长方形，长方形发热器两侧所安装构件为梳形电极，这样设计的初衷是对发热器厚度进行控制。作为出现时间最久的热源，圆盘发热器的应用方向主要是驱蚊器以及暖足器。

2.4 口琴式发热器

口琴式发热元件的种类丰富，可控选择的尺寸及样式较多，其主要发热单元是空气加热装置，结构设计如下：将30个左右较薄的长方形发热元件按照口琴形状排列，并根据设计要求进行组装。在实际组装中，需要利用金属电极板将电气元件连接，最后组装成形状类似口琴的发热器。

该种形式的PTC 发热器的主要应用优点即为在调节热量的情形下，作业人员无需更改发热器主体结构与外型规格，仅需对已组装部件的片数加以调节，便能达到预期发热量。利用的主要机理是压缩空气经过金属薄片元件的孔隙处，与元件部分产生热交换，以获取巨大的热能。另外，空气口琴发热器也具备了压力损耗量小、电压耐力大，以及安装方便等优点，其使用场合也相当广阔，比如空调暖机、除湿器和干燥机等。

3 PTC加热器件在智能家居产品中的应用

3.1 液体加热PTC加热器

直接探入液态容器中加热升温，使液态达到一定温度，并采用PTC 原件作为发热量机组，具有升温速率较高、恒温发热、输出功率自调节、热能传递效率高、耐水垢性好、即使干烧也不破而裂等优点，广泛应用于家电行业。

如图1采用PTC 半导体陶瓷作为热源，发热芯通过热熔镶嵌技术置于水道之间，成型工艺采用激光焊接技术。PTC 半导体陶瓷双面的热量都能接触到液体，这种设计能使PTC 半导体陶瓷的发热热量充分被液体带走，从而大幅提升加热体的电热转化率。

图1 PTC半导体加热器

使用范围：半导体电锅炉、家用电采暖炉、即热式热水器、储热式热水器、太阳能热水器电辅助加热、空气能热泵电辅热、蒸汽发生器、电镀电解液加热器、智能坐便器、SPA 淋浴等众多液体加热领域。

主要优点：采用PTC 半导体作为热源，当温度上升时，PTC 陶瓷的电阻会增大，从而实现自动恒温的效果，更节能，更安全环保；采用双面加热技术，U 型走水增大换热面积、电热转化率高达99%。

3.2 通风型PTC加热器

如暖风机、空调机、热风烘干机等，元件的结构多为蜂典式或口琴式。带电波纹PTC 加热器如图2所示。

图2 带电波纹PTC加热器

电波纹PTC加热器具有灵活的结构、长度和宽度，也比较容易改变，组成了不同规格，各种容量，可以满足不同风机规格、风管大小、温度以及加热能力的需要。其辐射体和PTC 发热片连接处，是采用黏胶黏接的，但当高温长时间工作，又或者长时间不风干烧时，黏胶就可能会松动。插片形式与铝挤型结构的长度可适当调节，但长度难以改变。结构紧凑、坚固，而且风阻也相对较小。

3.2.1 按传导方式分类

（1）采用热传导的PTC 陶瓷加热器，主要优点是在PTC 发热器件表面装有多级的热能传导结构，把热能直接传导给被加热物质，如电极板（导电和传热）、绝缘层（电绝缘和传热）和传热储热板（有些还附有传热黏合剂）。

（2）以其所产生的热风进行对流式传热的各种PTC 或陶瓷热风装置。其优点是输出功率高，可自行调整送风温度并传递热能。

（3）红外线辐射加热器。实际上，就是利用在PTC 元件或导热板表面上快速放射的热量，而形成的PTC 或陶瓷的远红外线放射加热器。通过直接或间接的激发与表面接触的远程红外线涂层或远红外线材料放射红外线。

3.2.2 按结构特点分类

（1）普通使用的PTC 陶瓷加热器，主要包括：电蚊香、暖手器、烘干机、电热板、电黏合装置、烫发器等，具有功耗低、热效率高、实用性强的特点。

（2）自动恒温型PTC 加热器，主要包括：电子恒温箱、恒温杯、恒温板、恒温箱、恒温台等，具备自动保温、构造简便、恒温性能好、热效率高、温度范围广等优点。

（3）热风PTC 加热器，一般包括：电吹风、暖房机，以及各种烘干设备等，具有热风功率大、加热速度快、安全、风温自动控制、能耗大的特点。

3.3 固体加热PTC加热器

工作介质为金属材料、塑胶、陶瓷等，如电熨斗、电烙铁、餐桌保温层、驱蚊器、卷毛筒、卷发器等，工作元件的构造多为片状或管状。

固体恒温加热时，温度控制非常重要，当表面温度不适宜时PTC 很难被制造，甚至不具有PTC 该有的特性。交流和直流均可（3.7～420 V），工作电压相对较低时，因为PTC 的常温电流较小，导致电阻的变化率也相对较小，因此恒温精度较差；此外，在低气压时，加热功率相对较小，升温速率也比较缓慢，甚至不能上升到更高的温度。从安全和稳定性上来说，PTC 加热器通常比传统电加热线更安全，具有高绝缘电压、低泄漏电流和稳定性。

3.4 使用注意事项

（1）使用PTC 加热器加热液体（如水、柴油、液压油等）时，液体干燥后不会损坏。

（2）如果使用PTC 加热器加热冷空气，PTC 加热器在没有空气供应的情况下不会损坏。

（3）将多个PTC 加热片串联使用必须十分慎重。因为不同批次或者相同批次产品的PTC 加热元件的特性很难相同。串联应用时，由于器件温升速率的不同，电流下降分布变动很快，从而形成了恶性循环。电流降幅越大，工作温度越高的元器件出现击穿的可能性就越大，同时击穿现象也会连锁进行，因此除非严格选定元器件，否则采用并联方法很难达到更高的允许电流或更大的耗散功率，因此应采用并联的方式。

（4）通电时加热功率由大逐渐减小，最后趋于稳定。而稳定功率又与工作环境直接相关。如果对同一PTC 加热器的使用要求不同，输出功率也可能会存在较大差异。散热速率越快，稳定输出的功率就越大；而PTC 表层温度越高，则输出功率就越大。

（5）PTC 发热器件的表面温度由PTC 本身或通过断开电路来控制，但不能通过调节电压来控制表面温度。

（6）PTC 本身安全性较高，且使用寿命长，在正常环境下可长达十余年。不过，如若材料选择得不好，则产品的功率与温度也不稳定。

4 结束语

PTC 作为一种新兴的材料和成分，凭借稳定性高、自动恒温、节能环保等优点而得到了充分的重视，PTC 加热器在现代智能家居产品中的使用也日益普遍，并随着下游应用的发展不断扩大。随着科学的进展和制造技术的改善，PTC 加热器的特性也将会不断发展和完善，其应前景和发展空间也会越来越宽广。