PTC加热器原理及功能
在有导热系数较大的材料（如：铝、铜、石墨块等）传导热量的情况下，被加热的固体与PTC加热器的距离S应在30mm内；在导热系数稍大的材料（如：钢铁、不锈钢、钛、导热陶瓷等）传导热量的情况下，被加热的固体与PTC加热器的距离应在10mm内；在导热系数较差的材料（如：塑料、无气孔橡胶、绝缘纸、云母片等）传导热量的情况下，被加热的固体与PTC加热器的距离应在3mm内；不可使用绝热材料（如纤维纸、橡塑、发泡板等）来传导热量。用导热系数较好的材料，被加热的固体与PTC加热器的距离较小，则被加热固体将会获得比较稳定的温度。散热结构的面积与PTC陶瓷体的传热面积比，最好不要超过3倍。散热结构的面积所占比例过大，会使被加热固体获得的温度不稳定。1.2 表面温度。在25℃±5℃的环境温度下，PTC陶瓷加热片的温度公差见表1。但是如果PTC陶瓷加热片安装在散热结构中，温度精度变差，公差要增加。在加热器内部传热较差、以及散热结构的面积与PTC陶瓷体的传热面积比较大的情况下，温度精度都会下降。表1。
图2是PTC发热/散热平衡关系图。PTC加热器的电阻值，随自身温度的上升而急剧增加。所以当自身温度上升时，发热功率也会急剧下降；当发热功率与散热功率达到平衡时，温度不再上升，功率也不再变化。但是，当散热条件（如环境温度、吹风、浸水等）发生改变时，PTC的功率和温度重新调整，达到新的平衡。影响PTC表面温度的因素，见表2。表2。
影响PTC加热器的表面温度因素很多，所以表面恒温温度的精度不可能很高。在需要控温精度很高的场合，可以采用PTC加热器，外加温度控制器的方法。当外加温度控制器出现故障时，PTC加热器的加热表面温度不会超过设定的恒温温度，具有超温保护功能。1.3 升温速度。PTC加热器的升温速度的影响因素见表3。表3。
1.4 应用场合。电热驱蚊器、按摩器、保暖器、电烙铁、电熨斗、加湿机、卷发器、直发器、过胶机、电热加香器、热熔胶枪、电熨斗、熔蜡器、电子元件保温、电路板驱潮等。用PTC加热器作为固体恒温加热，适应的加热温度为0~300℃，在常温下的加热温度为50~300℃。适应的环境温度为-40~250℃。表面温度太高或太低的PTC比较难制造，甚至没有PTC特性。工作电压3.7V~420V，交直流均可。工作电压较低时，PTC的常温电阻很小，电阻-温度变化率也比较小，恒温温度精度要差些；另外在低电压下，加热功率较小，升温速度较慢，甚至不能上升到较高的温度。从安全性、可靠性考虑，PTC加热器普遍要比传统的电热丝安全性高，耐绝缘电压高，漏电流比较小而且比较稳定。有的应用场合使用传统电热丝不能通过安全认证，而用PTC加热器可以通过安全认证，所以PTC可以用在安全性要求比较高的场合。但是并不是所有厂家的PTC，所有的PTC，安全性都会达到要求，所以要选择质量优良的PTC生产厂供货。PTC用于固体加热，主要的安全、可靠性问题：一是，PTC陶瓷体击穿烧毁，导致短路，烧毁绝缘层；二是，绝缘层击穿漏电，使外壳带电。从成本上考虑，小面积的恒温加热，用PTC加热器可以省掉温度控制和超温保护部分，PTC的体积可以做到很小，安装也相对简单。大加热面积的恒温加热，使用PTC加热器加热温度更均匀性。PTC恒温加热器寿命比传统电热丝加热器寿命长几倍，使用PTC也节省寿命成本、维修成本。2. 液体（包括水、柴油、液压油等）加热。2.1液体加热器结构。
图3是浸入式液体加热器的结构图。图5是加热器在容器中的摆放位置。垂直加热管安装相对简单，但是液体上、下层的温度不够均匀。平卧加热管的加热温度比较均匀，但是安装时，需要在容器上打孔，而且安装孔上需要密封处理。弯形加热管的加热温度比较均匀，不需要打孔，但是成本较高。容器底部加热器安装在底部时，加热温度比较均匀。与被加热液体接触的金属外壳的材料可以选择：铝硅合金、铝锌合金、铝镁合金、紫铜、黄铜、铁（镀锌等）、304不锈钢、316不锈钢、钛、铜镍合金等，根据用途、液体的性质、液体对金属的腐蚀性等因素来确定选用金属外壳材料。用于油的加热，可用成本较低的铝合金外壳；用于洗涤用水的加热，也可以用铝合金、紫铜、黄铜外壳；食用水的加热可用304不锈钢、316不锈钢。水质比较差时，或是海水，或是用于电镀水溶液的加热，可用钛外壳；腐蚀性较强的液体，可用铜镍合金。此外，在金属外壳表面附着一层氟塑料层，在耐受温度下，可以抵抗绝大多数液体的腐蚀，但是加热功率会显著下降。容器底部（或侧面）液体加热器，加热器不直接接触液体，液体不会腐蚀加热器的外壳。但是这种加热器的体积较大，功率较低，成本较高。2.2 加热功率。PTC加热管的加热功率-加热时间的关系，与传统的电热丝加热管相差较大。在加热初期PTC加热管的功率从小到大，到达最大值（最大冲击功率）后，逐渐下降，最后稳定（煮水稳定功率）。而干烧的稳定功率要比煮水稳定功率要小很多（干烧功率约为煮水的8%）。稳定功率与液体温度有关，液体温度越高，则稳定功率越小。可根据实际使用的条件，规定一个标准的液体温度，当加热管加热后，液体温度从低到高，液体温度达到标准温度时，记录的功率即是标准液体温度下的稳定功率。稳定功率与液体的种类有关。液体为水时功率比较大，因为水的比热容较大，流动性较好，容易形成对流；加热其他液体时稳定功率一般都比水小。PTC加热管干烧表面温度越高，稳定功率则越大。但是提高表面温度则会引起功率衰减增加，PTC加热片击穿机会增加，粘胶、电线、绝缘层等性能下降，可靠性下降。当PTC加热管干烧表面温度与液体温度一样时，加热功率基本为0，就是不再加热。所以PTC加热管干烧表面温度总是会高于液体温度20℃以上，否则无法加热。PTC加热管干烧表面温度与液体温度的差越小，加热管的功率密度就越小，体积就需要越大，成本就要越高。最大冲击功率大的加热管，稳定功率不一定大。最大冲击功率过大，则会影响整个供电电路、开关的正常工作；但是如果最大冲击功率过小，则会引起稳定功率达不到要求。2.3 功率衰减。由于各PTC制造厂的质量有差异，让使用者觉得PTC功率衰减太大。东莞天成的PTC液体加热管，连续一年不间断工作的功率衰减一般在10%左右，完全在用户能够接受的范围。而一些PTC制造厂的PTC，一个月的功率在30%左右，一年连续不间断工作的功率衰减在40~50%，实际上已经无法使用。所以在购买PTC加热管时，一定要做测试功率衰减试验。功率衰减与PTC陶瓷加热片的表面温度成正相关，表面温度越高，功率衰减越大。也就是说，降低PTC加热片的表面温度，可以减少功率衰减，但是加热管的体积会增加，成本也会增加。功率衰减主要有两种原因，一是PTC陶瓷加热片常温电阻的增加/冲击电流的下降；二是传热结构的松动，使传热变差。2.4 应用场合。贮水式热水器，即热式热水器，电开水壶，热饮水机，洗菜、洗碗、洗脸、洗澡、泡脚、足浴的热水，太阳能、热泵热水器的辅助加热，光伏太阳能热水器的电加热，吸油烟机、清洗剂的热水清洗，热水床，电镀槽、柴油汽车油箱、滤清器加热，液压油、润滑油、食用油加热，桑拿、美容、消毒、加湿的产生蒸汽，药水熏蒸，水族、鱼缸池的保温，水管、水龙头、管道、油管的防冻，三元催化、尿素溶液的加热，水热地暖，油汀型、水热散热片的采暖等。稳定加热功率可以从10W到10KW。但是对于功率较大的加热管，使用的PTC陶瓷加热片数量比较多，会造成PTC陶瓷加热片击穿的机会增加；此外绝缘面积也比较大，绝缘的失效机会也会增加。所以最好能够分成几根加热管，每根加热管的功率都小些，这样可以减少失效和废品。工作电压范围12V~420V，交直流均可。工作电压较低而且加热功率较大时，冲击电流和稳定电流都会很大，电源难于承受，所以当需要大功率时，最好不用低电压。电热丝电热管的优点是成本较低。存在的问题：一是，使用一段时间后，绝缘耐压、漏电流、绝缘电阻超标；二是，不能干烧，如果温度保护装置出现故障，则电热管会因干烧而烧毁，甚至烧坏周边材料，出现火灾；三是，电热丝长期工作后，可能氧化烧毁，影响寿命，甚至造成漏电；四是，当水质不良，含阳离子（钙、镁等）浓度比较大，电热管表面容易出现水垢，表面传热变差，导致内部电热丝烧毁。PTC液体发热管可以克服电热丝电热管的缺点，绝缘耐压、漏电流、绝缘电阻优良而稳定，耐干烧，使用寿命长，有水垢也不会烧坏。但是如果PTC制造质量不良，也还可能会出现问题：一是，PTC陶瓷体击穿烧毁，导致短路，烧毁绝缘层；二是，绝缘层击穿漏电，使外壳带电；三是加热功率随使用时间增加而衰减；四是冲击电流过大，造成供电线路和开关故障。PTC发热管用户，应慎重选择PTC加热片，以保证质量的可靠。3. 空气加热。3.1 空气加热器结构。空气加热的结构，按散热器是否带电区分，分为带电型与绝缘型。图7是带电型空气加热器，散热器是带电的，PTC陶瓷加热片的电极层直接接触铝散热器，而且铝散热器作为一个电极引出端。带电型空气加热器容易获得较大的功率，成本也比较低；但是由于散热器是带电的，容易存在安全隐患。图8是绝缘型空气加热器，散热器与PTC陶瓷加热片是由绝缘的，散热器不带电。绝缘型空气加热器比较安全，但是功率较低，成本较高。
按散热器的结构分，有波纹结构，插片结构，铝挤型结构，压缩空气管道型加热等。波纹结构的空气加热器，结构比较灵活，长度、宽度，比较容易调整，组成各种尺寸，各种功率，以适应各种风扇尺寸、风管尺寸、以及发热功率的要求。波纹结构加热器的散热器与PTC加热片（或加热管）之间，是通过粘胶粘接的，在高温长时间使用，或长期无风干烧后，粘接胶可能会脱落。插片结构与铝挤型结构的长度可以适当调整，但是宽度难于调整。插片结构给人的印象是结构紧凑、结实，而且风阻也相对较小。按是否需要吹风来区分，又分为吹风型与自然对流型空气加热器。吹风型空气加热器的功率比较大，但是需要增加风扇，而且风扇会产生噪声。对流型空气加热器不需要风扇，没有噪声，特别适合卧室加热、床底加热，但是加热功率较小。3.2 加热功率。加热功率随加热时间的变化，见图9。刚开始通电时，初始功率还比较小（初始功率一般是最大冲击功率的1/3到1/5），然后加热功率逐渐增加到最大冲击功率，随后功率下降，最后达到稳定功率。在散热过快的情况下，加热器始终处在初始功率，不能达到最大功率，所以稳定的加热功率很小。最大冲击功率 =C * 使用电压/常温电阻最大冲击功率的数值取决于PTC陶瓷加热片的常温电阻、表面温度、陶瓷体内部的晶粒尺寸、使用电压等。其中倍数C为1~6，PTC陶瓷加热片的表面温度越高，则C越大；常温电阻越大，C也会越大。如果一个加热器内有多个不同电阻的PTC陶瓷加热片，加热器在冷态（室温下）开始通电的最大冲击电流会较小；但是热态（比表面温度低40℃左右的温度下）开始通电，最大冲击电流会较大。最大冲击功率大的空气加热器，稳定功率会稍大一些。最大冲击功率过大，则会影响整个供电电路、开关的正常工作；但是如果最大冲击功率过小，则会引起加热功率达不到要求，甚至吹风风速越大时加热功率越小。PTC空气加热器的稳定加热功率与风速有关，一般来说风速越大，散热越快，加热功率越大。一般风扇的风速为3~5m/s。没有吹风的功率是5m/s风速下的功率的10%左右。有需要时，可以通过调节风速来调节加热功率。如果加热器的冲击功率与低风速时的稳定功率接近，则提高风速不能增加功率；风速太大反而会降低功率。非绝缘型PTC空气加热器的散热比绝缘型的散热快，所以加热功率也比较大。散热器比较密，受风面积增加，也会增加散热，发热功率也会增加。PTC发热片的数量增加，稳定加热功率并不会完全成正比例增加，每个加热片的加热功率会有所下降。PTC空气加热器的加热功率与影响因素的关系式如下：稳定加热功率 = 散热系数*（干烧温度－进风温度）加热功率与进风温度有关，进风温度越高，则稳定功率越小。当PTC陶瓷加热片的无风干烧表面温度与进风温度一样时，加热功率基本为0，就是不再加热。所以PTC陶瓷加热片的无风干烧表面温度总是会高于进风温度20℃以上，否则无法加热。PTC陶瓷加热片的无风干烧表面温度与进风温度的差越小，加热功率密度就越小，体积就需要越大，成本就要越高。当一个加热器的出风温度不能达到所需的高温时，要增加出风温度的话，则需要在沿风向摆放第二个PTC空气加热器。这时，靠近风扇的第一个加热器功率较高；远离风扇的第二个加热器的进风温度较高，所以功率就会低得多，稳定功率往往不到第一个加热器的50%。PTC陶瓷加热片的无风干烧表面温度越高，加热功率则越大。但是提高PTC陶瓷加热片的表面温度，加热功率随使用时间衰减增加，PTC加热片击穿机会增加，粘胶、电线、绝缘层等性能下降，铝外壳返松，加热器可靠性下降。3.3 功率衰减。PTC空气加热器功率衰减的因数主要有：PTC陶瓷加热片电阻增大，粘胶松动，铝散热器松动等。一些PTC制造厂的PTC，一个月的功率在30%以上，所以选择质量好的PTC非常重要，在购买PTC空气加热器时，一定要测试功率衰减。功率衰减与PTC陶瓷加热片的表面温度成正相关，表面温度越高，PTC加热片的电阻增加越多，粘接胶越容易松脱，铝散热器越容易返松，功率衰减越大。若使用表面温度250℃以上的PTC加热片来做空气加热器，无风状态下通电，粘胶会在200小时以后强度逐渐下降，松脱。也就是说，降低PTC加热片的表面温度，可以减少功率衰减，但是空气加热器的体积会增加，成本也会增加。3.4 应用场合。暖风机，空调机，衣物、鞋、手、干燥剂、茶叶、农产品的热风烘干，衣柜、书柜、鞋柜、房间、浴室、厂房、商场、仓库、电控柜、高铁动车车厢、电气设备、储物的加热或干燥，隧道式烘箱，压缩空气加热，电池放电负荷。稳定加热功率可以从100W到10KW。如果单个加热器的功率小些，可以减少失效，提高合格率，需要功率较大的则可以用多个加热器。工作电压12V~420V，交直流均可。工作电压较低时，冲击电流和稳定电流都会很大，所以当需要大功率时，最好不用低电压。电热丝吹风加热器的优点是成本较低，出风温度可以做得比较高，体积可以较小。存在的问题：一是，使用一段时间后，绝缘耐压、漏电流、绝缘电阻超标；二是，不能无风通电，如果风扇停转，风道被遮挡，温度保护装置出现故障，则加热器会因无风超温而烧毁，甚至烧坏周边材料，出现火灾；三是，电热丝长期工作后，可能氧化烧毁，影响寿命，甚至造成漏电；四是，当有可燃性物质附着都在加热器上时，可能会引起燃烧。PTC空气加热器可以克服电热丝加热器的缺点，绝缘耐压、漏电流、绝缘电阻优良而稳定，可无风通电，自动保护，不会起火燃烧，使用寿命长。但是如果PTC加热器制造质量不良，也还可能会出现问题：一是，PTC陶瓷体击穿烧毁，导致短路，烧毁绝缘层；二是，加热功率随使用时间增加而衰减，不能达到预期使用寿命。有些PTC加热器生产厂为了降低生产成本而使用低档材料，制造工艺不能严格控制，没有寿命测试试验。不是所有PTC生产厂的PTC加热器都能保证质量，各厂的PTC，在功率衰减、功率精度、冲击电流、耐电压、绝缘性能、使用可靠性等各项性能的控制都有参差，应慎重选择PTC生产厂，以保证质量的可靠。