氧化鋁陶瓷電熱元件的節能研究

摘 要:文章對比測試了氧化鋁陶瓷發熱片與PTC陶瓷發熱片的通電發熱效率，對比測試發現在其他相同測試條件下，在加熱效果優于PTC發熱組件的前提下，氧化鋁發熱組件比PTC組件節能20%以上。本文通過深入分析材料特性，運用粒子碰撞散射理論，從理論上明確論證與解釋了氧化鋁陶瓷發熱片比PTC節能的根本原因。并且利用實測功率因素，理論計算出MCH相對PTC節能23.36%，與實驗各種測試結果較為吻合。

關鍵詞:氧化鋁陶瓷發熱片;PTC;節能原理

1引 言

隨著現代材料科學技術的迅猛發展，家庭理療保健取暖、工業領域制品熱加工成形及熱處理條件要求越來越嚴格，加熱方式和新型加熱材料的開發研究在材料科學和能源開發領域內占有極為重要的地位[1]。在電加熱材料中，熔點高、耐高溫的碳化硅材料、鉻酸鑭材料、PTC陶瓷材料、碳陶復合材料、高溫共燒氧化鋁陶瓷發熱片(MCH)等陶瓷電熱材料引起了人們的普遍興趣。

PTC(Positive Temperature Coefficient)統稱正溫度系數熱敏電阻，是一種半導體熱敏陶瓷，其特性是對溫度敏感，在低于居里溫度時表現出負電阻特性;當達到居里溫度時，其電阻值開始急劇增大。作為發熱材料使用時具有以下優越特性:自動恒溫、無氧耗、耐腐蝕等。PTC陶瓷主要是摻雜的鈦酸鋇半導體瓷，它的電離能比較小，在室溫下就可以受到熱激發產生導電載流子，從而形成半導體。半導體化的產生有兩個途徑:一是化學計量比偏離;二是摻雜形成缺陷。由于化學計量比偏離和燒結溫度、燒結氣氛、冷卻過程等的關系是很復雜的，而氣氛燒結又帶來設備和工藝的復雜性，因此，通常主要是通過控制雜質的種類和含量來控制材料的電性能[2-3]。

MCH(Metal Ceramics Heater)即金屬陶瓷發熱元件，它是利用高溫共燒多層陶瓷技術[4-5]，將發熱電阻漿料按照發熱電路設計要求印刷于流延陶瓷生坯上，然后多層疊合共燒成一體，從而具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長、高效節能、溫度均勻、導熱良好、熱補償快等優點，不含鉛、汞、六價鉻等有害物質，完全符合歐盟環保要求，具有十分廣闊的發展前景和市場前景[6]。

2 節能對比測試實驗

文章對比測試了MCH發熱組件與PTC組件在如下所示的五種不同情況下的加熱效果。

2.1組件直接加熱空氣

由同一規格鋁散熱片分別粘連相同面積與加熱長度的PTC與MCH發熱元件，在相同的加載電壓下，測試兩者的空氣加熱效果。由于回路的加載電壓恒定，發熱元件的功耗可用其串聯電路回路的電流表征，通過測試回路的電流，對比分析PTC與MCH空氣加熱效果及功耗。空載啟動后，30s通過自制風機加載恒定量的風阻，自制風機分別與PTC及MCH發熱組件組成一熱風機。通過測試記錄PTC及MCH直接加熱的空氣在相同時間的電流和溫度。

圖1和圖2分別是根據實驗數據得到的加熱空氣的溫度曲線與電流曲線。分析圖1和圖2可知，在其它相同條件下加載固定電壓，MCH的空氣加熱效果優于PTC，一是表現在空載加載的30s內，MCH升溫明顯快，15s時，MCH溫度達140℃，而PTC對應溫度僅為78℃;二是空氣加熱組件表面MCH的平衡溫度為169℃，PTC對應平衡溫度為153℃;三是加載相同風阻后的風口平衡溫度，MCH(風口5mm處溫度:138℃;風口40mm處溫度:78℃)也同樣優于PTC(風口5mm處溫度:119℃;風口40mm處溫度:71℃)。

通過對電流曲線的積分計算(見圖2中的計算結果)，結果表明在相同條件下，空載啟動，30s加載相同風阻，MCH的加熱效果優于PTC，同時MCH能耗比PTC低28.72%[(6899.45-4918.05)/6899.45)=28.72%]。

2.2電暖器加熱空氣

利用市場型號都是QG13的同一品牌同批號的兩臺電暖器，其額定功率為1300W，分低熱和高熱兩個加熱檔位。把其中一臺的發熱元件拆下來，其PTC發熱組件為四組并排的PTC發熱組件，每兩片鋁散熱片分別夾持中間的4、3、3、4片PTC發熱材料;低熱檔為左三組并聯，高熱檔為全部四組并聯，換上MCH陶瓷發熱組件，其低熱和高熱檔與原裝PTC電暖器一樣分別三組、四組并聯。然后在相同的加載電壓下，測試兩臺電暖器的空氣加熱效果。

兩臺電暖器分別加上市電(電壓表顯示:226V)，同為加熱前吹冷風30s，加熱后吹冷風使其溫度恢復初始室溫(28℃)。單純吹冷風電流為0.09A，測試記錄原裝PTC電暖器及改裝MCH電暖器的空氣加熱在相同時間下的電流和溫度。圖3和圖4是根據所得數據繪制的溫度曲線與電流曲線，測溫點都固定在電暖器前外表殼中間格點。

圖3可知，在其它相同條件下加載固定電壓，MCH電暖器空氣加熱效果優于PTC電暖器空氣加熱效果，一是低熱檔時，MCH加熱50s溫度可達103℃，而PTC對應溫度只有79℃;二是低熱檔時，MCH最高溫度可達115℃，而PTC只有93℃。從圖4可以看出，高熱檔時，MCH的平衡電流為4.34A，PTC為5.34A，MCH的平衡功率僅為PTC的81%(4.34/5.34)。

對圖4的電流曲線取0s→600s積分，表1給出了對應的積分計算結果。高熱檔，在相同條件下，在加熱效果略優(MCH平衡溫度比PTC的140℃高5℃)情況下，在測試時間段內(600s)，MCH的功耗比PTC低了18.94%[(3201.675-2595.075)/3201.675=18.94%]。

2.3電暖器加熱恒定熱場管道

在上述實驗基礎上，自制了一個近似恒定的熱場管道，該管道為一梯度逐漸收攏的方形管道，外面用高溫保溫棉包裹以保證熱量損失盡可能少，在管道尾端的截面上，可以認為其空氣流量及溫度近似恒定。對比測試了上一節的PTC與MCH電暖器低熱檔加熱恒定場管道的空氣加熱效果。

測試結果見圖5和圖6。圖5的加熱溫度曲線表明，在其它相同條件下加載固定電壓，MCH電暖器的空氣加熱效果優于PTC電暖器。圖6的加熱電流曲線可知，低熱檔時，MCH的平衡電流為3.45A，PTC為4.86A。電流曲線取0s→3600s積分，表2給出了對應的積分計算結果。從積分面積看， MCH為12373.975，PTC為17563.35，MCH積分面積比PTC少了29.55%。由此可知，在相同條件下，在加熱效果略優的情況下，在測試時間段內(3600s)，MCH的功耗比PTC低了29.55%。

2.4封閉空間加熱試驗

利用2.2所述的電暖器，通過把電暖氣放置在一個封閉的7.44m3(1.2m×2.0m×3.1m)空間中進行加熱試驗。加熱前使封閉空間的初始室溫為32℃，在其他參比設置條件不變的條件下，加載220V的市電，測試兩臺電暖器加熱上述同樣封閉空間的加熱性能及耗電量，對比分析PTC與MCH電暖器對密閉空間的加熱效果及功耗。加熱空間的測溫點取兩點，溫度點1是取能表征空間實際溫度效果的中間上部;溫度點2是表征加熱器附近溫度效果的空間的底部。測試記錄原裝PTC電暖器及改裝MCH電暖器加熱封閉空間時在相同時間的電流、溫度及電表讀數，表3給出了對比測試數據。

從表3的數據可以明顯看出，在其它相同條件下加載市電，MCH電暖器空氣加熱效果與PTC電暖器空氣加熱效果基本相當。圖7與圖8給出了MCH與PTC電暖器高熱檔的溫度曲線圖，其中我們認為圖7表征空間實際溫度效果，圖8表征加熱器附近溫度效果。

由表3數據，我們可以得到如圖9所示的PTC及MCH的實際電耗曲線，并且可以看出電耗近似為一直線。圖中可以清楚看出，PTC的電耗明顯比MCH高，因為PTC的擬合電耗直線為Y(t)=0.01972 t，MCH的電耗直線為Y(t)=0.01487t，故MCH的電耗量只有PTC的75.41%，換句話說MCH比PTC節能24.59%。

2.5加熱硅油對比測試

利用硅油作為加熱與傳導介質進行PTC及MCH發熱組件的加熱性能及電耗的對比測試。通過把發熱組件放置在一個裝有規定體積硅油的同一容器中進行加熱試驗，對比測試PTC及MCH發熱組件在硅油中的加熱效果及能耗。盛裝3300mL硅油的容器，底面規格為203mm×155mm，硅油液面高度為105mm。由于硅油的導熱系數只有0.16W/(m.K)，而其在-50～250℃溫度范圍內穩定存在，故測溫點取兩點:溫度點1取比最高液面低5mm的上部液面點，該溫度表征加熱過程硅油的最高溫度液面層溫度;溫度點2是表征硅油加熱過程最低溫度的硅油液面最低處。測試記錄PTC與MCH發熱組件在硅油中加熱的電流、溫度及電表讀數，表4、5給出了對比實驗測試數據。

從表4、5的數據可以明顯看出，在其它相同條件下加載市電(232V)，在消耗相同電量(0.27kWh)的前提下(硅油的初始溫度都是29℃，32℃)，MCH發熱組件加熱硅油的效果明顯比PTC發熱組件的加熱效果優越。MCH在25min內，加熱硅油達到了(65℃，192℃)，而PTC組件加熱40min效果只能達到(57℃，167℃)。圖10給出了MCH與PTC發熱組件加熱硅油的溫升及溫度分布曲線圖，圖中同時給出了積分計算結果，從擬合溫度(Fit T)數據看，PTC加熱40min硅油上下溫度(57℃、167℃)的效果相當于硅油的整體溫度為81.5℃，即是說PTC加熱硅油40min能使其整體溫度升高81.5℃，整體溫度達到112℃。同理，MCH加熱硅油25min，硅油上下溫度分別為65℃和192℃，相當于硅油整體溫度升高98℃，整體溫度達128.5℃。

根據圖10的擬合數據，MCH的加熱硅油溫度積分面積為PTC的120.25%(10290/8557)，就是說在相同電耗情況下，MCH加熱硅油的熱效果是PTC的1.20倍，換句話說，單位耗電量MCH加熱硅油的熱效果比PTC高20.25%。當假定相同的熱效果情況，則MCH的電耗量比PTC少20.25%，就是說同樣的加熱效果時，MCH比PTC節約電能耗20.25%。上述是在假設硅油為一對外完全絕熱的封閉系統前提下得出的節能數據，由于硅油與盛裝容器之間，以及硅油液面與空氣之間，都必定存在相當的熱損失，而溫度越高，其熱損失必定越大。從上面分析可知，MCH的溫升比PTC高16.5℃，同時從表4與表5數據可知，MCH加熱測試時，盛裝硅油容器的表面溫度為97℃，而PTC加熱時盛裝硅油容器的表面溫度為53℃，故MCH加熱硅油的對外熱損失必定比PTC大，故將熱損失考慮入內，則相同熱效果情況下，MCH比PTC節能大于20.25%。

3 理論驗證

從以上的各種對比試驗可以發現，在其他相同測試條件下，在加熱效果優于PTC發熱組件的前提下，MCH發熱組件比PTC組件節能20%以上。如何從理論上解釋與計算MCH的節能呢?我們嘗試通過材料本身的特性分析入手，運用粒子碰撞散射理論闡釋MCH的節能原理，并希望借助于功率因素來理論計算分析MCH的節能原因。

3.1材料特性分析

MCH發熱片是高溫共燒多層的金屬-陶瓷復合材料，發熱的金屬漿料層印刷在作為絕緣介質的氧化鋁陶瓷生坯上，再在上面疊合另外一氧化鋁陶瓷生坯，通過高溫共燒成為一體。從發熱原理上看，MCH發熱原理為金屬鎢導電，而金屬鎢的電熱轉換效率高是公認的，金屬導電本質為自由電子導電，金屬原子外層電子較少，組合成結構元之后，原子的外層仍存在較多的電子空位，能容外來電子進入、移動，因而易于導電。

PTC本質上是一種半導體材料，其通電發熱原理是因為半導體摻雜形成得到了一定數量的自由電子，PTC是以鈦酸鋇為基體，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導特性。通過有目的地摻雜一種化學價較高的材料作為晶體的點陣元來，在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代，因而得到了一定數量的自由電子。其PTC效應，也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構成的，在晶粒的界面上，即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘，阻礙電子越界進入到相鄰區域中去，因此產生高電阻。這種效應在溫度低時被抵消，因為在晶界上高的介電常數和自發的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成，并使電子可以自由地流動;而這種效應在高溫時，介電常數和極化強度大幅度地降低，導致勢壘及電阻大幅度地增高，呈現出強烈的PTC效應。

PTC陶瓷是由晶界相和晶粒相兩部分組成的。陶瓷樣品的總電阻包括晶粒電阻、晶界電阻和電極與瓷片的界面接觸電阻三個部分，它可以等效為晶粒 、晶界和接觸界面三部分的電阻與電容的串并聯結構。PTC具有明顯的復阻抗性質，基于Heywang的等效電路的Cole-Cole圖是研究PTC現象的一個重要手段[7-9]。根據復阻抗的實部和虛部可以計算出晶粒電阻和晶界電阻值，從而為PTC效應的研究和理論解釋提供一個有效的方法。由于涂敷的In-Ga電極材料與瓷片可以形成良好的歐姆接觸，因此界面電阻相對于晶粒電阻和晶界電阻來說可以忽略不計[10]。

其等效電阻為:

則其等效電路及Cole-Cole圖如圖11所示。

當ω 0時 ，Z=Rg+Rgb;當ω ∞時， Z=Rg。從而可以直接由Cole-Cole圖計算出材料的晶粒電阻值(Rg)和晶界電阻值(Rgb)。

隨著溫度的增大，晶粒電阻隨溫度的增大而逐漸降低，呈現NTC效應，同時晶界電阻隨著溫度的升高而增大并在居里溫度附近突然增大，呈現明顯的PTC效應。同時，晶界的電阻在1000Ω上，遠遠大于晶粒電阻值( 約幾個Ω左右)。PTC的總電阻是由晶粒電阻和晶界電阻所組成，但是晶界電阻起著主導作用，并且晶界電阻的變化規律和樣品總電阻的變化規律相吻臺。因此，樣品的PTC效應來源于晶界電阻在居里溫度附近的躍變，通過復阻抗譜研究再一次證明了PTC效應是一種晶界效應。

勢壘高度是由受主雜質及缺陷在晶粒表面形成的表面電荷層所產生的，文獻[8]采用Heywang模型進行估算，其研究結果表明，隨著溫度的升高，勢壘高度逐漸增大，其值為0.1～0.6ev，且深入分析得知勢壘高度隨著溫度的變化與電阻隨著溫度的變化規律具有良好的一致性。

3.2粒子碰撞散射理論分析

從3.1分析可知，MCH通電發熱為金屬自由電子導電;而PTC為半導體導電，存在一定勢壘高度的晶界作為一阻礙粒子定向移動的障礙，這樣在PTC材料內部，定向移動的導電粒子與作為阻礙導電粒子定向移動的晶界粒子勢必存在碰撞。由粒子物理原理可知，無論是彈性碰撞，還是非彈性的散射碰撞，粒子的碰撞總是滿足能量守恒定律的。就PTC作為一種鐵電陶瓷而言，其晶界上的粒子碰撞屬于一種非彈性的散射碰撞，這樣一來，高速定向移動的導電粒子(空穴)與原先靜止的晶界粒子碰撞后，作為非彈性散熱碰撞的結果，則導電粒子其運動方向、運動速度勢必有改變，就是說定向運動性變差，運動速度減慢。而勢壘高度的研究正好表明了，隨著PTC通電加熱的進行，溫度升高，PTC的晶界的勢壘高度隨溫度變大，勢壘高度的變大說明了晶界粒子在非彈性的散射碰撞后能量有所增加，而粒子碰撞的總能量守恒，則就說明了定向移動的導電粒子的能量有所減少。

綜合上面的材料特性及粒子碰撞的散射理論分析得知，MCH為金屬導電發熱，而PTC摻雜形成的自由電子是存在作為絕緣的基體多晶材料中，自由電子在多晶材料中定向移動勢必受到相當的勢壘阻抗，而導致效率差及損耗高，所以MCH中自由電子的定向移動效率應高于PTC， MCH通電發熱過程損耗小于PTC，故MCH發熱效應就優于PTC。當在相同的電能輸入時，MCH的有效熱輸出就優于PTC， 表現在宏觀上就是MCH比PTC節能。

3.3功率因數計算分析

上面我們結合MCH及PTC兩種不同材料的導電原理，運用粒子碰撞的散射理論分析，較為圓滿地解釋了上述的對比測試實驗結果。通過反復測試，我們發現，MCH通電制熱過程的功率因素為1，而PTC通電制熱過程的功率因素為0.92(0.91~0.94)，因此我們擬通過功率因素的相關分析計算MCH相對PTC的理論節能效果。

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數，用符號cosΦ表示，在數值上，功率因數是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因數的大小與電路的負荷性質有關， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1，一般具有電感或電容性負載的電路功率因數都小于1。MCH的實測功率因素為1，PTC的實測功率因素為0.92，說明了我們上述的分析是可行。

功率因數是電力系統的一個重要的技術數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大， 從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。功率因數是有用功與總功率間的比率。功率因數越高，有用功與總功率間的比率便越高，系統運行則更有效率。目前就國內而言，功率因數規定是必須介于電感性的0.9～1之間，低于0.9時需要接受處罰。

在直流電路里，電壓乘電流就是有功功率。但在交流電路里，電壓乘電流是視在功率，而做功的一部分功率(即有功功率)將小于視在功率。有功功率與視在功率之比叫做功率因數，以cosΦ表示，其實最簡單的測量方式就是測量電壓與電流之間的相位差，得出的結果就是功率因數。

MCH的功率因素為1，PTC的功率因素為0.92，則說明PTC的有功功率占總視在功率的92%，就是說在通電制熱過程中，PTC有占視在功率8%的能量用于無用功之上。

導線在通電過程中，由于其本身存在一定電阻，電流通過線路時，線路自身要產生有功功率損耗，其有功功率損耗又與電流平方成正比，線路在輸送一定的有功功率時，線路的電流又與功率因數成正比。所以，線路在輸送一定的有功功率時，線路自身產生的有功功率損耗與功率因數的平方成反比，提高功率因數就能降低線路的有功功率損耗。

同樣利用PTC的功率因素0.92，我們不妨這樣認為，在通電制熱過程中，PTC相對于MCH的有功功率損耗為:

式(2)表明，在通電制熱過程中， MCH相對PTC而言，有功功率損耗只有PTC的84.64%，則就是相對PTC，MCH有功功率損耗少了15.36%。結合無功功率的8%損失，MCH相對節能了23.36%，理論計算結果與我們的各種實驗測試結果較為一致。

4 結 論

通過MCH及PTC兩種材料發熱效果的測試對比，可發現MCH通電發熱損耗小于PTC，故MCH發熱效率優于PTC。結合實測功率因素，理論計算了MCH相對PTC節能23.36%。

參考文獻

[1] 徐棟，百家還，楊東亮等.陶瓷電熱材料的研究與應用[J].山東陶瓷，2007，30(3):28-32.

[2] 孟慶鈞.高精度PTC陶瓷發熱材料研究[J].陶瓷科學與藝術，2003(1):32-35.

[3] 黃慶，高濂，曲遠方.BaTiO3基PTC陶瓷低阻化新途徑與顯微分析[J].硅酸鹽學報，2003，31(8):738-742.

[4]姬忠濤，張正富.共燒陶瓷多層基板技術及其發展應用[J].中國陶瓷工業，2006，13(4):45-48.

[5]鄒勇明，吳金嶺，鄭宏宇.鎢金屬化與氧化鋁陶瓷高溫共燒[J].真空電子技術，2004(4):20-23.

[6]蘇方寧，雷云燕，吳崇雋.網版印刷陶瓷發熱片阻值分布的影響[J]. 絲網印刷，2008(8):14-16.

[7]蒲永平，梁云鶴，楊公安等.PTCR陶瓷復阻抗圖譜擬合結果分析[J].硅酸鹽通報，2007，26(5):892-895.

[8]唐小鋒，唐子龍，周志剛.BaTiO3基PTCR陶瓷的復阻抗譜 研究[J].無機材料學報，2000，15(6):1037-1042.

[9] 張中太，齊建全，唐子龍等.BaTiO3系PTCR材料電學性能的 復阻抗解析[J].硅酸鹽學報，1996，24(1):100-104.

[10] 周方橋，吳國安，陳志雄.(Ba，Sr)TiO3系線性PTCR陶瓷的電 性能研究[J].華中科技大學學報，2001，29(10):112-114.

Energy Conservation Experimental Study of MCH Ceramic Heater and its Principle

SU Fang-ning1，WU Chong-juan1，ZHAO Ying-gang2

(1.Zhuhai Yueke Jinghua Electronic Ceramics Co.，Ltd， Zhuhai 519080，China;

2.Department of Materials Science and Engineering， Luoyang Institute ofScience and Technology，Luoyang471023，China)

Abstract:Comparison test of the MCH and PTC ceramic heater have been performed in this article.It found that heat efficiency of electrifies of MCH was higher than that of PTC. MCH could conserve energy above 20% than PTC as the heat efficiency. This paper gave the clear theoretically proves and explaination of the energy saving by thorough analysis material structure and the utilization particle encounter scattering theory. MCH has conserved energy 23.36%relative to PTC by using the actual power factor，and the theoretical calculation be consistent with the result of different kinds of tests.

Key words:metal ceramics heater;PTC ceramics;energy saving;principle