正溫度系數(shù)自控加熱器耐久試驗(yàn)的方法淺析

摘 要：本文首先對(duì)PTC自控加熱器進(jìn)行了產(chǎn)品介紹和工作原理的剖析。進(jìn)而對(duì)現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 14536.1—2022《電自動(dòng)控制器 第1部分：通用要求》的附錄J中PTC自控加熱器的耐久試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析與研究，并按照產(chǎn)品種類總結(jié)了所需試驗(yàn)周期。希望本文能夠幫助各方正確理解GB/T 14536.1—2022對(duì)PTC自控加熱器產(chǎn)品耐久試驗(yàn)的要求。

關(guān)鍵詞：正溫度系數(shù)自控加熱器，電阻/溫度特性曲線，耐久試驗(yàn)方法，無級(jí)變速風(fēng)扇

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.24.035

0 引 言

正溫度系數(shù)自控加熱器（以下簡稱PTC自控加熱器）由PTC陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。PTC自控加熱器具有熱阻小、安全性高、自動(dòng)恒溫、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。

目前中國是全球最大的PTC加熱器市場。作為一種自動(dòng)恒溫且省電的電加熱器，PTC自控加熱器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要涉及電動(dòng)汽車，室內(nèi)取暖器、空調(diào)、干燥機(jī)、干衣機(jī)等家用電器，以及工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。尤其隨著電動(dòng)汽車市場的高速發(fā)展，對(duì)PTC自控加熱器的需求不斷增大，因而PTC自控加熱器市場發(fā)展空間廣闊。

為適應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品發(fā)展需要，并確保產(chǎn)品使用的安全可靠，對(duì)PTC自控加熱器的安全測試尤為重要。而其中能夠檢驗(yàn)并保證其可靠性能的試驗(yàn)便是耐久試驗(yàn)。本文針對(duì)現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 14536.1—2022《電自動(dòng)控制器 第1部分：通用要求》的附錄J[1]中PTC自控加熱器的耐久試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析與研究，旨在保障PTC自控加熱器的可靠性與穩(wěn)定性。

1 PTC自控加熱器產(chǎn)品簡介

1.1 PTC自控加熱器的相關(guān)定義

PTC自控加熱器由鍍鋅外壓板、不銹鋼波紋狀彈簧片、鍍鋅內(nèi)壓板、單層鋁散熱件、PTC熱敏電阻發(fā)熱片、雙層鋁散熱件及鍍鎳銅電極端子組成。

產(chǎn)品外觀如圖1所示。

在現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 14536.1—2022《電自動(dòng)控制器 第1部分：通用要求》的附錄J中，與PTC自控加熱器相關(guān)的術(shù)語定義[1]如下：

（1）熱敏電阻（Thermistor）

對(duì)熱敏感的半導(dǎo)體電阻，它表現(xiàn)出在至少部分超過它的電阻/溫度（R/T）特性的電阻隨溫度的變化明顯的非線性變化。

（2）PTC熱敏電阻（PTC Thermistor）

正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻呈現(xiàn)出超過電阻/溫度（R/T）特性有用部分的阻值隨溫度增加而增加。

（3）自控加熱器（Self-Controlled Heater）

無任何附加的限溫器而是由于自熱效應(yīng)用作加熱元件的PTC熱敏電阻。

1.2 PTC自控加熱器的分類

PTC自控加熱器種類較多，其分類的方式也有多種。

（1）按照傳導(dǎo)方式分類，可以分為：以熱傳導(dǎo)為主的PTC陶瓷加熱器、以所形成的熱風(fēng)進(jìn)行對(duì)流式傳熱的PTC陶瓷熱風(fēng)器以及紅外線輻射加熱器。

（2）按照應(yīng)用場合分類，可以分為：PTC固體加熱器、PTC液體加熱器以及PTC空氣加熱器。

（3）按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，PTC自控加熱器可分為以下幾種：

1）普通實(shí)用型P TC加熱器。這類產(chǎn)品主要用于：電熱蚊藥驅(qū)蚊器、暖手器、干燥器、電熱板、電燙斗、電烙鐵、電熱粘合器、卷發(fā)燙發(fā)器等。其特點(diǎn)是功率不大，但熱效率高很實(shí)用。

2）自動(dòng)恒溫型P TC加熱器。這類產(chǎn)品主要用于：小型晶體器件恒溫槽、恒溫培養(yǎng)箱、電子保溫瓶、保溫箱、保溫杯、保溫盤、保溫柜、保溫桌等。其特點(diǎn)是自動(dòng)保溫、結(jié)構(gòu)簡單、恒溫特性好、熱效率高、使用環(huán)境溫度范圍寬。

3）熱風(fēng)PTC加熱器。這類產(chǎn)品主要用于：室內(nèi)取暖器、電吹風(fēng)、暖房機(jī)、烘干機(jī)、干衣柜、干衣機(jī)等。其特點(diǎn)是輸出熱風(fēng)功率大、速熱、安全、能自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)溫和功耗。

2 PTC自控加熱器的原理剖析

2.1 PTC熱敏電阻的居里溫度

P TC熱敏電阻的居里溫度，即阻值為25°C時(shí)阻值的兩倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。

室溫至居里點(diǎn)的范圍內(nèi)，電阻值稍有降低但基本維持一定。當(dāng)環(huán)境溫度超過居里點(diǎn)，電阻值呈對(duì)數(shù)增長，電阻/溫度（R/ T）特性曲線如圖2所示。由于PTC熱敏電阻材料類型和結(jié)構(gòu)不同，PTC熱敏電阻的居里點(diǎn)也會(huì)不同。

2.2 PTC熱敏電阻的電流/電壓（I/U）特性

對(duì)PTC自控加熱器施加額定電壓，其中PTC熱敏電阻內(nèi)部發(fā)熱且向外部散熱，使電壓、電流和功率之間建立區(qū)域關(guān)系，包括恒電阻區(qū)域、最大電流點(diǎn)和恒功率區(qū)域，如圖3所示。

3 PTC熱敏電阻的R/T曲線

3.1 PTC熱敏電阻的R/T曲線的定義

熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系曲線，給出了熱敏電阻的電阻值隨溫度變化的變化趨勢[2]。

3.2 PTC熱敏電阻的R/T曲線的測量方法

將PTC熱敏電阻置于全通風(fēng)循環(huán)空氣烘箱中，在不通電狀態(tài)下，通過改變環(huán)境溫度測量其電阻值[3]。試驗(yàn)應(yīng)從室溫開始，通過居里溫度，且不超過R/T曲線的熱失控溫度。電阻由歐姆表在多種溫度下測量，以創(chuàng)建一個(gè)完整的R/T曲線，如圖4所示。

4 PTC自控加熱器耐久試驗(yàn)探究

4.1 環(huán)境搭建和方法探究

以額定電壓為220 VAC、額定功率為1000 W的PTC自控加熱器為例，對(duì)PTC自控加熱器耐久試驗(yàn)進(jìn)行環(huán)境搭建和試驗(yàn)設(shè)備確認(rèn)。

4.1.1 試驗(yàn)環(huán)境搭建

（1）試驗(yàn)設(shè)備：多功能電子萬用表、超高溫試驗(yàn)箱、無紙溫度記錄儀；

（2）熱電偶布置位置：PTC熱敏電阻的表面、與PTC自控加熱器距離50 mm處；

（3）超高溫試驗(yàn)箱的升溫速率設(shè)定：一小時(shí)內(nèi)從室溫升至300℃。

4.1.2 試驗(yàn)設(shè)備確認(rèn)

（1）多功能電子萬用表與無紙溫度記錄儀設(shè)定為相同采集頻率，以保證同步采集電阻與溫度數(shù)據(jù)，方便后續(xù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)擬合R/ T曲線。

（2）超高溫試驗(yàn)箱的升溫：按升溫階段設(shè)定程序，穩(wěn)定升溫，保證能夠有效檢測到重點(diǎn)溫度點(diǎn)的阻值。

4.2 耐久試驗(yàn)的單周期研究

4.2.1 整機(jī)中的PTC自控加熱器的單周期試驗(yàn)過程

（1）樣品：帶有額定電壓220 VAC、額定功率2400 W的PTC自控加熱器的室內(nèi)取暖器。室內(nèi)取暖器示意圖如圖5所示，PTC自控加熱器在室內(nèi)取暖器中的安裝位置如圖6所示。

（2）設(shè)備：無紙溫度記錄儀、數(shù)字功率計(jì)、風(fēng)速計(jì)、多功能變頻電源。

（3）試驗(yàn)過程：

1）對(duì)室內(nèi)取暖器的PTC自控加熱器通以額定電壓；

2）開啟室內(nèi)取暖器的取暖功能，保證風(fēng)機(jī)與PTC加熱器同時(shí)工作。

（4）試驗(yàn)現(xiàn)象：PTC自控加熱器按室內(nèi)取暖器（最終設(shè)備）的通風(fēng)條件通電后，升溫過程經(jīng)歷三個(gè)階段：

1）PTC自控加熱器功率持續(xù)增大，同時(shí)電阻在持續(xù)減小；

2）PTC自控加熱器功率超調(diào)且達(dá)到最大時(shí)，電阻達(dá)到最低點(diǎn)，即達(dá)到最大電流點(diǎn)；

3）P TC自控加熱器功率開始減小至內(nèi)部發(fā)熱與外部散熱達(dá)到平衡，此時(shí)PTC自控加熱器進(jìn)入恒功率區(qū)域，PTC自控加熱器的表面溫度趨于穩(wěn)定。

（5）斷電后，開啟室內(nèi)取暖器的吹風(fēng)功能，PTC自控加熱器表面持續(xù)降溫至室溫。

4.2.2 單獨(dú)的PTC自控加熱器的單周期試驗(yàn)過程

（1）樣品：額定電壓220VAC、額定功率10 0 0W的PTC自控加熱器；

（2）設(shè)備：無紙溫度記錄儀、數(shù)字功率計(jì)、風(fēng)速計(jì)、多功能變頻電源、無級(jí)變速風(fēng)扇、集風(fēng)筒；

（3）試驗(yàn)過程：

1）不通風(fēng)無散熱的情況下，對(duì)PTC自控加熱器通以額定電壓；

2）通過無級(jí)變速風(fēng)扇、集風(fēng)筒調(diào)節(jié)散熱，對(duì)PTC自控加熱器通以額定電壓，保證最終工作在額定功率。

（4）試驗(yàn)現(xiàn)象：

1）不通風(fēng)無散熱的情況下，PTC自控加熱器功率持續(xù)增大，溫度持續(xù)升高；待超調(diào)后功率持續(xù)減小，電阻持續(xù)增大，電流同步減小直至小于1A，但溫度未達(dá)到居里點(diǎn)。

2）采用無級(jí)變速風(fēng)扇及集風(fēng)筒通風(fēng)散熱，風(fēng)速不同會(huì)出現(xiàn)三種不同試驗(yàn)現(xiàn)象：

① 當(dāng)風(fēng)速約為3 m/s時(shí)，PTC自控加熱器功率持續(xù)增大，直至達(dá)到額定功率；

② 當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s時(shí)，功率會(huì)持續(xù)增大超過額定功率；

③ 當(dāng)風(fēng)速小于3 m/s時(shí)，功率持續(xù)減小，電阻持續(xù)增大，電流同步減小，直至小于1A。

（5）斷電后，PTC自控加熱器表面持續(xù)降溫至室溫。

4.2.3 PTC自控加熱器的單周期試驗(yàn)分析

（1）試驗(yàn)經(jīng)過的R/T曲線區(qū)間

P TC自控加熱器通常選用居里點(diǎn)溫度較高的熱敏電阻。其正常工作區(qū)間是在居里點(diǎn)之前，即較低溫度、阻值緩慢變化階段，在R/ T曲線上的區(qū)域如圖7所示。

（2） PTC自控加熱器耐久試驗(yàn)的循環(huán)區(qū)間

按產(chǎn)品正常工作狀態(tài)判斷，耐久試驗(yàn)單周期覆蓋有用部分，即循環(huán)區(qū)間為，最低阻值點(diǎn)至恒功率點(diǎn)。根據(jù)PTC自控加熱器的表面溫度變化，判斷耐久試驗(yàn)的單周期的試驗(yàn)時(shí)間。

4.2.4 PTC自控加熱器耐久試驗(yàn)方法確定

在現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 14536.1—2022《電自動(dòng)控制器 第1部分：通用要求》的附錄J中，對(duì)PTC自控加熱器的耐久試驗(yàn)的具體要求為：

PTC自控加熱器應(yīng)在最大電壓（Vmax）、最大功率或最大電流（Imax）下安裝和試驗(yàn)。熱敏電阻的功耗隨最終使用設(shè)備中散熱量、空氣流量或類似變量的變化而變化，應(yīng)使用最終設(shè)備的散熱、空氣流量或其他條件，以最大額定功率或最大電流（Imax）進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)上述對(duì)單周期的試驗(yàn)探究，確定PTC自控加熱器耐久試驗(yàn)方法如下：

（1）試驗(yàn)設(shè)備：無紙溫度記錄儀、數(shù)字功率計(jì)、風(fēng)速計(jì)、多功能變頻電源、無級(jí)變速風(fēng)扇、集風(fēng)筒定時(shí)控制裝置、多功能電子萬用表；

（2）試驗(yàn)環(huán)境搭建：固化檢測設(shè)備和產(chǎn)品安裝方式及產(chǎn)品所在位置，僅采用無級(jí)變速風(fēng)扇改變風(fēng)筒中風(fēng)速，保證以單一變量，匹配整機(jī)（終端設(shè)備）要求風(fēng)速達(dá)到額定功率范圍，從而進(jìn)行耐久試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)過程：

1）匹配合適的通風(fēng)速率（散熱），通以額定電壓測得最低阻值點(diǎn)、恒功率點(diǎn)，計(jì)算升溫及降溫時(shí)間，得出單周期時(shí)間；

2）通過設(shè)定定時(shí)控制裝置，使試驗(yàn)一周期為最低阻值點(diǎn)至恒功率點(diǎn)，周期反復(fù)直至達(dá)到耐久次數(shù)。

5 結(jié) 語

通過對(duì)P TC自控加熱器耐久試驗(yàn)方法的分析和研究，以及最終對(duì)方法的確認(rèn)，可以大大提高PTC自控加熱器產(chǎn)品的使用安全性與穩(wěn)定可靠性，從而對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)提供了完善的設(shè)計(jì)思路和要求。對(duì)于檢測人員來講，也可通過本次研究進(jìn)一步完善和掌握P TC自控加熱器耐久試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和檢測技術(shù)。

本次對(duì)PTC自控加熱器耐久試驗(yàn)方法的研究，將推動(dòng)PTC自控加熱器的行業(yè)發(fā)展，對(duì)提升PTC自控加熱器的安全性及穩(wěn)定性具有重要意義。同時(shí)，對(duì)于穩(wěn)定中國在全球PTC加熱器市場的龍頭地位、推動(dòng)國內(nèi)電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展均具有重大作用。

參考文獻(xiàn)

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[3] 劉慕園，楊賓峰.PTC熱敏電阻的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].河南職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（1）：49-50+52.

作者簡介

包晶晶，碩士研究生，工程師，主要從事家用電器零部件類及附件產(chǎn)品的檢測與認(rèn)證工作。

孫芮，本科，工程師，主要從事家用電器零部件和附件的檢測與認(rèn)證工作。

賈利淵，本科，工程師，主要從事家用電器附件及零部件類產(chǎn)品的檢測與認(rèn)證工作。

朱香娟，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事家用電器零部件和附件的檢測與認(rèn)證及質(zhì)量管理工作。

蘆賽，專科，工程師，主要從事家用電器附件類產(chǎn)品的檢測與認(rèn)證工作。

（責(zé)任編輯：張佩玉）