陶瓷加熱器PTC的基礎認識/台北浴室暖風機安裝/浴室暖風機安裝
2022-06-08
大家可能都對陶瓷加熱器(Ceramic Heater)這個名詞非常陌生,但陶瓷加熱器被廣泛運用在我們的生活中,在民生應用上,只要需要加熱的電器都會使用到此元件,例如:吹風機、暖風扇、浴室暖風機、汽車加熱座椅、除霧鏡等具有加熱功能之電器產品。
大部分的陶瓷加熱器所使用的材料為鋇(Ba, Barium)、鍶(Sr, Strontium)、鈦酸鉛(Lead titanate, PbTiO3),這些都是一種具有正溫度係數(PTC, Positive Temperature Coefficient)特性的材料,這種材料的電阻會隨著溫度上升同時變大。
除了PTC外,亦有負溫度係數(NTC, Negative Temperature Coefficient)材料,在電阻隨著溫度變化的特性與 PTC相反,通常用於智能家電產品的溫度感測或是湧浪電流限制器等被動元件。
當電流經過導體的時候會伴隨著熱能的產生,這是一種電流熱效應(Joule Heating),因為這種物理特性所產生的熱能稱為電阻損失(Ohmic Loss),具有以下的關係式:
◆P:電阻損失(W)
◆I:電流(A)
◆R:電阻(Ω)
陶瓷加熱器電阻及電流的特性曲線可參考 Fig.1,上述已經提到PTC的特性是當溫度上升時材料的電阻會同時變大,這主要說明了Fig. 1中紅色虛線的部分,實際上的PTC特性在溫度上升時電阻質會下降到最低點Rmin,這時候也是陶瓷加熱器功率輸出最大的時候,根據不同產品的需求,決定Rmin
在Rmin的位置最容易受湧浪電流(Inrush current)的影響導致電器壽命降低,在此需要特別注意,因此建議加裝保險絲進行保護。
的位置同時也決定了最大輸出功率及氣體加熱的溫度(根據不同室溫有所差異),一旦溫度升高至居禮溫度(Tc, Curie Tempearture),此時材料的電組質
Fig. 1. 陶瓷加熱器隨著溫度的電阻及電流變化。(Credit: DBK-Group)
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如何計算基於溫度係數α區間的電阻值?
溫度係數α區間為對數座標,溫度、電阻與溫度係數的關 係式如下:
定義初始溫度下的電阻值:
將其積分:
透過泰勒級數展開近似至第一項可得到以下公式:
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如何計算經過陶瓷加熱器的流體溫度?
當電流經過陶瓷加熱器後導致溫度上升高於室溫,陶瓷加熱器所做的功率會轉換為熱能提供給周圍的流體,基於能量守恆可以使用牛頓冷卻定律(Newton’s law of cooling),可以得到以下等式:
令 I=V/R 並整理上式可得到以下方程式:
如此就可以得到經過陶瓷加熱器周圍的流體溫度。
此方法為近似估算解,使用上式在實際狀況根據流體速度等不同因素會有誤差產生。
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陶瓷加熱器的形式
陶瓷加熱器的樣式有很多,圓形、方形、管狀等不同樣式提供不同產品應用,但無論哪種樣式,都以絕緣形式被分為兩大類:
1.有絕緣設計
2.無絕緣設計
Fig. 2. 陶瓷加熱器之絕緣形式:(a)無絕緣設計,(b)ㄧ絕緣設計。
內部結構圖可參考 Fig. 3,可以看到左側無絕緣形式透過電極正負兩端直接安置在散熱鰭片,透過散熱鰭片傳導至中間的陶瓷加熱器,在這種狀態下,散熱鰭片都是帶電狀態,若使用手觸摸或潑灑到液體,都會導致觸電及短路現象發生,這種無絕緣形式的陶瓷加熱器成本低、發熱效率高但安全性極低;有絕緣形式的陶瓷加熱器,在內部結構含有絕緣層,陶瓷加熱器發熱後透過絕緣層將熱傳導至散熱鰭片,在一樣的輸出功率下,上升溫度較無絕緣形式慢且溫升較低,雖在效能上較無絕緣低且成本高,但在安全性上具有極高的保護,讓消費者使用更安心。
Fig. 3. 陶瓷加熱器內部結構示意圖。(Credit: Vicky Bin)
寶麗浴室暖風機都採用有絕緣形式的陶瓷加熱器,且在絕緣部分使用雙層絕緣,將安全性提升至更高層次。
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想了解更多關於陶瓷加熱器的特性及背景知識,可以參考以下文章
Kataoka, M. and T. Masuko. “PTC Characteristics of (TiC/ Polyethylene) Conductive Composites in Relation to their Particle-filled Structures.” Ieej Transactions on Fundamentals and Materials 124 (2004): 337–343.
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