超导热对流电暖器的原理和性能

一、超导热对流电暖器的加热元件

       作为电供暖采暖设备的核心部件—加热元件的选择极为重要，它关乎到电供暖采暖设备工作时的加热速度、发热效率、安全性、使用寿命等性能。目前应用于采暖设备领域的加热元件主要分为两大类：一类是金属材料的，如镍铬合金电热丝；另一类是非金属材料的，如碳晶、电热膜、ptc陶瓷材料等。在这里着重介绍有着优异发热性能的材料—ptc陶瓷发热元件。

ptc元件

ptc陶瓷发热元件它的学名叫：正温度系数热敏电阻器。它制作工艺为：将4～5种无机金属氧化物加入半导化元素和助烧剂混合、球磨、压制、经过1300度高温烧结而成。它有三大电气特性：阻温特性、时间电流特性和伏安特性。它的应用都是围绕这三个电气特性而展开。它可用于温度传感、控制元件、电流保护元件、发热元件等，应用广泛。用于发热是ptc的最基本最广泛的应用。它在发热性能方面具有发热速度快，通电几秒钟就达到它的设定温度；安全性很高，由于它具有正温度系数的特性决定了它不会产生过高的温度即有自己控制温度的能力，因而不会产生明火；根据ptc的阻温特性，它会根据环境温度的变化而自动调节工作电流的大小即输出功率的大小，达到节能的效果，也就基本工作在恒温的状态；由于ptc是在一千多度高温下烧结而成，这就决定了它具有使用寿命长的特征。ptc发热元件在严格的工艺过程控制下，在正确选择参数和使用方法的条件下，ptc发热元件不会出现功率衰减的现象。

综合以上ptc发热元件的性能和特性，它具备了电供暖采暖设备所要求的：快速加热、高效节能、安全可靠、使用方便、舒适寿命长的条件。结合到实际应用过程中，如何正确使用才能充分发挥利用ptc发热元件的优势设计出一款优异的电供暖采暖设备呢？这就是超导热对流电暖器所要解决的问题。

二、超导热对流电暖器的结构

        上文提到根据ptc元件所具有独特的三大电气特性，决定了它是电供暖采暖设备理想的加热材料，关键是如何正确选择、设计ptc元件的参数和使用方法。参数的选择就是根据对电供暖采暖设备的使用要求对ptc元件的居里点温度和零电阻值这两个参数进行正确的设定。在使用采暖设备时人们期望热气要柔和，不能使人有燥热的感觉。由于ptc元件发热的最高温度即居里点温度可以通过配方配备的方式来设定，这就可以实现人们对受热时舒适度的需求，ptc发热元件这一特点是其它发热材料所无法比拟的。合理地选择ptc元件的零电阻值则既能保持快速加热的特性又能防止工作时启动电流过大的问题（这个问题也是ptc元件发热材料的一个瑕疵）。

     众所周知，热量的三种传播方式：传导、对流、辐射。通常ptc发热元件的加热方式都是以传导为主，而对流加热方式则是以与金属散热器结合再用电扇吹风强迫对流来实现。如市面上的ptc暖风机就是以这种方式来实现热对流。这种热传导方式是不适合用来做为电供暖采暖设备的，因为一是强劲的热风使人感觉不舒适而且产生扬尘和环境噪音，二是这种工作方式不能保证采暖设备耐用长寿命的要求。但是对于电供暖采暖设备来说，主要是对一个相对密封的空间进行加热，这就决定了加热的方式必须是以对流传播热量为主，根据这个要求并结合ptc发热元件的特点我们设计了一种筒管形状的电热装置，这个装置获得国家专利授权（专利号：CN204593846U）。

专利证书

以这项专利技术制作而成超导热电暖器在实际应用中完全具备了电供暖采暖设备所要求的：加热快速、节能高效、安全舒适、使用方便耐用。

三、超导热对流电暖器的原理

        上文提到根据ptc发热元件的工作原理和性能以及对电供暖采暖设备所要达到的功能要求，提出了筒管结构的方案。这里先说个题外话，随着现在房地产行业的高度发展，人们的生活都得到了很大改善，家家户户都住上了高楼房，在住上高楼房的同时都会得到一个温馨提示：当楼层发生火灾时，千万不能利用电梯通导来逃生，原因在于电梯通导从下到上是直通的，当楼层发生火灾时产生的大量热量和气流不断地往电梯通道向上喷涌。还有一个生活常识：以前在北方冬季使用煤炉采暖时，当在煤炉上放置一个圆铁筒时就会看到煤炉中的火苗蹿得比之前要高，也就是加快了煤炉热量的传导。

强自然对流装置的工作方式

  以上两个事例就是我们常说的“烟囱效应”现象。专利技术“一种强自然对流电热装置”就是充分利用了“烟囱效应”原理应用于采暖设备的一款新型装置，在该装置中利用ptc发热元件可以分散分布组合的特点，通过特殊工艺将ptc发热元件从下到上有梯度地嵌入一定长度的金属管内，这根金属管通过N根筋肋与同等长度外围的金属圆筒相连成为一体。工作时ptc发热元件将热量传导到金属管，金属管再将热量通过筋肋传导到外围的金属筒，这个过程充分发挥了ptc发热元件加热快速的特点，1～2分钟外围的金属筒也开始发热，这样使外围金属筒内与金属管之间的冷空气在外围金属筒、筋肋和金属管所带的热量作用下迅速膨胀，不断地向上方喷射而出。由于外围金属筒是个密闭的容器，在这个容器里的气体压力强度随着加热温度的提高而逐步加强，使得装置上方出口的热气流越来越强，相对冷的气流在“虹吸原理”的作用下，不断地从外围金属筒的下方流入金属筒内以此往复形成了较为强劲的自然热气流。这里有一个关键的因素，这个装置产生的气流流量大小与ptc发热元件的发热温度有关，温度越高气流越快流量越大；与空间的空气温度有关，因为ptc发热元件基本是恒温发热，所以周围空气温度越低金属筒内的空气和外围的空气温度差越大，产生的热气流流量也越大，还与金属筒的长度有关，金属筒越长，产生的热气流流量也越大。前面提到ptc发热元件的排布是按梯度方式布局（由下而上逐渐变疏），因而底部加热速度快点，这样热气流就能快速形成，大约3分钟左右即可生成热气流。这些现象对于作为采暖设备是极为有利的。

超导热对流电暖器

      目前浙江鑫通电子有限公司采用该项专利技术开发了具有创意新颖的采暖设备—超导热对流电暖器，在实际生活中已经得到了满意使用，取得了显著的效果，达到了设计时的设想。该超导热电暖器根据不同的功率需求可由N个“一种强自然对流电热装置”组合而成，是一款较为理想的电供暖采暖设备，至于它有什么性能特点下篇以予阐述。

四、超导热对流电暖器的性能

    由于超导热对流电暖器的加热源采用了ptc发热元件，独特的造型设计，轻质铝合金散热筒构造，造就了与众不同性能和特点：

超导热对流电暖器的构造

*快速加热   根据ptc元件的阻温特性，在居里温度点之前的曲线是负温度系数，所以它具有的特性，通电后在几秒钟内就能达到设定的温度，发出的热量再通过筋肋传导到超导热电暖器的外围金属筒上，1～2分钟就能感觉到发热。2～3分钟就开始生成热气流。

*恒温加热   由于ptc元件在开始发热后，它是工作在正温度系数的曲线上。即当温度上升时电阻增大，使电流下降；电流下降后又使温度下降，使得电阻减少，反过来电流又开始上升，如此反复，使ptc元件始终工作在一个恒定点上。这就决定了超导热电暖器基本上是工作在一个恒温状态下，这样就不会产生过热的现象。在ptc居里点温度设计时采用较低的温度，使人没有干燥的感觉，这也是人体感觉舒适的基本条件。同时也可以简化设备的温控装置，降低成本，降低故障率，保证设备的长期使用。

*安全耐用   ptc发热元件在设定好居里点温度后，它基本上就在这个温度附近工作，由于温度都是设定在200度温度左右，所以不会出现超温现象，没有明火的工作状态确保了它的安全性。正如前文（一）提到ptc元件是经过高温烧结而成，是属陶瓷材料，坚固耐用，不氧化，如果不是人为的损坏可以经久耐用的。

*高效节能    由于超导热对流电暖器独特的结构设计，它在“烟囱效应”的作用下，在工作时产生较强的自然热气流（流速达0.4～0.8米/秒），并配备轻质铝合金材料的散热圆筒，ptc加热元件直接加热散热筒，具有向两侧辐射和向上对流的双重热传导功能，而以对流为主的热传导形式，使得将电能高效地转换成热能快速地向空间传导。这一性能对于采暖设备来说极为重要，因为在相对封闭的空间里，要把空气加热的主要手段就是利用热气流进行冷热空气的交换起到采暖效果。热气流流量越大交换速度越快，也就是采暖设备的加热效率越高，单位面积所需的功率就越低，这就达到节约电能的目的。

*投资省使用方便   由于超导热对流电暖器所具有的高效采暖性能，即可以便携移动，也可以固定挂壁安装的方式，为冬季采暖节省了大量工程施工的费用，也可免去维护的烦恼和成本。高、中、低三档功率可选择，设计了方便的烘凉衣物的装置，为生活带来了便利。与众不同的特点，可以即开即用，又可以灵活使用。即安静又不产生扬尘污染。

超导热对流电暖器的挂壁安装

*适用范围广     由于超导热电暖器具有与众不同的热传导方式，它适用范围广，即适合北方地区使用又适合南方地区使用。在一般情况下，采暖器在北方地区使用要比南方地区使用效果更好，这是因为北方地区的房屋要比南方地区的房屋密封性要好，而且空气相对干燥。在南方地区的房屋密封性能相对来说比较差，最主要是空气湿度大，这就给一般的采暖设备的加热效果带来很大影响。而南方家庭在使用采暖器的习惯也不一样，人在即开人离即停，这种情况也会使人感觉一般的采暖器效果不佳。由于超导热电暖器具有较强的热气流的对流，一方面，能快速加热空气，另一个方面，强热气流能充分搅动潮冷空气，使冷热空气加速交换达到采暖效果。在北方，超导热电暖器的采暖效果更有效，而且更加节能。这些使用效果在实际中得到充分的检验。

*多种场合的使用   由于超导热对流电暖器的独特的结构，与众不同的特性，适用于多种场合：

学     校

办公、会议室

居家：客厅、卧室、浴室

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