家电常用电热材料和电热元器件分析

2020-12-13陆静陆志强

电子元器件与信息技术 2020年3期

关键词：电热家用电器元件

陆静，陆志强

（同济大学机械与能源工程学院，上海 200090）

0 引言

电热材料在我们的生活中很常见，例如传统的电热合金至今仍然被广泛使用，而随着科技的不断发展，电热材料的发展也越来越快，因此电热元器件的种类也越来越多，而且这些新兴的电热材料也逐渐被广泛应用于家电之中，备受好评[1-2]。

1 电热材料分析

随着科学技术的发展，我国科研人员不断创新和发展，通过不懈努力研制出了很多电热材料，这些电热材料在我们的生活中被广泛应用，同时也发挥了十分重要的作用。因此我们来重点了解一下电热材料。

1.1 家电常用电热材料种类

电热材料的种类繁多，分类方式也有很多种，比如从物理形态上来分，可以分为电热纤维、电热丝、电热带、电热膜、电热箔、电热片、电热管、电热棒电热板、电热圈、电热盘；而根据化学组成可以分为金属电热材料和非金属电热材料，同样也可以分为有机电热材料和无机电热材料；还有一种分类方法是根据发热机理的不同来区分，这样的分类方式可以分为：电阻发热材料、远红外发热材料、光波发热材料、微波发热材料和电磁感应发热材料。这些不同种类的电热材料被广泛应用于我们的生活之中，而且根据被应用的家电不同，也会被按习惯命名这些电热材料[3-5]。

1.1.1 电热合金丝

这种电热合金丝是我们生活中最为常见的电热材料之一，而且根据被应用的电器不同以及科学技术的发展水平不同，电热合金丝有两种不同的类型：铁铬铝合金丝和镍铬合金丝，还有一些特殊的合金丝，例如我们电灯里常用的钨丝。其中铁铬铝合金丝是属于铁素体组织的合金材料，而镍铬合金丝是属于奥氏体组织的合金材料，这两种合金丝根据性能不同而被广泛应用于不同的家电之中。

铁铬铝合金丝的优势在于可以在极高的温度下使用，而且高温不会使这类合金丝的使用寿命缩短，反而铁铬铝合金丝的使用寿命很长，可以承载很大的表面负荷，而且这类合金中有铝元素的存在，因此这类合金被氧化之后会产生三氧化二铝，从而达到抗氧化和提高电阻率的重要作用，而且相较于镍铬合金，这类合金丝的比重要小很多，而且价格更加实惠，铁铬铝合金丝还有抗硫性好和电阻率高的优点。

而镍铬电热合金材料的优势在于即使在高温下仍可以保持很高的强度，在高温下仍然适宜工作，而且即使在高温冷却之后也不会使材料变脆，保持很好的韧性，经过充分的氧化之后仍然保持了很高的辐射率，没有磁性，而且具有很好的耐腐蚀性。

总结来看，铁铬铝合金使用寿命长而且价格实惠，适合被应用于一些平常的家用电器上，而镍铬电热合金丝在极端高温以及氧化之后仍然可以保持极好的特性，因此这类合金丝适合被应用于在极端条件下工作的设备之中。而且电热合金丝在所有的电热材料中是被应用最为广泛，用量也是最大的，这样的应用情况说明这种电热材料的优势众多，而且环境适应性很强，但是实际上，电热合金丝还是存在着一些缺点的，例如，电热合金丝在氧化之后如果再经过高温就会很容易被烧断；而且在能量的转化工程中也会有很大的能量消耗，在实际的使用过程中，电热合金丝产生感抗效应的情况会很常见，这种情况往往会影响电热合金丝在电器中发挥作用。

1.1.2 PTC 电热材料PTC 电热材料被称为正温度系数热敏电阻，顾名思义，这种电热材料对于温度十分敏感，在低温的情况下，一般会表现出负电阻的特性，然而随着升温的不断进行，当达到一个敏感温度上，PTC 的电阻就会大幅度上升，这种电热材料一般被作为发热材料使用。

PTC 的优势也有很多，这种电热材料最为发热材料没有明火产生，说明这种材料安全而且不会对环境造成很大的负担，PTC 一旦达到特定温度就会长时间维持这个温度，由于这种发热材料没有明火，所以也就没有氧耗，而且还耐腐蚀。PTC 从被发明到被正式应用的发展历史不长，因此需要弥补的地方也有很多，其中最为限制的就是达到居里温度很有难度，因此要想让PTC 发挥出它的“实力”也是十分困难的，PTC还有一个缺点就是负荷密度低。也正是由于这些缺点的限制，PTC 并没有被广泛应用，因此还需要科研人员对PTC 材料再进行精密的研究和创新使这个材料可以被广泛应用于更多领域之中。

1.1.3 电热膜和电热箔

电热膜从不同的方面来分类可以分为透明电热膜和不透明电热膜或者有机电热膜和无机电热膜，这些电热膜都是采取不同的工艺技术，利用不同的材料进行加工，因此这些电热膜之间还是存在有很多差异，被应用的领域也不尽相同。电热箔相对于电热膜更厚，电热膜一般只有0.5 ～1.8μm，而电热箔会达到10 ～50μm，电热箔的制作方式也会根据不同需求而不同，一般电热膜和电热箔的用途相似，只是根据实际需求而对这两者进行选择。

电热膜和电热箔在应用过程中也显示出了很大的优势，首先就是安全，虽然没有明火但是热效率却极高，而且由于形状特殊所以加热十分均匀，升温速度快，耐腐蚀。由于具有这么多的优势，以此这类电热材料正在被大力推广，这类材料被应用的领域也十分广泛，虽然受到一些原因的限制，但是不影响电热膜和电热箔在一些家用电器的上的应用。

1.1.4 远红外线电热材料

远红外线电热材料就是利用远红外线的加热能力而成为电热材料的，而且这类电热材料的应用特点与远红外线有着密切的关系，这种电热材料一般被应用在取暖器具和厨房器具之中。远红外线电热材料的优势在于热效率高，而且很容易被控制，对人体不会造成任何伤害。

1.2 电热材料的基础知识

近些年来，随着计算机和互联网技术的应用，我们的生活逐渐向着高效便捷的方向发展，因此随着人们生活水平的提高，人们对于生活条件的要求也在提高，为了更高的满足人们的生活需求，因此将电热材料应用于我们的生活，而且随着科研人员的不懈努力，电热材料的发展也进入到了一个新的阶段。在电热材料被应用的过程中，我们逐渐发现这种材料被作为热源的优势。

1.2.1 热效率高

相较于传统的热源，例如，煤炭、天然气以及汽油等热源材料，电热材料的热效率达到了50% 到95%，远高于其他材料。

1.2.2 易控制

电热材料由于有更高技术的控制，所以精确度极高，也可以提前设定温度，相对传统热源更是便捷。

1.2.3 安全卫生

我们都知道电热材料的一个明显优势就是发热过程中不会有明火出现，因此使用这种电热材料不仅不会对环境造成负担，而且还避免了安全事故的发生。

1.2.4 使用方便

与一些煤炭、液体燃料、气体燃料相比，这种电热材料在使用过程中会有安全保护装置，而且结构简单，不仅使用方便，即使出现故障，维修也十分便利。

2 电热元器件分析

为了使得这些具有极大优势的电热材料被广泛应用，因此科研人员将这些电热材料制成电热元器件，这些电热元器件在常用的家电中也有很好的应用。

2.1 金属管状电热元件

这类电热元件是将电热合金丝置于各种不同材质的管中，再加入耐氧化的金属粉而制成的，这种金属管状电热元件一般是被应用于电热水器和电烤箱中。

2.2 PTC 发热元件

PTC 发热元件的应用一般就是在暖风机和空调加热器上，而且根据不同的应用条件，PTC 发热元件还可以被制成不同的形状，更加方便使用，也可以组合使用。

2.3 远红外线加热元件

远红外线加热元件也是对远红外线的加热功能的利用，利用远红外线加热元件制成的金属管一般是被用在电烤箱上，而由远红外线加热元件制成的石英管一般被应用在暖风机和消毒柜等家电之中。

3 电热技术在家用电器上的应用

随着科学技术的发展，越来越多的科技被应用于加热电器之中，这也在一定程度上提高了我国民众的生活水平，所以我们主要来了解一下现阶段电热技术在家用电器上的应用。

3.1 电热元件在家用电器上的应用

电热元件有着对环境没有污染、安全以及方便的优势，而被家用电器广泛应用，家用电器的种类繁多，首先，我们来了解一下在取暖器具中被广泛应用的是电热合金丝加热器等，而在厨房器具中被广泛应用的是电热丝和电热管，当然一些特殊的厨具，例如，电磁炉的加热方式就是利用电磁感应，微波炉就是采用的微波加热的方式；熨烫工具中主要是应用铝极铠装电热管；一些美容器具也主要实际采取电热丝加热和PTC 加热；生活中最为常见的空调也是PTC 加热器，常见的电冰箱的化霜器应用的是发热线。这些不同种类的电热元件根据自身不同的特点被应用于不同的家电之中，发挥了最大的作用，为我们的生活创造了更好的条件。

3.2 电热技术在家用电器上的应用

随着科学技术的发展，我国电热技术也获得了技术的突破，被应用于我们的家用电器之中，这一技术的问世被人们广泛关注，而且还专门在广州举办了电热技术与应用的展览会，在这个展览会上很多应用电热技术的新产品问世，得到了人们的普遍关注和一致好评。

3.2.1 稀土厚膜电热组件

这种电热组件不仅负荷高，而且在强制风冷条件下还可以提高负荷，而且还可以在安全电压下工作，不仅安全而且可以随意控制温度，方便且使用寿命长，在电热水器、电火锅等家用电器上应用。

3.2.2 透明电热膜加热组件

这种电热组件可以被制作在陶瓷、石英、微晶玻璃等材质的基板上，使用寿命可达到4000 小时以上，一般是被应用在电热杯、咖啡壶、电吹风这些小功率的家用电器上。这些所有的电热膜的共同特点就是环保无公害。

3.2.3 碳纤维电热材料

在目前的发展中，除了膜电热材料，碳纤维电热材料也是常被应用的新的电热技术之一，随着碳纤维电热材料的问世，这种材料被很多人发现了它的优势，而且还有人认为碳纤维电热材料是现阶段世界上最有竞争力的电热材料。碳纤维电热材料之所以广受好评，很重要的一个原因就是碳纤维电热材料在性能上已经超越了目前其他的电热材料，具有最大的优势。例如，我国最新研发的一款碳纤维电热材料相较于其他电热材料大约可以节约30%的电能，而且可以完全不受电磁场的影响，使用寿命也达到了6000 个小时以上。