空调 PTC加热器热分析与工艺参数优化

空调 PTC加热器热分析与工艺参数优化

罗孝禄

格力电器股份有限公司 广东 珠海 519000

摘要：空调PTC加热器是目前最安全可靠、效率最高和最清洁的电加热器。目前，常用的空调PTC加热器主要由PTC发热芯和散热结构两部分组成，常应用于空调辅助加热和取暖器，功率一般在1000Ｗ以上。由于空调PTC发热片的阻温特性，PTC加热器会产生类似恒温器特点，通过PTC加热器结构设计，提高电能利用效率，是当前PTC加热器设计和制造领域的主要研究内容之一。本文就空调PTC加热器热分析与工艺参数优化展开探讨。

关键词：PTC加热器；结构优化；热分析

引言

近年来，人民赖以生存的环境随着工业社会的发展进步，污染越来越严重。特别是空气的污染尤为严重，在众多的污染源中，汽车尾气的污染首屈一指，传统汽车节能减排要求越来越高，发展新型能源环保型汽车势在必行。在传统的汽车空调制热模式中，水暖制热最广泛，由于新能源汽车（比如电动汽车）没有发动机，所以就不能使用传统汽车空调制热方式，需要采用新的制热方式，故对新能源汽车空调的研究也迫在眉睫，因PTC热敏电阻是一种典型的具有正温度系数的半导体电阻，故PTC加热控制器是目前研究的热点之一。

1PTC电加热器的概述

金属电加热管存在着一定的安全隐患，在汽车内部有限的结构空间中，因功率有限，额定功率常规状态下最高不会保持太高，但是若处于干烧状态下是极易出现发红危险。因此为了提高汽车空调产品的制热效果，可以采用陶瓷性质的PTC电加热器，PTC电加热器主要是将PTC热敏电阻元件作为发热源的方式进行加热。PTC电加热器中的热敏电阻通常是以半导体材料制作而成的，它的电阻能够随着温度迅速发生变化，同时当外界的温度逐渐降低时，PTC的电阻也会减小，发热量随之也会增加，其中陶瓷PTC电加热器的具有着较高的功率。根据以上所讲的特性变化可知，PTC电加热器具有着节能、安全、稳定及寿命长的特点，在汽车空调产品中具有着很强的适应性，现已广泛应用到家用电器及工业电热电器方面。目前PTC电加热器在汽车空调中的应用，国外已经处于推广阶段，国内则处于研发制作阶段。对于纯电动车而言，所使用现阶段纯电动车所使用的为PTC风加热，这种方式只需要将传统汽车空调暖风芯体替换为PTC风加热器，再加上相应的辅助设备就可以使用了。若当我们在汽车空调产品中将PTC电加热器换位金属电加热器，因为内部结构的变化，势必会改变原来的空气流场。

2物理模型

空调PTC加热器由加热芯与散热片钎焊制作而成。现有空调PTC加热芯结构如图1所示：δ1＝3mm；δ2＝0．05mm；δ3＝0．2mm；δ4＝0．1mm；δ5＝0．5mm。现有空调PTC散热结构如图2所示：ｄ0＝2mm；Ｈ0＝12mm；Ｌ0＝650mm；Ｗ0＝16mm；δ6＝0．5mm；δ7＝0．2mm。

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图1　PTC加热芯结构剖面图

图2　PTC加热器散热结构

3PTC加热器控制

PTC加热是一套依靠电力对车内温度进行加热的装置，是一款省电节能，安全性能高的电加热器。利用比较器进行闭环控制以控制PTC发热器两端电压波动，控制方案如下：（1）PWM控制调温模式。（2）单片机设定初始值，由硬件调整输出电压值，以达到PTC发热体温度平稳效果。（3）随着温度变换，单片机采集实际温度和工作电流，通过比较器和寄存器，在过流或过温时关断单片机输出，保证安全。（4）因采用单片机控制，温度调节可以做到无级调节效果。控制方式为CAN通讯；波特率为500K；通讯周期为200ms。PWM占空比对应输出功率详细说明：默认5％以下不工作，防止信号线对地短路；95％以上不工作，防止信号线对电源短路；5％~90％=500W~满功率，90％~95％=满功率。

4理论分析

4.1安全性分析

PTC电加热器在汽车空调产品中运行时，经测试当风速为零时，发热体的表面温度会变高，同时因为PTC具有着自限温度的作用，温度升高后电阻会下降，在干烧状态下其表面温度也不易达到周围易燃物体的燃烧点，因此难以产生明火，可以有效避免火灾问题的出现，具有较高的安全性能。而金属电加热管则因为内部采用镍铬丝作为发热体，在通风状态下，金属电加热管的表面温度较高，但是若处于风速为零的状态下，则会变得更高，同时若金属电发热管周围具有橡胶、塑料性质的物体，则是很容易引发火灾，安全是无法得到有效保证。由此可知，PTC电加热器在汽车空调产品中的使用是具有较高的安全性能。

4.2加热芯热分析

加热芯的整体发热速率和温度分布与单片PTC陶瓷片和各层材料的物性参数有关。假设同一片PTC陶瓷片达到稳态时，其表面温度均匀。则加热芯的导热问题可以看作一维导热问题。其温度分布示意图如图3所示，其结构示意图如图4所示。

图3　加热芯温度分布示意图

式中：φ为热流量，指单位时间内通过某一截面的热量，稳态情况下φ＝Ｐ_额定＝1050Ｗ；λ为导热系数，负号表示传热方向与温度梯度方向相反；Ａ为垂直于传热方向的截面积。由于模型关于ｘ轴对称，对于ｙ方向上的热传递，只研究ｙ正半轴即可。设PTC片表面温度为Ｔ₀，导热胶与电极条接触面温度为Ｔ₁，电极条与绝缘膜接触面温度为Ｔ2，绝缘膜与铝外壳接触面温度为Ｔ3，铝外壳外表面温度为两侧接触面温度为Ｔ₄，Ａ_ｙ＝Ｌ₀×Ｗ₀＝1．04×10^－2　m²。根据ＧＢ50176—2005，PTC加热芯各层物性参数如表1所示。

图4　加热芯传热简化模型

4.3发热功率测试分析

常规的汽车空调中PTC电加热器，一般是会安装在进风口换热器的下方，有些甚至会直接安装在空调底座上，或者直接裹在换热器内部。无论如何进行安装，都需要确保其散热面与进风向保持一定的角度，也就是说当通过PTC电加热器的进风量达到最大，其可以让PTC电加热器发挥出最大的功率，相对产热效果也会最好。例如：在某型号的汽车空调安装PTC电加热器，当保证汽车空调内环境温度，汽车空调处于非制热状态时，处于通过状态下的测试功率达到设计功率后，当空调内环境温度达到53℃时，功率则会下降，测试值基本为平均升高一度，功率则会降低。之后再将风速调制低速，再进行测试后，这个阶段比假设标准功率会有所减少，因此功率会随着温度的变化发生一定的损失。这对于汽车空调产品的效果而言具有着重要的意义，尤其是对温度的控制能力将会得到极大的提升。

结语

专家预计，随着电能成本的进一步降低，PTC加热器的市场需求将会有更大幅度的提高。综上所述，在汽车空调产品中PTC电加热器与金属加热器相比较，无论是在功率、安全、稳定、制热速度、使用寿命等方面均具有着巨大的优势。汽车空调产品中使用PTC电加热器不仅可以让空调迅速制热，保持恒温，还具有热量输出自动调节功能，这对于汽车空调产品而言具有着重要的意义及价值。

参考文献

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