家電常用電熱材料和電熱元器件分析

陸靜，陸志強(qiáng)

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

電熱材料在我們的生活中很常見，例如傳統(tǒng)的電熱合金至今仍然被廣泛使用，而隨著科技的不斷發(fā)展，電熱材料的發(fā)展也越來越快，因此電熱元器件的種類也越來越多，而且這些新興的電熱材料也逐漸被廣泛應(yīng)用于家電之中，備受好評[1-2]。

1 電熱材料分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國科研人員不斷創(chuàng)新和發(fā)展，通過不懈努力研制出了很多電熱材料，這些電熱材料在我們的生活中被廣泛應(yīng)用，同時也發(fā)揮了十分重要的作用。因此我們來重點了解一下電熱材料。

1.1 家電常用電熱材料種類

電熱材料的種類繁多，分類方式也有很多種，比如從物理形態(tài)上來分，可以分為電熱纖維、電熱絲、電熱帶、電熱膜、電熱箔、電熱片、電熱管、電熱棒電熱板、電熱圈、電熱盤；而根據(jù)化學(xué)組成可以分為金屬電熱材料和非金屬電熱材料，同樣也可以分為有機(jī)電熱材料和無機(jī)電熱材料；還有一種分類方法是根據(jù)發(fā)熱機(jī)理的不同來區(qū)分，這樣的分類方式可以分為：電阻發(fā)熱材料、遠(yuǎn)紅外發(fā)熱材料、光波發(fā)熱材料、微波發(fā)熱材料和電磁感應(yīng)發(fā)熱材料。這些不同種類的電熱材料被廣泛應(yīng)用于我們的生活之中，而且根據(jù)被應(yīng)用的家電不同，也會被按習(xí)慣命名這些電熱材料[3-5]。

1.1.1 電熱合金絲

這種電熱合金絲是我們生活中最為常見的電熱材料之一，而且根據(jù)被應(yīng)用的電器不同以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平不同，電熱合金絲有兩種不同的類型：鐵鉻鋁合金絲和鎳鉻合金絲，還有一些特殊的合金絲，例如我們電燈里常用的鎢絲。其中鐵鉻鋁合金絲是屬于鐵素體組織的合金材料，而鎳鉻合金絲是屬于奧氏體組織的合金材料，這兩種合金絲根據(jù)性能不同而被廣泛應(yīng)用于不同的家電之中。

鐵鉻鋁合金絲的優(yōu)勢在于可以在極高的溫度下使用，而且高溫不會使這類合金絲的使用壽命縮短，反而鐵鉻鋁合金絲的使用壽命很長，可以承載很大的表面負(fù)荷，而且這類合金中有鋁元素的存在，因此這類合金被氧化之后會產(chǎn)生三氧化二鋁，從而達(dá)到抗氧化和提高電阻率的重要作用，而且相較于鎳鉻合金，這類合金絲的比重要小很多，而且價格更加實惠，鐵鉻鋁合金絲還有抗硫性好和電阻率高的優(yōu)點。

而鎳鉻電熱合金材料的優(yōu)勢在于即使在高溫下仍可以保持很高的強(qiáng)度，在高溫下仍然適宜工作，而且即使在高溫冷卻之后也不會使材料變脆，保持很好的韌性，經(jīng)過充分的氧化之后仍然保持了很高的輻射率，沒有磁性，而且具有很好的耐腐蝕性。

總結(jié)來看，鐵鉻鋁合金使用壽命長而且價格實惠，適合被應(yīng)用于一些平常的家用電器上，而鎳鉻電熱合金絲在極端高溫以及氧化之后仍然可以保持極好的特性，因此這類合金絲適合被應(yīng)用于在極端條件下工作的設(shè)備之中。而且電熱合金絲在所有的電熱材料中是被應(yīng)用最為廣泛，用量也是最大的，這樣的應(yīng)用情況說明這種電熱材料的優(yōu)勢眾多，而且環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，但是實際上，電熱合金絲還是存在著一些缺點的，例如，電熱合金絲在氧化之后如果再經(jīng)過高溫就會很容易被燒斷；而且在能量的轉(zhuǎn)化工程中也會有很大的能量消耗，在實際的使用過程中，電熱合金絲產(chǎn)生感抗效應(yīng)的情況會很常見，這種情況往往會影響電熱合金絲在電器中發(fā)揮作用。

1.1.2 PTC 電熱材料PTC 電熱材料被稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻，顧名思義，這種電熱材料對于溫度十分敏感，在低溫的情況下，一般會表現(xiàn)出負(fù)電阻的特性，然而隨著升溫的不斷進(jìn)行，當(dāng)達(dá)到一個敏感溫度上，PTC 的電阻就會大幅度上升，這種電熱材料一般被作為發(fā)熱材料使用。

PTC 的優(yōu)勢也有很多，這種電熱材料最為發(fā)熱材料沒有明火產(chǎn)生，說明這種材料安全而且不會對環(huán)境造成很大的負(fù)擔(dān)，PTC 一旦達(dá)到特定溫度就會長時間維持這個溫度，由于這種發(fā)熱材料沒有明火，所以也就沒有氧耗，而且還耐腐蝕。PTC 從被發(fā)明到被正式應(yīng)用的發(fā)展歷史不長，因此需要彌補(bǔ)的地方也有很多，其中最為限制的就是達(dá)到居里溫度很有難度，因此要想讓PTC 發(fā)揮出它的“實力”也是十分困難的，PTC還有一個缺點就是負(fù)荷密度低。也正是由于這些缺點的限制，PTC 并沒有被廣泛應(yīng)用，因此還需要科研人員對PTC 材料再進(jìn)行精密的研究和創(chuàng)新使這個材料可以被廣泛應(yīng)用于更多領(lǐng)域之中。

1.1.3 電熱膜和電熱箔

電熱膜從不同的方面來分類可以分為透明電熱膜和不透明電熱膜或者有機(jī)電熱膜和無機(jī)電熱膜，這些電熱膜都是采取不同的工藝技術(shù)，利用不同的材料進(jìn)行加工，因此這些電熱膜之間還是存在有很多差異，被應(yīng)用的領(lǐng)域也不盡相同。電熱箔相對于電熱膜更厚，電熱膜一般只有0.5 ～1.8μm，而電熱箔會達(dá)到10 ～50μm，電熱箔的制作方式也會根據(jù)不同需求而不同，一般電熱膜和電熱箔的用途相似，只是根據(jù)實際需求而對這兩者進(jìn)行選擇。

電熱膜和電熱箔在應(yīng)用過程中也顯示出了很大的優(yōu)勢，首先就是安全，雖然沒有明火但是熱效率卻極高，而且由于形狀特殊所以加熱十分均勻，升溫速度快，耐腐蝕。由于具有這么多的優(yōu)勢，以此這類電熱材料正在被大力推廣，這類材料被應(yīng)用的領(lǐng)域也十分廣泛，雖然受到一些原因的限制，但是不影響電熱膜和電熱箔在一些家用電器的上的應(yīng)用。

1.1.4 遠(yuǎn)紅外線電熱材料

遠(yuǎn)紅外線電熱材料就是利用遠(yuǎn)紅外線的加熱能力而成為電熱材料的，而且這類電熱材料的應(yīng)用特點與遠(yuǎn)紅外線有著密切的關(guān)系，這種電熱材料一般被應(yīng)用在取暖器具和廚房器具之中。遠(yuǎn)紅外線電熱材料的優(yōu)勢在于熱效率高，而且很容易被控制，對人體不會造成任何傷害。

1.2 電熱材料的基礎(chǔ)知識

近些年來，隨著計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，我們的生活逐漸向著高效便捷的方向發(fā)展，因此隨著人們生活水平的提高，人們對于生活條件的要求也在提高，為了更高的滿足人們的生活需求，因此將電熱材料應(yīng)用于我們的生活，而且隨著科研人員的不懈努力，電熱材料的發(fā)展也進(jìn)入到了一個新的階段。在電熱材料被應(yīng)用的過程中，我們逐漸發(fā)現(xiàn)這種材料被作為熱源的優(yōu)勢。

1.2.1 熱效率高

相較于傳統(tǒng)的熱源，例如，煤炭、天然氣以及汽油等熱源材料，電熱材料的熱效率達(dá)到了50% 到95%，遠(yuǎn)高于其他材料。

1.2.2 易控制

電熱材料由于有更高技術(shù)的控制，所以精確度極高，也可以提前設(shè)定溫度，相對傳統(tǒng)熱源更是便捷。

1.2.3 安全衛(wèi)生

我們都知道電熱材料的一個明顯優(yōu)勢就是發(fā)熱過程中不會有明火出現(xiàn)，因此使用這種電熱材料不僅不會對環(huán)境造成負(fù)擔(dān)，而且還避免了安全事故的發(fā)生。

1.2.4 使用方便

與一些煤炭、液體燃料、氣體燃料相比，這種電熱材料在使用過程中會有安全保護(hù)裝置，而且結(jié)構(gòu)簡單，不僅使用方便，即使出現(xiàn)故障，維修也十分便利。

2 電熱元器件分析

為了使得這些具有極大優(yōu)勢的電熱材料被廣泛應(yīng)用，因此科研人員將這些電熱材料制成電熱元器件，這些電熱元器件在常用的家電中也有很好的應(yīng)用。

2.1 金屬管狀電熱元件

這類電熱元件是將電熱合金絲置于各種不同材質(zhì)的管中，再加入耐氧化的金屬粉而制成的，這種金屬管狀電熱元件一般是被應(yīng)用于電熱水器和電烤箱中。

2.2 PTC 發(fā)熱元件

PTC 發(fā)熱元件的應(yīng)用一般就是在暖風(fēng)機(jī)和空調(diào)加熱器上，而且根據(jù)不同的應(yīng)用條件，PTC 發(fā)熱元件還可以被制成不同的形狀，更加方便使用，也可以組合使用。

2.3 遠(yuǎn)紅外線加熱元件

遠(yuǎn)紅外線加熱元件也是對遠(yuǎn)紅外線的加熱功能的利用，利用遠(yuǎn)紅外線加熱元件制成的金屬管一般是被用在電烤箱上，而由遠(yuǎn)紅外線加熱元件制成的石英管一般被應(yīng)用在暖風(fēng)機(jī)和消毒柜等家電之中。

3 電熱技術(shù)在家用電器上的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的科技被應(yīng)用于加熱電器之中，這也在一定程度上提高了我國民眾的生活水平，所以我們主要來了解一下現(xiàn)階段電熱技術(shù)在家用電器上的應(yīng)用。

3.1 電熱元件在家用電器上的應(yīng)用

電熱元件有著對環(huán)境沒有污染、安全以及方便的優(yōu)勢，而被家用電器廣泛應(yīng)用，家用電器的種類繁多，首先，我們來了解一下在取暖器具中被廣泛應(yīng)用的是電熱合金絲加熱器等，而在廚房器具中被廣泛應(yīng)用的是電熱絲和電熱管，當(dāng)然一些特殊的廚具，例如，電磁爐的加熱方式就是利用電磁感應(yīng)，微波爐就是采用的微波加熱的方式；熨燙工具中主要是應(yīng)用鋁極鎧裝電熱管；一些美容器具也主要實際采取電熱絲加熱和PTC 加熱；生活中最為常見的空調(diào)也是PTC 加熱器，常見的電冰箱的化霜器應(yīng)用的是發(fā)熱線。這些不同種類的電熱元件根據(jù)自身不同的特點被應(yīng)用于不同的家電之中，發(fā)揮了最大的作用，為我們的生活創(chuàng)造了更好的條件。

3.2 電熱技術(shù)在家用電器上的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國電熱技術(shù)也獲得了技術(shù)的突破，被應(yīng)用于我們的家用電器之中，這一技術(shù)的問世被人們廣泛關(guān)注，而且還專門在廣州舉辦了電熱技術(shù)與應(yīng)用的展覽會，在這個展覽會上很多應(yīng)用電熱技術(shù)的新產(chǎn)品問世，得到了人們的普遍關(guān)注和一致好評。

3.2.1 稀土厚膜電熱組件

這種電熱組件不僅負(fù)荷高，而且在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下還可以提高負(fù)荷，而且還可以在安全電壓下工作，不僅安全而且可以隨意控制溫度，方便且使用壽命長，在電熱水器、電火鍋等家用電器上應(yīng)用。

3.2.2 透明電熱膜加熱組件

這種電熱組件可以被制作在陶瓷、石英、微晶玻璃等材質(zhì)的基板上，使用壽命可達(dá)到4000 小時以上，一般是被應(yīng)用在電熱杯、咖啡壺、電吹風(fēng)這些小功率的家用電器上。這些所有的電熱膜的共同特點就是環(huán)保無公害。

3.2.3 碳纖維電熱材料

在目前的發(fā)展中，除了膜電熱材料，碳纖維電熱材料也是常被應(yīng)用的新的電熱技術(shù)之一，隨著碳纖維電熱材料的問世，這種材料被很多人發(fā)現(xiàn)了它的優(yōu)勢，而且還有人認(rèn)為碳纖維電熱材料是現(xiàn)階段世界上最有競爭力的電熱材料。碳纖維電熱材料之所以廣受好評，很重要的一個原因就是碳纖維電熱材料在性能上已經(jīng)超越了目前其他的電熱材料，具有最大的優(yōu)勢。例如，我國最新研發(fā)的一款碳纖維電熱材料相較于其他電熱材料大約可以節(jié)約30%的電能，而且可以完全 不受電磁場的影響，使用壽命也達(dá)到了6000 個小時以上。

4 結(jié)論

電熱材料和電熱元器件的發(fā)展和應(yīng)用給我們的生活帶來了更加便利的條件，而且目前科研人員仍然在不斷地進(jìn)行創(chuàng)新工作，相信在未來電熱材料和電熱元器件會帶給我們更大的驚喜。