PTC厚膜電路可控電熱元件

《PTC厚膜電路可控電熱元件》是國家海洋局第二海洋研究所於2004年7月28日申請的發明專利，該專利申請號為2004100508301，公布號為CN1588573，公布日為2005年3月2日，發明人是王克政。

《PTC厚膜電路可控電熱元件》公開了一種PTC厚膜電路可控電熱元件，包括基片、系列電子漿料，系列電子漿料製備在基片上，所述系列電子漿料包括介質漿料、電極漿料，系列電子漿料均由功能相、無機粘結相和有機載體三部分組成。所述系列電子漿料還包括PTC漿料，所述基片為1Cr18Ni9系列不鏽鋼基片，系列電子漿料以厚膜電路的形式製備在基片上，同時還公開了所述介質漿料、PTC漿料、電極漿料的配方。該發明具有以下優點：加熱溫度場可控，功率密度大，回響速度快，機械強度高，抗振動，抗熱衝擊能力強，外形結構緊湊，使用壽命長，節能。

2017年12月，《PTC厚膜電路可控電熱元件》獲得第十九屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《PTC厚膜電路可控電熱元件》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：PTC厚膜電路可控電熱元件
• 地址：廣東省佛山市禪城區南華一街13號303
• 公布號：CN1588573
• 公布日：2005年3月2日
• 申請號：2004100508301
• 申請日：2004年7月28日
• 申請人：王克政
• 發明人：王克政
• 代理機構：廣州三環專利代理有限公司
• 代理人：詹仲國
• 類別：發明專利
• Int. Cl.：H01C7/02、H05B3/10、H05K1/00

專利背景

隨著電熱產品在家電、工業電器、電子設備、汽車行業等諸多領域的日益普及，電熱元件的套用變得越來越廣泛，所以人們對電熱元件各方面的性能要求也越來越高。

截至2004年7月，技術中電熱元件（以銀格絲為主）存在以下缺點：功率密度較小，一般為15瓦/平方厘米左右，不能很好的滿足人們對大功率的要求：啟動速度也較慢，並且多具有熱情性；機械強度較低，抗振動、抗熱衝擊能力弱；元件體積較大，占用較大空間，並且安裝也不方便；不易實現控溫材料與電熱材料共平面、共曲面化設計；節能效果不理想；它們的壽命一般較短，而且具有副作用，不利於身體健康；耐腐蝕方面也不理想；工藝性較差。

傳統的PTC（即PostitiveTemperatareCoefficient的簡稱）存在著如下問題：

1、傳統的PTC加熱器是把若干個圓盤式、蜂窩式PTC元件用粘接或夾持的方法和散熱器一起連線起來，引出電極，形成發熱器組件。粘接式PTC發熱器組件是由波紋式散熱條利用矽膠粘接而成。這種結構致使功率不穩和元件容易老化，功率衰竭嚴重，還可能引起電器短路，甚至會導致火災。

2、用機械夾持方式代替粘接，選用整體翅片式散熱，提高了散熱效果，解決了粘接式PTC存在的開膠、老化等安全問題。但PTC電熱元件的表面溫度多在250攝氏度左右，裝夾和電極的引出卻顯得十分重要。除防止接觸不良、短路、電場分布不均避免電擊穿外，還必須防止機械接觸不良而引起的局部過熱而擊穿。

3、多個元件串聯使用時，由於元件特性難以一致，元件升溫不同，電壓降分布迅速變化，並產生惡性循環，壓降越大，溫度升高的元件有可能發生擊穿，且會連鎖發生。因此，串聯時元件嚴格挑選很重要。

4、多個元件並聯使用時，在一定限度內能夠增大系統功率，但系統確定後，多個元件的發熱功率，並非單個元件發熱的總和，而實際上要小的多並聯時，通電後幾秒內將出現較大的衝擊電流，由於元件的離散性，各元件的升溫的速度不同，因此，衝擊電流並不是單個元件衝擊電流的疊加，一般要比疊加之和小些。儘管如此，並聯時應選用衝擊電流較小的元件。

按國際要求，PTC發熱器信賴性實驗是在無風狀態下，旅加額定電壓運行1000小時功率衰減小於8%；實際測試截至2014年7月多數廠家產品功率衰減都大於15%。由於以上問題的存在，串聯或並聯式PTC加熱器的套用受到很大限制。另外，現有的厚膜電路的發熱元件是電阻元件，不具有溫度的可控性；以網瓷為基片的厚膜電路電熱元件存在著工藝性差、易脆等先天性的不足，從而大大制約了它的發展和套用範圍。

為了改進上述電熱元件的不足，人們開始研究開發以不鏽鋼為基片的厚膜電路電熱元件。截至2004年7月，美國的Dupont、Est以及德國的Heraeus等極少數公司已經掌握了以美國牌號430（即不鏽鋼lCrl7）作厚膜電路基板的系列漿料製備技術。中國國內德利公司依託國防大學力量開發的基於不鏽鋼ICrl7基片的厚膜電路系列漿料已申請了專利，其申請號分別為02139894、02139895、02139896，申請日均為2002年12月30日，發明名稱分別為基於不鏽鋼基板的大功率厚膜電路用電阻漿料及其製備工藝、基於不鏽鋼基板的大功率厚膜電路用導電漿料及其製備工藝、基於不鏽鋼基板的大功率厚膜電路用介質漿料及其製備工藝的專利，採用的也是以不鏽鋼ICrl7作厚膜電路基板的系列漿料。並且上述系列漿料均未涉及PTC電子漿料，所製成的電熱元件為電阻式電熱元件，因此自身不具有溫度可控制性。

由於lCrl7隻是普通純度高烙鐵素體（F）型不鏽鋼，其碳的質量分數為0.1%左右並含少量的氮，它與常用的奧氏體型不鏽鋼相比，缺點是材質較醃，機械加工工藝及焊接工藝性均較差，極大地限制了它的套用。而奧氏體型lCrl8Ni9系列不鏽鋼，具有非常好的塑性和韌性，從而具有良好的彎折、捲曲和衝壓成形性，機械加工性能優良，便於製成各種形狀的構件、容器或管道，因此以lCrl8Ni9系列不鏽鋼為基板的厚膜電路可控電熱元件是該技術發展的趨勢。

發明內容

專利目的

《PTC厚膜電路可控電熱元件》目的在於提供一種溫度可控、回響快、功率密度大、低壓啟動、成本低、體積小、安全、方便、節電的一種基於lCrl8Ni9系列基片的PTC厚膜電路可控電熱元件。

技術方案

《PTC厚膜電路可控電熱元件》元件包括基片、系列電子漿料，系列電子漿料製備在基片上，所述系列電子漿料由介質漿料、電極漿料和PTC漿料構成，所述基片為lCrl8Ni9系列不鏽鋼基片，系列電子漿料以厚膜電路的形式製備在基片上。

系列電子漿料均由功能相、無機粘結相和有機載體三部分組成，所述介質漿料的無機粘結相為硼矽酸鹽、矽酸鋁，其有機載體為主溶劑松油醇、檸檬酸三丁酯；功能相配方如下：CaO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃和添加劑TiO₂：2~10%>ZrC>2：2〜8%、CaO：35〜45%；所述PTC漿料的無機粘結相為，氧化物CuO、Co₂O₃，有機載體為增稠劑乙基纖維素、硝基纖維素，其功能相配方如下：主配方（Ba：50〜63%、Pb；20〜33%、Ca；4〜13%）TiO₃+X%Nb₂O5或Y2O3其中X為摩爾分數且X=0.14~0.18和微量添加劑AST（即微晶玻璃）、Sb₂O₃^Li₂co₃、MnNO₃；所述電極漿料的無機粘結相為氧化物與玻璃的混合物，有機載體為輔助溶劑；功能相配方如下：Bi₂O₃或TiO₂：2〜6%、細即末狀Ag：60〜70%、片狀Ag：20〜40%、細即末狀Pb：2-9%。

按上述配方製備的介質漿料、PTC漿料、導體漿料，其構成特點是由功能相組分和無機粘合相、有機溶劑載體照配比按製備工藝得到，並以厚膜電路的形式製備在lCrl8Ni9系列不鏽鋼基片上即得基於不鏽鋼基板的PTC厚膜電路可控電熱元件。

改善效果

《PTC厚膜電路可控電熱元件》與傳統的電熱元件相比具有許多性能上優勢：

1、加熱溫度場可控。厚膜電熱元件的電路軌跡可隨意設計，且不存在加熱盲區，根據需要可設計製成均勻或非均勻溫度場；“生帶技術”套用後，厚膜電路可製成曲面，若與電阻厚膜電路結合將大大擴展厚膜可控電路電熱元件套用領域和提高厚膜可控電路電熱元件自動控制程度。

2、功率密度大。其功率一般為40〜60瓦/平方厘米，在強制冷卻的條件下，其功率可高達200瓦/平方厘米，是傳統家用電熱器具電熱元件的近十倍。功率密度大使得其外形尺寸小，還可以低壓啟動。

3、回響速度快。電阻膜層的表面加熱速度可達200-300攝氏度/秒，這是普通電熱合金元件所不能達到的，從而使得厚膜電熱元件可以套用於需要快速加熱的器具。

4、機械強度高，抗振動，抗熱衝擊能力強。這種厚膜式電熱元件不會像合金電熱材料產生高溫脆性，其膜層和不鏽鋼基片結合力強，所以能抗機械和熱衝擊，不用擔心因為支撐、安裝不當或其本身自重而引起變形、倒埸等現象。

5、節能。利用不鏽鋼的傳導性，結合電熱結構的最佳化設計，厚膜可控電熱元件產生的熱量可最大限度的加以利用，熱量浪費少，與傳統電熱元件相比，節能達10-30%。

《PTC厚膜電路可控電熱元件》所採用的奧氏體型lCrl8Ni9系列不鏽鋼具有非常好的塑性和韌性，從而具有良好的彎折、捲曲和衝壓成形性，便於製成各種形狀的構件、容器或管道。正是基於上述原因，該發明選擇lCrl8Ni9系列不鏽鋼作為厚膜可控電路的基片，研製可直接套用於lCrl8Ni9系列不鏽鋼基片的系列厚膜電子漿料，包括介質漿料、PTC漿料和導體漿料。

附圖說明

圖1為《PTC厚膜電路可控電熱元件》的結構示意圖。

圖1

技術領域

《PTC厚膜電路可控電熱元件》涉及一種厚膜電路電熱元件，尤其是涉及一種PTC厚膜電路可控電熱元件。

權利要求

1、一種PTC厚膜電路可控電熱元件，包括基片、系列電子漿料，系列電子漿料製備在基片上，所述系列電子漿料包括介質漿料、電極漿料，系列電子漿料均由功能相、無機粘結相和有機載體三部分組成，介質漿料的無機粘結相為硼矽酸鹽、矽酸鋁，其有機載體為主溶劑；電極漿料的無機粘結相為氧化物與玻璃的混合物，有機載體為輔助溶劑；其特徵在於：所述系列電子漿料還包括PTC漿料，所述基片為lCrl8Ni9系列不鏽鋼基片，系列電子漿料以厚膜電路的形式製備在基片上；所述介質漿料功能相配方如下：CaO-A12O3-SiO2-B2O3和添加劑Tio₂：2〜10%、Zro₂：2~8%、CaO：35〜45%；所述PTC漿料的無機粘結相為氧化物，其有機載體為增稠劑；功能相配方如下：主配方(Ba：50-63%、Pb：20~-33%、Ca：4-13%)TiO₃+X%Nb₂O₃或Y₂O₃其中X為摩爾分數且X=0.14-0.18和微量添加劑ASTSb₂O₃、Li₂CO₃、MnNO₃；所述電極漿料功能相配方如下：Bi₂O₃或TiO₂：2-6%、粉末狀Ag：60-70%6、片狀Ag：20-40%、粉末狀Pb：2-9%。

2、根據權利要求1所述的PTC厚膜電路可控電熱元件，其特徵在於，所述PTC漿料的無機粘結相氧化物為CuO、CO₂O₃，其有機載體增稠劑為乙基纖維素、硝基纖維素；介質漿料的有機載體主溶劑為松油醇、檸檬酸三丁酯；電極漿料的有機載體輔助溶劑採用表面活性劑和觸變劑。

實施方式

如圖1，《PTC厚膜電路可控電熱元件》包括lCrl8Ni9不鏽鋼基片1、系列電子漿料，所述系列電子漿料包括介質漿料2、PTC漿料3、電極漿料（又名導體漿料）4；介質漿料2以電路的形式印製在lCrl8Ni9不鏽鋼基片1表面，並燒成具有一定厚度的緻密膜層，目的是為提供PTC層和導體層與不鏽鋼基片1的絕緣。PTC漿料3製備在介質漿料2的外表面；電極漿料4製備在電路的兩端、PTC漿料3的外表面，主要進行電阻與電阻以及電阻與外接電源的連線。

系列電子漿料均由功能相、無機粘結相和有機載體三部分組成，其中，系列電子漿料的無機粘結相和有機載體均採用了現有漿料通常所採用的組分，如介質漿料2的無機粘結相為硼矽酸鹽、矽酸鋁，其有機載體為主溶劑松油醉、檸檬酸三丁酯；電極漿料4的無機粘結相為氧化物與玻璃的混合物，有機載體為輔助溶劑，該輔助溶劑可採用表面活性劑和觸變劑；該發明在此不作細述；介質漿料2功能相配方如下：CaO-AI₂O₃-SiO₂-B₂O₃（按玻璃的成份配比，用電子天平稱取所需氧化物的用量，氧化物的規格為化學純或分析純）和添加劑TiO₂：3%、ZrO₂：7%、CaO：40%；所述PTC漿料3配方如下：主配方（Ba：58%、Pb30%、Ca：12%）TiO₃+X%Nb₂O₅或Y₂O₃（X為摩爾分數，X=0.16）和微量添加劑AST、SbiOs、Li2c6、Mn（NO₃）（採用國產的分析純度原料，按特定的電子陶瓷製備工藝）；所述電極漿料4的功能相配方如下：Ag（細，即粉末狀，市售）65%、Ag（片，即片狀，市售）：30%、Pb（細，即粉末狀，市售）：2%。按上述配方製備的介質漿料、PTC漿料、導體漿料，其構成特點是由固相組分和無機粘合劑、有機溶劑載體按照配比製備工藝得到，並以厚膜電路的形式製備在lCrl8Ni9系列不鏽鋼基片上，即得基於不鏽鋼基板的PTC厚膜電路可控電熱元件。

表1為該發明系列電子漿料的組成

功能相	介質	PTC	電極(導體)
	玻璃、玻璃一網瓷 BaTiO3	TiOs3 Ba、Pb、Ca	Au、Pt/au、Cu、Ni、Ag Ag/Pd、Ag/Pt
				無機粘結相	玻璃	氧化物。	混合物。
碉矽酸鹽、矽酸A1	CuO2、CO2O3、 PVA	玻璃+氧化物
有機裳體	主溶劑	增稠劑	輔助溶劑
	松油醇檸檄酸三丁酯	乙基纖維素硝基纖維素	表面活性劑觸變劑

表2為製備的PTC漿料性能

p25℃ Ω*cm	R—T特性
	Tc/%	a40%℃	Rmax/Rmin
108.6	263	16.5	6.2×103

《PTC厚膜電路可控電熱元件》PTC厚膜電路可控電熱元件是指PTC電子漿料所製備的惇膜電路電熱元件，是一種正溫度係數的半導體發熱元件，它屬於鈦酸鎖（阿岫）系列的化合物。一般半導體隨溫度升高電阻降低，呈NTC（Negative Temperatune Coefficient）特性，即負溫效應。而PTC元件當溫度達到某一特定範圍（居里點附近）時，電阻會急劇增加，發生幾個數量級的變化，這種阻抗的異常變化現象被稱為PTC效應，PTC電熱元件表面溫度多在250攝氏度左右，PTC電熱元件的居里點可以通過添加不同的雜質而用其它元素來置換鈦酸領中的鎖把居里點移向高溫側或低溫側。正是基於上述原因，該發明選擇了PTC漿料並將它以厚膜電路的形式製備在不鏽鋼基片上，製作了基於lCrl8Ni9系列不鏽鋼基片的厚膜電路可控電熱元件。

榮譽表彰

2017年12月，《PTC厚膜電路可控電熱元件》獲得第十九屆中國專利優秀獎。