2011 十一月

喷雾器用FormFit™正温度系数热敏电阻

可靠且节能的驱虫器

在热带地区,蚊子有时是致命病原体的携带者。可放出蒸汽防护剂的小型电子装置起到了有效的保护作用。喷雾器的中心是一个加热组件,以爱普科斯FormFit™正温度系数热敏电阻作为其加热元件,与传统的加热组件相比减少了几乎50%的能量消耗。

驱虫器通过电子加热组件蒸发液体驱虫剂。喷雾器配有加热组件,围绕灯芯利用毛细管效应将液体由容器传入加热区域。此区域保持在特定的温度,与专用驱虫剂相匹配,因此就会蒸发要求的液体量。为了确保只释放了一小部分此种高效物质,加热区的温度必须保持在狭窄的范围内。

图1:驱虫喷雾器
电子喷雾剂加热液体,以气味驱除害虫。同样的设计装置也可以作为空气清新剂。

蒸发的液体不会太少或太多。典型的设计将加热组件的参数定在使储存的液体可用25-30天。因为装置的制造商将产品宣传为健康护理品,就必须进行大量的测试以确保加热区所需的温度。由于蒸发比率因物质的不同而不同,为了获取最佳的蒸发比率,加热区产生的热度必须精准的与驱虫器蒸发的能量相同。尽管听起来简单,对此类装置来说其实是要求最高的技术挑战。

传统的加热组件需要大量的最终测试以确定是否达到了要求的温度。这是由于设计的原因,因为加热组件上的产热组件,要么是采用公差很大的固定电阻器,要么是正温度系数圆盘式热敏电阻(图2),它们不只与灯芯直接接触。因此,一方面产热组件至灯芯的热阻非常高,另一方面,由于机械容差的缘故而不是个确定的数值。在这种情况下,测试生产的组件是唯一可以确定加热区是否达到了规定的温度的方法。

图2:传统的驱虫喷雾器设计
驱虫喷雾器配备固定电阻器和正温度系数电阻器。在驱虫剂灯芯处,配备固定电阻器设计(左)不可能实现精确的温度值,而且有不受控的过热的危险。尽管正温度系数喷雾器(右)是较安全的设计,但由于加热元件与灯芯之间存在气隙和不同的材料,仍会发生重大的热损耗。

自动调节实现的可靠度

传统加热组件需要的增强测试是费时和耗能,因此也是一个重要的成本因素。而且,使用固定电阻器作为产热元件的组件是一个重要的风险因素。固定电阻器容易过热,在最遭的情况下会引发火灾。可以使用陶瓷正温度系数热敏电阻防止不受控制的过热,因为陶瓷正温度系数热敏电阻是具有自我调节能力的加热元件。因此,配备正温度系数的热敏电阻的加热组件比固定电阻器有显著的优势。

采用传统正温度系数加热器的设计

正温度系数元件的传统生产方法将设计限制在圆盘和矩形等的基本几何形状。因此,作为加热元件配备正温度系数元件的系统设计与电阻器系统设计相同。相反,爱普科斯开发的陶瓷注模工艺允许形状的自由选择。图3显示了传统的形状与马蹄状爱普科斯FormFit的对比,FormFit是加热组件的核心。

图3:爱普科斯正温度系数热敏电阻不同的设计
正温度系数元件先前只有矩形或圆盘形状。对比中右边是马蹄状的爱普科斯FormFit正温度系数驱虫剂喷雾器。

FormFit优化热传递

为了补偿加热元件不良的热连接并获取需要的足够的蒸发能量,如图2所示,加热元件需要更多的功率。传统的加热组件典型的功率输出是5.3-6W。TDK-EPC已经设计了一款加热组件,只需要几乎少于50%的输入功率。其中一个主要的考虑就是产生实际需要的热输出,也就是,靠近加热组件的中心孔,设计结果形状就如同马蹄。与传统的加热组件相比,现在正温度系数热敏电阻围绕大约组件中心孔(图3)的70%。

此解决方法极大地降低了由PTC到孔内部的热阻,因此优化PTC与灯芯之间的热传递。由于注模工艺的尺寸精度,机械容差和热触电电阻几乎降低到0。通过与传统加热组件进行部分对比,此方法使功率输入减少到传统加热组件的一半。此设计的另一个技术优点就是加热组件的最终温度在狭窄的温度范围内是固定的。也就表明耗时的组件加热区温度检测是没必要的,在室温下测量组件的电阻即可。

表:爱普科斯FormFit正温度系数热敏电阻加热组件的主要数据

注模工艺使FormFit正温度系数热敏电阻精确地适应各自应用。机械附属装置是标准的,而且可以作为机械form-fit同样在大多数现有的喷雾器上使用。可以根据客户要求设计例如温度和电阻等参数。

形式 低温  高温 
尺寸 [mm³]41.4 x 16.75 x 5.6
最大运行电压 VOP [V]265
额定电压 VR [V]230
Ta=25 °C时额定电阻 RR [Ω]2000
V = VR 时中心温度TS [°C]162178
230 V 时热功率P [W]2.93.7

鉴于新开发的加热组件的热质量低(表),热平衡比在传统组件上可以更快实现。图4显示了在一定时间的温度和涌入电流曲线。可以明显的看到党爱普科斯FormFit加热组件已经达到最终温度时,对比的组件在达到期望的操作温度方面仍然落后很多。这是通过申请了专利的功能陶瓷注模工艺才成为可能的,此技术可以实现想要的任何形状。FormFit技术能使设计直接适用于应用上。加热组件的塑料外壳有两种选择:PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)和LCP(液晶聚合物)。 

图4:加热组件的温度和涌入电流曲线

几秒钟后,达到了爱普科斯FormFit正温度系数加热组件的最终温度。对比组件的温度上升显示了显著的延迟。FormFit组件的稳态电流以及能量消耗显著降低。

以最佳的方式满足要求

用作驱虫喷雾器的加热组件的爱普科斯FormFit正温度系数热敏电阻,与传统的加热组件相比拥有了一系列显著的优势。其个体的形状允许在灯芯附近大面积加热,因此可以节能。而且,加热源至灯芯的距离非常短,导致较低的功率输入。

正温度系数热敏电阻的自我调节特性防止不可控制的过热,此外确保要求的温度保持恒定的精确度以及对加热组件在整个使用期限的高可靠性。FormFit技术允许PTC最佳的、节省材料的设计,因此减少热质量。结果是:对灯芯较好的热导率、快速加热以及显著的节约能源。

在受影响的热带地区,喷雾器的使用数量已经达数亿只。如果说一亿个装置配备有爱普科斯加热组件而不是传统的设计,能够节约大约250MW的能量。爱普科斯FormFit热敏电阻的开发不仅对健康做出了重要贡献,而且节约了能源。

热敏电阻的功能

被称为PTC(正温度系数)电阻器或PTC热敏电阻的导电材料在温度上升时导电率下降(见图)。下图显示了陶瓷正温度系数热敏电阻的电阻器对温度(电阻/温度曲线)的依赖性。
可以清晰地看到在规定的温度临界值处,电阻斜率突然上升,被称为是参考温度Tref或切换温度。驱虫喷雾器中使用的正温度系数热敏电阻是由钛酸钡BaTiO3构成的陶瓷元件。纯钛酸钡是绝缘体,在价带和导带之间有3eV的间隙,陶瓷必须掺杂以消除此间隙。这产生了高电荷载子密度,也就是,晶界处的自由电子,而且陶瓷已经在低温时成为电导体。

高温时,超过参考温度后,通过靠近晶界的区域中的接受点,吸收传导电子产生通向电阻突升的耗尽层。在烧结过程中,伴随着不同的掺杂剂和配置的温度控制,根据通过特定应用需要,设计需要的电阻特性。

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