CN111838766A - Ptc发热体及低温烟具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PTC发热体，包括绝缘基座和发热体本体，所述发热体本体包括PTC陶瓷基材和设置于所述陶瓷基材两侧的一对电极片，所述发热体本体一端匹配插接在所述基座上的安装孔中，一对所述电极片通过安装孔内壁的限制将所述PTC陶瓷基材抱紧。组装时，将金属电极片卡在PTC陶瓷基材的凸缘上并一起匹配过盈***基座上的安装孔中，金属电极片因安装孔内壁的限制将PTC陶瓷基材抱紧，从而实现电极片与PTC陶瓷基材的组装连接，金属电极片上设有延伸至基座外的引线接头，不仅结构简单，而且具有组装方便快捷的特点，减少了发热体的制作成本。
Description
技术领域
本发明属于吸烟用品技术领域，尤其涉及一种PTC发热体及低温烟具。
背景技术
与传统的卷烟相比，加热不燃烧抽吸装置直接加热烟草或烟碱制品，加热温度在220-250℃间，经烘烤后，烟气逐渐挥发出来，可以减少通过传统卷烟中烟草的燃烧和热降解产生有害烟气成分。
加热不燃烧制品从形式上可分为包围加热和中心加热，基于电加热原理发展出了陶瓷加热、薄膜加热、电磁加热等多种加热技术。传统的发热体多为金属或合金材质，其在使用过程中需要特定的电压，超过额定电压容易导致发热体热损，并且金属或合金发热体恒温状态不稳定，热稳定性较差，使用寿命短。
中国专利200820040874.X公开了一种PTC发热元件，包括PTC陶瓷发热片，覆合在所述发热片正反面的上、下导热金属片，分别于上、下导热金属片电连接的2根引线，和封装在整体外部的耐热绝缘件，在所述发热片与上、下导热金属片之间，分别设有银浆粘结剂层。这种PTC发热元件，是将冲压成型的金属片经过高温烘烤后与PTC发热片粘接，然后将导线铆接在金属片连接端上，组装非常不方便，增加了经济成本，而且由于这种PTC发热元件需要用到导电银浆，长时间高温使得导电银浆变质，带来安全隐患。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种结构简单、组装方便的PTC发热体及低温烟具。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
PTC发热体，包括绝缘基座和发热体本体，所述发热体本体包括PTC陶瓷基材和设置于所述陶瓷基材相对的两侧的一对电极片，所述发热体本体一端匹配插接在所述基座上的安装孔中，一对所述电极片将所述PTC陶瓷基材抱紧。
将PTC陶瓷基材夹持在两块电极片之间，然后一起***基座上的安装孔中，利用安装孔内壁的限制，通过两块电极片将PTC陶瓷基材抱紧，实现电极片与PTC陶瓷基材的组装连接，发热体结构简单，而且具有组装方便快捷的特点，减少了发热体的制作成本。
PTC陶瓷基材的成分包括：主晶相原料+半导化添加剂+居里温度移动剂+主添加剂+烧结助剂+铅挥发抑制剂；其中：
主晶相原料选自BaCO3、TiO2、BaTiO3、V2O5、BN中的一种或多种；
半导化添加剂选自稀土氧化物、Y-Nb、Sb-Nb、Bi-Nb、Y(NO3)3˙6H2O中的一种或多种；
居里温度移动剂选自PbO、Pb3O4、PbCO3或PbTiO3中的一种或多种；
主添加剂选自Mn(NO3)2或MnO；
烧结助剂选自SiO2、Al2O3、TiO2、Bi2O3、CaCO3、Sb2O3、BN、Li2CO3中的一种或多种；
铅挥发抑制剂采用MgO。
进一步的，所述PTC陶瓷基材呈片状，所述PTC陶瓷基材的两侧设有凸缘，所述电极片上设有与所述凸缘相匹配的长条状卡槽，所述电极片通过所述卡槽与所述PTC陶瓷基材组装连接。
进一步的，所述PTC陶瓷基材呈片状，一对所述电极片平贴设置在所述PTC陶瓷基材的正反面。
进一步的，所述PTC陶瓷基材呈棒状，所述PTC陶瓷基材相对的两侧壁上设有轴向延伸的凹槽，所述电极片匹配安装在所述凹槽中。
PTC发热体，包括绝缘基座和设置于所述绝缘基座上的发热体本体，所述发热体本体包括PTC陶瓷基材和一体固结成型于所述PTC陶瓷基材内的一对电极片，一对所述电极片的一端延伸出所述PTC陶瓷基材形成引线接头。
将电极片直接预埋在PTC陶瓷基材内与其一体固结成型，发热体组装时，只需要将发热体本体***基体内的安装孔即可，无需组装电极片和PTC陶瓷基材，使用方便快速，此外，电极片能够与PTC陶瓷基材保持紧密接触，保证电接触的稳定性。
进一步的，一对所述电极片平行分离设置。
进一步的，所述电极片靠近所述PTC陶瓷基材的外壁设置。
PTC发热体，包括绝缘基座和设置于所述绝缘基座上的发热体本体，所述发热体本体包括呈片状的PTC陶瓷基材和采用浆料印刷工艺印制在PTC陶瓷基材正反面的两层印制电极片。
电极片直接采用浆料印刷工艺印制在基材上，发热体组装时，只需要将发热体本体***基体内的安装孔即可，无需组装电极片和PTC陶瓷基材，使用方便快速。
进一步的，所述电极片的材质采用Pt、Pd、Ag、Ag-Pd或Au。
一种低温烟具，包括上述PTC发热体。
总之，与现有技术相比，本申请具有结构简单、组装方便快捷的优点。
附图说明
图1为实施例1的轴测图；
图2为实施例1的主剖视图；
图3为图2中A-A方向截面示意图；
图4为实施例1的***图；
图5为实施例2的轴测图；
图6为实施例2的***图；
图7为实施例3的轴测图；
图8为实施例3的主剖视图；
图9为实施例3的***图；
图10为实施例4的轴测图；
图11为实施例4的***图；
图12为实施例5实施方式一的轴测图；
图13为实施例5实施方式一的主剖视图；
图14为实施例5实施方式一的***图；
图15为实施例5实施方式二的轴测图；
图16为实施例5实施方式二的***图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图4，本实施例PTC发热体包括绝缘基座1和发热体本体2，发热体本体包括(正温度系数)PTC陶瓷基材201和设置于陶瓷基材两侧的一对金属电极片202。
本实施例中PTC陶瓷基材201呈片状且两个侧边具有凸缘2011，金属电极片202上设有与凸缘2011相匹配的长条状卡槽2021，可以将金属电极片202卡在PTC陶瓷基材的两个侧边，形成两个将PTC陶瓷基材片201两侧边抱紧的结构，使两个金属电极片202包覆在基材的两个侧边上并与PTC陶瓷基材保持紧密接触，当通过金属电极片对发热体通电时，电流从PTC陶瓷基材201的两个侧边流通，金属电极片202在PTC陶瓷基材上包覆的面积大一些，有利于降低接触电阻。PTC陶瓷基材可以采用现有的诸如BaTiO3基等PTC陶瓷基材，在此不再赘述。
组装时，将金属电极片202卡在PTC陶瓷基材201的凸缘上并一起匹配过盈***基座上的安装孔3中，金属电极片202因安装孔3内壁的限制将PTC陶瓷基材201抱紧，从而实现电极片与PTC陶瓷基材201的组装连接，金属电极片202上设有延伸至基座外的引线接头4，从而方便通过导线与电源连接。本实施例发热体不仅结构简单，而且具有组装方便快捷的特点，减少了发热体的制作成本。
本实施例中PTC陶瓷基材的成分包括：主晶相原料+半导化添加剂+居里温度移动剂+主添加剂+烧结助剂+铅挥发抑制剂。
主晶相是构成PTC元件的主要晶体结构，是多晶构成的陶瓷体，主晶相不同，对应了不同的晶体结构。例如BaTiO3基PTC元件的晶体结构是ABO3型的钙钛矿结构，晶格中，钛氧离子链会产生内建电场，使钛离子发生微小位移，晶体在一定的温度区域变为非立方晶相并引起自发极化，这是元件具有PTC效应的重要原因，不同晶相对应着不同的多晶结构，从而有不同的相变点。
半导化添加剂可以改变主晶相的导电性能，以实现电阻值高达数个数量级的变化，即达到低电阻率的要求。具体来说，主要是通过替位形式即代替主晶相晶粒原子，使晶粒中产生一定浓度的载游子以降低晶粒电阻率，适当的组合比单一添加剂有更优良的性能。
受主添加剂的作用：实现高升阻比和高的温度系数；升阻比是PTC元件PTC效应的核心参数，定义为阶跃后最大阻值与阶跃前最小电阻值之比。升阻比越高，元件的温控性能越好，安全性越高。电阻温度系数是用于表征元件处于零功率条件下电阻值随温度变化时的变化能力，它决定了PTC作为保护元件时的响应时间，在需要快速反应的场合就需要很高的温度系数。晶粒半导化之后，若晶界得不到适当的半导化而保持高度的绝缘性，元件中无法形成有效的导电通路，所以晶界上受主杂质的添加也是半导化中的重要步骤，受主添加剂主要是在晶界上起作用，往往是在预烧之后作为二次添加剂加入，这样能减少进入晶粒的机会而使添加效率提高。
居里温度移动剂的作用是PTC陶瓷电热元件的额定温度点可以通过调整原料配方设定，PTC陶瓷加热元件的居里点可在制造时用化学添加剂调整，其居里点可在20-300度的范围内选择。
本实施例中金属电极片202与基材之间没有设置银浆粘结剂层，为保证金属电极片202之间的电压能够击穿PTC陶瓷基材发热，并且满足烟支加热的温度要求，对PTC陶瓷基材的成分的选取有特殊的要求。
本实施例中，主晶相原料选自BaCO3、TiO2、BaTiO3、V2O5、BN中的一种或多种。因主晶相原料是由TiO2、BaTiO3、V2O5等各种氧化物烧结而成，这些氧化物大多数具有较宽的禁带宽度，所以常温下它们一般都是绝缘体。因而，在需要电性能的场合就需要半导化的过程。
例如：高纯的BaTiO3瓷体在半导化时主要是针对Ba和Ti,基本原理是分别利用与Ba2+和Ti4+离子半径相近的高价金属离子(多数为稀土元素离子)对二者进行替位，其半导化原理分别如下：
BaTiO3+xMe3+→Ba2+ 1-xMe3+ x(Ti4+ 1-xTi3+ x)O3+xBa2+
BaTiO3+xMe5+→Ba2+(Ti4+ 1-xTi3+ xMe5+ x)O3+xTi4+。
本实施例半导化添加剂选自稀土氧化物、Y-Nb、Sb-Nb、Bi-Nb、Y(NO3)3˙6H2O中的一种或多种。
为满足烟支的加热要求，本实施例主添加剂采用Mn(NO3)2或MnO；利用Mn在晶界的偏析会减小晶粒的尺寸和促进晶界氧化，当它与已存在的受主如吸附氧或阳离子空位等相结合时会增大受主态密度，从而有效地提高晶界势垒使得PTC效应增强，即升阻比变大；此外Mn的引入可以提高PTC材料的温度系数，因为随着Mn含量的增加，晶界上随之增多的偏析受主会增加晶界厚度和势垒高度，从而获得更大的温度系数。
本实施例中，烧结助剂选自SiO2、Al2O3、TiO2、Bi2O3、CaCO3、Sb2O3、BN、Li2CO3中的一种或多种。上述烧结助剂可以把锰限制在晶界上，进而可以提升基材的升阻比和温度系数。另外，上述烧结助剂在产品烧成过程中，在1240℃以上时，会形成低共熔点液相，它使对半导化有害的杂质，如K、Na、Al、Mg等，随迁移的晶界，进入液相中，从而减少了受主态，使之易于半导化；还可以抑制晶粒的长大，使其细而均匀，从而降低了电阻的电压敏感性；降低烧结温度，并使半导化的烧结温区变宽。
为满足烟支加热的温度要求，本实施例中居里温度移动剂选自PbO、Pb3O4、PbCO3或PbTiO3中的一种或多种；通过添加铅，使居里点向高温移动可以达到250℃甚至更高，从而满足烟支的加热温度要求。
因基材包含铅，而铅为剧毒物质，为防止铅的挥发，本实施例中铅挥发抑制剂采用MgO，利用MgO自身的物化性能抑制铅的挥发，达到环保的要求。
金属电极片202横截面优选设计为V形，凸缘卡装在V形卡槽内，过盈装配时，金属电极片的两个侧壁因安装孔的限制向内收缩将陶瓷基材夹紧。
为方便发热体本体***安装孔内，在金属电极片202***基座1的一端设计有引导倾斜面。
通常PTC陶瓷基材201在20-500℃平均线膨胀系数为10-7/K，因而金属电极片202的平均线膨胀系数应尽量与PTC陶瓷基材201接近，宜选择不锈钢如S40310、S41617、S46250、S47310、S47410或钼、铂、铱等低膨胀系数的金属箔片。
另外，PTC陶瓷基材201的导热率为48w/(m·k)，考虑PTC发热体热量的传导和利用率，金属电极片202的热传导率高点有利于热量的传递，因钼和铱的热传导率较高，可达140w/(m·k)以上，不锈钢系列导热系数在21-27w/(m·k)间，相对略低一点，因此，优选选择钼和铱作为金属电极片202的制作材质。
实施例2
参见图5和图6，与实施例1所不同的是，本实施例中金属电极片202平贴设置在片状PTC陶瓷基材201的正反面，此种连接结构的发热体本体，金属电极片202与PTC陶瓷基材201接触面积大，能够有效降低接触电阻。
实施例3
参见图7和图8，与实施例1所不同的是，该实施例中PTC陶瓷基材201采用半导体陶瓷棒，棒状的PTC陶瓷基材201相对的两侧壁上设有轴向延伸的长条形凹槽5，两个金属电极片202均为弧形，并且能够与半导体陶瓷棒201上的长条形凹槽5相匹配，在将金属电极片202覆在半导体陶瓷棒上后，其外表面和陶瓷棒的外表面基本上平滑连接，形成一个整体。
如图9所示，基座1上设有安装孔3，半导体陶瓷棒通过过盈插接在安装孔3中，覆在半导体陶瓷棒上的金属电极片202部分延伸出基座，形成两个外露的引线接头4。
实施例4
参见图10和图11，与实施例2所不同的是，本实施例中在片状PTC陶瓷基材201的正反面采用浆料印刷的工艺印制两层电极，形成覆在PTC陶瓷基材201的正面和反面的印制电极片202。
本实施例通过印制电极片202向发热体通入电流，电流经一个印制电极片202流入，穿过PTC陶瓷基材201，经另一个印制电极片202流出，正温度系数的PTC陶瓷基材201在通电后生热，并将部分热量传递至印制电极片202，这样以来，正温度系数的PTC陶瓷基材和印制电极片作为发热元件，形成具有生热快、热稳定性好且耐用的发热体。
对于印制电极片202，其表面的金属层需稳定并和PTC陶瓷基材有良好的欧姆接触，它是发热体关键的组成部分，因而必须使用电极技术相对成熟的贵重金属Pt、Pd、Ag、Ag-Pd、Au作为电极。
本实施例电极片直接采用浆料印刷工艺印制在基材上，发热体组装时，只需要将发热体本体***基体内的安装孔即可，无需单独组装电极片202和PTC陶瓷基材201，使用方便快速。
实施例5
参见图12-图14，与实施例1所不同的是，本实施例发热体本体包括呈棒状的PTC陶瓷基材201和一体固结成型于PTC陶瓷基材201内的一对电极片202，一对电极片202的一端延伸出PTC陶瓷基材201形成引线接头4。
在实际设计中，要保证两片金属电极片202平行设置，且二者不发生物理接触，并且，金属电极片要最大程度上保证接近PTC陶瓷基材的外壁，即两个金属电极片之间要有更多的PTC陶瓷材料，使得通过金属电极片的电流能够穿过PTC陶瓷基材的很大一部分，确保PTC陶瓷基材的绝大部分都是工作区域，提高利用率，从而确保其发热速率。
PTC陶瓷基材烧结温度通常为1200℃，内嵌金属电极片是与PTC陶瓷基材一体烧结，因而内嵌金属电极片的熔点须高于1200℃，考虑到金属电极片是电极引脚，因而宜选择Pt(1768℃)、Pd(1555℃)、Ni(1453℃)等高熔点金属，同时为避免金属电极片在共烧时发生氧化，宜选择在还原气氛或保护气体气氛下烧结。
本实施例将电极片直接预埋在PTC陶瓷基材内与其一体固结成型，发热体组装时，只需要将发热体本体***基体内的安装孔即可，无需组装电极片和PTC陶瓷基材，使用方便快速，此外，电极片能够与PTC陶瓷基材保持紧密接触，保证电接触的稳定性。
本实施例中优选采用Ni或Ti制作的金属电极片，这是因为Ni或Ti利用TCR系数自动控温，既免去了印刷电极，也不会增加结构件；同时发热丝发热很快，瞬间能达到预设温度，和PTC同时发热，能在更短时间内达到目标温度，镍或钛熔点分别为1453和1660℃，远高于瓷体烧结温度，因而发热丝可以与PTC陶瓷基材共烧。
参见图15和图16，在实际应用中，PTC陶瓷基材也可以设计呈片状。
一种低温烟具，采用实施例1-5的PTC发热体，PTC发热体的引线接头通过焊线与低温烟具的PCB板电连接，至于低温烟具的其余结构，均可以采用现有结构，不是本申请改进的重点，在此不再赘述。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.PTC发热体，其特征在于：包括绝缘基座和发热体本体，所述发热体本体包括PTC陶瓷基材和设置于所述陶瓷基材相对的两侧的一对电极片，所述发热体本体一端匹配插接在所述基座上的安装孔中，一对所述电极片将所述PTC陶瓷基材抱紧；
PTC陶瓷基材的成分包括：主晶相原料+半导化添加剂+居里温度移动剂+主添加剂+烧结助剂+铅挥发抑制剂；其中：
主晶相原料选自BaCO3、TiO2、BaTiO3、V2O5、BN中的一种或多种；
半导化添加剂选自稀土氧化物、Y-Nb、Sb-Nb、Bi-Nb、Y(NO3)3˙6H2O中的一种或多种；
居里温度移动剂选自PbO、Pb3O4、PbCO3或PbTiO3中的一种或多种；
主添加剂选自Mn(NO3)2或MnO；
烧结助剂选自SiO2、Al2O3、TiO2、Bi2O3、CaCO3、Sb2O3、BN、Li2CO3中的一种或多种；
铅挥发抑制剂采用MgO。
2.根据权利要求1所述的PTC发热体，其特征在于：所述PTC陶瓷基材呈片状，所述PTC陶瓷基材的两侧设有凸缘，所述电极片上设有与所述凸缘相匹配的长条状卡槽，所述电极片通过所述卡槽与所述PTC陶瓷基材组装连接。
3.根据权利要求1所述的PTC发热体，其特征在于：所述PTC陶瓷基材呈片状，一对所述电极片平贴设置在所述PTC陶瓷基材的正反面。
4.根据权利要求1所述的PTC发热体，其特征在于：所述PTC陶瓷基材呈棒状，所述PTC陶瓷基材相对的两侧壁上设有轴向延伸的凹槽，所述电极片匹配安装在所述凹槽中。
5.PTC发热体，其特征在于：包括绝缘基座和设置于所述绝缘基座上的发热体本体，所述发热体本体包括PTC陶瓷基材和一体固结成型于所述PTC陶瓷基材内的一对电极片，一对所述电极片的一端延伸出所述PTC陶瓷基材形成引线接头；
PTC陶瓷基材的成分包括：主晶相原料+半导化添加剂+居里温度移动剂+主添加剂+烧结助剂+铅挥发抑制剂；其中：
主晶相原料选自BaCO3、TiO2、BaTiO3、V2O5、BN中的一种或多种；
半导化添加剂选自稀土氧化物、Y-Nb、Sb-Nb、Bi-Nb、Y(NO3)3˙6H2O中的一种或多种；
居里温度移动剂选自PbO、Pb3O4、PbCO3或PbTiO3中的一种或多种；
主添加剂选自Mn(NO3)2或MnO；
烧结助剂选自SiO2、Al2O3、TiO2、Bi2O3、CaCO3、Sb2O3、BN、Li2CO3中的一种或多种；
铅挥发抑制剂采用MgO。
6.根据权利要求5所述的PTC发热体，其特征在于：一对所述电极片平行分离设置。
7.根据权利要求6所述的PTC发热体，其特征在于：所述电极片靠近所述PTC陶瓷基材的外壁设置。
8.PTC发热体，包括绝缘基座和设置于所述绝缘基座上的发热体本体，其特征在于：所述发热体本体包括呈片状的PTC陶瓷基材和采用浆料印刷工艺印制在PTC陶瓷基材正反面的两层印制电极片；
PTC陶瓷基材的成分包括：主晶相原料+半导化添加剂+居里温度移动剂+主添加剂+烧结助剂+铅挥发抑制剂；其中：
主晶相原料选自BaCO3、TiO2、BaTiO3、V2O5、BN中的一种或多种；
半导化添加剂选自稀土氧化物、Y-Nb、Sb-Nb、Bi-Nb、Y(NO3)3˙6H2O中的一种或多种；
居里温度移动剂选自PbO、Pb3O4、PbCO3或PbTiO3中的一种或多种；
主添加剂选自Mn(NO3)2或MnO；
烧结助剂选自SiO2、Al2O3、TiO2、Bi2O3、CaCO3、Sb2O3、BN、Li2CO3中的一种或多种；
铅挥发抑制剂采用MgO。
9.根据权利要求8所述的PTC发热体，其特征在于：所述电极片的材质采用Pt、Pd、Ag、Ag-Pd或Au。
10.一种低温烟具，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的PTC发热体。
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