摘 要:文章對(duì)比測(cè)試了氧化鋁陶瓷發(fā)熱片與PTC陶瓷發(fā)熱片的通電發(fā)熱效率，對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)在其他相同測(cè)試條件下，在加熱效果優(yōu)于PTC發(fā)熱組件的前提下，氧化鋁發(fā)熱組件比PTC組件節(jié)能20%以上。本文通過(guò)深入分析材料特性，運(yùn)用粒子碰撞散射理論，從理論上明確論證與解釋了氧化鋁陶瓷發(fā)熱片比PTC節(jié)能的根本原因。并且利用實(shí)測(cè)功率因素，理論計(jì)算出MCH相對(duì)PTC節(jié)能23.36%，與實(shí)驗(yàn)各種測(cè)試結(jié)果較為吻合。

關(guān)鍵詞:氧化鋁陶瓷發(fā)熱片;PTC;節(jié)能原理

1引 言

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，家庭理療保健取暖、工業(yè)領(lǐng)域制品熱加工成形及熱處理?xiàng)l件要求越來(lái)越嚴(yán)格，加熱方式和新型加熱材料的開發(fā)研究在材料科學(xué)和能源開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)占有極為重要的地位[1]。在電加熱材料中，熔點(diǎn)高、耐高溫的碳化硅材料、鉻酸鑭材料、PTC陶瓷材料、碳陶復(fù)合材料、高溫共燒氧化鋁陶瓷發(fā)熱片(MCH)等陶瓷電熱材料引起了人們的普遍興趣。

PTC(Positive Temperature Coefficient)統(tǒng)稱正溫度系數(shù)熱敏電阻，是一種半導(dǎo)體熱敏陶瓷，其特性是對(duì)溫度敏感，在低于居里溫度時(shí)表現(xiàn)出負(fù)電阻特性;當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，其電阻值開始急劇增大。作為發(fā)熱材料使用時(shí)具有以下優(yōu)越特性:自動(dòng)恒溫、無(wú)氧耗、耐腐蝕等。PTC陶瓷主要是摻雜的鈦酸鋇半導(dǎo)體瓷，它的電離能比較小，在室溫下就可以受到熱激發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)電載流子，從而形成半導(dǎo)體。半導(dǎo)體化的產(chǎn)生有兩個(gè)途徑:一是化學(xué)計(jì)量比偏離;二是摻雜形成缺陷。由于化學(xué)計(jì)量比偏離和燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛、冷卻過(guò)程等的關(guān)系是很復(fù)雜的，而氣氛燒結(jié)又帶來(lái)設(shè)備和工藝的復(fù)雜性，因此，通常主要是通過(guò)控制雜質(zhì)的種類和含量來(lái)控制材料的電性能[2-3]。

MCH(Metal Ceramics Heater)即金屬陶瓷發(fā)熱元件，它是利用高溫共燒多層陶瓷技術(shù)[4-5]，將發(fā)熱電阻漿料按照發(fā)熱電路設(shè)計(jì)要求印刷于流延陶瓷生坯上，然后多層疊合共燒成一體，從而具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長(zhǎng)、高效節(jié)能、溫度均勻、導(dǎo)熱良好、熱補(bǔ)償快等優(yōu)點(diǎn)，不含鉛、汞、六價(jià)鉻等有害物質(zhì)，完全符合歐盟環(huán)保要求，具有十分廣闊的發(fā)展前景和市場(chǎng)前景[6]。

2 節(jié)能對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)

文章對(duì)比測(cè)試了MCH發(fā)熱組件與PTC組件在如下所示的五種不同情況下的加熱效果。

2.1組件直接加熱空氣

由同一規(guī)格鋁散熱片分別粘連相同面積與加熱長(zhǎng)度的PTC與MCH發(fā)熱元件，在相同的加載電壓下，測(cè)試兩者的空氣加熱效果。由于回路的加載電壓恒定，發(fā)熱元件的功耗可用其串聯(lián)電路回路的電流表征，通過(guò)測(cè)試回路的電流，對(duì)比分析PTC與MCH空氣加熱效果及功耗?？蛰d啟動(dòng)后，30s通過(guò)自制風(fēng)機(jī)加載恒定量的風(fēng)阻，自制風(fēng)機(jī)分別與PTC及MCH發(fā)熱組件組成一熱風(fēng)機(jī)。通過(guò)測(cè)試記錄PTC及MCH直接加熱的空氣在相同時(shí)間的電流和溫度。

圖1和圖2分別是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的加熱空氣的溫度曲線與電流曲線。分析圖1和圖2可知，在其它相同條件下加載固定電壓，MCH的空氣加熱效果優(yōu)于PTC，一是表現(xiàn)在空載加載的30s內(nèi)，MCH升溫明顯快，15s時(shí)，MCH溫度達(dá)140℃，而PTC對(duì)應(yīng)溫度僅為78℃;二是空氣加熱組件表面MCH的平衡溫度為169℃，PTC對(duì)應(yīng)平衡溫度為153℃;三是加載相同風(fēng)阻后的風(fēng)口平衡溫度，MCH(風(fēng)口5mm處溫度:138℃;風(fēng)口40mm處溫度:78℃)也同樣優(yōu)于PTC(風(fēng)口5mm處溫度:119℃;風(fēng)口40mm處溫度:71℃)。

通過(guò)對(duì)電流曲線的積分計(jì)算(見圖2中的計(jì)算結(jié)果)，結(jié)果表明在相同條件下，空載啟動(dòng)，30s加載相同風(fēng)阻，MCH的加熱效果優(yōu)于PTC，同時(shí)MCH能耗比PTC低28.72%[(6899.45-4918.05)/6899.45)=28.72%]。

2.2電暖器加熱空氣

利用市場(chǎng)型號(hào)都是QG13的同一品牌同批號(hào)的兩臺(tái)電暖器，其額定功率為1300W，分低熱和高熱兩個(gè)加熱檔位。把其中一臺(tái)的發(fā)熱元件拆下來(lái)，其PTC發(fā)熱組件為四組并排的PTC發(fā)熱組件，每?jī)善X散熱片分別夾持中間的4、3、3、4片PTC發(fā)熱材料;低熱檔為左三組并聯(lián)，高熱檔為全部四組并聯(lián)，換上MCH陶瓷發(fā)熱組件，其低熱和高熱檔與原裝PTC電暖器一樣分別三組、四組并聯(lián)。然后在相同的加載電壓下，測(cè)試兩臺(tái)電暖器的空氣加熱效果。

兩臺(tái)電暖器分別加上市電(電壓表顯示:226V)，同為加熱前吹冷風(fēng)30s，加熱后吹冷風(fēng)使其溫度恢復(fù)初始室溫(28℃)。單純吹冷風(fēng)電流為0.09A，測(cè)試記錄原裝PTC電暖器及改裝MCH電暖器的空氣加熱在相同時(shí)間下的電流和溫度。圖3和圖4是根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制的溫度曲線與電流曲線，測(cè)溫點(diǎn)都固定在電暖器前外表殼中間格點(diǎn)。

圖3可知，在其它相同條件下加載固定電壓，MCH電暖器空氣加熱效果優(yōu)于PTC電暖器空氣加熱效果，一是低熱檔時(shí)，MCH加熱50s溫度可達(dá)103℃，而PTC對(duì)應(yīng)溫度只有79℃;二是低熱檔時(shí)，MCH最高溫度可達(dá)115℃，而PTC只有93℃。從圖4可以看出，高熱檔時(shí)，MCH的平衡電流為4.34A，PTC為5.34A，MCH的平衡功率僅為PTC的81%(4.34/5.34)。

對(duì)圖4的電流曲線取0s→600s積分，表1給出了對(duì)應(yīng)的積分計(jì)算結(jié)果。高熱檔，在相同條件下，在加熱效果略優(yōu)(MCH平衡溫度比PTC的140℃高5℃)情況下，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)(600s)，MCH的功耗比PTC低了18.94%[(3201.675-2595.075)/3201.675=18.94%]。

2.3電暖器加熱恒定熱場(chǎng)管道

在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，自制了一個(gè)近似恒定的熱場(chǎng)管道，該管道為一梯度逐漸收攏的方形管道，外面用高溫保溫棉包裹以保證熱量損失盡可能少，在管道尾端的截面上，可以認(rèn)為其空氣流量及溫度近似恒定。對(duì)比測(cè)試了上一節(jié)的PTC與MCH電暖器低熱檔加熱恒定場(chǎng)管道的空氣加熱效果。

測(cè)試結(jié)果見圖5和圖6。圖5的加熱溫度曲線表明，在其它相同條件下加載固定電壓，MCH電暖器的空氣加熱效果優(yōu)于PTC電暖器。圖6的加熱電流曲線可知，低熱檔時(shí)，MCH的平衡電流為3.45A，PTC為4.86A。電流曲線取0s→3600s積分，表2給出了對(duì)應(yīng)的積分計(jì)算結(jié)果。從積分面積看， MCH為12373.975，PTC為17563.35，MCH積分面積比PTC少了29.55%。由此可知，在相同條件下，在加熱效果略優(yōu)的情況下，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)(3600s)，MCH的功耗比PTC低了29.55%。

2.4封閉空間加熱試驗(yàn)

利用2.2所述的電暖器，通過(guò)把電暖氣放置在一個(gè)封閉的7.44m3(1.2m×2.0m×3.1m)空間中進(jìn)行加熱試驗(yàn)。加熱前使封閉空間的初始室溫為32℃，在其他參比設(shè)置條件不變的條件下，加載220V的市電，測(cè)試兩臺(tái)電暖器加熱上述同樣封閉空間的加熱性能及耗電量，對(duì)比分析PTC與MCH電暖器對(duì)密閉空間的加熱效果及功耗。加熱空間的測(cè)溫點(diǎn)取兩點(diǎn)，溫度點(diǎn)1是取能表征空間實(shí)際溫度效果的中間上部;溫度點(diǎn)2是表征加熱器附近溫度效果的空間的底部。測(cè)試記錄原裝PTC電暖器及改裝MCH電暖器加熱封閉空間時(shí)在相同時(shí)間的電流、溫度及電表讀數(shù)，表3給出了對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)。

從表3的數(shù)據(jù)可以明顯看出，在其它相同條件下加載市電，MCH電暖器空氣加熱效果與PTC電暖器空氣加熱效果基本相當(dāng)。圖7與圖8給出了MCH與PTC電暖器高熱檔的溫度曲線圖，其中我們認(rèn)為圖7表征空間實(shí)際溫度效果，圖8表征加熱器附近溫度效果。

由表3數(shù)據(jù)，我們可以得到如圖9所示的PTC及MCH的實(shí)際電耗曲線，并且可以看出電耗近似為一直線。圖中可以清楚看出，PTC的電耗明顯比MCH高，因?yàn)镻TC的擬合電耗直線為Y(t)=0.01972 t，MCH的電耗直線為Y(t)=0.01487t，故MCH的電耗量只有PTC的75.41%，換句話說(shuō)MCH比PTC節(jié)能24.59%。

2.5加熱硅油對(duì)比測(cè)試

利用硅油作為加熱與傳導(dǎo)介質(zhì)進(jìn)行PTC及MCH發(fā)熱組件的加熱性能及電耗的對(duì)比測(cè)試。通過(guò)把發(fā)熱組件放置在一個(gè)裝有規(guī)定體積硅油的同一容器中進(jìn)行加熱試驗(yàn)，對(duì)比測(cè)試PTC及MCH發(fā)熱組件在硅油中的加熱效果及能耗。盛裝3300mL硅油的容器，底面規(guī)格為203mm×155mm，硅油液面高度為105mm。由于硅油的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.16W/(m.K)，而其在-50～250℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定存在，故測(cè)溫點(diǎn)取兩點(diǎn):溫度點(diǎn)1取比最高液面低5mm的上部液面點(diǎn)，該溫度表征加熱過(guò)程硅油的最高溫度液面層溫度;溫度點(diǎn)2是表征硅油加熱過(guò)程最低溫度的硅油液面最低處。測(cè)試記錄PTC與MCH發(fā)熱組件在硅油中加熱的電流、溫度及電表讀數(shù)，表4、5給出了對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

從表4、5的數(shù)據(jù)可以明顯看出，在其它相同條件下加載市電(232V)，在消耗相同電量(0.27kWh)的前提下(硅油的初始溫度都是29℃，32℃)，MCH發(fā)熱組件加熱硅油的效果明顯比PTC發(fā)熱組件的加熱效果優(yōu)越。MCH在25min內(nèi)，加熱硅油達(dá)到了(65℃，192℃)，而PTC組件加熱40min效果只能達(dá)到(57℃，167℃)。圖10給出了MCH與PTC發(fā)熱組件加熱硅油的溫升及溫度分布曲線圖，圖中同時(shí)給出了積分計(jì)算結(jié)果，從擬合溫度(Fit T)數(shù)據(jù)看，PTC加熱40min硅油上下溫度(57℃、167℃)的效果相當(dāng)于硅油的整體溫度為81.5℃，即是說(shuō)PTC加熱硅油40min能使其整體溫度升高81.5℃，整體溫度達(dá)到112℃。同理，MCH加熱硅油25min，硅油上下溫度分別為65℃和192℃，相當(dāng)于硅油整體溫度升高98℃，整體溫度達(dá)128.5℃。

根據(jù)圖10的擬合數(shù)據(jù)，MCH的加熱硅油溫度積分面積為PTC的120.25%(10290/8557)，就是說(shuō)在相同電耗情況下，MCH加熱硅油的熱效果是PTC的1.20倍，換句話說(shuō)，單位耗電量MCH加熱硅油的熱效果比PTC高20.25%。當(dāng)假定相同的熱效果情況，則MCH的電耗量比PTC少20.25%，就是說(shuō)同樣的加熱效果時(shí)，MCH比PTC節(jié)約電能耗20.25%。上述是在假設(shè)硅油為一對(duì)外完全絕熱的封閉系統(tǒng)前提下得出的節(jié)能數(shù)據(jù)，由于硅油與盛裝容器之間，以及硅油液面與空氣之間，都必定存在相當(dāng)?shù)臒釗p失，而溫度越高，其熱損失必定越大。從上面分析可知，MCH的溫升比PTC高16.5℃，同時(shí)從表4與表5數(shù)據(jù)可知，MCH加熱測(cè)試時(shí)，盛裝硅油容器的表面溫度為97℃，而PTC加熱時(shí)盛裝硅油容器的表面溫度為53℃，故MCH加熱硅油的對(duì)外熱損失必定比PTC大，故將熱損失考慮入內(nèi)，則相同熱效果情況下，MCH比PTC節(jié)能大于20.25%。

3 理論驗(yàn)證

從以上的各種對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在其他相同測(cè)試條件下，在加熱效果優(yōu)于PTC發(fā)熱組件的前提下，MCH發(fā)熱組件比PTC組件節(jié)能20%以上。如何從理論上解釋與計(jì)算MCH的節(jié)能呢?我們嘗試通過(guò)材料本身的特性分析入手，運(yùn)用粒子碰撞散射理論闡釋MCH的節(jié)能原理，并希望借助于功率因素來(lái)理論計(jì)算分析MCH的節(jié)能原因。

3.1材料特性分析

MCH發(fā)熱片是高溫共燒多層的金屬-陶瓷復(fù)合材料，發(fā)熱的金屬漿料層印刷在作為絕緣介質(zhì)的氧化鋁陶瓷生坯上，再在上面疊合另外一氧化鋁陶瓷生坯，通過(guò)高溫共燒成為一體。從發(fā)熱原理上看，MCH發(fā)熱原理為金屬鎢導(dǎo)電，而金屬鎢的電熱轉(zhuǎn)換效率高是公認(rèn)的，金屬導(dǎo)電本質(zhì)為自由電子導(dǎo)電，金屬原子外層電子較少，組合成結(jié)構(gòu)元之后，原子的外層仍存在較多的電子空位，能容外來(lái)電子進(jìn)入、移動(dòng)，因而易于導(dǎo)電。

PTC本質(zhì)上是一種半導(dǎo)體材料，其通電發(fā)熱原理是因?yàn)榘雽?dǎo)體摻雜形成得到了一定數(shù)量的自由電子，PTC是以鈦酸鋇為基體，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導(dǎo)特性。通過(guò)有目的地?fù)诫s一種化學(xué)價(jià)較高的材料作為晶體的點(diǎn)陣元來(lái)，在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價(jià)的離子所替代，因而得到了一定數(shù)量的自由電子。其PTC效應(yīng)，也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的，在晶粒的界面上，即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢(shì)壘，阻礙電子越界進(jìn)入到相鄰區(qū)域中去，因此產(chǎn)生高電阻。這種效應(yīng)在溫度低時(shí)被抵消，因?yàn)樵诰Ы缟细叩慕殡姵?shù)和自發(fā)的極化強(qiáng)度在低溫時(shí)阻礙了勢(shì)壘的形成，并使電子可以自由地流動(dòng);而這種效應(yīng)在高溫時(shí)，介電常數(shù)和極化強(qiáng)度大幅度地降低，導(dǎo)致勢(shì)壘及電阻大幅度地增高，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的PTC效應(yīng)。

PTC陶瓷是由晶界相和晶粒相兩部分組成的。陶瓷樣品的總電阻包括晶粒電阻、晶界電阻和電極與瓷片的界面接觸電阻三個(gè)部分，它可以等效為晶粒 、晶界和接觸界面三部分的電阻與電容的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。PTC具有明顯的復(fù)阻抗性質(zhì)，基于Heywang的等效電路的Cole-Cole圖是研究PTC現(xiàn)象的一個(gè)重要手段[7-9]。根據(jù)復(fù)阻抗的實(shí)部和虛部可以計(jì)算出晶粒電阻和晶界電阻值，從而為PTC效應(yīng)的研究和理論解釋提供一個(gè)有效的方法。由于涂敷的In-Ga電極材料與瓷片可以形成良好的歐姆接觸，因此界面電阻相對(duì)于晶粒電阻和晶界電阻來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)[10]。

其等效電阻為:

則其等效電路及Cole-Cole圖如圖11所示。

當(dāng)ω 0時(shí) ，Z=Rg+Rgb;當(dāng)ω ∞時(shí)， Z=Rg。從而可以直接由Cole-Cole圖計(jì)算出材料的晶粒電阻值(Rg)和晶界電阻值(Rgb)。

隨著溫度的增大，晶粒電阻隨溫度的增大而逐漸降低，呈現(xiàn)NTC效應(yīng)，同時(shí)晶界電阻隨著溫度的升高而增大并在居里溫度附近突然增大，呈現(xiàn)明顯的PTC效應(yīng)。同時(shí)，晶界的電阻在1000Ω上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶粒電阻值( 約幾個(gè)Ω左右)。PTC的總電阻是由晶粒電阻和晶界電阻所組成，但是晶界電阻起著主導(dǎo)作用，并且晶界電阻的變化規(guī)律和樣品總電阻的變化規(guī)律相吻臺(tái)。因此，樣品的PTC效應(yīng)來(lái)源于晶界電阻在居里溫度附近的躍變，通過(guò)復(fù)阻抗譜研究再一次證明了PTC效應(yīng)是一種晶界效應(yīng)。

勢(shì)壘高度是由受主雜質(zhì)及缺陷在晶粒表面形成的表面電荷層所產(chǎn)生的，文獻(xiàn)[8]采用Heywang模型進(jìn)行估算，其研究結(jié)果表明，隨著溫度的升高，勢(shì)壘高度逐漸增大，其值為0.1～0.6ev，且深入分析得知?jiǎng)輭靖叨入S著溫度的變化與電阻隨著溫度的變化規(guī)律具有良好的一致性。

3.2粒子碰撞散射理論分析

從3.1分析可知，MCH通電發(fā)熱為金屬自由電子導(dǎo)電;而PTC為半導(dǎo)體導(dǎo)電，存在一定勢(shì)壘高度的晶界作為一阻礙粒子定向移動(dòng)的障礙，這樣在PTC材料內(nèi)部，定向移動(dòng)的導(dǎo)電粒子與作為阻礙導(dǎo)電粒子定向移動(dòng)的晶界粒子勢(shì)必存在碰撞。由粒子物理原理可知，無(wú)論是彈性碰撞，還是非彈性的散射碰撞，粒子的碰撞總是滿足能量守恒定律的。就PTC作為一種鐵電陶瓷而言，其晶界上的粒子碰撞屬于一種非彈性的散射碰撞，這樣一來(lái)，高速定向移動(dòng)的導(dǎo)電粒子(空穴)與原先靜止的晶界粒子碰撞后，作為非彈性散熱碰撞的結(jié)果，則導(dǎo)電粒子其運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度勢(shì)必有改變，就是說(shuō)定向運(yùn)動(dòng)性變差，運(yùn)動(dòng)速度減慢。而勢(shì)壘高度的研究正好表明了，隨著PTC通電加熱的進(jìn)行，溫度升高，PTC的晶界的勢(shì)壘高度隨溫度變大，勢(shì)壘高度的變大說(shuō)明了晶界粒子在非彈性的散射碰撞后能量有所增加，而粒子碰撞的總能量守恒，則就說(shuō)明了定向移動(dòng)的導(dǎo)電粒子的能量有所減少。

綜合上面的材料特性及粒子碰撞的散射理論分析得知，MCH為金屬導(dǎo)電發(fā)熱，而PTC摻雜形成的自由電子是存在作為絕緣的基體多晶材料中，自由電子在多晶材料中定向移動(dòng)勢(shì)必受到相當(dāng)?shù)膭?shì)壘阻抗，而導(dǎo)致效率差及損耗高，所以MCH中自由電子的定向移動(dòng)效率應(yīng)高于PTC， MCH通電發(fā)熱過(guò)程損耗小于PTC，故MCH發(fā)熱效應(yīng)就優(yōu)于PTC。當(dāng)在相同的電能輸入時(shí)，MCH的有效熱輸出就優(yōu)于PTC， 表現(xiàn)在宏觀上就是MCH比PTC節(jié)能。

3.3功率因數(shù)計(jì)算分析

上面我們結(jié)合MCH及PTC兩種不同材料的導(dǎo)電原理，運(yùn)用粒子碰撞的散射理論分析，較為圓滿地解釋了上述的對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)反復(fù)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)，MCH通電制熱過(guò)程的功率因素為1，而PTC通電制熱過(guò)程的功率因素為0.92(0.91~0.94)，因此我們擬通過(guò)功率因素的相關(guān)分析計(jì)算MCH相對(duì)PTC的理論節(jié)能效果。

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。MCH的實(shí)測(cè)功率因素為1，PTC的實(shí)測(cè)功率因素為0.92，說(shuō)明了我們上述的分析是可行。

功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。功率因數(shù)是有用功與總功率間的比率。功率因數(shù)越高，有用功與總功率間的比率便越高，系統(tǒng)運(yùn)行則更有效率。目前就國(guó)內(nèi)而言，功率因數(shù)規(guī)定是必須介于電感性的0.9～1之間，低于0.9時(shí)需要接受處罰。

在直流電路里，電壓乘電流就是有功功率。但在交流電路里，電壓乘電流是視在功率，而做功的一部分功率(即有功功率)將小于視在功率。有功功率與視在功率之比叫做功率因數(shù)，以cosΦ表示，其實(shí)最簡(jiǎn)單的測(cè)量方式就是測(cè)量電壓與電流之間的相位差，得出的結(jié)果就是功率因數(shù)。

MCH的功率因素為1，PTC的功率因素為0.92，則說(shuō)明PTC的有功功率占總視在功率的92%，就是說(shuō)在通電制熱過(guò)程中，PTC有占視在功率8%的能量用于無(wú)用功之上。

導(dǎo)線在通電過(guò)程中，由于其本身存在一定電阻，電流通過(guò)線路時(shí)，線路自身要產(chǎn)生有功功率損耗，其有功功率損耗又與電流平方成正比，線路在輸送一定的有功功率時(shí)，線路的電流又與功率因數(shù)成正比。所以，線路在輸送一定的有功功率時(shí)，線路自身產(chǎn)生的有功功率損耗與功率因數(shù)的平方成反比，提高功率因數(shù)就能降低線路的有功功率損耗。

同樣利用PTC的功率因素0.92，我們不妨這樣認(rèn)為，在通電制熱過(guò)程中，PTC相對(duì)于MCH的有功功率損耗為:

式(2)表明，在通電制熱過(guò)程中， MCH相對(duì)PTC而言，有功功率損耗只有PTC的84.64%，則就是相對(duì)PTC，MCH有功功率損耗少了15.36%。結(jié)合無(wú)功功率的8%損失，MCH相對(duì)節(jié)能了23.36%，理論計(jì)算結(jié)果與我們的各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較為一致。

4 結(jié) 論

通過(guò)MCH及PTC兩種材料發(fā)熱效果的測(cè)試對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)MCH通電發(fā)熱損耗小于PTC，故MCH發(fā)熱效率優(yōu)于PTC。結(jié)合實(shí)測(cè)功率因素，理論計(jì)算了MCH相對(duì)PTC節(jié)能23.36%。

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Energy Conservation Experimental Study of MCH Ceramic Heater and its Principle

SU Fang-ning1，WU Chong-juan1，ZHAO Ying-gang2

(1.Zhuhai Yueke Jinghua Electronic Ceramics Co.，Ltd， Zhuhai 519080，China;

2.Department of Materials Science and Engineering， Luoyang Institute ofScience and Technology，Luoyang471023，China)

Abstract:Comparison test of the MCH and PTC ceramic heater have been performed in this article.It found that heat efficiency of electrifies of MCH was higher than that of PTC. MCH could conserve energy above 20% than PTC as the heat efficiency. This paper gave the clear theoretically proves and explaination of the energy saving by thorough analysis material structure and the utilization particle encounter scattering theory. MCH has conserved energy 23.36%relative to PTC by using the actual power factor，and the theoretical calculation be consistent with the result of different kinds of tests.

Key words:metal ceramics heater;PTC ceramics;energy saving;principle