Позистор

 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к терморезисторам с положительным температурным коэффициентом сопротивления позисторам. Цель изобретения повышение мощности и быстродействия позистора. Позистор имеет каркас сотовой конструкции, выполненный из диэлектрического материала с большим коэффициентом теплопроводности, например, из оксида бериллия. В ячейках каркаса размещен терморезистивный материал сегнетокерамика с положительным температурным коэффициентом сопротивления, на две противоположные поверхности позистора нанесены электроды, к которым примыкают ячейки сотового каркаса. 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к терморезисторам с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТКС) позисторам.

Целью изобретения является повышение мощности и быстродействия позистора.

На чертеже представлены продольный разрез и сечение позистора.

Предложенный позистор имеет каркас сотовой конструкции 1, выполненный из диэлектрического материала с большим коэффициентом теплопроводности, например, из керамики ВеО, теплопроводность которой ≈200 Вт/м К. В ячейках сотового каркаса находится терморезистивный материал 2 сегнетокерамика с ПТКС на основе ВаТiО₃, а на две противоположные поверхности позистора нанесено электропроводящее покрытие 3, например, из серебра или алюминия, к которому примыкают ячейки сотового каркаса.

Геометрические размеры сотовой структуры выбираются из условия, что тепловой поток из объема позистора в процессе его омического нагрева должен проходить в основном по сотовому каркасу из керамики с высоким коэффициентом теплопроводности, т.е.

λ_сS_c/λ_пS_п >> 1, (1) где λ_с, S_c теплопроводность и площадь сечения диэлектрического материала сотового каркаса; λ_п, S_п то же, для терморезистивного материала с ПТКС.

Для обеспечения условия (1) необходимо, чтобы значение коэффициента теплопроводности материала сотового каркаса превышало это значение для терморезистивного материала по крайней мере на порядок.

Толщина позистора определяется электросопротивлением сегнетокерамических элементов в сотах с ПТКС исходя из требуемой мощности тепловыделения, рассеиваемой в объеме позистора.

В реальном образце для выполнения условия (1) можно выбрать диаметр (характерный размер) сотовой ячейки ≈2 мм, толщину стенок сот ≈0,5 мм, толщину позистора (длина сотовых ячеек) ≈6 мм. Диаметр позистора ≈20 мм. При использовании позистора в качестве нагревателя с большой мощностью можно изготавливать позисторы значительно больших диаметров.

При приложении напряжения U к электродам 3 позистора между ними возникает электрическое поле с вектором напряженности, параллельным сотовым ячейкам. Так как торцы сотовых ячеек, в которых находится терморезистивный материал сегнетокерамика с ПТКС, примыкают к электродам, в керамике начинает проходить ток и в результате омического нагрева в сегнетокерамических элементах с ПТКС происходит тепловыделение q U²/R, где R сопротивление позистора. Вследствие того, что материал позистора обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, температура позистора будет стабилизироваться вблизи точки фазового перехода Т_к, которая в зависимости от состава материала с ПТКС имеет значение в диапазоне 40-300^оС, а рассеиваемая в объеме позистора мощность q будет равна тепловому потоку с поверхности позистора, который при условии λ_cS_c/λ_пS_п >> 1 имеет вид q (2) где Т₀ температура внешней среды, либо прокачиваемого теплоносителя; <N>alpha<N> коэффициент теплоотдачи с поверхности позистора; h/2λ_c среднее тепловое сопротивление диэлектрического сотового материала при толщине позистора h.

Если обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи <N>alpha<N> с поверхности позистора, то рассеиваемая в позисторе электрическая мощность будет определяться как коэффициентом теплоотдачи, так и коэффициентом теплопроводности сотовой керамики. Характеристики наиболее подходящих керамик с высоким коэффициентом теплопроводности, а также для сравнения, керамики с ПТКС на основе ВaТiО₃ приведены в таблице.

Наиболее подходящий материал для сотового каркаса ВеО, имеющий высокую теплопроводность λ ≈ 200 Вт/м К. Если принять температуру фазового перехода Т_к 120^оС, температуру теплоносителя Т₀20^о, а коэффициент теплоотдачи хотя бы с одной поверхности позистора достаточно высоким <N>alpha<N> ≈ 2000 Вт/м К (коэффициент теплоотдачи на границе гладкая стенка-жидкость, текущая со скоростью 0,5 м/с, что имеет место при установке позисторов в потоке топлива для его подогрева, либо как датчик температуры на радиаторах в автомобильных двигателя, где они нашли широкое применение), то тепловой поток (2) с поверхности заявляемого позистора выбранных размеров будет q₁ 2 ˙ 10⁵ Вт/м², а, следовательно, его электрическая мощность W₁ 80 Вт.

При такой же общей площади поперечного сечения керамики с ПТКС и одинаковых остальных условиях для конструкции-прототипа имеем q₂ 0,5 ˙ 10⁵ Вт/м², W₂ 20 Вт. Т.е. мощность предложенной конструкции выше в четыре раза.

При увеличении скорости прокачки теплоносителя отношение мощности данного позистора с сотовым каркасом из керамики с большим коэффициентом теплопроводности и прототипа возрастает пропорционально величине αh/2λ_п.

Если принять коэффициент теплоотдачи α ≈ 500 Вт/м² К (коэффициент теплоотдачи гладкая стенка спокойная жидкость) при использовании позистора, например, в качестве нагревателя жидкости в емкости, при тех же характеристиках позистора его мощность возрастает соответственно с W₂ 10 Вт для прототипа до W₁ 20 Вт для предложенной конструкции.

Если увеличивать толщину позистора, соотношение W₁/W₂ возрастает за счет значительного увеличения внутреннего теплового сопротивления конструкции-прототипа.

Таким образом, мощность предлагаемой конструкции существенно выше по сравнению с конструкцией-прототипом. Если в качестве материала сотового каркаса выбрать керамику ВеО, то мощность позистора повышается в несколько раз.

Для увеличения теплоотвода из объема позистора и следовательно еще большего повышения его мощности можно уменьшать площадь поперечного сечения терморезистивного материала в сотах относительно площади сот S_п/S_c, заполняя, например, сотовые ячейки не полностью, а частично, в виде слоя необходимой толщины, нанесенного на стенки ячеек сотовой конструкции.

При увеличении теплового потока из объема позистора, т.е. скорости оттока энергии из позистора, быстродействие предлагаемой конструкции также существенно повышается по сравнению с прототипом пропорционально возрастанию его мощности.

Формула изобретения

ПОЗИСТОР, содержащий чувствительный элемент, выполненный из терморезистивного материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, и электроды, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и быстродействия, он снабжен теплопроводящим каркасом сотовой конструкции, выполненным из диэлектрического материала, при этом терморезистивный материал размещен в сотах каркаса, а отношение коэффициентов теплопроводности терморезистивного материала и материала каркаса не превышает величину 0,1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2