L’asciugacapelli, il forno elettrico, la stufetta elettrica, il tostapane, sono presenti in quasi ogni casa; l’elemento riscaldante, tipicamente a forma di filo avvolto a spirale attorno a un nucleo di ceramica refrattaria o fogli di mica, oppone un elevata resistenza al passaggio della corrente elettrica che si trasforma in energia termica (Joule Heating).
L’elemento riscaldante può essere costituito da leghe metalliche:
Il filo di Nichel/Cromo (80%Nichel/20% Cromo), rivestito da uno strato di ossido di cromo che protegge l’interno dall’ossidazione che ne provocherebbe la rottura.
Kanthal (FeCrAl), Cupronichel (CuNi)
Queste ultime possono essere stese su materiali di supporto resistenti alle alte temperature e foggiati per eliminazione dell’eccesso, utilizzando tecniche simili a quelle utilizzate per la produzione dei circuiti stampati per l’elettronica.
Da materiali ceramici semiconduttori
(MoSi2) disiliciuro di Molibdeno: materiale refrattario conduttivo con punto di fusione 2030°C; ad alta temperatura si forma uno strato di diossido di Silicio (SiO2) che lo protegge da ulteriore ossidazione; è utilizzato nelle fornaci per l’industria del vetro.
(SiC) carburo di Silicio (carborundum) è un semiconduttore con punto di fusione di 2830°C, è utilizzato nell’industria del vetro, per il trattamento termico dei metalli e negli accendigas.
(Si3N4), nitruro di Silicio punto di fusione 1900°C, utilizzato nei sistemi di accensione delle fornaci a gas o nelle candelette dei motori diesel (glowplug).
NTC
Il riscaldatore che utilizza l’elemento NTC (Negative Temperature Coefficient), la resistenza aumenta al diminuire della temperatura.
Il componente NTC è composto da una miscela di ossidi di Nickel, Manganese, Ferro, Cobalto, Rame e Titanio.
Gli elementi NTC, sono generalmente utilizzati come sensori di temperatura perché hanno una variazione di resistenza in un ampio spettro di temperatura.
Graphene Film - LIG (laser Induced Graphene)
L’elemento riscaldante a base di grafene, è flessibile e può essere costruito nella misura e nella forma desiderata; il LIG può raggiungere la temperatura massima di 400°C, diminuisce la propria resistenza all’aumentare della temperatura (NTC).
Alimentando il LIG con 18 Volt, l’elemento raggiunge la temperatura di circa 250°C in 20 secondi; la temperatura è controllata in modo preciso controllando l’alimentazione.
L’utilizzo del grafene come elemento riscaldante, si ottiene depositando l’impasto di ossido di grafene, su un materiale flessibile (poliammide) resistente alle alte temperature, quindi si riduce l’ossido a grafene mediante l’utilizzo di un laser controllato da un CNC.
Il LIG, è utilizzato nelle attrezzature portatili in campo medico.
PTC
(PbTiO3 o BaTiO3), Bario titanato o Piombo titanato:
L’elemento riscaldante PTC (Positive Temperature Coefficient) è un materiale ceramico con una resistenza dipendente dalla temperatura; la resistenza aumenta all’aumentare della temperatura, convertendo l’energia elettrica in energia termica (Joule Heating).
La composizione determina la temperatura di soglia sopra la quale la resistenza aumenta velocemente facendolo funzionare come un termostato; la corrente passa facilmente quando è freddo e con difficoltà, quando è caldo.
Il materiale in forma di favo (honeycomb) è utilizzato negli asciuga capelli, nelle stufette elettriche al quarzo o ceramiche e nelle moderne stufe a pellet dove l’elemento riscaldante può raggiungere 1000 °C.
Tra questi, i riscaldatori TFH (Thin Film Heater), operano a bassa temperatura (60/80 °C) rispetto i sistemi tradizionali (Nichel/cromo, Costantana, Rame, Grafite) e con un basso assorbimento di energia e lunga durata nel tempo.
È un materiale molto flessibile, che si presta ad essere stampato su di una superficie flessibile trasformandola in un emettitore di radiazione infrarossa che funziona anche in condizioni estreme di bassa temperatura; la radiazione IR è emessa in modo uniforme mantenendo la temperatura costante su tutta la superficie radiante che è costruita in modo da essere completamente sigillata; generalmente il materiale ceramico è racchiuso tra due strati di poliestere, che lo proteggono dall’abrasione e dall’azione umidità e acidi
Il materiale si auto regola ad una specifica temperatura con un basso assorbimento di energia e lunga durata nel tempo.
La temperatura di esercizio è prestabilita, senza la necessità di inserire sensori e centralina elettronica per il controllo della temperatura, con un basso assorbimento di energia e lunga durata nel tempo.
Qualsiasi guasto, come foratura o piegatura dell’elemento, non provocherà il raffreddamento della superficie irradiante; in caso di rottura, con interruzione della conduttività, la striscia di PTC interrotto si raffredda, diventando innocuo.
Tra i vari utilizzi c’è il riscaldamento sotto pavimento nelle abitazioni, il piatto riscaldante delle stampanti 3D, il riscaldamento dei sedili e il sistema di sbrinamento dei lunotti posteriori delle automobili, eccetera.
Caratteristiche tecniche
Il basso valore resistivo a bassa temperatura, permette il rapido passaggio degli elettroni. Quando la temperatura aumenta, anche la resistenza aumenta, diminuendo, di conseguenza, la propria conduttività e la potenza assorbita, fino a raggiungere uno stato di equilibrio, dove si comporta da isolante, impedendo, quasi completamente, il passaggio degli elettroni (PTC effect).
Questa sua capacità di auto limitazione, gli impedisce di surriscaldarsi.
curva PTC in funzione della temperatura
La curva verde rappresenta il comportamento della resistenza dell’elemento PTC, espressa in Ohm, in funzione della temperatura raggiunta.
Quando l’estremità del materiale ceramico è collegata a una fonte di corrente, si ha una diminuzione della resistenza che diminuisce fino al raggiungimento di minor resistenza, “Rmin”; una grande quantità di corrente può scorrere liberamente per alcuni secondi (corrente di spunto).
Superato il valore “Rmin”, la curva resistiva inizia a salire, in modo non lineare, fino al punto Tc (temperatura di Curie), passato il quale la resistenza aumenta rapidamente fino al punto Te (temperatura finale), dove si oppone al passaggio degli elettroni.
A causa dell’incremento logaritmico della resistenza in relazione della temperatura, il PTC si auto regola al raggiungimento della temperatura massima Te, raggiunta questa soglia l’elemento diventa non conduttivo, assestandosi a causa dell’effetto fisico.
Da questo punto in poi, la temperatura dell’elemento PTC rimane pressoché costante a causa del continuo passaggio dalla fase isolante alla fase conduttiva; a causa di questo comportamento detto “effetto PTC”, l’elemento riscaldante PTC, può essere costruito in modo da adattarsi a differenti tensioni di alimentazione, senza sostanziale variazione di potenza.
Il PTC non richiede l’utilizzo di fusibili di protezione.
I valori compresi tra Tc e Te, dipendono dalla composizione del materiale ceramico che può essere determinato in fase di realizzazione.
L’assorbimento di un elemento PTC, e di conseguenza la sua potenza, dipende da quanta energia radiante è prelevata dalla sua superficie; raffreddando l’elemento, passa più corrente, aumentando di conseguenza, la propria potenza fino al raggiungimento del punto Te, ristabilendo nuovamente l’equilibrio.
Questa caratteristica potenza dinamica, rende l’elemento PTC energicamente efficiente.
La potenza di un PTC heater, dipende da due fattori
La differenza di temperatura dT e la superficie dissipante A, secondo la formula:
Α = coefficiente di trasferimento termico.
Per l’aria, dT sarà la differenza di temperatura tra l’aria e la superficie del riscaldatore
Maggiore è la differenza, maggiore sarà la potenza d’uscita; aumentando la superficie A, aumenta il rendimento.
un pannello di polistirolo con dimensioni 60 x 120 cm, ricoperto da un sottile strato di alluminio riflettente, in modo da concentrare l’irraggiamento sulla parte frontale del pannello,.è utilizzato come supporto per il foglio di PTC; tra il supporto e il film PTC c’è uno spessore da 3 mm.
Riscaldatore PTC portatile
fotografia del pannello PTC
I ‘assorbimento di corrente, con la tensione alternata di 220 V, è di 0,44 Ah per ogni pannello.
Temperatura massima raggiunta
pannelli PTC contrapposti
pannelli PTC contrapposti
pannelli PTC affiancati
Costruzione di un termosifone per riscaldare ambienti sfruttando il moto convettivo.
Disponendo due superfici radianti una sopra l’altra, si crea un corridoio percorso dal flusso d’aria che scorre tra i pannelli, la temperatura della superfice del PTC ha raggiunto 58,8° C, avvicinandosi alla Te; per questo tipo di film PTC, la temperatura finale “Te”, è di 60°C.
Creazione di un luogo di lavoro confortevole.
Capita spesso che chi si occupa di progettazione elettronica, si costruisca il proprio angolo ricavandolo in una piccola parte della casa, lontano dallo sguardo della moglie o della madre, che non capiscono che non si tratta di disordine, ma di “ordine sparso”.
Il luogo scelto, scantinato, ripostiglio o mansarda, difficilmente è riscaldato; nei mesi freddi è difficile maneggiare saldatori e pinzette con le mani gelate, ma affiancando due o più pannelli, o più semplicemente tagliare a misura, il film PTC in modo da circondare il tavolo di lavoro, si ottiene il calduccio ottimale, senza dover riscaldare tutto l’ambiente.
Riccardo Monti