專利名稱：電加熱裝置和可復(fù)原的保險絲的制作方法
本申請要求于1999年5月14日提交的美國臨時專利申請第60/134,111號的優(yōu)先權(quán)，其發(fā)明人與本發(fā)明相同。
另外，自動調(diào)節(jié)的加熱器已經(jīng)在如同授權(quán)給Batliwalla的美國專利第4,777,351號、授權(quán)給Triplett的美國專利第4,700,054號和授權(quán)給Kishimoto的美國專利第5,422,462號那樣的專利中被制成片材。在這些專利中，加熱元件是作為在使PTC元件定位的東西之間具有交叉梳狀電極或交錯電極的片材或織物成形的。這允許使用范圍通常有限的電壓，通常是120伏，并因此允許有限的發(fā)熱量。有一些可以在高達(dá)480伏的電壓下工作的加熱器，這些加熱器通常是三個輸入端的三相系統(tǒng)，但是就本發(fā)明人所知，沒有能夠用兩個輸入母線系統(tǒng)在480伏下工作的加熱器系統(tǒng)。
有很多類似帶加熱裝置的管道閥門的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中需要包裹不規(guī)則的物體。這些應(yīng)用中有許多應(yīng)用還需要在所使用的加熱材料的數(shù)量和形狀方面具有相當(dāng)高的靈活性。因此，非常需要的是采用模塊式設(shè)計自調(diào)節(jié)加熱器，以使特定長度的加熱器材料可以結(jié)合在一起形成更長的長度，當(dāng)然，在不損失功率和加熱能力的情況下長度能夠被剪裁成更短的長度也是需要的。在長度選擇方面這種靈活性的最優(yōu)選的例子將是材料能夠在模塊部件范圍內(nèi)被剪裁到任何長度，換句話說，其長度可以連續(xù)變化。下一個最好的情況是材料包含某種為加熱元件定義的區(qū)域，而且材料可以在這些加熱區(qū)域之間的任何一個區(qū)域中進(jìn)行修整。這允許長度按這些區(qū)域長度的倍數(shù)變化，而這些指的是在長度方面可按增量變化的。
迄今已有幾種制作自調(diào)節(jié)的模塊式加熱器的嘗試。授權(quán)給Whitney的美國專利第4,638,150號和授權(quán)給Johnson的美國專利第4,072,848號都給出了具有自調(diào)節(jié)元件并且可以當(dāng)作模塊的加熱器。這些加熱模塊通常是剛性的，并且如果它們?nèi)强尚拚?，它們必然僅僅是可按增量變化的。因為這種元件通常不是柔軟的，所以預(yù)計它的應(yīng)用將受到限制。
PTC元件在授權(quán)給Gronowicsz的美國專利第5,796,569和5,818,676號、授權(quán)給Styrna的美國專利第5,682,130號、授權(quán)給Thrash的美國專利第5,801,914號和授權(quán)給Yoshioka的美國專利第5,495,383號中也已經(jīng)被用作可復(fù)原的保險絲。這些保險絲將保護(hù)電路免受太高電流的影響，但是對于PTC的響應(yīng)時間可能太慢的電壓峰值將只提供微不足道的保護(hù)。因此，有必要提供能夠保護(hù)電路免受電壓峰值的影響的可復(fù)原的保險絲。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠被連接成任何長度或者能夠相互連接的模塊式加熱器。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種能在任何加熱器區(qū)域的邊界對長度進(jìn)行修整的模塊式加熱器。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種能夠卷繞在閥門、導(dǎo)管和小容器周圍的柔軟的模塊式自調(diào)節(jié)加熱器。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種用PTC材料層在可以按模塊或者非模塊構(gòu)造制作的蝕刻箔上組裝的加熱器。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種自動限溫的或提供內(nèi)置式安全保護(hù)的加熱器。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種在電路保護(hù)中使用的用一層PTC材料或PTC和NTC或ZTC和/或VSM材料的組合加工成的可復(fù)原的保險絲元件。
簡單地說，本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例是能被切割成需要的長度的非常柔軟的高溫型模塊式加熱器。
本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例是能夠被修整到需要的長度的非常柔軟的自調(diào)節(jié)型模塊式加熱器。
本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例是已將PTC、ZTC、NTC材料或它們的復(fù)合材料層壓到蝕刻的箔層上的加熱器裝置。這種加熱器可以被制成模塊或者連續(xù)的長條。
本發(fā)明的第四優(yōu)選實施例是優(yōu)選使用在兩個電極之間同心地定位的兩層PTC材料的同軸加熱電纜。
本發(fā)明的第五優(yōu)選實施例是利用沉積在襯底上的單層PTC材料的可復(fù)原的保險絲。它也可以用VSM為被保護(hù)電路提供電壓峰值保護(hù)。
本發(fā)明的高溫型模塊式加熱器的優(yōu)點(diǎn)之一是它可以在保持諸如硫磺和瀝青之類的材料在供應(yīng)導(dǎo)管中流動的非常高的溫度下使用。
高溫型模塊式加熱器的另一個優(yōu)點(diǎn)是它非常柔軟，可以裝配在不規(guī)則的裝置和閥門周圍，可以按模塊長度被連接在一起，以及幾乎能被切割成任何想要長度。
自調(diào)節(jié)型模塊式加熱器的另一個優(yōu)點(diǎn)是它們也非常柔軟，能卷繞在小直徑管道周圍，而且可以在低壓電源下使用，以致它們可以用諸如電池之類來供電。
蝕刻箔加熱器的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是它們通過在被串聯(lián)連接在兩個供電母線之間的一套加熱器元件之間分配電壓可以在高電壓下使用，而且這套元件可以彼此并聯(lián)地重復(fù)，以便提供加熱器區(qū)。
同軸電纜加熱器的另一個優(yōu)點(diǎn)是它可以用于雙重電壓供電(例如120伏和240伏)的目的，因此沒有必要為每個獨(dú)立的供電范圍提供一條獨(dú)立的生產(chǎn)線。
可復(fù)原的保險絲的還進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是它可以用單層的PTC材料制作并且可以在制作電路板時與VSM元件一起使用。
鑒于本發(fā)明的目前已知的最佳實施模式和優(yōu)選實施例的工業(yè)應(yīng)用已在說明書中說明并以附圖例示，本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是明顯的。
圖7為PTC加熱器的電阻隨溫度變化的圖表；圖8所示為使用帶電壓峰值保護(hù)的可復(fù)原的保險絲的電路示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)實施例本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例是高溫型模塊式加熱器。如同在本文中用不同的附圖(尤其是

圖1)予以例示的那樣，本發(fā)明的裝置的這個優(yōu)選實施例的形式是用一般的符號10描繪的。
很多應(yīng)用要求材料必須被維持在500-600華氏度的高溫下。這樣的應(yīng)用包括維持瀝青和硫磺處于液體狀態(tài)。如果這些材料能被保持在熔融狀態(tài)，那么它們就可以通過管道流動，因此容易把它們輸送到使用工位。但是，在用管道輸送這些材料時遇到的困難是當(dāng)材料被迫流過未加熱的管道時將經(jīng)歷的熱損失。這些管道的熱損失可能相當(dāng)大，從而使材料凝固并且阻斷材料的流動。通用的工業(yè)技術(shù)是提供給一段管道充分加熱使材料的流動得以維持的加熱帶。已經(jīng)嘗試過制作可以卷繞管道提供更均勻的加熱的加熱器，但是大多數(shù)能夠達(dá)到適當(dāng)?shù)臏囟确秶募訜崞魍ǔ６疾皇欠浅Ｈ彳浀?。曾?jīng)制造過的柔軟程度足以卷繞管道的為數(shù)不多幾種加熱器通常都是按螺旋形或“S”形卷繞的。這是優(yōu)于剛性帶的重大改進(jìn)，但是，施加的熱量離均勻一致還差得遠(yuǎn)，而且不可避免地存在冷點(diǎn)，在這些冷點(diǎn)中溫度比較低的材料傾向于聚集和減慢材料的流動。這個問題在形狀通常相當(dāng)復(fù)雜無法用加熱絲卷繞的閥門區(qū)域尤為尖銳。材料尤其是在這些不僅妨礙材料流動而且阻礙閥門正確操作以致妨礙或失去流動控制的點(diǎn)傾向于凍結(jié)。
本發(fā)明的第一實施例提供一種非常柔軟的、可以被制成能夠連接在一起幾乎覆蓋管道的全部表面而且可以按適當(dāng)?shù)拈L度進(jìn)行修整形成密封的修整末端以進(jìn)一步適應(yīng)管道的任何過渡段的一系列模塊的高溫加熱器。
圖1示出模塊式高溫加熱器10的主要組成部分，但是外部的護(hù)套已被移除。有第一母線12和第二母線14，眾多蜿蜒盤繞的電熱絲16并聯(lián)在兩個母線之間。母線12、14最好是14 AWG鎳-銅的多股的平母線，而電熱絲16最好是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格可以非常狹窄(在0.003-0.005英寸范圍內(nèi))的類似于鉻鎳鐵合金或鎳鉻合金的鎳合金，盡管本發(fā)明不受這些材料或尺寸范圍的限制。本實施例中選用鎳合金，因為它可以被加熱到高達(dá)1200°F的溫度，而且具有出色的柔韌性，尤其是在狹窄的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格下。這些電熱絲位于優(yōu)選云母和玻璃制成的襯底18上。
現(xiàn)在參照圖2，為模塊式加熱器10的剖視圖，但也示出前述的被拆除的外部的絕緣套24。尚未試圖按比例繪制元件。電熱絲16首先被縫在或定位于云母20和玻璃22的襯底18上，然后被縫入優(yōu)選也由玻璃層26和云母層28組成的護(hù)套24中。電熱絲16形成大量的與供電母線12、14并聯(lián)的電路，把總長度有效地分成各個區(qū)域30，每個區(qū)域是一個模塊31，在該圖中示出三個這樣的模塊。由于這些區(qū)域在電學(xué)上是彼此并聯(lián)的，所以模塊式加熱器10可以在任何區(qū)域的邊界處被切開，而且沒切開的長度將還起作用。為了防止潮氣和腐蝕從切開的末端進(jìn)入和使暴露的末端電絕緣，需要密封該末端，但是，這不是絕對的必要條件。因此，模塊式加熱器10可以被切割成區(qū)域長度的任何倍數(shù)的長度。現(xiàn)在優(yōu)選的區(qū)域長度是1.5英尺，但是這當(dāng)然要受多種變化的影響，并且可以輕易地為特定的應(yīng)用定制。絕緣套可以變化，例如，具有多層玻璃26和云母28，這取決于應(yīng)用和施加的電壓。為了提供防潮保護(hù)，這些加熱器可以進(jìn)一步與絕緣體一起層壓和/或用類似于鎳鉻鐵合金、鋼、銅、鐵的金屬或聚合物套上。金屬外套可以在末端焊接，形成氣密的封口。
模塊式加熱器10最好是按標(biāo)準(zhǔn)長度制造的，它們可以首尾相接地結(jié)合在一起，或許用標(biāo)準(zhǔn)的連接件。模塊式加熱器10是極柔軟的，并且可以被制成易于卷繞在1/2英寸直徑的管道周圍的產(chǎn)品，從而為管道提供非常均勻的加熱。
為了包裹諸如閥門、三通和法蘭盤之類的管道零件，可以設(shè)計特殊的模塊部件。圖3示出一種準(zhǔn)備安裝在管道閥門上的這樣的模塊式閥門加熱器40。閥門加熱器40通常可以被設(shè)計成“U”形，用U形狹縫41在閥桿周圍滑行。然后，側(cè)翼42、44包裹在管道或閥門周圍并且在管道或閥門的底部連接起來。側(cè)翼可以包含接插件46、48，通過它們模塊40可以電連接到第一線性模塊50和/或第二線性模塊52上。為了易于與閥門模塊40連接，第一線性模塊50可以被剪裁成碰觸到閥門和安裝在經(jīng)過修整的末端上的接插件54的正確長度，第二線性模塊52也可以同樣剪裁。閥門模塊40可以獨(dú)立于其它模塊被直接連接到電源上，這也是可能的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是由于加熱元件是在比較大的表面區(qū)域范圍內(nèi)前后編織而成的，所以與諸如Mineral Insulated(MI)電纜之類的更傳統(tǒng)的加熱電纜相比每英尺可以產(chǎn)生數(shù)量更大的瓦特數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)的模塊式加熱器如同在授權(quán)給Whitney的美國專利第4,638,150號中揭示的那樣使用剛性的加熱模塊，這種模塊非常不易彎曲以致不能在有效地包裹管道時使用。雖然把這些Whitney的剛性模塊連接起來的線有一些柔韌性，但是總體結(jié)構(gòu)不是非常柔軟的。反之，本發(fā)明在縱向和橫向兩個平面中都是柔軟的。這些模塊是為便于現(xiàn)場安裝而設(shè)計的，而且維修簡單，因為損壞的模塊可以被拆除然后簡單地裝上一個新的。
當(dāng)然，也有模塊式加熱器10可以作為平片使用的很多應(yīng)用，而且它們顯然不局限于把它們卷繞到管道上的應(yīng)用。
前面揭示的模塊式設(shè)計還可以被用于類似防止水管在冬天凍結(jié)的低溫應(yīng)用。在這種情況下，可以使用比24伏低得多的電壓，而且可以使用各種加熱線材，其中包括具有正溫度系數(shù)(PTC)的聚合物。這樣的PTC材料可以起自動限溫加熱器的作用，因為PTC材料的電阻率隨著溫度增加。因此，當(dāng)溫度增加時，加熱器的電阻增加，于是電流減小，直到達(dá)到平衡溫度為止。低電壓加熱器在像“區(qū)域0”和“區(qū)域1”那樣有危險的或揮發(fā)性的材料存在的區(qū)域中尤其有用。
除了具有正溫度系數(shù)的PTC材料之外，還有具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的材料和全然沒有響應(yīng)被稱作零溫度系數(shù)(ZTC)的材料。PTC材料、NTC材料和ZTC材料通常都是以像聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、含氟聚合物和含氟彈性體、橡膠、硅樹脂和其它適合與賦予它們傳導(dǎo)性的填料合并而且能加工成諸如電纜、條帶之類的形狀的可回收的彈性聚合物材料那樣的半結(jié)晶聚合物為基礎(chǔ)的。制造過程是通過擠壓、模塑、層壓的傳統(tǒng)方法和在聚合物加工工業(yè)中眾所周知的其它涂布方法完成的。
聚合物PTC材料對于像包裹管道這樣的應(yīng)用尤其是有用的，因為它們比以前可利用的剛性模塊中的材料柔軟得多。此外，如同下面將予以描述的那樣，已被做成同軸電纜的PTC材料通過在某個區(qū)域內(nèi)來回地編織它可以被用作加熱元件，以同樣的方法可以被用作上述的高溫加熱器的線材16。
因此，第二優(yōu)選實施例是使用聚合物PTC材料作為在母線之間并聯(lián)的加熱元件的自動調(diào)節(jié)模塊式加熱器。同樣，模塊部件可以被連接成任何長度的電纜，而且每個模塊都可以在加熱區(qū)域的任何邊界被修整到適當(dāng)?shù)拈L度。PTC加熱器在襯底上蜿蜒盤繞，該襯底最好是諸如玻璃棉、泡沫塑料之類的柔軟的絕緣體，尤其是在市場上被稱為Astrofoil或Reflectex的材料，這種材料是在絕緣包皮的內(nèi)表面和外表面上有反射表面的絕緣體。Astrofoil是合乎需要的，因為它不僅減少了輻射熱損失而且可以提供良好的絕熱和防潮性能。這種加熱器是用帶子或系繩就地固定在襯底上的。然后，將其與一層或多層鋁、鋁/聚酯薄膜的復(fù)合材料或任何其它傳導(dǎo)性/絕緣性的復(fù)合材料一起層壓。
如同前面討論過的那樣，這些模塊式加熱器可以被用于給管道等加熱，可以被用于給褥墊、外傷覆蓋物加熱，以及被用在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。這些裝置可以是為用電池供電的低功率(例如12伏)的用途設(shè)計的。因此，它們對于沒有線路電壓可利用的應(yīng)急裝置或野營應(yīng)用是非常有用的。
本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例是用PTC材料層壓到經(jīng)過蝕刻的箔層上形成加熱帶60的加熱器裝置。使用這種裝置可以產(chǎn)生1/4～2瓦/平方英寸或更高的功率水平，因此可以產(chǎn)生在110°F-180°F范圍內(nèi)或更高的溫度。使用蝕刻箔的加熱帶的典型部件是用圖4和圖5表示的。優(yōu)選有頂部的絕緣層，但是為了看清楚在這兩個圖中頂部的絕緣層被移開。在某些方面，加熱帶在結(jié)構(gòu)上類似于上述的模塊式加熱器，而且用PTC帶構(gòu)成離散的區(qū)域同樣是可能的。但是，圖示的實施例具有在沿著加熱器的長度延伸的連續(xù)的帶子上的PTC元件。這些元件同樣可以被切割到適當(dāng)?shù)拈L度，而且不受用區(qū)域邊界作為優(yōu)選的切割區(qū)的限制。還有兩個供電母線12、14，為數(shù)眾多PTC加熱元件62在這兩個母線12、14之間被串聯(lián)連接在一起。PTC元件62擱在被一層已被蝕刻成留下傳導(dǎo)性通道68與串聯(lián)的PTC元件62連接的箔66覆蓋的襯底64上。已被并入這個優(yōu)選實施例的可選的特征是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)材料的涂層70。NTC材料在達(dá)到某個溫度范圍之前維持高電阻，并且在該點(diǎn)電阻迅速減少。因此，如果在這些加熱模塊元件中出現(xiàn)過熱部位，那么這個NTC涂層就被用作為轉(zhuǎn)移電流的安全旁路。使用沒有溫度系數(shù)響應(yīng)的材料也是可能的，但是它將僅僅在PTC層的溫度和電阻太高時通過提供電阻比較低的并聯(lián)的電流路徑起旁路的作用。圖5示出沿著圖4的5-5線截取的加熱器模塊的剖視圖。
如上所述，加熱帶60可以構(gòu)成模塊，并且再次把這些模塊連接在一起或者按任何長度切割模塊60是可能的。襯底64可以是絕緣的PTC帶以及其它的傳統(tǒng)材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是它可以用在類似240伏和480伏的高電壓下，因為在串聯(lián)起來裝置中彼此連接在一起的元件可以把電壓分配到不同的元件上，例如圖示的5個元件，所以每個元件將分別下降48伏或96伏。當(dāng)然，把單一的單元制備在作為獨(dú)立單元的經(jīng)蝕刻的箔的比較小的部分上是可能的。其它電子元器件可以被并入經(jīng)蝕刻的箔的設(shè)計，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是明顯的，而且這一切都是本發(fā)明所預(yù)期的。
圖6示出作為用符號100表示的同軸加熱器電纜的本發(fā)明的第四優(yōu)選實施例。該實施例是一種自動調(diào)節(jié)的加熱電纜，它具有在中心電極線和優(yōu)選呈多股接地外皮形式的外層電極線之間同心地分層的一層或最好是兩層的聚合物PTC材料。這種構(gòu)造類似標(biāo)準(zhǔn)的同軸電纜，但是PTC層實際上起與兩個電極并聯(lián)的電阻器延伸電路的作用。它具有在實現(xiàn)均衡狀態(tài)時提供非常迅速的響應(yīng)時間的優(yōu)點(diǎn)，并且能在非常低的電壓下操作。另外，通過線性的阻抗分析察覺線路中的短路也非常簡單。它也可以被輕易切割到適合應(yīng)用的長度，或者如同在模塊式實施例中那樣，不同的長度可以結(jié)合在一起做成合成的長度，通常用延長繩路可以被連接在一起的方法。本發(fā)明的額外優(yōu)點(diǎn)是由于具有圓形的橫截面所以與具有橢圓形或矩形的橫截面的電纜相比減少了電纜連接器系統(tǒng)的總體積。
中心電極102可以是被可能是擠塑成形的第一層正溫度系數(shù)(PTC)的半導(dǎo)體材料104包圍著的單芯線，或者最好是16 AWG鎳-銅的多股母線，盡管任何標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格都是可能的。然后被第二層高溫聚合物、最好是PTC材料或負(fù)溫度系數(shù)(NTC)材料或者更傳統(tǒng)的零-溫度系數(shù)(ZTC)材料106包圍著，該第二層本身又被作為優(yōu)選的等效的16 AWG鎳-銅編織物的第二電極108包圍著。最后作為一個整體被含氟聚合物或任何其它適當(dāng)?shù)耐獠拷^緣層110包圍著。再一次，不用彼此之間的適當(dāng)?shù)某叽珀P(guān)系描繪各層的相對厚度。層104、106還可以具有保證在第一層104和第二層106之間以及在第二層106和外層電極108之間具有良好的電接觸的可選的導(dǎo)電層(未示出)。
就某些應(yīng)用而言，補(bǔ)充性的接地編織物和最后的絕緣層可以加上去，使電纜實際上是三軸的。在這樣的三軸構(gòu)造中，有可能第一層PTC材料104同樣在內(nèi)層電極102和外層電極108之間，第二層106現(xiàn)在位于外層電極108和新的接地編織物(未示出)之間，而外部的絕緣層110包圍這一切。還可能是這樣，即接地線不采用編織線的形式，而是被技術(shù)上眾所周知的包裝線代替，但是在本發(fā)明中這種包裝線是以新穎的方法使用的。
這種同軸的加熱器電纜100也如同在野營裝備中發(fā)現(xiàn)的那樣非常好地適合在類似12伏或24伏那樣的低電壓下操作。對這些系統(tǒng)的供電可以由電池或類似的電源提供。
一些現(xiàn)有技術(shù)的電纜加熱器是用兩根與在其間的PTC材料并排的電極線這樣構(gòu)成的，以致整個橫截面是菱形的或橢圓形的。這樣的構(gòu)造限制橫截面尺寸比較大的方向的柔韌性。圓形的構(gòu)造在各個方向上具有良好的柔韌性。圓形橫截面使借助在橢圓形橫截面的現(xiàn)有技術(shù)的加熱電線的情況下不可能使用的傳統(tǒng)的剝線器剝線變得容易。圓形構(gòu)造還提供更均勻的加熱和溫度分布。在采用圓形橫截面的現(xiàn)有技術(shù)的加熱器當(dāng)中，大多數(shù)已有成螺旋形地卷繞在PTC層周圍的外層電極。這會導(dǎo)致加熱時沿著長度產(chǎn)生局部變化的不一致性和性能的不穩(wěn)定性。
人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在使用雙層的PTC材料時如果選擇正確通?？梢栽诓煌墓╇婋妷合略试S同樣的功率輸出的額外的優(yōu)點(diǎn)。通常，為了在使用小厚度的單層材料的情況在加熱電線中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)墓β仕?，該層材料的電阻率必須非常高，在每厘米的幾兆歐的范圍內(nèi)。但是，本發(fā)明的同軸加熱電纜100使用兩個電阻率大約為每厘米150,000歐姆的薄層。這兩個薄層104、106可以作為在內(nèi)層電極102和外層電極108之間形成分壓器的兩個串聯(lián)電阻器被模型化。在每個電阻器(薄層)中產(chǎn)生的功率等于電壓的平方除以電阻p＝V2/R。由于具有非常薄的第一層，通過給定體積的PTC材料流動的電流(電流密度)比在比較厚的層或厚度相等的外層中的電流密度高。這個電流密度引起溫度升高，而溫度上升又引起材料的電阻迅速增加(見電阻隨溫度變化圖，圖7)。材料的組成是這樣選定的，以致對于預(yù)期的電壓范圍而言，材料的行為將遵從曲線中電阻按指數(shù)形式增加的右側(cè)部分，事實上，比功率方程中的電壓的平方因子迅速得多。因此，當(dāng)?shù)谝浑娮杵?層)的電阻按指數(shù)形式向上沖時，在其兩端成比例的電壓相應(yīng)地增加，但是不像電阻那樣迅速。所以，功率不怎么增加。第二層也被加熱，但是具有比較低的電流密度，因此電阻增大的程度比較小。第一層當(dāng)然也給第二層加熱，并且最終(實際上，在第二層的一部分中)達(dá)到平衡。
如果使用的是單層，只要不使用厚度與本發(fā)明中的雙層合并后的厚度相當(dāng)?shù)膯螌覲TC材料，同樣的平衡過程就會發(fā)生，電流密度將非常小。材料將傾向于更多地按圖7的曲線的左邊區(qū)域行動，電阻的增加在速度上可以不超過電壓的增加，因此消耗的功率將比較高。功耗方面的這種變化在處理不同的電源時可能是不希望的。
這種變化的實際應(yīng)用是在使用供電電壓在12～240伏之間變動的加熱電纜的時候。當(dāng)前，在使用單層材料的加熱電纜必須為了在120伏的線路電壓而不是在240伏的電源下工作而采用不同的設(shè)計，因為每個設(shè)計都必須是為不同的電力使用范圍額定的。
反之，本發(fā)明的加熱電纜100在適當(dāng)?shù)剡x擇PTC層電阻的情況下可以與12伏、120伏和240伏的電源一起使用，因為當(dāng)?shù)谝粚?04的電阻按指數(shù)曲線中比較高的范圍內(nèi)操作時所使用的功率落在同樣的額定功率范圍內(nèi)。因此，一個產(chǎn)品可以代替兩個。
如同前面提到的那樣，第二層106可以是用NTC材料或零溫度系數(shù)(ZTC)材料制成的，在這種情況下電纜的功耗特征將是可進(jìn)一步利用的。這種組合的一個優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)NTC或ZTC層的電阻比PTC層高的時候，電路的總電阻是高的，它限制首先沖入電路的初始電流。所以，與這樣的電路一起使用的電路保護(hù)器具有比較小的額定值。
電纜可以由各種各樣的方法制作。這些層可以是擠壓成形的，或者是通過浸泡電線或噴涂形成的。
這些同軸加熱電纜有很多用途。它們具有工業(yè)用途防止管道、上下水管線和容器凍結(jié)；鋪設(shè)取暖地板；使排水管、溢流罐升溫；以及維持熱水和蒸汽管道的溫度。此外，它們可以被用于除去房頂和水槽上的冰。它們還可以在材料的溫度必須被維持在某個范圍以維持它們的粘度和流動特征的場合被用于維持管道溫度。
本發(fā)明的第五個優(yōu)選實施例是利用一個或多個PTC、NTC或ZTC元件的可復(fù)原的保險絲。如果使用的是PTC元件，該元件被串聯(lián)在待保護(hù)的電路中。于是，當(dāng)電流增大時，溫度升高，從而使電阻增加到該元件起斷開電路的作用的點(diǎn)，于是關(guān)閉電源。在溫度降低之后，電阻也減少，于是保險絲“復(fù)原”，以便允許再一次操作。如果使用的是NTC材料，該元件與電路并聯(lián)，以致隨著元件變熱，電阻下降，于是電流繞過電路被分流，因此關(guān)閉它。
這種類型的保險絲目前優(yōu)選的實施例是沉積在諸如蝕刻箔或帶植入的電觸點(diǎn)的絕緣材料之類的襯底上的一層PTC或NTC材料?？蓮?fù)原的保險絲的一大優(yōu)點(diǎn)是由于它是可復(fù)原的，所以在被觸發(fā)之后不需要更換。因此，它可以作為完整的元件裝入電路，并且可以在物理上被定位于PC板、經(jīng)蝕刻的箔電路、甚至地下電纜上的通常難接近的區(qū)域。本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是因為PTC層比較薄，所以其升溫非常迅速。因此，元件的響應(yīng)時間可以非常短，只有千分之幾秒。
在操作電子裝備或電路時，電壓峰值是常見的。正如電流峰值通過機(jī)械和材料的正常操作被引入那樣，電壓峰值也被引入并且需要受到控制。某些裝置或電路可能需要針對電流峰值和電壓峰值的保護(hù)措施。與裝置串聯(lián)的PTC器件在大電流通過它時起熱激活保險絲的作用。盡管響應(yīng)時間相當(dāng)快，但是對于轉(zhuǎn)瞬即逝的電壓峰值它可能太慢，以至于無所適從。相比之下，對電壓變化敏感的新材料即電壓敏感材料(VSM)可能動作非常迅速，在毫微秒范圍內(nèi)，因此可以在PTC器件不能單獨(dú)提供電壓峰值保護(hù)的場合提供電壓峰值保護(hù)。所以，同時使用PTC元件和VSM元件為裝置或電路提供兩種類型的保護(hù)可能是合乎需要的。VSM材料通常是通過把諸如氧化鋁或氧化鋅之類的金屬氧化物引入如同在PTC材料中使用的那些聚合物材料生產(chǎn)的。
因此，參照圖8，可復(fù)原的保險絲元件120的另一種保護(hù)性的應(yīng)用可以是VSM元件124被置于與和被保護(hù)電路126串聯(lián)的PTC元件122并聯(lián)的場合。PTC元件122將保護(hù)電路126免受太高的電流的影響。在達(dá)到電壓極限時VSM 124的電阻擊穿，并且作為分流器起作用，從而切斷流向PTC元件122和被保護(hù)電路126的電流。與電路并聯(lián)，它將不妨礙電路的正常操作，并且通常具有這樣高的電阻，以致它起開路的作用。類似的配置在上文中關(guān)于使用NTC材料作為分路的討論中曾經(jīng)出現(xiàn)過，但是，再一次由于NTC器件的響應(yīng)是以熱響應(yīng)為基礎(chǔ)的，響應(yīng)時間將比VSM材料所能實現(xiàn)的慢很多。
VSM還可以用通過添加諸如鋁、鋅之類的金屬具有導(dǎo)電性的聚合物制作。VSM元件可以被做得非常薄，千分之幾英寸厚，并且可以是為任何電壓和電阻范圍而設(shè)計的。VSM器件也作為“可復(fù)原的開關(guān)”。和PTC材料一樣，可能有幾種加工方法。如果以聚合物為基礎(chǔ)，為了涂在芯片上，材料可以被擠出、擠出涂覆或溶劑涂覆，或者被做成糊狀。在同一塊芯片上通過受掩膜控制的沉積在膜層中包括PTC和VSM兩種材料也是可能的。采用這種構(gòu)造的兩種類型的元件是特別有用的，因為它們很容易被包括在作為受保護(hù)電路的襯底上，并且由于它們不必拆除或更換所以它們可以在制作PC板時被集成為一體。
除了上述的實例之外，前面揭示的本發(fā)明的裝置的各種其它改進(jìn)實施例和替代實施例可以在不離開本發(fā)明精神的情況下得以完成。工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明的模塊式加熱器和可復(fù)原的保險絲非常適合在各種工業(yè)、制造業(yè)和家庭的應(yīng)用中使用。
有很多需要像用加熱裝置卷繞管道閥門那樣的卷繞不規(guī)則物體的應(yīng)用。這些應(yīng)用中有許多應(yīng)用也需要在使用的加熱器材料的數(shù)量和形狀方面的更多的靈活性。因此，非常需要將自動調(diào)節(jié)的加熱器設(shè)計成模塊式，以使特定長度的材料可以被結(jié)合起來變成更長的長度，另外，也需要長度能夠被剪裁成比較短的長度，當(dāng)然這要在不損失功率或加熱能力的情況下進(jìn)行。
有很多必須將材料維持在500-600華氏度的高溫下的應(yīng)用。這樣的應(yīng)用包括使瀝青和硫磺維持在液體狀態(tài)。如果這些材料能夠保持熔融狀態(tài)，那么它們就可以流過管道，因此很容易把它們輸送到使用工位。但是，在管道輸送這些材料時遇到的困難是在材料被迫通過未經(jīng)加熱的管道流動時所經(jīng)歷的熱損失。由這些管道造成的熱損失相當(dāng)大，從而引起材料固化和阻礙材料的流動。
本發(fā)明的第一實施例10提供能夠被制成一系列能夠被連接在一起近乎覆蓋任何管道長度并且能夠為了進(jìn)一步適應(yīng)管道的中間長度而對長度進(jìn)行修整和提供密封的修整末端的模塊30的非常柔軟的高溫加熱器。為了卷繞諸如閥門、三通和法蘭盤之類的管道零件，可以設(shè)計特殊的模塊部件。本發(fā)明的第一實施例的一種類型是能夠安裝在管道閥門上的模塊式閥門加熱器40。閥門加熱器40可以被設(shè)計成一般的“U”字形，它可以用U的狹縫41在閥桿周圍滑動。然后，側(cè)翼42、44可以卷繞在管道或閥門的周圍并且在管道或閥門的底部連接起來。前面揭示的模塊式設(shè)計還可以被用于低溫應(yīng)用，例如防止水管在冬天凍結(jié)。在此情況下，比24伏低得多的電壓可以被使用，而且各種加熱電線材料都可以被使用，其中包括具有正溫度系數(shù)(PTC)的聚合物。這樣的PTC材料可以作為自動限溫的加熱器，因為PTC材料將隨著溫度增加其電阻率。這樣，隨著溫度升高，加熱器的電阻增大，于是電流減小，直到達(dá)到平衡溫度為止。低電壓的加熱器在像“區(qū)域0”和“區(qū)域1”那樣的有危險的或揮發(fā)性的材料存在的場合是特別有用的。
聚合物PTC材料對于像包裹管道那樣的應(yīng)用是特別有用的，因為它們比以前可利用的剛性模塊柔軟得多。另外，已被制成同軸電纜的PTC材料可以通過在某個區(qū)域內(nèi)來回編織作為加熱元件使用。
因此，第二優(yōu)選實施例40是用聚合物PTC材料作為跨接母線并聯(lián)的加熱元件的自動調(diào)節(jié)的模塊式加熱器。同樣，模塊部件可以連接起來形成任何長度的電纜，而且每個模塊都可以在加熱區(qū)域的任何邊界被修整到適當(dāng)?shù)拈L度。PTC加熱器在襯底上蜿蜒盤繞，該襯底最好是諸如玻璃棉、泡沫塑料之類的柔軟的絕緣體，尤其是在絕緣包裝的內(nèi)側(cè)和外側(cè)有反射表面的絕緣體即市場上叫做Astrofoil或Reflectex的材料。Astrofoil是合乎需要的，因為它不僅減少輻射熱損失，而且可以提供良好的絕熱和防潮壁壘。這種加熱器在適當(dāng)?shù)奈恢糜脦ё踊蛳道K固定在襯底上。然后，將其與一層或多層鋁、鋁/聚酯薄膜或任何其它傳導(dǎo)性/絕緣性的復(fù)合材料一起層壓。
如上所述，這些模塊式加熱器可以被用于給管道等加熱，還可以被用于使褥墊或外傷覆蓋物升溫，或者在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用。這些裝置可以是為小功率用途(12伏，等等)設(shè)計的，在這種場合電力是由電池提供的。因此，它們對于沒有線路電壓可用的應(yīng)急裝置或野營應(yīng)用是非常有用的。
本發(fā)明的第三個優(yōu)選實施例是利用已被層壓到經(jīng)蝕刻的箔層上的PTC形成加熱帶60的加熱器裝置。使用這種裝置，可以產(chǎn)生1/4～2瓦/平方英寸或更高的功率水平，從而產(chǎn)生在110°F-180°F范圍內(nèi)或更高的溫度。
本發(fā)明的第四個優(yōu)選實施例是同軸加熱電纜100。該實施例是自動調(diào)節(jié)的加熱電纜，它具有在中心電極線和優(yōu)選呈多股接地外皮形式的外部電極線之間被同心地分層的一層或最好是兩層聚合物PTC材料。這種構(gòu)造類似于標(biāo)準(zhǔn)的同軸電纜，但是，PTC層實際上作為與兩個電極并聯(lián)的擴(kuò)展電阻器電路。它在為了實現(xiàn)均衡狀態(tài)提供非常迅速的響應(yīng)時間方面具有優(yōu)勢，并且能在非常低的電壓下操作。通過線性的電阻分析察覺線路中的短路也非常容易。它還可以被輕易地切割到適合應(yīng)用的長度。
該方面的實際應(yīng)用是在用120伏和240伏供電的加熱器電纜的使用中。當(dāng)前，在使用單層材料的加熱電纜必須為在120伏線路電壓而不是在240伏電源下而采用不同的設(shè)計，因為每個設(shè)計都必須額定不同的電力使用范圍。
反之，本發(fā)明的加熱電纜100可以在120伏和240伏兩種供電的情況下被使用，因此一種產(chǎn)品可以代替兩種產(chǎn)品。
這些同軸加熱電纜具有很多用途。它們具有工業(yè)用途防止管道、上下水管線和容器凍結(jié)；鋪設(shè)取暖地板、使排水管、溢流罐升溫；以及維持熱水管道和蒸汽管道的溫度。另外，它們可以被用于房頂和水槽的除冰。它們還可以在材料溫度需要被維持在某個范圍內(nèi)以使它們的粘度和流動性能得以維持的場合被用于維持溫度。
本發(fā)明的第五個優(yōu)選實施例是利用一個或多個與電壓敏感材料(VSM)124相結(jié)合PTC、NTC或ZTC元件122的可復(fù)原的保險絲120。在操作電子裝備或電路時，電壓峰值是常見的。正如電流峰值通過機(jī)械和材料的正常操作被引入那樣，電壓峰值也被引入并且需要受到控制。某些裝置或電路可能需要針對電流和電壓峰值的保護(hù)措施。PTC元件122在與裝置串聯(lián)時作為熱激活保險絲在大電流通過它時起作用。盡管響應(yīng)時間相當(dāng)快，但是對于轉(zhuǎn)瞬即逝的電壓峰值它可能還是太慢，以至于無所適從。相比之下，對電壓變化敏感的新材料——電壓敏感材料(VSM)能夠在毫微秒范圍內(nèi)非常迅速地動作，因此可以在PTC器件單獨(dú)使用無能為力的場合提供電壓峰值保護(hù)。
因此，可復(fù)原的保險絲元件的另一個保護(hù)性應(yīng)用可以是VSM元件124與和被保護(hù)電路126串聯(lián)的PTC元件122并聯(lián)。PTC元件122將保護(hù)電路126免受太高的電流的影響。VSM 124的電阻在達(dá)到電壓極限時擊穿，于是作為分流器，切斷流向PTC元件122和被保護(hù)電路126的電流。
因此，就本發(fā)明的各種實施例而言在應(yīng)用方面有相當(dāng)大的變化。由于上述和其它理由，可以預(yù)計本發(fā)明的各種模塊式加熱器和可復(fù)原的保險絲將具有廣泛的工業(yè)實用性。所以，本發(fā)明的商業(yè)應(yīng)用將是規(guī)模巨大的和持久的。
盡管各種實施例已在前面予以描述，但是應(yīng)該理解它們僅僅是為了舉例說明而不是作為限制被提出的。這樣，優(yōu)選實施例的廣度和范圍不應(yīng)該受前面描述的任何示范實施例的限制，而應(yīng)該按照權(quán)利要求及其等同物來限定。
權(quán)利要求
1.一種加熱元件，包括第一母線；第二母線；眾多接在所述的第一和第二母線之間并且在所述的第一和第二母線之間形成眾多并聯(lián)電路的柔軟的電熱絲；以及所述的柔軟的電熱絲被包含在并聯(lián)區(qū)域范圍內(nèi)構(gòu)成模塊，所述模塊在這些并聯(lián)區(qū)域的邊界都是可連接和可拆開的，以使加熱元件的總長度可以改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中所述的電熱絲由鎳合金組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中所述的電熱絲的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格在0.001-0.01英寸范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中所述的電熱絲被置于選自云母、玻璃、玻璃棉、Astrofoil，Reflectex、鋁和聚酯薄膜的襯底上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中所述的加熱元件進(jìn)一步包括護(hù)套。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加熱元件，其中所述的護(hù)套由選自云母、玻璃、玻璃棉、Astrofoil、Reflectex、鋁和聚酯薄膜的材料組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中所述的加熱元件被設(shè)計成“U”形，以便裝配在管閥上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中所述的電熱絲可以被加熱到1,200華氏度的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中所述的加熱元件可以卷繞在1/2英寸直徑的導(dǎo)管周圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱元件，其中所述的加熱元件是自動限溫的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的加熱元件，其中所述的電熱絲是由PTC聚合物材料制成的。
12.一種自動調(diào)節(jié)的加熱元件，包括第一電極；第二電極；眾多PTC加熱元件；以及至少一條插在兩個所述的PTC加熱元件之間的傳導(dǎo)性通道，所述的PTC加熱元件和所述的傳導(dǎo)性通道交替排列在所述的第一和第二電極之間形成串聯(lián)電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自動調(diào)節(jié)的加熱元件，其中所述的第一和第二電極作為延長加熱元件長度的母線；所述的PTC加熱元件和所述的傳導(dǎo)性通道以交替的條狀物的形式平行于所述的母線自然地延伸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的自動調(diào)節(jié)的加熱元件，其中所述的PTC和所述的傳導(dǎo)性通道的條狀物都被安裝到各個區(qū)域中。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的自動調(diào)節(jié)的加熱元件，其中所述的PTC和所述的傳導(dǎo)性通道的條狀物延長加熱元件的長度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自動調(diào)節(jié)的加熱元件，其中所述的加熱元件是在襯底上形成的。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自動調(diào)節(jié)的加熱元件，其中所述的傳導(dǎo)性通道是用經(jīng)過蝕刻的箔層制成的。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自動調(diào)節(jié)的加熱元件，其中所述的加熱元件包括NTC材料的涂層。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自動調(diào)節(jié)的加熱元件，其中所述的加熱元件包括ZTC材料的涂層。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的自動調(diào)節(jié)的加熱元件，其中所述的加熱元件長度可以連續(xù)變化。
21.一種自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，包括第一電極；第二電極；插在所述的第一電極和所述的第二電極之間的第一層PTC材料；以及插在所述的第一電極和所述的第二電極之間的第二層材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二層也是PTC材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二層是NTC材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二層是ZTC材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，其中所述的第一和第二層以及所述的第二電極都是與所述的第一電極同心的。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，其中所述的第一電極是接地線。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二電極是接地線。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二電極是編織線。
29.根據(jù)權(quán)利要求21的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二電極是包皮線。
30.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，進(jìn)一步包括絕緣層。
31.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，進(jìn)一步包括第三層和第三電極。
32.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，該裝置被用于12伏到240伏的電源。
33.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，該裝置的長度可以連續(xù)變化。
34.根據(jù)權(quán)利要求21所述的自動調(diào)節(jié)的加熱裝置，該裝置被配置成可連接并且可拆開的模塊，以使加熱裝置的總長度可以改變。
35.一種為被保護(hù)元件提供電壓峰值保護(hù)的可復(fù)原的保險絲，包括與被保護(hù)元件并聯(lián)的電壓敏感材料的元件。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的可復(fù)原的保險絲，進(jìn)一步包括至少一個與被保護(hù)元件串聯(lián)的PTC。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的可復(fù)原的保險絲，其中被保護(hù)的元件是電路板，而所述的電壓敏感材料和PTC材料都被放在所述的電路板的某些部位上。
全文摘要
加熱元件(10)具有第一母線(12)和第二母線(14)和接在第一和第二母線(12、14)之間的眾多柔軟的電熱絲(16),柔軟的電熱絲(16)被包含在并聯(lián)區(qū)域(30)范圍內(nèi),以便構(gòu)成可以連接在一起或者切成規(guī)定的長度從而使加熱元件(10)的總長度可以變化的模塊(31)。加熱元件可以是自動調(diào)節(jié)的。自動調(diào)節(jié)的加熱元件(60)也具有眾多在PTC加熱元件(62)和至少一條插在兩個PTC加熱元件之間并且在所述的第一和第二母線(12、14)之間形成串聯(lián)電路的傳導(dǎo)性通道(68)。另外,自動調(diào)節(jié)的加熱裝置(100)具有第一和第二層材料(104、106),其中至少有一層是插在第一電極(102)和第二電極(108)之間的PTC材料。另外,為被保護(hù)元件提供電壓峰值保護(hù)的可復(fù)原的保險絲(120)具有與被保護(hù)元件并聯(lián)的電壓敏感材料的元件(124)。
文檔編號H05B3/60GK1360810SQ00810278
公開日2002年7月24日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月14日
發(fā)明者烏門什·索波里 申請人:阿蘇克技術(shù)有限責(zé)任公司