專利名稱：電加熱裝置和可復原的保險絲的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及加熱裝置和可復原的保險絲，更具體地說涉及柔軟的加熱器和使用正溫度系數(PTC)、負溫度系數(NTC)的材料和/或電壓敏感材料(VSM)為電路或裝置提供電流和電壓保護的保險絲裝置。
背景技術：
迄今已有一些制作柔軟的自動調節(jié)的加熱元件的早期嘗試。授權給Smuckler的美國專利第4,668,857號、授權給Kisimoto的美國專利第4,503,322號、授權給Jansens的美國專利第5,558,794號、授權給Ishi的美國專利第4,742,212號、授權給Yamamoto的美國專利第4,661,690號和授權給Farkas的美國專利第4,200,973號揭示了呈電纜形式的各種類型的加熱器。如同在Smuckler的

圖1中描繪的實施例那樣，一些加熱器具有并排的構造，這種構造不是在所有的方向上等同地柔軟。此外，使用PTC材料的加熱器作為自動調節(jié)的裝置通常必須采用不同的設計以滿足在120伏線路電壓下而不是在240伏線路電壓下工作的要求。因此，需要有能夠與這樣的兩種電源一起使用的加熱絲電纜。
另外，自動調節(jié)的加熱器已經在如同授權給Batliwalla的美國專利第4,777,351號、授權給Triplett的美國專利第4,700,054號和授權給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用，在這些應用中需要包裹不規(guī)則的物體。這些應用中有許多應用還需要在所使用的加熱材料的數量和形狀方面具有相當高的靈活性。因此，非常需要的是采用模塊式設計自調節(jié)加熱器，以使特定長度的加熱器材料可以結合在一起形成更長的長度，當然，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)域中進行修整。這允許長度按這些區(qū)域長度的倍數變化，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節(jié)的模塊式加熱器的嘗試。授權給Whitney的美國專利第4,638,150號和授權給Johnson的美國專利第4,072,848號都給出了具有自調節(jié)元件并且可以當作模塊的加熱器。這些加熱模塊通常是剛性的，并且如果它們全是可修整的，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，所以預計它的應用將受到限制。
PTC元件在授權給Gronowicsz的美國專利第5,796,569和5,818,676號、授權給Styma的美國專利第5,682,130號、授權給Thrash的美國專利第5,801,914號和授權給Yoshioka的美國專利第5,495,383號中也已經被用作可復原的保險絲。這些保險絲將保護電路免受太高電流的影響，但是對于PTC的響應時間可能太慢的電壓峰值將只提供微不足道的保護。因此，有必要提供能夠保護電路免受電壓峰值的影響的可復原的保險絲。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠在高溫下操作、具有能適應不規(guī)則物體的形狀的柔軟性、并且能夠卷繞在管道上的模塊式的或者長度長的加熱器。
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、導管和小容器周圍的柔軟的模塊式自調節(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置式安全保護的加熱器。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種在電路保護中使用的用一層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材料的可復原的保險絲。它也可以用VSM為被保護電路提供電壓峰值保護。
本發(fā)明的高溫型模塊式加熱器的優(yōu)點之一是它可以在保持諸如硫磺和瀝青之類的材料在供應導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。
自調節(jié)型模塊式加熱器的另一個優(yōu)點是它們也非常柔軟，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。
蝕刻箔加熱器的進一步的優(yōu)點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，以便提供加熱器區(qū)。
同軸電纜加熱器的另一個優(yōu)點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立的供電范圍提供一條獨立的生產線。
可復原的保險絲的還進一步的優(yōu)點是它可以用單層的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)點對于本領域技術人員來說將是明顯的。
附圖簡要說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點通過下面結合附圖的詳細描述將變得明顯，其中圖1所示為本發(fā)明的高溫型模塊式的或者長度長的加熱器的俯視平面部分，示出三個加熱區(qū)域；圖2所示為沿著圖1中的2-2線截取的本發(fā)明的加熱器模塊的剖面圖；圖3所示為在導管和閥門上安裝本發(fā)明的三個模塊式加熱器的方法的透視圖，示出作為模塊之一的專用閥門裝置；圖4所示為本發(fā)明的蝕刻的箔加熱帶的部分，其中頂部絕緣層被全部拆除；圖5所示為沿著5-5線截取的圖4的的蝕刻的箔加熱器的剖面圖；圖6用透視圖示出本發(fā)明的同軸的加熱器電纜；
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的可復原的保險絲的電路示意圖。
本發(fā)明的詳細實施例本發(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。
很多應用要求材料必須被維持在500-600華氏度的高溫下。這樣的應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材料被迫流過未加熱的管道時將經歷的熱損失。這些管道的熱損失可能相當大，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，但是大多數能夠達到適當的溫度范圍的加熱器通常都不是非常柔軟的。曾經制造過的柔軟程度足以卷繞管道的為數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，但是，施加的熱量離均勻一致還差得遠，而且不可避免地存在冷點，在這些冷點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復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傾向于凍結。
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的長度進行修整形成密封的修整末端以進一步適應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最好是標準規(guī)格可以非常狹窄(在0.003-0.005英寸范圍內)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1200°F的溫度，而且具有出色的柔韌性，尤其是在狹窄的標準規(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)域長度的任何倍數的長度?，F(xiàn)在優(yōu)選的區(qū)域長度是1.5英尺，但是這當然要受多種變化的影響，并且可以輕易地為特定的應用定制。絕緣套可以變化，例如，具有多層玻璃26和云母28，這取決于應用和施加的電壓。為了提供防潮保護，這些加熱器可以進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最好是按標準長度制造的，它們可以首尾相接地結合在一起，或許用標準的連接件。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，可以設計特殊的模塊部件。圖3示出一種準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4e通?？梢员辉O計成“U”形，用U形狹縫41在閥桿周圍滑行。然后，側翼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)點是由于加熱元件是在比較大的表面區(qū)域范圍內前后編織而成的，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生數量更大的瓦特數?，F(xiàn)有技術的模塊式加熱器如同在授權給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，但是總體結構不是非常柔軟的。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。
當然，也有模塊式加熱器10可以作為平片使用的很多應用，而且它們顯然不局限于把它們卷繞到管道上的應用。
前面揭示的模塊式設計還可以被用于類似防止水管在冬天凍結的低溫應用。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(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，當溫度增加時，加熱器的電阻增加，于是電流減小，直到達到平衡溫度為止。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的PTC材料之外，還有具有負溫度系數(NTC)的材料和全然沒有響應被稱作零溫度系數(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晶聚合物為基礎的。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的長度。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/聚酯薄膜的復合材料或任何其它傳導性/絕緣性的復合材料一起層壓。
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)學應用中。這些裝置可以是為用電池供電的低功率(例如12伏)的用途設計的。因此，它們對于沒有線路電壓可利用的應急裝置或野營應用是非常有用的。
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生1/4～2瓦/平方英寸或更高的功率水平，因此可以產生在110°F-180°F范圍內或更高的溫度。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，加熱帶在結構上類似于上述的模塊式加熱器，而且用PTC帶構成離散的區(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的長度，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溫度系數(NTC)材料的涂層70。NTC材料在達到某個溫度范圍之前維持高電阻，并且在該點電阻迅速減少。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涂層就被用作為轉移電流的安全旁路。使用沒有溫度系數響應的材料也是可能的，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。當然，把單一的單元制備在作為獨立單元的經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蝕刻的箔的設計，這對于本領域技術人員來說將是明顯的，而且這一切都是本發(fā)明所預期的。
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。這種構造類似標準的同軸電纜，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時間的優(yōu)點，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(PTC)的半導體材料104包圍著的單芯線，或者最好是16 AWG鎳-銅的多股母線，盡管任何標準規(guī)格都是可能的。然后被第二層高溫聚合物、最好是PTC材料或負溫度系數(NTC)材料或者更傳統(tǒng)的零-溫度系數(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的外部絕緣層110包圍著。再一次，不用彼此之間的適當的尺寸關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電層(未示出)。
就某些應用而言，補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。在這樣的三軸構造中，有可能第一層PTC材料104同樣在內層電極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成的，以致整個橫截面是菱形的或橢圓形的。這樣的構造限制橫截面尺寸比較大的方向的柔韌性。圓形的構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)有技術的加熱器當中，大多數已有成螺旋形地卷繞在PTC層周圍的外層電極。這會導致加熱時沿著長度產生局部變化的不一致性和性能的不穩(wěn)定性。
人們已經發(fā)現(xiàn)在使用雙層的PTC材料時如果選擇正確通常可以在不同的供電電壓下允許同樣的功率輸出的額外的優(yōu)點。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生適當的功率水平，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。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，以致對于預期的電壓范圍而言，材料的行為將遵從曲線中電阻按指數形式增加的右側部分，事實上，比功率方程中的電壓的平方因子迅速得多。因此，當第一電阻器(層)的電阻按指數形式向上沖時，在其兩端成比例的電壓相應地增加，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的單層PTC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計，因為每個設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在適當地選擇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，因為當第一層104的電阻按指數曲線中比較高的范圍內操作時所使用的功率落在同樣的額定功率范圍內。因此，一個產品可以代替兩個。
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(ZTC)材料制成的，在這種情況下電纜的功耗特征將是可進一步利用的。這種組合的一個優(yōu)點是當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；鋪設取暖地板；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)在待保護的電路中。于是，當電流增大時，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，于是關閉電源。在溫度降低之后，電阻也減少，于是保險絲“復原”，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的絕緣材料之類的襯底上的一層PTC或NTC材料。可復原的保險絲的一大優(yōu)點是由于它是可復原的，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)點是因為PTC層比較薄，所以其升溫非常迅速。因此，元件的響應時間可以非常短，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。盡管響應時間相當快，但是對于轉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，因此可以在PTC器件不能單獨提供電壓峰值保護的場合提供電壓峰值保護。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的。
因此，參照圖8，可復原的保險絲元件120的另一種保護性的應用可以是VSM元件124被置于與和被保護電路126串聯(lián)的PTC元件122并聯(lián)的場合。PTC元件122將保護電路126免受太高的電流的影響。在達到電壓極限時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于使用NTC材料作為分路的討論中曾經出現(xiàn)過，但是，再一次由于NTC器件的響應是以熱響應為基礎的，響應時間將比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計的。VSM器件也作為“可復原的開關”。和PTC材料一樣，可能有幾種加工方法。如果以聚合物為基礎，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)應用本發(fā)明的模塊式加熱器和可復原的保險絲非常適合在各種工業(yè)、制造業(yè)和家庭的應用中使用。
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)則物體的應用。這些應用中有許多應用也需要在使用的加熱器材料的數量和形狀方面的更多的靈活性。因此，非常需要將自動調節(jié)的加熱器設計成模塊式，以使特定長度的材料可以被結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，當然這要在不損失功率或加熱能力的情況下進行。
有很多必須將材料維持在500-600華氏度的高溫下的應用。這樣的應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加熱的管道流動時所經歷的熱損失。由這些管道造成的熱損失相當大，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一步適應管道的中間長度而對長度進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計還可以被用于低溫應用，例如防止水管在冬天凍結。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(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的長度。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側和外側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。這種加熱器在適當的位置用帶子或系繩固定在襯底上。然后，將其與一層或多層鋁、鋁/聚酯薄膜或任何其它傳導性/絕緣性的復合材料一起層壓。
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)學應用中使用。這些裝置可以是為小功率用途(12伏，等等)設計的，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急裝置或野營應用是非常有用的。
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，可以產生1/4～2瓦/平方英寸或更高的功率水平，從而產生在110°F-180°F范圍內或更高的溫度。
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。這種構造類似于標準的同軸電纜，但是，PTC層實際上作為與兩個電極并聯(lián)的擴展電阻器電路。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用的長度。
該方面的實際應用是在用120伏和240伏供電的加熱器電纜的使用中。當前，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計，因為每個設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，因此一種產品可以代替兩種產品。
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；鋪設取暖地板、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相結合PTC、NTC或ZTC元件122的可復原的保險絲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。盡管響應時間相當快，但是對于轉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非常迅速地動作，因此可以在PTC器件單獨使用無能為力的場合提供電壓峰值保護。
因此，可復原的保險絲元件的另一個保護性應用可以是VSM元件124與和被保護電路126串聯(lián)的PTC元件122并聯(lián)。PTC元件122將保護電路126免受太高的電流的影響。VSM 124的電阻在達到電壓極限時擊穿，于是作為分流器，切斷流向PTC元件122和被保護電路126的電流。
因此，就本發(fā)明的各種實施例而言在應用方面有相當大的變化。由于上述和其它理由，可以預計本發(fā)明的各種模塊式加熱器和可復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該受前面描述的任何示范實施例的限制，而應該按照權利要求及其等同物來限定。
權利要求
1.一種自動調節(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。
2.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二層也是PTC材料。
3.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二層是NTC材料。
4.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二層是ZTC材料。
5.根據權利要求1所述的自動調節(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。
6.根據權利要求1的自動調節(jié)的加熱裝置，其中所述的第一電極是接地線。
7.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二電極是接地線。
8.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二電極是編織線。
9.根據權利要求1的自動調節(jié)的加熱裝置，其中所述的第二電極是包皮線。
10.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，進一步包括絕緣層。
11.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，進一步包括第三層和第三電極。
12.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，該裝置被用于12伏到240伏的電源。
13.根據權利要求1所述的自動調節(jié)的加熱裝置，該裝置的長度可以連續(xù)變化。
14.根據權利要求1所述的自動調節(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。
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，以便構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節(jié)的。自動調節(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)電路的傳導性通道(68)。另外，自動調節(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，為被保護元件提供電壓峰值保護的可復原的保險絲(120)具有與被保護元件并聯(lián)的電壓敏感材料的元件(124)。
文檔編號H05B3/60GK1525794SQ200310101820
公開日2004年9月1日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權日1999年5月14日
發(fā)明者烏門什·索波里, 烏門什 索波里 申請人:阿蘇克技術有限責任公司