CN103250464A - 用于制造柔性加热器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造柔性加热器的方法，所述柔性加热器包括封闭在两个电绝缘塑料材料片中的电阻轨道，所述轨道包括与电线连接的电连接部；该方法包括以下步骤：-将电阻轨道封闭在两个电绝缘塑料材料的片中；-将电线连接到电阻轨道的电连接部；-将开放的模具放置在连接区的周围；-将液体铸塑调配物注入所述模具；-使所述组合物固化；-拆除模具。

Description

用于制造柔性加热器的方法
本申请涉及一种用于制造柔性加热器的方法。本申请还涉及这种加热器在尿素箱中、更具体地在用于该尿素箱的基板中/上的使用。
针对车辆和载重汽车排放的法规尤其要求减小氮氧化物NOx向大气中的排放。实现此目的的一种已知途径是采用SCR(选择性催化还原)法，该方法通过将还原剂(通常是氨)注入排气管路而实现还原氮氧化物。该氨可由氨前驱体溶液的热分解而获得，其中该溶液的浓度可以是共晶浓度。这种氨前驱体通常是尿素溶液。
就SCR法而言，以优化效率在燃烧期间在发动机内所产生的高水平NOx在离开发动机时在催化剂中被处理。该处理要求以精确浓度使用非常高质量的还原剂。因此对该溶液进行准确计量再将其注入排气流中，该溶液在将氮氧化物(NOx)转变成氮气(N2)和水(H20)之前在排气流中被水解。
为了达到此目的，必须给车辆装备容纳添加物(通常为尿素)溶液的箱、以及用于对期望量的添加物进行计量并将其注入排气管路的装置。
由于通常用于此目的的尿素水溶液(共晶的32.5重量%尿素溶液)在-11℃下发生冻结，因而必须提供加热装置，使得如果在严寒状态下起动，能够使该溶液液化以便能够将该溶液注入排气管路。
以本申请人名义的专利申请WO 2008/138960描述了一种具有一体化加热元件的尿素箱和基板。该一体化加热元件包括至少一个柔性加热部件。优选地，该柔性部件是柔性加热器，也就是说该柔性部件包括插在两个柔性膜之间或者附着到柔性膜的至少一个电阻轨道（resistive track）。通常，它被插在两个电绝缘片之间，这两个电绝缘片可以基于硅酮或者另一种耐尿素腐蚀的塑料材料(例如含氟聚合物)。
市售的这种加热器通常属于两种不同类型：要么其电阻轨道是金属线、要么它是通过对金属箔进行化学蚀刻所获得的金属托架(阵列)。在任何情况下，所述电阻轨道都是用于电性连接到外部电源，这通常是利用必须焊接到所述电阻轨道上的电线而完成。
US 5,444,228描述了这种柔性加热器，其中电阻轨道固定在PVC、聚酯、聚酰亚胺、硅酮等材料的两个片之间，并且其中连接条特别是通过电线的焊接而连接到电源。然而，此文件更多是针对家用电器，如电熨斗。因此，此文件并未解决电线连接的腐蚀防护问题，但这一问题确实存在于尿素与用于电阻轨道和焊接的常规导电金属的情形。
数家公司提供用于销售的柔性加热器，这些柔性加热器总体上讲是耐腐蚀的，包括它们的引线连接部。然而，除了保护材料可以是硫化的硅酮橡胶外，有关于引线连接部（lead wire connection）是如何实现腐蚀防护的信息却很少：例如参见可从互联网上获得的有关TEMPCO公司的硅酮橡胶柔性加热器的商业信息。此外，值得指出的是通常硅酮柔性加热器不使用于潮湿环境。
US 5,215,801涉及通过用粘稠的硅酮组合物实施包覆而保护电子器件(更具体地：电路板)，将该硅酮组合物浇涂于连接部上(即仅仅将该组合物放在连接部上并利用重力使其铺展)，其后使该组合物在高温下固化而变硬。
这种解决方案的弊端是浪费许多绝缘材料(因为绝缘材料不被限制在给定区域)以及固化时间较长，这使得这种方法对于较廉价材料(例如柔性加热器)而言从经济上考虑不可行。
本发明特别是旨在通过提供一种适合于保护工业规模柔性加热器的电连接部的方法而解决此问题，该方法是快速的且消耗较少的材料。
因此，本申请涉及一种用于制造柔性加热器的方法，该柔性加热器包括封闭在电绝缘塑料材料的两个片中的电阻轨道，所述轨道包括电线所连接的电连接部，该方法包括以下步骤：
-将电阻轨道封闭在电绝缘塑料材料的两个片中；
-将电线连接到电阻轨道的电连接部；
-将开放的模具放置在连接区的周围；
-将液体铸塑调配物注入所述模具；
-使所述组合物固化；
-拆除模具。
修饰语“柔性”实际上应被理解成表示“容易变形”，该变形通常是以可逆的方式进行。通常，这对应于低于4000N·m的抗弯刚度(其被定义为等于(Eh3)/(12(1-ν2)，其中E是依照ASTM D790-03标准所测量的柔性加热器的杨氏模量，h是该加热器的厚度，ν是该加热器组成材料的泊松比);优选地，在本发明的上下文中，柔性部件的刚度为小于或等于1000N·m、或者小于或等于100N·m、或者甚至小于或等于10N·m、最特别优选小于或等于1N·m。
根据本发明，术语“柔性加热器”意图是指包括放置在电绝缘塑料材料的两个片或膜(也就是说，两个大致平的载体，其材料和厚度使得其为柔性)之间的一个或多个电阻轨道的加热器。这些片是大致相似的或者甚至是相同的，并且它们优选地是由塑料制成(尽管任何其它绝缘材料也可能是合适的)，特别是由弹性体制成。在上面定义的抗弯刚度计算中，优选地将泊松比取为这些片或膜的组成材料的泊松比。
本发明的片可由任何合适的电绝缘塑料材料制成，如硅酮树脂、聚烯烃(聚乙烯或聚丙烯)、热塑性弹性体(或者说TPE)、聚酯、聚酰亚胺(例如
Figure BDA00003262279800031
树脂)等。鉴于聚酯和聚酰亚胺对尿素的耐性较低(尤其在高温下)的事实，这些片优选地基于硅酮、聚烯烃或TPE。优选地，这些片基于硅酮组合物，即由通式为RnSiXmOy(其中R是非反应性取代基，通常是Me或Ph，并且X是如H、OH、Cl或OR的官能团)的支化笼状低聚硅氧烷所构成的一种类型的硅酮材料。使这些基团进一步缩合以获得高度交联的不溶性聚硅氧烷网络。
通常是通过对各种硅酮前驱体进行水解缩合而制备硅酮树脂。可以使用利用过氧化物或催化剂(例如铂)而固化的、具有或不具有乙烯基位点的甲基硅酮、苯基甲基硅酮、或者氟化硅酮。可以添加填充剂、保护剂和着色剂以及任何其它成分(例如硅烷醇或缚酸剂)。
可从Fenner Precision公司购得硅酮片。
电阻轨道可以基于金属、碳等，或者甚至基于这些导电材料的组合。这些电阻轨道通常是金属的(最特别优选地是由耐尿素的金属例如不锈钢制成)。如果存在数个这种轨道，则优选地以并联的方式连接这些轨道，使得如果这些轨道中的一个轨道受损，不会妨碍其它轨道的工作。这里各电阻轨道包括电连接部(即较大表面积的部分)，从而允许将电线焊接到电连接部上。术语“线（wire）”应被广义地理解成表示通常具有细长的形状允许连接到电(能量)源的任何线、棒或其它导电装置。
该柔性加热器可包括数个叠置层的电阻(电阻轨道)。该柔性加热器也可包括在至少一侧上的玻璃纤维涂层，用以提升其机械强度。
在本发明的上下文中，夹在两个硅酮树脂片(其中一个片最后用玻璃纤维网络加以覆盖)之间的不锈钢电阻轨道给出了良好的结果。
优选地，本发明的柔性加热器包括至少两个电阻轨道，这两个电阻轨道相互交错(即相互交织)以便节省空间和材料。在本发明的范围之外，这一实施例也是有利的。
可利用任何已知技术制造该柔性加热器。一种给出良好结果的方法是将至少一个金属轨道夹在两个未固化的硅酮片之间，再对这两个硅酮片进行共硫化。
优选地，这两个硅酮片中的一个片具有孔，这些孔对应于电阻轨道的电连接部所在的位置。在一个优选实施例中(该实施例在本发明的范围之外也是有利的)，各电连接部(焊接区)和这些孔的相应尺寸和形状设计成使得，即使在层压期间发生了一些位移，在孔的整个表面上仍然有足够的焊接材料供利用。
优选地以某种其它方式来促进塑料片与电阻轨道之间的粘附，例如通过调整所述片的组成(使得它们包含粘附促进剂)以及/或者通过将胶粘剂涂布在轨道上。一种得出良好结果的方法(也独立于本发明)是：在金属轨道中设置穿孔(与电连接部所需的穿孔分开)，使得一旦将这些片与在这些片之间的轨道进行层压，就可实现机械锚固。在本实施例中，用电绝缘塑料材料填充这些穿孔，以便使电绝缘塑料材料的两个片相互连接。优选地，这些孔是微穿孔，其直径优选地小于1mm但至少等于用于蚀刻金属箔的酸的表面张力。这种(微)穿孔优选地存在于特别是焊接区，在该焊接区轨道比其它部位更宽/具有更大的表面积。
根据本发明，将电线连接到电阻轨道的暴露的(不被片覆盖，而是与其中的孔/开口相对应)电连接部。可以利用螺钉或其它具有导电性的机械固定装置、或者利用软钎焊（soldering）或硬钎焊（brazing）来实现此连接。利用软钎焊本发明得出了良好的结果。
根据本发明，利用液体铸塑(热固性树脂)组合物来保护该加热器的电连接部。可以用于本发明的合成树脂包括：聚氨酯树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、和硅酮树脂。优选地，它是硅酮树脂，更优选地，它是基于至少两种组分的硅酮组合物，这些组分在即将使用前，优选在将该组合物注入模具期间，加以混合。为了促进/引起热固化，优选地使用催化剂(例如铂催化剂)。得出良好结果的硅酮组合物是由ACC Silicones公司以商品名QSil218销售的组合物。如有需要，也可以利用光网化(photo-reticulation)来辅助化学网化。
一旦将电线连接到电阻轨道，则将开放的模具放在连接区的周围。优选地，以如下的方式来实现这一操作：在连接部周围限定密封的空间/空腔(实际上在密封部上面…)以便能够将液体铸塑组合物限制在此处直到该组合物发生固化(硬化)。
当然，该模具是“开放的”，这表示该模具包括用于注入液体组合物的开口，所述开口位于一个位置和/或可闭合使得可以实现所需密封性。
为了注入液体铸塑组合物，可能需要特定的装置(泵)，例如基于循环活塞原理（endless piston principle）的泵。可以将该泵的工作原理与循环活塞(蜗杆)进行比较，循环活塞（蜗杆）将制品从吸入端输送至排放端从而在此过程中形成压差。
通常，在加热区(烘箱)中进行铸塑组合物的固化，以便加速固化。根据所选择的产品，可以在室温下进行硫化(固化)。然而，为了加速所述固化，固化温度优选为至少50℃、更优选为至少80℃、通常不超过150℃、优选不超过120℃，从而防止加热器的退化。大约100℃的温度得出良好的结果。在高温下的固化时间优选为最多数分钟、优选为最多1分钟。就上述QSil218硅酮组合物而言，在100℃下的固化时间为大约1分钟。
就大规模/工业生产而言，可以当加热器在载架上时执行注入液体铸塑组合物以及使其固化的步骤，优选地调整固化的速度从而具有所要求的在烘箱中的固化时间。
本发明还涉及如上所述柔性加热器在尿素箱中，更具体地在尿素箱的基板中或基板上的使用。
为此目的，本发明涉及一种将柔性加热器连接到SCR模块(更具体地连接到SCR模块的尿素箱的基板)的方法；根据该方法，在将柔性加热器固定在尿素箱中或尿素箱上之前或之后，将已连接到加热器的电阻轨道且如上所述那样做了腐蚀防护的电线连接到车辆的电源。
术语“尿素”应被理解成表示任何含有尿素的溶液，通常是水溶液。利用共晶的水/尿素溶液本发明得出良好结果，该共晶溶液具有标准品质：例如根据标准DIN 70070，在
Figure BDA00003262279800061
溶液(尿素的商品溶液)的情况下，尿素含量是在31.8%和33.2%(重量)(即32.5+/-0.7重量%)之间，因此氨的可用量在18.0%和18.8%之间。本发明也可应用于尿素/甲酸铵混合物，该混合物也采用水溶液的形式，以商标名DenoxiumTM销售并且其中一种组合物(Denoxium-30)含有与
Figure BDA00003262279800062
溶液相等量的氨。后者的优点是只在-30℃以下的温度发生冻结(相对于前者的-11℃)，但缺点是与可能释放出甲酸有关的腐蚀问题。在共晶的水/尿素溶液的情形下，本发明特别有利。
根据本发明的尿素箱可由任何材料制成，优选在化学上耐尿素的材料。一般来说，该材料是金属或塑料。聚烯烃特别是聚乙烯(更具体地HDPE或者说高密度聚乙烯)成为优选材料。
可利用空心体领域所知的任何转化工艺制造该尿素箱。一种优选的处理方法，特别是当尿素箱是由塑料(尤其是HDPE)制成时，是挤出-吹塑成型法。在此情况下通过挤出获得型坯(由一个或多个部件构成)，然后利用吹塑成型法在模具中成型。该箱的使用单个型坯的一件式成型得出良好结果。
有利地为此尿素箱装备基板或安装板(亦即大致具有板形状的支撑物)，尿素贮存系统和/或注入系统的至少一个有源附件附接在该基板或安装板上。此基板通常具有自我闭合、具有任意形状的周边。通常，其周边具有圆形形状。
以一个特别优选的方式，该基板是潜入式的安装板，即它密封位于箱下壁中的开口。词语“下壁”实际上应被理解成表示箱的下半部(无论该箱是否整体成型、或者由两个型坯片或剪切块所制成)。优选地使该基板位于尿素箱下部三分之一中，更优选地位于下部四分之一中、或者甚至正好位于尿素箱的底部。该基板可以部分地在下部侧壁上，在此情况下一旦安装在车辆中就使该基板略微倾斜。该基板的位置和/或方向尤其取决于该箱在车辆中的位置，并且取决于在它周围被占据的空间(考虑待并入其中的部件)。
因此，该基板包含至少一个在贮存和/或注入期间为有源（active）的部件。这应被理解成表示该部件附接到该基板或者被制成该基板的一部分。该部件可并入箱的内部、或者在箱的外部，如果有必要的话有一个连接件(输送管)穿过该部件。
优选地，根据本发明此变型的基板包含若干个有源贮存和/或计量部件，更具体优选地，该基板包含与在添加物箱中发现、从该箱中流出或流入该箱的液体添加物接触的所有有源部件。
优选地，该部件选自下列元件：泵、液位计、温度传感器、品质传感器、压力传感器和压力调节器。
这些柔性加热器的一个优点是：由于具有柔性因而可以将它们容易地插入任意形状的空腔(该空腔可以在箱和/或其基板的内部空间的内部或外部)同时与壁大致地吻合，甚至在沿循弯曲的路径时。此外，这些柔性加热器可具有任意形状，有可能甚至是复杂形状，以便可利用单个加热器(根据一种“图案”而设计)来加热该箱的各种部件，甚至是相互远离的部件。
值得指出的是，在本申请中的措辞不明确的情况下，我们利用此句话来确定：在目前请求保护的本发明范围之外也有利的上述各方面本身构成了发明，并且可能以后会独立地请求保护。

Claims (13)

1.一种用于制造柔性加热器的方法，所述柔性加热器包括封闭在两个电绝缘塑料材料片中的电阻轨道，所述轨道包括与电线连接的电连接部，所述方法包括以下步骤：
将所述电阻轨道封闭在所述两个电绝缘塑料材料片中；
将所述电线连接到所述电阻轨道的电连接部；
将开放的模具放置在连接区的周围；
将液体铸塑调配物注入所述模具；
使所述组合物固化；
拆除所述模具。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述电绝缘塑料材料片基于硅酮组合物。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述柔性加热器包括夹在两个硅酮树脂片之间的不锈钢电阻轨道。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述柔性加热器包括至少两个相互交错(即相互交织)的电阻轨道。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，给所述金属轨道设置穿孔，用电绝缘塑料材料填充这些穿孔以便使所述两个电绝缘塑料材料片相互连接。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述穿孔的直径小于1mm但至少等于用于蚀刻金属箔的酸的表面张力。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，所述焊接区包括(微)穿孔。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述液体铸塑调配物是液体硅酮组合物。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述液体硅酮组合物基于至少两种组分。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用优选地基于循环活塞原理的泵将所述液体铸塑调配物注入所述模具中。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述加热器在载架上时执行注入所述液体铸塑调配物的步骤以及使所述液体铸塑调配物固化的步骤，调整它的速度以便具有所要求的固化时间。
12.一种用于将利用如前述权利要求中任一项所述的方法所获得的柔性加热器连接在车辆SCR模块的尿素箱中或上的方法，根据所述方法，在将所述柔性加热器固定在所述箱中或上之前或之后，将所述电线连接到所述车辆的电源。
13.如权利要求12所述的方法，其中，将所述加热器固定在所述尿素箱的基板中或上。
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