CN114375073A - 具有不同功率密度的pPTC加热元件 - Google Patents

Abstract

一种pPTC加热装置，具有分布在装置表面上的不同功率密度的区域。该装置是使用由pPTC材料形成的基层构成的，其具有设置在pPTC层之上和之下的分段导电板层，以控制通过该装置的电流路径，从而控制该装置的电阻和该装置的功率密度。

Description

具有不同功率密度的pPTC加热元件

背景技术

正温度系数(PTC)材料是一种表现出正温度系数的材料，这意味着随着温度的升高其电阻成比例增加。通常，电流可以通过由PTC材料组成的装置，直到材料的温度达到特定的设计温度，此时电阻会迅速上升，从而有效地切断电流。

聚合物PTC(pPTC)是一种PTC装置，由注入碳颗粒的非导电结晶聚合物组成。当低于设计温度时，聚合物处于结晶状态，碳颗粒通过聚合物形成导电路径。如果电流过大，装置会发热，聚合物将变为无定形状态，从而分离碳颗粒并断开电流路径。一旦装置冷却，聚合物将恢复到结晶状态，从而重新建立由碳颗粒产生的电流路径。

pPTC因其在可复位保险丝中的使用而闻名，一旦装置达到其设计温度，它将阻止电流流动，当装置冷却到低于设计温度时，它将再次允许电流流动。由pPTC组成的自恢复保险丝在本领域中是众所周知的。

pPTC的另一个常见用途是作为加热装置。与电流通过金属线的电阻式加热器相比，这些装置具有优势，因为由于pPTC的特性，pPTC加热器不会过热且具有自限性。此外，PTC加热元件具有高功率密度，因此，即使在狭小的空间内，也能非常有效地产生热量。

pPTC加热器有许多应用。例如，pPTC加热器可用于水箱加热应用，如水箱或尿素箱，用于舒适性加热，如汽车座椅和方向盘加热器，作为镜头除雾器和电池加热，仅举几例。通常，该装置可包括pPTC材料的柔性片材，该柔性片材具有层压在pPTC材料的相对侧上的柔性导电板。在这样的应用中，可能希望能够改变装置表面区域的功率密度，例如，允许在装置的不同表面区域有不同的加热温度。

功率密度取决于施加在电阻元件和加热元件电阻上的电压，这将决定通过装置的电流。在大多数情况下，改变电源电压需要额外的部件，从而增加生产成本。

还可以通过在加热器的表面积上使用多片pPTC材料来实现不同的功率密度，每片pPTC材料具有不同的基材浓度，因此具有不同的电阻率。然而，改变pPTC材料的配方以获得不同的电阻率是一项挑战，需要非常精确的基材浓度和均匀性控制，从而增加制造成本。

图1显示了两种现有技术pPTC加热器的示例。该装置包括两个导电板102、104，其具有布置在导电板之间的pPTC材料106(a、b)层。图1(A)示出了使用低电阻率pPTC材料106a的装置，从而允许导电板102和104之间的高电流100a。图1(B)显示了该装置的另一版本，其中pPTC材料106b是高电阻率材料，其允许较小的电流100b在导电板102和104之间通过。因此，图1(A)和图1(B)的装置之间的功率密度不同，但是实现不同的功率密度需要在导电板102、104之间重新配制pPTC材料106(A、B)以改变电阻率。

发明内容

为了缓解上述挑战，本文公开了一种用于控制pPTC加热装置中的功率密度的新方法。本发明描述了一种在装置的表面区域上具有不同功率密度的装置。该方法包括使用具有恒定电阻率的单一pPTC基材。通过将上导电层和下导电层分成多个部分来控制装置表面区域上的功率密度，以控制通过装置的电流路径，从而控制装置的整体电阻率。通过改变装置表面区域上导电层的分段部分的尺寸和数量，可以在单个装置中实现不同的电阻率区域，并因此实现不同的功率密度。

分段部分用作串联连接的电阻器。每个分段部分的尺寸将更小，并且由于将有多个分段部分串联连接，因此每个分段部分将暴露于较低的电压。通过改变分段部分以及分段部分在顶层和底层之间相互重叠的方式，可以在不改变基材或加热器尺寸的情况下调整功率耗散。

这种分段策略的另一个优点是可以将加热器分成多个区域，每个区域具有不同数量的分段部分，从而导致装置表面积的每平方单位具有不同的功率密度。在分段部分较小的区域，由于使用分段部分的数量较多，这些部分的电阻会更大，从而提供较低的每平方单位面积的功率输出，并且分段部分用作串联连接的电阻器。另一方面，在分段部分较大的区域中，分段部分的数量较少。因此，这些区域的电阻较低，每平方单位面积的功率密度较高。这实现了对加热器整个表面的灵活功率密度控制，装置的不同区域具有不同的功率密度。

附图说明

图1示出了高电流现有技术装置和低电流现有技术装置的示意图，两者在装置的整个表面上都具有恒定的功率密度。

图2示出了根据本发明的两个示例性装置，基于每个导电层中的分段部分的尺寸，每个装置具有不同的功率密度。

图3是图2的装置的透视图，示出了顶层和底层中的分段部分相对于彼此的定位。

图4示出了根据本发明的在单个装置中具有两个不同功率密度区域的pPTC加热器的实施例。

图5示出了根据本发明的pPTC加热器的第二实施例，在单个装置中具有两个不同的功率密度区域，其中一个区域具有不同尺寸的分段部分。

图6示出了红外图像，其示出了在向装置施加电压之前和之后的各个阶段，在图4的装置表面的不同区域中提供的热量。

图7说明了一个分段的功率密度如何取决于电压、PTC材料的电阻率和PTC材料的厚度。

图8说明了整个装置所耗散的功率可以通过部分的数量来改变。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的装置的两个示例性概念验证实施例的示意性侧视图。如图2(A)所示，上导电层202和下导电层204被分成若干部分。在该实施例中，这些部分被定位成当电流穿过装置时迫使电流在上层202和下层204之间振荡。电流从左到右穿过装置时的路径由箭头示出，表明电流通过pPTC层206在上层202和下层204之间振荡。当电流穿过装置时，电流多次通过电阻层206充当一系列电阻器，每次通过pPTC层206的过渡具有相称的电压降。

在本发明的优选实施例中，上层202和下层204的分段部分彼此偏移，使得上层202和下层204的部分之间的间隙彼此不对齐。层202、204中的分段部分之间的间隙的尺寸迫使电流通过pPTC材料206层以更短的路径到达相对层的分段部分。在本发明的优选实施例中，层202或204中的任何两个分段部分之间的间隙将与相对层中的分段部分的中点对齐。

此外，为了使装置按预期工作，必须使每层中的分段部分之间的间隙足够宽，以迫使电流通过pPTC层206并进入相对层的分段部分，而不是跳过同一层的分段部分之间的间隙。在本发明的优选实施例中，每层的分段部分之间的间隙至少是pPTC层206厚度的两倍。

应当注意，在图2(A)的装置中，导电层202和204已经被分割成比图2(B)的装置的导电层210和212更小的部分。由于层202、210和204、212中的分段部分充当串联连接的低电阻电阻器，图2(A)的装置将具有比图2(B)的装置更高的电阻，从而允许更小的电流穿过图2(A)的装置而不是穿过图2(B)的装置。因此，图2(A、B)中装置的pPTC层206、214可以具有相同的配方并具有相同的电阻率，但是装置的功率密度，以及因此由每个装置产生的热量会有所不同。

图3示出了图2(B)的装置的透视图，示出了上层中的分段部分302和下层中的分段部分304相对于彼此偏移的相对布置。应当注意的是，在该实施例中，根据本发明的优选实施例，分段部分是偏移的，使得每层的分段部分之间的间隙与相对层中的分段部分的中点对齐。在其他实施例中，该对齐对于装置按预期运行而言不必精确。只要一层中的分段部分之间的间隙不与相对层中的分段部分之间的间隙对齐，该装置就可以按预期运行。此外，应该注意的是，该装置包括位于装置端部的半尺寸分段部分302a和304a，以避免浪费pPTC层306的表面积。

应当注意，在图2和图3的装置中，装置的整个表面区域由具有相同尺寸的分段部分组成(图3所示的半部302a和304a除外)。因此，装置之间的功率密度不同，但在单个装置的整个表面积上将保持恒定。在本发明的其他实施例中，装置表面的不同区域可以具有不同尺寸的分段部分和不同数量的分段部分，从而在单个装置上产生不同功率密度的区域。

单个分段的功率密度可参照图7计算。电阻R可通过以下等式给出：

其中：

l是电流路径中电阻PTC材料的厚度；

ρ是PTC材料的电阻率；和

A是通过电流的导电面积。

注意，在图7中，通过电流的示例性导电区域是矩形区域，其尺寸在图中表示为x，y。需要说明的是，在各种实施例中，导电区域可以是任何形状。

功率由下式给出：

P＝vi² (2)

其中：

v是导电区域两端的电压；和

i是通过导电区域的电流。

因为i＝v/r。等式(2)变为：

功率密度是单位面积的功率。因此：

将等式(1)代替等式(4)中的电阻得出：

从这个方程可以清楚地看出，装置一个部分的功率密度P_d是三个变量的函数：电压、PTC材料的电阻率和PTC材料的厚度。根据本发明，各种装置可以具有相同的尺寸、形状和额定功率(在某些条件下的功率耗散)，但一个装置可能在所有表面上具有恒定的额定功率(即恒定的功率密度)，而另一个装置可能有较高的功率区域和较小的功率区域(即不同的功率密度)。

图4(A)示出了一个实施例，其中该装置具有两个具有不同功率密度的独立区域。图4(A)显示了装置的顶部导电层402和底部导电层404，两者都被分成具有不同尺寸的分段部分的区域，以产生低功率密度区域和高功率密度区域，如图所示。需要说明的是，当顶层设置在底层之上且pPTC层位于其间时，顶层中的分段部分之间的间隙将与底层上的分段部分的中点对齐，反之亦然。还应注意，电压源连接在板408和406之间，板408和406以并联配置连接低功率密度区域和高功率密度区域。

除了公共板406和408之外，图4(A)的装置的低功率密度区域和高功率密度区域彼此电隔离。因此，低功率密度区域和高功率密度区域之间的间隙必须足够大，以使电流不会在区域之间跳跃。在优选实施例中，低功率密度区域和高功率密度区域之间的间隙410将需要大于每个相应区域的分段部分之间的间隙。

图4(B)显示了图4(A)装置的示意图。低功率密度区域Sa的分段部分Sa₁...Sa_n串联连接到电源。同样，高功率密度区域Sb的分段部分Sb₁...Sb_n以并联配置连接到与分段部分Sa₁...Sa_n·相同的电源上。区域Sa的所有分段部分Sa₁...Sa_n的尺寸相等。只要每个区域的分段部分尺寸相等，功率密度就会均匀分布。这同样适用于区域Sb的分段部分Sb₁...Sb_n。但是，由于分段部分Sb₁...Sb_n大于分段部分Sa₁...Sa_n，分段部分Sb₁...Sb_n将表现出较低的电阻，从而导致更高的电流。同时，区域Sb中的分段部分的数量较少，这导致施加到每个单独部分的电压较高。结果，在区域Sb中电流更高并且功率耗散更大。

图5(A)示出了根据本发明的实施例的又一变型。图5(A)所示实施例与图4(A)所示实施例的区别在于，图5(A)中的高密度区域较小，被低密度区域包围。装置的顶层和底层在图5(A)中分别显示为502和504。此外，如在图4(A)中所示的实施例中，电压源连接到顶层502的部分506和508。

如图5(B)所示，区域Sa的分段部分Sa₁...Sa_n形成低功率密度区域并且彼此串联连接。区域Sb的分段部分Sb₁...Sb_n形成第二低功率密度区域。区域Sc的分段部分Sc₁...Sc_n形成高功率密度区域并且尺寸小于区域Sa和Sb中的分段部分。在该实施例中，分段部分Sb₁...Sb_n和分段部分sc₁...sc_n串联连接到电源。图5(A)和图4(A)的实施例之间的区别在于加热器的底部具有较大的分段部分(因此每部分的电阻较低)，这将导致更高的电流流动，从而增加功率密度。为了缓解这种情况，区域Sb被分割，并且区域Sc已经插入到区域Sb的分割分段部分之间。区域Sc将具有更高的电阻。从分段部分Sb₁到分段部分Sc₁再到分段部分Sc_n再到分段部分Sb_n(都与电源串联，因此具有相同的电流通过)的总转变次数小于区域Sa中的转变总数。为了保持区域Sb的功率密度与区域Sa相同，必须减小电流。电流的这种减小是通过用包括面积Sc的分段部分代替面积Sb的一些分段部分来实现的。区域Sc将具有更高的电阻并会产生更高的电压降。区域Sc较高的电压降将降低区域Sb的电压降，从而降低功率密度。通过改变每个区域中的分段部分，可以实现平衡，其中区域Sa将具有与区域Sb相同的功率密度，而区域Sc将具有更高的功率密度。

图6示出了根据本发明的具有两个不同功率密度区域的电阻加热器的红外图像。所示图像用于图5所示的本发明的实施例。图6(A)示出了施加电压之前的装置图像。图6(B)表示通电后的图像，图6(C)表示温度稳定后的图像。可以看出，具有更高功率密度的加热器底部加热更快并达到更高温度，最高温度出现在高功率密度区域Sc中。

在优选实施例中，装置的基极电阻层由pPTC构成。在一个实施例中，pPTC可以由注入碳颗粒的聚乙烯组成，然而，可以使用任何公知的pPTC配方。此外，在优选实施例中，无论在装置表面上形成多少不同的功率密度部分，都将使用具有恒定电阻率的单片PTC材料。可以认识到，通过改变导电层每个区域中的分段部分的尺寸和数量，并通过提供分段部分和区域的所需间距以迫使电流路径在每个区域中的上层和下层之间振荡，可以在装置表面上形成任意数量的不同功率密度区域。整个装置的尺寸，以及不同功率密度区域的实际数量以及任何特定实施例的每个功率密度区域的分段部分的尺寸将由期望的应用驱动。此外，在各种实施例中，导电层可以是任何导电材料，但在优选实施例中将是铜或金。在其他实施例中，也可以将pPTC材料分段。

在本发明的一些实施例中，分段部分可以具有相同的尺寸，如图8所示。因此，每个分段的电阻是相同的，并由等式(1)给出。由于所有部分都是串联连接的，因此装置的总电阻由以下等式给出：

∑R＝R₁+R₂+R₃+…+R_N-1+R_N＝RN (6)

其中：

N是装置中分段部分的总数。等式(3)变为：

为了在同一装置上实现不同功率密度的区域，不同区域的分段数量可以不同。将等式(1)代替等式(6)中的电阻得出：

耗散的功率变为：

分段部分的尺寸可以用装置的从除以分段数量来表示：

其中：

L是图8所示装置的总长度；和

y是图8所示装置的总宽度。

将等式(10)代入等式(9)得出：

从等式(11)可以清楚地看出，通过改变分段部分的数量，相同的装置可以具有不同功率密度的区域。

在本发明的其他实施例中，引入更高功率密度的另一种方法是提供更小的串联分段部分。因此，如果分段部分较大，则功率密度将较小。根据欧姆定律，电流与施加的电压成正比，与电阻成反比。如果分段部分之一具有不同的尺寸，则可以通过电流流动来证明功率耗散的差异。由于所有部分串联连接，因此所有部分的电流相等，但电阻取决于电阻PTC材料的厚度(l)、PTC材料的电阻率(ρ)和面积(A)。由于电阻与面积成反比，因此面积越小电阻率越高。

已经根据各种实施例解释了本发明，这些实施例本质上被认为是示例性的，而不是限制本发明的范围，本发明的范围在随后的权利要求中描述。具体地，本发明的装置的各种实施例可以包括不同电阻率的材料、不同厚度的装置以及去除部分导电层以使加热器的小部分无效的组合。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

pPTC层；

设置在所述pPTC层的一侧上的分段导电部分的顶层；和

设置在所述pPTC层的相对侧上的分段导电部分的底层；

其中所述顶层和所述底层的分段部分被间隔开，以迫使电流按通过所述pPTC层在所述顶层和所述底层之间振荡的路径而通过所述装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述顶层的分段部分之间和所述底层的分段部分之间的间距至少是所述pPTC层的厚度的两倍。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述顶层和所述底层的分段部分具有恒定尺寸。

4.根据权利要求3所述的装置，其中在所述装置的表面积上，所述装置具有恒定的功率密度。

5.根据权利要求1所述的装置，其中导电材料的分段部分被布置成使得所述顶层上的分段部分之间的间隙和所述底层上的分段部分之间的间隙不对齐。

6.根据权利要求5所述的装置：

其中所述分段部分被布置成使得所述顶层中的分段部分之间的间隙与所述底层中的分段部分的中点对齐；和

其中所述分段部分被布置成使得所述底层中的分段部分之间的间隙与所述顶层中的分段部分的中点对齐。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述顶层和所述底层中的分段部分用作一系列电阻器件。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置在所述顶层和所述底层中具有多个分段部分区域，每个分段部分区域的分段部分的尺寸不同于其他区域中分段部分的尺寸。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述顶层和所述底层中的多个分段部分区域通过防止电流在分段部分区域之间通过的间隙而彼此分开。

10.根据权利要求8所述的装置，其中每个区域中的分段部分都具有相同的尺寸。

11.根据权利要求8所述的装置，其中将所述多个区域中的每一个并联电连接。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置在所述顶层和所述底层中具有多个分段部分区域，当向所述装置施加电压时，每个分段部分区域具有不同的功率密度。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述装置是加热器，并且其中当向所述装置施加电压时，每个分段部分区域提供不同的温度。

14.一种加热元件，包括：

pPTC层；

设置在所述pPTC层的一侧上的多个分段导电部分区域的顶层；和

设置在所述pPTC层的相对侧上的多个分段导电部分区域的底层；

其中在每个区域中所述顶层和底层的分段部分被间隔开，以迫使电流按通过所述pPTC层在每个区域的顶层中的分段部分和底层中的分段部分之间振荡的路径而通过所述加热元件。

15.根据权利要求14所述的加热元件，其中每层中的多个分段部分被间隔开，以防止电流从一个区域流到另一个区域。

16.根据权利要求14的加热元件：

其中每个区域的分段部分被间隔开，使得所述区域的顶层中的分段部分之间的间隙与所述区域的底层中的分段部分的中点对齐；和

其中每个区域的分段部分被间隔开，使得所述区域的底层中的分段部分之间的间隙与所述区域的顶层中的分段部分的中点对齐。

17.根据权利要求14的加热元件，其中将所述多个区域中的每一个并联电连接。

18.根据权利要求14所述的加热元件，其中所述pPTC层对于每个区域具有恒定的电阻率。

19.根据权利要求14所述的加热元件，其中当向所述装置施加电压时，每个分段部分区域具有不同的功率密度。

20.根据权利要求18所述的加热元件，其中当向所述装置施加电压时，每个分段部分区域提供不同的温度。

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