CN116918005A - Pptc致动器加热器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于温度敏感致动器的新型加热器。该加热器是由导电填料和半结晶聚合物构成的聚合物正温度系数(PPTC)器件。该PPTC加热器被策略性地设计为具有预定的自调节温度，适于利用该加热器的任何应用。该PPTC加热器的物理特性诸如间隙宽度和厚度使流过该加热器的电流能够被策略性地控制。

Description

PPTC致动器加热器
技术领域
本公开的实施例涉及PPTC器件，并且更具体地涉及作为加热器操作的PPTC器件。
背景技术
正温度系数(Positive temperature coefficient，PTC)和聚合物PTC(polymerPTC，PPTC)器件在电路中被利用以中断可能损坏电子系统内昂贵电路的过电流和过电压情况。PTC包括加热时改变其物理性质的材料。由于电流流动增加，PTC随着温度升高而增大电阻。一旦消除故障情况，PTC器件就会冷却到其原始配置。因此，PTC及PPTC被认为是自恢复(resettable)保险丝。
最近，PTC技术正被用于加热器应用。然而，PTC器件由于其尺寸和形状对于有些应用而言有些尴尬，使得它们必须具有比在加热应用中有效所需的高得多的功率密度。
正是关于这些和其他考虑，本发明的改进可以是有用的。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化形式介绍精选的概念，这些概念将在下文的详细描述中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在协助确定所要求保护的主题的范围。
根据本公开的聚合物正温度系数(PPTC)加热器的示例性实施例可以包括：连接到第一导线的第一电极，由PPTC聚合物基体组成的加热器主体，其中该PPTC聚合物基体包括导电填料和半结晶聚合物两者。该PPTC加热器还包括连接到第二导线的第二电极，其中该PPTC聚合物基体在第一电极与第二电极之间以形成夹层。采用弯曲工艺以将夹层塑造成环形形状。
根据本公开的PPTC加热器的另一个示例性实施例可以包括：加热器主体，其包括导电填料和半结晶聚合物，该加热器主体被构造成具有预定厚度的矩形片材；位于加热器主体在第一端处的侧表面上方的第一电极，该第一电极被连接到第一导线；位于加热器主体在第二端处的相同侧表面上方的第二电极，该第二电极被连接到第二导线。在第一电极与第二电极之间存在间隙，并且该间隙相对于第一导线和第二导线是水平的。该间隙具有第二预定厚度，并且第一电极和第二电极之间的加热器主体由该间隙暴露出来。该PPTC加热器被形成环形形状，使得第一电极和第二电极都在内表面上。
根据本公开的PPTC加热器的另一个示例性实施例可以包括：加热器主体，其包括聚合物基体，该加热器主体被构造成具有预定厚度的矩形片材；位于加热器主体在第一端处的侧表面上方的第一电极，该第一电极被连接到第一导线；位于加热器主体在第二端处的相同侧表面上方的第二电极，该第二电极被连接到第二导线。在第一电极与第二电极之间存在间隙，并且该间隙相对于第一导线和第二导线是垂直的。该间隙具有第二预定厚度，并且第一电极和第二电极之间的加热器主体由该间隙暴露出来。该PPTC加热器被形成环形形状，使得第一电极和第二电极都在内表面上。
附图说明
图1A-1C是根据示例性实施例的PPTC加热器的图；
图2A-2C是根据示例性实施例的PPTC加热器的图；
图3A-3C是示出根据示例性实施例的图1和图2的PPTC加热器的性质的图；
图4A-4B分别是根据示例性实施例的PPTC加热器的图和等效电路；
图5是根据示例性实施例的PPTC加热器的图；
图6A-6D是示出根据示例性实施例的包括等效电路的PPTC加热器的图；
图7A-7D是根据示例性实施例的由PPTC加热器激活的致动器的图；
图8是根据示例性实施例的用于所公开的PPTC加热器中任一个的加热器主体的图；
图9A-9C是根据示例性实施例的与测试PPTC加热器相关的测试电路和两个曲线图；
图10A-10C是根据示例性实施例的与测试PPTC加热器相关的测试电路和两个曲线图；
图11A和图11B是根据示例性实施例的使PPTC加热器弯曲的效果的图示；以及
图12是根据示例性实施例的制造PPTC加热器的流程图。
具体实施方式
根据本文中描述的实施例，公开了一种新型加热器，用于温度敏感致动器诸如用于废热回收系统。该加热器是由导电填料和半结晶聚合物构成的聚合物正温度系数(PPTC)器件。作为一个示例，导电填料可以是碳/石墨烯组合，但是PPTC加热器可以由多种导电填料制成。该PPTC加热器被策略性地设计为具有预定的自调节温度，适于利用该加热器的任何应用。该PPTC加热器的物理特性(诸如间隙宽度和厚度)使电流流动能够被策略性地控制。
图1A-1C是根据示例性实施例的用于操作致动器的新型PPTC加热器100或PPTC致动器加热器100的代表图和图示；图1A和图1B分别描绘了PPTC加热器100的侧平面视图和顶截面视图。PPTC加热器100包括由PTC材料构成的加热器主体104。加热器主体104基本呈平面形状，具有两个相对的表面。在示例性实施例中，加热器主体104的厚度小于1mm。该加热器主体将在下文的图8中进一步描述和示出。
PPTC加热器100包括第一电极106和第二电极102，两者都被设置在加热器主体104的第一相对表面上。电极102/106是由间隙116分离的导电层，该间隙中不存在导电层，并且加热器主体104在间隙处暴露。在图1A的侧平面视图中，间隙116被水平地设置，其中第一电极106在间隙116下方，第二电极102在间隙上方。第一引线(导线)108被连接到第一电极106，而第二引线110被连接到第二电极102。
图1B进一步示出了设置在加热器主体104的第二相对表面上的第三电极118，第二表面与在其上设置第一电极106和第二电极102的第一表面相对，第三电极118在图1A中不可见。加热器主体104具有厚度120。因此，加热器主体104被夹在一侧上的电极102/106与另一侧上的电极118之间，其中间隙116使电极102和106之间的加热器主体暴露出来。
图1C是根据示例性实施例的PPTC加热器100的图示。PPTC加热器100是环形(圆环)形状，适合于被放置在待加热的圆柱形器件周围。在示例性实施例中，待加热的器件是致动器。致动器是使某物移动或运行的器件。致动器将(电、液压或气动的)能量源转化成物理机械运动。致动器可以沿直线(线性)或圆周(旋转)方向移动。在示例性实施例中，由PPTC加热器100对致动器进行的加热激活致动器，使其沿线性或旋转方向移动。
在图1C的图示中，电极102和106被设置在PPTC加热器100的环形形状的内表面上，而电极118被设置在外表面上。加热器主体104的PPTC材料被显示在电极102与电极106之间(作为水平设置的开口)以及沿着圆环的上边缘两者。导线108和110分别被设置在内部电极102和106上。
在示例性实施例中，PPTC加热器100的环形形状被包裹在圆柱形致动器的热元件(thermo-element)周围。因此，PPTC加热器100与该致动器的热元件接触，使该致动器能够快速加热并被激活移动。以这种方式，PPTC致动器加热器100在废热回收系统的应用中提供优势，在该系统中，活塞(piston)由致动器激活以线性地移动(前进和缩回)。此外，PPTC加热器100的环形形状是温度限制特征部，因为加热器将热量的布置限制在精确的位置(致动器的热元件)。因此，PPTC加热器通过限制对热元件的加热，确保活塞的线性运动的稳定输出。
在示例性实施例中，PPTC致动器加热器100又薄(厚度小于1mm)又小(直径小于1cm)。在一些实施例中，这种小尺寸使PPTC致动器加热器100能够与该致动器的热元件直接接触，这会导致高热效率。因此，圆柱形PPTC加热器100可以被安装在致动器的加热目标区域中。
除了减少热损失以外，在示例性实施例中，PPTC加热器100的设计比一些传统PPTC器件更简单，这可以节省制造成本。当前可用的传统PPTC或陶瓷PTC(ceramic PTC，cPTC)器件一般呈扁平的矩形或圆形，厚度超过1mm。在涉及有限空间和/或电绝缘要求的应用中，这些PTC加热元件无法位于靠近目标的位置。所得的传统PTC器件的布置会导致目标表面的加热缓慢以及热损失高。在一个示例中，用于加热目标表面的传统PTC器件的使用会导致PTC器件的表面温度达到大约200℃，但是目标表面仅达到100℃，效率相当低。
存在一些厚度小于1mm的薄膜PPTC器件，但是用于这些器件的功率密度非常低。因此，这样的薄膜PPTC器件需要足够大，才能在短时间内产生足够的热量。在一个实施例中，PPTC加热器100具有比现有的薄膜PPTC器件高得多的功率密度。
图2A-2C是根据示例性实施例的与用于操作致动器的PPTC加热器相关联的代表图；图2A和图2B分别描绘了根据示例性实施例的PPTC加热器200的侧平面视图和顶截面视图。PPTC加热器200包括由PTC材料构成的加热器主体204。加热器主体104基本呈平面形状，具有两个相对的表面。在示例性实施例中，加热器主体204的厚度小于1mm。该加热器主体将在下文的图8中进一步描述和示出。
PPTC加热器200包括第一电极206和第二电极202，两者都被设置在加热器主体204的第一相对表面上。这些电极202/206是由间隙216分离的导电层，该间隙中不存在导电层，并且加热器主体204在间隙处暴露。在图2A的侧平面视图中，间隙216被垂直地设置，其中第一电极206在间隙左边，第二电极202在间隙右边。第一引线(导线)208被连接到第一电极206，而第二引线210被连接到第二电极202。
图2B进一步示出了设置在加热器主体204的第二相对表面上的第三电极218，第二表面与在其上设置第一电极206和第二电极202的第一表面相对，其中第三电极218在图2A中不可见。加热器主体204具有厚度220。因此，加热器主体204被夹在一侧上的电极202/206与另一侧上的电极218之间，其中间隙216使电极202和206之间的加热器主体暴露出来。
图2C是根据示例性实施例的PPTC加热器200的图示。PPTC加热器200是环形(圆环)形状，适合于被放置在待加热的圆柱形器件周围。在示例性实施例中，待加热的器件是致动器。在示例性实施例中，由PPTC加热器200对致动器进行的加热激活致动器，使其沿线性或旋转方向移动。
在图2C的图示中，电极202和206被设置在PPTC加热器200的环形形状的内表面上，而电极218被设置在外表面上。加热器主体204的PPTC材料被显示在电极202与电极206之间(作为垂直设置的开口)以及沿着圆环的上边缘两者。导线208和210分别被设置在内部电极206和202上。PPTC加热器100和200表现出相同的总体功率设计，N＝1(其中N代表加热器电极两侧上的狭槽的总数)。
图3A-3C是示出根据示例性实施例的PPTC加热器100和200的性质的代表图。图3A呈现了根据示例性实施例的PPTC加热器100(图1A-1C)和200(图2A-2C)的等效电路。R0和R7分别代表导线108/208和110/210的电阻(反之亦然)，R1和R6分别代表电极102/202和106/206的电阻(反之亦然)，R3代表电极118/218的电阻，R2、R4和R5代表加热器主体104/204(PTC材料)。在示例性实施例中，电阻R4明显大于电阻R2或R5。
虽然存在由PTC材料制成的单个加热器主体104/204，但是通过加热器100/200的电流的流动可以采取通过加热器主体104/204的PTC材料的三条可能路径，如R2、R4和R5所给出的那样。图3B示出了根据示例性实施例的可以在PPTC加热器100和200两者的情况下出现的通过加热器主体的三条可能电流路径。箭头302、304和306显示了通过PPTC材料的电流流动的方向。图3A显示了存在两条可能路径用于电流流动。第一条电流路径经过R0、R1、R2、R3、R5、R6和R7。箭头302和304由此是第一条电流路径的子路径。第二条电流路径经过R0、R1、R4、R6和R7。箭头306由此是第二条电流路径的一部分。
在电阻R2处(由箭头302表示)，电流流过电极106/206(R1)与电极118/218(R3)之间的PPTC材料。在电阻R5处(由箭头304表示)，电流流过电极118/218(R3)与电极102/202(R6)之间的PPTC材料。在电阻R4处(由箭头306表示)，电流流过电极106/206(R1)与电极102/202(R6)之间的PPTC材料。因为电阻R4明显大于电阻R2或R5，在示例性实施例中，第三电流流向(R4)比由电阻R2或R5给出的其他电流流向更不可能出现。
图3C是根据示例性实施例的呈环形形状的PPTC加热器100或200的代表图。图3C用于示出通过环形PPTC加热器100和200的可能电流流向。环形圆环由在中心的加热器主体104/204构成，其中第三电极118/218围绕在圆环的外表面上，并且第一电极106/206和第二电极102/202被设置在圆环的内表面上。对于PPTC加热器100，第二电极102被设置在圆环的内表面上的第一电极106上方(另外参见图1A和图1C)。对于PPTC加热器200，第一电极206被设置在圆环的内表面的一侧上，而第二电极202被设置在圆环的内表面的另一侧上(另外参见图2A和图2C)。
如图3B所示，箭头显示电流流动的可能方向。从引线108/208开始(由箭头308和电阻R2表示)，电流从电极106/206穿过加热器主体104/204的PPTC材料，流到设置在加热器主体相对侧上的电极118/218。电流沿着电极118/218流动(由箭头310和电阻R3表示)。接下来，电流从电极118/218穿过加热器主体104/204的PPTC材料流到引线110/210(由箭头312和电阻R5表示)。可替选地，电流可以在电极106/206至电极102/202之间流动，如由箭头314和316表示的(反之亦然)，另外如由电阻R4表示的。
在各种实施例中，PPTC加热器100和200的加热器主体和电极的设计可以使得R4的值远大于R2或R5的值(图3A)。这种情况可以通过将加热器主体104的厚度120/220布置为相对小于间隙116/216而在PPTC加热器100(图1A和图1B)和PPTC加热器200(图2A和图2B)中实现。在示例性实施例中，加热器主体104(图1B)的厚度120或加热器主体204(图2B)的厚度220在各种非限制性实施例中介于3密耳和120密耳之间，在一些实施例中，介于5密耳和10密耳之间，而间隙的值，无论是电极102和电极106之间水平设置的间隙116(图1A)，还是电极202和电极206之间垂直设置的间隙216(图2A)，都相对大于相应加热器主体104/204的厚度116/216。例如，如果加热器主体104的厚度120是10密耳，则间隙116或216的值可以是50密耳或更大，从而确保R4远大于R2或R5。
在示例性实施例中，由等效电路(图3A)代表的PPTC加热器100和200的电阻近似于初始电阻乘以4的值(当R2＝R5且加热器处于非跳闸状态时，R≈4Ri)。根据这些实施例的变型，狭槽(间隙116或间隙216)位置的设计可以确定在顶部和底部(PPTC加热器100)上或在左侧和右侧(PPTC加热器200)上的热效应(一侧较高；另一侧较低，通过控制每个PPTC段的电阻)。在一个实施例中，在整个加热器要以环形形状弯曲的示例中，PPTC加热器100的设计比PPTC加热器200具有更好的机械强度。
图4的特征是根据示例性实施例的PPTC加热器400的侧平面视图。如前述实施例所示，PPTC加热器400的设计的特征同样是连接到被设置在器件的同一侧上的外部导线的两个电极。电极406被连接到导线408，电极402被连接到导线410。电极402由狭槽420和狭槽412与电极406分离，其中没有导电层，暴露出由PPTC材料制成的加热器主体404。另外，导电区域422被设置在狭槽412与狭槽420之间，其中存在材料诸如电极402和电极406的材料。因此，狭槽420、412限定了沿着PPTC加热器400的表面的区域，与电极402、406和导电区域422的材料的电阻相比，该区域的电阻相对较高。在图4的侧平面视图中，狭槽412、420被布置为相对于导线408和导线410的总体方向垂直延伸。除了电极402、406和导电区域422以外，PPTC加热器400还包括导电区域414和导电区域418，在每种情况下，两者被设置在加热器主体404的相对侧上，并由狭槽416分离。由于在加热器主体的相对侧上，狭槽416以较浅的阴影显示。
这样，PPTC加热器400可以由图4B所示的等效电路表征，其中R0和R12代表导线408、410的电阻，R1、R3、R6、R8、R11代表电极的电阻，R2、R5、R7和R10代表加热器主体404对流过加热器主体404的厚度(也就是，垂直于导线408、410以及狭槽412、416和420两者，或在Z方向上)的电流的电阻，以及R4、R9和R13代表加热器主体404对沿着加热器主体404的表面流动(也就是，平行于导线408、410但垂直于狭槽412、416或420，或在Y方向上)的电流的电阻。具体而言，在低于跳闸温度的操作期间，PPTC加热器400的电流可以在导线408和导线410之间流动，通过主要流过导线408(R0)，流过电极406(R1)，流过加热器主体404的厚度(R2)(在Z方向上)；沿着导电区域414的表面(R3)(沿着加热器主体的背面)，回流过加热器主体404的厚度(R5)，在Z方向上，流到设备的正面；沿着导电区域422的表面(R6)；流过加热器主体404的厚度(R7)在Z方向上流到设备的背面；沿着导电区域418的表面(R8)；流过加热器主体404的厚度(R10)在Z方向上再次流到设备的正面；以及流过电极402(R11)和导线410(R12)。换言之，在低于跳闸温度的操作期间，电流不会在Y方向上跳过设备正面上的狭槽412或420，也不会跳过设备背面上的狭槽416。一般地，因为狭槽416、412、420(间隙)的尺寸可以远大于加热器主体404的厚度，所以电流典型地不会沿着加热器主体的平面中的路径(在Y方向上)流动，如由电阻R4、R9、R13表示的。
图5的特征是根据示例性实施例的PPTC加热器500的侧平面视图。在图5中，加热器构造总体上与PPTC加热器400(图4A)相同，除了一对狭槽520、512被布置为相对于导线508和导线510的总体方向大致平行延伸以外。具体地，电极502被连接到导线508，电极506被连接到导线510。电极502由狭槽512和狭槽520与电极506分离，其中没有导电层，暴露出加热器主体504。另外，导电区域522被设置在狭槽512与狭槽520之间，其中存在材料诸如电极502和电极506的材料。因此，狭槽512、520限定了沿着PPTC加热器500的表面的区域，与电极502、506和导电区域522的材料的电阻相比，该区域的电阻相对较高。除了电极502、506和导电区域522以外，PPTC加热器500还包括导电区域514和导电区域518，两者被设置在加热器主体504的相对侧上，并由狭槽516分离。由于在加热器主体的相对侧上，狭槽416以较浅的阴影显示。
正如PPTC加热器400(图4A)一样，PPTC加热器500也可以由图4B所示的等效电路表征，其中R0和R12代表导线508、510的电阻，R1、R3、R6、R8、R11代表电极的电阻，R2、R5、R7和R10代表加热器主体504对流过加热器主体504厚度(也就是，垂直于导线508、510以及狭槽512、516和520两者，或在Z方向上)的电流的电阻，以及R4、R9和R13代表加热器主体504对沿着加热器主体504的表面流动(也就是，垂直于导线508、510以及狭槽512、516和520两者，或在X方向上)的电流的电阻。具体而言，在低于跳闸温度的操作期间，PPTC加热器500的电流可以在导线508和导线510之间流动，通过主要流过导线510(R0)，流过电极502(R1)，流过加热器主体504的厚度(R2)，在Z方向上流到设备的背面；沿着导电区域514的表面(R3)，流过加热器主体504的厚度(R5)，在Z方向上沿着导电区域522的表面(R6)回流到设备的正面；流过加热器主体504的厚度(R7)；沿着导电区域518的表面(R8)；流过加热器主体504的厚度(R10)，在Z方向上再次流到设备的正面；流过电极506和导线510(R12)。一般地，因为狭槽516、512、520(间隙)的尺寸可以远大于加热器主体504的厚度，所以电流可以不沿着加热器主体的平面中的路径流动，如由电阻R4、R9、R13表示的。
总之，PPTC加热器400和500构造提供了相同的功率设计(N＝3)。给定的加热器电阻的电阻近似于初始电阻乘以16(当R2＝R5＝R7＝R10且加热器处于非跳闸状态时，R≈16Ri)。
图6A-6D是根据示例性实施例的与PPTC加热器600相关联的代表图。图6A显示了PPTC加热器600的侧平面视图，图6B是用于PPTC加热器600的等效电路，图6C是PPTC加热器600的照片，以及图6D显示了呈环形形状的PPTC加热器600，诸如可以与致动器一起使用的。在图6A和图6D中，PPTC加热器600包括夹在第一电极602(图6D中显示在环形形状的外表面上)与第二电极606(图6D中显示在环形形状的内表面上)之间的加热器主体604(图6A中不可见)。第一导线608被设置在PPTC加热器600正面(环形表面外侧)上，而第二导线610被设置在背面(环形表面内侧)上。在本示例中，第一电极602被连接到导线608，而第二电极606被连接到导线610。这样，电流将在Z方向上流经PPTC加热器主体的厚度。在图6B的等效电路中，R0和R4代表导线608、610的电阻，R1和R3代表电极602、606的电阻，以及R2代表加热器主体604对流过加热器主体厚度的电流的电阻。
类似PPTC加热器100、200，PPTC加热器400、500、600也可以被形成环形(圆环状)形状，用于在使能/激活致动器中使用。所公开的PPTC加热器中任一个都可以被定位使得设备的加热器主体抵靠致动器的热元件设置，使致动器响应于被PPTC加热器加热而沿线性或旋转方向移动。
图7A-7D是根据示例性实施例的PPTC加热器700的侧平面视图。该PPTC加热器700被设置在致动器702上。尽管在图7A-7D的侧平面视图中表现为矩形，但是PPTC加热器700实际上呈环形，诸如在图1C、2C、3C、6C或6D中的，并且被设置在致动器702的顶部或热元件704上方。在一个实施例中，致动器702的热元件704包括蜡质基体(waxy matrix)706，诸如混合有金属材料的石蜡，使得当PPTC加热器被设置在其上时蜡质基体在PPTC加热器700与致动器702之间。蜡质基体706的存在是为了促进控制致动器702的开/关阀(未显示)。注意，根据各种实施例，PPTC加热器700以薄、环形形式设置以周向地围绕热元件704(参见例如图1C)。因此，PPTC加热器700加热并最终熔化蜡质基体706，其随后加热热元件704并激活致动器702，使致动器然后沿线性或旋转方向移动。一旦PPTC加热器700的温度冷却下来，熔化的蜡质基体706就会再次变硬，从而保护致动器。
图7A中显示了具有蜡质基体706的致动器702A的总体视图；图7B中显示了具有蜡质基体706的挤压推动型致动器702B的总体视图；图7C中显示了具有蜡质基体706的隔膜型致动器702C的总体视图；图7D中显示了具有蜡质基体706的柱塞活塞型致动器702D的总体视图(统称为“(一个或多个)致动器702”)。在示例性实施例中，蜡质基体706是热致动器的关键元件，当受热时充当蜡质基体使得致动器开启或关闭。加热后的蜡质基体706挤压致动器702的弹性袋708(图7B)或膜712(图7C)，并移动活塞710。可替选地，加热后的蜡质基体挤压并移动活塞710。在示例性实施例中，PPTC加热器700通过化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)或其他涂层与聚对二甲苯绝缘以避免短路，因为致动器702的热元件一般是由蜡质基体中的金属颗粒构成的。
在示例性实施例中，PPTC加热器700，以及任何其他PPTC加热器100、200、400、500和600都是自调节加热器，自调节温度取决于特定应用。在示例性实施例中，PPTC加热器700具有大约125℃的自调节温度。自调节温度由此是用于PPTC加热器的上限温度。因此，虽然PPTC加热器700的温度可以升高至大约125℃，但不会超过该温度，如果温度高于125℃，其加热功率将降低以防止致动器的过热。因此，在PPTC加热器与致动器结合的情况下，如图7A-7D所示，PPTC加热器的温度升高至大约125℃，致动器中相关联的蜡完全熔化，使致动器阀移动，此后PPTC加热器的温度将不会超过125℃。
图8是根据示例性实施例的PPTC加热器的加热器主体的侧平面视图。回顾一下，本文中公开的PPTC加热器包括由PPTC材料构成的加热器主体(参见例如，图1A-1C中的加热器主体104)，其中该PPTC材料由聚合物基体组成，该聚合物基体由1)导电填料(诸如碳和/或石墨烯)和2)半结晶聚合物组成。如图8所示，加热器主体804由PPTC聚合物基体802组成，该聚合物基体由设置在聚合物808内的导电填料806组成，该聚合物基体被夹在两块金属箔810之间。在示例性实施例中，金属箔810各自包括与PPTC聚合物基体802对接的一侧上的结节(nodules)(凸块)，这加强了箔材与基体之间的连接。
加热器主体804可以被制造成包含加热器主体的PPTC加热器具有预定义的自调节温度。在示例性实施例中，自调节温度是125℃，但PPTC加热器，具体是包含由导电填料和聚合物组成的聚合物基体的加热器主体可以被设计为满足各种各样的消费者温度偏好。具体地，导电填料和聚合物的类型，以及各自的百分比组合可以被调整以实现某种自调节温度轮廓。因此，存在许多不同的材料可以用于制成PPTC聚合物基体802的导电填料806和聚合物808。
在示例性实施例中，聚合物808包括半结晶聚合物，例如，聚乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯四氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物、聚全氟烷氧基、或这些材料中的一种或多种的某些组合。此外，在示例性实施例中，PPTC聚合物基体802中的聚合物808与导电填料806的体积百分比在50％和99％之间，优选在60％和95％之间。因此，例如，在该范围的一端，聚合物基体可以由50％的聚合物和50％的导电填料构成。在该范围的另一端，聚合物基体可以由99％的聚合物和1％的导电填料构成。优选地，聚合物基体可以在一端由60％的聚合物和40％的导电填料构成，在另一端由95％的聚合物和5％的导电填料构成，并且在这些偏好之间还有许多其他组合可以产生优选的自调节温度轮廓。
在示例性实施例中，聚合物基体的导电填料806由碳、石墨烯、碳和石墨烯、导电陶瓷、碳纳米管、具有碳纳米管的碳、或者具有碳纳米管的石墨烯组成。在示例性实施例中，PPTC聚合物基体802的导电填料806由初级颗粒尺寸在10nm和100nm之间的碳制成，其邻苯二甲酸二丁酯(DBP)值在5cm3/100g和500cm3/100g之间。优选地，DBP值的范围在8cm3/100g和200cm3/100g之间。此外，在示例性实施例中，碳含量在20％和65％之间，优选在25％和30％之间。
在示例性实施例中，PPTC聚合物基体802的导电填料806由石墨烯制成，其中石墨烯是通过机械或化学方法制备的，石墨烯层数从一层至数百层，优选在一层和三十层之间。在示例性实施例中，每个石墨烯层的厚度小于20nm，优选在0.34nm和10.2nm之间。此外，在示例性实施例中，石墨烯颗粒尺寸的范围在0.1μm和100μm之间，优选在5μm和30μm之间。石墨烯含量在1％和50％之间，优选在4％和30％之间。
在示例性实施例中，PPTC聚合物基体802的导电填料806由碳或导电陶瓷制成，其中碳初级颗粒尺寸在10nm和100nm之间，DBP值在5cm3/100g和500cm3/100g之间，优选地DBP值的范围在8cm3/100g和200cm3/100g之间。碳或导电陶瓷与石墨烯的比率可以在0％/100％(无碳/导电陶瓷，100％石墨烯)和100％/0％(100％碳或导电陶瓷，无石墨烯)之间，以及其间的任何值。在优选实施例中，碳或导电陶瓷与石墨烯的比率将在1％和90％之间，优选在30％和60％之间。
在示例性实施例中，PPTC聚合物基体802的导电填料806由碳纳米管(carbonnanotube，CNT)或带有碳的石墨烯制成，碳初级颗粒尺寸在10nm和100nm之间，DBP值在5cm3/100g和500cm3/100g之间，优选地DBP值的范围在8cm3/100g和200cm3/100g之间。在示例性实施例中，导电填料806的纳米管长度在10nm和10μm之间，直径在2nm和50nm之间，CNT的长度/直径在5和5000之间，优选在100和1000之间。在示例性实施例中，碳与石墨烯或碳与纳米管的比率在1％和90％之间，优选在30％和60％之间。
此外，在示例性实施例中，PPTC聚合物基体802的聚合物808或导电填料806或两者都被添加有以下材料，包括但不限于抗氧化剂、分散剂、偶联剂、交联剂、电弧抑制剂等。因此，加热器主体804可以使用多种材料制造，并且图8的加热器主体可以是本文中公开和描述的任何PPTC加热器的一部分。
图9A-9C和图10A-10C提供了根据示例性实施例的使用环形形状的PPTC加热器(诸如图1A-1C的PPTC加热器100)的两个测试示例。第一测试示例(图9A-9C)测试在两个内部电极之间具有水平间隙的PPTC加热器，诸如图1A-1C所示，而第二测试示例(图10A-10C)测试在两个内部电极之间具有垂直间隙的PPTC加热器，诸如图2A-2C所示。
图9A显示了测试电路，其中12V被提供给电路，最大电流为20A，以及室温为-40℃。电流和电压都是在PPTC加热器两端测量出的。此外，该PPTC加热器的特征在于初始电阻为0.38Ω，PPTC加热器的高度为9.7mm(例如，图1A中的电极106+间隙116+电极102)，PPTC加热器的厚度为0.55mm(例如，图1B中的电极102+厚度120+电极118)，环形形状的PPTC加热器的直径为9.5mm，其中间隙大约0.4mm(参见，例如图1C，其中导线108和110之间的空间是间隙)，以及PPTC加热器的面积(也就是，由PPTC加热器的环形形状形成的圆的面积)为2.5cm2。此外，在内表面上存在两个水平电极(例如，图1C中的电极102和106)，在PPTC加热器的外表面上存在一个全尺寸电极(例如，图1C中的电极118)。
图9B是用于PPTC加热器的温度(℃)与时间(min)的曲线绘图。温度起始于-40℃(室温)，然后迅速上升至大约120℃。该120℃温度在测试的持续时间(100分钟)内维持。图9C是用于PPTC加热器的电阻(Ω)与温度(℃)的曲线绘图。随着温度升高，PPTC加热器的电阻保持相当低，然后，在温度达到大约100℃之后，电阻有所增大，一旦温度达到大约125℃，电阻会迅速上升。此外，温度在125℃以上不会显著增加，这表明PPTC加热器在大约125℃处是自调节的。
图10A-10C的特征是根据示例性实施例的用于PPTC加热器的第二测试示例；图10A显示了测试电路，其中12V被提供给电路，最大电流为20A，以及室温为-40℃。电流和电压都是在PPTC加热器两端测量出的。此外，该PPTC加热器的特征在于初始电阻为2.27Ω，PPTC加热器的高度为8.6cm(例如，图2A中的电极206+间隙216+电极202)，PPTC加热器的厚度为0.34mm(例如，图2B中的电极202+厚度220+电极218)，环形形状的PPTC加热器的直径为1.2cm，其中间隙大约为0.4mm(例如，参见图2C)，以及PPTC加热器的面积为2.5cm2。此外，在内表面上存在两个垂直电极(例如，图2C中的电极202和206)，在PPTC加热器的外表面上存在一个全尺寸电极(例如，图2C中的电极218)。
图10B是用于PPTC加热器的温度(℃)与时间(min)的曲线绘图。温度起始于-40℃(室温)，然后迅速上升至大约120℃。该120℃温度在测试的持续时间(100分钟)内维持。图10C是用于PPTC加热器的电阻(Ω)与温度(℃)的曲线绘图。随着温度升高，PPTC加热器的电阻保持相当低(甚至低于图9C的示例1)，然后，在温度达到大约125℃之后，电阻迅速上升。此外，温度在125℃以上不会显著增加，这表明PPTC加热器在大约125℃处是自调节的。
图11A和图11B是示出根据示例性实施例的用于PPTC加热器的PPTC材料的弯曲工艺的效果的代表图，诸如本文中公开的任何PPTC加热器，特别是包含PPTC聚合物基体的加热器主体。回顾图8，本文中示出和描述的任何PPTC加热器的加热器主体804由PPTC聚合物基体802构成。PPTC聚合物基体802由导电材料(填料)806和聚合物808两者构成，该PPTC聚合物基体被夹在两片金属箔810之间。相似地，在图11A中，PPTC加热器的加热器主体1104(PPTC加热器主体1104)由PPTC聚合物基体1102构成，金属箔1110被设置在聚合物基体的任一侧。因为本文中公开的PPTC加热器被弯曲成环形形状，诸如用于与致动器或其他圆柱形器件一起使用，所以它们经历了不具有传统PPTC器件特征的新型弯曲工艺。
在示例性实施例中，基于其材料成分，PPTC聚合物基体1102能够在弹塑性范围内弯曲，也就是说，似乎弹性和塑性变形两者都发生，尽管塑性变形非常小。假想的中性线(neutral line)1120表明PPTC聚合物基体1102具有很好的可弯曲性。回顾一下，金属箔1110可以包括设置在与PPTC聚合物基体1102相邻的一侧上的结节，以改善两个界面之间的连接。在一些实施例中，金属箔1110的模量高到足以在弯曲期间在弹性范围内移动。然而，弯曲引起外侧金属箔1110和一半PPTC聚合物基体1102的拉伸，同时内侧金属箔和另一半PPTC聚合物基体1102的压缩。此外，在PPTC聚合物基体1102的一半和PTC聚合物基体1102的另一半之间存在假想的中性线1120。
在弯曲操作期间加热PPTC加热器是不必要的。在一个实施例中，在弯曲操作期间，一些热量被施加到PPTC加热器。然而，加热温度被维持低于半结晶聚合物的熔融温度。否则，PPTC聚合物基体中的导电颗粒的性质将会改变，可能会中断PPTC加热器的制造过程。一旦加热器主体1104在弯曲后呈现期望的环形形状，就可以采用退火工艺来释放弯曲应力。
图11B是示出根据示例性实施例的图11A的PPTC加热器主体1104的应力与应变特性的图。对于外侧金属箔1110(σfoil)和PPTC聚合物基体1102(σpPTC)两者，示出了由σ给出的应力。对于外侧金属箔1110(Efoil)和PPTC聚合物基体1102(EpPTC)，另外给出了由E给出的弹性模量。从这些信息中，对每种材料的应变ε可以使用公式σ＝Eε来计算。
图12是显示根据示例性实施例的用于制造PPTC加热器(诸如PPTC加热器100、200、400、500和600中任一个)的过程步骤的流程图。制造过程从聚合物和导电填料混合操作(框1202)开始，因为这些构成了上文描述的聚合物基体。然后，对聚合物基体进行热熔挤出工艺(框1204)。热熔挤出(Hot melt extrusion，HME)是施加热量和压力使聚合物熔化并迫使其在连续过程中通过孔口的工艺。这使聚合物基体能够呈现预定义的均匀形状和密度。然后，将聚合物基体挤压成片材(框1206)。然后，聚合物基体的挤压的片材在两侧上被层压有金属箔(框1208)，形成具有聚合物基体位于其间的金属箔(电极)的夹层，如前述PPTC加热器中描述的。
在金属箔层压后，对聚合物基体执行PPTC交联操作(框1210)。在聚合物化学中，交联(cross-linking)采用交叉结合来促进聚合物物理性质的变化。这里，该聚合物基体是交联的，以便产生具有期望性质的PPTC。在示例性实施例中，PPTC交联是通过电子束、伽马辐射或化学交联实现的。然后，形成箔-PPTC-箔夹层片材(框1212)。然后，夹层片材在一侧被刻蚀(其中N＝1)或在两侧被刻蚀(如果N＝3的话)为设计的芯片尺寸(框1214)。然后，夹层片材基于刻蚀被切割成单个芯片(框1216)，其中每个芯片是金属箔-PPTC-金属箔的夹层，如PPTC加热器所期望的那样。
接下来，单个芯片被各自弯曲以形成指定直径的环形形状(框1218)。尽管本文中描述的实施例是圆环形的，以便安装在圆柱形致动器上方，但是单个芯片可替选地可以被弯曲成适合于期望应用的其他形状。例如，芯片可以被弯曲以形成矩形形状，用于与形状类似立方体或矩形立方体的致动器或其他设备耦合。或者，芯片可以被弯曲成适于与致动器耦合的其他几何形状，该几何形状为三角形、棱锥形、棱柱形、梯形、六边形、八边形、五边形、或多种其他几何形状中的任一种。或者，芯片可以被弯曲成椭圆形，适合于耦合到具有非几何形状的致动器或其他设备。在示例性实施例中，PPTC加热器的形状在这个阶段被弯曲以符合待加热器件的形状。
在将芯片弯曲为期望形状后，执行导线装配，其中导线(例如，图1A的导线108和110)被附接到夹在中间的芯片(框1220)。然后，执行退火工艺，其中夹在中间的芯片被加热并缓慢冷却，以消除内应力并使材料韧化。然后，夹在中间的芯片被涂覆有合适的材料，以保护器件或给器件添加其他功能(框1222)。例如，在一个实施例中，添加了温度敏感涂层，使该器件在不同温度下改变颜色。然后，执行对器件的R测试(框1226)并将器件封装在合适的封装材料中(框1228)。PPTC加热器制造过程步骤就这样完成了。
图12中的一个或多个PPTC处理步骤可以按除了所显示顺序以外的顺序执行。例如，框1224的操作可以在框1218的操作之前执行。本领域普通技术过程工程师将认识到可以执行这些制造操作的多种方式。
如本文所用，以单数形式叙述并以词语“一”或“一个”开头的元件或步骤应该被理解为不排除复数的元件或步骤，除非明确叙述这种排除。此外，对本公开的“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除同样合并所述特征的附加实施例的存在。
虽然本公开参考某些实施例，但是在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的领域和范围的情况下，对所描述的实施例的许多修改、替换和改变是可能的。因此，旨在本公开不限于所描述的实施例，而是具有由以下权利要求书及其等同物的语言所限定的全部范围。

Claims (20)

1.一种聚合物正温度系数(PPTC)加热器，包括：
第一电极，其被耦合到第一导线；
加热器主体，其包括PPTC聚合物基体，所述PPTC聚合物基体包括导电填料和半结晶聚合物；以及
第二电极，其被耦合到第二导线，其中所述PPTC聚合物基体被设置在所述第一电极与所述第二电极之间以形成夹层，其中所述加热器主体以环形形状被布置。
2.根据权利要求1所述的PPTC加热器，其中，弯曲工艺被采用以将所述夹层塑造成所述环形形状。
3.根据权利要求1所述的PPTC加热器，其中，所述第一导线在所述环形形状的内表面上，并且所述第二导线在所述环形形状的外表面上。
4.根据权利要求1所述的PPTC加热器，所述PPTC聚合物基体进一步包括导电填料和半结晶聚合物。
5.根据权利要求1所述的PPTC加热器，进一步包括：第三电极，其中所述第一电极和所述第三电极在所述环形形状的内表面上，并且所述第二电极在所述环形形状的外表面上。
6.根据权利要求5所述的PPTC加热器，其中，所述第一导线和所述第二导线在所述环形形状的内表面上。
7.根据权利要求6所述的PPTC加热器，其中，所述第一电极和所述第三电极由第一预定厚度的间隙分离，其中所述间隙使所述加热器主体的PPTC聚合物基体暴露出来。
8.根据权利要求7所述的PPTC加热器，其中，所述加热器主体具有如在所述第一电极和所述第三电极之间测量出的第二预定厚度。
9.根据权利要求8所述的PPTC加热器，其中，所述第二预定厚度远小于所述第一预定厚度。
10.根据权利要求8所述的PPTC加热器，其中，所述第二预定厚度介于3密耳和120密耳之间。
11.根据权利要求1所述的PPTC加热器，其中，所述导电填料选自由碳、石墨烯、碳和石墨烯、导电陶瓷、碳纳米管、具有碳纳米管的碳、以及具有碳纳米管的石墨烯构成的组中。
12.根据权利要求1所述的PPTC加热器，其中，所述半结晶聚合物选自由聚乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯四氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物、以及聚全氟烷氧基构成的组中。
13.一种聚合物正温度系数(PPTC)加热器，包括：
加热器主体，其包括导电填料和半结晶聚合物，所述加热器主体被构造成预定厚度的矩形片材；
第一电极，其被设置在所述加热器主体在第一端处的第一侧表面上方，其中所述第一电极被耦合到第一导线；
第二电极，其被设置在所述加热器主体在第二端处的第一侧表面上方，其中所述第二电极被耦合到第二导线；以及
被设置在所述第一电极与所述第二电极之间的间隙，所述间隙与所述第一导线和所述第二导线是水平的，所述间隙具有第二预定厚度，其中所述间隙使所述第一电极与所述第二电极之间的加热器主体暴露出来；
其中，所述PPTC加热器被形成环形形状，并且所述第一电极和所述第二电极被设置在内表面上。
14.根据权利要求13所述的PPTC加热器，进一步包括：第三电极，其被设置在所述加热器主体的第二侧表面上方，所述第二侧表面与所述第一侧表面相对。
15.根据权利要求13所述的PPTC加热器，其中，所述预定厚度远小于所述第二预定厚度。
16.根据权利要求13所述的PPTC加热器，其中，所述加热器主体具有125℃的自调节温度。
17.一种聚合物正温度系数(PPTC)加热器，包括：
加热器主体，其包括聚合物基体，所述加热器主体被构造成预定厚度的矩形片材；
第一电极，其被设置在所述加热器主体在第一端处的第一侧表面上方，其中所述第一电极被耦合到第一导线；
第二电极，其被设置在所述加热器主体在第二端处的第一侧表面上方，其中所述第二电极被耦合到第二导线；以及
被设置在所述第一电极与所述第二电极之间的间隙，所述间隙与所述第一导线和所述第二导线是垂直的，所述间隙具有第二预定厚度，其中所述间隙使所述第一电极与所述第二电极之间的加热器主体暴露出来；
其中，所述PPTC加热器被形成环形形状，并且所述第一电极和所述第二电极被设置在内表面上。
18.根据权利要求17所述的PPTC加热器，进一步包括：第三电极，其被设置在所述加热器主体的第二侧表面上方，所述第二侧表面与所述第一侧表面相对。
19.根据权利要求17所述的PPTC加热器，其中，所述预定厚度为10密耳，并且所述第二预定厚度为50密耳。
20.根据权利要求17所述的PPTC加热器，其中，所述加热器主体具有125℃的自调节温度。
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