JP2024508705A - Ｐｐｔｃアクチュエータヒータ - Google Patents

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Abstract

温度感知アクチュエータ用の新規なヒータが開示される。ヒータは、導電性フィラ及び半結晶性高分子からなる高分子正温度係数（ＰＰＴＣ）デバイスである。ＰＰＴＣヒータは、ヒータを利用するあらゆる用途に適した予め決められた自動調節温度を有するように戦略的に設計されている。間隙幅及び厚みなどのＰＰＴＣヒータの物理的特徴により、ヒータを通る電流の流れを戦略的に制御できる。

Description

本開示の実施形態は、ＰＰＴＣデバイスに関し、より詳細には、ヒータとして動作するＰＰＴＣデバイスに関する。
正温度係数（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：ＰＴＣ）デバイス及び高分子ＰＴＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ ＰＴＣ：ＰＰＴＣ）デバイスは、電子システム内の高価な回路に損傷を与え得る過電流及び過電圧状態を遮断するために回路で利用される。ＰＴＣには、加熱すると物理的特性が変化する材料が含まれている。ＰＴＣは、電流の流れの増加により、温度が上昇すると、抵抗が増加する。障害状態が解除されると、ＰＴＣデバイスは元の設定まで冷却される。したがって、ＰＴＣ及びＰＰＴＣは、再設定可能なヒューズと考えられる。
最近では、ＰＴＣ技術がヒータ用途に使用されている。しかし、ＰＴＣデバイスは、そのサイズ及び形状のために、加熱用途で効果を発揮するために必要な電力密度よりも、はるかに高い電力密度を持たなければならないように、一部の用途によっては使いにくい。
本改良が有用であり得るのは、これら及びその他の考慮事項に関してである。
この概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化した形態で紹介するために提供されている。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、また、特許請求される主題の範囲を決定するのを助けることを意図したものでもない。
本開示による高分子正温度係数（ＰＰＴＣ）ヒータの例示的な実施形態は、第１の電線に接続された第１の電極、ＰＰＴＣ高分子マトリックスから構成されるヒータ本体を含み得、ここで、ＰＰＴＣ高分子マトリックスは、導電性フィラ及び半結晶性高分子の両方を含む。ＰＰＴＣヒータはまた、第２の電線に接続された第２の電極を含み、ＰＰＴＣ高分子マトリックスが第１の電極及び第２の電極の間にあり、サンドイッチを形成する。サンドイッチを円環状に形成するには、曲げ工程が使用される。
本開示によるＰＰＴＣヒータの別の例示的な実施形態は、導電性フィラ及び半結晶性高分子を含むヒータ本体、ヒータ本体は、予め決められた厚みの長方形のシートに構成され、第１の端部でヒータ本体の側面上に配置された第１の電極、第１の電極は第１の電線に接続され、第２の端部でヒータ本体の同じ側面上に配置された第２の電極、第２の電極は第２の電線に接続されている、を含み得る。第１の電極及び第２の電極の間には間隙があり、この間隙は第１及び第２の電線に対して水平である。間隙は第２の予め決められた厚みを有し、第１の電極及び第２の電極の間のヒータ本体は間隙によって露出される。ＰＰＴＣヒータは、第１の電極及び第２の電極が内面となるように円環状に形成されている。
本開示によるＰＰＴＣヒータの別の例示的な実施形態は、高分子マトリックスを含むヒータ本体、ヒータ本体は、予め決められた厚みの長方形のシートに構成され、第１の端部でヒータ本体の側面上に配置された第１の電極、第１の電極は第１の電線に接続され、第２の端部でヒータ本体の同じ側面上に配置された第２の電極、第２の電極は第２の電線に接続されている、を含み得る。第１の電極及び第２の電極の間には間隙があり、この間隙は第１及び第２の電線に対して垂直である。間隙は第２の予め決められた厚みを有し、第１の電極及び第２の電極の間のヒータ本体は間隙によって露出される。ＰＰＴＣヒータは、第１の電極及び第２の電極が内面となるように円環状に形成されている。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの図である。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの図である。
例示的な実施形態による、図１Ａ～図１Ｃ及び図２Ａ～図２ＣのＰＰＴＣヒータの特性を示す図である。 例示的な実施形態による、図１Ａ～図１Ｃ及び図２Ａ～図２ＣのＰＰＴＣヒータの特性を示す図である。 例示的な実施形態による、図１Ａ～図１Ｃ及び図２Ａ～図２ＣのＰＰＴＣヒータの特性を示す図である。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの等価回路である。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの図である。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータを示す図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの等価回路を示す図である。 例示的な実施形態による、等価回路を含む、ＰＰＴＣヒータを示す図である。 例示的な実施形態による、等価回路を含む、ＰＰＴＣヒータを示す図である。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータによって作動されるアクチュエータの図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータによって作動されるアクチュエータの図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータによって作動されるアクチュエータの図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータによって作動されるアクチュエータの図である。
例示的な実施形態による、開示されたＰＰＴＣヒータのいずれかのヒータ本体の図である。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの試験に関連する試験回路である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの試験に関連するグラフである。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの試験に関連するグラフである。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの試験に関連する試験回路である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの試験に関連するグラフである。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの試験に関連するグラフである。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの曲げの効果を示す図である。 例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの曲げの効果を示す図である。
例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの製造のフロー図である。
本明細書に記載の実施形態によれば、排熱回収システムなどの温度感知アクチュエータ用の新規なヒータが開示される。ヒータは、導電性フィラ及び半結晶性高分子からなる高分子正温度係数（ＰＰＴＣ）デバイスである。導電性フィラは、一例として、カーボン／グラフェンの組み合わせであり得るが、ＰＰＴＣヒータは、様々な導電性フィラから作製され得る。ＰＰＴＣヒータは、ヒータを利用するあらゆる用途に適した予め決められた自動調節温度を有するように戦略的に設計されている。間隙幅及び厚みなどのＰＰＴＣヒータの物理的特徴により、電流の流れを戦略的に制御できる。
図１Ａ～図１Ｃは、例示的な実施形態による、アクチュエータを動作させるための新規なＰＰＴＣヒータ１００、又はＰＰＴＣアクチュエータヒータ１００の代表的な図面及び例示である。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、ＰＰＴＣヒータ１００の側面図及び上面断面図を示す。ＰＰＴＣヒータ１００は、ＰＴＣ材料からなるヒータ本体１０４を含む。ヒータ本体１０４は、２つの対向する表面を有する、実質的に平板状である。例示的な実施形態では、ヒータ本体１０４の厚みは１ｍｍ未満である。ヒータ本体については、以下の図８にさらに説明及び例示される。
ＰＰＴＣヒータ１００は、第１の電極１０６及び第２の電極１０２を含み、その両方がヒータ本体１０４の第１の対向面上に配置される。電極１０２／１０６は、間隙１１６によって分離された導電層であり、間隙１１６では、導電層が存在せず、ヒータ本体１０４が間隙で露出している。図１Ａの側面図では、間隙１１６は水平に配置されており、第１の電極１０６は間隙１１６の下にあり、第２の電極１０２は間隙の上にある。第１の導線（電線）１０８は第１の電極１０６に接続され、一方、第２の導線１１０は第２の電極１０２に接続されている。
図１Ｂはさらに、ヒータ本体１０４の第２の対向面上に配置された第３の電極１１８を示し、第２の面は、第１及び第２の電極１０６及び１０２が配置される第１の面の反対側であり、第３の電極１１８は図１Ａでは見えない。ヒータ本体１０４は厚み１２０を有する。したがって、ヒータ本体１０４は、一方の側面の電極１０２／１０６及び他方の側面の電極１１８の間に挟まれ、間隙１１６が電極１０２及び電極１０６の間のヒータ本体を露出させる。
図１Ｃは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ１００の図である。ＰＰＴＣヒータ１００は、加熱される円筒形のデバイスの周囲に配置されるのに適した円環（リング）状である。例示的な実施形態では、加熱されるデバイスはアクチュエータである。アクチュエータは、何かを移動させたり動作させたりするデバイスである。アクチュエータは、エネルギー源（電気、油圧、又は空気圧）を物理的な機械的な動きに変換する。アクチュエータは、直線（リニア）又は円（回転）方向に移動できる。例示的な実施形態では、ＰＰＴＣヒータ１００によるアクチュエータの加熱によりアクチュエータを作動させ、アクチュエータが直線方向又は回転方向に移動する。
図１Ｃの例示では、電極１０２及び１０６がＰＰＴＣヒータ１００の円環状の内面に配置され、一方、電極１１８が外面に配置されている。ヒータ本体１０４のＰＰＴＣ材料は、電極１０２及び１０６の間（水平に配置された開口部として）及びリングの上縁に沿った両方に示されている。電線１０８及び１１０は、それぞれ内部電極１０２及び１０６上に配置されている。
例示的な実施形態では、ＰＰＴＣヒータ１００の円環状は、円筒形のアクチュエータの熱電素子の周囲に巻き付けられる。したがって、ＰＰＴＣヒータ１００はアクチュエータの熱電素子と接触し、アクチュエータが急速に加熱され、作動して移動することが可能になる。このようにして、ＰＰＴＣアクチュエータヒータ１００は、アクチュエータによってピストンが作動して直線移動（前進及び後退）する排熱回収システムの応用において利点を提供する。さらに、ＰＰＴＣヒータ１００の円環状は、ヒータが熱の配置を正確な位置（アクチュエータの熱電素子）に制限するため、温度制限の特徴である。したがって、ＰＰＴＣヒータは熱電素子への加熱を制限することによって、ピストンの直線運動の安定した出力を保証する。
例示的な実施形態では、ＰＰＴＣアクチュエータヒータ１００は、薄く（厚み１ｍｍ未満）、小さい（直径１ｃｍ未満）ものである。この小さなサイズにより、いくつかの実施形態では、ＰＰＴＣアクチュエータヒータ１００がアクチュエータの熱電素子と直接接触することが可能になり、その結果、高い熱効率が得られる。したがって、円筒形のＰＰＴＣヒータ１００は、アクチュエータの加熱対象領域に取り付けられ得る。
熱損失を低減することに加えて、例示的な実施形態では、ＰＰＴＣヒータ１００の設計は一部の従来のＰＰＴＣデバイスよりも単純であり、製造コストを節約し得る。現在入手可能な従来のＰＰＴＣ又はセラミックＰＴＣ（ｃＰＴＣ）デバイスは、一般に、平らな長方形又は丸い形状で、厚みが１ｍｍを超える。空間及び／又は電気絶縁要件が限定されている用途では、これらのＰＴＣ加熱素子を対象領域の近くに配置できない。従来のＰＴＣデバイスの配置の結果として、対象面の加熱の鈍化及び高い熱損失が生じる。一例では、対象面の加熱に使用される従来のＰＴＣデバイスを使用した結果では、ＰＴＣデバイスの表面温度は約２００℃に達するが、対象面は１００℃までにしか達せず、極めて非効率である。
厚みが１ｍｍ未満の薄膜ＰＰＴＣデバイスがいくつか存在するが、これらのデバイスの電力密度は非常に低くなる。したがって、そのような薄膜ＰＰＴＣデバイスは、短時間で十分な熱を発生させるのに十分な大きさである必要がある。１つの実施形態では、ＰＰＴＣヒータ１００は、既存の薄膜ＰＰＴＣデバイスよりも、はるかに高い電力密度を有する。
図２Ａ～図２Ｃは、例示的な実施形態による、アクチュエータを動作させるためのＰＰＴＣヒータに関連する代表的な図面である。図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ２００の側面図及び上面断面図を示す。ＰＰＴＣヒータ２００は、ＰＴＣ材料からなるヒータ本体２０４を含む。ヒータ本体１０４は、２つの対向する表面を有する、実質的に平板状である。例示的な実施形態では、ヒータ本体２０４の厚みは１ｍｍ未満である。ヒータ本体については、以下の図８にさらに説明及び例示される。
ＰＰＴＣヒータ２００は、第１の電極２０６及び第２の電極２０２を含み、その両方がヒータ本体２０４の第１の対向面上に配置される。これらの電極２０２／２０６は、間隙２１６によって分離された導電層であり、間隙２１６では、導電層が存在せず、ヒータ本体２０４が間隙で露出している。図２Ａの側面図では、間隙２１６は垂直に配置されており、第１の電極２０６は間隙の左側にあり、第２の電極２０２は間隙の右側にある。第１の導線（電線）２０８は第１の電極２０６に接続され、一方、第２の導線２１０は第２の電極２０２に接続されている。
図２Ｂは、ヒータ本体２０４の第２の対向面上に配置された第３の電極２１８をさらに示し、第２の面は、第１及び第２の電極２０６及び２０２が配置される第１の面の反対側であり、第３の電極２１８は図２Ａでは見えない。ヒータ本体２０４は厚み２２０を有する。したがって、ヒータ本体２０４は、一方の側面の電極２０２／２０６及び他方の側面の電極２１８の間に挟まれ、間隙２１６が電極２０２及び電極２０６の間のヒータ本体を露出させる。
図２Ｃは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ２００の図である。ＰＰＴＣヒータ２００は、加熱される円筒形のデバイスの周囲に配置されるのに適した円環（リング）状である。例示的な実施形態では、加熱されるデバイスはアクチュエータである。例示的な実施形態では、ＰＰＴＣヒータ２００によるアクチュエータの加熱によりアクチュエータを作動させ、アクチュエータが直線方向又は回転方向に移動する。
図２Ｃの例示では、電極２０２及び２０６がＰＰＴＣヒータ２００の円環状の内面に配置され、一方、電極２１８が外面に配置されている。ヒータ本体２０４のＰＰＴＣ材料は、電極２０２及び２０６の間（垂直に配置された開口部として）及びリングの上縁に沿った両方に示されている。電線２０８及び２１０は、それぞれ内部電極２０６及び２０２上に配置されている。ＰＰＴＣヒータ１００及び２００は、Ｎ＝１（ここで、Ｎはヒータ電極の両側面の溝の総数を表す）で同じ一般的な電力設計を示す。
図３Ａ～図３Ｃは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ１００及び２００の特性を示す代表的な図面である。図３Ａは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ１００（図１Ａ～図１Ｃ）及び２００（図２Ａ～図２Ｃ）の等価回路を示す。Ｒ０及びＲ７はそれぞれ電線１０８／２０８及び１１０／２１０の抵抗を表し（その逆も同様）、Ｒ１及びＲ６はそれぞれ電極１０２／２０２及び１０６／２０６の抵抗を表し（その逆も同様）、Ｒ３は電極１１８／２１８の抵抗を表し、Ｒ２、Ｒ４、及びＲ５はヒータ本体１０４／２０４（ＰＴＣ材料）を表す。例示的な実施形態では、抵抗Ｒ４は抵抗Ｒ２又はＲ５よりも、はるかに大きい。
ＰＴＣ材料の単一のヒータ本体１０４／２０４があるが、ヒータ１００／２００を通る電流の流れは、Ｒ２、Ｒ４、及びＲ５によって与えられるように、ヒータ本体１０４／２０４のＰＴＣ材料を通る３つの可能な経路を取り得る。図３Ｂは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ１００及び２００の両方で発生し得るヒータ本体を通る３つの可能な電流経路を示す。矢印３０２、３０４、及び３０６は、ＰＰＴＣ材料を通る電流の流れの方向を示す。図３Ａは、電流の流れに２つの可能な経路があることを示す。第１の電流経路は、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ６、及びＲ７を通過する。したがって、矢印３０２及び３０４は、第１の電流経路のサブ経路である。第２の電流経路はＲ０、Ｒ１、Ｒ４、Ｒ６、及びＲ７を通過する。したがって、矢印３０６は第２の電流経路の一部である。
抵抗Ｒ２（矢印３０２で示す）において、電流は、電極１０６／２０６（Ｒ１）及び電極１１８／２１８（Ｒ３）の間のＰＰＴＣ材料を通って流れる。抵抗Ｒ５（矢印３０４で示す）において、電流は、電極１１８／２１８（Ｒ３）及び電極１０２／２０２（Ｒ６）の間のＰＰＴＣ材料を通って流れる。抵抗Ｒ４（矢印３０６で示す）において、電流は、電極１０６／２０６（Ｒ１）及び電極１０２／２０２（Ｒ６）の間のＰＰＴＣ材料を通って流れる。抵抗Ｒ４は、抵抗Ｒ２又はＲ５よりもかなり大きいため、例示的な実施形態では、第３の電流の流れの方向（Ｒ４）は、抵抗Ｒ２又はＲ５によって与えられる他の電流の流れの方向よりも発生する可能性が低い。
図３Ｃは、例示的な実施形態による、円環状のＰＰＴＣヒータ１００又は２００の代表的な図面である。図３Ｃは、円環状ＰＰＴＣヒータ１００及び２００を通る可能な電流の流れの方向を示すために使用される。円環状リングは、中央のヒータ本体１０４／２０４、リングの外面を囲む第３の電極１１８／２１８及びリングの内面に配置された第１の電極１０６／２０６及び第２の電極１０２／２０２からなる。ＰＰＴＣヒータ１００の場合、第２の電極１０２は、リングの内面の第１の電極１０６の上に配置される（図１Ａ及び図１Ｃも参照）。ＰＰＴＣヒータ２００の場合、第１の電極２０６はリングの内面の一方の側面に配置され、一方、第２の電極２０２はリングの内面の他方の側面に配置される（図２Ａ及び図２Ｃも参照）。
図３Ｂと同様、矢印は電流が流れる可能性のある方向を示す。導線１０８／２０８（矢印３０８及び抵抗Ｒ２で示す）から始まり、電流は、電極１０６／２０６からヒータ本体１０４／２０４のＰＰＴＣ材料を横断して、ヒータ本体の対向側面に配置された電極１１８／２１８まで流れる。電流は電極１１８／２１８に沿って流れる（矢印３１０及び抵抗Ｒ３で示す）。次に電流は、電極１１８／２１８からヒータ本体１０４／２０４のＰＰＴＣ材料を横断して導線１１０／２１０に流れる（矢印３１２及び抵抗Ｒ５で示す）。あるいは、電流は、矢印３１４及び３１６（その逆も同様）によって示されるように、抵抗Ｒ４によっても示されるように、電極１０６／２０６及び電極１０２／２０２の間に流れ得る。
様々な実施形態では、ＰＰＴＣヒータ１００及び２００のヒータ本体及び電極の設計は、Ｒ４の値がＲ２又はＲ５の値よりも、はるかに大きくなるようにし得る（図３Ａ）。この状況は、ＰＰＴＣヒータ１００（図１Ａ及び図１Ｂ）及びＰＰＴＣヒータ２００（図２Ａ及び図２Ｂ）では、ヒータ本体１０４の厚み１２０／２２０を間隙１１６／２１６よりも相対的に小さく構成することによって達成され得る。例示的な実施形態では、ヒータ本体１０４の厚み１２０（図１Ｂ）又はヒータ本体２０４の厚み２２０（図２Ｂ）は、様々な非限定的な実施形態では３ミル（０．０７６ミリメートル）及び１２０ミル（３．０ミリメートル）の間であり、いくつかの実施形態では５ミル（０．１３ミリメートル）及び１０ミル（０．２５ミリメートル）の間であり、一方、電極１０２及び電極１０６の間に水平に配置された間隙１１６（図１Ａ）、又は電極２０２及び電極２０６の間に垂直に配置された間隙２１６（図２Ａ）のいずれかの間隙の値は、それぞれのヒータ本体１０４／２０４の厚み１１６／２１６よりも相対的に大きい。例えば、ヒータ本体１０４の厚み１２０が１０ミル（０．２５ミリメートル）である場合、間隙１１６又は２１６の値は５０ミル（１．３ミリメートル）以上になり得、Ｒ４がＲ２又はＲ５よりも、はるかに大きくなることが保証される。
例示的な実施形態では、等価回路（図３Ａ）によって表されるＰＰＴＣヒータ１００及び２００の抵抗は、ほぼ初期抵抗に４を乗じた値（Ｒ２＝Ｒ５でヒータが非トリップ状態の場合、Ｒ≒４Ｒｉ）になる。これらの実施形態の変形によれば、溝（間隙１１６又は間隙２１６）位置の設計により、上部及び下部（ＰＰＴＣヒータ１００）又は左側面及び右側面（ＰＰＴＣヒータ２００）での加熱効果（各ＰＰＴＣセグメントの抵抗を制御することによって、一方の側面を高く；もう一方の側面を低くする）が決定され得る。１つの実施形態では、ＰＰＴＣヒータ１００の設計は、ヒータ全体が円環状に曲げられる例では、ＰＰＴＣヒータ２００よりも優れた機械的強度を有する。
図４Ａは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ４００の側面図を特徴とする。前述の実施形態と同様に、ＰＰＴＣヒータ４００の設計も、デバイスの同じ側面に配置された外部電線に接続された２つの電極を特徴とする。電極４０６は電線４０８に接続され、電極４０２は電線４１０に接続される。電極４０２は、溝４２０及び溝４１２によって電極４０６から分離されており、それらの溝では導電層が存在せず、ＰＰＴＣ材料のヒータ本体４０４が露出している。さらに、導電性領域４２２が溝４１２及び溝４２０の間に配置され、その領域には、電極４０２及び電極４０６の材料などの材料が存在する。したがって、溝４２０、４１２は、電極４０２、４０６及び導電性領域４２２の材料の抵抗と比較して、比較的高い抵抗であるＰＰＴＣヒータ４００の表面に沿った領域を画定する。図４Ａの側面図では、溝４１２、４２０は、電線４０８及び電線４１０の概略方向に対して垂直に延在するように配置されている。電極４０２、４０６及び導電性領域４２２に加えて、ＰＰＴＣヒータ４００は、いずれの場合もヒータ本体４０４の対向側面に配置され、溝４１６によって分離された導電性領域４１４及び導電性領域４１８を含む。
溝４１６は、ヒータ本体の対向側面にあるため、より薄い色調で示されている。
したがって、ＰＰＴＣヒータ４００は、図４Ｂに示す等価回路によって特徴付けされ得、ここで、Ｒ０及びＲ１２は電線４０８、４１０の抵抗を表し、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ６、Ｒ８、Ｒ１１は電極の抵抗を表し、Ｒ２、Ｒ５、Ｒ７、及びＲ１０は、ヒータ本体４０４の厚みを通って（すなわち、電線４０８、４１０、及び溝４１２、４１６、及び４２０の両方に対して垂直、又はＺ方向に）流れる電流に対するヒータ本体４０４の抵抗を表し、及びＲ４、Ｒ９、及びＲ１３は、ヒータ本体４０４の表面に沿って（すなわち、電線４０８、４１０に対して平行であるが、溝４１２、４１６、及び４２０に対して垂直、又はＹ方向に）流れる電流に対するヒータ本体４０４の抵抗を表す。特に、トリップ温度未満での動作中、ＰＰＴＣヒータ４００の電流は、主に電線４０８（Ｒ０）を通り、電極４０６（Ｒ１）を通り、（Ｚ方向に）ヒータ本体４０４の厚み（Ｒ２）を通り；ヒータ本体の裏側に沿った導電性領域４１４（Ｒ３）の表面に沿って、ヒータ本体４０４（Ｒ５）の厚みを通ってＺ方向に戻り、デバイスの前面に戻り；導電性領域４２２（Ｒ６）の表面に沿って；デバイスの背面までヒータ本体４０４（Ｒ７）の厚みをＺ方向に通り；導電性領域４１８（Ｒ８）の表面に沿って；再びデバイスの前面までヒータ本体４０４（Ｒ１０）の厚みをＺ方向に通り；電極４０２（Ｒ１１）及び電線４１０（Ｒ１２）を通って流れることによって、電線４０８及び電線４１０の間を流れ得る。換言すれば、トリップ温度未満での動作中、電流は、デバイスの前面の溝４１２又は４２０を横断して、あるいは、デバイスの背面の溝４１６を横断してＹ方向に跳ね上がることはない。一般に、溝４１６、４１２、４２０（間隙）のサイズはヒータ本体４０４の厚みよりも、はるかに大きくなり得るため、電流は通常、抵抗Ｒ４、Ｒ９、Ｒ１３で示すように、（Ｙ方向に）ヒータ本体の平面内の経路に沿って流れない。
図５は、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ５００の側面図を特徴とする。図５では、ヒータ構成は、一対の溝５２０、５１２が電線５０８及び電線５１０の概略方向に対して概して平行に延在するように配置されることを除いて、ＰＰＴＣヒータ４００（図４Ａ）の場合と概して同じである。具体的には、電極５０２は電線５０８に接続され、電極５０６は電線５１０に接続される。電極５０２は、溝５１２及び溝５２０によって電極５０６から分離されており、それらの溝には導電層が存在せず、ヒータ本体５０４が露出している。さらに、導電性領域５２２が溝５１２及び溝５２０の間に配置され、その領域には、電極５０２及び電極５０６の材料などの材料が存在する。したがって、溝５１２、５２０は、電極５０２、５０６及び導電性領域５２２の材料の抵抗と比較して、比較的高い抵抗であるＰＰＴＣヒータ５００の表面に沿った領域を画定する。電極５０２、５０６及び導電性領域５２２に加えて、ＰＰＴＣヒータ５００は、ヒータ本体５０４の対向側面に配置され、溝５１６によって分離された導電性領域５１４及び導電性領域５１８を含む。溝４１６は、ヒータ本体の対向側面にあるため、より薄い色調で示されている。
ＰＰＴＣヒータ４００（図４Ａ）と同様に、ＰＰＴＣヒータ５００は、図４Ｂの等価回路によって特徴付け得、ここで、Ｒ０及びＲ１２は電線５０８、５１０の抵抗を表し、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ６、Ｒ８、Ｒ１１は、電極の抵抗を表し、Ｒ２、Ｒ５、Ｒ７、及びＲ１０は、ヒータ本体５０４の厚みを通って（すなわち、電線５０８、５１０及び溝５１２、５１６、及び５２０の両方に対して垂直、又はＺ方向に）流れる電流に対するヒータ本体５０４の抵抗を表し、Ｒ４、Ｒ９、及びＲ１３は、ヒータ本体５０４の表面に沿って（すなわち、電線５０８、５１０、及び溝５１２、５１６、及び５２０の両方に対して垂直、又はＸ方向に）流れる電流に対するヒータ本体５０４の抵抗を表す。特に、トリップ温度未満での動作中、ＰＰＴＣヒータ５００の電流は、主に電線５１０（Ｒ０）を通って電極５０２（Ｒ１）を通り、デバイス（Ｒ２）の背面までヒータ本体５０４の厚みをＺ方向に通り；導電性領域５１４（Ｒ３）の表面に沿って、ヒータ本体５０４（Ｒ５）の厚みを通ってＺ方向に導電性領域５２２（Ｒ６）の表面に沿ってデバイスの前面に戻り；ヒータ本体５０４（Ｒ７）の厚みを通り；導電性領域５１８（Ｒ８）の表面に沿って；再びデバイスの前面の方向にヒータ本体５０４（Ｒ１０）の厚みを通り；電極５０６及び電線５１０（Ｒ１２）を通って流れることにより、電線５０８及び電線５１０の間を流れ得る。一般に、溝５１６、５１２、５２０（間隙）のサイズはヒータ本体５０４の厚みよりも、はるかに大きくなり得るため、電流は、抵抗Ｒ４、Ｒ９、Ｒ１３で示すように、ヒータ本体の平面内の経路に沿って流れ得ない。
要約すると、ＰＰＴＣヒータ４００及び５００の構成は、同じ電力設計（Ｎ＝３）を提供する。所定のヒータ抵抗の抵抗は、初期抵抗にほぼ１６を乗じたものになる（Ｒ２＝Ｒ５＝Ｒ７＝Ｒ１０、ＰＰＴＣヒータが非トリップ状態の場合、Ｒ≒１６Ｒｉ）。
図６Ａ～６Ｄは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ６００に関連する代表的な図面である。図６Ａは、ＰＰＴＣヒータ６００の側面図を示し、図６Ｂは、ＰＰＴＣヒータ６００の等価回路を示し、図６Ｃは、ＰＰＴＣヒータ６００の写真を示し、図６Ｄは、アクチュエータと共に使用され得るような、円環状のＰＰＴＣヒータ６００を示す。図６Ａ及び図６Ｄでは、ＰＰＴＣヒータ６００は、第１の電極６０２（図６Ｄの円環状の外面に示されている）及び第２の電極６０６（図６Ｄの円環状の内面に示されている）の間に挟まれたヒータ本体６０４（図６Ａでは見えない）を含む。第１の電線６０８はＰＰＴＣヒータ６００の前面（円環状面の外側）に配置され、一方、第２の電線６１０は背面（円環状面の内側）に配置される。この例では、第１の電極６０２は電線６０８に接続され、一方、第２の電極６０６は電線６１０に接続される。したがって、電流はＰＰＴＣヒータ本体の厚みをＺ方向に通過する。図６Ｂの等価回路では、Ｒ０及びＲ４は電線６０８、６１０の抵抗を表し、Ｒ１及びＲ３は電極６０２、６０６の抵抗を表し、Ｒ２はヒータ本体の厚みを通って流れる電流に対するヒータ本体６０４の抵抗を表す。
ＰＰＴＣヒータ１００、２００と同様に、ＰＰＴＣヒータ４００、５００、６００は、アクチュエータを有効／作動させる際に使用するために円環（リング状）状に形成され得る。開示されたＰＰＴＣヒータのいずれも、デバイスのヒータ本体がアクチュエータの熱電素子に対して配置され、ＰＰＴＣヒータによる加熱に応答してアクチュエータを直線方向又は回転方向に移動させるように位置決めされ得る。
図７Ａ～図７Ｄは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ７００の側面図である。ＰＰＴＣヒータ７００はアクチュエータ７０２上に配置される。図７Ａ～図７Ｄの側面図では長方形に見えるが、ＰＰＴＣヒータ７００は、実際には、図１Ｃ、図２Ｃ、図３Ｃ、図６Ｃ、又は図６Ｄのように、円環状であり、アクチュエータ７０２の上部又は熱素子７０４の上に配置されている。１つの実施形態では、アクチュエータ７０２の熱素子７０４は、金属材料と混合されたパラフィンワックスなどのワックス状マトリックス７０６を含み、その結果、ＰＰＴＣヒータがそれらの上に配置されたときに、ワックス状マトリックスが、ＰＰＴＣヒータ７００及びアクチュエータ７０２の間にある。ワックス状マトリックス７０６は、アクチュエータ７０２の開閉弁（図示せず）の制御を容易にするために存在する。様々な実施形態によれば、ＰＰＴＣヒータ７００は、熱素子７０４の周囲を囲むように薄い円環状の形態で配置されることに留意されたい（例えば、図１Ｃを参照）。したがって、ＰＰＴＣヒータ７００はワックス状マトリックス７０６を加熱し、最終的には融解し、その後、熱素子７０４を加熱してアクチュエータ７０２を作動させ、次いで、アクチュエータを直線方向又は回転方向に移動させる。ＰＰＴＣヒータ７００の温度が下がると、融解したワックス状マトリックス７０６が再び固まり、アクチュエータを保護する。
ワックス状マトリックス７０６を備えたアクチュエータ７０２Ａの全体図を図７Ａに示し；ワックス状マトリックス７０６を備えたスクイーズプッシュ型アクチュエータ７０２Ｂの全体図を図７Ｂに示し；ワックス状マトリックス７０６を備えたダイアフラム型アクチュエータ７０２Ｃの全体図を図７Ｃに示し；ワックス状マトリックス７０６を備えたプランジャピストン型アクチュエータ７０２Ｄの全体図を図７Ｄに示す（集合的に「アクチュエータ７０２」）。例示的な実施形態では、ワックス状マトリックスは、加熱されると、アクチュエータのスイッチをオン又はオフにするため、ワックス状マトリックス７０６はサーモアクチュエータ機能の重要な要素である。加熱されたワックス状マトリックス７０６は、アクチュエータ７０２のエラストマバッグ７０８（図７Ｂ）又は膜７１２（図７Ｃ）を圧迫し、ピストン７１０を移動させる。あるいは、加熱されたワックス状マトリックスがピストン７１０を圧迫して移動させる。例示的な実施形態では、アクチュエータ７０２の熱電素子は一般にワックス状マトリックス内の金属粒子からなるため、ＰＰＴＣヒータ７００は、短絡を避けるために化学蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）又は他のコーティングによってパリレンで絶縁される。
例示的な実施形態では、ＰＰＴＣヒータ７００は、任意の他のＰＰＴＣヒータ１００、２００、４００、５００、及び６００と同様に、自動調節ヒータであり、自動調節温度は特定の用途に依存する。例示的な実施形態では、ＰＰＴＣヒータ７００は約１２５℃の自動調節温度を有する。したがって、自動調節温度はＰＰＴＣヒータの上限温度となる。したがって、ＰＰＴＣヒータ７００の温度は約１２５℃まで上昇し得るが、その温度を超えることはなく、温度が１２５℃より高い場合、アクチュエータの過熱を防ぐためにその加熱電力が下げられる。したがって、図７Ａ～図７ＤのようにＰＰＴＣヒータがアクチュエータと組み合わされている場合、ＰＰＴＣヒータの温度が約１２５℃まで上昇すると、アクチュエータ内の関連するワックスが完全に融解して、アクチュエータの弁を動かし、その後、ＰＰＴＣヒータの温度は１２５℃を超えなくなる。
図８は、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータのヒータ本体の側面図である。本明細書に開示されるＰＰＴＣヒータは、ＰＰＴＣ材料（例えば、図１Ａ～図１Ｃのヒータ本体１０４を参照）からなるヒータ本体を含み、ここで、ＰＰＴＣ材料は、１）導電性フィラ（カーボン及び／又はグラフェンなど）及び２）半結晶性高分子からなる高分子マトリックスからなることを想起されたい。図８に示すように、ヒータ本体８０４は、高分子８０８内に配置された導電性フィラ８０６からなるＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２からなり、高分子マトリックスは、２つの金属箔８１０の間に挟まれている。例示的な実施形態では、金属箔８１０はそれぞれ、ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２と接する片側面に粒子状構造体（突起）を含み、これにより、箔及びマトリックスの間の結合が強化される。
ヒータ本体８０４は、ヒータ本体を含むＰＰＴＣヒータが予め定められた自動調節温度を有するように製造され得る。例示的な実施形態では、自動調節温度は１２５℃であるが、ＰＰＴＣヒータ、具体的には、導電性フィラ及び高分子からなる高分子マトリックスを含むヒータ本体は、顧客の幅広い温度の好みを満たすように設計し得る。具体的には、導電性フィラ及び高分子のタイプ、並びにそれぞれの組み合わせの割合を調整して、特定の自動調節温度プロファイルを達成し得る。したがって、導電性フィラ８０６及びＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２の高分子８０８の両方を構成するために使用し得る多くの異なる材料が存在する。
例示的な実施形態では、高分子８０８は、半結晶性高分子、例えば、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン、エチレン酢酸ビニル、エチレン及びアクリル酸共重合体、エチレンブチルアクリレート共重合体、ポリパーフルオロアルコキシ、又はこれらの材料の１つ又は複数の何らかの組み合わせを含む。さらに、例示的な実施形態では、ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２内の導電性フィラ８０６に対する高分子８０８の体積百分率は、５０％及び９９％の間、好ましくは、６０％及び９５％の間である。したがって、例えば、スペクトルの一方の端では、高分子マトリックスは、５０％の高分子及び５０％の導電性フィラからなり得る。スペクトルのもう一方の端では、高分子マトリックスは、９９％の高分子及び１％の導電性フィラからなり得る。好ましくは、高分子マトリックスは、一方の端で６０％の高分子及び４０％の導電性フィラ、もう一方の端で９５％の高分子及び５％の導電性フィラからなり得、これらの好みの間には、好ましい自動調節温度プロファイルをもたらし得る他の多くの組み合わせが存在する。
例示的な実施形態では、高分子マトリックスの導電性フィラ８０６は、カーボン、グラフェン、カーボン及びグラフェン、導電性セラミック、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブを有するカーボン、又はカーボンナノチューブを有するグラフェンから構成される。例示的な実施形態では、ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２の導電性フィラ８０６は、１０ｎｍ及び１００ｎｍの間の一次粒子径を有し、さらに、５ｃｍ３／１００ｇ及び５００ｃｍ３／１００ｇの間のフタル酸ジブチル（Ｄｉ－Ｂｕｔｙｌ Ｐｈｔｈａｌａｔｅ：ＤＢＰ）値を有するカーボンから構成される。好ましくは、ＤＢＰ値は８ｃｍ３／１００ｇ及び２００ｃｍ３／１００ｇの間の範囲である。さらに、例示的な実施形態では、カーボン充填は２０％及び６５％の間、好ましくは、２５％及び３０％の間である。
例示的な実施形態では、ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２の導電性フィラ８０６はグラフェンで構成され、グラフェンは、機械的方法又は化学的方法によって調製され、グラフェン層の数は１～数百、好ましくは、１及び３０層の間である。例示的な実施形態では、各グラフェン層の厚みは、２０ｎｍ未満、好ましくは、０．３４ｎｍ及び１０．２ｎｍの間である。さらに、例示的な実施形態では、グラフェンの粒径は０．１μｍ及び１００μｍの間、好ましくは、５μｍ及び３０μｍの間の範囲である。グラフェン充填は１％及び５０％の間、好ましくは、４％及び３０％の間である。
例示的な実施形態では、ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２の導電性フィラ８０６は、カーボン又は導電性セラミックで構成され、カーボンの一次粒子径は、１０ｎｍ及び１００ｎｍの間であり、５ｃｍ３／１００ｇ及び５００ｃｍ３／１００ｇの間のＤＢＰ値、好ましくは、８ｃｍ３／１００ｇ及び２００ｃｍ３／１００ｇの間のＤＢＰ値の範囲である。カーボン又は導電性セラミックとグラフェンの比率は、０％／１００％（カーボン／導電性セラミックなし、１００％グラフェン）及び１００％／０％（１００％カーボン又は導電性セラミック、グラフェンなし）の間、又はその間の任意の値にし得る。好ましい実施形態では、グラフェンに対するカーボン又は導電性セラミックの比率は、１％及び９０％の間、好ましくは、３０％及び６０％の間である。
例示的な実施形態では、ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２の導電性フィラ８０６は、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ ＮａｎｏＴｕｂｅ：ＣＮＴ）又はカーボンを含むグラフェンで構成され、カーボンの一次粒子径は、１０ｎｍ及び１００ｎｍの間であり、５ｃｍ３／１００ｇ及び５００ｃｍ３／１００ｇの間のＤＢＰ値、好ましくは、８ｃｍ３／１００ｇ及び２００ｃｍ３／１００ｇの間のＤＢＰ値の範囲である。例示的な実施形態では、導電性フィラ８０６のナノチューブの長さは１０ｎｍ及び１０μｍの間であり、直径は２ｎｍ及び５０ｎｍの間であり、ＣＮＴの長さ／直径は５及び５０００の間、好ましくは、１００及び１０００の間である。例示的な実施形態では、カーボン対グラフェン、又はカーボン対ナノチューブの比率は、１％及び９０％の間、好ましくは、３０％及び６０％の間である。
さらに、例示的な実施形態では、ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２の高分子８０８又は導電性フィラ８０６のいずれか、又はその両方には、限定されないが、酸化防止剤、分散剤、カップリング剤、架橋剤、アーク抑制剤などを含む材料が補充される。したがって、ヒータ本体８０４は、多種多様な材料を使用して製造し得、図８のヒータ本体は、本明細書に開示及び説明される任意のＰＰＴＣヒータの一部であり得る。
図９Ａ～図９Ｃ及び図１０Ａ～図１０Ｃは、例示的な実施形態による、図１Ａ～図１ＣのＰＰＴＣヒータ１００などの円環状ＰＰＴＣヒータを使用する２つの試験例を提供する。第１の試験例（図９Ａ～図９Ｃ）は、図１Ａ～図１Ｃのような、２つの内部電極間に水平間隙を有するＰＰＴＣヒータを試験し、一方、第２の試験例（図１０Ａ～図１０Ｃ）は、図２Ａ～図２Ｃのような、２つの内部電極間に垂直間隙を有するＰＰＴＣヒータを試験する。
図９Ａは、回路に１２Ｖが供給され、最大電流が２０Ａ、チャンバ温度が－４０℃である試験回路を示す。電流及び電圧の両方がＰＰＴＣヒータ全体で測定される。さらに、ＰＰＴＣヒータは、０．３８Ωの初期抵抗を有すること、ＰＰＴＣヒータの高さは９．７ｍｍ（例えば、図１Ａの電極１０６＋間隙１１６＋電極１０２）であること、ＰＰＴＣヒータの厚みは０．５５ｍｍ（例えば、図１Ｂの電極１０２＋厚み１２０＋電極１１８）であること、円環状ＰＰＴＣヒータの直径は９．５ｍｍであり、間隙は約０．４ｍｍ（例えば、図１Ｃを参照すると、電線１０８及び１１０の間の空間が間隙である）を有すること、及びＰＰＴＣヒータの面積（すなわち、ＰＰＴＣヒータの円環状によって形成される円の面積）は２．５ｃｍ２であることを特徴としている。さらに、ＰＰＴＣヒータの内面（例えば、図１Ｃの電極１０２及び１０６）には２つの水平電極があり、外面には１つのフルサイズ電極（例えば、図１Ｃの電極１１８）がある。
図９Ｂは、ＰＰＴＣヒータの温度（℃）対時間（分）をプロットしたグラフである。温度はチャンバ温度である－４０℃から開始され、非常に急速に約１２０℃まで上昇する。この１２０℃の温度は、試験の期間中（１００分間）維持される。図９Ｃは、ＰＰＴＣヒータの抵抗（Ω）対温度（℃）をプロットしたグラフである。温度が上昇しても、ＰＰＴＣヒータの抵抗は非常に低いままであるが、その後、温度が約１００℃に達した後、抵抗がいくらか増加し、温度が約１２５℃に達すると、抵抗は非常に急速に上昇する。さらに、温度は１２５℃を超えると大幅には上昇せず、これは、ＰＰＴＣヒータが約１２５℃で自動調節されていることを示している。
図１０Ａ～図１０Ｃは、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータの第２の試験例を特徴とする。図１０Ａは、回路に１２Ｖが供給され、最大電流が２０Ａ、チャンバ温度が－４０℃である試験回路を示す。電流及び電圧の両方がＰＰＴＣヒータ全体で測定される。さらに、ＰＰＴＣヒータは、２．２７Ωの初期抵抗を有すること、ＰＰＴＣヒータの高さは８．６ｃｍ（例えば、図２Ａの電極２０６＋間隙２１６＋電極２０２）であること、ＰＰＴＣヒータの厚みは０．３４ｍｍ（例えば、図２Ｂの電極２０２＋厚み２２０＋電極２１８）であること、円環状ＰＰＴＣヒータの直径は１．２ｃｍであり、間隙は約０．４ｍｍ（例えば、図２Ｃを参照）を有すること、ＰＰＴＣヒータの面積は２．５ｃｍ２であることを特徴としている。さらに、ＰＰＴＣヒータの内面（例えば、図２Ｃの電極２０２及び２０６）には２つの垂直電極があり、外面には１つのフルサイズ電極（例えば、図２Ｃの電極２１８）がある。
図１０Ｂは、ＰＰＴＣヒータの温度（℃）対時間（分）をプロットしたグラフである。温度はチャンバ温度である－４０℃から開始され、非常に急速に約１２０℃まで上昇する。この１２０℃の温度は、試験の期間中（１００分間）維持される。図１０Ｃは、ＰＰＴＣヒータの抵抗（Ω）対温度（℃）をプロットしたグラフである。温度が上昇しても、ＰＰＴＣヒータの抵抗は非常に低いまま（例１、図９Ｃよりもさらに低い）であるが、その後、温度が約１２５℃に達した後、抵抗は非常に急速に上昇する。さらに、温度は１２５℃を超えると大幅には上昇せず、これは、ＰＰＴＣヒータが約１２５℃で自動調節されていることを示している。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、例示的な実施形態による、本明細書に開示されるＰＰＴＣヒータのいずれかのようなＰＰＴＣヒータに対する、具体的には、ＰＰＴＣ高分子マトリックスを含むヒータ本体のＰＰＴＣ材料に対する曲げ工程の効果を示す代表的な図である。本明細書に例示及び説明されるＰＰＴＣヒータのいずれかのヒータ本体８０４が、ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２からなることを図８から想起されたい。ＰＰＴＣ高分子マトリックス８０２は、導電性材料（充填材）８０６及び高分子８０８の両方からなり、ＰＰＴＣ高分子マトリックスは２つの金属箔８１０のシートの間に挟まれている。同様に、図１１Ａでは、ＰＰＴＣヒータのヒータ本体１１０４（ＰＰＴＣヒータ本体１１０４）は、高分子マトリックスの両側に金属箔１１１０が配置されたＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２からなる。本明細書に開示されるＰＰＴＣヒータは、アクチュエータ又は他の円筒形デバイスと共に使用するためなど、円環状に曲げられるため、従来のＰＰＴＣデバイスの特徴ではない、新しい曲げ工程を受ける。
例示的な実施形態では、その材料組成に基づいて、ＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２は、弾塑性の範囲で、すなわち、塑性変形は非常に小さいが、あたかも弾性変形及び塑性変形の両方が起こったかのように曲げることができる。仮想中立線１１２０は、ＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２がかなり曲げることができることを示している。金属箔１１１０は、２つの接触面の間の結合を改善するために、ＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２に隣接する側面に配置された粒子状構造体を含み得ることを想起されたい。いくつかの実施形態では、金属箔１１１０の弾性率は、曲げ中に弾性域内で移動するのに十分に高い。それにもかかわらず、この曲げは、外側の金属箔１１１０及びＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２の半分に引張を生じさせると同時に、内側の金属箔及びＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２のもう一方の半分に圧縮を生じさせる。さらに、ＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２の半分及びＰＴＣ高分子マトリックス１１０２のもう一方の半分の間に仮想中立線１１２０がある。
曲げ動作中のＰＰＴＣヒータの加熱は不要である。１つの実施形態では、曲げ動作中にＰＰＴＣヒータにいくらかの熱が加えられる。しかし、加熱温度は半結晶性高分子の融解温度未満に維持される。そうでなければ、ＰＰＴＣ高分子マトリックス内の導電性粒子の特性が変化し、ＰＰＴＣヒータの製造工程が中断される可能性がある。ヒータ本体１１０４が曲げ後に所望の円環状になると、曲げ応力を解放するためにアニール工程を使用し得る。
図１１Ｂは、例示的な実施形態による、図１１ＡのＰＰＴＣヒータ本体１１０４の応力及び張力の特徴を示す図である。σによって与えられる応力は、外側の金属箔１１１０（σｆｏｉｌ）及びＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２（σｐＰＴＣ）の両方について示されている。Ｅによって与えられる弾性率は、外側の金属箔１１１０（Ｅｆｏｉｌ）及びＰＰＴＣ高分子マトリックス１１０２（ＥｐＰＴＣ）についても与えられる。この情報から、各材料の張力εは、式σ＝Ｅεを使用して計算され得る。
図１２は、例示的な実施形態による、ＰＰＴＣヒータ１００、２００、４００、５００、及び６００のいずれか１つのようなＰＰＴＣヒータを製造するための工程段階を示すフロー図である。製造工程は、高分子及び導電性フィラが上述の高分子マトリックスを構成するため、これらの混合動作から始まる（ブロック１２０２）。次いで、加熱融解押出工程が高分子マトリックスに対して行われる（ブロック１２０４）。加熱融解押出（Ｈｏｔ Ｍｅｌｔ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ：ＨＭＥ）は、熱及び圧力を加えて高分子を融解し、連続工程で開口部に押し通す工程である。これにより、高分子マトリックスが予め定められた均一な形状及び密度をとることができる。次いで、高分子マトリックスをシートに押し出す（ブロック１２０６）。次いで、高分子マトリックスの押出シートの両側面を金属箔で積層し（ブロック１２０８）、前述のＰＰＴＣヒータで説明したように、高分子マトリックスを間に挟んだ金属箔（電極）のサンドイッチを形成する。
金属箔の積層に続いて、ＰＰＴＣ架橋動作が高分子マトリックス上で実行される（ブロック１２１０）。高分子化学では、架橋結合では高分子の物理的特性の変化を促進するために架橋が使用される。ここでは、高分子マトリックスが架橋され、その結果、所望の特性を備えたＰＰＴＣが出現する。例示的な実施形態では、ＰＰＴＣ架橋は、電子線照射、ガンマ線照射、又は化学的架橋によって達成される。次いで、箔－ＰＰＴＣ－箔サンドイッチシートが形成される（ブロック１２１２）。次いで、サンドイッチシートは、設計されたチップサイズまで片側面（Ｎ＝１の場合）でエッチングされるか、又は両側面（Ｎ＝３の場合）でエッチングされる（ブロック１２１４）。次いで、サンドイッチシートは、エッチングに基づいて個々のチップに切断され（ブロック１２１６）、各チップは、ＰＰＴＣヒータに所望されるように、金属箔－ＰＰＴＣ－金属箔のサンドイッチである。
次いで、個々のチップをそれぞれ曲げて、指定された直径の円環状を形成する（ブロック１２１８）。本明細書に記載の実施形態は、円筒形アクチュエータに適合するようにリング形状であったが、代わりに個々のチップは、所望の用途に適した他の形状に曲げられてもよい。例えば、チップは、立方体又は直方体のような形状のアクチュエータ又は他のデバイスと結合するために、長方形の形状を形成するように曲げられてもよい。又は、チップは、三角形、角錐形、角柱形、台形、六角形、八角形、五角形、又は他の様々な幾何学的形状のいずれかであるアクチュエータとの結合に適した別の幾何学的形状に曲げられてもよい。又は、チップは、非幾何学的形状を有するアクチュエータ又は他のデバイスに結合するのに適した長方形の形状に曲げられてもよい。例示的な実施形態では、ＰＰＴＣヒータの形状は、加熱されるデバイスの形状に適合するように、この段階で曲げられる。
チップを所望の形状に曲げた後、挟まれたチップに電線（例えば、図１Ａの電線１０８及び１１０）を取り付ける電線組立が実行される（ブロック１２２０）。次いで、内部応力を除去して材料を強化するために、挟まれたチップが加熱され、ゆっくりと冷却することができるアニール工程が実行される。次いで、挟まれたチップは、デバイスを保護するため、又はデバイスに他の機能を追加するために、適切な材料でコーティングされる（ブロック１２２２）。例えば、１つの実施形態では、異なる温度でデバイスの色を変化させる温度感受性コーティングが追加される。次いで、デバイスのＲ試験が実行され（ブロック１２２６）、デバイスは適切な包装材料で包装される（ブロック１２２８）。これにより、ＰＰＴＣヒータの製造工程が完了する。
図１２のＰＰＴＣ処理工程の１つ又は複数は、示されている以外の順序で実行されてもよい。例えば、ブロック１２２４の動作は、ブロック１２１８の動作の前に実行されてもよい。当業者であれば、これらの製造作業を実行し得る、いくつかの方法を認識するであろう。
本明細書で使用する場合、単数形で記載され、「ａ」又は「ａｎ」という単語で始まる要素又は工程は、そのような除外が明示的に記載されていない限り、複数の要素又は工程を除外しないものとして理解されるべきである。さらに、本開示の「１つの実施形態」への言及は、記載された特徴も組み込む追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。
本開示は特定の実施形態を言及するが、添付の特許請求の範囲で定義されるような、本開示の領域及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対する多くの修正、改変、及び変更が可能である。したがって、本開示は、記載された実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲及びその均等物の文言によって定義される全範囲を有することが意図される。

Claims (20)

  1. 高分子正温度係数（ＰＰＴＣ）ヒータであって、
    第１の電線に結合された第１の電極；
    ＰＰＴＣ高分子マトリックスを有するヒータ本体、前記ＰＰＴＣ高分子マトリックスは、導電性フィラ及び半結晶性高分子を含む；
    第２の電線に結合された第２の電極、前記ＰＰＴＣ高分子マトリックスは、前記第１の電極及び前記第２の電極の間にサンドイッチを形成するように配置され、前記ヒータ本体は円環状に配置される
    を備えるＰＰＴＣヒータ。
  2. 曲げ工程は、前記サンドイッチを前記円環状に形成するために使用される、請求項１に記載のＰＰＴＣヒータ。
  3. 前記第１の電線は、前記円環状の内面上にあり、前記第２の電線は、前記円環状の外面上にある、請求項１又は２に記載のＰＰＴＣヒータ。
  4. 前記ＰＰＴＣ高分子マトリックスは、導電性フィラ及び半結晶性高分子をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のＰＰＴＣヒータ。
  5. 第３の電極をさらに備え、前記第１の電極及び前記第３の電極は、前記円環状の内面上にあり、前記第２の電極は前記円環状の外面上にある、請求項１又は２に記載のＰＰＴＣヒータ。
  6. 前記第１の電線及び前記第２の電線は、前記円環状の前記内面上にある、請求項５に記載のＰＰＴＣヒータ。
  7. 前記第１の電極及び前記第３の電極は、第１の予め決められた厚みの間隙によって分離され、前記間隙は前記ヒータ本体の前記ＰＰＴＣ高分子マトリックスを露出する、請求項６に記載のＰＰＴＣヒータ。
  8. 前記ヒータ本体は、前記第１の電極及び前記第３の電極の間で測定された第２の予め決められた厚みを有する、請求項７に記載のＰＰＴＣヒータ。
  9. 前記第２の予め決められた厚みは、前記第１の予め決められた厚みよりも、はるかに薄い、請求項８に記載のＰＰＴＣヒータ。
  10. 前記第２の予め決められた厚みは、３ミル（０．０７６ミリメートル）及び１２０ミル（３．０ミリメートル）の間である、請求項８又は９に記載のＰＰＴＣヒータ。
  11. 前記導電性フィラが、カーボン、グラフェン、カーボン及びグラフェン、導電性セラミック、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブを有するカーボン、及びカーボンナノチューブを有するグラフェンからなる群から選択される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＰＰＴＣヒータ。
  12. 前記半結晶性高分子が、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン、エチレン酢酸ビニル、エチレン及びアクリル酸共重合体、エチレンブチルアクリレート共重合体、及びポリパーフルオロアルコキシからなる群から選択される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＰＰＴＣヒータ。
  13. 高分子正温度係数（ＰＰＴＣ）ヒータであって、
    導電性フィラ及び半結晶性高分子を有するヒータ本体、前記ヒータ本体は、予め決められた厚みの長方形のシートに構成されている；
    第１の端部で前記ヒータ本体の第１の側面上に配置された第１の電極、ここで、前記第１の電極は、第１の電線に結合されている；
    第２の端部で前記ヒータ本体の前記第１の側面上に配置された第２の電極、ここで、前記第２の電極は、第２の電線に結合されている；及び
    前記第１の電極及び前記第２の電極の間に配置された間隙、前記間隙は、前記第１の電線及び前記第２の電線に対して水平であり、前記間隙は、第２の予め決められた厚みを有し、ここで、前記間隙は、前記第１の電極及び前記第２の電極の間の前記ヒータ本体を露出させる
    を備え、前記ＰＰＴＣヒータは、円環状に形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極は内面上に配置される、ＰＰＴＣヒータ。
  14. 前記ヒータ本体の第２の側面上に配置された第３の電極をさらに備え、前記第２の側面は前記第１の側面の反対側にある、請求項１３に記載のＰＰＴＣヒータ。
  15. 前記予め決められた厚みは、前記第２の予め決められた厚みよりも、はるかに薄い、請求項１３又は１４に記載のＰＰＴＣヒータ。
  16. 前記ヒータ本体は、１２５℃の自動調節温度を有する、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のＰＰＴＣヒータ。
  17. 高分子正温度係数（ＰＰＴＣ）ヒータであって、
    高分子マトリックスを有するヒータ本体、前記ヒータ本体は、予め決められた厚みの長方形のシートに構成されている；
    第１の端部で前記ヒータ本体の第１の側面上に配置された第１の電極、ここで、前記第１の電極は、第１の電線に結合されている；
    第２の端部で前記ヒータ本体の前記第１の側面上に配置された第２の電極、ここで、前記第２の電極は、第２の電線に結合されている；及び
    前記第１の電極及び前記第２の電極の間に配置された間隙、前記間隙は、前記第１の電線及び前記第２の電線に対して垂直であり、前記間隙は、第２の予め決められた厚みを有し、ここで、前記間隙は、前記第１の電極及び前記第２の電極の間の前記ヒータ本体を露出させる
    を備え、前記ＰＰＴＣヒータは、円環状に形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極は内面上に配置される、ＰＰＴＣヒータ。
  18. 前記ヒータ本体の第２の側面上に配置された第３の電極をさらに備え、前記第２の側面は前記第１の側面の反対側にある、請求項１７に記載のＰＰＴＣヒータ。
  19. 前記予め決められた厚みは１０ミル（０．２５ミリメートル）であり、前記第２の予め決められた厚みは５０ミル（１．３ミリメートル）である、請求項１７又は１８に記載のＰＰＴＣヒータ。
  20. 前記ヒータ本体は、１２５℃の自動調節温度を有する、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のＰＰＴＣヒータ。
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