本申请要求于2015年10月19日提交的标题为“PROCESS FOR CUSTOMIZING THE RESISTANCE OF A LAMINAR HEATING ELEMENT,AND LAMINAR HEATING ELEMENTS MANUFACTURED THEREBY”的美国临时申请第62/243,240号的优先权，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请还要求于2015年10月19日提交的标题为“SEGMENTED LAMINAR HEATER”的美国临时申请第62/243,271号的优先权，并且其全部内容通过引用并入本文。
背景技术：
现有的加热器垫或加热器膜仅提供改变管理功率输出性能的电阻特性的有限的能力。例如，改变导线电阻加热器的电阻限于改变导线直径。改变其他加热器膜例如导电墨印刷的塑料膜的电阻限于改变涂层的类型或涂层厚度，这仅提供有限的可变性。
加热器中使用的电阻丝具有相对高的电阻率和/或较宽的温度范围。因为功率输出与电阻成反比，因此增加功率输出通常需要增加电压。
层状加热元件例如但不限于由Greenville，SC的开发的那些例如PowerFilmTM或PowerFabricTM加热器(在下文中称为“层状加热器”或“扁平加热器”，通常指代任何类型材料的结构和任何制造商而不受限制，其特征在于加热器具有厚度远小于长度和宽度的片材、膜或织物的形状)是非常有效的加热器并且在加热器的整个表面上方提供均匀的热量。改变包括非金属膜或织物的这种类型的加热器的电阻以往需要改变加热器材料中的导电纤维的重量百分比。
所有上述方法都涉及改变每个加热应用的固有材料特性并且使用于商业应用的制造方法复杂化。因此，本领域需要提供在加热器的一个或更多个部分中具有可定制的加热特性的层状加热器。
通常，层状加热器以往也被限制为矩形形状，例如图1中示出的加热器100，使得母线102保持相距恒定的宽度W，以保持沿箭头A流动的电流的恒定电流密度。因此，以往很难设计提供均匀加热和热量分布的不规则扁平片材加热器。
因此，本领域需要提供均匀加热和分布的不规则形状的扁平加热器以及用于制造它们的方法和/或具有可以被容易地定制或定做以适合特定目的的热分布的扁平加热器。
附图说明
图1示出了典型层状加热器中的示意性布局和电流流动。
图2A示出了第一示例性加热元件截面。
图2B示出了第二示例性加热元件截面。
图3A示出了分段加热器设计的第一实施方式。
图3B示出了图3A中的示例性分段加热器设计的截面。
图4A示出了具有带有不平行母线的不规则形状的分段加热器的实施方式。
图4B示出了具有带有不平行母线的不规则形状的分段加热器的实施方式，其中某些段的不同部分具有不同的穿孔图案。
图5示出了包括多个图4A中的分段加热器的示例性加热器系统。
图6示出了用于制造分段加热器的示例性方法。
图7A示出了具有带有穿孔的一部分和没有穿孔的另一部分的示例性层状加热器。
图7B示出了示例性45度交错穿孔图案。
图8A示出了具有多个部分的示例性加热器，其中每个部分具有不同的穿孔图案。
图8B示出了示例性60度交错穿孔图案。
图8C示出了示例性直线穿孔图案。
图9示出了根据式1的D/X比值与开口面积百分比的示例性图，其与图7B中的穿孔图案有关。
图10示出了特定层状加热器材料的百分比开口面积与电阻系数的示例性图。
图11A示出了具有带有不平行母线的不规则形状的示例性加热器，其中加热器的不同部分具有不同的穿孔图案。
图11B示出了包括多个图11A中的分段加热器的示例性加热器系统。
图12A示出了其中加热器的相对侧上的绝缘涂层被设置在一个或更多个穿孔中的示例性穿孔加热器的示例性截面。
图12B示出了其中穿孔延伸穿过绝缘层的示例性穿孔加热器的示例性截面。
技术实现要素：
在本发明的一个方面中，层状加热器包括具有至少两个段的加热元件。每个段包括与导电层状加热元件段的相对端连接的成对的导电母线。第一母线与第一段的第一端连接，第二母线与第一段的第二端和第二段的第二端连接，并且第三母线与第二段的第一端连接。第二母线包括与第一段和第二段两者连接的连续导电带，其中通过第一间隙使第一母线和第三母线彼此分隔开并且使第一段和第二段彼此分隔开。层状加热器还可以包括在加热元件的一个表面上方的第一绝缘层和在加热元件的相反表面上方的第二绝缘层。例如在第一绝缘层和第二绝缘层共同提供在第一段和第二段上方、在第一母线、第二母线和第三母线上方延伸并且进入第一间隙的连续层的实施方式中，第一间隙可以用绝缘材料基本上填充。
本文所描述的分段层状加热器的实施方式通常可以表征为具有N个段、N+1个母线和N-1个间隙，其中N个段从第一段上的第一母线到第N段上的第N+1母线彼此串联电连接。在一些实施方式中，N+1个母线中的一半可以沿第一线以线性布置来设置，并且N+1个母线的另一半可以沿第二线以线性布置来设置，其中第一线和第二线彼此平行。在其他实施方式中，第一线和第二线可以是彼此不平行的。特别地，附接至第一段的第一边缘的第一母线的至少一部分可以与附接至第一段的相对边缘的第二母线的至少一部分不平行。
本发明的另一方面包括用于制造如上所述的分段层状加热器的方法，其包括以下步骤：提供具有从第一边缘到第二边缘的宽度和长度的导电层状加热元件材料的连续片材；将成对的导电母线设置成与连续片材的相对边缘相邻，每个母线延伸片材的宽度；以及在第一位置切割连续片材和所连接的母线带，延伸穿过第一边缘但不穿过第二边缘，以限定第一间隙、第一段和第二段以及第一母线和第三母线。该方法还可以包括：包括以绝缘材料用绝缘材料基本上填充第一间隙的方式将第一绝缘层和第二绝缘层施加在加热元件的相对表面上方。对于通常表征为具有N个段、N+1个母线和N-1个间隙的层状加热器，其中多个段从第一段上的第一母线至第N段上的第N+1母线彼此串联电连接，该方法可以包括：在交替位置切割连续片材，使得相邻割缝延伸穿过片材的相对边缘以限定N个段、N-1个间隙和N+1个母线。
在本发明的又一方面中，包括与导电层状加热元件材料的相对侧连接的成对的导电母线的加热器具有带有第一电阻的第一区域和带有第二电阻的第二区域，其中，第一区域具有第一开口面积百分比并且第二区域具有不同于第一开口面积百分比的第二开口面积百分比。开口面积百分比中之一可以为零，或两者的开口面积百分比可以都不为零。开口面积百分比中一个或更多个可以由穿孔图案来限定。例如，第一区域可以具有限定第一非零开口面积百分比的第一穿孔图案，并且第二区域可以具有限定第二非零开口面积百分比的第二穿孔图案。第一区域可以具有每单位面积的第一热量输出并且第二区域可以具有每单位面积的第二热量输出，其中，第一热量输出和第二热量输出在预定容差量内平均来看基本相同。母线在第一区域中具有彼此间的第一平均距离并且在第二区域中具有彼此间的不同于第一平均距离的第二平均距离，例如母线以不平行配置彼此间隔开的情况。在以下配置中：层状加热元件包括非金属加热元件，非金属加热元件包括具有连接至其的导电母线的导电非织造纤维层，其中，纤维层和母线被设置在两个外绝缘层之间，穿孔可以延伸穿过非金属加热元件以及外绝缘层或穿孔可以被设置在非金属加热元件中，其中绝缘材料被设置在穿孔内。第一区域和第二区域可以通过第三区域彼此连接，第三区域具有限定第一开口面积百分比和第二开口面积百分比之间的梯度的开口面积百分比。
本发明的另一方面包括加热系统，该加热系统包括如本文所描述的多个层状加热器，所述多个层状加热器连接至控制器并且被设置在用于向表面提供热量的表面上。在某些实施方式中，该系统可以包括多个加热器，所述多个加热器具有第一边缘不平行于第二边缘的楔形形状、具有沿第一边缘设置的第一母线或第一组母线以及沿第二边缘设置的第二母线或第二组母线，其中，多个加热器中的至少第一加热器和与其相邻的第二加热器被布置成：第一加热器的第二母线或第二组母线与第二加热器的第一母线或第一组母线平行。
本发明的又一方面包括除冰系统，其包括如本文所描述的加热系统，其中，要被加热的表面是非平面表面，例如卫星天线。
本发明的另一方面包括用于定制加热器或其部分的电阻的方法，其中加热器包括与导电层状加热元件材料的相对边缘连接的成对的导电母线。该方法包括以具有与期望定制水平的电阻对应的开口面积百分比的图案对层状加热元件材料进行穿孔的步骤。对于包括非金属加热元件的层状加热元件，所述非金属加热元件包括具有连接至其的导电母线的导电非织造纤维层，纤维层和连接的母线具有共同的上表面和共同的下表面，该方法还可以包括将第一绝缘层施加在共同的上表面上方并且将第二绝缘层施加在共同的下表面上方的步骤。施加第一绝缘层和第二绝缘层的步骤可以在穿孔步骤之后执行，在这种情况下，施加绝缘层的步骤可以包括用绝缘材料填充或部分填充穿孔，或者可以在穿孔步骤之前施加绝缘层，使得每个穿孔都延伸穿过绝缘层和非织造纤维层。
本发明的各个实施方式可以包括具有带有不同穿孔图案的段的分段加热器以及包括进行穿孔步骤的制造方法。
具体实施方式
现在参照附图，图1示出了示例性加热器，例如PowerFilmTM碳纤维膜加热器例如具有200微米的厚度和250克每平方米(gsm)的重量的型号PFI20-NP-PETG-550C1000。膜加热器的标准电阻是20欧姆每方块(ohmsq)。
加热元件核心配置
可以特别受益于如本文所要求保护和描述的本发明的各个方面的示例性加热器可以包括非金属导电膜加热器，例如由Greenville，SC的LaminaHeat生产的PowerFilmTM或PowerFabricTM加热器。要求美国临时专利申请序列第62/102,169号的优先权的PCT公开申请号WO 2016/113633('633WO公开)提供了示例性加热器实施方式的详细公开内容，参考的核心作为本文中的说明性示例而不受限制，这两个申请的全部内容均通过引用并入本文。本发明的实施方式可以包括在实现对本发明的教导的'633WO公开中公开的任何结构或其功能部分。应当理解，本文所描述的核心加热器元件可以与任何数目的其他涂层、板层或层例如但不限于在'633WO公开中描述的那些结合使用。因此，示例性加热器200可以包括多个层210至240，如图2A所示以及在下面描述的。
层210和层240指的是外部增强或绝缘层，例如，绝缘聚合物，其可以是挤压或涂覆形式。典型的聚合物可以包括而不限于：(PET)聚对苯二甲酸乙二醇酯、PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、PE(聚乙烯)、硅树脂(SI)、PEI(聚醚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PES(polyphenylene sulphide，聚苯硫醚)、TPU(聚氨酯热塑性塑料)或PA聚酰胺(尼龙)。绝缘聚合物的典型厚度是50至100微米。层210和层240可以是相同材料或不同材料，并且其中的一个或两者可以不呈现某些结构，或者不是指单个分立层，而是可以指其中剩余层220至230被嵌入或封装的基体(matrix)或多个其他层。
在其他实施方式中，如图2B所示，替代涂层210和涂层240，外层可以包括分别通过层215和层235粘合地接合至层220至230的织物层205和织物层245。例如，最外层205、245可以包括例如具有在6mm至25mm的范围内的纤维长度的非织造织物、毛毡或纱，最外层205、245经由在两侧具有粘合剂的固体膜/粘合剂层215、235而粘合地接合至层230和层240，该膜/粘合剂层用作接合层以及层205与层220/230的上表面之间以及层230的下表面与层245之间的防潮层，如图2B中描述的。
层230指的是电阻加热器片，例如包括随机取向的导电纤维如碳纤维的片。在一个实施方式中，碳纤维电阻加热器片包括非织造纤维层，该非织造纤维层包括包含导电纤维、非导电纤维(例如玻璃纤维)或其组合的单独的未缠结纤维的湿铺设层。在优选的实施方式中，纤维具有小于12mm的平均长度并且纤维层不具有导电颗粒。该层的典型密度可以在8至60克每平方米的范围内，更优选地在15至35克每平方米的范围内。加热器层优选地在任何方向上具有均匀的电阻。纤维层还可以包括一个或更多个粘结剂聚合物和/或阻燃剂。导电纤维中的每一个和/或非导电纤维中的每一个可以具有在6mm至12mm的范围内的长度。多个导电纤维中的一个或更多个可以包括具有金属涂层的非金属纤维。纤维层可以基本上由单独的未缠结纤维组成。然而，层240的组成不限于任何特定的结构、功能特性或密度。
加热器层还可以包括多个穿孔，所述多个穿孔相对于没有这种穿孔的相似层增加了纤维层的电阻，如在本文后面更详细描述的。如果存在穿孔，则穿孔可以具有在整个片材上创建均匀的开口面积的均匀密度，或者密度和开口面积可以沿着片材逐渐地或逐步地变化，如下面更详细描述的。本发明的某些方面不限于存在或不存在穿孔或其任何特定的均匀或不均匀的图案、尺寸或间隔。
层220指的是用作母线并且在层230的相对端处电连接的至少两个导电带(优选为铜)。与母线连接(例如但不限于焊接或机械连接)的电线(未示出)使得电压能够被施加到加热器。在示例性实施方式中，带可以是例如铜，10mm至19mm宽，50微米厚。导电带可以被施加作为层230上的涂层。因此，导电带还可以具有穿孔，例如如果层230具有穿孔并且带被涂覆在穿孔层上方，在这种情况下，导电涂层可以填充层230中的一个或更多个穿孔，或层220和层230可以在施加涂层之后一起被穿孔。
如本领域技术人员将理解的，如纺织品制造工业中使用的术语非织造织物表示既不是编织的也不是针织的织物例如毛毡或纱。典型地，非织造织物包括由长或短纤维通过化学、机械、热或溶剂处理接合在一起而制成的织物状材料。本发明不限于所描述的加热器结构，并且可以具有更多或更少的层或者具有与前述示例中所描述的特性不同的特性的层。
在一个示例性制造方法中，可以在连续过程例如湿纸过程中制造导电层230，并且铜带或其他导电母线220例如通过使用可编程用于不同形状的计算机控制的自动化带铺设机器被层压至碳垫。
分段加热器实施方式
现在参照图3A和图3B，根据本发明的各方面，然后具有在上边缘处从片材的右侧延伸到左侧的第一连续导电母线和在下边缘处的第二母线的连续加热元件可以在一个或更多个位置被切割以创建间隙350a至350d，以创建具有如图3所示的分立的连接母线320a至320f的相邻分立加热器段330a至330e。每个间隙优选地具有约3mm的宽度G。每个割缝350a至350d可以通过本领域已知的任何方法来创建，例如但不限于冲压操作、具有合适厚度的刀片的切割操作、激光切割操作或本领域已知的任何其他方法。
如图3B所示，每个割缝优选地具有比加热器元件300的总长度L短的长度L1，使得相邻段(例如，330a和330b；330b和330c)保持在交替的边缘上彼此附接，其中不间断的母线段在连接的相邻段之间。例如，如图3A和3B所示，段330b和段330c在连接段330bc中的分段片材的下边缘处彼此连接，其中母线320d被设置在连接部分上，因为割缝350b延伸穿过片材的顶部边缘但不穿过底部边缘(在母线处停止)。类似地，段330d和段330e在连接段330de处类似地连接，其中母线320b被设置在连接部分上。相比之下，段330a和段330b在它们之间具有由片材的下边缘处的割缝350a形成的间隙(但是在顶边缘处彼此连接)，并且由割缝350a形成的间隙也将母线段320f与母线段320d电隔离。类似地，割缝350c将母线段320b与母线段320d电隔离。
因此，如图所示，每对相邻段(例如330a和330b)具有与第一段的第一端连接的第一母线(例如320f)、与第一段(330a)的第二端和第二段(330b)的第二端连接的第二母线(例如320e)以及与第二段(330b)的第一端连接的第三母线(350d)，第二母线(320e)包括与第一段和第二段两者连接的连续导电带，通过第一间隙(350a)使第一母线和第三母线(分别为320f和320d)彼此分隔开并且使第一段和第二段(330a和330b)彼此分隔开。该结构通常可以被描述为包括多个N个段、多个N+1个母线和多个N-1个间隙的加热器，其中多个段从第一段(330e)上的第一母线(例如320a)到第N段(330a)上的第N+1母线(320f)彼此串联电连接。
然后可以利用聚合物绝缘膜或织物/纺织材料例如层310和层340(与关于图2A描述的层210和层240或关于图2B描述的层205、层215和层235、层245类似)以连续或分立层压压制过程来涂覆分段加热元件例如元件300，以完成最终的分段产品。层310和层340的绝缘膜优选地具有如下性质：相邻段之间的间隙(例如由如图3B所示的割缝350a和割缝350c形成)用电绝缘材料314基本上填充。绝缘材料314可以包括其中顶层310和底层340以它们不再独立可分离的方式接合在一起或者这些层仍然可以是可独立识别的材料。然而，无论如何，绝缘材料的连续层优选地在加热元件的上表面和下表面上方延伸并且进入相邻段之间的间隙中。相对于在这种基本上填充之前电子跳过相邻段之间的间隙的可能性，基本上填充间隙降低了这种电子跳跃的可能性。在绝缘膜包括例如关于图2B所描述和描绘的织物/纺织物的应用中，织物纺织层205、织物纺织层245可以使用层215、层235(其可以包括或可以不包括作为如下粘合剂的载体的膜)中的绝缘粘合剂来接合至包括层220和层230的分段产品，使得基本上填充相邻段之间的间隙的绝缘材料314包括层215和层235的粘合剂。
应当理解，虽然在本文中将相邻段之间的3mm的示例性间隙建议为旨在用于在特定功率范围中使用的示例性材料的合适尺寸，但是该间隙不限于任何尺寸，而必须是使相邻段彼此充分电隔离使得在预期操作的范围内没有电子可以跳过间隙的最小尺寸。如本领域技术人员将理解的，在所有其他因素相等的情况下，旨在用于相对较高的功率操作的设计可以具有比旨在用于相对较低的功率操作的设计相对更大的间隙。还应当理解，间隙的最小尺寸可以更大或更小，这取决于绝缘膜的特性和期望绝缘过程在间隙中提供所需绝缘量的可信度。
分段加热器可以被表示为串联电连接地、被称为段的一定数目的组成加热器，使得当电压被施加到正端子和负端子时，恒定电流将流过所有段。串联电阻器的总电阻等于它们各自电阻的总和。在串联电路中，所有元件的电流都相同。因此，由于每个段中的电流是恒定的，因此以每单位面积功率(例如瓦特/m2)为单位的热量输出密度对于每个段是恒定的，并且因此，跨整个片材的温度分布是均匀的并且一致的。
如图3A所示，加热元件300的相对端处的母线彼此平行。即母线320a、母线320c、母线320e、母线320g可以被表征为沿第一线(未示出)设置并且母线320b、母线320d、母线320f、母线320h可以被表征为沿第二线(未示出)设置，其中，由每组相对的母线形成的线是平行的。针对应用于非矩形平面形状，如图4A所示，分段加热器400可以包括具有母线420a至420h的多个段430a至430g，其中，加热元件的相对端上的母线不平行。因此，例如，由母线420a、母线420c、母线420e、母线420g形成的线(未示出)与由母线420b、母线420d、母线420f、母线420h形成的线(未示出)不平行，并且因此每个段430a至430g具有位于相应段的相对端处的不平行母线段之间的不同平均长度。这种具有不平行的相对母线的结构可以非常适合于加热不规则的形状或区域。因此，例如，因为母线420a和母线420c不平行于母线420b，因此段430a从母线420a到母线420b具有比段430b从母线420b到母线420c更大的平均长度。
应当理解，虽然以其中每组相对的母线沿相同的线线性布置的楔形形状示出，但是本发明不限于楔形形状。因此，任何数目的无限非矩形形状可以具有附接至第一段的第一边缘的第一母线的一部分，第一母线的所述一部分与附接至第一段的相对边缘的第二母线的至少一部分不平行。单个加热器形状可以具有：一个或更多个段，在该一个或更多个段中，附接至段的一个边缘的母线的一部分与附接至该段的相对边缘的母线的至少一部分不平行；以及一个或更多个其他段，在该一个或更多个其他段中，附接至其他段的第一边缘的第一母线的一部分与附接至该其他段的相对边缘的母线的至少一部分不平行。
在一些实施方式中，段430a至430g中的一个或更多个段还可以被设置有与这些段中的另一段的穿孔图案不同的穿孔图案以定制段内的电阻(并因此定制每单位面积的热量输出)，例如下面更详细地描述的。
分段设计的一个优点是可以用大电阻制造加热器，这对于具有高电源电压(例如在400伏至600伏范围内)的应用是有利的，例如但不限于风车叶片或卫星天线的除冰应用。
因此，如图5所示，加热系统500可以包括与公共电控制器(未示出)连接的以在表面上方提供加热的多个分段层状加热器400。例如，多个楔形加热器400可以如图5所示地对准，使得第一加热器的至少一个上母线段(例如420b)与相邻加热器的至少一个下母线段(例如420a)平行，如图5所描述的。本领域技术人员将理解，虽然为了说明仅描述了三个加热器形状，但是足够数目的类似形状加热器的布置能够实现基本上圆形布置的加热器的结构，例如这将适用于内衬凹面、非平面表面550(仅描述其一部分)，例如卫星天线。
在每个系列段的开始和结尾处的加热器母线(例如图3A中的320a和320f)通常连接至电源和控制器(在图3A中示意性地描述为370)，该控制器被配置成向母线施加来自电源的电压。控制器可以基于放置在要被加热的表面上的一个或更多个温度传感器(未示出)或基于其他反馈和/或前馈控制系统来施加电压。例如，温度输入装置(未示出)可以设置由加热器装置产生的期望热量；并且温度传感器(未示出)可以响应于来自温度输入装置的输入来检测由加热器产生的热量，并且向控制器发送指示检测到的热量的信号。控制器通常被配置成改变施加至母线的电压以经由加热器产生预定量的热量。
使用不同开口面积百分比来修改电阻
本发明的另一方面包括用于定制层状加热元件的电阻的方法。用不同的孔图案对层状加热元件穿孔以给出最终不同的电阻值。该方法允许定制通用层状加热元件材料以提供可变电阻能力。该技术还允许将层状加热元件设计成具有可变电阻，从而在连续层状加热元件材料本身内提供不同的加热区。层状加热元件因此可以被设计为容易地给出一定范围的电阻值，从而给出来自同一材料的一定范围的功率输出。此主题技术还允许设计具有非矩形形状的层状加热元件，其在整个非矩形形状上有均匀(或另外精心设计)的热量输出。
现在参照图7A，加热器元件700包括不具有穿孔的第一部分710和具有多个穿孔的第二部分720。通过用图7B所示的45°交错孔图案750对元件700的部分720进行穿孔，电阻从未穿孔部分710处的20ohmsq增加到部分720处的约30ohmsq。常规上，电阻与由孔图案产生的开口面积百分比有关，如图10所示的图所示。由特定孔图案提供的开口面积百分比与孔直径(D)除以孔中心之间的距离(X)后的平方成比例，如图9中的示例性图所示，该图是在下文中更详细地描述的式1的图。因此，可以通过使用不同的孔图案来改变开口面积，例如图7B、图8B和图8C中分别示出的图案750、850和890。也可以通过改变特定孔图案的比值D/X来改变电阻。
对于图7B所示的示例性图案750，孔760a至760e具有直径D(例如1.5mm)并且以所示图案中的中心间距X(例如4.5mm)间隔开，其中，沿第一线770ab布置孔760a和孔760b、并且沿第二线770bc布置760b和760c，并且其中770ab和770bc彼此成90度角，并且孔760e位于线770ac和770bd的交叉处，这些线770ac和770bd相对于线770ab和770bc成45度角对准。此图案可以被称为“45°交错孔图案”，并且该孔图案的开口面积百分比可以根据式1来计算。
45°交错孔图案的开口面积％＝157(D2/X2) (1)
因此，对于所示尺寸，该孔图案的D/X比值为0.33。按照图9中式1的图，其对应于图7B所示的特定孔图案，但是对此可以针对任何孔图案设计出类似的图，该比值对应于17％的开口面积。按照图10中的图，这个17％的开口面积对应于电阻系数1.47。图10与在此示例中使用的特定类型的加热器材料对应，但是可以针对任何类型的加热器材料设计出类似的图。因此，相对于保持在20ohmsq的电阻的没有穿孔的部分710，如图7B所示的穿孔的层状加热元件700的部分720的电阻＝1.47×20＝29.4ohmsq。
可以使用本领域已知的任何方法对膜进行穿孔，但是优选实施方式采用了现有技术的穿孔机(诸如由Burckhardt Gmbh制造的PAB-H型穿孔单元)，其使用冲压与模具工艺。还可以使用采用激光的穿孔工艺。虽然不限于任何特定类型的机器或技术，但是可配置以诸如经由计算机控制提供穿孔间距、大小等方面的受控变化的穿孔设备是理想的。优选地，这些孔被清洁地冲开，使得没有导电纤维突入孔区域中。孔图案具有几何形状，特别是以等间隔的孔图案为特征的几何形状是优选的。孔的间距和大小可以被定做以实现加热元件中的热分布的期望的均匀性。均匀性通常由与特定应用相关的工业标准来限定，但作为非限制性示例，一些标准可以要求在加热元件的特定段的区域上±5-7％的温度变化范围内的均匀性。作为一个非限制性示例，已经在采用图7B中的分布模式的实施方式中发现合适的热分布，其中最大孔直径为6mm并且相邻孔之间的最小最近距离(t)为2mm。
可以在将加热膜设置在上绝缘层和下绝缘层内的步骤之前或者在此设置之后执行穿孔步骤。在后一种情况下，穿孔延伸穿过非金属加热元件和外绝缘层。在前一种情况下，其中，上绝缘层和下绝缘层包括绝缘涂层，该绝缘涂层包括绝缘粘合剂(诸如用于例如将外绝缘纤维层粘附到内碳纱芯的粘合剂)，绝缘涂层可以填充或部分填充一些或全部穿孔。因此，如图12A所示，在一个实施方式中，得到的加热元件1200可以包括诸如碳纱的芯1210，其具有导电母线1230，具有由上绝缘涂层1222覆盖的共同上表面和由下绝缘涂层1224覆盖的共同下表面，其中，穿孔1260被绝缘涂层材料填充或部分填充。填充可以包括连续填充、具有独立边界的填充(未示出)或者在从每个顶涂层1222和底涂层1224延伸的部分填充之间具有空气间隙的填充(也未示出)。在替选实施方式中，如图12B所示，得到的加热元件1202可以包括芯1210、上绝缘涂层1222和下绝缘涂层1224，以及延伸穿过芯和绝缘涂层的穿孔1270。图12A和图12B是其中各种元件的相对大小未按比例的示意图。尽管未示出，但应当理解穿孔也可以延伸穿过导电母线1230。
参照图8A，可以在不同部分中使用不同的孔图案来创建在加热器的不同部分810、812、814中具有不同的功率输出的层状加热元件800。如本文所使用的术语“不同的孔图案”或“不同的穿孔图案”可以指代造成开口面积差异的一个部分相对于另一部分之间的任何差异。例如但非限制地，这些差异可以包括在下述方面的差异：孔直径、孔间距、孔相对于彼此的布置(“孔排样图案”——例如45度交错、60度交错或直线孔图案，如下文中将更详细地讨论)或其组合。对如此创建出的加热器施加电压产生不同的加热区，其在相同材料内的每个区域具有不同量的热量生成。这例如在对于具有不同厚度的部分的模制部件来说需要均匀加热的模具工具加热中可能有特别的吸引力。
在图8A所示的示例性实施方式中，每个成对的母线832和834包括：第一连续母线832，其连接到第一区域810的第一端852、和与第一区域的第一端相邻的第二区域812的第一端854、以及与第二区域的第一端相邻的第三区域814的第一端856；以及第二连续母线834，其连接到第一区域810的第二端862、和与第一区域的第二端相邻的第二区域812的第二端864、以及与第二区域的第一端相邻的第三区域814的第二端866。
在图8B和图8C中示出了其他示例性孔图案。图8B示出了60°交错图案850，其中例如穿过孔860d、孔860g和孔860h的中心的线870dgh相对于穿过孔860b、孔860c和孔860d的中心的线870bcd成60°角设置，并且同样地，线870bcd相对于穿过中心860b、860f和860h的线870bfh成60°角设置。应该理解的是，虽然在图8B中示出了总共八个孔，但是该图案可表征大于或小于八的任意数目的孔。根据式2计算60°交错图案的开口面积百分比：
60°交错图案的开口面积％＝90.66(D/X)2 (2)
图8C示出了直线图案890，其中，例如穿过孔860u、孔860v和孔860w的中心的线270uvw相对于穿过孔860u和孔860x的中心的线870ux成90°角设置。应该理解的是，虽然在图8C中示出了总共六个孔，但是该图案可表征大于或小于六的任意数目的孔。可以根据式3计算直线图案的开口面积百分比：
直线图案的开口面积％＝78.5(D/X)2 (3)
应该理解的是，虽然已在图7B、图8B和图8C中分别示出了共三个图案750、850和890，但可以设想任意数目的图案，每个图案具有其自己的用于计算开口面积百分比的式子。类似地，尽管提供了图9中的图作为示例以示出图7B所示并由式1表征的特定图案的开口面积百分比的图，但是每个不同的孔图案具有用于基于可用类似的图示出的D和X的值来计算开口面积的对应式子。
本文描述的方法可用于产生具有非矩形形状的层状加热元件，其具有沿非矩形形状的整个区域大致均匀的加热速率。以前，层状加热元件通常仅被设置成矩形形状，使得加热器中的母线732、734被设置成以恒定的宽度间隔开以在电流流动方向上保持恒定的电流密度，例如在图7A所示的具有规则形状的布置中。本文所描述的方法允许通过在加热器的不同部分中应用变化的孔图案来定制或调节加热器中的电阻，这对于具有非矩形或其他非均匀形状的加热器来说可能特别有用。
因此，现在参照图11A，本文中描述的方法和得到的结构可以包括具有每单位面积的第一热量输出的第一区域(例如区域910)和具有每单位面积的第二热量输出的第二区域(例如区域912)，其中，母线932和934在区域910中彼此相距第一平均距离并且在区域912中彼此相距第二平均距离。如图11A所描绘的，加热器元件900可以被表征为具有“楔形形状”，其中母线932和934从左到右具有不平行的会聚关系。本发明的该方面不限于任何特定的形状。因此，可以特别期望在连续片材的相邻区域中实现不同的穿孔图案，使得平均来看第一区域(例如区域910)的总热量输出与第二区域912的第二总热量输出基本上相同(在预定容差量内)。因此，尽管沿加热器900从左到右流动的电流密度可能存在一些变化，但是可以定做相邻的不同图案区域的大小以及它们之间的任何梯度，使得电流密度的变化在预定水平的容差内是可接受的。
因此，本发明的另一方面包括如图11B所示的加热系统1100，包括多个层状加热器900a、900b、900c，其各自具有多个部分910和920，每个部分具有不同的电阻，全部连接到公共电控制器(未示出)以在表面上方提供加热。例如，图11A所示的多个楔形加热器900a、900b、900c可以如图11B所示的那样对准，使得第一加热器(900b)的上母线(例如924b)与相邻加热器(900a)的下母线(例如924a)平行。本领域技术人员将会理解，虽然示出仅三个这样的加热器用于说明，但是足够数目的类似形状的加热器的布置使得能够实现近似圆形布置的加热器的结构，诸如将适用于内衬凹面或凸面、非平面表面例如卫星天线。
因此，总的来说本文所公开的方法包括：在不改变层状加热元件下面的材料特性的情况下通过使用孔图案对层状加热元件进行穿孔来修改层状加热元件的电阻，该方法可以用于通过在不同的区域中使用不同的孔图案来在片材的不同区域中给出不同的电阻值。这允许使用具有可变电阻能力的通用加热器材料，并且允许将层状加热器设计成在加热器的连续表面上具有可变电阻，从而在加热器材料本身内提供不同的加热区。尽管该技术允许在不同区域提供具有不同孔图案的连续层状加热元件，但应理解的是，在构造包括具有不同孔图案的相同材料的不同分立片材时，也可以例如利用缝合、胶带等将其放置成彼此相邻并且可选地彼此连接，但是不限于此。应用不同的孔图案还允许创建具有非矩形或不均匀形状的层状加热元件。
虽然本文中针对特定的示例性层状加热元件进行了描述，但该方法不限于任何特定的结构材料。该方法可以用于调整或以其他方式定制具有在穿孔后安全地起作用的任何构造材料的任何层状加热元件或其部分的电阻，并且其特征在于电阻随着由这种穿孔引入的开口面积百分比而变化。
尽管在本文中描述和/或描绘了某些孔“排样”图案(例如，如图7B所示的45°交错750、如图8B所示的60°交错850、如图8C所示的直线890)，但应该理解，本发明不限于任何特定的孔排样图案。此外，本文提供的式子和图，其特定于特定图案和特定结构材料，并且在本文中仅作为示例提供。如本领域技术人员将理解的，可以适当地表征各种结构材料和图案来手动或借助于计算机来开发执行本发明所需的对应的式子、功能和/或查找表。
最后，尽管图11A所描绘的非矩形加热器形状包括具有不同孔图案的两个区域910和920，其中每个区域具有梯形形状，但应该理解，其中母线以非平行关系彼此间隔开的非矩形层状加热器可以具有包括限定了弯曲形状而非直线的母线的任何形状。还应理解的是，虽然本文所示的非矩形形状描绘了在区域之间明确分离的两个分立区域，其中每个区域在母线之间具有不同的平均距离，但是开口区域的变化可以限定在具有第一开口面积百分比的第一区域与具有第二开口面积百分比的第二区域之间不显示明显的分界的开口面积百分比的连续体或梯度。区域910和920可以被设置在连续片材材料或者可以是分立的不同片材上。
还应该理解，加热器的一些区域可以没有穿孔，并且因此在该区域中的开口面积百分比为零，诸如图7A所示的部分710。因此，示例性加热器可以包括设置在开口面积百分比不为零的区域(例如图7A所示的区域720)附近的开口面积百分比为零的一个或更多个区域(例如图7A所示的区域710)，或者具有开口面积百分比可以均不为零的不同开口区域的彼此相邻的区域(例如图8A中的区域810和812，以及区域812和814)。
此外，加热器可以包括具有贯穿第一区域的第一图案的第一分立区域(例如图8A中的区域810)和具有不同于第一区域中的图案的、贯穿第二区域的第二图案的第二分立区域(例如图8A中的区域814)，其中，第一区域和第二区域被梯度区域内包括从第一图案到第二图案的渐变的梯度区域(例如图8A中的区域812)分开。在其他实施方式中，每个相邻区域(例如810、812、814)可以在连续片材上彼此相邻布置，而在其间没有梯度部分或其他间隔。
最后，还应理解，单个片材可以在该片材的不同部分中具有一个、两个或两个以上的孔图案或不存在孔，从而以任何期望的方式定做总电阻。此外，包括多个片材的系统可以包括多个相同的片材(例如，图11B中的900a、900b和900c可以是相同的)或者任意数目的不同的片材类型，其中至少一个片材(例如图11B中的片材900c)具有与至少一个相邻片材(例如片材900a、片材900c或两者)不同的特性。
尽管用规则的排样图案进行了描绘，但是本发明不限于规则图案。尽管在本文中用圆孔示出，但应该理解，可以不受限地采用任意形状的孔，特别是可以使用本领域已知的用于形成孔的任何技术清洁地形成的任何形状。
虽然在本文中已描述了一些示例性的孔大小和间距，但应该理解，用于特定材料的孔的大小和间距可以被限制在共同提供小于非开口区域的电流密度阈值量并且小于直接邻接孔的区域与不邻接孔的区域之间的电流密度变化的阈值量的范围内，其也可以取决于在开口区域之间保留的最小距离(如图7B所示的距离t)。因此可以使用本领域已知的方法来表征不同的材料，以确保在预定规格内针对特定应用的操作。
因此如本文所述那样创建的孔图案可由编程有下述指令的计算机处理器指定，所述指令用于针对具有由此计算机用户指定的母线配置的主体加热材料来指定与产生用户指定的热量输出水平所需的开口面积百分比对应的孔直径、间距和排样图案。各种式子、查找表等可以被编程到计算机处理器中，并且该计算机处理器可以向计算机辅助制造过程提供输出以自动创建与计算机生成的规格对应的穿孔。因此，用户可以能够限定具有特定尺寸的形状，用于与具有良好表征的构造材料和对加热元件上的电流密度变化的预定容差量的特定加热元件一起使用，并且计算机程序可以自动指定遍及该形状的整个尺寸的孔图案、直径和间距，以在预定容差内实现期望的热量输出。特别地，计算机处理器可以非常适于产生在期望范围内的孔直径、间距和间隔角度的细微变化，以在片材的第一端到另一端如从加热元件500的最左侧到最右侧之间产生整体电流密度和热量输出的平滑梯度。因此，一些示例性实施方式在穿孔图案的一部分与另一部分之间可以没有可察觉的阶跃变化。对计算机进行编程以执行这种任务的技术在本领域中是已知的。特别地，与印刷行业中使用的技术——其中在印刷图像的过程中使用不同大小的点(调幅网点)、不同频率的点(调频网点)或其组合(混合调幅/调频网点)以限定接收更多或更少墨的区域——类似的技术可用于以开口面积(类似于印刷中的墨沉积)从一个区域向另一区域平滑变化的梯度来设置穿孔，以在其中相对母线不平行的不规则地成型的加热元件的过程中提供均匀的电阻。
具有带有不同开口区域的段的分段加热器
虽然本文在图7A和图7B中描绘了分离层状加热元件的连续片材的第一连续母线和第二连续母线，并且在图3A、图4A和图5中描绘了均匀的穿孔，但是应当理解，用于利用穿孔图案提供电阻和热量输出的变化性的前述方法和结构可以与本文中示出和描述的分段设计组合。在组合这两种技术的这种应用中，例如，分段加热器或其部分的不同段可以如本文所述具有不同的开口面积百分比，并且相邻段由延伸通过一个但不是两个母线并通过导电加热元件的相邻段的间隙分离开，使得多个段被设置成电串联。
作为示例，现在参照图4B，分段加热器450可以包括多个段，每个段包括第一部分480a至480e和第二部分482a至482e，其中同一段上的相邻部分各自具有不同的开口面积百分比，其诸如可以通过使第一部分(例如480a)中不存在穿孔图案且第二部分(例如482a)中存在穿孔图案，或者通过使第一部分和第二部分(例如480b、482b)中具有不同的穿孔图案来提供。在单个段中具有不同的开口面积百分比因此允许在相对的母线之间(例如，在母线470a与470b之间或者在母线470b与470c之间)的每个段中的热量生成与整个段具有单个孔图案的情况相比更均匀地分布。一个或更多个段可具有相同的穿孔图案组合(例如段480d/482d和480e/482e)或者不同的穿孔(或无穿孔)图案组合可存在于不同段中(例如段480a/482a和480b/482b和480c/482c所示)，并且一个或更多个段(例如480f和480g)在其整个段中可以仅具有单个穿孔图案或缺少穿孔图案(未示出)，但是每个段相对于另一段可以具有不同的图案。应该理解，虽然每个多部分段被示为具有两个可独立识别的孔图案，但是可以在单个段上提供多于两个这样的图案，并且其中一个穿孔图案可以是没有孔且无开口区域的空图案(例如部分480a所示)。此外，一个或更多个段可以包括梯度穿孔图案(例如，从段的左侧到右侧具有增大的开口面积)，在具有第一开口面积百分比的第一部分与具有第二开口面积百分比的第二部分之间没有易识别的阶跃变化。
虽然在图4A中示出了楔形形状，但应当理解，不规则(即非矩形)形状的一个或更多个加热器可以具有任何几何形状，并且可以提供分段和定制的穿孔的组合以在具有任何形状或几何形状的加热器元件上建立大致均匀的加热。定制加热元件的不同部分中的电阻不限于使用不规则形状或具有非平行母线的形状，也不限于提供大致均匀的电阻的目的。在一些应用中，可以期望建立使一个或更多个区域的热量输出特意比另一部分的热量输出更大的加热元件的各部分。
制造方法
虽然不限于任何特定的制造方法，但是图6所描绘的流程图中示出了用于制造如本文所述的层状加热器的一个示例性过程600。该过程的步骤610包括提供具有一定长度和宽度的导电层状加热元件材料的连续片材。在步骤620中，将成对的导电母线带设置在连续片材的相对侧上，每个母线横跨各自侧的片材的宽度。步骤630包括在第一位置切割连续片材和所连接的母线带以限定第一间隙、第一段和第二段以及第一母线和第三母线，其中，割缝延伸穿过片材的宽度的第一边缘但不穿过相对的第二边缘。在步骤640中，将第一绝缘层施加在加热元件的一个表面上方，并将第二绝缘层设置在加热元件的相反表面上方，该步骤优选地包括用绝缘材料基本上填充第一间隙。可选地，为了将加热元件分割成多于两个段，该过程还包括在步骤632中在第二位置切割连续片材以限定第二间隙、第三段和第四母线，其中，第二割缝位置延伸穿过片材的第二边缘但不穿过第一边缘。因此，对于包括N个段、N+1个母线和N-1个间隙的层状加热器，其中多个段从第一段上的第一母线到第N段上的第N+1母线彼此串联电连接，该方法可以包括与步骤630与640之间所需的切割步骤一样多的切割步骤，这些步骤包括在连续片材的交替相对侧上切割连续片材以限定N个段、N-1个间隙和N+1个母线。
如果期望例如图4A中描绘的示例性加热元件所示的那样在一个或更多个段中具有穿孔，则该过程可以可选地还包括根据是否期望使穿孔延伸穿过绝缘层而在步骤615或步骤645中创建穿孔。穿孔步骤可以包括对整个片材应用均匀的穿孔，或者对片材的不同部分应用不同的穿孔图案。对于制造如图7A、图8A和图11A所示的非分段加热元件，不执行步骤630、632和634。
因为可以提供产生开口区域的任何过程，所以在层状加热器的不同部分中产生不同的开口面积百分比以在不同部分产生不同电阻的过程不限于利用不同的穿孔图案。也可以使用其他用于修改电阻的技术，诸如利用非穿孔的开口区域形状。此外，尽管在本文中使用了术语“穿孔图案”，但应该理解，该术语不限于用于制造孔或开口区域的任何特定工艺、方法或技术。例如，除了在完全成形的片材上制作孔，还可以利用以其他方式形成具有不同开口区域的不同部分的替选技术，例如通过以形成至少相对于片材的导电材料构成“开口区域”的对空隙、孔或相对较大和较小导电区域的期望分布的方式进行初始湿法铺设步骤。因此，应该理解，术语“开口区域”是指不存在导电材料的、片材的导电部分中的区域，并且开口区域可以用一些其他物质如绝缘体或与片材的主要导电材料相比具有相对较小(或没有)导电度的物质来填充或不被填充。
尽管在本文中参照具体实施方式示出并描述了本发明，但是本发明并不旨在受限于所示细节。更确切地，可以在权利要求的等同内容的范畴和范围内并且在不脱离本发明的情况下对细节做出各种修改。