固态加热器组件、加热器子组件及组装方法

专利名称：固态加热器组件、加热器子组件及组装方法
技术领域：
本发明涉及一种固态加热器，并且更具体地说，涉及一种具有允许与用于加热器用途的刚性或柔性本体集成的加热器子组件的固态加热器。
背景技术：
固态材料作为加热器的使用在工业中是熟知的。授予Yashin等的美国专利No.4,236,065是描述这种技术的多种的一种。具体地说，当今使用的有两种固态加热器正温度系数电阻(PTCR)和负温度系数电阻(NTCR)加热器。
在工业中熟知的是，加热器可由在相对侧上与平表面形成为固体粉末的两种材料的任一种制成。平表面涂有与PTCR或NTCR本体形成连结的金属。当对于两个相对金属表面进行相反极性电气连接时，电流将流过材料的本体，并且物质的电阻特性产生热量。
在工业中，电气连接可以由三种方法进行。第一和较不普通的方法是对于NTCR或PTCR粉末的金属表面直接使用高温钎焊连接或铜焊连接。第二种方法是把两根电气引出线每一根附加到其自己的金属板上，使每块金属板具有与加热器近似相同或甚至较大的表面面积，然后附加金属板，PTCR或NTCR本体的一侧上一块。第三种是把每根引出线附加到金属端子上，和通过某种方法施加足够的力，从而端子压靠两个金属表面，一个端子在一侧上并且第二个在相对侧上。当然，适当尺寸的电源的应用将在以上三种情况的每一种中产生希望的加热效应。
封装上述加热器子组件的任一种的一种方法是使用产生柔性本体或刚性本体固态加热器组件的模塑料。例如，硅橡胶的使用导致柔性加热器本体，并且某些环氧树脂材料可产生更大刚性的本体。封装各种类型的电子元件的两种方法是熟知的。见“Electric HeatingElements”，1995年版，P.111-P.125页，Fritz Eichenauer GmbH+Co.KG。
一种类型的PTCR加热器使得把热量传导到金属井的内表面，该金属井成形为一端敞开并且另一端封闭的圆筒。井的外表面与待加热的介质相接触。为了使PTCR材料产生热量，电力必须由接触金属表面的引线输送，如以上概述的那样。在当今技术中，弹簧型金属端子使用传统压接工艺附加到两根引出线的每一根上。有导线附加的端子插入到由陶瓷材料制成的加热器壳体中，该加热器壳体包含具有金属表面的以前插入的PTCR材料的固体粉末。陶瓷具有对中PTCR粉末且把弹簧型端子压靠粉末的金属表面的特定成形孔。一种“灌封”材料插入到陶瓷外壳的敞开端，填充空腔并且密封加热器和绝缘引出线。陶瓷加热器的硬外壳必须比金属井的内侧尺寸足够小，使得其能够放置进去，以防止重叠生产公差形成干涉。
为了保证希望的加热效果，高温油脂用来涂敷陶瓷加热器本体和接触井的内表面，因而允许热量从刚性陶瓷壳体传递到井。没有这种油脂，PTCR加热器在被加热的介质中不会产生必需的温度升高，并且可能导致系统失效。
由现有技术呈现的电气连接方法困难并且昂贵。铜焊涉及具有重金属的焊剂和和高温焊料，这些重金属是危险的并且在某些领域中禁止它们在制造中使用。
对于以上提到的陶瓷壳体型PTCR加热器，有产生问题的多种其它方面。尽管刚性陶瓷壳体提供把弹簧型端子可靠地保持到加热器粉末金属表面上的手段，但陶瓷本体的性质是，没有某些由于太大而不能插入腔内和一些如此小从而它们不能充分地接触内腔表面以适当传导产生的热量，实际上就不可能制造加热器。如以前提到的那样，为了保证用陶瓷制成的所有加热器配合到打算的开口中，所有都必须这样制成，从而最大公差加热器配合到最小公差开口中。
如在现有技术中对于陶瓷壳体加热器注意到的那样，制造欠尺寸陶瓷壳体和使用油脂提高热量传导的实践是高成本的以及是不希望的，因为油脂往往导致脏的工作环境。随着时间过去和使加热器在操作条件下，也有可能油脂从被加热的外壳流出，因而减小传导的热量的量。而且，任何剩余热油脂将硬化，并且在升高温度下随时间断裂。这种现象具有降低被加热的介质的温度的有害影响。
鉴于以上提到的这些问题，已经产生了对于固态加热器的需要，该固态加热器生产经济，并且具有在它产生热量时将膨胀的柔性或半刚性本体，从而紧密地接触待加热的井的内表面。这样一种加热器消除了对今天使用的昂贵和肮脏的导热油脂的需要。下面描述的新发明满足以上需要，并且也可用在陶瓷壳体固体-壳体加热器的构造中。

发明内容
本发明的第一目的在于一种改进的固态加热器和加热器子组件。
本发明的另一目的在于一种消除在加热器制造期间使用油脂和其它润滑剂的需要的固态加热器。
本发明的又一目的在于一种固态加热器，该固态加热器消除对要求保证对于加热器元件的适当电气接触在加热器壳中的特定形成表面的需要。
本发明的再一目的在于一种制造固态加热器和子组件的改进方法。
本发明的一个其它目的在于一种可用在用于加热器用途中的柔性或刚性本体的加热器子组件。
本发明的其它目的和优点随着其描述的进行将成为显然的。
作为以上目的和优点的实现，本发明是固态加热器的一种改进。本发明的一个方面涉及固态加热器子组件。该子组件包括构造成以间隔开关系保持一对端子的块，以保持PTCR或NTCR处于电气接触。这通过在块中具有容纳端子的孔和允许端子的弹簧部分从块延伸和提供保持加热器到位的偏置表面的开放凹槽而实现。
块能以任意多种方式保持端子；优选模式使用在每个凹槽的正面上的止动块、和包含柄舌的端子。一旦端子插入到块中，柄舌可接合止动块，以防止端子脱落。
加热器子组件一旦组装，然后就能用来制造柔性本体加热器或刚性本体加热器。对于柔性本体加热器，诸如橡胶或橡胶状材料之类的柔性材料，例如硅橡胶，绕加热器子组件模塑或者否则形成，并且形成诸如圆筒之类的希望形状。壳体可完全包容加热器子组件，或者只部分地包容它，使灌封或模塑料覆盖剩余区域和完成加热器的希望形状。当壳体不完全包容加热器子组件时，壳体可形成为台阶空腔，以容纳加热器和端子块。灌封/模塑料然后可覆盖加热器子组件的剩余部分和完成希望加热器形状。
当制造刚性本体加热器时，刚性本体形成为容纳加热器子组件的空腔，并且灌封材料用来填充任何空隙和完成加热器形状。
本发明也带来形成加热器子组件和柔性/刚性壳体的方法、及块/端子组合。


现在参照本发明的附图，在附图中图1是本发明一个实施例的侧视图；图2A是图1的端子块的俯视立体图；图2B是具有切除部分以更详细表示的图1的端子块的仰视立体图；图3是本发明的加热器子组件的一个实施例的侧视图；图4是图3的加热器子组件的俯视图；图5是本发明的柔性本体加热器的一个实施例的俯视图；图6是沿图5的线VI-VI的视图；及图7是沿图5的线VII-VII的视图。
具体实施例方式
本发明提供优于当前技术水平的固态加热器的多个优点。一个优点是在制造加热器时与制造公差有关的问题的消除。与其中专用尺寸开口必须形成在刚性壳体中以保证在引线端子与加热器材料之间的电气接触的现有技术工艺相反，本发明消除这样的开口。本发明也消除油脂的使用和其在制造方面的附加成本。使用本发明改进加热器性能，因为柔性本体加热器壳体的膨胀性质保证与相邻导热表面的良好接触，而没有对于高温油脂的需要。
本发明覆盖固态加热器的几个方面。本发明的一个方面是一种固态加热器子组件，该固态加热器子组件消除在刚性壳中形成专门成形开口以在引出线端子与PTCR或NTCR材料(“加热器材料”)的金属板之间形成良好电气接触的需要。尽管使用的这两种类型的两种材料的特性导致不同的加热器特性，但任一个可适用于本发明。子组件利用设计成容纳和保持引出线的弹簧端子的独特端子块构造。块也构造成以这样一种方式容纳加热器材料，从而弹簧端子接合加热器材料的金属触点，并且把加热器材料和块保持在一起。弹簧端子连接到用于加热器材料供给动力的引出线上。
加热器子组件然后能以多种方式使用。在一种模式中，加热器子组件与柔性或半刚性壳体一起使用，该柔性或半刚性壳体围绕子组件，并且当放置到井中或其它位置时在加热时能够膨胀以保证良好配合。通过消除为了电气接触在刚性本体中形成特定构造表面的需要，可便宜地制造这种柔性本体加热器，并且也避免对在刚性壳与加热器材料之间适应公差差别的油脂的需要。
在一种模式中，柔性本体壳体可完全包容加热器子组件，例如绕它模塑，为了最终动力连接使引出线穿过壳体延伸。在一种可选择模式中，壳体可首先形成为空腔，并且加热器子组件可插入在该空腔中。空腔的剩余部分可填充有灌封或模塑料以形成柔性本体加热器，使引出线穿过灌封材料延伸。尽管壳体在附图中表示成圆柱形构造，但壳体实际上可具有对于特定加热用途所要求的任意形状。
柔性本体加热器然后可插入到用于加热目的的任意井或其它开口中，如在本技术领域内进行的那样。
在本发明的又一种模式中，加热器子组件可与刚性壳一起使用，以形成刚性本体加热器。在这种模式中，刚性壳形成为定尺寸成容纳子组件的块的开口。由于块已经在加热器材料与弹簧端子之间进行电气连接，所以刚性壳中的开口不像在现有技术中使用的那样要求任何复杂形状或紧密公差，例如参见以上讨论的Yashin专利。一旦插入到刚性壳中，灌封或模塑料可填充剩余空隙以便为了使用形成加热器。刚性本体加热器然后为了加热目的可插入到适当位置中。
灌封或模塑料能是在固态加热器中使用的任何类型，包括在Yashin专利中公开的那些和对于本领域的技术人员已知的那些。形成柔性或半刚性壳体的材料可以是这样的任意材料能够承受加热器操作条件、和被模塑或否则绕加热器子组件形成或以允许容纳子组件然后把其密封到柔性本体加热器中。这种材料的例子包括在以上提到的“Electric Heating Elements”出版物中公开的那些。
现在参照图1，典型加热器子组件的一部分由附图标记10指示，并且看到包括端子块本体1、绝缘的引出线3及弹簧端子5。块本体1是U形的，具有一对形成凹槽9的腿7、和跨过块本体1的宽度并且连接腿7的横向部件11。
图2A和2B更详细地表示块本体1，借此横向部件11具有一对钻孔13。每个钻孔13的一端定位在正面14上，并且充当把弹簧端子5插入到块本体1中的进入点的作用。每个钻孔13穿过横向部件11延伸，使钻孔变成形成在每个腿中的通道15。通道15是u形的，以引导和保持弹簧端子5，使每个通道15的开口17面对凹槽9。下面结合端子5的描述将描述钻孔13的构造。
每个通道15也具有沿通道的后表面21布置的升起止动块19。止动块19具有在台阶25处终止的斜坡部分23。
为了组装块本体1和端子5，而仍然参照图1-3，每根引出线3首先使用传统的压接方法使用压接片27压接到弹簧端子5的每一端上。一旦每根引出线3连接到其各自的弹簧端子上，就把端子5插入到钻孔13中，使端子的弹簧29延伸到通道15中，使压接连接保持在钻孔13中。因为在端子5中的弹簧偏置，弹簧29在穿过钻孔13时压缩，并且膨胀超越通道15的边界，如图1中所示。弹簧端子5也具有从端子5的后侧33突出的柄舌31。在端子插入期间，柄舌31(在压缩状态下)骑跨斜坡23，直到柄舌31通过台阶25并且膨胀到其自然位置。台阶25通过防止端子5的反向运动把弹簧端子5锁定到位。弹簧端子穿过钻孔13的进一步前进通过在引出线3上的绝缘物接触正面14而阻止。
返回参照图2A，钻孔13构造成允许弹簧端子5的各种部分的前进。每个钻孔13包括容纳端子5的宽部分34的相对凹槽32。凹槽32穿过钻孔13延伸，并且通到通道15以刚好留下唇边38。在钻孔13中的凹口36形成包含止动块19的表面21，表面21容纳柄舌31的前进。端子的宽部分34骑在唇边38上。钻孔13也定尺寸成容纳压接片27和引出线的非绝缘端。
现在参照图3-4，PTCR或NTCR加热器41表示成定位在凹槽9中。端子弹簧29接合加热器41的金属侧(未表示)；因而形成加热器子组件45。块本体1阻止弹簧端子5的运动，从而当加热器41插入在凹槽9中时弹簧29被压缩，弹簧力作用在加热器41上以进行必要的电气接触。
一旦组装，加热器子组件45就具有多种用途。一种用途是在图5-7中表示的柔性本体加热器50。柔性本体加热器50包括加热器子组件45和半刚性或柔性壳体51。壳体51首先模塑或否则成形为台阶空腔53，以容纳作为加热器子组件45的加热器41和块本体1。然后，灌封或模塑料55可用来完全封装子组件45以形成柔性本体加热器50。如图5-7中所示，引出线3的一部分由灌封材料55封装，从而隔离加热器子组件45。用于柔性壳体的材料由柔软的、可模塑的、及能够承受加热器操作的条件的任何材料制成。这些材料包括橡胶或橡胶类型材料，像在以上讨论的“Electric Heating Elements”中讨论的那些。同样，模塑料在固态加热器的领域中是熟知的，并且可采用任何已知的类型。
在另一个实施例中，在图5中表示的柔性本体加热器50可通过模塑完全围绕加热器子组件的柔性材料而形成，因而消除首先使壳体形成为容纳子组件的空腔的需要，并且然后使用灌封/模塑料填充任何剩余空隙。
在又一个实施例中，加热器子组件可用在具有与在图6和7中表示的相类似的形状的刚性壳体或壳中。更明确地说，壳体51由诸如陶瓷等之类的刚性材料形成。由于使用柔性本体加热器50，加热器子组件45插入到空腔中，并且未占据的空腔体积用灌封材料填充，因而形成刚性本体加热器。不像现有技术加热器，这种组装工艺不要求在刚性壳中形成保持和使端子接触加热器材料的复杂开口。
用于加热器子组件的块本体1的材料由非传导或电绝缘材料制成。该材料通过具有足够的介电强度、耐腐蚀性、及高温强度，也应该能够承受加热器本身的操作条件。一个例子是玻璃和矿物填充的聚苯硫，并且具有Ryton(R-7)级。当然，可使用具有必需的绝缘性质并且在加热器操作条件下可起作用的其它材料，如高温聚合物、陶瓷及复合物。块本体优选地模塑成其形状，但可使用用来形成这些类型的材料的任意已知工艺制成。而且，尽管块是具有u形通道和矩形槽梁的u形整体，但可采用其它形状，只要把弹簧材料暴露与加热器材料接触以进行必要的电气接触。
一旦形成柔性本体加热器50，它就能用在要求施加热量的任何用途中。例如，它可插入到井中，从而热量传导到井的导热表面和所需要的其它地方。导热表面实际上能是传导从用于加热目的的加热器发出的热量的任何表面。类似地，刚性本体加热器能以任何已知方式使用。
尽管块1使用止动块19把弹簧端子5保持到位，但可采用其它方法以保证端子不滑出到块外。可使用紧固件、粘合剂、其它构造凹槽及其组合。
同样，加热器子组件在如下方面是有优势的它能够保证在加热器材料与导线端子之间的适当电气接触，而不像在现在技术加热器中的情况下那样必须依靠刚性壳体。提供这样一种加热器子组件允许通过柔性本体加热器和刚性本体加热器的双用途使用其中柔性壳体膨胀性质允许它没有油脂等地使用，该刚性本体加热器不需要保证电气连接的复杂形状。
像这样，本发明按照其优选实施例已经被公开，本发明实现以上叙述的本发明的目的每一个，并且提供一种新的和改进的固态加热器、加热器子组件、及制造方法。
当然，不脱离本发明的打算精神和范围，本领域的技术人员可以想到来自本发明的讲授的各种变化、修改及变更。本发明只受附属权利要求书的权项的限制。
权利要求
1.一种用于固态加热器的加热器子组件，包括具有定尺寸成容纳固态加热器材料的凹槽的块本体，该块本体包括一对有凹槽布置在其之间的相对开口，每个开口与在块本体中的钻孔连通，每个钻孔在端子进口中的一端处终止；一对端子，每个端子的一端连接到引出线上，每个端子的另一端包括弹簧，每个端子定位在每个钻孔中，使每根弹簧一部分延伸超越开口并且进入凹槽中；及由PTCR材料或NTCR材料制成的加热器，加热器的一部分布置在凹槽中，并且由端子的弹簧保持到位。
2.一种柔性本体加热器，包括a)根据权利要求1所述的加热器子组件；和b)完全包围加热器子组件的柔性壳体，使引出线穿过柔性壳体延伸以便连接到电源上。
3.一种柔性本体加热器，包括a)根据权利要求1所述的加热器子组件；和b)包围加热器子组件的一部分的柔性壳体，加热器子组件的剩余部分由模塑料覆盖。
4.根据权利要求3所述的柔性本体加热器，其中，绕加热器子组件模塑柔性壳体。
5.根据权利要求4所述的柔性本体加热器，其中，柔性壳体形成为定尺寸成容纳加热器子组件的空腔，模塑料填充未由加热器子组件占据的空腔的剩余部分。
6.一种刚性本体加热器，包括a)根据权利要求1所述的加热器子组件；和b)具有定尺寸成容纳加热器子组件和包容其一部分的空腔的刚性本体，加热器子组件的剩余部分由模塑料物覆盖。
7.根据权利要求1所述的加热器子组件，其中，在块本体中每个开口由通道形成，每个通道包括止动块，每个弹簧端子包括柄舌，柄舌定位在端子上，以便一旦端子插入就接合止动块而防止端子从块脱落。
8.根据权利要求2所述的柔性本体加热器，其中，在块本体中每个开口由通道形成，每个通道包括止动块，每个弹簧端子包括柄舌，柄舌定位在端子上，以便一旦端子插入就接合止动块而防止端子从块脱落。
9.根据权利要求3所述的柔性本体加热器，其中，在块本体中每个开口由通道形成，每个通道包括止动块，每个弹簧端子包括柄舌，柄舌定位在端子上，以便一旦端子插入就接合止动块而防止端子从块脱落。
10.根据权利要求6所述的刚性本体加热器，其中，在块本体中每个开口由通道形成，每个通道包括止动块，每个弹簧端子包括柄舌，柄舌定位在端子上，以便一旦端子插入就接合止动块而防止端子从块脱落。
11.一种制造柔性本体加热器的方法，包括步骤a)提供根据权利要求1所述的加热器子组件；和b)形成完全包围加热器子组件的柔性壳体或形成具有空腔的柔性壳体，把加热器子组件插入到空腔中，及使用模塑料覆盖加热器子组件的剩余部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，完全绕加热器子组件模塑柔性壳体。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，柔性壳体形成为空腔，加热器子组件插入到空腔中，及模塑料覆盖加热器子组件的剩余部分。
14.一种制造刚性本体加热器的方法，包括步骤a)提供根据权利要求1所述的加热器子组件；和b)形成具有空腔的刚性壳体；c)把加热器子组件插入到空腔中；及d)使用模塑料覆盖加热器子组件的剩余部分。
15.一种加热器子组件端子块，包括a)具有定尺寸成容纳固态加热器材料的槽的块本体，该块本体包括一对有凹槽布置在其之间的相对开口，每个开口与在块本体中的钻孔连通，每个钻孔在端子进口中的一端处终止；和一对端子，每个端子的一端连接到引出线上，每个端子的另一端包括弹簧，每个端子定位在每个钻孔中，使每根弹簧的一部分延伸超越开口并且进入凹槽中。
16.根据权利要求15所述的端子块，其中，在块本体中每个开口由通道形成，每个通道包括止动块，使每个弹簧端子包括柄舌，柄舌定位在端子上，以便一旦端子插入就接合止动块而防止端子从块脱落。
17.根据权利要求15所述的端子块，其中，块本体具有形成u形的腿和横向部件，使开口定位在腿中并且钻孔定位在连接腿的横向部件中。
18.根据权利要求1所述的加热器子组件，其中，块本体具有形成u形的腿和横向部件，使开口定位在腿中并且钻孔定位在连接腿的横向部件中。
19.根据权利要求17所述的端子块，其中，每个钻孔包括比钻孔宽的凹槽，以容纳端子的宽部分。
20.根据权利要求1所述的加热器子组件，其中，每个钻孔包括比钻孔宽的凹槽，以容纳端子的宽部分。
全文摘要
一种固态加热器使用加热器子组件，该加热器子组件采用端子块、端子及PTCR或NTCR加热器。端子与加热器接合并且进行电气接触，因而消除对于刚性加热器壳的需要。为了加热目的，加热器子组件可形成柔性本体和刚性本体。柔性本体加热器使用柔性壳体，该柔性壳体用加热时膨胀的壳体包容加热器子组件，以在使用期间提供合紧密的配合。加热器子组件可插入在柔性本体和刚性本体的空腔中，使灌封材料填充任何剩余空隙，并且然后为了加热目的可使用刚性和柔性本体。
文档编号H05B3/06GK1860827SQ200480028229
公开日2006年11月8日 申请日期2004年9月28日 优先权日2003年10月1日
发明者罗伯特·柯比 申请人:图特科有限公司