本公开涉及加热元件和加热装置。
相关技术的说明
在使用燃烧机的传统汽油动力车辆中，在操作期间由发动机产生的热量用来经由散热体和热空气的强制对流为乘客室提供热量。然而，为减少排放量所作出的改进已经导致产生更少热量的更高效率发动机。在混合电动和电动车辆(hev和ev)的情况下，发动机是二次电源或不存在，因此产生很少热量(hev)，甚至不产生热量(ev)。此外，具有内燃机的传统车辆正在变得越来越有效率，这也降低了典型地用于辅助加热的过量发动机产热。对于具有由发动机产生的最小热量的车辆，附接到热交换器(例如，散热器)上的正温度系数(ptc)陶瓷材料已经被用作强制对流设计中的加热元件以便为乘客室提供热量。例如，可以将ptc加热元件的多个条附接到充当散热器的金属翅片的阵列上以便更有效地分配热量。由于加热元件的机械特性，这些加热元件典型地被限制在小区域中，并且依赖于热界面和良好设计的金属结构以便将所产生的热量散到对流气流。加热元件的受限的性质限制了其尺寸并且，加上热界面和散热器要求，已经使这些技术达到性能稳定时期(即，5kw或180℃加热器温度)。尤其在当最需要高热量输出时的寒冷气候中，为电动ptc加热器供电可能对混合电动和电动车辆的电池提出高要求。此外，在电动ptc热量系统中使用的陶瓷材料，除了是重的、庞大并且易碎的之外，还耗费时间来“预热”并为加热装置提供足够的热量。
金属糊剂已经用来产生由耐热膜支撑的电阻加热元件。欧洲专利号2181015公开了在诸如汽车中的座椅和方向盘的应用中有用的相对薄的加热器装置。该加热器装置包括聚酰亚胺介电基材层和导体，该基材层具有覆盖该基材层的碳填充的聚酰亚胺的电阻层，该导体充当覆盖该电阻层并且与该电阻层接触的电极和总线结构二者。这些电极和总线结构能以金属糊剂的形式提供，如可印刷的导电油墨。美国专利号8,263,202公开了膜基加热装置，其具有使用导电黏合剂粘附到金属箔汇流条上的含有导电填料(如炭黑)的电阻聚酰亚胺基膜。通过使用金属箔作为汇流条代替金属糊剂，大大改进沿着汇流条长度的电压稳定性，但是该黏合剂体系可能限制性能。该膜基加热装置可以包括介电材料如聚酰亚胺的二次基膜。
虽然这些加热装置在小规模应用中在相对适宜的环境中在适度温度下并且在较低电压下可能是有用的，但是，对于具有较大功率输出的较大应用，生产聚合物基加热装置是更具挑战性的。需要较轻重量的加热元件，以用于具有改进的功率、较低功率密度和升高的最大操作温度的强制对流加热装置。
技术实现要素：
在第一方面，一种加热元件包含：包含多个聚合物电阻层的导电层的网络；以及与该导电层的网络接触的两个或更多个电极。这些聚合物电阻层具有在从约0.5欧姆/平方至约2兆欧姆/平方范围内的薄层电阻。电极阵列将该加热元件电连接到电源上。
在第二方面，一种强制对流加热装置包含该第一方面的加热元件。
具体实施方式
在第一方面，一种加热元件包含：包含多个聚合物电阻层的导电层的网络；以及与该导电层的网络接触的两个或更多个电极。这些聚合物电阻层具有在从约0.5欧姆/平方至约2兆欧姆/平方范围内的薄层电阻。电极阵列将该加热元件电连接到电源上。
在该第一方面的一个实施例中，这些聚合物电阻层包括第一聚合物介电材料。在具体实施例中，该第一聚合物介电材料包括聚酰亚胺。
在该第一方面的另一个实施例中，这些第一聚合物电阻层进一步包括导电填料。
在该第一方面的又另一个实施例中，这些导电层进一步包括与该多个聚合物电阻层接触的多个聚合物介电层。在具体实施例中，这些聚合物介电层包括第二聚合物介电材料。在更具体的实施例中，该第二聚合物介电材料包括聚酰亚胺。
在该第一方面的还另一个实施例中，该两个或更多个电极包括导电糊剂或金属。
在该第一方面的还又另一个实施例中，该网络是开口式多孔网络(opencellularnetwork)。在具体实施例中，该开口式多孔网络包括蜂窝多孔几何结构(honeycombcellulargeometry)。
在该第一方面的另一个实施例中，这些导电层进一步包括一个或多个通孔(via)。
在该第一方面的又另一个实施例中，这些导电层进一步包括一个或多个外介电层。
在该第一方面的还另一个实施例中，该加热元件进一步包括封装剂。
在该第一方面的还又另一个实施例中，该加热元件进一步包括框架或机械支撑结构。
在第二方面，一种强制对流加热装置包含该第一方面的加热元件。
在该第二方面的一个实施例中，该强制对流加热装置进一步包括电连接到该加热元件上的一个或多个汇流条。
许多方面和实施例已在以上进行描述并且仅是示例性且非限制性的。在阅读本说明书后，熟练的技术人员应理解在不脱离本发明范围的情况下其他方面和实施例是可能的。从以下详细说明并且从权利要求书中，本发明的其他特征和优点将是明显的。
定义
以下定义在此用于进一步限定并且描述本公开。
如在此所用，术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(has)”、“具有(having)”或其任何其他变型均旨在涵盖非排他性的包含。例如，包括要素列表的工艺、方法、制品或设备不一定仅限于那些要素，而是可包括未明确列出的或该工艺、方法、制品或设备所固有的其他要素。此外，除非有相反的明确说明，否则“或”是指包含性的“或”，而不是指排他性的“或”。例如，以下中的任一项均满足条件a或b：a为真(或存在)且b为假(或不存在)，a为假(或不存在)且b为真(或存在)，以及a和b均为真(或存在)。
如在此所用，术语“一个/一种”包括“至少一个/一种”和“一个或多于一个/一种或多于一种”的概念。
除非另外说明，所有的百分比、份数、比率等都是按重量计。
当术语“约”在描述范围的值或端点中使用时，本公开应被理解为包括被提及的特定值或端点。
加热元件
在一个实施例中，用于加热元件的导电层的网络包括多个聚合物电阻层。在一个实施例中，聚合物电阻层可以包括第一聚合物介电材料。在一个实施例中，导电层的网络可以进一步包括与该多个聚合物电阻层接触的多个聚合物介电层。在一个实施例中，聚合物介电层可以包括第二聚合物介电材料。该第一和第二聚合物介电材料可以各自包括聚酰亚胺、四氟乙烯六氟丙烯共聚物(fep)、全氟烷氧基聚合物(pfa)、聚氟乙烯(pvf)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚酯(如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚萘二甲酸乙二醇酯(pen))、聚醚醚酮(peek)、聚碳酸酯(pc)或其混合物。在一个实施例中，该第一和第二聚合物介电材料可以相同或不同。在一个实施例中，该聚合物电阻层和该聚合物介电层可以各自包括丝网印刷的或可光成像的环氧树脂、硅酮、填充的环氧树脂、填充的硅酮、或其混合物。
在一个实施例中，聚酰亚胺可以是芳香族聚酰亚胺。在具体实施例中，芳香族聚酰亚胺可以衍生自至少一种芳香族二酐和至少一种芳香族二胺。在一个实施例中，电阻层的聚酰亚胺材料和介电层的聚酰亚胺材料可以相同或不同。
在一个实施例中，该聚合物电阻层包括基于该聚合物电阻层的总重量在从约10至约45重量百分比范围内的导电填料。在具体实施例中，该导电填料以基于该聚合物电阻层的总重量从约15至约40重量百分比的范围存在。在更具体的实施例中，该导电填料以基于该聚合物电阻层的总重量从约20至约35重量百分比的范围存在。在一些实施例中，该导电填料是炭黑。在一些实施例中，该导电填料选自由以下项组成的组：乙炔黑、超耐磨炉黑、导电炉黑、导电槽型黑和细热裂炭黑(finethermalblack)及其混合物。
在一些实施例中，该导电填料具有至少100欧姆/平方的电阻。在一些实施例中，该导电填料具有至少1000欧姆/平方的电阻。在另一个实施例中，该导电填料具有至少10,000欧姆/平方的电阻。在一些实施例中，该导电填料是金属或金属合金。在一些实施例中，该导电填料是导电填料的混合物。在一些实施例中，研磨该导电填料以获得希望的附聚物尺寸(粒度)。在一个实施例中，该导电填料的平均粒度是在从约0.05μm至约1μm的范围内。使用horiba光散射粒度分析器(日本堀场公司(horiba,inc.))可以确定该平均粒度。在一个实施例中，该导电填料的平均粒度是在从约0.1μm至约0.5μm的范围内。总体上，超过1μm的平均粒度更有可能引起电短路和/或热点。在一个实施例中，该导电填料粒度是小于或等于1μm。在取决于具体应用细调导电填料的类型和量以便足以实现希望的耐受性中可能需要普通技术和实验。在一个实施例中，该聚合物电阻层包括聚酰亚胺材料与导电填料并且具有使用fpp5000四点探针(新泽西州萨默塞特维易科仪器公司(veecoinstruments,inc.,somerset,nj))测量的从约0.5欧姆/平方至约2兆欧姆/平方范围内的薄层电阻。在一个实施例中，该聚合物电阻层具有在从约2欧姆/平方至约10,000欧姆/平方范围内的薄层电阻。在具体实施例中，该聚合物电阻层具有在从约10至约500欧姆/平方范围内的薄层电阻。在更具体的实施例中，该聚合物电阻层具有在从约50至约150欧姆/平方范围内的薄层电阻。
在一个实施例中，该加热元件任选包括在聚合物电阻层、聚合物介电层、或二者中的非导电填料。可以包括非导电填料以改进热导率、机械特性等。在一些实施例中，非导电填料选自由金属氧化物、碳化物、硼化物和氮化物组成的组。在具体实施例中，该非导电填料选自由氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、云母、滑石、钛酸钡、硫酸钡、磷酸二钙、及其混合物组成的组。
在一个实施例中，导电层进一步包括在这些导电层中的导电通孔或开口的阵列，该阵列可以用来提供在单独的导电层之间的电连接以及该加热元件到加热装置电源上的电连接。导电通孔可以是穿孔、盲孔或埋孔，并且可以用导电材料(被烧结或固化)镀层或填充。导电材料可以包括导电金属、导电糊剂、导电油墨或印刷电路板制造中常用的任何其他导电材料。在一个实施例中，通孔可以用选自各种导电油墨或糊剂的导电材料进行填充，诸如杜邦cb系列丝网印刷油墨材料、杜邦5025银导体和duponttmkaptontmka801聚酰亚胺银导体(全部从北卡罗来纳州研究三角公园的杜邦微电路材料公司(dupontmicrocircuitmaterials,researchtrianglepark,nc)可获得的)。
在一个实施例中，加热元件的导电层的网络可以呈开口式多孔网络的形式。如在此使用的，术语“开口式多孔网络”是指其中几何结构的阵列围绕开口形成壁的周期性三维结构。在一个实施例中，开口式多孔网络可以是形成“蜂窝”结构的六边形阵列(即，蜂窝多孔几何结构)。蜂窝结构提供足够的机械刚性以支撑加热元件并且使其适合强制对流加热系统同时还提供改进的散热器结构。在另一个实施例中，开口式多孔网络可以是正方形、长方形、菱形、三角形、或具有曲壁的更复杂的几何结构的阵列。在一个实施例中，开口式多孔网络可以是两种或更多种几何形状的混合物。本领域技术人员将领会，可以形成开口式多孔网络和周期性结构的各种各样的形状不需要横跨该阵列在尺寸和形状上完全一致。
在一个实施例中，该开口式多孔网络具有在从约2μm至约250μm的范围内的壁厚。在具体实施例中，该壁厚是在从约10μm至约150μm的范围内。在更具体的实施例中，该壁厚是在从约25μm至约75μm的范围内。在一个实施例中，这些聚合物电阻层具有在从约2μm至约100μm的范围内的厚度。在具体实施例中，这些聚合物电阻层具有在从约10μm至约50μm的范围内的厚度。在一个实施例中，当该导电层包括聚合物介电层时，该聚合物介电层具有在从约2μm至约100μm的范围内的厚度。在具体实施例中，该聚合物介电层具有在从约10μm至约50μm的范围内的厚度。在一个实施例中，可以共挤出聚合物电阻层和聚合物介电层以形成该导电层。在一个实施例中，具有开口式多孔网络的加热元件可以衍生自
在一个实施例中，加热元件的导电层的网络可以呈间隔开的层(即，翅片)的形式。这些间隔开的层可以彼此物理连接或分开，但是被电连接以便为该加热装置提供热量。在这些翅片之间提供足够的空间以便在强制对流加热系统中允许良好的空气流动。
在一个实施例中，加热元件可以进一步包括封装剂。封装剂可以是如果需要的话为导电层的网络提供电绝缘和机械刚性的树脂体系(酚醛树脂、环氧树脂等)。在一个实施例中，封装剂可以是涂覆或层压到该加热元件上的介电材料。
汇流条
在一个实施例中，加热装置包括电连接到加热元件上的一个或多个汇流条。在一个实施例中，该一个或多个汇流条包括第一图案化的导电材料(例如，导电糊剂、金属等)。在一个实施例中，该第一图案化的导电材料是使得电流能够有效并且均匀地递送到该加热元件上的高度导电材料(例如，铜、银、金等)。在一个实施例中，汇流条可以包括独立或粘附到介电材料上的金属箔，其中金属箔厚度是从约5μm至约140μm(即，0.5盎司至4盎司金属箔)并且最小介电厚度是12.5μm至75μm。图案化迹线可以被设计为优化被递送到该加热元件上的电流的均一性。
在一个实施例中，一个或多个汇流条包括第三聚合物介电材料。该第三聚合物介电材料可以为该第一图案化的导电材料提供机械支撑，而且将该第一图案化的导电材料与不希望的电连接进行电绝缘。该第三聚合物介电材料可以包括以上对于该第一和第二聚合物介电材料描述的介电材料中的任一种，并且可以与该第一和第二聚合物介电材料中的一者或两者相同或不同。
在一个实施例中，可以经由黏合剂层将用于加热装置的该一个或多个汇流条粘附到该加热元件的聚合物介电层上。在一个实施例中，黏合剂层可以包括热固化的黏合剂，如丙烯酸类黏合剂(例如可以在150℃-180℃和150psi下固化的杜邦公司的
电极
在一个实施例中，用于加热元件的一个或多个电极包括粘附到该导电层的聚合物电阻层上的第二图案化的导电材料(例如导电糊剂、金属等)。在一个实施例中，该第二图案化的导电材料可以是导电糊剂。在一个实施例中，该导电糊剂可以包括由式i表示的聚酰亚胺聚合物：
其中x是c(ch3)2，o，so2或c(cf3)2，o-ph-c(ch3)2-ph-o，o-ph-o-或c(ch3)2、o、so2、和c(cf3)2、o-ph-c(ch3)2-ph-o、o-ph-o-中的两种或更多种的混合物；
其中y是选自下组的二胺组分或二胺组分的混合物，该组由以下各项组成：
间苯二胺(mpd)、3,4′-二氨基二苯醚(3,4′-oda)、
4,4′-二氨基-2,2′-双(三氟甲基)联苯(tfmb)、
3,3′-二氨基二苯砜(3,3′-dds)、
4,4'-(六氟亚异丙基)双(2-氨基苯酚)(6f-ap)、
双-(4-(4-氨基苯氧基)苯基)砜(baps)和
9,9-双(4-氨基苯基)芴(fda)；2,3,5,6-四甲基-1,4-苯二胺(dam)、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基苯基)]丙烷(bapp)、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基苯基)]六氟丙烷(hfbapp)、1,3-双(3-氨基苯氧基)苯(apb-133)、2,2-双(3-氨基苯基)六氟丙烷、2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷(双-a-af)、4,4’-双(4-氨基-2-三氟甲基苯氧基)联苯、4,4’-[1,3-亚苯基双(1-甲基-亚乙基)]双苯胺(双苯胺-m)，其前提是：
i.如果x是o，那么y不是间苯二胺(mpd)、双-(4-(4-氨基苯氧基)苯基)砜(baps)和3,4′-二氨基二苯醚(3,4′-oda)；bapp、apb-133、双苯胺-m；
ii.如果x是so2，那么y不是3,3′-二氨基二苯砜(3,3′-dds)；
iii.如果x是c(cf3)2，那么y不是间苯二胺(mpd)、双-(4-(4-氨基苯氧基)苯基)砜(baps)、9,9-双(4-氨基苯基)芴(fda)、和3,3′-二氨基二苯砜(3,3′-dds)；
iv.如果x是o-ph-c(ch3)2-ph-o或o-ph-o-，那么y不是间苯二胺(mpd)、fda、3,4’-oda、dam、bapp、apb-133、双苯胺-m。
这种糊剂是有利的，因为它含有如下溶剂，这些溶剂不是基于通常与聚酰亚胺一起使用的典型的dmac或nmp溶剂而是基于更适于丝网印刷的溶剂，具有较少毒性和用于常规丝网印刷的更好的操作、黏度和干燥加工窗口。因为这种导电糊剂是基于聚酰亚胺化学，它在印刷和干燥后还是热稳定的并且使得能够与该导电层的聚合物电阻层进行良好的电连接，使得可以制成用于可以在高温下运行的加热元件的电极。
在一个实施例中，导电金属粉末如银可以在溶剂可溶解的聚酰亚胺的有机溶液中形成适于丝网印刷的导电糊剂。有用的溶剂包括二丙二醇甲醚(dowanoltmdpm，密歇根州米德兰的陶氏化学公司(dowchemicalco.,midland,mi))、丙二醇甲醚乙酸酯(dowanoltmpma，陶氏化学公司)、二元酯、乳酰胺、乙酸酯、己二酸二乙酯、texanol、二醇醚、卡必醇等。此类溶剂可以溶解溶剂可溶解的聚酰亚胺树脂，并且提供ag和其他导电金属粉末可以分散在其中的溶液，提供可丝网印刷的糊剂组合物。通过用来制成该聚酰亚胺的单体的选择，在所选择的溶剂中的聚酰亚胺树脂的溶液是有可能的。在一些实施例中，可以使用除ag之外的金属，如ni、cu、pt、pd等，和具有各种形态以及这些形态的组合的粉末。
在一个实施例中，该导电糊剂可以在该导电层的聚合物电阻层上被印刷到10μm至15μm的湿厚度，然后在空气中在130℃下干燥10分钟，然后在200℃下再次干燥10分钟。该导电糊剂的电极的尺寸和布置可以基于在该加热元件的希望的操作温度和电压下该聚合物电阻层的电阻率以及该加热元件的总尺寸进行选择。在具体实施例中，该操作温度可以是约200℃并且该电压可以是220v。
在一个实施例中，该第二图案化的导电材料可以是金属(例如，al、cu、ag、au、ni等)、金属合金(例如，crni、cuni等)或金属氧化物(例如，alo2、ito、izo等)。在一个实施例中，该电极通过溅射沉积金属和随后镀金属层来形成，以实现希望的金属厚度。然后，所得金属层可以图案化以便使用印刷电路板制造常见的减去法形成电极。
在一个实施例中，该电极具有在从约0.155μm至约250μm的范围内的厚度。在具体实施例中，当该第二图案化的导电材料是导电糊剂时，该聚合物介电层具有从约5μm至约250μm、或从约5μm至约50μm范围内的厚度。在一个实施例中，该电极中的导电糊剂包括在基于所干燥的糊剂的总重量从约40wt％至约80wt％范围内的ag粉末，并且具有在从约5μm至约40μm范围内的干燥厚度，产生在从约4毫欧姆/平方至约100毫欧姆/平方的范围内的电阻率。
外介电层
在一个实施例中，加热元件可以包括在这些导电层的一侧或两侧上的外介电层。该外介电层可以充当阻隔层，防止该加热元件的环境降解并且防止从该加热元件的不希望的电流泄漏。在一个实施例中，外介电层可以包括聚合物材料，如聚酰亚胺、四氟乙烯六氟丙烯共聚物(fep)、全氟烷氧基聚合物(pfa)或其混合物。聚合物外介电层的实例包括
在一个实施例中，外介电层可以在形成网络结构之前直接被交咬或按压层压到导电层上。在一个实施例中，外介电层可以具有在从约10μm至约150μm的范围内的厚度。在具体实施例中，外介电层可以具有在从约15μm至约75μm的范围内的厚度。
加热装置
在一个实施例中，加热装置可以包括形成为蜂窝结构的聚合物基加热元件。该蜂窝形状是更有效的散热器结构，并且尽管与常规散热器的铝相比该聚合物加热器层的更低的热导率，该蜂窝结构增加了加热器的表面积并且将热传递改进为对流流动流。此外，这种构造去除了对于金属散热器的要求，有效消除了在金属散热器与ptc加热元件之间的热界面问题，并且显著降低了系统的重量。
在一个实施例中，为了形成具有蜂窝结构的加热元件，首先将电极图案化到导电层上，例如在杜邦
在干燥并且冷却该结构之后，切割材料的堆叠物，将片材分离成若干区段。该切割将在印刷的电极的每隔一个区段之间发生，有效地将每个区段的每个层转变成均匀的加热元件。去除该保护性隔离衬垫以暴露电极(和汇流条)。这将这些电极沿着可以进行电连接的短边缘暴露。然后将此加热元件加热(例如，使用
如此产生的是具有蜂窝结构的加热元件，其中所有表面提供热量并且暴露于强制空气系统的对流空气流。使用材料如
对于加热装置，当流体运动由外源(例如，泵、抽吸装置或风扇)产生时产生了强制对流。此流体(典型地空气)跨越加热元件的导电层的网络(诸如以上描述的开口式多孔网络或蜂窝结构)定向。当对该加热装置供电并且空气跨越该开口式多孔网络定向时，其增加加热空气的速度并且允许暖空气填充更大空间。在一个实施例中，框架或机械支撑结构可以用来对该加热装置中的加热元件提供附加机械支撑。
使用如在此描述的加热元件的加热装置可以在除hev和ev车辆之外还有各种各样的应用中使用。例如，将得益于这些加热元件的显著重量减少的航空航天应用中的筒式加热器，以及小型家用电器，如吹风机、局部加热器(spaceheater)、电hvac加热器等。
应注意的是，并不是所有的以上在一般性描述或实例中所描述的活动都是必需的，一部分具体活动可能不是必需的，并且除了所描述的那些以外，还可进行一个或多个其他活动。此外，所列举的活动的顺序不必是它们实施的顺序。在阅读本说明书之后，熟练的技术人员将能够确定哪些活动可用于他们具体的需求或期望。
在前述说明书中，已参考具体实施例描述了本发明。然而，本领域的普通技术人员理解，在不脱离以下权利要求书中所规定的本发明范围的情况下可作出一个或多个修改或一个或多个其他改变。因此，说明书和附图应被认为是示例性的而非限制性意义，并且任何和所有的此类修改和其他改变均旨在包括于本发明的范围内。
关于一个或多个具体实施例，以上已经描述了任何一个或多个益处、一个或多个其他优点、一个或多个问题的一种或多种解决方案、或其任何组合。然而，该一个或多个益处、一个或多个优点、一个或多个问题的一种或多种解决方案、或可能引起任何益处、优点、或解决方案出现或使其变得更明显的一个或多个任何要素不会被解释为任何或所有权利要求的关键的、必要的或基本的特征或要素。
应当理解，为清楚起见，在单独实施例的上下文中以上和以下描述的本发明的某些特征也可以组合在单一实施例中提供。相反地，为简洁起见在单一实施例的上下文中描述的本发明的不同特征也可以被分开地或者以任何子组合提供。此外，提及在范围内陈述的值包括在那个范围内的每个值。