具有可调功率输出的电压调平加热器电缆的制作方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求在2017年3月14日提交的美国临时申请no.62/471202作为优先权，在这里加入该临时申请作为参考，如同在这里完全阐述它。

背景技术：

诸如自调节加热器电缆的加热器电缆可以在各种应用中提供热量。这种电缆可以例如用于防止冻结、保持管道中的流体的粘度或以其他方式帮助调节管道和材料的温度。加热器电缆具有现场可配置的优点。例如，可以根据需要应用或安装加热器电缆，而无需定制设计和制造特定于应用的加热组件，虽然在某些情况下可以针对特定于应用的用途设计加热器电缆。

在一些方案中，加热器电缆通过使用两条或更多条具有高电导系数(即低电阻)的总线线路来工作。要为使用总线线路的加热器电缆供电，总线线路通常在电缆的一端连接到电源，总线线路在电缆的另一端终接。总线线路耦合到不同的电压供给电平，以在总线线路之间产生电压电势。自调节加热器电缆采用位于总线线路之间的正温度系数(ptc)材料；允许电流流过ptc材料，由此通过电能到热能的电阻转换产生热量。随着ptc材料的温度升高，其电阻随之增加，由此减小通过ptc材料的电流并因此减小通过电阻加热产生的热量。因此，加热器电缆是自调节的，随着温度的升高，趋于产生更少的热量。

加热器电缆可呈现沿电缆的长度纵向地和跨过电缆横截面二者的遍及电缆的高温变化。与在较大的表面积或体积上传播的热相反，这些高温变化可能是由可以产生局部化加热的加热器电缆内的小的高活性加热体积引起的。常规的自调节加热器电缆主要有两种设计：整体式和纤维缠绕设计。在这两种情况下，都有小部分的芯部/光纤处于活动状态并产生大部分功率，从而在该区域中形成明显的热斑。此外，常规电缆的功率输出通常由其芯部成分确定，因此，一旦为加热器电缆选择了芯部成分的窗口，其功率输出就不容易调整。所需要的是解决常规自调节加热器电缆的这些和其他缺点的方案。

技术实现要素：

这里描述的本发明的实施例提供包括一个或更多个芯部的示例性电压调平(voltage-leveled)自调节加热器电缆，每个芯部具有封装导体的正温度系数(ptc)材料。诸如传导箔、导线和/或传导墨水的传导材料可以被施加以覆盖芯部的一部分。可以关于芯部环绕地形成传导材料，并且可以在芯部之上沿纵向形成传导墨水部分。在具有与芯部电接触的两个(或更多个)分开的传导墨水部分和传导箔的实施例中，传导箔可以形成为电连接传导墨水部分。

这种加热器电缆配置允许通过调整被传导材料覆盖的芯部的比例来实现希望的功率输出，该比例可以由传导材料的缠绕密度限定。在一些实施例中，基本上全部的覆盖率可以提供最大功率输出，而零或近零覆盖率可以提供零或小的功率输出。可以通过改变施加于每个加热器电缆的芯部的表面的传导材料的缠绕密度(“覆盖百分比”)从相同的挤压芯部制造具有不同的功率输出的加热器电缆。除了可以通过选择缠绕密度来调整加热器电缆功率输出，还可以实现更低的芯部温度、更低的护套温度、更长的寿命、更少的芯部材料使用以及更少的制造浪费(源自更大的制造目标窗口)。

在本发明的实施例中，电压调平自调节加热器电缆可以包括：导体；封装导体的芯部，以及只与芯部的外表面的一部分接触的传导材料。芯部可以包括正温度系数材料。

在一些实施例中，电压调平自调节加热器电缆可以包括与芯部的外表面接触并且与传导材料的至少一部分接触的传导墨水。

在一些实施例中，电压调平自调节加热器电缆可以包括附加导体和封装附加导体的附加芯部。附加芯部可以包括正温度系数材料。

在一些实施例中，电压调平自调节加热器电缆可以包括沿芯部纵向延伸的第一传导墨水部分和沿附加芯部纵向延伸的第二传导墨水部分。

在一些实施例中，电压调平自调节加热器电缆可以包括在芯部和附加芯部之间延伸的网体。网体可以是电活性的或电非活性的。

在一些实施例中，芯部可以与附加芯部物理接触。

在一些实施例中，传导材料可以包括缠绕在芯部的一部分周围的导电线。

在本发明的一些实施例中，电压调平自调节加热器电缆可以包括第一导体、封装第一导体的第一芯部、第二导体、封装第二导体的第二芯部和与第一芯部和第二芯部的外表面接触的传导材料。第一芯部可以包括正温度系数材料。第二芯部可以包括正温度系数材料。传导材料可以将第一芯部电耦合到第二芯部。传导材料可以是金属或传导墨水。

在一些实施例中，电压调平自调节加热器电缆可以包括印刷在第一芯部的第一部分上的第一传导墨水以及印刷在第二芯部的第二部分上的第二传导墨水。传导材料可以与第一传导墨水和第二传导墨水物理接触。

在一些实施例中，传导材料可以包括围绕第一和第二芯部的导电金属箔。

在一些实施例中，电压调平自调节加热器电缆可以包括介于第一芯部和第二芯部之间的网体。网体可以将第一芯部连接到第二芯部。网体可以是电活性的或电非活性的。

在本发明的实施例中，制造电压调平自调节加热器电缆的方法可以包括：利用制造设备对以第一缠绕密度的第一对挤压芯部施加传导材料，以产生第一电压调平自调节加热器电缆。第一对挤压芯部可以包括正温度系数材料。第一对挤压芯部可以每个挤压芯部封装相应的导体。施加的传导材料的覆盖百分比可以小于100％。

在一些实施例中，该方法还可以包括：利用电阻率测量设备，自动确定第一对挤压芯部的电阻率；以及利用计算机系统的处理器，至少基于第一对挤压芯部的确定的电阻率来确定第一缠绕密度。

在一些实施例中，可以基于第一电压调平自调节加热器电缆的预定功率输出来选择第一缠绕密度。

在一些实施例中，该方法可以包括：利用制造设备的电阻率测量设备，自动确定第一对挤压芯部的第一电阻率；基于第一电阻率，确定以第一缠绕密度施加在第一对挤压芯部上的传导材料产生具有预定功率输出的第一电压调平自调节加热器电缆；利用电阻率测量设备，自动确定包括封装第三导体和第四导体的正温度系数材料的第二对挤压芯部的第二电阻率，第二电阻率与第一电阻率不同；基于第二电阻率确定以第二缠绕密度施加于第二对挤压芯部上的传导材料产生具有预定功率输出的第二电压调平自调节加热器电缆；以及利用制造设备，对第二对挤压芯部以第二缠绕密度施加传导材料，以产生第二电压调平自调节加热器电缆。

在一些实施例中，将传导材料施加于挤压芯部可以包括以第一缠绕密度将导电线缠绕在第一对挤压芯部周围。

公开的装置和方法的上述和其他优点将从以下描述中显现。在说明书中，参考形成本说明书的一部分的附图，其中，以本发明的示例性实施例的方式示出了附图。然而，这些实施例不一定代表预期的装置和方法的全部范围，因此，为了解释本发明的范围，在随后的申请中，参考要求优先于本申请的权利要求。

附图说明

图1a是根据本发明的实施例的具有关于由网体连接的一对芯部定位的传导材料的说明性加热器电缆的透视图。

图1b是根据本发明的实施例的封装在聚合物护套中的图1a的示例性电缆的端视图。

图1c是根据本发明的实施例的图1b的示例性电缆的透视图。

图2是根据本发明的实施例的具有沿由网体连接的一对芯部的长度定位的传导墨水并且具有关于一对芯部定位的传导材料的说明性加热器电缆的透视图。

图3是根据本发明的实施例的具有关于在没有介入网体的情况下直接接触的一对芯部定位的传导材料的说明性加热器电缆的端视图。

图4是根据本发明的实施例的图1a-1c的说明性加热器电缆的透视图，护套层被向后拉以露出内部元件，并且线a-a表示与图5a-6b的截面图相关的位置。

图5a是根据本发明的实施例的沿线a-a的图4的说明性加热器电缆的截面图，表示在加热器电缆中的传导材料区域内出现的径向电压梯度，该加热器电缆包括电活性网体。

图5b是根据本发明的实施例的图4的示例性加热器电缆沿线a-a的截面图，表示在加热器电缆的传导材料区域内出现的温度梯度，该加热器电缆包括电活性网体。

图6a是根据本发明的实施例的图4的示例性加热器电缆沿线a-a的截面图，表示在加热器电缆的传导材料区域内出现的径向电压梯度，该加热器电缆包括电非活性网体。

图6b是根据本发明的实施例的图4的示例性加热器电缆沿线a-a的截面图，表示在加热器电缆的传导材料区域内出现的温度梯度，该加热器电缆包括电非活性网体。

图7a是根据本发明的实施例的示例性加热器电缆的截面图，导线缠绕在芯部上。

图7b是根据本发明的实施例的图7a的说明性加热器电缆的从上而下的视图，示出导线缠绕在芯部上。

图8是根据本发明的实施例的将传导材料施加于具有基于一个或更多个挤压芯部的测量电阻率确定的缠绕密度的一个或更多个挤压芯部的方法的说明性工艺流程图。

具体实施方式

在进一步详细描述本发明之前，应当理解，本发明不限于所描述的特定方面。还应理解，在这里使用的术语仅用于描述特定方面，而不是旨在限制。本发明的范围仅由权利要求限制。如这里所使用的，除非上下文另有明确规定，否则，单数形式“一个”、“一”和“该”包括复数方面。

本领域技术人员应当清楚，在不脱离本发明的概念的情况下，除了已经描述的修改之外，还可以进行许多附加修改。在解释本公开时，所有术语应以与上下文一致的最广泛方式解释。术语“包含”、“包括”或“具有”的变化应解释为以非排他方式指代要素、组件或步骤，因此所指的要素、组件或步骤可与未明确指代的其他要素、组件或步骤组合。除非上下文另有明确规定，否则，被称为“包含”、“包括”或“具有”某些要素的方面也被考虑为“基本上由”和“由”这些要素“组成”。应当理解，除非上下文另有明确规定，否则关于系统描述的公开的各个方面适用于方法，反之亦然。

这里公开的数字范围包括其端点。例如，1和10之间的数字范围包括值1和10。当针对给定值公开一系列数值范围时，本公开明确地考虑包括那些范围的上下限的所有组合的范围。例如，1和10之间或2和9之间的数字范围旨在包括1和9之间以及2和10之间的数字范围。

如上所述，常规自调节(sr)加热器电缆的功率输出通常由加热器电缆的芯部成分确定，该芯部成分在制造芯的过程中被设定并且可能由于制造非理想性而受到无意改变。当挤压芯部的芯部成分性能(例如，电阻率)落在可接受窗口范围(例如，由使用挤压芯部制造的加热电缆的期望功率输出部分定义)外面时，挤压芯部通常可能被刮坏，导致浪费时间、能量和材料。

相反，本发明的实施例允许在制造sr加热电缆期间通过将传导材料(例如，电传导材料)施加到芯部的一个或更多个表面来选择sr加热电缆的功率输出，在制造芯部之后，用与覆盖百分比对应的选择(在一些实施例中，自动选择)的缠绕密度来施加传导材料。此处使用的“覆盖百分比”是指被传导材料覆盖的芯部的外表面的百分比。例如，为了满足一组特定的功率输出要求而需要施加到芯部上的覆盖百分比和相应的缠绕密度可以基于芯部的测量电阻率被自动确定。根据加热器电缆的配置，100％覆盖百分比可以提供最大电缆功率输出，而0％覆盖率百分比可能导致零或仅仅小功率输出。在一些实施例中，具有不同功率输出的加热器电缆可以由相同的挤压芯部制成，并且通过选择加热器电缆的芯部之上的传导材料(例如箔、导线和/或传导墨水)的覆盖百分比，可以在随后的处理步骤中实现加热器电缆的期望功率输出。这里描述的加热器电缆的一些实施例可以是能够实现热平衡(例如，没有热斑)以及通过选择芯部之上的传导材料的覆盖百分比设定的期望功率输出的下一代整体式(monolithic)(实芯部)sr加热器电缆。

图1a-1c表示从各种角度的说明性sr加热器电缆20的视图。如图1a所示，一个或更多个导体可分别封装在芯部3和4内。芯部3和芯部4可以由正温度系数(ptc)传导聚合物材料(例如，交联或可交联的聚乙烯或含氟聚合物)制成。任选的网体5可以包含于sr加热器电缆20中，被设置在芯部3和4之间并且与它们物理接触。在一些实施例中，网体5可以是导电的或代替网的绝缘间隔物。网体5可以是电活性的或电非活性的。注意，网体5的电“活性”或“非活性”的程度由网体5的导电性如何来定义。例如，如果网体5由中等或高导电的材料制成，则网体5可被认为是电活性的。替代地，如果网体5是由高度电绝缘的材料制成的，则网体5可以被认为是电非活性的。在一些实施例中，电活性时的网体5可以包括ptc材料，该ptc材料可以是与形成芯部3和4的材料相同的ptc材料。或者，在一些实施例中，电活性时的网体5可以包括具有比芯部3和4更高但比传导材料6(如下所述)更低的传导性的ptc材料。

为了增强芯部3和4上的电压调平，可以形成或施加具有高导电性(例如，传导材料6的电阻率可以低于500ohm·cm)的传导材料6，以使其物理并电气接触芯部3和4的外表面的一部分。传导材料6可以例如是传导线(例如，铜导线、镀镍铜导线或任何其他适用的导线)、传导箔(例如，铝箔或任何其他适用的传导的、金属箔)或构图的传导墨水(例如，可以是成膜(film-forming)的)。对于传导材料6是构图的传导墨水的实施例，传导墨水可以被直接施加于芯部3和4上，或者可替代地被施加于位于芯部3和4周围的聚合物护套9的内表面上。每单位加热器电缆长度的传导材料6的宽度(即，沿芯部3和4的纵向跨度)对应于传导材料6的覆盖百分比，并且与电缆的功率输出正相关。传导材料6可以被配置为例如以期望的间距放置在芯部3和4周围的薄带，并且可以将芯部3和4电耦合在一起。薄带可以例如是圆形、扁平、椭圆、三叶形或任何其他适用形状。或者，传导材料6可以是以期望的缠绕密度缠绕芯部3和4周围期望长度的连续条带。传导材料6的缠绕密度，结合传导材料6的宽度，可以确定限定被传导材料6覆盖的芯部3和4的外表面的百分比的覆盖百分比。

如图1b和图1c所示，可以是例如金属箔包层或小股排扰线的组件的接地层10可以为sr加热器电缆20提供接地。接地层10还可以帮助在sr加热器电缆20的周围传递热量。接地层10可以位于薄的内部聚合物护套9周围，该聚合物护套9可以在芯部3和4与接地层10之间提供介电分离。气隙7、8可以将网体/间隔物5与聚合物护套9分离。气隙7、8的存在和厚度在很大程度上取决于网体5的厚度。外部聚合物护套11可以位于地面层10的周围，以为sr加热器电缆20提供环境保护；外部护套11可以包括增强纤维，以增强环境保护。

在替代性实施例中，传导墨水可被施加于sr加热器电缆的芯部，以增强与加热器电缆的芯部表面的传导接触。图2表示包括与sr加热器电缆30的芯部接触的传导墨水和传导材料二者的sr加热器电缆30。如图所示，两个薄的传导墨水部分16(也具有高导电性－例如墨水的电阻率可以低于500ohm·cm)沿圆周覆盖芯部3和4的一部分，并沿芯部3和4的长度在sr加热器电缆30的相反侧连续延伸。被传导墨水部分16(即，传导墨水条/带的“宽度”)覆盖(例如，与传导墨水部分16有效电接触)的芯部3和4的周长的比例与加热器电缆的功率输出相关，并且贡献于(contributeto)(例如，与和传导材料6有效电接触的芯部3和4的周长的比例相结合)覆盖芯部3和4的表面的传导材料的覆盖百分比。传导墨水部分16可以是施加于芯部3和4的窄带，或者是覆盖芯部3和4的整个外周的宽带。在一些实施例中，传导墨水部分16可以另外覆盖网体5的外表面，并且可以在芯部3和4的外表面上提供连续覆盖。sr加热器电缆30的任一侧上的传导墨水部分16可以通过传导材料6或例如成螺旋形地以电连接芯部3和4的金属导线电连接在一起，。

在又一个实施例中，网体5可以不存在，允许芯部3和4彼此直接接触(例如，以直线排列或以扭绞排列)。图3示出其中sr加热器电缆40的芯部3和4直接接触而不存在连接网体的这种实施例的例子。通过从sr加热器电缆40中省略网体5，可以有效地减小sr加热器电缆40的总直径，并且可以使气隙7和8更小。

图4表示图1a-1c的sr加热器电缆20的等距视图，其中聚合物护套9和11以及地面层10被拉回，以露出芯部3和4以及传导材料6。对于sr加热器电缆20在截面a-a(对应于由传导材料6重叠的sr加热器电缆20的截面)处进行在操作期间的电势和温度的模拟。下面结合图5a-6b描述这些模拟。

图5a-5b示出针对sr加热器电缆20包括电活性网体的实施例sr加热器电缆20的沿着图4的截面a-a的模拟结果的截面图。图5a的模拟示出在sr加热器电缆20的由传导材料6重叠的区域中出现的径向电压梯度。图5b的模拟示出在sr加热器电缆20的由传导材料6重叠的区域中出现的温度梯度。

图6a-6b示出针对sr加热器电缆20包括电非活性网体的实施例sr加热器电缆20的沿着图4的截面a-a的模拟结果的截面图。图6a的模拟示出在sr加热器电缆20的由传导材料6重叠的区域中出现的径向电压梯度。图6b的模拟示出在sr加热器电缆20的由传导材料6重叠的区域中出现的温度梯度。

参考图5a和6a，在传导材料6与芯部3和4接触的区域中出现径向电势(电压)梯度。参照图5a，如果网体5是电活性的，则也可以在网体5上观察到电压梯度；因此，具有活性网体5的加热器电缆可以表现出混合加热器电缆的特性。这里，“混合加热器电缆”是指在加热器电缆的芯部(例如，芯部3和4)内和芯部之间的电活性网体(例如，网体5)二者内都产生热量的加热器电缆。相反，常规sr加热器电缆只能在电活性网体中产生热量。

参考图5b和6b，在传导箔6与芯部3和4接触的区域内，跨越芯部3和4的温度可能相对均匀。如果网体5是电活性的，则可以在网体5的不存在传导箔6的中间区域中观察到温度峰值，在这种情况下，加热器电缆可能表现出混合加热器电缆的特性。注意，网体5中的较高温度可能是由气隙7和8(其提供热阻)造成的，这可能是由于空气的低热导率。

示例性加热器电缆配置的功率输出可以取决于(例如)芯部3和4的组成、施加的电压、基板温度、网体5是电活性的还是非电活性的、以及传导箔6和(可选地)传导墨水部分16在芯部上的覆盖百分比。例如，对于给定的芯部组成，当sr加热器电缆20以240v被供电并且被放置在10摄氏度的基板上时，示例性加热器电缆输出(没有传导墨水部分16，如图1a-1c所示)：

当传导材料6的覆盖百分比为100％时，对于具有活性或非活性网体5的加热器电缆配置，为20w/ft；

当传导材料6的覆盖百分比为7％时，对于具有活性网体5的加热器电缆配置，为9w/ft；

当传导材料6的覆盖百分比为7％时，对于具有非活性网体5的加热器电缆配置，为4w/ft；

当传导材料6的覆盖百分比为0％(例如，省略了传导材料6)时，对于具有活性网体5的加热器电缆配置，为7w/ft；以及

当传导箔的覆盖百分比为0％(例如，省略了传导材料6)时，对于具有非活性网体5的加热器电缆配置，为0w/ft。

因此，在制造sr加热器电缆20期间，通过选择芯部3和4之上的传导材料6的覆盖百分比(例如，通过选择芯部3和4周围的传导材料6的缠绕密度)，可以实现对于给定电缆配置的sr加热器电缆20的期望功率输出。以这种方式，可以使得芯部3和4的电阻率的制造公差变得不那么严格，因为通过改变传导材料6的覆盖百分比，sr加热电缆20的功率输出可以在制造芯部3和4之后被调整。相反，常规加热器电缆的功率输出可能主要由加热器电缆的芯部的电阻率确定。因此，当常规加热器电缆的制造芯部具有超出可接受制造公差水平的电阻率时，可能会导致材料浪费(例如，这将导致加热器电缆不满足功率输出要求)。因此，当根据本发明的实施例制造sr加热电缆时，与常规方法相比，可以减少材料浪费。

图7a(截面图)和图7b(从上而下视图，聚合物护套9和11以及接地层10未示出)所示的说明性的“导线缠绕的”sr加热器电缆50可以包括缠绕在芯部3和4上的一条或更多条导线60，而不是其他传导材料选项(例如，传导箔或传导墨水)。由于缠绕密度定义导线60的覆盖百分比，因此可以通过调整导线60的缠绕密度(例如，在制造sr加热电缆50期间)来修改sr加热器电缆50的功率输出。导线60例如可以由导电金属形成。

图8表示用于在制造sr加热电缆(例如，图1a-1c、图2、图3和图7a和图7b的sr加热电缆20、30、40和50中的任一个)期间通过以基于挤压芯部的测量电阻率确定的缠绕密度将传导材料(例如，传导线或箔)施加于挤压芯部来自动选择sr加热电缆的功率输出的方法100的说明性工艺流程。

在步骤102中，方法100可以开始。例如，在执行方法100之前，可以制造一个或更多个挤压芯部。挤压芯部可以封装一个或更多个导体，该导体可以例如是总线线路。

在步骤104中，利用电阻率测量设备来确定挤压芯部的电阻率。在一些实施例中，该电阻率测量可以被自动执行(例如，在测量挤压芯部的电阻率时不需要人为干预)。

在步骤106中，处理器(例如，控制制造设备的一个或更多个工件的计算机系统的处理器)基于确定的挤压芯部的电阻率来自动确定缠绕密度(例如，用于将诸如导线或箔的传导材料缠绕在挤压芯部周围)。可以基于正在被制造的sr加热电缆的预定功率输出值来进一步确定缠绕密度的确定。例如，可以根据由被制造的sr加热器电缆呈现的期望功率输出来限定预定的功率输出值(例如，在包括处理器的计算机系统的存储器硬件中)。

在步骤108中，制造设备(例如，由用于执行步骤106的处理器控制)以确定的缠绕密度在挤压芯部周围施加导电材料(例如，导电线或导电箔)。例如，可以通过将导电线缠绕在挤压芯部周围来施加导电材料。或者，可以通过将导电箔附着在挤压芯部上来施加导电材料。或者，可以通过将导电墨水印刷到挤压芯部上(例如，根据对应于确定的缠绕密度的预定图案)来施加导电材料。为了确保导电材料直接在施加后和加热操作之后与挤压芯部保持良好的电接触，可以测试和评估施加的导电材料。

在步骤110中，一旦用导电材料以确定的缠绕密度缠绕了挤压芯部，则方法100结束。随后，可以在缠绕的挤压芯部上执行附加的处理步骤，诸如施加聚合物护套(例如，图1a-1c的聚合物护套9和11)和接地层(例如，图1a-1c的接地层)。

已经关于一个或更多个优选实施例描述了本发明，并且，应当理解，除了那些明确说明的，并且除了以不同的方式组合前述版本的不同特征之外，许多等同物、替代、变化、添加和修改也可以被提出，并且在本发明的范围内。

还需要注意的是，尽管附图标记被重复用于附图中不同实施例的类似组件，但是这些组件不需要具有相同的配置，并且在不同实施例中，这些组件可能彼此具有差异。