專利名稱：自調節加熱電纜的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種加熱電纜，該電纜由于使用具有正溫度系數(PTC)的材料而能夠自動調節功率輸出，本發明還涉及一種具有該電纜的加熱設備。
背景技術：
并聯電阻半導體自調節加熱電纜已是眾所周知。這樣的電纜通常包括兩根沿電纜縱向延伸的導線(通常稱作母線(buswire))。典型地，該導線被埋在半導體聚合加熱元件內，該元件沿導線全長連續擠壓成型。因此，該電纜為并聯電阻形式，電力通過兩個導線施加到橫過兩個導線而并聯的加熱元件上。該加熱元件通常具有正溫度系數。因此，當加熱元件的溫度升高時，在導線之間電連接的材料的電阻增加，由此降低功率輸出。這種功率輸出隨溫度變化的加熱電纜被稱為自調節電纜或自限制電纜。
圖1表示典型的采用并聯電阻的半導體自調節加熱電纜2。該電纜包括圍繞兩條平行導線4、6擠壓成型的半導體聚合基體8。該基體被用作加熱元件。隨后在基體8的外部擠壓形成聚合絕緣護套10。典型地，在絕緣護套10之外加置導電的外編織層12(即鍍錫的銅編織層)，用于提供附加的機械保護和/或用作地線。典型地，再用熱塑護套14覆蓋這樣的編織層來提供附加的機械保護和防蝕保護。
相比于非自調節加熱電纜件而言，這樣的并聯電阻式自調節加熱電纜具有多個優點，并因此被廣泛使用。例如，自調節加熱電纜由于具有正溫度系數特性而通常不會過熱或被燒壞。當電纜中任一特定點的溫度上升時，該點處的加熱元件的電阻增加，從而降低該點處的功率輸出，由此有效地關斷加熱器。
此外，由于加熱元件能夠自動調節溫度，因此通常不需要為此加熱器使用“冷線(cold lead)”。因為其加熱元件在高溫環境中可能會達到相當高的溫度，因此在非調節加熱器中經常使用冷線。冷線與這種非調節加熱器的端部相連，以使得連接到電源上的加熱元件不會使其端子或電源過熱。冷線的典型形式為低電阻導線，該導線的設置使其不會明顯地發熱。但是，安裝該冷線經常需要大量人工。而且，由于冷線和加熱器之間的連接經受溫度梯度和熱循環，因此該連接的故障率相對較高。
因此，由于自調節加熱器通常被設置成在安全溫度范圍內運行，因此并不需要冷線。
但是，并聯電阻半導體自調節加熱器還具有多個意想不到的特點。
該平行電阻自調節加熱器的最經常的故障形式是失去或減弱供電導線和形成加熱元件的擠壓半導體基體之間的電接觸。比如，各部件之間不同的膨脹以及熱循環可能導致電接觸的喪失或減弱。電接觸的減弱會導致在電纜內產生電弧，并由此損失一部分熱量輸出。產品的使用壽命因此取決于導線和加熱元件之間的連接。
開始通電時，加熱電纜通常處于較低溫度下(因此電阻較小)。如果從低溫開始給電纜供電，那么小電阻就會拉動大的啟動電流。結果，需要設置斷路器來提供第一級電氣安全(過電流保護)，斷路器的尺寸應該允許比正常運行或操作電流更高的電流(通常乘以系數6)通過。這導致電路的安全性能降低，并且使開關裝置及部件的尺寸過大。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種電加熱電纜，能夠基本消除或緩解本文或其他文獻所述的現有技術中的一個或多個問題。
根據第一方面，本發明提供一種串聯電阻加熱電纜，該電纜包括沿電纜長度方向延伸的加熱元件，該加熱元件包含具有正溫度系數的材料。
通過提供具有串聯結構的自調節加熱電纜，可以增加電纜的預期使用壽命。而且，與類似的并聯電阻自調節加熱電纜相比，啟動電流減小。
該電纜可以是自調節電纜。
該材料可以是半導體。
該材料可以包含聚合物。
該材料可以包含高密度的含碳聚乙烯基體。
該加熱電纜還可以包括至少一個位于電纜端部的導電端子，并且通過導電膏與加熱元件電接觸。
該導電膏可以包含銀。
根據第二方面，本發明提供一種包括上述加熱電纜的加熱設備。
該加熱設備可以是汽車座位加熱器。
根據第三方面，本發明提供一種制造串聯電阻加熱電纜的方法，該方法包括提供沿電纜縱向延伸的加熱元件的步驟，該加熱元件包含具有正溫度系數的材料。
根據第四方面，本發明提供一種制造加熱設備的方法，所述方法包括提供具有加熱元件的串聯電阻加熱電纜，其中所述加熱元件沿電纜縱向延伸，所述加熱元件包含具有正溫度系數的材料。
下面將通過具體實例并參照附圖的方式介紹本發明的實施例。
圖1是現有的串聯電阻自調節加熱電纜被部分切除后的透視圖；圖2是根據本發明一實施例的電纜被部分切除后的透視圖；圖3是用于連接圖2所示電纜的端子的端面視圖；圖4A和4B示出圖3所示端子與圖2所示電纜相連接；以及圖5是根據本發明一實施例的加熱設備的示意圖。
具體實施例方式
本發明的發明人認識到，串聯電阻自調節加熱電纜具有并聯電阻自調節加熱電纜的優點，但具有較少的缺點。
圖2表示根據本發明一實施例的串聯電阻自調節加熱電纜。該加熱電纜20包括沿電纜長度方向延伸的加熱元件22。該加熱元件22具有正溫度系數，這樣使得加熱元件的電阻隨著溫度升高而增大。優選地，該加熱元件包含制成線狀或繩狀的半導體材料。合適材料的實例之一是半導體高密度聚乙烯(HDPE)，比如含碳聚乙烯。典型地，該加熱元件具有直徑為2mm的大致呈圓形的截面。
圍繞該加熱元件22設有初級絕緣護套或涂層24，用于將加熱元件22與外部環境電絕緣。典型地，該初級絕緣護套24由聚合物，比如聚烯烴制成，厚度大約為0.8mm。
可以任選地添加導電的外編織層26(例如，典型地為厚約0.5mm的銅編織層)，用以提供附加的機械保護和/或用作地線。該編織層還可以被熱塑外層護套覆蓋，用于提供附加的機械保護，其典型厚度大約為0.6mm。
盡管串聯電阻加熱電纜已經為大家所知，但是該電纜包括電阻值基本不變的金屬加熱電阻線。因此，這樣的電纜具有與加熱器溫度無關的基本恒定的功率輸出。在高溫環境中，這樣的串聯加熱器繼續產生設定的加熱負載；除非施加外部控制，否則這樣會導致加熱器過熱或燒毀。這是現有的串聯電阻加熱器的最大缺點。
但是，通過提供具有正溫度系數的加熱元件，會使加熱器任何一部分經受高溫時，加熱器的功率輸出減少，從而防止過熱或燒毀。而且，由于上述實施例的加熱電纜為自調節式的，因此不需要安裝單獨的冷線就可以直接連接到電源端子。這避免了使用附加材料和人工，并且消除了冷/熱接頭處產生故障的可能性。優選地，該加熱元件由聚合材料和/或半導體材料制成。由于具有相當大的正溫度系數，因此這些材料特別適于制造自調節加熱電纜。也就是說，對于預定的溫度范圍，這些材料的電阻變化相當大。比如，其電阻可以在跨越100℃的溫度范圍時變化50％。在聚合材料中，電阻的變化主要是由于聚合物膨脹且至少部分地切斷兩個導電體之間的導電通道而引起的。
本實施例的上述優點是與并聯電阻自調節加熱電纜共有的優點，除此之外，所述串聯電阻自調節加熱電纜由于串聯結構還具備其他的優點。
與類似的并聯電阻自調節加熱電纜相比，串聯電阻自調節加熱電纜在冷啟動時承受較低的浪涌電流。這是由于浪涌電流與供電線端和中性線端之間的距離成反比。在并聯電纜中，兩條導線之間相離很近，典型地是間隔8mm。所施加的主電壓容易經過含碳半導體“跳過”兩條母線。與此相反，在串聯結構中，兩個線端被分隔開一定距離，典型地是幾米長，而不是幾毫米長，由此抑制了浪涌。例如，典型的額定功率為30W/m的并聯電阻自調節加熱電纜的冷啟動電阻大約為300Ω，運行一段預定時間后的穩定電阻大約為2KΩ。也就是說，電纜的電阻變化了至少一個數量級。與此相反，相同額定功率的串聯電阻電纜的冷啟動電阻為1-1.5KΩ，上升到穩定電阻為2KΩ。可以看出，串聯電纜的電阻變化小于類似的并聯電纜的電阻變化，因此串聯電纜在冷啟動時具有更低的浪涌電流。由此，過電流保護裝置的尺寸可以更接近與操作電流匹配的尺寸，由此增加了電路安全性，并減少了開關裝置及部件的在以往必須過大的尺寸。此外，串聯電阻自調節加熱電纜與并聯電阻自調節加熱電纜相比不容發生故障。這是因為與并聯電纜沿其整個長度都需要良好的連續電接觸不同，在串聯電阻自調節加熱電纜中，僅在串聯電纜的兩端需要供電導線和加熱元件之間的良好電接觸。而且，由于在電纜的端部與導線接觸，因此容易完成對電接觸件的必要的維修或更換。
圖3表示適于與加熱電纜的端部電連接的端子30的端面視圖。優選地，在電纜的每一端都設置類似的連接。圖4A表示應用于位于電纜20一端處的加熱元件22上的端子的剖視圖，圖4B表示安裝到位的端子。該端子與導線(未示出)相連，而導線連接到適于供電以操作加熱器的電源上。
該端子30包括主體32，該主體限定了一個開口。腿部34從主體32上分開延伸。卡爪36位于每條腿部34的遠離主體32的端部處。使用時，卡爪36刺入并抓持表面，即卡爪36嵌入加熱元件22的表面。
由圖4A和4B可見，端子30的主體32接近縱向延伸的加熱元件22的末端。腿部34沿著加熱元件22的側面延伸。通過開口向主體32內注入導電膏(例如，銀膏)，以便填滿電纜末端和相鄰的端子主體32表面之間的空隙。隨后，導電膏硬化，確保端子和加熱元件之間的良好電接觸。萬一失去電接觸，還可以容易地施加新的導電膏涂層此外，對遠離主體32的腿部34的端部施加壓力，以使得卡爪36嵌入加熱元件22。
這樣的串聯電阻自調節加熱電纜適用于各種加熱設備或裝置。其特別適合用于已知的、具有預定長度的設備中。這樣容易改變加熱設備的尺寸。
本發明的發明人認識到，使用具有正溫度系數材料的串聯電阻自調節加熱電纜特別適合用于這樣的設備或裝置即希望有選擇地加熱該設備與外部物體相接觸的那部分，比如汽車座位加熱器或者摩托車手柄把手加熱器。這種材料的一個實例是含碳聚乙烯。
圖5是汽車座位加熱器配置的平面視圖，示出了串聯電阻自調節加熱電纜20在汽車座位加熱器40內的布局。
該加熱器40的全寬A大約為600mm，全長B大約為900mm。在與設置有用來連接電源的端子30的電纜末端相分開的位置處，該電纜20被布置成與加熱器的周邊保持至少一距離C。典型地，該距離C為100mm。該電纜設置在汽車座位加熱器的內部，因而大致平均地分布在汽車座位的內部。電纜之間的典型間距D大約為100mm。
這樣的布置將提供總長大約為3000mm的電纜。對于額定功率為3W/m的電纜，這通常會產生大約16歐姆的電路電阻；而對于7W/m的電纜，將會產生大約6.9歐姆的電路電阻。
在正常運行時，該電纜會發熱，從而溫暖汽車座位。如果使用者接觸覆蓋一部分電纜的座位表面，則因為使用者身體較暖而降低了電纜的散熱速度，所以這部分電纜的溫度上升。結果可以認識到，由于加熱元件包含具有正溫度系數的材料，因此導致被使用者接觸的座位區域的電阻率會增加。該電阻率的增加會降低電纜總體的熱量輸出，這是由于電纜的總電阻有所增加。但是對于那些電阻增加的區域而言，由于電纜的串聯特性，從這些區域散發出來的熱量將不會高于其他的、未被使用者身體接觸的較小電阻區域所散發出的熱量。因此，使用具有正溫度系數的串聯電阻電纜能夠使得加熱器的大部分熱量從被使用者接觸的區域散發出，同時該正溫度系數確保這一區域保持合理的溫度，不會燒傷使用者。
權利要求
1.一種串聯電阻加熱電纜，其包括沿電纜縱向延伸的加熱元件，該元件包含具有正溫度系數的材料。
2.如權利要求1所述的加熱電纜，其中所述電纜是自調節電纜。
3.如權利要求1或2所述的加熱電纜，其中所述材料是半導體。
4.如上述任一項權利要求所述的加熱電纜，其中所述材料包含聚合物。
5.如上述任一項權利要求所述的加熱電纜，其中所述材料包括含碳的高密度聚乙烯基體。
6.如上述任一項權利要求所述的加熱電纜，該電纜還包括至少一個位于電纜端部的導電端子，所述端子通過導電膏與加熱元件電接觸。
7.如權利要求6所述的加熱電纜，其中所述導電膏包含銀。
8.一種包括如上述權利要求中任一項所述的加熱電纜的加熱設備。
9.如權利要求8所述的加熱設備，其中所述設備是汽車座椅加熱器。
10.一種制造串聯電阻加熱電纜的方法，該方法包括提供沿電纜縱向延伸的加熱元件的步驟，所述加熱元件包含具有正溫度系數的材料。
11.一種制造加熱設備的方法，該方法包括提供串聯電阻加熱電纜的步驟，該電纜具有沿電纜縱向延伸的加熱元件，該加熱元件包含具有正溫度系數的材料。
12.一種加熱電纜，大致如參照附圖2至5所述的加熱電纜。
13.一種加熱設備，大致如參照附圖2至5所述的加熱設備。
14.一種制造加熱電纜的方法，大致如參照附圖2至5所述的制造加熱電纜的方法。
15.一種制造加熱設備的方法，大致如參照圖2至5所述的制造加熱設備的方法。
全文摘要
一種串聯電阻加熱電纜，其包括沿電纜縱向延伸的加熱元件。該加熱元件包含具有正溫度系數的材料。
文檔編號H05B3/56GK1853447SQ200480026910
公開日2006年10月25日 申請日期2004年9月10日 優先權日2003年9月19日
發明者賈森·丹尼爾·哈羅德·奧康納 申請人:熱安電纜系統有限公司