CN114342558A

CN114342558A - 具有可选的ptc效应的混合印刷加热器

Info

Publication number: CN114342558A
Application number: CN202080059314.2A
Authority: CN
Inventors: D·沙巴赫
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-04-12
Also published as: US11528780B2; DE112020003946T5; WO2021032640A1; LU101364B1; US20220272796A1

Abstract

一种制造特别用于汽车应用的电加热装置(10)的方法包括以下步骤：(42)：切割穿过适当厚度的高度导电材料的片状物(14)，以获得预定线图案(16)，预定线图案(16)包括至少一条导电线(18、20、22)，其中，导电桥构件(24、26)互连至少一条导电线(18、20、22)的部分，(46)：将可固化粘合剂材料(28)层沉积到电介质平面柔性载体(12)的表面上，(48)：将获得的线图案(16)放置到粘合剂材料(28)层上，(50)：除了桥构件(24、26)下方的粘合剂材料(28)之外，固化线图案(16)下方的粘合剂材料(28)，(52)：在通过相应的桥构件(24、26)互连的至少一条导电线(18、20、22)的部分之间的所有端部处，切割穿过每个桥构件(24、26)，以及(54)：去除切割的桥构件(24、26)。

Description

具有可选的PTC效应的混合印刷加热器

技术领域

本发明涉及电加热技术领域，特别用于汽车应用。更具体地，本发明涉及对诸如方向盘、扶手、车门等的车辆内部部分的电加热。

背景技术

采用一个或多个电加热构件的电加热装置在汽车行业被广泛用于提供乘客舒适性，例如，通过加热车厢的总体和/或乘客座椅和/或扶手和/或面板。具有柔性和/或可拉伸的加热器构件的电加热装置已知被用到车辆方向盘中，以在寒冷环境条件下在车辆引擎启动之后立即进行加热。

对于这样的电加热装置，被视为一项要求的是，在未投入运行的情况下，所述电加热装置应当对车辆使用者来说是不明显的。其他要求可以是运行期间的尽可能均匀的热密度(例如，在几度℃的范围内)，以便避免对车辆使用者来说可能变得明显的热点，并且还避免由于热应力的出现而引起的材料疲劳。对于这种应用的当前要求当然是小型化。

尽管具有优异的承载高电流密度的能力，但是这些组合的要求通常排除了使用常规的加热线，例如由铜制成的线。

为了满足上述要求，现有技术中已经提出了采用箔加热器构件的解决方案，即，加热器构件具有薄的柔性箔或膜的外观。

例如，国际申请WO2015/024909A1描述了一种用于加热板的箔加热器。该箔加热器包括分别形成在第一层和第二层中的第一螺旋电阻加热迹线和第二螺旋电阻加热迹线，它们符合平坦或弯曲表面。第一螺旋电阻加热迹线和第二螺旋电阻加热迹线可以通过导电油墨的(旋转)丝网印刷、凹版印刷、柔性版印刷或喷墨印刷，随后进行固化/烧结步骤来制造。第一电阻加热迹线和第二电阻加热迹线中的每一个具有中心和至少一个外端。电绝缘层布置在第一层与第二层之间。电绝缘层包括容纳电过孔的开口，第一电阻加热迹线和第二电阻加热迹线通过该电过孔彼此电接触。箔加热器与在较低温度下的操作兼容。由于其螺旋形状，加热迹线可以在整个加热表面之上密集地布线而基本上没有交叉。因此，可以实现明显更均匀的温度分布。

国际申请WO2013/050621A2已经采用了另一种方法，其描述了用于乘员感测和/或加热应用的导电织物，其中传感器和/或加热器可以从背面附着到表面，例如驾驶员座椅、乘客座椅、后座椅、方向盘、车厢的门侧、变速杆等。

柔性加热器和/或电极包括具有经向方向和纬向方向的编织织物材料。织物材料包括具有低电导率的至少一个区域和具有高电导率的至少两个区域。高电导率的至少两个区域与低电导率的至少一个区域相邻。高电导率的至少两个区域中的至少一个可操作地连接到加热器和/或电极的连接端子，其中连接端子用于将加热器和/或电极连接到电子控制电路。

通过导电油墨的(旋转)丝网印刷、凹版印刷、柔性版印刷或喷墨印刷制成的电阻加热迹线可以容易地集成到接近待加热的表面。具有正温度系数(PTC)的电阻油墨是期望的，因为这种材料固有地是自限性的，这种电阻油墨容易从市场上买到。然而，由于所需的片状物电阻仅能用具有高银负载的油墨实现，因此它们用于馈线受到限制。这对成本效率有很大影响，并且还导致在印刷导体路径的抗弯曲性方面的机械鲁棒性的显著降低，因为已知高度导电银油墨是机械易碎的。在安装期间可能由操作者施加的任何压缩、弯曲和/或伸长应力，或者例如在座椅加热装置的情况下由座椅乘员施加的任何压缩、弯曲和/或伸长应力，可能由于形成的裂纹或裂缝而使一个或多个电阻加热器元件的电阻增大，从而导致加热功率减小，直至可能最终导致电加热装置变得不可操作的程度。

发明内容

因此，期望提供一种特别用于汽车应用的改进的电加热装置。

在本发明的一个方面中，该目的通过一种制造特别用于汽车应用的电加热装置的方法来实现，该方法至少包括以下步骤：

提供适当厚度的高度导电材料的片状物，

切割穿过片状物，以获得预定线图案，预定线图案包括至少一条导电线，其中，导电桥构件互连至少一条导电线的部分，

提供电介质平面柔性载体，

将可固化粘合剂材料层沉积到柔性载体的表面上，

将获得的线图案放置到粘合剂材料层上，

除了桥构件下方的粘合剂材料之外，固化线图案下方的粘合剂材料，

在通过相应的桥构件互连的至少一条导电线的部分之间的所有端部处，切割穿过每个桥构件，以及

去除切割的桥构件。

本专利申请中使用的术语“汽车”应特别理解为适用于包括客车、卡车、半挂卡车和公共汽车的车辆。

所提出的方法可以实现特别用于汽车应用的电加热装置的简单并且成本有效的制造，其具有在形成预定线图案的一部分的电馈线中承载高电流密度的优异能力。该方法允许制造电加热装置，其中电加热构件基于串联电路，并且其中电馈线以及至少一个电加热构件由高度导电材料的片状物制成。在制造方法结束时被去除的桥构件提供了在切割穿过片状物的步骤之后获得的预定线图案的更好的处理特性，或者甚至使其处理成为可能。此外，该方法能够制造电加热装置，该电加热装置可以以低可见度和触感性集成到接近物体的外表面。

如果粘合剂材料是可光固化的，则固化粘合剂材料的步骤可以包括照射。如果粘合剂材料是可热固化的，则固化粘合剂材料的步骤可以包括：向线图案施加热源，用于将线图案加热到高于固化温度的温度，除了在桥构件下方的粘合剂材料之外。在后一种情况下，固化粘合剂材料的步骤还可以包括从桥构件散热或主动冷却桥构件。

高度导电材料可以选自但不限于铜、铜合金(例如，黄铜)、铝和导电织物。本申请中使用的短语“导电织物”应当特别包含具有附接到并且覆盖至少一个表面的至少主要部分的导电材料的连续层的织物。导电材料的连续层可以通过应用物理气相沉积(PVD)方法(例如蒸发或溅射)而附接到至少一个表面，或者可以通过电镀而电镀地附接。附接到例如织物表面的导电材料的连续层的电阻可以通过选择织物的类型、用于导电材料的材料以及所施加的导电材料的面积重量来调节。这种设计自由度可以允许覆盖例如方向盘加热器装置和大范围的其他汽车电加热装置应用(例如车辆扶手、车门或仪表板加热器等)的任何加热功率要求。

本发明的范围还包括，所提出的制造电加热装置的方法可以用于建筑技术领域或印刷电路板(PCB)制造技术领域，其优点在于省略了蚀刻工艺，这可以使PCB制造更加环保。

在优选实施例中，其中，预定线图案包括至少两条导电线，并且方法还包括以下后续步骤：将可固化电阻油墨沉积在多个预定位置，以与至少两条导电线电接触，以及固化附接的电阻油墨，以获得电阻线。

该方法的该实施例允许基于获得的电阻线的串联电路来制造具有多个电加热构件的电加热装置，并且其中，电馈线(feed line)由高度导电材料的片状物制成，从而表现出承载高电流密度的优异能力。

优选地，沉积可固化电阻油墨的步骤包括应用丝网印刷或者喷墨印刷工艺。这些高精度、成本有效的制造方法的应用可以促进低制造公差，特别是对于在垂直于平面柔性载体的表面的方向上的尺寸，这可以实现多个电加热构件的均匀加热和高可靠性。

在优选实施例中，该方法还包括以下后续步骤：沉积连续的电介质保护层作为顶层，顶层覆盖一条或多条导电线并且在适用情况下覆盖电阻线。这样，可以制造具有高可靠性和长寿命的电加热装置。

优选地，在所有端部处切割穿过每个桥构件的步骤包括：应用吻切工艺(kisscutprocess)或激光切割工艺。由此，可以以有效并且可靠的方式执行切割步骤。

在该方法的优选实施例中，切割穿过片状物以获得预定线图案的步骤包括：获得桥构件的子集，子集从外部方向互连至少一条导线的部分或者另一桥构件。这样，可以进一步提高在切割穿过片状物的步骤之后获得的预定线图案的处理特性。

在本发明的另一方面中，提供了一种特别用于汽车应用的电加热装置的前期阶段结构。电加热装置的前期阶段结构包括：电介质平面柔性载体，以及预定线图案。预定线图案包括至少一条导电线，以及多个导电桥构件，多个导电桥构件互连至少一条导电线的部分。只有至少一条或多条导电线通过粘合剂材料层固定附接至柔性载体的表面。

所提出的电加热装置可以具有在被设计为形成预定线图案的一部分的电馈线的导电线中承载高电流密度的优异能力。所提出的电加热装置的前期阶段结构可以通过切割穿过每个桥构件的两个端部并且去除切割的桥构件而容易地转变成可操作状态。

被设计为电馈线的导电线可以用于将至少一条导电线的端部与电源连接，所述至少一条导电线被设计为电阻线(在下文中也简称为电阻线)以用作加热构件。

优选地，预定线图案具有处于5μm与100μm之间的范围内的厚度。由此，可以实现在设计为电馈线的导电线中承载高电流密度的能力，这允许覆盖来自汽车应用的大部分要求。

在电加热装置的前期阶段结构的优选实施例中，预定线图案包括多条导电线以及通过多条导电线并联电连接的多条电阻线。由此，在设计为电馈线的导电线中承载高电流密度的优异能力可以有利地与由于多个电阻线而产生的均匀加热特性相结合。

优选地，一条或多条电阻线包括以下中的至少一者：碳黑、石墨、石墨烯、导电织物或者具有带有正温度系数的电阻率的材料。这样，可以确保一条或多条电阻线的有效加热功能。如果采用具有正温度系数电阻率的材料，则一条或多条电阻线可以被布设成自限制的。

在电加热装置的前期阶段结构的优选实施例中，柔性载体由箔形成，箔大部分由塑料材料制成，塑料材料选自由以下形成的塑料材料的组：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚醚醚酮(PEEK)、热塑性聚氨酯(TPU)以及这些塑料材料中的至少两者的组合。

本申请中使用的术语“大部分”应特别理解为体积等于或大于50％，更优选大于70％，并且最优选大于80％，并且应涵盖100％的一部分，即平面柔性载体箔分别完全由选定的一种或多种塑料材料制成。

这些塑料材料可以允许容易的制造，并且可以提供低制造公差的耐用的、成本有效的电绝缘片状物作为平面柔性载体箔的基础。

优选地，平面柔性载体是可拉伸的，并且预定线图案包括可拉伸的导电织物。本申请中使用的术语“可拉伸的”应当理解为使得平面柔性载体可以由操作者在安装期间或者由电加热装置的使用者(例如，车辆座椅乘员)拉伸机械卸载的延伸长度的1％与3％之间的量，优选地高达4％，并且最优选地高达5％。通过采用可拉伸的平面柔性载体箔，柔性电加热装置可以特别有利地用于具有大表面曲率的应用中，例如车辆方向盘。在这种应用中，至少一个电加热构件可以以高度适应于待加热物体的表面轮廓的方式安装(3D集成)，并且可以实现物体的良好热传递。导电织物材料在大的可变性中可用，并且关于机械特性和制造方法存在大量经验。因此，可以从大型池中选择适当的材料以满足现有的应用要求。

本发明的这些和其他方面将从以下描述的实施例中显而易见，并将参考以下描述的实施例进行阐述。

应当指出，在前面的描述中单独详述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合，并且示出本发明的另外的实施例。该描述特别结合附图来表征和详细说明本发明。

附图说明

从以下参照附图对非限制性实施例的详细描述中，本发明的进一步细节和优点将变得显而易见，其中：

图1以侧剖视图示出了根据本发明的制造电加热装置的方法的步骤，并且

图2以平面图示意性地示出了根据本发明的电加热装置的前期阶段结构的细节。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的制造电加热装置10、10’的方法的两种可能的实施例的步骤，所述电加热装置旨在用于汽车应用，例如，用于在寒冷环境条件下的启动之后立即对车辆方向盘自动加热。图2示意性地示出了电加热装置10的前期阶段结构的细节。

电加热装置10的前期阶段结构包括由箔形成的电介质平面柔性载体12，其可以大部分或完全由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。在其他实施例中，柔性载体12还可以是可拉伸的，并且可以例如由25μm聚酰亚胺箔制成。就40mm的宽度而言，可以通过施加大约90N的力将这样的聚酰亚胺箔拉伸5％的量。

电加热装置10的前期阶段结构还包括预定线图案16。预定线图案16包括用作电加热构件的导电线22以及被设计成电连接至该导电线22的端部的高度导电馈线18、20(在下文中还简称为馈线)的至少两条导电线。此外，电加热装置10的前期阶段结构包括多个导电桥构件24、26，导电线22的部分通过所述导电桥构件互连。多个桥构件24、26的子集26从外部方向(即，以类似于框架的方式)互连其他桥构件24的部分。

在图2中，两条高度导电馈线18、20被示为沿柔性载体12的较长侧边设置的波浪线。使布置在馈线18、20之间的导电线22延续，从而使每条馈线18、20连接至该导电线22的相邻部分，并且导电线22的部分交替连接，从而形成了流径(meander)(未示出)。导电线22具有比馈线18、20小得多的宽度(图2未按比例绘制)，以当电加热装置10被加电时主要在导电线22中产生加热效果。

在下文中，将参考图1和图2描述根据本发明的方法的两种可能实施例。在该方法的一个步骤40中，提供适当厚度的高度导电材料的片状物14。片状物14可以由铜片状物形成，并且其厚度可以处于5μm与100μm之间的范围内。在这一具体的实施例中，铜片状物厚度为40μm。

在该方法的另一步骤42中，切割穿过片状物14，以获得预定线图案16。例如，切割工艺可以通过采用模具(die)或者通过使用激光切割工艺来执行。在该方法的可以并行或者随后实行的步骤44中，提供由矩形形状的25μm聚酰亚胺箔形成的电介质平面柔性可拉伸载体12。在下一步骤46中，将可固化粘合剂材料28层沉积到柔性载体12的表面上。例如，该粘合剂材料28可以是通过涂覆或印刷工艺施加的，或者可以是通过分布作为粉末的粘合剂而施加的。

在另一步骤48中，将预定线图案16置于粘合剂材料28层上。多个桥构件24、26(图2)的存在将极大地促进步骤48，乃至使其成为可能。然后，在下一步骤50(图1)中，除了桥构件24、26下方的粘合剂材料28之外，使线图案16下方的粘合剂材料28固化。为此，除了桥构件24、26之外，线图案16可以被加热到粘合剂材料28的固化温度以上的温度，或者除了桥构件24、26之外，可以对线图案16下方的粘合剂材料28进行照射，具体取决于粘合剂材料28的类型。在这一完成了电加热装置10的前期阶段结构的步骤50之后，除了松散地位于粘合剂材料28上的桥构件24、26之外，线图案16被固定附接至柔性载体12。

可以在另外的两个步骤52、54中对前期阶段结构进行加工，以得到完成的电加热装置10。在步骤52之一中，在通过相应桥构件24、26互连的导电线22的部分和馈线18、20之间的所有端部处，切割穿过每个桥构件24、26。这一步骤52可以包括应用吻切工艺或者激光切割工艺。在另一步骤54中，去除切割的桥构件24、26。

原则上，在这一阶段完成了电加热装置10。为了更好地保护免受外部影响并且提高可靠性和寿命，可以实行附加的后续步骤56，即沉积连续的电介质保护层30作为覆盖导电线22和馈线18、20的顶层。作为用于保护层30的材料，例如，可以采用丙烯酸粘合剂、橡胶或聚氨酯，但是也可以使用对于本领域技术人员而言看来合适的其他材料。

在电加热装置10’的前期阶段结构的替代实施例中，在两条高度导电馈线18、20之间仅布置一条波浪导电线22而不是形成流径的六个部分，导电线22也用作馈线(返回线)，并且平行于柔性载体12的侧边延伸。

电加热装置10’的前期阶段结构的替代实施例还包括多条导电线，多条导电线被设计成导电加热器线，并且通过两条馈线18、20和返回线22并联连接。导电加热器线包括碳黑材料，这种材料具有带有正温度系数(PTC)的电阻率。

为了制造电加热装置10’的前期阶段结构的替代实施例，该方法还包括在去除切割的桥构件24、26的步骤54之后实行的步骤。

在这些步骤中的一个步骤58中，可固化电阻油墨32沉积在多个预定位置，以与至少两条导电线18、20、22电接触，即与两条馈线18、20之一和返回线22电接触。沉积可固化电阻油墨32的步骤58可以通过应用丝网印刷或者喷墨印刷工艺来执行。

这一步骤58之后是步骤60，即固化附接的电阻油墨32，以获得导电加热器线。可以实行附加的后续步骤56，即沉积连续的电介质保护层30，作为覆盖导电线18、20、22以及导电加热器线的顶层。

虽然在附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述将被认为是说明性的或示例性的而非限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。

本领域技术人员在实践要求保护的本发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和实现将公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个，这意味着表达至少两个的数量。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

附图标记列表

10 电加热装置

12 电介质平面柔性载体

14 高度导电材料片状物

16 预定线图案

18 高度导电馈线

20 高度导电馈线

22 导电线

24 导电桥构件

26 导电桥构件

28 粘合剂材料

30 电介质保护层

32 电阻油墨

方法步骤：

40 提供高度导电材料片状物

42 切割穿过片状物，以获得预定线图案

44 提供电介质平面柔性和可拉伸的载体

46 将粘合剂材料沉积到柔性载体表面上

48 将预定线图案放置在粘合剂材料层上

50 固化除了桥构件下方材料之外的粘合剂材料

52 切割穿过所有桥构件端部

54 去除切割的桥构件

56 沉积电介质保护层

58 沉积电阻油墨

60 固化电阻油墨

Claims

1.一种制造特别用于汽车应用的电加热装置(10)的方法，所述方法至少包括下述步骤：

(40)：提供适当厚度的高度导电材料的片状物(14)，

(42)：切割穿过所述片状物(14)，以获得预定线图案(16)，所述预定线图案(16)包括至少一条导电线(18、20、22)，其中，导电桥构件(24、26)互连所述至少一条导电线(18、20、22)的部分，

(44)：提供电介质平面柔性载体(12)，

(46)：将可固化粘合剂材料(28)层沉积到所述柔性载体(12)的表面上，

(48)：将获得的所述线图案(16)放置到所述粘合剂材料(28)层上，

(50)：除了所述桥构件(24、26)下方的所述粘合剂材料(28)之外，固化所述线图案(16)下方的所述粘合剂材料(28)，

(52)：在通过相应的所述桥构件(24、26)互连的所述至少一条导电线(18、20、22)的部分之间的所有端部处，切割穿过每个桥构件(24、26)，以及

(54)：去除切割的所述桥构件(24、26)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定线图案(16)包括至少两条导电线(18、20、22)，并且所述方法还包括以下后续步骤(58)：将可固化电阻油墨(32)沉积在多个预定位置，以与所述至少两条导电线(18、20、22)电接触，以及后续步骤(60)：固化附接的所述电阻油墨(32)，以获得电阻线。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，沉积可固化电阻油墨(32)的所述步骤(58)包括：应用丝网印刷或喷墨印刷工艺。

4.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，还包括以下后续步骤(56)：沉积连续的电介质保护层(30)作为顶层，所述顶层覆盖一条或多条所述导电线(18、20、22)并且在适用情况下覆盖所述电阻线。

5.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，在所有端部处切割穿过每个桥构件的所述步骤(52)包括：应用吻切工艺或激光切割工艺。

6.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，切割穿过所述片状物(14)以获得预定线图案(16)的所述步骤(42)包括：获得所述桥构件(26)的子集，所述子集从外部方向互连所述至少一条导线(18、20、22)的部分或者其他桥构件(24)。

7.一种特别用于汽车应用的电加热装置(10)的前期阶段结构，包括：

电介质平面柔性载体(12)，以及

预定线图案(16)，包括

至少一条导电线(18、20、22)，以及

多个导电桥构件，所述多个导电桥构件互连所述至少一条导电线(18、20、22)的部分，其中，只有所述至少一条导电线(18、20、22)通过粘合剂材料(28)层固定附接至所述柔性载体(12)的表面。

8.根据权利要求7所述的电加热装置(10)的前期阶段结构，其中，所述预定线图案(16)具有处于5μm与100μm之间的范围内的厚度。

9.根据权利要求7或8所述的电加热装置(10)的前期阶段结构，其中，所述预定线图案(16)包括多条导电线(18、20、22)以及通过所述多条导电线(18、20、22)并联电连接的多条电阻线。

10.根据权利要求7到9中的任何一项所述的电加热装置(10)的前期阶段结构，其中，一条或多条所述电阻线包括以下中的至少一者：碳黑、石墨、石墨烯、导电织物或者具有带有正温度系数的电阻率的材料。

11.根据权利要求7到10中的任何一项所述的电加热装置(10)的前期阶段结构，其中，所述柔性载体(12)由箔形成，所述箔大部分由塑料材料制成，所述塑料材料选自由以下形成的塑料材料的组：聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI、聚醚酰亚胺PEI、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、聚甲醛POM、聚酰胺PA、聚邻苯二甲酰胺PPA、聚醚醚酮PEEK、热塑性聚氨酯TPU以及这些塑料材料中的至少两者的组合。

12.根据权利要求7到11中的任何一项所述的电加热装置(10)的前期阶段结构，其中，所述柔性载体(12)是可拉伸的，并且所述预定线图案(16)包括可拉伸导电织物。