具有目标降低温度电阻特性的加热元件制造技术

提供一种加热器，其包括至少一个电阻加热元件，该电阻加热元件具有非单调电阻率对温度分布的材料，并且在沿着该分布的预定操作温度范围内呈现负dR/dT特性。加热器可包括设置在流体路径中的多个回路以加热流体流动。

Heating Element with Target Reduction Temperature Resistance Characteristic

Provided is a heater comprising at least one resistance heating element, which has a material of non-monotonic resistivity to temperature distribution and exhibits negative dR/dT characteristics within a predetermined operating temperature range along the distribution. The heater may include a plurality of loops arranged in the fluid path to heat the fluid flow.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有目标降低温度电阻特性的加热元件
本专利技术涉及用于流体流动应用的加热和传感系统，例如车辆排气系统，例如柴油机废气和后处理系统。
技术介绍
本节中的陈述仅提供与本专利技术相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。物理传感器在诸如发动机的排气系统的瞬态流体流动应用中的使用由于诸如振动和热循环的恶劣环境条件而具有挑战性。一种已知的温度传感器包括位于热电偶套管内的矿物绝缘传感器，然后将其焊接到支撑托架上，该支撑托架保持管状元件。遗憾的是，这种设计需要很长时间才能达到稳定性，高振动环境会导致物理传感器损坏。在许多应用中，物理传感器还呈现实际电阻元件温度的一些不确定性，因此，在加热器功率的设计中经常应用大的安全裕度。因此，与物理传感器一起使用的加热器通常提供较低的功率密度，这允许较低的损坏加热器的风险，代价是更大的加热器尺寸和成本(相同的加热器功率分布在更多的电阻元件表面区域上)。此外，已知技术使用来自热控制回路中的外部传感器的开/关控制或PID控制。外部传感器的导线和传感器输出之间的热阻具有固有的延迟。任何外部传感器都会增加组件故障模式的可能性，并将任何机械安装的限制设置为整个系统。用于流体流动系统中的加热器的一种应用是车辆排气装置，其耦合到内燃发动机以帮助减少各种气体和其他污染物排放到大气中的不期望的释放。这些排气系统通常包括各种后处理装置，例如柴油微粒过滤器(DPF)，催化转化器，选择性催化还原(SCR)，柴油氧化催化剂(DOC)，贫NOx捕集器(LNT)，氨泄漏催化剂，或改革者等。DPF，催化转化器和SCR捕获废气中包含的一氧化碳(CO)，氮氧化物(NOx)，颗粒物质(PMs)和未燃烧的碳氢化合物(HCs)。加热器可以周期性地或在预定时间被激活，以增加排气温度并激活催化剂和/或燃烧已经在排气系统中捕获的颗粒物质或未燃烧的碳氢化合物。加热器通常安装在排气管或诸如排气系统的容器的部件中。加热器可以包括排气管内的多个加热元件，并且通常被控制到相同的目标温度以提供相同的热输出。然而，温度梯度通常由于不同的操作条件而发生，例如来自相邻加热元件的不同热辐射，以及流过加热元件的不同温度的废气。例如，下游加热元件通常具有比上游元件更高的温度，因为下游加热元件暴露于已经被上游加热元件加热的具有更高温度的流体。此外，中间加热元件从相邻的上游和下游加热元件接收更多的热辐射。加热器的寿命取决于加热元件的寿命，该加热元件处于最恶劣的加热条件下并且首先会失效。在不知道哪个加热元件首先会失效的情况下很难预测加热器的寿命。为了提高所有加热元件的可靠性，加热器通常设计成以安全系数操作以避免任何加热元件的故障。因此，通常操作处于较不苛刻的加热条件下的加热元件以产生远低于其最大可用热输出的热输出。
技术实现思路
本专利技术提供了一种加热器，其包括至少一个电阻加热元件，该电阻加热元件包括具有非单调电阻率对温度分布的材料，并且在预定的工作温度范围内呈现负的dR/dT特性。本专利技术还提供了一种用于加热流体的加热器系统。加热器系统包括在流体的流动路径内一系列布置的多个回路。所述多个电路中的至少一个电路包括电阻加热元件，所述电阻加热元件包括具有非单调电阻率对温度分布的材料，并且在预定的工作温度范围内呈现负的dR/dT特性。本专利技术还进一步提供了一种操作加热器系统的方法，该加热器系统包括电阻加热元件，该电阻加热元件包括具有非单调电阻率对温度分布的材料。该方法包括：将电阻加热元件加热到限制温度范围内，其中电阻加热元件呈现负dR/dT特性；在工作温度区域内操作电阻加热元件，该工作温度区域至少部分地与限制温度范围重叠；并且确定电阻加热元件的温度，使得电阻加热元件用作加热器和温度传感器。根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本专利技术的范围。附图说明为了可以很好地理解本专利技术，现在将通过示例的方式参考附图描述其各种形式，其中：图1是根据本专利技术的具有设置在其中的多个加热电路的导管的示意图；图2是根据本专利技术的加热流体流动的方法的示意性流程图；图3是根据在本专利技术的开发中得到的实验数据的局部dR/dT最大值和局部dR/dT最小值和电阻-温度(R-T)特性的图表；图4是根据在本专利技术的开发中得到的实验数据示出局部最大值和R-T特性的另一图表；图5是根据在本专利技术的开发中得到的实验数据示出局部dR/dT最大值和局部dR/dT最小值和R-T特性的另一图表；图6是表示根据本专利技术的校准对加热器的R-T特性的影响的曲线图；图7是示出了区域的图表，包括根据本专利技术的教导使用的NiCr材料的负dR/dT区域；图8A是示出根据本专利技术进行的测试的NiCr材料在多个加热循环中的dR/dT特性的曲线图；和图8B是示出根据本专利技术进行的测试所做的调整以校准NiCr材料在多个加热循环中偏移的曲线图。具体实施方式以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开，应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。本专利技术提供了一种或多种电加热器电路，其具有降低的电阻-温度特性。结果，加热电路表面上的功率分布适应环境或物理扰动，从而减小了与目标温度分布的偏差。另外，减少了“热点”的强度，从而提高了加热器的寿命/可靠性。参照图1，在本专利技术的一种形式中，示出了示意性流体流动系统10。流体流动系统10包括具有至少一个电阻加热元件14的加热器11。加热器11设置在流体流动通道13内并适于加热流体流动。在该示例中，加热器11包括多个电阻加热元件14,16和18。至少一个电阻加热元件14包括具有非单调电阻率对温度分布的材料并且超过预定的工作温度范围表现出负的dR/dT特性。如本文所用，术语“非单调的”旨在反映材料在不同时间间隔内增加和减少的时间段内电阻率的行为，如本文的各种图所示。在一种形式中，负dR/dT特性可以在低于530℃或高于850℃的温度下使用，并且负dR/dT特性可以在预定的操作条件下发生，其中电阻率的局部最大值变化相对于温度比电阻率的局部最小值变化高至少2.3％。在另一种形式中，该材料包括复合陶瓷和金属材料，其在预定的工作温度范围内具有负的dR/dT特性。所述至少一个电阻加热元件还可包括延性线，箔，条带及其组合中的至少一种，并且其中所述材料包括在预定范围内的大于-175ppm/℃的瞬时负热阻系数。在另一种形式中，加热器11的电阻加热元件14可以布置在如图1所示的电路中。该电路可以在操作期间限定电路上的预期温度分布，并且至少一个负dR/dT特性电阻加热元件位于电路中与预期温度分布相比预测更高温度的位置。该电路可以包含正dR/dT特性电阻加热元件(例如，电阻加热元件16和/或18)，其位于与平均温度分布相比较较低温度的位置。此外，该电路可以包括多个电阻加热元件，其包括具有负dR/dT特性或正dR/dT特性的材料，其中根据预定位置分别对应于预测的较高温度位置和较低温度位置，将负dR/dT电阻加热元件和正dR/dT电阻加热元件布置在电路中。在另一种形式中，包括具有负dR/dT特性的材料的至少一个电阻加热元件位于电路中，与温度分布的平均值相比具有更高的功率密度。在另一种形式中，负dT/dT材料通过分层工艺施加，例如薄膜，厚膜，等离子喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种加热器，包括：至少一个电阻加热元件包括具有非单调电阻率对温度分布的材料，并且沿着该分布在预定的工作温度范围内表现出负的dR/dT特性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.02 US 62/302,4821.一种加热器，包括：至少一个电阻加热元件包括具有非单调电阻率对温度分布的材料，并且沿着该分布在预定的工作温度范围内表现出负的dR/dT特性。2.根据权利要求1所述的加热器，其中所述材料包括复合陶瓷和金属材料，所述复合陶瓷和金属材料在预定操作温度范围内具有负dR/dT特性。3.根据权利要求1所述的加热器，其中所述至少一个电阻加热元件包括延性线，箔，带及其组合中的至少一种，并且其中所述材料超过预定范围包括瞬时负热阻系数大于-175ppm/℃。4.根据权利要求1所述的加热器，其中所述负dR/dT特性在低于530℃的温度下使用。5.根据权利要求1所述的加热器，其中所述负dR/dT特性在高于850℃的温度下使用。6.根据权利要求1所述的加热器，其中负dR/dT特性发生在预定的操作条件下，其中电阻率相对于温度的局部最大值变化比局部最小值高至少2.3％。7.根据权利要求1所述的加热器，其中所述至少一个电阻加热元件布置在电路中。8.根据权利要求7所述的加热器，其中所述电路在操作期间限定所述电路上的预期温度分布。9.根据权利要求7所述的加热器，其中包括具有负dR/dT特性的材料的所述至少一个电阻加热元件位于所述电路中，与预期的温度曲线相比所述电路中预测至少一个较高温度且发生较高功率密度。10.根据权利要求7所述的加热器，其中所述负dR/dT材料通过选自厚膜，薄膜，等离子喷涂和溶胶凝胶组成的组的分层工艺施加。11.根据权利要求7所述的加热器，其中所述电路还包括至少第二电阻加热元件，所述第二电阻加热元件包括具有正dR/dT特性的材料，所述材料位于所述电路中，与平均温度曲线相比所述电路中具有较低温度和较低功率密度的至少一个发生。12.根据权利要求11所述的加热器，其中所述电路包括具有负dR/dT特性的材料的多个电阻加热元件和具有正dR/dT特性的材料的多个电阻加热元件，其中所述负dR/dT电阻加热元件和正dR/dT电阻加热元件根据对应于较高功率密度位置，较低功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：马卡·D·埃弗利，杰里米·奥泽，帕特里克·马尔加维奥，张三宏，
申请(专利权)人：沃特洛电气制造公司，
类型：发明
国别省市：美国,US