含有防护涂层的加热器组件及其应用方法.pdf

本申请提供了具有防护涂层的加热器组件和其他电气元件，其允许使用在高温、高腐蚀性环境中。还提供了施加防护涂层的方法。在一个实施例中，提供了一种元件并且包括将其密封至少一部分的防护涂层。所述元件可以是，例如，包括加热元件的加热组件，以及可操作地连接到所述加热部件的至少一种引线，或一种设置在被配置为可释放废气流的选择性催化还原系统的配料箱中的元件。本申请还提供了涂覆元件的方法。

权利要求书
1.  一种加热器组件，包括：加热元件；可操作地连接到所述加热元件的引线以及密封所述加热器组件的至少一部分的防护涂层，其中所述防护涂层包括无炭黑的含氟弹性体聚合物。

2.  如权利要求1所述的加热器组件，其中所述含氟弹性体聚合物包括含有至少一种共聚单体以及偏氟乙烯和/或四氟乙烯的反应混合物的聚合产物。

3.  如权利要求2所述的加热器组件，其中所述至少一种共聚单体包含丙烯。

4.  如权利要求3所述的加热器组件，其中所述丙烯为六氟丙烯。

5.  如权利要求1所述的加热器组件，其中所述加热元件包括挤压型铝散热器。

6.  如权利要求1所述的加热器组件，还包括设置在所述加热元件的至少一部分上的聚合物外壳层。

7.  如权利要求6所述的加热器组件，其中所述防护涂层设置在所述聚合物外壳层的顶部。

8.  如权利要求6所述的加热器组件，其中所述聚合物外壳层由脂肪族聚酰胺和高密度聚乙烯中的至少一种形成。

9.  一种选择性催化还原系统，包括：有至少一个缸室的发动机，所述发动机配置成释放含有氮氧化物的废气流；流体连接到废气流的配料箱，并配置成含有用于还原所述废气流中氮氧化物的还原剂流体；设置于所述配料箱内的元件；以及密封所述元件的至少一部分的防护涂层，其中所述防护涂层包括无碳黑含氟弹性体聚合物。

10.  如权利要求9所述的选择性催化还原系统，其中所述元件包括被配置为以提高所述配料箱中所述还原剂流体温度的加热部件。

11.  如权利要求9所述的选择性催化还原系统，其中所述元件包括传感器组件。

12.  如权利要求11所述的选择性催化还原系统，其中所述传感器组件包括热敏电阻以及从所述热敏电阻延伸出的第一和第二导电引线。

13.  如权利要求9所述的选择性催化还原系统，其中所述含氟弹性体聚合物包括含有至少一种共聚单体以及偏氟乙烯和/或四氟乙烯的反应混合物的聚合产物。

14.  如权利要求13所述的选择性催化还原系统，其中所述至少一种共聚单体含有丙烯。

15.  如权利要求14所述的选择性催化还原系统，其中所述丙烯为六氟丙烯。

16.  一种涂覆加热器组件的方法，包括：将含氟弹性体聚合物悬浮在有机载体溶剂中；调整有机载体溶剂的粘度；冷却所述悬浮的含氟弹性体聚合物至低于环境温度的温度；将所述加热器组件浸入所述被冷却的含氟弹性体聚合物；从所述含氟弹性体聚合物中取出所述加热器组件；取出所述加热器组件后，允许至少一些所述有机载体溶剂蒸发，从而产生一个含氟弹性体聚合物的共形层；并且固化所述保形层以制备被 涂覆的加热器组件。

17.  如权利要求16所述的方法，还包括重复地浸入所述加热器组件以及取出所述加热器组件的步骤并且允许至少部分所述有机载体溶剂蒸发以形成多个共形层。

18.  如权利要求16所述的方法，其中允许至少一些所述有机载体溶剂蒸发包括在室温下干燥至少约2分钟。

19.  如权利要求16所述的方法，其中固化包括加热所述加热器组件到至少100℃并保持30分钟。

20.  如权利要求16所述的方法，其中固化包括加热所述加热器组件到选定的特定温度并保持特定时间，以去除所述有机载体溶剂并交联所述含氟弹性体聚合物。

说明书含有防护涂层的加热器组件及其应用方法
技术领域
本文公开的主题涉及到电气元件，如用于高温和高腐蚀性环境的，含有防护涂层的加热器组件和传感器，包括选择性催化还原系统。
背景技术
由于环保法规越来越严格，新技术正被许可应用于内燃机。例如，在汽车行业中，选择性催化还原(SCR)系统和废气再循环(EGR)系统已被开发，以限制氮氧化物(NOx)和颗粒物的排放。
例如，SCR系统通常通过将精确计量体积的还原剂，如尿素溶液，注入发动机下游的热废气中来进行操作，其中尿素溶液分解成氨并在催化剂转化器的存在下，与废气反应以将NOx转化成氮气和水。尿素溶液可以包含被称为车用尿素液的含32.5％尿素的脱盐水。这种尿素溶液通常会在大约–11℃结冰，因此需要对流体的温度进行监测并通过设置在含有尿素溶液的箱中的各种电气元件来控制。然而，尿素溶液对传统的电气元件是具有腐蚀性的，如传感器，包括热敏电阻器以及加热组件。
EGR系统可以将至少一部分废气循环返回到发动机的燃烧室中。当EGR系统降低某些特定污染物的排放，包括NOx时，由于废气在发动机内循环，发动机部件长时间地暴露在这些高浓度的气体中。这导致EGR系统内的酸度升高，包含硝酸和硫酸。高温和强腐蚀环境会对发动机部件和传感器的功能产生负面影响，包括热敏电阻器，加热器，电线框架，以及被布置在EGR系统的各种其它系统部件。
因此，仍然有改进用于高温和高腐蚀性环境的含有防护涂层和密封体的电气元件的需要。
发明内容
本申请提供了允许使用在高温、高腐蚀性环境中的含有防护涂层的加热器组件和其他电气元件。还提供了施加防护涂层的方法。
在一个实施例中，提供了一个加热器组件并且包含加热元件，可以被操作地连接到该加热元件的至少一个引线，以及封装加热元件至少一部分的防护涂层。该涂覆可采用各种技术，如通过将该加热器组件或其部分浸入冷却的聚合物中，然后取回该传感器组件。该加热器组件可以应用在各种领域，如SCR系统。优选地，防护涂层能保护该加热器组件或元件，而避免导电。在一个示例性实施例中，防护涂层可以是无炭黑的含氟弹性体聚合物。
在另一实施例中，提供了一种选择性催化还原系统，以及包括含有至少一个气缸的发动机。该发动机可以配置为发出氮氧化物废气流。此外，该系统可以包括流体连接到排气流的配料箱，并被配置为含有用于还原废气流中氮氧化物的还原剂流体，以及设置在该配料箱内的元件。防护涂层，如无炭黑含氟弹性体聚合物，可以封装该元件的至少一部分。而元件的配置可以不同，该元件可以是，例如，配置为提高该计量箱中还原剂流体温度的加热元件或一个传感器组件，如具有由此延伸的含有第一和第二导电引线的热敏电阻。
本申请还提供了用于涂覆加热器组件的方法，并且在一个实施例中，该方法可包括在有机溶剂中悬浮含氟弹性体聚合物，调节有机载体溶剂的粘度，将悬浮含氟弹性体聚合物冷却至环境温度以下的温度，将加热器组件浸入该含氟弹性体聚合物，将该加热器组件从该含氟弹性体聚合物中取出，允许至少一些有机载体溶剂的挥发，从而制备含氟弹性体聚合物的共形层，并固化该共形层来制备被涂覆的加热器组件。
附图说明
通过附图和下述详细描述的结合，这些和其他特征将更容易理解，其中：
图1是一个实施例中具有防护涂层的加热器组件的侧视图；
图2是一个实施例中涂覆加热器组件方法的流程图；
图3是一个实施例中使用被涂覆元件的SCR系统的示意图；以及
图4是一个实施例中含有防护涂层的传感器组件的示意图。
需要指出的是，附图不一定是按比例绘制的。附图仅仅意在描述本文所公开的主题的典型部分，因此不应视为限制本公开的范围。附图中，相同的编号代表附图之间相同的元件。
具体实施方式
现描述某些示范性实施例以对结构原理、性能、制造以及设备的使用、系统和本文所公开的方法提供全面理解。
电气元件，如传感器，加热器，引线框架，以及其他各种元件，通常设置在要求保护的直接环境的恶劣环境中。例如，汽车减排系统的加热器组件和其他元件，如选择性催化还原(SCR)系统和排气再循环(EGR)系统，都暴露在高温或腐蚀性的环境中。因此电气元件的加热器组件以及其它电气元件均提供有防护涂层，其可在高温和/或高腐蚀性环境中提供保护。图1展示了加热器组件100的一个实施例，其通常包括一个用于调节的加热元件102，例如，提高和/或降低，周围流体的温度。例如，如下文将要描述的，加热器组件可以被配置成加热SCR系统中的尿素溶液。加热器组件100可以包括至少一个引线104，其可操作地连接到具有电连接器112的加热元件102，以为加热元件102提供电流。图1展示了连接到第一和第二连接器的第一和第二引线。 该加热器组件100一般还包括稳定部件114，其被配置为在所需的位置安装加热器组件100，例如在箱体中。此外，加热器组件100包括一个保护层106，其可以封装加热器组件100的至少一部分，包括所有或加热元件102的至少一部分。在一些实施例中，加热器组件100包括聚合物外壳层(未示出)，其设置于该加热元件102的至少一部分并在防护涂层的底部或顶部。
加热元件102可有多种配置并被配置为可调节周边地区的温度，即该加热元件102被配置为可以提高或降低箱体中液体的温度。例如，如图3所示，该加热元件可以包括一个散热器，其被配置为通过电阻的焦耳加热产生热量。该散热片可被配置为散发热量。该加热元件102可由任何已知的加热元件材料。例如，加热元件102可由一个或更多的金属，如铝，镍，铬，镍，钛，铜镍合金，二硅化钼，或任何其他已知的合金。此外，加热元件可由任何已知的聚合物，如导电聚合物，和/或陶瓷如正温度系数陶瓷。更特别的是，加热元件102可由本领域已知的任何加热元件材料构成。例如铝，镍，铬，镍，钛，铜镍合金，二硅化钼，或任何其他已知的合金。此外，该加热元件可由任何已知的聚合物构成，如导电聚合物，和/或陶瓷，如正温度系数陶瓷。更特别的是，该加热元件102可由挤压型铝散热片形成。
如前文所述，加热器组件100可以包括至少一个引线104。在一些实施例中，该加热器组件100可以包括任何数量的引线，如1，2，3，4，或5个引线。更特别地，加热器组件100可以包括两个引线104。至少一个引线104可以包括近端108和远端110。在一个实施例中，至少一个引线104的近端108可以被电耦合或可操作地耦合到控制单元(未示出)，其被配置为可以产生电流。该远端110可以可操作地耦合到加热元件102，从而将加热元件与控制单元电连通(未示出)。例如，控制单元可以包括热敏电阻，其可操作地耦合到该加热器组件，以便当热敏电阻感应的温度低于或高于某一预定温度(比如尿素溶液的冰点，例如，–11℃)，加热器组件100因此被激活和/或停用。在一些实施例中，所述至少一个引线104可以配置为给加热元件102传送导热流体。
所述至少一个引线104可由任何已知的引线材料构成，并且可以是挤压的或编织的线，丝带，管，和/或任何其他已知的引线形式。例如，该引线可由金属构成，如铝，铜，铅，锌，铜，钢，或任何其他已知的合金，聚合物，和/或陶瓷。
如前文所述，加热器组件100可选择地包括聚合物外壳层(未示出)。聚合物外壳层可以被配置来密封该加热元件102的至少一部分，连接器112，稳定部件114，和/或至少一个引线104。在一些实施例中，该聚合物外壳层形成于该加热元件102的表面的至少一部分并且与其直接接触。在其它实施例中，该聚合物外壳层可以设置在防护涂层的顶部。聚合物外壳层可由任何已知的外壳材料构成，如聚合物和陶瓷，包括酚醛树脂，尼龙(如尼龙66)，环氧树脂，硅，聚酰亚胺，聚氯乙烯，聚乙烯(如高密度聚乙烯)，陶瓷，水泥，漆，聚氨酯，收缩套管，玻璃封装，以及它们的任意组合。 例如，聚合物外壳可以包括脂肪族聚酰胺和高密度聚乙烯中的至少一种。聚合物外壳层可以用任何已知的方法形成并沉积，包括本文所描述的沉积防护涂层的方法。
如图1所示，该防护涂层106封装所述加热元件102的至少一部分。在一些实施例中，该防护涂层106可以封装加热元件102以及连接器112的一部分，稳定部件114，和/或至少一种引线104。在一些示例性实施例中，防护层封装整个加热元件102和连接器112，终止连接到引线104的远端110并仅仅密封连接器112的近端。如将在下面详细讨论的，这样的结构可以使整个组件淹没在腐蚀性流体中。防护涂层106可以设置在聚合物外壳层的顶部，或者可以在加热元件102上直接形成。正如下面将要讨论的，该防护涂层106可以以各种方式形成，例如通过浸涂法。其他沉积防护涂层106的方法也可使用，包括但不局限于，注射成型法，喷铸，化学气相沉积，以及本领域中已知的沉积聚合物层的任何其他方法。
在一个示例性实施例中，防护涂层106由含氟弹性体聚合物制成。含氟弹性体聚合物(FKM)是一类表现出优异抗腐蚀性能的聚合物。含氟弹性体聚合物通常通过注射成型制备O形圈，垫片，以及用于汽车，航空和/或工业用机器的密封件。因为很多含氟弹性体聚合物含有导电的添加剂，以便于成型工艺，传统的含氟弹性体聚合物并不要求与电气设备一起使用，包括加热组件。
选择用于防护涂层106的含氟弹性体聚合物，以提供可接受的化学耐久性，从而抵抗汽车燃料系统的腐蚀环境，包括在不含有导电添加剂的高温腐蚀环境下，对抗耐挥发性有机燃料，尿素，硝酸，硫酸和生物柴油燃烧制品。该含氟弹性体聚合物设计成在约50kV每毫米或更高的介电强度下涂覆时，具有电绝缘性能。在一些实施例中，电阻值在500伏特时大于100兆欧。该含氟弹性体聚合物还应该具有足够的硬度，以保证电气元件组件100免受物理损坏，例如，邵氏强度达到60或更高。也需要足够的柔韧性以允许电气元件组件100弯曲。该含氟弹性体聚合物还需选择为表现出可接受的耐水性(例如在功率为6.81千欧串联电阻器的5V电压下，85℃水中浸泡1000小时后，电气元件组件100的电阻变化极小)以及机械性能(例如，能在-40℃到155℃之间，承受热冲击超过3000次)。该含氟弹性聚合物还应该能够在不对性能产生负面影响的情况下，在约200℃的固化温度下幸存。这些性能的一种或多种存在于汽车燃料系统的苛刻环境中，EGR系统中，和/或SCR系统中，其包括高温下高浓度的酸。为了允许对电气元件组件100进行适当的涂覆，该含氟弹性体聚合物能通过沉积和/或浸涂法被应用。
该含氟弹性体聚合物可以从反应混合物中的聚合产物中得到，该混合物包括含有一种或多种共聚单体的含氟或全氟单体。合适单体的例子包括偏二氟乙烯和四氟乙烯。合适单体的例子包括氟化丙烯，如六氟丙烯。其他适合单体的例子包括四氟乙烯和全氟甲基乙烯基醚。所得含氟弹性体聚合物典型的含有重量60％或更多的氟并且是饱和的。一种合适的含氟弹性体聚合物以商品名被杜邦出售。必须小心选择含氟 弹性体聚合物的配方，其中导电性的加工助剂，例如炭黑，被去除(例如，无碳黑)。
图2是描绘对元件涂覆防护涂层的典型方法200的流程图。应当指出的是，尽管方法200是特别地针对图1中加热组件100进行的描述，其可以应用到任何所需的元件。在步骤202中，含氟弹性体聚合物悬浮在有机载体溶剂。在一个实施例中，选择高挥发性有机载体溶剂以在涂覆之后，快速蒸发。合适有机载体溶剂的例子包括低分子量的酮，如甲乙酮，丙酮等。在阅读本说明书之后，其他合适的有机载体溶剂对于本领域技术人员是显而易见的。基于所需要的粘度，使用足够量的有机载体溶剂用来进行调整，例如，30％至50％重量的液体。在一个实施例中，该含氟弹性体聚合物配方包括固体。通常，固体选择为化学惰性的。合适固体的例子包括金属氧化物，如二氧化钛和二氧化硅。
在步骤204中，对悬浮的含氟弹性体聚合物的粘度进行调整。在一个实施例中，所述粘度是通过加入足够数量的有机载体溶剂以调节成所需的粘度。例如，将该粘度调节到1000厘泊和5000厘泊之间的值。在一些实施例中，粘度是通过允许所述有机载体溶剂的蒸发进行调节。
在步骤206中，液体被冷却到低于环境温度的温度，以减少所述有机载体溶剂的蒸发速率。该液体可以被冷却到的比环境温度低大约10℃。在一个示例性实施例中，环境温度为约25℃，而该液体可以被冷却到约15℃。
在步骤208中，加热器组件浸没在冷却的含氟弹性体聚合物悬浮液中。该加热器组件被浸泡，以使加热元件的至少一部分被浸入。在一些实施例中，加热器组件可以被浸泡，以使整个加热元件被涂覆和/或使至少一个引线，连接器，稳定部件，或其一部分被浸泡。此外，在一些实施例中，该加热器组件，可以如此处所描述的，首先被涂覆上一层聚合物外壳。
在步骤210中，加热器组件被从冷却的含氟弹性体聚合物中取出。实施步骤210的速率控制所得到的层的厚度。当需要厚层时，加热器组件相对迅速地被撤回。冷却后的有机载体溶剂接触比较温暖的环境并迅速蒸发，以沉积一层比较厚的含氟弹性体聚合物。当需要薄层时，加热器组件被相对缓慢地取出。在接触比较温暖的环境之前，给予冷却后的有机载体溶剂时间以从含氟弹性体聚合物中流出。通过调整该加热器组件取出的速度，得到一个具有预定厚度层。在一些实施例中，多个层沉积，一层叠着一层，并提供一个预定厚度的共形层。
在步骤212中，允许有机载体溶剂中的至少一部分蒸发，以形成新沉积的含氟弹性体聚合物的半固体共形层。在一个实施例中，步骤212还包括一个环境干燥步骤，持续至少两分钟。例如，新沉积的含氟弹性体聚合物可暴露于周围环境中大约两分钟，以允许有机载体溶剂蒸发。由于周围环境相对于所述有机载体溶剂的温度是温暖的，蒸发变得容易。
在步骤214中，对含氟弹性体聚合物的附加层是否应该被沉积做出了论断。例如，又一层可以沉积在先前沉积的层的顶部，或者可选地，可以在电引线框架102的对面形成一个层。也就是说，通过将该电引线框架102的一部分有效地夹在含氟弹性体聚合物的两个层之间可以形成密封垫片，其在夹持引线框架的层之间形成密封。如果需要另一个层，所述方法200返回到步骤208和/或210并且该含氟弹性体聚合物被再次沉积。根据需要，可在先前沉积的层上沉积一个含氟弹性聚合物的附加层或在电引线框架102的相对侧面上沉积一个含氟弹性体聚合物层。如果不希望另一个层，步骤216可以被执行，其中一部分涂覆的引线框架浸入着色剂和/或有色素沉积其上，以为彩色编码提供预定颜色的涂覆。多种可兼容染料在本领域是公知的。在一个实施例中，提供了两层的含氟弹性体聚合物。在另一实施例中，提供了三层的含氟弹性体聚合物。有利地，共形层采用浸涂技术实施，所得涂层的厚度容易控制。使用这种技术的涂层厚度(即，浸入深度)可以达到30毫米或更大。
在步骤218中，含氟弹性体聚合物的层被固化以封装电气引线框架102。在一个实施例中，该固化步骤包括在预定的时间内，加热被涂覆的电引线框架102到预定的温度，其被选择用于除去有机载体溶剂并交联(硫化)含氟弹性体聚合物。例如，被涂覆的电引线框架102可以加热到温度约100℃并持续三十分钟。该被涂覆的电引线框架102也可以经过逐步加热过程，这可以去除任何残留的有机载体溶剂并固化含氟弹性体聚合物的层，以使电引线框架密封在该含氟弹性体聚合物内。示例性的逐步加热过程是加热固化已涂覆的电引线框架102到温度约90℃并保持预定的一段时间。此后，升温到约160℃并保持预定的一段时间。两个额外的逐步加热过程在180℃和200℃温度下，以相似的方法进行的。
使用所描述的方法涂覆的组件，如传感器或加热器组件，使用在腐蚀性环境中是理想的。例如，依照所述方法涂覆的热敏电阻浸泡在85℃的水中，工作2000小时后，仅仅表现出小于3％的电阻变化。将温度升高到170℃，持续1000小时后，依照所述方法涂覆的热敏电阻同样仅仅表现出少于0.4％的电阻变化。相比之下，在面对相同的条件时，传统的热敏电阻在电阻和机械降解上，表现出明显较大变化。按照本文所述方法涂覆的加热组件防止腐蚀性物质渗透到加热元件和散热片的表面，如水分和氨。在这方面，涂层用以防止腐蚀。
在使用中，电气元件，如传感器，泵，和加热器组件100，可以用于汽车排气系统，如SCR和EGR。图3展示了一个实施例中的SCR系统300。该SCR系统300包括含有至少一个汽缸的发动机302。该发动机可以配置成释放含氮氧化物的废气流304。该废气流可以与配料箱306流体连接，其被配制成含有用以还原废气流304中氮氧化物的还原剂流体308。在一些实施例中，该配料箱306可以通过泵312流体连接到废气流304，其被配置成接受来自配料箱306的废气流304，并且使还原剂流体308通过注射器314，其可以含有催化转化器。元件310可以含有封装本文描述的元件310 的至少一部分的防护涂层。该防护涂层可以是无炭黑的含氟弹性体聚合物。此外，该元件310能够可操作地连接到具有至少一个引线318的控制单元316。
发动机302可以是任何内燃机，例如，具有至少一个气缸的汽车内燃机。此外，该发动机可以包括减排系统，如EGR。
配料箱306可由任何已知的能够维持腐蚀性液体，如还原剂流体308的材料构成。例如，配料箱306可以由聚合物或金属构成。
还原剂流体可以是已知的用于SCR系统，将NOx还原成氮和水的任何流体，例如尿素溶液。在一些实施例中，尿素溶液可以包含被称为车用尿素液的含32.5％尿素的脱盐水。本领域技术人员有时可以理解，该还原剂的流体会结冰，因而在抽入SCR系统之前，需要加热该还原剂流体。
元件310可以是任何已知的能够暴露于SCR系统的腐蚀性或其他极端环境下的元件。例如，该元件可以是如图1所示的加热器组件100，温度传感器如热敏电阻，液位传感器，或任何其他已知的用于与SCR系统连接的装置。典型的传感器和热敏电阻的更详细的描述在申请号：13/495716，申请日为2012年6月13日的美国专利中，现在此作为整体参考。例如，图4描绘了这种传感器组件400的一个实施例。如图所示，传感器组件400包括一个传感器402，其在一个实施例中可以是一个负温度系数(NTC)热敏陶瓷。应当理解的是，除了热敏电阻，其他类型的传感器可以构成该传感器组件400的一部分。第一导电引线404和第二导线406从传感器402延伸。防护涂层408密封传感器402以及接近传感器402的第一导电引线404和第二导线406的部分。
回到图3，元件310可设置在配料箱306内以感应温度和/或调节还原剂液308的温度，来为冰冻的还原剂流体308解冻。因此，在一些实施例中，元件310可以放在箱体中的任意位置，以保证还原剂在配料箱306的低位置时，与还原剂308的热连通。那就是说，该元件310可以至少部分地浸入还原剂流体308。由于元件310可以浸入还原剂流体308——其具有高度腐蚀性，该元件310可以包括如本处所描述的那些保护涂层。这里描述的涂层可以提供一个不可渗透的阻挡层，以防止水分和腐蚀剂，如氨，到达元件。例如，防护涂层可以包括含氟弹性体聚合物，聚合产物的反应混合物包括至少一种共聚单体以及偏氟乙烯和/或四氟乙烯。共聚单体可以包括聚丙烯，如六氟丙烯。
本说明书使用示例来公开发明，包括最佳方式，并且使本领域技术人员能实施本发明，包括制作和使用任何设备或系统以及使用任何组合方法。本发明专利权的范围由权利要求限定，并且可能包括被本领域技术人员想到的其他例子。如果它们有并非不同于权利要求的字面语言的结构要素或如果它们包括与权利要求的字面语言无本质不同的等效的结构要素，这些其它例子也应在权利要求的范围内。