可挠式正温度系数发热结构的制作方法

可挠式正温度系数发热结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种可挠式正温度系数发热结构，此可挠式正温度系数发热结构包含了基材、PTC碳黑涂料层以及树脂保护层。基材包含织物层及织入织物层中的导线，其中导线包含纤维束及以螺旋状卷绕于纤维束外侧的铜箔。PTC碳黑涂料层涂覆于基材的表面。树脂保护层覆盖于PTC碳黑涂料层上。
【专利说明】可挠式正温度系数发热结构

【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种发热结构，特别是一种可挠式正温度系数(PositiveTemperature Coefficient,简称 PTC)发热结构。

【背景技术】
[0002]为了适应寒冷的气候，人类发展出许多不同的技术与设备来提供保暖的效果。在大型的空间中，当然可利用空调设备来提供暖气；但就个人使用者的角度而言，可携式的保暖装置或是其它与人体接触较为密切的保暖用品，在使用上较为实际。
[0003]举例来说，市面上有许多利用铁粉氧化生热的原理所制得的保暖用品(俗称暖暖包)。但当使用者使用此类保暖用品时，往往难以安全地控制其发热温度，因此经常发生烫伤等事故。此外，这种产品多半是抛弃式的产品，使用后会产生废弃物。
[0004]为了应付极为严寒的气候，也有人提出在衣物中埋入管子，将经加热的气体输送至管子中，以使得穿戴者感到温暖。使用者通常能够控制此种装置的气体温度，因此其安全性比起上述的暖暖包来得好；但此种装置的价格昂贵，穿戴后又会限制使用者行动的自由性，因此其用途有限，一般使用者在日常生活中通常不会使用此类装置。
[0005]另一种可携式的供暖设备是利用镍铬电热丝来提供热能。镍铬电热丝的耐久性好，且其形状可自由地变换；但是因为发热部分是线状，为了达到期待的温度，不得不高温发热，如果接触到发热元件的一部分，很可能会被局部的高温烫伤。为了要防止这种事故发生同时兼顾理想的供暖效果，通常会利用多个发热部分与温度传感器，以降低每一个发热部分产生的温度。如此一来，势必会提高成本价格。此外，镍铬电热丝在发热时放出的远红外线辐射范围较狭窄，也是此种产品的缺点。
[0006]有鉴于上述问题，相关领域亟需提出一种新颖的发热结构，以改善一般发热结构所产生的问题。
实用新型内容
[0007]本实用新型的一个方面提出了一种可挠式正温度系数发热结构，可广泛地用作可携式的保暖装置，或其它与人体接触较为密切的供暖/保暖装置中。
[0008]根据本实用新型一具体实施例，此可挠式正温度系数发热结构包含了基材、PTC碳黑涂料层以及树脂保护层。基材包含织物层及织入织物层中的导线，其中导线包含纤维束及以螺旋状卷绕于纤维束外侧的铜箔。PTC碳黑涂料层涂覆于基材的表面。树脂保护层覆盖于PTC碳黑涂料层上。
[0009]在一任选的具体实施例中，上述织物层为一天然棉布织物层或一空心丝织物层。
[0010]在一任选的具体实施例中，上述天然棉布的织幅为I毫米。
[0011]在一任选的具体实施例中，上述铜箔的宽度为I毫米。
[0012]在一任选的具体实施例中，上述PTC碳黑涂料层在该基材上的涂覆量为约每平方米干重50-55克。
[0013]在一任选的具体实施例中，上述可挠式正温度系数发热结构至少还包含设于树脂保护层上的防水层。

【专利附图】

【附图说明】
[0014]为了让本实用新型的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，对附图的说明如下:
[0015]图1绘示了依照本实用新型一具体实施例的可挠式正温度系数发热结构的上视图；
[0016]图2是沿图1的A-A’剖面线绘示的可挠式正温度系数发热结构的剖面图；
[0017]图3是沿图1的B-B’剖面线绘示的可挠式正温度系数发热结构的剖面图；
[0018]图4绘示了依照本实用新型一具体实施例的可挠式正温度系数发热结构的上视图；以及
[0019]图5是沿图4的C-C’剖面线绘示的可挠式正温度系数发热结构的剖面图。
[0020]主要元件符号说明
[0021]100、200:可挠式正温度系数发热结构
[0022]110:基材
[0023]112:织物层
[0024]114:导线
[0025]116:纤维束
[0026]Il8:铜箔
[0027]120 =PTC碳黑涂料层
[0028]130:树脂保护层
[0029]210:防水层
[0030]A-A’、B-B ’、C-C:剖面线

【具体实施方式】
[0031]PTC发热结构是近来颇受瞩目的发热元件，亦被用来改善一般发热结构可能产生的问题。PTC元件又称为热敏电阻元件，其通电后产生的电阻和温度呈非线性关系，具体来说，在温度到达转变温度(transit1n temperature)之前，电阻随温度的升高而下降；当温度介于转变温度到热失控(thermal runaway)温度之间时，电阻随温度的升高而显着提升。因此可基于上述PTC效应，通过调整材料的温度系数，而制造出适用于不同用途的PTC元件。由于PTC元件本身就是一种温度自控的发热体，因此将其用作为发热元件时，可以不需要设计额外的温控线路。
[0032]PTC元件依其制造材料可分为有机聚合物PTC与陶瓷PTC两大类。有机聚合物PTC是在高分子聚合物中掺入碳粉经挤压成形；如此一来，碳粉会形成碳链导电，受热时聚合物膨胀，碳链断裂而形成高电阻。而陶瓷PTC是由具有正温度系数特性的钛酸钡粉末经电子陶瓷工艺高温烧结而成。由于PTC元件具有可靠性高、使用方便、安全省电等优点，因而已被广泛地运用于家用电器、电力设施、电子设备以及汽车行业等众多领域中；而其用途则包括加热、线路的限流保护、电机变压器的过流保护和过热保护、电工、电子产品应用的传感製坐
[0033]利用上述方法制造出来的PTC发热结构较为刚硬，几乎不具有可挠性。然而，早期市面上的PTC发热结构通常是夹设于地板等较为坚硬的构造体中使用，所以并没有对于可挠式PTC发热结构的需求，因此相关研发应用付之闕如。
[0034]不过，随着市场需求对于可携式或其它与人体接触较为密切的供暖/保暖装置的需求逐渐提升，上述PTC发热结构也慢慢地被运用于相关产品中。但是此类PTC发热结构在使用中可能受到外力而屈折变形，因此使得结构发生剥离、龟裂甚至整个断裂等现象；不但会使得PTC发热结构的特性劣化而大幅缩减产品耐用时间，甚至可能伤害到使用者。
[0035]另一方面，现有PTC发热结构必须使用体积较大的电池，才能提供足够的电流，也限制了 PTC发热结构的应用性。
[0036]综上所述，现有的PTC发热结构或其它发热结构仍存在诸多缺失。特别是，要将PTC发热结构运用于可携式或其它与人体接触较为密切的供暖/保暖装置时，现有的PTC发热结构在使用的舒适度与耐久度等方面的性能较差。
[0037]有鉴于上述问题，在此提出一种高耐久性、高信赖性、高安全性的可挠式PTC发热元件，进而可将此种可挠式PTC发热元件运用于人体供暖的目的，而实现一种兼具节能、小型、轻量、便利等特性的供暖/保暖装置。简言之，本实用新型具体实施例改善了现有PTC发热元件的缺点，对直接供暖给人体的可携式供暖装置，带来了特别有效的效果，对PTC发热元件的使用给予了新的附加价值及产业效果。
[0038]具体而言，应用本说明书所提出的原理与精神，至少具有以下的优点。
[0039]首先，以前的PTC发热结构，会由于使用时产生的外力而在短时间内成为不良品，现在利用具可挠性的柔软构造来改善此情况，延长了 PTC发热结构的耐用期限，也确保了耐用年数。
[0040]由于PTC发热结构有时必须会与人体直接接触，因此必须利用绝缘、防水的材料作为外包装。目前常用的外包材料包括热压型和贴膜型两种，但这两种外包材料在加工时会直接与烧结后的含碳材料接触，很容易使得含碳材料剥离并破坏其发热功能。
[0041 ] 此外，此种可挠式PTC发热结构不但具有可挠性，也仍然保有与现有PTC发热结构同等(或更佳)的可靠度与绝缘性，使其应用范围更广。
[0042]基于以上特性，将此种可挠式PTC发热结构做成适合向人体供暖的物品，可减少能源的浪费。另一方面，由于可挠式PTC发热结构的耗电量较低，而得以采用更为小型的电池，使得整个供暖装置的体积与重量更佳轻巧。
[0043]以下将进一步说明本实用新型提出的可挠式PTC发热结构。请参考图1及图2，根据本实用新型一具体实施例，可挠式正温度系数发热结构100至少包含了基材110、PTC碳黑涂料层120以及树脂保护层130。在图1中，基材110包含织物层112及织入织物层中的导线114。接着，沿图1的A-A’剖面线绘示可挠式正温度系数发热结构100的剖面图，如图2所示，PTC碳黑涂料层120涂覆于基材110的表面。树脂保护层130覆盖于PTC碳黑涂料层120上。
[0044]在一任选的具体实施例中，制备PTC碳黑涂料至少包含以下步骤:将多个碳黑粒子与石蜡混合，以制备一混合物。加热并搅拌上述混合物，当加热温度达到约60°C时，将水加入该混合物中。持续加热与搅拌，直到上述混合物与水形成一分散液为止。在此实施例中，加入石蜡的目的在于促进碳黑粒子均匀地分散于水中，一般而言，在整个PTC碳黑涂料中，使用重量百分比约1-3%的石蜡，即足以达成分散的目的。
[0045]为了提升分散液中碳黑粒子分布的均匀度，在本实用新型任选的具体实施例中，可将碳黑粒子进行纳米粉碎，以得到粒径大小为纳米级的碳黑粒子。举例来说，在PTC涂料中所用的碳黑粒子的直径可为约10-50纳米，如10、15、20、25、30、35、40、45或50纳米。
[0046]由于必须通过含浸的步骤，使得碳黑粒子被吸附于基材的表面或内部，因此必须采用具有良好吸附能力的织物。举例来说，天然棉布具有理想的耐热性，且适合碳黑粒子深入纤维间的缝隙而被吸附于织物基材的内部。在本实用新型又一任选具体实施例中，可利用天然棉布或空心丝织物作为上述织物层。天然棉布的织幅取决于可挠式PTC发热结构的用途。在一实施例中，当可挠式PTC发热结构适用的电压范围在7-9伏特之间时，所用的天然棉布的织幅为约I毫米。
[0047]当然，以上所述仅为示例，也可采用其它天然纤维或合成纤维制成的织物来作为此处所述的织物层，空心丝即为其中一例。
[0048]现有技术是利用印刷的方式在塑料薄膜上形成碳黑层；相较之下，在本实用新型一实施例中提出通过含浸的技术，使得PTC碳黑涂料深入基材内部，不但使得PTC发热结构具备可挠性，同时还可以提升其发热效能。
[0049]再者，根据上述方法，可直接在PTC碳黑涂料层的表面上涂布树脂材料以形成树脂保护层。利用此种方法所形成的树脂保护层同样具有可挠性，且其与织物基材间的密合性较佳，在使用时，即使受到屈折也不易与织物基材分离，因此大幅提升了可挠式PTC发热结构的应用性与耐用性。
[0050]由于本实用新型一实施例所公开的方法是用以制造可挠式PTC发热结构，因此所选用的导线也应当具备合宜的可挠性。请参考图3，沿图1的B-B’剖面线绘示可挠式正温度系数发热结构100的剖面图。在图3中，导线114包含纤维束116及以螺旋状卷绕于纤维束116外侧的铜箔118。在任选的具体实施例中，导线的制造方法至少包含以下步骤:先将多根化学纤维集成一纤维束，而后将约I毫米宽的铜箔以螺旋状卷绕于上述纤维束外侧，以形成一导线。在某些实施例中，可将数百根极细(如，直径约0.003毫米)的化学纤维集成一纤维束，以制造上述导线。
[0051]一般而言，上述化学纤维的耐热温度至少达150°C。上述化学纤维的实例包括但不限于聚酯纤维(熔点约254°C)、聚丙烯腈纤维(熔点约317°C)、聚酰胺纤维(如耐隆66，熔点约253°C )、聚苯二甲酸丙二醇酯纤维(熔点约230°C )或聚对苯二甲酸丁二酯纤维(熔点约 230 0C )。
[0052]根据本实用新型任选的具体实施例，可先在织物层上织入导线，形成基材，而后再将基材含浸于PTC碳黑涂料中。举例来说，可根据导线的通电量与可挠式PTC发热结构所需要的总通电量，将适当数量的导线缠在一起，并织入天然棉布中。
[0053]具体来说，应根据使用环境、可挠式PTC发热结构的输出功率和基材上碳黑涂料的涂覆量等因素，来设计导线的数量与编入的间隔。
[0054]一般而言，当单一根导线的电流量约为0.2安培时，可计算使用环境的电流，并确保可挠式PTC发热结构的电流容量约略为环境电流的2倍。因此，当可挠式PTC发热结构上的碳黑涂料的涂覆量为约每平方米干重50-55克时，此可挠式PTC发热结构在约9伏特的电压下输出约2瓦特功率时的电量约为0.23安培，此时需要使用2根导线(电流量约
0.4安培，约略为环境电流的2倍)。如此一来，当可挠式PTC发热结构的长度为约200毫米(即，0.2米)，且功率约为400瓦特/平方米时，电极间(两根导线间)的距离为2(瓦特)+400(瓦特/平方米)+0.2(米)=0.025 (米，相当于25毫米)。
[0055]可利用任何适当的方式来干燥含浸后的基材，以实质上移除其中所含的水分。作为示例而非限制，可用的干燥方式有红外线干燥或风干。
[0056]根据本公开内容的原理与精神，可将树脂材料施覆于经干燥的纤维基材上，以形成一树脂保护层。在施覆树脂材料时，可以单次施覆或分多次施覆而形成多层的树脂保护层。
[0057]由于可挠式PTC发热结构中的碳黑涂料层受热时会膨胀而导致电阻变化，因此应使用具有合宜可挠性的树脂保护层，以免覆盖于碳黑涂料层上的树脂保护层影响了其发热效能。适当的树脂材料的实例包括但不限于苯乙烯丁二烯橡胶与丁腈橡胶。当使用多层的树脂保护层时，与碳黑涂料层直接接触的最内层树脂保护层应使用可挠性的树脂材料，至于其它树脂保护层则不受限制。
[0058]此外，由于树脂保护层直接包覆于碳黑涂料层的表面上，即使碳黑涂料层与基材表面分离，仍然会被树脂保护层限制在可挠式PTC发热结构的内部。因此在使用上，分离的碳黑涂料层仍可发挥一定的功能。
[0059]如上所述，可挠式PTC发热结构可运用于可携式或其它与人体密切接触的供暖装置中。上述树脂保护层可提供一定程度的绝缘性，因此在某些运用领域中，此处提出的可挠式PTC发热结构不需使用额外的外包装。
[0060]不过，当将可挠式PTC发热结构运用于日常生活中时，可能需要进一步使得可挠式PTC发热结构具有防水的性能。譬如说，将其设于衣物(如:上衣、裤子、裙子、外套、袜子等等)中的时候，穿戴者可能会流汗，因此需要阻隔汗水。或者是，将其运用于一般家庭用的织物(如:地毯、床单、棉被、靠垫等等)时，可能会被饮水或其它液体泼洒到，因此也需要阻隔这些液体。在任选的具体实施例中，可于树脂保护层上方再设置一防水层。请参考图4，图4绘示了依照本实用新型一具体实施例的可挠式正温度系数发热结构200的上视图。在图4中，可挠式正温度系数发热结构200还包含防水层210设于基材110上。接着如图5所示，沿图4的C-C’剖面线绘示的可挠式正温度系数发热结构200的剖面图。在图5中，防水层210覆盖于树脂保护层130上。
[0061]举例来说，可将具有防水性能的织物、布胶带设于树脂保护层上方。此处所述仅为示例，可使用其它均等的结构，以使得可挠式PTC发热结构具有防水性质。
[0062]现有技术中，由于并未追求PTC发热结构的可挠性，因此其电力供给端子与电线的装设方式也并未考虑到可挠式产品的特性。有鉴于此，在此提出了一种用于在可挠式PTC发热结构中安装电力供给端子与固定电线的方法。
[0063]在一任选的实施例中，可利用铆接或压接方式来安装/固定电力供给端子与电线。此时,需在将织物基材含浸于PTC涂料并干燥之后,才将电力供给端子与固定用零件藉由铆接或压接而与可挠式PTC发热元件接触。如此一来，不但可以确保电力供给端子与固定用零件的通电性，还能够防止电力供给端子与可挠式PTC发热结构之间发生接触不良的问题。
[0064]在另一任选的具体实施例中，可利用银焊锡来固定电力供给端子。举例来说，可在未经PTC涂料含浸的织物基材上，先利用银焊锡来固定电力供给端子，而后再进行PTC涂料含浸、干燥等步骤。或者是，可在未经PTC涂料含浸的织物基材上，先将欲作为电力供给端子固定部之处的导线做成可锡焊的状态，而后在经过PTC涂料含浸、干燥等步骤之后，再利用锡焊的方式来固定电力供给端子。
[0065]综上所述，有效地利用根据本实用新型而开发出来的可挠式PTC发热结构的特征，对于将PTC发热结构贴附在人体上等处来加以利用的情况，能够提供一种适合于体型的可挠式构造体，同时还兼具了高耐久性、高信赖性、高安全性等特性。另一方面，由于其耗电量较低，使得可以提供小型化、轻量化的空暖装置，提升使用者在使用时的自在性与便利性，并将PTC发热结构本身具有的优异效果运用于广阔的世界中。
[0066]虽然本实用新型已以实施方式揭露如上，然而其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作各种修改与改变，因此本实用新型的保护范围以所附权利要求所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种可挠式正温度系数发热结构，其特征在于，包含: 一基材，包含:一织物层；以及至少一导线，其织入该织物层中，该导线包含一纤维束及以螺旋状卷绕于该纤维束外侧的至少一铜箔； 一 PTC碳黑涂料层，其涂覆于该基材的表面；以及 一树脂保护层，覆盖于该PTC碳黑涂料层上。
2.根据权利要求1所述的可挠式正温度系数发热结构，其特征在于，该织物层为一天然棉布织物层或一空心丝织物层。
3.根据权利要求2所述的可挠式正温度系数发热结构，其特征在于，该天然棉布的织幅为I毫米。
4.根据权利要求1所述的可挠式正温度系数发热结构，其特征在于，该铜箔的宽度为I毫米。
5.根据权利要求1所述的可挠式正温度系数发热结构，其特征在于，该PTC碳黑涂料层在该基材上的涂覆量为每平方米干重50-55克。
6.根据权利要求1所述的可挠式正温度系数发热结构，其特征在于，至少还包含一防水层，设于该树脂保护层上。
【文档编号】H05B3/10GK203859891SQ201420269826
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】朱盛德, 黄咏纶, 小林博 申请人:朱盛德, 黄咏纶, 小林博