用于可穿戴设备和其他制品的改进型可印刷加热器的制作方法

本发明涉及用于可穿戴服装和其他制品的改进型可印刷加热器。

背景技术：

人们对提供舒适的加热型可穿戴服装越来越感兴趣。目前典型的商业化加热型服装是经由电阻丝供电的。这些服装具有的优点是这些丝之间的区域允许织物透气，但是它们具有的缺点是这些丝的存在使服装不舒适。

一种替代方案是使用具有印刷部件的将提供更大的舒适性的加热器。在一个这样的版本中，加热器的部件是充当两个母线之间的电阻加热元件的电阻材料(例如，碳)层。这样的层可以覆盖服装的很大一部分。使用当前可用的组合物难以印刷具有适当厚度和均匀性的大面积电阻材料层，并且所得加热器在加热期间受到温度不均匀性的影响。一种补救方式是提供平行的电阻材料列。这些列可以由通过导电材料或通过连续电阻材料列连接的电阻材料区域组成。然而，这些列中的任一列的一部分中的电阻材料的失效将消除整个列的加热的能力。需要改进的印刷加热器。

技术实现要素：

本发明提供了一种包含加热器的制品，所述加热器包括：

a)基底；

b)两个印刷母线；

c)印刷电阻材料区域阵列，所述阵列形状基本上相同、以列安排在两个母线之间、在一列中的相邻电阻材料区域之间具有间隔且在相邻列之间具有间距，其中，每个列中的第一电阻材料区域邻接一个母线并且每个列中的最后一个电阻材料区域邻接另一个母线；以及

d)印刷导电材料区域阵列，其中，每个印刷导电材料区域被定位成填充两列或更多列中的相邻电阻材料区域对之间的间隔并与这些相邻电阻材料区域对重叠且邻接，其中，在一列中电阻材料区域之间的每个间隔中存在导电材料区域，并且其中，可以在这些电阻材料区域之前或之后将这些导电区域和这些母线印刷到所述基底上。

本发明还提供了一种包含加热器的制品，所述加热器包括：

a)基底；

b)两个印刷母线；以及

c)这两个母线之间的印刷电阻材料列阵列，所述阵列在相邻列之间具有间距，其中，每个列的顶部邻接一个母线并且每个列的底部邻接另一个母线；以及

d)印刷导电材料行阵列，所述阵列跨这些列间隔一定间距，其中，可以在这些电阻材料列之前或之后将这些母线和这些导电材料行印刷到所述基底上。

附图说明

图1展示了印刷加热器的实施例，所述加热器包括：具有两个平行母线的基底；以列安排在这两个母线之间的印刷电阻材料矩形阵列，一列中的相邻电阻材料矩形之间具有基本上完全相同的间隔并且相邻列之间具有间距，其中，这些列与母线正交并且这些列是基本上完全相同的，使得各列中的矩形和这些矩形之间的间隔形成与这些列正交的行。所述加热器还由印刷导电材料行阵列组成，其中导电行被定位成填充每列中的相邻电阻材料矩形对之间的间隔、与这些相邻电阻材料矩形对重叠且邻接。

图2示出了图1的细节，即印刷电阻材料的各个矩形和跨这些列的导电材料行以及相邻列之间的间距。

图3示出了用于在加热器的另一实施例中使用的印刷电阻材料列，所述加热器包括具有两个平行母线的基底以及在这些母线之间且与这些母线正交的印刷电阻材料列阵列。

图4展示了印刷加热器的实施例，所述加热器包括：具有两个平行母线的基底、在这些母线之间且与这些母线正交的印刷电阻材料列阵列、以及与这些列正交且彼此等距间隔并跨越所有列的导电材料行。电阻材料列被示出为首先印刷到基底上，接着是导电材料行。

图5展示了印刷加热器的实施例，所述加热器包括：具有两个平行母线的基底、在这些母线之间且与这些母线正交的印刷电阻材料列阵列、以及与这些列正交且彼此等距间隔并跨越所有列的导电材料行。导电材料行被示出为首先印刷到基底上，接着是电阻材料列。

具体实施方式

本发明涉及一种用于在可穿戴服装和诸如座椅等其他制品中使用的改进型印刷加热器。印刷大面积电阻材料时的温度不均匀性和湿蒸汽输送问题通过使用小面积电阻材料阵列来解决，这些小面积电阻材料中的每一个充当单独的加热器，而不是具有大面积电阻材料层的单个加热器。印刷许多较小面积电阻材料的能力导致更均匀的电阻材料面积，并且因此导致各个加热器以及包括这些各个加热器的加热器的改进性能。电阻材料区域被以列(在这些列之间具有间隔)安排，或者是连续的列。使用导电材料区域来接触不同列中的电阻区域解决了列的一部分中的电阻材料失效会消除了整个列的加热的能力的问题。

另外，当其上印刷有加热器的基底是可渗透的时，加热器具有可透气的附加优点，在这个意义上，空气和水分(即水蒸汽)可以穿过相邻列之间的间距中暴露的可渗透基底区。这可以为服装的穿戴者提供附加的舒适性。可穿戴服装本身可以包括其上印刷有加热器的可渗透织物，或者加热器可以被印刷在附着于服装的可渗透聚合物或可渗透织物基底上。在实施例中，基底是热塑性聚氨酯。

以列安排的印刷电阻材料区域阵列

在本实施例中，加热器包括基底、两个印刷母线、以列安排在这两个印刷母线之间的印刷电阻材料区域阵列(一列中的相邻电阻材料区域之间具有间隔并且相邻列之间具有间距)、以及印刷导电材料区域阵列，其中，导电材料区域被定位成填充两个或更多列中相邻电阻材料对之间的间隔、与这些相邻电阻材料区域对重叠且邻接(即，电接触)，并且其中，在电阻材料区域之间的每个间隔中存在导电材料区域。每个列中的第一电阻材料区域邻接(即，电接触)一个母线，并且每个列中的最后一个电阻材料区域邻接(即，电接触)另一个母线。加热器不包含交叉指型电极。可以在电阻材料区域之前或之后将导电区域和母线印刷到基底上。如果基底是可渗透的，则相邻列之间的间距中暴露的可渗透基底使加热器可透气。

在一些实施例中，印刷导电材料区域和母线是银区域和银母线并且印刷电阻材料是碳。在其他实施例中，印刷导电材料区域和母线是铜区域和铜母线并且印刷电阻材料层是碳。在仍其他实施例中，印刷导电区域和母线是银-氯化银、金或铝。

本文提到的导电区域和母线是由包含电导体的聚合物厚膜膏形成的。当印刷导电材料区域和母线是银时，它们是使用聚合物厚膜银膏来形成的。电阻材料也使用聚合物厚膜膏来印刷。当印刷电阻材料是印刷碳时，其是使用聚合物厚膜碳膏来形成的。当使用聚合物厚膜膏时，所述聚合物是最终组合物(即，导电材料、母线和电阻材料)的组成部分。

加热器电阻rh是决定加热器性能的主要因素。rh除了电阻材料的薄层电阻rs之外，还取决于多个几何参数。所述几何参数是电阻材料区域的尺寸、一列中电阻区域之间的距离、一列中电阻区域的数量以及列的数量。这些参数具有由印刷过程及其分辨率的极限指定、也由整个加热器大小指定的设计限制。

在一个实施例中，印刷电阻材料区域阵列形状基本上相同且以平行的列安排，其中，每个列中存在m个电阻材料区域，其中，每个列中的相邻电阻材料区域以相同的顺序编号为i和i+1，其中，i的范围从1到m-1，并且其中，存在m-1个印刷导电材料区域，其中，印刷导电材料区域被定位成填充所有列中相邻电阻材料区域i与i+1对之间的每个间隔并与这些相邻电阻材料区域对重叠且邻接，其中，i的范围从1到m-1。每个列中的第一电阻材料区域(编号1)邻接一个母线且每个列中的最后一个电阻材料区域(编号＝m)邻接另一个母线。

在一个这样的实施例中，这两个印刷母线是平行的，电阻区域列与母线正交并且这些列是基本上完全相同的，使得各个列中的第i个电阻材料区域形成一行，所述电阻材料区域上方和下方的间隔也形成一行，并且这些行与这些列正交。这m-1个印刷导电材料区域是m-1个印刷导体行，每个印刷导电材料区域具有大于相邻电阻材料区域之间的间隔的宽度w，以便产生与这些电阻材料区域的重叠，并且其中，这m-1个印刷导体行与这些列正交并且印刷导体行被定位成与每行间隔重叠。

在上述实施例中的一个实施例中，每个单独的电阻材料区域呈具有宽度w和有效长度l有效的矩形形式。电阻材料矩形的有效长度l有效是电阻材料矩形两侧上的重叠邻接导电行之间的电阻材料的长度。每个电阻材料矩形具有基本上相同的薄层电阻rs并且一列中的电阻材料矩形之间的间隔是基本上完全相同的。存在n个列并且相邻列之间存在间距d。在一个实施例中，d在电阻材料矩形的宽度w的0.3倍与10倍之间。将参考附图进一步讨论本实施例。

图1展示了以上描述的印刷加热器1的实施例。存在两个平行的印刷母线2和3。如图1中示出的，存在以平行列安排的、呈矩形4形式的印刷电阻材料区域阵列。所述列是基本上完全相同的。在一列中的相邻电阻材料矩形4之间存在长度为s的间隔。一列中存在m个电阻材料矩形。在图1中示出的列中，存在十七个这样的电阻材料矩形，即图1的m＝17。图1中示出了二十三个列，即n＝23。存在印刷导电材料行5的阵列。导电行5被定位成填充所有列中的每个相邻电阻材料矩形4对之间的间隔并与这些相邻电阻材料矩形对重叠且邻接，即，给定的导电材料行被定位成填充所有列中的每个相邻电阻材料矩形i与i+1对之间的间隔并与这些相邻电阻材料矩形对重叠且邻接，其中，i的范围从1到m-1。如图1中示出的，首先印刷了母线2和3以及导电行5，并且然后印刷电阻矩形4。将使用图2中示出的细节来进一步讨论本实施例。

图2示出了九个电阻材料矩形11，三个相邻列中的每一列中具有三个电阻材料矩形。还示出了呈行12形式的导电区域。如图2中示出的，首先印刷了导电行12，并且然后印刷电阻矩形11。导电行填充电阻材料矩形之间的间隔13(长度s)，并且与每个列中的相邻电阻矩形11对重叠且邻接。电阻材料矩形的宽度w由14指示。导电行的宽度w由15指示并且大于间隔13，以便提供与相邻电阻矩形对的重叠并与它们邻接。电阻材料矩形的有效长度l有效由16指示。列之间的距离d由17指示。

每个电阻材料矩形的电阻为r矩形并且r矩形＝rs×l有效/w。一列中的电阻材料矩形是电串联的并且一列中具有m个电阻材料矩形，列电阻r列＝r矩形×m。这n个列是电并联的，使得总加热器电阻rh＝rs(l有效m)/(wn)。

作为示例，如果电阻材料矩形是印刷碳矩形，其中rs＝30ω/平方并且l有效/w＝0.67，则r矩形＝20ω。如果m＝25并且n＝50，则rh＝10ω。12伏电池可以向加热器提供大约14瓦的功率，这对于可穿戴加热器和对于rh大约为10ω的其他制品来说是适当的量。

如先前指出的，如果导电材料行不连接所有列中的所有相似的相邻电阻材料矩形对，则列中的电阻矩形之一的失效将会消除整个列的加热的能力。如果电阻材料矩形之一失效并开路，则相邻的导电材料行会在失效的电阻材料矩形周围传送电流。列中的所有其他电阻材料矩形继续进行加热。

印刷电阻材料列阵列

在本实施例中，加热器包括基底、两个印刷母线、这两个母线之间的印刷电阻材料列阵列(相邻列之间具有间距)、以及跨电阻材料列间隔一定间距的印刷导电材料行阵列。与先前的实施例相反，电阻材料列从一个母线到另一个母线是连续的，没有间距。每个列的顶部邻接一个母线并且每个母线的底部邻接另一个母线。加热器不包含交叉指型电极。可以在电阻材料列之前或之后将母线和导电行印刷到基底上。如果基底是可渗透的，则相邻的列之间区中暴露的可渗透基底使加热器可透气。

在一些实施例中，印刷导电材料行和母线是银行和银母线并且印刷电阻材料是碳。在其他实施例中，印刷导电材料行和母线是铜行和铜母线并且印刷电阻材料是碳。在仍其他实施例中，印刷导电行和母线是银-氯化银、金或铝。

如以上所指出的，本文提到的母线、导电材料行和电阻材料列是由聚合物厚膜膏形成的。

加热器电阻和透气性是决定加热器性能的主要因素。rh除了电阻材料的薄层电阻rs之外，还取决于多个几何参数。所述几何参数是电阻材料列的尺寸和列的数量。这些参数具有由印刷过程及其分辨率的极限指定、也由整个加热器大小指定的设计限制。

在一个实施例中，这两个印刷母线是平行的，电阻材料列与这两个母线正交；并且导电材料行与电阻材料列正交。在实施例中，导电材料行彼此等距。每个列的顶部邻接(即，电接触)一个母线并且每个母线的底部邻接(即，电接触)另一个母线。

每个单独的电阻材料列具有宽度w和长度l(这两个母线之间的距离)。存在n个列并且相邻列之间存在间距d。在一个实施例中，d在电阻列的宽度w的0.3倍与10倍之间。存在每个行的宽度为w的p个导电材料行。用于加热的列的有效长度为l-pw。

每个电阻材料列的电阻为r列并且

r列＝rs(l-pw)/w，其中，rs为薄层电阻。每个列基本上都具有电阻r列。这n个列是电并联的，使得总加热器电阻rh＝rs(l-pw)/(wn)。

作为示例，如果电阻材料矩形是印刷碳矩形，其中rs＝30ω/平方并且(l-pw)/w＝15，则r列＝450ω。如果n＝45，则rh＝10ω。12伏电池可以向加热器提供大约14瓦的功率，这对于可穿戴加热器和对于rh大约为10ω的其他制品来说是适当的量。

图3示出了在加热器的另一实施例中使用的印刷电阻材料列，其中，所述加热器包含具有两个平行母线32和33的基底、以及在母线32与33之间的平行印刷电阻材料列34的阵列。印刷电阻材料列34被示出为与母线32和33正交。

图4展示了印刷加热器41的实施例，所述加热器包括具有两个平行母线42和43的基底、在母线42与43之间且与这些母线正交的平行印刷电阻材料列44的阵列、以及与列43正交且彼此等距间隔并跨越所有列的导电材料行45。母线42和43被示出为首先印刷到基底上，接着是电阻材料列44，并且然后接着是导电材料行45。

图5展示了印刷加热器51的实施例，所述加热器包括具有两个平行母线52和53的基底、在母线52与53之间且与这些母线正交的平行印刷电阻材料列54的阵列、以及与列54正交且彼此等距间隔并跨越所有列的导电材料行55。母线52和53以及导电材料行55被示出为首先印刷到基底上，接着是电阻材料列54。

如先前指出的，如果导电材料行不连接所有电阻材料列，则电阻列中的一部分的失效将会消除整个列的加热的能力。电阻材料列和导电材料行的沉积顺序没有区别。如果电阻列的一部分失效并开路，则相邻的导电材料行会在失效的电阻材料部分周围传送电流。列中的失效部分以外的电阻材料将继续进行加热。

示例

示例1

已经制造并测试了整体尺寸为240mm宽×160mm高且具有图1和图2的构造的矩形加热器。在示例的描述中，参考了那些附图中的部件编号。电阻材料矩形11由印刷碳膏dupont^tm7102(特拉华州威尔明顿市的杜邦公司)制成，其中薄层电阻率为22欧姆/平方。印刷银母线和行的银是dupont^tm5025(特拉华州威尔明顿市的杜邦公司)，其中薄层电阻率为0.025欧姆/平方。基底是厚度为0.2mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。

参考图2的尺寸参数，电阻材料矩形的宽度(14)为4mm，电阻材料矩形的有效长度l有效(16)为4mm。导电行的宽度w(15)为3mm，且电阻矩形之间的间隔(13)为1mm。列之间的距离d(17)为1mm。每个电阻材料矩形的电阻r矩形＝rs×l有效/w，使得r矩形＝22欧姆。每列电阻矩形的数量m＝19，并且电阻矩形列的数量n＝48。总加热器电阻为8.7欧姆。对本示例的印刷加热器进行了电性质和热性质的实验室测试。在环境条件下将加热器置于露天进行热测试。实现的最高温度与施加的电压如表i所示。

表i

示例2

使用示例1的加热器，故意损坏朝向加热器中间的碳电阻矩形之一使得所述矩形变成开路。使用热成像照相机进行加热测试，并且发现所损坏的矩形是唯一不进行加热的碳电阻矩形。包括所损坏的矩形周围的那些矩形的所有其他碳电阻矩形都正常地进行加热。这示出了本发明的加热器的耐损坏性质。