專利名稱：電熱毯及類似產(chǎn)品的技術(shù)改進的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的產(chǎn)品在本文中被統(tǒng)稱為“電熱毯”，這一稱呼在大多數(shù)場合下是恰當?shù)?，但實際上它們并不都是“毯子”一類的物品，而是更廣泛意義的“平面材料”。只是這些平面材料總是帶有電加熱裝置，而我們習慣把這樣的帶電加熱裝置的平面材料稱作電熱毯。我們在下文中就只用“電熱毯”這個名稱，以使行文簡潔，但讀者應(yīng)當知道，本發(fā)明還可以應(yīng)用到其它各種平面材料加熱場合，如電熱片或是暖椅墊。
無論如何，本發(fā)明更具體地涉及上述毯子的加熱裝置。
傳統(tǒng)地，電熱毯包括采用長型管的加熱裝置，后者最里層是芯管，然后由里到外依次是一級電阻加熱導體(又叫做內(nèi)層電阻加熱導體)、緊貼內(nèi)層導體的塑料(如聚乙烯材料)熔管、緊貼塑料熔管的二級電阻加熱導體(又叫做外層電阻加熱導體)，最外層是外管護套。熔管在兩層導體之間形成一個熔斷保護層。
在加熱裝置的一端，加熱導體與交流電源裝置相連或待作連接，另一端與一個單向整流器(如二極管)相連，這樣只有半個周期的波形能夠通過加熱導體。一般都是將電源波形的正半周期通過加熱導體。
我們把裝置中的塑料管叫做“熔管”，因為它能在電熱毯加熱過度的時候起到熔斷保險的作用。熔管熔斷后，或是造成兩層加熱導體間短路(如果是加熱裝置靠近電源一端熔斷)，或是造成電源波形的負半周期通過加熱導體，這兩種情況都能被系統(tǒng)檢測到，從而及時斷開電源。
盡管這種傳統(tǒng)設(shè)計有一些缺陷，絕大多數(shù)電熱毯還是采用了上述結(jié)構(gòu)。它的缺陷之一是，如果出現(xiàn)熔斷情況，加熱裝置不可修復，電熱毯將報廢。顯然，這將造成極大的浪費。
人們已經(jīng)開始各種嘗試，希望在過熱時能夠?qū)﹄娫醇右钥刂?，使電熱毯不至于報廢。方法之一是在裝置中加入第三級電導體(比如金屬箔類型的材料)。這第三級導體被放置在芯管中，用一層經(jīng)特殊涂層處理的聚氯乙烯把它與相鄰的內(nèi)層加熱導體分隔開，并在這兩層導體間形成一個電阻。涂層聚氯乙烯的電阻值具有負溫度特性(NTC)，也就是說當材料的溫度升高時，它的電阻值會降低。它的負溫度特性相當顯著，在室溫條件下，一級導體與三級導體間的電阻值是兆歐數(shù)量級，而在比如說70攝氏度的條件下，電阻值只有幾百歐姆。電熱毯中如果添加了第三級導體，就可以利用它的負溫度特性，用電子技術(shù)檢測其電阻值是否因加熱過度而發(fā)生變化，從而可以在電熱毯熔斷前對電源進行調(diào)整，這樣即使加熱過度，電熱毯也不至于報廢。同樣的設(shè)計還可用來進行溫度控制，用戶可以自行調(diào)整最舒適的加熱溫度。
三級導體系統(tǒng)也有它的缺陷，包括加入了第三級導體和負溫度特性材料后，裝置厚度會增加，電熱毯的厚度也相應(yīng)增加，不易折疊，當然價格也更昂貴。另外，如果三級導體電熱毯的第三級導體控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，它還是要根據(jù)熔斷原理來工作，與二級導體的電熱毯沒有不同。
即使我們將上面介紹過的負溫度特性材料應(yīng)用于二級導體加熱裝置，要在整個加熱系統(tǒng)中獲得均勻的加熱性能是很困難的。為此需要經(jīng)常進行校準控制，既不經(jīng)濟，又浪費時間。
市場銷售的各種加熱設(shè)備尺寸各異，不同設(shè)備的加熱裝置長度也不同，因而控制單元得到的負溫度特性反饋數(shù)值也彼此不一，為此也需要對各臺設(shè)備單獨進行校準。
另一種方法叫做正溫度特性(PTC)方法。這一系統(tǒng)是美國人發(fā)明的，采用兩根并行母線，為加碳聚合物材料加熱，加熱裝置能夠自行調(diào)節(jié)。從理論上說這一系統(tǒng)十分完美，但它的缺點是成本高。生產(chǎn)難度大。體積臃腫，使得整個加熱設(shè)備體積過大，并且由于歐洲通用電壓為240伏，而美國是110伏，在歐洲使用時容易出現(xiàn)故障。
我們也可以在裝置中加入雙金屬片來檢測高溫，但這樣做增加了成本和設(shè)備體積，而且裝配難度很大。
本發(fā)明涉及的是二級導體(加熱裝置僅需要一個導體)而非三級導體型的電熱毯，它能夠檢測到過熱情況，而又不至于燒毀加熱部件和電熱毯，困而電熱毯可以重復使用。
根據(jù)本項發(fā)明，我們采用加長型設(shè)計，整個電熱毯加熱裝置由以下部分組成一級導體，沿裝置的縱長方向走線，用于產(chǎn)生電熱毯的熱量二級導體，同樣沿裝置的縱長方向走線；一級和二級導體間的熔斷層，其材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計使得它具有負溫度特性，并帶有電子控制裝置，可檢測到熔斷層的電阻值變化，來提供一種手段，控制向電熱毯提供熱量的導體的電源，從而保護熔斷層不被損毀。
在首選設(shè)計中，二級導體也是提供熱量的導體，兩級導體都可以包括電熱線。
也可以采用另外一種設(shè)計方案，即二級導體可以為傳感或檢測導體，如果電熱毯溫度出現(xiàn)異常，可以提供一條電流通道。具體地，傳感導體具有正溫度特性(PTC)，當它的溫度升高時，電阻值也增加，電子控制裝置就可以利用這一特性來調(diào)節(jié)電源對加熱導體的輸出。
傳感導體還可同時提供電流通道，這一通道同樣通過負溫度特性層，如果負溫度特性層顯示溫度過高，就能切斷電源對加熱導體的輸出。
熔斷層最好是負溫度特性，熔點不要足夠高(通常以120到130攝氏度)，這樣電熱毯就能夠滿足現(xiàn)行法規(guī)(如IEC規(guī)程)一般的安檢要求。如果考慮這一點，涂層聚氯乙烯的熔點過高，不滿足要求，但改進型軟式聚氯乙烯材料就能夠滿足要求。舉例來說，Stantonin銻材料涂層、涂層所占重量為20％的軟式聚氯乙烯，就很合適。
熔斷層的設(shè)計應(yīng)該使之具有較小的負溫度特性，電子器件的設(shè)計使之能夠在熔斷層熔斷前就檢測到其電阻極微小的變化。
一般說來，在上面介紹過的三級導體型電熱毯中，由于電子裝置比較簡單，負溫度特性必須十分明顯，以便上述的控制裝置能令人滿意地工作。而對用作熔斷目的的塑料材料而言，如果要求它們有較高的負溫度特性，必須有很厚的涂層，會損害它們的熔斷特性，甚至不能再用作熔斷目的。為此才需要采用三級導體。
而采用本發(fā)明，熔斷層(低熔點特性)同時具有負溫度特性，因此就不再需要第三級導體了。實際上，熔斷層可以做得很小，電加熱部件可以更薄、更精巧。這種設(shè)計特別適用于所謂的“大包毯”，能夠從外部加熱，供人畜取暖。
熔斷特性及負溫度特性可以從單一材料中獲得，也可以選用熔斷塑料材料，如聚乙烯或交叉分子結(jié)構(gòu)的聚氯乙烯，經(jīng)涂層或混合處理，以獲得所需的負溫度特性。
由于負溫度特性最好比較低，因此需要采用合適的、高質(zhì)量的電子器件，從而能夠在熔斷實際發(fā)生前就能探測到熔斷層中的微小變化，防止在出現(xiàn)過熱情況時加熱部件和電熱毯燒毀。
下面用實例說明本項發(fā)明的具體應(yīng)用，各例均有附圖，說明如下

圖1給出應(yīng)用實例一的加熱裝置電路圖；圖2是應(yīng)用實例二的加熱裝置側(cè)視圖；以及圖3是圖二所示加熱裝置的電路圖。
參考這些示意圖，電路由輸入端10和12組成，交流電源電壓就加在這兩個終端上。電源電壓經(jīng)整流后輸入電熱毯的加熱裝置14(圖中未顯示)。電源電壓要通過由開關(guān)16、保險絲18、內(nèi)層導體20、二極管22(它裝在電熱毯中，僅允許交流電壓波形的正半周通過)、外層導體24、二極管26、硅樹脂控制的整流器28(對電源實施控制，下文將有介紹)、保險絲30和開關(guān)32(與開關(guān)16相連，協(xié)調(diào)運作)等元件組成的電路。參考號為34的元件是熔斷層，它同時具有較低的負溫度特性。
按傳統(tǒng)設(shè)計，如果出現(xiàn)熔斷情況，內(nèi)外兩層導體20和24接觸，會發(fā)生下述兩種情況之一(具體取決于接觸點距加熱裝置兩端的距離)如果是在二極管22所在一端或距這一端較近，兩層導體接觸會使得電源電壓的負半周也能通過加熱裝置(通過包括開關(guān)32、保險絲30、并聯(lián)電阻器對36和38、并聯(lián)二極管對40和42、外層導體24、兩層導體的接觸部位、內(nèi)層導體20、保險絲18和開關(guān)16的電路)。電流使得電阻器36和38的溫度升高，而它們與保險絲30有熱接觸，使之熔斷，從而切斷電源。如果發(fā)生這種情況，加熱裝置被燒毀，電熱毯也將報廢。
如果熔斷和接觸是發(fā)生在裝置的另一端(輸入端)，那么隨之而來的僅僅是短路情況，保險絲18燒斷，切斷電源。但電熱毯同樣會報廢。
但在瞬時反應(yīng)模型中，整流器28能夠在電子控制電路的幫助下對電源實施控制，正常工作時，即使出現(xiàn)過熱，也不至于熔斷。這里講到的控制電路用50、52、54和56號線路標示。
該電路的驅(qū)動電壓來自主電源，在本例中是一個8.2伏的直流電壓，用二極管58、電阻器60、齊納二極管62、二極管64和電容器66進行簡單裝配就可以了。
控制電路包括一個4093B四芯導線與非門68，與它的附件(68A，68B)一起構(gòu)成一個脈沖信號荷周比可變的脈沖發(fā)生器，它的“接通”時間和“關(guān)閉”時間通過電阻器70、72和74、76與主電源波形的零點交叉同步。電源第六擋(如圖示)的“接通”時間占整個周期的95％，而電源第一擋的“接通”時間只占5％。周期全長約在5秒的數(shù)量級。這種電路不需要體積龐大、價格昂貴的抗無線頻率干擾器件，它本身也是一項獨立的發(fā)明成果。
下面我們介紹本項發(fā)明應(yīng)用實例的工作原理。
正常工作時，也就是說沒有出現(xiàn)過熱情況，二極管40和42連接處(點“A”)的電壓相對于地線78(零電壓)總是為正值。正半周期的波形被二極管80阻斷，不能進入控制電路。
如果電熱毯整個或部分地出現(xiàn)過熱情況，負溫度特性的熔斷層24將作出反應(yīng)，電阻值略有降低，產(chǎn)生少許漏電，通過導體20和24，形成一個電流旁路，繞過半波整流二極管22，從而形成負半周期波形的電流。負半周期波形電流通過限流電阻82、電容器84和齊納二極管86，其平均值為一個負數(shù)的安全直流電壓，在本例中為8.2伏。這個電壓加在“B”點上，通過齊納二極管88，進入與非門68A的電壓被縮減到0伏，使得門電路68失效。這樣一來整流器28就被關(guān)閉，電源輸入被切斷，從而不會發(fā)生熔斷，即使出現(xiàn)過熱，電熱毯也不至于燒毀。當然，如果控制電路由于各種各樣的原因發(fā)生故障，出現(xiàn)過熱情況時通常的熔斷機制會作出反應(yīng)，此時電熱毯也就報廢了。
圖2和圖3是本發(fā)明的另一個應(yīng)用實例，它的實用性更強。參考圖示，圖2中的加熱裝置是一根軟式電纜，從中心向外，分別是纖芯10x、加熱裝置導線12X(螺旋纏繞在纖芯10X外圈)、低熔點(120-130攝氏度)的負溫度特性熔斷層14x、正溫度特性的傳感導線16X和外層18X(這是一個聚氯乙烯或其它類似材料制成的護套)。加熱導線12X是標準的電熱毯電熱線，而選用的纖芯是軟式加熱裝置生產(chǎn)中常用的材料。熔斷層14X最好是擠塑型的，并具有較低的負溫度特性。傳感導線可以用純銅或純鎳制成。外層18X最好也是擠塑型的，還要能夠防水。
正溫度特性傳感導線16選材時要仔細考慮其厚度，使得無論加熱設(shè)備尺寸如何(長度預先確定)，傳感裝置的電阻值始終保持不變。這樣一來，同一個控制單元可以用于各種型號的產(chǎn)品，無需進行校準，為生產(chǎn)廠家提供了方便。
參考圖3，這是圖2所示加熱裝置的電路圖，裝置的各元件在20X處標示。用單獨一根加熱導線12X與兩只閘流晶體管22X和24X串聯(lián)，跨接240伏的交流電源，用火線L和中線N分別標示，中線接地，如26X處所示。閘流晶體管22X和24X能阻斷電源波形的負半周期，使之不能通過導線12X。中線N帶熱保險絲28X。
閘流晶體管2X通過它的門電路與負溫度特性控制單元30相連，該控制單元位于串聯(lián)電路(由單元30、電阻器32X、二極管34X、電阻器36X和二極管38X組成)中，該電路跨接火線L和中線N。
閘流晶體管24X的門電路與正溫度特性單元40X相連，40X串聯(lián)在火線L和中線N之間的電路中，電路組成為單元40x、電阻器42x、二極管44x、二極管對46X和48X(并聯(lián)結(jié)構(gòu)，以確保安全)以及并聯(lián)電阻對50X和52X。正溫度特性單元與溫控測量儀54X連接，用戶可以用這個溫控測量儀設(shè)置電熱毯工作的平均加熱溫度。
正溫度特性傳感導線16X聯(lián)接在火線L和中線N之間的電路中，電路組成為二極管56X、傳感導線16X、電阻器36X和二極管38X。
最后，在傳感導線16X上再并聯(lián)一只二極管60X，用于電路保護。
各電路之間的連接情況在圖中均有清楚標示。
上述電路的工作原理如下。
圖示的電路中有三個基本的控制系統(tǒng)，分別是連續(xù)過熱保護系統(tǒng)(與圖1所示電路系統(tǒng)類似)，如果出現(xiàn)過熱，該系統(tǒng)可以保護電熱毯不被損毀；精確溫控系統(tǒng)(同樣與圖1類似)，用戶可以通過該系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)加熱溫度；熔斷系統(tǒng)，如果熔斷層14X熔斷，該系統(tǒng)能切斷電源。本應(yīng)用實例的優(yōu)點在于，傳感導線12X在全部三個控制系統(tǒng)中都發(fā)揮了作用。
一般說來，連續(xù)非報廢型過熱保護系統(tǒng)是用負溫度特性單元30X來進行調(diào)控。精確溫控系統(tǒng)(用戶用這一系統(tǒng)來精確調(diào)節(jié)加熱溫度)是用正溫度特性單元40X來進行調(diào)控。它們彼此獨立地運作。
我們首先考慮正溫度特性控制系統(tǒng)。電源波形的正半周期依次通過二極管56X、正溫度特性傳感導線16X、電阻器36X(它是一個電流感測電阻)、二極管38X、熱保險絲28X，最后通過中線N。在溫度約為20攝氏度時，連接點(A)處的正值電壓約為4.6伏。隨著電熱毯溫度的升高，由于傳感導線16X的正溫度特性，它的電阻值也將增加，造成連接點(A)處的電壓值下降(50攝氏度時約為4伏)。正溫度特性控制單元40X探測到這一電壓變化，它的比較器和邏輯電路將會作出反應(yīng)。舉例來說，如果用戶設(shè)置的最高溫度為45攝氏度，超過該溫度時閘流晶體管24X將關(guān)閉。向加熱裝置12X的電源輸出將被切斷。如果溫度恢復到45攝氏度以下，閘流晶體管24X重新接通，加熱過程繼續(xù)。
控制邏輯電路40X，實際為負溫度特性邏輯電路，只在主電源波形的零交叉點才允許接通或關(guān)閉。這樣做是為了保證系統(tǒng)不受無線頻率干擾(RFI)。通過采用這種設(shè)計，可以精確控制電熱毯溫度。如果溫控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或是電熱毯出現(xiàn)局部過熱(正溫度特性系統(tǒng)不能探測局部過熱情況)，則負溫度特性系統(tǒng)(它的設(shè)置溫度要高于裝置的一般工作溫度)將發(fā)揮作用。
負溫度特性系統(tǒng)是以并行模式工作的。也就是說，加熱裝置中任何局部過熱的情況都能被探測到。如圖3所示，沿加熱裝置的整個長度方向，加熱裝置12X和正溫度特性傳感器16X之間都用負溫度特性的熔斷層14X隔開，溫度升高時該熔斷層14X電阻值降低。如果是這樣，將出現(xiàn)以下情況電源波形的負半周期從中線N通過熱保險絲28X、電阻器50X和52X(它們與熱保險絲28X有熱接觸)、二極管46X和48X、正溫度特性傳感導線16X，穿過故障路線、負溫度特性熔斷層14X、加熱裝置導線12X，最后返回火線L。二極管56X阻斷了波形的負半周期，使之不能進入短路電路。二極管38X能夠防止加熱器電阻50X和52X被傳感器電阻36X短路。如果負半周期漏電，即使電流十分微弱，也能在(A)點處產(chǎn)生負半周期電壓。負溫度特性的比較器和控制邏輯電路30X能檢測到這個負電壓。如果它超過預設(shè)值，邏輯電路30X將關(guān)閉閘流晶體管22X，從而切斷電源。請注意，為了安全起見，正溫度特性及負溫度特性的探測器40X和30X是完全電氣地分開的。其中一個出現(xiàn)故障并不會影響另一個。
為了滿足審核要求，我們?nèi)匀徊捎昧藷崛蹟嘞到y(tǒng)。這一系統(tǒng)利用了熔斷層14X的負溫度特性。它是一種標準的熔斷系統(tǒng)設(shè)計，工作期間，如果正溫度特性和負溫度特性系統(tǒng)均發(fā)生故障，在下述情況下，軟式加熱裝置將出現(xiàn)局部過熱，最終導致負溫度特性的熔斷層14X熔斷(熔斷溫度約為120到130攝氏度)波形的負半周期從中線通過熱保險絲28x、加熱電阻器50X和52X、二極管46X和48X、傳感導線16X(或是直接通過，或是經(jīng)過二極管60X)、再經(jīng)熔斷區(qū)通過加熱裝置12X，最后到達火線端L。這一電流使得加熱電阻50X和52X溫度迅速升高。它們與熱保險絲28X有熱接觸，到達額定溫度(如102攝氏度)時保險絲熔斷，從而斷開加熱裝置電源。
從以上介紹可以看出，圖2和圖3所示的電路系統(tǒng)是一個三重過熱保護機制。沒有其它哪個系統(tǒng)能夠用如此簡單的結(jié)構(gòu)完成如此精密的功能。正溫度特性和負溫度特性的比較器和邏輯控制塊可以采用多種多樣的形式。從電子方面來說，多種系統(tǒng)都能滿足要求。
如果要從不同的加熱裝置設(shè)計中進行優(yōu)選，就圖2和圖3所示的應(yīng)用實例，正溫度特性部分的選材、厚度、以及沿導體長度方向每單位長度的繞線圈數(shù)等參數(shù)，要使得長度彼此不同的各種加熱裝置，傳感導線電阻值都相同，這樣同一個控制單元就可以用于各種型號的產(chǎn)品，無需分別校準，令生產(chǎn)過程大大簡化。
熔斷/負溫度特性層可用多種材料制成，我們在這里推薦使用涂層聚氯乙烯，這是一種擠塑型聚氯乙烯，其中混合有25％的Stannotin銻(以獲得所需的負溫度特性)，但只要適用，也可以選擇其它材料。
權(quán)利要求
1.一種用于電熱毯的加長形加熱裝置，包括一級導體，沿裝置的縱向延伸，用于為電熱毯提供熱量；二級導體，同樣沿裝置的縱向延伸；位于一級和二級導體間的熔斷層，其材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計使得它具有負溫度特性，并帶有電子控制裝置，電子控制裝置用于檢測熔斷層的電阻值變化，以提供一種手段，來改變向電熱毯提供熱量的導體的電源輸出，從而保護熔斷層不被損毀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中二級導體也是供熱導體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的加熱裝置，其中一個導體或兩個導體為電熱線制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的加熱裝置，其中二級導體具有傳感或檢測導體，當電熱毯的溫度偏離預設(shè)的值時，該傳感導體提供一電流通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的加熱裝置，其中傳感導體的電阻值具有正溫度特性(PTC)，溫度升高時電阻值增加，電子控制系統(tǒng)就是利用這一特性控制電源對供熱導體的輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的加熱裝置，其中傳感導體還提供一電流通道，如果負溫度特性層溫度過高，電流將穿過熔斷層，從而切斷電源對供熱導體的輸出。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的加熱裝置，其中負溫度特性層熔點較低(通常為120到130攝氏度)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的加熱裝置，其中熔斷層可設(shè)計得使之具有較小的負溫度特性，電子器件可設(shè)計得使之能夠在實際熔斷層熔斷前就檢測到其電阻極微小的變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的加熱裝置，其中在出現(xiàn)過熱情況時，電阻值的變化使得漏電流穿過熔斷層，而不至于造成熔斷層損壞，控制電路探測到這一漏電流后切斷電源對供熱導體的輸出。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的加熱裝置，其中熔斷層由熔斷塑料材料制成，如氯化聚乙烯、聚乙烯或交叉分子結(jié)構(gòu)的聚氯乙烯。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的加熱裝置，其中熔斷塑料上混合或涂覆一層涂料或其它適用材料，以獲得所需的負溫度特性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的加熱裝置，其中熔斷層材料為stantonin銻涂層的聚氯乙烯。
13.上述參照附圖描述的加熱裝置。
14.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的加熱裝置，電子控制器除外。
15.包括根據(jù)權(quán)利要求1至13任一項的加熱裝置的電熱毯。
全文摘要
電熱毯及類似產(chǎn)品的技術(shù)改進本項發(fā)明的構(gòu)成如下:電熱毯采用二級導體設(shè)計,兩級導體間用電阻值為負溫度特性(NTC)的熔斷層隔開。另外配備控制電路,出現(xiàn)過熱情況時,負溫度特性熔斷層尚未熔斷,漏電流通過熔斷層,造成兩級導體間短路,切斷電源對加熱導體的輸出,從而避免了熔斷層熔斷(這將使電熱毯報廢),因而電熱毯可重復使用。
文檔編號H05B3/56GK1286012SQ98812968
公開日2001年2月28日 申請日期1998年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月5日
發(fā)明者格雷厄姆·杰勒特 申請人:溫特沃姆有限公司