CN103889080A - 加热垫 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加热垫，包括：一加热元件，该加热元件具有一负温度电阻系数κ，该加热元件包括一粘结层以及一碳纳米管层，所述碳纳米管层包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管基本沿同一方向延伸，所述碳纳米管层中部分碳纳米管在垂直于碳纳米管层表面的方向上弯曲突起形成多个褶皱；一第一电极以及一第二电极，所述第一电极和第二电极设置于所述碳纳米管层的两端，并与所述碳纳米管层电连接；以及一温度控制器，所述温度控制器通过所述第一电极或第二电极与所述加热元件电连接，所述温度控制器用于控制施加于所述加热元件的电压U及电流I，从而控制所述加热元件的温度T，其中，T=(U/I-A)/κ，其中，A为常量。

Description

加热垫

技术领域

本发明涉及一种加热垫，尤其涉及一种含有碳纳米管的加热垫。

背景技术

在日常生活中，有很多地方要用到加热垫，例如，汽车座椅加热垫，电热毯，加热保健腰带等。现有的加热垫一般包括一基底、一碳纳米管层以及至少两个电极。所述碳纳米管层固定于所述基底的表面，所述至少两个电极平行且间隔设置于碳纳米管层的表面并与所述碳纳米管层电连接。另外，为了使该碳纳米管层具有较好的导电性能，进而提高该加热垫的热-电转换效率。一般使该碳纳米管层中的碳纳米管基本沿同一方向排列，即利用碳纳米管轴向良好的导电性能，从而提高该加热垫的热-电转换效率。然而，该碳纳米管层中的碳纳米管在其延伸方向的拉伸余量不足，当加热垫由於外力作用而发生形变时，该碳纳米管层中的碳纳米管容易发生断裂，故，该加热垫不耐弯折、且使用寿命较短。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种耐弯折、且寿命较长的加热垫。

一种加热垫，包括：一加热元件，该加热元件具有一负温度电阻系数κ，该加热元件包括一粘结层以及一碳纳米管层，所述碳纳米管层包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管基本沿同一方向延伸，所述碳纳米管层中部分碳纳米管在垂直于碳纳米管层表面的方向上弯曲突起形成多个褶皱；一第一电极以及一第二电极，所述第一电极和第二电极设置于所述碳纳米管层的两端，并与所述碳纳米管层电连接；以及一温度控制器，所述温度控制器通过所述第一电极或第二电极与所述加热元件电连接，所述温度控制器用于控制施加于所述加热元件的电压U及电流I，从而控制所述加热元件的温度T，其中，T=(U/I-A)/κ，其中，A为常量。

一种加热垫，包括：一加热元件，该加热元件具有一负温度电阻系数κ；一第一电极以及一第二电极，所述第一电极和第二电极设置于所述加热元件的两端，并与所述加热元件电连接；以及一温度控制器，所述温度控制器通过所述第一电极或第二电极与所述加热元件电连接，所述温度控制器用于控制施加于所述加热元件的电压U及电流I，从而控制所述加热元件的温度T，其中，T=(U/I-A)/κ，其中，A为常量。

与现有技术相比较，本发明的加热垫具有以下优点，其一，由于该碳纳米管层具有多个褶皱，所以，表面呈褶皱状态，因此，该加热垫在该方向上抗拉伸、耐弯折，故，所述加热垫具有良好的额耐用性。其二，本发明将该碳纳米管层铺设于一粘结层中，从而使该加热元件具有较大的负温度电阻系数，故，可以直接通过所述温度控制器控制施加于所述加热元件的电压及电流，从而控制该加热元件的温度，而无需使用热电偶等热传感器。故，该加热垫的成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例加热垫的结构示意图。

图2为本发明实施例加热垫中加热元件的碳纳米管层的照片图。

图3为本发明实施例加热垫中加热元件的碳纳米管层的光学显微镜照片图。

图4为本发明实施例中从碳纳米管阵列中拉取获得的碳纳米管膜的扫描电镜照片图。

图5为本发明实施例加热垫中加热元件的电阻随温度变化的曲线图。

主要元件符号说明

加热垫	10
		加热元件	11
第一电极	12
		第二电极	13
温度控制器	14
		柔性基底	110
粘结层	111
		碳纳米管层	112

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请一并参阅图1，本发明实施例提供一种加热垫10。该加热垫10包括一温度控制器14、一加热元件11、一第一电极12以及一第二电极13。所述第一电极12和第二电极13间隔设置，并与所述加热元件11电连接。本实施例中，第一电极12和第二电极13设置在加热元件11的表面。所述温度控制器14通过所述第一电极12或第二电极13与所述加热元件11串联。所述温度控制器用于感测及控制所述加热元件11的温度。

所述加热元件11包括一柔性基底110，一粘结层111以及一碳纳米管层112。所述柔性基底110具有一表面，所述粘结层111设置于该柔性基底110的表面。所述碳纳米管层112通过该粘结层111固定于该柔性基底110的表面。所述第一电极12和第二电极13设置于所述碳纳米管层112的两端，并与所述碳纳米管层112电连接。

所述柔性基底110的材料选自柔性并具有一定韧性及强度的绝缘材料，如硅橡胶、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、无纺布、PU、PVC、或真皮等。本实施例中，所述柔性基底110为一长方形的PU。

所述柔性基底110的表面涂布有一层粘结层111。本实施例中，所述粘结层111为硅胶层。

所述碳纳米管层112通过所述硅胶层粘附于所述柔性基底110，且该硅胶层的硅胶渗入到所述碳纳米管层112中相邻的碳纳米管之间，从而使碳纳米管层112与柔性基底110紧密结合。另外，由于该硅胶层的硅胶渗入到所述碳纳米管层112的结构中，故，该加热元件11具有较大的负温度电阻系数κ。所述碳纳米管层112由多个碳纳米管组成。请一并参阅图2和图3，所述碳纳米管层112中的碳纳米管在沿垂直于柔性基底110表面的方向上弯曲形成多个波浪状的突起结构。也就是说，该碳纳米管的某一部分已经高出其他部分，所以该碳纳米管层112从宏观结构看，包括多个褶皱，表面呈褶皱状态（请参阅图2）。用光学显微镜观察来看，在与碳纳米管延伸方向的交叉方向形成有多个皱纹（请参阅图3），该皱纹的延伸方向基本上垂直于所述碳纳米管层中碳纳米管的延伸方向。即，该加热元件11在其长度方向即碳纳米管的延伸方向有拉伸余量。

即使所述加热元件11在其长度方向上发生一定的形变时，由于所述柔性基底110具有弹性，该碳纳米管层112在加热元件11的长度方向有拉伸余量，该碳纳米管层112中的碳纳米管不会断裂。

所述加热元件11的具体形成方法为：首先，对所述PU基底施加一外力，使该PU基底在长度方向上拉伸，形成10%的变形。其次，在所述PU基底的表面涂布硅胶，形成一硅胶层。然后，将多层碳纳米管膜（请参阅图4）层叠铺设于所述PU基底，形成碳纳米管预制体。最后，去除施加在所述PU基底的外力，使该PU基底在长度方向上收缩至原型，此时，所述碳纳米管预制体也会随着所述PU基底收缩，形成碳纳米管层112。该碳纳米管层112中的部份碳纳米管在沿垂直于PU基底表面的方向上弯曲形成多个突起，因此，该碳纳米管层112为褶皱状态。可以理解，在形成所述加热元件后，也可以将所述柔性基底110去除，从而制备出不含柔性基底的加热元件。

请参见图4，所述碳纳米管膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列，所述择优取向排列是指在碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管膜的表面。进一步地，所述碳纳米管膜中大多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述自支撑为碳纳米管膜不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜置于（或固定于）间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管膜能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管膜中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。

具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。该碳纳米管膜在其延伸方向具有较小拉伸余量，而在垂直于其延伸方向上具有较大的拉伸余量。

本实施例中，将200层碳纳米管膜层叠层叠铺设于所述PU基底，且相邻的碳纳米管膜中的碳纳米管形成一0度交叉角，即，相邻的碳纳米管膜中的碳纳米管相互平行。

所述第一电极12和第二电极13为平行的两个条形电极，该第一电极12和第二电极13平行且间隔设置在所述碳纳米管层112的两端。该第一电极12和第二电极13与所述碳纳米管层112的具有较小的接触电阻。所述加热垫10中的碳纳米管从加热元件11的第一电极12向第二电极13延伸。即，所述碳纳米管的延伸方向与所述第一电极12和第二电极13的排列方向垂直。此时，所述从第一电极12延伸到第二电极13的多个碳纳米管在其延伸方向上通过范德华力首尾相连，且所述首尾相连的多个碳纳米管在沿垂直于柔性基底110表面的方向上弯曲形成所述突起结构。当然，并不限于此，所述加热垫10中的碳纳米管的延伸方向也可以与加热元件11的第一电极12和第二电极13的排列方向形成一大于0度到小于90度交叉角。

所述温度控制器14用于控制施加于所述加热元件11的电压及电流，从而控制所述加热元件11的温度。所述温度控制器14可以是功率调节器或可变电阻器等。本实施例中，该温度控制器14为一功率调节器。具体地，通过所述温度控制器14向所述加热元件11施加一预定的电流I和电压U，从而获得所述加热元件11的电阻R=U/I，进而通过所述加热元件11的电阻R获得所述加热元件11的温度T。具体地，由于所述加热元件11具有较大的负温度电阻系数κ，即，该加热元件11的电阻R随着温度T的升高而降低，故，可以通过该加热元件11的电阻R计算出该加热元件11的温度T。该加热元件11的电阻R与温度T满足以下关系：R=κT+A=U/I，其中，A为常量，可以通过测量不同的加热元件11获得。故，温度T=(U/I-A)/κ，κ小于等于-0.0050。请参见图5，本实施例中，该加热元件11的负温度电阻系数κ为-0.0051，A为7.428，故，其温度T=(U/I-7.428)/-0.0051。故，可以通过所述温度控制器14调节所述加热元件11的温度T。

传统的加热垫一般通过在加热元件的表面或内部设置一热电偶等温度传感器，通过该温度传感器可以获得所述加热元件在某一时刻的温度，进而通过一控制器对加热元件进行通电或断电等操作，从而使该加热元件维持在一预定温度。相对于传统的加热垫，本发明实施例的加热垫无需在加热元件的表面或内部设置一热电偶等温度传感器，仅通过控制施加于该加热元件的电压和电流就可以使该加热元件达到一预定温度。此外，由于一般的热电偶等温度传感器是设置于加热元件的局部位置，故，该热电偶检测到的是加热元件的局部温度，而不是整体温度，从而会使检测到的温度失真，故，难以实现精确控温；而本发明实施例的加热垫通过该温度控制器该加热元件整体达到一预定温度，故，可以实现精确控温。另外，本发明实施例的加热垫由于无需使用温度传感器，还可以降低该加热垫的成本。最后，由于设置于该柔性基底的碳纳米管层在垂直于柔性基底表面的方向上形成有多个突起，所以，表面呈褶皱状态，因此，该加热垫在该方向上抗拉伸、耐弯折。因此，所述加热垫具有较长的耐用性。

本发明实施例的加热垫可以应用于汽车座椅、电热毯、加热保健腰带等领域。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种加热垫，其特征在于，包括：

一加热元件，该加热元件具有一负温度电阻系数κ，该加热元件包括一粘结层以及一碳纳米管层，所述碳纳米管层包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管基本沿同一方向延伸，所述碳纳米管层中部分碳纳米管在垂直于碳纳米管层表面的方向上弯曲突起形成多个褶皱；

一第一电极以及一第二电极，所述第一电极和第二电极设置于所述碳纳米管层的两端，并与所述碳纳米管层电连接；以及

一温度控制器，所述温度控制器通过所述第一电极或第二电极与所述加热元件电连接，所述温度控制器用于控制施加于所述加热元件的电压U及电流I，从而控制所述加热元件的温度T，其中，T=(U/I-A)/κ，其中，A为常量。

2.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述碳纳米管层由多个碳纳米管组成，该多个碳纳米管基本从第一电极向第二电极延伸。

3.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。

4.如权利要求3所述的加热垫，其特征在于，所述褶皱为首尾相连的碳纳米管沿垂直于柔性基底表面的方向上弯曲形成的突起。

5.如权利要求2所述的加热垫，其特征在于，所述褶皱的延伸方向与碳纳米管层中碳纳米管的延伸方向交叉。

6.如权利要求5所述的加热垫，其特征在于，所述褶皱的延伸方向与碳纳米管层中碳纳米管的延伸方向垂直。

7.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述加热元件为碳纳米管层与粘结层组成的复合结构，该粘结层渗入到所述碳纳米管层中相邻的碳纳米管之间。

8.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，κ小于等于-0.0050。

9.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，进一步包括一柔性基底，所述碳纳米管层通过所述粘结层设置于所述柔性基底的表面。

10.如权利要求9所述的加热垫，其特征在于，所述柔性基底的材料为硅橡胶、聚四氟乙烯、无纺布、PU、PVC或真皮。

11.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，该加热垫不含有温度传感器。

12.如权利要求1所述的加热垫，其特征在于，所述温度控制器为功率调节器或可变电阻器。

13.一种加热垫，其特征在于，包括：

一加热元件，该加热元件具有一负温度电阻系数κ；

一第一电极以及一第二电极，所述第一电极和第二电极设置于所述加热元件的两端，并与所述加热元件电连接；以及

一温度控制器，所述温度控制器通过所述第一电极或第二电极与所述加热元件电连接，所述温度控制器用于控制施加于所述加热元件的电压U及电流I，从而控制所述加热元件的温度T，其中，T=(U/I-A)/κ，其中，A为常量。

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