CN108260887A - 一种碳纳米管电加热组件、电加热鞋垫和电加热鞋 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电加热服饰技术领域，具体涉及一种碳纳米管电加热组件以及电加热鞋垫和电加热鞋，其中碳纳米管电加热组件包括碳纳米管复合材料、柔性电池、PCB电路板、设置于PCB电路板上的控制开关以及温度传感器，碳纳米管复合材料为碳纳米管复合薄膜。与现有技术相比，本发明的碳纳米管复合材料具有发热面积大、发热效率高的优点，可直接粘贴或缝制在鞋垫/鞋等服饰材料的表面，而且具有易弯折、耐揉搓的优点，本发明通过温度传感器和控制开关可实现恒温调控，操作简单方便。

Description

一种碳纳米管电加热组件、电加热鞋垫和电加热鞋

技术领域

本发明涉及电加热服饰技术领域，具体涉及一种碳纳米管电加热组件以及电加热鞋垫和电加热鞋。

背景技术

为了解决冬天的保暖问题，人们致力于开发各类保暖鞋/鞋垫等保暖服饰。保暖服饰主要有被动保暖型和加热保暖型二大类。被动型保暖服饰常见有羽绒服、棉衣和加绒鞋垫，其主要是通过阻隔人体与外界的热交换，达到减少人体热量的散发而起到保暖的目的。但在寒冷的冬天，对于长时间在室外的人们来说，仅仅依靠人体自身发热量是远远不够的，因此被动保暖的方式保暖效果差，无法抵御低温天气。而主动加热型保暖服饰就是通过在服饰上安装电加热装置来对人体进行加热实现抗寒保暖，即电热服饰。

碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，其具有良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等优点，是目前最主要应用于保暖衣的加热材料。目前市面上出现的碳纤维加热服，由碳纤维材料通电后产生远红外光进行辐射加热来达到防寒的目的。如中国专利CN 104305584 A公开了一种碳纤维加热服，其技术方案采用碳纤维远红外发射加热方式，该加热服包括加热服本体和控制单元，加热服本体内设有若干加热单元，每个加热单元内均设有温度感应装置，控制单元包括能量输出单元和温度调节单元，温度调节单元连接温度感应装置，能量输出单元连接加热单元，纤维两端运用铜线与其他元件进行电连接，实现电加热，但其缺陷是：加热组件不耐折、不耐洗；控制单元与电源外置，不利于人们穿着；采用碳纤维作为发热体，发热面积偏小，发热效率低。另外，还有采用石墨烯作为电热服的加热材料，如中国专利申请CN 107028248 A公开了一种石墨烯服装，其技术方案将石墨烯涂层通过电热丝与外接电源连接，通3～6V的电压，利用石墨烯远红外发射加热，其缺陷是：加热后石墨烯向四周发散远红外光，未集中向人体发射，发热效率不高；电热丝易折断，不耐揉搓，未进行防水处理，给使用带来不便，而且成本高。此外，随着智能时代的到来，智能电热服快速发展，电热服开关越来越朝着小型化、轻薄化和高智能化发展。例如中国专利20429051U公开了一种智能电加热服开关，其主要利用手机APP通过蓝牙控制温度，但是其缺陷是：该蓝牙智能控制开关中，需要先手动打开机械开关，才能实现手机蓝牙信号与开关蓝牙信号的连接，因此，并不能真正实现完全无线操控，操作麻烦，而且不是恒温控温，对电热服的人体舒适度有影响。

现有技术的电加热鞋/鞋垫等电加热服饰主要存在以下待解决的问题：：(1)碳纤维作为服装用电加热材料直径大穿着有突兀感，发热效率低，不宜折叠不宜洗涤；石墨烯涂料作为加热材料应用在服装上，需借助PET等基材作为载体，即以液态涂覆在基材上形成加热薄膜，然后再缝制或者粘贴在衣服上，制作工艺复杂，硬质的基材使得穿着舒适度差，而且发热面积小，只能局部供热，发热效率低；(2)现有的电源外置，加热组件易折断，不耐揉搓，清洗时发热元件易与导线脱离，这些均造成使用上的诸多不便；(3)控制开关为机械开关，需要手动打开，如果使用在鞋垫内，每次都要拿出鞋垫，其操作复杂，而且不能实现恒温控温。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本发明的目的在于提供一种发热面积大且发热效率高、柔性好、使用方便的碳纳米管电加热组件及电加热鞋垫和电加热鞋。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：包括碳纳米管复合材料、用于向碳纳米管复合材料供电的柔性电池、PCB电路板、设置于所述PCB电路板的控制开关以及与所述控制开关电连接的温度传感器；所述PCB电路板分别与所述控制开关和柔性电池电连接，所述碳纳米管复合材料为碳纳米管复合薄膜。

其中，所述碳纳米管复合薄膜是由碳纳米管和石墨烯复合而成，或者所述碳纳米管复合薄膜是由碳纳米管和PVA复合而成，或者所述碳纳米管复合材料是由碳纳米管、石墨烯和PVA复合而成。

其中，所述碳纳米管复合薄膜的厚度为3～30μm。

其中，所述柔性电池包括若干个依次叠加的柔性固态电池单元，每个柔性固态电池单元包括依次层叠设置的柔性正极片、柔性隔膜和柔性负极片，所述柔性隔膜是由PE膜层和碳纳米纤维膜层复合而成，所述碳纳米纤维膜层表面镀有纳米级氧化锡层。

其中，所述纳米级氧化锡层的厚度为0.05mm～0.15mm。

其中，所述控制开关为无线控制开关，所述碳纳米管电加热组件还包括遥控器，其中：

遥控器包括用于处理数据信号的遥控器主控芯片以及与遥控器主控芯片连接的第一无线射频信号收发模块；

无线控制开关包括用于处理数据信号的开关主控芯片、分别与开关主控芯片连接的第二无线射频信号收发模块和温度控制器，温度传感器分别与温度控制器和开关主控芯片连接。

其中，所述遥控器还包括与遥控器主控芯片连接的用于蓝牙信号传输的蓝牙模块，蓝牙信号与射频信号保持同步。

其中，所述柔性电池为可充电的柔性电池，所述PCB电路板设置有充电接口；所述碳纳米管电加热组件的外部均设置有防水层。

本发明还提供一种电加热鞋垫，包括鞋垫本体，所述鞋垫本体内设置有上述碳纳米管电加热组件。

本发明还提供一种电加热鞋，包括鞋底，所述鞋底开设有槽孔，所述槽孔内设置有上述碳纳米管电加热组件。

本发明的有益效果：

本发明的一种碳纳米管电加热组件，包括碳纳米管复合材料、用于向碳纳米管复合材料供电的柔性电池、PCB电路板、设置于PCB电路板的控制开关以及与控制开关电连接的温度传感器；工作时，柔性电池向碳纳米管复合材料供电，并根据温度传感器和控制开关调控加热温度。与现有技术相比，本发明采用碳纳米管复合薄膜作为加热材料，相比现有的碳纤维、石墨烯涂料等加热材料，具有发热面积大、发热效率高的优点，并兼具了优良的机械性能和导电性能，而且碳纳米管复合材料为碳纳米管复合薄膜，其应用在服饰上，不需要借助基材，可直接粘贴在鞋垫/鞋材料的表面，无任何突兀感，舒适度高；故大大简化了制作工艺；此外，本发明采用柔性电池供电，不需要外接电源，可制作成任意形状，还具有易弯折、耐揉搓的优点，便于穿着和清洗，而且本发明通过温度传感器和控制开关可实现恒温调控，操作简单方便。因此，本发明的碳纳米管电加热组件可应用于鞋垫和鞋等电加热服饰中，保暖效果好，使用方便，其具有良好的市场应用前景。

附图说明

图1为实施例1的一种碳纳米管电加热组件的结构示意图。

图2为实施例1的一种碳纳米管电加热组件的无线控制开关的方框原理示意图。

图3为实施例1的一种碳纳米管电加热组件的碳纳米管复合材料的发热原理示意图。

图4为实施例2的一种电加热鞋垫的结构示意图。

图5为实施例2的一种电加热鞋垫的另一角度的结构示意图。

图6为实施例4的一种电加热鞋的结构示意图。

附图标记说明：

碳纳米管复合材料1、柔性电池2、PCB电路板3、充电接口31；

遥控器4、遥控器主控芯片41、第一无线射频信号收发模块42、蓝牙模块43；

控制开关5、开关主控芯片51、第二无线射频信号收发模块52、温度控制器53；

手机6、红外反射层7、保温层8、温度传感器9、导线10；

鞋垫本体100、鞋底200、槽孔201。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

一种碳纳米管电加热组件，如图1所示，包括碳纳米管复合材料1、用于向碳纳米管复合材料供电的柔性电池2、PCB电路板3、设置于PCB电路板的控制开关5以及温度传感器9，PCB电路板分别通过导线10与控制开关5和柔性电池2电连接，温度传感器9与控制开关5电连接，用于实时检测加热温度并通过控制开关5对加热温度进行调控。碳纳米管复合材料为碳纳米管复合薄膜，厚度为3～30μm，优选6μm。所制成的碳纳米管复合薄膜的厚度可调控。本发明采用碳纳米管复合薄膜作为加热材料，相比现有的碳纤维、石墨烯涂料等加热材料，具有发热面积大、发热效率高、重量轻的优点，并兼具了优良的机械性能和导电性能，而且本发明的碳纳米管复合材料为碳纳米管复合薄膜，应用在鞋垫或鞋等服饰上，不需要借助基材，可直接粘贴在鞋垫/鞋等材料的表面，无任何突兀感，舒适度高；且大大简化了制作工艺，易于加工。

本实施例中，作为优选的实施方案，碳纳米管复合材料可以是由碳纳米管和石墨烯复合而成，或者碳纳米管复合材料由碳纳米管、石墨烯和PVA复合而成，或者碳纳米管复合材料是由碳纳米管和PVA复合而成，其中PVA的重量含量为0.1～5％，配方中加入PVA是用于提升碳纳米管复合纤维的强度和光滑度。进一步，如图3所示，可在碳纳米管复合材料1的两侧分别设置红外反射层7和保温层8，使保暖效果会更加明显。当碳纳米管复合材料通电发热时，碳纳米管复合材料受电激发，向四周发射远红外光，背离加热部位发射出的远红外光大部分会经过红外反射层7而反射回加热部位，同时保温层8蓄积热量，进一步使发热效果更加明显。

本实施例中，柔性电池2包括若干个依次叠加的柔性固态电池单元，每个柔性固态电池单元包括依次层叠设置的柔性正极片、柔性隔膜和柔性负极片，柔性隔膜是由PE膜层和碳纳米纤维膜层复合而成，碳纳米纤维膜层表面镀有纳米级氧化锡层。其中，碳纳米纤维膜层且具有柔韧度好、机械强度高、高导电性、质量轻等优点。优选的，纳米级氧化锡层的厚度设置为0.05mm～0.15mm，纳米级氧化锡柔软度高、厚度薄，且电学性能优良，由于柔性电池2柔韧度极佳，耐折、耐压、耐揉搓、不易爆，可做成任意形状，如设置在电加热鞋垫或鞋上，可制作成超薄平面状，使穿着舒适方便。作为优选的实施方案，当应用于电加热服饰时，柔性电池2的供电电压设为3.7～7.5V，功率为2～10W。柔性电池2柔韧度极佳，耐折、耐压、不易爆，耐揉搓，可做成任意形状，穿着方便。该柔性电池为可充电的柔性电池，在PCB电路板3上设置有充电接口31，该充电接口可以是microUSB接口等任意形式，便于随时充电，持续使用，而且不需要将鞋垫取出来，使用非常方便。

本实施例中，如图2所示，控制开关5为无线控制开关5，碳纳米管电加热组件还包括遥控器4，其中：遥控器4包括用于处理数据信号的遥控器主控芯片41以及与遥控器主控芯片41连接的第一无线射频信号收发模块42，无线控制开关5包括用于处理数据信号的开关主控芯片51、分别与开关主控芯片51连接的第二无线射频信号收发模块52和温度控制器53，温度传感器9连接温度控制器53和开关主控芯片51。使用时，利用遥控器4，通过无线射频信号即可打开或关闭无线控制开关5。当无线控制开关5打开后，直接用遥控器4发出调档信号，通过无线射频信号控制开关5，调到指定温度档位，加热片开始工作，温度传感器9将实时检测的温度数据反馈至温度控制器53，进而对加热电路进行调控，使加热温度维持在选定温度范围内，高于该温度，温度传感器9控制加热电路自动停止加热，低于该温度则继续加热，直到达到设定温度后维持恒温。作为优选的实施方案，本发明采用无极恒温调控，例如加热温度范围在40～55℃，设置几个温度档位，每设定一个温度，温度保持该档位温度不变。由此，本发明可实现无线控制加热电路，省去了现有技术的机械开关结构，由遥控器4打开开关即可，操作更加简单。

作为优选的实施方案，本发明还可以通过手机6对整个加热电路进行调控：遥控器4还包括与遥控器主控芯片41连接的用于蓝牙信号传输的蓝牙模块43，蓝牙信号与射频信号保持同步。手机6通过蓝牙数据传输与遥控器4连接，温度传感器9将检测的温度数据反馈至开关主控芯片51进行数据的处理，开关主控芯片51将温度信号通过无线射频信号发送至遥控器4，然后遥控器4通过蓝牙数据传输至手机6终端，进而使得手机6与无线控制开关5对接，从而实现通过手机6完全无线智能控制整个电路的目的。进一步，无线控制开关5还包括与开关主控芯片51连接的指示灯54，当加热温度到达设定温度值时，指示灯54亮，起到提醒或者报警的功能。本发明可采用蓝牙+遥控双重控制的组合模式，保持蓝牙信号与射频信号同步，省去了机械开关结构，由遥控器4打开无线控制开关5即可，然后由手机6蓝牙连接无线控制开关5，手机6通过蓝牙APP指示遥控器4进行调档调温，进而实现控制整个电路。

本实施例中，碳纳米管电加热组件的外部均设置有防水层，防水层由TPU、聚四氟乙烯或其他防水材料制成，采用防水处理可防止进水对碳纳米管电加热组件的损坏，而且利于清洗。

与现有技术相比，本发明采用碳纳米管复合薄膜作为加热材料，相比现有的碳纤维、石墨烯等加热材料，具有发热面积大、发热效率高的优点，并兼具了优良的机械性能和导电性能，而且碳纳米管复合材料1为碳纳米管复合薄膜，其应用在服饰上，不需要借助基材，可直接粘贴在鞋垫/鞋等服饰材料的表面，故大大简化了制作工艺；此外，本发明采用柔性电池2供电，不需要外接电源，可制作成任意形状，还具有易弯折、耐揉搓的优点，便于穿着和清洗，而且本发明通过温度传感器9和控制开关5可实现恒温调控，操作简单方便。因此，本发明的碳纳米管电加热组件可应用于鞋垫和鞋等电加热服饰中，保暖效果好，使用方便，其具有良好的市场应用前景。

实施例2：

一种电加热鞋垫，如图4和图5所示，包括鞋垫本体100，鞋垫本体100内设置有碳纳米管电加热组件，该碳纳米管电加热组件的结构与实施例1完全相同。

当鞋垫本体100采用模具一体成型加工时，可在鞋垫本体100开设槽孔，碳纳米管电加热组件固定于槽孔内。生产时，先将经防水处理后的碳纳米管电加热组密封固定于鞋垫模具的槽孔内，然后再将鞋垫一体成型加工。

作为优选的实施方案，在鞋垫本体100的上、下表面分别设置有红外反射层7和保温层8，使保暖效果会更加明显。当碳纳米管复合材料1通电发热时，碳纳米管复合材料1受电激发，向四周发射远红外光，该远红外光大部分会经过红外反射层7而反射回鞋垫本体100，同时保温层8蓄积热量，进一步使发热效果更加明显。

与现有技术相比，本发明采用碳纳米管复合薄膜作为加热材料，相比现有的碳纤维、石墨烯等加热材料，具有发热面积大、发热效率高的优点，并兼具了优良的机械性能和导电性能，而且碳纳米管复合材料1为碳纳米管复合薄膜，其应用在电加热鞋上，不需要借助基材，可直接粘贴在鞋垫材料的表面，故大大简化了制作工艺；此外，本发明的柔性电池2不需要外接电源，可制作成超薄平面状，还具有易弯折、耐揉搓的优点，便于穿着和清洗，提升舒适度，而且本发明的电加热鞋垫可采用遥控器控制模式或者手机蓝牙控制模式(与实施例1相同，此处不再赘述)，从而省去了机械开关结构，通过遥控器或者手机蓝牙操作控制开关5即可实现恒温调控，操作简单方便。因此，本发明的电加热鞋垫，保暖效果好，使用方便，其具有良好的市场应用前景。

实施例3：

一种电加热鞋垫，本实施例的主要技术方案与实施例2的相同，不同之处在于：鞋垫本体100为层结构，鞋垫本体100包括上层鞋垫和下层鞋垫，碳纳米管电加热组件设置于上层鞋垫和下层鞋垫之间的夹层中，且碳纳米管电加热组件分别与上层鞋垫和下层鞋垫粘接固定。

实施例4：

一种电加热鞋，如图6所示，包括鞋底200，鞋底200开设有槽孔201，槽孔201内固定有碳纳米管电加热组件，该碳纳米管电加热组件的结构与实施例1的完全相同。

加工鞋底200时，先将经防水处理后的碳纳米管电加热组密封固定于鞋底200模具的槽孔201内，然后再经过发泡工艺加工制成鞋底200。

与现有技术相比，本发明采用碳纳米管复合薄膜作为加热材料，相比现有的碳纤维、石墨烯等加热材料，具有发热面积大、发热效率高的优点，并兼具了优良的机械性能和导电性能，而且碳纳米管复合材料1为碳纳米管复合薄膜，其应用在电加热鞋上，不需要借助基材，可直接粘贴在鞋底200材料的表面，故大大简化了制作工艺；此外，本发明的柔性电池2不需要外接电源，可制作成超薄平面状，还具有易弯折、耐揉搓的优点，便于穿着和清洗，提升舒适度，而且本发明的电加热鞋可采用遥控器控制模式或者手机蓝牙模式(与实施例1相同，此处不再赘述)，从而省去了机械开关结构，通过遥控器或者手机蓝牙操作控制开关5即可实现恒温调控，操作简单方便。因此，本发明的电加热鞋，保暖效果好，使用方便，其具有良好的市场应用前景。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：包括碳纳米管复合材料、用于向碳纳米管复合材料供电的柔性电池、PCB电路板、设置于所述PCB电路板的控制开关以及与所述控制开关电连接的温度传感器；所述PCB电路板分别与所述控制开关和柔性电池电连接，所述碳纳米管复合材料为碳纳米管复合薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：所述碳纳米管复合薄膜是由碳纳米管和石墨烯复合而成，或者所述碳纳米管复合薄膜是由碳纳米管和PVA复合而成，或者所述碳纳米管复合材料是由碳纳米管、石墨烯和PVA复合而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：所述碳纳米管复合薄膜的厚度为3～30μm。

4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：所述柔性电池包括若干个依次叠加的柔性固态电池单元，每个柔性固态电池单元包括依次层叠设置的柔性正极片、柔性隔膜和柔性负极片，所述柔性隔膜是由PE膜层和碳纳米纤维膜层复合而成，所述碳纳米纤维膜层表面镀有纳米级氧化锡层。

5.根据权利要求4所述的一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：所述纳米级氧化锡层的厚度为0.05mm～0.15mm。

6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：所述控制开关为无线控制开关，所述碳纳米管电加热组件还包括遥控器，其中：

遥控器包括用于处理数据信号的遥控器主控芯片以及与遥控器主控芯片连接的第一无线射频信号收发模块；

无线控制开关包括用于处理数据信号的开关主控芯片、分别与开关主控芯片连接的第二无线射频信号收发模块和温度控制器，温度传感器分别与温度控制器和开关主控芯片连接。

7.根据权利要求6所述的一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：所述遥控器还包括与遥控器主控芯片连接的用于蓝牙信号传输的蓝牙模块，蓝牙信号与射频信号保持同步。

8.根据权利要求1所述的一种碳纳米管电加热组件，其特征在于：所述柔性电池为可充电的柔性电池，所述PCB电路板设置有充电接口；所述碳纳米管电加热组件的外部均设置有防水层。

9.一种电加热鞋垫，包括鞋垫本体，其特征在于：所述鞋垫本体内设置有权利要求1至8任意一项所述的一种碳纳米管电加热组件。

10.一种电加热鞋，包括鞋底，其特征在于：所述鞋底开设有槽孔，所述槽孔内设置有权利要求1至8任意一项所述的一种碳纳米管电加热组件。