CN1133355C - 电热毯及类似产品的技术改进 - Google Patents

Abstract

电热毯及类似产品的技术改进本项发明的构成如下：电热毯采用二级导体设计，两级导体间用电阻值为负温度特性(NTC)的熔断层隔开。另外配备控制电路，出现过热情况时，负温度特性熔断层尚未熔断，漏电流通过熔断层，造成两级导体间短路，切断电源对加热导体的输出，从而避免了熔断层熔断(这将使电热毯报废)，因而电热毯可重复使用。

Description

电热毯及类似产品的技术改进

本发明涉及的产品在本文中被统称为“电热毯”，这一称呼在大多数场合下是恰当的，但实际上它们并不都是“毯子”一类的物品，而是更广泛意义的“平面材料”。只是这些平面材料总是带有电加热元件，而我们习惯把这样的带电加热元件的平面材料称作电热毯。我们在下文中就只用“电热毯”这个名称，以使行文简洁，但读者应当知道，本发明还可以应用到其它各种平面材料加热场合，如电热片或是暖椅垫。

无论如何，本发明更具体地涉及上述毯子的加热元件。

传统地，电热毯包括采用长型管的加热元件，后者最里层是芯管，然后由里到外依次是：一级电阻加热导体(又叫做内层电阻加热导体)、紧贴内层导体的塑料(如聚乙烯材料)熔管、紧贴塑料熔管的二级电阻加热导体(又叫做外层电阻加热导体)，最外层是外管护套。熔管在两层导体之间形成一个熔断保护层。

在加热元件的一端，加热导体与交流电源元件相连或待作连接，另一端与一个单向整流器(如二极管)相连，这样只有半个周期的波形能够通过加热导体。一般都是将电源波形的正半周期通过加热导体。

我们把元件中的塑料管叫做“熔管”，因为它能在电热毯加热过度的时候起到熔断保险的作用。熔管熔断后，或是造成两层加热导体间短路(如果是加热元件靠近电源一端熔断)，或是造成电源波形的负半周期通过加热导体，这两种情况都能被系统检测到，从而及时断开电源。

尽管这种传统设计有一些缺陷，绝大多数电热毯还是采用了上述结构。它的缺陷之一是，如果出现熔断情况，加热元件不可修复，电热毯将报废。显然，这将造成极大的浪费。

人们已经开始各种尝试，希望在过热时能够对电源加以控制，使电热毯不至于报废。方法之一是在元件中加入第三级电导体(比如金属箔类型的材料)。这第三级导体被放置在芯管中，用一层经特殊涂层处理的聚氯乙烯把它与相邻的内层加热导体分隔开，并在这两层导体间形成一个电阻。涂层聚氯乙烯的电阻值具有负温度特性(NTC)，也就是说当材料的温度升高时，它的电阻值会降低。它的负温度特性相当显著，在室温条件下，一级导体与三级导体间的电阻值是兆欧数量级，而在比如说70摄氏度的条件下，电阻值只有几百欧姆。电热毯中如果添加了第三级导体，就可以利用它的负温度特性，用电子技术检测其电阻值是否因加热过度而发生变化，从而可以在电热毯熔断前对电源进行调整，这样即使加热过度，电热毯也不至于报废。同样的设计还可用来进行温度控制，用户可以自行调整最舒适的加热温度。

三级导体系统也有它的缺陷，包括加入了第三级导体和负温度特性材料后，元件厚度会增加，电热毯的厚度也相应增加，不易折叠，当然价格也更昂贵。另外，如果三级导体电热毯的第三级导体控制系统出现故障，它还是要根据熔断原理来工作，与二级导体的电热毯没有不同。

即使我们将上面介绍过的负温度特性材料应用于二级导体加热元件，要在整个加热系统中获得均匀的加热性能是很困难的。为此需要经常进行校准控制，既不经济，又浪费时间。

市场销售的各种加热设备尺寸各异，不同设备的加热元件长度也不同，因而控制单元得到的负温度特性反馈数值也彼此不一，为此也需要对各台设备单独进行校准。

另一种方法叫做正温度特性(PTC)方法。这一系统是美国人发明的，采用两根并行母线，为加碳聚合物材料加热，加热元件能够自行调节。从理论上说这一系统十分完美，但它的缺点是成本高。生产难度大。体积臃肿，使得整个加热设备体积过大，并且由于欧洲通用电压为240伏，而美国是110伏，在欧洲使用时容易出现故障。

我们也可以在元件中加入双金属片来检测高温，但这样做增加了成本和设备体积，而且装配难度很大。

本发明涉及的是二级导体(加热元件仅需要一个导体)而非三级导体型的电热毯，它能够检测到过热情况，而又不至于烧毁加热部件和电热毯，因而电热毯可以重复使用。

根据本项发明，我们采用加长型设计，整个电热毯加热元件由以下部分组成：一级导体，沿元件的纵长方向走线，用于产生电热毯的热量：二级导体，同样沿元件的纵长方向走线；一级和二级导体间的熔断层，其材料选择和结构设计使得它具有负温度特性，并带有电子控制元件，可检测到熔断层的电阻值变化，来提供一种手段，控制向电热毯提供热量的导体的电源，从而保护熔断层不被损毁。

在首选设计中，二级导体也是提供热量的导体，两级导体都可以包括电热线。

也可以采用另外一种设计方案，即二级导体可以为传感或检测导体，如果电热毯温度出现异常，可以提供一条电流通道。具体地，传感导体具有正温度特性(PTC)，当它的温度升高时，电阻值也增加，电子控制元件就可以利用这一特性来调节电源对加热导体的输出。

传感导体还可同时提供电流通道，这一通道同样通过负温度特性层，如果负温度特性层显示温度过高，就能切断电源对加热导体的输出。

熔断层最好是负温度特性，熔点不要足够高(通常以120到130摄氏度)，这样电热毯就能够满足现行法规(如IEC规程)一般的安检要求。如果考虑这一点，涂层聚氯乙烯的熔点过高，不满足要求，但改进型软式聚氯乙烯材料就能够满足要求。举例来说，Stantonin锑材料涂层、涂层所占重量为20％的软式聚氯乙烯，就很合适。

熔断层的设计应该使之具有较小的负温度特性，电子器件的设计使之能够在熔断层熔断前就检测到其电阻极微小的变化。

一般说来，在上面介绍过的三级导体型电热毯中，由于电子元件比较简单，负温度特性必须十分明显，以便上述的控制元件能令人满意地工作。而对用作熔断目的的塑料材料而言，如果要求它们有较高的负温度特性，必须有很厚的涂层，会损害它们的熔断特性，甚至不能再用作熔断目的。为此才需要采用三级导体。

而采用本发明，熔断层(低熔点特性)同时具有负温度特性，因此就不再需要第三级导体了。实际上，熔断层可以做得很小，电加热部件可以更薄、更精巧。这种设计特别适用于所谓的“大包毯”，能够从外部加热，供人畜取暖。

熔断特性及负温度特性可以从单一材料中获得，也可以选用熔断塑料材料，如聚乙烯或交叉分子结构的聚氯乙烯，经涂层或混合处理，以获得所需的负温度特性。

由于负温度特性最好比较低，因此需要采用合适的、高质量的电子器件，从而能够在熔断实际发生前就能探测到熔断层中的微小变化，防止在出现过热情况时加热部件和电热毯烧毁。

下面用实例说明本项发明的具体应用，各例均有附图，说明如下：

图1给出应用实例一的加热元件电路图；

图2是应用实例二的加热元件侧视图；以及

图3是图二所示加热元件的电路图。

参考这些示意图，电路由输入端10和12组成，交流电源电压就加在这两个终端上。电源电压经整流后输入电热毯的加热元件14(图中未显示)。电源电压要通过由开关、保险丝18、内层导体20、二极管22(它装在电热毯中，仅允许交流电压波形的正半周通过)、外层导体24、二极管26、硅树脂控制的整流器28(对电源实施控制，下文将有介绍)、保险丝30和开关32(与开关相连，协调运作)等元件组成的电路。参考号为34的元件是熔断层，它同时具有较低的负温度特性。

按传统设计，如果出现熔断情况，内外两层导体20和24接触，会发生下述两种情况之一(具体取决于接触点距加热元件两端的距离)：如果是在二极管22所在一端或距这一端较近，两层导体接触会使得电源电压的负半周也能通过加热元件(通过包括开关32、保险丝30、并联电阻器对36和38、并联二极管对40和42、外层导体24、两层导体的接触部位、内层导体20、保险丝18和开关16的电路)。电流使得电阻器36和38的温度升高，而它们与保险丝30有热接触，使之熔断，从而切断电源。如果发生这种情况，加热元件被烧毁，电热毯也将报废。

如果熔断和接触是发生在装置的另一端(输入端)，那么随之而来的仅仅是短路情况，保险丝18烧断，切断电源。但电热毯同样会报废。

但在瞬时反应模型中，整流器28能够在电子控制电路的帮助下对电源实施控制，正常工作时，即使出现过热，也不至于熔断。这里讲到的控制电路用50、52、54和56号线路标示。

该电路的驱动电压来自主电源，在本例中是一个8.2伏的直流电压，用二极管58、电阻器60、齐纳二极管62、二极管64和电容器66进行简单装配就可以了。

控制电路包括一个4093B四芯导线与非门68，与它的附件(68A，68B)一起构成一个脉冲信号荷周比可变的脉冲发生器，它的“接通”时间和“关闭”时间通过电阻器70、72和74、76与主电源波形的零点交叉同步。电源第六挡(如图示)的“接通”时间点整个周期的95％，而电源第一挡的“接通”时间只占5％。周期全长约在5秒的数量级。这种电路不需要体积庞大、价格昂贵的抗无线频率干扰器件，它本身也是一项独立的发明成果。

下面我们介绍本项发明应用实例的工作原理。

正常工作时，也就是说没有出现过热情况，二极管40和42连接处(点“A”)的电压相对于地线78(零电压)总是为正值。正半周期的波形被二极管80阻断，不能进入控制电路。

如果电热毯整个或部分地出现过热情况，负温度特性的熔断层24将作出反应，电阻值略有降低，产生少许漏电，通过导体20和24，形成一个电流旁路，绕过半波整流二极管22，从而形成负半周期波形的电流。负半周期波形电流通过限流电阻82、电容器84和齐纳二极管86，其平均值为一个负数的安全直流电压，在本例中为8.2伏。这个电压加在“B”点上，通过齐纳二极管88，进入与非门8A的电压被缩减到0伏，使得门电路68失效。这样一来整流器28就被关闭，电源输入被切断，从而不会发生熔断，即使出现过热，电热毯也不至于烧毁。当然，如果控制电路由于各种各样的原因发生故障，出现过热情况时通常的熔断机制会作出反应，此时电热毯也就报废了。

图2和图3是本发明的另一个应用实例，它的实用性更强。参考图示，图2中的加热元件是一根软式电缆，从中心向外，分别是纤芯10x、加热元件导线12X(螺旋缠绕在纤芯10X外圈)、低熔点(120-130摄氏度)的负温度特性熔断层14x、正温度特性的传感导线16X和外层18X(这是一个聚氯乙烯或其它类似材料制成的护套)。加热导线12X是标准的电热毯电热线，而选用的纤芯是软式加热元件生产中常用的材料。熔断层14X最好是挤塑型的，并具有较低的负温度特性。传感导线可以用纯铜或纯镍制成。外层18X最好也是挤塑型的，还要能够防水。

正温度特性传感导线16选材时要仔细考虑其厚度，使得无论加热设备尺寸如何(长度预先确定)，传感装置的电阻值始终保持不变。这样一来，同一个控制单元可以用于各种型号的产品，无需进行校准，为生产厂家提供了方便。

参考图3，这是图2所示加热元件的电路图，装置的各元件在20X处标示。用单独一根加热导线12X与两只闸流晶体管22X和24X串联，跨接240伏的交流电源，用火线L和中线N分别标示，中线接地，如26X处所示。闸流晶体管22X和24X能阻断电源波形的负半周期，使之不能通过导线12X。中线N带热保险丝28X。

闸流晶体管2X通过它的门电路与负温度特性控制单元30相连，该控制单元位于串联电路(由单元30、电阻器32X、二极管34X、电阻器36X和二极管38X组成)中，该电路跨接火线L和中线N。

闸流晶体管24X的门电路与正温度特性单元40X相连，40X串联在火线L和中线N之间的电路中，电路组成为：单元40x、电阻器42x、二极管44x、二极管对46X和48X(并联结构，以确保安全)以及并联电阻对50X和52X。正温度特性单元与温控测量仪54X连接，用户可以用这个温控测量仪设置电热毯工作的平均加热温度。

正温度特性传感导线16X连接在火线L和中线N之间的电路中，电路组成为：二极管56X、传感导线16X、电阻器36X和二极管38X。

最后，在传感导线16X上再并联一只二极管60X，用于电路保护。

各电路之间的连接情况在图中均有清楚标示。

上述电路的工作原理如下。

图示的电路中有三个基本的控制系统，分别是：连续过热保护系统(与图1所示电路系统类似)，如果出现过热，该系统可以保护电热毯不被损毁；精确温控系统(同样与图1类似)，用户可以通过该系统精确调节加热温度；熔断系统，如果熔断层14X熔断，该系统能切断电源。本应用实例的优点在于，传感导线12X在全部三个控制系统中都发挥了作用。

一般说来，连续非报废型过热保护系统是用负温度特性单元30X来进行调控。精确温控系统(用户用这一系统来精确调节加热温度)是用正温度特性单元40X来进行调控。它们彼此独立地运作。

我们首先考虑正温度特性控制系统。电源波形的正半周期依次通过二极管56X、正温度特性传感导线16X、电阻器36X(它是一个电流感测电阻)、二极管38X、热保险丝28X，最后通过中线N。在温度约为20摄氏度时，连接点(A)处的正值电压约为4.6伏。随着电热毯温度的升高，由于传感导线16X的正温度特性，它的电阻值也将增加，造成连接点(A)处的电压值下降(50摄氏度时约为4伏)。正温度特性控制单元40X探测到这一电压变化，它的比较器和逻辑电路将会作出反应。举例来说，如果用户设置的最高温度为45摄氏度，超过该温度时闸流晶体管24X将关闭。向加热元件12X的电源输出将被切断。如果温度恢复到45摄氏度以下，闸流晶体管24X重新接通，加热过程继续。

控制逻辑电路40X，实际为负温度特性逻辑电路，只在主电源波形的零交叉点才允许接通或关闭。这样做是为了保证系统不受无线频率干扰(RFI)。通过采用这种设计，可以精确控制电热毯温度。如果温控系统出现故障，或是电热毯出现局部过热(正温度特性系统不能探测局部过热情况)，则负温度特性系统(它的设置温度要高于装置的一般工作温度)将发挥作用。

负温度特性系统是以并行模式工作的。也就是说，加热元件中任何局部过热的情况都能被探测到。如图3所示，沿加热元件的整个长度方向，加热元件12X和正温度特性传感器16X之间都用负温度特性的熔断层14X隔开，温度升高时该熔断层14X电阻值降低。如果是这样，将出现以下情况：

电源波形的负半周期从中线N通过热保险丝28X、电阻器50X和52X(它们与热保险丝28X有热接触)、二极管46X和48X、正温度特性传感导线16X，穿过故障路线、负温度特性熔断层14X、加热元件导线12X，最后返回火线L。二极管56X阻断了波形的负半周期，使之不能进入短路电路。二极管38X能够防止加热器电阻50X和52X被传感器电阻36X短路。如果负半周期漏电，即使电流十分微弱，也能在(A)点处产生负半周期电压。负温度特性的比较器和控制逻辑电路30X能检测到这个负电压。如果它超过预设值，逻辑电路30X将关闭闸流晶体管22X，从而切断电源。请注意，为了安全起见，正温度特性及负温度特性的探测器40X和30X是完全电气地分开的。其中一个出现故障并不会影响另一个。

为了满足审核要求，我们仍然采用了热熔断系统。这一系统利用了熔断层14X的负温度特性。它是一种标准的熔断系统设计，工作期间，如果正温度特性和负温度特性系统均发生故障，在下述情况下，软式加热元件将出现局部过热，最终导致负温度特性的熔断层14X熔断(熔断温度约为120到130摄氏度)：

波形的负半周期从中线通过热保险丝28x、加热电阻器50X和52X、二机管46X和48X、传感导线16X(或是直接通过，或是经过二极管60X)、再经熔断区通过加热元件12X，最后到达火线端L。这一电流使得加热电阻50X和52X温度迅速升高。它们与热保险丝28X有热接触，到达额定温度(如102摄氏度)时保险丝熔断，从而断开加热元件电源。

从以上介绍可以看出，图2和图3所示的电路系统是一个三重过热保护机制。没有其它哪个系统能够用如此简单的结构完成如此精密的功能。正温度特性和负温度特性的比较器和逻辑控制块可以采用多种多样的形式。从电子方面来说，多种系统都能满足要求。

如果要从不同的加热元件设计中进行优选，就图2和图3所示的应用实例，正温度特性部分的选材、厚度、以及沿导体长度方向每单位长度的绕线圈数等参数，要使得长度彼此不同的各种加热元件，传感导线电阻值都相同，这样同一个控制单元就可以用于各种型号的产品，无需分别校准，令生产过程大大简化。

熔断/负温度特性层可用多种材料制成，我们在这里推荐使用涂层聚氯乙烯，这是一种挤塑型聚氯乙烯，其中混合有25％的Stannotin锑(以获得所需的负温度特性)，但只要适用，也可以选择其它材料。

Claims (1)

1、一种用于电热毯的细长的加热元件，包括：一级导体，沿元件的纵向延伸，用于为电热毯提供热量；二级导体，同样沿元件的纵向延伸；位于一级和二级导体间的熔断层，其材料选择和结构设计使得它具有负温度特性，并带有电子控制元件，电子控制元件用于检测熔断层的电阻值变化，以提供一种手段，来改变向电热毯提供热量的第一导体的电源输出，从而保护熔断层不被损毁，加热元件还包括一熔断检测电路，用于检测熔断层的熔断，及用于当控制系统出现故障和熔断层温度升到高于额定温度时自动切断电源对一级导体的输出。

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