SE470081B - Elektriskt uppvärmt plagg eller liknande - Google Patents

Description

470 G81 10 15 20 25 30 35 2 Inom fordonstekniken har liknande idéer utyttjats, t ex som upphettningselement för fordonssäten, där en töjbarhet erfordras hos de inlagda motstándsupphettnings- elementen. Ett exempel på denna teknik beskrivs i SE-B- 434 204 (77l3250-4), där töjbarheten åstadkommits genom inläggning av meanderformade slingor av motståndsupphett- ningstrådar eller -band i ett skikt i sätesstoppningen.

Ett ytterligare exempel på tygmaterial, som kan upp- hettas elektriskt, återfinns i US-A-4 845 343, där mot- stàndstrådarna har invävts i själva tygstrukturen.

Alla de kända anordningarna för upphettning av större eller mindre delar av en patients eller persons kropp, har flera gemensamma nackdelar. En sådan nackdel är, att de kända motstàndsupphettningselementen är mycket effekt- förbrukande och därför dyra i drift. En annan nackdel är att möjligheterna till reglering av upphettningseffekten lokalt, dvs inom ett begränsat kroppsparti, är dåliga, dvs användaren måste välja mellan antingen en upphettnings- effekt, som ger tillfredsställande upphettning av det kallaste kroppspartiet men som samtidigt ger överhettning av andra kroppspartier, eller en upphettningseffekt, vil- ken ger komfortabel upphettning av huvudparten av kroppen men-otillräcklig upphettning inom vissa andra delar av kroppen. En ytterligare nackdel med många av de kända an- ordningarna är att de kräver separata ackumulatorer, vil- kas kapacitet ofta är nedsatt vid kylig väderlek, eftersom de behöver bäras på förhållandevis oskyddade ställen i klädseln. Dessutom behöver de separata ackumulatorerna bäras i någon typ av bälte eller dyl., vilket är otymp- ligt. En annan nackdel är att någon typ av extern termo- stat behöver utnyttjas för att en bestämd genomsnittstem- peratur skall kunna erhållas.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma ett elektriskt upphettat plagg eller liknande, i vilket en eller flera av nackdelarna med kända anord- ningar har undanröjts. Ett annat ändamål är att åstadkomma en dylikt plagg eller liknande, som genom sin konstruktion 10 '15 20 25 30 35 470 081 3 är sådant, att dess upphettningseffekt varierar lokalt i beroende av upphettningsbehovet lokalt. Ännu ett ändamål är att göra upphettningselementet så tunt, att det kan infogas mellan två textilskikt i ett klädesplagg eller liknande utan att dettas utseende nämnvärt ändras. Ett annat ändamål är att åstadkomma automatisk reglering av genomsnittstemperaturen utan behov av en extern termostat.

Ett ytterligare ändamål är att åstadkomma ett dylikt plagg eller liknande, där upphettningselement och elenergikälla förenats till en enhet för att undvika eller motverka ka- pacitetsminskningar hos energikällan som en följd av ned- kylning av denna och för att istället ge energikällan högre kapacitet genom att värme alstras i energikällans omedelbara närhet. Ett ytterligare ändamål är att åstad- komma värmereflektion mot energikällan genom speciell pla- cering av denna.

Dessa och andra ändamål med uppfinningen uppnås, om plagget eller liknande utformas enligt vad som anges i pa- tentkravet 1. Underpatentkraven anger särskilt föredragna utföringsformer.

Grundidén enligt föreliggande uppfinning är sålunda att kombinera ett folieformat upphettningselement av spe- ciell typ med ett tunnfilmsprimärbatteri eller en återupp- laddningsbar tunnskiktsackumulator, ett elektrodmaterial och en reglerkrets.

Upphettningselementet skall bestå av ett polymermate- rial med s k PTC-egenskaper (gositive Éemperature Qoeffi- cient), särskilt ett elektriskt ledande termoplastmate- rial, såsom ledande, butylympad polyeten.

Tunnskiktsackumulatorn kan med fördel bestå av en ackumulator, som är av litiumtyp och har fyra med varandra sammanlagda skikt, ett litiumskikt, ett polymerelektrolyt- ' skikt, ett vanadinoxidkompositskikt och ett strömledar- skikt.

Elektrodmaterialet består lämpligast av ett lednings- material, som förenats med upphettningselementet genom ingjutning, screentryckning, limning med elledande lim 470 G81 10 15 20 25 30 35 4 eller vakuumbeläggning i ett lämpligt mönster för att möjliggöra elektrisk anslutning till tunnskiktsackumula- torn.

Reglerkretsen kan vara så enkel som en ledningsbana med inkopplad strömställare mellan ackumulatorns båda poler men är företrädesvis en styrkrets med kretselement för styrning av avkänning av ackumulatorstatus och even- tuellt även tidsbegränsning för inkopplingstid.

Uttrycket "klädesplagg eller liknande" avser att om- fatta inte blott egentliga klädesplagg såsom vantar, väs- tar och dylikt utan även inläggssulor, sovsäckar eller värmesitsar eller -dynor t ex för fritidsändamål.

I det följande skall uppfinningen förklaras närmare under hänvisning till de bifogade ritningarna, som visar utföringsexempel på uppfinningen.

Fig. 2 visar ett exempel pà ett klädesplagg, som är utfor- mat enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 3 visar schematiskt en föredragen tunnskiktsackumu- lator för användning vid uppfinningen.

Fig. 4a-d visar fyra olika sätt att förena elektrodmate- rial och upphettningsfoliematerial.

Fig. 5 visar schematiskt ett första exempel på hur upp- hettningsfoliematerial och tunnskiktsackumulator kan förenas.

Fig. 6a och b visar schematiskt ett andra exempel på hur upphettningfoliematerial och tunnskiktsackumulator kan förenas.

Fig. 7a och b visar-schematiskt ett tredje exempel på hur upphettningsfoliematerial och tunnskiktsackumulator kan förenas.

Fig. 8 och 9 visar schematiskt ytterligare exempel på upp- hettningsenheter, som är användbara i för uppfin- ningsändamålet.

I fig 1 visas schematiskt en sektion genom ett före- draget material för användning i ett klädesplagg eller liknande enligt uppfinningen. Detta material består av ett foliematerial 1, som bildats av eller innehåller ett skikt *F 10 15 20 25 30 35 470 081 5 av elektriskt ledande polymer med PTC-egenskaper. Detta skikt är laminerat med ett tunnfilmsbatteri eller en tunn- filmackumulator 2. På ömsesidor om dessa båda skikt finns textiliematerial 3. Uppbyggnaden av skikten 1 och 2 kommer -att anges närmare i det följande.

Fig 2 visar som exempel på ett klädesplagg en värme- vante 4 för reumatiker.

I fig 3 visas ett tunnfilmsbatteri eller en tunn- filmsackumulator av den typ, som med största fördel an- vänds vid föreliggande uppfinning. Detta tunnfilmsbatteri 5 omfattar ett som minuspolverkande litiumskikt 6, ett under detta liggande polymerkompositskikt 7, som verkar som elektrolyt, ett kompositskikt 8, som verkar som plus- pol, och en strömledare 9. Ett sådant tunnfilmsbatteri är helt torrt och inte mycket tjockare än ett vanligt skriv- papper, ca 0,2 mm. Kompositskiktet 8 består av en bland- ning av elektrolyten och en förening, som är bra på att fånga litiumjoner (t ex vanadinoxid). Litiumjonerna pas- serar genom elektrolyten till kompositen, medan elektro- nerna från litiumskiktet tar den yttre vägen till kompo- siten via strömledaren 9 och en yttre belastningskälla, i detta fall motståndsupphettningselementet. Både jonerna -och elektroderna lagras i kompositen och passerar tillbaka till litiumskiktet, när batteriet laddas upp igen.

Tunnskiktsbatterier av denna typ kan inköpas från olika kommersiella källor, t ex den japanska firman Yuasa Battery, den danska firman Innocell Aps och den japanska firman Sharp Corporation. Exempel på litteratur, där denna typ av tunnskiktsbatterier beskrivas, är den av Elsevier Science Publichers B.V. år 1991 utgivna boken "Chemistry and Energy-I", C.A.C. Sequeira (Editor) som på sid 153-162 innehåller en av Jørgen S Lundsgaard m fl författar arti- kel "The All-Solid-State Litium Polymer Electrolyte Batte- ry" och på sid 163-175 innehåller en av M A G Martins m fl författad artikel "All-Solid-State Thin-Film Polymer Electrolyte Batteries“. Ett annat exempel är Koksbang -m fl, “Rechargeability and Rate Capability of Polymer 470 081 10 15 20 25 30 6 Electrolyte Batteries at Room Temperature“, Journal of 32 (1990) 175-185.

Enligt uppfinningen skall upphettningselementet bestå Power Sources, av ett polymermaterial med s k PTC-egenskaper. Ett sär- skilt lämpligt sådant material kan erhållas från ABB Cabels AB, Sverige under beteckningen ET-Semicon CT 6011:70 eller 6002:70. Dessa material är ett högledande termoplastiskt material. Ett annat material, som utnyttjas vid praktiska prov och som erhållits från Norells Sweden AB är ET-Semicon CT 8711:70. För anslutning av dessa elektriskt ledande polymermaterial med PTC-egenskaper kan man ha ingjutna elektroder (fig 4a), ett pá polymerskiktet .screentryckt elektrodmaterial (fig 4b), ett pà polymer- skiktet genom en vakuumbeläggningsmetod pàfört elektrod- material (fig 4c) eller ett delvis ingjutet elektrodmate- rial i form av ett nät (fig 4e), som ingjutits på motstå- ende sidor av polymerskiktet eller i form av annat elek- triskt ledande material som genom limning förbundits med polymerskiktet. I fig 4a-d har polymerskiktet betecknats med 10 och elektrodmaterialet med ll. ' Ett tunnskiktsbatteri av den typ, som föredrages vid föreliggande uppfinning, har en genomsnittsspänning av 2,4 V/skikt, och för att man skall erhålla tillräcklig spänning lamineras därför ett antal skikt. Vid uppfinning- en'föredrages att tio skikt lamineras mot varandra, så att en spänning av 24 V erhålles. För lamineringen av de olika tunnfilmsackumulatorerna eller -batterierna utnyttjas va- kuumteknik, där de olika skikten läggs ovanpå varandra, varvid en seriekoppling av de olika batterierna erhålls genom att de har plus- och minuspol pà motstàende sidor och genom att skikten sammanpressas i en försegling genom vakuumförslutning av denna. Förseglingsmaterialet kan bestå av en aluminiumfolie vars insida är belagd med ett I elektriskt isolerande, polyetenbaserat smältlim. 35 I fig 5 visas schematiskt ett utförande av uppfin- ningen, där ett av tio delskikt bildat tunnfilmsbatteri 12 är med en ledare 13 förbundet med ena strömfördelaren ll i 10 15 20 25 30 35 470 081 7 ett elektriskt ledande polymermaterialskikt 10. Minuspolen på tunnfilmbatteriet 12 är med en ledning 14 förbundet med en uppladdningskontakt 15, som är med en ledning 16 anslu- ten till strömledaren 11. Uppladdningskontakten 15 är för- bunden med en strömbrytare 17, som via en ledning 18 är förbunden med polymerskiktets 10 andra strömfördelare 1l'.

Det elektriskt ledande polymerskiktet 10 kan vara av fabrikat ET-Semicon med handelsbeteckningen CT 6002:70 och har de tvà elektroderna eller strömledarna 11, 11' ingjut- na i form av trådar med diametern 0,9 mm eller mässings- folie med en tjocklek av 25 pm. Ackumulatorn 12 mäste vara ingjuten i eller förseglad mot omgivningen i ett elekt- riskt isolerande och vattenresistent material, eftersom tunnfilmsbatterier är fuktkänsliga. Polymermaterialskiktet 10 behöver inte skyddas pá motsvarande sätt.

En stor fördel med användningen av ett elektriskt ledande material av PTC-typ är att upphettningseffekten regleras lokalt, dvs kallare ställen får högre upphett- ningseffekt än varmare ställen. Denna reglering sker auto- matiskt till följd av materialets PTC-egenskaper.

I fig 6a och 6b visas ett ytterligare exempel, som föredrages. I detta fall har polymerskiktet 20 genom screentryckning försetts med tvâ satser silverelektroder 21 respektive 22, som är anordnade pà inbördes avstånd fràn varandra. Elektroden 21 har ett utskjutande kontakt- element 23, medan elektroderna 22 har ett utskjutande kon- taktelement 24. Detta aggregat har sedan limmats med ett elektrisk isolerande lim mot pluspolskiktet 25 på ett agg- regat 26 av tunnskiktsbatterier. Som elektriskt isolerande lim för detta ändamål kan användas ABLEBOND 958-ll från Sikema AB. För in- och urkoppling av enheten finns en strömställare 27, som med ledningar 28, 29 är ansluten till kontakten 23 respektive minusanslutningen 30 på tunn- skiktsbatteriet. För àteruppladdning finns en återuppladd- ningskontakt 31 med tillhörande ledningar 32, 33. 470 081 10 15 20 25 30 35 8 Som ett alternativ till det i fig 6a och 6b använda elektriskt isolerande limmet, kan man använda en tunn elektriskt isolerande polyetenfilm eller liknande som värms fast i den yta av polymerskiktet på samma sida som elektroderna som inte är belagd med elektrodbanor. Vidare utnyttjas batteriets skyddsförslutning pá ett sådant sätt, att den sålunda polyetenbelagda polymerdelen genom värme- svetsning sammanfogas med den sida av batteriets skydds- förslutningsmaterial som är belagd med polyetenbaserat smältlim. Pà så sätt utgör polymerdelen en del av batte- riets skyddsförslutning samtidigt som polymerens värme- alstring höjer batteriets kapacitet. Dessutom kan den värmealstrade delen placeras i omedelbar närhet av krop- pen.

En stor fördel med detta utförande är att elementet kan tillverkas i löpande längd för senare tillklippning.

Efter tillklippning inslutes det hela i ett elektriskt isolerande och fuktskyddanae hcslje. _ Fig 7a och 7b visar den mest föredragna utförings- formen av ett aggregat av laminerat tunnskiktsbatteri och elektriskt ledande polymerskikt. I detta fall leds ström- men genom polymerskiktet väsentligen i polymerskiktets plan fràn ena storytan till den andra av polymerskiktet 40. Detta ástadkommes genom att man på ena sidan av skik- tet 40 har anbringat elektrodband 41, mellan vilka elekt- riskt isolerande skikt 42 sträcker sig, sà att polymer- skiktets 40 yta är elektriskt isolerad mellan banden 41.

På motstàende sidan av polymerskiktet 40 finns på mot- svarande sätt elektrodband 43, mellan vilka isolerande skikt 44 sträcker sig. De isolerande skikten är till för att förhindra elektrontransport tvärs genom polymeren ned till batteriets ledande skikt. Istället erhålls den efter- strävade horisontella transporten genom polymeren, vilket ger jämn värme.

Tunnskiktsbatteripaketet 45 har sin pluspol 46 sam- manlagd med polymerskiktet 40, så att elektrisk kontakt föreligger mellan elektrodbanden 41 och batteripaketets I; 10 15 20 25 30 35 470 081 9 pluspolskikt 46. Pluspolskiktet 46 är utdraget med en kontaktremsa 47. Som framgår av fig 7b är elektrodbanden 43 via en strömställare 48 förbunden med tunnskiktsbat- teriets minuspol 49. För att möjliggöra àteruppladdning finns en àteruppladdningskontakt 50, som med ledningar 51, 52 är anslutna till minuspolen 49 respektive utdragna kontaktblecket 47 från pluspolen 46.

Som material för detta utförande kan man med fördel använda en elektriskt ledande plast ET-Semicon med typ- beteckningen CT 6422:70 eller CT 8711:70. Pàföringen av elektrobanden 41, 43 kan liksom tidigare ske genom screen- tryckning, limning eller vakuumbeläggning. För att förbin- da de enskilda elektrodbanden 43 med varandra, kan hela utsidan av plastmaterialet vara täckt med ett tunt elek- trodskikt 53. Även hela insidan av polymermaterialet kan beläggas med ett tunt elledande material.

I fig 8 och 9 visas olika tänkbara utföranden och placeringar av upphettningselement 60, tunnskiktsbatteri 61 och manöverenhet 62.

Fig 8 visar ett utförande, där upphettningselementet 60 och tunnskiktsbatteriet 61 är förenade med varandra.

Manöverenheten 62 är anordnad pà separat ställe och för- bunden med laminatet via elektriska ledningar. I detta fall har ett elektriskt isolerande polymermaterialskikt '67, t ex polyetenskikt, satts in mellan elementet 60 och batteriet 61 för att ge en särskild god fuktförsegling kring batteriet 61. Detta polymerskikt 67 hopsvetsas sedan med förslutningen 64. Detta utförande motsvarar utförandet i fig 6a och 6b med tilllägget att skiktet 67 placerats ovanpå polskiktet 25, innan skiktet 20 med sina ledare 21, 22 satts pà plats. Som framgår av fig 8, har kontaktele- mentet 24 förbundits med pluspolskiktet 25. Vidare har minuspolanslutningen 30 via ledningen 29 förbundits med manöverenheten 62, som också är förbunden med upphett- ningselementets andra anslutning via ledningen 28. Detta utförande kan med fördel användas där kravet pà rörlighet är mindre, t ex i inläggssulor. 470 G81 10 15 20 25 30 35 10 Fig 9 visar det för närvarande föredragna utförandet, där tunnskiktsbatteriets 61 polskikt 65 stàr i direkt be- röring med upphettningselementets 60 elektrodmaterialskikt 66, varvid detta laminat är inneslutet i en skyddsförslut- ning 64. Manöverenheten 62 är i detta anordnade utanför skyddsförslutningen 64 och förbunden med upphettningsele- mentet via ledningarna 63. 51 v

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 470 081 ll PATENTKRAV

1. Elektriskt upphettningsbart klädesplagg eller lik- nande, omfattande en elenergikälla (12, 26, 45, 61), en motstàndsupphettningsenhet (10, 20, 40, 60) i form av en folie (10, 20, 40, 60), som är insatt i klädesplaggets eller liknande vägg och som bildats av eller innehåller ett skikt av elledande polymermaterial med PTC-egenskaper och som är förenat med elektrodmaterial (11: 21, 22; 41, 43) för anslutning av skiktet till energikällan (12, 26, 45, 61), och en reglerenhet (17, 27, 48, 62) för reglering av strömtillförsel till motståndsupphettningsenheten, k ä n n e t e c k n a t därav, att att elenergikällan (12, 26, 45, 61) är ett tunnfilmprimärbatteri eller ett àteruppladdningsbart tunnfilmsbatteri, som är laminerat med den som folie utformade motstándsupphettningsenheten (10, 20, 40, 60) till en enhet, i vilken åtminstone tunn- filmsbatteriet är fuktförseglat.

2. Klädesplagg eller liknande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att tunnfilmsbatteriets (26, 45, 61) ena polskikt (25, 46, 66) står i direkt kon- takt med ena storytan av den av elledande polymermaterial bildade folien (20, 40, 60).

3. Klädesplagg eller liknande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att ett elektriskt isole- rande skikt (67) insatts mellan batteriets (61) ena pol- skikt och den angränsande storytan av den av elledande polymermaterial bildade folien (60).

4. Klädesplagg eller liknande enligt något av patent- kraven l-3, att folien (zo, 40, so) och tunnfilmsbatteriet (26, 45, 61) är inne- slutna i en gemensam fuktförsegling (64). k ä n n e t e c k n a t därav,

5._Klädesp1agg eller liknande enligt något av patent- kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t därav, att den el- ledande polymeren med PTC-egenskaper är en plast, i vilken ett resistivt ledande grafitnätverk är fördelat och vilken 470 e 10 15 20 25 30 35 12 har egenskapen att vid uppvärmning expandera under succes- siv minskning av elektriska strömbanor genom grafitnätver- ket och vice versa, tills ett stadium av självreglerad termisk stabilitet uppnåtts.

6. Klädesplagg eller liknande enligt något av patent- kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t därav, att den el- ledande polymeren är en butylympad polyetenplast, som- gjorts elledande genom inblandning av kimrök.

7. Klädesplagg eller liknande enligt något av patent- kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t därav, att den el- ledande polymeren har ett ingjutet, fastlimmat, screen- tryckt eller vakuumbelagt elektrodmaterial. d

8. Klädesplagg enligt något av patentkraven l-7, k ä n n e t e c k n a t därav, att elenergikällan och motstándsupphettningsenheten är inneslutna i ett tyg- material. vx