TWI645425B - 高分子正溫度係數元件 - Google Patents

Abstract

本創作係一種高分子正溫度係數材料元件，至少包括有一高分子正溫度係數材料層、分設在高分子正溫度係數材料層的兩面的二電極組、二導通孔以電性連接兩同極電極及一USB接口。其中每一電極組至少包括兩相鄰但不相連之正負極電極，且該第一表面之正極電極與該第二表面之負極電極的正交投影面積大於該正極電極面積的10%。本創作的高分子正溫度係數材料元件的結構設計形成一簡單安全之可攜式發熱體，並可以透過外部電源以穩定的發熱，並應用於加熱產業或是電路保護領域。

Description

高分子正溫度係數元件

本創作係關於一種高分子正溫度係數元件，特別係一種應用於自限式發熱體與過電流保護的高分子正溫度係數元件。

高分子正溫度係數(Polymeric Positive Temperature Coefficient,PPTC)複合材料具有對溫度與電流敏感的特性，目前被廣泛運用在電路上作為過電流保護與自限式加熱電纜使用。

高分子正溫度係數複合材料於常溫之下(25℃)，具有極低的電阻值。當應用在過電流保護時，使得電路可以依照設計所需之功能運作，而當遇到偶發的過溫度(Over-temperature)或過電流(Over-current)的情況，高分子正溫度係數複合材料之高分子微結構產生相變化，此時導電填充物會因為高分子相之相變化，產生較多的移動空間，進而使得電阻陡然上升，依據歐姆定律，此時電流會因為電阻上升而下降至一微小狀態，進而達成電路保護的功能。

當高分子正溫度係數複合材料應用在自限式發熱體時，只要供應足夠的電流，促使高分子正溫度係數複合材料之高分子微結構產生相變化，在電阻陡然上升的同時，高分子正溫度係數材料亦同時產生較環境溫度為高的表面溫度，但正常應用下，其最高溫度會在高分子相熔點附近， 而自限式發熱體的應用即是利用此特性達成自限式發熱的功效。

然而，在自限式發熱體上，傳統高分子正溫度係數複合材料發熱體，皆為平行式電纜設計，是屬於大電壓大電流(≧120Vac)之應用，並無法直接接觸人體使用，亦無法透過低電壓小電流(≦5V/2A)直接觸動發熱，雖然現今市場已存在一次性暖暖包或是可重複使用充電式個人保暖用品或以白金觸媒與煤油燃燒式懷爐，但這些個人保暖產品皆存在安全或環保之隱憂。

傳統個人保暖用品，除了一次性使用的暖暖包及以白金觸媒與煤油燃燒式懷爐為非使用電力轉換成熱能使用，其餘皆是將電力轉換成熱能使用在個人保暖的應用上。這些使用電能轉換為熱能的個人保暖用品皆是將充電電池與發熱體設計合而為一，然而這樣的設計在目前看來是一種潛藏安全隱憂的設計。因為以目前電池材料科技與安全操作環境而言，電池之最高操作溫度通常設定在60℃，超過此溫度，電池材料易處於不穩定且不安定反應的狀態，進而產生電池過熱而致燒毀，甚至於爆炸的情況。就此而言，將發熱體放在一個熱不安定的能源旁，是否是一個明智的安排，恐怕有待商榷。但如果將發熱體與電源分開配置，則需在這些發熱體加設升壓及溫度控制電路管理，才可以達到可使用性。所以，現實上，發熱體與電源無法分開，必須合而為一，以達成可使用化及可接受之成本。現有的設計，無疑地消費者必須承擔在使用之中的風險。

另一方面，此類充電式個人保暖用品常見以可撓式聚醯亞胺發熱體或鎳鉻合金絲電阻埋入矽膠片式發熱體為主，其製造過程與發熱原理皆相近，皆是以一導體的電阻所產生的電阻熱，而這個熱會不斷上升， 因為導體的電阻並不會因為導體溫度改變而產生劇烈的變化，進而限制電流而限制發熱。所以這一類的發熱體需要額外的控制電路才能使用於人體直接接觸。

中華民國發明專利第I407460號與中華民國新型專利第M325698號皆提出高分子正溫度係數材料之發熱體應用於人體上。然而，此二專利皆為液態製程，且電極需預先埋入基材之中，再將含電極之基材以塗佈或含浸的方式，將高分子正溫度係數材料附著於含電極之基材上。此二方法雖然改善傳統發熱體之問題，但仍然存在不易生產及因電阻較高需要較高電壓(≧12V)驅動發熱的問題。且因此二專利所製造的發熱體為纖維狀，故機械強度不足，造成與電源的連接需以特殊方法接合，降低了可使用性。

習知的高分子正溫度係數材料是以製作成元件(Component)，輔以插件焊、表面黏著迴焊、軸向點焊方式附加在電路板上，形成過電流保護迴路；或是以平行電纜的結構，連接市電電源(110Vac~240Vac)產生熱的方式，達到其設計功效與目的。

請參見圖1所示，圖1為習知之高分子正溫度係數元件之立體示意圖，習知之高分子正溫度係數元件900是將結晶性熱塑性高分子與導電材料及功能性添加劑，依據性能需要調整比例混合，藉由混煉設備進行熔融混合後，得到成分均勻分散之導電複合材料，再將這些已經經過混煉的導電複合材料，藉由熱壓或是薄板壓出的方式形成高分子正溫度係數材料層901，將上電極902、下電極903均勻壓合在此高分子正溫度係數材料層901之正反表面，形成一三明治結構之高分子正溫度係數元件。

本創作提供一種高分子正溫度係數材料元件，透過電路結構的特殊設計方式，因而具有可以直接或間接將電源接口與高分子正溫度係數材料層連接之特性，使得高分子正溫度係數材料不僅可以應用於電路保護上，亦可做為可攜式重複使用之恆溫安全發熱體。

本創作之一種高分子正溫度係數材料元件，至少包括有一高分子正溫度係數材料層、分設在高分子正溫度係數材料層的兩面的二電極組、二導通孔以電性連接兩同極電極、及一USB接口。其中每一電極組至少包括兩相鄰但不相連之正負極電極，且該第一表面之正極電極與該第二表面之負極電極的正交投影面積大於該正極電極面積的10%。

其中，電極組之至少二電極互為柵狀交錯設置於該高分子正溫度係數材料層。

其中，一電極組更包括另一電極以形成一開路，此電極一端連接於電源接口的輸入端。以便連接於一控制電路或一需保護之電路。

其中，高分子正溫度係數材料元件連接一電源後的加熱溫度低於70℃。

為使本創作之高分子正溫度係數材料元件可以均勻導熱，在其第一表面和第二表面係填敷有一導熱材。此外高分子正溫度係數材料元件更包括有一外殼以達保護效果。

本創作之高分子正溫度係數材料元件在連接電源後，可以快速升溫，並在持續供給電能下，穩定的保持加熱狀態，並不會有溫度突升或突降狀況，且加熱溫度低於70℃，可以充分的發揮保暖功效，也不致於 會造成使用者的燙傷。

100‧‧‧高分子正溫度係數元件

101‧‧‧高分子正溫度係數材料層

1011‧‧‧第一表面

1012‧‧‧第二表面

102‧‧‧第一電極

103‧‧‧第二電極

104‧‧‧第三電極

105‧‧‧第四電極

106‧‧‧第一導通孔

107‧‧‧第二導通孔

108‧‧‧電源接口

109‧‧‧第五電極

110‧‧‧第三導通孔

900‧‧‧高分子正溫度係數元件

901‧‧‧高分子正溫度係數材料層

902‧‧‧上電極

903‧‧‧下電極

圖1為習知之高分子正溫度係數元件之立體示意圖。

圖2係本創作高分子正溫度係數元件之第一實施例之俯視圖。

圖3為圖2沿2’-2’切線之剖面圖。

圖4為本創作第一實施例在通電的狀態下溫度變化曲線圖。

圖5係本創作高分子正溫度係數元件之第二實施例俯視圖。

圖6為圖5沿5’-5’切線之剖面圖。

請參考圖2及圖3所示，其中圖2係本創作高分子正溫度係數元件100之第一實施例俯視圖，圖3為圖2沿2’-2’切線之剖面圖。

本實施例中，高分子正溫度係數元件100包括有高分子正溫度係數材料層101、第一電極102、第二電極103、第三電極104、第四電極105、第一導通孔106、第二導通孔107和電源接口108。

其中高分子正溫度係數材料層101具有第一表面1011和第二表面1012。第一電極102和第二電極103以柵狀交錯方式設置在高分子正溫度係數材料層101的第一表面1011。第三電極104和第四電極105亦以柵狀交錯方式設置在高分子正溫度係數材料層101的第二表面1012。且第一電極102與第四電極105之正交投影面積大於該第一電極102面積的10%，且第一電極102和第三電極104透過穿透高分子正溫度係數材料層101的第一導通孔106得以電性相連。第二電極103與第三電極104之正交投影面積大於該第 二電極103面積的10%，而第二電極103和第四電極105則是透過穿透高分子正溫度係數材料層101的第二導通孔107得以電性相連。電源接口108包括有設置在第一表面1011上的輸出端和輸入端，輸入端相連於第一電極102，而輸出端則相連於第二電極103，且輸出端和輸入端相鄰不相連。在一態樣下，電源接口108為一USB接口。

其中，高分子正溫度係數材料層101由結晶性熱塑型高分子、結晶性熱塑型高分子的衍生聚合物和至少一種導電材料所組成。所述結晶性熱塑型高分子細選自包括有聚烯烴類高分子、氟化聚合物類高分子和熱塑性彈性體之群組，衍生聚合物係指結晶性熱塑型高分子的共聚、接枝衍生物，而導電材料可選擇自，碳類(碳粉、石墨等)、金屬類(鎳粉、銅粉、鐵粉等)、金屬碳化物(碳化鈦、碳化鎢、碳化鉬等)、金屬氮化物(氮化鈦、氮化鉻等)、金屬硼化物(二硼化鈦、二硼化鉻、二硼化釩等)與金屬矽化物(二矽化鈦、二矽化鉻、二矽化鉬等)。高分子正溫度係數材料層101更選擇性添加之功能性添加劑，如交鏈助劑、抗氧化劑、電弧抑制劑、填充劑等。以上材料經熔融混煉的過程將所有成分混合在一起，使得導電材料與添加劑均勻分在在結晶性熱塑性高分子材料中，形成一高分子正溫度係數複合材料。

在製造高分子正溫度係數元件100時，係將以上材料經熔融混煉的過程將所有成分混合在一起，使得導電材料與添加劑均勻分在結晶性熱塑性高分子材料中，並以薄板押出機押出成薄片材，形成一高分子正溫度係數材料層101。

隨後，再以滾輪壓合或熱壓的方式將金屬電極貼附於高分子 正溫度係數材料層101之第一和第二表面1011、1012，進而形成一類似於三明治之夾層疊合結構。

其中，電極102、103、104、105是以印刷電路板常用之鑽孔、曝光、顯影、蝕刻、電鍍等步驟，將電極圖案化，並同時將電源接口連接位置一併於此步驟完成。且電源接口直接或間接附著於高分子正溫度係數材料任一面電極上為相鄰但不相連之位置結構上，進而形成電源的輸入與輸出，與高分子正溫度係數材料層形成一完整電路迴路。

當本實施例的高分子正溫度係數元件100連接一電源(圖中未示)時，電流會自電源接口108的輸入端分流進入第一電極102並經由第一導通孔106進入第三電極。電流進入第一電極102後隨後經過高分子正溫度係數材料層101，再進入第四電極105，藉由第二導通孔107，將電流導通至第二電極103並連接第二電極103上的電源接口108之輸出端；電流自電源接口108輸入端輸入並經由第一導通孔106進入第三電極104，隨後在經過高分子正溫度係數材料層101後，進入第二電極103。並接通連接於第二電極103上的電源接口108之輸出端，進而形成一完整並聯迴路，透過市電或行動電源之電能供給就可以觸發高分子正溫度係數材料之發熱功能。

本創作之高分子正溫度係數元件100更包括有一導熱材(圖中未示)或一外殼(圖中未示)。導熱材係填敷於高分子正溫度係數材料層101的第一表面1011和第二表面1012，且填敷的面積至少等於高分子正溫度係數材料層101的面積，導熱材可以輔助高分子正溫度係數元件100將通電後產生的熱能均勻導出至表層，一般較常被選用的導熱材軟質的矽膠。外殼係裝設高分子正溫度係數元件100，且外殼根據使用的目的與溫度，材質 可選用硬式的金屬、塑膠或軟式的矽膠類材料。

請參考圖4所示，圖4為本實施例的高分子正溫度係數元件100在通電的狀態下溫度變化曲線圖。其中線段A為室溫變化圖，線段B為本創作之高分子正溫度係數元件施以市電或行動電源之電能後溫度變化。由圖中可看出，本創作的高分子正溫度係數元件100在供給電能(本測試使用行動電源為電能來源，5V/2A)約30秒後，便開始緩慢升溫，並在第15分鐘左右，溫度便達恆定，且只要持續供給電能，高分子正溫度係數元件100就可以穩定的保持發熱狀態，並不會有溫度突升或突降的現象。

請參考圖5和圖6所示，其中圖5係本創作高分子正溫度係數元件200第二實施例俯視圖，圖6為圖5沿5’-5’切線之剖面圖。

本實施例與第一實施例十分類似，差別在於本實施例係在高分子正溫度係數元件100的第一表面1011增設一條第五電極109，第五電極109的一端與電源接口108的輸入端相連，另一端則設有一第三導通孔110。藉此在高分子正溫度係數元件100上形成一開路，以便與一外部電路(例如：保護電路或控制電路)串聯，以產生控制或電路保護的功能。

應用本實施例時，外部電路(例如：被保護電路或控制電路，圖中未示)係透過第一導通孔106和第三導通孔110與高分子正溫度係數元件100形成串聯。供電電流會由電源接口108的輸入端流入第五電極109，並先由第三導通孔110流入外部電路再由第一導通孔106流回高分子正溫度係數元件100，以導通第一電極102和第三電極104，並通過高分子正溫度係數材料層101，接著由第四電極105與第二導通孔107導通的第二電極103，回到電源接口108的輸出端上，完成一完整的迴路。

以連接控制元件為例，透過這樣的佈局，可以藉由後方串連的控制元件通電與否，進行對高分子正溫度係數材料加熱行為的控制，例如，環境溫度太低時，控制電路啟動電流，高分子正溫度係數材料開始發熱，或是，當環境溫度足夠時，控制電路關閉電流，高分子正溫度係數材料停止發熱：亦或是藉由此這樣的佈局，利用高分子正溫度係數材料對前後方迴路進行過電流保護。

本實施例更可在高分子正溫度係數元件100的任一表面填敷一電路層(圖中未示)，此電路層可選用以傳統印刷電路板疊壓方式外加於高分子正溫度係數材料層，且電路層係以直接或間將方式與電源接口108以焊錫方式連接，最後再施以一外保護層密封，以隔離水氣與灰塵，以應用在電路保護上，例如，應用於USB電纜上，當USB接頭不論是在對行動裝置充電或傳輸時，可即時感測異常狀況進而升高電阻值，避免因高電流產生的熱或是外力造成的短路所造成的使用風險。

Claims (16)

1. 一種高分子正溫度係數材料元件，至少包括有：一高分子正溫度係數材料層，其包括有一第一表面和一第二表面；二電極組，一電極組設置在該第一表面，另一電極組設置在該第二表面，每一電極組至少包括兩相鄰但不相連之正負極電極，且該第一表面之正極電極與該第二表面之負極電極的正交投影面積大於該正極電極面積的10%；二導通孔，係導通該兩電極組，使該兩電極組電性連接；及一USB接口，包括有一輸入端和一輸出端，該輸入端和該輸出端係分別相連至其中一電極組之各電極上。
2. 如請求項1所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該第一表面和該第二表面係填敷有一導熱材，且該導熱材之面積係至少等於該高分子正溫度係數材料層。
3. 如請求項1或2所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該高分子正溫度係數材料元件更包括有一外殼。
4. 如請求項3所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該些電極組之至少二電極互為柵狀交錯設置於該高分子正溫度係數材料層。
5. 如請求項4所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該一電極組更包括另一電極以形成一開路，此電極一端連接於該電源接口的輸入端。
6. 如請求項5所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該高分子正溫度係數材料元件更連接於一控制電路或一需保護之電路。
7. 如請求項6所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該高分子正溫度係數材料元件連接一電源後的加熱溫度低於70℃。
8. 如請求項7所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該高分子正溫度係數材料層的任一表面更填敷一電路層。
9. 一種高分子正溫度係數材料元件，至少包括有：一高分子正溫度係數材料層，其包括有一第一表面和一第二表面；一第一電極組，係設置於該第一表面，並包括有一第一電極和一第二電極，該第一電極和該第二電極係柵狀交錯分布於該第一表面；一第二電極組，係設置於該第二表面，並包括有一第三電極和一第四電極，該第三電極和該第四電極係柵狀交錯分布於該第二表面；一第一導通孔，係電性連接該第一電極和該第三電極；一第二導通孔，係電性連接該第二電極和該第四電極；及一電源接口，包括有一輸入端和一輸出端，該輸入端係連接於該第一電極，該輸出端係連接於該第二電極； 其特徵在於，該第一電極組之該第一電極和該第二電極組之第四電極正交投影區域大於該第一電極面積的10%，該第一電極組之該第二電極和該第三電極組正交投影區域大於該第二電極面積的10%。
10. 如請求項9所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該第一表面和該第二表面係填敷有一導熱材，且該導熱材之面積係至少等於該高分子正溫度係數材料層。
11. 如請求項9或10所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該高分子正溫度係數材料元件更包括有一外殼。
12. 如請求項11所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該電源接口為一USB元件。
13. 如請求項12所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該第一電極組更包括一第五電極以形成一開路，該第五電極之一端連接於該電源接口的輸入端，另一端具有一第三導通孔。
14. 如請求項13所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該高分子正溫度係數材料元件經由該第三導通孔更串連接於一控制電路或一需保護之電路。
15. 如請求項14所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該高分子正溫度係數材料元件連接一電源後的表面溫度低於70℃。
16. 如請求項15所述的高分子正溫度係數材料元件，其中該高分子正溫度係數材料層的任一表面更填敷一電路層。