TWM481568U - 軟性加熱元件 - Google Patents

Description

軟性加熱元件

本創作係關於一種軟性加熱元件(flexible heating element)，並且特別地，本創作係關於利用紡織技術製造的軟性加熱元件。

隨著材料科學與工程的發展，各種可發熱的功能性織物也隨之被開發出來。以下將詳述現有關於可發熱之功能性織物的先前技術。

第一類型的可發熱功能性織物係利用傳統的加熱線圈(heating coil)或是加熱片所形成的加熱裝置為主，並與典型的織物結合。在此需強調，第一類型的可發熱功能性織物其特徵係在於僅僅用紡織品包裹傳統的加熱線圈、加熱片而已。茲將上述類型加熱裝置的相關前案列舉如下：美國專利第6,160,246號、美國專利第6,111,233號、美國專利第5,792,714號、中華民國新型專利公告號第135,293號、中華民國新型專利公告號第282,662號，以及中華民國新型專利公告號第117,353號。

第一類型的可發熱功能性織物存有許多缺點，茲將詳述如下：(1)傳統的加熱線圈、加熱片過於笨重，利用傳統加熱線圈、加熱片所製成的可發熱功能性織物自然不易攜帶，所以應用型態受限，通常以輕薄之片狀應用型態出現， 如電熱毯；(2)傳統的加熱線圈、加熱片不利於加工，甚難執行成穿戴式的加熱裝置；(3)此類型的加熱裝置，加熱線圈、加熱片與人體之間，還需要至少一層或多層厚的紡織品做隔絕，以保護人體不受傷害，加上加熱線圈、加熱片不具柔軟度，導致加熱線圈、加熱片與需要保暖的人體仍有相當的距離，自然加熱效果打了折扣；(4)供應的電源多為交流電源，加上高功率，所引發感應電流的對年老體弱者、心臟病患者、孕婦以及嬰幼兒，存在著潛在危險；(5)此類型加熱裝置消耗功率大，導致當使用者不當使用或是不瞭解產品使用方式時，非常容易發生事故；(6)此類型加熱裝置不可折疊，否則會導致加熱線圈、加熱片局部過熱，而燒毀絕緣層，進而引發火災；(7)加熱線圈、加熱片的材料性質會隨使用時間而退化，進而發生會變硬、變脆及氧化等不利的現象，若在此情況下，加熱裝置若是不當地搬運或放置，容易造成加熱線圈、加熱片斷裂，使用時便會產生火花，導致電熱線走火、燃燒而引發火災；(8)此類型的加熱裝置不能防水，更不用說是洗刷、或洗滌了，為了避免弄髒加熱線圈或是保持衛生，通常會套上布罩，但也僅能清洗布罩而已。

綜合以上對於以傳統加熱線圈製成的加熱裝置之缺點的歸納，明顯地可以看出其加熱效率有限、應用受限、安全性堪慮的主因在於採用了笨重的加熱線圈、加熱片。

第二類型的可發熱功能性織物係利用具有吸/放熱能的相變化材料(phase change material)顆粒塗佈於紡織品上，利用此相變化材料能吸收並放出熱能的特性，調節溫度之變化。茲將上述類型加熱裝置的相關前案列舉如下：美國專利第5,885,475號以及6,207,738號。相較於第一類型可發熱功能性織物，第二類可發熱功能性織物可執行成繞性的可發熱功能性織物。

然而，第二類型可發熱功能性織物所運用的相變化材料能吸/放熱的總熱量有限，一般所能調節的溫度區間範圍為±2℃，調節的溫度區間甚為狹小，並且穿戴者無法控制溫度。因此，嚴格說來，這些塗佈了相變化材料的紡織品真正的功效僅是維持穿戴者穿著時的舒適度，而非達到保溫、禦寒之功效。此外，此類塗佈相變化材料之紡織品的成本高，雖可洗滌，但因材料本身的限制，洗滌次數受限。

第三類型的可發熱功能性織物係將金屬纖維(metal fibers)捻成導電紗(conductive yarn)，再將導電紗以紡織技術直接與軟性基底(例如，織布)結合，並形成導電迴路，以取代傳統的加熱線圈做為加熱器之用。上述與軟性基底結合並做為導電迴路的導電紗必須與電源供應器連接，進而將電源供應器所提供的電能轉換成熱能。明顯地，第三類型可發熱功能性織物可執行成繞性電熱裝置。進一步，第三類型可發熱功能性織物可結合溫度感測器以及溫度控制器，以提供使用者溫控之功能。茲將上述利用含金屬纖維之導電紗做為加熱器的可加熱功能性織物相關前案列舉如下：美國專利第6,548,789號以及美國專利第6,545,253號。

第三類型可發熱功能性織物並不具有傳統金屬線圈笨重、不易清洗…等等缺點，因此，第三類型可發熱功能性織物可廣泛地被應用作為保暖、禦寒以及隔絕冷空氣等用途之用品，例如，保暖禦寒用的衣物、電熱毯、熱敷墊、保暖座墊以及隔絕冷空氣用的窗簾…等等。

然而，第三類型可發熱功能性織物具有一顯著的缺點，亦即由於其熱能係來自於成迴路之導電紗轉換電能而來，因此，僅有導電紗覆蓋部位才能提供熱能。嚴格來說，第三類型可發熱功能性織物為一維電熱裝置(one-dimensional electrical heating apparatus)，亦即其熱源覆蓋範圍本質上為 一維的覆蓋範圍。因此，第三類型可發熱功能性織物其發熱所產生之溫度分布並不均勻。此外，第三類型可發熱功能性織物雖說應用範圍廣泛，但明顯地，其仍無法應用於單位面積需要較高加熱功率的環境下。

此外，有些種類的電子裝置其在臨界溫度以下無法運作，例如，LCD面板、電池、磁碟機，等。因此，這些種類電子裝置大多會裝設軟性加熱元件來在低溫下自行加熱以惟持運轉。茲將上述類型加熱裝置的相關前案列舉如下：美國專利第5,523,873號以及美國專利第6,847,018號。這些用來加熱電子裝置的軟性加熱元件皆是在軟性基底上蝕刻出所須的金屬箔圖案，但明顯地，其撓性有限、製造成本高、壽命低。

因此，本創作之一範疇在於提供一種以紡織技術織成的軟性加熱元件。特別地，根據本創作之軟性加熱元件具有可撓性佳、輕薄不佔空間、重量輕、裝設容易、製造容易，等優點，並且特別地，其熱源覆蓋範圍本質上為二維的覆蓋範圍。並且特別地，根據本創作之軟性加熱元件其應用範圍廣泛，不但可以應用於單位面積需要較低加熱功率的環境下，亦可以應用於單位面積需要較高加熱功率的環境下。

根據本創作之一較佳具體實施例之軟性加熱元件，其包含一絕緣的軟性基底以及N根包芯紗(coupling yarn)，其中N為一自然數。該N根包芯紗係以一紡織工法與該軟性基底整合。特別地，每一根包芯紗係由一芯紗(core yarn)以及至少一經滾軋的金屬絲(rolled metal wire)所構成，並且該至少一經滾軋金屬絲係分別螺旋地纏繞該芯紗。該芯紗可以由至少一導電芯長纖、多根導電短纖、至少一非導電芯長纖或多根非導電短纖所構成。該等包芯紗係將流經其本身的 電流轉換成熱。

於一具體實施例中，該軟性基底可以是一膜材(membrane)、一織布(woven fabric)或一不織布(nonwoven fabric)。

於一具體實施例中，該紡織工法係一針織法(knitting way)、一經編針織法(warp knitting way)、一緯編針織法(weft knitting way)、一平織法(weaving way)、一編織法(braiding way)、一車縫法、一手縫法或一繡花法。

於一具體實施例中，用來製造該等經滾軋金屬絲的材料可以是銅(copper)、銅鎳合金(CuNi alloy)、銅鎳矽合金(CuNiSi alloy)、銅鎳鋅合金(CuNiZn alloy)、銅鎳錫合金(CuNiSn alloy)、銅鉻合金(CuCr alloy)、銅銀合金(CuAg alloy)、銀(silver)、金(gold)、鉛(lead)、鋅(zinc)、鋁(aluminum)、鎳(nickel)、黃銅(brass)、磷青銅(phosphor bronze)、鈹銅合金(beryllium copper)、鎳鉻合金(nichrome)、鎢(tungsten)、鉑(platinum)、鈀(palladium)、銅鎢合金(CuW alloy)、不銹鋼(stainless steel)、鈦(titanium)、鈦合金系列(titanium alloys)、鎳鉻鉬鎢合金(Ni-Cr-Mo-W alloy)、鋯(zirconium)、鋯合金系列(zirconium alloys)、鉭(tantalum)、HASTELLOY合金系列、鎳合金系列、MONEL合金系列、ICONEL合金系列、FERRALIUM合金、NITRONIC合金系列、CARPENTER合金，等或其他商用的金屬或合金。

於一具體實施例中，用來製造該至少一根非導電芯長纖以及該多根非導電短纖的材料可以是聚酯類(polyester)、聚醯胺類(polyamide)、聚丙烯腈類(polyacrylic)、聚乙烯類(polyethylene)、聚丙烯類(polypropylene)、纖維素類(cellulose)、蛋白質類(protein)、彈性纖維類(elastomeric)、聚全氟乙烯類(polytetrafluoroethylene)、聚亞苯苯并二噁唑類 (poly-p-phenylenebenzobisoxazole,PBO)、聚醚酮類(polyetherketone)、碳素類(carbon)或玻璃纖維類(glass fiber)，等或其他商用非導電纖維用之材料。

與先前技術相較，本創作之軟性加熱元件具有可撓性佳、輕薄不佔空間、重量輕、裝設容易、製造容易，等優點，並且其熱源覆蓋範圍本質上為二維的覆蓋範圍。

關於本創作之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

1‧‧‧軟性加熱元件

10‧‧‧軟性基底

12‧‧‧非導電紗

14‧‧‧包芯紗

142‧‧‧芯紗

144‧‧‧金屬絲

146、148‧‧‧金屬絲的末端

16、18‧‧‧端子

圖1係繪示根據本創作之一較佳具體實施例的軟性加熱元件。

圖2A係示意地繪示本創作所採用做為包芯紗14的結構。

圖2B係圖3A中之尚未滾軋的金屬絲144未沿C-C線之截面視圖以及經滾軋的金屬絲144沿C’-C’線之截面視圖。

圖2C係圖3A中之包芯紗14沿B-B線之截面視圖。

圖3係繪示根據本創作之另一較佳具體實施例的軟性加熱元件。

圖4係繪示根據本創作之另一較佳具體實施例的軟性加熱元件。

以下將詳述本創作之較佳具體實施例以及實際應用案例，藉以充分說明本創作之特徵、精神及優點。

請參閱圖1，該圖式揭露根據本創作之一較佳具體實施例之軟性加熱元件1以及其可能的主要紡織結構。

如圖1所示，根據本創作之較佳具體實施例之軟性加熱元件1，其包含一絕緣的軟性基底10以及N根包芯紗14，其中N為一自然數。該N根包芯紗14係以一紡織工法與該軟性基底10整合。

須強調的是，該等包芯紗14可導電，並且將流經其本身的電流轉換成熱。

請參閱圖2A，圖2A係示意地繪示根據本創作所之包芯紗14之一實施例的結構。如圖2A所示，每一根包芯紗14係由一芯紗142以及至少一經滾軋的金屬絲144所構成，並且該至少一經滾軋金屬絲144係分別螺旋地纏繞該芯紗142。實務上，該芯紗142可以由至少一導電芯長纖、多根導電短纖、至少一非導電芯長纖或多根非導電短纖所構成。圖2A所示的包芯紗14，其芯紗142係由多根非導電芯長纖所構成。於實際應用中，纏繞在芯紗142上之經滾軋金屬絲144的根數係根據該包芯紗14之單位長度的阻抗值、柔軟性、可撓性、機械性質，等性質的實際要求而定。此外，示於圖2A中纏繞在芯紗142上之同一根相鄰匝的經滾軋金屬絲144之間存有間隙。於實際應用中，根據該包芯紗14之單位長度的阻抗值、柔軟性、可撓性、機械性質等性質的實際要求，纏繞在芯紗142上之同一根相鄰匝的經滾軋金屬絲144也可能部分重疊。

也請參閱圖2B及圖2C，圖2B係圖2A中之尚未滾軋的金屬絲144未沿C-C線之截面視圖，以及經滾軋的金屬絲144沿C’-C’線之截面視圖。圖2C係圖2A中之包芯紗14沿B-B線之橫截面視圖。如圖2B所示，一段長度為t、直徑為d之尚未滾軋的金屬絲144其體積為π(d/2)2×t，能與芯紗142接觸的面積近乎一條線。同樣示於圖2B，同樣一段長度為t之經滾軋且厚度為d/5的金屬絲144其體積與尚未 滾軋的金屬絲144的體積相等，所以其能與芯紗142接觸的面積為4d×t。因此，於圖2A中之案例中，本創作將金屬絲144滾軋能得到相同體積且與芯紗包繞接觸的面積較大之金屬絲144。將經滾軋金屬絲144緊密纏繞芯紗142，藉此，如圖2C所示，根據本創作之包芯紗14具有於芯紗142與經滾軋金屬絲144之間相當大的服貼性(compliance)，更利於紡織。更重要的是，利用經滾軋金屬絲144，圖2A所示之包芯紗14具有更大的加熱表面積。

需強調的是，根據本創作之包芯紗14的結構也可根據張力承受、撓折性承受、防火性、導熱性等功能性要求分別以符合該功能要求的材質來組合而成。

於一具體實施例中，該軟性基底10可以是一膜材、一織布或一不織布。於實際執行中，當該軟性基底10為膜材時，該膜材可以由PE、PP、PI、PU、TPU、PVC、PTEE、人工橡膠，等高分子材料所製成。

於一具體實施例中，該紡織工法係一針織法、一經編針織法、一緯編針織法、一平織法、一編織法、一車縫法、一手縫法或一繡花法。

例如，圖1所示之軟性加熱元件1其軟性基底10是由多根非導電紗12編織而成，該軟性基底10與一根包芯紗14係以一緯編針織法整合成根據本創作之軟性加熱元件1。圖1所示之軟性加熱元件1具有鏤空的紡織結構，讓其本身撓性更佳、輕薄不佔空間、重量更輕。圖3所示之軟性加熱元件1其軟性基底10則是以高分子材料製成的膜材，一根包芯紗14係以一車縫法與該膜材10整合成根據本創作之軟性加熱元件1。圖4三所示之軟性加熱元件1其軟性基底10是由多根非導電紗12編織而成，該軟性基底10與多根包芯紗14係以一平織法整合成根據本創作之軟性加熱元件1。

於一具體實施例中，用來製造該等經滾軋金屬絲144的材料可以是銅(copper)、銅鎳合金(CuNi alloy)、銅鎳矽合金(CuNiSi alloy)、銅鎳鋅合金(CuNiZn alloy)、銅鎳錫合金(CuNiSn alloy)、銅鉻合金(CuCr alloy)、銅銀合金(CuAg alloy)、銀(silver)、金(gold)、鉛(lead)、鋅(zinc)、鋁(aluminum)、鎳(nickel)、黃銅(brass)、磷青銅(phosphor bronze)、鈹銅合金(beryllium copper)、鎳鉻合金(nichrome)、鎢(tungsten)、鉑(platinum)、鈀(palladium)、銅鎢合金(CuW alloy)、不銹鋼(stainless steel)、鈦(titanium)、鈦合金系列(titanium alloys)、鎳鉻鉬鎢合金(Ni-Cr-Mo-W alloy)、鋯(zirconium)、鋯合金系列(zirconium alloys)、鉭(tantalum)、HASTELLOY合金系列、鎳合金系列、MONEL合金系列、ICONEL合金系列、FERRALIUM合金、NITRONIC合金系列、CARPENTER合金，等或其他商用的金屬或合金。

於一具體實施例中，用來製造該至少一根非導電芯長纖以及該多根非導電短纖的材料可以是聚酯類(polyester)、聚醯胺類(polyamide)、聚丙烯腈類(polyacrylic)、聚乙烯類(polyethylene)、聚丙烯類(polypropylene)、纖維素類(cellulose)、蛋白質類(protein)、彈性纖維類(elastomeric)、聚全氟乙烯類(polytetrafluoroethylene)、聚亞苯苯并二噁唑類(poly-p-phenylenebenzobisoxazole,PBO)、聚醚酮類(polyetherketone)、碳素類(carbon)或玻璃纖維類(glass fiber)，等或其他商用非導電纖維用之材料。

根據本創作之軟性加熱元件1進一步包含兩端子。該兩端子係安置在該軟性基底10上，並且與該等包芯紗14作電氣接觸，該兩端子用以提供一電源之電連接。例如，圖4中標示標號16、18分別為一金屬箔，且分別接合在該等包芯紗14的兩端，以與該等包芯紗14作電氣接觸。另有不同的設計，如圖1及圖3所示之軟性加熱元件1，其所採用的 單根包芯紗14的兩個末端146、148，即可做為該軟性加熱元件1對電源連接用的端子。

綜上所述，應能輕易瞭解根據本創作之軟性加熱元件具有可撓性佳、輕薄不佔空間、重量輕、裝設容易、製造容易，等優點，並且特別地，其熱源覆蓋範圍本質上為二維的覆蓋範圍。並且特別地，根據本創作之軟性加熱元件其應用範圍廣泛，不但可以應用於單位面積需要較低加熱功率的環境下，亦可以應用於單位面積需要較高加熱功率的環境下。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本創作之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本創作所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本創作所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1‧‧‧軟性加熱元件

10‧‧‧軟性基底

12‧‧‧非導電紗

14‧‧‧包芯紗

146、148‧‧‧金屬絲的末端

Claims (8)

1. 一種軟性加熱元件(flexible heating element)，包含：一絕緣的軟性基底；以及N根包芯紗(coupling yarn)，該N根包芯紗係以一紡織工法與該軟性基底整合，每一根包芯紗係由一芯紗(core yarn)以及至少一經滾軋的金屬絲(rolled metal wire)所構成，該至少一經滾軋金屬絲係分別螺旋地纏繞該芯紗，該芯紗包含選自由至少一導電芯長纖、多根導電短纖、至少一非導電芯長纖以及多根非導電短纖所組成之群組中之其一，N為一自然數，其中該等包芯紗係將流經其本身的電流轉換成熱。
2. 如申請專利範圍第1項所述之軟性加熱元件，進一步包含兩端子，該兩端子係安置在該軟性基底上並且與該等包芯紗作電氣接觸，該兩端子用以提供一電源之電連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之軟性加熱元件，其中該軟性基底係選自由一膜材(membrane)、一織布(woven fabric)以及一不織布(nonwoven fabric)所組成之群組中之其一。
4. 如申請專利範圍第3項所述之軟性加熱元件，其中該膜材係由一高分子材料所製成。
5. 如申請專利範圍第4項所述之軟性加熱元件，其中該高分子材料係選自由PE、PP、PI、PU、TPU、PVC、PTEE以及人工橡膠所組成之群組中之其一。
6. 如申請專利範圍第1項所述之軟性加熱元件，其中該紡織工法係選自由一針織法(knitting way)、一經編針織法 (warp knitting way)、一緯編針織法(weft knitting way)、一平織法(weaving way)、一編織法(braiding way)、一車縫法、一手縫法以及一繡花法方式所組成之群組中之一工法。
7. 如申請專利範圍第1項所述之軟性加熱元件，其中該至少一經滾軋的金屬絲係由選自由銅(copper)、銅鎳合金(CuNi alloy)、銅鎳矽合金(CuNiSi alloy)、銅鎳鋅合金(CuNiZn alloy)、銅鎳錫合金(CuNiSn alloy)、銅鉻合金(CuCr alloy)、銅銀合金(CuAg alloy)、銀(silver)、金(gold)、鉛(lead)、鋅(zinc)、鋁(aluminum)、鎳(nickel)、黃銅(brass)、磷青銅(phosphor bronze)、鈹銅合金(beryllium copper)、鎳鉻合金(nichrome)、鎢(tungsten)、鉑(platinum)、鈀(palladium)、銅鎢合金(CuW alloy)、不銹鋼(stainless steel)、鈦(titanium)、鈦合金系列(titanium alloys)、鎳鉻鉬鎢合金(Ni-Cr-Mo-W alloy)、鋯(zirconium)、鋯合金系列(zirconium alloys)、鉭(tantalum)、HASTELLOY合金系列、鎳合金系列、MONEL合金系列、ICONEL合金系列、FERRALIUM合金、NITRONIC合金系列以及CARPENTER合金所組成之群組中之其一所製成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之軟性加熱元件，其中該至少一根非導電芯長纖以及該多根非導電短纖係由選自由聚酯類(polyester)、聚醯胺類(polyamide)、聚丙烯腈類(polyacrylic)、聚乙烯類(polyethylene)、聚丙烯類(polypropylene)、纖維素類(cellulose)、蛋白質類(protein)、彈性纖維類(elastomeric)、聚全氟乙烯類 (polytetrafluoroethylene)、聚亞苯苯并二噁唑類(poly-p-phenylenebenzobisoxazole,PBO)、聚醚酮類(polyetherketone)、碳素類(carbon)以及玻璃纖維類(glass fiber)所組成之群組中之其一所製成。