CN108260232A - 高分子正温度系数材料组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子正温度系数材料组件，至少包括有一高分子正温度系数材料层、分设在高分子正温度系数材料层的两面的二电极组、二导通孔以电性连接两同极电极及一USB接口。其中每一电极组至少包括两相邻但不相连的正负极电极，且第一表面的正极电极与第二表面的负极电极的正交投影面积大于10%。本发明的高分子正温度系数材料组件的结构设计形成一简单安全的可携式发热体，并可以通过外部电源以稳定的发热，并应用在加热产业或是电路保护领域。

Description

高分子正温度系数材料组件

技术领域

本发明是关于一种高分子正温度系数组件，特别是一种应用在自限式发热体与过电流保护的高分子正温度系数组件。

背景技术

高分子正温度系数(Polymeric Positive Temperature Coefficient, PPTC)复合材料具有对温度与电流敏感的特性，目前被广泛运用在电路上作为过电流保护与自限式加热电缆使用。

高分子正温度系数复合材料在常温下(25℃)，具有极低的电阻值。当应用在过电流保护时，使得电路可以依照设计所需的功能运作，而当遇到偶发的过温度(Over-temperature)或过电流(Over-current)的情况，高分子正温度系数复合材料的高分子微结构产生相变化，此时导电填充物会因为高分子相的相变化，产生较多的移动空间，进而使得电阻陡然上升，依据奥姆定律，此时电流会因为电阻上升而下降至一微小状态，进而达成电路保护的功能。

当高分子正温度系数复合材料应用在自限式发热体时，只要供应足够的电流，促使高分子正温度系数复合材料的高分子微结构产生相变化，在电阻陡然上升的同时，高分子正温度系数材料亦同时产生较环境温度为高的表面温度，但正常应用下，其最高温度会在高分子相熔点附近，而自限式发热体的应用即是利用此特性达成自限式发热的功效。

然而，在自限式发热体上，传统高分子正温度系数复合材料发热体，皆为平行式电缆设计，是属于大电压大电流(≧120Vac)的应用，并无法直接接触人体使用，亦无法通过低电压小电流(≦5V/2A)直接触动发热，虽然现今市场已存在一次性暖暖包或是可重复使用充电式个人保暖用品或以白金触媒与煤油燃烧式怀炉，但这些个人保暖产品皆存在安全或环保的隐忧。

传统个人保暖用品，除了一次性使用的暖暖包及以白金触媒与煤油燃烧式怀炉为非使用电力转换成热能使用，其余皆是将电力转换成热能使用在个人保暖的应用上。这些使用电能转换为热能的个人保暖用品皆是将充电电池与发热体设计合而为一，然而这样的设计在目前看来是一种潜藏安全隐忧的设计。因为以目前电池材料科技与安全操作环境而言，电池的最高操作温度通常设定在60℃，超过此温度，电池材料易处于不稳定且不安定反应的状态，进而产生电池过热而致烧毁，甚至于爆炸的情况。就此而言，将发热体放在一个热不安定的能源旁，是否是一个明智的安排，恐怕有待商榷。但如果将发热体与电源分开配置，则需在这些发热体加设升压及温度控制电路管理，才可以达到可使用性。所以，现实上，发热体与电源无法分开，必须合而为一，以达成可使用化及可接受的成本。现有的设计，无疑地消费者必须承担在使用的中的风险。

另一方面，此类充电式个人保暖用品常见以可挠式聚酰亚胺发热体或镍铬合金丝电阻埋入硅胶片式发热体为主，其制造过程与发热原理皆相近，皆是以一导体的电阻所产生的电阻热，而这个热会不断上升，因为导体的电阻并不会因为导体温度改变而产生剧烈的变化，进而限制电流而限制发热。所以这一类的发热体需要额外的控制电路才能使用在人体直接接触。

中国台湾发明专利第I407460号与中国台湾新型专利第M325698号皆提出高分子正温度系数材料的发热体应用在人体上。然而，此二专利皆为液态制程，且电极需预先埋入基材的中，再将含电极的基材以涂布或含浸的方式，将高分子正温度系数材料附着在含电极的基材上。此二方法虽然改善传统发热体的问题，但仍然存在不易生产及因电阻较高需要较高电压(≧12V)驱动发热的问题。且因此二专利所制造的发热体为纤维状，故机械强度不足，造成与电源的连接需以特殊方法接合，降低了可使用性。

现有技术的高分子正温度系数材料是以制作成组件( Component)，辅以插件焊、表面黏着回焊、轴向点焊方式附加在电路板上，形成过电流保护回路；或是以平行电缆的结构，连接市电电源(110Vac－240Vac)产生热的方式，达到其设计功效与目的。

请参见图1所示，图1为现有技术的高分子正温度系数组件的立体示意图，现有技术的高分子正温度系数组件900是将结晶性热塑性高分子与导电材料及功能性添加剂，依据性能需要调整比例混合，藉由混炼设备进行熔融混合后，得到成分均匀分散的导电复合材料，再将这些已经经过混炼的导电复合材料，藉由热压或是薄板压出的方式形成高分子正温度系数材料层901，将上电极902、下电极903均匀压合在此高分子正温度系数材料层901的正反表面，形成一三明治结构的高分子正温度系数组件。

发明内容

本发明提供一种高分子正温度系数材料组件，通过电路结构的特殊设计方式，因而具有可以直接或间接将电源接口与高分子正温度系数材料层连接的特性，使得高分子正温度系数材料不仅可以应用在电路保护上，亦可做为可携式重复使用的恒温安全发热体。

本发明的一种高分子正温度系数材料组件，至少包括有一高分子正温度系数材料层、分设在高分子正温度系数材料层的两面的二电极组、二导通孔以电性连接两同极电极、及一USB接口。其中每一电极组至少包括两相邻但不相连的正负极电极，且第一表面的正极电极与第二表面的负极电极的正交投影面积大于10%。

本发明一实施例中，第一表面和第二表面填敷有一导热材，且导热材的面积至少等于高分子正温度系数材料层。

本发明一实施例中，高分子正温度系数材料组件还包括有一外壳。

本发明一实施例中，电极组的至少二电极互为栅状交错设置在高分子正温度系数材料层。

本发明一实施例中，一电极组还包括另一电极以形成一开路，此电极一端连接在电源接口的输入端。

本发明一实施例中，高分子正温度系数材料组件还连接在一控制电路或一需保护的电路。

本发明一实施例中，高分子正温度系数材料组件连接一电源后的加热温度低于70℃。

本发明一实施例中，高分子正温度系数材料层的任一表面还填敷一电路层。

本发明的另一种高分子正温度系数材料组件，至少包括有：

一高分子正温度系数材料层，其包括有一第一表面和一第二表面；

一第一电极组，设置在第一表面，并包括有一第一电极和一第二电极，第一电极和第二电极栅状交错分布在第一表面；

一第二电极组，设置在第二表面，并包括有一第三电极和一第四电极，第三电极和第四电极栅状交错分布在第二表面；

一第一导通孔，电性连接第一电极和第三电极；

一第二导通孔，电性连接第二电极和第四电极；及

一电源接口，包括有一输入端和一输出端，输入端连接在第一电极，输出端连接在第二电极；

本发明一实施例中，第一电极组的第一电极和第二电极组的第四电极正交投影区域大于10%，第一电极组的第二电极和第三电极组正交投影区域大于10%。

本发明一实施例中，第一表面和第二表面填敷有一导电热材，且导电热材的面积至少等于高分子正温度系数材料层。

本发明一实施例中，高分子正温度系数材料组件还包括有一外壳。

本发明一实施例中，电源接口为一USB组件。

本发明一实施例中，第一电极组还包括一第五电极以形成一开路，第五电极的一端连接在电源接口的输入端，另一端具有一第三导通孔。

本发明一实施例中，高分子正温度系数材料组件经由第三导通孔还串连接在一控制电路或一需保护的电路。

本发明一实施例中，高分子正温度系数材料组件连接一电源后的表面温度低于70℃。

本发明一实施例中，高分子正温度系数材料层的任一表面还填敷一电路层。

本发明的高分子正温度系数材料组件在连接电源后，可以快速升温，并在持续供给电能下，稳定的保持加热状态，并不会有温度突升或突降状况，且加热温度低于70℃，可以充分的发挥保暖功效，也不致于会造成使用者的烫伤。

附图说明

图1为现有技术的高分子正温度系数组件的立体示意图。

图2为本发明第一实施例的高分子正温度系数组件的俯视图。

图3为图2沿2’-2’切线的剖面图。

图4为本发明第一实施例在通电的状态下温度变化曲线图。

图5为本发明第二实施例的高分子正温度系数组件的俯视图。

图6为图5沿5’-5’切线的剖面图。

【主要组件符号说明】

100 高分子正温度系数组件

101 高分子正温度系数材料层

1011 第一表面

1012 第二表面

102 第一电极

103 第二电极

104 第三电极

105 第四电极

106 第一导通孔

107 第二导通孔

108 电源接口

109 第五电极

110 第三导通孔

900高分子正温度系数组件

901 高分子正温度系数材料层

902 上电极

904 下电极。

具体实施方式

请参考图2及图3所示，其中图2为本发明第一实施例的高分子正温度系数组件100的俯视图，图3为图2沿2-2’切线的剖面图。

本实施例中，高分子正温度系数组件100包括有高分子正温度系数材料层101、第一电极102、第二电极103、第三电极104、第四电极105、第一导通孔106、第二导通孔107和电源接口108。

其中高分子正温度系数材料层101具有第一表面1011和第二表面1012。第一电极102和第二电极103以栅状交错方式设置在高分子正温度系数材料层101的第一表面1011。第三电极104和第四电极105亦以栅状交错方式设置在高分子正温度系数材料层101的第二表面1012。且第一电极102与第四电极105的正交投影面积大于10%，且第一电极102和第三电极104通过穿透高分子正温度系数材料层101的第一导通孔106得以电性相连。第二电极103与第三电极104的正交投影面积大于10%，而第二电极103和第四电极105则是通过穿透高分子正温度系数材料层101的第二导通孔107得以电性相连。电源接口108包括有设置在第一表面1011上的输出端和输入端，输入端相连在第一电极102，而输出端则相连在第二电极103，且输出端和输入端相邻不相连。在一态样下，电源接口108为一USB接口。

其中，高分子正温度系数材料层101由结晶性热塑型高分子、结晶性热塑型高分子的衍生聚合物和至少一种导电材料所组成。结晶性热塑型高分子细选自包括有聚烯烃类高分子、氟化聚合物类高分子和热塑性弹性体的群组，衍生聚合物系指结晶性热塑型高分子的共聚、接枝衍生物，而导电材料可选择自，碳类(碳粉、石墨等)、金属类(镍粉、铜粉、铁粉等)、金属碳化物(碳化钛、碳化钨、碳化钼等)、金属氮化物(氮化钛、氮化铬等)、金属硼化物(二硼化钛、二硼化铬、二硼化钒等)与金属硅化物(二硅化钛、二硅化铬、二硅化钼等)。高分子正温度系数材料层101还选择性添加的功能性添加剂，如交链助剂、抗氧化剂、电弧抑制剂、填充剂等。以上材料经熔融混炼的过程将所有成分混合在一起，使得导电材料与添加剂均匀分在在结晶性热塑性高分子材料中，形成一高分子正温度系数复合材料。

在制造高分子正温度系数组件100时，是将以上材料经熔融混炼的过程将所有成分混合在一起，使得导电材料与添加剂均匀分在结晶性热塑性高分子材料中，并以薄板押出机押出成薄片材，形成一高分子正温度系数材料层101。

随后，再以滚轮压合或热压的方式将金属电极贴附在高分子正温度系数材料层101的第一和第二表面(1011、1012)，进而形成一类似于三明治的夹层迭合结构。

其中，电极(102、103、104、105) 是以印刷电路板常用的钻孔、曝光、显影、蚀刻、电镀等步骤，将电极图案化，并同时将电源接口连接位置一并在此步骤完成。且电源接口直接或间接附着在高分子正温度系数材料任一面电极上为相邻但不相连的位置结构上，进而形成电源的输入与输出，与高分子正温度系数材料层形成一完整电路回路。

当本实施例的高分子正温度系数组件100连接一电源(图中未示)时，电流会自电源接口108的输入端分流进入第一电极102并经由第一导通孔106进入电三电极。电流进入第一电极102后随后经过高分子正温度系数材料层101，再进入第四电极105，藉由第二导通孔107，将电流导通至第二电极103并连接第二电极103上的电源接口108的输出端；电流自电源接口108输入端输入并经由第一导通孔106进入第三电极104，随后在经过高分子正温度系数材料层101后，进入第二电极103。并接通连接在第二电极103上的电源接口108的输出端，进而形成一完整并联回路，通过市电或行动电源的电能供给就可以触发高分子正温度系数材料的发热功能。

本发明的高分子正温度系数组件100还包括有一导热材 (图中未示)或一外壳(图中未示)。导热材是填敷在高分子正温度系数材料层101的第一表面1011和第二表面1012，且填敷的面积至少等于高分子正温度系数材料层101的面积，导热材可以辅助高分子正温度系数组件100将通电后产生的热能均匀导出至表层，一般较常被选用的导热材软质的硅胶。外壳是装设高分子正温度系数组件100，且外壳根据使用的目的与温度，材质可选用硬式的金属、塑料或软式的硅胶类材料。

请参考图4所示，图4为本实施例的高分子正温度系数组件100在通电的状态下温度变化曲线图。其中线段A为室温变化图，线段B为本发明的高分子正温度系数组件施以市电或行动电源的电能后温度变化。由图中可看出，本发明的高分子正温度系数组件100在供给电能(本测试使用行动电源为电能来源，5V/2A)约30秒后，便开始缓慢升温，并在第15分钟左右，温度便达恒定，且只要持续供给电能，高分子正温度系数组件100就可以稳定的保持发热状态，并不会有温度突升或突降的现象。

请参考图5和图6所示，其中图5为本发明第二实施例的高分子正温度系数组件200的俯视图，图6为图5沿5-5’切线的剖面图。

本实施例与第一实施例十分类似，差别在于本实施例是在高分子正温度系数组件100的第一表面1011增设一条第五电极109，第五电极109的一端与电源接口108的输入端相连，另一端则设有一第三导通孔110。藉此在高分子正温度系数组件100上形成一开路，以便与一外部电路(例如:保护电路或控制电路)串联，以产生控制或电路保护的功能。

应用本实施例时，外部电路(例如:被保护电路或控制电路，图中未示)是通过第一导通孔106和第三导通孔110与高分子正温度系数组件100形成串联。供电电流会由电源接口108的输入端流入第五电极109，并先由第三导通孔110流入外部电路再由第一导通孔106流回高分子正温度系数组件100，以导通第一电极102和第三电极104，并通过高分子正温度系数材料层101，接着由第四电极105与第二导通孔107导通的第二电极103，回到电源接口108的输出端上，完成一完整的回路。

以连接控制组件为例，通过这样的布局，可以藉由后方串连的控制组件通电与否，进行对高分子正温度系数材料加热行为的控制，例如，环境温度太低时，控制电路启动电流，高分子正温度系数材料开始发热，或是，当环境温度足够时，控制电路关闭电流，高分子正温度系数材料停止发热:亦或是藉由此这样的布局，利用高分子正温度系数材料对前后方回路进行过电流保护。

本实施例还可在高分子正温度系数组件100的任一表面填敷一电路层(图中未示)，此电路层可选用以传统印刷电路板迭压方式外加在高分子正温度系数材料层，且电路层是以直接或间接方式与电源接口108以焊锡方式连接，最后再施以一外保护层密封，以隔离水气与灰尘，以应用在电路保护上，例如，应用在USB电缆上，当USB接头不论是在对行动装置充电或传输时，可实时感测异常状况进而升高电阻值，避免因高电流产生的热或是外力造成的短路所造成的使用风险。

Claims (16)

1.一种高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料组件包括有：

一高分子正温度系数材料层，其包括有一第一表面和一第二表面；

二电极组，一电极组设置在所述第一表面，另一电极组设置在所述第二表面，每一电极组至少包括两相邻但不相连的正负极电极，且所述第一表面的正极电极与所述第二表面的负极电极的正交投影面积大于10%；

二导通孔，导通所述两电极组，使所述两电极组电性连接；及

一USB接口，包括有一输入端和一输出端，所述输入端和所述输出端分别相连至其中一电极组的各电极上。

2.如权利要求1所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面填敷有一导热材，且所述导热材的面积至少等于所述高分子正温度系数材料层。

3.如权利要求1或2所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料组件还包括有一外壳。

4.如权利要求3所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述电极组的至少二电极互为栅状交错设置在所述高分子正温度系数材料层。

5.如权利要求4所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述一电极组还包括另一电极以形成一开路，此电极一端连接在所述电源接口的输入端。

6.如权利要求5所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料组件还连接在一控制电路或一需保护的电路。

7.如权利要求6所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料组件连接一电源后的加热温度低于70℃。

8.如权利要求7所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料层的任一表面还填敷一电路层。

9.一种高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料组件包括有：

一高分子正温度系数材料层，其包括有一第一表面和一第二表面；

一第一电极组，设置在所述第一表面，并包括有一第一电极和一第二电极，所述第一电极和所述第二电极是栅状交错分布在所述第一表面；

一第二电极组，设置在所述第二表面，并包括有一第三电极和一第四电极，所述第三电极和所述第四电极是栅状交错分布在所述第二表面；

一第一导通孔，电性连接所述第一电极和所述第三电极；

一第二导通孔，电性连接所述第二电极和所述第四电极；及

一电源接口，包括有一输入端和一输出端，所述输入端是连接在所述第一电极，所述输出端是连接在所述第二电极；

其特征在于，所述第一电极组的所述第一电极和所述第二电极组的第四电极正交投影区域大于10%，所述第一电极组的所述第二电极和所述第三电极组正交投影区域大于10%。

10.如权利要求9所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面系填敷有一导电热材，且所述导电热材的面积至少等于所述高分子正温度系数材料层。

11.如权利要求9或10所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料组件还包括有一外壳。

12.如权利要求11所述的高分子正温度系数材料组件，其中所述电源接口为一USB组件。

13.如权利要求12所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述第一电极组还包括一第五电极以形成一开路，所述第五电极的一端连接在所述电源接口的输入端，另一端具有一第三导通孔。

14.如权利要求13所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料组件经由所述第三导通孔还串连接在一控制电路或一需保护的电路。

15.如权利要求14所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料组件连接一电源后的表面温度低于70℃。

16.如权利要求15所述的高分子正温度系数材料组件，其特征在于，所述高分子正温度系数材料层的任一表面还填敷一电路层。