專利名稱：加熱襯套的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種加熱襯套。術語“加熱襯套”在這里具有廣泛的含義，包括結合電加熱電纜的任何物品，例如底襯套(典型地放置在床單下)、上襯套(典型地覆蓋在睡覺人身上)、加熱墊(可由使用者應用至使用者身體的具體部分的相對小的物品)或類似物。
背景技術：
安全性在加熱襯套中是主要問題，尤其是被用于溫暖例如被褥的加熱襯套。主要的安全問題是過熱問題。盡管努力解決這個問題，但在二十一世紀開始，仍然存在因為底襯套的過熱而導致的被褥著火的嚴重受傷和有時死亡出現的情況。次要的但仍然意義重大的問題是由于使用者緊密靠近傳輸交流電的導體而導致暴露于輻射(一般被稱作EMF效應)。
最早解決過熱問題的嘗試在美國專利3375477中被說明。這篇文獻說明了一種由第一導體和第二導體制造的加熱電纜，加熱電流流過第一導體，第二導體沿第一導體的長度延伸但由分隔層與第一導體分隔。分隔層具有負溫度系數(NTC)，以使該層的阻抗隨增加的溫度而降低。檢測通過分隔層泄漏到第二導體的電流且用于在泄漏電流超過預定閾值的情況下中斷供給第一導體的電力。假如供給的電流超過閾值，切斷電源的設備提供另外的安全切斷。NTC分隔層被設計以使它在過熱的情況下不被破壞，因此，襯套被設計為不會因為有時受到過熱溫度而永久不能工作。
在US3375477中說明的一般類型的產品已經在英國出售。那個產品是由內導電芯、圍繞芯形成的分隔層、螺旋圍繞分隔層的加熱線和絕緣的外保護層制造的共軸結構。內芯由一束扭絞在一起的元件制造，這些元件的每一個由合成纖維芯制造，圍繞合成纖維芯纏繞著導電箔片條。一般稱為“金屬絲(tinsel)”的這種結構在許多加熱襯套中使用，因其具有很高柔性且具有相對小的體積。然后，在扭絞的芯上擠壓形成NTC分隔層，加熱線螺旋纏繞在分隔層上，外絕緣保護層被擠壓形成在線和分隔層上。在使用中，加熱線的相對端被連接至一般為電源電壓的電源的相對電極。金屬絲芯不傳送流過導線的電流，而是僅僅用于拾取通過分隔層的加熱線的電流泄漏。泄漏電流隨增加的溫度而增加，泄漏電流的幅度被用于控制傳送至加熱線的電力。
在已知的產品中，僅僅監測加熱電纜的一個參數，這就是NTC分隔層的導電率。一般地，該電纜將被配備一個控制器，該控制器也具有在加熱元件汲取的電流超過預定閾值時用以切斷電力供給的電路，從而整個組件可被作為雙安全特征系統。然而，簡單的過電流保護一般不能有效避免沿加熱電纜的長度出現“熱點”。另外，如果主加熱電流僅僅沿加熱線流動而不沿著金屬絲芯流動，電纜發射電磁輻射因此沒有解決EMF問題。
在依賴于NTC分隔層檢測過熱的基本構思的發展中，提出了使用一種既是NTC又是可熔化的分隔層。這樣一種結構被說明在美國專利6310332中。在說明的結構中，通過監測分隔層的NTC特性實現正常電壓控制。然而，假如沿加熱電纜長度的任意點達到異常高溫，則分隔層將熔化，使得共軸組件的兩個導體變為直接接觸，從而引起兩個導體間短路。這樣一種短路是容易檢測的且被用于切斷電源。一旦這種情況發生，當然產品實際上被破壞，因其不能恢復至正常工作狀況。
US6310332說明了兩個實施例，即圖1中的實施例和圖2和3中的“多功能”實施例。在圖2和3中的實施例中，一個導體傳輸加熱電流而另一個導體被用于檢測目的。檢測導體還可具有正電阻特性(PTC)以提供用于監測沿電纜長度的溫度的附加裝置。然而，使用該配置，因為檢測電纜不傳輸加熱電流，EMF問題沒有解決。在與此對照的圖1的實施例中，兩個加熱電纜被二極管串聯連接，加熱電流通過每個加熱線。這種布置解決了EMF問題，因兩個加熱線中的電流以相反方向沿電纜流動，但是沒有PTC檢測元件，通過以與流過將兩個加熱線連接在一起的二極管的電流的流動方向相反的方向流動的電流的出現來檢測通過分隔層的電流泄漏。
當如圖1中布置時，NTC和可熔化的分隔層解決了EMF問題，并且提供雙重過熱檢測特征，即檢測因溫度改變而導致的分隔層阻抗的變化和檢測在異常高溫出現時分隔層的熔化。然而，這兩種過熱檢測系統均依賴于單個元件即擠壓形成的分隔層的特性。為使其有效，意味著分隔層必須被制造為具有非常高的公差。例如，假如分隔層沒有正確的厚度，對溫度變化的NTC響應將不能夠如要求的那樣進行安全的過熱檢測。同樣地，假如分隔層的化學成分不能被嚴格地控制，分隔層的NTC特性和熔化溫度可能落在保持安全性的范圍之外。
新西蘭專利243204描述了一種共軸加熱電纜，其通過提供纏繞的雙加熱電纜以減少電磁場發射來解決EMF安全問題。所描述的電纜解決了EMF問題，但是僅僅能夠監測以避免過熱為目的的一個電纜特性。
發明內容
本發明的目的是提供一種加熱襯套和一種用于具有改善的工作特性的加熱襯套的電纜。
依據本發明，提供一種加熱電纜，其包括沿電纜長度延伸的第一導體、沿電纜長度延伸的第二導體、沿電纜長度延伸且插入在第一和第二導體之間的分隔層以及沿電纜長度延伸且圍繞第一和第二導體及分隔層的外絕緣套，其中第一和第二導體被串聯連接在電纜的一端，使得假若第一和第二導體被在電纜的另一端連接至電源的各個電極時，相等的電流以相反方向流過導體的毗鄰部分，第一導體被形成為具有正溫度特性，分隔層被形成為在導體毗鄰部分之間提供的電阻隨增加的溫度而減小。
第一和第二導體可是共軸的，分隔層可是管狀的，第一導體位于管狀分隔層的內側及第二導體位于管狀分隔層的外側。
優選地，第一導體由扭絞在一起的元件形成，每個元件包括纖維芯，圍繞該纖維芯纏繞著正溫度特性線以形成螺旋線。第二導體可是圍繞管狀分隔層纏繞以形成螺旋線的加熱線。
分隔層可形成為具有負溫度特性。可選擇地或另外，分隔層可形成為假如被加熱至預定閾值溫度時熔化。
當電纜被連接至電源時，第一和第二導體串聯地連接在電源的兩極之間。例如，監測第一導體的端到端阻抗，對電纜的電力供給作為所監測阻抗的函數被控制，以使供給的電力隨逐漸增加的監測阻抗而被逐漸減少。或作為因NTC材料溫度增加導致的阻抗減少的結果，或作為分隔層的至少一部分熔化以使第一和第二導體互相相接觸的結果而流過分隔層的電流也被用于控制電力的供給。一旦所監測的電流超過預定閾值，可終止電纜的電力供給。
通過例子，參考附圖，現將說明本發明的實施例，其中圖1說明依據本發明的加熱電纜的物理結構；和圖2示意性說明依據本發明的譬如圖1中的電纜和加熱襯套中的電源裝置之間的關系。
具體實施例方式
參考圖1，示意了依據本發明的加熱電纜的結構。該電纜包括四個元件扭絞在一起形成一束的形式的中心芯1，每個元件包括中心纖維芯2，中心纖維芯2提供機械強度且被由提供正溫度系數(PTC)的材料制造的螺旋形延伸線3纏繞。芯1具有擠壓在其上的分隔層4，加熱線5被纏繞在分隔層4上以形成螺旋線。防水和電絕緣的材料形成的擠壓套6完成電纜組件。
參考圖2，示意性地表示包括控制器且結合譬如圖1中的電纜的電熱毯的電路。線1表示電纜的芯1、線4表示分隔層，線5表示加熱線。電纜的兩端被連接至電源電路，電源電路包括控制器7、第一電流監測器8、電壓監測器9和第二電流監測器10。各個電流和電壓監測器向控制器7提供監測參數的輸出表示。控制器使用這三個輸入監測電纜的狀況且控制供給給電纜的電力。芯1的一端可經控制器7被連接至AC電源的負極，加熱線5的一端可經電流監測器8和控制器9被連接至AC電源的正極(livepole)，芯1和線5的另一端經電流監測器10被有效地短接在一起。
在本發明的第一實施例中，插入在芯1和加熱線4之間的分隔層4由具有負溫度系數(NTC)的材料制造。結果，當沿電纜的長度的任意位置處的溫度增加時，分隔層4的局部阻抗減少，因此通過分隔層4的電流泄漏增加。這個泄漏電流被用作電纜的控制參數之一。芯1呈現正溫度系數(PTC)，因此在電纜溫度增加時，芯1的端到端阻抗增加。這種阻抗增加被用作另一個控制參數。
通過了解施加至芯的電壓和通過芯的電流以監測芯兩端之間的阻抗，從而監測芯1的端到端阻抗。電壓監測器9的輸出可被用于調整由控制器7供給的電力，以保持穩定的電纜溫度。控制器7可配置用戶可操作的開關，以調整電力被供給的標準速率(normal rate)，從而滿足特定用戶的要求。
關于監測穿過分隔層4的電流泄漏，如果沒有泄漏，則由電流監測器8和10監視的電流將是相同的。泄漏電流的大小等于通過電流監測器8和10的電流之間的差值。控制器7可被用于逐漸減少供給的電力以響應泄漏電流的增長，如果泄漏電流超過預定值，總電流被減少至零。可選擇地，達到閾值之前控制器7可不響應監測的泄漏電流，在閾值點控制器簡單地終止電力的供給。
假定電路起作用以監測PTC芯1的端到端阻抗，端還起作用以監測通過分隔層4泄漏的電流大小，兩個安全監測系統實質上是獨立的。使一個檢測系統無效的制造誤差，例如分隔層4的厚度或結構的誤差，不會使另一個檢測系統無效。再者，監測通過分隔層4的電流泄漏的電路對任何泄漏電流是敏感的，即使所有泄漏電流出現在電纜的非常局部的部分。因此，電路對局部熱點的發展非常敏感。
關于EMF問題，假定僅僅向電纜的一端供給電力，并且由于在電纜的另一端經電流監測器10被連接在一起而使芯1和加熱線5串聯連接，即使沿電纜長度的任意點處通過分隔層4有一些泄漏電流，大致相等的電流通過芯1和加熱線5的毗鄰位置，這些電流的方向互相相反。結果是，基本上沒有從電纜發射的電磁輻射。
作為由NTC材料制造的分隔層4的替換例子，分隔層4可由可熔化材料制造，假如局部溫度超過預定閾值則可熔化材料將被熔化。當這種熔化出現時，假若組件被包裹在擠壓套6中(圖1)，并且圍繞分隔層4纏繞加熱線5，則芯1和線5將接觸并使電纜有效短路。這將被立即檢測到，因為短接的芯1和加熱線5之間的電流流動，使通過電流監測器10的電流急劇下降。假如短路發生在靠近電纜的被供給電力的那一端，吸引的電流將急劇上升，這可作為過電流狀況被簡單地檢測，使得控制器能夠終止電力供給。假如短路發生在電纜的靠近電流監測器10被連接的另一端，短路電流仍將導致通過監測器10的電流下降，使得控制器響應由監測器8和10檢測到的電流之間產生的差值，以終止供給。
可以理解，所描述的每個的系統具有三個獨立的安全特征，也就是固有的低電磁輻射、通過監測PTC芯1的阻抗檢測溫度、通過監測通過分隔層4的電流檢測溫度(NTC響應或熔化)。當然，分隔層4可以由NTC并且在對應于局部過熱的閾值溫度處可熔化的材料制造。
可以理解，所描述的電纜的各種元件可由常規材料制造。例如，“金屬絲”芯1可使用標準設備和材料制造。所需要的僅僅是芯1的端到端阻抗隨溫度增加。被結合在芯1中的銅或銅/鎘線可展現充分的PTC特性。在冷卻時小至幾十歐姆的端到端阻抗，可產生足夠大的電壓降，以便可靠地檢測隨溫度增加的電壓降。關于分隔層4，適當制備的聚乙烯可被用作可熔層和/或作為NTC層。加熱線5可以是完全常規的，如可以是用于形成外絕緣套的材料。
可以理解，示意性說明在圖2中的電路僅僅是一個能夠執行必需功能的電路的可能配置，即監測PTC芯1的端到端阻抗和監測通過分隔層4的電流泄漏。
權利要求
1.一種加熱電纜，其包括沿電纜長度延伸的第一導體、沿電纜長度延伸的第二導體、沿電纜長度延伸且插入在第一和第二導體之間的分隔層以及沿電纜長度延伸且圍繞第一和第二導體及分隔層的外絕緣套，其中第一和第二導體被串聯連接在電纜的一端，使得假若第一和第二導體被在電纜的另一端連接至電源的各個電極時，相等的電流以相反方向流過導體的毗鄰部分，第一導體被形成為具有正溫度特性，分隔層被形成為它在導體毗鄰部分之間提供的電阻隨增加的溫度而減小。
2.依據權利要求1的加熱電纜，其中第一和第二導體是共軸的，分隔層是管狀的，第一導體位于管狀分隔層的內側及第二導體位于管狀分隔層的外側。
3.依據權利要求2的加熱電纜，其中第一導體由扭絞在一起的元件形成，每個元件包括纖維芯，圍繞該纖維芯纏繞著正溫度系數線以形成螺旋線。
4.依據權利要求2或3的加熱電纜，其中第二導體是圍繞管狀分隔層纏繞以形成螺旋線的加熱線。
5.依據前述任意一項權利要求的加熱電纜，其中分隔層被形成為具有負溫度特性。
6.依據前述任意一項權利要求的加熱電纜，其中分隔層被形成為假如被加熱至預定閾值溫度時熔化。
7.一種加熱襯套，其包括依據前述任意一項權利要求的加熱電纜、電源、用于將第一和第二導體在電纜的所述另一端處連接至電源的各個電極的裝置、用于監測第一導體的端到端阻抗且將供給電纜的電力作為所監測阻抗的函數進行控制的裝置和用于監測流過分隔層的電流及將供給電纜的電力作為所監測電流的函數進行控制的裝置。
8.依據權利要求7的加熱襯套，包括用于響應所監測阻抗的增加而減小供給電纜的電力的裝置。
9.依據權利要求7或8的加熱襯套，包括用于在所監測的電流超過預定閾值時終止電纜的電力供給的裝置。
10.一種參考附圖大致如上所述的加熱電纜。
11.一種參考附圖大致如上所述的加熱襯套。
全文摘要
一種使用的加熱電纜及例如加熱襯套。加熱電纜包括沿電纜的長度延伸且由分隔層(4)分隔的第一(1)和第二導體(5)。導體和分隔層可是共軸的。第一和第二導體在電纜的一端被串聯連接，使得假如第一和第二導體在電纜的另一端處被連接至電源的各個電極，相等電流以相反方向流過導體的毗鄰部分。這基本上消除了電纜發射出的電磁輻射。第一導體具有正溫度特性，分隔層或具有負溫度特性或在預定閾值溫度處熔化。在流過分隔層的電流超過預定閾值的情況下，可終止供給給電纜的電力。
文檔編號H05B3/34GK1823552SQ200480020272
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月14日 優先權日2003年7月15日
發明者邁克爾·丹尼爾斯, 菲利普·威爾金 申請人:斯茂凱博有限責任公司