专利名称：发热结构及其控温方法
技术领域：
本发明涉及一种发热结构及其控温方法，特别是一种利用一PTC组件进行加热，并利用PTC组件特性，使交流电源相位整形电路及交流电源相位延迟整形电路所分别转换的直流方波讯号产生相移，以实时控制触发电路的开关，使PTC组件加热或降温，从而使发热线保持在一定的工作温度；适用于电热炉、热敷毯等发热装置使用。
背景技术：
发热结构在目前已被广泛的使用，如图7所示，其为相当普遍的一种热敷垫结构，主要在一套袋内装设一组上、下层叠的导电板a1，二导电板a1之间夹置复数个陶瓷电阻a2，再于二导电板a1外包覆软性耐热绝缘胶体a3，以构成热敷片a。该陶瓷电阻a2是正温度系数(Positive TemperatureCoefficient，PTC)组件，当二导电板a1通电后，由于PTC组件的电阻值会随着温度的上升而产生急遽的变化，当电阻值加大至使电流无法流通时，即形成断路状态，而达到固定温度的控制。
另如图8所示，美国专利US5,081,341提出了一种在织物b内直接将发热电阻线b1短路，以向外凸出二接触部b2，并藉由切换开关b3以控制电流是否导通，以进行加热的结构，其与上述已知技术一样，未能提供及时的检测，且无法进行多段式的温度控制。
因此，为达到可调整、控制温度的目的，以PTC组件做为感测结构，并同时搭配发热线以进行加热的方式即被大量使用。如图9所示的US5,861,610，其于一芯材c的外周缘依序包覆卷绕加热用的导线c1、第二绝缘层c2、检测线c3及第一绝缘层c4，检测线c3由PTC材料(镍合金)制成。当检测线c3的温度随着加热导线c1的温度上升，或因高温使得检测线c3的电阻改变，都将经由控制器内的比较电路进行比对，再以比对结果调整输入导线c1的电流量，以控制发热温度在用户所设定的范围内。
上述技术在美国专利US6,300,597、US6,310,322及US6768086中已经公开。此外，如图10所示的美国专利US6,222,162的电路控制图，与上述各已知结构的最大不同处在于，使用单一的PTC合金，并藉由量测其加热后所改变的电阻或电压，以控制电路的导通或断路，而达到定温加热的目的。
上述已知技术存在以下问题1、大部份的已知技术需同时在热敷垫或发热结构内设置加热与检测二种回路，并向外伸出四个接触部(分别连接二回路)，且需分别连接加热及比较电路，电子组件的配置上显得复杂，将增加制造的成本，并提升故障率。
2、不论是以单一的PTC合金同时达到加热及检测二种功能，或分别藉由二种不同的回路达到上述功能，当发热结构的控温装置损坏时，加热导线将持续加温，而有产生火灾的危险；对于此种现象，上述已知技术并无法藉由PTC组件的特性以提供安全的保障。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种发热结构的控温方法，利用PTC组件的特性，并配合交流电源相位整形电路及交流电源延迟相位整形电路所分别产生的直流方波的比较，能在低温时持续加热，而在高温时自动断电，以控制在用户所设定的工作温度。
本发明的次要目的是提供一种发热结构，利用一PTC组件与一短路线的连接，使发热线二接触点凸出于袋体，以连接控制器，使组件的组成单纯，节省材料成本，以降低使用故障率。
根据本发明的一个方面，本发明的发热结构的控温方法，包括下列步骤a、设定加热温度；b、接通电源以对PTC组件进行加温，并使部份电流输入交流电源相位整形电路，整形为直流方波；c、导通电流的一部份进入交流电源相位延迟整形电路，使正弦波讯号产生延迟，再转换成直流方波讯号；d、在加热过程中，以微处理器定时检测比较交流电源相位整形电路与交流电源相位延迟整形电路所分别转换的直流方波讯号之间的相移；以及e、控制触发电路的开关，使其呈导通(ON)或断路(OFF)状态，以使PTC组件加热或降温，从而使发热线保持在一定的工作温度。
根据本发明的另一个方面，所本发明提供的发热结构包括一发热线以及一控制器。发热线包括芯材、PTC组件、绝缘可熔层及短路线，PTC组件与短路线的一端连接，且PTC组件可在导电后发热；而控制器分别连接PTC组件与短路线的另端，包含一电路板，其设有一交流电源相位整形电路及一交流电源相位延迟整形电路，以分别将交流正弦波讯号转换成直流方波讯号，且PTC组件的温度上升，使流经交流电源相位延迟整形电路内的电流产生变化时，可使二整形电路之间的相移改变。
藉此，电路板上所设的微处理器检测后，可控制一触发电路呈导通或断路状态，使PTC组件加热或降温，从而使发热线保持在一定的工作温度。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1是本发明的电路方块示意图；图2是本发明的控制器的电路图；图3是本发明进行加热及控温时的流程图；图4是本发明的实施例使用时的相移状态示意图；图5是本发明的实施例的立体外观图；图6是本发明的发热线的立体外观图；图7是传统的热敷垫结构的组合剖面图；图8是美国专利US5,081,341的组合结构示意图；图9是美国专利US5,861,610的发热线的组合剖面图；图10是美国专利US6,222,162的电路控制图。
附图标记说明热敷片a；导电板a1；陶瓷电阻a2；耐热绝缘胶体a3；织物b；电阻线b1；接触部b2；切换开关b3；芯材c；导线c1；第二绝缘层c2；检测线c3；第一绝缘层c4；发热结构1；发热线2；芯材21；PTC组件22；绝缘可熔层23；短路线24；外披覆层25；接触点26、26’；控制器3；用户接口31；电路板32；交流电源相位整形电路33；交流电源相位延迟整形电路34；微处理器35；触发电路36。
具体实施例方式
请参阅图1、图2所示的本发明发热结构的控温方法，包括下列步骤a、用户通过用户接口31设定加热时间及温度，并接通电源。
b、对正温度系数组件22进行加温，并使部份电流输入交流电源相位整形电路33，以整形为直流方波。
c、使导通电流的一部份分流进入交流电源相位延迟整形电路34，以使正弦波讯号产生延迟，再转换成直流方波讯号。
d、在PTC组件22的加热过程中，微处理器35进行定时检测，并比较交流电源相位整形电路33与交流电源相位延迟整形电路34所分别转换的直流方波讯号之间的相移。
e、控制触发电路36的开关(TRIAC)，使其呈导通(ON)或断路(OFF)状态，以使PTC组件22加热或降温，从而使发热线2保持在一定的工作温度。
请参阅图3、图4所示，本发明以输入频率为60赫(Hz)的交流电为例，进一步说明加热及控温的方法。首先，设定交流电周期计数器等于零，并逐渐增加交流电周期数(每增加一周期表示时间增加1/60秒)，当总周期数小于60、交流相位准位为0，检测指针为1时，且在此同时若其双向可控挂(TRIAC)的状态为通路，则触发电路36在受控制下输出脉波，分别于每一周期的p1及p2二点对开关(其是双向可控挂(TRIAC))触发，使电路导通，以进行加热持续控温，直至检测指针为0(即周期数等于60)，触发电路36不再输出脉波触发TRIAC。此时TRIAC成断路状态，发热线2至交流电电源相位延迟整形电路34形成回路产生相移输出(如图4所示)。上述步骤设定每一秒将检测一次，而检测耗时约1/60秒，然而在实际运用时，可依需要做不同时间的设定。
前述为交流电源相位整形电路33于1秒内正常加热的状态，当检测指针为0时，TRIAC至少有一周期的时间不被触发，藉以使电容器得到完全的充、放电，以取得精确的检测值。
之后，将检测指针重新设定为1，以避免在一秒内重复检测，而时间计数器亦设为0。如前所述，当相移(T)产生改变时，藉由微处理器35的检测比较，可控制发热线2维持在用户所设定的温度上。而当交流电源相位延迟整形电路34所转换的方波讯号相位为零时，则检查TRIAC先前的状态，若TRIAC呈断路状态，且时间计数器内的相移时间小于用户设定的时间，TRIAC将继续被控制导通；而若时间计数器内的相移时间不是小于用户设定的时间，则TRIAC延续的前的断路状态，以持续控温。
若TRIAC呈导通状态，且时间计数器内的相移时间大于或等于用户设定的时间，TRIAC将断路，不再进行加热；若时间计数器内的相移时间小于用户设定的时间，则TRIAC延续的前的导通状态，以持续控温。
请参阅图1、图2及图5、图6所示的本发明发热结构1的较佳实施例，包括呈电性连接的一发热线2及一控制器3。在实际应用时，发热线2外部可包覆一袋体，以做为电热毯使用。
该发热线2包括由内而外依序排列的一芯材21、一PTC组件22、一绝缘可熔层23、一短路线24及一外披覆层25。PTC组件22是卷绕于芯材21外周缘的线材，而绝缘可熔层23是聚乙烯(polyethylene，PE)，其熔化温度介于摄氏125～130度之间；短路线24为卷绕于绝缘可熔层23外周缘的导线，其内包括至少一条芯线。上述PTC组件22与短路线24的位置可互换，且PTC组件22与短路线24的一端连接呈串连状态，另端分别形成接触点(26、26’)。
该控制器3与二接触点(26、26’)呈电性连接，包含用户接口31及一电路板32，用户接口31上设有时间及温度控制装置，而电路板32上设有一交流电源相位整形电路33、一交流电源相位延迟整形电路34、一微处理器35(型号为PIC 16C54)以及一触发电路36。其中，交流电源相位整形电路33包含npn双极晶体管、二极管及电阻，交流电源相位延迟整形电路34包含电阻-电容(RC)电路、npn双极晶体管、二极管及电阻；而触发电路36包含一可控制电流是否导通的开关，其是双向可控挂(TRIAC)。上述电阻-电容(RC)电路可用以产生相位的延迟。
用户操作时，可藉由用户接口31输入设定使用时间及温度，并使电流导通，此时，触发电路36的TRIAC呈导通(ON)状态，输入的交流电经由PTC组件22、短路线24及触发电路36的TRIAC，以形成一回路，使PTC组件22开始加热。
在上述电路中，电源所输入交流电的部份分流，经由电路板32内所设的交流电源相位整形电路33，使交流正弦波讯号转换成直流方波讯号，并输入于微处理器35内，以做为比较的基准。而交流电在流经PTC组件22及短路线24后，其一部份分流进入交流电源相位延迟整形电路34，藉由电阻-电容(RC)时间常数特性使正弦波讯号产生延迟，再转换成直流方波讯号。上述交流电源相位整形电路33与交流电源相位延迟整形电路34所分别转换的直流方波讯号之间可形成一定时间的相移(T)(如图4所示)，藉由微处理器35的检测比较，以控制触发电路36的TRIAC，使其呈导通(ON)或断路(OFF)状态。
当PTC组件22的温度随着加热时间的增长而上升时，其电阻值随之逐渐加大，使得流经交流电源相位延迟整形电路34的电流同步改变(变小)，而使相移加大，此种变化将被微处理器35检测，并计算出PTC组件22的温度。当温度值达到用户所设定的温度时，微处理器35下达指令，使触发电路36的TRIAC切换为OFF，使整个回路呈断路状态。
而当触发电路36的TRIAC切换为断路状态时，PTC组件22的温度开始下降，藉由PTC材料的基础特性，流经交流电源相位延迟整形电路34的电流同步加大，使得相移量减小。微处理器35检测后，控制触发电路36的TRIAC切换为ON，再使整个回路呈导通状态，以重新加热PTC组件22。藉此，可使发热线2所发出的热量维持在用户所设定的温度值内，而不会有过热的现象。
然而，当控制器3的电路损坏，而无法控制使呈断路状态时，PTC组件22将持续加热，在超过摄氏130度时，绝缘可熔层23将开始产生熔化现象，使得PTC组件22与短路线24接触而形成短路。此时，绝缘可熔层23在高温下持续熔化，短路的路径将逐渐缩短，并向输入电源方向移动。以PTC组件22所形成的负载电流将逐渐加大，在达到一定的电流值时，保险丝熔化断裂，使得整个回路形成断路现象。
因此，本发明具有以下优点1、本发明所设的PTC组件除了具有发热的功能外，且可经由温度的变化而改变电阻值，提供给交流电源相位延迟整形电路及微处理器，以做为自动控制触发电路的开关为ON或OFF的参考值，可有效提供控制发热温度的机制。
2、本发明所设的发热线以二接触点凸出于袋体，以连接控制器，即可发热、控温，在组成上相当单纯，不但能有效节省材料成本，且可大幅降低故障率。
3、本发明可依设定的温度，在低温时自动加热，而在超出设定温度时自动断电而降温，在使用时可提供实时反应的机制。
4、本发明所设的绝缘可熔层在发热线过热时，开始产生熔化现象，以加大PTC组件的负载电流，并在达到一定的电流值时，使保险丝熔化断裂，可有效达到安全防护的作用。
综上所述，本发明确可达到发明的预期目的，提供一种不仅能藉由PTC组件的特性以进行控温，以使组件的组成单纯，节省材料成本，降低使用故障率，且可在过电流时自动断电，以达到安全防护效果的发热结构及其控温方法。
权利要求
1.一种发热结构的控温方法，包括a、设定加热温度，并使电流导通；b、对正温度系数组件进行加温，并使部份电流输入交流电源相位整形电路，整形为直流方波；c、使导通电流的一部份进入交流电源相位延迟整形电路，以使正弦波讯号产生延迟，再转换成直流方波讯号；d、在加热过程中，以微处理器定时检测，并比较交流电源相位整形电路与交流电源相位延迟整形电路所分别转换的直流方波讯号之间的相移；以及e、控制触发电路的开关，使其呈导通或断路状态，以使PTC组件加热或降温，从而使发热线保持在一定的工作温度。
2.如权利要求1所述的发热结构的控温方法，还包括一时间控制装置，用以控制发热线的加热时间。
3.一种发热结构，包括一发热线，包括芯材、正温度系数组件、绝缘可熔层及短路线，PTC组件与短路线的一端连接，且PTC组件可在导电后发热；以及一控制器，分别连接PTC组件与短路线的另一端，包含一电路板，其上设有一交流电源相位整形电路及一交流电源相位延迟整形电路，以分别将交流正弦波讯号转换成直流方波讯号，且在流经交流电源相位延迟整形电路内的电流产生变化时，使二整形电路之间的相移改变；并通过电路板上所设的微处理器检测，控制一触发电路呈导通或断路状态，以使PTC组件加热或降温，从而使发热线保持在一定的工作温度。
4.如权利要求3所述的发热结构，其中该绝缘可熔层介于正温度系数组件与短路线之间。
5.如权利要求3所述的发热结构，其中该发热线的外周缘还设有一披覆层。
6.如权利要求5所述的发热结构，其中芯材、正温度系数组件、绝缘可熔层、短路线及外披覆层由内而外依序排列。
7.如权利要求3所述的发热结构，其中该正温度系数组件是卷绕于芯材外周缘的线材。
8.如权利要求3所述的发热结构，其中绝缘可熔层是聚乙烯(polyethylene，PE)，其熔化温度介于摄氏125～130度之间。
9.如权利要求3所述的发热结构，其中该交流电源相位整形电路包含npn双极晶体管、二极管及电阻。
10.如权利要求3所述的发热结构，其中交流电源相位延迟整形电路包含电阻-电容(RC)电路、npn双极晶体管、二极管及电阻。
11.如权利要求3所述的发热结构，其中该触发电路还包括一可控制ON/OFF的开关，它是双向可控挂(TRIAC)。
12.如权利要求3所述的发热结构，还设有一袋体，用以将发热线容置于其中。
全文摘要
本发明公开了一种发热结构及其控温方法，主要包括相互连接的一发热线以及一控制器，发热线设有串连的PTC组件及短路线，并以一绝缘可熔层阻隔于其中；当用户设定加热温度后，电流即导通对PTC组件进行加温，且使输入交流电源相位整形电路与交流电源相位延迟整形电路的正弦波讯号分别转换成直流方波讯号，而藉由微处理器定时检测二整形电路的相移变化，以控制触发电路的开关，可使PTC组件持续加热或降温，从而使发热线保持在一定的工作温度。本发明适用于电热炉、热敷毯等发热装置。
文档编号H05B3/06GK1809223SQ200510001790
公开日2006年7月26日 申请日期2005年1月21日 优先权日2005年1月21日
发明者杨顺在 申请人:杨顺在