披露了一种新型的垫子，其采用正系数电阻类型的电阻型加热元件用于提供 一个或多个热交换器用来对流地加热。本发明包括一个床垫衬垫、座席或其他 的具有将下表面绕其周围固定在透气的上表面的垫子(形成通风室(plenum) 或空气流通结构)，里面还包括管状间隔材料或类似物。该通风室具有用于通向 容纳吹送机、加热模块和控制器单元的功率单元的(最好隔离的)空气导管的 开口。除了明显地用在家庭中或汽车里以外，本发明所披露的其中的技术内容 也可以医疗和手术装置中用于病人保暖。
加热模块包括与热交换器进行传导的PTC类型的加热元件。优选地，加热 元件夹在一些热交换器之间，并且在他们之间存在密封件，使得从吹送机出来 并流经它们之间的气流最小化。可以提供为了使用者方便的遥控器以及可连接 到这个对流单元的可折叠的天线，以易于在遥控器和控制器单元之间实现无线 通讯，虽然也可以用带导线的遥控器或是控制器直接位于功率单元本身。功率 单元可包括多个PTC元件(包括变化的瓦特数和开关温度的元件)以使得使用 者更精密的控制空气的温度，并且包括用于吹风机的速度控制器。
在垫子上休息的使用者可以通过控制吹风机和加热模块来将所需温度和数 量的空气传送到垫子上并且通过它的上表面。本发明相比现有技术的优势在于 给床垫衬垫、座席和其他垫子的加热模式是真实的(substantial)。由于在垫子的 结构中没有电流导线或碳纤维带，这种对流垫子要比使用现有技术的床垫衬垫 更安全。这是因为PTC加热元件远离垫子的位置放置，并且仅通过空气导管软 管连接到垫子上，消除了来自于睡眠或坐置表面的所有的重力给任何导线的机 械压力。因为加热介质是空气，并不是热的电流导线、带、碳纤维或其他类似 的器件，也就不需要用隔离体将热量有效的扩散到垫子的整个表面。通过利用 空气而不用隔离体，使加热作用温和并且有效，因此整个的加热模式效率更高 并且更均匀的分部到整个被加热的表面。
除了取代基本的电阻线加热床垫衬垫和其他的电阻元件加热垫子，本发明 还提供一个特征，该特征并没有在现有技术中应用在相同的设备中，且其是用 于炎热天气的通风模式。通过使周围空气进入空气流通结构(采用在美国专利 6263530和6085369中描述的管状隔离纤维以实现较高效率，但是也可采用实现 较低效率的其他的空气流通结构材料)，可以在暖和天气时当使用者坐在或睡在 该发明的垫子时可以去除大百分比的过多身体热量。
在环境温度低于使用者身体皮肤温度(大部分身体的平均温度都在接近大 约华氏96度)时，(按照牛顿热量转换定律)就会通过压迫对流(宏观的)和 释放对流(微观的)在较高温度的热源(身体皮肤表面)和较低的温度下的热 接收器之间进行热交换。宏观和微观这两条术语仅仅涉及到利用吹送机从垫子 空气流通结构产生的相对较大容积的空气流(或被迫对流)，以及相对较小的空 气对流运动(自由对流)，其利用靠近使用者皮肤的较暖空气和通过强制对流形 成的与其靠近的较凉空气之间的增量T或差值在微观水平产生。该微观水平是 在垫料和纺织品内的水平面，其是使用者和垫子内流动的空气之间的界面。

图1是放在传统的床垫上面的本发明优选实施例的对流垫子的正面图；
图2是对流单元的平面视图，其中去除壳体一部分以显示其内容物；
图3是PTC电阻加热元件30的放大的平面视图；
图4是图3的组件的端视图；
图5是同一组件的另一侧的正面图，这个图是沿着空气流动的方向从该热 交换器散热片看过去；
图6是空气导管的剖面图；
图7是具有任选的可连接折叠天线的对流单元的侧视图，其利用附接的空 气导管软管40将经过调节的空气传送到垫子里；
图8是用于汽车的对流坐垫的侧面视图，根据可选的实施例，座垫具有安 装在座席和靠背之间的咬合线(bite line)处的紧凑功率单元；
图9是可选择地安装在座席前面的功率单元的侧视图；
图10是可选择地安装在靠背上端的功率单元的剖面图；
图11是具有用来调节气流的阻尼阀的座垫的正面视图；
图12示出了当阻尼阀关闭时图8中的气流的改变；
图13示出了当阻尼阀关闭时图9的气流改变；以及
图14示出了当阻尼阀关闭时图10的气流改变。
附图标记列表
对流垫子              10
通风室                12
不透气的下表面        14
透气的上表面          16
通风孔                17
管状间隔材料          18
功率单元              20
壳体                  21
吹送机                22
电路板盒子            24
适配器                26
空气出口              27
空气导管入口          28
PTC电阻加热元件       30
热交换散热片          32
电源端子              34
PTC加热元件           36
基板                  38
空气密封件或垫片      39
空气导管软管          40
柔性空气导管                 42
隔离套筒                     44
套筒方拴(spline)             46
遥控IR传感器、探测器         50
导线长度                     52
关节式可折叠的支柱、天线     60
IR传感器                     62
适配器插头                   64
铰接点                       66
汽车座垫                     130
座席                         132
靠背                         134
紧凑功率单元                 150
直的空气导管                 194
特殊的空气导管               195
特殊导管                     196
ZipperTM阀或阻尼器(dapmer)   198

开始参考图1，示出了放置在传统床垫上的对流垫子10，其包括将下表面 14绕其周围固定在上表面16所构成的通风室12。下表面14优选为不透气的， 虽然放置在传统的床垫上会使透气的表面尽量的不透气。上表面16是透气的， 虽然充分的不透气会在密闭空间的内部维持较高的气压。
通风室12的内部是管状的间隔材料18或类似物。美国专利号6085369和 6263530首创采用这种管状间隔纤维18作为座席、床垫、床垫衬垫以及其他可 以坐在上面或躺在上面的家具用品的空气流通结构。虽然本发明的优选实施例 采用了在Feher的授权专利‘369和‘530所描述的相同的管状间隔纤维18，但 是有可能采用其它空气流通结构比如Muller Textile的3网孔或Strahle和Hess 的组合式布纹管状纤维，其它空气流通结构也可以；但是，与上述美国专利和 本文中描述的管状间隔纤维18相比，其可以实质上降低效果(levels of performance)。
图2示出了用于对流垫子10的功率单元20，其包括用于将空气穿过多个或 单个包括热交换表面32(见图3-5)的PTC电阻式加热模块30并且将空气吹进 通风室12以便加热垫子10的吹送机22。可选的，PTC模块30不需要通电， 从而产生周围空气穿过垫子空气流通结构12的流通作用。具有热交换散热片32 的PTC加热模块30位于适配器26上，该适配器26使模块30与吹送机空气出 口27和空气导管入口28在由功率单元20的壳体21的尺寸形成的有限的空间 内部以最有效的符合空气动力学的方式相适应。
图2所示的盒子24是用于在多个加热器、开关等等之间改变模式必要或所 需的的电路，如果需要的话加上无线遥控电路。如图2所示，速度控制印刷电 路板可以结合到空间24内，其可用于控制加热，如同通过PTC元件与AC或 DC功率控制器相配合产生通风调节气流一样，与只依赖于具有固定气流速率的 PTC元件的PTC开关温度特性的最简单形式相比，其提供了更加灵活的舒适设 定。
盒子24可选地包含三端双向可控硅开关或其他的用于PTC加热元件的半 导体功率控制器以使PTC元件可在开关温度设计点以下工作。PTC元件开关温 度是电阻开始按照指数规律上升时的温度。元件36称为正温度系数是因为与 NTC或负温度系数类型材料不同，其电阻率随着温度的上升而增加，而不是随 着温度的上升而下降。大部分的材料具有PTC特性是因为温度的增加引起更多 的离子运动、晶格摆动、和/或分子运动，其中的任何一种都可以对电子迁移率 产生干扰。陶瓷PTC设备的开关温度通过例如加热之前的比如锶的某种元素的 掺杂来确定。
为了能够使PTC加热元件36在其开关温度设计点以下工作，有必要增加 超出能力的热负载或元件的额定功率，通过例如增加超出设计点的气流或降低 元件的电压，该电压可相对于负载降低元件的额定功率。对于对流垫子10的床 垫衬垫的应用，为了营造舒适的睡眠环境维持较低的噪声，更希望采用降低功 率而不是增加气流。
图3示出了具有沿Y轴延伸的热交换散热片32和位于右侧的电源端子34 的PTC加热模块30。可以看出有两个利用虚线表示的PTC元件36，其安装在 热交换器32的中部。优选的，每个PTC元件36的额定功率是50瓦且额定电 压是120VAC，最大开关温度为大约38-45摄氏度之间，并且采用Saint Mary股 份有限公司的高级热产品加工技术来制造。也可采用具有不同额定电压和额定 功率的元件；但是上述优选的实施例至少用于床垫衬垫，因为为了达到好的加 热性能没有必要产生最大温度大于45摄氏度的空气，并且采用120VAC的额定 电压的元件就排除了在增加产品可靠性的同时用于降低产品成本的电源供给的 需要。如果需要更高的加热功率，就可以采用更高额定元件或多个相同额定功 率的元件36这样一种简单的方式。
图4、5示出了安装在热交换器32的两个基板38之间的PTC加热元件36。 这些基板38比散热片32重，并且在没有过大的厚度和重量的情况下尽可能有 效地将热量从PTC加热元件36散发到热交换器32的外缘。在该视图中也示出 了具有重要用途的密封件或垫片39。密封件39防止在两个热交换器32之间发 生的气体流通，其强迫所有的气流穿过散热片32，用于增加热交换效率。之所 以成为一个问题是因为用于120VAC的PTC加热元件的厚度是额定用于 12-24VDC的PTC加热元件的厚度的两倍。额外的厚度产生了足够尺寸的间隙 以允许过多的空气在两个热交换器的基板38之间流通。密封件39处理这个问 题以产生成更高效率的设备，该设备在开关温度或邻近开关温度时能够可靠地 操作。
PTC加热模块组件30可采用单个热交换器32制成；但从热的观点看这种 装置不是有效的。热交换器32优选采用铜制成，虽然也可以采用铝或其它的热 和电导材料。虽然可以采用焊剂将PTC加热元件36粘合到热交换器基板18上， 但是优选地采用具有高的热和电导率的柔性粘结剂以防止过量的结构应力和由 PTC加热元件36和热交换器32的材料之间的热膨胀系数(CTE)的不同所导致的 可能的PTC元件36断裂，可能实质上，例如，PTC元件36和铜的热膨胀系数 接近10∶1。
回到图1，床垫衬垫的功率单元20可安装在远离垫子的地板上，其具有安 装在对流垫子10的一端的可弯曲的空气导管软管40，优选地，其位于床腿部。 虽然在一些示例中可能会在床头部将空气引导进对流垫子10，但是出于某些原 因优选地将空气从床腿部引入。功率单元20设计的非常安静，但是不会完全无 声，因此功率单元20离使用者的耳朵越远越好。在加热模式下，四肢比身体的 躯干所需的热量要多；因此，将热的空气放在脚部将最热的空气放在最需要的 部位，四肢、双脚和腿。最后，在床和头部的墙壁之间可能不会有足够的空间 来放置空气导管软管40。
图1示出了空气是如何从垫子10中穿过或排出的，垫子10被装入织物套 12里并在这个案例中被固定在床上，致使在外套下面流动的空气(未示出)通 风或者加热，然而，大多数通风或加热的空气穿过垫子10的空气流通结构18 流动并从与它们进入的位置相对的末端17排出。
图1同样示出了在作为床垫衬垫的对流垫子10上如何实现红外遥控。通常， 功率单元20放在床脚处的地板上以缩短空气导管软管的长度并且将使用者能感 受到的吹送机噪声最小化。不幸的是，这种功率单元20放置在比射频(RF)遥控 要便宜的红外(IR)遥控的视线之外。更贵的RF遥控具有不需要视线瞄准线而 运行的好处。图中示出了利用具有一定长度的导线52(大多数的床的长度至少 是6英尺，因此导线52的长度至少要达到这个长度，为使导线松弛，要加上大 约3英尺)将遥控的IR传感器或探测器50与功率单元20相连接，以使使用者 无需到功率单元20的视线瞄准线使用IR遥控(未示出)。为了能够实现通风、 或加热的控制以及通风和加热的程度的控制，可选的，可以将IR或RF型遥控 设计成应用在PTC功率单元20上，而不需要利用导线连接遥控和功率单元20。
图7的解决方案是在附着在功率单元20上的关节式折叠支柱或天线60的 末端上放置IR传感器62。当天线60垂直展开时，使用者可以看到到IR探测器 或传感器62的线路，以使用IR遥控。IR传感器支柱60可以竖直展开至少24 英寸或更多，且能够被长久地附着在功率单元20上或者能够在展开之前或之后 将适配器64插入到功率单元20的壳体里。也可以采用套筒支柱(未示出)，但 是在伸缩式天线的内部要比在铰链点66处具有旋转电触点的折叠式支柱60里 在处理导线时要复杂、庞大。折叠天线60能够设计成中部腿折叠套在顶部腿的 里边并且底部腿折叠套在中部腿的里边。腿可以采用平的金属或塑料带以顶部 腿与中部腿相重叠的方式等等来制成。如果天线的臂利用导电材料制成或者它 们具有导电电路轨迹并且在接头处具有可旋转的触点，传感器62的电源和传感 器62发出的信号可以通过天线60的导线或天线60的臂和第三导线传送到功率 单元20中的控制电路24。
图1、6和7示出了具有吹送机22的PTC加热器组件30，吹送机22利用 一定长度的柔性空气导管42连接到床垫衬垫10。已知这种空气导管42的一较 好的例子是Flexhaust公司生产的Uniloop。对于优选实施例10的良好性能来说， 确保在冷天气和加热模式中的低热量损失是非常重要的。尽管可以采用多种材 料和技术来制作能够达到本发明发明目的柔性隔热空气导管，但是Voltek公司 生产的Volara牌Uniloop空气导管制作的隔离套筒44作为一个例子，其为具有 非常小的闭室的聚合物泡沫塑料以在相对较薄的材料横截面获得相对较高的R 额定值、或隔热率。在这种情况下，大约0.08”厚度的Volara套筒或层具有良好 的效果。Volara隔离套筒44的优选的形式可以与图6所示的内花键46挤压成型 以在套筒44和空气导管42之间得到小的空气间隙从而以极小的体积来提高套 筒的隔热能力。
这是一种的制造优选实施例10的隔热空气导管软管40的方式，当在对垫 子或床垫衬垫在低温环境空气条件下的加热模式中为能够得到较高的效率和效 果时，其保持柔韧性并且体积并不庞大。但是这样配置，隔热空气导管软管40 对于起到最好的冷空气加热模式效果是很重要的，尤其是因为在加热模式中的 空气三角区T比在通风模式时实质上要高，在通风模式中由于没有采用周围空 气进行通风因此不存在三角区T。
参考图8-14，描述了一种可选的车辆座垫，其在包括靠背和座垫的座席上 应用PTC加热系统和通风系统，能够维持与使用者接触表面进行热连通和对流 连通的内部空气流通，通过多个任选的气道与PTC功率单元空气加热和通风系 统之间进行连通。如图8所示，优选的，紧凑的功率单元150安装在离“咬合 线(bite line)”最近的位置或垫子130的座席132与靠背134部分分离的位置处， 具有从功率单元150的开口162到垫子130的直的空气导管194。当经过调整的 空气进入垫子130的中部时可以更容易的使空气在座席132和靠背134之间进 行分配，这种设置是优选的。作为选择，功率单元150可以采用一种特殊的空 气导管195(图9)安装在座席132的前边或者采用特殊的导管196(图10)安 装在靠背134的上面和后面。为便于安装垫子，这些配置对于在座席和座席靠 背之间的“咬合线(bite line)”上没有开口或槽的将被安装PTC垫子的座椅是 有用的。
注意到气流穿过垫子130的方向根据功率单元150的放置而变化，开始时 空气从离功率单元150远的垫子130流出。功率单元150设置在座席132的前 边这种设置方式有利于对直接放在单元150上面的功率单元150控制器进行灵 活的控制并且当坐在垫子130上时可以容易地放在使用者的两腿之间。当功率 单元150放在使用者的后面，可以采用延伸到使用者或者使用者容易接近的位 置处的有线控制器或者采用无线遥控器。
图11示出了安装在垫子130中部的ZipperTM阀或阻尼器198。阻尼阀198 用于控制垫子130的座席132和靠背134部分之间的气流。例如，当功率单元 150安装在咬合线处并且阻尼阀198完全关闭时，气流开始穿过靠背134而且不 会穿过座席132(图12)。即，在该优选的实施例中，当阻尼阀198关闭时，进 入座席132的气流量的最小量和流通被限制，并且在降低对座席132的作用的 情况下在靠背134上会感觉到大多数的热量和对流作用。其他的例子，当功率 单元150安装在靠背134的顶部且阻尼阀198关闭时，气流重新开始流过靠背 134(图13)，或者当功率单元150安装在座席132的前边且阻尼阀198关闭时， 气流开始流过座席132(图14)，在上述两个例子中，空气在咬合线处穿过导管 194从垫子130中流出。也有可能将阻尼阀198打开或关闭到中间位置，通过控 制流过垫子的空气的量以改变垫子的热作用。此外，咬合线导管194也能够以 许多方式关闭以引导更多的气体穿过靠背134或座席132。
已经结合优选的和可选的实施例对本发明进行了描述，但可以理解，本领 域技术人员可以在本发明公开的思想和权利要求的范围之内进行变化。
本发明的背景