ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ Российский патент 1998 года по МПК D03D15/00 

Изобретение относится к текстильной промышленности, в частности к специализированным тканым изделиям, и может быть использовано для изготовления тканых электронагревательных элементов, применяемых в электронагревательных устройствах промышленного или бытового назначения, преимущественно рассчитанных на использование автономных низковольтных источников постоянного тока: спецодежды, бытовой одежды, изделий медицинского назначения.

Известны ткани с электропроводящими нитями, содержащие металлические или металлизированные нити и текстильные волокна различных переплетений, электропроводность нитей выбирается исходя из назначения таких тканей - защита от электромагнитного излучения, отражение электромагнитных волн и т.п. (см, например, заявку РСТ 90-9473, кл. D 03 D 15/00, 1990; EP 383059, кл. D 03 D 15/00, 1990: патент США 4926910, кл. D 03 D 15/10, 1990; патент ФРГ 3917508, кл. D 03 D 9/00, 1990; патент Франции 2689146, кл. D 03 D 15/00, 1992).

Указанные известные ткани имеют узкое функциональное назначение - отражение электромагнитных волн и не могут быть использованы в качестве элементов нагревательных устройств ввиду неоптимальности их структуры и электрических характеристик с точки зрения решения задачи обогрева биологических объектов.

Известна электронагревательная ткань, содержащая электроизоляционные основные и две группы уточных нитей, одна из которых содержит покрытые изоляционной оболочкой электропроводящие нити, а другая - изоляционные нити, причем уточные электропроводящие нити расположены в виде непрерывной ломаной линии с последовательным чередованием продольных и поперечных участков (авт. свид. СССР N 1585405, кл. D 03 D 15/02, 1990). Известная электронагревательная ткань решает задачу повышения теплоотдачи с рабочей стороны ткани и снижения вероятности замыкания электропроводящих нитей. Эта ткань критична к нарушениям изоляции отдельных электропроводящих нитей, замыкание которых приводит к изменению температурного режима, обуславливающего снижение надежности работы электронагревательного устройства, и к ухудшению эксплуатационных характеристик, в частности, к снижению безопасности использования электронагревательного устройства. Электропроводящая нить из металлической (медной, нихромовой) проволоки ломается при сминании, перегибах, что также приводит к снижению надежности работы нагревательных устройствах. Металлическая электропроводящая нить, вследствие ее хрупкости, невысокой разрывной прочности, недостаточно технологична в текстильном и швейном производстве и вызывает проблемы при эксплуатации готовых изделий.

Известна также электронагревательная ткань, содержащая фоновую часть, образованную переплетением электроизоляционных основных и уточных нитей и электропроводящих уточных нитей и кромки, образованные переплетением электроизоляционных кромочных основных и уточных нитей, в которой в пределах раппорта переплетения каждая электропроводящая уточная нить отделена от другой электропроводящей нити электроизоляционными уточными нитями в количестве, кратном двум, при этом отношение числа кромочных основных нитей к числу фоновых основных нитей на единице длины кратно двум (авт. свид. СССР N 1768682, кл. D 03 D 15/00, 15/02, 1992).

Эта ткань также предусматривает обязательную электрическую изоляцию электропроводящих нитей. Она ограничена жесткими требованиями к выдерживанию заданных электроизоляционных участков между парами соседних электропроводящих нитей. Этой ткани свойственны отмеченные выше недостатки, связанные с выполнением электропроводящей нити из металлической проволоки; хрупкость, возможность разрыва проводников при перегибах, сминании ткани. Она недостаточно технологична как в текстильном производстве, ввиду жестких ограничений на изоляционные промежутки между отдельными проводниками, так и в швейном производстве при изготовлении из нее элементов нагревательных устройств, что связано с разрывами тонких проводящих нитей из металлической проволоки в процессе осуществления швейных операций.

Задачей изобретения является создание электронагревательной ткани, не имеющей перечисленных выше недостатков, предназначенной для изготовления изделий с обогревом, используемых в промышленности, медицине, быту, и рассчитанной на использование автономных низковольтных источников питания.

Достигаемым при этом техническим результатом является повышение технологичности ткани, обеспечивающей возможность использования при ее изготовлении существующего оборудования практически без его доработки, улучшение текстильных и пошивочных свойств, а также эксплуатационных характеристик ткани при одновременном улучшении ее электрических характеристик для повышения надежности работы изготавливаемых из нее элементов электронагревательных устройств.

Указанный технический результат достигается тем, что в электронагревательной ткани, содержащей фоновую часть, образованную переплетением электроизоляционных основных и уточных нитей и электропроводящих нитей, и кромочную часть, в соответствии с изобретением, электропроводящие нити вплетены в фоновую часть ткани в виде параллельных электропроводящих нитей, расположенных на расстоянии b одна от другой так, что любой участок электронагревательной ткани, противолежащие края которого параллельны соответственно основным и уточным нитям, содержит по меньшей мере один набор из m параллельных электропроводящих нитей, имеющих возможность соединения с источником постоянного тока по схеме параллельного соединения проводников, при этом расстояние b между электропроводящими нитями выбрано из условия теплового баланса среды, окружающей электронагревательную ткань при ее функционировании, определяемого уравнением.

где Q_в1 - количество тепла, выделяемое электропроводящей нитью, определяемое зависимостью
,
I_н - нагрузочный ток, протекающий по электропроводящей нити;
U - напряжение источника постоянного тока;
t_нагрев - время нагревания электронагревательной ткани, определяемое зависимостью.

t_нагрев = K (E/I_H),
K - коэффициент пропорциональности;
E - электрическая емкость источника постоянного тока;
m - количество электропроводящих нитей, подключаемых по схеме параллельного соединения проводников к источнику постоянного тока, содержащихся на участке ткани, характерные размеры которого согласованы с площадью обогреваемого участка для типовых условий использования;
Q_вi - априорно известное или определяемое экспериментально количество тепла, выделяемое i-ым активным элементом среды;
Q_n1 - количество тепла, требуемое для нагрева упомянутого участка электронагревательной ткани до заданной температуры, определяемое зависимостью
Q_n1 = cγldbΔt, (4) ,
C - удельная теплоемкость фоновой части ткани из электроизоляционных нитей;
γ - объемная плотность фоновой части ткани из электроизоляционных нитей,
Δt - разность температур, на которую нагревается участок электронагревательной ткани;
d - средняя толщина нагревательного участка ткани,
l - длина электропроводящих нитей на нагреваемом участке ткани,
Q_nj - количество тепла, поглощаемое j-ым пассивным элементом среды.

При этом электропроводящие нити могут образовывать группу дополнительных основных или уточных нитей.

Предпочтительным является выполнение электроповодящих нитей из углеродной крученой нити на основе вискозы, которая для снижения ворсистости может быть пропитана составом на основе карбоксилатного каучука, и выбор расстояния между соседними электропроводящими нитями в пределах от 2 до 12 мм.

Предпочтительным также является выполнение фоновой части переплетением нитей из хлопчатобумажной пряжи с линейной плотностью нитей 18,5 текс, с плотностью ткани по основе 236-260 нитей и по утку 85-105 нитей на 10 см.

Кроме того, предпочтительным является выбор полотняного переплетения основных и уточных нитей из хлопчатобумажной пряжи и углеродных нитей, а также разделение участков ткани с наборами из m электропроводящих нитей участками фона в виде изолирующих полос, ширина которых превышает расстояние между соседними электропроводящими нитями.

Предпочтительным также является определение электрических характеристик ткани I_н и I_нагрев из условия, что напряжение источника постоянного тока находится в пределах от 1,2 до 30 В, а его электрическая емкость - в пределах от 0,5 до 60 А.ч.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается всей совокупностью существенных признаков. При этом к признакам, отличающим изобретение от его ближайшего аналога, относятся выбор материала электропроводящих и электроизоляционных нитей, взаимное расположение электропроводящих нитей в пределах раппорта переплетения, а также особенности выполнения основной (состоящей из изоляционных нитей) части ткани, в которую вплетены электропроводящие нити.

Преимущества изобретения, обеспечиваемые вышеуказанными признаками, заключаются в следующем.

Заявленная ткань, в отличие от известных из предшествующего уровня техники, представляет собой средство для создания равномерно распределенного по поверхности теплового поля на участке любой требуемой площади обогреваемого (биологического) объекта. Структура заявленной электронагревательной ткани характеризуется наличием параллельных электропроводящих нитей. Их взаимное расположение и расположение относительно изоляционных нитей выбрано из условия получения на любом участке ткани системы параллельных (незамкнутых на своих концах) проводников, имеющих возможность включения по схеме параллельного соединения в электрическую цепь источника питания. Их число и взаимное расположение оптимизированы из условия теплового баланса, определяемого с учетом тепла, выделяемого и поглощаемого в системе биологический объект - электронагревательная ткань - окружающие слои теплопроводящей среды - внешние воздействия - источник питания.

Ключевым моментом в изобретении является оптимизация взаимного расположения электронагревательных нитей в ткани с учетом двух противоположно действующих факторов: часто расположенные параллельные нити (предельный случай - чисто электропроводная ткань) невыгодны из-за невысокого электрического сопротивления единицы площади такой электронагревательной ткани, что приводит к сокращению обогреваемой поверхности и снижению срока службы автономного источника питания постоянного тока. И наоборот, очень редко расположенные электропроводящие нити не дают требуемого обогревательного эффекта, так как в этом случае на одну электропроводящую нить приходится большая масса обогреваемого объекта. Такая структура ткани привела бы к энергетически неэкономичному использованию источника тока.

С учетом вышеуказанного, изобретение предусматривает оптимальное взаимное расположение электропроводящих нитей в ткани, обеспечивающее, с одной стороны, экономичное использование автономного источника тока, а с другой стороны, - необходимый по условиям применения нагревательный эффект.

Вплетение электропроводящей нити с заданным шагом в хлопчатобумажную основу, способствуя закреплению токопроводящих нитей в фиксированном положении, обеспечивает условия для равномерного распределения расчетного количества тепла на заданной площади обогрева. А обеспечиваемая вышеуказанной структурой ткани возможность параллельного соединения групп электропроводящих нитей с источником питания исключает проблемы, связанные с возможностью замыкания соседних проводников. В заявленной ткани замыкание между собой соседних проводников в группе параллельно подключенных электропроводящих нитей не вызывает существенных изменений в температурном режиме нагревательного устройства, ввиду отсутствия в этом случае изменений в величине электрического сопротивления группы параллельно включенных проводников.

При этом выполнение электропроводящих нитей в виде неизолированных углеродных крученых нитей на основе вискозы, близких по своим текстильным и пошивочным свойствам к нитям, обычно используемым в текстильном и швейном производстве, способствует созданию высокотехнологичной и удобной в обращении электронагревательной ткани. Мягкость, гибкость, эластичность, высокая прочность на разрыв этих нитей исключает проблемы поломки, перетирания, разрыва токоведущих проводников, свойственные электронагревательным тканям с металлическими электропроводящими нитями.

Охарактеризованные в дополнительных пунктах формулы изобретения предпочтительные примеры осуществления изобретения, конкретизирующие такие характеристики ткани, как переплетение, линейная плотность нитей, плотность по основе и по утку, позволяют, с одной стороны, обеспечить требуемую по условиям применения каркасность и связность ткани, а с другой стороны, - обеспечить требуемые заполнение и жесткость ткани (а значит, требуемую величину пор и воздухопроницаемость) и ограничить расход сырья, в первую очередь, что касается относительно дорогостоящей углеродной нити, и, следовательно, снизить стоимость ткани.

На фиг. 1 представлена схема электропроводящей ткани; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - графики зависимостей времени нагрева электропроводящей ткани и расстояния между электропроводящими нитями от нагрузочного тока.

Как показано на фиг. 1, 2, 3, электронагревательная ткань, выполненная согласно изобретению, содержит фоновую часть 1, образованную переплетением электроизоляционных основных 2 и уточных 3 нитей и электропроводящих основных нитей 4. Переплетение выбрано полотняным. Электропроводящие основные нити 4 образуют в пределах фоновой части 1 ткани группы 5 параллельных электропроводящих основных нитей 4, причем в каждой группе соседние электропроводящие нити 4 расположены на заданном расстоянии b одна от другой. Группы 5 электропроводящих нитей 4 образуют параллельные участки, отделенные один от другого изолирующими полосами 6 шириной t. Кромочная часть 7 образована переплетением электроизоляционных основных 2 и уточных 3 нитей.

Расстояние b между электропроводящими нитями 4 выбрано из условия теплового баланса среды, в которой предполагается использовать электронагревательную ткань. Как указано выше, уравнение теплового баланса (1) учитывает в общем случае все составляющие тепловой энергии как выделяемой активными элементами среды функционирования ткани, так и поглощаемой пассивными ее элементами. В условиях, когда допустимо упрощение условия теплового баланса, т. е. когда составляющими Q_вi, Q_nj можно пренебречь, вышеуказанное уравнение (1) сводится к упрощенному варианту, получаемому приравниванием основных составляющих Q_в1 и Q_n1, определяемых соответственно уравнениями (92) и (4):

откуда в явном виде можно получить искомую величину b расстояния между соседними электропроводящими нитями:

На фиг. 4 приведены графики зависимостей параметров t_нагрев и b согласно уравнению (3) и (6) от нагрузочного тока I_H.

На фиг. 4 показаны зоны, в пределах которых находятся оптимальные расстояния b между электропроводящими нитями 4 в ткани, нагрузочный ток I_н и время нагрева t_нагрев электронагревательной ткани:
Зона A - параметры ткани таковы, что нагрузочный ток I_н в этой зоне настолько мал, что нагрев осуществляется за очень большое время t_нагрев, т. е. эффект обогрева весьма мал, следовательно, нагревательный элемент не выполняет своих функций.

Зона Б - нагрузочный ток I_н в этой зоне настолько велик, что при такой структуре электронагревательной ткани происходит чрезмерно быстрый разряд автономного источника тока, т. е. имеет место энергетически неэкономичное использование источника напряжения постоянного тока.

Зона Б - рабочая зона; в зависимости от параметров ткани, окружающей среды и автономного источника напряжения постоянного тока в пределах этой зоны оптимальным образом осуществляется выбор нагрузочного тока I_н и времени нагрева t_нагрев электронагревательной ткани.

Пример выполнения ткани.

Электронагревательная ткань формируется на станке АТПР-100-4 с двух навоев: соответственно с хлопчатобумажной пряжей и с углеродной крученой нитью на основе вискозы, пропитанной составом на основе карбоксилатного каучука для снижения ворсистости. Углеродная нить вводится в фон ткани согласно раппорту, как дополнительная группа основных нитей. Линейная плотность хлопчатобумажной пряжи N 54 (18,5 текс). Вид переплетения - полотняное. Плотность ткани по основе составляет 248 +/-12 нитей на 10 см, а по утку - 95 +/-10 нитей на 10 см. Раппорт включает 9 электропроводящих нитей, расстояние b между электропроводящими нитями в раппорте 7 мм. Всего в состав раппорта входят 220 нитей хлопчатобумажного волокна и 9 углеродных нитей. Расстояние L между отдельными раппортами, соответствующее ширине изолирующей полосы, равно 30 см. Это технологические участки ткани, облегчающие резку исходного куска ткани на участки, используемые в качестве нагревательных элементов, размещение и крепление их в готовом изделии. Такое выполнение ткани позволяет получить дополнительное преимущество, заключающееся в отсутствии ограничений по длине используемых в изделиях нагревательных элементов. Кроме того, в данном случае не возникает никаких дополнительных проблем при выполнении кромок, точно таком же, как в обычной хлопчатобумажной ткани.

Изобретение относится к текстильной промышленности, в частности к специализированным тканым изделиям, и может быть использовано при создании электронагревательных устройств промышленного или бытового назначения при использовании автономных низковольтных источников постоянного тока. Электронагревательная ткань содержит фоновую часть, образованную переплетением электроизоляционных основных и уточных нитей и электропроводящих нитей. Последние образуют в пределах фоновой части ткани группы из m параллельных электропроводящих нитей. В каждой группе соседние электропроводящие нити расположены на заданном расстоянии b одна от другой, выбранном из условия теплового баланса среды, окружающей электронагревательную ткань при ее функционировании. Группы электропроводящих нитей образуют параллельные участки, отделенные один от другого изолирующими полосами. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электронагревательная ткань, содержащая фоновую часть, образованную переплетением электроизоляционных основных и уточных нитей и электропроводящих нитей, и кромочную часть, отличающаяся тем, что электропроводящие нити вплетены в фоновую часть ткани в виде параллельных электропроводящих нитей, расположенных на расстоянии b одна от другой так, что любой участок электронагревательной ткани, противолежащие края которого параллельны соответственно основным и уточным нитям, содержит по меньшей мере один набор из m параллельных электропроводящих нитей, имеющих возможность соединения с источником постоянного тока по схеме параллельного соединения проводников, при этом расстояние b между электропроводящими нитями выбрано из условия теплового баланса среды, окружающей электронагревательную ткань при ее функционировании, определяемого уравнением

где Q_в 1 - количество тепла, выделяемое электропроводящей нитью, определяемое зависимостью

I_н - нагрузочный ток, протекающий по электропроводящей нити;
U - напряжение источника постоянного тока;
t_{н а г р е в .} - время нагревания электронагревательной ткани, определяемое зависимостью
t_{н а г р е в .} = K(E/I_н);
K - коэффициент пропорциональности;
E - электрическая емкость источника постоянного тока;
m - количество электропроводящих нитей, подключаемых по схеме параллельного соединения проводников к источнику постоянного тока, содержащихся на участке ткани, характерные размеры которого согласованы с площадью обогреваемого участка для типовых условий использования;
Q_в i - априорно известное или определяемое экспериментально количество тепла, выделяемое i-м активным элементом среды;
Q_н 1 - количество тепла, требуемое для нагрева упомянутого участка электронагревательной ткани до заданной температуры, определяемое зависимостью
Q_н1 = cγldbΔt,
где c - удельная теплоемкость фоновой части ткани из электроизоляционных нитей;
γ - объемная плотность фоновой части ткани из электроизоляционных нитей;
Δt - разность температур, на которую нагревается участок электронагревательной ткани;
d - средняя толщина нагреваемого участка ткани;
l - длина электропроводящих нитей на нагреваемом участке ткани;
Q_n j - количество тепла, поглощаемое j-м пассивным элементом среды. 2. Ткань по п.1, отличающаяся тем, что электропроводящие нити образуют группу дополнительных основных нитей. 3. Ткань по п.1, отличающаяся тем, что электропроводящие нити образуют группу дополнительных уточных нитей. 4. Ткань по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что электропроводящие нити выполнены из углеродной крученой нити на основе вискозы. 5. Ткань по п. 4, отличающаяся тем, что расстояние b между соседними электропроводящими нитями выбрано в пределах 2 - 12 мм. 6. Ткань по п.5, отличающаяся тем, что фоновая часть образована переплетением нитей из хлопчатобумажной пряжи. 7. Ткань по п. 6, отличающаяся тем, что линейная плотность нитей из хлопчатобумажной пряжи составляет 18,5 текс. 8. Ткань по п.6, отличающаяся тем, что в качестве переплетения основных и уточных нитей из хлопчатобумажной пряжи и углеродных нитей выбрано полотняное переплетение. 9. Ткань по п.8, отличающаяся тем, что плотность ткани по основе составляет 236 - 260 нитей на 10 см. 10. Ткань по п.8, отличающаяся тем, что плотность ткани по утку составляет 85 - 105 нитей на 10 см. 11. Ткань по п.4, отличающаяся тем, что углеродная крученая нить пропитана составом на основе карбоксилатного каучука для снижения ворсистости. 12. Ткань по п. 1, отличающаяся тем, что электрические характеристики ткани I_р и t_{н а г р е в .} выбраны из условия, что напряжение источника постоянного тока находится в пределах 1,2 - 30 В, а его электрическая емкость - в пределах 0,5 - 60 А • ч.