ТЕРМОНИТЬ-ТЕРМОКАБЕЛЬ Российский патент 2019 года по МПК D03D15/00 H01L35/32 A41D13/05 

Изобретение относится к материалам и составляющим материалов для охлаждения и/или нагрева и является универсальным и может использоваться как материал для изготовления одежды, как укрывной, защитный материал, как материал покрытия стен, полов, потолков, как утеплитель, как система охлаждения для сверхпроводников и/или как охлаждающий материал.

Из уровня техники известен патент WO 2017009172, описывающий элемент Пельтье, имеющий соединенные последовательно элементы из полупроводников n и p-типа. Элемент Пельтье может использоваться для охлаждения или нагревания в зависимости от направления течения тока.

Отличия заявленного решения состоят в том, что:

- Термонить-термокабель имеет гибкую структуру позволяющую использовать его как элемент ткани и других подобных материалов;

- Термонить-термокабель не требует внешних источников энергии, поскольку в нее включаются элементы вырабатывающие электрический ток;

- Термонить-термокабель не требует переключать направление тока вручную, это происходит автоматически за счет внешних факторов.

Известен патент CN 104997168 описывающий термочувствительное нижнее белье, снабженное датчиками температуры, микропроцессором, батареей и способное охлаждать или нагревать тело человека.

Отличия от заявленного решения состоят в том, что:

- Термонить-термокабель вырабатывает электрический ток самостоятельно, батарея не требуется;

- Не требуются датчики, Термонить-термокабель настраивается заранее на поддержание определенной температуры;

- Термонить-термокабель универсальна и не является дополнением к нижнему или какому-либо иному белью или одежде. Она может быть материалом одежды, которое заменяет ткань.

Известен патент RU 2506870 описывающий теплорегулирующий материал с голографическим рисунком. Данный теплорегулирующий материал использует элементы с применением или без применения специальной фольги для отражения или перенаправления тепла в нужном направлении.

Отличия от заявленного решения состоят в том, что:

- Термонить-термокабель вырабатывает тепло самостоятельно не используя тепло тела человека;

- Термонить-термокабель имеет электрические элементы;

- Термонить-термокабель способна не только нагревать, но и охлаждать человека.

Наиболее близким решением является патент RU 2003115618, описывающий термоткань в которой присутсвует электропроводная и неэлектропроводная нити переплетенные и объединенные между собой в термоткань.

Отличия от заявленного решения состоят в том, что:

- Термонить-термокабель может не только нагревать но и охлаждать объект;

- Термонить-термокабель также использует электроэнергию, но может иметь элементы для выработки электроэнергии;

- Термонить-термокабель автоматически регулирует нагрев или охлаждение в зависимости от внешних условий.

В дальнейшем тексте вместо «термонить-термокабель» будет указано «термонить», однако следует считать, что это одно и тоже устройство.

Технический результат заявленного изобретения состоит в создании гибкой нити или кабеля способной(ого) нагревать или охлаждать покрываемый ими объект в зависимости от температурных условий.

Технический результат достигается при помощи использования гибких полупроводников соединенных последовательно, источника энергии, центрального изолятора с пустым центром, а также контактов сделанных из различных материалов, которые меняют свои свойства (в частности сопротивление) в зависимости от окружающей температуры.

Частными случаями изготовления материала являются:

- Изготовление термонити в которой вместо гибких полупроводников используются отдельные блоки связанные между собой;

- Изготовление термонити с питанием от внешней электрической сети;

- Изготовление термонити с дополнительными потребителями электроэнергии;

- Изготовление термонити в котором полупроводники имеют различное сопротивление, что обеспечивает автоматическое переключение направления тока;

- Изготовление термонити с круглым, овальным, квадратным, и/или любым другим сечением.

Краткое описание чертежей:

Фиг. 1 - Термонить-термокабель в поперечном разрезе;

Фиг. 2 - Термонить в послойном разрезе;

Фиг. 3-Термонить в продольном разрезе;

Фиг. 4 - Продольный разрез с блоком выхода воздуха;

Фиг. 5 - Продольный разрез с блоков выхода воздуха и источником питания;

Фиг. 6 - 3Д-изображение участка термонити-термокабеля;

Фиг. 7 - 3Д-изображение послойного разреза.

На изображениях термонити-термокабеля указаны следующие элементы:

1. Центральный изолятор;

2. Внутренний контакт полупроводников;

3. Изолятор контактов и полупроводников;

4. Полупроводник n-типа;

5. Полупроводник p-типа;

6. Внешний контакт полупроводников;

7. Наружный изолятор;

8. Электрообразующий слой;

9. Контакты направления тока;

10. Приемный контакт полупроводника;

11. Изолятор приемных контактов;

12. Блок выхода воздуха;

13. Источник энергии;

14. Воздушные потоки.

Особенности некоторых элементов. Контакты направления тока.

Известно, что различные материалы имеют различную электропроводность и различное сопротивление. Это явление позволяет использовать в термонити контакты (9) выполненные из различных материалов и сплавов. Причем вид материала изготовления контакта может выбираться исходя из условий эксплуатации и поддержания необходимой температуры.

Например, возьмем железо имеющее удельное сопротивление 0,135 Ом и сплав меди (69%) и Никелина (31%), который расчетно будет иметь такое же удельное сопротивление. При этом Температурный коэффициент электросопротивления для железа составляет 0,005 (т.е. при повышении температуры на 1 градус Цельсия сопротивление вырастает в 0,005 раз). А коэффициент электросопротивления указанного сплава будет расчетно равен 0,0028. Таким образом, при повышении температуры например на 10 градусов Цельсия сопротивление железа будет равно 0,14175 Ом, а сопротивление сплава 0,13878 Ом и соответственно ток будет течь через контакт с меньшим сопротивлением т.е. через сплав меди и никелина. Но, если мы понизим температуру на 10 градусов Цельсия, то сопротивление железа будет равно 0,12825 Ом, а сопротивление сплава 0,13122 Ом. Т.е. во втором случае ток будет течь через железный контакт.

Причем материалы изготовления контактов (9) могут быть иными и иметь большие различия.

Также следует предполагать, что точно таким же образом как в указанном примере можно заставить работать материалы изготовления полупроводников (4, 5), что позволит упростить конструкцию.

Блок выхода воздуха.

Блок выхода воздуха (12) предназначен для создания в термонити-термокабеле отверстия для выхода теплого или холодного воздуха (14) из центра конструкции, поскольку возможность теплообмена является критической для работоспособности всей конструкции.

Кроме того, внутри блока выхода воздуха (12) может быть расположен источник энергии (13), что требует изготовления блока из гибкого материала, так как если используется источник энергии пьезо-типа, то на сам источник энергии должна оказываться нагрузка, что невозможно при изготовлении блока из твердого материала.

Источник энергии.

Источником электроэнергии как отдельным, так и/или в качестве электрообразующего слоя может служить существующая бытовая и/или промышленная электрическая сеть (дома, предприятия и т.д.) к которой необходимо подключить термонить. Либо источник энергии может располагаться внутри блока выхода воздуха (12), либо на поверхности или внутри самой термонити в качестве электрообразующего слоя (8). При этом вырабатываться электроэнергия может с помощью солнечных батарей, пьезоэлемента, движения воды и воздуха, химической реакции (например на теле человека), температурного воздействия, радиации, различного рода излучений (например радиоизлучение, космическое излучение и др.) и т.д.. Выбор источника электроэнергии зависит от предназначения конкретного вида термонити и от условий ее эксплуатации. Так, термонить располагающаяся на улице может использовать энергию солнца, а термонить используемая в качестве одежды может использоваться пьезоэлементы вырабатывающие электроэнергию при движении человека или химическую реакцию.

Размер термонити-термокабеля.

В зависимости от предназначения конструкция может иметь размер от микрометров и меньше до нескольких метров. Так, в случае изготовления термонити для изготовления одежды необходим диаметр всей конструкции в сборе в миллиметр (например), а при использовании термокабеля для обогрева дома предусматривается возможность изготовления конструкции диаметров несколько см. Также в некоторых специальных случаях возможно изготовление конструкции диаметров несколько метров.

Продувка центральной части конструкции.

Центральная часть термонити-термокабеля делается пустой. Это необходимо для того, чтобы сохранить место для вывода холода или тепла с внутренних контактов, когда в процессе работы внешние контакты полупроводников нагрвеются или охлаждаются.

Для продувки термонити могут использоваться блоки продувки располагающиеся через определенное расстояние разделяя термонить на участки. Либо термонить может быть поделена на участки которые связываются между собой таким образом, чтобы концы термонитей выходили наружу от охлаждаемого или нагреваемого объекта.

Также для продувки могут использоваться вентиляторы и компрессора в зависимости от сферы применения термонити, его предназначения и размера.

Гибкость конструкции.

Принцип работы термонити-термокабеля схож с принципом элемента Пельтье, то есть в зависимости от направления протекания тока между последовательно соединенными полупроводниками п и р-типа контакт полупроводника нагревается или охлаждается.

Однако отличительной особенностью изобретения является то, что полупроводники и все или почти все элементы конструкции являются гибкими, что позволяет использовать их в различных областях знаний, то что может использоваться встроенный источник электроэнергии, то,что все элементы закручены вокруг центра конструкции по спирали, и то, что управление направлением тока происходит автоматически в зависимости от сопротивления контактов (9).

Гибкость термонити обеспечивается материалами изготовления. Так предусматривается применение в термонити гибких полупроводников. Также возможно придание полупроводникам гибкости при помощи создания многожильной и/или наноструктуры, а также полупроводник может представлять собой гибкую основу (например резину) с полупроводниковым покрытием. Также и остальные элементы материала имеют структуру позволяющую сгибать их в любом месте или на стыке некоторых звеньев.

Температурный фон контактов направления тока.

Температурный фон определается силой нагрева или охлаждения термонити. Так, контакты направления тока находятся в зоне которая напрямую примыкает к нагреваемому или охлаждаемому объекту. Таким образом, комфортная для объекта температура является ограничивающей дальнейший нагрев или охлаждения, а потому продувка контактов не требуется для обеспечения их работоспособности.

Термонить-термокабель работает следующим образом:

Использование термонити для нагрева осуществляется следующим образом:

Источник энергии (13) вырабатывает электроэнергию или получает ее от электрообразующего слоя (8). В холодную погоду при низкой температуре воздуха сопротивление контактов (9) будет различаться таким образом, что на контакте (9) связанном с полупроводником p-типа (5) сопротивление будет меньшим. Соответственно электроэнергия по контакту с меньшим сопротивлением направляется к полупроводнику p-типа (5), а от него по внутреннему контакту (2) передается на полупроводник n-типа (4). Далее по внешнему контакту (6) электроэнергия передается на следующий полупроводник p-типа (5). При этом благодаря эффекту Пельтье происходит нагрев внешних контактов (6) и охлаждение внутренних контактов (2). При этом происходит нагрев объекта покрытого термонитью-термокабелем (дома, автомобиля, человека и т.д.).

Когда температура воздуха комфортна, то сопротивление контактов (9) примерно равнозначно, электроэнергия не может течь в одном направлении и полезное действие не производится.

В том случае, если температура воздуха увеличивается и необходимо охлаждение объекта, то происходит следующее:

При повышении температуры воздуха изменяется сопротивление контактов (9) таким образом, что теперь контакт связанный с полупроводником n-типа имеет меньшее сопротивление. И электроэнергия течет сначала к полупроводнику n-типа (4), а затем по внутреннему контакту (2) передается на полупроводник p-типа (5), после чего по внешнему контакту (6) передается на следующий полупроводник n-типа (4). То есть электроэнергия течет в обратном направлении и теперь уже внутренние контакты (2) нагреваются, а внешние контакты (6) охлаждаются, охлаждая и покрытый термонитью объект.

Количество электроэнергии идущее через контакты (9) перераспределяется между обеими контактами в зависимости от разности сопротивления контактов. За счет изменения разности изменяется и интенсивность охлаждения и/или нагрева.

Причем поскольку термонить хотя и совершает полезное действие при протекании электроэнергии, но потребителем электроэнергии по сути не является. Поэтому положительный контакт и отдельно выведенный отрицательный контакт (9) могут быть подведены к дополнительному потребителю электроэнергии, которым может являться лампа или иной источник света (например как элемент украшения одежды), зарядное устройство (например для мобильного телефона) и/или потребителем электроэнергии может являться дополнительное устройство нагрева или охлаждения.

Изобретение относится к материалам и устройствам для охлаждения и/или нагрева и является универсальным и может использоваться как материал для изготовления одежды, как укрывной, защитный материал, как материал покрытия стен, полов, потолков, как утеплитель и/или как охлаждающий материал. Изобретение представляет собой нить или кабель, в котором имеется пустая центральная часть для продувки, ограниченная изолятором, а все остальные элементы выстроены вокруг изолятора по спирали. Причем элементы устройства являются гибкими и позволяют использовать устройство в качестве элемента другого материала, позволяют сплетать термонить в состояние ткани и т.д. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Термонить-термокабель, включающий в себя полупроводник р-типа, полупроводник n-типа, контакты между полупроводниками, отличающийся тем, что полупроводники, контакты, электроизоляторы и другие элементы являются гибкими, расположены вокруг единого пустого внутри центра по спирали, представляя собой нить или кабель, с получением электропитания от источника энергии и/или электрообразующего слоя через контакты или полупроводники, чей материал изготовления изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры окружающего воздуха, и изменением направления протекания электроэнергии от полупроводника р-типа или от полупроводника n-типа в зависимости от увеличения или уменьшения электросопротивления контактов или полупроводников.

2. Термонить-термокабель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника энергии может использоваться пьезоэлемент, солнечная батарея, химическая реакция, движение воды и воздуха, космическое излучение, радиация.

3. Термонить-термокабель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника электроэнергии может использоваться существующая бытовая и/или промышленная электрическая сеть.

4. Термонить-термокабель по п. 1, отличающийся тем, что источник энергии может быть выполнен в качестве отдельного блока и/или в качестве электрообразующего слоя, покрывающего материал.

5. Термонить-термокабель по п. 1, отличающийся тем, что он может быть подключен к дополнительным потребителям электроэнергии.

6. Термонить-термокабель по п. 1, отличающийся тем, что он может иметь круглое, овальное, квадратное, прямоугольное сечение.

7. Термонить-термокабель по п. 1, отличающийся тем, что в нем может использоваться вентилятор или компрессор для продувки центральной части.