ТЕРМОМАТЕРИАЛ Российский патент 2019 года по МПК D03D15/00 H01L35/32 A41D13/05 

Изобретение относится к материалам 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.

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:

- Термоматериал имеет гибкую структуру позволяющую использовать его как ткань и другие подобные материалы;

- Термоматериал не требует внешних источников энергии, поскольку в него включаются элементы вырабатывающие электрический ток;

- Термоматериал 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:

- Термоматериал вырабатывает электрический ток самостоятельно, батарея не требуется;

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

- Термоматериал универсален и не является дополнением к нижнему или какому-либо иному белью или одежде. Он 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:

- Термоматериал вырабатывает тепло самостоятельно не используя тепло тела человека;

- Термоматериал имеет электрические элементы;

- Термоматериал способен 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:

- Термоматериал может не только нагревать но и охлаждать объект;

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

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

Технический результат заявленного изобретения состоит в создании материала способного охлаждать или нагревать покрытые им объекты автоматически с возможностью применения данного материала в различных областях науки и техники.

Технический результат достигается при помощи использования гибких полупроводников соединенных последовательно, источника энергии, 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 материала в котором вместо гибких полупроводников используются отдельные блоки связанные между собой;

- Изготовление материала с питанием от внешней электрической сети;

- Изготовление материала с источниками энергии с двух сторон материала, которые включаются и отключаются в зависимости от окружающей температуры;

- Изготовление материала с дополнительными потребителями электроэнергии;

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

- Изготовление материала с большим количеством полупроводников.

Краткое описание чертежей:

Фиг. 1 - Разрез термоматериала с электрическим питанием от специального блока питания;

Фиг. 2 - Разрез термоматериала в котором блок питания получает электроэнергию от электрообразующего слоя;

Фиг. 3 - Разрез термоматериала в котором электрообразующий слой передает электрический ток напрямую к полупроводникам;

Фиг. 4 - Разрез термоматериала с указанием воздушного охлаждения блока питания и контактов;

Фиг. 5 - Вид сверху на элементы термоматериала;

Фиг. 6 - Вид термоматериала в разрезе вблизи (с указанием прокладок).

На изображениях термоматериала указаны следующие элементы:

1. Блок питания;

2. Полупроводник p-типа;

3. Полупроводник n-типа;

4. Контакт прямого направления тока;

5. Контакт обратного направления тока;

6. Электроизолятор;

7. Электрообразующий слой;

8. Положительный контакт электрообразующего слоя;

9. Отрицательный контакт к потребителю энергии;

10. Воздушное отверстие блока питания;

11. Контакты между полупроводниками;

12. Электроизоляторы полупроводников.

Термоматериал работает следующим образом:

Блок питания (1) предназначен для получения, преобразования и распределения электроэнергии, причем, блок питания (1) может иметь встроенные источники электроэнергии, либо получать электроэнергию с внешних источников.

Источником электроэнергии может служить существующая бытовая и/или промышленная электрическая сеть (дома, предприятия и т.д.) к которой необходимо подключить термоматериал. Либо источник энергии может располагаться в блоке питания (1), либо на поверхности или внутри самого термоматериала в качестве электрообразующего слоя (7). 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 термоматериала и от условий его эксплуатации. Так, термоматериал располагающийся на улице может использовать энергию солнца, а термоматериал используемый в качестве одежды может использоваться пьезоэлементы вырабатывающие электроэнергию при движении человека или химическую реакцию.

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

Однако отличительной особенностью изобретения является то, что полупроводники являются гибкими, что позволяет использовать их в различных областях знаний, то что может использоваться встроенный источник электроэнергии, и то, что управление направлением тока происходит автоматически в зависимости от сопротивления контактов (4, 5).

Известно, что различные материалы имеют различную электропроводность и различное сопротивление. Это явление позволяет использовать в термоматериале контакты (4, 5) 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 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, что позволит упростить конструкцию.

Гибкость термоматериала обеспечивается материалами изготовления. Так предусматривается применение в термоматериале 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. Кроме того полупроводник в таком материале имеет вид ленты (Фиг. 5), а также он может быть составлен из подвижных частей в виде цепной многозвенной структуры (в случае невозможности изготовления гнущегося полупроводника). Также и остальные элементы материала имеют структуру позволяющую сгибать их в любом месте или на стыке некоторых звеньев.

Размер термоматериала зависит от используемых в нем элементов и его предназначения, поскольку в ряде случаев в термоматериале могут быть использованы микроэлементы и наноэлементы. Использование гибких солнечных элементов, тонких изоляторов и полупроводников малой толщины позволяет сделать термоматериал толщиной менее 5 мм. При этом максимальная толщина практически не ограничена.

Сохранение температурного фона контактов направления тока (4, 5) в термоматериале производится при помощи продувки блока питания и непосредственно контактов (даже при отсутствии отдельного блока питания) внешним воздухом (т.е. воздухом с той стороны термоматериала, которая не является рабочей, и не используется для охлаждения или нагревания объекта) через отверстие (10) (Фиг. 4). Также используются термоизолирующие материалы которые позволяют разграничить контакты направления тока (4, 5) и зоны нагрева и/или охлаждения термоматериала.

Для разграничения полупроводников и отделения контактов в необходимых местах используются электроизоляторы (12) которые могут иметь наноразмер.

Использование термоматериала для охлаждения осуществляется следующим образом:

Блок питания (1) вырабатывает электроэнергию или получает ее от электрообразующего слоя (7). В холодную погоду при низкой температуре воздуха сопротивление контактов (4, 5) будет различаться таким образом, что на контакте (4) сопротивление будет меньшим. Соответственно электроэнергия по контакту с меньшим сопротивлением (4) направляется к полупроводнику p-типа (2), а от него по верхнему контакту (11) передается на полупроводник n-типа (3). Далее по нижнему контакту (13) электроэнергия передается на следующий полупроводник p-типа (2). При этом благодаря эффекту Пельтье происходит нагрев нижних контактов (13) и охлаждение верхних контактов (11). При этом происходит нагрев объекта покрытого термоматериалом (дома, автомобиля, человека и т.д.).

Когда температура воздуха комфортна, то сопротивление контактов (4, 5) примерно равнозначно, электроэнергия не может течь в одном направлении и полезное действие не производится.

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

При повышении температуры воздуха изменяется сопротивление контактов (4, 5) таким образом, что теперь контакт (5) имеет меньшее сопротивление. И электроэнергия течет сначала к полупроводнику n-типа (3), а затем по верхнему контакту (11) передается на полупроводник p-типа (2), после чего по нижнему контакту (13) передается на следующий полупроводник n-типа (3). То есть электроэнергия течет в обратном направлении и теперь уже нижние контакты (13) охлаждаются охлаждая и покрытый термоматериалом объект.

Количество электроэнергии идущее через контакты (4, 5) перераспределяется между обеими контактами в зависимости от разности сопротивления контактов. За счет изменения разности изменяется и интенсивность охлаждения и/или нагрева.

Причем поскольку термоматериал 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 (тены) или охлаждения.

Изобретение относится к материалам 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. Технический результат заявленного изобретения состоит в создании материала, способного охлаждать или нагревать покрытые им объекты автоматически с возможностью применения данного материала в различных областях науки и техники. Технический результат достигается при помощи использования гибких полупроводников, соединенных последовательно, источника энергии, а также контактов, сделанных из различных материалов, которые меняют свои свойства (в частности, сопротивление) в зависимости от окружающей температуры. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Термоматериал, включающий в себя полупроводник p-типа, полупроводник n-типа, контакты между полупроводниками, отличающийся тем, что полупроводники, контакты, электроизоляторы и другие элементы являются гибкими и/или состоящими из подвижных частей, имеет источник электроэнергии, а материал изготовления однополярных контактов источника энергии или материал изготовления полупроводников изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры окружающего воздуха, обеспечивая прохождение электрического тока от полупроводника n-типа к полупроводнику p-типа или наоборот.

2. Термоматериал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве одного из элементов источника энергии может использоваться пьезоэлемент, солнечная батарея, химическая реакция, движение воды и воздуха, космическое излучение, радиация.

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

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

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