Термоткань

Изобретение относится к технологии получения тканей, которые генерируют тепло с помощью источника электроэнергии, и может быть использовано для изготовления одежды, сидений, одеял и пр. Термоткань включает неэлектропроводную нить, нагревательную нить с положительным температурным коэффициентом и два электропроводных вывода. При этом нагревательная нить содержит сердечник, оболочку, выполненную из матрицы с включенными в нее электропроводными частицами, и изолирующее покрытие. Изобретение обеспечивает создание ткани, обладающей функцией саморегулирования нагрева без использования проводов. 28 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к тканям, которые генерируют тепло с помощью источника электроэнергии.

Известны ткани, генерирующие тепло, которые содержат электропроводные нити, которые генерируют тепло при подаче на них электроэнергии. Однако электропроводные нити, используемые для генерирования тепла, не являются саморегулирующимися, и без защиты ткань может перегреваться.

Для обеспечения функции саморегулирования при генерировании тепла в ткани использовались теплогенерирующие провода. Типично, саморегулирующиеся провода представляют собой два параллельных проводника с расположенным между ними генерирующим тепло материалом. Провод генерирует тепло, когда на два проводника подается электроэнергия. Для регулирования генерирования тепла проводом материал, генерирующий тепло и расположенный между двумя проводниками, обладает характеристиками увеличения сопротивления при повышении температуры и уменьшения сопротивления при понижении температуры. Однако провода, внедренные в ткань, приводят к возникновению неравномерностей в изделии, которые доставляют неудобство пользователям.

Таким образом имеется потребность в термоткани, обладающей функцией саморегулирования нагрева без использования проводов.

Согласно объекту настоящего изобретения создана термоткань, содержащая, по меньше мере, одну неэлектропроводную нить; по меньшей мере, одну нагревательную нить с положительным температурным коэффициентом, имеющую сопротивление от 0,1 до 2500 Ом на дюйм (от 0,04 до 985 Ом на сантиметр), и два электропроводных вывода, в которой нагревательная нить содержит сердечник и оболочку, выполненную из матрицы с включенными в нее электропроводными частицами, причем материал матрицы имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем указанные частицы, и изолирующее покрытие.

Предпочтительно, оболочка выполнена из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Сердечник нагревательной нити с положительным температурным коэффициентом может содержать моноволоконный сердечник, многоволоконный сердечник или сердечник из штапельного волокна, причем штапельное волокно сердечника может является крученым штапельным волокном.

Предпочтительно, оболочка содержит отдельные электрические проводники, заключенные в расширяющуюся при нагревании матрицу с низкой электропроводностью, при этом матрица имеет больший коэффициент теплового расширения, чем электрические проводники. При этом матрица может быть сшитой или иметь конкретную температуру размягчения, при которой электропроводность резко падает при достижении выбранной температуры.

Кроме того, термоткань может дополнительно содержать изолирующее покрытие, нанесенное поверх термоткани.

Предпочтительно, нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом имеет круглое сечение.

Наиболее предпочтительно, нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом имеет овальное сечение.

Нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом может иметь плоское сечение.

Преимущественно, термоткань дополнительно содержит, по меньшей мере, один электропроводный вывод, соединенный с нагревательной нитью с положительным температурным коэффициентом.

Как вариант, термоткань дополнительно содержит два электропроводных вывода, причем нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом электрически включена между этими двумя выводами.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом содержит множество нагревательных нитей с положительным температурным коэффициентом, дополнительно содержит два электропроводных вывода, при этом нагревательные нити с положительным температурным коэффициентом включены параллельно между двумя электропроводными выводами.

Кроме того, предпочтительно, термоткань является текстильной тканью. Наиболее предпочтительно, чтобы термоткань дополнительно содержала, по меньшей мере, один электропроводный вывод, соединенный с нагревательной нитью с положительным температурным коэффициентом.

Предпочтительно, термоткань дополнительно содержит два электропроводных вывода, причем нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом электрически включена между двумя электропроводными выводами.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом содержит множество нагревательных нитей с положительным температурным коэффициентом, дополнительно содержит два электропроводных вывода, при этом нагревательные нити с положительным температурным коэффициентом включены параллельно между двумя электропроводными выводами.

Преимущественно, термоткань является трикотажным полотном.

Предпочтительно, нагревательная нить образует петли трикотажного полотна.

Предпочтительно, нагревательная нить вплетена в петли из неэлектропроводных нитей.

Термоткань может дополнительно содержать, по меньшей мере, один электропроводный вывод, соединенный с нитью с положительным температурным коэффициентом.

Предпочтительно, вывод содержит электропроводную нить, термоткань содержит трикотажное полотно, а электропроводная нить образует петли трикотажного полотна.

Наиболее предпочтительно, чтобы электропроводный вывод был вплетен в петли из неэлектропроводных нитей.

Предпочтительно, термоткань содержит трикотажное полотно, причем вывод вплетен в петли из неэлектропроводных нитей.

Кроме того, термоткань может дополнительно содержать два электропроводных вывода, при этом нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом электрически включена между двумя электропроводными выводами.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом содержит множество нагревательных нитей с положительным температурным коэффициентом, дополнительно содержит два электропроводных вывода, при этом нагревательные нити с положительным температурным коэффициентом включены параллельно между двумя электропроводными выводами.

Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - увеличенное поперечное сечение нагревающей нити для использования в настоящем изобретении.

Фиг.2А и 2В - ткань, иллюстрирующая альтернативные варианты настоящего изобретения.

Фиг.3А и 3В - вязаное полотно, иллюстрирующее альтернативные варианты настоящего изобретения.

Согласно настоящему изобретению термоткань или материал может быть тканым, вязанным или любым подобным материалом, выполненным, по меньшей мере, частично из электропроводных нитей для генерирования тепла с помощью источника электроэнергии. Ткань может быть плоской, ворсистой или иметь иную конфигурацию. Ткань содержит электропроводные нити ("нагреватели"), электропроводность и расположение которых согласованы с источником электроэнергии, который будет использоваться для генерирования тепла. Нагреватели могут проходить в направлении основы или утка. Можно (но не обязательно) использовать множество электропроводных жил (выводов), например, в форме нитей, соединенных с нагревателями для подачи на них электроэнергии. Не обладающие электропроводностью нити обычно включаются в конструкцию для создания механической стабильности. В одном варианте ткань выполнена в форме непрерывной свернутой в рулон полосы, как и традиционная ткань, которая затем разрезается на необходимые участки ("панели") для использования в готовом продукте. Термоткань может использоваться в качестве подложки, укладываемой за обычной тканью, или может использоваться как наружная ткань, например обивочный материал.

В настоящем изобретении нагревателем является нить с положительным температурным коэффициентом (ПТК). Нить с ПТК представляет собой электропроводную нить, сопротивление которой увеличивается с ростом температуры и уменьшается с падением температуры. Нить с ПТК типично содержит материал с положительным температурным коэффициентом, который обладает свойством увеличивать сопротивление с ростом температуры и уменьшать сопротивление с падением температуры. В одном варианте нитью с ПТК является нить с неэлектропроводным сердечником или сердечником, обладающим малой проводимостью, и оболочкой из материала, обладающего ПТК. Пример такой нити, состоящей из сердечника и оболочки, пригодной для использования в качестве нагревателя в ткани по настоящему изобретению, описан в заявке на патент США №09/667065 "Нить, электрическое сопротивление которой зависит от температуры", поданной 29 сентября 2000 г. ДеАнгелисом и др., которая полностью включена в настоящее описание путем отсылки.

Пример такой нити с сердечником/оболочкой, которая может использоваться в качестве нагревающей нити в настоящем изобретении, также показан на фиг.1, как нить 10. Как показано на фиг.1, нить 10 в целом содержит сердечник 11 и оболочку 12 с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Как показано на чертеже, нить 10 также может содержать изолятор 13, расположенный над оболочкой 12. Как показано на чертеже, нить 10 имеет круглое сечение, однако нить 10 может иметь и другие формы сечения, пригодные для формирования ткани, например овальное, плоское и пр.

Сердечник 11 в целом может быть выполнен из любого материала, обладающего достаточной гибкостью и прочностью, чтобы использоваться в качестве текстильной нити. Сердечник может быть выполнен из синтетических волокон, таких как полиэстер, нейлон, акрил, район, кевлар, номекс и пр., или может быть сформирован из натуральных волокон, таких как хлопок, шерсть, шелк, лен и пр. Сердечник 11 может быть сформирован из моноволокна, многоволоконного или штапельного волокна. Кроме того, сердечник 11 может быть плоским, пряденым или нитью любого другого типа, используемого в текстильной промышленности. В одном из вариантов сердечник 11 выполнен как неэлектропроводный материал.

Оболочка 12 с положительным тепловым коэффициентом сопротивления является материалом, который повышает свое электрическое сопротивление с ростом температуры. В варианте настоящего изобретения, показанном на фиг.1, оболочка 12 в общем содержит отдельные электрические проводники 21, подмешанные в матрицу 22, обладающую низкой проводимостью и расширяющуюся при нагревании.

Отдельные проводники 21 обеспечивают токопроводящий путь через оболочку 12. Эти отдельные проводники 21 предпочтительно выполнены в форме частиц, например частиц электропроводных материалов, сфер, покрытых электропроводным материалом, электропроводных чешуек, электропроводных волокон и пр. Электропроводные частицы, волокна или чешуйки могут выполняться из таких материалов как медь, графит, золото, серебро, углерод или любого другого подобного электропроводного материала. Сферы и микросферы в одном из вариантов представляют собой сферы диаметром от приблизительно 10 до приблизительно 100 мкм.

Матрица 22 имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем электропроводные частицы 21. Материал матрицы 22 выбран так, чтобы он мог расширяться с ростом температуры, тем самым, раздвигая различные электропроводные частицы 21 друг от друга внутри матрицы 22. Такое раздвигание электропроводных частиц 21 приводит к росту электрического сопротивления оболочки 12. Матрица 22 также является гибкой в такой степени, в которой это необходимо для встраивания в нить. В одном варианте матрица 22 является этиленэтилакрилатом (ЭЭА) или комбинацией ЭЭА с полиэтиленом. К другим материалам, которые могут отвечать требованиям, предъявляемым к материалам, используемым в матрице 22, относятся, помимо прочего, полиэтилен, полиолефины, галогенсодержащие производные полиэтилена, термопластичные или термореактивные материалы.

Оболочка 12 может наноситься на сердечник 11 путем экструзии, нанесения покрытия или любым другим способом нанесения слоя материала на сердечник 11. Выбор конкретного типа отдельных проводников 21 (т.е. чешуек, волокон, сфер и пр.) может обусловить различные характеристики зависимости сопротивления от температуры, а также повлиять на механические свойства оболочки 12. Матрица 22 может формироваться так, чтобы препятствовать или предотвращать размягчение или плавление при рабочих температурах. Было определено, что полезное сопротивление нити 10 может меняться в диапазоне от приблизительно 0,1 Ом на дюйм до приблизительно 2500 Ом на дюйм (от 0,04 до 985 Ом на сантиметр), в зависимости от желаемого типа применения.

В одном из вариантов настоящего изобретения матрица 22 может плавиться при достижении определенной температуры для создания встроенного "плавкого предохранителя", который будет разрывать проводимость матрицы 22 при достижении выбранной температуры.

Изолятор 13 представляет собой неэлектропроводный материал, который по своей гибкости согласуется с нитью. В одном варианте его коэффициент расширения близок к коэффициенту матрицы 22. Изолятор 13 может быть термопластом, термореактивным пластиком или термопластом, который становится термореактивным пластиком после соответствующей обработки, например полиэтилен. К материалам, пригодным для использования в изоляторе 13, относятся полиэтилен, поливинилхлорид или им подобные. Изолятор 13 может наноситься на оболочку 12 экструзией, нанесением покрытия, обертыванием или обертыванием и нагреванием материала изолятора 13.

Напряжение, прилагаемое к нити 10, заставляет ток течь по оболочке 12. По мере роста температуры нити 10 сопротивление оболочки 12 растет. Считается, что увеличение сопротивления нити 10 достигается за счет расширения матрицы 22, в результате чего раздвигаются электропроводные частицы 21, размещенные внутри матрицы 22, тем самым разрушая микропути, проходящие по длине нити 10, и увеличивая общее сопротивление оболочки 12. Эта конкретная зависимость проводимости от температуры может подстраиваться под конкретное применение. Например, проводимость может расти медленно до определенной точки, а затем резко подниматься при заданной температуре отсечки.

Для облегчения электрического соединения нитей с положительным температурным коэффициентом можно использовать тепло и давление, чтобы размягчить материал с положительным температурным коэффициентом и получить более интегральное соединение. Кроме того, электропроводные нити в ткани могут быть предварительно покрыты высокопроводящим материалом для улучшения электрического соединения в готовой ткани.

Нагревающие нити могут располагаться на расстоянии 1-2 дюймов (25,4-50,8 мм) друг от друга, чтобы обеспечить равномерность нагрева, однако при необходимости расстояние между ними может быть больше или меньше, что не меняет основные принципы настоящего изобретения. Использование нити с положительным температурным коэффициентом для нагрева позволяет встроить систему управления температурой непосредственно в ткань, поскольку нагрев от нити с положительным температурным коэффициентом уменьшается с ростом температуры этой нити. Поэтому по мере роста температуры термоткани растет и сопротивление нити с положительным температурным коэффициентом, тем самым уменьшая количество тепла, генерируемое этой тканью. Наоборот, если температура термоткани падает, сопротивление нити с положительным температурным коэффициентом уменьшается и термоткань генерирует больше тепла.

Выводы обычно (но не всегда) обладают большей электропроводностью и расположены реже, чем нагреватели. В одном варианте выводами являются нити из материала с высокой электропроводностью. В другом варианте выводами могут быть жилы электропроводного провода, например, из никеля, имеющие приблизительно одинаковую площадь сечения с нитями ткани.

Для улучшения механических свойств конструкции может использоваться любая неэлектропроводная нить. Например, ткань с нагревательной нитью в утке может иметь дополнительные неэлектропроводные нити утка, повышающие механическую стабильность, для высокотемпературных применений могут использоваться стеклянные или арамидовые нити и т.д.

Термоткань может быть покрыта электроизоляционным материалом для защиты ткани во время стирки или использования. Таким покрытием может быть любой изолирующий полимер, который может наноситься на нагреватели любым удобным способом. Толщина покрытия может быть различной, но в одном варианте она составляет от приблизительно 5 мил до приблизительно 13 мил (0,127-0,3302 мм). Могут использоваться акрилы, поскольку они обладают высокими изолирующими свойствами, являются гибкими и не вязкие. Гибкость способствует тому, что панель сохраняет свойства ткани. Низкая вязкость позволяет ткани сохранить после нанесения покрытия некоторую воздухопроницаемость. Открытая конструкция настоящего изобретения позволяет наносить покрытие на ткань без резкой потери воздухопроницаемости. Воздухопроницаемость важна для комфорта, например, при изготовлении одежды, сидений или одеял. Покрытие также повышает механическую стабильность, что особенно важно для обеспечения надежности электрических соединений в ткани. Оно может использоваться также для придания ткани свойств невоспламеняемости, водоотталкивания или других свойств, типичных для тканей с покрытием.

На фиг.2А и 2В показана текстильная ткань 210 и 220, соответственно, иллюстрирующая варианты настоящего изобретения. Как показано на фиг.2А, ткань 210 содержит множество неэлектропроводных нитей 13, вплетенных в ткань с подмешанной непрерывной нагревательной нитью 11. Тепло генерируется тканью 210 при подаче напряжения на два конца нагревательной нити 11. Как показано на фиг.2В, ткань 220 содержит множество нагревательных нитей 11, соединительных нитей 12 и неэлектропроводных нитей 13, сплетенных в ткань. Нагревательные нити 11 в ткани 220 подключаются параллельно между соединительными нитями 12. Тепло генерируется при подаче напряжения на соединительные нити 12.

На фиг.3А и 3В показано трикотажное полотно 310 и 320, соответственно, иллюстрирующее варианты настоящего изобретения. Как показано на фиг.3А, полотно 310 содержит неэлектропроводную нить 13, сплетенную в полотно, и нагревательную нить 11, проложенную в этом же полотне. Тепло генерируется в ткани 310 при подаче напряжения на два конца нагревательной нити. Как показано на фиг.3В, полотно 320 содержит неэлектропроводную нить 13, сплетенную в полотно, и нагревательную нить 11, и соединительную нить 12, проложенные в этом же полотне. Нагревательная нить 11 соединена параллельно между соединительными нитями 12. Тепло генерируется в ткани 320 при подаче напряжения на соединительные нити 12. Хотя в тканях 310 и 320 показаны нагревательные нити 11 и соединительные нити, вплетенные в трикотажное полотно из неэлектропроводных нитей 13, настоящее изобретение предусматривает возможность использования нагревательных нитей 11 и/или соединительных нитей 12 для формирования вязаных петель ткани 310 или 320.

Поверхность готовой ткани может отделываться. Соответствующие отделочные технологии зависят от типа применяемой нити. Особым спросом может пользоваться ворсистая ткань с электропроводными нитями в основе.

Преимущества тканевого нагревателя по сравнению с традиционной проводной конструкцией заключаются в гибкости, воздухопроницаемости, быстроте нагрева, равномерности распределения тепла и в тонкости профиля (за счет отсутствия проводов). В некоторых случаях ткань может упростить изготовление конечного продукта, поскольку ткань можно ламинировать или сшивать в конечные конструкции или использовать в рулонной форме. Нагревательные нити из материала с положительным температурным коэффициентом являются саморегулирующимися и в целом более предпочтительны по сравнению с традиционными нагревателями. За счет наличия материала с положительным температурным коэффициентом ткань получает встроенный механизм управления или исключает необходимость в системе обратной связи по температуре или внешних цепей управления температурой.

1. Термоткань, содержащая, по меньше мере, одну неэлектропроводную нить, по меньшей мере, одну нагревательную нить с положительным температурным коэффициентом, имеющую сопротивление от 0,1 до 2500 Ом на дюйм (от 0,04 до 985 Ом на сантиметр), и два электропроводных вывода, в которой нагревательная нить содержит сердечник и оболочку, выполненную из матрицы с включенными в нее электропроводными частицами, причем материал матрицы имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем указанные частицы, и изолирующее покрытие.

2. Термоткань по п.1, в которой оболочка выполнена из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления.

3. Термоткань по п.2, в которой сердечник нагревательной нити с положительным температурным коэффициентом содержит моноволоконный сердечник.

4. Термоткань по п.2, в которой сердечник нагревательной нити с положительным температурным коэффициентом содержит многоволоконный сердечник.

5. Термоткань по п.2, в которой сердечник нагревательной нити с положительным температурным коэффициентом содержит сердечник из штапельного волокна.

6. Термоткань по п.5, в которой штапельное волокно сердечника является крученым штапельным волокном.

7. Термоткань по п.2, в которой оболочка содержит отдельные электрические проводники, заключенные в расширяющуюся при нагревании матрицу с низкой электропроводностью, причем матрица имеет больший коэффициент теплового расширения, чем электрические проводники.

8. Термоткань по п.7, в которой матрица является сшитой.

9. Термоткань по п.7, в которой матрица имеет конкретную температуру размягчения, при которой электропроводность резко падает при достижении выбранной температуры.

10. Термоткань по п.1, дополнительно содержащая изолирующее покрытие, нанесенное поверх термоткани.

11. Термоткань по п.1, в которой нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом имеет круглое сечение.

12. Термоткань по п.1, в которой нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом имеет овальное сечение.

13. Термоткань по п.1, в которой нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом имеет плоское сечение.

14. Термоткань по п.1, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один электропроводный вывод, соединенный с нагревательной нитью с положительным температурным коэффициентом.

15. Термоткань по п.1, дополнительно содержащая два электропроводных вывода, при этом нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом электрически включена между этими двумя выводами.

16. Термоткань по п.1, в которой, по меньшей мере, одна нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом содержит множество нагревательных нитей с положительным температурным коэффициентом, дополнительно содержит два электропроводных вывода, при этом нагревательные нити с положительным температурным коэффициентом включены параллельно между двумя электропроводными выводами.

17. Термоткань по п.1, в которой термоткань является текстильной тканью.

18. Термоткань по п.17, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один электропроводный вывод, соединенный с нагревательной нитью с положительным температурным коэффициентом.

19. Термоткань по п.17, дополнительно содержащая два электропроводных вывода, при этом нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом электрически включена между двумя электропроводными выводами.

20. Термоткань по п.17, в которой, по меньшей мере, одна нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом содержит множество нагревательных нитей с положительным температурным коэффициентом, дополнительно содержит два электропроводных вывода, при этом нагревательные нити с положительным температурным коэффициентом включены параллельно между двумя электропроводными выводами.

21. Термоткань по п.1, в которой термоткань является трикотажным полотном.

22. Термоткань по п.21, в которой нагревательная нить образует петли трикотажного полотна.

23. Термоткань по п.21, в которой нагревательная нить вплетена в петли из неэлектропроводных нитей.

24. Термоткань по п.21, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один электропроводный вывод, соединенный с нитью с положительным температурным коэффициентом.

25. Термоткань по п.21, в которой вывод содержит электропроводную нить, термоткань содержит трикотажное полотно, а электропроводная нить образует петли трикотажного полотна.

26. Термоткань по п.21, в которой электропроводный вывод вплетен в петли из неэлектропроводных нитей.

27. Термоткань по п.21, в которой термоткань содержит трикотажное полотно, при этом вывод вплетен в петли из неэлектропроводных нитей.

28. Термоткань по п.21, дополнительно содержащая два электропроводных вывода, при этом нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом электрически включена между двумя электропроводными выводами.

29. Термоткань по п.21, в которой, по меньшей мере, одна нагревательная нить с положительным температурным коэффициентом содержит множество нагревательных нитей с положительным температурным коэффициентом, дополнительно содержит два электропроводных вывода, при этом нагревательные нити с положительным температурным коэффициентом включены параллельно между двумя электропроводными выводами.