熱電結構和使用熱電結構形成紡織結構的製作方法

2023-10-10 15:09:54 2

專利名稱：熱電結構和使用熱電結構形成紡織結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由大致定向在結構的緯紗方向上的金屬絲網絡形成的熱電結構，其包括第一和第二不同特性的導線，交織所述導線，以形成分別分布在兩個平面即頂部平面和底部平面內的冷熱接頭，所述接頭沿任意一個導線是冷熱交替的。
本發明還涉及使用這種熱電結構形成紡織結構。
背景技術：
這種類型的熱電結構構成熱電變換器，當在該冷熱接頭之間應用溫度梯度時，該熱電變換器例如通過塞貝克效應(Seebeck effect)可以產生電動勢。具體地說，當將這種結構集成在用於製造一款衣服的材料中時，在使用中由所述材料隔開的介質之間出現的溫度梯度會導致電流的產生，該電流的產生能夠為電子系統提供動力。由此，當執行其製造時，可以在沒有集成電源的情況下，通過適當地合併這種熱電結構製造集成有導航系統、傳感器或商標侵犯保護系統的防護服，在保護接縫的條件下提供信息的假體(prostheses)，或者第一輔助繃帶。
當應用電流時，這種類型的熱電結構還能夠通過珀爾帖效應(Peltiereffect)開發熱梯度。在微電子學領域，這種現象例如可以通過執行實時控制的冷卻來得到改進集成電路的性能和可靠性的目的。
例如，在文章「Electrical power generation from a wire panel usingthermoelectric effect」(2002 Wiley Periodicals，Inc.Electr Eng Jpn，140(1)16-21)中，N.Yamamoto和H.Takai描述了一種構成熱電功率發生器的熱電結構。該結構由編織金屬絲板形成。平的環氧樹脂襯底包括一系列以形成平行線方式對準的孔。該孔用於連通該襯底兩側。將鋁鎳合金(鋁和鎳的合金)和鎳鉻合金(鎳和鉻的合金)金屬線分別插入孔的相鄰線中。這些導線因此整體平行，並且從該襯底的一側連續地通到另一側。在該襯底的每個表面上，每個導線通過在相鄰導線中形成的環形成環交織。更準確地說，一種類型的導線交替地與分別在該襯底的一側和另一側上的另一個類型的兩種不同的導線交織。這些交叉形成分布在兩個重疊的平面上的冷熱交替的接頭。然後例如通過粘附將所述結構轉換成相應的紡織結構。
然而，這種已知類型的熱電結構不是令人完全滿意的。該熱電結構的製作實際上是複雜並且昂貴的，特別是由於該襯底的生產。這種熱電結構的應用進一步受到該襯底的低柔性的限制。當為了銷售而製造產品時，在紡織結構中集成後者需要附加的操作，這會增加該產品的生產成本。此外，由於該紡織結構插入在該接頭和至少一個由該紡織結構覆蓋的外部介質之間，施加於冷熱接頭的熱梯度(該熱電結構的效率的基本因素)不是最優的。例如，當將裝備有一個這樣的熱電結構的紡織結構應用於一款衣服的製作時，如果將該熱電結構設置在紡織品的兩個厚度之間，則該熱接頭和使用者的身體被紡織結構的厚度分離，該冷接頭和外側也是一樣。

發明內容
本發明的目的是通過提出一種熱電結構來克服上述缺點，該熱電結構的製作更簡單，並且提供了更好的柔性特性。
根據本發明，該目的通過下面的事實實現該熱電結構包括至少一個在該頂部平面上的高介電線，以及至少一個在該底部平面上的低介電線，將該介電線與該第一和第二導線交織以便使該兩個頂部和底部平面彼此保持一定的距離。
該介電線確保該導線的分離，並且確保將後者保持在該結構內的適當位置，以便僅在該頂部和底部平面上交織該導線。因此該介電線實現了該冷熱接頭的絕緣功能，並且消除了對該襯底的需要。而且該熱電結構可以在該導線和介電線的單個結構操作中製造。
根據本發明的研製，在垂直於該緯紗(weft)方向的方向上，兩個相鄰的冷接頭是隔開的，並且通過由高介電線形成的頂部縫線定位，兩個相鄰的熱接頭也是隔開的，並且通過由低介電線形成的底部縫線定位。
而且，根據本發明的熱電結構可以用於形成紡織結構，從而該介電線由紡織纖維構成。因此與現有技術相比，極大地簡化了集成了熱電結構的紡織結構的製作，這是由於其在單個操作中執行，其中，例如通過編織同時將紡織纖維和導線直接構造在一起。而且，極大地改進了該合併的熱電結構的效率，這是由於應用於該冷熱接頭的溫度梯度對應於由該紡織結構隔開的外部介質之間的溫度梯度。


本發明的其它優點和特徵將通過下面對本發明特定實施例的描述而變得更加顯而易見，所述實施例僅僅作為非限制性的例子給出、並且在示意性地表示根據本發明的熱電結構的實施例的單個附圖中示出。
具體實施例附圖1表示根據本發明的熱電結構10的實施例的帶子。在該例子中，通過提花針織(Jacquard knitting)實現熱電結構10。其結合了不同特性的第一和第二導線11和12，分別以黑和白表示，以及由電絕緣材料製成的高和低介電線13a和13b，由虛線表示。對編織來說，將介電線13a和13b的兩個線軸以及不同特性的導線11和12的兩個線軸同時送入適於生產以下描述的熱電結構10的織機的針。該編織過程是公知的，同樣，僅僅根據要生產的結構就可以容易地確定執行該過程的方法。因此，在本描述的範圍內沒有詳細地描述該編織過程。
導線11和12以及介電線13a和13b形成大致平行的交織線網絡，其大致在結構10的緯紗方向上延伸。結構10與該緯紗方向D1正交的方向對應於編織方向，其稱作D2。更精確地，該熱電結構10由分別是頂部搭接和底部搭接的兩個重疊的搭接(1aps)N1、N2形成，每個搭接由多行在緯紗方向D1上定向的縫線(stitches)形成。兩個搭接N1和N2面對的表面之間的縫合由導線11、12執行，其本身形成多行縫線，該縫線與關聯的介電線構成搭接N1、N2。
在每個搭接N1和N2中，每個導線11在方向D1上形成一行縫線，分別參考14和15，每個縫線由U形環形成。同樣，對導線12來說，每個導線12在每個搭接中形成一行縫線，對搭接N1和N2來說分別參考16、17。在緯紗方向D1上，每個導線11交替形成底部縫線15和頂部縫線14，頂部縫線14和相鄰的底部縫線15之間的縫合構成搭接N1和N2之間的縫合。同樣地，在緯紗方向D1上，每個導線12交替地形成底部縫線17和頂部縫線16，頂部縫線16和相鄰的底部縫線17之間的縫合構成搭接N1和N2之間的縫合。
每個稱作高介電線的介電線13a僅在大致平行於導線11、12的方向上、在頂部搭接N1中延伸，並且形成一行全部屬於頂部搭接N1的頂部縫線18。同樣，每個稱作低介電線的介電線13b僅在平行於導線11、12的方向上、在底部搭接N2中延伸，並且形成一行全部屬於底部搭接N2的底部縫線19。
如附圖中所示，在方向D2上形成連續行的縫線。實際上，在緯紗方向D1上，將每個第一導線11交替地插入在由高介電線13a形成的頂部縫線18的頂部搭接N1中，以及由第二導線12形成相鄰的底部縫線17的底部搭接N2中。從每個頂部縫線18和底部縫線17開始，上述導線11自身形成縫線，分別是頂部縫線14和底部縫線15。然後，仍然在緯紗方向D1上，將低介電線13b插入由上述導線11形成的底部縫線15中，以便自身形成下一個底部行的底部縫線19。在緯紗方向D1上，將第二導線12交替地插入由上述第一導線11形成的頂部縫線14的頂部搭接N1，以及由在前的低介電線13b形成底部縫線19的底部搭接N2中。從每個頂部縫線14和底部縫線19，導線12自身形成縫線，分別是頂部縫線16和底部縫線17。然後，仍然在緯紗方向D1上，將高介電線13a插入由在前的導線12形成的頂部縫線16，以自身形成下一個頂部行的頂部縫線18。
這樣，在該實施例中，兩個介電線13a、13b和兩個相鄰的導線11、12形成大致這樣的圖案，即在該結構的方向D2上重複。在該大致圖案中，該第一導線11分別在頂部搭接N1的下一行和底部搭接N2的前一行沿緯紗方向D1與兩個不同的第二導線12交替交織。同樣，第二導線12分別在頂部搭接N1的前一行和底部搭接N2的下一行沿緯紗方向D1與兩個不同的第一導線11交替交織。
這些交織構成在兩個體現為頂部搭接N1和底部搭接N2的重疊平面上分布的冷熱交替的接頭。因此，在方向D2上，兩個相鄰的冷接頭是隔開的，並且由通過高介電線13a形成的頂部縫線18定位，兩個相鄰的熱接頭是隔開的，並且由通過低介電線13b形成的底部縫線19定位。因此，介電線13a、13b實現導線11和12的隔開並支持它們，以及將其保持在結構10內的適當位置，以便導線11和12僅在頂部和底部平面內交織。因而介電線13a、13b使該頂部和底部平面保持一定距離，還實現了該熱接頭之間和該冷接頭之間電絕緣的功能，並且參與實現三維熱電結構10。而且，可以通過編織在導線11、12和介電線13a、13b的單個結構操作中產生熱電結構10。
介電線13a、13b進一步為該熱電結構10提供了極大的柔性。可以設想任何其它的適於將介電線13a、13b插入該頂部和底部平面的裝置，並將它們設置為執行上面的功能。例如，可以將介電線排列在方向D2中。或者，可以通過其他生產方法如編織製作該熱電結構10，以適應該交織和接頭的形成。
沿任一導線11、12的冷熱交替的接頭沿相同行的縫線是串聯的。取決於該多行縫線是如何彼此連接在一起的，該接頭構成熱平行的熱電偶，該熱電偶可以是電串聯或平行的。
優選地，介電線13a、13b可以由紡織纖維例如棉線、絲綢或合成紡織纖維形成。然後將熱電結構10用於形成三維紡織結構。更準確地說，將熱電結構10全部合併到該紡織結構中，並且參與到其構造中。可以將熱電結構10排列在整個紡織結構上或者僅排列在其一部分上。自然地，按照熱電學，根據該紡織結構的最終質量選擇導線的數量、接頭的數量、它們的密度和材料。由於熱電結構10的表面可以非常大，因而，即使導線11、12不具有高的熱電屬性，收集的能量也是顯著的。
例如，與1m長、4.5cm寬的皮帶對應的編織原型在每面包括3366個接頭，當將30℃的熱梯度應用於該冷熱接頭時，通過80mV的電壓能夠獲得285μW的電功率。
最後，通過保持和拉伸該結構，介電線13a、13b在導線11、12之間建立接觸，以便簡單地構成接頭。還可以在接頭處將它們彼此焊接在一起，例如通過電流在該導線11、12中流動而得到的焦耳效應(Joule effect)，或者通過產生電弧。
當製作熱電結構10時可以使用鉸孔(reaming)技術。這種技術的優點是能夠在沒有導線11、12破裂風險的情況下高速執行編織。而且，該鉸孔線的溶解或熔化能夠實現該結構10的膨脹。當將後者結合在紡織結構中時，由於金屬線密度的提高，這種膨脹會改進該紡織結構的絕緣特性，並且通過將電功率提供到該冷熱接頭改進了該熱電結構的特性。在這種情況下，不需要在該接頭處焊接導線11、12。
權利要求
1.一種熱電結構(10)，其由大致定向在該熱電結構(10)的緯紗方向(D1)上的線(11，12，13a，13b)的網絡形成，其包括不同特性的第一(11)和第二(12)導線，它們交織以形成分別在兩個平面即頂部表面和底部表面上分布的冷熱接頭，所述接頭沿任一導線(11，12)是冷熱交替的，該熱電結構的特徵在於包括至少一個在所述頂部平面上的高介電線(13a)，以及至少一個在所述底部平面上的低介電線(13b)，所述介電線(13a，13b)與所述第一(11)和第二(12)導線交織，以便使所述頂部和底部平面彼此保持一定距離。
2.根據權利要求1所述的結構，其特徵在於所述介電線(13a，13b)定向在大致所述緯紗方向(D1)上。
3.根據權利要求1或2所述的結構，其特徵在於所述介電線(13a，13b)和所述導線(11，12)形成大致這樣的圖案，即所述圖案在所述熱電結構(10)的垂直於所述緯紗方向(D1)的方向(D2)上重複。
4.根據權利要求1或2所述的結構，其特徵在於其由提花針織產生。
5.根據權利要求4所述的結構，其特徵在於在垂直於所述緯紗方向(D1)的方向(D2)上，通過由高介電線(13a)形成的頂部縫線(18)，將兩個鄰近的冷接頭隔開並定位，並且通過由低介電線(13b)形成的底部縫線(19)，將兩個鄰近的熱接頭隔開並定位。
6.根據權利要求4和5之一所述的結構，其特徵在於在所述緯紗方向(D1)上，一種性質的導線(11，12)分別在所述頂部和底部表面上與另一種性質的兩個不同的導線(11，12)交替地交織。
7.根據權利要求4和5之一所述的結構，其特徵在於在所述緯紗方向(D1)上，將每個第一導線(11)交替地插入由高介電線(13a)形成的頂部縫線(18)的頂部平面中，以及由第二導線(12)形成的底部縫線(17)的底部平面中，並且將每個第二導線(12)交替地插入由第一導線(11)形成的頂部縫線(15)的頂部平面中，以及由低介電線(13b)形成的底部縫線(19)的底部平面中。
8.使用根據權利要求1和2之一的熱電結構(10)形成紡織結構，其特徵在於所述介電線(13a，13b)由紡織纖維形成。
全文摘要
本發明提供一種通過大致定向在結構(10)的緯紗方向(D1)上的金屬線(11，12，13a，13b)的網絡形成的熱電結構(10)。其包括不同種類的第一(11)和第二(12)導線，交織所述第一和第二導線以形成分別分布在頂部平面和底部平面上的冷熱接頭。所述接頭沿任一導線(11，12)是冷熱交替的。所述熱電結構(10)包括至少一個在所述頂部平面上的高介質線(13a)，以及至少一個在所述底部平面上的低介質線(13b)。將所述介質線(13a，13b)與所述第一(11)和第二(12)導線交織以使所述頂部和底部平面彼此保持一定的距離。
文檔編號H05B3/34GK101056481SQ20071009677
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月12日 優先權日2006年4月13日
發明者馬克·普利森尼爾, 查爾斯·薩爾維, 蒂裡·拉尼爾, 丹尼斯·庫勞克斯 申請人:原子能委員會