分支管網絡及帶有分支管網絡的調溫服裝的製作方法

2023-12-01 20:37:56

關於聯邦政府資助的研究的聲明

本發明是在按能源部(departmentofenergy)授予的de-ar0000528,osp74585號合約之下提供資助的情況下做出的。政府對該發明具有某些權利。

相關專利申請的交叉引用

本申請對現今待決的、於2016年1月28日提交的62/288,397號美國臨時專利申請(u.s.provisionalapplicationno.62/288,397)提出優先權，而所述美國臨時專利申請中所作揭示通過引用併入本申請。

本發明涉及用於調節溫度的服裝。

背景技術：

服裝可被視為可移植環境或第二層皮膚。如果可以將服裝製成具有熱調節功能，例如在穿用者感覺熱時提供冷卻及在穿用者感覺冷時提供加熱，則服裝可以幫助人們在極端環境中生存、在適度的溫熱狀況中提高舒適度以及在加熱或冷卻較大空間時節省大量能源。

向服裝穿用者提供加熱或冷卻的最有效方法之一是在緊挨皮膚的小氣候中分配/散布熱流體或冷流體。如果皮膚旁邊的溫度太高，就通過嵌入服裝中的細管分配/散布冷流體；如果皮膚旁邊的溫度太低，就通過嵌入服裝中的細管散發熱流體。所述流體例如可以是一種或多種液體及/或氣體。例如，所述流體可以是空氣。

這樣分配/散布流體對減低壓力降或泵功率有利。在保持熱傳導的有效性的同時減低由分配網絡(例如管)導致的壓力降，是長期期望的需要。

技術實現要素：

本發明提供一種嵌入服裝的分支管網絡。本發明的目的是在將空氣/流體分配到服裝的大片面積的同時減低通過所述管網絡的管的空氣流/流體流中的壓力降或功耗。本發明的分支管網絡的優點是所述分支管網絡內的管局部阻塞或管壓縮不會影響貫穿整個網絡的工作流體的輸送。

在本發明的一個實施例中，提供一種用於調節穿用者的溫度的服裝。所述服裝包括一種供所述穿用者穿著的織物。所述織物包括與所述織物的主表面平行的多個通道。所述服裝包括用於散布工作流體的分支管網絡。所述分支管網絡設置於所述織物的通道中。所述分支管網絡包括多個管體，其中所述多個管體中的每個管體的至少一端分成分支並連接到至少兩個支管，所述連接的分叉角介於1度至180度之間(含1度及593度)。所述分支管網絡具有至少兩級的分支。在示例性實施例中，每個管連接到兩個次級支管。

在本發明的另一方面，提供一種用於調溫服裝的分支管網絡。所述分支管網絡包括帶有分支的母管。所述分支管網絡也包括至少兩個支管，每個支管具有第一端及分支端。每個支管的所述第一端連接到所述母管的分支端。所述分支管網絡包括至少兩套支管，每套至少包含兩支支管，每個次級支管具有第一端連接到相應支管的分支端。照這樣，每個支管的分支端連接到一套次級支管，每套至少包含兩支支管。本發明可以實施為一種使用這種分支管網絡來調節穿用者的溫度的服裝。

附圖說明

為了便於更充分了解本發明的性質及目的，應參閱以下結合附圖的詳細描述，其中：

圖1顯示一種根據本發明的實施例的服裝。

圖2顯示一種具有本發明的嵌入管網絡的貼身內衣。

圖3顯示圖2中的嵌入管網絡的詳細視圖。

圖4顯示一個根據本發明的管網絡的示例性實施例。

圖5顯示本發明的一個使用一種硬質材料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯【abs】塑料)、通過三維列印方法製作的管網絡的示例性實施例。

圖6顯示本發明的一個使用一種軟質材料(ninja)、通過三維列印方法製作的管網絡的一部分的示例性實施例。

圖7顯示本發明的一個使用附加支撐材料、通過三維列印方法製作的管網絡的示例性實施例。

圖8顯示本發明的一個通過三維列印方法製作、然後進一步改進以便為管網絡提供一弧度從而更好地順應穿用者的身材的管網絡的示例性實施例。

圖9描繪具有不同大小及連接角的y型管接頭。

圖10顯示示例性對稱排放-收集管網絡。

圖11及圖12顯示具有本發明的實施例的管網絡的示例性服裝。

圖13為配置有分配集管的現有技術管系統的示意圖。

圖14為現有技術軸輻式管系統的示意圖。

圖15為坐標圖，其顯示流率(y軸)及壓力降(x軸)的實驗值與模型值之間的一致。

圖16為坐標圖，其顯示實驗系統與粗糙度不同的幾個模型的流率(y軸)及壓力降(x軸)。

圖17為坐標圖，其顯示根據本發明的兩種管網絡的流率(y軸)及壓力降(x軸)：(1)管體由y型接頭連接的一種管網絡；以及(2)三維列印管網絡。

圖18為外觀呈截錐型的管體的示意圖。

圖19為坐標圖，其描繪截錐型管體中的層流及紊流的有利直徑比k，其中k=db/da。

圖20-22描繪顯示管體的y型連接中的壓力的計算機模擬數據。

圖23為坐標圖，其描繪不同分支管網絡設計的流動阻力。

圖24描繪使用網狀結構及單層針織筒形結構的測試編織實施例(織物)。

圖25顯示供用於本發明的連衣裙的示例性修飾。

圖26a顯示設計供用於本發明的示例性男士外套的前視圖。

圖26b顯示圖26a的外套的後視圖。

圖27a顯示設計供用於本發明的另一示例性外套的草圖的前視圖及後視圖。

圖27b顯示構造與圖27a的草圖相似的示例性外套的視圖。

圖28a顯示適合供用於本發明的示例性連衣裙的側視圖。

圖28b顯示圖28a的連衣裙的詳細視圖。

圖29a顯示供用於本發明的示例性連衣裙側片。

圖29b顯示供用於本發明的示例性連衣裙側片。

圖29c顯示供用於本發明的示例性連衣裙側片。

圖30為描繪根據本發明的另一實施例的束腰帶的示意圖。

圖31a顯示根據本發明的另一實施例的束腰帶的側視圖。

圖31b為圖31a的束腰帶的前視圖。

圖32顯示本發明的分支管網絡，其中管體以180度連接，而且所述管體上穿孔。

圖33a顯示根據本發明的另一實施例的示例性貼身內衣的前視圖，該實施例中的管網絡包括以180度連接(t型連接)的管體。

圖33b為圖33a的貼身內衣的後視圖。

圖34為供用於本發明的另一實施例中的防彈背心的正視圖。

圖35為供用於本發明的另一實施例中的腰包的透視圖。

圖36為根據本發明製作的示例性軍事迷彩服的側視圖。

圖37為圖36的軍事迷彩服的一部分的詳細視圖。

具體實施方式

本發明揭示一種調溫服裝系統。所述系統包括管網絡、電氣機械裝置以及傳感及控制單元(控制器)。所述電氣機械裝置可進一步包括熱電能量轉換單元(能量轉換裝置)以及鼓風機。本發明將通過示例性服裝(例如連衣裙)來進行描述，然而，本發明的範圍不應限於這些例子。具有本領域技術的人員將能理解，本發明可以實施於其他服裝等中。圖2及圖3顯示包含本發明的嵌入管網絡的針織貼身內衣的示例性實施例。

在一個方面，本發明可以實施為供調節穿用者的溫度的服裝100(例如見圖1)。所述服裝100包括一種供所述穿用者穿用的織物102。所述織物102包括與所述織物102的主表面平行的多個通道104。通道可於所述織物102的多層之間形成(當所述織物為多層時)。通道可通過將附加織物附著到所述織物的外表面或內表面而形成。通道可通過使用其他附著物(例如使用環、鉤、緊固件、縫線)或用於將管附加到服裝的織物的其他技藝而形成。

所述服裝100進一步包括由多個管體112組成的分支管網絡110。所述多個管體中的每個管體112的至少一端113分支成兩個支管114並連接到至少兩個支管114。所述分支管網絡110具有至少兩級的分支。換句話說，分支成兩個支管並連接到至少兩個支管的管體(被視為母管)為一級，而依次分支成兩個支管並連接到至少兩個支管的支管為原級。正因為如此，每個支管亦可被視為母管(相對於與該支管連接的進一步的支管而言)。

在一些實施例中，每個管112分支並連接到兩個子管114。在該實施例中，從「母」管112到兩個子管114的連接導致子管114之間產生分叉角θ。分叉角θ處於1和359度之間，包括1和359度。在一些實施例中，分叉角θ在30度和60度之間，包括30度和60度。在一些實施例中，分叉角度為35、40、45、50、55、90、120、150或180度。分叉角θ可以如下面進一步描述的那樣分析確定。照這種方式，母管到兩個子管的分支類似於二叉分支。為了方便起見，在本申請的其餘部分(包括附圖)中使用二叉分支(分成兩支)的示例性實施例，並且本公開不應僅限於這樣的分叉實施例，除非明確說明。

每個母管(即：每個分支管)的直徑可能大於相應的與其連接的支管的直徑。例如，支管的直徑可能介於相應母管的直徑的60％至80％之間(含60％及80％)。在其他實施例中，支管的直徑可能是相應母管的直徑的65％、70％或75％。在其他實施例中，所述支管直徑與所述母管直徑的比可以如以下進一步的描述那樣分析確定。

所述分支管網絡110的製作可以通過使用三維列印、鑄造、單獨組件的擠壓或其他已知用於製作這樣的裝置的技術進行。所述管網絡110可以以剛性材料(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯【abs】塑料-見圖5)、柔性材料(例如聚氨基甲酸酯-見圖6)或多種材料組合(例如帶有使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯【abs】的結構支撐的柔性聚氨基甲酸酯-見圖7)製造。所述管網絡110可以使用如圖9中描繪的以y型管件互相連接的多個管體製作。在有些實施例中，所述管網絡的管體可能穿孔(即有孔)，使得工作流體(例如空氣)可以在沿著所述管體長度的多個位置排出。

參閱圖4，分支管網絡10也可以描述為具有帶有分支端16的母管12。至少兩個支管22各具有第一端24連接至所述母管12的所述分支端16。每個支管22具有分支端26。至少兩套各包含至少兩個支管32各具有第一端34連接至相應支管22的分支端26。照這樣，每個支管22的分支端26連接至一套至少兩個次級支管32。在一些實施例中，母管12分支並連接到兩個子管22，並且每個子管分支並連接到兩個次級管32。所述母管12的直徑可能大於所述支管22的直徑。同樣地，所述支管22的直徑可能大於所述次級支管32的直徑。

所述服裝100可進一步包括用於加熱及/或冷卻工作流體的能量轉換裝置120。所述能量轉換裝置120與所述管網絡110流體相通。例如，所述能量轉換裝置120可以連接至所述多個管112的一個一級管(即母管的不連接端)，使得工作流體(例如空氣)在通過所述管網絡110之前被加熱或冷卻。所述服裝100可進一步包括用於推動所述工作流體通過所述管網絡的鼓風機140(有時稱為泵)。所述鼓風機140與所述能量轉換裝置120及所述管網絡110流體相通。

在有些實施例中，所述鼓風機140在所述織物102之下由穿用者穿用。例如，所述鼓風機140可以使用腰帶、吊襪帶或類似物依附至穿用者身上。在有些實施例中，所述服裝具有口袋，而所述鼓風機則設置在所述口袋中。所述服裝100可進一步包括用於與所述鼓風機140的進入口142協作的網狀物。照這樣，所述鼓風機140的所述進入口142可以接收周圍空氣，使得空氣可作為工作流體使用。所述網狀物可以是一編織寬鬆的織物、編織成帶孔的織物、帶孔的材料及/或空氣能以比所述織物102的限制少的限制通過的其他材料。(所述鼓風機及能量轉換裝置可以在此中稱為電氣機械裝置。)

所述服裝100可進一步包括與所述鼓風機140進行電子通信的控制器150。所述控制器150配置成控制所述鼓風機140。例如，所述控制器150可以配置成調整所述鼓風機140的速度，以推動較多或較少工作流體經過所述管網絡110。同樣地，所述控制器150可以與所述能量轉換裝置120進行電子通信，以控制所述能量轉換裝置120。例如，所述鼓風機140可以配置成調整所述能量轉換裝置120的加熱輸出或冷卻輸出。所述控制器150可以配置成與環境系統190進行通信。這樣的環境系統190可以是不屬於所述服裝一部分的系統。相反地，所述環境系統190可以是建築系統，比如建築物的「加熱、通風及空氣調節」(hvac)系統。照這樣，所述服裝100的所述控制器150可以根據其接收自所述環境系統190的信號調整其調節。在特定例子中，如果「加熱、通風及空氣調節」系統指示所述空調已經在晚上關閉，控制器可以預計穿用者的冷卻需要，從而調整所述鼓風機及/或能量轉換裝置。

所述服裝100可進一步包括與所述控制器150進行電子通信的一個或多個傳感器160。所述控制器150可以配置成根據其接收自所述一個或多個傳感器160的信號控制所述鼓風機140。在有些實施例中，所述一個或多個傳感器160中的傳感器是溫度傳感器162。所述溫度傳感器162可以配置成位於靠近穿用者皮膚處。傳感器包括無源無線電路164。例如，溫度傳感器162包括使用射頻能量無線地供能的無源電路164。例如，所述無源電路可以配置成以「射頻識別」(rfid)裝置的供能方式類似的方式供能。所述無源電路164可包括貼到所述織物102上的射頻天線166。在有些實施例中，所述射頻天線166繡在所述織物102上。

管網絡

本發明的分支管網絡包括網絡的「母」管及「支」管，其中每個母管分支為兩個或多個支管。相應地，支管可以分支成兩個或多個附加支管(在這個案例中，相對於所述附加支管而言，支管可被視為母管)。應該注意的是，雖然提及的是母管分支成支管，但這亦可視為支管結合成母管。

這樣的分支管網絡可以以任何方式製作。例如，所述管體分支網絡可包括由y型接頭(比如圖9中所示者)連接的管體，所述網絡可以三維列印方法製作(比如圖5-8中所示的例子)，所述網絡可以鑄造等等。在有些實施例中，所述分支管網絡配置成具有弧度，使得所述網絡順應穿用者的身材(比如圖8中所示的例子)。

所述管網絡可具有任何方向。例如，熱/冷流體可以供應自底部母管並向上分配到所述分支支管。其他實施例的母管可配置在頂部、配置在側面(例如見圖11及圖12)，或配置在比照本發明將為顯然的其他方向。在圖4-5、圖7-8及圖10-12中，每個示例性管網絡被顯示成具有三級分支(即分支數n＝3)，其中母管分支成支管。根據期望的應用選擇，其他實施例可能具有較少級或更多級的分支。

在多種不同配置中，存在有利於達到最小壓力降或功耗的有利支管直徑(dk+1)與母管直徑(dk)比。例如，在存在層流的分支網絡中，有利直徑比已經被確定為dk+1/dk＝0.7937(分支數n＝2)或dk+1/dk＝0.6934(分支數n＝3)。在存在紊流的網絡中，有利直徑比已經被確定為dk+1/dk＝0.7430(分支數n＝2)或dk+1/dk＝0.6245(分支數n＝3)。

在同時考慮層流、過渡和紊流的網絡中，各個分支的直徑和長度的有利分布和速度相關，並且可以通過對最小總壓降或功耗的計算來確定。

為了進一步最大限度地提高效率，考慮幾個因素：

●同時考慮層流、過渡及紊流

●考慮接頭(分叉點)的壓力損失

●可以考慮管體的形狀

●可以考慮附加限制，例如質量、成本、覆蓋面積等等。

已建立了一個壓力降對流率的模型，而總壓力降由下式給出：

其中p為壓力、δpt為所述系統的總壓力降、δpi為通過單一支管的壓力降、而i為分支級。在這個案例中，建立了具有四級分支的模型(其中分支1為原級母級，而4是最小直徑分支的分支級)。

每個子管中的壓力降是總流率的函數：

其中fd為「達西摩擦係數」(darcyfrictionfactor)、l為管體長度、d為管體直徑、ρ為氣體濃度、u為平均速度、而q為流率。不同流動類型的「達西摩擦係數」(darcyfrictionfactor)由「雷諾數」(reynoldsnumber)(re)確定。

對於以下流動類型而言：

a.層流(re＜2300,hpeq.)

b.過渡流(2300＜re＜4000)

c.紊流(re＞4000)

其中χ為粗糙係數，而μ為氣體黏度。最小總壓降可以通過改變各個分支的直徑和長度來找到。最小總功耗被表示為它也可以通過改變各個分支的直徑和長度來找到。對實驗數據進行了測量並將之與模型數據進行了比較。在圖15中，建立了單一管體的模型，以比較所述模型與實驗數據之間的一致性。在圖16中，來自一個三維列印管體的實驗數據與所述模型的多個不同粗糙係數χ值進行比較。在圖17中，來自一個三維列印管體的實驗數據與來自具有由y型接頭連接的多個管體的管網絡的實驗數據進行比較。

在有些實施例中，所述管網絡中的管體的外觀呈截錐型(例如見圖18)。這樣的具有光滑內壁的錐型管每單位長度的壓力降由下式給出：

其中da為所述管體的小端的管直徑、db為所述管體的大端的管直徑，是常數，而k＝db/da。錐型管的有利於減少壓力降的有利直徑被確定為k＝1.18(見圖18)。所述管網絡的管體的外觀可以呈截錐型，以提高本發明揭示的分支管網絡的性能。全部所述管體可以有相同外形及/或大小，或管網絡的管體的外形及/或大小可以與同一管網絡的其他管體的外形及/或大小不同。

接著，考慮所述y接頭的效果，特別是當存在紊流時。所述接頭中的壓力降視分叉角及流動速度而定。當難以取得所述分析解時，使用了模擬(見圖20-22)。

在有些實施例中，比如圖3中描繪的管網絡10，在所述母管12處導引的工作流體通過最後的支管18排出。其他實施例(比如圖10-12中所示的實施例)可以配置成通過逆向分支網絡收集所述流體。

多級分叉的使用被證明是比更傳統的基於集管的配置(圖13)及單級軸輻式配置系統(圖14)更為有利。明確地說，對於相似體積及長度的管而言，本發明揭示的分支系統的壓力降低於以分配集管配置的系統的壓力降或軸輻式配置系統的壓力降。例如，分支網絡的壓力降是一以分配集管配置的系統(圖13)中的壓力降的29％。在另一案例中，分支網絡的壓力降是一具有軸輻式設計的系統(圖14)的壓力降的大約62％。

已對幾個配置的分支管網絡的流動阻力進行了測量(見圖23)。在初步測試中，以y型接頭及內直徑為6.35mm及5mm的管體建構的分支管網絡的壓力降為最低(在流率為4×10-4m3/s的條件下為250pa)。與其他分支管網絡比較，所述t型接頭分支管網絡可以配置成在身體周圍更均勻流動，而同時其流動阻力很低，與y型接頭(長而粗糙的網絡)相似，其可能在身體周圍不均勻流動。

服裝設計

已製作一種帶有供插入如以上揭示的分支管網絡的通道的針織貼身內衣(見圖2及圖3)。所述織物過去一向使原型貼身內衣重160g/m2，這對於貼身內衣織物而言是典型的。一種針織貼身內衣乃使用棉及紗線製作。紗線的使用改善了穩定性及適身性。所述貼身內衣乃以單層針織結構構建，但可能具有其他結構，比如具有可進一步改善織物的可滲透性及穩定性的珠地網眼結構。圖24顯示另一使用具有高度參透的網狀結構241及單層針織筒形結構242的編織結構的試驗實施例。

本發明揭示的服裝可以對商務裝、運動裝、第一應急者服裝及老年人服裝特別有用。

商務裝：儘管辦公室職員對個人冷卻及加熱有相當需要，但商務裝是一項具有挑戰性的應用，這是因為外套或襯衫在辦公室職員以坐姿工作時能夠很容易地覆蓋空氣的吸入及/排出(當使用空氣為工作氣體時)。已經在考慮下列方面的同時開發了能夠適應所述服裝的溫度調節系統的適當操作的男士商務裝設計(例如見圖26a、圖26b、圖27a及圖27b)：

●適應所述溫度調節系統的適當操作：對通過所述能量轉換裝置及鼓風機的空氣流的負面影響有限或無負面影響；

●在在審美上可被接受、時尚；

●正常著裝行為的變化很小或無變化；

●可根據需要容易存取溫度調節組件；以及

●穿用者的舒適度。

傳統襯衫設計可通過在側接縫處開鈕孔或長通風孔來進行小改動，以允許所述服裝中所述電氣機械裝置與所述管網絡之間的連結(見圖25)。這樣的設計在大規模生產中高度可行，其勞工成本增加極少。

外套設計可能需要側片更重大的改動，以便在提供在審美上可接受和時尚的外觀的同時，允許足夠的空氣流通過所述電氣機械裝置。已開發了兩個示例性的外套設計。第一個外套設計包括雷射切割的側片262或網狀織物263(見圖26a及圖26b)。雷射切割的側片262的使用允許容易存取所述電氣機械裝置、時尚款式、極小的生產變化以及通過所述電氣機械裝置的空氣流足夠。第二個外套設計在所述側片中有一帶有裝飾帶大開口(見圖26a及圖26b)。這個設計也提供所述電氣機械裝置的足夠操作以及對所述電氣機械裝置的容易存取。

圖28a及圖28b顯示已經開發及生產的連衣裙設計。所述連衣裙以網狀物覆蓋口袋設計，供容納所述電氣機械裝置及所述服裝的其他組件(見圖28b)。在替換設計中，可以併入網狀物或穿孔側片，其案例見圖29a-29c。

運動裝：在運動員服裝應用中，所述電氣機械裝置優選置於其存在造成的影響將為最小之處。在這樣的應用中，強調穿用者的機動性及舒適度是有利的。所述電氣機械裝置可以使用系帶來安裝，比如那些在運動員活動期間用於將行動電話安裝到上臂的系帶。這樣的系帶可以用在上臂、腰、大腿或其存在將不會干擾活動的其他部位上。在所述電氣機械裝置安裝在距所述管網絡一距離處的情況下(在所述電氣機械裝置貼到大腿上而且所述管網絡併入上身服裝中的情況下)，管體的長度可能增加。這樣的系帶(比如束腰帶)可能能夠使所述電氣機械裝置保持在適當位置，且同時也能夠視運動員活動或體育訓練期間的特定身體動作需要而進行調整。

第一應急者應用及軍事應用：軍事人員及需要巡查指定區域的執法人員是適用本發明的服裝的合適候選人，這是由於在戶外環境中他們在熱應激之下有熱管理需要。那些第一應急者在執勤期間一般沒有劇烈或極端的身體動作，但他們不能避免熱應激。考慮供軍事人員及執法人員使用的現有制服及裝載運輸系統的特性，本發明揭示的服裝的組件可以使用隨處可見的「模塊化輕型承載設備」(molle)系統或其他夾式機械結構容易地放置。例如，分支管網絡及其他組件可以裝配到如圖34中所示的防彈背心上。同樣地，可以使用如圖35中所示的束腰帶來使組件保持在適當位置。已經使用軍事迷彩服來製作本發明的實施例(見圖36及圖37)。圖37顯示用於裝放所述電氣機械裝置及控制器的小包。

其他服裝：上述多種安裝物的使用可能對運動裝以外的運用有用。例如，當穿正式服裝(比如連衣裙)時，吊襪帶式大腿安裝物可能有用。

在另一例子中，根據本發明製作的服裝可能特別適合老年人使用。老年人對周圍溫度的變化可能特別敏感。通過使用本發明的實施例，可以根據老年人的特定需求及偏好，使他們感覺更舒適。

雖然以上已經以一個或多個特定實施例來描述本發明，但應該明白的是，本發明的其他實施例可以在不脫離本發明的精神及範圍的情況下制定。因此，本發明被視為僅受下列權利要求及其合理解釋的限制。