RU2687769C1

RU2687769C1 - Fabric with electromagnetic and piezoelectric heating

Info

Publication number: RU2687769C1
Application number: RU2018124548A
Authority: RU
Inventors: Роберт Радилович Саттаров; Эмилия Фиргатовна Галиакберова; Леонид Дмитриевич Надуткин; Татьяна Александровна Волкова
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2019-05-16

Abstract

FIELD: textile and paper.SUBSTANCE: invention relates to textile industry, in particular, to electric heating fabrics of industrial and household purposes, having in their structure piezoelectric elements and electric heating threads. Fabric is disclosed, which is a web made by thread weaving, and containing main non-electroconductive threads having a first direction, and heating threads having a second direction perpendicular to first, wherein the heating threads are made in the form of electroconductive non-magnetic tubes, inside of which there permanently fixed magnetized elastic threads from magnet-hard material are fixed, and the gap between them is filled with elastic non-magnetic material or air. Electroconductive nonmagnetic tubes are electrically connected to piezoelectric fibers, which are flexible polymer fibers, in the base of which piezoelectric transducers with electrodes from metallized coating are fixed.EFFECT: higher heating capacity of fabric and more complete use of wind energy and external vibrations.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к текстильной промышленности, в частности, к электронагревательным тканям промышленного и бытового назначения, имеющим в своей структуре пьезоэлементы и электронагревательные нити и может быть использована в производстве одежды и аксессуаров для экстремальных условий, характеризующихся низкими значениями температуры окружающей среды.The invention relates to the textile industry, in particular, to electrical heating fabrics for industrial and domestic purposes, having in its structure piezoelectric elements and electrical heating threads and can be used in the manufacture of clothing and accessories for extreme conditions characterized by low ambient temperatures.

Известна электронагревательная ткань (патент РФ №210909, D03D 15/00, 20.04.1998). Данная ткань содержит фоновую часть, образованную переплетением электроизоляционных основных и уточных нитей и электропроводящих нитей. Последние образуют в пределах фоновой части ткани группы из m параллельных электропроводящих нитей. В каждой группе соседние электропроводящие нити расположены на заданном расстоянии b одна от другой, выбранном из условия теплового баланса среды, окружающей электронагревательную ткань при ее функционировании.Known electric heating fabric (RF patent No. 210909, D03D 15/00, 04/20/1998). This fabric contains a background part, formed by the interweaving of electrical insulating core and weft threads and electrically conductive threads. The latter form a group of m parallel electrically conductive filaments within the background of the fabric. In each group, adjacent electrically conductive filaments are located at a predetermined distance b from one another, chosen from the condition of the thermal balance of the medium surrounding the electrical heating fabric during its operation.

Недостатком такой ткани является то, что для использования ткани требуются дополнительные проводники и присоединение к ним каждой электропроводной нити, а также необходимость в источнике электрического напряжения. Это приводит к эксплуатационным издержкам и ухудшает потребительские свойства.The disadvantage of such a fabric is that the use of fabric requires additional conductors and the connection to them of each electrically conductive thread, as well as the need for a source of electrical voltage. This leads to operational costs and impairs consumer properties.

Также известна электронагревательная ткань (патент РФ №2212120 Н05В 3/34, 10.09.2003). Она представляет собой полотно, выполненное переплетением нитей, и содержащая основные неэлектропроводные нити, имеющие первое направление, и электропроводные резистивные нити, имеющие второе направление, перпендикулярное первому. Ткань включает в себя также, по меньшей мере, две основные проводящие шины и распределительные шины, отделенные от электропроводных резистивных нитей диэлектрическими барьерами из неэлектропроводных нитей из хлопкового или синтетического волокна, в которых расположены прерыватели цепи. Средства для подключения токопод водящих соединительных проводов расположены в отверстиях, выполненных в основных неэлектропроводных нитях. Основные неэлектропроводные нити имеют полотняный тип переплетения с упомянутыми неэлектропроводными нитями. Электропроводные резистивные нити при протекании по ним электрического тока будут нагреваться и поэтому могут быть названы нагревательными.Also known electric heating fabric (RF patent No. 2212120 H05B 3/34, 10.09.2003). It is a canvas, made by interlacing the threads, and containing the main non-conductive threads having the first direction and electrically conducting resistive threads having the second direction perpendicular to the first. The fabric also includes at least two main conductive tires and distribution busbars separated from conductive resistive filaments by dielectric barriers of non-conductive filaments of cotton or synthetic fiber, in which circuit breakers are located. Means for connecting tokopod leading connecting wires are located in the holes made in the main electroconductive filaments. The main electroconductive threads have a plain weave type with the mentioned electroconductive threads. Electrically conducting resistive filaments will heat up when electric current flows through them and therefore can be called heating.

Недостаткам аналога является необходимость во внешнем источнике электрической энергии, что ограничивает время нагрева, а также увеличивает массу конечного изделия, например, одежды из этой ткани.The disadvantages of analogue is the need for an external source of electrical energy, which limits the heating time, and also increases the mass of the final product, for example, clothes made from this fabric.

Прототипом изобретения является электронагревательная ткань (патент РФ №2599003, D03D 15/00, 10.10.2016). Она представляет собой полотно, выполненное переплетением нитей, и содержащая основные неэлектропроводные не нагревательные нити, имеющие первое направление, и нагревательные нити с электромагнитным нагревом, имеющие второе направление, перпендикулярное первому. Нагревательные нити выполнены в виде электропроводящих немагнитных трубок, внутри которых закреплены периодически намагниченные упругие нити из магнитотвердого материала, а зазор между ними заполнен упругим немагнитными материалом или воздухом.The prototype of the invention is an electrical heating fabric (RF patent No. 2599003, D03D 15/00, 10.10.2016). It is a canvas made by interlacing the threads, and containing the main non-conductive non-heating threads having the first direction, and heating threads with electromagnetic heating, having the second direction perpendicular to the first. The heating filaments are made in the form of electrically conductive non-magnetic tubes, inside of which periodically magnetized elastic filaments of a magnetically hard material are fixed, and the gap between them is filled with an elastic non-magnetic material or air.

К недостаткам прототипа можно отнести относительно невысокую нагревательную способность ткани и плохое использование энергии ветра и внешних вибраций.The disadvantages of the prototype include the relatively low heating capacity of the fabric and the poor use of wind energy and external vibrations.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей устройства.The objective of the invention is to expand the functionality of the device.

Технический результат - увеличение нагревательной способности ткани и более полное использование энергии ветра и внешних вибраций.The technical result is an increase in the heating capacity of the fabric and a more complete use of wind energy and external vibrations.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предложена ткань, представляющая собой полотно, выполненное переплетением нитей, и содержащая основные неэлектропроводные нити, имеющие первое направление, и нагревательные нити, имеющие второе направление, перпендикулярное первому, причем нагревательные нити выполнены в виде электропроводящих немагнитных трубок, внутри которых закреплены периодически намагниченные упругие нити из магнитотвердого материала, а зазор между ними заполнен упругим немагнитными материалом или воздухом, в которой согласно изобретению электропроводящие немагнитные трубки имеют электрическое соединение с пьезоэлектрическими ворсинками, представляющие собой гибкие полимерные ворсинки, в основании которых закреплены пьезоэлектрические преобразователи с электродами из металлизированного покрытия.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that the proposed fabric, which is a canvas, made by interlacing threads, and containing the main non-conductive threads having the first direction, and the heating threads having a second direction, perpendicular to the first, and the heating threads in the form of electrically conductive non-magnetic tubes, inside of which periodically magnetized elastic strands of magnetically hard material are fixed, and the gap between them is filled with elastic nonmagnetic aterialom or air, according to the invention in which the electrically conductive non-magnetic tube has an electrical connection with the piezoelectric fibers, which are flexible polymeric villi, which are fixed at the base of piezoelectric transducers with the electrodes of the metallization.

Существо изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.The invention is illustrated by the drawings shown in FIG. 1, fig. 2 and FIG. 3

На фиг. 1 представлен общий вид ткани с электромагнитным и пьезоэлектрическим нагревом, на фиг. 2 представлено устройство пьезоэлектрических ворсинок, на фиг. 3 изображено устройство нагревательной нити с пьезоэлектрическими ворсинками.FIG. 1 shows a general view of a fabric with electromagnetic and piezoelectric heating; FIG. 2 shows a piezoelectric villus device; FIG. 3 shows a heating filament device with piezoelectric fibers.

Ткань с электромагнитным и пьезоэлектрическим нагревом содержит гибкие полимерные ворсинки 1 (под ворсинками понимается короткий густой слой волосков или шерстинок, покрывающий одну из сторон некоторых тканей, https://ru.wiktionary.org), которые одним концом жестко закреплены на проводящих трубочках нагревательных нитей, а другой конец остается свободным (Фиг. 1 и Фиг. 2). У основания закрепленного конца к ворсинке жестко прикреплены пьезоэлектрические преобразователи 2. Пьезоэлектрические преобразователи 2 покрыты проводящим поверхностным слоем, которые представляют собой электроды 3 (Фиг. 2). Расположенные в основании гибкой полимерной ворсинки 1 нагревательные нити представляют собой электропроводящие трубчатые волокна 4, выполненные в виде электропроводящих немагнитных трубок, внутри которых размещены нитевидные постоянные магниты 5 (Фиг. 3). Электроды 3 электрически соединены с электропроводящими трубчатыми волокнами 4 в точках 6, максимально удаленных друг от друга.Fabric with electromagnetic and piezoelectric heating contains flexible polymer villi 1 (villi means a short thick layer of hairs or hairs covering one side of some fabrics, https://ru.wiktionary.org), which are rigidly fixed at one end to conductive heating tubes and the other end remains free (Fig. 1 and Fig. 2). At the base of the fixed end, piezoelectric transducers 2 are rigidly attached to the villus. Piezoelectric transducers 2 are covered with a conducting surface layer, which are electrodes 3 (Fig. 2). Located in the base of the flexible polymer villus 1, the heating filaments are electrically conductive tubular fibers 4, made in the form of electrically conductive non-magnetic tubes, inside which filamentary permanent magnets 5 are placed (Fig. 3). The electrodes 3 are electrically connected to the electrically conductive tubular fibers 4 at points 6, as far as possible from each other.

Ткань с электромагнитным и пьезоэлектрическим нагревом работает следующим образом. Во время вибрационных воздействий, обусловленных источниками внутри объекта (например, вибрации двигателей) или внешними (например, удары, толчки и т.д.), нитевидные постоянные магниты 5 начинают колебаться относительно электропроводящих трубчатых волокон 4.Fabric with electromagnetic and piezoelectric heating works as follows. During vibration effects caused by sources inside the object (for example, engine vibrations) or external (for example, shocks, jolts, etc.), threadlike permanent magnets 5 begin to oscillate relative to electrically conductive tubular fibers 4.

В общем случае относительные колебания могут иметь продольную и поперечную составляющую. При продольных колебаниях силовые линии магнитного поля пересекают электропроводящие трубчатые волокна 4, из-за чего в последних возникают вихревые токи (токи Фуко). Направление этих токов таково, что они начинают тормозить относительное движение электропроводящих трубчатых волокон 4 и нитевидных постоянных магнитов 5. При поперечных колебаниях происходит увеличение индукции поля в приближающейся части электропроводящего трубчатого волокна 4 и уменьшение индукции в отдаляющейся части электропроводящего трубчатого волокна 4. Благодаря этому изменяется магнитный поток через проводящие контуры в электропроводящем трубчатом волокне 4, в котором наводятся вихревые токи, которые также препятствуют взаимному движению.In general, the relative oscillations can have a longitudinal and transverse component. With longitudinal oscillations, the magnetic field lines intersect the electrically conductive tubular fibers 4, which cause eddy currents (Foucault currents) in the latter. The direction of these currents is such that they begin to slow down the relative movement of electrically conductive tubular fibers 4 and filament-like permanent magnets 5. With transverse vibrations, an increase in the field induction in the approaching part of the electrically conductive tubular fiber 4 and a decrease in the induction in the retracting part of the electrically conductive tubular fiber 4. Due to this, the magnetic changes flow through conductive circuits in an electrically conductive tubular fiber 4, in which eddy currents are induced, which also prevent aimic movement.

Протекание вихревых токов сопровождаются выделением тепла в соответствии с законом Джоуля-Ленца, что ведет к нагреву электропроводящих трубчатых волокон 4 и всего слоя ткани. Величина выделяющегося количества теплоты, а, следовательно, и температура нагрева, определяется величинами индукции магнитного поля, амплитуды и частоты относительных колебаний, а также электрическим сопротивлением по пути их протекания.The flow of eddy currents are accompanied by the release of heat in accordance with the Joule-Lenz law, which leads to the heating of electrically conductive tubular fibers 4 and the entire layer of fabric. The amount of heat released, and, consequently, the heating temperature, is determined by the magnitude of the magnetic field induction, the amplitude and frequency of the relative oscillations, as well as the electrical resistance along the path of their flow.

Во время воздействия ветра или внешних вибраций на гибкие полимерные ворсинки 1, ворсинки начинают колебаться и гнуться в разные стороны. Из-за этого в пьезоэлектрических преобразователях 2 возникают деформации сжатия и растяжения. Вследствие этого действия на электродах 3 генерируется переменное электрическое напряжение (прямой пьезоэффект).During the impact of wind or external vibrations on flexible polymeric villi 1, the villi begin to oscillate and bend in different directions. Because of this, in the piezoelectric transducers 2, compressive and tensile deformations occur. As a result of this action, an alternating electrical voltage (direct piezoelectric effect) is generated at the electrodes 3.

Так как пьезоэлектрические преобразователи 2 электрически замкнуты на электропроводящие трубчатые волокна 4 нагревательной нити, то в электропроводящих трубчатых волокнах 4, между точками 6 начинает протекать ток. Причем, магнитное поле этих токов имеет такое направление, что практически не воздействует на намагниченные нити. Протекание этих токов приводит к генерации дополнительной тепловой энергии в электропроводящих трубчатых волокнах 4 по закону Джоуля-Ленца. Таким образом, электропроводящие трубчатые волокна 4 и другие части ткани нагреваются. Кроме того, происходит диссипация энергии вибраций и снижение уровня их воздействия на объект.Since the piezoelectric transducers 2 are electrically closed to the electrically conductive tubular fibers 4 of the heating filament, a current begins to flow between the points 6 in the electrically conductive tubular fibers 4. Moreover, the magnetic field of these currents has such a direction that it practically does not affect the magnetized filaments. The flow of these currents leads to the generation of additional thermal energy in the electrically conductive tubular fibers 4 according to the Joule-Lenz law. Thus, the electrically conductive tubular fibers 4 and other parts of the fabric are heated. In addition, there is a dissipation of the energy of vibrations and a decrease in the level of their impact on the object.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности ткани за счет увеличения нагревательной способности ткани и более полного использования энергии ветра и внешних вибраций.So, the claimed invention allows to expand the functionality of the fabric by increasing the heating capacity of the fabric and more complete use of wind energy and external vibrations.

Claims

Fabric, which is a canvas made by interlacing threads, and containing the main non-conductive threads having the first direction and heating threads having a second direction perpendicular to the first, and the heating threads are made in the form of electrically conductive non-magnetic tubes, inside which are fixed periodically magnetized elastic threads from a magnetically solid material, and the gap between them is filled with elastic non-magnetic material or air, characterized in that the electrically conductive non-magnetic tubes named They have an electrical connection with piezoelectric villi, which are flexible polymer villi, at the base of which piezoelectric transducers with electrodes from a metallized coating are fixed.