ТЕРМОМАТЕРИАЛ
THERMAL MATERIAL

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.