ТКАНЬ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАГРЕВОМ
FABRIC WITH ELECTROMAGNETIC AND PIEZOELECTRIC HEATING

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.
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 т 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.
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.
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 токоподводящих 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.
Недостаткам аналога является необходимость во внешнем источнике электрической энергии, что ограничивает время нагрева, а также увеличивает массу конечного изделия, например, одежды из этой ткани.
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.
К недостаткам прототипа можно отнести относительно невысокую нагревательную способность ткани и плохое использование энергии ветра и внешних вибраций.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат - увеличение нагревательной способности ткани и более полное использование энергии ветра и внешних вибраций.
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.
Существо изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 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.
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.
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.
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.
Протекание вихревых токов сопровождается 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.
Во время воздействия ветра или внешних вибраций на гибкие полимерные ворсинки 1, ворсинки 1 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).
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.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности ткани за счет увеличения нагревательной способности ткани и более полного использования энергии ветра и внешних вибраций.