專利名稱：熱電結(jié)構(gòu)和使用熱電結(jié)構(gòu)形成紡織結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由大致定向在結(jié)構(gòu)的緯紗方向上的金屬絲網(wǎng)絡(luò)形成的熱電結(jié)構(gòu)，其包括第一和第二不同特性的導(dǎo)線，交織所述導(dǎo)線，以形成分別分布在兩個平面即頂部平面和底部平面內(nèi)的冷熱接頭，所述接頭沿任意一個導(dǎo)線是冷熱交替的。
本發(fā)明還涉及使用這種熱電結(jié)構(gòu)形成紡織結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
這種類型的熱電結(jié)構(gòu)構(gòu)成熱電變換器，當(dāng)在該冷熱接頭之間應(yīng)用溫度梯度時，該熱電變換器例如通過塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)可以產(chǎn)生電動勢。具體地說，當(dāng)將這種結(jié)構(gòu)集成在用于制造一款衣服的材料中時，在使用中由所述材料隔開的介質(zhì)之間出現(xiàn)的溫度梯度會導(dǎo)致電流的產(chǎn)生，該電流的產(chǎn)生能夠為電子系統(tǒng)提供動力。由此，當(dāng)執(zhí)行其制造時，可以在沒有集成電源的情況下，通過適當(dāng)?shù)睾喜⑦@種熱電結(jié)構(gòu)制造集成有導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器或商標(biāo)侵犯保護系統(tǒng)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(dāng)應(yīng)用電流時，這種類型的熱電結(jié)構(gòu)還能夠通過珀爾帖效應(yīng)(Peltiereffect)開發(fā)熱梯度。在微電子學(xué)領(lǐng)域，這種現(xiàn)象例如可以通過執(zhí)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(gòu)成熱電功率發(fā)生器的熱電結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由編織金屬絲板形成。平的環(huán)氧樹脂襯底包括一系列以形成平行線方式對準(zhǔn)的孔。該孔用于連通該襯底兩側(cè)。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(dǎo)線因此整體平行，并且從該襯底的一側(cè)連續(xù)地通到另一側(cè)。在該襯底的每個表面上，每個導(dǎo)線通過在相鄰導(dǎo)線中形成的環(huán)形成環(huán)交織。更準(zhǔn)確地說，一種類型的導(dǎo)線交替地與分別在該襯底的一側(cè)和另一側(cè)上的另一個類型的兩種不同的導(dǎo)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。然后例如通過粘附將所述結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的紡織結(jié)構(gòu)。
然而，這種已知類型的熱電結(jié)構(gòu)不是令人完全滿意的。該熱電結(jié)構(gòu)的制作實際上是復(fù)雜并且昂貴的，特別是由于該襯底的生產(chǎn)。這種熱電結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進一步受到該襯底的低柔性的限制。當(dāng)為了銷售而制造產(chǎn)品時，在紡織結(jié)構(gòu)中集成后者需要附加的操作，這會增加該產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。此外，由于該紡織結(jié)構(gòu)插入在該接頭和至少一個由該紡織結(jié)構(gòu)覆蓋的外部介質(zhì)之間，施加于冷熱接頭的熱梯度(該熱電結(jié)構(gòu)的效率的基本因素)不是最優(yōu)的。例如，當(dāng)將裝備有一個這樣的熱電結(jié)構(gòu)的紡織結(jié)構(gòu)應(yīng)用于一款衣服的制作時，如果將該熱電結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)的厚度分離，該冷接頭和外側(cè)也是一樣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過提出一種熱電結(jié)構(gòu)來克服上述缺點，該熱電結(jié)構(gòu)的制作更簡單，并且提供了更好的柔性特性。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過下面的事實實現(xiàn)該熱電結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)線的分離，并且確保將后者保持在該結(jié)構(gòu)內(nèi)的適當(dāng)位置，以便僅在該頂部和底部平面上交織該導(dǎo)線。因此該介電線實現(xiàn)了該冷熱接頭的絕緣功能，并且消除了對該襯底的需要。而且該熱電結(jié)構(gòu)可以在該導(dǎo)線和介電線的單個結(jié)構(gòu)操作中制造。
根據(jù)本發(fā)明的研制，在垂直于該緯紗(weft)方向的方向上，兩個相鄰的冷接頭是隔開的，并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，并且通過由低介電線形成的底部縫線定位。
而且，根據(jù)本發(fā)明的熱電結(jié)構(gòu)可以用于形成紡織結(jié)構(gòu)，從而該介電線由紡織纖維構(gòu)成。因此與現(xiàn)有技術(shù)相比，極大地簡化了集成了熱電結(jié)構(gòu)的紡織結(jié)構(gòu)的制作，這是由于其在單個操作中執(zhí)行，其中，例如通過編織同時將紡織纖維和導(dǎo)線直接構(gòu)造在一起。而且，極大地改進了該合并的熱電結(jié)構(gòu)的效率，這是由于應(yīng)用于該冷熱接頭的溫度梯度對應(yīng)于由該紡織結(jié)構(gòu)隔開的外部介質(zhì)之間的溫度梯度。


本發(fā)明的其它優(yōu)點和特征將通過下面對本發(fā)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、并且在示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的熱電結(jié)構(gòu)的實施例的單個附圖中示出。
具體實施例附圖1表示根據(jù)本發(fā)明的熱電結(jié)構(gòu)10的實施例的帶子。在該例子中，通過提花針織(Jacquard knitting)實現(xiàn)熱電結(jié)構(gòu)10。其結(jié)合了不同特性的第一和第二導(dǎo)線11和12，分別以黑和白表示，以及由電絕緣材料制成的高和低介電線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(dǎo)線11和12的兩個線軸同時送入適于生產(chǎn)以下描述的熱電結(jié)構(gòu)10的織機的針。該編織過程是公知的，同樣，僅僅根據(jù)要生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)就可以容易地確定執(zhí)行該過程的方法。因此，在本描述的范圍內(nèi)沒有詳細(xì)地描述該編織過程。
導(dǎo)線11和12以及介電線13a和13b形成大致平行的交織線網(wǎng)絡(luò)，其大致在結(jié)構(gòu)10的緯紗方向上延伸。結(jié)構(gòu)10與該緯紗方向D1正交的方向?qū)?yīng)于編織方向，其稱作D2。更精確地，該熱電結(jié)構(gòu)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(dǎo)線11、12執(zhí)行，其本身形成多行縫線，該縫線與關(guān)聯(lián)的介電線構(gòu)成搭接N1、N2。
在每個搭接N1和N2中，每個導(dǎo)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(huán)形成。同樣，對導(dǎo)線12來說，每個導(dǎo)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(dǎo)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(gòu)成搭接N1和N2之間的縫合。同樣地，在緯紗方向D1上，每個導(dǎo)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(gòu)成搭接N1和N2之間的縫合。
每個稱作高介電線的介電線13a僅在大致平行于導(dǎo)線11、12的方向上、在頂部搭接N1中延伸，并且形成一行全部屬于頂部搭接N1的頂部縫線18。同樣，每個稱作低介電線的介電線13b僅在平行于導(dǎo)線11、12的方向上、在底部搭接N2中延伸，并且形成一行全部屬于底部搭接N2的底部縫線19。
如附圖中所示，在方向D2上形成連續(xù)行的縫線。實際上，在緯紗方向D1上，將每個第一導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線11自身形成縫線，分別是頂部縫線14和底部縫線15。然后，仍然在緯紗方向D1上，將低介電線13b插入由上述導(dǎo)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(dǎo)線12交替地插入由上述第一導(dǎo)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(dǎo)線12自身形成縫線，分別是頂部縫線16和底部縫線17。然后，仍然在緯紗方向D1上，將高介電線13a插入由在前的導(dǎo)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(dǎo)線11、12形成大致這樣的圖案，即在該結(jié)構(gòu)的方向D2上重復(fù)。在該大致圖案中，該第一導(dǎo)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(dǎo)線12交替交織。同樣，第二導(dǎo)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(dǎo)線11交替交織。
這些交織構(gòu)成在兩個體現(xiàn)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，并且由通過高介電線13a形成的頂部縫線18定位，兩個相鄰的熱接頭是隔開的，并且由通過低介電線13b形成的底部縫線19定位。因此，介電線13a、13b實現(xiàn)導(dǎo)線11和12的隔開并支持它們，以及將其保持在結(jié)構(gòu)10內(nèi)的適當(dāng)位置，以便導(dǎo)線11和12僅在頂部和底部平面內(nèi)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(xiàn)了該熱接頭之間和該冷接頭之間電絕緣的功能，并且參與實現(xiàn)三維熱電結(jié)構(gòu)10。而且，可以通過編織在導(dǎo)線11、12和介電線13a、13b的單個結(jié)構(gòu)操作中產(chǎn)生熱電結(jié)構(gòu)10。
介電線13a、13b進一步為該熱電結(jié)構(gòu)10提供了極大的柔性。可以設(shè)想任何其它的適于將介電線13a、13b插入該頂部和底部平面的裝置，并將它們設(shè)置為執(zhí)行上面的功能。例如，可以將介電線排列在方向D2中?；蛘?，可以通過其他生產(chǎn)方法如編織制作該熱電結(jié)構(gòu)10，以適應(yīng)該交織和接頭的形成。
沿任一導(dǎo)線11、12的冷熱交替的接頭沿相同行的縫線是串聯(lián)的。取決于該多行縫線是如何彼此連接在一起的，該接頭構(gòu)成熱平行的熱電偶，該熱電偶可以是電串聯(lián)或平行的。
優(yōu)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。然后將熱電結(jié)構(gòu)10用于形成三維紡織結(jié)構(gòu)。更準(zhǔn)確地說，將熱電結(jié)構(gòu)10全部合并到該紡織結(jié)構(gòu)中，并且參與到其構(gòu)造中?？梢詫犭娊Y(jié)構(gòu)10排列在整個紡織結(jié)構(gòu)上或者僅排列在其一部分上。自然地，按照熱電學(xué)，根據(jù)該紡織結(jié)構(gòu)的最終質(zhì)量選擇導(dǎo)線的數(shù)量、接頭的數(shù)量、它們的密度和材料。由于熱電結(jié)構(gòu)10的表面可以非常大，因而，即使導(dǎo)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(yīng)的編織原型在每面包括3366個接頭，當(dāng)將30℃的熱梯度應(yīng)用于該冷熱接頭時，通過80mV的電壓能夠獲得285μW的電功率。
最后，通過保持和拉伸該結(jié)構(gòu)，介電線13a、13b在導(dǎo)線11、12之間建立接觸，以便簡單地構(gòu)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(dǎo)線11、12中流動而得到的焦耳效應(yīng)(Joule effect)，或者通過產(chǎn)生電弧。
當(dāng)制作熱電結(jié)構(gòu)10時可以使用鉸孔(reaming)技術(shù)。這種技術(shù)的優(yōu)點是能夠在沒有導(dǎo)線11、12破裂風(fēng)險的情況下高速執(zhí)行編織。而且，該鉸孔線的溶解或熔化能夠?qū)崿F(xiàn)該結(jié)構(gòu)10的膨脹。當(dāng)將后者結(jié)合在紡織結(jié)構(gòu)中時，由于金屬線密度的提高，這種膨脹會改進該紡織結(jié)構(gòu)的絕緣特性，并且通過將電功率提供到該冷熱接頭改進了該熱電結(jié)構(gòu)的特性。在這種情況下，不需要在該接頭處焊接導(dǎo)線11、12。
權(quán)利要求
1.一種熱電結(jié)構(gòu)(10)，其由大致定向在該熱電結(jié)構(gòu)(10)的緯紗方向(D1)上的線(11，12，13a，13b)的網(wǎng)絡(luò)形成，其包括不同特性的第一(11)和第二(12)導(dǎo)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(dǎo)線(11，12)是冷熱交替的，該熱電結(jié)構(gòu)的特征在于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(dǎo)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(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述介電線(13a，13b)定向在大致所述緯紗方向(D1)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述介電線(13a，13b)和所述導(dǎo)線(11，12)形成大致這樣的圖案，即所述圖案在所述熱電結(jié)構(gòu)(10)的垂直于所述緯紗方向(D1)的方向(D2)上重復(fù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其由提花針織產(chǎn)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于在垂直于所述緯紗方向(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并定位，并且通過由低介電線(13b)形成的底部縫線(19)，將兩個鄰近的熱接頭隔開并定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求4和5之一所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于在所述緯紗方向(D1)上，一種性質(zhì)的導(dǎo)線(11，12)分別在所述頂部和底部表面上與另一種性質(zhì)的兩個不同的導(dǎo)線(11，12)交替地交織。
7.根據(jù)權(quán)利要求4和5之一所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于在所述緯紗方向(D1)上，將每個第一導(dǎo)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(dǎo)線(12)形成的底部縫線(17)的底部平面中，并且將每個第二導(dǎo)線(12)交替地插入由第一導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求1和2之一的熱電結(jié)構(gòu)(10)形成紡織結(jié)構(gòu)，其特征在于所述介電線(13a，13b)由紡織纖維形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過大致定向在結(jié)構(gòu)(10)的緯紗方向(D1)上的金屬線(11，12，13a，13b)的網(wǎng)絡(luò)形成的熱電結(jié)構(gòu)(10)。其包括不同種類的第一(11)和第二(12)導(dǎo)線，交織所述第一和第二導(dǎo)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(dǎo)線(11，12)是冷熱交替的。所述熱電結(jié)構(gòu)(10)包括至少一個在所述頂部平面上的高介質(zhì)線(13a)，以及至少一個在所述底部平面上的低介質(zhì)線(13b)。將所述介質(zhì)線(13a，13b)與所述第一(11)和第二(12)導(dǎo)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(yōu)先權(quán)日2006年4月13日
發(fā)明者馬克·普利森尼爾, 查爾斯·薩爾維, 蒂里·拉尼爾, 丹尼斯·庫勞克斯 申請人:原子能委員會