专利名称：热电结构和使用热电结构形成纺织结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由大致定向在结构的纬纱方向上的金属丝网络形成的热电结构，其包括第一和第二不同特性的导线，交织所述导线，以形成分别分布在两个平面即顶部平面和底部平面内的冷热接头，所述接头沿任意一个导线是冷热交替的。
本发明还涉及使用这种热电结构形成纺织结构。
背景技术：
这种类型的热电结构构成热电变换器，当在该冷热接头之间应用温度梯度时，该热电变换器例如通过塞贝克效应(Seebeck effect)可以产生电动势。具体地说，当将这种结构集成在用于制造一款衣服的材料中时，在使用中由所述材料隔开的介质之间出现的温度梯度会导致电流的产生，该电流的产生能够为电子系统提供动力。由此，当执行其制造时，可以在没有集成电源的情况下，通过适当地合并这种热电结构制造集成有导航系统、传感器或商标侵犯保护系统的防护服，在保护接缝的条件下提供信息的假体(prostheses)，或者第一辅助绷带。
当应用电流时，这种类型的热电结构还能够通过珀尔帖效应(Peltiereffect)开发热梯度。在微电子学领域，这种现象例如可以通过执行实时控制的冷却来得到改进集成电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描述了一种构成热电功率发生器的热电结构。该结构由编织金属丝板形成。平的环氧树脂衬底包括一系列以形成平行线方式对准的孔。该孔用于连通该衬底两侧。将铝镍合金(铝和镍的合金)和镍铬合金(镍和铬的合金)金属线分别插入孔的相邻线中。这些导线因此整体平行，并且从该衬底的一侧连续地通到另一侧。在该衬底的每个表面上，每个导线通过在相邻导线中形成的环形成环交织。更准确地说，一种类型的导线交替地与分别在该衬底的一侧和另一侧上的另一个类型的两种不同的导线交织。这些交叉形成分布在两个重叠的平面上的冷热交替的接头。然后例如通过粘附将所述结构转换成相应的纺织结构。
然而，这种已知类型的热电结构不是令人完全满意的。该热电结构的制作实际上是复杂并且昂贵的，特别是由于该衬底的生产。这种热电结构的应用进一步受到该衬底的低柔性的限制。当为了销售而制造产品时，在纺织结构中集成后者需要附加的操作，这会增加该产品的生产成本。此外，由于该纺织结构插入在该接头和至少一个由该纺织结构覆盖的外部介质之间，施加于冷热接头的热梯度(该热电结构的效率的基本因素)不是最优的。例如，当将装备有一个这样的热电结构的纺织结构应用于一款衣服的制作时，如果将该热电结构设置在纺织品的两个厚度之间，则该热接头和使用者的身体被纺织结构的厚度分离，该冷接头和外侧也是一样。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种热电结构来克服上述缺点，该热电结构的制作更简单，并且提供了更好的柔性特性。
根据本发明，该目的通过下面的事实实现该热电结构包括至少一个在该顶部平面上的高介电线，以及至少一个在该底部平面上的低介电线，将该介电线与该第一和第二导线交织以便使该两个顶部和底部平面彼此保持一定的距离。
该介电线确保该导线的分离，并且确保将后者保持在该结构内的适当位置，以便仅在该顶部和底部平面上交织该导线。因此该介电线实现了该冷热接头的绝缘功能，并且消除了对该衬底的需要。而且该热电结构可以在该导线和介电线的单个结构操作中制造。
根据本发明的研制，在垂直于该纬纱(weft)方向的方向上，两个相邻的冷接头是隔开的，并且通过由高介电线形成的顶部缝线定位，两个相邻的热接头也是隔开的，并且通过由低介电线形成的底部缝线定位。
而且，根据本发明的热电结构可以用于形成纺织结构，从而该介电线由纺织纤维构成。因此与现有技术相比，极大地简化了集成了热电结构的纺织结构的制作，这是由于其在单个操作中执行，其中，例如通过编织同时将纺织纤维和导线直接构造在一起。而且，极大地改进了该合并的热电结构的效率，这是由于应用于该冷热接头的温度梯度对应于由该纺织结构隔开的外部介质之间的温度梯度。
本发明的其它优点和特征将通过下面对本发明特定实施例的描述而变得更加显而易见，所述实施例仅仅作为非限制性的例子给出、并且在示意性地表示根据本发明的热电结构的实施例的单个附图中示出。
具体实施例附图1表示根据本发明的热电结构10的实施例的带子。在该例子中，通过提花针织(Jacquard knitting)实现热电结构10。其结合了不同特性的第一和第二导线11和12，分别以黑和白表示，以及由电绝缘材料制成的高和低介电线13a和13b，由虚线表示。对编织来说，将介电线13a和13b的两个线轴以及不同特性的导线11和12的两个线轴同时送入适于生产以下描述的热电结构10的织机的针。该编织过程是公知的，同样，仅仅根据要生产的结构就可以容易地确定执行该过程的方法。因此，在本描述的范围内没有详细地描述该编织过程。
导线11和12以及介电线13a和13b形成大致平行的交织线网络，其大致在结构10的纬纱方向上延伸。结构10与该纬纱方向D1正交的方向对应于编织方向，其称作D2。更精确地，该热电结构10由分别是顶部搭接和底部搭接的两个重叠的搭接(1aps)N1、N2形成，每个搭接由多行在纬纱方向D1上定向的缝线(stitches)形成。两个搭接N1和N2面对的表面之间的缝合由导线11、12执行，其本身形成多行缝线，该缝线与关联的介电线构成搭接N1、N2。
在每个搭接N1和N2中，每个导线11在方向D1上形成一行缝线，分别参考14和15，每个缝线由U形环形成。同样，对导线12来说，每个导线12在每个搭接中形成一行缝线，对搭接N1和N2来说分别参考16、17。在纬纱方向D1上，每个导线11交替形成底部缝线15和顶部缝线14，顶部缝线14和相邻的底部缝线15之间的缝合构成搭接N1和N2之间的缝合。同样地，在纬纱方向D1上，每个导线12交替地形成底部缝线17和顶部缝线16，顶部缝线16和相邻的底部缝线17之间的缝合构成搭接N1和N2之间的缝合。
每个称作高介电线的介电线13a仅在大致平行于导线11、12的方向上、在顶部搭接N1中延伸，并且形成一行全部属于顶部搭接N1的顶部缝线18。同样，每个称作低介电线的介电线13b仅在平行于导线11、12的方向上、在底部搭接N2中延伸，并且形成一行全部属于底部搭接N2的底部缝线19。
如附图中所示，在方向D2上形成连续行的缝线。实际上，在纬纱方向D1上，将每个第一导线11交替地插入在由高介电线13a形成的顶部缝线18的顶部搭接N1中，以及由第二导线12形成相邻的底部缝线17的底部搭接N2中。从每个顶部缝线18和底部缝线17开始，上述导线11自身形成缝线，分别是顶部缝线14和底部缝线15。然后，仍然在纬纱方向D1上，将低介电线13b插入由上述导线11形成的底部缝线15中，以便自身形成下一个底部行的底部缝线19。在纬纱方向D1上，将第二导线12交替地插入由上述第一导线11形成的顶部缝线14的顶部搭接N1，以及由在前的低介电线13b形成底部缝线19的底部搭接N2中。从每个顶部缝线14和底部缝线19，导线12自身形成缝线，分别是顶部缝线16和底部缝线17。然后，仍然在纬纱方向D1上，将高介电线13a插入由在前的导线12形成的顶部缝线16，以自身形成下一个顶部行的顶部缝线18。
这样，在该实施例中，两个介电线13a、13b和两个相邻的导线11、12形成大致这样的图案，即在该结构的方向D2上重复。在该大致图案中，该第一导线11分别在顶部搭接N1的下一行和底部搭接N2的前一行沿纬纱方向D1与两个不同的第二导线12交替交织。同样，第二导线12分别在顶部搭接N1的前一行和底部搭接N2的下一行沿纬纱方向D1与两个不同的第一导线11交替交织。
这些交织构成在两个体现为顶部搭接N1和底部搭接N2的重叠平面上分布的冷热交替的接头。因此，在方向D2上，两个相邻的冷接头是隔开的，并且由通过高介电线13a形成的顶部缝线18定位，两个相邻的热接头是隔开的，并且由通过低介电线13b形成的底部缝线19定位。因此，介电线13a、13b实现导线11和12的隔开并支持它们，以及将其保持在结构10内的适当位置，以便导线11和12仅在顶部和底部平面内交织。因而介电线13a、13b使该顶部和底部平面保持一定距离，还实现了该热接头之间和该冷接头之间电绝缘的功能，并且参与实现三维热电结构10。而且，可以通过编织在导线11、12和介电线13a、13b的单个结构操作中产生热电结构10。
介电线13a、13b进一步为该热电结构10提供了极大的柔性。可以设想任何其它的适于将介电线13a、13b插入该顶部和底部平面的装置，并将它们设置为执行上面的功能。例如，可以将介电线排列在方向D2中。或者，可以通过其他生产方法如编织制作该热电结构10，以适应该交织和接头的形成。
沿任一导线11、12的冷热交替的接头沿相同行的缝线是串联的。取决于该多行缝线是如何彼此连接在一起的，该接头构成热平行的热电偶，该热电偶可以是电串联或平行的。
优选地，介电线13a、13b可以由纺织纤维例如棉线、丝绸或合成纺织纤维形成。然后将热电结构10用于形成三维纺织结构。更准确地说，将热电结构10全部合并到该纺织结构中，并且参与到其构造中。可以将热电结构10排列在整个纺织结构上或者仅排列在其一部分上。自然地，按照热电学，根据该纺织结构的最终质量选择导线的数量、接头的数量、它们的密度和材料。由于热电结构10的表面可以非常大，因而，即使导线11、12不具有高的热电属性，收集的能量也是显著的。
例如，与1m长、4.5cm宽的皮带对应的编织原型在每面包括3366个接头，当将30℃的热梯度应用于该冷热接头时，通过80mV的电压能够获得285μW的电功率。
最后，通过保持和拉伸该结构，介电线13a、13b在导线11、12之间建立接触，以便简单地构成接头。还可以在接头处将它们彼此焊接在一起，例如通过电流在该导线11、12中流动而得到的焦耳效应(Joule effect)，或者通过产生电弧。
当制作热电结构10时可以使用铰孔(reaming)技术。这种技术的优点是能够在没有导线11、12破裂风险的情况下高速执行编织。而且，该铰孔线的溶解或熔化能够实现该结构10的膨胀。当将后者结合在纺织结构中时，由于金属线密度的提高，这种膨胀会改进该纺织结构的绝缘特性，并且通过将电功率提供到该冷热接头改进了该热电结构的特性。在这种情况下，不需要在该接头处焊接导线11、12。
权利要求
1.一种热电结构(10)，其由大致定向在该热电结构(10)的纬纱方向(D1)上的线(11，12，13a，13b)的网络形成，其包括不同特性的第一(11)和第二(12)导线，它们交织以形成分别在两个平面即顶部表面和底部表面上分布的冷热接头，所述接头沿任一导线(11，12)是冷热交替的，该热电结构的特征在于包括至少一个在所述顶部平面上的高介电线(13a)，以及至少一个在所述底部平面上的低介电线(13b)，所述介电线(13a，13b)与所述第一(11)和第二(12)导线交织，以便使所述顶部和底部平面彼此保持一定距离。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于所述介电线(13a，13b)定向在大致所述纬纱方向(D1)上。
3.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于所述介电线(13a，13b)和所述导线(11，12)形成大致这样的图案，即所述图案在所述热电结构(10)的垂直于所述纬纱方向(D1)的方向(D2)上重复。
4.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于其由提花针织产生。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于在垂直于所述纬纱方向(D1)的方向(D2)上，通过由高介电线(13a)形成的顶部缝线(18)，将两个邻近的冷接头隔开并定位，并且通过由低介电线(13b)形成的底部缝线(19)，将两个邻近的热接头隔开并定位。
6.根据权利要求4和5之一所述的结构，其特征在于在所述纬纱方向(D1)上，一种性质的导线(11，12)分别在所述顶部和底部表面上与另一种性质的两个不同的导线(11，12)交替地交织。
7.根据权利要求4和5之一所述的结构，其特征在于在所述纬纱方向(D1)上，将每个第一导线(11)交替地插入由高介电线(13a)形成的顶部缝线(18)的顶部平面中，以及由第二导线(12)形成的底部缝线(17)的底部平面中，并且将每个第二导线(12)交替地插入由第一导线(11)形成的顶部缝线(15)的顶部平面中，以及由低介电线(13b)形成的底部缝线(19)的底部平面中。
8.使用根据权利要求1和2之一的热电结构(10)形成纺织结构，其特征在于所述介电线(13a，13b)由纺织纤维形成。
全文摘要
本发明提供一种通过大致定向在结构(10)的纬纱方向(D1)上的金属线(11，12，13a，13b)的网络形成的热电结构(10)。其包括不同种类的第一(11)和第二(12)导线，交织所述第一和第二导线以形成分别分布在顶部平面和底部平面上的冷热接头。所述接头沿任一导线(11，12)是冷热交替的。所述热电结构(10)包括至少一个在所述顶部平面上的高介质线(13a)，以及至少一个在所述底部平面上的低介质线(13b)。将所述介质线(13a，13b)与所述第一(11)和第二(12)导线交织以使所述顶部和底部平面彼此保持一定的距离。
文档编号H05B3/34GK101056481SQ20071009677
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月12日 优先权日2006年4月13日
发明者马克·普利森尼尔, 查尔斯·萨尔维, 蒂里·拉尼尔, 丹尼斯·库劳克斯 申请人:原子能委员会