分支管网络及带有分支管网络的调温服装的制作方法

本实用新型是在按能源部(Department of Energy)授予的DE-AR0000528,OSP 74585 号合约之下提供资助的情况下做出的。政府对该实用新型具有某些权利。

相关专利申请的交叉引用

本申请对现今待决的、于2016年1月28日提交的62/288,397号美国临时专利申请(U.S.Provisional Application No.62/288,397)提出优先权，而所述美国临时专利申请中所作揭示通过引用并入本申请。

技术领域

本实用新型涉及用于调节温度的服装。

背景技术：

服装可被视为可移植环境或第二层皮肤。如果可以将服装制成具有热调节功能，例如在穿用者感觉热时提供冷却及在穿用者感觉冷时提供加热，则服装可以帮助人们在极端环境中生存、在适度的温热状况中提高舒适度以及在加热或冷却较大空间时节省大量能源。

向服装穿用者提供加热或冷却的最有效方法之一是在紧挨皮肤的小气候中分配/散布热流体或冷流体。如果皮肤旁边的温度太高，就通过嵌入服装中的细管分配/散布冷流体；如果皮肤旁边的温度太低，就通过嵌入服装中的细管散发热流体。所述流体例如可以是一种或多种液体及/或气体。例如，所述流体可以是空气。

这样分配/散布流体对减低压力降或泵功率有利。在保持热传导的有效性的同时减低由分配网络(例如管)导致的压力降，是长期期望的需要。

技术实现要素：

本实用新型提供一种嵌入服装的分支管网络。本实用新型的目的是在将空气/流体分配到服装的大片面积的同时减低通过所述管网络的管的空气流/流体流中的压力降或功耗。本实用新型的分支管网络的优点是所述分支管网络内的管局部阻塞或管压缩不会影响贯穿整个网络的工作流体的输送。

在本实用新型的一个实施例中，提供一种用于调节穿用者的温度的服装。所述服装包括一种供所述穿用者穿着的织物。所述织物包括与所述织物的主表面平行的多个通道。所述服装包括用于散布工作流体的分支管网络。所述分支管网络设置于所述织物的通道中。所述分支管网络包括多个管体，其中所述多个管体中的每个管体的至少一端分成分支并连接到至少两个支管，所述连接的分叉角介于1度至359度之间，包括1度和359度。所述分支管网络具有至少两级的分支。在示例性实施例中，每个管连接到两个次级支管。

在本实用新型的另一方面，提供一种用于调温服装的分支管网络。所述分支管网络包括带有分支的母管。所述分支管网络也包括至少两个支管，每个支管具有第一端及分支端。每个支管的所述第一端连接到所述母管的分支端。所述分支管网络包括至少两套支管，每套至少包含两支支管，每个次级支管具有第一端连接到相应支管的分支端。照这样，每个支管的分支端连接到一套次级支管，每套至少包含两支支管。本实用新型可以实施为一种使用这种分支管网络来调节穿用者的温度的服装。

附图说明

为了便于更充分了解本实用新型的性质及目的，应参阅以下结合附图的详细描述，其中：

图1显示一种根据本实用新型的实施例的服装。

图2显示一种具有本实用新型的嵌入管网络的贴身内衣。

图3显示图2中的嵌入管网络的详细视图。

图4显示一个根据本实用新型的管网络的示例性实施例。

图5显示本实用新型的一个使用一种硬质材料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯【ABS】塑料)、通过三维打印方法制作的管网络的示例性实施例。

图6显示本实用新型的一个使用一种软质材料(Ninja)、通过三维打印方法制作的管网络的一部分的示例性实施例。

图7显示本实用新型的一个使用附加支撑材料、通过三维打印方法制作的管网络的示例性实施例。

图8显示本实用新型的一个通过三维打印方法制作、然后进一步改进以便为管网络提供一弧度从而更好地顺应穿用者的身材的管网络的示例性实施例。

图9描绘具有不同大小及连接角的Y型管接头。

图10显示示例性对称排放-收集管网络。

图11及图12显示具有本实用新型的实施例的管网络的示例性服装。

图13为配置有分配集管的现有技术管系统的示意图。

图14为现有技术轴辐式管系统的示意图。

图15为坐标图，其显示流率(Y轴)及压力降(X轴)的实验值与模型值之间的一致。

图16为坐标图，其显示实验系统与粗糙度不同的几个模型的流率(Y轴)及压力降 (X轴)。

图17为坐标图，其显示根据本实用新型的两种管网络的流率(Y轴)及压力降(X 轴)：(1)管体由Y型接头连接的一种管网络；以及(2)三维打印管网络。

图18为外观呈截锥型的管体的示意图。

图19为坐标图，其描绘截锥型管体中的层流及紊流的有利直径比k，其中 k＝D_B/D_A。

图20-22描绘显示管体的Y型连接中的压力的计算机模拟数据。

图23为坐标图，其描绘不同分支管网络设计的流动阻力。

图24描绘使用网状结构及单层针织筒形结构的测试编织实施例(织物)。

图25显示供用于本实用新型的连衣裙的示例性修饰。

图26A显示设计供用于本实用新型的示例性男士外套的前视图。

图26B显示图26A的外套的后视图。

图27A显示设计供用于本实用新型的另一示例性外套的草图的前视图及后视图。

图27B显示构造与图27A的草图相似的示例性外套的视图。

图28A显示适合供用于本实用新型的示例性连衣裙的侧视图。

图28B显示图28A的连衣裙的详细视图。

图29A显示供用于本实用新型的示例性连衣裙侧片。

图29B显示供用于本实用新型的示例性连衣裙侧片。

图29C显示供用于本实用新型的示例性连衣裙侧片。

图30为描绘根据本实用新型的另一实施例的束腰带的示意图。

图31A显示根据本实用新型的另一实施例的束腰带的侧视图。

图31B为图31A的束腰带的前视图。

图32显示本实用新型的分支管网络，其中管体以180度连接，而且所述管体上穿孔。

图33A显示根据本实用新型的另一实施例的示例性贴身内衣的前视图，该实施例中的管网络包括以180度连接(T型连接)的管体。

图33B为图33A的贴身内衣的后视图。

图34为供用于本实用新型的另一实施例中的防弹背心的正视图。

图35为供用于本实用新型的另一实施例中的腰包的透视图。

图36为根据本实用新型制作的示例性军事迷彩服的侧视图。

图37为图36的军事迷彩服的一部分的详细视图。

具体实施方式

本实用新型揭示一种调温服装系统。所述系统包括管网络、电气机械装置以及传感及控制单元(控制器)。所述电气机械装置可进一步包括热电能量转换单元(能量转换装置)以及鼓风机。本实用新型将通过示例性服装(例如连衣裙)来进行描述，然而，本实用新型的范围不应限于这些例子。具有本领域技术的人员将能理解，本实用新型可以实施于其他服装等中。图2及图3显示包含本实用新型的嵌入管网络的针织贴身内衣的示例性实施例。

在一个方面，本实用新型可以实施为供调节穿用者的温度的服装100(例如见图 1)。所述服装100包括一种供所述穿用者穿用的织物102。所述织物102包括与所述织物 102的主表面平行的多个通道104。通道可于所述织物102的多层之间形成(当所述织物为多层时)。通道可通过将附加织物附着到所述织物的外表面或内表面而形成。通道可通过使用其他附着物(例如使用环、钩、紧固件、缝线)或用于将管附加到服装的织物的其他技艺而形成。

所述服装100进一步包括由多个管体112组成的分支管网络110。所述多个管体中的每个管体112的至少一端113分支成两个支管114并连接到至少两个支管114。所述分支管网络110具有至少两级的分支。换句话说，分支成两个支管并连接到至少两个支管的管体(被视为母管)为一级，而依次分支成两个支管并连接到至少两个支管的支管为原级。正因为如此，每个支管亦可被视为母管(相对于与该支管连接的进一步的支管而言)。

在一些实施例中，每个管112分支并连接到两个子管114。在该实施例中，从“母”管112到两个子管114的连接导致子管114之间产生分叉角θ。分叉角θ处于1和359度之间，包括1和359度。在一些实施例中，分叉角θ在30度和60度之间，包括30度和 60度。在一些实施例中，分叉角度为35、40、45、50、55、90、120、150或180度。分叉角θ可以如下面进一步描述的那样分析确定。照这种方式，母管到两个子管的分支类似于二叉分支。为了方便起见，在本申请的其余部分(包括附图)中使用二叉分支(分成两支)的示例性实施例，并且本公开不应仅限于这样的分叉实施例，除非明确说明。

每个母管(即：每个分支管)的直径可能大于相应的与其连接的支管的直径。例如，支管的直径可能介于相应母管的直径的60％至80％之间(含60％及80％)。在其他实施例中，支管的直径可能是相应母管的直径的65％、70％或75％。在其他实施例中，所述支管直径与所述母管直径的比可以如以下进一步的描述那样分析确定。

所述分支管网络110的制作可以通过使用三维打印、铸造、单独组件的挤压或其他已知用于制作这样的装置的技术进行。所述管网络110可以以刚性材料(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯【ABS】塑料-见图5)、柔性材料(例如聚氨基甲酸酯-见图6)或多种材料组合(例如带有使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯【ABS】的结构支撑的柔性聚氨基甲酸酯-见图7)制造。所述管网络110可以使用如图9中描绘的以Y型管件互相连接的多个管体制作。在有些实施例中，所述管网络的管体可能穿孔(即有孔)，使得工作流体(例如空气)可以在沿着所述管体长度的多个位置排出。

参阅图4，分支管网络10也可以描述为具有带有分支端16的母管12。至少两个支管 22各具有第一端24连接至所述母管12的所述分支端16。每个支管22具有分支端26。至少两套各包含至少两个支管32各具有第一端34连接至相应支管22的分支端26。照这样，每个支管22的分支端26连接至一套至少两个次级支管32。在一些实施例中，母管 12分支并连接到两个子管22，并且每个子管分支并连接到两个次级管32。所述母管12的直径可能大于所述支管22的直径。同样地，所述支管22的直径可能大于所述次级支管32 的直径。

所述服装100可进一步包括用于加热及/或冷却工作流体的能量转换装置120。所述能量转换装置120与所述管网络110流体相通。例如，所述能量转换装置120可以连接至所述多个管112的一个一级管(即母管的不连接端)，使得工作流体(例如空气)在通过所述管网络110之前被加热或冷却。所述服装100可进一步包括用于推动所述工作流体通过所述管网络的鼓风机140(有时称为泵)。所述鼓风机140与所述能量转换装置120及所述管网络110流体相通。

在有些实施例中，所述鼓风机140在所述织物102之下由穿用者穿用。例如，所述鼓风机140可以使用腰带、吊袜带或类似物依附至穿用者身上。在有些实施例中，所述服装具有口袋，而所述鼓风机则设置在所述口袋中。所述服装100可进一步包括用于与所述鼓风机140的进入口142协作的网状物。照这样，所述鼓风机140的所述进入口142可以接收周围空气，使得空气可作为工作流体使用。所述网状物可以是一编织宽松的织物、编织成带孔的织物、带孔的材料及/或空气能以比所述织物102的限制少的限制通过的其他材料。所述鼓风机及能量转换装置可以在此中称为电气机械装置。

所述服装100可进一步包括与所述鼓风机140进行电子通信的控制器150。所述控制器150配置成控制所述鼓风机140。例如，所述控制器150可以配置成调整所述鼓风机 140的速度，以推动较多或较少工作流体经过所述管网络110。同样地，所述控制器150 可以与所述能量转换装置120进行电子通信，以控制所述能量转换装置120。例如，所述鼓风机140可以配置成调整所述能量转换装置120的加热输出或冷却输出。所述控制器 150可以配置成与环境系统190进行通信。这样的环境系统190可以是不属于所述服装一部分的系统。相反地，所述环境系统190可以是建筑系统，比如建筑物的“加热、通风及空气调节”(HVAC)系统。照这样，所述服装100的所述控制器150可以根据其接收自所述环境系统190的信号调整其调节。在特定例子中，如果“加热、通风及空气调节”系统指示所述空调已经在晚上关闭，控制器可以预计穿用者的冷却需要，从而调整所述鼓风机及/或能量转换装置。

所述服装100可进一步包括与所述控制器150进行电子通信的一个或多个传感器 160。所述控制器150可以配置成根据其接收自所述一个或多个传感器160的信号控制所述鼓风机140。在有些实施例中，所述一个或多个传感器160中的传感器是温度传感器 162。所述温度传感器162可以配置成位于靠近穿用者皮肤处。传感器包括无源无线电路 164。例如，温度传感器162包括使用射频能量无线地供能的无源电路164。例如，所述无源电路可以配置成以“射频识别”(RFID)装置的供能方式类似的方式供能。所述无源电路164可包括贴到所述织物102上的射频天线166。在有些实施例中，所述射频天线 166绣在所述织物102上。

管网络

本实用新型的分支管网络包括网络的“母”管及“支”管，其中每个母管分支为两个或多个支管。相应地，支管可以分支成两个或多个附加支管(在这个案例中，相对于所述附加支管而言，支管可被视为母管)。应该注意的是，虽然提及的是母管分支成支管，但这亦可视为支管结合成母管。

这样的分支管网络可以以任何方式制作。例如，所述管体分支网络可包括由Y型接头 (比如图9中所示者)连接的管体，所述网络可以三维打印方法制作(比如图5-8中所示的例子)，所述网络可以铸造等等。在有些实施例中，所述分支管网络配置成具有弧度，使得所述网络顺应穿用者的身材(比如图8中所示的例子)。

所述管网络可具有任何方向。例如，热/冷流体可以供应自底部母管并向上分配到所述分支支管。其他实施例的母管可配置在顶部、配置在侧面(例如见图11及图12)，或配置在比照本实用新型将为显然的其他方向。在图4-5、图7-8及图10-12中，每个示例性管网络被显示成具有三级分支(即分支数N＝3)，其中母管分支成支管。根据期望的应用选择，其他实施例可能具有较少级或更多级的分支。

在多种不同配置中，存在有利于达到最小压力降或功耗的有利支管直径(d_k+1)与母管直径(d_k)比。例如，在存在层流的分支网络中，有利直径比已经被确定为d_k+1/d_k＝0.7937(分支数N＝2)或d_k+1/d_k＝0.6934(分支数N＝3)。在存在紊流的网络中，有利直径比已经被确定为d_k+1/dk＝0.7430(分支数N＝2)或 d_k+1/d_k＝0.6245(分支数N＝3)。

在同时考虑层流、过渡和紊流的网络中，各个分支的直径和长度的有利分布和速度相关，并且可以通过对最小总压降或功耗的计算来确定。

为了进一步最大限度地提高效率，考虑几个因素：

●同时考虑层流、过渡及紊流

●考虑接头(分叉点)的压力损失

●可以考虑管体的形状

●可以考虑附加限制，例如质量、成本、覆盖面积等等。

已建立了一个压力降对流率的模型，而总压力降由下式给出：

其中p为压力、Δp_t为所述系统的总压力降、Δp_i为通过单一支管的压力降、而i为分支级。在这个案例中，建立了具有四级分支的模型(其中分支1为原级母级，而4是最小直径分支的分支级)。

每个子管中的压力降是总流率的函数：

其中f_D为“达西摩擦系数”(Darcy friction factor)、L为管体长度、D为管体直径、ρ为气体浓度、u为平均速度、而Q为流率。不同流动类型的“达西摩擦系数”(Darcy friction factor)由“雷诺数”(Reynolds number)(Re)确定。

对于以下流动类型而言：

a.层流(Re＜2300,HP Eq.)

b.过渡流(2300＜Re＜4000)

c.紊流(Re＞4000)

其中χ为粗糙系数，而μ为气体黏度。最小总压降可以通过改变各个分支的直径和长度来找到。最小总功耗被表示为它也可以通过改变各个分支的直径和长度来找到。对实验数据进行了测量并将之与模型数据进行了比较。在图15中，建立了单一管体的模型，以比较所述模型与实验数据之间的一致性。在图16中，来自一个三维打印管体的实验数据与所述模型的多个不同粗糙系数χ值进行比较。在图17中，来自一个三维打印管体的实验数据与来自具有由Y型接头连接的多个管体的管网络的实验数据进行比较。

在有些实施例中，所述管网络中的管体的外观呈截锥型(例如见图18)。这样的具有光滑内壁的锥型管每单位长度的压力降由下式给出：

其中D_A为所述管体的小端的管直径、D_B为所述管体的大端的管直径，是常数，而 k＝D_B/D_A。锥型管的有利于减少压力降的有利直径被确定为k＝1.18(见图18)。所述管网络的管体的外观可以呈截锥型，以提高本实用新型揭示的分支管网络的性能。全部所述管体可以有相同外形及/或大小，或管网络的管体的外形及/或大小可以与同一管网络的其他管体的外形及/或大小不同。

接着，考虑所述Y接头的效果，特别是当存在紊流时。所述接头中的压力降视分叉角及流动速度而定。当难以取得所述分析解时，使用了模拟(见图20-22)。

在有些实施例中，比如图3中描绘的管网络10，在所述母管12处导引的工作流体通过最后的支管18排出。其他实施例(比如图10-12中所示的实施例)可以配置成通过逆向分支网络收集所述流体。

多级分叉的使用被证明是比更传统的基于集管的配置(图13)及单级轴辐式配置系统(图14)更为有利。明确地说，对于相似体积及长度的管而言，本实用新型揭示的分支系统的压力降低于以分配集管配置的系统的压力降或轴辐式配置系统的压力降。例如，分支网络的压力降是一以分配集管配置的系统(图13)中的压力降的29％。在另一案例中，分支网络的压力降是一具有轴辐式设计的系统(图14)的压力降的大约62％。

已对几个配置的分支管网络的流动阻力进行了测量(见图23)。在初步测试中，以 Y型接头及内直径为6.35mm及5mm的管体建构的分支管网络的压力降为最低(在流率为 4×10^-4m³/s的条件下为250Pa)。与其他分支管网络比较，所述T型接头分支管网络可以配置成在身体周围更均匀流动，而同时其流动阻力很低，与Y型接头(长而粗糙的网络)相似，其可能在身体周围不均匀流动。

服装设计

已制作一种带有供插入如以上揭示的分支管网络的通道的针织贴身内衣(见图2及图 3)。所述织物过去一向使原型贴身内衣重160g/m²，这对于贴身内衣织物而言是典型的。一种针织贴身内衣乃使用棉及纱线制作。纱线的使用改善了稳定性及适身性。所述贴身内衣乃以单层针织结构构建，但可能具有其他结构，比如具有可进一步改善织物的可渗透性及稳定性的珠地网眼结构。图24显示另一使用具有高度参透的网状结构241及单层针织筒形结构242的编织结构的试验实施例。

本实用新型揭示的服装可以对商务装、运动装、第一应急者服装及老年人服装特别有用。

商务装：尽管办公室职员对个人冷却及加热有相当需要，但商务装是一项具有挑战性的应用，这是因为外套或衬衫在办公室职员以坐姿工作时能够很容易地覆盖空气的吸入及 /排出(当使用空气为工作气体时)。已经在考虑下列方面的同时开发了能够适应所述服装的温度调节系统的适当操作的男士商务装设计(例如见图26A、图26B、图27A及图 27B)：

●适应所述温度调节系统的适当操作：对通过所述能量转换装置及鼓风机的空气流的负面影响有限或无负面影响；

●在在审美上可被接受、时尚；

●正常着装行为的变化很小或无变化；

●可根据需要容易存取温度调节组件；以及

●穿用者的舒适度。

传统衬衫设计可通过在侧接缝处开钮孔或长通风孔来进行小改动，以允许所述服装中所述电气机械装置与所述管网络之间的链接(见图25)。这样的设计在大规模生产中高度可行，其劳工成本增加极少。

外套设计可能需要侧片更重大的改动，以便在提供在审美上可接受和时尚的外观的同时，允许足够的空气流通过所述电气机械装置。已开发了两个示例性的外套设计。第一个外套设计包括激光切割的侧片262或网状织物263(见图26A及图26B)。激光切割的侧片262的使用允许容易存取所述电气机械装置、时尚款式、极小的生产变化以及通过所述电气机械装置的空气流足够。第二个外套设计在所述侧片中有一带有装饰带大开口(见图26A及图26B)。这个设计也提供所述电气机械装置的足够操作以及对所述电气机械装置的容易存取。

图28A及图28B显示已经开发及生产的连衣裙设计。所述连衣裙以网状物覆盖口袋设计，供容纳所述电气机械装置及所述服装的其他组件(见图28B)。在替换设计中，可以并入网状物或穿孔侧片，其案例见图29A-29C。

运动装：在运动员服装应用中，所述电气机械装置优选置于其存在造成的影响将为最小之处。在这样的应用中，强调穿用者的机动性及舒适度是有利的。所述电气机械装置可以使用系带来安装，比如那些在运动员活动期间用于将移动电话安装到上臂的系带。这样的系带可以用在上臂、腰、大腿或其存在将不会干扰活动的其他部位上。在所述电气机械装置安装在距所述管网络一距离处的情况下(在所述电气机械装置贴到大腿上而且所述管网络并入上身服装中的情况下)，管体的长度可能增加。这样的系带(比如束腰带)可能能够使所述电气机械装置保持在适当位置，且同时也能够视运动员活动或体育训练期间的特定身体动作需要而进行调整。

第一应急者应用及军事应用：军事人员及需要巡查指定区域的执法人员是适用本实用新型的服装的合适候选人，这是由于在户外环境中他们在热应激之下有热管理需要。那些第一应急者在执勤期间一般没有剧烈或极端的身体动作，但他们不能避免热应激。考虑供军事人员及执法人员使用的现有制服及装载运输系统的特性，本实用新型揭示的服装的组件可以使用随处可见的“模块化轻型承载设备”(MOLLE)系统或其他夹式机械结构容易地放置。例如，分支管网络及其他组件可以装配到如图34中所示的防弹背心上。同样地，可以使用如图35中所示的束腰带来使组件保持在适当位置。已经使用军事迷彩服来制作本实用新型的实施例(见图36及图37)。图37显示用于装放所述电气机械装置及控制器的小包。

其他服装：上述多种安装物的使用可能对运动装以外的运用有用。例如，当穿正式服装(比如连衣裙)时，吊袜带式大腿安装物可能有用。

在另一例子中，根据本实用新型制作的服装可能特别适合老年人使用。老年人对周围温度的变化可能特别敏感。通过使用本实用新型的实施例，可以根据老年人的特定需求及偏好，使他们感觉更舒适。

虽然以上已经以一个或多个特定实施例来描述本实用新型，但应该明白的是，本实用新型的其他实施例可以在不脱离本实用新型的精神及范围的情况下制定。因此，本实用新型被视为仅受下列权利要求及其合理解释的限制。