基于脉动热管散热的腰包式穿戴水冷服

技术领域

本发明涉及一种基于脉动热管散热的腰包式穿戴水冷服，属于人体户外防护以及热舒适性调节装置领域。

背景技术

在全球变暖的大背景下，夏季高温给室外工作人员带来了新的挑战，若室外工作人员长时间暴露在高温环境且难以排出体内多余热量时，将会影响体内的水盐代谢和温度调节等生理功能。诸如环卫工人、交通警察以及一些必须穿制服的白领们，迫切地需要一款可携带的制冷装置，从而抵御因高温带来的危险性和不舒适性。

半导体制冷作为一项无须压缩机便可实现持续制冷的技术，近年来成为研究制冷技术的热点。但半导体制冷在现有技术下仍有制冷系数低、须及时排走热量等固有缺陷，因此如何提高半导体的冷量利用效率、及时排走半导体热端热量成为水冷服研究中的关键问题。目前市面上的空调服大都采用高导热系数的物体，通过该物体将冷量传递至载冷剂中，降低了半导体的冷量利用率。而对于半导体热端的散热，往往采用的是肋片和风扇的组合，虽然能够散去热端热量，却易造成体积较大、质量较重的问题。此外，市面上空调服大都采用背包携带制冷设备，相当于在人体背部额外增加了热阻，不利于人体散热。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何减少半导体热端散热装置的体积以及避免人体背部散热不利的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于脉动热管散热的腰包式穿戴水冷服，其特征在于，包括服装本体和腰包，腰包固定于服装本体上，腰包内设有一体式水箱、脉动热管、散热器、水泵和电源，一体式水箱包括水箱和半导体，半导体固定在水箱上，半导体的冷端与水箱内的冷却剂直接接触，脉动热管的蒸发段贴合在半导体的热端上，脉动热管冷凝段的一侧设有用于对脉动热管冷凝段进行散热的散热器；服装本体内设有水盘管，水盘管的两端分别通过出水管和回水管接通一体式水箱，出水管上连接有水泵，水泵和散热器分别连接电源。

优选地，所述的半导体由至少一块半导体片组成；水箱上开有孔，每块半导体片分别放入对应的孔中，每块半导体片与孔之间通过防水密封连接。

优选地，所述的水箱上孔的大小与其对应半导体片的大小相匹配，使得半导体冷端的全部面积直接与水箱内的冷却剂接触。

优选地，所述的一体式水箱的外侧表面敷设一层保温棉；一体式水箱的进出水口分别设立在水箱的上下侧。

优选地，所述的一体式水箱置于腰包的左下侧，脉动热管的冷凝段与散热器均位于一体式水箱的上侧，脉动热管冷凝段前方设有电源，电源位于肋片和散热器所在的位置处，电源设于一体式水箱的前侧，水泵置于连接脉动热管冷凝段的肋片后侧。

优选地，所述的腰包的上方开两个大小与散热器相同的孔，使得散热器的进气口能够伸出腰包外；腰包左右两侧的上方均匀开有排气孔，使脉动热管后方被肋片加热后的热空气能及时排出腰包。

优选地，所述的腰包为横挎式结构，穿戴时，腰包通过腰前部的固定装置将其固定于腰后方；固定装置包括一根腰包固定带和多根受力带，腰包通过一根腰包固定带横挎式穿戴于人体腰部，左右两侧的受力带将腰包固定于腰包固定带上，腰包固定带的两头则通过插扣直接连接。

优选地，每块所述的半导体片对应连接一根脉动热管和一个散热器；单个所述的脉动热管由一根细铜管在半导体热端沿竖直方向上下弯曲铺设而成；细铜管均匀布满半导体热端。

优选地，所述的脉动热管上紧贴在半导体热端的蒸发段为扁平管，脉动热管在其余位置的部分呈圆形管，脉动热管的冷凝段上设有肋片，肋片与散热器固定连接。

优选地，所述的腰包固定于服装本体的后背腰部；服装本体上开设有服装本体孔，水盘管两端分别连接的出水管和回水管分别穿过服装本体孔与一体式水箱接通；服装本体的外层面料为密闭性好的材料；外层面料的外部涂抹有光谱吸收率低但发射率高的涂层，外层面料的内部涂抹光谱吸收率低但反射率高的涂层。

本发明的水冷服具体涉及到半导体制冷在服装领域的应用，以及脉动热管在半导体散热领域的应用。

本发明的水冷服采用一体式水箱，使得半导体冷端直接接触水，省去中间导热热阻；利用脉动热管散热，减少散热部件的体积和重量；对腰包深化设计，减少体积并将其横跨至腰部，在不影响活动的情况下减少人体表面热阻。

本发明采用了传热系数更高的脉动热管用于对半导体热端散热，以减少半导体热端对冷端制冷的影响；使用了半导体冷端与水箱直接接触的一体式水箱，降低了冷量传输过程中的热阻、增大半导体冷量的利用率；设计了横挎式腰部穿戴、置于腰后的腰包用于容纳水冷服的各部件，减少了对人体日常活动的影响；对腰包内各部件摆放位置进行深化设计，在确保功能的情况下减少了腰包的体积。

附图说明

图1为半导体片与一体式水箱的连接图(a)；

图2为半导体片与一体式水箱的连接图(b)；

图3为半导体片、脉动热管、肋片之间的连接示意图；

图4为腰包的内部剖面图；

图5为腰包的内部轴测图；

图6为腰包穿戴在人体背面的效果图；

图7为一种基于脉动热管散热的腰包式穿戴水冷服的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供了一种基于脉动热管散热的腰包式穿戴水冷服，如图7所示，其包括服装本体14和腰包2，腰包2通过四周的缝纫线16与服装本体14固定连接，腰包2固定于服装本体14的后背腰部。腰包2在服装本体14的外部，水盘管15在服装本体14的内部，属于服装本体14的一部分，在服装本体14上开设服装本体孔17后，腰包2与服装本体14之间便可通过出水管12、回水管13连接。服装本体14的外层面料采用密闭性好的材料组成，于材料外部涂抹光谱吸收率低但发射率高的涂层，内部涂抹光谱吸收率低但反射率高的涂层，防止内部的冷量散失以及外部热量的侵入；腰包2内包含一体式水箱5、两根脉动热管9、两个散热器(本实施例中，散热器为风扇3)以及水泵8，出水管12上连接有水泵8，水泵8和散热器分别连接电源4。

本发明采用了传热系数更大的脉动热管9，用于半导体热端的散热，单个脉动热管9由一根外径为2mm、内径为1.2mm的细铜管在半导体热端沿竖直方向上下弯曲铺设而成，使得细铜管均匀布满半导体热端。

如图3所示，脉动热管9在其余部分时呈外径2mm、内径1.2mm圆形，当脉动热管9的蒸发段在途经半导体热端时，将从圆形管变为扁平管，以方便更好地与半导体热端贴合，该连接方式不仅增强了半导体热端的散热，还增加了单回路脉动热管9所对应的半导体热端的吸热面积，从而减少了脉动热管9的圈数。此外，在脉动热管9的冷凝段添加铝制的肋片10，并通过肋片10将风扇3固定，增加其散热面积，强化了半导体热端的换热，以达到持续高效散热的效果。一块半导体片6对应一根脉动热管9和一个风扇3。

如图1所示，一体式水箱5包括110×60×20mm

如图4所示，脉动热管9的蒸发段贴合在半导体的热端后位于一体式水箱5之前，为对脉动热管9的冷凝段进行散热，需在其前方安装风扇3，使之产生由前到后的机械风。由于脉动热管9冷凝段前方既有肋片10又有风扇3，使得一体式水箱5前方产生多余空间，将水冷服中体积最大的电源4放置于此。此外，鉴于扬程较小的水泵8体积也较小，将其置于脉动热管9的肋片10后侧、一体式水箱5的上侧。

风扇3位于一体式水箱5的上方，其控制的空气流动方向为从腰包2外流向腰包2内。如图5所示，为了增强脉动热管9冷凝段的散热，在腰包2的上方开两个大小与风扇3相同的孔，使得风扇3的进气口能够伸出腰包2外，以增大风扇3的空气吸入量从而强化脉动热管9的换热。为了使被肋片10加热后的热空气能够及时排出腰包2，于腰包2左右两侧的上方均匀开有排气孔7，以方便排出脉动热管9冷凝段后的热风。

腰包2内部各部件的位置摆放(即腰包2的内部深化设计)具有以下特征：

一体式水箱5置于腰包2的左下侧，脉动热管9的冷凝段与风扇3均位于一体式水箱5的上侧，一体式水箱5的前侧为电源4，水泵8位于脉动热管9冷凝段的后侧。在确保水冷服正常运行的情形下减少了背包的体积，更方便于人体穿戴。

如图6所示，腰包2为横挎式结构，穿戴时，腰包2通过腰前部的固定装置将其固定于腰后方，从而在确保装置稳定的情况下，增加水冷服的美观性以及减少对人体活动的影响。其中，固定装置包括一根腰包固定带1和六根受力带，腰包2通过一根腰包固定带1横挎式穿戴，使用左右两侧各三根受力带将腰包2固定于腰包固定带1上，腰包固定带1的两头则通过插扣直接连接，减少腰包的穿戴时间。

本发明的工作过程如下：

首先，水泵8将一体式水箱5中的冷水通过出水管12经由服装本体孔17送达服装本体14内的水盘管15，冷水经过水盘管15在吸收人体上的热量后，通过回水管13经由服装本体孔17再次回到一体式水箱5内冷却，以此达到持续对人体冷却的效果；一体式水箱5内的水与水盘管15内的水是互通的，其中水泵8作为其互通的驱动力；脉动热管9只是散热原件，是独立的，不与管路连接。

本发明不仅采用脉动热管9增强了半导体热端的散热，还采用了一体式水箱5使得半导体冷端的冷量直接传输于水中，避免了冷量耗散问题，并且对腰包2的内部深化设计以实现水电分离，还就腰包2在人体的固定方式提出了新的方案。