一种基于帕尔贴效应的智能调温服

技术领域

本发明涉及人体防护技术领域，更具体地说，涉及一种基于帕尔贴效应智能调温服。

背景技术

随着工业文明的高度发达，人体防护和安全施工已成为各行业领域倍加关注的敏感事项，尤其是特殊工作环境的操作人员的身体防护和能量平衡问题。

近10年来，基于各种技术的防护调温服争先进入市场，主要类型有：相变材料类、直接在衣服内侧贴制TEC再通过风扇扩散、微型压缩机驱动型、辐射制冷型等等。上述几种类型均会获得一定范围的温度调节性能，但是仍然存在各种缺点和不足，如重量偏大、续航时间过短、温度分布极不均匀和性能对环境的敏感性偏低等。为克服上述不足，本发明提供了高性能TEC驱动通过分布式水管在衣服内侧的合理布局获得人体适应的温度分布，即一种基于帕尔贴效应的智能调温服。

另外，温差电(TE)现象也称热电现象。1822年，ThomasSeebeck发现温差电动势效应(TE材料发电原理)；1834年，JeanPeltier发现电流回路中两不同材料导体结界面处的降温效应(TE材料制冷原理)。20世纪50年代发现一些良好的半导体TE材料。通常把ZT≥0.5的材料称为TE材料。ZT越大，TE器件效率越高。为克服高ZT值TE材料种类缺乏的障碍，人们转向天然TE材料的结构设计以及人工合成TE材料的研制——低维温差电材料。介观物理理论研究表明，在相同的工作条件下，低维薄膜结构TE材料比其他体材料具有更高的ZT值。至今为止，有三类典型的低维薄膜结构的TE材料：(1)量子点结构(quantum-dotstructures)，借助于量子限制效应(quantum-confinementeffects)提高近费米能级的态密度，从而提高材料的电导率；(2)声子低通/电子高通超晶格(phonon-blocking/electron-transmittingsuperlattices)，这类结构通过在超晶格组份之间引入所谓的“声(子)失配”(acoustic-mismatch)而降低材料的晶格热导率(kL)，不同于常规的TE合金材料的是，通常这类结构的材料具有显著降低的载流子散射率，即获得高导电率；(3)利用半导体异质结的电子热效应(thermioniceffects inheterostructures)来提高材料的ZT值的薄膜结构材料。Hicks和Dress lhaus提出，量子阱超晶格能够大幅度提高材料的ZT值，而量子线超晶格甚至能带来更大幅度的提高。

综上，目前广泛应用的热电材料在诸如铋金属间化合物碲化铋(Bi2Te3)、碲化铅(PtTe)、锑化锌(ZnSb)、锗、铁硅化物(FeSi

因此，本发明通过对热电材料合成工艺优化获得纳米晶粒镶嵌的碲化铋基高热电品质因素的微结构材料，基于热电制冷的帕尔贴效应和低界面热阻的构建，获得高COP性能的热泵系统，以解决上述现有技术的不足。

发明内容

本发明提供一种基于帕尔贴效应的智能调温服，解决上述现有技术的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下，一种基于帕尔贴效应的智能调温服，包括：可调温水箱、微型无刷水泵、可穿戴马甲、铝合金热沉、强制风冷高速风扇、可充电锂电池和智能控制电路，

所述可调温水箱由下部的梯形铝合金腔体和上部的PVC长方体构成，所述梯形铝合金腔体和所述PVC长方体上下固定连接且其连接界面处通过法兰口处O形塑胶密封圈密封，所述梯形铝合金腔体和所述PVC长方体内的水温通过在所述梯形铝合金腔体的梯形平面上紧贴的半导体热电芯片实现热量的泵运来调节，分别进行加热和制冷；所述可穿戴马甲的夹层内分布有高热导塑料水管，通过所述微型无刷水泵可与所述梯形铝合金腔体和所述PVC长方体实现闭环交换以获得人体所需的舒适温度；所述铝合金热沉和所述强制风冷高速风扇为所述半导体热电芯片高效散热，并确保所述半导体热电芯片的热面温度相对于环温的增量小于5℃；所述智能控制电路分别与所述微型无刷水泵、所述强制风冷高速风扇和所述可充电锂电池电性连接。

本发明的有益效果是：通过将可调温水箱分为下部的梯形铝合金腔体和上部的PVC长方体，可用于各种电子系统的热管理。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述高热导塑料水管呈S型布置在所述可穿戴马甲的夹层内。

进一步，所述梯形铝合金腔体和所述PVC长方体的内外结构是基于人体在低、中、高体力劳动过程中的散热量、水冷交换的热量、受限可供输入功率大小以及所述半导体热电芯片工作参数和性能通过多物理场模拟得出并经实证确定的。

进一步，所述梯形铝合金腔体和所述PVC长方体的内腔容积分别为140ml-180ml和160ml，正常工作时所述梯形铝合金腔体和所述PVC长方体中水量约为140ml-180ml，(另外160ml会流入所述高热导塑料水管内)；所述微型无刷水泵为无刷电机驱动的水泵，泵流量在300ml/min-1000ml/min范围连续可调；所述可充电锂电池的最大输出电压为12.5V，最大输出电流为6A，功率容量为104mA.h@U。＝11.5V，输出的截止电压为9.5V，额定输出功率下可工作4小时以上；所述半导体热电芯片的最大工作电压、最大工作电流、最大温差、最大制冷功率(@300K)分别为：29.5V，6A，70K和108W；基于上述各个部件的数值参数，可分别适应30℃-40℃区间环境工作温度，获得人体的正常温感舒适度，并通过优化工作功率系统可维持6小时。

进一步，梯形铝合金腔体和紧贴的半导体热电芯片之间通过一形状、尺寸与半导体热电芯片完全一致的石墨烯纸(厚度为0.05mm-0.1mm，面法向热导率≥10W/m.K)可实现无气隙、低热阻连接。

进一步，所述智能控制电路可对半导体热电芯片的工作电压、微型无刷水泵的输入电压和强制风冷高速风扇的工作电压优化控制，基于冷端设定温度，给出最优的COP参数，相关算法如下：

其中Q

采用上述进一步的有益效果是：限定可充电锂电池的供给功率，依据制冷能效比计算公式，优化半导体热电芯片、微型无刷水泵和散热风扇的工作参数，可获得最优的COP。

进一步，基于半导体热电芯片的性能系数，可计算半导体热电芯片的电热转化率，相关算法如下：

半导体热点芯片的加热量＝Q+P

其中Q

进一步，所述半导体热电芯片是由纳米晶粒镶嵌的无量纲热电优值系数(@T

本发明提供的基于帕尔贴效应的调温防护服技术方案可广泛用于各种高、低温人体不适环境工作人员的防护完全使用，其中由下部梯形铝合金腔体和上部PVC长方体组成的可调温水箱作为本发明的核心部件可用于各种电子系统的热管理，其带来的有益效果如下：

a.系统尺寸小，人体佩戴无压力和不适感；

b.功率小，在有限电力配置下续航时间更长；

c.稳定性好；

d.可扩展性大。

此外，利用半导体热电芯片实现高效调温并基于半导体热电芯片在恒定供电电压下冷端温度随环境温度的关联变化匹配人体对温度的舒适度。

附图说明

图1为本发明一种基于帕尔贴效应的智能调温服除马甲外立体结构示意图；

图2为本发明一种基于帕尔贴效应的智能调温服除马甲外侧视结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、可调温水箱，11、PVC长方体，12、梯形铝合金腔体，2、支架，3、微型无刷水泵，4、半导体热电芯片，5、铝合金热沉，6、强制风冷高速风扇，7、智能控制电路，8、隔热层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于帕尔贴效应的智能调温服，包括：可调温水箱1、微型无刷水泵3、可穿戴马甲、铝合金热沉5、强制风冷高速风扇6、可充电锂电池和智能控制电路7，

可调温水箱1由下部的梯形铝合金腔体12和上部的PVC长方体11构成，梯形铝合金腔体12和PVC长方体11上下固定连接且其连接界面处通过法兰口处O形塑胶密封圈密封，梯形铝合金腔体12和PVC长方体11内的水温通过在梯形铝合金腔体12的梯形平面上紧贴的半导体热电芯片4实现热量的双向泵运，既可以加热也可以制冷；可穿戴马甲的夹层内分布有高热导塑料水管，通过微型无刷水泵3可与梯形铝合金腔体12和PVC长方体11实现闭环交换以获得人体所需的舒适温度；铝合金热沉5和强制风冷高速风扇6为半导体热电芯片4高效散热，并确保所述半导体热电芯片4的热面温度相对于环温的增量小于5℃；智能控制电路7分别与微型无刷水泵3、强制风冷高速风扇6和可充电锂电池电性连接。

在一些具体实施例中，高热导塑料水管呈S型布置在可穿戴马甲的夹层内。

如图1所示，在一些具体实施例中，还包括支架2，支架2固定在梯形铝合金腔体12或PVC长方体11上，微型无刷水泵3固定在支架上且分别与梯形铝合金腔体12、PVC长方体11和高热导塑料水管连通构成闭环。

在一些具体实施例中，梯形铝合金腔体12和PVC长方体11的内外结构是基于人体在低、中、高体力劳动过程中的散热量、水冷交换的热量、受限可供输入功率大小以及半导体热电芯片4工作参数和性能通过多物理场模拟得出并经实证确定的。

在一些具体实施例中，所述梯形铝合金腔体12和所述PVC长方体11的内腔容积分别为140ml-180ml和160ml，正常工作时所述梯形铝合金腔体12和所述PVC长方体11中水量约为140ml-180ml，(另外160ml会流入所述高热导塑料水管内)；所述微型无刷水泵3为无刷电机驱动的水泵，泵流量在300ml/min-1000ml/min范围连续可调；所述可充电锂电池的最大输出电压为12.5V，最大输出电流为6A，功率容量为104mA.h@U。＝11.5V，输出的截止电压为9.5V，额定输出功率下可工作4小时以上；所述半导体热电芯片4的最大工作电压、最大工作电流、最大温差、最大制冷功率(@300K)分别为：29.5V，6A，70K和108W；基于上述各个部件的数值参数，可分别适应30℃-40℃区间环境工作温度，获得人体的正常温感舒适度，并通过优化工作功率系统可维持6小时。

在一些具体实施例中，梯形铝合金腔体12的梯形平面和紧贴的半导体热电芯片4之间固定有与半导体热电芯片4形状、尺寸完全一致的石墨烯纸，实现无气隙、低热阻连接。

在一些具体实施例中，石墨烯纸的厚度可以为0.05mm-0.1mm，面法向热导率≥10W/m.K。

在一些具体实施例中，智能控制电路7可对半导体热电芯片4的工作电压、微型无刷水泵3的输入电压和强制风冷高速风扇6的工作电压优化控制，基于冷端设定温度，给出最优的COP参数，相关算法如下：

其中Qmax为半导体热电芯片4的最大制冷量，Q为实际工作时半导体热电芯片4的制冷量，ΔT为实际工作时半导体热电芯片4的两面温差，ΔT

在一些具体实施例中，基于半导体热电芯片4的性能系数，可计算半导体热电芯片4的电热转化率，相关算法如下：

半导体热点芯片的加热量＝Q+Pelectric

其中Qmax为半导体热电芯片4的最大制冷量，Q为实际工作时半导体热电芯片4的制冷量，ΔT为实际工作时半导体热电芯片(4)的两面温差，ΔT

在一些具体实施例中，半导体热电芯片4是由纳米晶粒镶嵌的无量纲热电优值系数(@Ta＝300K)≥1.10碲化铋基热电多晶颗粒制备。

如图2所示，在一些具体实施例中，还包括隔热膜8，隔热膜8包裹在所述半导体热电芯片4的周侧面。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。