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可穿戴冷却和加热贴片可用作个人恒温器并节省能源

发布时间:2019-05-18 11:16:24 来源:

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师开发出一种可穿戴的贴片,可以在家中,工作中或在旅途中提供个性化的冷却和加热。柔软,有弹性的贴片可将使用者的皮肤冷却或温暖至舒适的温度,并在环境温度变化时将其保持在那里。它由柔韧的可拉伸电池组供电,可嵌入衣服中。研究人员表示,佩戴它可以帮助节省空调和暖气的能量。

“这种类型的设备可以提高您的个人热舒适度,无论您是在炎热的天气上通勤还是在办公室感觉太冷,”负责该研究的加州大学圣地亚哥分校机械和航空航天工程教授Renkun Chen说。

该设备处于概念验证阶段,也可以节省能源。“如果佩戴这种装置可以让你在更宽的温度范围内感觉舒适,那么你不需要在夏天尽可能多地调低恒温器,或者在冬天加热,”陈说。例如,在夏季将建筑物的设定温度保持在12度,可以将冷却成本降低约70%,他指出。

市场上有各种各样的个人冷却和加热装置,但它们不是最方便佩戴或携带的。有些人使用风扇,有些需要浸泡或充满水等液体。

陈和加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的一组研究人员设计了他们的设备,穿着舒适方便。它灵活,轻便,可轻松集成到服装中。

贴片由热电合金制成 - 使用电力产生温差的材料,反之亦然 - 夹在弹性弹性体片之间。该装置将皮肤物理地冷却或加热到佩戴者选择的温度。

“你可以将它放在比身体其他部位更快或更快冷却的地方,例如背部,颈部,脚部或手臂,以便在太热或太冷时保持舒适,”首先说。作者Sahngki Hong,加州大学圣地亚哥分校机械工程校友,曾在陈氏实验室担任博士生。

研究人员将贴片原型嵌入网状臂带,并在男性受试者身上进行测试。测试在温控环境中进行。在两分钟内,贴片将测试仪的皮肤冷却至89.6华氏度的设定温度。当环境温度在71.6和96.8华氏度之间变化时,它使测试仪的皮肤保持在该温度。

智能服装的基石

最终目标是将多个贴片组合在一起,以创建可用于个性化冷却和加热的智能服装。因此,工程师设计了一种柔软的电子贴片,可以拉伸,弯曲和扭曲,而不会影响其电子功能。

这项工作是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的几个研究小组之间的合作。专门研究传热技术的陈氏实验室领导了这项研究。他们与纳米工程教授盛旭,可伸缩电子学专家,电池技术专家Shirley Meng,电池专家Ping Liu和可穿戴传感器专家Joseph Wang合作。

研究人员通过采用小柱热电材料(由碲化铋合金制成),将它们焊接到薄铜电极条上,并将它们夹在两块弹性体板之间来制造贴片。

这些板材经过特殊设计,可在柔软和有弹性的同时传导热量。研究人员通过将名为Ecoflex的橡胶材料与氮化铝粉末(一种具有高导热性的材料)混合来制造片材。

贴片使用电流将热量从一个弹性体片材移动到另一个弹性体片材。当电流流过碲化铋柱时,它会随之驱动热量,导致贴片的一侧升温而另一侧冷却。

“为了做冷却,我们将当前的泵热量从皮肤侧到面向外面的层,”Chen解释道。“为了加热,我们只是将电流反向转向另一个方向的热泵。”

贴片由柔性电池组供电。它由一系列纽扣电池组成,全部由弹簧形铜线连接并嵌入可拉伸材料中。

节约能源

一个贴片的尺寸为5×5厘米,功耗高达0.2瓦。Chen的团队估计需要144个补丁来制造冷却背心。这将使用大约26瓦特来保持个人在平均炎热天气中保持凉爽(在极端高温期间,估计的功率使用将攀升至80瓦特,这大约是笔记本电脑使用的数量)。相比之下,传统的空调系统使用数十千瓦来冷却整个办公室。

研究人员指出,与大房间相比,冷却个人的能源效率更高。“如果那个房间里只有少数几个人,那么你每人基本上要消耗数千瓦的冷却能力。像补丁这样的设备可以大幅减少冷却费用,”陈说。

该团队现在正在开发可以内置到原型冷却和加热背心的补丁。他们希望在几年内将该技术商业化。

“我们已经解决了根本问题,现在我们正在解决重大的工程问题 - 电子,硬件和开发移动应用来控制温度,”陈说。

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