一种模块化可穿戴式蓄-放冷方法及装置

本发明属于制冷空调领域，涉及一种利用材料的相变特性进行蓄-放冷的方法及装置。

背景技术：

1、自工业革命以来，人类活动所排放的温室气体(如二氧化碳、甲烷等)已经导致了大气中温室气体含量的增加，从而引起了全球气温的上升。根据国际气候科学家的研究，自20世纪初到现在，全球平均气温已经上升了约1℃以上，而且持续上升的趋势还在继续。全球变暖影响人类的健康和生活质量，在中国，2020年发布的《柳叶刀人群健康与气候变化倒计时中国报告》显示，在过去20年中，热浪暴露大约导致中国热浪相关死亡人数上升了一倍多，2019年的死亡人数约达2.68万人。在高温问题频现的当下，人体降温需求越发受到重视。然而，相较于发展较为完善的室内降温方法(空调、电扇等)，室外降温手段显然尚有许多不足，比如制冷效果与应用范围有限、不方便携带、无法重复使用、续航能力差等问题。

2、随着人们对户外高效、便携式降温装置需求的不断提高，近年来，便携式制冷系统的发展速度很快。河南卡丝特信息科技有限公司发明了一种可穿戴式制冷系统，其原理是在衣服上安装一个微型空调，解决了现有技术中空调衣冷源贴近皮肤、质量大移动不方便的技术问题，包括防风衣、背带吹风装置和微型空调，背带吹风装置包括背带、腰部扣带、背板和送风分流器，但在解决柔性和轻量化问题方面仍需进一步研究。南京医科大学设计出可穿戴磁吸式医用防护服温度调控装置，依靠半导体制热制冷方法，力图实现防护服内温度恒定。虽然实现了自主控制温度，但其由于依赖电路驱动，因此不能水洗，且装置本身存在位移的可能，易在运动过程中导致人体有异物感。

3、本发明提出依靠固液相变温度在20～24℃的非金属化学材料进行相变蓄冷，通过匹配管材进行封存，再搭载到衣物外套上，从而实现在人体指定部位及区域进行缓释降温。本发明实现了无电路、无机械的供冷方式；制冷温度与人体温度之间的温差适宜、不产生强烈冷刺激感；可以做到随外套穿戴，且模块较小，便携且异物感不强烈；可实现快速拆卸和安装，重复利用的程度高。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提出一种利用固液相变温度在20～24℃的非金属化学材料进行相变蓄冷，进而按照设计方案对人体指定部位进行缓释降温的方法。其基本技术原理是：以相变材料为蓄冷和放冷媒介，其选准则为：材质为非金属；固液相变温度在20～24℃；处于相变临界状态时的温度变化波动小；放冷持续时间较长；相变放冷时所能吸收的热量多；放冷时对人体的冷刺激小；材料本身无毒无害。将上述相变材料于液相状态时封装到与其不发生化学反应且不会出现渗透溢漏的管材中。所用管材不可为纯金属材质，其导热率应适宜，过大的导热率会刺激人体皮肤，既影响舒适性又影响放冷缓释效果。进一步地，将封装有相变材料的管材，按设计方案排列固定为合适人体的形状，从而制作成本发明所需的相变蓄-放冷模块5。进一步地，将制作完成的蓄-放冷模块5放置在室温的环境中静置4周，检测是否发生泄漏。通过泄漏检查后，可以出品使用。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种模块化可穿戴式蓄-放冷装置，所述模块化可穿戴式蓄-放冷装置包括配套衣物外套1、盛装管材2、盛装管材2内的相变材料3、用于固定盛装管材2的固定装置4，其中，多条盛装管材2组合形成蓄-放冷模块5。具体地：

4、所述相变材料3为固液相变温度适宜的混合型相变材料，其于液相时封装在已经裁剪完成的盛装管材2中，之后将盛装管材2进行物理热压密封或是利用密封胶密封。最后将若干完成密封的盛装管材2按照设计方案排列，组成适合人体局部区域降温的模块阵列(可根据人体不同部位、不同尺寸空间、不同冷量需求，进行灵活设计制作)，实现蓄-放冷模块5的制作。

5、所述相变材料3，根据本发明对其工作参数的需求及应用特殊环境的限制，需要具有以下特性：(1)安全无毒。选用的相变材料3不能对人体的皮肤产生腐蚀作用、不能对人体有毒性、不能挥发出强烈的刺激性气味干扰人的正常生活。(2)相变温度适宜。人体感到舒适的低温大约在22℃～26℃左右，为了使得蓄-放冷模块5搭载在外套1中放冷工作时，不会对人体产生过大的冷刺激从而引起人体的不适感，需要优化调控温差。而在蓄冷时，需要考察生活中常见可得的冷源及其温度条件，例如家用冰箱作为冷源可提供的温度是–18℃～8℃、可移动半导体冷藏箱可提供的制冷温度是比环境温度降低15℃～25℃。经过志愿者实验以及综合考虑到其他相关约束性条件，化学材料3的相变温度优选为20℃～25℃。(3)相变热量值大。单位质量的相变材料3在固液相变过程中能够吸收的热量多，即相变材料3的固-液潜热值尽可能大。(4)释冷速度适宜。夏季大多数人体的室外暴露时间约为1h，所设计的蓄-放冷模块5对人体所能提供的降温时间为0.8h～1.1h，要求化学材料3的释冷速度适宜、固液相变持续时间为0.7h～1h。少数人群在夏季室外暴露的时间较长，要求蓄-放冷模块5所能提供的制冷时间更长。这可通过及时替换备用蓄-放冷模块5、增加相变材料3填充量并加厚盛装管材、使用混合型相变材料等诸多技术手段解决。(5)材料相容性良好。由于相变材料3需要被封装在盛装管材2中，所以选用的相变材料3不能与盛装管材2发生反应，二者在工作条件下具有稳定的相容性，不会在使用寿命期间出现泄漏、析出等问题。(6)沸点温度远高于人体温度。相变材料3的沸点温度高，不易气化，不产生逸出问题和不凝性气体问题。

6、进一步地，根据上述优选准则，所述相变材料3为以下材料所组成的二元或三元混合物，包括：十二醇(液态)、十七烷、六水氯化钙、脂肪酸共混物om-21、硬脂酸丁酯、棕榈酸乙酯、正十八烷。优选地，棕榈酸乙酯与十二醇(液态)混合物，棕榈酸乙酯天然品存在于杏、酸樱桃、葡萄柚汁、菠萝、红葡萄酒等中；十二醇对人体无毒性无腐蚀性。在日常生活中十二醇经常作为化妆品的原材料之一，对人体皮肤不具有侵蚀性。

7、关于盛装管材2，根据本发明对其工作参数的需求及应用特殊环境的限制，需要具有以下特性：(1)材料相容性良好。为确保安全性，不会发生泄漏，盛装管材2不能与相变材料3发生反应，不会出现析出现象，二者在工作条件下具有稳定的相容性。由于不同的相变材料3的物理结构不同、化学特性不同，使得在选择盛装管材2时要充分对应于不同相变材料3的具体特性。(2)人体可接触性好。由于盛装管材2附着在外套1或安全帽5上，所以要具有良好的人体可接触性。盛装管材3在保持足够强度基础上，还必须具有足够的柔性、一定的弹性、圆润无棱角，以尽量减少对人体产生的异物感。(3)热导能力适宜。过低的导热能力，无法及时有效地将蓄-放冷模块5释放的冷量传导给人体；但过高的导热能力也不可以，因其一方面会对人体产生过激冷刺激、影响舒适性和健康，另一方面会严重影响蓄-放冷模块5的冷量缓释功能，造成释冷时长缩短。(4)耐氧化能力。蓄-放冷模块5被设计为可以被长期、重复性使用，这要求盛装管材2要具有耐氧化性，可重复利用。(5)耐低温能力。蓄-放冷模块5被设计为可在低至–18℃的环境下进行蓄冷，盛装管材2应在–20℃时仍具有足够的耐受性。在–20℃～40℃的温度跨度下，能够正常稳定工作。

8、进一步地，根据上述优选准则，所述盛装管材2为以下六种管材：硅胶管(优选甲基乙烯基苯基硅橡胶管)，氟胶管(优选γ-三氟丙基甲基聚硅氧烷氟胶管)，聚四氟乙烯管、聚氨基甲酸酯管、改性聚乙烯基乙醚管、氯乙烯-丙烯酸酯共聚物管。

9、进一步地，将制作完成的冷模块5放置在室温的环境中静置4周，如果没有泄漏发生，可以出品使用。对完成检漏的蓄-放冷模块5进行蓄冷。蓄-放冷模块5的蓄冷过程是：将蓄-放冷模块5放置于较低温度(低于相变材料3的液固相变温度)的环境下，提供较低温度环境的设备包括但不限于生活中常见的家用冰箱、可移动式半导体制冷箱、冷热型饮水机等，放置0.1h～1h(取决于温度梯度大小、模块大小)，直至蓄-放冷模块5内部的化学材料释放热量，实现由液态向固态的转变，由此便可以完成了无机械压缩、无热电转换的蓄冷过程。

10、进一步地，将完成蓄冷的蓄-放冷模块5安装到相应配套衣物的指定位置，配套衣物需要为蓄-放冷模块5提供优化设计的安装点，安装点是通过cfd软件(例如fluent)模拟以及结合人体工艺学设计得出。配套衣物需要为蓄-放冷模块5提供便捷可靠的可拆卸式的连接结构作为固定装置，可用的固定装置4包括强力魔术贴、粘性泡沫等，此种连接方式能保证衣物可以水洗、多次拆卸重复使用要求。配套衣物优选外套。关于外套和贴身t恤、背心的区别：外套是在t恤、背心或者其他内衣已有情况下，穿戴在面向环境的外层衣物，外套在胸部、背部等区域不会直接接触到人体表面皮肤，而t恤、背心会在较大面积甚至全部都会与人体表面接触。本发明不应用在t恤、背心类衣物上。

11、进一步地，蓄-放冷模块5还可以放置在安全帽7内，为在高温环境下的工作者的头部进行降温。除前述要点外，还需满足以下要求：(1)制冷温度不能过低、冷量释放速度不能过高。一方面，需要通过调整相变材料3的配方以调高相变温度；另一方面，需要使用传热系数偏小的盛装管材2。(2)为了使人体头部传热均匀，所以将盛装管材2以环形方式对称布置在安全帽7的内侧。(3)人体头部感温传感器分布较为密集，所以，为了减少低温对人体头部的刺激，将适宜厚度的泡沫或橡胶垫层添加到安全帽中，进行物理性阻隔。此外，工作场所通常有容积较大的冷藏冰箱，此时可以对蓄-放冷模块5与安全帽7进行一体化设计，免除蓄-放冷模块5的拆卸操作。

12、进一步地，所述太阳能数显测温仪6是一种由太阳能电池板供电、可以检测及显示温度的仪表。太阳能数显测温仪6通过魔术贴安装在外套1的外层，温度传感探头通过纽扣间缝隙进入衣内，并连接到蓄-放冷模块5。当使用者在室外工作时，便可利用太阳能进行充电储电，可以实时检测、显示蓄-放冷模块5附近局部区域的温度。

13、进一步地，为提高制冷效果，配套衣物与蓄-放冷模块5连接处及其附近区域是由湿敏性材料所制。湿敏材料在汗液的刺激下会产生形变，相当于在衣物上开启“通风窗”，在湿敏材料开窗8的作用下，该区域的热量和湿气能快捷地扩散到外界，提升制冷效果和体感舒适度。根据本发明对其工作参数的需求及应用环境特性，优选的湿敏材料包括聚乙二醇/聚己内酯/纤维素纳米晶(peg/pcl/cnc)纳米聚合物、羟乙基纤维素/氧化石墨烯聚合物、聚丙烯酰胺多层水凝胶。

14、使用时，首先将蓄-放冷模块5放置于较低温度(低于相变材料的液固相变温度)的环境下(例如家用冰箱中)，直至蓄-放冷模块5内部的化学材料释放热量，完成由液态向固态的转变。而后取出，将蓄冷后的模块安装到相应配套衣物的指定位置，配套衣物需要为蓄-放冷模块5提供优化设计的安装点(通过cfd(计算流体动力学)软件模拟得出)及便捷可靠的连接结构(例如强力魔术贴)。此外，为了进一步提高制冷效果，配套衣物与蓄-放冷模块5连接处及其附近区域是由湿敏性材料所制。湿敏材料在汗液的刺激下会产生形变，相当于在衣物上开启“通风窗”，使热量和湿气能快捷地扩散到外界。当使用者穿戴该衣物后，蓄-放冷模块5会吸收人体释放的热量，以缓释冷量、间接吸热形式实现对人体对应部位的精准降温，而蓄冷材料自身进行由固态向液态的相态转变。最终，当全部转变为液态后，失去制冷能力。需要再次放置到较低温度(低于液固相变温度)的环境下蓄冷，再生其制冷能力。

15、至此，便实现了利用材料的固液相变进行吸收和释放热量、已达成对人体指定部位及区域进行缓释降温的方法。

16、本发明的有益效果是：

17、(1)无机械压缩、无热电转换式制冷，可以便捷地应用于户外人体冷却；

18、(2)制冷单元模块化，可根据用户制冷需求及使用条件限制，灵活自由组合；

19、(3)制冷温度满足人体舒适度需求，且有冷量缓释功能，减少冷刺激、增加制冷时长；

20、(4)制冷温度可根据用户个性化需求进行调整，通过优化相变材料配方予以实现；

21、(5)制冷区域可调、接触面积可调、模块结构柔性，可实现对人体胸、背、头等核心部位的精准定位降温；

22、(6)蓄冷过程对外界条件要求低，依托常见家用、工商用制冷设备即可实现蓄冷；

23、(7)利用湿敏材料强化热、质传递，进一步提升高湿热环境下的人体局部降温降湿；

24、(8)蓄-放冷模块与配套衣物之间连接可靠，可便捷拆卸及安装，能被多次重复使用；

25、(9)集成性较高，布局方式多样，冷量输出可调，能适用于户外、工地、医疗等多种场景。