本發(fā)明屬于制冷空調(diào)領(lǐng)域，涉及一種利用材料的相變特性進(jìn)行蓄-放冷的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、自工業(yè)革命以來，人類活動所排放的溫室氣體(如二氧化碳、甲烷等)已經(jīng)導(dǎo)致了大氣中溫室氣體含量的增加，從而引起了全球氣溫的上升。根據(jù)國際氣候科學(xué)家的研究，自20世紀(jì)初到現(xiàn)在，全球平均氣溫已經(jīng)上升了約1℃以上，而且持續(xù)上升的趨勢還在繼續(xù)。全球變暖影響人類的健康和生活質(zhì)量，在中國，2020年發(fā)布的《柳葉刀人群健康與氣候變化倒計時中國報告》顯示，在過去20年中，熱浪暴露大約導(dǎo)致中國熱浪相關(guān)死亡人數(shù)上升了一倍多，2019年的死亡人數(shù)約達(dá)2.68萬人。在高溫問題頻現(xiàn)的當(dāng)下，人體降溫需求越發(fā)受到重視。然而，相較于發(fā)展較為完善的室內(nèi)降溫方法(空調(diào)、電扇等)，室外降溫手段顯然尚有許多不足，比如制冷效果與應(yīng)用范圍有限、不方便攜帶、無法重復(fù)使用、續(xù)航能力差等問題。

2、隨著人們對戶外高效、便攜式降溫裝置需求的不斷提高，近年來，便攜式制冷系統(tǒng)的發(fā)展速度很快。河南卡絲特信息科技有限公司發(fā)明了一種可穿戴式制冷系統(tǒng)，其原理是在衣服上安裝一個微型空調(diào)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中空調(diào)衣冷源貼近皮膚、質(zhì)量大移動不方便的技術(shù)問題，包括防風(fēng)衣、背帶吹風(fēng)裝置和微型空調(diào)，背帶吹風(fēng)裝置包括背帶、腰部扣帶、背板和送風(fēng)分流器，但在解決柔性和輕量化問題方面仍需進(jìn)一步研究。南京醫(yī)科大學(xué)設(shè)計出可穿戴磁吸式醫(yī)用防護(hù)服溫度調(diào)控裝置，依靠半導(dǎo)體制熱制冷方法，力圖實(shí)現(xiàn)防護(hù)服內(nèi)溫度恒定。雖然實(shí)現(xiàn)了自主控制溫度，但其由于依賴電路驅(qū)動，因此不能水洗，且裝置本身存在位移的可能，易在運(yùn)動過程中導(dǎo)致人體有異物感。

3、本發(fā)明提出依靠固液相變溫度在20～24℃的非金屬化學(xué)材料進(jìn)行相變蓄冷，通過匹配管材進(jìn)行封存，再搭載到衣物外套上，從而實(shí)現(xiàn)在人體指定部位及區(qū)域進(jìn)行緩釋降溫。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了無電路、無機(jī)械的供冷方式；制冷溫度與人體溫度之間的溫差適宜、不產(chǎn)生強(qiáng)烈冷刺激感；可以做到隨外套穿戴，且模塊較小，便攜且異物感不強(qiáng)烈；可實(shí)現(xiàn)快速拆卸和安裝，重復(fù)利用的程度高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種利用固液相變溫度在20～24℃的非金屬化學(xué)材料進(jìn)行相變蓄冷，進(jìn)而按照設(shè)計方案對人體指定部位進(jìn)行緩釋降溫的方法。其基本技術(shù)原理是：以相變材料為蓄冷和放冷媒介，其選準(zhǔn)則為：材質(zhì)為非金屬；固液相變溫度在20～24℃；處于相變臨界狀態(tài)時的溫度變化波動?。环爬涑掷m(xù)時間較長；相變放冷時所能吸收的熱量多；放冷時對人體的冷刺激??；材料本身無毒無害。將上述相變材料于液相狀態(tài)時封裝到與其不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且不會出現(xiàn)滲透溢漏的管材中。所用管材不可為純金屬材質(zhì)，其導(dǎo)熱率應(yīng)適宜，過大的導(dǎo)熱率會刺激人體皮膚，既影響舒適性又影響放冷緩釋效果。進(jìn)一步地，將封裝有相變材料的管材，按設(shè)計方案排列固定為合適人體的形狀，從而制作成本發(fā)明所需的相變蓄-放冷模塊5。進(jìn)一步地，將制作完成的蓄-放冷模塊5放置在室溫的環(huán)境中靜置4周，檢測是否發(fā)生泄漏。通過泄漏檢查后，可以出品使用。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、一種模塊化可穿戴式蓄-放冷裝置，所述模塊化可穿戴式蓄-放冷裝置包括配套衣物外套1、盛裝管材2、盛裝管材2內(nèi)的相變材料3、用于固定盛裝管材2的固定裝置4，其中，多條盛裝管材2組合形成蓄-放冷模塊5。具體地：

4、所述相變材料3為固液相變溫度適宜的混合型相變材料，其于液相時封裝在已經(jīng)裁剪完成的盛裝管材2中，之后將盛裝管材2進(jìn)行物理熱壓密封或是利用密封膠密封。最后將若干完成密封的盛裝管材2按照設(shè)計方案排列，組成適合人體局部區(qū)域降溫的模塊陣列(可根據(jù)人體不同部位、不同尺寸空間、不同冷量需求，進(jìn)行靈活設(shè)計制作)，實(shí)現(xiàn)蓄-放冷模塊5的制作。

5、所述相變材料3，根據(jù)本發(fā)明對其工作參數(shù)的需求及應(yīng)用特殊環(huán)境的限制，需要具有以下特性：(1)安全無毒。選用的相變材料3不能對人體的皮膚產(chǎn)生腐蝕作用、不能對人體有毒性、不能揮發(fā)出強(qiáng)烈的刺激性氣味干擾人的正常生活。(2)相變溫度適宜。人體感到舒適的低溫大約在22℃～26℃左右，為了使得蓄-放冷模塊5搭載在外套1中放冷工作時，不會對人體產(chǎn)生過大的冷刺激從而引起人體的不適感，需要優(yōu)化調(diào)控溫差。而在蓄冷時，需要考察生活中常見可得的冷源及其溫度條件，例如家用冰箱作為冷源可提供的溫度是–18℃～8℃、可移動半導(dǎo)體冷藏箱可提供的制冷溫度是比環(huán)境溫度降低15℃～25℃。經(jīng)過志愿者實(shí)驗(yàn)以及綜合考慮到其他相關(guān)約束性條件，化學(xué)材料3的相變溫度優(yōu)選為20℃～25℃。(3)相變熱量值大。單位質(zhì)量的相變材料3在固液相變過程中能夠吸收的熱量多，即相變材料3的固-液潛熱值盡可能大。(4)釋冷速度適宜。夏季大多數(shù)人體的室外暴露時間約為1h，所設(shè)計的蓄-放冷模塊5對人體所能提供的降溫時間為0.8h～1.1h，要求化學(xué)材料3的釋冷速度適宜、固液相變持續(xù)時間為0.7h～1h。少數(shù)人群在夏季室外暴露的時間較長，要求蓄-放冷模塊5所能提供的制冷時間更長。這可通過及時替換備用蓄-放冷模塊5、增加相變材料3填充量并加厚盛裝管材、使用混合型相變材料等諸多技術(shù)手段解決。(5)材料相容性良好。由于相變材料3需要被封裝在盛裝管材2中，所以選用的相變材料3不能與盛裝管材2發(fā)生反應(yīng)，二者在工作條件下具有穩(wěn)定的相容性，不會在使用壽命期間出現(xiàn)泄漏、析出等問題。(6)沸點(diǎn)溫度遠(yuǎn)高于人體溫度。相變材料3的沸點(diǎn)溫度高，不易氣化，不產(chǎn)生逸出問題和不凝性氣體問題。

6、進(jìn)一步地，根據(jù)上述優(yōu)選準(zhǔn)則，所述相變材料3為以下材料所組成的二元或三元混合物，包括：十二醇(液態(tài))、十七烷、六水氯化鈣、脂肪酸共混物om-21、硬脂酸丁酯、棕櫚酸乙酯、正十八烷。優(yōu)選地，棕櫚酸乙酯與十二醇(液態(tài))混合物，棕櫚酸乙酯天然品存在于杏、酸櫻桃、葡萄柚汁、菠蘿、紅葡萄酒等中；十二醇對人體無毒性無腐蝕性。在日常生活中十二醇經(jīng)常作為化妝品的原材料之一，對人體皮膚不具有侵蝕性。

7、關(guān)于盛裝管材2，根據(jù)本發(fā)明對其工作參數(shù)的需求及應(yīng)用特殊環(huán)境的限制，需要具有以下特性：(1)材料相容性良好。為確保安全性，不會發(fā)生泄漏，盛裝管材2不能與相變材料3發(fā)生反應(yīng)，不會出現(xiàn)析出現(xiàn)象，二者在工作條件下具有穩(wěn)定的相容性。由于不同的相變材料3的物理結(jié)構(gòu)不同、化學(xué)特性不同，使得在選擇盛裝管材2時要充分對應(yīng)于不同相變材料3的具體特性。(2)人體可接觸性好。由于盛裝管材2附著在外套1或安全帽5上，所以要具有良好的人體可接觸性。盛裝管材3在保持足夠強(qiáng)度基礎(chǔ)上，還必須具有足夠的柔性、一定的彈性、圓潤無棱角，以盡量減少對人體產(chǎn)生的異物感。(3)熱導(dǎo)能力適宜。過低的導(dǎo)熱能力，無法及時有效地將蓄-放冷模塊5釋放的冷量傳導(dǎo)給人體；但過高的導(dǎo)熱能力也不可以，因其一方面會對人體產(chǎn)生過激冷刺激、影響舒適性和健康，另一方面會嚴(yán)重影響蓄-放冷模塊5的冷量緩釋功能，造成釋冷時長縮短。(4)耐氧化能力。蓄-放冷模塊5被設(shè)計為可以被長期、重復(fù)性使用，這要求盛裝管材2要具有耐氧化性，可重復(fù)利用。(5)耐低溫能力。蓄-放冷模塊5被設(shè)計為可在低至–18℃的環(huán)境下進(jìn)行蓄冷，盛裝管材2應(yīng)在–20℃時仍具有足夠的耐受性。在–20℃～40℃的溫度跨度下，能夠正常穩(wěn)定工作。

8、進(jìn)一步地，根據(jù)上述優(yōu)選準(zhǔn)則，所述盛裝管材2為以下六種管材：硅膠管(優(yōu)選甲基乙烯基苯基硅橡膠管)，氟膠管(優(yōu)選γ-三氟丙基甲基聚硅氧烷氟膠管)，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、進(jìn)一步地，將制作完成的冷模塊5放置在室溫的環(huán)境中靜置4周，如果沒有泄漏發(fā)生，可以出品使用。對完成檢漏的蓄-放冷模塊5進(jìn)行蓄冷。蓄-放冷模塊5的蓄冷過程是：將蓄-放冷模塊5放置于較低溫度(低于相變材料3的液固相變溫度)的環(huán)境下，提供較低溫度環(huán)境的設(shè)備包括但不限于生活中常見的家用冰箱、可移動式半導(dǎo)體制冷箱、冷熱型飲水機(jī)等，放置0.1h～1h(取決于溫度梯度大小、模塊大小)，直至蓄-放冷模塊5內(nèi)部的化學(xué)材料釋放熱量，實(shí)現(xiàn)由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變，由此便可以完成了無機(jī)械壓縮、無熱電轉(zhuǎn)換的蓄冷過程。

10、進(jìn)一步地，將完成蓄冷的蓄-放冷模塊5安裝到相應(yīng)配套衣物的指定位置，配套衣物需要為蓄-放冷模塊5提供優(yōu)化設(shè)計的安裝點(diǎn)，安裝點(diǎn)是通過cfd軟件(例如fluent)模擬以及結(jié)合人體工藝學(xué)設(shè)計得出。配套衣物需要為蓄-放冷模塊5提供便捷可靠的可拆卸式的連接結(jié)構(gòu)作為固定裝置，可用的固定裝置4包括強(qiáng)力魔術(shù)貼、粘性泡沫等，此種連接方式能保證衣物可以水洗、多次拆卸重復(fù)使用要求。配套衣物優(yōu)選外套。關(guān)于外套和貼身t恤、背心的區(qū)別：外套是在t恤、背心或者其他內(nèi)衣已有情況下，穿戴在面向環(huán)境的外層衣物，外套在胸部、背部等區(qū)域不會直接接觸到人體表面皮膚，而t恤、背心會在較大面積甚至全部都會與人體表面接觸。本發(fā)明不應(yīng)用在t恤、背心類衣物上。

11、進(jìn)一步地，蓄-放冷模塊5還可以放置在安全帽7內(nèi)，為在高溫環(huán)境下的工作者的頭部進(jìn)行降溫。除前述要點(diǎn)外，還需滿足以下要求：(1)制冷溫度不能過低、冷量釋放速度不能過高。一方面，需要通過調(diào)整相變材料3的配方以調(diào)高相變溫度；另一方面，需要使用傳熱系數(shù)偏小的盛裝管材2。(2)為了使人體頭部傳熱均勻，所以將盛裝管材2以環(huán)形方式對稱布置在安全帽7的內(nèi)側(cè)。(3)人體頭部感溫傳感器分布較為密集，所以，為了減少低溫對人體頭部的刺激，將適宜厚度的泡沫或橡膠墊層添加到安全帽中，進(jìn)行物理性阻隔。此外，工作場所通常有容積較大的冷藏冰箱，此時可以對蓄-放冷模塊5與安全帽7進(jìn)行一體化設(shè)計，免除蓄-放冷模塊5的拆卸操作。

12、進(jìn)一步地，所述太陽能數(shù)顯測溫儀6是一種由太陽能電池板供電、可以檢測及顯示溫度的儀表。太陽能數(shù)顯測溫儀6通過魔術(shù)貼安裝在外套1的外層，溫度傳感探頭通過紐扣間縫隙進(jìn)入衣內(nèi)，并連接到蓄-放冷模塊5。當(dāng)使用者在室外工作時，便可利用太陽能進(jìn)行充電儲電，可以實(shí)時檢測、顯示蓄-放冷模塊5附近局部區(qū)域的溫度。

13、進(jìn)一步地，為提高制冷效果，配套衣物與蓄-放冷模塊5連接處及其附近區(qū)域是由濕敏性材料所制。濕敏材料在汗液的刺激下會產(chǎn)生形變，相當(dāng)于在衣物上開啟“通風(fēng)窗”，在濕敏材料開窗8的作用下，該區(qū)域的熱量和濕氣能快捷地擴(kuò)散到外界，提升制冷效果和體感舒適度。根據(jù)本發(fā)明對其工作參數(shù)的需求及應(yīng)用環(huán)境特性，優(yōu)選的濕敏材料包括聚乙二醇/聚己內(nèi)酯/纖維素納米晶(peg/pcl/cnc)納米聚合物、羥乙基纖維素/氧化石墨烯聚合物、聚丙烯酰胺多層水凝膠。

14、使用時，首先將蓄-放冷模塊5放置于較低溫度(低于相變材料的液固相變溫度)的環(huán)境下(例如家用冰箱中)，直至蓄-放冷模塊5內(nèi)部的化學(xué)材料釋放熱量，完成由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變。而后取出，將蓄冷后的模塊安裝到相應(yīng)配套衣物的指定位置，配套衣物需要為蓄-放冷模塊5提供優(yōu)化設(shè)計的安裝點(diǎn)(通過cfd(計算流體動力學(xué))軟件模擬得出)及便捷可靠的連接結(jié)構(gòu)(例如強(qiáng)力魔術(shù)貼)。此外，為了進(jìn)一步提高制冷效果，配套衣物與蓄-放冷模塊5連接處及其附近區(qū)域是由濕敏性材料所制。濕敏材料在汗液的刺激下會產(chǎn)生形變，相當(dāng)于在衣物上開啟“通風(fēng)窗”，使熱量和濕氣能快捷地擴(kuò)散到外界。當(dāng)使用者穿戴該衣物后，蓄-放冷模塊5會吸收人體釋放的熱量，以緩釋冷量、間接吸熱形式實(shí)現(xiàn)對人體對應(yīng)部位的精準(zhǔn)降溫，而蓄冷材料自身進(jìn)行由固態(tài)向液態(tài)的相態(tài)轉(zhuǎn)變。最終，當(dāng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)后，失去制冷能力。需要再次放置到較低溫度(低于液固相變溫度)的環(huán)境下蓄冷，再生其制冷能力。

15、至此，便實(shí)現(xiàn)了利用材料的固液相變進(jìn)行吸收和釋放熱量、已達(dá)成對人體指定部位及區(qū)域進(jìn)行緩釋降溫的方法。

16、本發(fā)明的有益效果是：

17、(1)無機(jī)械壓縮、無熱電轉(zhuǎn)換式制冷，可以便捷地應(yīng)用于戶外人體冷卻；

18、(2)制冷單元模塊化，可根據(jù)用戶制冷需求及使用條件限制，靈活自由組合；

19、(3)制冷溫度滿足人體舒適度需求，且有冷量緩釋功能，減少冷刺激、增加制冷時長；

20、(4)制冷溫度可根據(jù)用戶個性化需求進(jìn)行調(diào)整，通過優(yōu)化相變材料配方予以實(shí)現(xiàn)；

21、(5)制冷區(qū)域可調(diào)、接觸面積可調(diào)、模塊結(jié)構(gòu)柔性，可實(shí)現(xiàn)對人體胸、背、頭等核心部位的精準(zhǔn)定位降溫；

22、(6)蓄冷過程對外界條件要求低，依托常見家用、工商用制冷設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)蓄冷；

23、(7)利用濕敏材料強(qiáng)化熱、質(zhì)傳遞，進(jìn)一步提升高濕熱環(huán)境下的人體局部降溫降濕；

24、(8)蓄-放冷模塊與配套衣物之間連接可靠，可便捷拆卸及安裝，能被多次重復(fù)使用；

25、(9)集成性較高，布局方式多樣，冷量輸出可調(diào)，能適用于戶外、工地、醫(yī)療等多種場景。