可穿戴冷卻和加熱貼片可用作個人恒溫器并節(jié)省能源

加加利福尼亞大學圣地亞哥分校的工程師開發(fā)出一種可穿戴的貼片，可以在家中，工作中或在旅途中提供個性化的冷卻和加熱。柔軟，有彈性的貼片可將使用者的皮膚冷卻或溫暖至舒適的溫度，并在環(huán)境溫度變化時將其保持在那里。它由柔韌的可拉伸電池組供電，可嵌入衣服中。研究人員表示，佩戴它可以幫助節(jié)省空調(diào)和暖氣的能量。

“這種類型的設備可以提高您的個人熱舒適度，無論您是在炎熱的天氣上通勤還是在辦公室感覺太冷，” 負責該研究的加州大學圣地亞哥分校機械和航空航天工程教授Renkun Chen說。

該設備處于概念驗證階段，也可以節(jié)省能源。“如果佩戴這種裝置可以讓你在更寬的溫度范圍內(nèi)感覺舒適，那么你不需要在夏天盡可能多地調(diào)低恒溫器，或者在冬天加熱，”陳說。例如，在夏季將建筑物的設定溫度保持在12度，可以將冷卻成本降低約70%，他指出。

市場上有各種各樣的個人冷卻和加熱裝置，但它們不是最方便佩戴或攜帶的。有些人使用風扇，有些需要浸泡或充滿水等液體。

陳和加州大學圣地亞哥雅各布斯工程學院的一組研究人員設計了他們的設備，穿著舒適方便。它靈活，輕便，可輕松集成到服裝中。

貼片由熱電合金材料制成，這些材料使用電力產(chǎn)生溫差，反之亦然 - 夾在彈性彈性體片之間。該裝置將皮膚物理地冷卻或加熱到佩戴者選擇的溫度。

“你可以將它放在比身體其他部位更快或更快冷卻的地方，例如背部，頸部，腳部或手臂，以便在太熱或太冷時保持舒適，”首先說。作者Sahngki Hong，加州大學圣地亞哥分校機械工程校友，曾作為博士學位參與該項目。陳氏實驗室的學生。

研究人員將貼片原型嵌入網(wǎng)狀臂帶，并在男性受試者身上進行測試。測試在溫控環(huán)境中進行。在兩分鐘內(nèi)，貼片將測試儀的皮膚冷卻至89.6華氏度的設定溫度。當環(huán)境溫度在71.6和96.8華氏度之間變化時，它使測試儀的皮膚保持在該溫度。

最終目標是將多個貼片組合在一起，以創(chuàng)建可用于個性化冷卻和加熱的智能服裝。因此，工程師設計了一種柔軟的電子貼片，可以拉伸，彎曲和扭曲，而不會影響其電子功能。

這項工作是加州大學圣地亞哥雅各布斯工程學院的幾個研究小組之間的合作。專門研究傳熱技術的陳氏實驗室領導了這項研究。他們與納米工程教授盛旭，可伸縮電子學專家，電池技術專家Shirley Meng，電池專家Ping Liu和可穿戴傳感器專家Joseph Wang合作。

研究人員通過采用小柱熱電材料(由碲化鉍合金制成)，將它們焊接到薄銅電極條上，并將它們夾在兩塊彈性體板之間來制造貼片。

這些板材經(jīng)過特殊設計，可在柔軟和有彈性的同時傳導熱量。研究人員通過將名為Ecoflex的橡膠材料與氮化鋁粉末(一種具有高導熱性的材料)混合來制造片材。

貼片使用電流將熱量從一個彈性體片材移動到另一個彈性體片材。當電流流過碲化鉍柱時，它會隨之驅動熱量，導致貼片的一側升溫而另一側冷卻。

“為了做冷卻，我們將當前的泵熱量從皮膚側到面向外面的層，”Chen解釋道。“為了加熱，我們只是將電流反向轉向另一個方向的熱泵。”

貼片由柔性電池組供電。它由一系列紐扣電池組成，全部由彈簧形銅線連接并嵌入可拉伸材料中。

一個貼片的尺寸為5×5厘米，功耗高達0.2瓦。Chen的團隊估計需要144個補丁來制造冷卻背心。這將使用大約26瓦特來保持個人在平均炎熱天氣中保持涼爽(在極端高溫期間，估計的功率使用將攀升至80瓦特，這大約是筆記本電腦使用的數(shù)量)。相比之下，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)使用數(shù)十千瓦來冷卻整個辦公室。

研究人員指出，與大房間相比，冷卻個人的能源效率更高。“如果那個房間里只有少數(shù)幾個人，那么你每人基本上要消耗數(shù)千瓦的冷卻能力。像補丁這樣的設備可以大幅減少冷卻費用，”陳說。

該團隊現(xiàn)在正在開發(fā)可以內(nèi)置到原型冷卻和加熱背心的補丁。他們希望在幾年內(nèi)將該技術商業(yè)化。

“我們已經(jīng)解決了根本問題，現(xiàn)在我們正在解決重大的工程問題 - 電子，硬件和開發(fā)移動應用來控制溫度，”陳說。