一种基于帕尔贴效应的个人热舒适装置

摘要

本发明公开了一种基于帕尔贴效应的个人热舒适装置，包括热电模块、散热风扇、外部封装模块、微型鼓风机、微型软管网络；所述热电模块热冷两侧分别贴附散热板，热电模块和散热风扇通过带通道的外部封装模块组成一体结构，该一体结构的一端连接微型鼓风机，该一体结构的另一端连接微型软管网络；微型鼓风机提供冷或热气流并通过微型软管网络通向特殊服装，为人体全身提供所需热源或者冷源。本发明选用特定的热电模块，散热风扇和散热板，将其组合成一个可拆解、便携化热电转换装置。选择微型鼓风机将冷能送入特殊服装。整套设备具有便携化、能效优、可控温的优点。结合建筑采暖通风中央空调系统，可以建立局部热环境，改善个人热舒适度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于帕尔贴效应的个人热管理控制装置背景下的个人热舒适装置，属于热电转换技术领域。

背景技术

最早的个人热管理装置是为了适应现代化战争的需要，解决在高热环境下由于热应激效应造成的作业人员体能消耗过快、注意力不集中、大脑反应迟钝等问题而研发的。目前用于个人热管理的服装种类多样，一类是通过液体或空气加热或冷却，一类是加入相变材料产生化学反应来进行能量转换。

国内外在使用热电能量转换来提供加热和冷却的设备也有研究，热电冷却已迅速成为适用于多种类型电子设备的实用技术。当今市场中的设备也都非常紧凑、高效，再加上先进的内部结构优势，各型基于帕尔贴效应的热电模块发展迅速。为保持一些电子元件温度稳定，确保元件的稳定性和精确性，常常将散热板和散热小风扇结合起来使用来给电子器件降温。

结合建筑物采暖通风系统扩大室内温度调节范围，2018年美国科罗拉多大学博尔德分校和西安交通大学热流体科学与工程实验室共同研发的一套个人热管理装置已有雏形，其核心组件是将散热板、热电模块、散热小风扇结合组装成简易的热电转换模块，但是效果不甚显著，温度调节范围过小且不可控。

发明内容

针对已有热电转换装置雏形，在我们研发的一种基于帕尔贴效应的个人热管理控制装置的背景下，使核心组件发挥最大能效，使温度可调范围最大化，通过仿真及实验数据确定热电模块、散热小风扇的具体选择，确定散热板的翅片分布与结构，确定装置的主体封装结构及进风口、出风口布局，组合成一套便携式且能效最优的热电能量转换模块。结合微型鼓风机，设计服装内软管布局，设计出可控温的个人热舒适装置。

本发明的技术方案为：一种基于帕尔贴效应的个人热舒适装置，包括热电模块、散热风扇、外部封装模块、微型鼓风机、微型软管网络；所述热电模块热冷两侧分别贴附散热板，热电模块和散热风扇通过带通道的外部封装模块组成一体结构，该一体结构为热电转换装置，该装置的一端连接微型鼓风机，装置的另一端连接微型软管网络；微型鼓风机提供冷或热气流并通向设计有微型软管网络的服装，为人体全身提供所需热源或者冷源。

进一步，所述热电模块包括三层结构，中间层单体由碲化铋半导体构成的热电偶和导流片串联形成，中间层两侧为氧化铝陶瓷层。

进一步，所述散热风扇和热电模块尺寸相匹配，散热风扇带有多片扇叶。

进一步，所述散热板包括热侧散热板、冷侧散热板；

所述热侧散热板材料选择紫铜材质，片状翅片选择直通式；

所述冷侧散热板选择铝质或者铜质散热板，散热板翅片的分为直通式一列、四列、多列密齿；所述冷侧散热板翅片厚度优化范围0.5-1.5mm，间距优化范围0.5-1.5mm。

进一步，所述热侧散热板整体尺寸40*40*11mm，底座厚3mm，25片翅片，每个厚0.5mm；

所述冷侧散热板翅片为四列翅片、厚0.8mm、间距0.6mm。

进一步，所述外部封装模块包括装置主框架封装，以及与装置主框架封装两侧分别连通的外部气流进风口、封装后盖及出风口；

所述外部气流进风口包括圆孔柱体的圆孔柱体进风口4、矩形状的主框架与进风口的连接体5、平滑曲面6、预留孔7、内侧进风口8；进风口4和主框架与进风口的连接体5之间通过平滑曲面6连接；在主框架与进风口的连接体5的两个相邻侧面的两端开有预留孔7，为热电模块留有线位；此外，主框架与进风口的连接体5的一侧底面还设有内侧进风口8；

所述装置主框架封装为壳体结构，其顶端设有圆形小风扇排风口12，装置主框架封装的左右侧面均对称的开有第二热侧散热板散热通风口16，装置主框架封装的的后侧面从上而下依次开有小风扇线位孔13、第一热侧散热板散热通风口15、水平对称设置的两个热电模块线位孔14、内侧进风口8的对应口17；装置主框架封装的前侧为前侧壳体10，该前侧面为开口端面；装置主框架封装内部通过热侧散热板与小风扇间隔11分隔成上下两侧；上侧设有热侧散热板的散热主腔体及散热风扇排风口；下侧设有冷侧散热板的换热主腔体；

所述封装后盖及出风口包括封装后盖、连接平滑曲面20、圆孔柱出风口21，上述封装后盖设计成双层，侧向截面为类L型壳体，类L型壳体的竖直面一侧卡合在前侧壳体10上，类L型壳体的竖直面另一侧底部凸出的矩形端通过连接平滑曲面20连接圆孔柱出风口21，此外，类L型壳体的竖直面另一侧上还开有第一热侧散热板散热通风口15的对应口22。

进一步，所述微型软管网络包括分叉型的Y型拓扑结构，或者环绕型的O型拓扑结构。

本发明的技术效果为：

该装置共六个部件，一是基于帕尔贴效应的热电模块，选用的热电模块三层结构，中间层单体由碲化铋半导体构成的热电偶和导流片串联形成，碲化铋半导体具有天然的各相异性，是非常好的应用广泛的热电材料。中间层两侧为氧化铝陶瓷层，具有较好的热传导性、机械强度和耐高温性。用于夏季降温提供冷源效果显著。

二是散热风扇，散热风扇的尺寸与热电模块匹配，尽可能地多片扇叶，大功率下的风扇转速大，风量大，由于热电模块热冷两侧温差ΔT正比于输入电压(ΔT∝V)，电压愈大温差ΔT愈大，则对散热板热侧充分散热，即冷侧降温效果更佳，冷侧温度可达7.8℃。

三是热冷两侧散热板，为使冷侧温度达到更低温度，热侧需要充分散热，选用紫铜材质散热板，整体尺寸40*40*11mm，底座厚3mm，25片翅片，每个厚0.5mm。在输入电压为4.5V，电流为2.37A时，热侧温度经过散热板后温度可降至30.5℃。冷侧通过铝质散热板储存冷能，冷侧散热板为四列翅片、厚0.8mm、间距0.6mm，对外部气流的风速影响小并且能储存大量冷能。

四是外部封装模块，将热电模块、散热板和散热风扇封装成简易热电能量转换装置，将模块集成化，并且设计外部气流进风口和出风口以及各个器件走线和散热通风口，封装后热电转换装置便携可拆卸，交错类L型壳体设计让外部气流在壳体内循环流动，可使冷测储能充分被外部气流带走。

五是微型鼓风机，外部气流提供装置，风量大，风速可调，能为装置运行供给风能。

六是微型软管网络，热电模块产生的冷能经过冷测散热板在封装壳体内储存后，由微型鼓风机提供外部气流，将冷流吹向编有微型软管网络的特殊服装，用于人体降温以达到改善人体舒适度的要求。人体胸部、后背感温较敏感，提供分叉型的Y型拓扑结构和环绕型的O型拓扑结构，软管网络主要流经胸部和背部，降温效果明显。

附图说明

图1、帕尔贴效应基本原理图；

图2、热电模块结构图；

图3、散热风扇外形结构；

图4、热侧铜质散热板结构；

图5、冷侧铝质散热板结构；

图6、外部气流进风口封装图；

图7、装置封装主框架；

图8、封装后盖及出风口；

图9、服装内软管网络布局；(a)为Y型；(b)为O型；

图10、热电模块两侧贴附散热板示意图；

图11、热电能量转换装置整体示意图；

图12、个人热舒适装置示意图。

图中，1-第一氧化铝陶瓷层；2-中间层单体；3-第二氧化铝陶瓷层；4-圆孔柱体进风口；5-矩形状的主框架与进风口的连接体；6-平滑曲面；7-预留孔；8-内侧进风口；9-侧面壳体；10-前侧壳体；11-热侧散热板与小风扇间隔；12-圆形小风扇排风口；13-小风扇线位孔；14-线位孔；15-第一热侧散热板散热通风口；16-第二热侧散热板散热通风口；17-内侧进风口8的对应口；18-类L型壳体的竖直面顶端；19-类L型壳体的竖直面后端；20-连接平滑曲面；21-圆孔柱出风口；22-第一热侧散热板散热通风口15的对应口。

具体实施方式

本发明所提出的基于帕尔贴效应的个人热舒适装置(以夏季制冷为例，也可实现冬季制热)，主要包括：

(1)选用合适的基于帕尔贴效应的热电模块，满足个人热管理装置的尺寸、电压、功率、工作温度等指标。

(2)选用与热电模块尺寸匹配的散热风扇，满足个人热管理装置的体积、功率、风速等指标。

(3)热电模块热冷两侧分别贴附散热板。确定模块两侧的散热板材质，翅片布局和尺寸等参数。方法为：利用UG软件制作散热板几何模型，利用Fluent软件对散热效果进行CFD仿真和优化。根据优化结果确定参数。

(4)依据(1)～(3)选定的各组件尺寸，利用3D打印技术实现装置的封装。满足便携化、可拆解、能效优等热管理指标。

(5)微型鼓风机放置于装置外部，通过软管提供外部气流，满足便携性、功率、风量等指标。

(6)设计微型软管网络布局，满足装置能效最优指标。

所述设计过程(1)中，帕尔贴效应基本原理为由N、P型半导体材料组成一对热电偶，当热电偶通入直流电流后，因直流电通入的方向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象。如图1所示。

基于帕尔贴效应的热电模块有三层结构组成(图2)，两侧为第一、第二氧化铝陶瓷层(图中1，3所示)，中间层单体2由碲化铋半导体构成的热电偶和导热性、导电性较好的导流片串联形成(图中2所示)。个人热管理装置中的热电模块需满足参数要求：长*宽*厚＝40*40*(3～4)mm，工作电流小于12A，额定电压小于24V，最大功率：80～150W，工作温度范围：-55℃-80℃。

比较三种满足条件的帕尔贴效应热电模块，分别为ZT8-12-F1-4040型、TEC1-12706型及TEC1-12710型。其中TEC1-12710型热电模块，制冷功率最大，可达120W，两侧温度差在58℃以上，实验测得冷侧最低温度低至7.2℃，能为装置提供充分冷源。TEC1-12710型热电模块外观尺寸40*40*3.4mm；内部电阻1.2-1.5Ω；工作电流IMAX＝10A(15VMAX电压启动时)；额定电压DC12V(VMAX＝15.5V)；工作环境温度范围-55℃-83℃。均满足设计要求。

所述设计过程(2)中，为使整个装置结构紧凑、便于封装，散热风扇的尺寸应与热电模块匹配，具体尺寸要求：长*宽＝40*40mm。其他参数要求：直流电压：12V，电流小于1A，风机转速大于10000RPM，工作湿度范围：45％-85％。风扇应具备如图3所示的外形结构。

对比三种型号散热风扇，分别为LFFAN-LFS0412SL(DC:12V 0.30A)、TELTA-AFB0412SHB(DC:12V 0.35A)和SAN ACE40-9GV0412P3J11(DC:12V 0.60A)，其中TELTA-AFB0412SHB(DC:12V 0.35A)具备七片扇叶，外观尺寸为40*40*15mm，12V直流供电，可在相对湿度45％-85％的环境下工作，具备充足的散热风量和风压，风量较大(14.83CFM),工作噪音小，风扇转速可达到11000RPM。各参数满足设计要求。

所述设计过程(3)中，热电模块两侧温度差ΔT正比于输入电压(ΔT∝V)。夏季热电模块需对冷侧储能，对热侧散热。热冷两侧散热板的设计采用以下不同方法。

热侧散热板以快速、充分降温为主要目标。材料选择紫铜材质，片状翅片选择直通式，其它设计参数：整体尺寸40*40*11mm，底座厚3mm，25片翅片，每个厚0.5mm。其结构图如图4所示。

冷侧需要充分储存冷能，其拓扑结构和尺寸是关键因素。冷侧散热板的参数选择(散热板尺寸及翅片布局)采用流体动力学(CFD)仿真进行优化。基本步骤为：利用UG软件制作散热板几何模型，利用Fluent软件对散热效果进行CFD仿真和优化。优化参数包括散热板翅片的布局、厚度、间距三个方面，其中布局分三类：直通式一列、四列、多列密齿；翅片厚度优化范围0.5-1.5mm，间距优化范围0.5-1.5mm。优化目标为冷测储能效果最优。结果显示：四列翅片、厚0.8mm、间距0.6mm的散热板可使出风口气流温度最低。通过比较发现铝、铜质散热板储能效果差异不大，考虑成本因素选择如图5所示铝质散热板结构，整体尺寸40*40*11mm。

所述设计过程(4)中，3D打印选用ABS耗材；所设计的外部封装模块包括三部分：外部气流进风口、装置主框架封装、封装后盖及出风口。

①外部气流进风口部分见图6，具体尺寸如下：

4—圆孔柱体进风口，内径7mm,外径11mm，壁厚2mm，柱体长13mm，进风口偏向一侧距中心8mm；

5—主框架与进风口的连接体，总宽度8.5mm，壁厚2mm，节省材料中部置空；

6—平滑曲面，壁厚2mm；

7—预留孔，在进风口与主框架连接部分两端距边5.5mm开直径3.2mm预留孔，孔深6mm，为热电模块留有线位；

8—内侧进风口，贯穿5连通4、6，长32mm宽9mm，与两侧直径9mm的半圆弧相切，同进风口圆孔柱体偏向同一侧，距底部2.8mm；距边3mm。

②装置主框架封装部分见图7。此部分上侧设有热侧散热板的散热主腔体及散热风扇排风口；此部分下侧设有冷侧散热板的换热主腔体。具体参数如下：

主框架47*47*50mm；9—侧面壳体，左右壁厚3mm；10—前侧壳体，上下壁厚2.8mm；

11—热侧散热板与小风扇间隔，间隔为2mm，距底部29.3mm，距顶端18.7mm；

12—小风扇排风口，顶端38mm小风扇排风口；

13—小风扇线位孔，距边12mm，中心距间隔11有9.5mm，边长7mm；

14—热电模块线位孔，距边5.5mm，距底15.8mm，两侧对称；

15—第一热侧散热板散热通风口，15尺寸：长34mm宽10mm，紧贴11下端中心位置；、

16—第二热侧散热板散热通风口，16尺寸：长38mm宽10mm，四角做弧形处理，高度位置同15，侧壁中心位置，两侧对称；

17—内侧进风口8的对应口，同8通进风口。

③封装后盖及出风口部分见图8。考虑材料的硬度和结构的稳固，封装后盖设计成双层的壳体。后盖贴合框架的凹槽，双层壁厚为2.5mm，中间空腔宽8mm。外端出风口设计同图7，圆孔柱出风口21和内测出风口与进风口测相反偏向另一端。使气流在装置内形成回流，便于充分换热，携带热电模块产生的冷能再吹向树状管道。尺寸参数如下：

18—类L型壳体的竖直面顶端(一侧)，同10壁厚2.8mm，19—类L型壳体的竖直面后端(另一侧)，壁厚2.5mm，20—连接平滑曲面，厚2mm；

22—第一热侧散热板散热通风口15的对应口，尺寸同第一热侧散热板散热通风口15，角做半圆形处理。

所述设计过程(5)中，由微型鼓风机提供气流带走冷能并通过软管网络通向人体全身。微型鼓风机需满足功率、风量、体积等指标。具体参数要求：风口风速可调15-30m/s，直流电压：24-36V，功率：50-100W，风压：5-10KPa，机身尺寸：直径70mm，高小于40mm。微型鼓风机WM7040-24V满足各项要求。

所述设计过程(6)中，设计服装内软管网络布局，选择两种网络拓扑：“Y”型和“O”型，如图9所示。

图10为两块散热板贴附在热电模块两侧的示意图。图11为热电能量转换装置的整体效果图。热电模块制冷侧在下部，由下部换热腔体暂存冷能。外部气流进风口、出风口不在同一直线，左右交错的设计使气流能充分带走热电模块产生的冷能。热电模块的热侧在上部，封装四面留有通风口，在热侧散热板上方安装散热风扇，帮助热侧充分散热。根据选择的组件和外部封装模块的特点，该装置质量轻，尺寸小，能效优且足够便携。加入控制模块可实现对其温度输出的控制。图12展示了热电转换装置搭配微型鼓风机、编织软管网络的特殊服装组建的个人热舒适装置示意图。

本发明设计过程为：1)选用合适的可以充分供给热量的热电模块，具体参数：直流供电，工作环境适宜-50℃-80℃，制冷功率50W-120W，最大温差40℃-80℃，外观尺寸40*40*X mm；2)选择合适的热侧散热风扇，具体参数：直流供电，12V或24V工作电压，功率4-12W，转速5000-12000RPM，风量5-16CFM，外观尺寸40*40*X mm；3)热冷两侧定制不同材质、不同拓扑结构的散热板。拓扑结构经过优化后散热能力最优，具体参数：热侧选用直通式翅片铜质散热板，冷侧选用四列翅片铝制散热板，将热冷两侧散热板贴附模块两侧增强热冷传导效应；4)设计外部封装模块模型。通过3D打印技术将热电模块、散热板、散热风扇进行封装，满足可拆解、便携式等指标；5)选用微型无刷直流鼓风机提供外部气流，将热电转换装置产生的冷能通过微型软管网络吹向人体，达到提高人体热舒适度的目的。鼓风机具体参数：输入电压24-36V，功率50-100W，空载转速30000-50000rpm，最大风量200-300L/min，风压5-10KPa；6)在服装中嵌入微型软管网络，网络由“Y”型和“O”型软管组成，增强人体降温效果。

本发明选用特定的热电模块，散热风扇和散热板，将其组合成一个可拆解、便携化热电转换装置。选择微型鼓风机将冷能送入特殊服装。整套设备具有便携化、能效优、可控温的优点。结合建筑采暖通风中央空调系统，可以建立局部热环境，改善个人热舒适度；可以用较小的装置来拓宽中央空调温度设定范围，从而降低建筑整体能耗，应用潜力巨大。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。