可穿戴冷卻和加熱貼片可用作個(gè)人恒溫器并節(jié)省能源

加加利福尼亞大學(xué)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(gè)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(shí)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(shè)備可以提高您的個(gè)人熱舒適度，無(wú)論您是在炎熱的天氣上通勤還是在辦公室感覺(jué)太冷，” 負(fù)責(zé)該研究的加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械和航空航天工程教授Renkun Chen說(shuō)。

該設(shè)備處于概念驗(yàn)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(jué)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(shuō)。例如，在夏季將建筑物的設(shè)定溫度保持在12度，可以將冷卻成本降低約70%，他指出。

市場(chǎng)上有各種各樣的個(gè)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(fēng)扇，有些需要浸泡或充滿水等液體。

陳和加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院的一組研究人員設(shè)計(jì)了他們的設(shè)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(shí)保持舒適，”首先說(shuō)。作者Sahngki Hong，加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械工程校友，曾作為博士學(xué)位參與該項(xiàng)目。陳氏實(shí)驗(yàn)室的學(xué)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(jìn)行測(cè)試。測(cè)試在溫控環(huán)境中進(jìn)行。在兩分鐘內(nèi)，貼片將測(cè)試儀的皮膚冷卻至89.6華氏度的設(shè)定溫度。當(dāng)環(huán)境溫度在71.6和96.8華氏度之間變化時(shí)，它使測(cè)試儀的皮膚保持在該溫度。

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

這項(xiàng)工作是加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院的幾個(gè)研究小組之間的合作。專門研究傳熱技術(shù)的陳氏實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。他們與納米工程教授盛旭，可伸縮電子學(xué)專家，電池技術(shù)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(guò)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(lái)制造貼片。

這些板材經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，可在柔軟和有彈性的同時(shí)傳導(dǎo)熱量。研究人員通過(guò)將名為Ecoflex的橡膠材料與氮化鋁粉末(一種具有高導(dǎo)熱性的材料)混合來(lái)制造片材。

貼片使用電流將熱量從一個(gè)彈性體片材移動(dòng)到另一個(gè)彈性體片材。當(dāng)電流流過(guò)碲化鉍柱時(shí)，它會(huì)隨之驅(qū)動(dòng)熱量，導(dǎo)致貼片的一側(cè)升溫而另一側(cè)冷卻。

“為了做冷卻，我們將當(dāng)前的泵熱量從皮膚側(cè)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(zhuǎn)向另一個(gè)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(gè)貼片的尺寸為5×5厘米，功耗高達(dá)0.2瓦。Chen的團(tuán)隊(duì)估計(jì)需要144個(gè)補(bǔ)丁來(lái)制造冷卻背心。這將使用大約26瓦特來(lái)保持個(gè)人在平均炎熱天氣中保持涼爽(在極端高溫期間，估計(jì)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(lái)冷卻整個(gè)辦公室。

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

該團(tuán)隊(duì)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(bǔ)丁。他們希望在幾年內(nèi)將該技術(shù)商業(yè)化。

“我們已經(jīng)解決了根本問(wèn)題，現(xiàn)在我們正在解決重大的工程問(wèn)題 - 電子，硬件和開發(fā)移動(dòng)應(yīng)用來(lái)控制溫度，”陳說(shuō)。