CN114601210B - 柔性可穿戴热电制冷器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴柔性热电制冷器件，包括：储能导热基体、多个柔性散热翅片、隔热层、多个半导体制冷片以及导热纤维面料；柔性散热翅片形成于储能导热基体的一侧表面上，隔热层形成于储能导热基体的另一侧表面上；半导体制冷片以串联的方式间隔的封装于隔热层中，且其热面紧贴于储能导热基体；导热纤维面料贴合于隔热层的表面，且与半导体制冷片的冷面相接触；其中，储能导体基体是由柔性基体材料、导热填料、金属泡沫材料和有机相变材料制备而成的，柔性散热翅片是由柔性基体材料和导热填料制备而成的，隔热层是由柔性基体材料制备而成的。本发明的可穿戴柔性热电制冷器件，在保证柔性的同时，具备高导热性能。

Description

柔性可穿戴热电制冷器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及制冷器件技术领域，尤其涉及一种柔性可穿戴热电制冷器件及其制备方法。

背景技术

可穿戴制冷设备不仅对人类的舒适和健康起着至关重要的作用，而且能有效地减少能源的消耗。一方面，在炎热的室外环境中可以直接有效地降低个人的体表温度，缓解高温下的热应激反应；另一方面，不同于大型环境空间的能源密集型冷却，局部直接接触的个人制冷器件能在低电力供应下，迅速快捷地实现高效的冷却效果。

基于热电器件的可穿戴制冷设备，因为具有不涉及化学反应、没有活动部件、不使用工作流体、不产生导致全球变暖的排放物、制冷效果高效可靠等特点，在个人可穿戴制冷器件领域具有极大的发展潜力。半导体制冷片是一种典型的基于热电效应的制冷产品，因其成熟的制备工艺，市场上可定制各种形状规格，具有广泛的应用领域。因此利用半导体制冷片开发柔性可穿戴设备具有极大的市场潜力。

然而半导体制冷片在工作时，如果热面没有附加散热设备的情况下，温度会急速升高超过100℃，损坏器件的同时也具有安全隐患，因此半导体制冷片在使用时，通常会附加重量较大、材质坚硬的散热器，但也因此极大地限制了半导体制冷片在柔性可穿戴领域的应用。

公开号为CN205424859U(公开日为2016年8月3日)的中国专利公开了一种采用半导体制冷片及相变材料的LED散热装置，包括LED器件、导热基板、散热翅片，还包括半导体制冷片、相变材料和散热风扇。通过结合利用半导体制冷片强大的制冷能力及相变材料具有极大的相变潜热这两种优点，并引入闭环反馈控制，实现对LED器件进行高效的散热及可靠的热控。但是，这类半导体制冷器件还存在以下缺点：1、散热器中内置入风扇，加大了体积和重量，也导致整个散热器坚硬，不具备可弯曲度，因此无法应用在柔性可穿戴领域；2、散热器的风扇需要额外的消耗能源；3、采用铜或铝的导热基板，加大了整个结构的刚性；4、相变材料在散热结构内部团聚，非分散相，降低了散热器的导热性，不利于热量的传输和消散，容易发生高温泄露的问题；5、无法结合面料，穿戴在人体上。

因此，发明一款可针对半导体制冷片，高效散热的柔性结构，是解决热电器件在个人制冷服装应用的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性可穿戴热电制冷器件，该制冷器件在保证柔性的同时，具备高导热性能。

本发明提供了一种可穿戴柔性热电制冷器件，包括：

储能导热基体；

多个柔性散热翅片，形成于所述储能导热基体的一侧表面上；

隔热层，形成于所述储能导热基体的另一侧表面上；

多个半导体制冷片以串联的方式，间隔的封装于所述隔热层中，且其热面紧贴于所述储能导热基体；以及

导热纤维面料，贴合于所述隔热层的表面，且与所述半导体制冷片的冷面相接触；

其中，所述储能导体基体是由柔性基体材料、导热填料、金属泡沫材料和有机相变材料制备而成的，所述柔性散热翅片是由柔性基体材料和导热填料制备而成的，所述隔热层是由柔性基体材料制备而成的。

优选地，所述制冷器件整体呈块状结构，可方便地穿戴在人体不同部位上。

进一步地，所述柔性基体材料为双组份硅橡胶或聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯。

进一步地，所述金属泡沫材料为铜泡沫、镍泡沫、锌泡沫、钛泡沫中的一种或多种，孔隙率优选为95％-99％，厚度优选为1mm-2mm。

进一步地，所述导热填料包括碳纤维、碳纳米管、石墨、石墨烯、氧化铝、氮化铝、氮化硼中的一种或多种，粒径优选为1μm-100μm。优选地，所述导热填料选自块状、片状或球状导热填料中的一种。

进一步地，所述有机相变材料为脂肪烃类、脂肪酸类、醇类和聚烯醇类中的一种或多种。优选地，所述有机相变材料为聚乙二醇，其分子量优选为2000。

进一步地，所述柔性散热翅片中，柔性基体材料的质量分数为30wt％-70wt％，导热填料的质量分数为70％-30％。

进一步地，所述储能导热基体中，柔性基体材料的质量分数为40wt％-65wt％，金属泡沫的质量分数为20wt％-30wt％，聚乙二醇的质量分数为1wt％-15wt％，导热填料的质量分数为15wt％-80wt％。

进一步地，所述柔性散热翅片的结构呈圆柱状或长条状，其高度为3mm-4mm。

进一步地，所述导热纤维面料为银纤维面料。

本发明还提供了所述的可穿戴柔性热电制冷器件的制备方法，包括以下步骤：

S1.柔性基体材料、固化剂和导热填料混合均匀，倒入模具中在第一温度下固化，得到柔性散热翅片预制品；所述第一温度为60℃-70℃；

S2.将金属泡沫置于固化后的柔性散热翅片预制品的表面，将柔性基体材料、固化剂和导热填料混合均匀，然后在第二温度下加入聚乙二醇，水浴加热搅拌均匀，得到的浆料继续倒入上述模具内，待完全浸渍金属泡沫后，真空消泡；所述第二温度为55℃-60℃；

S3.将模具于第三温度下固化，得到散热器的预制品；所述第三温度为130℃-150℃；

S4.将半导体制冷片以串联的方式间隔均匀地置于固化后的散热器预制品表面，将柔性基体材料和固化剂混合均匀，然后倒入上述模具中，待将半导体制冷片封装之后，在未固化的表面铺上导热纤维面料，然后于第一温度下进行热压固化，得到所述可穿戴柔性热电制冷器件。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本发明利用半导体制冷片进行可穿戴的制冷设计，整体器件体积紧凑，无任何移动的部件，无液体流动，可有效地进行个人制冷，减少针对整体空间的集中制冷***的能源消耗，节能环保。

2.本发明的柔性可穿戴热电制冷器件，无外加的任何刚性材料、装置，整个散热装置柔性可弯曲，小巧轻便，可灵活的进行可穿戴设计，促进了基于热电效应的半导体制冷片在制冷器件上的应用领域。

3.本发明的柔性可穿戴热电制冷器件，散热结构集合了翅片型散热结构和储能导热片，一方面翅片的形状加大了热量的消散；另一方面储热导热片中，将柔性基体、相变储热、导热填料和导热金属泡沫骨架进行有效复合，充分发挥了储热和导热的协同散热作业，可有效的控制半导体制冷片热面的温度。

4.本发明的柔性可穿戴热电制冷器件在制备过程中，无需使用任何有机溶剂，符合绿色、环保要求。

附图说明

图1是本发明的柔性可穿戴热电制冷器件的结构示意图；

图2是实施例1的柔性可穿戴热电制冷器件的实物图；

图3是实施例1的柔性可穿戴热电制冷器件在穿戴状态下的示意图；

图4是实施例2的柔性可穿戴热电制冷器件的实物图；

图5是对比例1的柔性可穿戴热电制冷器件的实物图；

图6是实施例1的柔性可穿戴热电制冷器件的温度变化示意图；

图7是实施例1、对比例1的柔性可穿戴热电制冷器件及单独的半导体制冷片的温度变化对比图；

其中：1、柔性散热翅片；2、储热导热基体；3、隔热层；4、半导体制冷片；5、导热纤维面料；6、柔性基体材料；7、金属泡沫；8、有机相变材料；9、导热填料。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供了一种柔性可穿戴热电制冷器件，包括：储能导热基体2、多个柔性散热翅片1、隔热层3、多个半导体制冷片4以及导热纤维面料5。其中，柔性散热翅片1形成于储能导热基体2的一侧表面上，隔热层3形成于储能导热基体2的另一侧表面上。半导体制冷片4以间隔的方式封装于隔热层3中，且其热面紧贴于储能导热基体2。导热纤维面料5贴合于隔热层3的表面，且与半导体制冷片4的冷面相接触。

本发明中，储能导体基体2是由柔性基体材料6、导热填料9、金属泡沫7和有机相变材料8制备而成的，柔性散热翅片1是由柔性基体材料和导热填料制备而成的，隔热层3是由柔性基体材料制备而成的。

本发明的柔性可穿戴热电制冷器件，包括贴肤的面料层，中间的隔热层和外端的柔性储热导热的散热器，在保证柔性的同时，具备高导热性能。利用金属泡沫和高导热填料建立的导热骨架，有效地提高了散热器的导热性；同时添加有机相变材料使散热器具有存储热量的功能，能够进一步控制热端的温度。另一方面，整个散热器的体积小、重量轻、柔性可弯曲，可将散热器复合于面料上，进行可穿戴设计。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了上述柔性可穿戴热电制冷器件的制备方法，包括以下步骤：

1)提供原料：4个半导体制冷片、银纤维面料、柔性基体材料聚二甲基硅氧烷A、B组分(固化剂道康-184)、2mm厚金属泡沫47mm×47mm、聚乙二醇、导热填料；

2)将柔性基体材料3gA组分、0.3gB组分和1.1g导热填料在室温下均匀混合，然后倒入圆柱型翅片的模具中在第一温度下真空固化2小时，得到柔性散热翅片预制品，将金属泡沫置于固化后的柔性散热翅片预制品表面上；所述第一温度为60℃-70℃；

3)将柔性基体材料5gA组分和0.5gB组分固化剂、2.75g导热填料在室温下均匀混合，然后在第二温度下加入1.5g聚乙二醇，水浴加热搅拌均匀，得到浆料继续倒入上述模具内，完全浸渍金属泡沫后，真空消泡1小时；所述第二温度为55℃-60℃；

4)将模具置于第三温度下的烘箱中固化2小时，得到散热器的预制品，将4个半导体制冷片以串联的方式间隔均匀地置于固化后的散热器预制品表面上；所述第三温度为130℃-150℃；

5)将柔性基体材料3gA组分和0.3gB组分固化剂在室温下均匀混合，然后倒入上述模具中，将半导体制冷片彻底封装之后，在未固化的表面平整地铺上银纤维面料，然后置于第一温度的热压机下，固化2小时，得到柔性热电制冷器件预制品。

图2-3为制备的柔性可穿戴热电制冷器件的实物图及在穿戴状态下的示意图。

图6是实施例1的柔性可穿戴热电制冷器件的温度变化示意图，

从图中可以看出，柔性可穿戴热电制冷器件可以大幅度地降低温度。最低可达到低于环境温度10℃的低温，并且保持低于室温8℃维持超过五个小时。

实施例2

本实施例提供了上述柔性可穿戴热电制冷器件的制备方法，包括以下步骤：

1)提供原料：4个半导体制冷片、银纤维面料、柔性基体材料聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯A、B组分、柔性基体材料聚二甲基硅氧烷A、B组分(固化剂道康-184)、2mm厚金属泡沫47mm×47mm、聚乙二醇、导热填料；

2)将柔性基体材料2gA组分、2gB组分和0.9g导热填料在室温下均匀混合，然后倒入圆柱型翅片的模具中在第一温度下真空固化2小时，得到柔性散热翅片预制品，将金属泡沫置于固化后的柔性散热翅片预制品表面上；所述第一温度为60℃-70℃；

3)将柔性基体材料聚二甲基硅氧烷5gA组分和0.5gB组分(固化剂道康-184)、2.75g导热填料在室温下均匀混合，然后在第二温度下加入1.5g聚乙二醇，水浴加热搅拌均匀，得到浆料继续倒入上述模具内，完全浸渍金属泡沫后，真空消泡1小时；所述第二温度为55℃-60℃；

4)将模具置于第三温度下的烘箱中固化2小时，得到散热器的预制品，将4个半导体制冷片以串联的方式间隔均匀地置于固化后的散热器预制品表面上；所述第三温度为130℃-150℃；

5)将柔性基体材料聚二甲基硅氧烷3gA组分和0.3gB组分在室温下均匀混合，然后倒入上述模具中，将半导体制冷片彻底封装之后，在未固化的表面平整地铺上银纤维面料，然后置于第一温度的热压机下，固化2小时，得到柔性热电制冷器件预制品。

图4是实施例2的柔性可穿戴热电制冷器件的实物图。

经测试，本实施例制得的柔性可穿戴热电制冷器件最低可达到低于环境温度11℃的低温，并且保持低于室温7℃维持超过五个小时。

对比例1

本对比例提供了一种柔性可穿戴热电制冷器件的制备方法，包括以下步骤：

1)提供原料：4个半导体制冷片、银纤维面料、柔性基体材料聚二甲基硅氧烷A、B组分(固化剂道康-184)、聚乙二醇、导热填料；

2)将柔性基体材料5gA组分和0.5gB组分固化剂、2.75g导热填料在室温下均匀混合，然后在第二温度下加入1.5g聚乙二醇，水浴加热搅拌均匀，得到浆料；所述第二温度为55℃-60℃；

3)将浆料倒入模具内，第二温度下真空消泡1小时后，置于第三温度下的烘箱中固化2小时，将4个半导体制冷片以串联的方式间隔均匀地置于固化后的散热器预制品表面上；所述第三温度为130℃-150℃；

4)将柔性基体材料3gA组分和0.3gB组分固化剂在室温下均匀混合，然后倒入上述模具中，将半导体制冷片彻底封装之后，在未固化的表面平整地铺上银纤维面料，然后置于第一温度的热压机下，固化2小时，得到柔性热电制冷器件预制品。

图5是对比例1的柔性可穿戴热电制冷器件的实物图。

最终制得的柔性可穿戴热电制冷器件最低可达到低于环境温度7℃的低温，并且保持低于室温5℃维持2小时，后续温度缓慢上升，在四小时后，温度升致高于室温。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种可穿戴柔性热电制冷器件，其特征在于，包括：

储能导热基体；

多个柔性散热翅片，形成于所述储能导热基体的一侧表面上；

隔热层，形成于所述储能导热基体的另一侧表面上；

多个半导体制冷片以串联的方式，间隔封装于所述隔热层中，且其热面紧贴于所述储能导热基体；以及

导热纤维面料，贴合于所述隔热层的表面，且与所述半导体制冷片的冷面相接触；

其中，所述储能导热基体是由柔性基体材料、导热填料、金属泡沫材料和有机相变材料制备而成的，所述柔性散热翅片是由柔性基体材料和导热填料制备而成的，所述隔热层是由柔性基体材料制备而成的；所述有机相变材料为脂肪烃类、脂肪酸类、醇类和聚烯醇类中的一种或多种；所述柔性散热翅片中，柔性基体材料的质量分数为30wt%-70wt%，导热填料的质量分数为30%-70%；所述储能导热基体中，柔性基体材料的质量分数为40 wt%-65 wt%，金属泡沫的质量分数为20 wt%-30 wt%，聚乙二醇的质量分数为1 wt%-15 wt%，导热填料的质量分数为15 wt%-80 wt%；

所述可穿戴柔性热电制冷器件的制备方法包括以下步骤：

S1. 柔性基体材料、固化剂和导热填料混合均匀，倒入模具中在第一温度下固化，得到柔性散热翅片预制品；所述第一温度为60℃-70℃；

S2. 将金属泡沫置于固化后的柔性散热翅片预制品的表面，将柔性基体材料、固化剂和导热填料混合均匀，然后在第二温度下加入聚乙二醇，水浴加热搅拌均匀，得到的浆料继续倒入上述模具内，待完全浸渍金属泡沫后，真空消泡；所述第二温度为55℃-60℃;

S3. 将模具于第三温度下固化，得到散热器的预制品；所述第三温度为130℃-150℃；

S4. 将半导体制冷片以串联的方式间隔均匀地置于固化后的散热器预制品表面，将柔性基体材料和固化剂混合均匀，然后倒入上述模具中，待将半导体制冷片封装之后，在未固化的表面铺上导热纤维面料，然后于第一温度下进行热压固化，得到所述可穿戴柔性热电制冷器件。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性热电制冷器件，其特征在于，所述柔性基体材料为双组份硅橡胶或聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯。

3.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性热电制冷器件，其特征在于，所述有机相变材料为聚乙二醇，其分子量为2000。

4.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性热电制冷器件，其特征在于，所述金属泡沫材料为铜泡沫、镍泡沫、锌泡沫、钛泡沫中的一种或多种，孔隙率为95%-99%，厚度为1mm-2mm。

5.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性热电制冷器件，其特征在于，所述导热填料包括碳纤维、碳纳米管、石墨、石墨烯、氧化铝、氮化铝、氮化硼中的一种或多种，粒径为1μm-100μm。

6.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性热电制冷器件，其特征在于，所述柔性散热翅片的结构呈圆柱状或长条状，其高度为3mm-4mm。

7.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性热电制冷器件，其特征在于，所述导热纤维面料为银纤维面料。

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