CN100427850C - 调温穿戴物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了含有热电模块的调温穿戴物，热电模块的结构可使热传进或传出穿戴物。所述穿戴物可包括维持穿戴物所需内部温度的控制系统。所述穿戴物中可有提高热传递速率和/或效率的流动冷却系统。
Description
相关申请
本申请要求Richard Martin提交于2002年8月7日的先前美国临时申请60/401878，题目为“调温穿戴物”的权益。该申请的全部内容参考结合于此。
发明领域
本发明属温控穿戴物领域，涉及通过热电模块加热或降温的穿戴物，所述模块以电池为能源，利用珀耳帖效应转移热。本发明的温控穿戴物可有一个例如与其成整体的电路来维持要设定的温度。本发明的穿戴物可通过例如热交换系统来提高温控系统的效率。
发明背景
过热或过冷的环境将使穿在身上的穿戴物不适意。当前对此问题的解决方案集中在穿戴物设计上，提供绝热、通风或热交换装置。
人体保暖的常见措施是穿着包括厚隔热层的穿戴物，以此保持体热不散发。这种做法在许多情况下都是非常有效的。但是在极冷的环境中，所需隔热层将非常臃肿、笨重而不实用。对于靴子和连指手套，这个问题尤为突出，因为厚厚的绝热层使走路不方便、动作不灵活。
另一种保暖措施是密封穿戴物，阻止空气流动。这虽然可以保持热量，但也将水蒸气封在里头了。聚集起来的水分将使人感觉不舒服，也会降低穿戴物的绝热性能。
另一种保暖方法是用外部能源加热，使靴子、帽子或手套内部热起来。例如，在Cieslak等人的美国专利4180922中，用燃烧的固体燃料加热循环液体，该液体将热带进靴子。在这种装置中，使用者点燃燃料，然后用手指周期性挤压球胆型泵，使热的液体循环到靴子里。这种装置存在失火的危险，启动缓慢，而且要求使用者时刻保持警惕。
加热靴子的另一个例子见述于Polycarpe的美国专利6041518，“ClimateControlled Shoe(气候控制的鞋)”，它用电池给靴底的加热板提供能量。加热板将热传给在靴子里面的导管和隔室中流通的空气，从而使脚暖热起来。这种靴子导管结构庞杂，缺乏温控措施，而且热能受限于电池。
当气候炎热或在从事剧烈运动时，要感觉舒服，就希望能给穿戴物降温。给穿戴物降温的方法可以是在穿戴物里面安装疏松组织的织物板，使鞋子能够“透气”，热空气和水蒸气能通过织物板散逸出去。这种透气板限于释放热湿的空气，而不直接给脚降温。透气板对穿戴物并不密封，而水能够进到穿戴物里。Polycarpe发明的气候控制靴试图用电池驱动的风扇解决这些问题，风扇将新鲜空气吹到密封的靴子中，由此给脚降温，并使脚干燥。但是，这种装置也仅仅是给脚通风，实际上并未从靴子里面吸走热量。
Reinhard等人的美国专利6290642，“Acceleration Protective Suit(加速运动保护制服)”介绍了可加热和降温的g军服。高压g军服能将血液压进飞行员的大脑中，使他们在喷气式战斗机高速飞行的过程中保持知觉。但是，这种制服是密封的，臃肿，使飞行员在发动机尚未启动时就过热，又使气候控制系统在预飞准备阶段关闭。加速运动制服可以配备由大型外部电源供电的珀耳帖效应元件，给飞行员加热或降温。这种g制服不能直接控制极端温度。此外，珀耳帖效应元件的热传递效率由于缺少热传导和热散逸系统而下降。
由上可知，仍然需要一种便携的调温穿戴物，用以使极热或极冷环境中的人感觉舒服一些。还需要能有效调温的穿戴物，同时它是密封的，防止环境中的风和水进入穿戴物。本发明具有上述及其他特征，它们通过以下描述将变得更清楚。
发明概述
举例来说，本发明提供了一种便携的调温穿戴物制品。本发明穿戴物包括例如一个珀耳帖效应热电模块、一个电子温控系统和一个或多个冷却剂循环环路。本发明包括例如穿戴物的调温方法。
本发明的非加压调温穿戴物包括一个热电模块，它与电源相连。本发明的穿戴物可以是衬衣、短裤或裤子，但本发明特别适合提供调温头戴物品、手戴物品和脚穿物品等。
本发明的热电模块根据直流电的极性，将热从一侧(冷侧)转移到另一侧(热侧)。热电模块可以与便携式电源通过电路相连，该电源借助调整极性将热传移出穿戴物，且/或将热传移进入穿戴物。或者，也可以保持电源极性不变，而仅仅将热电模块反过来装，使冷侧朝里或热侧朝里。
热电模块可以与导热板或冷却剂循环环路接触，在加热过程中将穿戴物内部的热量散开，或者在降温过程中收集穿戴物内部的热量。为了收集并除去降温过程中的冷凝水，可在热电模块的冷侧接一根排水导管。
本发明的穿戴物可配备电子温控系统，该系统包括一个调温反馈系统，用来调整热电模块的功率。安装在穿戴物上的温度传感器将指示穿戴物内部温度的信号送到控制电路。固态功率控制电路有一个与温度传感器(如电热调节器或热电偶)相连的温度信号输入接头，与热电模块电接触的受控功率输出接头，还有与电池(如充电电池)相连的功率输入接头。功率控制电路可根据温度传感器的信号，调节提供给热电模块的功率来控制穿戴物的温度。温度选择器件可与控制电路温度选择输入接头相连，这样使用者就可以选择所需的穿戴物温度。固态电路可以是一个或多个电路板、集成电路、EPROM等等。
本发明的穿戴物可以有一个或多个冷却剂循环环路，用来加快将热传向热电模块且/或从热电模块传出。冷却剂循环环路可包括内部热交换器、外部热交换器和与液体导管环相连的循环泵等。内部热交换器中可有装有冷却剂液体的冷却剂通道，用来与热电模块的一侧交换热量。外部热交换器可安装在穿戴物的外表面上，用来接受来自内部热交换器进入其冷却剂通道。循环泵可与热交换器中的冷却剂通道相通，完成环流。
热交换器可包括其他元件，帮助导热和散热。内部热交换器可包括与热电模块一侧相连的一个热交换板和/或冷却剂循环环路，用来从穿戴物内部对热的收集或分配。外部热交换器可包括铜、铝或青铜热交换翅片。外部热交换器可包括绝热衬里层，减少交换器与穿戴物之间的热交换。
循环泵可以是本领域熟知的任何合适的泵。例如，泵可以包括一个或多个室和两个或多个单向阀，使冷却剂流过室和环。循环泵室可以是个弹性球胆、旋转泵室、用活塞密封的圆缸等。单向阀的结构可以是簧片阀或球座阀。循环泵可以是双功能泵，例如用一个泵使液体通过两个冷却环。
在一方面，本发明的穿戴物是配有活塞型循环泵的鞋子。例如，循环活塞泵有一个活塞板，它用液压密封(例如通过氯丁橡胶O圈)，安装在圆缸壁上，可以滑动。促动轴可连接在该活塞板上，通过一个支点伸到固定在鞋底上的轴锚上。活塞泵可以具有一个压在活塞板一端和泵室壁之间的回动弹簧上，促使活塞板处于泵两个动程之间的起始位置上。
冷却剂液体可在热交换器和泵之间循环，将相连的室、通道和管子填满。冷却剂液体可以是具有合适粘度、热容量、稳定性和材料适应性的的任何液体，如水、矿物油或硅油。冷却剂液体可以将热量从TEM的热侧传出，或者传进TEM的冷侧。
在本发明的一个实施方式中，非加压调温穿戴物包括一个以电池为电源的热电模块，它由功率控制电路控制，连接到热传递冷却剂循环环路上。所有的部件都可安装到穿戴物上。固态功率控制电路有一个与温度选择器件相连的温度选择输入接头、与温度传感器相连的温度信号输入接头、与电池相连的电功率输入接头以及与热电模块一侧相连的功率输出接头。控制电路可以接受使用者选定的温度设置、确定穿戴物温度，并按需要将电池的能量转移到热电模块上。冷却剂循环环路中有冷却剂液体，提供与热电模块一端相接触且带有第一冷却剂通道的内部热交换器，安装在穿戴物外表面上的外部热交换器，此外部热交换器带有与第一冷却剂通道通过相连的第二冷却剂通道，以及与第一和第二冷却剂通道相连的循环泵，用来在冷却剂液体在两个热交换器之间传递热量。在实际操作中，控制电路可监测温度传感器的温度，调节提供给热电模块的功率，以此调节穿戴物温度，而热电模块与热交换器之间发生热量交换，提高了穿戴物温度调节的效率。
本发明包括调节非加压穿戴物的温度的方法。例如，热电模块可加在穿戴物中，然后通电。可以选择较低的穿戴物温度，例如通过调整电源极性，使热量从穿戴物中定向传出。也可以选择较高的穿戴物温度，例如通过调整电源极性，使热量向穿戴物中定向传入。
附图简述
图1是调温鞋子实例的示意图。
图2是调温鞋底的示意图。
图3是功率控制电路的示意图。
图4是TEM和内部热交换器的示意图。
图5是外部热交换器的示意图。
图6是活塞型冷却剂循环泵的示意图。
图7是泵促动系统的示意图。
图8是调温连指手套的示意图。
图9是用于调温穿戴物的双循环环路热交换系统的示意图。
图10是双功能活塞泵的示意图。
发明详述
本发明提供了调温穿戴物制品。本发明可包括珀耳帖效应热电模块(TEM)，它能将热量转移到穿戴物中，或从其中转移出来。本发明可包括电子温控系统，用来选择和控制穿戴物温度。本发明另一方面提供了一个或多个冷却剂循环环路，用来提高热量进出穿戴物的效率。
本发明的穿戴物制品可以是影响穿戴者热舒适感的独立制品。在极端温度下使用的穿戴物、紧身穿戴物、密封穿戴物和绝热穿戴物中安装本发明的TEM，会带来极大的好处。本发明的穿戴物包括手戴物品，如手套、铁护手和连指手套。本发明的穿戴物可包括脚穿物品，如靴子和鞋子。本发明的穿戴物可包括头戴物品，如帽子和头盔。
在本发明降温模式的实施方式中，如图1所示，热电模块(TEM)10安置在鞋子的布料里头，冷侧朝内。TEM10的电池11可通过固态控制电路12控制，该电路对鞋子里面的温度传感器13发出的温度信号作出响应。内有冷却剂液体，由泵14、内部热交换器30和外部热交换器40构成的冷却剂循环环路可散去TEM热侧的热量。当温度传感器探测到热度高于设定温度，控制电路就向TEM提供电压。电流通过TEM时，热量就从冷侧转移到热侧，而被内部热交换器中的冷却剂吸收。泵使内部热交换器中暖热的冷却剂流到外部热交换器，热量在此从冷却翅片散到空气中。热量继续从鞋内排出，直到温度传感器探测到温度达到或低于设定值。
本发明的调温穿戴物经过结构调整可用来加热，例如只需在安装TEM时让热侧朝内，或者颠倒提供给TEM的电流的极性。在加热应用中，通过从穿戴物外部加热来暖热TEM冷侧等措施，可提高TEM热传递的效率。
热电模块
本发明的热电模块(TEM)包括具有珀耳贴效应的固体材料。自19世纪中叶人们就知道，某些不同的两种金属在接触部位(热电偶结)具有不同的温度时，它们之间会形成与接触部位温度差成正比的电压，法国物理学家让·珀耳贴发现，当在热电偶结上施加电压时，结的一侧温度升高，而另一侧温度降低。现代技术利用固态半导体材料制成的N-P结，在施加电压的情况下提供加热和冷却的珀耳贴效应。
本发明的TEM宜由平板状热电偶结等形成。平板形状的TEM非常适用来本发明的穿戴物。TEM板可完全嵌入穿戴制品的平坦布料中。平板状TEM结构增加了热传递表面积，适合较高的功率和效率。本发明的有用TEM可以商购。适应穿戴制品形状、具有较大柔性的TEM见述于Reinhard等人的美国专利6097088，“Thermoelectric Element and Cooling or Heating Provided withthe Same(热电元件以及用它进行的降温或加热)”。
TEM的功率受TEM的总表面积、结两侧的温度差和通过TEM的电流量影响。TEM越大，其热传递能力越强，原因很简单，因为结的面积更大的。当热转移到热侧的过程中散去热量，和/或向冷侧加热，可以提高TEM的热转移功率。这种方法可促进热传递的原因不仅在于导热速度的提高，还在于通过结转移更多热量所要求的阀电压降低了。增加通过TEM的电流等方法也可提高热转移功率。这一般可通过提高TEM结的电阻上施加的电压来控制(电流＝电压/电阻)。
本发明调温穿戴物中的TEM可简单地装在配有电池堆的电路中，并整合到穿戴物的布料中。形成电路时，可用一根导线连接电池负极与TEM结的一侧，用另一根导线连接正极与TEM结的另一侧。使用者可用开关控制TEM的热传递。通过电路中导线极性的调整来使热量向外传递(冷侧在内)，即热可以从穿戴物内部转移到穿戴物外部，在此热就可以散到空气中或者与之接触的表面上。如果温度降得足够低，使用者可通过开关断开电路，以便节约能量并避免过冷。
直流电源可极性交错地连接到TEM，以控制TEM哪一侧是冷侧，哪一侧是热侧。例如，与TEM结第一侧相连的第一根导线可与电池正极连接，与TEM结第二侧相连的第二根导线可与电池正极连接。TEM导线以这样极性连接时，冷侧就朝内，热可以从穿戴物转移出来。如果TEM导线这样连接电极，即第一根导线与电池正极连接，第二根导线与电池正极连接，则热侧朝内，热可以转移到穿戴物内部。交换导线与电池的连接关系，并/或交换控制电路功率输出接头的极性，即可改变导线连接的极性。
热转移的方向可通过改变TEM的取向来控制。TEM可反向安装在穿戴物中，这样使用者就可以使TEM的热侧朝内，或者冷侧朝内。例如，TEM可安装在鞋底的狭缝中，或者安装在连指手套的布搭盖中，当然TEM可以除去。这样，在夏天，使用者可使TEM冷侧朝内，而到了冬天，使用者就可以将TEM换成热侧朝内。
TEM可以配有导热板等，用来保护TEM和加快热量从TEM的进出。导热板可紧紧连接在TEM上，用以有效传递热量。导热板可由任何硬度合适的导热材料制成，如钢、铝、铜等。
TEM可配有冷凝水排出管，用以排出TEM冷侧的水。穿戴制品内部可能潮湿。如果本发明的TEM是冷侧朝内，水就会冷凝在TEM和/或导热板的固体表面上。为了防止水聚集在穿戴物内部，可使冷凝水流到通道中，并用冷凝水排出管排出穿戴物。
将环境热量从冷侧转移到热侧，TEM可提供比电能输入更多的热能。这样，TEM可比简单的电阻加热板提供更多的热量。如果在TEM两侧使用热交换器和/或散热片，可最大程度降低结上的热差，作为热泵的TEM可由此实现高效率。
配备导热板是为了增加传热表面积，在TEM和穿戴物内部之间导热。例如，如图2所示，导热板20可装在鞋底21里面，紧紧地连接在TEM10上，以利于热传递。在降温操作中，导热板可从穿戴物内部吸热，将其传递到TEM冷侧，进而传递到TEM热侧并散发掉。在加热操作中，导热板从TEM热侧吸热，将其均匀分散在穿戴物内部。导热板可由任何合适的导热材料制成，如铜、银、铝等。
本发明的调温穿戴物可包括一个电子温控系统，提供稳定的温度控制，并方便使用者。例如，控制系统可以包括一个控制电路，它带有温度选择输入接头、温度信号输入接头和TEM功率输出接头。使用者可拨动(或揿数字输入键盘)与控制系统通过电路连接的温度选择器件，设定所需温度。控制系统可通过电路接受温度传感器发出的信号，与设定的温度作比较，然后适当调整加在TEM上的电压，获得所需温度。
温度选择器件
本发明的温度选择器件可以是本领域已知的任何适合相关控制电路的选择器件。例如，带刻度盘的可变电阻器可以是类似集成控制电路中常用的温度选择输入器件。在另一个例子中，带LED示数板的数字温度选择器可为数字控制电路提供合适的温度输入选择。
温度传感器
本发明的温度传感器可以是本领域已知的任何传感器，只要它能为控制电路提供合适的温度信号。例如，温度传感器可以是随着温度变化而改变电阻的热敏电阻器。温度传感器可以是随着温度变化而改变电压的热电偶。控制电路可检测输入接头的电阻或电压，以测定穿戴物内部的温度。可以配备类似于数字转换器的器件，提供数字温度信号，输入到数字控制电路中。
功率控制电路
本发明的功率控制电路可以是本领域已知的任何合适的控制电路。控制电路可以是适合本发明相关输入和输出器件的一个或多个固态电路。控制电路可以比较温度选择输入和温度信号输入，并确定合适的功率输出响应。
功率控制电路12可包括比较输入信号以确定合适的输出电压的逻辑电路。例如，如图3所示，功率控制电路12可比较温度选择器件74的电阻和温度传感器13的电阻，以确定合适的功率输出响应。功率控制电路12可测定温度选择输入接头75和温度信号输入接头71的电阻。如果温度信号输入接头71的电阻大，则功率控制电路12将在功率输出接头72上施加电压，以冷却穿戴物。随着穿戴物的降温，温度传感用的热敏电阻器13的电阻下降。如果温度传感用的热敏电阻器13的电阻等于或大于温度选择器件74的电阻，功率控制电路12会停止为功率输出接头72施加电压。本发明一方面可用预设内部参考器件取代由使用者操作的温度选择器件。
功率控制电路可包括比较输入信号以确定合适的功率输出极性的逻辑电路。这种电路可在加热操作模式和降温操作模式之间进行适当选择。控制电路可比较温度选择器件的电阻和温度传感用的热敏电阻器的电阻，以确定合适的功率输出极性。例如，控制电路可测定温度选择输入接头和温度信号输入接头的电阻。如果温度信号输入接头的电阻大，则控制电路可以将功率输出接头的电压由正变成正，以冷却穿戴物。或者，如果温度信号输入接头的电阻小，则控制电路将功率输出接头的电压由正变成正，以加热穿戴物。
本发明的控制电路可进行编程，用以适应各种输入器件、输出器件和/或操作程度。控制电路可用适合特定温度调节硬件的具体电路进行程序化(硬线化)。控制电路可以是可电子编程的只读存储器(EPROM)，编程后可为各种温度选择器件和/或温度传感器的输入接头提供合适的输出响应。
控制电路可包括控制功率输出接头电压和/或电流输出的功率晶体管。功率晶体管可通过控制电路的逻辑电路控制。
电池
本发明的电池可以安装在穿戴物中，与TEM或控制电路连通。电池可以是标准型号电池，为TEM提供合适的电压。
电池可安装在任何方便的位置，只要功率输出线可分布在电池和TEM或控制电路之间。例如，电池可安装在穿戴物上面、里面，或绑在使用者的身体上。电池可安装在鞋跟的孔穴中、手链上或腰带上。电池可安装在防水密封的孔穴或容器中。电池可包括正极和正极接线柱，与导线相连，形成电池电势。在本发明的某些实施方式中，电池引线的极性可控制TEM转移热量的方向。由于电池在使用中会发热，安装在穿戴物内部适合加热实施方式，而安装在外部适合降温实施方式。
电池可以是本领域已知的任何类型的电池，只要它能提供本发明TEM所需的电压和/或电流。电池可以是一种或多种碳电池、碱性电池、硫酸铅电池、NiCd可充电池等。电池经过挑选，可为具体的TEM提供最佳电压。如果需要的话，电池可以串连，用以提供较高的电压和/或电容量。电池也可以并联，在不提高输出电压的情况下提供更大的电容量。
冷却剂循环环路
调温穿戴物中可配备冷却剂循环环路，以加快TEM、穿戴物内部和/或穿戴物外部环境之间的热传递。加快热传递速度可减少所需TEM的尺寸，加快穿戴物内部的加热或降温，且/或提高加热或降温的效率。
冷却剂循环环路中可有在泵的作用下通过内部和/或外部热交换器流动的冷却剂液体。热交换器可用作散热片或辐射器，具体取决于热量的流动方向。循环泵可利用使用者身体的运动来促动。
内部热交换器
内部热交换器可与TEM紧密接触，在穿戴物降温操作中从热侧散去热量，或者在穿戴物加热操作中给冷侧加热。冷却剂液体可在内部热交换器的通道网络中流动，适当将热量带给内部热交换器和TEM，或者自它们带走。内部热交换器可以是冷却剂循环环路的一部分，与外部热交换器和循环泵之间连通。
内部热交换器30可包括热交换板31，它上面有冷却剂的通道网络32，该通道网络与TEM 10的一侧接触，如图4所示。内部热交换器中可有冷却剂液体33，它通过一个或多个进口34流入一系列串连和/或并联的冷却剂通道中，这些通道基本上排布成平面网络。冷却剂可从一个或多个出口35流出，通过外部热交换器和循环泵形成循环环路。
外部热交换器
外部热交换器可以安装在穿戴物外部，用来在降温操作中散热或在加热操作中吸热。外部热交换器还可安装在穿戴物内部，以便在降温操作中接受热量或在加热操作中释放热量。冷却剂液体可流过交换区中的通道网络，适当将热带到外部热交换器中，或从中带出。外部热交换器可以是冷却剂循环环路的一部分，与内部热交换器和循环泵之间连通。
外部热交换器可包括位于外部热交换区42中的冷却剂通道网络41，如图5所示。外部热交换器可包括绝热衬板43，以减少热量向别的方向散逸。外部热交换器可包括一个或多个从外部热交换器伸出的热交换翅片，用来在降温操作中将热量散到空气中，并从穿戴者接收热量，而在加热操作中从空气吸收热量，并向穿戴者释放热量。外部热交换器中有冷却剂液体33，它通过一个或多个进口45流入一系列串连和/或并联的冷却剂通道41中，这些通道基本上排布成平面网络。冷却剂可从一个或多个出口46流出，通过循环泵和外部热交换器形成循环环路。
外部热交换器从穿戴者或周围空气吸收热量，或者向穿戴者或空气辐射热量。例如，在典型的降温操作中，热的冷却剂从TEM中的内部热交换器流到穿戴物外面的外部热交换器通道网络中。热以一定的热梯度从热的冷却剂传递到热交换区、翅片，最后到达外部空气。热交换翅片可由具有较好耐受性的导热材料制成，如钢、青铜、铝、铜等。冷却剂可继续流过泵，然后回到内部热交换器，进一步从穿戴物内部吸收热量。
循环泵
本发明的循环泵将含热冷却剂液体在冷却剂循环环路中的热交换器之间进行物理转移。泵可以是本领域已知的任何合适类型的泵，如旋转泵、活塞泵、球胆泵等。本发明的泵可由电动机或与使用者身体运动相联系的机械器件驱动。
在本发明的一种实施方式中，球胆泵可使冷却剂在循环环路中循环。这种泵可包括带有进口和出口的弹性球胆。进出口可包括一个或多个相连的单向阀，使液体只能根据需要流进或流出球胆。球胆泵可嵌在穿戴物的布料褶皱中，或者嵌在弹性鞋后跟中。当使用者弯曲关节或脚后跟着地时，球胆将受压迫，从而通过向外的单向阀将冷却剂液体挤出。当使用者伸展其关节或提起脚后跟时，球胆将回弹至初始形状，从而将冷却剂液体经进口和向内的单向阀吸回去。因此，使用者重复的走运动可将冷却剂液体从球胆泵挤进挤出，通过冷却剂循环环路的两个热交换器。
在本发明的另一种实施方式中，循环泵可以是活塞泵。如图6所示，活塞泵14包括活塞板51，它通过液压密封，安装在泵缸52中，可以滑动。泵缸有一个进口53和一个出口54，它们与循环环路之间相通。活塞和/或泵缸有一个或多个单向阀55。活塞板51和泵缸端壁57之间可压缩一根或几根回动弹簧56，迫使活塞板处于静止位置。促动轴58可连接到活塞板51上，通过水压密封和往复机构伸出泵。在使用中，促动轴58的拉力使活塞板51在泵缸52中滑动，因而减少了室59的容积，迫使冷却剂液体流过出口53，并在循环环路中循环。促动轴58的拉力放松后，活塞板51在回动弹簧56作用下回到静止位置，而冷却剂通过单向阀，重新注满室59。促动轴上的拉力将启动另一轮泵循环。
促动轴上的拉力可来自使用者的走动，如图7所示。活塞泵14可安装在鞋后跟中，促动轴58与支点61滑动接触，伸到安装在鞋底21中的轴锚62上。当使用者在走路过程中弯折鞋底21时，活塞泵14经过支点61到轴锚62之间的距离增加，从而对促动轴58产生拉力。当使用者抬起脚，鞋底21恢复到直挺状态时，促动轴58上的拉力就放松了。促动轴58上这种拉紧和放松的循环非常适合给活塞泵14提供动力。
本发明的水压密封可通过精密配件和/或使用弹性O圈提供。O圈可用氯丁橡胶等制备。
循环泵可以是双功能泵，如图10所示，其中液体可借助促动轴的每个动程进入循环。这种泵可用来形成较大的流量，和/或用一个泵使液体在两个循环环路中循环。
本发明的单向阀可具有任何合适的结构。例如，单向阀可以是球座阀，它可以带有回弹机构，也可以不带回弹机构。在另一个例子中，单向阀可以是簧片阀或挡板阀，可以带有回弹机构，也可以不带回弹机构。
冷却剂液体
本发明的冷却剂液体可以在冷却剂循环环路的导管、室和通道等当中。冷却剂液体可根据本发明热交换器中的温度梯度吸热和放热。
冷却剂液体可以是任何液体或液体组合物，只要它具有合适的稳定性、材料适应性、热容量和粘度。合适的冷却剂液体包括水、矿物油、硅油等。
穿戴物的调温方法
穿戴物，如鞋子、手套、帽子、裤子和衬衣等内部温度可通过向嵌在穿戴物里面的热电模块施加电流来调节。温度可以升高，也可以降低。可利用控制系统更加有效、稳定、方便地控制温度。可利用循环热交换系统提高热传递速度。
实施例1-降温方法
将TEM嵌入鞋底，通过装在鞋跟里的电池给TEM施加直流电压。选择极性时，使TEM冷侧朝向鞋里。让使用者穿上鞋子。热量从使用者的脚传向鞋底，进而传向外部环境。
在TEM内侧连接一块导热板可提高降温效率。导热板的表面积可大于TEM，便于在鞋子里面更大的面积上收集(或分散)热量。导热板由铝板制成，可向TEM快速导热。
在鞋子里安装一个或多个冷却剂循环环路可提高降温效率。在TEM下面安装一个内部热交换器，吸收脚传来的热量。循环泵安装在鞋跟里面，由使用者走动的力量提供动力。冷却剂液体吸收内部热交换器中的热量，用泵抽到外部热交换器，热由此散入空气中。使用冷却剂循环环路时，转移到TEM热侧的热量不需要缓慢地通过鞋底。热量在高热容量冷却剂中快速转移到外部热交换器，通过与冷空气接触的大表面积冷却翅片高效散逸。
在鞋子里安装温控系统可提高降温效率。使用者通过拨动与功率控制电路连接的温度选择器件可选择舒适的鞋温。电路根据与控制电路连接的鞋温传感器提供的信号确定鞋温。如果鞋温高于选定的温度，则电池通过电路给TEM加电压，冷却鞋子。如果电路检测到鞋温已经降低到选定温度，电池停止通过电路给TEM提供电压。TEM不会因将鞋子冷却到设定值以下而浪费能源。虽然此时对TEM没有供电，但结的温差下降使下一轮降温开始时的热转移更加有效。
实施例2-升温方法
将TEM嵌入例如连指手套的掌心，装在袖口的电池给TEM提供DC电压。选择电压极性，使TEM热侧朝向连指手套里面。让使用者戴上手套。TEM内部产生电阻热，并转移到手上。周围空气中的热量也通过TEM转移到使用者手上。
在TEM内侧连接一块导热板20可提高加热效率。导热板的表面积可大于TEM，便于在手套里面更大的面积上分散热量。导热板由柔性良好的不锈钢网制成，可从TEM快速导热。
在手套里安装一个或多个冷却剂循环环路可提高加热效率。在手套背部安装一个外部热交换器40，将周围空气中的热量吸收到冷却剂液体中。在连指手套腕部背侧的布料中安装球胆型循环泵14，由使用者手腕的屈伸驱动，使液体从外部热交换器40转移到内部热交换器30中。内部热交换器安装在TEM 10的外侧，向冷侧提供热量。转移到TEM冷侧的热量减少了结的温差，在相同的外加电压下使更多的热量流过。
在手套里安装温控系统可提高升温效率。使用者通过拨动与功率控制电路连接的温度选择器件74可选择舒适的手套温度。电路根据与控制电路连接的手套温度传感器13提供的信号测定手套温度。如果手套温度低于选定温度，则电池通过电路给TEM施加电压，使手套变热。如果电路检测到手套温度已经升高到选定温度，电池停止由电路给TEM提供电压。TEM不会因将手套加热到设定值以上而浪费能源。虽然此时对TEM没有供电，但结的温差的下降使下一轮加热开始时的热传递更加有效。
实施例3-含双热交换循环系统的调温穿戴物
调温穿戴物里TEM每一侧都有冷却剂循环环路可以提高TEM的工作效率，使热量能够转移到穿戴物上更广或更远的位置。冷却剂液体在两个或多个冷却环中的流动可由一个或多个循环泵驱动。
调温穿戴物中的双循环环路热交换系统如图9所示。这种系统的操作方式基本上与前面实施例中相同，只是用第二个循环环路代替了导热板。双循环环路系统中的TEM 90一侧与外部热交换冷却剂循环环路91接触，另一侧与内部热交换冷却剂循环环路92接触。
循环泵93是双功能泵，驱动两个冷却剂环路中液体的循环。活塞板94安装在泵缸95中，可以滑动。促动轴96每动一次，就抽吸一侧的液体而推动另一侧的液体，如图9和10所示。单向阀97控制每个环路中冷却剂液体流动的方向。
在给调温穿戴物的穿戴者降温的一种结构中，内部热交换冷却剂循环环路92中的液体流到调温穿戴物内侧，将穿戴者的热量转移到TEM的冷侧。外部热交换冷却剂循环环路91中的液体流到调温穿戴物外侧，将TEM热侧的热量转移到外部环境中。双循环环路系统任选还可包括两个独立泵，如“循环泵”一节所述，它们分别使各循环环路中的液体循环流动。TEM两侧可以颠倒，将外部环境中的热量转移到穿戴者，如本领域技术人员所能理解的那样。
应当理解，这里所述的实施例和实施方式仅仅是为了说明，本领域的技术人员可对其作出各种改进或变化，这些改进或变化形式包括在本申请的主旨和附属权利要求的范围之内。
这里引用的所有出版物、专利和专利申请均以其完整内容参考结合于此，以满足各种目的。
Claims (32)
1.非加压调温穿戴物，它包括：
与电源电相连的热电模块；
与该热电模块一侧热交换相连的冷却剂液体的冷却剂循环环路；
与该热电模块相连或与该冷却剂环路相连的外部热交换器；
其中，如果该外部热交换器不与该冷却剂环路相连，则该冷却剂环路至少与安装在该穿戴物内部的内部热交换器相连；
从而在操作过程中热量在空气和该外部热交换器之间交换，由此调节该穿戴物内部的温度。
2.权利要求1所述的调温穿戴物，其特征在于，所述穿戴物包括头戴物品、手戴物品或脚穿物品。
3.权利要求1所述调温穿戴物，其特征在于电源是便携式的。
4.权利要求1所述调温穿戴物，其特征在于通过调整电接触极性将热转移出穿戴物。
5.权利要求1所述调温穿戴物，其特征在于通过调整电接触极性将热转移进入穿戴物。
6.权利要求1所述调温穿戴物，其特征在于热电模块由使用者安装在穿戴物上，要么使冷侧朝内，或者使热侧朝内，使用者可以选择降温或升温操作。
7.权利要求1所述调温穿戴物，其特征在于它还包括与热电模块接触的导热板、冷却剂循环环路或双冷却剂循环环路。
8.权利要求1所述调温穿戴物，其特征在于它还包括与热电模块冷侧相连的冷凝水排出管。
9.权利要求1所述调温穿戴物，其特征在于它还包括温控系统，所述温控系统包括：
安装在穿戴物上的温度传感器；
固态功率控制电路，它包括一个或多个与温度传感器相连的温度信号输入接头、一个或多个与热电模块相连的受控功率输出接头和一个或多个功率输入接头；
具有电压，并与功率输入接头相连的电池；
其中，控制电路根据温度传感器传来的信号调整供给热电模块的功率，以此控制穿戴物的温度。
10.权利要求9所述调温穿戴物，其特征在于温度传感器是热敏电阻器。
11.权利要求9所述调温穿戴物，其特征在于固态电路包括一个或多个集成电路或EPROM。
12.权利要求9所述调温穿戴物，其特征在于它还包括与一个或多个控制电路温度选择输入接头相连的温度选择器件，使用者可用它选择所需的穿戴物温度。
13.权利要求9所述调温穿戴物，其特征在于电池是可充电电池。
14.权利要求1所述调温穿戴物，其特征在于所述冷却剂循环环路包括：
与热电模块一侧相连的内部热交换器，包括一个或多个第一冷却剂通道；
包括一个或多个第二冷却剂通道的所述外部热交换器，这些冷却剂通道与第一冷却剂通道液体连通，安装在穿戴物的外表面上；
与第一和第二冷却剂通道之间液体连通的循环泵，由此形成冷却剂循环环路；
冷却环路中的冷却剂液体。
15.权利要求14所述穿戴物，其特征在于内部热交换器还包括与热电模块一侧接触的热交换板，或者该内部热交换器还包括与热电模块一侧接触的第二冷却剂循环环路。
16.权利要求14所述穿戴物，其特征在于外部热交换器还包括一个或多个热交换翅片。
17.权利要求16所述穿戴物，其特征在于热交换翅片包含铜、铝或黄铜。
18.权利要求14所述穿戴物，其特征在于外部热交换器还包括绝热衬里层。
19.权利要求14所述穿戴物，其特征在于循环泵包括一个或多个室，以及使冷却剂流过室和环路的两个或多个单向阀。
20.权利要求19所述穿戴物，其特征在于循环泵的室是回弹球胆。
21.权利要求19所述穿戴物，其特征在于循环泵的室由活塞和缸构成。
22.权利要求21所述穿戴物，其特征在于泵是双功能泵。
23.权利要求19所述穿戴物，其特征在于单向阀是簧片阀或球座阀。
24.权利要求19所述穿戴物，其特征在于穿戴物是工作鞋，泵室包括缸壁，循环泵还包括：
水压密封的活塞板，它安装在缸的壁上，且可以滑动；
连接在活塞板上并延伸到安装在鞋底上的轴锚的促动轴。
25.权利要求24所述穿戴物，其特征在于它还包括0环，它安装在活塞板和缸壁之间，由此形成水压密封。
26.权利要求24所述穿戴物，其特征在于它还包括压缩在活塞板一侧与泵的室壁之间的回动弹簧。
27.权利要求24所述穿戴物，其特征在于它还包括安装在鞋底上泵与锚之间的支点，该支点与促动轴滑动接触。
28.权利要求14所述穿戴物，其特征在于所述冷却剂是水、矿物油或硅油。
29.非加压调温穿戴物，它包括：
安装在穿戴物上的热电模块；
安装在穿戴物上的温度传感器；
固态功率控制电路，它包括与温度传感器相连的温度信号输入接头、与热电模块相连的受控功率输出接头和功率输入接头；
具有电压、并与功率输入接头相连的电池；
与热电模块一侧接触的内部热交换器，它包括一个或多个冷却剂通道；
包括一个或多个第二冷却剂通道的外部热交换器，这些冷却剂通道与第一冷却剂通道液体连通，安装在穿戴物的外表面上；
与第一和第二冷却剂通道之间液体连通的循环泵，由此形成冷却剂循环环路；
冷却环路中的冷却剂液体；
其中，控制电路监测温度传感器上的温度，调整供给热电模块的功率，由此调整穿戴物的温度；
热量在热电模块与热交换器之间交换，由此提高穿戴物温度调节的热传递速度。
30.调节非加压穿戴物温度的方法，该方法包括：
为嵌在穿戴物中的热电模块提供电能；和
用冷却剂循环环路中的循环冷却剂液体将热量传进或传出热电模块；
从而使热量从空气传进该穿戴物或从该穿戴物传到空气中。
31.权利要求30所述方法，其特征在于它还包括通过调整电源极性，使热转移出穿戴物，从而降低穿戴物的温度。
32.权利要求30所述方法，其特征在于它还包括通过调整电源电极，使热转移出穿戴物，从而提高穿戴物的温度。
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