CN101766342A

CN101766342A - 太阳能驱动的可穿戴式微型制冷空调系统

Info

Publication number: CN101766342A
Application number: CN201010107692A
Authority: CN
Inventors: 刘静; 任萍
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2010-07-07

Abstract

一种太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其包括：可穿戴式太阳能集热板；与太阳能集热板输出端相连并形成换热回路的换热器；与换热器并联的冷凝器；与冷凝器并联的蒸发器；冷凝器与换热器相连的管路上串有喷射器；蒸发器与冷凝器相连的管路上串有节流阀；换热器、喷射器与冷凝器之间形成回路；喷射器、蒸发器、节流阀与冷凝器之间形成回路；太阳能集热板通过背带穿在人体前胸或背部；蒸发器管路上接有带微型电源的微型泵；蒸发器缝制在人体着装的前襟、后襟、袖子或裤腿内，系统中流动着制冷工质；本发明首次将太阳能喷射式制冷空调系统引入了服装领域，结构简单、节能环保，可实现人体全身或局部体表的主动式制冷，达到了防暑降温的目的。

Description

太阳能驱动的可穿戴式微型制冷空调系统

技术领域

本发明属于功能服装领域，特别涉及一种微型化的太阳能驱动的可穿戴式微型制冷空调系统。该可穿戴式微型制冷空调系统可为人体直接提供冷量，且结构简单，运行状况稳定，噪声小，有效利用太阳能，环保实用。

背景技术

在能源、动力、军事、航空等领域中，高温是不少人-机系统不可避免的环境因素，它会引起人缺氧和抗荷耐力降低、注意力分散、记忆力减弱、反应灵活性下降等一系列生理、心理变化。这些都严重影响着工作人员的工作情绪和身体健康，对工作质量与效率也会产生很大的影响。此外，对于从事高温作业(例如执勤的警察、交警)、野外作业(例如地质勘测、军人)的人群，甚至对于旅游和观看比赛等，预防中暑也尤为重要。

我们知道，人体散热的途径不外乎四类：传导散热、对流散热、辐射散热和蒸发散热等。因此，在高温环境下，能够改善上述因素之一的任何一种途径均可用于发展新的降温空调服。高温环境下，人体皮肤表面若仅靠自然对流散热和蒸发散热，则散热效果有限。因此，一种可能的途径是采用主动式冷却，即利用微型制冷系统来为人体降温，以期营造一种舒适的微气候环境，使人体获得热舒适性。以往此方面的技术思路是携带冰块或使用相变材料降温，但具有局限性，不可控性以及持续时间短等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种突破传统概念的太阳能驱动的可穿戴式微型制冷空调系统，可根据需要制成背包、衣服、甚至鞋子等款式多样的空调服装，充分地利用了太阳能，可达到节能且高效调节人体体表温度的目的。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其包括：

一可穿戴式太阳能集热板1；采用平板式太阳能集热板，高选择吸收性涂层，以及“超级蓝膜”，保证其高透光率、低反射率；另外采用船用级铝制外壳，保证其使用寿命，避免生锈、腐蚀，而且穿戴轻便；其外形尺寸范围为20cm×20cm×1cm～40cm×40cm×5cm。

一与所述可穿戴式太阳能集热板1输出端相连并形成换热回路的换热器8；

一与所述换热器8并联的冷凝器6；

一与所述冷凝器6并联的蒸发器5；

所述冷凝器6与所述换热器8相连的管路上串接有喷射器2；

所述蒸发器5与所述冷凝器6相连的管路上串接有节流阀7；

所述换热器8(该微型换热器8与可穿戴式太阳能集热板1紧密接触，使制冷剂充分吸可穿戴式太阳能集热板1所采集的热量，尺寸为10cm×1cm×1cm～20cm×5cm×5cm；所述换热器8可采用平板式板式换热器。

)、喷射器2与冷凝器6之间形成回路；

所述喷射器2、蒸发器5、节流阀7与冷凝器6之间形成回路；

所述可穿戴式太阳能集热板1通过背带10穿在人体前胸或背部；

所述蒸发器5的管路上接有一具有微型电源4的微型泵3；

所述蒸发器5缝制在人体着装的前襟、后襟、袖子或裤腿内；太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统中流动着制冷工质；所述蒸发器5通过连接管件9向连通。

可穿戴式太阳能集热板1为平板式太阳能集热板，其表面涂有吸收性涂层或超级蓝膜；另外采用船用级铝制外壳，其尺寸为20cm×20cm×1cm～40cm×40cm×5cm。

所述的微型喷射器2为蒸汽式喷射器，其吸入压力为100kPa～1000kPa，排气量在5-10m³/h之间；其外形尺寸为5cm×1cm×1cm～20cm×5cm×5cm；该微型喷射器2外挂在腰带处或缝制于衣服内。

所述的微型循环泵3外形尺寸为2cm×1cm×1cm～10cm×5cm×5cm，流量在2-20m³/h之间。

所述微型电源4主要为微型循环泵3提供动力，其电压在3～12V，即使发生漏电，也不会对人体造成损伤。微型电源4体积在1cm³到10cm³之间；该微型电源4可为锂电池、蓄电池、半导体温差电池或太阳能电池；

所述的微型蒸发器5，如图1所示形状以及布置方式，也可根据不同的制冷要求进行特殊的布置，比如专门针对前胸、后背、四肢等，而不需要全身冷却的布置方式。其材料要选用导热性能好、且易弯曲，穿戴舒适的材料，如尼龙软管、PV软管等，或其它新型材料。其直径范围为0.5cm～2cm，长度在5m～20m之间，进口温度20～40℃，流量2～20m³/h。另外，它需要循环泵3为制冷剂的循环流动提供动力。

所述微型冷凝器6为微管型冷凝器或风冷型冷凝器；其外形尺寸为5cm×1cm×1cm～20cm×5cm×5cm，其传热系数为100～1000W/m²·K，平均温差5～15℃；微型冷凝器6为微管型冷凝器可简化成微管，称为冷凝段，当然也可以采用微型风冷式冷凝器，如微型多元平行流冷凝器；其可以同喷射器2一起挂于腰带上，亦可缝制于衣服内。

所述微型节流阀7选择范围比较宽泛，其可为针阀、管阀或球阀，只要满足其尺寸要求即可；其尺寸为2cm×5cm×1cm～5cm×10cm×5cm；当然，根据需要也使用毛细管来代替节流阀的作用。

所述的背带10为双肩背式背带；其材质为造纤维或牛津尼龙布；可类似于登山包的背带，其选材可使用密实防水的耐磨、防燃、防撕裂的材料制造，比如人造纤维或高密度牛津尼龙布等。

所述连接管路9可选用金属导管，亦可选用导热性能好、且易弯曲，穿戴舒适的材料，如尼龙软管、PV软管等，或其它新型材料。

本发明的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统所用布料11可选用毛料、棉布、麻、涤纶、具有防热辐射性能或吸湿性能的材质。

另外，制冷工质的选择，也可以按照不同的天气状况，不同职业人士的制冷需要来选择，最方便的可以直接选择水作为制冷工质，也可以采用性能较好且绿色环保的制冷剂，如R124b、R123、R134a、R245fa等。

本发明的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统工作流程如下；

本发明的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统的上述各部件的连接方式可参见附图1和附图2，制冷剂在换热器8中充分吸收来自可穿戴式太阳能集热板1的热量，然后汽化、增压，产生饱和蒸汽，蒸汽进入喷射器2，经过喷射器2的喷嘴高速喷出膨胀，在喷射器2附近产生真空，将蒸发器5中的低压蒸汽吸入喷射器2，经过喷射器2出来的混合气体进入冷凝器6放热、凝结，然后冷凝液的一部分通过节流阀7进入蒸发器5吸收热量后汽化，这部分工质完成的循环是制冷循环；冷凝液另一部分通过微型泵3升压后进入换热器8，重新吸热汽化，完成一次动力循环。

制作本发明的可穿戴式太阳能喷射式制冷空调系统时，各部件可以从市场直接购买，或者根据需要到厂家定制，当然也可以参照成熟的微加工方法自行制作。这里可穿戴式太阳能集热板1(平板式太阳能集热板)是市场上比较成熟的产品，可直接购买或委托生产，相应产品如Heray公司生产有全紫铜集热板芯太阳能集热板，为满足可穿戴式要求，需要特殊定制尺寸，以及加工制作成带有背带的平板式太阳能集热板，同时为保证其与人体接触处的衣料为防热辐射性能比较好的材料，对太阳光有较好的反射作用，反射光同时可以被平板式太阳能集热板所吸收；另外，也可采用先进的柔性塑胶硅晶片自行制作平板式太阳能集热板，使其可以直接缝制在衣服上；喷射器2市场上的现有产品体积和流量都偏大，需要定制小体积的喷射器，其外观形状可参考上海光正泵阀制造有限公司ZS型蒸汽喷射器；蒸发器5需要按照不同身高、体型自行加工，以尼龙软管为例，其尺寸范围为直径0.5cm～2cm，长度在5m～20m之间，进口端温度20～40℃，流量2～20m³/h，布置在服装的前襟、后襟、袖子或裤腿等部位；冷凝器6可以采用风冷式，如微型多元平行流冷凝器；换热器8则可采用PNNL研制的微型平板式换热器；节流阀7的选择比较宽泛，只要符合其尺寸和流量要求即可，也可以用毛细管来代替。

安置上述微型热学器件时，可采用穿戴式，即各部件安装有背带，可以直接背在身上，如可穿戴式太阳能集热板1和换热器8制成背包背在肩上，而喷射器2、冷凝器6、节流阀7等可以佩戴于腰带上，而蒸发器5则按照附图1的形式布置在衣服的夹层中，并且缝制固定。当然，如果制作尺寸足够小，性能优良的微米级器件时，可在选用的衣物衣料上预选裁出系列通孔，通孔外壁设置有多个小的针孔，便于针线在此处编织，从而可将微小型热学器件牢固地缝制到周围的衣料中。一般情况下，通孔周围应采用缝纫机紧密扦边，以确保该处不致散边，现有的缝纫技术足以实现该要求。而连接各部件的管路也可预先连接好后，固定在衣料中；若有特殊要求，也可将整个系统做的极小，这样，人体并不会有异物感，且由于借助于该可穿戴式太阳能喷射式制冷空调系统的冷量运输，体表会有明显的舒适感。

本发明提供的可穿戴式太阳能喷射式制冷空调系统具有如下优点：首先，其结构简单，除循环泵外，无其它运动部件，噪音低，穿戴起来十分方便，对人体无影响，在户外使用时为人体带来了极大的舒适性；其次，直接利用太阳能作为其能量来源，节能环保；而且具有安装方便，工作稳定可靠。而且体积及尺寸高度紧凑化的微型器件，随着技术进步，其基本元件甚至可达到微/纳米量级；将该太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系与衣服结合，其蒸发器可分布于全身，也可布置在特定位置对人体进行温度调节；另外，该太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系采用太阳能作为其能量来源，绿色环保，也保证了人体的安全；本发明的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系是对传统空调服的一个突破，适于炎热天气下户外人群的制冷降温，包括旅游、户外运动、执勤、野外勘探，甚至是单兵系统的制冷等。

综上所述，本发明的可穿戴式太阳能喷射式制冷空调系统，其结构简单、节能环保，具有很高的性能价格比；解决了现有服装在酷热天气无法为人体降温的缺点；本发明的核心在于首次将可穿戴式太阳能喷射式制冷空调系统引入了服装领域，从而实现了人体全身或局部体表的主动式制冷，达到了防暑降温的目的。值得指出的是，利用太阳能实现主动制冷的原理有许多，本发明采用的只是其中一类方案；由本发明提供的太阳能主动制冷服技术概念，可以引伸出更多类型的空调服，此处不一一列举。

附图说明

图1是本发明提供的一种可穿戴式的太阳能喷射式制冷空调系统的结构示意图；

图2是可穿戴式的太阳能喷射式制冷空调系统的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明：

图1是本发明提供的一种可穿戴式的太阳能喷射式制冷空调系统的结构示意图；也是本发明的一个实施图。由图可知，本发明提供的一种可穿戴式的太阳能喷射式制冷空调系统，包括；

一可穿戴式太阳能集热板1：可采用平板式太阳能集热板，高选择吸收性涂层，以及“超级蓝膜”，保证其高透光率、低反射率；另外采用船用级铝制外壳，保证其使用寿命，避免生锈、腐蚀，而且穿戴轻便。其外形尺寸范围为20cm×20cm×1cm～40cm×40cm×5cm。

一微型喷射器2：采用蒸汽式喷射器，其吸入压力为100kPa～1000kPa，排气量在5-10m³/h之间。其外形尺寸范围为5cm×1cm×1cm～20cm×5cm×5cm。可外挂在腰带处，甚至缝制于衣服内。

一微型循环泵3：其外形尺寸范围为2cm×1cm×1cm～10cm×5cm×5cm，流量在2-20m³/h之间。所需电压在3～12V，即使发生漏电，也不会对人体造成损伤。

一微电源4：主要为循环泵所使用，电源电压为3～12V之间，保证人体的绝对安全。其体积范围在1cm³到10cm³之间，这里采用锂电池，当然也可以使用蓄电池、半导体温差电池，甚至是太阳能电池。

一微型蒸发器5：可如图1所示形状以及布置方式，也可根据不同的制冷要求进行特殊的布置，比如专门针对前胸、后背、四肢等，而不需要全身冷却的布置方式。其材料要选用导热性能好、且易弯曲，穿戴舒适的材料，如尼龙软管、PV软管等，或其它新型材料。其直径为0.5cm～2cm，长度在5m～20m之间，进口端温度20～40℃，流量2～20m³/h。另外，需要循环泵3为制冷剂的流动提供动力。

一微型冷凝器6：为优化整个制冷系统，此处冷凝器6可简化成微管(为微管冷凝段)，当然也可以采用微型的风冷型冷凝器(如微型多元平行流冷凝器-)；其外形尺寸为5cm×1cm×1cm～20cm×5cm×5cm，传热系数为100～1000W/(m²·K)，平均温差5～15℃；其可以同喷射器2一起挂于腰带上，亦可缝制于衣服内。

一微型节流阀7：其选择范围比较宽泛，如针阀、管阀或球阀等，只要满足其尺寸(2cm×5cm×1cm～5cm×10cm×5cm)要求即可；当然，根据需要也使用毛细管来代替节流阀的作用。

一微型换热器8：其与可穿戴式太阳能集热板1紧密接触，使制冷剂充分被可穿戴式太阳能集热板1所吸收采集，尺寸为10cm×1cm×1cm～20cm×5cm×5cm；也可采用平板式换热器。

上述各热学部件的连接管路9：可选用金属导管，亦可选用导热性能好、且易弯曲，穿戴舒适的材料，如尼龙软管、PV软管或其它柔性材料。

背带10：可采用双肩背式，类似于登山包的背带，其选材可使用密实防水的耐磨、防燃、防撕裂的材料制造，比如人造纤维或高密度牛津尼龙布等。

衣物的布料11可为毛料、棉布、麻、涤纶或具有防热辐射性能和吸湿性能的材质。

具体制作方式如下：

1.各热学部件的制作，包括可穿戴式太阳能集热板1、喷射器2、循环泵3、蒸发器5、冷凝器6、节流阀7以及换热器8均应根据不同的制冷需求设计，根据要求为各热学部件选型，如尺寸要求不高时(厘米量级)，可直接从市场购买，或根据要求定制。若要求尺寸较小时，可采用微/纳米加工方法制作，此方面将常规的热学部件制造过程扩展到微型加工领域即可，当前的技术能保证该过程的实施。总体上，本发明提供的可穿戴式的太阳能喷射式制冷空调系统尺寸可有多种选择，如每一个热学部件的整体体积可在1cm³～100cm³范围之间，其内部零件尺寸甚至可在微/纳米量级，但也不限于此，可大可小。

2.可可穿戴式太阳能集热板1及换热器8的制作：将加工好的可穿戴式太阳能集热板1上边缘及下边缘处各打两个孔，并用钢钉将背带10钉于其上(见附图1)，这样即可将其背于后背，需要指出的是，衣料背部靠近集热板处需采用防热辐射性能比较好的材料，对太阳光有比较好的反射作用，反射光同时可以被可穿戴式太阳能集热板1所吸收；另外，也可采用先进的柔性塑胶硅晶片自行制作可穿戴式太阳能集热板1，使其可以直接缝制在衣服上。对于换热器8来说，其与可穿戴式太阳能集热板1无缝隙粘合在一起，其内流动的制冷剂可充分吸收可穿戴式太阳能集热板1所采集的热量。

3.喷射器2、冷凝器6和节流阀7的布置：如附图1所示，加工好的喷射器2、冷凝器6、节流阀7用微导管连接，并成线性佩戴于腰带上，而连接的微导管则布置于腰带夹层中，可采用金属导管，亦可选用导热性能好、且易弯曲，穿戴舒适的材料，如尼龙软管、PV软管或其它柔性材料。

4.衣服布料11的制作以及蒸发器5的封装：取一定量的布料，按照标准衣服加工步骤，裁剪和缝制出相应形状的衣服结构；衣服内设夹层，之后，将预先设计好的蒸发器5按照附图1所示的结构布置在夹层内，需注意蒸发器5在衣内夹层的固定，保证衣服的美观、平整，也保证了人体在运动时，蒸发器能够正常工作。

5.循型泵3及微型电源4的布置：循型泵3是整套制冷系统唯一的运动部件，其连接在蒸发器5的管路中，为制冷剂的循环流动提供动力，在本实施例中该循型泵3安装在上衣与裤子之间的蒸发器5内的管路中，同样安置在衣服夹层中；微型电源4的电压为3～12V之间，保证人体的绝对安全；其体积范围在1cm³到10cm³之间，这里可采用锂电池，当然也可以使用蓄电池、半导体温差电池，甚至是太阳能电池。

6.制冷剂的选择：按照不同的天气状况，不同职业人士的制冷需要来选择，最方便的可以直接选择水作为制冷工质，也可以采用性能比较好且绿色环保的制冷剂，R124b、R123、R134a或R245fa等。在本实施例中采用水作为制冷剂。

将上述各热学部件、管路、电源等连接好以后，即构成可穿戴式的太阳能喷射式制冷空调系统；需要指出的是，本实施例所制作的空调服，是在特别炎热的天气时，一些需长时间在户外工作，且需穿着工作服的特殊工作人群所使用，比如40℃以上天气，野外作战的士兵，或者站岗执勤的武警，或者野外勘探人员等，需要全身冷却，因而采用衣裤连体的设计方式，保证蒸发器5在全身上下的布置；而一般情况下，只需上衣，或者短袖和短裤的组合。

本发明的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统的使用过程非常简单，与常规衣服没有太多差别，只是在外出使用时，将可穿戴式太阳能集热板和特制的腰带佩戴好即可。当可穿戴式太阳能集热开始接受太阳辐射，整个系统即开始工作，其工作原理如图2，制冷剂在换热器8中充分吸收来自集热板的热量，然后汽化、增压，产生饱和蒸汽，蒸汽进入喷射器2，经过喷射器2喷嘴高速喷出膨胀，在喷射器2喷嘴附近产生真空，将蒸发器5中的低压蒸汽吸入喷射器2，经过喷射器2出来的混合气体进入冷凝器放热、凝结，然后冷凝液的一部分通过节流阀7进入蒸发器5吸收热量后汽化，这部分工质完成的循环是制冷循环。另一部分冷凝液通过微型泵3升压后进入换热器8，重新吸热汽化，完成一次动力循环。制冷剂在蒸发器5中制冷，产生的冷量在人体周围的微小空间内为人体提供舒适的温度环境；需要注意的是本发明所提供的服装在清洗之前，将衣内夹层卸下即可。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，比如采用更多太阳能驱动的制冷原理和装置，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，包括：

一可穿戴式太阳能集热板(1)；

一与所述可穿戴式太阳能集热板(1)输出端相连并形成换热回路的换热器(8)；

一与所述换热器(8)并联的冷凝器(6)；

一与所述冷凝器(6)并联的蒸发器(5)；

所述冷凝器(6)与所述换热器(8)相连的管路上串接有喷射器(2)；

所述蒸发器(5)与所述冷凝器(6)相连的管路上串接有节流阀(7)；

所述换热器(8)、喷射器(2)与冷凝器(6)之间形成回路；

所述喷射器(2)、蒸发器(5)、节流阀(7)与冷凝器(6)之间形成回路；

所述可穿戴式太阳能集热板(1)通过背带(10)穿在人体前胸或背部；

所述蒸发器(5)的管路上接有一具有微型电源(4)的微型泵(3)；

所述蒸发器(5)缝制在人体着装的前襟、后襟、袖子或裤腿内；太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统中流动着制冷工质。

2.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，可穿戴式太阳能集热板(1)为平板式太阳能集热板，其表面涂有吸收性涂层或超级蓝膜；所述可穿戴式太阳能集热板(1)或为船用级铝制外壳，其尺寸为20cm×20cm×1cm～40cm×40cm×5cm。

3.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，所述的微型喷射器(2)为蒸汽式喷射器，其吸入压力为100kPa～1000kPa，排气量在5-10m³/h之间；其外形尺寸为5cm×1cm×1cm～20cm×5cm×5cm；该微型喷射器(2)外挂在腰带处或缝制于衣服内。

4.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，所述的微型循环泵(3)外形尺寸为2cm×1cm×1cm～10cm×5cm×5cm，流量在2-20m³/h之间。

5.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，所述微型电源(4)电压在3～12V，其体积在1cm³到10cm³之间；该所述微型电源(4)为锂电池、蓄电池、半导体温差电池或太阳能电池。

6.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，所述的微型蒸发器(5)为材料为尼龙软管或PV软管；其直径为0.5cm～2cm，长度在5m～20m之间；所述微型蒸发器(5)进口端温度为20～40℃，流量2～20m³/h。

7.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，所述微型冷凝器(6)为微管型冷凝器或风冷型冷凝器；其外形尺寸为5cm×1cm×1cm～20cm×5cm×5cm，其传热系数为100～1000W/m²·K，平均温差5～15℃。

8.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，所述微型节流阀(7)为针阀、管阀或球阀；其尺寸为2cm×5cm×1cm～5cm×10cm×5cm。

9.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，所述的背带(10)为双肩背式背带；其材质为造纤维或牛津尼龙布。

10.按权利要求1所述的太阳能驱动的可穿戴式制冷空调系统，其特征在于，所述制冷工质为水、R124b制冷剂、R123制冷剂、R134a制冷剂或R245fa制冷剂。