CN103189024A - 用于降低温度的装置 - Google Patents

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Abstract

通过本发明公开一种由PCM和主动冷却的热交换系统组成的装置，该热交换系统在人和动物上的应用可靠地解决迄今为止的温度积聚问题。该系统能够以任何强度实现，即从集成在柔性的长袜中到集成在矫形筒中。这使得所描述技术的使用领域极其多样，PCM通过冷却剂通道中的模块或者含有PCM的复合物，由该复合物制成冷却介质可以在其中流动的软管，通过PCM连同热交换器PCM导出身体的积热。

Description

用于降低温度的装置
本发明涉及一种用于降低由于积蓄的身体热量引起的升温的装置。
已知身体的汗液增加地聚集在日用物品(例如头盔、体操鞋、汽车座椅、脚踏车座垫、车座)中的、以及纺织品即柔性的织物、例如里衬或者长袜中的和同样在身体矫形器或者身体假肢中的特定位置上，因为身体的升温在这些地方是集中的并且相比较而言仅能够不充分地排出，这则导致身体在日用物品中的和/或柔性面状形成物/柔性基体中的这些位置上的积热。
该问题已经以多方面的方法尝试解决，例如在应该封闭的夏鞋中，在表面材料、例如皮革上部分地通过气孔断开，从而在鞋中产生一定的通风。这些孔一部分被网覆盖，从而在视觉上形成封闭的鞋。在所有类型的头盔中应用同样的方法，在这些情况中，在头盔的狭窄的位置上简单地断开或者内装网，由此冷却空气能够吸收身体的蓄热。气孔的缺点在于，它们在涉及的位置上中断头盔的功能，并且第二，在不同的位置上、例如在鞋底上或者假肢上，材料这种类型的断开会导致整个部分的不可用性。在纺织品表面部分上的气孔也通过夹克中肩下面的拉链等提供。
此外，还有存储性纺织品，例如置入式鞋底、床上物品等，然而这些纺织品不主动排出热量。
由US 5,722,482已知一种具有相变材料(Phase Change Material，PCM)的纺织品式面状形成物。这种面状形成物设置用于阻尼身体热量，这就是说，这种面状形成物用作防寒，用于更长地保持身体自身的热量。由US 5,722,482已知的柔性的面状形成物的缺点在于，没有设置能够用于导出积蓄的身体热量的装置。
本发明的任务在于，实现一种用于降低温度的装置，该装置能够用于硬的(例如假肢)以及可弯曲的(例如鞋底)和柔性的(例如支撑长袜)日用物品中，这些日用物品与生物在热技术上处于直接的接触中，其中，该装置可以集成到物品中和/或柔性的基体中，而不丧失物品和/或柔性基体在该位置上的功能性。
下面借助说明书、附图和权利要求公开本任务的解决方案。
本发明的一般认知是，借助所谓的PCM(相变材料，Phase ChangeMaterial，具有高的热存储能力)，例如以与柔性的和/或刚性的物品上相应的、处于身体接触中的热交换器连接的形式可构成热存储器，这些热存储器将皮肤的表面温度或者贴靠在皮肤上的物品的接触温度保持在舒适的范围内，并且同时不改变该物品的穿着舒适性和/或功能性。PCM的再生通过热交换器优选连续地、也在穿着期间实现。
根据这些，本发明的对象是一种用于为贴靠皮肤的物品和/或贴靠皮肤的柔性基体降低温度的装置，这些物品和/或基体与生物的身体处于直接的热接触中，其中，该装置至少部分地集成在该物品和/或这些柔性的基体中，并且包括相变材料(PCM)和热交换器。此外，本发明的对象为呈纯的形式的和/或以例如具有合成材料-聚合物、硅酸盐、石墨等等的复合物形式的PCM的应用，耦合在物品如矫形器和/或假肢中的、在衣物中的、在鞋、头盔、座垫或座椅中的以及在柔性基体如里衬和/或长袜中的热交换器上。
根据本发明的、用于降低温度的装置例如仅在日用物品或者矫形用物品或者稳定软组织的织物(长袜)的一部分中包含或者实现。日用物品或者矫形用物品与柔性织物的区别首先在于，它要么具有非柔性的形状，要么具有至少部分地固定的形状。这两种“分类”在概念上相互不可分开，因为物品可以部分地具有柔性的形状，而织物可以具有固定的部分。因此可能的是，根据本发明的装置-也在其他地方或者仅在该处-集成在其它地方非柔性的物品的柔性部分中，或者相反地，该装置在柔性织物中-也在其他地方或者仅在该处-集成在处于非柔性部分上的位置上。在本发明的意义上，应该包括所有这些可能的结构。
根据一种有利的实施方式，热交换器在运行中将PCM的温度保持在熔化温度范围以下或者熔化温度范围中。由此，既维持PCM的冷却作用，又将包围身体部位的PCM的温度大致保持得恒定，从而不出现不期望的硬温度波动。
尤其优选的是，用于降低温度的装置、尤其热交换器，集成在物物品的内部，例如以被冷却介质流过的双壁的形式或者以具有沟纹(冷却介质流经这些沟纹)的无纺布的形式。PCM同样并非必须设置为整面的，而是可以通过PCM-“小包”装备物品的个别区域，其中，热交换器在这种情况下也可以以有利的方式局限于物品的这些区域上。对于PCM和热交换器功能在物品中的集成，不能给出概括性的说明，因为这些可能性一方面根据物品，然后也根据穿戴者确定。
此外设置，用于降低温度的装置也能够可松脱地固定在物品如头盔、鞋子、座垫上，即例如通过皮带或者拉锁保持。由此，物品可以分别根据季节和需求加装有或装备有该装置。
热交换器是由热吸收部件和热排出部件构成的整套装置。在当前的情况中下，这种单元由PCM元件和被热载体流过的、贴靠在PCM上的腔构成。该流过可以在开放系统中实现或者作为闭合的回路系统实现。在开放的系统中，热载体介质被自由地抽吸，在PCM旁边导引，然后释放到外部。在闭合的系统中，不直接向外部释放热量，而是间接地通过另一中间连接的热交换器实现热量释放。
以环境空气运行的热交换器例如可以开放地运行。另一方面，具有特殊的冷却介质(例如水)的热交换器优选封闭地运行。
该装置可以包括柔性的面状形成物的形式，其中，柔性的基体完全地或者部分地掺有PCM或者含PCM的区域，其中，设置有一些器件，通过这些器件使热交换器的介质与柔性基体的PCM处于传递热的接触中，从而热量能够由PCM导出和/或输入给PCM。
这些器件-通过它们可以使热交换器的介质与PCM产生传递热的接触-在下面也被简称为“器件”，包括通流结构，例如具有不同轮廓例如沟纹的通道或者凸起，通道，也例如回曲形的通道，结子、棱锥状物等。这些通流结构构成的图样可以完全是任意的，也可以用作媒介物。这些通流结构、即器件自然影响介质经过PCM流过的速度。
根据本发明的一种有利的实施方式，通流结构至少部分地构成柔性基体的表面结构。
根据另一种实施方式，这些器件除通流结构外，还包括一装置，通过该装置使热交换器的介质运动。
根据一种有利的实施方式，PCM以石蜡、水合盐和/或相应变体如PCM-聚合复合物、PCM-硅化盐-复合物、PCM-石墨-复合物等等的形式存在。在另一种构型中，这种PCM或者说其变体添加到相应的载体结构中、例如毛细的纤维抽吸结构中。
根据本发明的一种有利的实施方式，热载体介质是气态的，即例如是环境空气。在此可以设置，柔性的面状形成物的载体自身，例如通过自身的运动(例如鞋、座垫)实现介质通过通流结构用于排出PCM的热量的运动。另一方面，也可以设置更小的通风机或者其他引起介质的运动/流动的装置。
根据一种有利的实施方式这样调节介质的流动，使得PCM的温度保持在PCM的熔化温度范围以下或熔化温度范围中。
根据本发明的一种实施方式，具有PCM的区域为柔性基体中的、小的岛状物，该柔性基体构成冷却织物或者冷却无纺布。
因此，根据一种实施方式，在穿戴在身体上的柔性面状形成物和/或冷却无纺布中内置有具有包含PCM的小包的、小的岛状物，其中，保持了柔性面状形成物的特性。
作为用于柔性基体或者冷却无纺布的材料可以使用所有已知的软垫材料的类型。除了已经提到的硅树脂以外，例如还有聚氨酯、热塑的聚合物、共聚物、聚乙烯和其他材料。
可以这样构造通流结构，使得沿表面流动的介质被导引经过岛状物和/或具有PCM的区域，从而优选在这些地方进行从PCM到介质的热交换。
小腿假肢通常除固定的筒外例如还包括柔性的、用于稳定软组织的硅树脂长袜，该硅树脂长袜穿在身体部位上，并且一方面直接贴靠在皮肤上，另一方面插在筒中。这例如是一种根据本发明的一种实施方式掺有由含PCM的材料构成的区域、例如圆形岛状物(Inseln)的硅树脂长袜，其中，基本保持了柔性硅树脂长袜的特性。在筒上可以设置有小的通风机，空气通过该通风机沿筒的内侧鼓吹，然后沿掺有PCM区域的硅树脂长袜的通流结构流动。在此，使气流偏转的结构既设置在筒的内侧面上，也设置在里衬、例如硅树脂长袜的外侧面上。
那么根据本发明，筒也可以包括用于降低温度的装置。为此，筒可以至少在部分区域中构造为双壁的，从而能够将PCM和热交换系统实际上集成在筒中。用于使冷却介质运动的器件、即例如通风机或者小型泵，则可以既共同用于冷却无纺布，也共同用于集成在物品的固定部分中的、即例如集成在筒中的热交换器。
热交换器的介质通过一些器件与PCM产生传递热的接触，这些器件还包括用于产生流动的装置，例如通风机、泵或者位于鞋或鞍车中的开口，通过它们，在运动时将空气泵吸穿过鞋和通流结构。这些通流结构引起介质在PCM上流过。这些通流结构可以设置在具有PCM的柔性基体上，或者也可以与柔性基体分开地、即设置在外部。因此，这些通流结构也可以设置在假肢的筒的内侧面上、在鞋或其他与生物处于身体接触中的刚性物品的内侧面上。这样设置这些器件，使得热交换器的介质通过它们与柔性面状形成物的PCM形成传递热的接触。
可以设置，柔性的基体或物品的区域不包括用于降低温度的装置，即不掺有含PCM的区域或者岛状物和/或在该物品或者柔性基体的这些区域中不设置通流结构，并且这些区域相应地不被介质围绕流过。
根据另一种实施方式，柔性的面状形成物包括多个层，即一堆垛，其中，具有PCM的岛状物和柔性基体例如以缩小的形式交替。在此，可以实现柔性的面状形成物(Flaechengebilde)的不同特性，尤其可以在该堆垛的指向身体的一侧面上实现与该堆垛的指向外部的一侧面上不同的表面特性。柔性基体的材料和PCM可以在一个层内和在堆垛内变化。
在此，例如可以如下面那样实现一种层式构造：
具有PCM部分的柔性基体；
在柔性基体上有具有凸起的层，这些凸起构成用于热交换器的介质的流动通道；
在凸起的层上又为引导PCM的层，并且然后又是引导热交换器介质的层；
其中，这些层和整个结构的柔性尽管结构化仍然尽可能地保持，或者甚至还能够相应于设置的运动过程来支持运动过程。
例如有多层式的、用于在身体上稳定软组织的硅树脂长袜(Silikonstrumpf)，该硅树脂长袜在这里可以用作柔性的基体。然后，PCM例如以面状的、小的薄膜区段的形式在离散的区域中添加、切割或者安装到该柔性基体中，从而基本上维持柔性基体的机械特性，如柔性和防撕破强度。既根据基体的也根据PCM的各自的材料确定PCM到柔性基体中的添加，但是，在本发明的意义上，应该包括PCM到柔性基体中的每种添加类型。
除了作为热交换介质的环境空气和其他气态介质以外，例如也可以设置有液体的热交换介质或者简单地设置有水。
主要是环境空气用作热交换介质，然而热交换器运行既可以开放地，也可以闭合地进行，其中，与PCM处于热接触中的介质优选、但并不是必须连续地再生。介质的“再生”主要理解为，该介质再释放通过PCM从身体所吸收的热量。
热交换器例如包括由PCM包围的软管系统，通过该软管系统引导水或者环境空气。
在此尤其优选的是，软管系统自身、即例如构成软管的材料包括PCM。
热交换器例如也包括双壁式物品的环状间隙。
根据另一种实施方式，热交换器包括微孔或者微型间隙，环境空气通过这些微孔或微型间隙流动或者被泵吸。
“与生物处于直接的热接触中的物品”当前例如指的是，头盔、假肢、矫形器、鞋、鞍座(自行车以及马上的)、车座、手套、所有类型的织物、冲浪服、潜水服、眼罩和类似物品。在本发明的意义上，应该包括所有产生身体积热的物品。
相变材料指的是市场上常见的所有类型的PCM，这些PCM能够用于潜热存蓄。
潜热存蓄理解为热量在经历物相转变、主要是固-液相变的材料中的存蓄(英语：相变材料Phase Change Material，PCM)。除了固-液物相转变以外，原则上也可以使用固-固的物相转变。然而这种物相转变通常显示出小得多的蓄热密度。
在热量存蓄到蓄热材料中时，材料在达到物相转变的温度时开始熔化，然后尽管热量继续存蓄其温度不升高直到该材料完全熔化。只有在这个时候才再次出现温度的升高。
因为在较长时间尽管输入热量仍不出现明显的温度升高，人们将在物相转变期间存蓄的热量称为“插热”或者也称为“潜热”。在固-液物相转变的情况下，潜热包含在蓄热材料的熔化热量或者结晶热量中。
潜热存蓄可以在不同的温度范围中进行。为此，必须分别根据使用情况选出具有合适的相变温度的材料。在此，分别根据温度范围使用不同的材料类别。
对于身体热量的区域，在本发明的意义上，通常建议石蜡或者水合盐或者说其变体作为PCM。
因此，PCM例如也可以以复合物的形式存在。为此的实施方式为石蜡-聚合物-复合物、水合盐、水合盐-石墨-复合物、石蜡-硅化盐-复合物等等。
石蜡-聚合物-复合物也可以作为薄膜、丸、软管或者其他的形体存在。在另一种构型中，这些PCM或者说其变体可以添加到相应的载体结构中、例如毛细的纤维抽吸结构中。
用于PCM和PCM复合物的其他优选变型为薄膜包裹的PCM。
当前优选使用环境空气和/或水作为用于热交换器的介质，从而仅通过以环境空气或者水流过包围PCM的管路系统来运转该用于降低温度的装置。
介质可以经受再生或者冷却，其方式是，介质例如连接到移动式冷却机组上。
根据一种不同的实施方式，介质例如是水，该水流过管路系统并且通过同时运行的冷却机组重新再生。
另一种用于附加冷却的实施方式由能够以液体浸透的材料、例如无纺布构成，该无纺布例如可以被加载以水或者其他能够蒸发的液体。这种无纺布通过液体由于从旁经过的、强制的气流而产生蒸发冷来强烈降低冷却空气温度。
蒸发无纺布的优选实施方式是在筒的外部，例如在通风机的抽吸侧上。
下面仍借助所选择出的实例详细阐述本发明：
图1示出具有根据本发明的用于降低温度的装置的腿假肢或臂假肢或者矫形器的实例，
图2示出另一种假肢，在该假肢中集成该装置和
图3最后示出一种软管的横截面，其中，使用一种复合物作为该软管的材料。
图4示出与图1相同的图示，其中，蒸发热至少支持了PCMs的再生。
图1示出一种假肢，在截肢的情况下，所谓的残肢、即被截肢的肢体的剩余部分装入到该假肢中。这种假肢通常由单壁的树脂制造。
根据按照本发明的、在这里示出的实施方式，采用双壁的结构取代单壁的树脂结构，其中，两壁1和2、即内壁1和外壁2确定一构成环形间隙3的空腔。环形间隙3在这里如示出的那样在上方整侧地敞开。然而，该环形间隙也可以仅部分地敞开。在环形间隙3中，如这里示出的那样，加进作为离散的小包的PCM模块4，这些小包例如布置在表面5(例如橡胶表面)上。在该假肢上在下部，一方面是维持假肢中低压的吸出阀6，另一方面是在两壁1和2之间的吸出阀7，通过该吸出阀吸出经过绕PCM模块4的环形间隙3流动的冷却介质。箭头9标示气态的冷却介质经过绕PCM模块4的环形间隙3的路径。阀7例如连接在泵上、通风机上和/或外部的冷却机组上(未示出)，通过这些设备，空气或者冷却介质穿过环形间隙3导引、抽吸、泵吸和/或冷却，并且PCM模块由此释放热量，或者由此吸收矫形器中的潮湿。
因此，热交换器运行在这里开放地进行，因为例如环境空气简单地通过阀门7穿过开放的环形间隙3被抽吸。
根据一种优选的实施方式，在假肢的内壁1上还存在一温度传感器，通过该温度传感器可确定内部温度。该温度传感器与外部的、调节冷却介质的流量和/或温度的调节和控制装置连接。
根据本发明的图1中所示的实施方式，在假肢的外壁2中还设置有微孔8，通过这些微孔导引其他的冷却介质(例如以环境空气的形式)穿过环形间隙3。微孔在这里仅示例性地示出，这些微孔当然可以既在布置的尺寸方面，也在形状方面任意地布置。
PCM模块可以作为离散的小包或者石蜡-聚合物-复合物-散料存在，但是它们也可以以任何其他任意形式存在，并且还可以作为单一的散料存在于下部密封的环形间隙中。最后，内壁2可以完全或者部分地由复合物组成，包括PCM和聚合物形式的合成材料，该聚合物例如也包含柔性的基体。
这些PCM模块4也可以根据本发明任意分布地在环形间隙3中存在。例如当上方需要较少的冷却而下方需要较多的冷却时，PCM模块的密度可以在环形间隙3上任意地变化。PCM模块最后也可以可活动地和/或可松脱地布置，从而模块能够被移动或者能够添加或去掉附加的模块。
如图1那样，图2示出矫形器或假肢的实例。又可看出具有内壁1和外壁2的双壁的结构。但是在这里，冷却介质不是如图1中那样通过开放的环形间隙3导引，而是存在软管卷10，该软管卷放置在PCM模块4之间，并且热交换器的冷却介质在该软管卷中流动。该软管卷作为热交换器不是必须为一闭合的系统，而是例如可以以空气作为冷却介质这样运行，使得吹过的冷却空气的末端在矫形器/假肢的内腔中终止。另一方面，也可以使用液体介质、例如水作为冷却介质，热交换器则作为闭合的系统运行，其中，软管返回到水接口上、另一热交换器上或者水冷却系统(外部的，未示出)上。
图3最后示出软管11的横截面，该软管根据本发明可与一双壁的系统(在其中存在PCM模块)一起共同使用或者也可以没有其他PCM模块地使用。软管11的特征在于，它构成了用于冷却介质的通道13并且软管11引导具有PCM12的复合物，该复合物例如在聚合物基体中包含PCM。
如图3中所示的软管可以制造成不同的厚度并且集成到所有类型的刚性的和柔性的物品中。在这里，可以满足极其不同的要求，因为软管壁的直径、流动空间的内直径和最后复合物(PCM被添加进该复合物中)都可以自由选择。
图4示出另一种产生冷的实施方式，在该实施方式中，例如通过通风机输送的冷却空气根据箭头9在筒中被导引经过例如以水浸透的无纺布14，并且通过该无纺布的液体由于流过的、强制的气流而产生蒸发冷来负责冷却空气温度的强烈下降。
作为实例，在这里还要简短地概述在鞋底中的应用。取代费事的泵装置或者抽吸装置，这里仅步行运动就可以引起冷却介质穿过软管泵送。这种作为含PCM的软管的实施方式可以多方面地使用，在身体的物理运动取代外部的用于使冷却介质运动的装置的所有地方，都可以添加软管。
通过本发明公开一种由PCM和主动冷却的热交换系统组成的装置，该热交换系统在人和动物上的应用可靠地解决迄今为止的温度积聚问题。该系统能够以任何强度实现，即从集成在柔性的长袜中到集成在矫形筒中。这使得所描述技术的使用领域极其多样，PCM通过冷却剂通道中的模块或者含有PCM的复合物，由该复合物制成冷却介质可以在其中流动的软管，通过PCM连同热交换器PCM导出身体的积热。

Claims (14)

1.用于为物品或者柔性的面状形成物降低温度的装置，这些物品或者柔性的面状形成物与生物的身体处于直接的热接触中，其中，在该物品或者该柔性的面状形成物中至少部分地集成有相变材料(PCM)和热交换器，并且，该物品的功能性仍保持，其中，所述相变材料与所述热交换器处于传递热的接触中。
2.根据权利要求1的装置，其中，所述热交换器导引一种介质，相变材料的温度通过该介质保持在熔化范围以下和/或熔化范围中。
3.根据权利要求1或2的装置，其中，所述相变材料以含有相变材料的模块的形式存在和/或由含相变材料的颗粒的散料的形式存在。
4.根据上述权利要求中任一项的装置，其中，所述相变材料优选由石蜡、水合盐和它们的变体构成，例如作为复合物存在。
5.根据权利要求4的装置，其中，所述复合物以软管或者以填充以相变材料的垫的形式存在。
6.根据上述权利要求中任一项的装置，其中，所述相变材料或者它的变体添加到载体结构中、例如纤维抽吸结构中。
7.根据上述权利要求中任一项的装置，其中，所述热交换器以被冷却介质流经的空腔的形式存在。
8.根据上述权利要求中任一项的装置，其中，所述热交换器的运行开放地进行。
9.根据上述权利要求中任一项的装置，其中，使用环境空气作为所述热交换器的介质。
10.根据上述权利要求中任一项的装置，其中，所述柔性的面状形成物是一种多层式的形成物。
11.根据权利要求10的装置，其中，所述面状形成物包括一硅树脂层。
12.根据权利要求10或11的装置，其中，热交换器的介质通过一些器件与相变材料形成传递热的接触，所述器件的通流结构设置为所述硅树脂层的表面结构化。
13.根据权利要求10或11的装置，其中，热交换器的介质通过一些器件与相变材料形成传递热的接触，所述器件的通流结构设置在外部。
14.相变材料的应用，以纯的形式和/或以具有合成材料-聚合物的复合物的形式，耦合到热交换器上，用在如矫形器和/或假肢等的物品中、衣物中、鞋中、头盔中、鞍座中或者座椅中和/或作为里衬或者长袜。
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