CN105455242B - 一种基于微型制冷的穿戴式空调服 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微型制冷的穿戴式空调服，其冷凝器通过节流装置和蒸发器连接；微型压缩机分别与冷凝器和蒸发器连接；锂离子电池组与控制器连接；节流装置采用毛细管；穿戴组件由多层组成；从内到外依次设置舒适层、透气层、隔热层和表面层；蒸发器采用毛细管网；毛细管网设置在透气层和隔热层之间，毛细管网的结构为集分水式结构，在穿戴组件的上下端分别设有一圈收集管路；上下收集管路之间间隔设有多条直线型的软铜管，蒸发器进口位于蒸发器出口下方，蒸发器进口与节流装置连接，蒸发器出口与微型压缩机的进气管路连接。本发明采用制冷剂的直接蒸发制冷，简化了系统结构，使得系统更加紧凑、轻量化，减少了冷量的损失，提高了能效。

Description

一种基于微型制冷的穿戴式空调服

技术领域

本发明涉及一种空调服，特别是涉及一种基于微型制冷的穿戴式空调服，该空调服利用微型制冷系统组件实现节能、紧凑、轻量化，直接为人体提供一种舒适的微气候环境。

技术背景

从国内外大量的现场调研结果来看，热环境的水平影响人们的劳动效率，其影响程度随劳动类型、紧张程度的不同而不同。有研究表明，在偏离热舒适区域的环境温度下从事体力劳动，小事故和缺勤现象发生的机率增加，产量下降；当环境有效温度超过27℃，需要运用神经操作、警觉性和决断技能的工作，效率会明显降低；在热环境中暴露时间的长短也会影响工作效率。

人体为了维持正常的体温，必须使产热和散热保持平衡。人体与外界的热交换形式包括对流、辐射和蒸发。在高温条件下，仅依靠人体自身的散热，效果有限，因此，需要借助外界条件给人体散热，维持产热与散热平衡。

近年来，针对在高温环境下工作的人们，已经开发了许多种防护服，如通过相变材料的相变吸收热量来降低温度，但其相变材料需要定期更换，不能够重复使用；还有就是在防护服上装上微型风扇，通过风扇来加强衣服内空气流动，增强对流换热来降温，不过其调节能力差，效果不明显。此外，也有一些制冷技术用在人体降温上，如半导体制冷、吸附式制冷等。一般情况下，半导体制冷的COP值比较低，要获得足够的冷量，需要消耗较多的能量，所以半导体制冷较少用于空调服。目前，吸收式制冷常用的工质对为溴化锂‐水溶液，但溴化锂‐水溶液对一般金属有较强的腐蚀性，对系统的寿命有较大的影响，也会使得系统比较复杂。而现有采用蒸气压缩式制冷的空调服产品是先将水降温，然后再在衣服的塑料管路内循环冷水降温存在制冷剂与载冷剂换热的过程，使得冷量损失较多，能耗较高，另一方面，也使得整个系统设备较多，重量较大，对穿戴的便携性有较大的影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了基于微型制冷的穿戴式空调服，能够有效地解决现有技术人体在高温环境下散热不足、工作效率低下的问题，达到为人体提供舒适的微气候环境，提高工作效率的目的。

本发明主要由微型制冷系统、穿戴组件和控制系统组成。相对于其他常用的解决方案，本发明的系统结构简单，使用方便，又有很好的适应性。在同等条件下，本发明消耗更少的能量，可提供更长的制冷时间。

基于微型制冷的穿戴式空调服使用蒸气压缩式制冷，具有有质量流量小、冷凝温度低及COP高等优点，且技术成熟，其关键零部件如压缩机的小型化可满足穿戴设备的要求，很适合用于穿戴式空调服。

本发明采用集分水式结构的毛细管网，具有换热面积大、壁薄导热性好、换热均匀、水力损失小的特点，决定了毛细管网是一种高效的换热器。“面大壁薄”是毛细管网用于热交换的核心优点。毛细管网薄、柔、轻，因此适用于衣服上，安装方便、覆盖层可以薄，铺装面积可以大，容易达到节能和舒适的效果。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种基于微型制冷的穿戴式空调服，包括穿戴组件、锂离子电池组、控制器、微型压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器和风扇；冷凝器通过节流装置和蒸发器连接；微型压缩机分别与冷凝器和蒸发器连接；锂离子电池组与控制器连接；

所述节流装置采用毛细管，毛细管的管径为0.5‐0.8mm，毛细管设置为螺旋状；

所述穿戴组件由多层组成；从内到外依次设置舒适层、透气层、隔热层和表面层；

所述蒸发器采用毛细管网；毛细管网设置在透气层和隔热层之间，主要设置在穿戴组件的背部和前部；毛细管网的结构为集分水式结构，在穿戴组件的上下端分别设有一圈收集管路；上下收集管路之间间隔设有多条直线型的软铜管，软铜管的直径为2‐4mm；多条直线型的软铜管的间隔为2cm～3cm；蒸发器进口位于蒸发器出口下方，蒸发器进口与节流装置连接，蒸发器出口与微型压缩机的进气管路连接；

所述控制器包括处理器、按键模块、记忆模块、温度传感器、压缩机控制模块、风机控制模块、LED显示模块；处理器分别与按键模块、记忆模块、温度传感器、压缩机控制模块、风机控制模块和LED显示模块连接；温度传感器设置在舒适层上，压缩机控制模块、风机控制模块和LED显示模块分别与压缩机、风扇和LED显示屏连接；压缩机控制模块与微型压缩机连接；风机控制模块与风机连接；

所述冷凝器采用平行流换热器；冷凝器配备一个小型的风扇，风扇与平行流换热器平行放置。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述微型压缩机、冷凝器、节流装置与锂离子电池组固定在支承框架上，支承框架设置在穿戴组件背部偏上位置。

优选地，所述毛细管的管径为0.67mm；毛细管的直线长度为400～500mm。

优选地，所述舒适层采用普通的服装材料；透气层的材料由在布基上覆盖聚四氟乙烯制得；隔热层的材料采用芳纶、芳砜纶混纺水刺非织造布，表面层采用普通的服装材料。

优选地，所述软铜管的直径为3mm；软铜管材料优选用紫铜。

优选地，所述控制器采用RY‐DB1501型或RY‐DB1308型控制器。

优选地，所述微型压缩机采用ACXZ14DC型微型制冷压缩机。

优选地，所述平行流换热器的翅片采用锯齿形翅片。

优选地，所述按键模块选用QYF‐JP02型芯片，记忆模块选用EEPROM型芯片，压缩机控制模块选用RY‐DB1501，风机控制模块选用YK003型芯片，LED显示模块TM1638型芯片，处理器选用STC89C52型芯片。

本发明基于微型制冷的穿戴式空调服的主要原理：微型制冷系统主要包括微型压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等，由锂离子电池组给整个微型制冷系统供电。从微型压缩机出来的高温高压气态制冷剂直接进入冷凝器中，热量向外界散发，制冷剂冷凝成高压液体，然后流经节流装置，成为低温低压的气液混合物，接着流入蒸发器中，吸收由人体散发出来的热量，蒸发为低温低压气体，在微型压缩机的吸力作用下进入微型压缩机，重新开始新的循环。

控制系统会根据衣服内的微环境的温度的变化调节压缩机的运行频率，从而改变制冷剂流量，使衣服内微环境的温度保持在设定温度附近，误差不超过1.5℃，为人们提供舒适的微气候环境。

本发明所述穿戴组件可以根据需求制成背心、长袖上衣、裤子等样式的空调服。基于微型制冷的穿戴式空调服包括穿戴组件、锂离子电池组、微型制冷系统和控制系统。所述各系统的总重量约为2.5kg。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1)本发明采用制冷剂的直接蒸发制冷，区别于现有产品先将水降温，然后再在衣服的管路内循环冷水降温。本发明的做法整体上简化了系统结构，使得系统更加紧凑、轻量化。同时，由于省去制冷剂与载冷剂换热的过程，减少了冷量的损失，提高了能效；而且金属的导热系数远大于塑料的导热系数，使得系统降温更快。

2)基于微型制冷的穿戴式空调服采用毛细管网形式。毛细管网是集分水式结构，具有换热面积大、壁薄导热性好、换热均匀、水力损失小的特点，决定了毛细管网是一种高效的换热器。“面大壁薄”是毛细管网用于热交换的核心优点。毛细管网薄、柔、轻，因此适用于衣服上，安装方便、覆盖层可以薄，铺装面积可以大，容易达到节能和舒适的效果。毛细网管采取集分水式结构，相对于现有产品采用的蛇形管结构，降低了流动阻力，可减少能量的损耗。

3)本发明考虑在高温条件下，人与外界传热过程的情况，特别地在空调服内设置隔热层，一方面最大限度地阻止外界的热量传入人体，另一方面，减少系统的冷量损失，进而降低系统能耗。

附图说明

图1为基于微型制冷的穿戴式空调服背面示意图。

图2为基于微型制冷的穿戴式空调服体外观侧面示意图。

图3为空调服管路及衣服分层局部放大图。

图4为基于微型制冷的穿戴式空调服。

图5为控制器控制原理示意图。

图6为平行流换热器示意图。

图7为平行流换热器翅片结构示意图。

图8为集分水式结构的蒸发部件正面示意图。

图9为集分水式结构的蒸发部件背面示意图。

图中示出：穿戴组件1、舒适层1‐1、透气层1‐2、隔热层1‐3、表面层1‐4、蒸发部件软铜管2、锂离子电池组3、控制器4、按键模块4‐1、记忆模块4‐2、温度传感器4‐3、压缩机控制模块4‐4、风机控制模块4‐5、LED显示模块4‐6、处理器4‐7、微型压缩机5、冷凝器6、锯齿形翅片6‐1、节流装置7、蒸发器8、蒸发器进口8‐1、蒸发器出口8‐2、风扇9。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限如此。

如图1，图2，图4，图8，图9所示，一种基于微型制冷的穿戴式空调服，包括穿戴组件1、锂离子电池组3、控制器4、微型压缩机5、冷凝器6、节流装置7、蒸发器8、风扇9；冷凝器6通过节流装置7和蒸发器8连接；微型压缩机5分别与冷凝器6和蒸发器8连接；锂离子电池组3与控制器4连接；锂离子电池组3通过控制器4上的压缩机控制模块4‐4和风机控制模块4‐5分别给微型压缩机5和风扇9供电，控制器4同时实现供电和控制。

节流装置7采用毛细管，毛细管的管径为0.5‐0.8mm，优选毛细管的管径为0.67mm(比蒸发器用的管径小得多)；毛细管设置为螺旋状，毛细管的直线长度为400～500mm。节流装置7采用毛细管，结构简单，无运动部件，价格低廉；使用时不需装设储液器贮液器，制冷剂充注量少，这对减轻系统的总重量，提高便携性很有帮助；而且压缩机5停止运转后，冷凝器6与蒸发器8内的压力可较快地自动达到平衡，减轻电动机的启动负荷。

如图1，图2，图3所示，穿戴组件1由多层组成；从内到外依次设置舒适层1‐1、透气层1‐2、隔热层1‐3和表面层1‐4；舒适层1‐1采用普通的服装材料；透气层1‐2材料由在布基上覆盖聚四氟乙烯制得，材料的耐静水压和透气性能较好，能够保持衣服内舒适的热湿环境；隔热层1‐3的材料采用芳纶、芳砜纶混纺水刺非织造布，材料具有反辐射和耐高温效果，可削弱在高温条件下外界热量向衣服内的传递，同时也减少微型制冷系统运行时所产生的冷量的损失；表面层1‐4采用普通的服装材料，也可以根据实际情况选择材料。

如图8，图9所示，蒸发器8采用毛细管网；毛细管网设置在透气层1‐2、隔热层1‐3之间，主要设置在穿戴组件1的背部和前部，也可以设置衣袖部位；毛细管网的结构为集分水式结构，在穿戴组件1的上下端分别设有一圈收集管路；上下收集管路之间间隔设有多条直线型的软铜管，软铜管的直径为2‐4mm，优选为3mm，软铜管材料优选用紫铜，具有较好的耐压能力，同时兼具柔韧性，能够与人体有较好的贴合性，软铜管布置在穿戴组件上。多条直线型的软铜管的间隔优选为2cm～3cm。蒸发器进口8‐1位于蒸发器出口8‐2下方，便于已经吸热蒸发成气体的制冷剂进入微型压缩机5。蒸发器进口8‐1与节流装置7连接，蒸发器出口8‐2与微型压缩机5的进气管路连接。集分水式结构的蒸发部件，相较于现有产品采用的蛇形管形式管路，管路的弯头数量大大减少，减少了这部分180°弯头管路的局部阻力，降低了管路整体的流动阻力，减少了水力损失，大约能够减少600Pa的压力损失，能够使微型压缩机能够带动系统内制冷剂的循环流动，实现在衣服内直接蒸发制冷。

控制器4的应用使得本发明具有智能控温能力。可控制所述微型制冷系统，温度控制精度为±1.5℃，温度测量精度为±1℃，可以根据使用者的要求，控制压缩机运行频率，从而达到最佳制冷效果。如图5所示，控制器采用的是个模块已经集成好的、与微型压缩机配套的RY‐DB1501型或RY‐DB1308型控制器。控制器4包括处理器4‐7、按键模块4‐1、记忆模块4‐2、温度传感器4‐3、压缩机控制模块4‐4、风机控制模块4‐5、LED显示模块4‐6；处理器4‐7分别与按键模块4‐1、记忆模块4‐2、温度传感器4‐3、压缩机控制模块4‐4、风机控制模块4‐5和LED显示模块4‐6连接；温度传感器4‐3设置在舒适层上，在胸前位置和后背位置各一个，压缩机控制模块4‐4、风机控制模块4‐5和LED显示模块4‐6分别与压缩机5、风扇9、LED显示屏连接；LED显示屏设置在胸前左侧偏上位置。按键模块4‐1用于用户设定温度，操作系统；记忆模块4‐2保存使用记录；压缩机控制模块4‐4与微型压缩机连接，用于控制压缩机运转；风机控制模块4‐5与风机连接，用于控制风机运转；LED显示模块4‐6用于显示温度、时间信息。按键模块选用QYF‐JP02型芯片，记忆模块选用EEPROM型芯片，压缩机控制模块选用RY‐DB1501，风机控制模块选用YK003型芯片，LED显示模块TM1638型芯片，处理器选用STC89C52型芯片。

人们通过安检模块设定好温度，温度值会在LED显示屏上显示。控制系统通过自身的电路启动压缩机和风扇9，然后整个制冷系统开始运行。当温度有所变化时，温度传感器会将该变化传递给控制系统，然后改变压缩机的运行频率和风机的转速，从而改变制冷量，达到最佳的制冷效果，为人体提供一个舒适的环境。

微型压缩机3优选采用ACXZ14DC型微型制冷压缩机，该微型压缩机的直径54mm，高69.3mm以内，重量不大于670g，采用直流电供电，电压12V或24V，制冷剂为R134a；制冷压缩机设置的运行工况，蒸发温度在15～20℃之间，冷凝温度在35～46℃之间，且压缩机转速范围为1800～6500r/min，可提供300W左右的冷量。微型压缩机的变频运行，可减少压缩机的启停次数，减少启动损耗，也使得系统运行更加平稳。

如图6所示，冷凝器6采用平行流换热器。平行流换热器的翅片采用锯齿形翅片6‐1，能够极大地提高换热系数。同时冷凝器6配备一个小型的风扇9，风扇9与平行流换热器平行放置，冷凝器内的制冷剂通过翅片与冷凝器外被风扇扰动的空气换热，可获取更大的换热系数，使流体具有较大的过冷度，提高系统制冷量。平行流换热器的制造材料采用铝合金，减轻其自身重量。冷凝器的锯齿形翅片的结构6‐1如图7所示。

优选微型压缩机5、冷凝器6、节流装置7与锂离子电池组3固定在支承框架上，支承框架设置在背部偏上位置支承框架与普通框架的设计并无差别，能固定安装所述制冷系统的各个零部件即可，其外形类似于一个小背包，尺寸约为25cm×20cm×10cm。所述锂离子电池组3为可拆卸结构，可将电池拆下来充电。

本发明基于微型制冷的穿戴式空调服的总重量可以控制在2.5kg以内。

工作过程：接通电源，使用者根据自身情况，设置一个自身感到舒适的温度，微型压缩机5开始运行，从微型压缩机5出来的高温高压气态制冷剂直接进入冷凝器6中，冷凝器内的制冷剂通过翅片与冷凝器外被风扇扰动的空气换热，热量向外界散发，制冷剂冷凝成高压液态，然后流经节流装置7，成为低温低压的气液混合制冷剂，接着流入蒸发器8中，吸收由人体散发出来的热量，制冷剂蒸发为低温低压气态，在微型压缩机5的吸力作用下进入微型压缩机5，从新开始新的循环。当人的工作强度发生变化时，人体的散热量会有所增加或者减少，这时通过温度传感器探测衣服内微环境温度，并将信息传递给处理器4‐7根据反馈的信息，改变所述的微型压缩机5的运行频率，或增或减，从而改变制冷剂的流量，制冷量就会相应地增加或者减少，从而使得衣服内微环境的温度维持在使用者设定的温度的±1.5℃范围内，为人体提供一个舒适的衣内微环境。所述微型压缩机5的变频运行，可减少压缩机的启停次数，减少启动损耗，也使得系统运行更加平稳。

本发明蒸发器8采用集分水式结构的毛细管网，相较于蛇形管形式的管路，管路的弯头数量大大减少，减少了这部分180°弯头管路的局部阻力，降低了管路整体的流动阻力，减少了水力损失，大约能够减少600Pa的压力损失，能够使微型压缩机足够带动系统内制冷剂的循环流动，实现在衣服内直接蒸发制冷。

本发明采用制冷剂的直接蒸发制冷，区别于现有产品先将水降温，然后再在衣服的塑料管路内循环冷水降温。本发明的做法整体上简化了系统结构，使得系统更加紧凑、轻量化。同时，由于省去制冷剂与载冷剂换热的过程，减少了冷量的损失，而且，金属的导热系数远大于塑料的导热系数，使得系统降温更快。

对于本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的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，包括穿戴组件、锂离子电池组、控制器、微型压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器和风扇；冷凝器通过节流装置和蒸发器连接；微型压缩机分别与冷凝器和蒸发器连接；锂离子电池组与控制器连接；

所述节流装置采用毛细管，毛细管的管径为0.5‐0.8mm，毛细管设置为螺旋状；

所述穿戴组件由多层组成；从内到外依次设置舒适层、透气层、隔热层和表面层；

所述蒸发器采用毛细管网；毛细管网设置在透气层和隔热层之间，主要设置在穿戴组件的背部和前部；毛细管网的结构为集分水式结构，在穿戴组件的上下端分别设有一圈收集管路；上下收集管路之间间隔设有多条直线型的软铜管，软铜管的直径为2‐4mm；多条直线型的软铜管的间隔为2cm～3cm；蒸发器进口位于蒸发器出口下方，蒸发器进口与节流装置连接，蒸发器出口与微型压缩机的进气管路连接；

所述控制器包括处理器、按键模块、记忆模块、温度传感器、压缩机控制模块、风机控制模块、LED显示模块；处理器分别与按键模块、记忆模块、温度传感器、压缩机控制模块、风机控制模块和LED显示模块连接；温度传感器设置在舒适层上，压缩机控制模块、风机控制模块和LED显示模块分别与压缩机、风扇和LED显示屏连接；压缩机控制模块与微型压缩机连接；风机控制模块与风机连接；

所述冷凝器采用平行流换热器；冷凝器配备一个小型的风扇，风扇与平行流换热器平行放置。

2.根据权利要求1所述的基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，所述微型压缩机、冷凝器、节流装置与锂离子电池组固定在支承框架上，支承框架设置在穿戴组件背部偏上位置。

3.根据权利要求1所述的基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，所述毛细管的管径为0.67mm；毛细管的直线长度为400～500mm。

4.根据权利要求1所述的基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，所述舒适层采用普通的服装材料；透气层的材料由在布基上覆盖聚四氟乙烯制得；隔热层的材料采用芳纶、芳砜纶混纺水刺非织造布，表面层采用普通的服装材料。

5.根据权利要求1所述的基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，所述软铜管的直径为3mm；软铜管材料选用紫铜。

6.根据权利要求1所述的基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，所述控制器采用RY‐DB1501型或RY‐DB1308型控制器。

7.根据权利要求1所述的基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，所述微型压缩机采用ACXZ14DC型微型制冷压缩机。

8.根据权利要求1所述的基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，所述平行流换热器的翅片采用锯齿形翅片。

9.根据权利要求1所述的基于微型制冷的穿戴式空调服，其特征在于，所述按键模块选用QYF‐JP02型芯片，记忆模块选用EEPROM型芯片，压缩机控制模块选用RY‐DB1501，风机控制模块选用YK003型芯片，LED显示模块TM1638型芯片，处理器选用STC89C52型芯片。