CN116018041A - 一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法 - Google Patents
一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116018041A CN116018041A CN202211728686.7A CN202211728686A CN116018041A CN 116018041 A CN116018041 A CN 116018041A CN 202211728686 A CN202211728686 A CN 202211728686A CN 116018041 A CN116018041 A CN 116018041A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- refrigeration
- thermoelectric
- radiation
- heat dissipation
- electrode plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
Landscapes
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件及其制备方法,采用辐射制冷和对流散热作为可穿戴热电制冷的散热方式,采用一体化的散热层,相比于分立化的散热层散热效果更好,采用网络结构的高强度低热导的封装材料既封装了柔性电极板,也封装了热电臂,提升器件的柔性的同时大大增强了其可靠性,相较于传统的PDMS或者泡棉气凝胶作为封装材料等具有更高的可靠性和高效率。
Description
技术领域:
本发明涉及可穿戴热电制冷技术领域,具体涉及一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法。
背景技术:
人体皮肤的舒适温度在32℃到34℃之间,当环境温度的升高导致人体皮肤温度高于舒适温度时人体会通过排汗带走热量,但是大量的排汗也会加重人体心血管负担。虽然空调等制冷设备可以满足日常的生活需求,但是一方面会消耗巨大的电力,另一方面不适用为户外工作者处于炎热环境中的建筑工人,环卫工人等提供降温服务,同时也是城市热岛效应的主要原因。而用于个体体温调节的个性化制冷衣服越来越受到人们的广泛关注。一方面个人制冷器件直接作用于人体,大大降低了资源消耗,另一方面制冷器件可以满足处于不同环境中、不同状态下的个体的不同需求,拓宽了其实际的应用领域。
目前,可穿戴制冷器件主要的降温手段是制冷液搭配制冷机或者通过风扇加快汗液蒸发进行降温。然而前者体积较为庞大笨重不方便个体的移动且能耗较高对能源的需求较严格,后者制冷能力有限且难以控制温度对体弱者不友好等一定程度上限制了其应用。热电制冷器件因其体积小、效率高而广泛关注,但是其制冷能力受到热端散热影响较大。辐射制冷的材料可以反射太阳光并通过高的红外发射率向外太空发射特定波段的红外辐射,搭配热电制冷以此来为热电器件散热降温,但是保证其柔性的同时具有高的制冷性能成为了其亟需解决的问题。本课题组前期研究成果CN113644189A公开了一种基于双网络水凝胶散热的可穿戴热电制冷器件及其制备方法,采用浸泡过吸湿盐溶液的双网络水凝胶作为柔性热电制冷器件的散热器,有效的提高了器件性能,采用泡沫镍—导热硅胶的连接方式,有效降低热电制冷器件热端和水凝胶散热端的之间的接触热阻,从而进一步提升了器件的制冷性能,但该专利仅对下导电电极进行了封装,没有对热电臂进行封装,可靠性低,在使用过程中容易脱落,此外散热层为分立式的,散热效果有待进一步改进。
发明内容:
本发明的目的是提供一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件及其制备方法,解决了现有技术散热效果不佳,且使用过程中热电臂容易脱落的问题。
本发明是通过以下技术方案予以实现的:
一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,该器件从上至下由辐射制冷散热层和热电制冷层组成,辐射制冷散热层覆盖在热电制冷层上的非贴身面,辐射制冷散热层为一体式,热电制冷层由多个分立的热电制冷单元组成,热电制冷单元包括π型热电臂、与π型热电臂尺寸相匹配的上下两组柔性电极板,上下两组柔性电极板背面设有绝缘保护层,π型热电臂由热导率低于0.12W/mK的无孔的低热导高强度柔性材料封装;热电制冷单元上柔性电极板经粘性导热硅胶与辐射制冷散热层连接;每个热电制冷单元之间由上柔性电极板串联起来,各个热电制冷单元之间填充有低热导高强度柔性材料,填充材料中开孔成网络结构以提高柔性。
辐射散热层是在具有高热导率的柔性的导热硅胶、薄金属片或者石墨烯散热片涂覆上辐射制冷涂层;辐射制冷涂层能够通过在大气窗口的高发射实现与大气外空间的热交换从而排出热量,可以由多层微米或毫米厚薄膜材料复合而成,例如在聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜或者其添加二氧化硅微球的复合材料的背面沉积铝,也可以通过向基底薄膜材料中添加特定的颗粒或制造光学结构而得到,例如向P(VDF-HFP)中添加二氧化硅微粒后再成型或通过相分离的方法在P(VDF-HFP)膜材成型阶段制造微孔。
辐射制冷散热层厚度不超过0.3mm。
低于0.12W/mK的无孔的低热导高强度柔性材料包括聚氨酯、PDMS或环氧树脂中掺二氧化硅微球等。
各个热电制冷单元之间的填充材料中开孔可以根据不同弯曲状况可以是菱形、正方形、四边形、六边形、圆形等。
一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法,该方法包括以下步骤:
1)制备辐射制冷散热层:
2)制备电极板和π型热电对阵列:准备两片铜片作为导电电极,铜片厚度0.04mm~1mm,铜片的背面涂有防氧化漆或烧结有氧化铝或者氮化硼陶瓷作为绝缘保护层固定和保护铜片防止氧化,并采用转印再刻蚀的方法得到与热电臂尺寸相匹配的上下两组电极板,然后通过热压焊接技术得到连接好的π型热电对阵列,参见CN113644189A;所述热电臂的应满足宽高比(AR值)>2,器件的填充因子(FF)在5%~20%之间(热电臂总面积占热电器件总截面积的比值;
3)制备高强度低热导封装材料:按照质量比为10:2的比例加入PDMS或聚氨酯或环氧树脂和粒径为100~200μm的SiO2微球并在搅拌机中搅拌均匀得到混合物,再加入混合物1/10质量的固化剂搅拌10分钟得到高强度低热导封装材料;
4)将熔点为50℃的液态金属加热至70℃至完全溶化并灌注入定制的硅胶模具中,在室温下固化后将金属从模具上取下得到封装材料造孔用金属模具,硅胶模具可根据弯曲需求定制成菱形、正方形、四边形、六边形、圆形等;
5)将步骤2)得到的π型热电对阵列上电极涂上热导率大于0.5W/mK的粘性导热硅胶,硅胶的另外一面贴上步骤1)所得的辐射制冷散热层,放入至在顶部开口的8cm*8cm方形玻璃模具中,在玻璃模具中灌注入步骤3)所得的高强度低热导封装材料直至完全将热电对阵列淹没,再将步骤4)所得金属模具插入至热电对的间隙之间,然后将设备加热至40℃保持12小时直至封装材料完全固化;
6)将步骤5)所得器件加热至70℃直至液态金属完全熔化即可得到具有网状结构的器件;最后剩余在器件上的液态金属残留可放至盐酸溶液中腐蚀掉。
特别地,步骤1)包括以下步骤:根据器件的大小准备一片柔性的高导热的薄金属片或者石墨烯片,然后在丙酮溶剂中加入偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物P(VdF-HFP)颗粒;偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物P(VdF-HFP)颗粒的质量与丙酮的体积比为(1-2)g/15ml,60~70℃搅拌1小时,然后加入与P(VdF-HFP)颗粒等质量的去离子水作为非溶剂,连续搅拌1小时,直到透明,然后,将准备好的溶液倒入放在玻璃培养皿中的薄金属片上室温下蒸发形成辐射制冷散热涂层备用。
本发明的有益效果如下:
1)本发明采用辐射制冷和对流散热作为可穿戴热电制冷的散热方式,相比于传统的制冷剂或者风冷散热更加轻便灵活,且能耗更低,并且成本低廉,制备方法简单。
2)本发明采用一体化的散热层,相比于分立化的散热层散热效果更好。
3)本发明采用网络结构的高强度低热导的封装材料既封装了柔性电极板,也封装了热电臂,提升器件的柔性的同时大大增强了其可靠性,相较于传统的PDMS或者泡棉气凝胶作为封装材料等具有更高的可靠性和高效率。结果显示,在在室内环境温度小于34℃的情况下可以降低人体皮肤温度降至32℃的舒适温度,在户外有太阳的情况下环境温度小于32℃的或者没有太阳晴朗的夜晚环境温度小于36℃情况下也可以降低人体皮肤温度降至32℃的舒适温度。
总之,本专利公开了一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件及其制备方法,解决了现有技术散热效果不佳,且使用过程中热电臂容易脱落的问题。
附图说明:
图1是本发明可穿戴热电器件的截面示意图;
图2是一种基于辐射制冷的可穿戴热电器件制冷层的平面图;
其中,1、辐射制冷散热层,2、热电制冷层,3、绝缘保护层,4、上柔性电极板,5、低热导高强度柔性材料,6、π型热电臂,7、下柔性电极板,8、绝缘保护层,9、粘性导热硅胶10、开孔,11、热电制冷单元。
图3是一种基于辐射制冷的可穿戴热电器件制备工艺流程图;
图4是实例2制备的基于辐射制冷的可穿戴热电器件实物弯曲图和测试;
图5是实例2制备的基于辐射制冷的可穿戴热电器件降温测试和抗压力图。
具体实施方式:
以下是对本发明的进一步说明,而不是对本发明的限制。
如图1所示的一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,该器件从上至下由辐射制冷散热层1和热电制冷层2组成,辐射制冷散热层1覆盖在热电制冷层2上的非贴身面,辐射制冷散热层为一体式,热电制冷层由多个分立的热电制冷单元11组成,热电制冷单元包括π型热电臂6、与π型热电臂尺寸相匹配的上下两组柔性电极板4、7,上下两组柔性电极板背面设有绝缘保护层3、8,π型热电臂6由热导率低于0.12W/mK的无孔的低热导高强度柔性材料5封装;热电制冷单元上柔性电极板4经粘性导热硅胶9与辐射制冷散热层1连接;每个热电制冷单元11之间由由上柔性电极板4串联起来,各个热电制冷单元之间填充有低热导高强度柔性材料5,填充材料中开孔10成网络结构以提高柔性。
实例1:
1)准备一片5cm*5cm的具有柔性的高导热的薄金属片或者石墨烯片,再在7.5ml丙酮溶剂中加入0.5g P(VdF-HFP),70℃搅拌1小时,搅拌速率为600rpm,然后加入0.5ml去离子水作为非溶剂,连续搅拌1小时,直到变成透明。然后,将准备好的溶液倒入放在玻璃培养皿中的薄金属片或者石墨烯片上于室温下蒸发。最初,丙酮开始蒸发,并在室温下形成半透明的凝胶溶液。后来,水蒸发形成白色的辐射制冷薄膜涂层,得到的辐射制冷散热层备用。
2)准备两片长宽为5cm*5cm的铜片作为导电电极,铜片厚度0.04mm,铜片的背面涂有防氧化漆或烧结有氧化铝或者氮化硼陶瓷作为绝缘保护层固定和保护铜片防止氧化。利用CAD软件根据需求设计好热电器件上下板电极电路图案,将画好的上下板电极电路图通过激光打印机分别打印至转印纸上,将转印纸上的电路图通过热压技术把油墨转印至铜片上,上板电极电路图转印在上铜片上,下板电极电路图转印在下铜片上,被油墨覆盖的铜片部分即为设计好的的上下板电极电路;转印好的铜片泡入刻蚀剂中,没有被油墨覆盖的部分被腐蚀,待刻蚀完成后用丙酮将电路表面的油墨冲洗掉,得到与热电臂尺寸相匹配的上下两组柔性电极板,上下两组柔性电极板通过钢网印刷技术印刷上成分为Sn42Bi52,厚度为0.09mm的锡膏;将长宽为1mm*1mm高为3mm的P型热电材料碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型热电材料碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂交替排列放置在印刷有锡膏的下电极板上,然后将排列好热电臂的电极板放置在热压机上进行热压焊接,下电极板按照同样的办法,得到连接好的π型热电对阵列,器件的填充因子FF为5%;
3)准备一个烧杯,在烧杯中按照质量比为10:2的比例加入PDMS和粒径为200μm的SiO2微球并在搅拌机中搅拌30分钟直至搅拌均匀得到混合物。再按照混合物:固化剂的质量比为10:1的比例加入固化剂在搅拌机中搅拌10分钟得到封装材料以备用。
4)将熔点为50℃的GaIn合金加热至70℃至完全溶化并灌注入定制的硅胶模具(作为凹模,为六边形凹模阵列排布)中,在室温下完全固化后将金属从模具上取下得到封装材料造孔用金属模具。
5)将步骤2)得到的π型热电对阵列上电极涂上热导率为0.8W/mK的粘性导热硅胶,硅胶的另外一面贴上步骤1)所得的辐射制冷散热层,放入至放置在顶部开口的8cm*8cm方形玻璃模具中。在玻璃模具中灌注入步骤3)所得的封装材料直至完全将热电对阵列淹没,再将步骤4)所得封装材料造孔用金属模具插入至热电对的间隙之间。然后将设备加热至40℃保持12小时直至封装材料完全固化。
由于金属模具与封装材料之间由有一定粘性不易脱落,可将步骤5)所得器件加热至70℃直至液态金属完全熔化即可得到具有网状结构的器件。最后剩余在器件上的液态金属残留可放至盐酸溶液中腐蚀掉。
实例2:
参考实例1,不同之处在于,步骤2)的热电臂改为长宽为1mm*1mm高为5mm的P型热电材料碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型热电材料碲化铋Bi2Se0.3Te2.7。器件的填充因子FF为8%。其余同实例1。
实例3:
参考实例2,不同之处在于,步骤2)的下电极铜片厚度为1mm,并且背面涂抹有防氧化漆,其余同实例2。
实例4:
参考实例1,不同之处在于,步骤4)的不在使用液态金属模具,而改为网上定制的金属模具,并在金属模具上涂抹脱模剂,步骤6)直接通过手工将模具从器件上剥离。其余同实例1。
Claims (9)
1.一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,其特征在于,该器件从上至下由辐射制冷散热层和热电制冷层组成,辐射制冷散热层覆盖在热电制冷层上的非贴身面,辐射制冷散热层为一体式,热电制冷层由多个分立的热电制冷单元组成,热电制冷单元包括π型热电臂、与π型热电臂尺寸相匹配的上下两组柔性电极板,上下两组柔性电极板背面设有绝缘保护层,π型热电臂由热导率低于0.12W/mK的无孔的低热导高强度柔性材料封装;热电制冷单元上柔性电极板经粘性导热硅胶与辐射制冷散热层连接;每个热电制冷单元之间由上柔性电极板串联起来,各个热电制冷单元之间填充有低热导高强度柔性材料,填充材料中开孔成网络结构。
2.根据权利要求1所述的基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,其特征在于,辐射散热层是在具有高热导率的柔性的导热硅胶、薄金属片或者石墨烯散热片涂覆上辐射制冷涂层;
辐射制冷涂层通过在大气窗口的高发射实现与大气外空间的热交换从而排出热量。
3.根据权利要求2所述的基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,其特征在于,辐射制冷涂层由多层微米或毫米厚薄膜材料复合而成或通过向基底薄膜材料中添加特定的颗粒或制造光学结构而得到。
4.根据权利要求3所述的基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,其特征在于,辐射制冷涂层为:在聚二甲基硅氧烷膜或者其添加二氧化硅微球的复合材料的背面沉积铝或向P(VDF-HFP)中添加二氧化硅微粒后再成型或通过相分离的方法在P(VDF-HFP)膜材成型阶段制造微孔。
5.根据权利要求1或2所述的基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,其特征在于,辐射制冷散热层厚度不超过0.3mm。
6.根据权利要求1或2所述的基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,其特征在于,低于0.12W/mK的无孔的低热导高强度柔性材料包括聚氨酯、PDMS或环氧树脂中掺二氧化硅微球。
7.根据权利要求1或2所述的基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件,其特征在于,各个热电制冷单元之间的填充材料中开孔是菱形、正方形、四边形、六边形或圆形。
8.一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)制备辐射制冷散热层:
2)制备电极板和π型热电对阵列:准备两片铜片作为导电电极,铜片厚度0.04mm~1mm,铜片的背面涂有防氧化漆或烧结有氧化铝或者氮化硼陶瓷作为绝缘保护层,并采用转印再刻蚀的方法得到与热电臂尺寸相匹配的上下两组电极板,然后通过热压焊接技术得到连接好的π型热电对阵列;所述热电臂的应满足宽高比>2,器件的填充因子在5%~20%之间;
3)制备高强度低热导封装材料:按照质量比为10:2的比例加入PDMS或聚氨酯或环氧树脂和粒径为100~200μm的SiO2微球并在搅拌机中搅拌均匀得到混合物,再加入混合物1/10质量的固化剂搅拌10分钟得到高强度低热导封装材料;
4)将熔点为50℃的液态金属加热至70℃至完全溶化并灌注入定制的硅胶模具中,在室温下固化后将金属从模具上取下得到封装材料造孔用金属模具,硅胶模具根据弯曲需求定制成菱形、正方形、四边形、六边形或圆形;
5)将步骤2)得到的π型热电对阵列上电极涂上热导率大于0.5W/mK的粘性导热硅胶,硅胶的另外一面贴上步骤1)所得的辐射制冷散热层,放入至在顶部开口的8cm*8cm方形玻璃模具中,在玻璃模具中灌注入步骤3)所得的高强度低热导封装材料直至完全将热电对阵列淹没,再将步骤4)所得金属模具插入至热电对的间隙之间,然后将设备加热至40℃保持12小时直至封装材料完全固化;
6)将步骤5)所得器件加热至70℃直至液态金属完全熔化即可得到具有网状结构的器件;最后剩余在器件上的液态金属残留可放至盐酸溶液中腐蚀掉。
9.根据权利要求8所述基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法,其特征在于,步骤1)包括以下步骤:根据器件的大小准备一片柔性的高导热的薄金属片或者石墨烯片,然后在丙酮溶剂中加入偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物P(VdF-HFP)颗粒;偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物P(VdF-HFP)颗粒的质量与丙酮的体积比为(1-2)g/15ml,60~70℃搅拌1小时,然后加入与P(VdF-HFP)颗粒等质量的去离子水作为非溶剂,连续搅拌1小时,直到透明,然后,将准备好的溶液倒入放在玻璃培养皿中的薄金属片上室温下蒸发形成辐射制冷散热涂层备用。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211728686.7A CN116018041A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211728686.7A CN116018041A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN116018041A true CN116018041A (zh) | 2023-04-25 |
Family
ID=86029470
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202211728686.7A Pending CN116018041A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116018041A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117476270A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 四川大学 | 一种可精确调控非线性电导的环氧复合材料及其制备方法 |
-
2022
- 2022-12-30 CN CN202211728686.7A patent/CN116018041A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117476270A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 四川大学 | 一种可精确调控非线性电导的环氧复合材料及其制备方法 |
CN117476270B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-02-27 | 四川大学 | 一种可精确调控非线性电导的环氧复合材料及其制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104701449B (zh) | 一种柔性热电薄膜器件 | |
JP2003174203A (ja) | 熱電変換装置 | |
CN116018041A (zh) | 一种基于辐射制冷的可穿戴热电制冷器件的制备方法 | |
CN100389166C (zh) | 一种热界面材料及其制造方法 | |
CN107623067A (zh) | 一种便携式高纵横比层间连接的微型垂直结构热电器件及其制备方法 | |
CN107343378A (zh) | 一种液态金属与硅脂结合的散热方法 | |
CN103725261A (zh) | 一种具有双熔点特征的三元液态金属热界面材料 | |
CN105990274B (zh) | 一种导热膜及其制作方法 | |
CN210895146U (zh) | 一种保持芯片工作温度的控温组件 | |
CN109920770A (zh) | 一种超微型智能石墨烯热电制冷热管理模组 | |
JPS5896992A (ja) | ヒ−トパイプ構造回路基板 | |
CN112289918A (zh) | 一种层叠结构的温差发电装置及其制备方法 | |
CN107083509A (zh) | 用于igbt散热的复合式液态金属热界面材料 | |
JP2003174204A (ja) | 熱電変換装置 | |
KR20180029409A (ko) | 열전소자 | |
EP3544068A1 (en) | Method of production of thermoelectric micro-coolers | |
WO2022092177A1 (ja) | 熱電変換モジュール | |
CN204577416U (zh) | 一种导热膜 | |
JP2002289901A (ja) | 光起電力素子の実装構造及び実装方法 | |
CN115915888A (zh) | 一种半导体制冷片、模组的制备方法 | |
CN102166691A (zh) | 一种微焊接材料 | |
CN206517723U (zh) | 一种功率半导体模块 | |
CN210921671U (zh) | 一种铜基板的热电空调模块 | |
CN104213011A (zh) | 长寿命低熔点金属合金导热材料及其制备方法 | |
CN212848445U (zh) | 太阳能电池组件 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |