一种个人冷却系统的制作方法与工艺

本发明涉及一种个人冷却系统，特别是一种基于人体表面散热量分布及人体热舒适性要求，利用模块化制冷组件和热舒适性冷却服实现高温环境下人体温度调控的个人冷却系统。

背景技术：
最早的个人冷却装置是为了适应现代化战争的需要，解决在高热环境下由于热应激效应造成的作业人员体能消耗过快、注意力不集中、大脑反应迟钝等问题而研发的。目前，其应用范围已逐步扩展到军用、航天、消防、冶金、采矿、医疗和体育等众多领域，主要用于在高温环境中避免人体过热，增强人体热舒适性，以及应用于某些疾病的治疗等。国外已研发了适合不同行业人员穿着要求的冷却服。1989年美国海军舰船水兵将装有冰水的软管缝在背心里，利用水泵使其在软管内循环而实现了水兵的冰水降温。1991年海湾战争期间，美国空军采用了一种新型间歇性多人降温系统，该系统由空调器、化学战剂过滤器和背心等组成。空调器产生的冷气流通入化学战剂过滤器，再通入防护服的背心内而降低人体的温度，可同时为10名地勤人员供送冷气。美国海军航空兵系统司令部正开发一种称为“制冷盔甲”的背心式空调系统，该系统通过一套过滤吹风管将周围的空气吸进位于进气口一侧的空调器，经过调节的空气从出气口进入飞行服内的导管而达到降低飞行员体温的目的。该空调系统采用电池供电，不受飞机供电系统的影响，即使飞行员离开飞机后也可以使用。瑞士联邦材料测试与研究实验室已研发出供多发性硬化症患者使用的超轻降温服。该降温服有3层，两层化纤膜夹着一层织物，形成可以注水的空间，使用者可通过医用注射器向降温服内部注水，每次注水可给身体降温60分钟。从1980开始，我国研发了直升机飞行员用液冷头盔和便携式局部液冷服，1985和1986年液冷服应用于“远洋号”测量船。我国也研发了新型便携式单兵降温系统，该系统由降温背心和制冷系统组成，背心前后布满蛇形塑料软管,制冷系统包括作为冷源的冰袋、泵和电池等。使用时将背心和制冷系统相连接，开启电源后，水泵将冰袋的冰水注入背心的塑料软管中，通过冰水循环达到人体降温的目的。上述个人冷却系统所采用的压缩式、吸收式和涡流管等制冷方式，均不同程度地存在体积大、噪音高、抗震能力较差、调节不方便等问题。而现有利用热电制冷的个人冷却与加热系统则存在未考虑人体热舒适性因素、系统复杂、耗电设备多、效率低、负荷调节不便等缺点。

技术实现要素：
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于热电制冷原理的便携式个人全身冷却系统。该系统具有体积小、无噪声、抗震能力强、响应时间短、调节方便快捷等优点，可以 满足军用、航天、消防、冶金、采矿、医疗等特殊情况下作业人员的散热或热舒适性要求，而且可根据不同使用工况的要求，灵活选择和调节其体积、重量和最大工作负荷。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种个人冷却系统，包括冷却服，所述冷却服内置有载冷剂循环换热管，所述载冷剂循环换热管连通至冷却服外与循环辅助装置连接，循环辅助装置与模块化制冷组件连接，循环辅助装置和模块化制冷组件均由控制装置进行控制；所述模块化制冷组件包括微型载冷剂换热器，利用热电制冷通过循环辅助装置为冷却服内载冷剂循环换热管提供载冷剂，实现冷却服内循环降温。所述冷却服包括连体保温服和冷却帽，载冷剂循环换热管分布于连体保温服和冷却帽内部，并将连体保温服和冷却帽连接起来。所述连体保温服和冷却帽均由保温材料制成，在连体保温服和冷却帽的表面涂防热辐射涂银材料，可以很好地隔绝外部高温环境与载冷剂循环换热管和人体之间的换热。所述载冷剂循环换热管为抗折弯PVC软管，盘布于连体保温服和冷却帽的整个空间，依靠其内的载冷剂循环带走人体产生的热量。所述模块化制冷组件包括硬质安装板，所述硬质安装板上部设有绝热层，硬质安装板上表面设有第一凹槽，微型载冷剂换热器嵌于第一凹槽内；所述微型载冷剂换热器上表面与热电制冷片贴合，热电制冷片上部设有若干根热管和热管夹板；所述热管两端分别为吸热端和散热端；所述热管夹板上带有第二凹槽，所述热管吸热端嵌装于第二凹槽内并与热管夹板共同形成一个换热平面；所述热管散热端与散热翅片相连，散热翅片上部还连接有散热风扇。硬质安装板、微型载冷剂换热器、热电制冷片、热管、热管夹板、固定片、散热翅片、散热风扇一一对应，由下到上依次安装固定为一体，形成模块化制冷组件。进一步的，所述硬质安装板的侧面设有卡扣或卡槽，可便于硬质安装板之间互相拼接的结构，用于在改变模块化制冷组件套数时模块之间互相拼接固定。可根据使用的环境温度及冷负荷的大小灵活选择模块化制冷组件的套数。当使用多套模块化制冷组件共同组成一套系统时，模块化制冷组件之间可直接将各自的硬质安装板拼插组成一体，必要时还可进行适当的粘连或焊接固定。用载冷剂管将微型载冷剂换热器按照一定的串并联方式联接起来，可形成一套完整的低温载冷剂制取装置内部的载冷剂流通道。所述微型载冷剂换热器分为预冷层和制冷层，制冷层位于预冷层上方；所述预冷层的流道为二次折返流道，液体进入微型载冷剂换热器的入口端与预冷层的入口连通，液体流出微型载冷剂换热器的出口端与预冷层的出口连通，所述预冷层内设有肋片，将预冷层的入口和预冷层的出口分隔为两个互相隔绝的腔体；所述制冷层的流道为蛇形流道；所述预冷层和制冷层之间还设有金属薄片， 通过金属薄片的导热实现预冷层内液体的预冷。所述金属薄片上开有进液通孔和出液通孔，所述进液通孔和出液通孔均将制冷层与预冷层连通，以供液体进出制冷层。换热液体首先由预冷层的入口进入预冷层，流经预冷层流道后，通过进液通孔进入制冷层，在制冷层流道内换热后，又通过出液通孔流回预冷层，并从预冷层的出口流出。所述热电制冷元件的冷端向下，与微型载冷剂换热器贴合；热电制冷元件的热端向上，与热管及热管夹板形成的换热平面贴合。进一步的，所述微型载冷剂换热器与热电制冷片采用部分交叉串并联的连接方式，部分交叉串并联是指相互串联的微型载冷剂换热器，与其一一对应的热电制冷片在电路中为并联关系，且相互串联的热电制冷片，与其一一对应的微型载冷剂换热器也为并联关系。所述循环辅助装置包括与载冷剂循环换热管进口端连接的载冷剂流入管路和与载冷剂循环换热管出口端连接的载冷剂流出管路，所述载冷剂流入管路和载冷剂流出管路上均设有逆止阀与载冷剂循环换热管连接；所述载冷剂流入管路上还设有依次连接的循环载冷剂泵、过滤器和流量计，所述流量计与微型载冷剂换热器的出口端连接；所述载冷剂流出管路还设有储液罐，所述储液罐入口与载冷剂流出管路连通，储液罐出口与微型载冷剂换热器的入口端连接。循环辅助装置、模块化制冷组件和冷却服内的载冷剂循环换热管，共同组成了完整的系统载冷剂循环环路。储液罐的作用是储存部分循环液体，并向外排出液体环路中渗入的空气。过滤器的作用是过滤掉循环液体中的杂质，一般采用阻力较低的表面过滤方式。流量计的作用是精确测量循环载冷剂流量，当系统需要自动调节流量时，可与循环载冷剂泵配合实现自动控制。逆止阀的作用是防止系统环路内液体倒流，尤其是系统停止运行后，可避免高位液体流向储液罐，从储液罐排气口溢出。储液罐的作用是储存部分循环液体，并向外排出液体环路中渗入的空气。当系统用于特殊情况时，可采用较大体积的储液罐体为蓄冷灌，装入冰水混合物等低温蓄冷液体，有效提高冷却速度和效率。载冷剂循环管路则用于连接各部分循环辅助装置，并将其与冷却服、模块化制冷组件的进出口互相连接。所述循环载冷剂泵、散热风扇和热电制冷片由同一电源供电；若干个风扇串联后与若干个串联的热电制冷片并联后与控制开关串联，形成制冷模块；若干个并联的制冷模块与循环载冷剂泵并联后，通过总开关与电源连接。通过开关的串并联布置，可实现系统启动时必须先启动循环载冷剂泵，才能启动散热风扇和热电制冷片，而散热风扇与热电制冷片则是一一对应同时启闭，这样可有效避免因散热不良而损坏热电制冷片。本发明的有益效果为：1.本发明的冷却系统基于人体表面散热量分布及舒适性要求，利用热电制冷实现高温环境下的个人热舒适性温度调控。2.本发明的冷却系统形成了模块化制冷组件，组件之间可方便拼接，可根据使用的环境温度和最大冷负荷的需求灵活选用系统的模块化制冷组件的套数。3.本发明的冷却系统热电制冷片冷端和热端分别采用微型载冷剂换热器带走冷量和热管换热器加散热风扇散热。4.本发明的冷却系统微型载冷剂换热器内部流道为双层设计，包括制冷层和预冷层两层，两层间以金属薄片分隔，且每一层均采用特殊设计的流道型式，以强化载冷剂与换热壁面的换热，降低出口载冷剂温度。5.本发明的冷却系统微型载冷剂换热器与热电制冷片采用部分交叉串并联的连接方式。6.本发明的冷却系统舒适性冷却服以保温材质制成，表面涂有防热辐射涂银材料，用以隔绝外部高温环境与载冷剂循环管和人体的换热。并且充分考虑人体在高温环境下的舒适性要求，根据人体表面的温度、汗腺分布和产热量的大小确定冷却服内载冷剂循环管的布置。7.本发明的冷却系统整合了系统供电输入方式，循环载冷剂泵、热电制冷片和散热风扇均采用同电压的直流驱动电源。8.本发明的冷却系统通过开关的串并联关系，保证系统启动时必须先启动散热风扇和循环载冷剂泵，才能启动热电制冷，避免因导热不良损坏热电制冷片。附图说明图1为本发明的装置示意图；图2为本发明的硬质安装板示意图；图3为本发明的模块化制冷组件正面示意图；图4为本发明的模块化制冷组件侧面示意图；图5为本发明的微型载冷剂换热器预冷层流道示意图；图6为本发明的微型载冷剂换热器制冷层流道示意图；图7为本发明的模块化制冷组件内部载冷剂通道连接示意图；图8为本发明的控制电路示意图；图中，1连体保温服，2载冷剂循环换热管，3冷却帽，4逆止阀，5循环载冷剂泵，6过滤器，7流量计，8模块化制冷组件，9储液罐，10散热风扇，11散热翅片，12热管，13热管夹板，14热电制冷片，15微型载冷剂换热器，16硬质安装板，16A凹槽，16B卡扣，16C卡槽，17绝热层，19固定螺栓，20固定片，21风扇安装螺栓，22载冷剂管，23快速插拔接头，24弯头。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明可根据冷负荷的大小灵活选择模块化制冷组件的套数，此实施例仅以由4套核心制冷组件组成的系统为例说明。如图1所示，基于热电制冷的个人冷却系统，包括连体保温服1、载冷剂循环换热管2、冷却帽3、逆止阀4、循环载冷剂泵5、过滤器6、流量计7、模块化制冷组件8、储液罐9和电路及控制装置组成。其中连体保温服1和冷却帽3均以保温材质制成，特殊高温情况下其表面可涂以防热辐射涂银材料，可以很好地隔绝外部高温环境与载冷剂循环换热管2和人体之间的换热。连体保温服1和冷却帽3可包裹人体的头部、躯干和四肢部分，尽量增加其与人体表面的换热面积，并阻隔外界热量的传入。载冷剂循环换热管2为优质抗折弯PVC软管，盘布于整个连体保温服1和冷却帽3内部，并将二者连接起来，依靠其中的循环载冷剂带走人体产生的热量。管内通入载冷剂，以带走人体产生的热量，维持冷却服内的低温舒适环境。载冷剂可以采用纯净水等介质。载冷剂循环换热管2的布置密度是基于人体舒适性要求，根据人体的表面温度、汗腺分布和产热量的大小而确定。额前、腋下、腿根等产热量较大、温度高、易出汗的部位，管路密度相对较大。循环载冷剂泵5的作用是为载冷剂循环提供动力，一般采用直流微型隔膜水泵。当对流量调节要求较严格时，循环载冷剂泵5还可采用直流变频水泵。过滤器6制成阻力较低的表面式过滤器，其作用是过滤掉循环载冷剂中的杂质，一般采用阻力较低的表面过滤方式。流量计7的作用是精确测量循环载冷剂流量，便于手动或自动控制。逆止阀4的作用是防止系统环路内液体倒流，尤其是避免系统停止运行后高位液体倒灌溢出。储液罐9的作用是储存部分循环液体，并向外排出液体环路中混杂的空气。当系统用于特殊情况时，可采用较大体积的储液罐罐体作为蓄冷灌使用，提前装入冰水混合物等低温蓄冷液体，有效提高冷却速度和冷却效率。模块化制冷组件8是本发明的核心制冷装置，由硬质安装板16、微型载冷剂换热器15、热电制冷片14、热管夹板13、热管12、散热翅片11、固定片20、散热风扇10、绝热层17以及连接载冷剂环路的载冷剂管22、快速插拔接头23、弯头24等组成。其中，硬质安装板16使用一定厚度的硬质亚克力平板加工而成。如图2所示，其上表面雕刻的凹槽16A用以嵌装微型载冷剂换热器15和部分载冷剂管22，侧面的凸起和凹槽分别为与其它模块化制冷组件连接时用到的卡扣16B和卡槽16C，侧面相对的两面分别为一凹一凸，便于互相拼接，用于在改变模块化制冷组件套数时模块之间互相拼接固定。 载冷剂管22为硅胶或PVC等材质的软管，以及部分弯头、三通、快速插拔接头等连接管件，主要起到联通载冷剂环路的作用。连接微型载冷剂换热器进出口的部分载冷剂管也可嵌于定位安装板上的凹槽内，和模块化制冷组件成为一体，与其它模块的载冷剂管之间通过快速插拔接头连接，以便于系统灵活组装。微型载冷剂换热器15为为铜或铝等高热导率金属材料制成，此处选用纯铜质腔体，其下表面嵌于定位安装版的凹槽内，上表面与热电制冷片贴合，微型载冷剂换热器上下两表面均为平面。如图3-图4所示，微型载冷剂换热器15、热电制冷片14、导热管12、热管夹板13、散热翅片11、散热风扇10均一一对应，由下到上，通过固定片20和固定螺栓19连接在硬质安装板16上，形成模块化制冷组件。可根据使用的环境温度及冷负荷的大小，灵活选择不同用途个人冷却系统所需核心制冷组件的套数，通过硬质安装板16上的卡槽16C和卡扣16B及载冷剂环路中的快速插拔接头23，可以很方便地将不同模块快速组装为一套完整的系统。为增加载冷剂在微型载冷剂换热器内流动的时间，降低出口载冷剂温度，内部流道分别为预冷层和制冷层的双层设计，其中预冷层在下，靠近硬质安装板，其内部液体流道形式如图5所示，为简单的折返流道，并将进口和出口分隔为两个独立的腔体。载冷剂进入和流出微型载冷剂换热器的接口均直接与预冷层联接。制冷层在预冷层上方，靠近热电制冷片，通过微型载冷剂换热器的金属壁面与热电制冷片的冷端换热。制冷层内液体流道如图6所示，为蛇形流道，液体流道和肋的长、宽、高经模拟计算及优化实验确定，以强化载冷剂与换热壁面间的换热。预冷层和制冷层的流道是通过金属薄片上的两个通孔连接的。流道外部是与载冷剂管连接，微型载冷剂换热器的液体进口与储液罐连接，出口与流量计连接。本实例中，流道宽3mm，肋宽2mm,流道和肋的高度均为3mm。预冷层与制冷层之间由一层金属薄片分隔，通过金属薄片的导热实现预冷层内液体的预冷。金属薄片加工有两个通孔，分别为载冷剂进出制冷层的入口和出口。如图5-图6所示，换热液体首先由预冷层的入口进入预冷层，流经预冷层流道后，通过预冷层右端上部的开口进入制冷层右端上部的开口，在制冷层流道内换热后，又通过制冷层右端下部的开口流回预冷层右端下部的开口，并从预冷层的出口流出。如图7所示，在本实例中，四个微型载冷剂换热器15，各自连接上硅胶材质的载冷剂管22、弯头24和快速插拔接头23等管件，嵌入各自模块的定位安装板凹槽16A内，再按照一定的串并联方式，通过快速插拔接头23和三通等管件联接起来，形成模块化制冷组件8内部的载冷剂通道。热电制冷片14采用优质薄膜热电制冷片，其型号与数量可根据系统冷负荷的大小确定；其冷端涂抹导热硅脂后与微型载冷剂换热器15上表面贴合，其热端涂抹导热硅脂后与热管12和热管夹板13形成的导热平面贴合。如图8所示，为避免系统输入电流过大和方便部分负荷工况下的调节，热电制冷片14A、14B、14C、14D采用先串联后并联的连接方式接入电路，每个串联支路带有各自的控制开关。特别说明的是，微型载冷剂换热器15与热电制冷片14采用部分交叉串并联的连接方式。部分交叉串并联是指相互串联 的微型载冷剂换热器15，如附图5中的微型载冷剂换热器15A和15C，与其一一对应的热电制冷片即为14A和14C，在电路中是并联关系；而相互串联的热电制冷片14A和14B，其一一对应的微型载冷剂换热器15A和15B也是并联关系。这种连接方式的好处是，在部分负荷工况下，如实例中热电制冷片14C和14D所在的支路断开电源停止工作时，仍在工作的热电制冷片14A和14B所对应的微型载冷剂换热器器15A和15B相互并联，不存在因载冷剂管路串联而导致的换热温差减小、换热效率下降的问题。热管12为纯铜质圆管或扁管，通常加工成U型，内部密封装填有工作液体，其种类、充注量、工作温度和工作压力须根据系统的使用场合不同经过计算确定。热管12的两端分别为吸热端和散热端，吸热端嵌入热管夹板13的凹槽内并焊接为一体，下表面加工成换热平面，与热电制冷片14的热端紧密贴合吸热；散热端则穿过散热翅片11上的热管安装孔，与散热翅片11焊接为一体；吸热端吸收热电制冷片热端产生的热量，散热端再将这些热量散发给周围环境。热管夹板13的作用是固定导热管的吸热端，并使其形成一个换热平面，与热电制冷片的热端紧密贴合。热管夹板13为为铜或铝等高热导率金属，此处选用纯铜，其上方安装有不锈钢材质的固定片20，通过固定螺栓19连接在硬质安装板16上。散热翅片11安装于导热管的散热端以增加与环境空气的接触面积，增强散热效果，其一般为多片铝质或铜质薄片组成。本实例中，散热翅片11为多片铝质薄片组成，其上加工有热管安装孔和用于安装散热风扇10的螺栓孔。为了增强热管散热端的散热强度，在散热翅片上方配备了专门的强制对流散热风扇。散热风扇10采用微型轴流式风机，通过风扇安装螺栓21安装于散热翅片11上。散热风扇10采用直流电源驱动，与同一模块下对应的热电制冷片直接并联连接，输入电压与热电制冷片一致。模块化制冷组件8上还安装有绝热层17，起到阻隔冷热端热量交换的作用。如图8所示，电路及控制装置为整个系统提供电源，测量系统工况，并进行系统控制。为了优化系统的电源，循环载冷剂泵采用直流输入，其输入电压与热电制冷元件的总输入电压相同，散热风扇的输入电压也与热电制冷片一一对应，这样就实现了系统采用单一直流电源驱动。另外，通过开关的串并联布置，可实现系统启动时必须先启动循环载冷剂泵，才能启动散热风扇和热电制冷片，而散热风扇与热电制冷片则是一一对应同时启闭，这样可有效避免因散热不良而损坏热电制冷片。当系统控制要求不严时，采用开关控制的多档调节模式，通过控制工作的热电制冷片数量调节输出冷量；当系统控制要求严格时，可通过实时测量系统运行的温度、流量等参数实现对热电制冷片的输入功率或变频载冷剂泵运行频率的自动调节，以达到精确控制输出冷量的目的。以一般精度要求的手动调节系统为例，本实例的电路及控制装置较为简单。出于整合整个系统电源的考虑，循环载冷剂泵5采用24V直流微型隔膜水泵，水泵流量不进行调节；其特点是启动时具有自吸功能、体积小重量轻、使用寿命长、输送介质不泄露、与输送液体间的换热量小，并且具有很高的杂质颗粒通过性能。当对流量调节要求较高时，可采用直流变频循环水泵，以精确调节输送流量，达到精确控制和高效节能的目的。热电制冷片14A与14B串联，再与散热风扇10A与10B串联形 成的支路相互并联，使用同一个开关K2控制启停，形成K2支路。另一套热电制冷片14A与14B，以及散热风扇10A与10B的电路连接方式与K2支路相同，形成K3支路。K2与K3支路也同样使用24V直流电源驱动。在系统开始运行时，首先打开总开关K1，此时水泵即开始运行，然后依次打开开关K2与K3，系统进入满负荷工作状态。当系统负荷降低时，可通过关闭一条支路降低系统功率，形成分档式的控制模式。当系统控制精度要求较高时，电路连接模式不变，只是在系统中增加温度传感器，并在K2与K3中的热电制冷片支路上增加调节电路，根据温度传感器的信号自动调节热电制冷片的工作电压和电流，以实现输出功率的自动和连续调节。特殊情况下还可将循环载冷剂泵5更换为直流变频载冷剂泵，通过温度信号调节系统循环载冷剂流量。当系统作为户外便携设备使用时，需单独配备蓄电池等供电装置。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。