一种便携式冷疗装置

1.本发明涉及一种冷疗装置，具体涉及一种基于热电材料及热电器件的便携式冷疗装置。


背景技术：

2.与基于红外线辐射等加热理疗技术相对应，低温冷疗或冷敷也是一种常用的理疗手段。冷疗主要有如下两个功效：促进毛细血管收缩、起到消肿止痛的效果，可用于牙疼、软组织损伤等症状；降低局部温度，可用于缓解中暑、高热等症状。
3.最简单的冷疗或冷敷手段是利用冷水或冰水浸泡手巾、拧干后再置于患处；更进一步，也可以采用冰袋或其他冰点低的化学介质接触患处实现低于零摄氏度的冷疗效果。然而，上述方法会在病患处增加水分或产生水汽、可能会导致伤口感染、进而使病情恶化；同时，上述方法的持续时间较短，需要经常更换低温介质。因此，出现了采用液氮或液氦等低温介质循环制冷的冷疗装置，这可以有效解决上述局限，但是，采用液氮或液氦的冷疗装置又引入了成本高以及不便携的应用局限。
4.热电材料可以基于帕尔贴效应利用电流来控制热流，进而可以用来降温以实现冷疗的效果。基于热电材料可以制作半导体帕尔贴器件，采用半导体帕尔贴器件的冷疗装置具有不增加水分或产生水汽、可利用电能长时间持续冷疗的特点。因此，基于半导体帕尔贴器件的冷疗装置具有潜在的应用优势。
5.为了提升冷疗装置的降温或制冷性能，关键问题是对半导体帕尔贴器件的热面或热端实现有效散热。目前，已经有采用水冷或风冷散热形式的冷疗或冷敷装置。其中，水冷散热可以实现更强劲的冷疗效果，但是水循环系统制约了冷疗装置的便携性；而风冷散热可以实现小巧的冷敷设备，但是其很难实现低于零摄氏度的冷疗效果。因此，基于热电材料或半导体帕尔贴器件的冷疗装置目前主要的技术难点是有效兼顾便携性及冷疗性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种便携式冷疗装置，通过采用半导体帕尔帖器件以及风冷式散热，兼顾其便携性和冷疗性能。
7.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
8.一种便携式冷疗装置，包括制冷模块、散热模块、供能与控制模块以及外壳模块，所述制冷模块、散热模块、供能与控制模块设于外壳模块内部；所述制冷模块基于热电材料器件实现降温制冷，分为热端和冷端，所述热端与散热模块连接，所述冷端露出外壳模块，制冷模块包括热电材料器件和传冷介质，传冷介质位于热电材料器件上方，将制冷模块冷端包覆起来，用于增大冷疗面积并防止冷疗装置内部的气流直接与人体接触；散热模块采用风冷形式散热；供能与控制模块与制冷模块、散热模块电连接，用于在线式或离线式直流供电，供能与控制模块通过调节加载在热电材料器件上的电压来控制降温范围；外壳模块用于支撑及固定所述冷疗装置的内部结构，并辅助提升散热性能。
9.进一步地，热电材料器件为半导体帕尔贴器件。
10.进一步地，制冷模块包括至少一个半导体帕尔贴器件，当包含多个半导体帕尔贴器件时，各半导体帕尔贴器件之间组成1
×
2至6
×
6的阵列，例如1
×
2、2
×
2、1
×
3、2
×
3、5
×
5、5
×
6等，各半导体帕尔贴器件和供能与控制模块之间呈并列式电连接，即各半导体帕尔贴片为并联结构。
11.进一步地，传冷介质可直接与人体接触，为柔性或质软的热导率高于1w
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m-1
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k-1
材料，如导热硅橡胶。
12.进一步地，散热模块包括热沉结构、散热风扇及风室，所述热沉结构位于所述半导体帕尔贴器件的下方，可以增强半导体帕尔贴器件的热面或热端与空气的换热；散热风扇位于热沉结构的内侧(即散热风扇与热沉结构集成为一体)或下方，用于实现主动式风冷散热；风室位于散热风扇的下方，用于辅助形成气流通道以增强风冷式散热效果，风室既可以处于设备外壳内部(此时为实际结构)，也可以处于设备外壳外部(此时为虚拟结构)，风室的厚度不小于1cm。
13.热沉结构相当于风扇的外壳，起到支撑风扇的作用。风室是用于使散热风扇充分换热而设计的。
14.进一步地，散热模块包括万向架，万向架位于热沉结构下方，散热风扇上方。
15.进一步地，供能与控制模块位于散热模块下方，供能与控制模块包括可充电电池、供电/充电适配接口及挡位控制器，可充电电池与所述半导体帕尔贴器件及散热风扇电连接，用于供能以实现离线式使用，供电/充电适配接口与可充电电池电连接，用于给可充电电池充电或者为便携式冷疗装置直接供能以实现在线式使用，挡位控制器与所述可充电电池电连接，用于调节加载在半导体帕尔贴器件上的电压以实现低于零摄氏度的冷疗效果或高于零摄氏度的冷敷效果。
16.电路功能上，电压范围可从0v调至30v，实际应用中，一般工作于6v至8v之间性能最优，可实现最大温降。
17.进一步地，可充电电池包括聚合物锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池，输出电压在3.7v至12.8v之间；供电/充电适配接口为dc接口或usb接口，输入电压与可充电电池的输出电压相同或相近；挡位控制器为电阻值不高于50欧姆的小型电位器，可通过旋转调节电阻值大小来控制冷疗或冷敷温度。
18.进一步地，外壳模块包括安装外壳、进风孔及出风孔，安装外壳位于便携式冷疗装置的外侧，用于固定和支撑便携式冷疗装置，进风孔位于安装外壳的底部以及风室对应位置的安装外壳侧壁上，用于提供风冷式散热需要的低温气流的入口；出风孔位于热沉结构对应位置的安装外壳侧壁上，用于提供风冷式散热进行换热后的高温气流的出口。
19.外壳模块包括多个进风孔和出风孔，进风孔和出风孔均匀分布在安装外壳上。
20.本发明还提供一种便携式冷疗装置在缓解疲劳、疼痛或运动损伤处理中的应用，便携式冷疗装置厚度不超过80mm，长度和宽度不超过150mm；冷疗的下限温度可比环境温度低40℃；离线式工作的连续工作时间不低于60min；可以在低于零摄氏度的冷疗模式及高于零摄氏度的冷敷模式间进行切换。
21.与现有技术相比，本发明包括以下优点：
22.本发明相较于基于循环水的水冷式散热，风冷式散热可以省去水循环系统，确保
冷疗装置的便携性；通过增加风室结构及优化设置风孔结构，使冷疗装置可以实现低于零摄氏度的冷疗能力；相较于基于微控制器或集成电路芯片的电压控制方式，采用电位器分压的方式可以在不显著影响冷疗装置续航时间的前提下，实现低于零摄氏度的冷疗模式及高于零摄氏度的冷敷模式间的切换功能。
附图说明
23.图1是本发明的结构示意图；
24.图2是本发明实施例一的冷疗装置示意图；
25.图3是本发明实施例二的冷疗装置示意图；
26.图4是本发明实施例三的冷疗装置示意图；
27.其中，
28.10：便携式冷疗装置；
29.100：外壳模块；
30.110：安装外壳；120：进风孔；130：出风孔；
31.200：制冷模块；
32.210：半导体帕尔贴器件；220：传冷介质；
33.300：散热模块；
34.310：热沉结构；320：散热风扇；330：风室；
35.400：供能与控制模块；
36.410：可充电电池；420：供电/充电适配接口；430：挡位控制器；
37.20：便携式冷疗装置实施例一；
38.211：单块半导体帕尔贴器件；311：热沉/风扇一体结构；
39.30：便携式冷疗装置实施例二；
40.212：半导体帕尔贴器件阵列；
41.40：便携式冷疗装置实施例三；
42.312：热沉阵列；313：万向架阵列。
具体实施方式
43.下面结合附图对本发明做进一步说明：
44.如图1所示，本实施例的便携式冷疗装置10包括制冷模块200、散热模块300、供能及控制模块400以及外壳模块100。制冷模块200、散热模块300、供能与控制模块400设于外壳模块100内部，制冷模块200包括热端和冷端，热端与散热模块300连接，冷端露出外壳模块100，供能与控制模块400位于散热模块300下方，与制冷模块200、散热模块300电连接，供能与控制模块400通过调节加载在半导体帕尔贴器件上的电压以控制降温范围。其中，制冷模块200基于半导体帕尔贴器件实现降温制冷，散热模块300采用风冷形式给制冷模块200散热，供能与控制模块400用于在线式或离线式直流供电，并调控所述冷疗装置的降温范围，外壳模块100用于支撑及固定所述冷疗装置的内部结构，并辅助提升散热性能。
45.如图1所示，制冷模块200由半导体帕尔贴器件210和传冷介质220组成，半导体帕尔贴器件210可以根据加载在其上的电压大小来控制冷疗效果的强弱，传冷介质220位于半
导体帕尔贴器件210上方，用于增大冷疗面积并防止冷疗装置内部的气流直接与人体接触。其中，传冷介质220可直接与人体接触，为柔性或质软的热导率高于1w
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材料，如导热硅橡胶等。
46.如图1所示，散热模块300由热沉结构310、散热风扇320及风室330组成，热沉结构310位于半导体帕尔贴器件210的下方，可以增强半导体帕尔贴器件210的热面或热端与空气的换热，散热风扇320与热沉结构310集成为一体或者位于热沉结构310的下方，用于实现主动式风冷散热，风室330位于散热风扇320的下方，用于辅助形成气流通道以增强风冷式散热效果，风室330的厚度不小于1cm。
47.如图1所示，供能与控制模块400位于风室330内部或下方，供能与控制模块400由可充电电池410、供电/充电适配接口420及挡位控制器430组成，可充电电池410与半导体帕尔贴器件210及散热风扇320电连接，用于供能以实现便携式冷疗装置10的离线式使用，供电/充电适配接口420与可充电电池410电连接，用于给可充电电池410充电或者为便携式冷疗装置10直接供能以实现在线式使用，挡位控制器430与可充电电池410电连接，可以调节加载在半导体帕尔贴器件210的电压以实现低于零摄氏度的冷疗效果或高于零摄氏度的冷敷效果。
48.如图1所示，外壳模块100由安装外壳110、进风孔120及出风孔130组成，安装外壳110位于便携式冷疗装置10的外侧，用于固定和支撑便携式冷疗装置10，进风孔120位于安装外壳110的底部以及风室330对应位置的侧面，用于提供风冷式散热需要的低温气流的入口，出风孔130位于热沉结构310对应位置的安装外壳110侧面，用于提供风冷式散热进行换热后的高温气流的出口。
49.本发明专利提出的便携式冷疗装置10的厚度不超过80mm，长度和宽度不超过150mm，可以工作于低于零摄氏度的冷疗模式或高于零摄氏度的冷敷模式，冷疗模式的下限温度可比环境温度低40℃，离线式工作的连续工作时间不低于60min。
50.为了便于理解本发明，提供以下3个可选的实施例。
51.实施例一
52.如图2所示，第一个可选的实施例提供的是基于单一热电器件的便携式冷疗装置20。其中，便携式冷疗装置20的制冷模块200采用单块制冷面积不低于5cm
×
5cm的半导体帕尔贴器件211；同时，便携式冷疗装置20的散热模块300采用热沉结构与散热风扇集成在一起的热沉/风扇一体结构311进行主动式风冷散热；可充电电池410为输出电压为3.7v的锂电池；供电/充电适配接口420为输入电压为3.7v的usb接口；挡位控制器430为阻值50欧姆的电位器。基于单一热电器件的便携式冷疗装置20可以进一步缩小便携式冷疗装置10的尺寸，实现长度和宽度不超过10cm、厚度不超过6cm。
53.实施例二
54.如图3所示，第二个可选的实施例提供的是基于热电器件阵列的便携式冷疗装置30。其中，便携式冷疗装置30的制冷模块200采用半导体帕尔贴器件阵列212，单一半导体帕尔贴器件的制冷面积不超过4cm
×
4cm，半导体帕尔贴器件阵列212为由单一半导体帕尔贴器件组成的2
×
2阵列；同时，便携式冷疗装置20的散热模块300采用热沉结构与散热风扇集成在一起的热沉/风扇一体结构311进行主动式风冷散热；可充电电池410为输出电压为7.4v的锂电池；供电/充电适配接口420为输入电压为7.4v的usb接口；挡位控制器430为阻
值25欧姆的电位器。基于热电器件阵列的便携式冷疗装置30可以通过更改外壳模块100的结构，将风室330置于安装外壳110的外部。
55.实施例三
56.如图4所示，第三个可选的实施例提供的是基于热电器件阵列的便携式冷疗装置40。其中，便携式冷疗装置40的制冷模块200采用半导体帕尔贴器件阵列212，单一半导体帕尔贴器件的制冷面积不超过3cm
×
3cm，半导体帕尔贴器件阵列212为由单一半导体帕尔贴器件组成的3
×
3阵列；同时，在半导体帕尔贴器件阵列212下方采用离散的热沉阵列312结构，再在热沉阵列312下方采用离散的小型万向架阵列313结构，且满足每一个半导体帕尔贴器件下方都有一个对应的热沉结构机械连接，每一个热沉结构下方都有一个对应的万向架结构机械连接；可充电电池410为输出电压12.8v的锂电池；供电/充电适配接口420为输入电压为12.8v的dc接口；挡位控制器430为电阻值10欧姆的电位器。
57.在实际使用过程中，基于热电器件阵列和万向架结构的便携式冷疗装置40可以充分响应与人体接触时的机械应力或压力，使制冷模块200与待冷疗或冷敷部位贴合的更紧密，从而提升冷疗或冷敷效果。
58.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
59.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
60.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。