一种便携式低温冷疗装置

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


背景技术：

2.低温冷疗或冷敷是一种常用的缓解疲劳与治疗软组织损伤的理疗手段。冷疗既可以促进毛细血管收缩、起到消肿止痛的效果，可用于治疗牙疼、跌打损伤等症状；又可以降低局部温度，可用于缓解中暑、高热等症状。
3.冰袋、冰水浴及冬泳等传统冷疗方法已经逐渐难以满足日常生活对冷疗的需求，主要存在如下三个局限：冷疗温度偏高，一般在零摄氏度附近；含水冷疗机制会增加水分或产生水汽，有可能会恶化伤口等病患处；冷疗时间及冷疗地点受限。根据液体的leidenfrost效应，基于液氮制冷的冷疗方法可以有效规避前两个应用局限，因而逐渐受到运动员们的青睐。然而，上述冷疗方法需要采用液氮来循环制冷，除了冷疗地点受限外，还提高了冷疗的成本。
4.热电材料可以基于帕尔贴效应利用电流来控制热流，进而可以用来实现局部冷疗的效果。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在应用时不会主动产生水汽，且可利用电能实现长时间持续冷疗。因此，采用半导体帕尔贴器件的冷疗装置，尤其在便携式低温冷疗装置领域具有独特的应用优势。
5.为了进一步降低基于半导体帕尔贴器件的便携式冷疗装置的冷疗温度，核心是需要同时解决半导体帕尔贴器件热端的有效散热以及半导体帕尔贴器件最大温差的性能优化这两个关键技术难题。目前，已经有采用水冷散热形式的冷疗或冷敷装置，但是水循环系统制约了冷疗装置的便携性；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。同时，已经存在异形级联式的半导体帕尔贴器件来提升最大温差，其中邻近的两级半导体帕尔贴器件共用一个陶瓷基片，但是这种一体式的异形级联结构加工流程多，显著提升了成本，且应用形式不灵活。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种便携式低温冷疗装置，通过采用风冷式主动散热以及将分离的半导体帕尔帖器件组成级联结构，兼顾其便携性和最低冷疗温度。
7.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
8.一种便携式低温冷疗装置，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，所述制冷模块基于级联形式的半导体帕尔贴器件组实现低温制冷，所述制冷模块分为热端和冷端，所述热端与散热模块连接，所述冷端露出外壳模块，所述散热模块采用主动式风冷形式散热；所述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分别控制级联形式的半导体帕尔贴器件的各级电压来控制降温范围；外壳模块用于支撑
及固定所述便携式低温冷疗装置的内部结构，并辅助提升散热性能。
9.分别控制指的是分别控制每一级半导体帕尔贴器件上的电压。经过实验摸索，发现降温性能最优时，级联结构中的各个半导体帕尔贴器件两端的电压并不相同，所以需要分别控制每一个半导体帕尔贴器件上的电压。总结起来就是，级联结构中各个半导体帕尔贴器件相互间直接机械接触，但是在电路结构上，并没有串联或并联等形式，而是每一个半导体帕尔贴器件都是被单独电控制的。
10.进一步地，制冷模块包括半导体帕尔贴级联结构和传冷介质，所述半导体帕尔贴级联结构由两个或两个以上的半导体帕尔贴器件从上到下依次机械接触构成，其中最上端的半导体帕尔贴器件为第一级半导体帕尔贴器件，从上到下依次靠近散热模块的半导体帕尔贴器件的级数逐渐增加，相邻两个半导体帕尔贴器件之间填充热界面，所述传冷介质位于所述半导体帕尔贴级联结构上方，将制冷模块冷端包覆起来，用于防止低温冷疗装置内部的气流直接与人体接触。
11.进一步地，制冷模块包含多个级数相同的半导体帕尔贴级联结构，多个半导体帕尔贴级联结构构成1
×
2至5
×
5的阵列，例如1
×
2、2
×
2、1
×
3、2
×
3、3
×
3等，阵列中的半导体帕尔贴级联结构之间没有机械接触，阵列中具有相同级数的半导体帕尔贴器件采用并联形式的电连接，即不同级别的半导体帕尔贴器件的控制电压或电流一般不相同，但是同级别的半导体帕尔贴器件的控制电压或电流一定相同。
12.进一步地，半导体帕尔贴级联结构中，低级数半导体帕尔贴器件的制冷面积及工作电压分别小于高级数半导体帕尔贴器件的制冷面积及工作电压；所述热界面为高热导率材料，所述高热导率材料为热导率高于1w
·
m-1
·
k-1
的导热硅脂或高于100w
·
m-1
·
k-1
的液态金属；所述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
·
m-1
·
k-1
材料，如导热硅橡胶。
13.装置的制冷面积和工作电压取决于半导体帕尔贴器件的制冷面积和工作电压，本技术中，级联结构制冷端面积最小，散热端面积最大，第一级(或最上方)半导体帕尔贴器件的制冷面积不小于1cm
×
1cm，工作电压不超过15v，最高级(或最下方)半导体帕尔贴器件的制冷面积不大于10cm
×
10cm，工作电压不超过30v。制冷面积的递减规律是经过实验验证的，为了提升温降的参数，只能使制冷端的面积越来越小，这样才能减小对流等周围环境对降温的影响。其次，两级级联是性价比和效率较优的结构，本质上只要是制冷面积递减的级联结构都是可以的，但是考虑到效率和能耗等因素，两级级联为较优选择。
14.进一步地，散热模块包括热沉结构、散热风扇及风室，所述热沉结构及所述散热风扇从上到下依次位于半导体帕尔贴器件的下方，用于实现主动式风冷散热；风室位于所述散热风扇的下方，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，用于形成气流通道以增强风冷散热效果。热沉结构可以是铝块或铜块(金属块体)、也可以是具有一维或二维沟道或鳍片结构的金属块体结构。
15.进一步地，供能与控制模块位于散热模块下方，所述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，所述可充电电池与半导体帕尔贴器件、散热风扇电连接，用于供能以实现离线式使用，所述供电/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可直接供能以实现在线式使用，所述挡位控制器与可充电电池、半导
体帕尔贴器件电连接，用于调节加载在半导体帕尔贴器件上的电压以实现温度可控的低温冷疗。
16.进一步地，可充电电池为聚合物锂离子电池、镍镉电池或镍氢电池，输出电压不超过17v；所述供电/充电适配接口为dc接口、usb接口、sma接口、smb接口、lemo接口或mini pin接口，输入电压与可充电电池的输出电压相同或相近；所述挡位控制器为电阻值不高于50欧姆的电位器，可通过旋转调节电阻值大小来控制低温冷疗的温度。
17.进一步地，外壳模块包括安装外壳、进风孔及出风孔，所述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。
18.进一步地，外壳模块包括多个进风孔和出风孔，所述进风孔和出风孔均匀分布在安装外壳上。
19.本发明还提供一种便携式低温冷疗装置在缓解疲劳、疼痛或运动损伤处理中的应用，可实现比环境温度低80℃的低温效果。
20.与现有技术相比，本发明包括以下优点：
21.本发明相较于基于循环水的水冷式散热，风冷式散热可以减小冷疗装置的体积、保证其便携性；同时，通过增加风室结构及优化设置风孔结构，增强冷疗装置的散热性能。另一方面，通过采用多块制冷面积不同的半导体帕尔贴器件构成正金字塔式级联结构，并采用电位器分压使具有较小制冷面积的半导体帕尔贴器件获得较小驱动电压的方法，实现相较于环境温度降低约80℃的冷疗性能。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图；
23.图2是单、双级制冷设备的冷疗降温性能曲线；
24.图3是本发明实施例三的结构示意图；
25.其中：
26.10：便携式低温冷疗装置；
27.100：外壳模块；
28.110：安装外壳；120：进风孔；130：出风孔；
29.200：制冷模块；
30.210：半导体帕尔贴级联结构；211：第一级半导体帕尔贴器件；212：热界面；213：第二级半导体帕尔贴器件；220：传冷介质；
31.300：散热模块；
32.310：热沉结构；320：散热风扇；330：风室；
33.400：供能与控制模块；
34.410：可充电电池；420：供电/充电适配接口；430：挡位控制器；
35.20：便携式低温冷疗装置的一个实施例；
36.214：第三级半导体帕尔贴器件；
37.311：热沉/风扇一体式结构。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例与附图对本发明做进一步说明。
39.实施例1
40.如图1所示，本实施例的便携式低温冷疗装置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通过调节加载在第二级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级联结构210实现低温制冷，散热模块300采用主动式风冷换热给制冷模块200散热，供能与控制模块400用于在线式或离线式直流供电，外壳模块100用于支撑及固定便携式低温冷疗装置10的内部结构，并辅助提升散热性能。
41.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位于便携式低温冷疗装置10的外侧，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。
42.如图1所示，制冷模块200由第一级半导体帕尔贴器件211、热界面212、第二级半导体帕尔贴器件213和传冷介质220组成，第一级半导体帕尔贴器件211、热界面212与第二级半导体帕尔贴器件213从上到下依次构成半导体帕尔贴级联结构210。开始时，将第一级半导体帕尔贴器件211和第二级半导体帕尔贴器件213的调控电压设置基本相同，达到一个比较大的温降；在上述基础上，再微调(稍微增加第二级半导体帕尔贴器件213的控制电压，或者稍微降低第一级半导体帕尔贴器件211的控制电压)实现优化的效果。具体使用时，可通过增大或减小加载在第二级半导体帕尔贴器件213上的电压来控制降低或增加低温冷疗温度。传冷介质220位于半导体帕尔贴级联结构210上方，用于防止便携式低温冷疗装置10内部的气流直接与人体接触。其中，第一级半导体帕尔贴器件211的制冷面积及工作电压应分别小于第二级半导体帕尔贴器件213的制冷面积及工作电压；热界面212为热导率高于1w
·
m-1
·
k-1
的导热硅脂；传冷介质220可直接与人体接触，为质软的导热硅橡胶。
43.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位于第二级半导体帕尔贴器件213的下方，散热风扇320位于热沉结构310下方，风室330位于散热风扇320的下方，风室330厚度为2cm，可形成气流通道以增强风冷散热效果。
44.如图1所示，供能与控制模块400位于风室330下方，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为输出电压为15v的锂电池，与半导体帕尔贴级联结构210及散热风扇320电连接，用于供能以实现离线式使用功能；供电/充电适配接口420为dc接口，输入电压为15v，与可充电电池410电连接，用于给可充电电池410充电以及直接供能实现在线式使用功能；挡位控制器430为电阻值50欧姆的电位器，与可充电电池410及第二级半导体帕尔贴器件213电连接，可通过旋转调节挡位控制器430的电阻值来改变加载在第二级半导体帕尔贴器件213上的电压来控制冷疗温度。
45.实施例2
46.如图2所示，调整加载在第二级半导体帕尔贴器件213上的电压可获得不同的冷疗
温度。其中，当去除第一级半导体帕尔贴器件211，只采用第二级半导体帕尔贴器件213来制冷冷疗时，利用t型热电偶在第二级半导体帕尔贴器件213的上表面测量的电压-温度曲线如五边形数据所示，数据表明采用单级半导体帕尔贴器件的便携式低温冷疗装置10可以实现约55℃(从0v电压对应的约24℃降低至15v电压对应的约-31℃)的降温效果；当采用半导体帕尔贴级联结构210来制冷冷疗时，利用t型热电偶在第一级半导体帕尔贴器件211的上表面测量的电压-温度曲线如圆形数据所示，此时加载在第一级半导体帕尔贴器件211上的电压固定在3.7v，结果表明采用半导体帕尔贴级联结构210的便携式低温冷疗装置10可以实现比环境温度低约80℃的降温效果。
47.实施例3
48.如图3所示，另一个可选的实施例提供的是基于级联式热电器件阵列的便携式低温冷疗装置20。其中，便携式低温冷疗装置30的制冷模块200由4个半导体帕尔贴级联结构210构成，这些半导体帕尔贴级联结构210组成2
×
2的阵列结构；每一个半导体帕尔贴级联结构210是由第一级半导体帕尔贴器件211、第二级半导体帕尔贴器件213、第三级半导体帕尔贴器件214及热界面212构成的三级级联式结构，第一级至第三级半导体帕尔贴器件的制冷面积从上到下依次为1cm
×
1cm、2cm
×
2cm以及4cm
×
4cm；在半导体帕尔贴级联结构210构成的阵列中，级数相同的半导体帕尔贴器件采用并联形式的电连接。
49.为了进一步缩小便携式低温冷疗装置20的体积和质量来提升其便携性，散热模块300中采用了将热沉结构与散热风扇集成在一起的热沉/风扇一体结构311来进行主动式风冷散热；同时，优化设计便携式低温冷疗装置20的外壳模块100，将风室330置于安装外壳110的外部。可充电电池410采用输出电压为14.8v的锂电池；供电/充电适配接口420为输入电压为14.8v的dc接口；挡位控制器430包含3个阻值为50欧姆的电位器，分别与三个由相同级数的半导体帕尔贴器件构成的并联结构进行串联形式的电连接。在实际使用时，将第一级半导体帕尔贴器件两端的电压设置为3.7v，再通过档位控制器430增大或减小第二级半导体帕尔贴器件及第三级半导体帕尔贴器件两端的电压来调节需要的的冷疗温度。
50.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。
51.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。
52.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。