一种可穿戴的半导体制冷/制热装置

1.本发明涉及半导体制冷、制热技术，具体涉及一种结构简单、可穿戴的半导体制冷/制热装置。


背景技术：

2.随着全球气候变暖，温室效应的增强，各地的异常天气逐渐增多。夏季温度常常可以达到40
‑
42℃，有些地区甚至达到50℃。天气炎热导致人员死亡的事件时有耳闻。品类繁多的制冷装置也成为了夏季必备。
3.在物理学中，有一种通过电能使导体吸热或放热的现象，叫帕尔贴效应。与塞贝克效应、汤姆逊效应，并称三大基本热电效应。近几十年来，经过研究人员的不断探索，发现了很多性能良好的热电材料。经过加工、组装和焊接，制造成为半导体帕尔贴。
4.半导体制冷、制热与传统的空调不同。半导体帕尔贴小巧、重量轻，而且容易控制和驱动。单片半导体帕尔贴的厚度仅有几个毫米，重量仅有几十克。相比之下，传统的压缩机循环系统最小也要重几公斤，长十几个厘米。
5.因此，半导体帕尔贴更适合用在便携式、可穿戴地设备上。近些年，随着半导体帕尔贴制造工艺的不断完善。使用它的许多产品也渐渐地走入人们的生活。比如，近年流行的汽车座椅的调温功能，就是使用半导体帕尔贴实现的。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种结构简单、可穿戴的制冷/制热装置。通过半导体帕尔贴在目标表面和散热器之间建立一个恒定的温差。再通过风扇加快散热器与附近空气的换热，将目标表面的热量传递给空气或从空气中吸收热量传递给目标表面。从而，实现给使用者身体的局部冷敷或热敷的功能。
7.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
8.一种可穿戴的半导体制冷/制热装置，所述包括散热器、风扇、半导体帕尔贴和电路板；所述散热器包括散热器基底、散热片；所述散热器基底的底部与半导体帕尔贴连接；所述风扇、电路板、散热片分别固定在散热器基底上；以风扇的轴心为圆点，沿风扇周向设置两个同心圆，分别等分成相同数量的圆弧，并且一个圆上的等分点与圆心的连线与另一个圆上的等分点不在一条直线上，两个圆上相邻的两个等分点与圆心所成的夹角等于一个圆上等分圆弧圆心角的一半，分别以两个同心圆上的等分点的为起点，沿圆的切线方向延伸至散热器基底的边缘，形成散热片。
9.上述技术方案中，进一步地，所述风扇吹风方向与散热片的延伸方向相同。
10.上述技术方案中，进一步地，所述散热器基底的底部设置有凹槽，所述半导体帕尔贴的一面嵌入凹槽内，另一面在凹槽外。
11.上述技术方案中，进一步地，所述电路板上分别设置有充电管理芯片、稳压芯片、驱动电路、温度传感器、单片机、开关和滑动变阻器。
12.上述技术方案中，进一步地，驱动电路由n型mos管和p型mos管组成。
13.上述技术方案中，进一步地，所述电路板背面设置有方形覆铜区域，通过通孔阵列与正面的温度传感器的测温区域相连，在电路板背面形成测温平面。
14.上述技术方案中，进一步地，所述电路板上设置有电路板通孔，散热器基底设置有与通孔对应的螺孔ⅰ，通过螺钉将电路板与散热器基座固定连接。
15.上述技术方案中，进一步地，散热器基底上设置有螺孔ⅱ，通过螺钉将散热器固定在需要设备的外壳上。
16.本发明的有益效果为：
17.本发明通过改进散热器的结构，减小了散热器的整体厚度，但同时并未减小散热器的散热能力；通过沿着切线方向向外延展的结构，不会减缓风扇的出风风速，而且增大了散热片与风扇出风的接触面积；长散热片中间夹的短散热片进一步地增加了基底向上传导的热量，不会减缓风扇出风风速地同时，进一步地提升了风扇出风与散热片的接触面积。
18.本发明可以根据使用者的需要调节目标表面的温度，进行制冷/制热或冷敷/热敷；通过半导体帕尔贴产生一个由电压决定的温度差，再通过风扇加快散热器与附近空气的换热；通过给一个面散热或吸热，使用户接触的另一面温度升高或降低，实现冷敷或热敷的目的。
19.本发明使用8.5v锂电池供电，制冷表面的温度可以从室温25℃降低到5℃，散热器的温度比室温仅高出1
‑
2℃。
附图说明
20.图1是本发明整体结构示意图；
21.图2是本发明电路连接结构示意图；
22.图3是本发明散热器结构示意图；
23.图4是本发明电路板结构示意图；
24.图5是本发明实施例1：手持式制冷/制热器的示意图；
25.图6是本发明实施例2：绑带式冷敷/热敷仪的示意图；
26.图7是本发明实施例3：半导体制冷/制热服的示意图。
27.100、散热器；110、散热器基底；120、散热片；130、螺孔ⅰ；140、螺孔ⅱ；150、凹槽；
28.200、风扇；210、风扇电源；300、半导体帕尔贴；310、半导体帕尔贴电极；
29.400、电路板；410、充电管理芯片；420、稳压芯片；430、mos芯片；440、电路板通孔；450、温度传感器；460、单片机；470、开关；480、滑动变阻器；490、测温平面；
30.510、usb type c电路板；515、usb type c插座；
31.600、手持式制冷/制热器；610、半导体帕尔贴导向窗；620、壳体散热器固定柱；630、usb电路板固定槽；640、壳体调温滚轮开窗；650、手持式制冷/制热器上壳；660、壳体散热孔；
32.700、绑带式冷敷/热敷仪；710、功能模块耳环；720、背板散热孔；730、弹性绑带；740、魔术贴；750、电源线；760、电池盒；770、电池盒绑带固定环；780、电池盒固定夹；
33.800：半导体制冷/制热服；805、反光片；810、制冷/制热模块；820、高导热硅胶布；830、开关；840、锂电池；850、电池口袋。
具体实施方式
34.以下实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
35.下面结合附图对本发明做进一步说明：
36.一种可穿戴的半导体制冷/制热装置，如图1
‑
4所示，包括散热器100、风扇200、半导体帕尔贴300和电路板400；散热器100由一种导热系数较高的金属材料制成，包括散热器100基底、散热片120；风扇200、电路板400、散热片120分别固定在散热器基底110上；散热器基底110的底部与半导体帕尔贴300连接；散热器基底110由高度为2
‑
4mm的实心金属制成，使散热器100与半导体帕尔贴300上表面的温度基本相同；以风扇200的轴心为圆点，沿风扇200周向设置两个同心圆，分别等分成相同数量的圆弧，并且一个圆上的等分点与圆心的连线与另一个圆上的等分点不在一条直线上，两个圆上相邻的两个等分点与圆心所成的夹角等于一个圆上等分圆弧圆心角的一半，分别以两个同心圆上的等分点的为起点，沿圆的切线方向延伸至散热器基底110的边缘，形成散热片120，分别为长散热片和短分散片。
37.散热片120的高度与风扇200的厚度相同；散热片120与风扇200扇叶不接触，防止风扇200扇叶与散热片120相撞；风扇200吹风方向与切线延伸方向相同。
38.散热器基底110的底部设置有凹槽150，半导体帕尔贴300通过凹槽150与散热器基底110连接，使半导体帕尔贴300的一面可以嵌入散热器基底110的底部，另一面在散热器基底100外。
39.半导体帕尔贴300上下分别是两片氮化铝陶瓷制成极板，中间是串联的柱状半导体热电材料阵列；半导体帕尔贴300的两个端点各焊有一条导线，将两条导线与电路板400上的两个电极接通。
40.电路板400所在区域的散热器基底110上不设置散热片120，电路板400包括充电管理芯片410、稳压芯片420、n型mos管和p型mos管组成的驱动电路430、温度传感器450、单片机460、开关470和滑动变阻器480；稳压芯片420为风扇200供电，开关470设置制冷/制热模式，滑动变阻器480调整目标温度；单片机460根据设定的目标温度输出pwm信号控制驱动电路430输出，驱动半导体帕尔贴300工作；所述电路板400背面设置有方形覆铜区域，通过通孔阵列与正面的温度传感器的测温区域相连，在电路板背面形成测温平面490，通过温度传感器450测量散热器100和电路板400的温度作为温度反馈，实现一个闭环的温度控制。
41.电路板400上设置有电路板通孔440，散热器基底110设置有与电路板通孔440对应的螺孔ⅰ130，通过螺钉将电路板400与散热器基座110固定连接。
42.散热器基底110上设置有螺孔ⅱ140，通过螺钉将散热器100固定在需要设备的外壳上，并且保证散热器100与需要设备外壳之间的距离，使半导体帕尔贴300的一个表面能够露出需要设备的外壳。
43.实施例1
44.一种手持式制冷/制热设备，如图5所示，包括散热器100、风扇200、半导体帕尔贴300、电路板400、锂电池500、下壳600和上壳650；首先，将半导体帕尔贴300安装到散热器100的凹槽150中；然后，使用3个螺钉穿过下壳600上的3个固定柱，拧进散热器100上的螺孔140中；同时，使半导体帕尔贴300穿过下壳600上的开窗610，并且略探出下壳600的底面；再用双面胶将锂电池贴在下壳的右半部分；通过下壳600底端的两个突起的凹槽630固定usb
电路板510；最后，通过卡扣使下壳600与上壳650的扣紧。
45.使用者可以手持或将设备绑在身上，通过调节旋钮来调节半导体帕尔贴的工作面的温度。实现给使用者身体的指定部位进行降温或升温。使用usb可以给锂电池进行充电。充电后，可多次使用。设置为最大输出功率，可以工作5小时10分钟。
46.实施例2
47.一种绑带式冷敷/热敷仪，如图6所示，包括散热器100、风扇200、半导体帕尔贴300、电路板400、锂电池500、制冷/制热模块外壳700、电池盒760。制冷/制热模块的组装与实施例1相似。区别是此实施例的电池与功能模块分开。功能模块外壳700两侧各有一个耳环710，用来安装绑带730；绑带一共有两种：一种为胸带，主要用于躯干部位的冷敷或热敷；另一种为腕带或臂带，用于固定在使用者的四肢上；绑带730可以使用魔术贴740进行固定和长度调节，或者在中间添加卡扣进行固定；通过一条电源线750，将电池盒760与功能模块700相连。
48.通过将功能模块与电池分离，冷敷/热敷部分尺寸更小，更易于固定在使用者的身上。
49.电池盒的固定方案有两种：
50.第一种，与功能模块相同，在电池盒760两侧各添加一个耳槽770，使用绑带固定在功能模块一侧；
51.第二种，在电池盒760背面添加一个背夹780，将电池盒760夹在功能模块附近的绑带上。
52.实施例3
53.一种冷热可调节的背心，如图7所示，包括背心800、反光布805、功能模块810、导热硅胶布820、开关830、锂电池840和电池口袋850。
54.首先，在背心800需要制冷或制热的区域内侧缝上一片尺寸合适的高导热硅胶布820；然后，在缝有高导热硅胶布820的区域中心剪出一个缺口；将功能模块810穿过缺口，使用高导热硅胶将半导体帕尔贴与内侧的高导热硅胶布820粘合；然后，将功能模块810缝在背心800的外侧；同时，在模块附近缝上与内侧硅胶布尺寸相同的反光片805；减少通过太阳辐射产生的热量传递，防止太阳直射对背心制冷能力的影响；最后，将电池口袋850和开关830缝在背心的外侧。通过衣服内缝合的导线为功能模块供电。
55.图7中为一件反光背心，包含反光条805。如果仅需要制热，可不安装反光条或直接替换成其他类型的背心，其他安装方式与上述相同。
56.图7中功能模块810分别安装在胸口和两侧肩胛骨。如果需要更强的制冷/制热能力，也可固定更多的功能模块。
57.此发明在室温25℃时，表面温度可降低至2
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8℃，最高温度可升至55℃。总功率在4w左右，1200mah的电池可以持续工作2
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2.5小时。2500mah的电池可以续航5小时30分钟左右。
58.以上实施例仅仅是本发明的优选施例，并非对于实施方式的限定。本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。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。由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。