專利名稱：調溫穿戴物的制作方法
技術領域：
本發明屬溫控穿戴物領域，涉及通過熱電模塊加熱或降溫的穿戴物，所述模塊以電池為能源，利用珀耳帖效應轉移熱。本發明的溫控穿戴物可有一個例如與其成整體的電路來維持要設定的溫度。本發明的穿戴物可通過例如熱交換系統來提高溫控系統的效率。
背景技術：
過熱或過冷的環境將使穿在身上的穿戴物不適意。當前對此問題的解決方案集中在穿戴物設計上，提供絕熱、通風或熱交換裝置。
人體保暖的常見措施是穿著包括厚隔熱層的穿戴物，以此保持體熱不散發。這種做法在許多情況下都是非常有效的。但是在極冷的環境中，所需隔熱層將非常臃腫、笨重而不實用。對于靴子和連指手套，這個問題尤為突出，因為厚厚的絕熱層使走路不方便、動作不靈活。
另一種保暖措施是密封穿戴物，阻止空氣流動。這雖然可以保持熱量，但也將水蒸氣封在里頭了。聚集起來的水分將使人感覺不舒服，也會降低穿戴物的絕熱性能。
另一種保暖方法是用外部能源加熱，使靴子、帽子或手套內部熱起來。例如，在Cieslak等人的美國專利4180922中，用燃燒的固體燃料加熱循環液體，該液體將熱帶進靴子。在這種裝置中，使用者點燃燃料，然后用手指周期性擠壓球膽型泵，使熱的液體循環到靴子里。這種裝置存在失火的危險，啟動緩慢，而且要求使用者時刻保持警惕。
加熱靴子的另一個例子見述于Polycarpe的美國專利6041518，“ClimateControlled Shoe(氣候控制的鞋)”，它用電池給靴底的加熱板提供能量。加熱板將熱傳給在靴子里面的導管和隔室中流通的空氣，從而使腳暖熱起來。這種靴子導管結構龐雜，缺乏溫控措施，而且熱能受限于電池。
當氣候炎熱或在從事劇烈運動時，要感覺舒服，就希望能給穿戴物降溫。給穿戴物降溫的方法可以是在穿戴物里面安裝疏松組織的織物板，使鞋子能夠“透氣”，熱空氣和水蒸氣能通過織物板散逸出去。這種透氣板限于釋放熱濕的空氣，而不直接給腳降溫。透氣板對穿戴物并不密封，而水能夠進到穿戴物里。Polycarpe發明的氣候控制靴試圖用電池驅動的風扇解決這些問題，風扇將新鮮空氣吹到密封的靴子中，由此給腳降溫，并使腳干燥。但是，這種裝置也僅僅是給腳通風，實際上并未從靴子里面吸走熱量。
Reinhard等人的美國專利6290642，“Acceleration Protective Suit(加速運動保護制服)”介紹了可加熱和降溫的g軍服。高壓g軍服能將血液壓進飛行員的大腦中，使他們在噴氣式戰斗機高速飛行的過程中保持知覺。但是，這種制服是密封的，臃腫，使飛行員在發動機尚未啟動時就過熱，又使氣候控制系統在預飛準備階段關閉。加速運動制服可以配備由大型外部電源供電的珀耳帖效應元件，給飛行員加熱或降溫。這種g制服不能直接控制極端溫度。此外，珀耳帖效應元件的熱傳遞效率由于缺少熱傳導和熱散逸系統而下降。
由上可知，仍然需要一種便攜的調溫穿戴物，用以使極熱或極冷環境中的人感覺舒服一些。還需要能有效調溫的穿戴物，同時它是密封的，防止環境中的風和水進入穿戴物。本發明具有上述及其他特征，它們通過以下描述將變得更清楚。
發明概述舉例來說，本發明提供了一種便攜的調溫穿戴物制品。本發明穿戴物包括例如一個珀耳帖效應熱電模塊、一個電子溫控系統和一個或多個冷卻劑循環環路。本發明包括例如穿戴物的調溫方法。
本發明的非擠壓調溫穿戴物包括一個熱電模塊，它與電源相連。本發明的穿戴物可以是襯衣、短褲或褲子，但本發明特別適合提供調溫頭戴物品、手戴物品和腳穿物品等。
本發明的熱電模塊根據直流電的極性，將熱從一側(冷側)轉移到另一側(熱側)。熱電模塊可以與便攜式電源通過電路相連，該電源借助調整極性將熱傳移出穿戴物，且/或將熱傳移進入穿戴物。或者，也可以保持電源極性不變，而僅僅將熱電模塊反過來裝，使冷側朝里或熱側朝里。
熱電模塊可以與導熱板或冷卻劑循環環路接觸，在加熱過程中將穿戴物內部的熱量散開，或者在降溫過程中收集穿戴物內部的熱量。為了收集并除去降溫過程中的冷凝水，可在熱電模塊的冷側接一根排水導管。
本發明的穿戴物可配備電子溫控系統，該系統包括一個調溫反饋系統，用來調整熱電模塊的功率。安裝在穿戴物上的溫度傳感器將指示穿戴物內部溫度的信號送到控制電路。固態功率控制電路有一個與溫度傳感器(如電熱調節器或熱電偶)相連的溫度信號輸入接頭，與熱電模塊電接觸的受控功率輸出接頭，還有與電池(如充電電池)相連的功率輸入接頭。功率控制電路可根據溫度傳感器的信號，調節提供給熱電模塊的功率來控制穿戴物的溫度。溫度選擇器件可與控制電路溫度選擇輸入接頭相連，這樣使用者就可以選擇所需的穿戴物溫度。固態電路可以是一個或多個電路板、集成電路、EPROM等等。
本發明的穿戴物可以有一個或多個冷卻劑循環環路，用來加快將熱傳向熱電模塊且/或從熱電模塊傳出。冷卻劑循環環路可包括內部熱交換器、外部熱交換器和與液體導管環相連的循環泵等。內部熱交換器中可有裝有冷卻劑液體的冷卻劑通道，用來與熱電模塊的一側交換熱量。外部熱交換器可安裝在穿戴物的外表面上，用來接受來自內部熱交換器進入其冷卻劑通道。循環泵可與熱交換器中的冷卻劑通道相通，完成環流。
熱交換器可包括其他元件，幫助導熱和散熱。內部熱交換器可包括與熱電模塊一側相連的一個熱交換板和/或冷卻劑循環環路，用來從穿戴物內部對熱的收集或分配。外部熱交換器可包括銅、鋁或青銅熱交換翅片。外部熱交換器可包括絕熱襯里層，減少交換器與穿戴物之間的熱交換。
循環泵可以是本領域熟知的任何合適的泵。例如，泵可以包括一個或多個室和兩個或多個單向閥，使冷卻劑流過室和環。循環泵室可以是個彈性球膽、旋轉泵室、用活塞密封的圓缸等。單向閥的結構可以是簧片閥或球座閥。循環泵可以是雙功能泵，例如用一個泵使液體通過兩個冷卻環。
在一方面，本發明的穿戴物是配有活塞型循環泵的鞋子。例如，循環活塞泵有一個活塞板，它用液壓密封(例如通過氯丁橡膠O圈)，安裝在圓缸壁上，可以滑動。促動軸可連接在該活塞板上，通過一個支點伸到固定在鞋底上的軸錨上。活塞泵可以具有一個壓在活塞板一端和泵室壁之間的回動彈簧上，促使活塞板處于泵兩個動程之間的起始位置上。
冷卻劑液體可在熱交換器和泵之間循環，將相連的室、通道和管子填滿。冷卻劑液體可以是具有合適粘度、熱容量、穩定性和材料適應性的的任何液體，如水、礦物油或硅油。冷卻劑液體可以將熱量從TEM的熱側傳出，或者傳進TEM的冷側。
在本發明的一個實施方式中，非擠壓調溫穿戴物包括一個以電池為電源的熱電模塊，它由功率控制電路控制，連接到熱傳遞冷卻劑循環環路上。所有的部件都可安裝到穿戴物上。固態功率控制電路有一個與溫度選擇器件相連的溫度選擇輸入接頭、與溫度傳感器相連的溫度信號輸入接頭、與電池相連的電功率輸入接頭以及與熱電模塊一側相連的功率輸出接頭。控制電路可以接受使用者選定的溫度設置、確定穿戴物溫度，并按需要將電池的能量轉移到熱電模塊上。冷卻劑循環環路中有冷卻劑液體，提供與熱電模塊一端相接觸且帶有第一冷卻劑通道的內部熱交換器，安裝在穿戴物外表面上的外部熱交換器，此外部熱交換器帶有與第一冷卻劑通道通過相連的第二冷卻劑通道，以及與第一和第二冷卻劑通道相連的循環泵，用來在冷卻劑液體在兩個熱交換器之間傳遞熱量。在實際操作中，控制電路可監測溫度傳感器的溫度，調節提供給熱電模塊的功率，以此調節穿戴物溫度，而熱電模塊與熱交換器之間發生熱量交換，提高了穿戴物溫度調節的效率。
本發明包括調節非擠壓穿戴物的溫度的方法。例如，熱電模塊可加在穿戴物中，然后通電。可以選擇較低的穿戴物溫度，例如通過調整電源極性，使熱量從穿戴物中定向傳出。也可以選擇較高的穿戴物溫度，例如通過調整電源極性，使熱量向穿戴物中定向傳入。
附圖簡述
圖1是調溫鞋子實例的示意圖。
圖2是調溫鞋底的示意圖。
圖3是功率控制電路的示意圖。
圖4是TEM和內部熱交換器的示意圖。
圖5是外部熱交換器的示意圖。
圖6是活塞型冷卻劑循環泵的示意圖。
圖7是泵促動系統的示意圖。
圖8是調溫連指手套的示意圖。
圖9是用于調溫穿戴物的雙循環環路熱交換系統的示意圖。
圖10是雙功能活塞泵的示意圖。
發明詳述本發明提供了調溫穿戴物制品。本發明可包括珀耳帖效應熱電模塊(TEM)，它能將熱量轉移到穿戴物中，或從其中轉移出來。本發明可包括電子溫控系統，用來選擇和控制穿戴物溫度。本發明另一方面提供了一個或多個冷卻劑循環環路，用來提高熱量進出穿戴物的效率。
本發明的穿戴物制品可以是影響穿戴者熱舒適感的獨立制品。在極端溫度下使用的穿戴物、緊身穿戴物、密封穿戴物和絕熱穿戴物中安裝本發明的TEM，會帶來極大的好處。本發明的穿戴物包括手戴物品，如手套、鐵護手和連指手套。本發明的穿戴物可包括腳穿物品，如靴子和鞋子。本發明的穿戴物可包括頭戴物品，如帽子和頭盔。
在本發明降溫模式的實施方式中，如圖1所示，熱電模塊(TEM)10安置在鞋子的布料里頭，冷側朝內。TEM10的電池11可通過固態控制電路12控制，該電路對鞋子里面的溫度傳感器13發出的溫度信號作出響應。內有冷卻劑液體，由泵14、內部熱交換器30和外部熱交換器40構成的冷卻劑循環環路可散去TEM熱側的熱量。當溫度傳感器探測到熱度高于設定溫度，控制電路就向TEM提供電壓。電流通過TEM時，熱量就從冷側轉移到熱側，而被內部熱交換器中的冷卻劑吸收。泵使內部熱交換器中暖熱的冷卻劑流到外部熱交換器，熱量在此從冷卻翅片散到空氣中。熱量繼續從鞋內排出，直到溫度傳感器探測到溫度達到或低于設定值。
本發明的調溫穿戴物經過結構調整可用來加熱，例如只需在安裝TEM時讓熱側朝內，或者顛倒提供給TEM的電流的極性。在加熱應用中，通過從穿戴物外部加熱來暖熱TEM冷側等措施，可提高TEM熱傳遞的效率。
熱電模塊本發明的熱電模塊(TEM)包括具有珀耳貼效應的固體材料。自19世紀中葉人們就知道，某些不同的兩種金屬在接觸部位(熱電偶結)具有不同的溫度時，它們之間會形成與接觸部位溫度差成正比的電壓，法國物理學家讓·珀耳貼發現，當在熱電偶結上施加電壓時，結的一側溫度升高，而另一側溫度降低。現代技術利用固態半導體材料制成的N-P結，在施加電壓的情況下提供加熱和冷卻的珀耳貼效應。
本發明的TEM宜由平板狀熱電偶結等形成。平板形狀的TEM非常適用來本發明的穿戴物。TEM板可完全嵌入穿戴制品的平坦布料中。平板狀TEM結構增加了熱傳遞表面積，適合較高的功率和效率。本發明的有用TEM可以商購。適應穿戴制品形狀、具有較大柔性的TEM見述于Reinhard等人的美國專利6097088，“Thermoelectric Element and Cooling or Heating Provided withthe Same(熱電元件以及用它進行的降溫或加熱)”。
TEM的功率受TEM的總表面積、結兩側的溫度差和通過TEM的電流量影響。TEM越大，其熱傳遞能力越強，原因很簡單，因為結的面積更大的。當熱轉移到熱側的過程中散去熱量，和/或向冷側加熱，可以提高TEM的熱轉移功率。這種方法可促進熱傳遞的原因不僅在于導熱速度的提高，還在于通過結轉移更多熱量所要求的閥電壓降低了。增加通過TEM的電流等方法也可提高熱轉移功率。這一般可通過提高TEM結的電阻上施加的電壓來控制(電流＝電壓/電阻)。
本發明調溫穿戴物中的TEM可簡單地裝在配有電池堆的電路中，并整合到穿戴物的布料中。形成電路時，可用一根導線連接電池負極與TEM結的一側，用另一根導線連接正極與TEM結的另一側。使用者可用開關控制TEM的熱傳遞。通過電路中導線極性的調整來使熱量向外傳遞(冷側在內)，即熱可以從穿戴物內部轉移到穿戴物外部，在此熱就可以散到空氣中或者與之接觸的表面上。如果溫度降得足夠低，使用者可通過開關斷開電路，以便節約能量并避免過冷。
直流電源可極性交錯地連接到TEM，以控制TEM哪一側是冷側，哪一側是熱側。例如，與TEM結第一側相連的第一根導線可與電池正極連接，與TEM結第二側相連的第二根導線可與電池正極連接。TEM導線以這樣極性連接時，冷側就朝內，熱可以從穿戴物轉移出來。如果TEM導線這樣連接電極，即第一根導線與電池正極連接，第二根導線與電池正極連接，則熱側朝內，熱可以轉移到穿戴物內部。交換導線與電池的連接關系，并/或交換控制電路功率輸出接頭的極性，即可改變導線連接的極性。
熱轉移的方向可通過改變TEM的取向來控制。TEM可反向安裝在穿戴物中，這樣使用者就可以使TEM的熱側朝內，或者冷側朝內。例如，TEM可安裝在鞋底的狹縫中，或者安裝在連指手套的布搭蓋中，當然TEM可以除去。這樣，在夏天，使用者可使TEM冷側朝內，而到了冬天，使用者就可以將TEM換成熱側朝內。
TEM可以配有導熱板等，用來保護TEM和加快熱量從TEM的進出。導熱板可緊緊連接在TEM上，用以有效傳遞熱量。導熱板可由任何硬度合適的導熱材料制成，如鋼、鋁、銅等。
TEM可配有冷凝水排出管，用以排出TEM冷側的水。穿戴制品內部可能潮濕。如果本發明的TEM是冷側朝內，水就會冷凝在TEM和/或導熱板的固體表面上。為了防止水聚集在穿戴物內部，可使冷凝水流到通道中，并用冷凝水排出管排出穿戴物。
將環境熱量從冷側轉移到熱側，TEM可提供比電能輸入更多的熱能。這樣，TEM可比簡單的電阻加熱板提供更多的熱量。如果在TEM兩側使用熱交換器和/或散熱片，可最大程度降低結上的熱差，作為熱泵的TEM可由此實現高效率。
配備導熱板是為了增加傳熱表面積，在TEM和穿戴物內部之間導熱。例如，如圖2所示，導熱板20可裝在鞋底21里面，緊緊地連接在TEM10上，以利于熱傳遞。在降溫操作中，導熱板可從穿戴物內部吸熱，將其傳遞到TEM冷側，進而傳遞到TEM熱側并散發掉。在加熱操作中，導熱板從TEM熱側吸熱，將其均勻分散在穿戴物內部。導熱板可由任何合適的導熱材料制成，如銅、銀、鋁等。
本發明的調溫穿戴物可包括一個電子溫控系統，提供穩定的溫度控制，并方便使用者。例如，控制系統可以包括一個控制電路，它帶有溫度選擇輸入接頭、溫度信號輸入接頭和TEM功率輸出接頭。使用者可撥動(或撳數字輸入鍵盤)與控制系統通過電路連接的溫度選擇器件，設定所需溫度。控制系統可通過電路接受溫度傳感器發出的信號，與設定的溫度作比較，然后適當調整加在TEM上的電壓，獲得所需溫度。
溫度選擇器件本發明的溫度選擇器件可以是本領域已知的任何適合相關控制電路的選擇器件。例如，帶刻度盤的可變電阻器可以是類似集成控制電路中常用的溫度選擇輸入器件。在另一個例子中，帶LED示數板的數字溫度選擇器可為數字控制電路提供合適的溫度輸入選擇。
溫度傳感器本發明的溫度傳感器可以是本領域已知的任何傳感器，只要它能為控制電路提供合適的溫度信號。例如，溫度傳感器可以是隨著溫度變化而改變電阻的熱敏電阻器。溫度傳感器可以是隨著溫度變化而改變電壓的熱電偶。控制電路可檢測輸入接頭的電阻或電壓，以測定穿戴物內部的溫度。可以配備類似于數字轉換器的器件，提供數字溫度信號，輸入到數字控制電路中。
功率控制電路本發明的功率控制電路可以是本領域已知的任何合適的控制電路。控制電路可以是適合本發明相關輸入和輸出器件的一個或多個固態電路。控制電路可以比較溫度選擇輸入和溫度信號輸入，并確定合適的功率輸出響應。
功率控制電路12可包括比較輸入信號以確定合適的輸出電壓的邏輯電路。例如，如圖3所示，功率控制電路12可比較溫度選擇器件74的電阻和溫度傳感器13的電阻，以確定合適的功率輸出響應。功率控制電路12可測定溫度選擇輸入接頭75和溫度信號輸入接頭71的電阻。如果溫度信號輸入接頭71的電阻大，則功率控制電路12將在功率輸出接頭72上施加電壓，以冷卻穿戴物。隨著穿戴物的降溫，溫度傳感用的熱敏電阻器13的電阻下降。如果溫度傳感用的熱敏電阻器13的電阻等于或大于溫度選擇器件74的電阻，功率控制電路12會停止為功率輸出接頭72施加電壓。本發明一方面可用預設內部參考器件取代由使用者操作的溫度選擇器件。
功率控制電路可包括比較輸入信號以確定合適的功率輸出極性的邏輯電路。這種電路可在加熱操作模式和降溫操作模式之間進行適當選擇。控制電路可比較溫度選擇器件的電阻和溫度傳感用的熱敏電阻器的電阻，以確定合適的功率輸出極性。例如，控制電路可測定溫度選擇輸入接頭和溫度信號輸入接頭的電阻。如果溫度信號輸入接頭的電阻大，則控制電路可以將功率輸出接頭的電壓由正變成正，以冷卻穿戴物。或者，如果溫度信號輸入接頭的電阻小，則控制電路將功率輸出接頭的電壓由正變成正，以加熱穿戴物。
本發明的控制電路可進行編程，用以適應各種輸入器件、輸出器件和/或操作程度。控制電路可用適合特定溫度調節硬件的具體電路進行程序化(硬線化)。控制電路可以是可電子編程的只讀存儲器(EPROM)，編程后可為各種溫度選擇器件和/或溫度傳感器的輸入接頭提供合適的輸出響應。
控制電路可包括控制功率輸出接頭電壓和/或電流輸出的功率晶體管。功率晶體管可通過控制電路的邏輯電路控制。
電池本發明的電池可以安裝在穿戴物中，與TEM或控制電路連通。電池可以是標準型號電池，為TEM提供合適的電壓。
電池可安裝在任何方便的位置，只要功率輸出線可分布在電池和TEM或控制電路之間。例如，電池可安裝在穿戴物上面、里面，或綁在使用者的身體上。電池可安裝在鞋跟的孔穴中、手鏈上或腰帶上。電池可安裝在防水密封的孔穴或容器中。電池可包括正極和正極接線柱，與導線相連，形成電池電勢。在本發明的某些實施方式中，電池引線的極性可控制TEM轉移熱量的方向。由于電池在使用中會發熱，安裝在穿戴物內部適合加熱實施方式，而安裝在外部適合降溫實施方式。
電池可以是本領域已知的任何類型的電池，只要它能提供本發明TEM所需的電壓和/或電流。電池可以是一種或多種碳電池、堿性電池、硫酸鉛電池、NiCd可充電池等。電池經過挑選，可為具體的TEM提供最佳電壓。如果需要的話，電池可以串連，用以提供較高的電壓和/或電容量。電池也可以并聯，在不提高輸出電壓的情況下提供更大的電容量。
冷卻劑循環環路調溫穿戴物中可配備冷卻劑循環環路，以加快TEM、穿戴物內部和/或穿戴物外部環境之間的熱傳遞。加快熱傳遞速度可減少所需TEM的尺寸，加快穿戴物內部的加熱或降溫，且/或提高加熱或降溫的效率。
冷卻劑循環環路中可有在泵的作用下通過內部和/或外部熱交換器流動的冷卻劑液體。熱交換器可用作散熱片或輻射器，具體取決于熱量的流動方向。循環泵可利用使用者身體的運動來促動。
內部熱交換器內部熱交換器可與TEM緊密接觸，在穿戴物降溫操作中從熱側散去熱量，或者在穿戴物加熱操作中給冷側加熱。冷卻劑液體可在內部熱交換器的通道網絡中流動，適當將熱量帶給內部熱交換器和TEM，或者自它們帶走。內部熱交換器可以是冷卻劑循環環路的一部分，與外部熱交換器和循環泵之間連通。
內部熱交換器30可包括熱交換板31，它上面有冷卻劑的通道網絡32，該通道網絡與TEM 10的一側接觸，如圖4所示。內部熱交換器中可有冷卻劑液體33，它通過一個或多個進口34流入一系列串連和/或并聯的冷卻劑通道中，這些通道基本上排布成平面網絡。冷卻劑可從一個或多個出口35流出，通過外部熱交換器和循環泵形成循環環路。
外部熱交換器外部熱交換器可以安裝在穿戴物外部，用來在降溫操作中散熱或在加熱操作中吸熱。外部熱交換器還可安裝在穿戴物內部，以便在降溫操作中接受熱量或在加熱操作中釋放熱量。冷卻劑液體可流過交換區中的通道網絡，適當將熱帶到外部熱交換器中，或從中帶出。外部熱交換器可以是冷卻劑循環環路的一部分，與內部熱交換器和循環泵之間連通。
外部熱交換器可包括位于外部熱交換區42中的冷卻劑通道網絡41，如圖5所示。外部熱交換器可包括絕熱襯板43，以減少熱量向別的方向散逸。外部熱交換器可包括一個或多個從外部熱交換器伸出的熱交換翅片，用來在降溫操作中將熱量散到空氣中，并從穿戴者接收熱量，而在加熱操作中從空氣吸收熱量，并向穿戴者釋放熱量。外部熱交換器中有冷卻劑液體33，它通過一個或多個進口45流入一系列串連和/或并聯的冷卻劑通道41中，這些通道基本上排布成平面網絡。冷卻劑可從一個或多個出口46流出，通過循環泵和外部熱交換器形成循環環路。
外部熱交換器從穿戴者或周圍空氣吸收熱量，或者向穿戴者或空氣輻射熱量。例如，在典型的降溫操作中，熱的冷卻劑從TEM中的內部熱交換器流到穿戴物外面的外部熱交換器通道網絡中。熱以一定的熱梯度從熱的冷卻劑傳遞到熱交換區、翅片，最后到達外部空氣。熱交換翅片可由具有較好耐受性的導熱材料制成，如鋼、青銅、鋁、銅等。冷卻劑可繼續流過泵，然后回到內部熱交換器，進一步從穿戴物內部吸收熱量。
循環泵本發明的循環泵將含熱冷卻劑液體在冷卻劑循環環路中的熱交換器之間進行物理轉移。泵可以是本領域已知的任何合適類型的泵，如旋轉泵、活塞泵、球膽泵等。本發明的泵可由電動機或與使用者身體運動相聯系的機械器件驅動。
在本發明的一種實施方式中，球膽泵可使冷卻劑在循環環路中循環。這種泵可包括帶有進口和出口的彈性球膽。進出口可包括一個或多個相連的單向閥，使液體只能根據需要流進或流出球膽。球膽泵可嵌在穿戴物的布料褶皺中，或者嵌在彈性鞋后跟中。當使用者彎曲關節或腳后跟著地時，球膽將受壓迫，從而通過向外的單向閥將冷卻劑液體擠出。當使用者伸展其關節或提起腳后跟時，球膽將回彈至初始形狀，從而將冷卻劑液體經進口和向內的單向閥吸回去。因此，使用者重復的走運動可將冷卻劑液體從球膽泵擠進擠出，通過冷卻劑循環環路的兩個熱交換器。
在本發明的另一種實施方式中，循環泵可以是活塞泵。如圖6所示，活塞泵14包括活塞板51，它通過液壓密封，安裝在泵缸52中，可以滑動。泵缸有一個進口53和一個出口54，它們與循環環路之間相通。活塞和/或泵缸有一個或多個單向閥55。活塞板51和泵缸端壁57之間可壓縮一根或幾根回動彈簧56，迫使活塞板處于靜止位置。促動軸58可連接到活塞板51上，通過水壓密封和往復機構伸出泵。在使用中，促動軸58的拉力使活塞板51在泵缸52中滑動，因而減少了室59的容積，迫使冷卻劑液體流過出口53，并在循環環路中循環。促動軸58的拉力放松后，活塞板51在回動彈簧56作用下回到靜止位置，而冷卻劑通過單向閥，重新注滿室59。促動軸上的拉力將啟動另一輪泵循環。
促動軸上的拉力可來自使用者的走動，如圖7所示。活塞泵14可安裝在鞋后跟中，促動軸58與支點61滑動接觸，伸到安裝在鞋底21中的軸錨62上。當使用者在走路過程中彎折鞋底21時，活塞泵14經過支點61到軸錨62之間的距離增加，從而對促動軸58產生拉力。當使用者抬起腳，鞋底21恢復到直挺狀態時，促動軸58上的拉力就放松了。促動軸58上這種拉緊和放松的循環非常適合給活塞泵14提供動力。
本發明的水壓密封可通過精密配件和/或使用彈性O圈提供。O圈可用氯丁橡膠等制備。
循環泵可以是雙功能泵，如圖10所示，其中液體可借助促動軸的每個動程進入循環。這種泵可用來形成較大的流量，和/或用一個泵使液體在兩個循環環路中循環。
本發明的單向閥可具有任何合適的結構。例如，單向閥可以是球座閥，它可以帶有回彈機構，也可以不帶回彈機構。在另一個例子中，單向閥可以是簧片閥或擋板閥，可以帶有回彈機構，也可以不帶回彈機構。
冷卻劑液體本發明的冷卻劑液體可以在冷卻劑循環環路的導管、室和通道等當中。冷卻劑液體可根據本發明熱交換器中的溫度梯度吸熱和放熱。
冷卻劑液體可以是任何液體或液體組合物，只要它具有合適的穩定性、材料適應性、熱容量和粘度。合適的冷卻劑液體包括水、礦物油、硅油等。
穿戴物的調溫方法穿戴物，如鞋子、手套、帽子、褲子和襯衣等內部溫度可通過向嵌在穿戴物里面的熱電模塊施加電流來調節。溫度可以升高，也可以降低。可利用控制系統更加有效、穩定、方便地控制溫度。可利用循環熱交換系統提高熱傳遞速度。
實施例1-降溫方法將TEM嵌入鞋底，通過裝在鞋跟里的電池給TEM施加直流電壓。選擇極性時，使TEM冷側朝向鞋里。讓使用者穿上鞋子。熱量從使用者的腳傳向鞋底，進而傳向外部環境。
在TEM內側連接一塊導熱板可提高降溫效率。導熱板的表面積可大于TEM，便于在鞋子里面更大的面積上收集(或分散)熱量。導熱板由鋁板制成，可向TEM快速導熱。
在鞋子里安裝一個或多個冷卻劑循環環路可提高降溫效率。在TEM下面安裝一個內部熱交換器，吸收腳傳來的熱量。循環泵安裝在鞋跟里面，由使用者走動的力量提供動力。冷卻劑液體吸收內部熱交換器中的熱量，用泵抽到外部熱交換器，熱由此散入空氣中。使用冷卻劑循環環路時，轉移到TEM熱側的熱量不需要緩慢地通過鞋底。熱量在高熱容量冷卻劑中快速轉移到外部熱交換器，通過與冷空氣接觸的大表面積冷卻翅片高效散逸。
在鞋子里安裝溫控系統可提高降溫效率。使用者通過撥動與功率控制電路連接的溫度選擇器件可選擇舒適的鞋溫。電路根據與控制電路連接的鞋溫傳感器提供的信號確定鞋溫。如果鞋溫高于選定的溫度，則電池通過電路給TEM加電壓，冷卻鞋子。如果電路檢測到鞋溫已經降低到選定溫度，電池停止通過電路給TEM提供電壓。TEM不會因將鞋子冷卻到設定值以下而浪費能源。雖然此時對TEM沒有供電，但結的溫差下降使下一輪降溫開始時的熱轉移更加有效。
實施例2-升溫方法將TEM嵌入例如連指手套的掌心，裝在袖口的電池給TEM提供DC電壓。選擇電壓極性，使TEM熱側朝向連指手套里面。讓使用者戴上手套。TEM內部產生電阻熱，并轉移到手上。周圍空氣中的熱量也通過TEM轉移到使用者手上。
在TEM內側連接一塊導熱板20可提高加熱效率。導熱板的表面積可大于TEM，便于在手套里面更大的面積上分散熱量。導熱板由柔性良好的不銹鋼網制成，可從TEM快速導熱。
在手套里安裝一個或多個冷卻劑循環環路可提高加熱效率。在手套背部安裝一個外部熱交換器40，將周圍空氣中的熱量吸收到冷卻劑液體中。在連指手套腕部背側的布料中安裝球膽型循環泵14，由使用者手腕的屈伸驅動，使液體從外部熱交換器40轉移到內部熱交換器30中。內部熱交換器安裝在TEM 10的外側，向冷側提供熱量。轉移到TEM冷側的熱量減少了結的溫差，在相同的外加電壓下使更多的熱量流過。
在手套里安裝溫控系統可提高升溫效率。使用者通過撥動與功率控制電路連接的溫度選擇器件74可選擇舒適的手套溫度。電路根據與控制電路連接的手套溫度傳感器13提供的信號測定手套溫度。如果手套溫度低于選定溫度，則電池通過電路給TEM施加電壓，使手套變熱。如果電路檢測到手套溫度已經升高到選定溫度，電池停止由電路給TEM提供電壓。TEM不會因將手套加熱到設定值以上而浪費能源。雖然此時對TEM沒有供電，但結的溫差的下降使下一輪加熱開始時的熱傳遞更加有效。
實施例3-含雙熱交換循環系統的調溫穿戴物調溫穿戴物里TEM每一側都有冷卻劑循環環路可以提高TEM的工作效率，使熱量能夠轉移到穿戴物上更廣或更遠的位置。冷卻劑液體在兩個或多個冷卻環中的流動可由一個或多個循環泵驅動。
調溫穿戴物中的雙循環環路熱交換系統如圖9所示。這種系統的操作方式基本上與前面實施例中相同，只是用第二個循環環路代替了導熱板。雙循環環路系統中的TEM 90一側與外部熱交換冷卻劑循環環路91接觸，另一側與內部熱交換冷卻劑循環環路92接觸。
循環泵93是雙功能泵，驅動兩個冷卻劑環路中液體的循環。活塞板94安裝在泵缸95中，可以滑動。促動軸96每動一次，就抽吸一側的液體而推動另一側的液體，如圖9和10所示。單向閥97控制每個環路中冷卻劑液體流動的方向。
在給調溫穿戴物的穿戴者降溫的一種結構中，內部熱交換冷卻劑循環環路92中的液體流到調溫穿戴物內側，將穿戴者的熱量轉移到TEM的冷側。外部熱交換冷卻劑循環環路91中的液體流到調溫穿戴物外側，將TEM熱側的熱量轉移到外部環境中。雙循環環路系統任選還可包括兩個獨立泵，如“循環泵”一節所述，它們分別使各循環環路中的液體循環流動。TEM兩側可以顛倒，將外部環境中的熱量轉移到穿戴者，如本領域技術人員所能理解的那樣。
應當理解，這里所述的實施例和實施方式僅僅是為了說明，本領域的技術人員可對其作出各種改進或變化，這些改進或變化形式包括在本申請的主旨和附屬權利要求的范圍之內。
這里引用的所有出版物、專利和專利申請均以其完整內容參考結合于此，以滿足各種目的。
權利要求
1.非擠壓調溫穿戴物，它包括與電源相連的熱電模塊。
2.權利要求1所述的調溫穿戴物，其特征在于，所述穿戴物包括頭戴物品、手戴物品或腳穿物品。
3.權利要求1所述調溫穿戴物，其特征在于電源是便攜式的。
4.權利要求1所述調溫穿戴物，其特征在于通過調整電接觸極性可將熱轉移出穿戴物。
5.權利要求1所述調溫穿戴物，其特征在于通過調整電接觸極性可將熱轉移進入穿戴物。
6.權利要求1所述調溫穿戴物，其特征在于熱電模塊可由使用者安裝在穿戴物上，要么使冷側朝內，或者使熱側朝內，使用者可以選擇降溫或升溫操作。
7.權利要求1所述調溫穿戴物，其特征在于它還包括與熱電模塊接觸的導熱板、冷卻劑循環環路或雙冷卻劑循環環路。
8.權利要求1所述調溫穿戴物，其特征在于它還包括與熱電模塊冷側相連的冷凝水排出管。
9.權利要求1所述調溫穿戴物，其特征在于它還包括溫控系統，所述溫控系統包括安裝在穿戴物上的溫度傳感器；固態功率控制電路，它包括一個或多個與溫度傳感器相連的溫度信號輸入接頭、一個或多個與熱電模塊相連的受控功率輸出接頭和一個或多個功率輸入接頭；具有電壓，并與功率輸入接頭相連的電池；其中，控制電路根據溫度傳感器傳來的信號調整供給熱電模塊的功率，以此控制穿戴物的溫度。
10.權利要求9所述調溫穿戴物，其特征在于溫度傳感器是熱敏電阻器。
11.權利要求9所述調溫穿戴物，其特征在于固態電路包括一個或多個集成電路或EPROM。
12.權利要求9所述調溫穿戴物，其特征在于它還包括與一個或多個控制電路溫度選擇輸入接頭相連的溫度選擇器件，使用者可用它選擇所需的穿戴物溫度。
13.權利要求9所述調溫穿戴物，其特征在于電池是可充電電池。
14.權利要求1所述調溫穿戴物，其特征在于它還包括冷卻劑循環環路，所述冷卻劑循環環路包括與熱電模塊一側相連的內部熱交換器，包括一個或多個第一冷卻劑通道；包括一個或多個第二冷卻劑通道的外部熱交換器，這些冷卻劑通道與第一冷卻劑通道液體連通，安裝在穿戴物的外表面上；與第一和第二冷卻劑通道之間液體連通的循環泵，由此形成冷卻劑循環環路；冷卻環中的冷卻劑液體。
15.權利要求14所述穿戴物，其特征在于內部熱交換器還包括與熱電模塊一側接觸的熱交換板，或者與熱電模塊一側接觸的第二冷卻劑循環環路。
16.權利要求14所述穿戴物，其特征在于外部熱交換器還包括一個或多個熱交換翅片。
17.權利要求16所述穿戴物，其特征在于熱交換翅片包含銅、鋁或黃銅。
18.權利要求14所述穿戴物，其特征在于外部熱交換器還包括絕熱襯里層。
19.權利要求14所述穿戴物，其特征在于循環泵包括一個或多個室，以及使冷卻劑流過室和環的兩個或多個單向閥。
20.權利要求19所述穿戴物，其特征在于循環泵的室是回彈球膽。
21.權利要求19所述穿戴物，其特征在于循環泵的室由活塞和缸構成。
22.權利要求21所述穿戴物，其特征在于泵是雙功能泵。
23.權利要求19所述穿戴物，其特征在于單向閥是簧片閥或球座閥。
24.權利要求19所述穿戴物，其特征在于穿戴物是工作鞋，泵室包括缸壁，循環泵還包括水壓密封的活塞板，它安裝在缸的壁上，且可以滑動；連接在活塞板上并延伸到安裝在鞋底上的軸錨的促動軸。
25.權利要求24所述穿戴物，其特征在于它還包括0環，它安裝在活塞板和缸壁之間，由此形成水壓密封。
26.權利要求24所述穿戴物，其特征在于它還包括壓縮在活塞板一側與泵的室壁之間的回動彈簧。
27.權利要求24所述穿戴物，其特征在于它還包括安裝在鞋底上泵與錨之間的支點，該支點與促動軸滑動接觸。
28.權利要求14所述穿戴物，其特征在于所述冷卻劑是水、礦物油或硅油。
29.非擠壓調溫穿戴物，它包括安裝在穿戴物上的熱電模塊；安裝在穿戴物上的溫度傳感器；固態功率控制電路，它包括與溫度傳感器相連的溫度信號輸入接頭、與熱電模塊相連的受控功率輸出接頭和功率輸入接頭；具有電壓、并與功率輸入接頭相連的電池；與熱電模塊一側接觸的內部熱交換器，它包括一個或多個冷卻劑通道；包括一個或多個第二冷卻劑通道的外部熱交換器，這些冷卻劑通道與第一冷卻劑通道液體連通，安裝在穿戴物的外表面上；與第一和第二冷卻劑通道之間液體連通的循環泵，由此形成冷卻劑循環環路；冷卻環中的冷卻劑液體；其中，控制電路監測溫度傳感器上的溫度，調整供給熱電模塊的功率，由此調整穿戴物的溫度；熱量在熱電模塊與熱交換器之間交換，由此提高穿戴物溫度調節的熱傳遞速度。
30.調節非擠壓穿戴物溫度的方法，該方法包括為嵌在穿戴物中的熱電模塊提供電能。
31.權利要求30所述方法，其特征在于它還包括通過調整電源極性，使熱轉移出穿戴物，從而降低穿戴物的溫度。
32.權利要求30所述方法，其特征在于它還包括通過調整電源電極，使熱轉移出穿戴物，從而提高穿戴物的溫度。
33.權利要求30所述方法，其特征在于它還包括用循環冷卻劑液體將熱傳進或傳出熱電模塊。
全文摘要
本發明提供了含有熱電模塊的調溫穿戴物，熱電模塊的結構可使熱傳進或傳出穿戴物。所述穿戴物可包括維持穿戴物所需內部溫度的控制系統。所述穿戴物中可有提高熱傳遞速率和/或效率的流動冷卻系統。
文檔編號A41D19/00GK1675506SQ03819029
公開日2005年9月28日 申請日期2003年8月6日 優先權日2002年8月7日
發明者R·馬汀 申請人:菲尼克斯咨詢有限公司