Работа опубликована 17 мая в журнале Science Advances.
«Этот тип устройства может улучшить ваш личный тепловой комфорт, независимо от того, едете ли вы в жаркий день или чувствуете себя слишком холодно в офисе», – сказал Ренкун Чен, профессор механической и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, руководивший исследованием.
Устройство, которое находится на стадии проверки концепции, также может экономить электроэнергию. «Если при ношении этого устройства вы можете чувствовать себя комфортно в более широком диапазоне температур, вам не нужно так сильно понижать термостат летом или повышать температуру зимой», – сказал Чен. Он отметил, что поддержание заданной температуры в здании на 12 градусов выше летом, например, может сократить расходы на охлаждение примерно на 70 процентов.
На рынке представлено множество персональных охлаждающих и нагревательных устройств, но они не самые удобные для ношения или переноски. Некоторые используют вентилятор, а некоторые нужно намочить или наполнить жидкостью, например водой.
Чен и команда исследователей из инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс разработали свое устройство так, чтобы его было удобно и удобно носить. Он гибкий, легкий и легко интегрируется в одежду.
Накладка изготовлена из термоэлектрических сплавов – материалов, которые используют электричество для создания разницы температур, и наоборот – зажата между эластичными эластомерными листами. Устройство физически охлаждает или нагревает кожу до температуры, которую выбирает пользователь.
«Вы можете разместить это в местах, которые имеют тенденцию нагреваться или остывать быстрее, чем остальная часть тела, например, спина, шея, ступни или руки, чтобы чувствовать себя комфортно, когда становится слишком жарко или холодно», – сказал первый автор Sahngki Hong, выпускник машиностроения Калифорнийского университета в Сан-Диего, который работал над проектом в качестве аспиранта в лаборатории Чена.
Исследователи встроили прототип пластыря в сетчатую повязку и протестировали его на мужчине.
Испытания проводились в условиях контролируемой температуры. За две минуты пластырь охладил кожу тестировщика до заданной температуры 89.6 градусов по Фаренгейту. Это поддерживало кожу тестера при этой температуре, поскольку температура окружающей среды варьировалась в пределах 71.6 и 96.8 градусов по Фаренгейту.
Строительный блок для умной одежды
Конечная цель – объединить несколько пластырей вместе для создания умной одежды, которую можно носить для индивидуального охлаждения и обогрева. Поэтому инженеры разработали мягкий электронный патч, который можно растягивать, сгибать и скручивать без ущерба для его электронных функций.
Работа является результатом сотрудничества нескольких исследовательских групп инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс.
Лаборатория Чена, специализирующаяся на технологиях теплопередачи, провела исследование. Они объединились с профессорами наноинженерии Шен Сюй, экспертом в области растягиваемой электроники, Ширли Мэн, экспертом по аккумуляторным технологиям, Пинг Лю, который также является экспертом по аккумуляторным батареям, и Джозефом Вангом, экспертом по носимым датчикам.
Исследователи создали пластырь, взяв небольшие столбы из термоэлектрических материалов (сделанных из сплавов теллурида висмута), припаяв их к тонким медным электродным полоскам и поместив их между двумя листами эластомера.
Листы специально разработаны для отвода тепла, при этом они мягкие и эластичные. Исследователи создали листы, смешав резиновый материал под названием Ecoflex с порошком нитрида алюминия, материалом с высокой теплопроводностью.
Пластырь использует электрический ток для передачи тепла от одного эластомерного листа к другому. Когда ток течет через столбики из теллурида висмута, он перемещает тепло вместе с собой, в результате чего одна сторона пластыря нагревается, а другая остывает.
«Чтобы охладить, у нас есть теплоноситель, нагнетающий тепло со стороны кожи на слой, обращенный наружу», – объяснил Чен. "Для обогрева мы просто меняем направление тока, чтобы тепловые насосы работали в обратном направлении."
Патч питается от гибкой аккумуляторной батареи. Он состоит из множества монетных ячеек, соединенных пружинными медными проводами и заделанных в растягивающийся материал.
Сохранение энергии
Один пластырь измеряет 5 ? Размером 5 сантиметров и использует до 0.2 Вт мощности. По оценкам команды Чена, для создания охлаждающего жилета потребуется 144 заплатки. Это потребует в общей сложности около 26 Вт, чтобы поддерживать человека в прохладе в среднем в жаркий день (во время сильной жары расчетное потребление энергии возрастет до 80 Вт, что примерно соответствует тому, сколько потребляет ноутбук).
Для сравнения: обычная система кондиционирования воздуха использует десятки киловатт для охлаждения всего офиса.
Исследователи отметили, что охлаждение отдельного человека более энергоэффективно, чем охлаждение большой комнаты. "Если в этой комнате находится всего несколько человек, вы потребляете тысячи ватт на человека для охлаждения. Такое устройство, как пластырь, может значительно сократить расходы на охлаждение », – сказал Чен.
Сейчас команда работает над заплатами, которые можно было бы встроить в прототип охлаждающего и нагревающего жилета. Они надеются коммерциализировать технологию через несколько лет.
«Мы решили фундаментальные проблемы, теперь мы решаем большие инженерные проблемы – электроника, оборудование и разрабатываем мобильное приложение для контроля температуры», – сказал Чен.
Эта работа поддержана Агентством перспективных исследовательских проектов – Энергетика (ARPA-E, грант DE-AR0000535) и стартовыми фондами Калифорнийского университета в Сан-Диего.