Bærbar køle- og varmeplaster kan tjene som personlig termostat og spare energi

Ingeniører ved University of California San Diego har udviklet en bærbar plaster, der kunne give personlig køling og opvarmning i hjemmet, arbejde, eller på farten. Den bløde, elastisk plaster køler eller opvarmer en brugers hud til en behagelig temperatur og holder den der, når den omgivende temperatur ændres. Den er drevet af en fleksibel, strækbar batteripakke og kan indlejres i tøj. Forskere siger, at det kan hjælpe med at spare energi på aircondition og opvarmning, hvis man bærer det.

Værket er publiceret 17. maj i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Denne type enhed kan forbedre din personlige termiske komfort, uanset om du pendler på en varm dag eller har det for koldt på dit kontor, " sagde Renkun Chen, en professor i mekanik og rumfartsteknik ved UC San Diego, der ledede undersøgelsen.

Enheden, som er på proof-of-concept-stadiet, kunne også spare energi. "Hvis det at bære denne enhed kan få dig til at føle dig godt tilpas inden for et bredere temperaturområde, du behøver ikke skrue så meget ned for termostaten om sommeren eller skrue så meget op for varmen om vinteren, " sagde Chen. Holder en bygnings indstillede temperatur 12 grader højere om sommeren, for eksempel, kunne reducere køleomkostningerne med omkring 70 procent, bemærkede han.

Der er en række personlige køle- og varmeenheder på markedet, men de er ikke de mest bekvemme at have på eller bære rundt på. Nogle bruger en ventilator, og nogle skal gennemblødes eller fyldes med væske såsom vand.

Chen og et team af forskere ved UC San Diego Jacobs School of Engineering designet deres enhed til at være behagelig og praktisk at have på. Det er fleksibelt, let og kan nemt integreres i tøj.

Plastret er lavet af termoelektriske legeringer - materialer, der bruger elektricitet til at skabe en temperaturforskel og omvendt - klemt mellem elastiske elastomerplader. Enheden afkøler eller opvarmer huden fysisk til en temperatur, som bæreren vælger.

"Du kan placere dette på steder, der har tendens til at varme op eller køle ned hurtigere end resten af ​​kroppen, såsom bagsiden, nakke, fødder eller arme, for at holde sig godt tilpas, når det bliver for varmt eller koldt, " sagde førsteforfatter Sahngki Hong, en UC San Diego maskiningeniøralumne, der arbejdede på projektet som ph.d. studerende i Chens laboratorium.

Forskerne indlejrede en prototype af plasteret i et mesh-armbånd og testede det på et mandligt emne. Testene blev udført i et temperaturkontrolleret miljø. Om to minutter, plasteret afkølede testerens hud til en indstillet temperatur på 89,6 grader Fahrenheit. Det holdt testerens hud ved den temperatur, da den omgivende temperatur blev varieret mellem 71,6 og 96,8 grader Fahrenheit.

En byggeklods til smart tøj

Det ultimative mål er at kombinere flere plastre sammen for at skabe smart tøj, der kan bæres til personlig køling og opvarmning. Så ingeniører designede et blødt elektronisk plaster, der kan strække sig, bøj og vrid uden at gå på kompromis med dens elektroniske funktion.

Arbejdet er et samarbejde mellem flere forskergrupper ved UC San Diego Jacobs School of Engineering. Chens laboratorium, som har specialiseret sig i varmeoverførselsteknologi, ledet undersøgelsen. De slog sig sammen med nanoingeniørprofessorerne Sheng Xu, en ekspert i strækbar elektronik, Shirley Meng, ekspert i batteriteknologi, Ping Liu, som også er batteriekspert, og Joseph Wang, en ekspert i bærbare sensorer.

Forskerne byggede plasteret ved at tage små søjler af termoelektriske materialer (lavet af vismuttelluridelegeringer), lodde dem til tynde kobberelektrodestrimler, og klemme dem mellem to elastomerplader.

Lagnene er specielt udviklet til at lede varme, mens de er bløde og strækbare. Forskere skabte pladerne ved at blande et gummimateriale kaldet Ecoflex med aluminiumnitridpulver, et materiale med høj varmeledningsevne.

Plastret bruger en elektrisk strøm til at flytte varme fra den ene elastomerplade til den anden. Når strømmen løber hen over vismuttellurid-søjlerne, det driver varme sammen med det, hvilket får den ene side af plasteret til at varme op og den anden til at køle af.

"For at lave køling, vi har den aktuelle pumpevarme fra hudsiden til laget, der vender udad, " Chen forklarede. "For at lave opvarmning, vi vender bare strømmen, så varmepumper i den anden retning."

Patchen drives af en fleksibel batteripakke. Den er lavet af en række møntceller, der alle er forbundet med fjederformede kobbertråde og indlejret i et strækbart materiale.

Sparer energi

Et plaster måler 5 × 5 centimeter i størrelse og bruger op til 0,2 watt strøm. Chens team anslår, at det ville tage 144 plastre at skabe en kølevest. Dette ville bruge omkring 26 watt i alt for at holde en person kølig på en gennemsnitlig varm dag (under ekstrem varme, estimeret strømforbrug vil stige op til 80 watt, som handler om, hvor meget en bærbar computer bruger). Til sammenligning, et konventionelt klimaanlæg bruger snesevis af kilowatt til at køle et helt kontor ned.

Det er mere energieffektivt at køle en individuel person ned end et stort rum, bemærkede forskere. "Hvis der kun er en håndfuld beboere i det rum, du i bund og grund bruger tusindvis af watt pr. person til afkøling. En enhed som patchen kunne skære drastisk ned på køleregningen, " sagde Chen.

Holdet arbejder nu på plastre, der kunne indbygges i en prototype af køle- og varmevest. De håber at kommercialisere teknologien om nogle år.

"Vi har løst de grundlæggende problemer, nu tager vi fat på de store tekniske problemer – elektronikken, hardware, og udvikle en mobilapp til at styre temperaturen, " sagde Chen.