一種基于帕爾貼效應的個人熱管理方法與流程

文檔序號:24942229發布日期:2021-05-04 12:44
一種基于帕爾貼效應的個人熱管理方法與流程

本發明涉及一種基于帕爾貼效應的個人熱管理方法,屬于熱電轉換技術領域。



背景技術:

隨著生活水平的提高,人們對居住品質要求的不斷提高,如何協調和優化人體舒適度與空調能耗越來越受到關注。建筑物的供暖和制冷消耗大量能源,傳統的havc(暖通空調)系統旨在一定空間內創造均勻的熱環境,以追求集體熱舒適,巨大的能源消耗是由于建筑空間的加熱和冷卻溫度設定范圍通常在21.1℃-23.9℃左右,即使如此小范圍的溫度設定值,仍然有超過20%的居住者因個體差異感到不適。建筑能耗大、熱舒適度不佳,迫切需要改善建筑物的熱管理,提高居住者的舒適度。

前幾十年的發展,大部分都是基于大環境數據建立模型,調節建筑hvac系統的溫度設定,以追求集體舒適。國際上對熱舒適度的定義和預測已有超50年的歷史。熱舒適的評價也發展的相當完備。針對提高居住者熱舒適度,已有很多研究,發展到現在理論已相當成熟。

然而,即使在這樣一個狹窄的范圍的溫度設定值內,超過20%的人會由于個體差異(如年齡、性別、衣服、或生理學)而感到不舒適。而且實際上,對于大多數空調系統,室內的環境參數在空間上有較大差異。忽略這種差異會導致優化效果與室內各區域人員的實際感受不符,引起各種舒適度抱怨。

因此,個人熱管理技術,即在人體周圍創建一個局部的熱環境,而不是加熱或冷卻整個建筑空間,有潛力大大降低建筑能耗,并提高個人的熱舒適具有重要的現實意義和應用價值。



技術實現要素:

針對現有的建筑物的熱管理耗能大、熱舒適度不佳的特點,本發明利用珀爾貼熱電效應,通過微處理器對加載至熱電模塊的電流電壓進行控制,進而調節冷熱兩側的溫度;運用微型氣泵引導氣流流經熱電模塊表面進行熱交換,并通過可穿戴服裝內的導流軟管對人體進行溫度調節,提高舒適度,降低空調能耗。

本發明的技術方案為:一種基于帕爾貼效應的個人熱管理方法,包括步驟:1)將熱電模塊與散熱板和散熱風扇結合構建熱電能量轉換裝置,并通過外部封裝模塊對其進行封裝;2)利用微型氣泵通過管道引導空氣流經熱電能量轉換裝置進行換熱,將換熱后的空氣經管道送入嵌入到可穿戴服裝的微型軟管網絡中;3)將目標電壓發送至單神經元pid控制器,并獲取控制器輸出的控制參數,根據控制參數給出熱電模塊的控制電壓;4)采用微控制器進行控制,根據單神經元pid控制器給出的數據采用pwm波調節熱電模塊的功率。

進一步,所述熱電模塊包括三層結構,中間層單體由碲化鉍半導體構成的熱電偶和導流片串聯形成,中間層兩側為氧化鋁陶瓷層。

進一步,所述散熱板分別貼附在熱電模塊熱冷兩側;包括熱側散熱板、冷側散熱板;

所述熱側散熱板材料選擇紫銅材質,片狀翅片選擇直通式;

所述冷側散熱板選擇鋁質或者銅質散熱板,散熱板翅片的分為直通式一列、四列、多列密齒;所述冷側散熱板翅片厚度優化范圍0.5-1.5mm,間距優化范圍0.5-1.5mm。

進一步,所述熱側散熱板整體尺寸40*40*11mm,底座厚3mm,25片翅片,每個厚0.5mm;

所述冷側散熱板翅片為四列翅片、厚0.8mm、間距0.6mm。

進一步,所述外部封裝模塊包括裝置主框架封裝,以及與裝置主框架封裝兩側分別連通的外部氣流進im电竞app官网、封裝后蓋及出im电竞app官网;

所述外部氣流進im电竞app官网包括圓孔柱體的圓孔柱體進im电竞app官网4、矩形狀的主框架與進im电竞app官网的連接體5、平滑曲面6、預留孔7、內側進im电竞app官网8;進im电竞app官网4和主框架與進im电竞app官网的連接體5之間通過平滑曲面6連接;在主框架與進im电竞app官网的連接體5的兩個相鄰側面的兩端開有預留孔7,為熱電模塊留有線位;此外,主框架與進im电竞app官网的連接體5的一側底面還設有內側進im电竞app官网8;

所述裝置主框架封裝為殼體結構,其頂端設有圓形小散熱風扇排im电竞app官网12,裝置主框架封裝的左右側面均對稱的開有第二熱側散熱板散熱通im电竞app官网16,裝置主框架封裝的的后側面從上而下依次開有小散熱風扇線位孔13、第一熱側散熱板散熱通im电竞app官网15、水平對稱設置的兩個熱電模塊線位孔14、內側進im电竞app官网8的對應口17;裝置主框架封裝的前側為前側殼體10,該前側面為開口端面;裝置主框架封裝內部通過熱側散熱板與小散熱風扇間隔11分隔成上下兩側;上側設有熱側散熱板的散熱主腔體及散熱風扇排im电竞app官网;下側設有冷側散熱板的換熱主腔體;

所述封裝后蓋及出im电竞app官网包括封裝后蓋、連接平滑曲面20、圓孔柱出im电竞app官网21,上述封裝后蓋設計成雙層,側向截面為類l型殼體,類l型殼體的豎直面一側卡合在前側殼體10上,類l型殼體的豎直面另一側底部凸出的矩形端通過連接平滑曲面20連接圓孔柱出im电竞app官网21,此外,類l型殼體的豎直面另一側上還開有第一熱側散熱板散熱通im电竞app官网15的對應口22。

進一步,所述步驟3)中,單神經元pid控制器內置單神經元pid算法,單神經元構成的pid控制式為

δu(k)=k{ω1(e(k)-e(k-1))+ω2e(k)+ω3(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))}

式中,k為神經元增益系數,e(k)為偏差信號,x1=e(k)-e(k-1),x2=e(k),x3=e(k)-2e(k-1)+e(k-2),ωi(i=1,2,3)為對應輸入xi(i=1,2,3)的權值,δu(k)為輸出值增量。利用有監督的hebb學習規則對式中的加權系數進行在線調整,進而實現對系統的不確定性的自適應功能,其學習算法為

ω1(k+1)=ω1(k)+ηpe(k)u(k)(e(k)+δe(k))

ω2(k+1)=ω2(k)+ηie(k)u(k)(e(k)+δe(k))

ω3(k+1)=ω3(k)+ηde(k)u(k)(e(k)+δe(k))

式中,ηp、ηi、ηd分別為比例、積分、微分量的學習速率。

其中x1(k),x2(k),x3(k)是神經元學習所需的三個參量,r(t)和n(k)分別為需要的溫度和實際的電壓輸出,e(k)為溫度偏差,將期望設定溫度值r(k)作為輸入信號,實際設定溫度值n(k)作為反饋信號,e(k)為溫度偏差信號,即e(k)=r(k)-n(k),xi(k)(i=1,2,3)為溫度誤差通過轉換而得到的神經元輸入信號,其權值系數通過算法進行在線調整,u(k)為單神經元pid控制的輸出信號,用于控制調控熱電模塊的電壓信號,將目標電壓發送給單神經元pid控制器,讓控制器輸出值跟蹤目標電壓,將輸出值供給微控制器,調控熱電模塊。

進一步,所述步驟4)中,采用pwm脈沖寬度調制輸出不同的電壓值控制熱電模塊發出不同的功率,本設計中采用的微控制器自身的pwm波僅能夠實現0~5v的范圍內調壓,引入了pwm模塊與一塊外部電源,由外部電源供電,通過接收微處理器發出的不同周期、不同占空比的pwm信號,對引入的外部電源進行調制,進而輸出不同的電壓,給熱電模塊供電。

本發明的技術效果為:本發明針對當前暖通空調系統能耗大、個人熱舒適不佳的特點,通過引入個人熱管理裝置,在提升個人熱舒適的同時,拓寬中央空調的溫度設定范圍從而有效地降低空調能耗。與現有的一些個人軟管理方法相比,本發明引入的單神經元pid控制算法調節,能夠更有效地提升人體的舒適性,有很大的應用潛力。實現了系統結構、參數和不確定性的自適應、自組織功能。

基于帕爾貼效應的熱電模塊,選用的熱電模塊三層結構,中間層單體由碲化鉍半導體構成的熱電偶和導流片串聯形成,碲化鉍半導體具有天然的各相異性,是非常好的應用廣泛的熱電材料。中間層兩側為氧化鋁陶瓷層,具有較好的熱傳導性、機械強度和耐高溫性。用于夏季降溫提供冷源效果顯著。外部封裝模塊,將熱電模塊、散熱板和散熱風扇封裝成簡易熱電能量轉換裝置,將模塊集成化,并且設計外部氣流進im电竞app官网和出im电竞app官网以及各個器件走線和散熱通im电竞app官网,封裝后熱電轉換裝置便攜可拆卸,交錯類l型殼體設計讓外部氣流在殼體內循環流動,可使冷測儲能充分被外部氣流帶走。

附圖說明

圖1、帕爾貼效應基本原理圖;

圖2、熱電模塊與散熱風扇外形結構結構圖;(a)為熱電模塊;(b)為散熱風扇外形結構;

圖3為外部封裝模塊圖;(a)為外部氣流進im电竞app官网封裝圖;(b)為裝置封裝主框架;(c)為封裝后蓋及出im电竞app官网;

圖4、熱電能量轉換裝置封裝圖;

圖5、熱側銅質散熱板結構;

圖6、冷側鋁質散熱板結構;

圖7、微型氣泵結構實物圖;

圖8、服裝內軟管網絡布局;(a)為y型;(b)為o型;

圖9、服裝內軟管網絡實物圖;

圖10、裝置整體原理圖;

圖11、單神經元pid控制算法框圖;

圖12、調節冷熱兩側的溫度具體流程圖。

圖中,1-第一氧化鋁陶瓷層;2-中間層單體;3-第二氧化鋁陶瓷層;4-圓孔柱體進im电竞app官网;5-矩形狀的主框架與進im电竞app官网的連接體;6-平滑曲面;7-預留孔;8-內側進im电竞app官网;9-側面殼體;10-前側殼體;11-熱側散熱板與小風扇間隔;12-圓形小風扇排im电竞app官网;13-小風扇線位孔;14-線位孔;15-第一熱側散熱板散熱通im电竞app官网;16-第二熱側散熱板散熱通im电竞app官网;17-內側進im电竞app官网8的對應口;18-類l型殼體的豎直面頂端;19-類l型殼體的豎直面后端;20-連接平滑曲面;21-圓孔柱出im电竞app官网;22-第一熱側散熱板散熱通im电竞app官网15的對應口。

具體實施方式

本發明所提出的一種基于珀爾帖效應的個人熱管理方法,包括下列步驟:

步驟一:將熱電模塊與散熱板和散熱風扇結合構建熱電能量轉換裝置,并對其進行封裝;

如圖1所示,帕爾貼熱電效應原理:當不同的導體組成的回路有電流通過時,除了有不可逆的焦耳熱產生之外,在不同的導體的接頭處,由于電流方向不同會出現吸熱和放熱現象。如圖電流從自由電子數較多的一端a流向自由電子數較少的一端b,那么a端的溫度就會降低。

本發明中采用了利用帕爾貼熱電效應原理的熱電模塊,由碲化鉍半導體材料和導熱氧化鋁陶瓷組裝而成,熱電轉換效率高、適用范圍廣。熱電模塊包括半導體電偶臂,采用導熱性、導電性較好的導流片串聯形成單體,放置在兩個陶瓷基板之間。在模塊加熱或制冷的過程中,被吸收或被釋放的熱量與模塊加載的直流電壓大小成正比。通過調整電壓大小,可以對溫度進行控制。

基于帕爾貼效應的熱電模塊有三層結構組成(圖2),兩側為第一、第二氧化鋁陶瓷層(圖中1,3所示),中間層單體2由碲化鉍半導體構成的熱電偶和導熱性、導電性較好的導流片串聯形成(圖中2所示)。熱電模塊的型號為tec1-12710,如圖2。是一種高性能熱電模塊。其外形尺寸:40*40*3.4mm;導線規格:引線長300mm±5mm;內部阻值:1.2~1.5ω;最大溫差:δtmax(qc=0)58℃以上;工作電流:imax=10a(15vmax電壓啟動時);額定電壓:dc12v(vmax:15.5v);制冷功率:qcmax120w;裝配壓力:85n/cm2;工作環境:溫度范圍-55℃~83℃。

散熱板兩面貼合熱電模塊實物效果如上圖2。散熱板之上安裝有散熱風扇,進一步幫助熱電模塊的熱側表面散熱。具體型號:dcbrushlessafb0412shbfoo(dc12v0.35a)三線(。具體參數:雙滾珠軸承,壽命長,具備充足的散熱風量和風壓,可在相對濕度45-85%的環境下工作,風量較大(14.83cfm),工作噪音小,散熱風扇轉速達到11000rpm,外觀尺寸為40*40*15mm。將兩塊散熱板貼附在熱電模塊發熱和制冷兩側,散熱風扇安裝在散熱板之上,利用3d打印技術對其進行封裝設計。在制冷一側設計換熱空腔和進、出im电竞app官网。

本發明設計的封裝過程,3d打印選用abs耗材;所設計的外部封裝模塊包括三部分:外部氣流進im电竞app官网、裝置主框架封裝、封裝后蓋及出im电竞app官网。

①外部氣流進im电竞app官网部分見圖3(a),具體尺寸如下:

4—圓孔柱體進im电竞app官网,內徑7mm,外徑11mm,壁厚2mm,柱體長13mm,進im电竞app官网偏向一側距中心8mm;

5—主框架與進im电竞app官网的連接體,總寬度8.5mm,壁厚2mm,節省材料中部置空;

6—平滑曲面,壁厚2mm;

7—預留孔,在進im电竞app官网與主框架連接部分兩端距邊5.5mm開直徑3.2mm預留孔,孔深6mm,為熱電模塊留有線位;

8—內側進im电竞app官网,貫穿5連通4、6,長32mm寬9mm,與兩側直徑9mm的半圓弧相切,同進im电竞app官网圓孔柱體偏向同一側,距底部2.8mm;距邊3mm。

②裝置主框架封裝部分見圖3(b)。此部分上側設有熱側散熱板的散熱主腔體及散熱風扇排im电竞app官网;此部分下側設有冷側散熱板的換熱主腔體。具體參數如下:

主框架47*47*50mm;9—側面殼體,左右壁厚3mm;10—前側殼體,上下壁厚2.8mm;

11—熱側散熱板與小風扇間隔,間隔為2mm,距底部29.3mm,距頂端18.7mm;

12—小風扇排im电竞app官网,頂端38mm小風扇排im电竞app官网;

13—小風扇線位孔,距邊12mm,中心距間隔11有9.5mm,邊長7mm;

14—熱電模塊線位孔,距邊5.5mm,距底15.8mm,兩側對稱;

15—第一熱側散熱板散熱通im电竞app官网,15尺寸:長34mm寬10mm,緊貼11下端中心位置;、

16—第二熱側散熱板散熱通im电竞app官网,16尺寸:長38mm寬10mm,四角做弧形處理,高度位置同15,側壁中心位置,兩側對稱;

17—內側進im电竞app官网8的對應口,同8通進im电竞app官网。

③封裝后蓋及出im电竞app官网部分見圖3(c)。考慮材料的硬度和結構的穩固,封裝后蓋設計成雙層的殼體。后蓋貼合框架的凹槽,雙層壁厚為2.5mm,中間空腔寬8mm。外端出im电竞app官网設計同圖7,圓孔柱出im电竞app官网21和內測出im电竞app官网與進im电竞app官网測相反偏向另一端。使氣流在裝置內形成回流,便于充分換熱,攜帶熱電模塊產生的冷能再吹向樹狀管道。尺寸參數如下:

18—類l型殼體的豎直面頂端(一側),同10壁厚2.8mm,19—類l型殼體的豎直面后端(另一側),壁厚2.5mm,20—連接平滑曲面,厚2mm;

22—第一熱側散熱板散熱通im电竞app官网15的對應口,尺寸同第一熱側散熱板散熱通im电竞app官网15,角做半圓形處理。

封裝效果如圖4。

圖如圖5所示,熱側散熱板以快速、充分降溫為主要目標。材料選擇紫銅材質,片狀翅片選擇直通式,其它設計參數:整體尺寸40*40*11mm,底座厚3mm,25片翅片,每個厚0.5mm。其結構圖如圖5。

如圖6所示,冷側需要充分儲存冷能,其拓撲結構和尺寸是關鍵因素。冷側散熱板的參數選擇(散熱板尺寸及翅片布局)采用流體動力學(cfd)仿真進行優化。基本步驟為:利用ug軟件制作散熱板幾何模型,利用fluent軟件對散熱效果進行cfd仿真和優化。優化參數包括散熱板翅片的布局、厚度、間距三個方面,其中布局分三類:直通式一列、四列、多列密齒;翅片厚度優化范圍0.5-1.5mm,間距優化范圍0.5-1.5mm。優化目標為冷測儲能效果最優。結果顯示:四列翅片、厚0.8mm、間距0.6mm的散熱板可使出im电竞app官网氣流溫度最低。通過比較發現鋁、銅質散熱板儲能效果差異不大,考慮成本因素選擇如圖6所示鋁質散熱板結構,整體尺寸40*40*11mm。

步驟二:利用微型氣泵引導空氣流經熱電能量轉換裝置進行換熱,將換熱后的空氣經管道送入嵌入到可穿戴服裝的微型軟管網絡中;

運用微型氣泵引導氣流流經熱電模塊表面的散熱板間隙進行熱交換,并通過可穿戴服裝內的導流軟管對人體進行溫度調節。

如圖7所示,氣泵引導空氣流經熱電模塊和可穿戴設備的軟管網絡。氣泵型號:wm7040dc24v(圖八),特點:體積小(直徑70mm高度37.5mm),噪音小,高轉速-空載轉速達36000rpm,大風量-最大風量280l/m,可提供充足風量,可調速,高風壓-最大風壓7kpa,外置驅動器便于安裝維修,可調速,nsk滾珠軸承,無刷直流電機,質量輕。其實物圖如圖7所示。

采用的硅膠軟管內徑8mm,外徑10mm,材質為硅膠,采用了鉑金硫化工藝,耐溫-60℃~200℃,高韌性,高透明,拉伸不易變形變色變白。通過fda食品認證。

設計服裝內軟管網絡布局,選擇兩種網絡拓撲:“y”型和“o”型,如圖8所示。

將微型軟管網絡嵌入可穿戴的服裝中,在管道上穿孔,利于氣流快速均衡流向人體胸背部,調節人體舒適度,如圖9。

綜上,個人熱管理裝置框架如圖10所示。

步驟三:將目標電壓發送至單神經元pid控制器,并獲取控制器輸出的控制參數,根據控制參數給出熱電模塊的控制電壓;

如圖11所示,pid控制具有結構原理簡單、易于工程實現、魯棒性好的特點,在實際應用中使用十分廣泛。通過將神經元網絡引入pid控制,對其系數進行實時的改進,來應對環境噪聲、負載擾動等帶來的影響,避免出現調控效果不佳的現象,在溫度控制系統調控過程中,引入有監督的hebb學習規則對溫度調控系統的權值系數進行更新,可以看作是參數自整定的pid控制器,實現了系統結構、參數和不確定性的自適應、自組織功能。

為了實現溫度設置值的恒定輸出的目的,將單神經元pid算法應用于溫度調控系統中,以增強調溫系統的穩定性及快速性,神經元網絡具有容錯性好,抗干擾能力強等優點,將其與經典pid控制算法進行結合,如下圖所示,通過對熱電模塊調控電壓的控制達到對于其溫度的控制,提高溫度輸出的精度。

其中x1(k),x2(k),x3(k)是神經元學習所需的三個參量,r(t)和n(k)分別為需要的溫度和實際的電壓輸出,e(k)為溫度偏差,將期望設定溫度值r(k)作為輸入信號,實際設定溫度值n(k)作為反饋信號,e(k)為溫度偏差信號,即e(k)=r(k)-n(k),xi(k)(i=1,2,3)為溫度誤差通過轉換而得到的神經元輸入信號,其權值系數通過算法進行在線調整,u(k)為單神經元pid控制的輸出信號,用于控制調控熱電模塊的電壓信號。

將目標電壓發送給單神經元pid控制器,讓控制器輸出值跟蹤目標電壓,將輸出值供給微控制器,調控熱電模塊。

步驟四:采用微控制器進行控制,根據單神經元pid控制器給出的數據采用pwm波調節熱電模塊的功率。

本發明中微控制器選用arduino開發板,這是一款源代碼開放的單芯片微控制器,它使用了atmelavr單片機,采用了開放源代碼的軟硬件平臺,建構于簡易輸出/輸入(simplei/o)界面板,并且具有使用類似java、c語言的processing/wiring開發環境。

由于arduino只能在0~5v調壓,引入了pwm模塊,由外部電源供電,開發板輸入pwm信號,來獲取不同的電壓給熱電模塊供電。

如圖12所示,采用pwm(pulse-widthmodulation)即脈沖寬度調制輸出不同的電壓值控制熱電模塊發出不同的功率,這是數字電路中輸出模擬量的主要方式。在arduino中,有兩種方式可以產生pwm波。第一種:帶~的引腳可以直接輸出pwm波,使用analogwrite(pin,val)命令,val范圍在0~255之內的整數值,對應電壓0到+5v;第二種:手動用代碼實現pwm。這種方式的優點很明顯:pwm的比例可以更精確;周期和頻率可控制;所有的引腳都可以輸出。所以在本次設計中采用的是第二種方式輸出pwm波。

對加載至熱電模塊的電流電壓進行反饋控制,調節冷熱兩側的溫度具體框圖見圖12所示。

獲得個人熱管理系統的最優溫度設置點,通過脈沖寬度調制調整熱電模塊的輸入電壓來控制冷卻效果。然后對穿有服裝的參與者實時監測體表和核心溫度,評價當前舒適度并更新人體各項參數指標。

在本說明書的描述中,參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中,對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且,描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例,本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型,本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。

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