用于降低溫度的裝置的制作方法

專利名稱：用于降低溫度的裝置的制作方法
用于降低溫度的裝置本發明涉及一種用于降低由于積蓄的身體熱量引起的升溫的裝置。已知身體的汗液增加地聚集在日用物品(例如頭盔、體操鞋、汽車座椅、腳踏車座墊、車座)中的、以及紡織品即柔性的織物、例如里襯或者長襪中的和同樣在身體矯形器或者身體假肢中的特定位置上，因為身體的升溫在這些地方是集中的并且相比較而言僅能夠不充分地排出，這則導致身體在日用物品中的和/或柔性面狀形成物/柔性基體中的這些位置上的積熱。該問題已經以多方面的方法嘗試解決，例如在應該封閉的夏鞋中，在表面材料、例如皮革上部分地通過氣孔斷開，從而在鞋中產生一定的通風。這些孔一部分被網覆蓋，從而在視覺上形成封閉的鞋。在所有類型的頭盔中應用同樣的方法，在這些情況中，在頭盔的狹窄的位置上簡單地斷開或者內裝網，由此冷卻空氣能夠吸收身體的蓄熱。氣孔的缺點在于，它們在涉及的位置上中斷頭盔的功能，并且第二，在不同的位置上、例如在鞋底上或者假肢上，材料這種類型的斷開會導致整個部分的不可用性。在紡織品表面部分上的氣孔也通過夾克中肩下面的拉鏈等提供。此外，還有存儲性紡織品，例如置入式鞋底、床上物品等，然而這些紡織品不主動排出熱量。由US 5, 722, 482 已知一種具有相變材料(Phase Change Material, PCM)的紡織品式面狀形成物。這種面狀形成物設置用于阻尼身體熱量，這就是說，這種面狀形成物用作防寒，用于更長地保持身體自身的熱量。由US 5，722，482已知的柔性的面狀形成物的缺點在于，沒有設置能夠用于導出積蓄的身體熱量的裝置。本發明的任務在于，實現一種用于降低溫度的裝置，該裝置能夠用于硬的(例如假肢)以及可彎曲的(例如鞋底)和柔性的(例如支撐長襪)日用物品中，這些日用物品與生物在熱技術上處于直接的接觸 中，其中，該裝置可以集成到物品中和/或柔性的基體中，而不喪失物品和/或柔性基體在該位置上的功能性。下面借助說明書、附圖和權利要求公開本任務的解決方案。本發明的一般認知是,借助所謂的PCM(相變材料，Phase Change Material,具有高的熱存儲能力)，例如以與柔性的和/或剛性的物品上相應的、處于身體接觸中的熱交換器連接的形式可構成熱存儲器，這些熱存儲器將皮膚的表面溫度或者貼靠在皮膚上的物品的接觸溫度保持在舒適的范圍內，并且同時不改變該物品的穿著舒適性和/或功能性。PCM的再生通過熱交換器優選連續地、也在穿著期間實現。根據這些，本發明的對象是一種用于為貼靠皮膚的物品和/或貼靠皮膚的柔性基體降低溫度的裝置，這些物品和/或基體與生物的身體處于直接的熱接觸中，其中，該裝置至少部分地集成在該物品和/或這些柔性的基體中，并且包括相變材料(PCM)和熱交換器。此外，本發明的對象為呈純的形式的和/或以例如具有合成材料-聚合物、硅酸鹽、石墨等等的復合物形式的PCM的應用，耦合在物品如矯形器和/或假肢中的、在衣物中的、在鞋、頭盔、座墊或座椅中的以及在柔性基體如里襯和/或長襪中的熱交換器上。根據本發明的、用于降低溫度的裝置例如僅在日用物品或者矯形用物品或者穩定軟組織的織物(長襪)的一部分中包含或者實現。日用物品或者矯形用物品與柔性織物的區別首先在于，它要么具有非柔性的形狀，要么具有至少部分地固定的形狀。這兩種“分類”在概念上相互不可分開，因為物品可以部分地具有柔性的形狀，而織物可以具有固定的部分。因此可能的是，根據本發明的裝置-也在其他地方或者僅在該處-集成在其它地方非柔性的物品的柔性部分中，或者相反地，該裝置在柔性織物中-也在其他地方或者僅在該處-集成在處于非柔性部分上的位置上。在本發明的意義上，應該包括所有這些可能的結構。根據一種有利的實施方式，熱交換器在運行中將PCM的溫度保持在熔化溫度范圍以下或者熔化溫度范圍中。由此，既維持PCM的冷卻作用，又將包圍身體部位的PCM的溫度大致保持得恒定，從而不出現不期望的硬溫度波動。尤其優選的是，用于降低溫度的裝置、尤其熱交換器，集成在物物品的內部，例如以被冷卻介質流過的雙壁的形式 或者以具有溝紋(冷卻介質流經這些溝紋)的無紡布的形式。PCM同樣并非必須設置為整面的，而是可以通過PCM- “小包”裝備物品的個別區域，其中，熱交換器在這種情況下也可以以有利的方式局限于物品的這些區域上。對于PCM和熱交換器功能在物品中的集成，不能給出概括性的說明，因為這些可能性一方面根據物品，然后也根據穿戴者確定。此外設置，用于降低溫度的裝置也能夠可松脫地固定在物品如頭盔、鞋子、座墊上，即例如通過皮帶或者拉鎖保持。由此，物品可以分別根據季節和需求加裝有或裝備有該裝置。熱交換器是由熱吸收部件和熱排出部件構成的整套裝置。在當前的情況中下，這種單元由PCM元件和被熱載體流過的、貼靠在PCM上的腔構成。該流過可以在開放系統中實現或者作為閉合的回路系統實現。在開放的系統中，熱載體介質被自由地抽吸，在PCM芳邊導引，然后釋放到外部。在閉合的系統中，不直接向外部釋放熱量，而是間接地通過另一中間連接的熱交換器實現熱量釋放。以環境空氣運行的熱交換器例如可以開放地運行。另一方面，具有特殊的冷卻介質(例如水)的熱交換器優選封閉地運行。該裝置可以包括柔性的面狀形成物的形式，其中，柔性的基體完全地或者部分地摻有PCM或者含PCM的區域，其中，設置有一些器件，通過這些器件使熱交換器的介質與柔性基體的PCM處于傳遞熱的接觸中，從而熱量能夠由PCM導出和/或輸入給PCM。這些器件-通過它們可以使熱交換器的介質與PCM產生傳遞熱的接觸-在下面也被簡稱為“器件”，包括通流結構，例如具有不同輪廓例如溝紋的通道或者凸起，通道，也例如回曲形的通道，結子、棱錐狀物等。這些通流結構構成的圖樣可以完全是任意的，也可以用作媒介物。這些通流結構、即器件自然影響介質經過PCM流過的速度。根據本發明的一種有利的實施方式，通流結構至少部分地構成柔性基體的表面結構。根據另一種實施方式，這些器件除通流結構外，還包括一裝置，通過該裝置使熱交換器的介質運動。根據一種有利的實施方式，PCM以石蠟、水合鹽和/或相應變體如PCM-聚合復合物、PCM-硅化鹽-復合物、PCM-石墨-復合物等等的形式存在。在另一種構型中，這種PCM或者說其變體添加到相應的載體結構中、例如毛細的纖維抽吸結構中。根據本發明的一種有利的實施方式，熱載體介質是氣態的，即例如是環境空氣。在此可以設置，柔性的面狀形成物的載體自身，例如通過自身的運動(例如鞋、座墊)實現介質通過通流結構用于排出PCM的熱量的運動。另一方面，也可以設置更小的通風機或者其他引起介質的運動/流動的裝置。根據一種有利的實施方式這樣調節介質的流動，使得PCM的溫度保持在PCM的熔化溫度范圍以下或熔化溫度范圍中。根據本發明的一種實施方式，具有PCM的區域為柔性基體中的、小的島狀物，該柔性基體構成冷卻織物或者冷卻無紡布。因此，根據一種實施方式，在穿戴在身體上的柔性面狀形成物和/或冷卻無紡布中內置有具有包含PCM的小包的、小的島狀物，其中，保持了柔性面狀形成物的特性。作為用于柔性基體或者冷卻無紡布的材料可以使用所有已知的軟墊材料的類型。除了已經提到的硅樹脂以外，例如還有聚氨酯、熱塑的聚合物、共聚物、聚乙烯和其他材料。可以這樣構造通流結構，使得沿表面流動的介質被導引經過島狀物和/或具有PCM的區域，從而優選在這些地方進行從PCM到介質的熱交換。小腿假肢通常除固定的筒外例如還包括柔性的、用于穩定軟組織的硅樹脂長襪，該硅樹脂長襪穿在身體部位上，并且一方面直接貼靠在皮膚上，另一方面插在筒中。這例如是一種根據本發明的一種實施方式摻有由含PCM的材料構成的區域、例如圓形島狀物(Inseln)的硅樹脂長襪，其中，基本保持了柔性硅樹脂長襪的特性。在筒上可以設置有小的通風機，空氣通過該通風機沿筒的內側鼓吹，然后沿摻有PCM區域的硅樹脂長襪的通流結構流動。在此，使氣流偏轉的結構既設置在筒的內側面上，也設置在里襯、例如硅樹脂長襪的外側面上。那么根據本發明，筒也可以包括用于降低溫度的裝置。為此，筒可以至少在部分區域中構造為雙壁的，從而能夠將PCM和熱交換系統實際上集成在筒中。用于使冷卻介質運動的器件、即例如通風機或者小型泵，則可以既共同用于冷卻無紡布，也共同用于集成在物品的固定部分中的、即例如集成在筒中的熱交換器。熱交換器的介質通過一些器件與PCM產生傳遞熱的接觸，這些器件還包括用于產生流動的裝置，例如通風機、泵或者位于鞋或鞍車中的開口，通過它們，在運動時將空氣泵吸穿過鞋和通流結構。這些通流結構引起介質在PCM上流過。這些通流結構可以設置在具有PCM的柔性基體上，或者也可以與柔性基體分開地、即設置在外部。因此，這些通流結構也可以設置在假肢的筒的內側面上、在鞋或其他與生物處于身體接觸中的剛性物品的內側面上。這樣設置這些器件，使得熱交換器的介質通過它們與柔性面狀形成物的PCM形成傳遞熱的接觸。可以設置，柔性的基體或物品的區域不包括用于降低溫度的裝置，即不摻有含PCM的區域或者島狀物和/或在該物品或者柔性基體的這些區域中不設置通流結構，并且這些區域相應地不被介質圍繞流過。

根據另一種實施方式，柔性的面狀形成物包括多個層，即一堆垛，其中，具有PCM的島狀物和柔性基體例如以縮小的形式交替。在此,可以實現柔性的面狀形成物(Flaechengebilde)的不同特性,尤其可以在該堆垛的指向身體的一側面上實現與該堆垛的指向外部的一側面上不同的表面特性。柔性基體的材料和PCM可以在一個層內和在堆垛內變化。在此，例如可以如下面那樣實現一種層式構造:具有PCM部分的柔性基體；在柔性基體上有具有凸起的層，這些凸起構成用于熱交換器的介質的流動通道；在凸起的層上又為引導PCM的層，并且然后又是引導熱交換器介質的層；其中，這些層和整個結構的柔性盡管結構化仍然盡可能地保持，或者甚至還能夠相應于設置的運動過程來支持運動過程。例如有多層式的、用于在身體上穩定軟組織的娃樹脂長襪(Silikonstrumpf),該硅樹脂長襪在這里可以用作柔性的基體。然后，PCM例如以面狀的、小的薄膜區段的形式在離散的區域中添加、切割或者安裝到該柔性基體中，從而基本上維持柔性基體的機械特性，如柔性和防撕破強度。既根據基體的也根據PCM的各自的材料確定PCM到柔性基體中的添力口，但是，在本發明的意義上，應該包括PCM到柔性基體中的每種添加類型。除了作為熱交換介質的環境空氣和其他氣態介質以外，例如也可以設置有液體的熱交換介質或者簡單地設置有水。主要是環境空氣用作熱交換介質，然而熱交換器運行既可以開放地，也可以閉合地進行，其中，與PCM處于熱接觸中的介質優選、但并不是必須連續地再生。介質的“再生”主要理解為，該介質再釋放通過PCM從身體所吸收的熱量。熱交換器例如包括由PCM包圍的軟管系統,通過該軟管系統引導水或者環境空 氣。在此尤其優選的是，軟管系統自身、即例如構成軟管的材料包括PCM。熱交換器例如也包括雙壁式物品的環狀間隙。根據另一種實施方式，熱交換器包括微孔或者微型間隙，環境空氣通過這些微孔或微型間隙流動或者被泵吸。“與生物處于直接的熱接觸中的物品”當前例如指的是，頭盔、假肢、矯形器、鞋、鞍座(自行車以及馬上的)、車座、手套、所有類型的織物、沖浪服、潛水服、眼罩和類似物品。在本發明的意義上，應該包括所有產生身體積熱的物品。相變材料指的是市場上常見的所有類型的PCM，這些PCM能夠用于潛熱存蓄。潛熱存蓄理解為熱量在經歷物相轉變、主要是固-液相變的材料中的存蓄(英語:相變材料Phase Change Material，PCM)。除了固-液物相轉變以外，原則上也可以使用固-固的物相轉變。然而這種物相轉變通常顯示出小得多的蓄熱密度。在熱量存蓄到蓄熱材料中時，材料在達到物相轉變的溫度時開始熔化，然后盡管熱量繼續存蓄其溫度不升高直到該材料完全熔化。只有在這個時候才再次出現溫度的升聞。因為在較長時間盡管輸入熱量仍不出現明顯的溫度升高，人們將在物相轉變期間存蓄的熱量稱為“插熱”或者也稱為“潛熱”。在固-液物相轉變的情況下，潛熱包含在蓄熱材料的熔化熱量或者結晶熱量中。潛熱存蓄可以在不同的溫度范圍中進行。為此，必須分別根據使用情況選出具有合適的相變溫度的材料。在此，分別根據溫度范圍使用不同的材料類別。
對于身體熱量的區域，在本發明的意義上，通常建議石蠟或者水合鹽或者說其變體作為PCM。因此，PCM例如也可以以復合物的形式存在。為此的實施方式為石蠟-聚合物-復合物、水合鹽、水合鹽-石墨-復合物、石蠟-硅化鹽-復合物等等。石蠟-聚合物-復合物也可以作為薄膜、丸、軟管或者其他的形體存在。在另一種構型中，這些PCM或者說其變體可以添加到相應的載體結構中、例如毛細的纖維抽吸結構中。用于PCM和PCM復合物的其他優選變型為薄膜包裹的PCM。當前優選使用環境空氣和/或水作為用于熱交換器的介質，從而僅通過以環境空氣或者水流過包圍PCM的管路系統來運轉該用于降低溫度的裝置。介質可以經受再生或者冷卻，其方式是，介質例如連接到移動式冷卻機組上。根據一種不同的實施方式，介質例如是水，該水流過管路系統并且通過同時運行的冷卻機組重新再生。

另一種用于附加冷卻的實施方式由能夠以液體浸透的材料、例如無紡布構成，該無紡布例如可以被加載以水或者其他能夠蒸發的液體。這種無紡布通過液體由于從旁經過的、強制的氣流而產生蒸發冷來強烈降低冷卻空氣溫度。蒸發無紡布的優選實施方式是在筒的外部，例如在通風機的抽吸側上。下面仍借助所選擇出的實例詳細闡述本發明:

圖1示出具有根據本發明的用于降低溫度的裝置的腿假肢或臂假肢或者矯形器的實例，圖2示出另一種假肢，在該假肢中集成該裝置和圖3最后示出一種軟管的橫截面，其中，使用一種復合物作為該軟管的材料。圖4示出與圖1相同的圖示，其中，蒸發熱至少支持了 PCMs的再生。圖1示出一種假肢，在截肢的情況下，所謂的殘肢、即被截肢的肢體的剩余部分裝入到該假肢中。這種假肢通常由單壁的樹脂制造。根據按照本發明的、在這里示出的實施方式，采用雙壁的結構取代單壁的樹脂結構，其中，兩壁I和2、即內壁I和外壁2確定一構成環形間隙3的空腔。環形間隙3在這里如示出的那樣在上方整側地敞開。然而，該環形間隙也可以僅部分地敞開。在環形間隙3中，如這里示出的那樣，加進作為離散的小包的PCM模塊4，這些小包例如布置在表面5(例如橡膠表面)上。在該假肢上在下部，一方面是維持假肢中低壓的吸出閥6，另一方面是在兩壁I和2之間的吸出閥7，通過該吸出閥吸出經過繞PCM模塊4的環形間隙3流動的冷卻介質。箭頭9標示氣態的冷卻介質經過繞PCM模塊4的環形間隙3的路徑。閥7例如連接在泵上、通風機上和/或外部的冷卻機組上(未示出)，通過這些設備，空氣或者冷卻介質穿過環形間隙3導引、抽吸、泵吸和/或冷卻，并且PCM模塊由此釋放熱量，或者由此吸收矯形器中的潮濕。因此，熱交換器運行在這里開放地進行，因為例如環境空氣簡單地通過閥門7穿過開放的環形間隙3被抽吸。根據一種優選的實施方式，在假肢的內壁I上還存在一溫度傳感器，通過該溫度傳感器可確定內部溫度。該溫度傳感器與外部的、調節冷卻介質的流量和/或溫度的調節和控制裝置連接。根據本發明的圖1中所示的實施方式，在假肢的外壁2中還設置有微孔8，通過這些微孔導引其他的冷卻介質(例如以環境空氣的形式)穿過環形間隙3。微孔在這里僅示例性地示出，這些微孔當然可以既在布置的尺寸方面，也在形狀方面任意地布置。PCM模塊可以作為離散的小包或者石蠟-聚合物-復合物-散料存在，但是它們也可以以任何其他任意形式存在，并且還可以作為單一的散料存在于下部密封的環形間隙中。最后，內壁2可以完全或者部分地由復合物組成，包括PCM和聚合物形式的合成材料，該聚合物例如也包含柔性的基體。這些PCM模塊4也可以根據本發明任意分布地在環形間隙3中存在。例如當上方需要較少的冷卻而下方需要較多的冷卻時，PCM模塊的密度可以在環形間隙3上任意地變化。PCM模塊最后也可以可活動地和/或可松脫地布置，從而模塊能夠被移動或者能夠添加或去掉附加的模塊。如圖1那樣，圖2示出矯形器或假肢的實例。又可看出具有內壁I和外壁2的雙壁的結構。但是在這里，冷卻介質不是如圖1中那樣通過開放的環形間隙3導引，而是存在軟管卷10，該軟管卷放置在PCM模塊4之間，并且熱交換器的冷卻介質在該軟管卷中流動。該軟管卷作為熱交換器不是必須為一閉合的系統，而是例如可以以空氣作為冷卻介質這樣運行，使得吹過的冷卻空氣的末端在矯形器/假肢的內腔中終止。另一方面，也可以使用液體介質、例如水作為冷卻介質，熱交換器則作為閉合的系統運行，其中，軟管返回到水接口上、另一熱交換器上或者水冷卻系統(外部的，未示出)上。圖3最后示出軟管11的橫截面，該軟管根據本發明可與一雙壁的系統(在其中存在PCM模塊)一起共同使用或者也可以沒有其他PCM模塊地使用。軟管11的特征在于，它構成了用于冷卻介質的通道13并且軟管11引導具有PCM12的復合物，該復合物例如在聚合物基體中包含PCM。`如圖3中所示的軟管可以制造成不同的厚度并且集成到所有類型的剛性的和柔性的物品中。在這里，可以滿足極其不同的要求，因為軟管壁的直徑、流動空間的內直徑和最后復合物(PCM被添加進該復合物中)都可以自由選擇。圖4示出另一種產生冷的實施方式，在該實施方式中，例如通過通風機輸送的冷卻空氣根據箭頭9在筒中被導引經過例如以水浸透的無紡布14，并且通過該無紡布的液體由于流過的、強制的氣流而產生蒸發冷來負責冷卻空氣溫度的強烈下降。作為實例，在這里還要簡短地概述在鞋底中的應用。取代費事的泵裝置或者抽吸裝置，這里僅步行運動就可以引起冷卻介質穿過軟管泵送。這種作為含PCM的軟管的實施方式可以多方面地使用，在身體的物理運動取代外部的用于使冷卻介質運動的裝置的所有地方，都可以添加軟管。通過本發明公開一種由PCM和主動冷卻的熱交換系統組成的裝置，該熱交換系統在人和動物上的應用可靠地解決迄今為止的溫度積聚問題。該系統能夠以任何強度實現，即從集成在柔性的長襪中到集成在矯形筒中。這使得所描述技術的使用領域極其多樣，PCM通過冷卻劑通道中的模塊或者含有PCM的復合物，由該復合物制成冷卻介質可以在其中流動的軟管，通過PCM連同熱交換器PCM導出身體的積熱。
權利要求
1.用于為物品或者柔性的面狀形成物降低溫度的裝置，這些物品或者柔性的面狀形成物與生物的身體處于直接的熱接觸中，其中，在該物品或者該柔性的面狀形成物中至少部分地集成有相變材料(PCM)和熱交換器，并且，該物品的功能性仍保持,其中，所述相變材料與所述熱交換器處于傳遞熱的接觸中。
2.根據權利要求1的裝置，其中，所述熱交換器導引一種介質，相變材料的溫度通過該介質保持在熔化范圍以下和/或熔化范圍中。
3.根據權利要求1或2的裝置，其中，所述相變材料以含有相變材料的模塊的形式存在和/或由含相變材料的顆粒的散料的形式存在。
4.根據上述權利要求中任一項的裝置，其中，所述相變材料優選由石蠟、水合鹽和它們的變體構成，例如作為復合物存在。
5.根據權利要求4的裝置，其中，所述復合物以軟管或者以填充以相變材料的墊的形式存在。
6.根據上述權利要求中任一項的裝置，其中，所述相變材料或者它的變體添加到載體結構中、例如纖維抽吸結構中。
7.根據上述權利要求中任一項的裝置，其中，所述熱交換器以被冷卻介質流經的空腔的形式存在。
8.根據上述權利要求中任一項的裝置，其中，所述熱交換器的運行開放地進行。
9.根據上述權利要求中任一項的裝置，其中，使用環境空氣作為所述熱交換器的介質。
10.根據上述權利要求中任一項的裝置，其中，所述柔性的面狀形成物是一種多層式的形成物。
11.根據權利要求10的裝置，其中，所述面狀形成物包括一硅樹脂層。
12.根據權利要求10或11的裝置，其中，熱交換器的介質通過一些器件與相變材料形成傳遞熱的接觸，所述器件的通流結構設置為所述硅樹脂層的表面結構化。
13.根據權利要求10或11的裝置，其中，熱交換器的介質通過一些器件與相變材料形成傳遞熱的接觸，所述器件的通流結構設置在外部。
14.相變材料的應用，以純的形式和/或以具有合成材料-聚合物的復合物的形式，耦合到熱交換器上，用在如矯形器和/或假肢等的物品中、衣物中、鞋中、頭盔中、鞍座中或者座椅中和/或作為里襯或者長襪。
全文摘要
通過本發明公開一種由PCM和主動冷卻的熱交換系統組成的裝置，該熱交換系統在人和動物上的應用可靠地解決迄今為止的溫度積聚問題。該系統能夠以任何強度實現，即從集成在柔性的長襪中到集成在矯形筒中。這使得所描述技術的使用領域極其多樣，PCM通過冷卻劑通道中的模塊或者含有PCM的復合物，由該復合物制成冷卻介質可以在其中流動的軟管，通過PCM連同熱交換器PCM導出身體的積熱。
文檔編號F28D20/02GK103189024SQ201180034273
公開日2013年7月3日 申請日期2011年5月10日 優先權日2010年5月11日
發明者A·拉德施皮勒, K·菲巴克, D·C·比特納 申請人:奧托·博克保健有限公司