Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een draagbare patch ontwikkeld die thuis voor gepersonaliseerde koeling en verwarming kan zorgen. werk, of onderweg. Zacht, elastische patch koelt of verwarmt de huid van een gebruiker tot een comfortabele temperatuur en houdt deze daar als de omgevingstemperatuur verandert. Het wordt aangedreven door een flexibele, rekbaar batterijpakket en kan in kleding worden ingebed. Onderzoekers zeggen dat het dragen ervan kan helpen energie te besparen op airconditioning en verwarming.

Het werk is op 17 mei gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Dit type apparaat kan uw persoonlijk thermisch comfort verbeteren, of u nu op een warme dag pendelt of het te koud heeft op kantoor, " zei Renkun Chen, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan UC San Diego die de studie leidde.

Het apparaat, die zich in de proof-of-concept-fase bevindt, kan ook energie besparen. "Als het dragen van dit apparaat ervoor kan zorgen dat u zich op uw gemak voelt binnen een groter temperatuurbereik, je hoeft de thermostaat in de zomer niet zo laag te zetten of de verwarming zo hoog te zetten in de winter, " zei Chen. Door de ingestelde temperatuur van een gebouw in de zomer 12 graden hoger te houden, bijvoorbeeld, zou de koelingskosten met ongeveer 70 procent kunnen verlagen, hij merkte.

Er zijn verschillende persoonlijke koel- en verwarmingsapparaten op de markt, maar ze zijn niet het handigst om te dragen of mee te nemen. Sommigen gebruiken een ventilator, en sommige moeten worden geweekt of gevuld met vloeistof zoals water.

Chen en een team van onderzoekers van de UC San Diego Jacobs School of Engineering ontwierpen hun apparaat om comfortabel en gemakkelijk te dragen te zijn. Het is flexibel, lichtgewicht en kan gemakkelijk in kleding worden geïntegreerd.

De patch is gemaakt van thermo-elektrische legeringen - materialen die elektriciteit gebruiken om een ​​temperatuurverschil te creëren en vice versa - ingeklemd tussen elastische elastomeervellen. Het apparaat koelt of verwarmt de huid fysiek tot een temperatuur die de drager kiest.

"Je zou dit kunnen plaatsen op plekken die de neiging hebben om sneller op te warmen of af te koelen dan de rest van het lichaam, zoals de achterkant, nek, voeten of armen, om comfortabel te blijven wanneer het te warm of te koud wordt, " zei eerste auteur Sahngki Hong, een UC San Diego werktuigbouwkunde alumnus die aan het project werkte als een Ph.D. student in Chen's lab.

De onderzoekers stopten een prototype van de patch in een mesh-armband en testten het op een mannelijk onderwerp. De tests werden uitgevoerd in een temperatuurgecontroleerde omgeving. Over twee minuten, de pleister koelde de huid van de tester af tot een ingestelde temperatuur van 89,6 graden Fahrenheit. Het hield de huid van de tester op die temperatuur, aangezien de omgevingstemperatuur varieerde tussen 71,6 en 96,8 graden Fahrenheit.

Een bouwsteen voor slimme kleding

Het uiteindelijke doel is om meerdere patches met elkaar te combineren om slimme kleding te creëren die kan worden gedragen voor gepersonaliseerde koeling en verwarming. Dus ontwierpen ingenieurs een zachte elektronische patch die kan uitrekken, buigen en draaien zonder afbreuk te doen aan de elektronische functie.

Het werk is een samenwerking tussen verschillende onderzoeksgroepen van de UC San Diego Jacobs School of Engineering. Chen's laboratorium, die gespecialiseerd is in warmteoverdrachtstechnologie, leidde de studie. Ze werkten samen met professoren nano-engineering Sheng Xu, een expert in rekbare elektronica, Shirley Meng, een expert in batterijtechnologie, Ping Liu, die ook een batterij-expert is, en Joseph Wang, een expert op het gebied van draagbare sensoren.

De onderzoekers bouwden de patch door kleine pilaren van thermo-elektrische materialen te nemen (gemaakt van bismuttelluride-legeringen), soldeer ze op dunne koperen elektrodestrips, en ze tussen twee elastomeervellen te klemmen.

De lakens zijn speciaal ontworpen om warmte te geleiden terwijl ze zacht en rekbaar zijn. Onderzoekers hebben de platen gemaakt door een rubbermateriaal genaamd Ecoflex te mengen met aluminiumnitridepoeder, een materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid.

De patch gebruikt een elektrische stroom om warmte van het ene elastomeervel naar het andere te verplaatsen. Terwijl de stroom over de pilaren van bismuttelluride stroomt, het drijft warmte met zich mee, waardoor de ene kant van de pleister opwarmt en de andere afkoelt.

"Om af te koelen, we hebben de huidige pompwarmte van de huidzijde naar de laag die naar buiten is gericht, " legde Chen uit. "Om te verwarmen, we draaien de stroom gewoon om, dus warmtepompen de andere kant op."

De patch wordt aangedreven door een flexibel batterijpakket. Het is gemaakt van een reeks muntcellen die allemaal verbonden zijn door veervormige koperdraden en ingebed in een rekbaar materiaal.

Energie besparen

Eén patch is 5 × 5 centimeter groot en verbruikt tot 0,2 watt aan stroom. Het team van Chen schat dat er 144 patches nodig zijn om een ​​koelvest te maken. Dit zou in totaal ongeveer 26 watt verbruiken om een ​​persoon koel te houden op een gemiddelde warme dag (tijdens extreme hitte, geschat stroomverbruik zou oplopen tot 80 watt, dat is ongeveer hoeveel een laptop gebruikt). Ter vergelijking, een conventioneel airconditioningsysteem gebruikt tientallen kilowatts om een ​​heel kantoor te koelen.

Het is energiezuiniger om een ​​individuele persoon af te koelen dan een grote kamer, onderzoekers opgemerkt. "Als er maar een handvol bewoners in die kamer zijn, je verbruikt in wezen duizenden watts per persoon voor koeling. Een apparaat als de patch zou de koelkosten drastisch kunnen verlagen, ' zei Chen.

Het team werkt nu aan patches die kunnen worden ingebouwd in een prototype koel- en verwarmingsvest. Ze hopen de technologie over een paar jaar te commercialiseren.

"We hebben de fundamentele problemen opgelost, nu pakken we de grote technische problemen aan:de elektronica, hardware, en het ontwikkelen van een mobiele app om de temperatuur te regelen, ' zei Chen.