具有优化填充因子和辐射冷却集成技术的柔性热电冷却器，用于实现高效能的可穿戴设备热管理

《Sustainable Materials and Technologies》：Flexible thermoelectric cooler with optimized fill factor and radiative cooling integration for energy-efficient wearable thermal management

柔性热电冷却器设计优化与穿戴应用验证

　　随着可穿戴电子设备在健康监测、增强现实和健身追踪等领域的广泛应用，对有效热管理解决方案的需求日益增长。这种需求不仅是为了确保设备的可靠性和稳定性，也是为了提升用户的舒适度。然而，目前的热电冷却器（TECs）存在一些局限性，例如体积较大、能耗较高、结构刚性等问题，使得它们难以应用于需要贴合人体、轻便灵活的可穿戴设备中。为了解决这些问题，研究人员提出了一种新型的柔性热电冷却器（FTEC），它不仅具有较小的体积，还具备良好的能量效率和机械柔韧性。

FTEC的结构设计采用了弹性硅橡胶基底，将p型和n型热电腿以一定的密度嵌入其中，形成了一个紧凑的冷却系统。通过系统优化填充因子（FF），研究人员发现16%的FF配置能够在保持冷却能力的同时，有效降低能耗，实现最佳的性能平衡。此外，为了进一步提高散热效率，FTEC还集成了超薄石墨片和辐射冷却（RC）层，这些被动热管理材料能够增强热排放，而不会增加整体的体积和重量。这种设计使得FTEC能够在保持灵活性的同时，实现更高效的热管理。

在实际测试中，FTEC表现出显著的冷却能力。例如，在输入功率为6瓦的情况下，16% FF的FTEC能够实现冷侧温度降至-5.9°C，同时保持较高的性能系数（COP）为3.25。在环境温度为33°C的情况下，RC增强的FTEC在低电流（0.3 A）运行6小时后，冷侧温度能够维持在约23°C，显示出其在低功耗下的持续冷却能力。相比之下，传统的TECs通常需要较大的金属散热器和风扇，这些组件不仅体积庞大，而且会增加功耗，限制了其在轻量化可穿戴设备中的应用。

在机械灵活性方面，FTEC通过弯曲测试验证了其在不同角度下的稳定性。测试结果显示，即使在56°到180°的弯曲条件下，FTEC的冷却性能几乎没有下降，表明其在复杂曲面或动态环境中依然能够保持良好的热接触和电气稳定性。这种特性对于可穿戴设备来说至关重要，因为它们需要贴合人体的不同部位，如手臂、腿部等。

为了进一步提升FTEC的实际应用价值，研究人员将其与基于ESP32的PID控制系统相结合，实现了对皮肤温度的实时监控和调节。在实际佩戴测试中，系统能够将皮肤温度从33°C降至31°C，显示出其在可穿戴冷却方面的潜力。这种闭环控制和无线操作的结合，使得FTEC不仅能够提供有效的冷却，还能通过用户界面进行调整，提升使用体验。

FTEC的设计不仅关注其冷却性能，还考虑了系统的整体能效和长期稳定性。通过优化填充因子和集成被动热管理材料，FTEC在低功耗下实现了高效的冷却效果。此外，研究人员还评估了系统的能量预算，发现其在连续运行0.3 A的情况下，能够使用2000 mAh的锂离子电池维持5-6小时的稳定工作，这对于大多数日常可穿戴应用来说是足够的。同时，FTEC的紧凑设计和轻量化特性使其能够与人体皮肤良好贴合，提升使用时的舒适度。

尽管FTEC在性能和灵活性方面表现出色，但研究人员也指出了其未来改进的方向。例如，通过引入更高ZT值的热电材料，可以进一步提升FTEC的功率密度和冷却效率。此外，结合智能控制算法，如机器学习技术，可以实现更精确和自适应的温度调节，提高系统的整体性能。同时，进一步研究用户舒适度、人体工学和生物相容性，也是将FTEC技术转化为下一代个性化热管理平台的关键。

总之，这项研究提出了一种新的FTEC平台，通过填充因子优化和被动热管理材料的集成，实现了在低功耗下高效的冷却性能。FTEC的紧凑设计、机械灵活性和良好的热电性能，使其成为可穿戴设备中理想的热管理解决方案。未来的研究将继续优化材料和结构，探索更高效的热电冷却技术，以满足不断增长的可穿戴电子设备需求。