KR101126392B1 - Autonomous garment with active thermal control and powered by solar cells - Google Patents

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KR101126392B1
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페르난도 안토니오 도스 산토스 시모에스
리카르도 파울로 파트리씨오 디아스
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액티브 스페이스 테크놀로지스, 액티비데이드스 에어로이스페시아이스, 엘디에이
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Abstract

The invention refers to an autonomous system and to a method that allows the active thermal control of garments using solar cells as the power source. In the simplest configuration, the system includes a piece of clothing with solar cells ( 1 ), a thermal module able to generate heat and cold ( 3, 4 , and 5 ), and a unit for controlling and monitoring the internal environment ( 6 ). In order to increase versatility and to optimize operation conditions, the system includes batteries ( 2 ) that can be charged by the solar cells or externally, increasing energy autonomy and improving performance in low radiation conditions. Proper distribution of electric resistors ( 3 ) and refrigeration pipes ( 7 ) allow a fine-tuning regulation of temperature inside the garment. The garment is developed not only for standard conditions but also for extreme heast and cold environments, being optimised wither for standard solar radiation or other relevant spectral source.

Description

전원용 태양 전지를 구비하고 능동적 열 제어가 가능한 독립적 의복{AUTONOMOUS GARMENT WITH ACTIVE THERMAL CONTROL AND POWERED BY SOLAR CELLS}AUTONOMOUS GARMENT WITH ACTIVE THERMAL CONTROL AND POWERED BY SOLAR CELLS}

본 발명은 전원용 태양 전지를 구비하며, 능동적 열 제어가 가능한 독립적 의복에 대한 것이다. The present invention relates to an independent garment having a solar cell for the power source and capable of active thermal control.

본 발명은 의류 분야 중 인텔리전트웨어(intelligent wear 또는 i-wear)로 알려진 각광받고 있는 부문에 해당한다. 이는 표준 조건뿐만 아니라 극도의 환경을 고려한 의복의 자동 온도 제어 시스템 및 방법에 대한 것이다. 또한, 본 발명은 액세서리가 부착된 안전조끼에 전력을 공급해주는 특별한 소자에 대해서도 언급한다. The present invention corresponds to the spotlight in the field of clothing known as intelligent wear (i-wear). This relates to automatic temperature control systems and methods for garments that take into account extreme conditions as well as standard conditions. The invention also refers to a special element for powering a safety vest with an accessory.

많은 특허가 본 발명과 관련되어 있다. 의복에 대한 가열 기술과 관련된 문서들은 다음과 같다: WO03059099, EP1197722, US2001047992, DE19835984, US5893991, US5643480, EP0287294, US4705935, FR2577390, US2003006229 및 열전 효과를 이용한 US4404460. 고체 연료 및 액체 연료를 언급한 FR2752363. 태양열판을 기술한 US6439942와 FR2577116. 마이크로덴드리틱(microdendritic) 태양열 집열기를 이용한 US4539714. 다른 문서들은 의복의 냉각 과정에 대한 것이다: DE19755181와 DE19749436은 플랙서블 스트라이프(flexible stripes)를 기술한다; GB2352385, US6125645, US5289695 및 US5111668은 적합한 재료를 포함한다; WO02067707, US6257011, FR2719892 및 US5217408은 팬에 의한 강제 통풍을 언급한다; US5438707는 팬과 압축 공기를 이용한다. US6134714, US2002073481, US2002069448, FR2756709, US5415222, US5263336 및 US3736764는 액체 냉각을 이용한다. US5755110 및 DE20011331은 열 교환 장비를 언급한다; US5386823은 통풍이 가능한 열 보호복을 기술한다. 이 외에도, 문서 DE19745889는 난방 및 냉방 효과를 위한 매트릭스 저항 소자(matrix resistors) 및 펠티에 셀(Peltier cells)을 포함하며, US5603648는 액세서리가 부착된 안전조끼에 대해 기술한다. Many patents are associated with the present invention. The documents relating to heating techniques for garments are as follows: WO03059099, EP1197722, US2001047992, DE19835984, US5893991, US5643480, EP0287294, US4705935, FR2577390, US2003006229 and US4404460 with thermoelectric effect. FR2752363 referring to solid fuels and liquid fuels. US6439942 and FR2577116 describing solar panels. US4539714 using a microdendritic solar collector. Other documents are about the cooling process of clothing: DE19755181 and DE19749436 describe flexible stripes; GB2352385, US6125645, US5289695 and US5111668 include suitable materials; WO02067707, US6257011, FR2719892 and US5217408 refer to forced draft by a fan; US5438707 uses fan and compressed air. US6134714, US2002073481, US2002069448, FR2756709, US5415222, US5263336 and US3736764 use liquid cooling. US5755110 and DE20011331 refer to heat exchange equipment; US5386823 describes a ventilated thermal protective suit. In addition, document DE19745889 contains matrix resistors and Peltier cells for heating and cooling effects, while US5603648 describes safety vests with accessories.

본 발명은 능동적 열 제어가 가능하고 태양 전지로 작동되며 표준 조건뿐 아니라 극도의 날씨 환경을 위해 디자인된 독립적 의복에 대한 것이다. 이하에서,“독립적(autonomous)”이란, 의복의 에너지 독립성과 휴대성을 보장하면서, 전선에 플러그를 꽂을 필요가 없는 것을 의미한다. 또한, “능동적 열 제어(active thermal control)”는 의복에서 열과 냉기를 발생시키며, 외부 환경과 착용자의 필요에 따라 내부 온도를 역동적으로 제어할 수 있는 능력을 말한다.The present invention is directed to independent garments capable of active thermal control and operated with solar cells and designed for extreme weather conditions as well as standard conditions. Hereinafter, "autonomous" means that there is no need to plug in the wires while ensuring energy independence and portability of the garment. "Active thermal control" also generates heat and cold in clothing, and refers to the ability to dynamically control the internal temperature according to the external environment and the needs of the wearer.

현재, 의복의 온도 제어를 제공하기 위한 몇 가지 방법이 있으며, 가열과 냉각의 두 다른 카테고리로 구분될 수 있다. 그러나, 이 두 가지 종류를 동시에 커버하는 특허는 거의 없다. Currently, there are several ways to provide temperature control of garments, which can be divided into two different categories: heating and cooling. However, few patents cover both kinds at the same time.

a) 가열 의복a) heating garment

일반적으로, 의복에 내장된 가열시스템은 옷에 열을 공급하기 위해 열전 효과를 이용한다. 배터리 또는 전선을 통해 제공된 전류는 주로 재킷 등의 의복 및 담요에 내장된 저항 소자에서 열로 변환된다. 이러한 기술은 특허 WO03059099, EP1197722, US2001047992, DE19835984, US5893991, US5643480, EP0287294, US4705935, FR2577390, US2003006229, US4404460에 기술되어 있다. 이들의 대부분은 특별한 섬유 또는 구조의 사용을 통해, 발생된 열을 유지하는 수단을 포함한다. 특허FR2752363은 열을 발생시키기 위해 엔진에 공급되는 고체 연료 및 액체 연료로 작동하는 가열시스템에 대해 언급한다. 특허US6439942와 FR2577116은 태양열판에 의해 작동하는 저항 소자를 통해 열이 발생하는 의복에 대해 기술한다. 특허 US4539714 및 그 특허의 인용문헌들은 옷에 직접 열을 발생시키는 마이크로덴드리틱(microdendritic) 태양열 집열기 사용에 대한 것이다. In general, a heating system embedded in a garment uses a thermoelectric effect to supply heat to clothes. The current provided through the battery or wire is converted into heat in resistive elements embedded in clothing and blankets, such as jackets. Such techniques are described in patents WO03059099, EP1197722, US2001047992, DE19835984, US5893991, US5643480, EP0287294, US4705935, FR2577390, US2003006229, US4404460. Most of these include means for maintaining the heat generated through the use of special fibers or structures. Patent FR2752363 refers to a heating system that operates on solid fuels and liquid fuels supplied to an engine to generate heat. Patents US6439942 and FR2577116 describe a garment in which heat is generated through a resistive element operated by a solar panel. Patent US4539714 and references in that patent relate to the use of microdendritic solar collectors that generate heat directly to clothes.

b) 냉각 의복b) cooling garment

이미 제시된 냉각 의복는 냉기를 발생시키기 위해 적합한 모양, 섬유 및 특별 소재, 자연 또는 강제 통풍, 냉각액 또는 증발과 같은 다른 기술들과 관련이 있다. 특허DE19755181와 DE19749436은 자연 통풍을 허용하는 플랙서블 스트라이프를 구비한 구성을 개시한다. 냉각 및 적합한 소재에서의 냉각에 의한 땀 제거 및 증발이 특허 GB2352385, US6125645, US5289695 및 US5111668에 개시되어 있다. 한편, 배터리에 의해 구동되는 소형 팬을 사용하거나 전선에 직접 연결된 강제 통풍시스템이 특허WO02067707, US6257011, FR2719892 및 US5217408에 기술되어 있다. 특허US5438707은 압축 공기와 팬을 사용한 냉각을 동시에 이용한다. 특허US6134714, US2002073481, US2002069448, FR2756709, US5415222, US5263336 및 US3736764은 의복에 내장된 파이프 내부에서 냉동액이 있어 증발을 통한 냉각을 허용하는 시스템 에 대해 설명한다. 특허US5755110은 열 흡수를 위해 특별 소재를 사용한 시스템을 기술하며, 특허DE20011331은 필요에 따라 여분의 열을 저장하고 방출하는 특별한 특성의 섬유 소재의 사용을 개시한다. 끝으로, 특허US5386823은 휴대성이 낮은 냉각 장치에 연결된 마스크를 구비한 통풍 의류와 관련된다. The cooling garments already presented relate to other technologies such as suitable shapes, fibers and special materials, natural or forced ventilation, coolant or evaporation to generate cold air. Patents DE19755181 and DE19749436 disclose configurations with flexible stripes that allow natural ventilation. Sweat removal and evaporation by cooling and cooling on suitable materials are disclosed in patents GB2352385, US6125645, US5289695 and US5111668. Meanwhile, forced ventilation systems using small fans driven by batteries or directly connected to the wires are described in patent WO02067707, US6257011, FR2719892 and US5217408. Patent US5438707 simultaneously uses compressed air and cooling with a fan. Patents US6134714, US2002073481, US2002069448, FR2756709, US5415222, US5263336 and US3736764 describe a system in which a freezing liquid is present inside a pipe embedded in a garment to allow cooling by evaporation. Patent US5755110 describes a system using a special material for heat absorption, and patent DE20011331 discloses the use of special properties of fiber material to store and release excess heat as needed. Finally, patent US5386823 relates to a ventilated garment having a mask connected to a low portability cooling device.

c) 가열 및 냉각 시스템 모두를 갖춘 의복 c) clothing with both heating and cooling systems;

가열 및 냉각 시스템과 그 방법에 대한 특허 및 문서는 다수이나, 오직 하나 만이 하나의 의복 내에 두 가지 기술 모두를 사용하는 것으로 알고 있다. 특허DE19745889은 전원, 즉, 전력선, 마찰차(friction wheel), 프로펠러로 구동되는 발전기 또는 배터리에 연결된, 가열을 위한 매트릭스 저항 소자 및 냉각을 위한 펠티에 소자를 구비한 의복을 개시한다. There are many patents and documents on heating and cooling systems and methods, but only one is aware of using both techniques in one garment. Patent DE19745889 discloses a garment having a matrix resistance element for heating and a Peltier element for cooling, connected to a power source, that is, a power line, a friction wheel, a generator or battery driven with a propeller.

d) 기타 응용들d) other applications

대부분의 문서들이 열 또는 냉기 발생에 대해 언급하고 있으나, 일부 의복은 다른 응용을 위한 액세서리를 포함하고 있다. 특허 US5603648은 몇몇 액세서리, 즉 광섬유 및 태양 전지에 의해 작동되는 LED, 열을 공급하기 위해 배터리에 의해 전원이 공급된 저항 소자 및 다른 신호발생용 및 생존용 계기를 구비한 안전 조끼에 대해 설명한다. 이는, 특히, 구출 작전 및 기타 위험한 임무에 유용하다. Most documents mention heat or cold generation, but some clothing includes accessories for other applications. Patent US5603648 describes a safety vest with several accessories, an LED driven by fiber optic and solar cells, a resistor powered by a battery to supply heat, and other signaling and survival instruments. This is particularly useful for rescue operations and other dangerous missions.

e) 전원의 독립성 e) power independence

시장에서 이용가능한 대부분의 독립적 시스템은 열 또는 냉기를 발생시키나 동일한 의복 내에 장착된 열 및 냉기 모두를 위한 해결책을 갖지는 않는다. 일부 에너지의 독립성을 위해 의류의 일부 작은 품목들에 배터리가 포함된다고 하더라 도, 상기 시스템의 대부분은 계속해서 전력선에 연결되어야만 한다. 따라서, 전력선에 연결된 시스템은 휴대가능하지도 않고 독립적이지 않으며, 배터리를 이용할 경우 독립성이 떨어진다. 따라서, 독립적인 옷은 크고 무거운 배터리를 필요로 하거나, 열주기 효율이 낮은 냉각법과 같은 열 제어 장치를 추가로 설치하는 것을 방지하며, 매우 낮은 전력을 이용해야만 한다. Most independent systems available on the market generate heat or cold but do not have a solution for both heat and cold mounted in the same garment. Although some small items of clothing contain batteries for some energy independence, most of the system must still be connected to the power line. Thus, a system connected to a power line is neither portable nor independent, and lacks independence when using batteries. Thus, independent clothing requires a large, heavy battery, or prevents the installation of additional thermal control devices, such as cooling methods with low thermal cycle efficiency, and must use very low power.

일부 작은 옷은, 옷에 열을 공급하기 위해 사용하는 저항 소자에 전원을 공급하기 위하여 태양 전지 또는 에너지 집열기를 사용한다. Some small garments use solar cells or energy collectors to power the resistive elements used to heat the garment.

f) 온도 자동 제어f) automatic temperature control

의복 내부 온도를 조절하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 이들 대부분은 수동적 방법을 사용하고 있다. 일부 방법이 플랙서블 스트라이프의 배향(orientation)처럼, 열 및 냉기의 흐름을 제어하는 메커니즘을 포함하고 있음에도, 가장 일반적인 방법은 팬처럼 계속적으로 열과 냉기를 방출한다. 그럼에도 불구하고, 보다 효과적인 방법은 열과 냉기의 흐름을 제어하기 위해 온도 장치를 켰다 껐다 하면서 온도를 조절하는 자동 온도 조절 장치를 사용하는 것이다. 이와 같은 조절 장치들은 단순히 열 발생을 위한 소스를 켰다 껐다 하는 데만 이용되기 때문에, 이제 까지는 정교한 알고리즘을 필요로 하지 않았다. 그러나, 능동적 열 제어가 가능한 시스템의 개발은 의복 내부의 열과 냉기를 보다 효율적으로 관리할 수 있게 해준다. There are many ways to control the temperature inside the garment, but most of them use manual methods. Although some methods include mechanisms to control the flow of heat and cold, such as the orientation of the flexible stripe, the most common method continues to emit heat and cold like a fan. Nevertheless, a more effective method is to use thermostats that control the temperature by turning the thermostat on and off to control the flow of heat and cold. These controls are simply used to turn the source for heat generation on and off, thus eliminating the need for sophisticated algorithms. However, the development of a system with active thermal control enables more efficient management of heat and cold inside the garment.

g) 결론 g) conclusion

오늘날, 의복 내에서 열과 냉기를 발생시키는 방법 및 해결책은 많은 수의 특허 및 기타 공개된 문서에서 알 수 있듯 아주 많다. 그러나, 이러한 방법들도 공통적으로 몇 가지 제약을 가지고 있다. Today, there are a number of methods and solutions for generating heat and cold in clothing, as can be seen in a number of patents and other published documents. However, these methods also have some limitations in common.

열 제어가 가능한 의복의 가장 큰 제약점은 발전(發電)과 관련이 있는데, 시스템이 상당량의 전력을 발생시킬 수 있더라도 휴대가 불가능하거나, 전력 공급이 독자적이더라도 발생되는 전력이 아주 적기 때문이다. The biggest limitation of thermally controlled clothing is power generation, because the system is capable of generating significant amounts of power, but is not portable, or generates very little power even when the power supply is independent.

이용가능한 대부분의 시스템은 가열 또는 냉각 장치를 구비하고 있지만, 주로 전력 제약성으로 인하여 상기 두 가지 방법을 하나의 의류에 제공하지는 못 한다.Most of the available systems have heating or cooling devices, but these two methods cannot be provided in a single garment, mainly due to power constraints.

의복에 상기 가열 및 냉각 장치 모두를 삽입하는 것은, 열 제어의 보다 효율적인 관리를 필요로 한다.Inserting both of the heating and cooling devices into the garment requires more efficient management of thermal control.

이제까지 주장된 모든 시스템 및 방법은 전력 독립성, 온도의 자동 제어, 냉각 및 가열사이클 및 휴대성 등의 특징들을 동시에 갖추고 있지 않다.  All systems and methods claimed so far do not have features such as power independence, automatic temperature control, cooling and heating cycles, and portability.

이제까지 주장된 모든 시스템들은 전력 공급의 독립성, 자동 온도 조절, 냉각 및 가열 사이클 및 휴대성과 같은 특징들을 한꺼번에 만족시키지 못 한다. 현재 이용가능한 냉각 의복은 시스템에 전력을 공급하기 위해 태양 전지를 사용하지 않는다. 가열을 위해 태양 전지를 포함하는 상기 두(two) 이용가능한 시스템은 태양복사만을 사용할 것을 주장한다. 현재 온도 제어를 제공하는 모든 방법들은 가열 장치 또는 냉각 장치 중 하나를 사용하나, 한 벌의 의류에 모든 해결책을 포함하지 않는다.All the systems ever claimed fail to satisfy features such as power supply independence, thermostats, cooling and heating cycles, and portability at once. Currently available cooling garments do not use solar cells to power the system. The two available systems that include solar cells for heating insist on using only solar radiation. Currently all methods of providing temperature control use either a heating device or a cooling device, but do not include all solutions in a set of clothing.

본 발명은 휴대성과 전력의 독립성의 한계를 저감시키고, 동일한 의류에서 가열 및 냉각의 열 주기를 허용한다. 본 발명의 주된 목표 중의 하나는 무게가 크게 증가하지 않으면서 이러한 제약점을 해결하는 것이다. 또한, 본 발명은 온도 분배 및 전원(電源) 관리를 위한 더 효과적인 방법을 제시한다.The present invention reduces the limits of portability and power independence and allows for heat cycles of heating and cooling in the same garment. One of the main objectives of the present invention is to solve this limitation without significantly increasing the weight. The present invention also proposes a more effective method for temperature distribution and power management.

의복에 기본적으로 사용되는 장치는 태양 전지, 배터리, 냉각 장치, 가열 장치, 능동적 열 제어기, 배선 그리드(wiring grid) 및 보조 장치를 포함한다.Basically used devices in garments include solar cells, batteries, cooling devices, heating devices, active thermal controllers, wiring grids and auxiliary devices.

태양 전지는 유연한 기판 내에 조립되며 특수 필터 또는 광학 부품을 포함할 수 있다. 태양 전지는 플라스틱 커버에 내장된 두 금속 호일의 두 얇은 층 사이에 샌드위치된 저렴한 실리콘 비즈(beads)로 만들어 진 유연한 기판을 사용한다. 상기 금속판은 물리적 강도를 더해주며 전기적 접촉으로서의 역할을 한다. 또한, 광에너지를 전기에너지로 최대 변환해 주는 파장은 다른 방사선 소스들과 맞춰지도록 시프트될 수 있다. 따라서, 태양 복사뿐 아니라, 형광등이나 화염과 같은 다른 에너지원(source)도 이용될 수 있다. The solar cell is assembled in a flexible substrate and may include special filters or optical components. The solar cell uses a flexible substrate made of inexpensive silicon beads sandwiched between two thin layers of two metal foils embedded in a plastic cover. The metal plate adds physical strength and serves as an electrical contact. In addition, the wavelength for the maximum conversion of light energy into electrical energy can be shifted to match other radiation sources. Thus, in addition to solar radiation, other energy sources such as fluorescent lights or flames can also be used.

의복 내에서의 배터리의 사용은 에너지를 저장하기 위해서뿐만 아니라 전력 안정화를 위해서 즉, 태양 전지에서 전력 과도현상이 발생된 때에도 편리하다. 신기술은 유연한 초박막 배터리 개발을 가능하게 하고, 직렬 또는 병렬 연결은 전력 저장을 200Wh/kg 이상까지 증가시킨다. 게다가, 박막 배터리는 쉽게 형태를 취할 수 있어서, 의복 내에서의 무게 분배가 가능하며 기판의 유연성은 인간공학적 설계를 가능하게 한다. The use of batteries in clothing is convenient not only for storing energy, but also for power stabilization, i.e. when power transients occur in solar cells. The new technology enables the development of flexible ultra-thin batteries, and the series or parallel connection increases power storage to over 200 Wh / kg. In addition, the thin film battery can be easily shaped, allowing weight distribution within the garment and the flexibility of the substrate allows for ergonomic design.

냉기를 발생시키기 위해 사용한 장치는 여러 기술을 사용한다. 펠티에 셀은 유사하지 않은 두 개의 금속으로 만들어졌으며, 폐회로에 직류 전압을 인가함은 두 금속의 접합점에서 온도 변화를 발생시킨다. 펠티에 셀은 이동 부품(moving parts)이 없고 가벼우며 어떠한 방향에도 사용할 수 있다. 더욱이, 상당한 온도차를 얻기 위해 적층될 수 있다. 성능 계수(COP)가 ~4인 소형화된 압축 냉각기도 이용가능하다. 따라서, 증기 압축 사이클은 의복에 냉각 프로세스를 제공하는 아주 효과적인 시스템이다. 또한, 유연한 얇은 파이프를 사용함으로써 의복에서의 열 흐름을 적절히 분배할 수 있게 된다.The apparatus used to generate cold air uses several techniques. The Peltier cell is made of two dissimilar metals, and applying a DC voltage to a closed circuit produces a temperature change at the junction of the two metals. Peltier cells are light, free of moving parts and can be used in any orientation. Moreover, it can be stacked to obtain a significant temperature difference. Miniaturized compression coolers with a coefficient of performance (COP) of ˜4 are also available. Therefore, the vapor compression cycle is a very effective system for providing a cooling process to the garment. In addition, the use of flexible thin pipes enables proper distribution of heat flow in the garment.

의복에 열을 공급하는 가장 효과적인 방법은 저항 소자를 통하여 전기 에너지를 열로 변환하는 것이다. 전기 저항 소자의 배선, 높은 유연성 및 가벼운 무게는 의복 내부에 열을 발생시키기 위한 보다 적합한 소자로서의 장점이다.The most effective way of supplying heat to clothing is to convert electrical energy into heat through resistive elements. The wiring, high flexibility and light weight of electrical resistive elements is an advantage as a more suitable device for generating heat inside garments.

의복 내에서의 적절한 열 제어는 능동 장치를 이용하는 것이 훨씬 효율적이다. 왜냐하면, 온/오프(on/off)시스템은 가열 및 냉각 사이클 모두를 동시에 사용하는 복합 시스템에서는 효과적이지 않기 때문이다. 반면, 본 명세서에 제시된 능동적 열 제어는 이상 언급된 사이클뿐 아니라 인체 활동, 외부 환경 및 미리 설정된 조건으로부터 산출된 변수를 사용한다. 따라서, 열 제어 장치는 정교한 알고리즘을 사용할 수 있다.  Proper thermal control in clothing is much more efficient using active devices. This is because on / off systems are not effective in complex systems that use both heating and cooling cycles simultaneously. On the other hand, the active thermal control presented herein uses variables calculated from human activities, external environment and preset conditions as well as the cycles mentioned above. Thus, the thermal control device can use sophisticated algorithms.

배선은 조립 과정에 있어서 중요한 문제이다. 태양 전지, 배터리, 저항 소자, 파이프의 유연성이 클 지라도, 의복의 접합 부위 중 일부, 즉 몸의 관절 부분과 관련된 부분에서 발생하는 스트레스와 피로를 연구하는 것이 기본이다. Wiring is an important issue in the assembly process. Although the flexibility of solar cells, batteries, resistors, and pipes is large, it is fundamental to study the stresses and fatigue that occur at some of the garment's junctions, which are related to the joints of the body.

의복에 일부 유용한 전력이 있기 때문에, 노트북이나 핸드폰, 오디오 기기, 기타 낮은 전압을 사용하는 전기기구 등의 외부장치에 전원을 공급할 수 있도록 보조 플러그를 구비할 수 있다. Because of the apparel's useful power, an auxiliary plug can be provided to power external devices such as laptops, cell phones, audio equipment, and other low-voltage appliances.

도 1은 전원 공급, 가열, 냉각 및 전체 시스템을 제어하는 일부 장치를 구비한 한 벌의 의류를 나타낸다. 1 shows a set of garments with some devices for powering, heating, cooling and controlling the entire system.

도 2는, 일례로서, 표면에 태양 전지가 나타내어진 유니폼을 나타낸다. 2 shows, as an example, a uniform in which a solar cell is shown on its surface.

단순하게 구성하는 경우, 시스템은 한 벌 또는 여러 벌의 의복, 태양 전지(1), 배터리(2), 저항 소자 회로(3), 냉각 장치(4), 자동 열 제어기(6)를 포함한다. 가열 및 냉각을 위해 이용될 수 있는 저항 소자 및 냉각 장치와 함께 또는 대신하여 펠티에 셀(5)을 이용한다. 셀 내에 흐르는 전류의 방향을 단순히 변경함에 의해 펠티에 셀이 같은 장치에서 열을 공급하거나 제거할 수 있기 때문에, 의복의 다목적성을 높여준다. 태양 전지는 전자기 복사를 전력으로 변환하여 전기 장치에 전원을 공급한다. 저항 소자와 냉각 파이프(7)의 분포는, 의복에서 열을 공급하거나 제거하기 위하여, 인체의 필요에 따라 조정된다. 상기 열 장치는, 상기 의복 내부의 온도가, 대사활동 기능, 기후 조건, 통기성있는 원단 재질 및 착용자가 미리 설정해 놓은 값일 수 있는 선택된 범위 내에서 유지되는 것을 보장한다. 또한, 특정 알고리즘이 상기 열 제어 장치를 개관하고 의복 내부의 가열과 냉각 조작을 관리한다. 배터리는 시스템에서 두 다른 목적을 갖는다. 첫째, 전력 발생에 있어서 큰 변화가 있는 경우, 전력 소비를 안정화하기 위해 이용된다. 둘째, 복사에너지 레벨이 낮거나 더 이상 유용하지 않은 경우, 에너지 독립성을 증가시키기 위해 여분의 전력을 공급하고 에너지를 저장하는데 배터리가 이용된다. In a simple configuration, the system comprises one or several garments, a solar cell 1, a battery 2, a resistor element circuit 3, a cooling device 4, an automatic thermal controller 6. The Peltier cell 5 is used with or in place of a resistive element and a cooling device that can be used for heating and cooling. By simply changing the direction of the current flowing in the cell, the Peltier cell can supply or remove heat from the same device, thus increasing the versatility of the garment. Solar cells convert electromagnetic radiation into electrical power to power electrical devices. The distribution of the resistance element and the cooling pipe 7 is adjusted according to the needs of the human body in order to supply or remove heat from the garment. The thermal device ensures that the temperature inside the garment is maintained within a selected range, which may be a metabolic function, climatic conditions, breathable fabric material, and preset values by the wearer. In addition, specific algorithms outline the thermal control device and manage heating and cooling operations inside the garment. Batteries serve two different purposes in the system. First, when there is a large change in power generation, it is used to stabilize power consumption. Second, when radiation levels are low or no longer useful, batteries are used to provide extra power and store energy to increase energy independence.

a) 태양 전지a) solar cell

태양 전지는 복사에너지를 흡수하고 이를 전기로 변환하여, 제어되고 있는 장비에 공급한다. 상기 발생된 전력은 배터리에도 저장될 수 있다. 태양 전지는 의복의 외부 활성층이며, 유연해야 하며, 장시간 굽힘으로 인한 스트레스가 낮아야 한다. 게다가, 태양 전지는 양질의 배선 특성을 가져야 한다. Solar cells absorb radiant energy, convert it into electricity, and supply it to the equipment being controlled. The generated power may also be stored in the battery. The solar cell is the outer active layer of the garment, must be flexible and have low stress due to prolonged bending. In addition, solar cells should have good wiring characteristics.

태양 전지는 기후에 의한 손상을 막기 위해 가시적인 외부층으로 덮여있어야 한다. 이 층은 얇고 유연하며 가시복사에 투명해야 한다. Solar cells must be covered with a visible outer layer to prevent weather damage. This layer should be thin, flexible and transparent to visible radiation.

태양 전지의 전체 전력 효율성은, 상기 열 장치에 에너지를 충분히 공급할 수 있도록 10%이상이어야 한다. 상기 수치는 유연성을 가진 태양 전지에 대한 이 시점에서의 기술적 수준에서의 효율이다.The overall power efficiency of the solar cell should be at least 10% to provide sufficient energy to the thermal device. The figure is the efficiency at the technical level at this point for a flexible solar cell.

태양 전지는 유용한 영역을 최대화하기 위해, 의복 외부층을 가능한 많이 덮는다. 단, 어깨, 팔꿈치 및 무릎과 같은 특별한 인체 관절 부위는 태양 전지에 손상을 줄 수 있기 때문에, 의복 내의 구부림의 강도가 센 이음 부분에는 태양 전지를 설치하지 않는다. 특수 배선이, 모든 장치에 전력을 배분하고 신호를 제어하는 전기 버스 커넥터(electric bus connector) 및 전체 그리드에 있어서의 태양 전지를 서로 연결하는데 이용된다. Solar cells cover as much of the outer layer of clothing as possible to maximize the useful area. However, special human joints such as shoulders, elbows and knees can damage the solar cells, so do not install solar cells in the joints where the strength of the bend in the garment is strong. Specialty wiring is used to connect the solar cells in the entire grid and electric bus connectors that distribute power and control signals to all devices.

b) 배터리 b) battery

배터리는 태양 전지나 전선에 의해 공급된 에너지를 저장한다. 배터리의 주 된 기능은 에너지를 저장하고 전력을 안정화하는 것이다. Batteries store energy supplied by solar cells or wires. The main function of the battery is to store energy and stabilize the power.

배터리는 얇고 가벼우며, 유연하고 충전 가능해야하며, 장시간에 걸친 구부림으로 인한 스트레스가 적어야 한다. 이 시점에서의 유연한 배터리는 200Wh/kg까지 허용하여, 이는 최소한의 가열 및 냉각에 필요한 3시간의 독립을 허용한다. 배터리층은 의복 내에 내장되며, 태양 전지와 동일하게 굽힘에 대한 제약을 갖는다. 배터리는, 모든 장치에 전력을 배분하고 신호를 제어하는 전기 버스 커넥터에 연결된다. Batteries should be thin, light, flexible, rechargeable, and less stressed over long periods of bending. The flexible battery at this point allows up to 200 Wh / kg, which allows for three hours of independence for minimal heating and cooling. The battery layer is embedded in the garment and has the same restrictions on bending as solar cells. The battery is connected to an electrical bus connector that distributes power to all devices and controls the signals.

c) 가열 사이클 c) heating cycle

의복은 열을 공급하는 두 가지 다른 시스템을 갖는다. 의류를 따뜻하게 하는 가장 효율적인 방법은 저항 소자를 사용하는 방법이며, 다른 방법은 펠티에 셀을 이용하는 것이다.Clothing has two different systems for supplying heat. The most efficient way to warm clothes is to use a resistive element, and another way is to use Peltier cells.

저항 소자는 얇고 유연하며 가벼워야 한다. 게다가, 장시간 굽힘에 대한 스트레스가 작아야 하며, 양호한 배선 커넥터를 가져야 한다. 의복 내부의 저항 소자 분포 및 배선 그리드는 의복 내부에 알맞은 열 흐름을 제공하도록 선택된다. 또한, 저항 소자 일부는 독립적으로 열을 공급할 수 있기 때문에, 필요한 경우 에너지의 균형 분포를 허용한다. 예를 들어, 이러한 기술은 가슴과 팔, 다리 부위에 에너지 분배를 달리할 수 있다. 저항 소자 층은 의복에 내장되어 있으며 원단에 직접 포함될 수도 있다. The resistive element should be thin, flexible and light. In addition, the stress on bending for a long time should be small and have a good wiring connector. The resistive element distribution and wiring grid inside the garment are selected to provide adequate heat flow inside the garment. In addition, some of the resistive elements can supply heat independently, allowing for a balanced distribution of energy if necessary. For example, this technique can vary energy distribution to the chest, arms, and legs. The resistive element layer is embedded in the garment and may be included directly in the fabric.

펠티에 셀은 가열 및 냉각 모두에 사용되며, 의복에 또한 내장되어 있다. 이러한 특성 때문에 높은 열관성에 영향받기 쉬운 의복의 영역에 대해 펠티에 셀이 유용하다. 반면, 펠티에 셀이 저항 소자보다 무겁기 때문에, 의류에서의 무게를 균등히 하기 위해 적절히 분배되어 있다.Peltier cells are used for both heating and cooling and are also embedded in clothing. These properties make Peltier cells useful for areas of clothing susceptible to high thermal inertia. On the other hand, since the Peltier cells are heavier than the resistive elements, they are appropriately distributed to equalize the weight in the garment.

저항 소자와 펠티에 셀은, 모든 장치에 전력을 배분하고 신호를 제어하는 상기 전기 버스 커넥터에 연결된다.The resistive element and the Peltier cell are connected to the electrical bus connector which distributes power to all devices and controls the signal.

d) 냉각 사이클d) cooling cycle

높은 성능 계수(COP)를 갖는 소형화된 냉각 사이클의 이용은 의복에 냉각 시스템을 제공하기에 적합한 방법이다. 유연한 얇은 파이프의 이용은 의복 내부에 온도를 적절히 분배해주는 데 효과적이다. 지름이 다른 튜브의 사용과 파이프 분배는, 파이프에 서로 다른 유체의 흐름과 밸브를 사용함으로써 불균등하게 냉기를 분배한다. The use of miniaturized cooling cycles with high coefficient of performance (COP) is a suitable method for providing a cooling system in a garment. The use of flexible thin pipes is effective for the proper distribution of temperature inside the garment. The use of tubes of different diameters and pipe distribution distributes cold air unevenly by using different flows of fluid and valves in the pipe.

냉각 사이클 시스템은 모든 장치에 전력을 배분하고 신호를 제어하는 상기 전기 버스 커넥터에 연결된다.The cooling cycle system is connected to the electrical bus connector which distributes power to all devices and controls the signals.

e) 온도 조절기e) thermostat

의복의 온도 조절을 위해 이제까지 사용된 간단한 자동 온도 조절 장치는 유용하기는 하나, 좀 더 진보된 시스템에 대해서는 단순 온/오프 제어 방식이 적합하지 않기 때문에 효율적이지 못 하다. 따라서, 프로그래밍이 가능한 마이크로 컨트롤러를 사용한다. 온도 관리는 센서 신호, 사용자가 설정한 세팅, 피드백 조건 및 장치 성능 모니터링 수치와 같은 몇몇 중요한 입력 값을 포함한다. Simple thermostats used so far for temperature control of garments are useful, but they are not efficient because simple on / off control is not suitable for more advanced systems. Therefore, use a programmable microcontroller. Temperature management includes some important input values, such as sensor signals, user-set settings, feedback conditions, and device performance monitoring figures.

의복 온도, 외부 환경 조건 및 착용자의 인체 온도를 모니터링하는 온도 센서(즉, 온도계)를 이용하는 것은 유용한 정보를 제공한다.Using temperature sensors (ie, thermometers) to monitor clothing temperature, external environmental conditions, and the wearer's body temperature provides useful information.

인체에서의 열 흐름 발생 및 분배를 나타내는 모델이 포함된다. 열 흐름 레벨은 인체 활동과 같은 생리적 파라미터 및 기후 조건의 함수이다.  Models representing heat flow generation and distribution in the human body are included. Heat flow levels are a function of physiological parameters such as human activity and climatic conditions.

센서, 장치 상태, 인체 활동 모델, 기후 파라미터 및 미리 설정된 조건과 관련된 모든 정보를 처리하기 위해 특별한 알고리즘이 개발되었다. 상기 알고리즘은 의복 내의 온도를 조사하고 분석하며, 열 및 냉기의 생성을 조절하며, 미리 설정된 열 완화 조건(thermal preset comfort conditions)을 보존하는 마이크로 컨트롤러 장치에서 수행된다. 마이크로 컨트롤러는, 모든 장치들 및 부가장치들을 관리하면서, 상기 의복을 제어하기 위해 신호 및 전력 분배를 제공하는 상기 전기 버스 커넥터에 연결된다. Special algorithms have been developed to process all information related to sensors, device status, human activity models, climate parameters and preset conditions. The algorithm is performed in a microcontroller device that investigates and analyzes the temperature in the garment, regulates the production of heat and cold, and preserves thermal preset comfort conditions. The microcontroller is connected to the electrical bus connector that provides signal and power distribution to control the garment, while managing all devices and accessories.

f) 기타 응용기기f) other applications

의복에서 발생한 전력은 다른 목적, 특히, 노트북이나 오디오 기기, 위치 확인 시스템, 핸드폰, 디지털 카메라 및 신호발생 및 경고 장치 등과 같은 소형 응용기기에 에너지를 공급하는 목적으로 사용될 수 있다. 소형 응용기기는, 모든 장치에 전력 분배를 제공하는 상기 전기 버스 커넥터에 연결된다. The power generated from clothing can be used for other purposes, in particular for energying small applications such as laptops, audio equipment, positioning systems, cell phones, digital cameras and signaling and warning devices. Small applications are connected to the electrical bus connector providing power distribution to all devices.

g) 결론g) conclusion

본 발명은 다음과 같은 특징에 있어서 독특하다. The present invention is unique in the following features.

1. 의복 내에 가열과 냉각 사이클 모두를 가지고 있으며, 자동 열 제어가 가능하다. 1. The garment has both heating and cooling cycles, with automatic thermal control.

2. 태양 전지는 가열 및 냉각 장치에 전력을 공급하는데 이용된다. 2. Solar cells are used to power heating and cooling devices.

3. 상기 의복은 태양열 이외에 화염 가시복사열과 같은 다른 스펙트럼 에너 지원을 사용할 수 있다. 3. The garment may use other spectral energy support such as flame visible radiation in addition to solar heat.

능동적인 가열 및 냉각 온도 조절을 동시에 제공하는 본 발명은 다양한 기후 조건에 적용될 수 있으며, 다른 의류 타입, 즉 재킷 및 유니폼(도 1 및 도 2)에 포함될 수 있다. 상기 시스템은 인공 조명(예. 램프)과 같은 다른 복사 에너지원이 존재하는 경우 태양복사 없이도 작동할 수 있다. 특별히 유용한 상황이 화염 방사에 의해 제공되어서, 전기로 변환될 수 있고, 소방수 제복을 냉각시키는데 이용될 수 있다.The invention, which simultaneously provides active heating and cooling temperature control, can be applied to a variety of climatic conditions and can be included in other clothing types, ie jackets and uniforms (FIGS. 1 and 2). The system can operate without solar radiation in the presence of other sources of radiant energy, such as artificial lighting (eg lamps). Particularly useful situations are provided by flame radiation, which can be converted to electricity and used to cool firefighter uniforms.

여러 의복들이 외부 기후 조건을 모니터링하는 센서, 통신 및 위치 확인 장치, 및 발광 및 음향 신호 장치를 포함할 수 있다. 이런 종류의 센서와 간단한 장치들은 극도의 조건 및 인구 밀도가 희박한 주거 영역, 즉 사막, 극 지방 및 산악지방에서 특히 중요하다.Various garments may include sensors to monitor external weather conditions, communication and positioning devices, and luminescent and acoustic signaling devices. Sensors of this kind and simple devices are particularly important in residential areas with extreme conditions and sparsely populated densities such as deserts, polar regions and mountainous regions.

본 발명의 추가적 응용은 노트북, 핸드폰 및 오디오 플레이어와 같은 작은 휴대용 전기 장치들에 에너지를 공급하기 위한 태양 전지의 이용과 관련된다. Further applications of the present invention relate to the use of solar cells to energize small portable electrical devices such as laptops, cell phones and audio players.

Claims (11)

전원용 태양 전지를 구비하고 능동적 열 제어가 가능한 독립적 의복으로서, As an independent garment with a solar cell for the power source and active thermal control, 복사 에너지를 흡수해서 전기 에너지로 변환하는 태양 전지(1); A solar cell 1 that absorbs radiant energy and converts it into electrical energy; 태양 전지에 전기 버스 커넥터를 매개로 연결되어 태양 전지에 의해 공급된 전기 에너지를 저장하는 배터리(2); A battery 2 connected to the solar cell via an electrical bus connector to store electrical energy supplied by the solar cell; 태양 전지 및 배터리에 전기 버스 커넥터를 매개로 연결되어 태양 전지 또는 배터리로부터 전력을 공급받아 전기 에너지를 열로 변환하여 의복에 열을 공급하는 저항 소자(3); A resistance element (3) connected to the solar cell and the battery via an electric bus connector and receiving power from the solar cell or the battery to convert electrical energy into heat to supply heat to the garment; 태양 전지 및 배터리에 전기 버스 커넥터를 매개로 연결되어 태양 전지 또는 배터리로부터 전력을 공급받아 증기 압축 사이클을 이용해서 의복에 냉기를 공급하는 냉각 장치(4); A cooling device (4) connected to the solar cell and the battery via an electric bus connector to receive electric power from the solar cell or the battery and to supply cold air to the garment using a vapor compression cycle; 태양 전지 및 배터리에 전기 버스 커넥터를 매개로 연결되어 태양 전지 또는 배터리로부터 전력을 공급받아 의복에 열 및 냉기를 공급하는 펠티에 셀(Peltier cells)(5); 및Peltier cells (5) connected to the solar cell and the battery via an electric bus connector to supply power and heat to the garment by receiving power from the solar cell or the battery; And 태양 전지, 배터리, 저항 소자, 냉각 장치, 및 펠티에 셀에 전기 버스 커넥터를 매개로 연결되어 열 및 냉기의 생성을 조절하는 마이크로 컨트롤러(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적 의복.An independent garment comprising a solar controller, a battery, a resistor, a cooling device, and a microcontroller (6) connected to the Peltier cell via an electrical bus connector to regulate the generation of heat and cold. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 태양 전지는 상기 의복의 바깥 층에 있는 것을 특징으로 하는 독립적 의복. And the solar cell is on the outer layer of the garment. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 배터리는 상기 의복에 내장되는 것을 특징으로 하는 독립적 의복.And the battery is embedded in the garment. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 저항 소자는 상기 의복 내에 내장되고 열의 전달을 위해 상기 의복 내에 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 독립적 의복.And wherein said resistive element is embedded within said garment and distributed within said garment for heat transfer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 펠티에 셀은 상기 의복 내에 내장되고 열 및 냉기를 생성하기 위해 상기 의복 내에 분포되는 것을 특징으로 하는 독립적 의복.And said Peltier cell is embedded within said garment and distributed within said garment to produce heat and cold. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉각 장치는 냉기의 전달을 위해 상기 의복 내에 분포된 파이프들을 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적 의복.And said cooling device comprises pipes distributed in said garment for delivery of cold air. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전기 버스 커넥터에 연결된 전원 플러그, 위치확인 시스템, 조명 및 음향 신호 응용기기들, 열 센서들 중 적어도 하나의 매커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 독립적 의복.And at least one mechanism of power plugs, positioning systems, lighting and acoustic signal applications, thermal sensors connected to the electrical bus connector. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 의복의 능동적 열 제어를 위해, 상기 전기 버스 커넥터를 통해, 태양 전지, 배터리, 저항 소자, 냉각 장치, 및 펠티에 셀에 연결되는 것을 특징으로 하는 독립적 의복.And the microcontroller is connected to a solar cell, a battery, a resistive element, a cooling device, and a Peltier cell via the electrical bus connector for active thermal control of the garment. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 의복은 소방수 제복이고,The garment is a firefighter uniform, 상기 태양 전지는 화염 방사를 전력으로 전환하는 것을 특징으로 하는 독립적 의복.And said solar cell converts flame radiation into electric power. 삭제delete
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