IT201800010879A1 - Portable thermoelectric unit for regulating the body microclimate - Google Patents
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Description
"Unità portatile termoelettrica per la regolazione del microclima corporeo" "Portable thermoelectric unit to adjust body's microclimate" "Portable thermoelectric unit to adjust body's microclimate"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD
La presente invenzione si riferisce a un'unità portatile termoelettrica per aumentare il comfort di un utente, secondo un esempio non limitativo, in indumenti per resistere a temperature elevate, come una tuta ignifuga per un pilota automobilistico. The present invention relates to a thermoelectric portable unit for increasing the comfort of a user, according to a non-limiting example, in garments to withstand high temperatures, such as a fireproof suit for an automobile driver.
STATO DELL'ARTE STATE OF THE ART
Un utente può essere esposto a condizioni climatiche estreme ed è sentita l'esigenza di fornire un ausilio portatile che consenta di ridurre l'impatto di tali condizioni sia per riscaldare che per raffrescare l'utente a seconda della situazione. E' noto fornire dispositivi riscaldanti ma sono meno diffuse le possibilità di fornire un raffrescamento. A user can be exposed to extreme climatic conditions and the need is felt to provide a portable aid that allows to reduce the impact of these conditions both for heating and for cooling the user according to the situation. It is known to provide heating devices but the possibilities of providing cooling are less widespread.
SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE PURPOSE AND SUMMARY OF THE INVENTION
Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un'unità portatile termoelettrica che consenta di regolare la temperatura percepita dall'utente e sia, allo stesso tempo, efficiente e compatta. The object of the present invention is to provide a portable thermoelectric unit which allows to regulate the temperature perceived by the user and is, at the same time, efficient and compact.
Lo scopo della presente invenzione è raggiunto da un'unità termoelettrica portatile avente una faccia verso il corpo comprendente: The object of the present invention is achieved by a portable thermoelectric unit having a face towards the body comprising:
- almeno uno strato flessibile comprendente un tessuto o tessuto non tessuto e / o una membrana polimerica rivolto verso il corpo; - at least one flexible layer comprising a fabric or non-woven fabric and / or a polymeric membrane facing the body;
- un involucro avente un'area termicamente attiva e fissato ad una faccia distale dello strato opposta alla faccia verso il corpo in modo che l'area termicamente attiva sia in scambio termico con lo strato; - a casing having a thermally active area and fixed to a distal face of the layer opposite the face towards the body so that the thermally active area is in heat exchange with the layer;
- un dispositivo termoelettrico a pompa di calore alloggiato nell'involucro e configurato per generare o assorbire calore attraverso l'area termicamente attiva e lo strato; - a thermoelectric heat pump device housed in the envelope and configured to generate or absorb heat through the thermally active area and the layer;
- una ventola alloggiata nell'involucro e affiancata al dispositivo termoelettrico; - a fan housed in the casing and placed side by side with the thermoelectric device;
- un canale nell'involucro affiancato al dispositivo termoelettrico per ricevere attraverso il dispositivo termoelettrico un flusso d'aria generato dalla ventola e guidare detto flusso verso un'apertura distale dalla ventola; - a channel in the casing adjacent to the thermoelectric device for receiving through the thermoelectric device a flow of air generated by the fan and guiding said flow towards an opening distal from the fan;
- uno scambiatore di calore collegato al dispositivo termoelettrico da parte opposta dell'area termicamente attiva in modo da ricevere il flusso d'aria generato dalla ventola verso il canale. - a heat exchanger connected to the thermoelectric device on the opposite side of the thermally active area so as to receive the air flow generated by the fan towards the duct.
Tale unità è compatta e leggera. Inoltre, è incrementata l'efficienza poiché sono distanziati fra loro la ventola e l'apertura distale tramite il canale che conduce l'aria dal dissipatore all'apertura distale. In questo modo l'aria smaltita tramite l'apertura distale non viene ri-aspirata dalla ventola. A tal riguardo, il condotto presenta una lunghezza minima almeno pari a 3 volte il diametro di una girante del ventola. This unit is compact and lightweight. In addition, efficiency is increased as the fan and the distal opening are spaced apart via the channel that conducts air from the heatsink to the distal opening. In this way the air discharged through the distal opening is not re-aspirated by the fan. In this regard, the duct has a minimum length equal to at least 3 times the diameter of a fan impeller.
Secondo una forma di realizzazione preferita, l'involucro è sostanzialmente appiattito e oblungo in modo da mantenere affiancati e sostanzialmente allineati lungo il suo asse la ventola, lo scambiatore di calore e il flusso di aria, e consente altresì di convogliare in direzione ortogonale al suo asse i flussi di aria entrante ed uscente. According to a preferred embodiment, the casing is substantially flattened and oblong so as to keep the fan, the heat exchanger and the air flow side by side and substantially aligned along its axis, and also allows it to be conveyed in a direction orthogonal to its axis. axis the flows of incoming and outgoing air.
La forma appiattita e oblunga è compatta e consente all' unità di essere montabile ad esempio in imbottiture di indumenti. The flattened and oblong shape is compact and allows the unit to be mountable for example in garment padding.
Secondo una forma di realizzazione preferita, l'involucro è morbido ed elasticamente deformabile a mano, ad esempio realizzato comprendendo un materiale polimerico a base di silicone o di poliuretano termoplastico. According to a preferred embodiment, the casing is soft and elastically deformable by hand, for example made by comprising a polymeric material based on silicone or thermoplastic polyurethane.
In questo modo, l'involucro definisce forme precise, e.g. il condotto, l' alloggiamento per la ventola e il dispositivo termoelettrico, almeno in condizione indeformata e consente di assorbire urti o seguire la posizione del corpo mantenendo un comfort elevato dell'utente. In this way, the envelope defines precise shapes, e.g. the duct, the housing for the fan and the thermoelectric device, at least in an undeformed condition and allows to absorb shocks or follow the position of the body while maintaining a high level of comfort for the user.
Secondo una forma preferita di realizzazione, il canale comprende uno o più distanziali disposti in una posizione trasversale del canale per evitare o limitare collassi del canale in caso di carichi applicati aventi una componente parallela a un'altezza della sezione trasversale del canale. According to a preferred embodiment, the channel comprises one or more spacers arranged in a transverse position of the channel to avoid or limit collapses of the channel in the event of applied loads having a component parallel to a height of the cross section of the channel.
Secondo una forma preferita di realizzazione, l'involucro definisce un'apertura d'aspirazione per alimentare la ventola, l'apertura d'aspirazione e l'apertura distale essendo entrambe disposte su una faccia dell'involucro opposta a quella dell'area termicamente attiva. According to a preferred embodiment, the casing defines a suction opening for supplying the fan, the suction opening and the distal opening being both arranged on a face of the casing opposite to that of the thermally active area. .
Essendo progettato per l'interazione con un utente dalla parte dell'area termicamente attiva, la zona più favorevole per lo scambio di flussi d'aria è quella opposta alla faccia rivolta verso il corpo. Being designed for interaction with a user from the side of the thermally active area, the most favorable area for the exchange of air flows is the one opposite the face facing the body.
Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, un indumento comprende l'unità termoelettrica come descritta nei paragrafi precedenti, in cui l'involucro è disposto in un tessuto multistrato (cosiddetto "compound") oppure in un'imbottitura delimitato verso l'esterno da uno strato tessile. Preferibilmente, l'indumento è una tuta ignifuga, ad esempio una tuta per un pilota da corsa automobilistica, e il dispositivo termoelettrico è configurato per assorbire calore tramite la superficie termicamente attiva. According to a preferred embodiment of the present invention, a garment comprises the thermoelectric unit as described in the previous paragraphs, in which the wrapping is arranged in a multilayer fabric (so-called "compound") or in a padding delimited towards the outside. from a textile layer. Preferably, the garment is a flame retardant suit, for example a suit for an automobile racing driver, and the thermoelectric device is configured to absorb heat via the thermally active surface.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
La presente invenzione verrà descritta qui di seguito mediante alcune forme di realizzazione preferite, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati. Questi disegni illustrano differenti aspetti ed esempi della presente invenzione e, dove appropriato, strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento simili. The present invention will be described hereinafter by means of some preferred embodiments, provided by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings. These drawings illustrate different aspects and examples of the present invention and, where appropriate, similar structures, components, materials and / or elements in different figures are indicated by similar reference numerals.
In particolare: In particular:
- la figura 1 si riferisce a una sezione longitudinale schematica di un'unità termoelettrica secondo la presente invenzione; e Figure 1 refers to a schematic longitudinal section of a thermoelectric unit according to the present invention; And
- la figura 2 si riferisce a una vista prospettica esplosa di una forma di realizzazione dell' unità schematizzata in figura 1; Figure 2 refers to an exploded perspective view of an embodiment of the unit schematized in Figure 1;
- la figura 3 è una vista prospettica dal basso dell' unità termoelettrica di figura 2; Figure 3 is a perspective view from below of the thermoelectric unit of Figure 2;
- la figura 4 è un grafico che illustra risultati sperimentali dell' andamento della temperatura dell'area termicamente attiva a seguito di un ciclo di incremento e decremento della potenza elettrica di alimentazione; e Figure 4 is a graph illustrating experimental results of the temperature trend of the thermally active area following a cycle of increasing and decreasing the electric power supply; And
- la figura 5 è un grafico che illustra risultati sperimentali di stabilizzazione nel tempo della temperatura a tensione costante di alimentazione del dispositivo termoelettrico. Figure 5 is a graph illustrating experimental results of stabilization over time of the constant voltage supply temperature of the thermoelectric device.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In figura 1 è indicata con 1 nel suo insieme un'unità termoelettrica comprendente uno strato flessibile 2 ad esempio comprendente un tessuto atto in uso a essere rivolto verso un utente e, preferibilmente, a contatto con la pelle dell'utente, un involucro 3 elasticamente deformabile per aumentare il comfort mentre l'utente è in movimento portando con sé l'unità termoelettrica 1, un dispositivo termoelettrico 4 all'interno dell'involucro 3 per assorbire da o cedere calore verso l'utente, una ventola 5 all'interno dell'involucro 3 per generare una portata d'aria in scambio termico con il dispositivo termoelettrico 4 e interna all'involucro 3, e un canale 6 disposto a valle del dispositivo termoelettrico 4 per convogliare la portata d'aria in una zona distale a quella di aspirazione della ventola 5. In Figure 1, the number 1 indicates as a whole a thermoelectric unit comprising a flexible layer 2 for example comprising a fabric suitable in use to be turned towards a user and, preferably, in contact with the user's skin, a casing 3 elastically deformable to increase comfort while the user is in motion carrying with him the thermoelectric unit 1, a thermoelectric device 4 inside the casing 3 to absorb from or transfer heat to the user, a fan 5 inside the casing 3 to generate an air flow in heat exchange with the thermoelectric device 4 and inside the casing 3, and a channel 6 arranged downstream of the thermoelectric device 4 to convey the air flow in a zone distal to that of fan suction 5.
Inoltre, Tunità 1 comprende un dissipatore 7 interno all'involucro 3 e disposto fra la ventola 5 e il canale 6 per essere attraversato dalla portata d'aria e aumentare l'efficienza del dispositivo termoelettrico 4. Il dissipatore 7 opera quando il dispositivo termoelettrico raffresca il corpo; più in generale è associato al dispositivo termoelettrico uno scambiatore di calore aria-solido ad esempio ad alette. Furthermore, the unit 1 comprises a heatsink 7 inside the casing 3 and arranged between the fan 5 and the channel 6 to be crossed by the air flow and increase the efficiency of the thermoelectric device 4. The heatsink 7 operates when the thermoelectric device cools the body; more generally, an air-solid heat exchanger, for example with fins, is associated with the thermoelectric device.
In particolare, il dispositivo termoelettrico 4 è una pompa di calore allo stato solido, e.g. una cella di Peltier, e viene alimentata da corrente continua e, secondo una prima polarità, una faccia 8 del dispositivo termoelettrico 4 rivolta verso l'utente assorbe calore e produce una sensazione di raffrescamento; e secondo una polarità opposta la faccia 8 cede calore e produce una sensazione di riscaldamento per l'utente. Conseguentemente, una faccia del dispositivo termoelettrico 4 contrapposta alla faccia 8 e disposta in scambio termico con il dissipatore 7 innalza la propria temperatura rispetto alla faccia 8 quando l'alimentazione è secondo la prima polarità; e tale faccia con lo scambiatore di calore 7 hanno una temperatura inferiore rispetto a quella della faccia 8 quando la polarità si inverte. In particular, the thermoelectric device 4 is a solid state heat pump, e.g. a Peltier cell, and is powered by direct current and, according to a first polarity, a face 8 of the thermoelectric device 4 facing the user absorbs heat and produces a cooling sensation; and according to an opposite polarity the face 8 releases heat and produces a sensation of heating for the user. Consequently, a face of the thermoelectric device 4 opposed to the face 8 and arranged in heat exchange with the dissipator 7 raises its own temperature with respect to the face 8 when the power supply is according to the first polarity; and this face with the heat exchanger 7 have a lower temperature than that of the face 8 when the polarity is reversed.
La ventola 5 è preferibilmente una ventola radiale e genera una portata d'aria avente ima direzione rettilinea predefinita che raggiunge il canale 6 attraverso il dissipatore 7 in modo da aumentare l'efficienza del dispositivo termoelettrico 4. Il canale 6 si estende in direzione sostanzialmente parallela a quella della portata d'aria e sbocca in un'apertura di scarico 9 distale dalla ventola 5, preferibilmente disposta a un'estremità dell'involucro 3. The fan 5 is preferably a radial fan and generates an air flow having a predefined straight direction which reaches the channel 6 through the heatsink 7 so as to increase the efficiency of the thermoelectric device 4. The channel 6 extends in a substantially parallel direction. to that of the air flow rate and opens into an exhaust opening 9 distal from the fan 5, preferably arranged at one end of the casing 3.
L'involucro 3 è collegato allo strato flessibile 2 secondo diverse modalità applicate nella confezione di indumenti, ad esempio sia in modo scollegabile tramite e.g. velcro, bottoni a pressione, lacci o simili, che in modo permanente, ad esempio tramite adesivi, saldature fra materiali polimerici o simili. Nello schema di figura 1, la faccia 8 è rivolta verso il corpo dell'utente e anche lo strato flessibile 2 presenta una faccia rivolta verso il corpo. Un'applicazione preferita dell' unità della presente invenzione è l'inserimento dell'involucro 3 nell' imbottitura di un indumento e, come illustrato in figura 1, ciò richiede che l'unità 1 sia accoppiata a un tessuto o altro strato flessibile esterno 10, i.e. contrapposto allo strato flessibile 2, e che una faccia dello strato flessibile 2 contrapposta a quella verso il corpo sia a contatto con l'imbottitura. The envelope 3 is connected to the flexible layer 2 according to different methods applied in the packaging of garments, for example both in a detachable way by means of e.g. Velcro, press studs, laces or the like, which permanently, for example by means of adhesives, welds between polymeric materials or the like. In the diagram of Figure 1, the face 8 faces the user's body and the flexible layer 2 also has a face facing the body. A preferred application of the unit of the present invention is the insertion of the wrapper 3 into the padding of a garment and, as illustrated in figure 1, this requires that the unit 1 be coupled to a fabric or other flexible outer layer 10 , i.e. opposed to the flexible layer 2, and that a face of the flexible layer 2 opposed to that towards the body is in contact with the padding.
Secondo una forma preferita della presente invenzione, in particolare quando lo strato flessibile esterno 10 è traspirante o è un tessuto, l'azione di raffrescamento o riscaldamento tramite la faccia 8 richiede una portata d'aria tramite la ventola 5 tale da attraversare lo strato flessibile esterno 10 senza particolari difficoltà o impatto sull'efficienza del dispositivo termoelettrico 4. Lo strato flessibile 2 verso il corpo può inoltre avere una trama e ordito distanziati in modo da consentire la trasmissione del calore tramite la faccia 8 oppure richiedere una modifica nella zona sovrapposta alla faccia 8 per aumentare l'efficienza della trasmissione di calore. Ad esempio la modifica prevede l'applicazione di aperture e può comprendere l'apertura di una finestra avente ad esempio la dimensione della faccia 8 e, opzionalmente, l'applicazione alla finestra di un tessuto con trama e ordito sufficientemente distanziati o simili. According to a preferred form of the present invention, in particular when the external flexible layer 10 is breathable or is a fabric, the cooling or heating action through the face 8 requires an air flow through the fan 5 such as to pass through the flexible layer exterior 10 without particular difficulty or impact on the efficiency of the thermoelectric device 4. The flexible layer 2 towards the body can also have a warp and weft spaced apart so as to allow the transmission of heat through the face 8 or require a modification in the area superimposed on the face 8 to increase the efficiency of heat transmission. For example, the modification provides for the application of openings and can include the opening of a window having for example the size of the face 8 and, optionally, the application to the window of a fabric with sufficiently spaced weft and warp or the like.
La faccia 8 può essere completamente esposta allo strato flessibile 2 tramite e.g. una finestra aperta nell'involucro 3 oppure l'involucro 3 comprende una zona a contatto con la faccia 8 presentante aperture disposte a matrice o in altro modo e conformate in modo tale da consentire lo scambio termico fra la faccia 8 e il corpo dell'utente. The face 8 can be fully exposed to the flexible layer 2 by e.g. an open window in the casing 3 or the casing 3 comprises an area in contact with the face 8 having openings arranged in a matrix or in another way and shaped in such a way as to allow the heat exchange between the face 8 and the user's body .
Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, sia l'apertura distale 9 che un'apertura di aspirazione 11 della ventola 5 sono o periferiche o contrapposte alla faccia 8 e allo strato flessibile 2 in modo da essere rivolte verso una zona più libera e non occupata dal corpo dell'utente e, quindi, realizzare in modo più efficiente la portata d'aria. According to a preferred embodiment of the present invention, both the distal opening 9 and a suction opening 11 of the fan 5 are either peripheral or opposite to the face 8 and the flexible layer 2 so as to be directed towards a freer and not occupied by the user's body and, therefore, realize the air flow more efficiently.
Secondo la forma di realizzazione della figura 2, la ventola 5, una zona centrale del dispositivo termoelettrico 4 e una zona centrale di un imbocco del canale 6 sono sostanzialmente allineati. Inoltre, il canale 6 presenta una sagoma sostanzialmente rettilinea per distanziarsi dall'apertura di aspirazione 11 in modo da conferire all'involucro 3 una sagoma oblunga e sostanzialmente appiattita. Sia l'apertura distale 9 che l'apertura di aspirazione 11 sono disposte sulla medesima faccia dell'involucro 3 contrapposta alla faccia 8 (figura 3). According to the embodiment of Figure 2, the fan 5, a central area of the thermoelectric device 4 and a central area of an inlet of the channel 6 are substantially aligned. Furthermore, the channel 6 has a substantially rectilinear shape to distance itself from the suction opening 11 so as to give the casing 3 an oblong and substantially flattened shape. Both the distal opening 9 and the suction opening 11 are arranged on the same face of the casing 3 opposite to the face 8 (Figure 3).
Preferibilmente l'involucro 3, ad esempio comprendente due semi-gusci, è realizzato di un materiale polimerico elasticamente deformabile a mano, ad esempio a base di silicone oppure di poliuretano termoplastico. Quest'ultimo presenta inoltre un comportamento resistente alla fiamma e adatto ad applicazioni a bordo di indumenti resistenti al calore come una tuta per un pilota automobilistico. Quando l'involucro 3 è così realizzato, è importante mantenere sempre pervio il canale 6 anche quando, ad esempio, l'utente preme contro l'involucro con tutto il proprio corpo contro una parete rigida. Per contrastare tale carico, nel canale 6 sono disposti uno o più risalti distanziali 12 allungati in una direzione trasversale, preferibilmente circa perpendicolare, alla faccia 8. Preferably, the casing 3, for example comprising two half-shells, is made of a polymeric material that can be elastically deformed by hand, for example based on silicone or thermoplastic polyurethane. The latter also exhibits flame-resistant behavior and is suitable for applications on board heat-resistant clothing such as a racing suit for a racing driver. When the casing 3 is thus made, it is important to always keep the channel 6 open even when, for example, the user presses against the casing with his whole body against a rigid wall. To counteract this load, one or more spacer projections 12 elongated in a transverse direction, preferably approximately perpendicular to the face 8, are arranged in the channel 6.
La figura 4 illustra la sovrapposizione di primi dati sperimentali (circonferenze - colore scuro) di misura della potenza elettrica di alimentazione del dispositivo termoelettrico 4 nella modalità di raffresc amento al variare del voltaggio di alimentazione in un ciclo dinamico di incremento e diminuzione; e di secondi dati sperimentali (quadrati - colore chiaro) di misura della differenza fra la temperatura ambiente, i.e. 24°C, e la temperatura della faccia 8 al variare della tensione di alimentazione secondo il medesimo ciclo adottato per la misura di potenza. Il grafico dimostra la presenza di una zona di massima efficienza di raffrescamento intorno a 5 V di alimentazione. Figure 4 illustrates the superposition of first experimental data (circumferences - dark color) of measurement of the electrical power supply of the thermoelectric device 4 in the cooling mode as the supply voltage varies in a dynamic cycle of increase and decrease; and second experimental data (square - light color) measuring the difference between the ambient temperature, i.e. 24 ° C, and the temperature of the face 8 as the supply voltage varies according to the same cycle adopted for the power measurement. The graph demonstrates the presence of a zone of maximum cooling efficiency around 5 V power supply.
La figura 5 illustra risultati sperimentali della temperatura della faccia 8 nella modalità di raffrescamento del dispositivo termoelettrico 4 a un voltaggio di alimentazione costante nel tempo. Figure 5 illustrates experimental results of the temperature of the face 8 in the cooling mode of the thermoelectric device 4 at a constant supply voltage over time.
Risulta infine chiaro che allunità portatile termoelettrica secondo la presente invenzione è possibile apportare modifiche o varianti senza per questo uscire dall'ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni allegate. Finally, it is clear that modifications or variations can be made to the thermoelectric portable unit according to the present invention without thereby departing from the scope of protection as defined by the attached claims.
Ad esempio, l'unità è applicabile anche a bordo di sacchi a pelo, schienali di zaini, amache etc. con o senza imbottitura e con lo strato flessibile rivolto verso il corpo. For example, the unit is also applicable on board sleeping bags, backpack backs, hammocks etc. with or without padding and with the flexible layer facing the body.
E' inoltre possibile che l'utente sia un individuo o un animale, ad esempio un animale di compagnia. It is also possible that the user is an individual or an animal, for example a pet.
Sulla base di tali numerose applicazioni, è possibile che lo strato flessibile 2 non sia di tessuto o di tessuto non-tessuto, ma una membrana continua, ad esempio realizzata tramite stampaggio o laminazione, di un materiale polimerico. On the basis of these numerous applications, it is possible that the flexible layer 2 is not of fabric or non-woven fabric, but a continuous membrane, for example made by molding or lamination, of a polymeric material.
Secondo la forma di realizzazione illustrata nelle figure 2 e 3, l' alimentazione elettrica del dispositivo termoelettrico 4 è esterna all'unità 1 e fili elettrici di lunghezza opportuna collegano elettricamente il dispositivo 4 a una batteria. E' tuttavia possibile prevedere una batteria ricaricabile o un supercondensatore a bordo dell'involucro 3. According to the embodiment illustrated in Figures 2 and 3, the power supply of the thermoelectric device 4 is external to the unit 1 and electric wires of suitable length electrically connect the device 4 to a battery. However, it is possible to provide a rechargeable battery or a supercapacitor on board the casing 3.
Ulteriori applicazioni in indumenti resistenti al calore comprendono l'impiego a bordo di tute per pompieri e per personale addetto a forni per la lavorazione di metalli o per il lavoro in fonderia. Further applications in heat resistant clothing include the use on board of suits for firefighters and for personnel working in furnaces for metalworking or foundry work.
Claims (6)
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