RU2772012C1

RU2772012C1 - Thermoelectric apparatus for local cooling of thermoreceptors of the human skin

Info

Publication number: RU2772012C1
Application number: RU2021114374A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Николаевич Кожемякин; Юлий Николаевич Бендрышев; Виктор Валерьевич Ларин
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2022-05-16

Abstract

FIELD: medical equipment.

SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely, to thermoelectric cooling apparatuses used for cooling and heat effect on receptors of the human skin. Thermoelectric apparatus for human effect on thermoreceptors of the human skin comprises a power source and a thermoelectric module with hot and cold junctions corresponding to the "hot" and "cold" heat transfer. The module is secured on one of the ends of the hollow casing, attached at the other end whereof is a piezoelectric pump with a central air hole, and through holes are made at the opposite ends of the casing. The heat transfer side equals D, the height of the casing H=0.7D to 4.5D, the area of the through holes on the side of the piezoelectric pump Si=0.2D² to 0.45D², the area of the through holes on the side of the module S2=0.25D² to 0.85D², and the internal cross section of the casing S=0.8D² to D².

EFFECT: thermal module is cooled to lower temperatures, and the flow rate of the cooling air is controlled to adjust the cooling temperature.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическим охлаждающим устройствам, используемым для охлаждающего и теплового воздействия на рецепторы кожи человека, и может быть использовано в медицине для проведения терапевтических и косметологических процедур.The invention relates to thermoelectric cooling devices used for cooling and thermal effects on human skin receptors, and can be used in medicine for therapeutic and cosmetic procedures.

Известны термоэлектрические устройства для охлаждения, содержащие термоэлектрические модули и системы охлаждения «горячих» спаев термомодулей (RU 28229, RU 2049278). В известных устройствах «горячие» спаи термомодулей охлаждаются проточной водой или вентилятором, что невозможно использовать для малогабаритных термомодулей из-за значительного увеличения размеров и наличия водопровода с проточной водой.Known thermoelectric devices for cooling containing thermoelectric modules and cooling systems for "hot" junctions of thermomodules (RU 28229, RU 2049278). In known devices, "hot" junctions of thermal modules are cooled by running water or a fan, which cannot be used for small-sized thermal modules due to a significant increase in size and the presence of a running water pipeline.

Наиболее близким по конструктивным особенностям является устройство, защищенное патентом РФ RU 2373919 (МПК А61Н 39/06, A61F 7/00, H01L 35/28, F25B 21/02, опубликовано 27 ноября 2009 г.). Это устройство для термопунктуры содержит элемент температурного воздействия, присоединенный к ручке-держателю и источник постоянного электрического тока, обеспечивающий питание электрической энергией элемента температурного воздействия. Элемент температурного воздействия содержит термоэлектрический модуль, «горячими» спаями, контактирующий с металлической цилиндрической емкостью, объем которой заполнен рабочим веществом с температурой плавления 30-40°С.The closest in terms of design features is the device protected by the RF patent RU 2373919 (IPC А61Н 39/06, A61F 7/00, H01L 35/28, F25B 21/02, published November 27, 2009). This device for thermopuncture contains a temperature effect element connected to the handle-holder and a source of constant electric current, which provides electrical energy to the temperature effect element. The temperature effect element contains a thermoelectric module, by "hot" junctions, in contact with a metal cylindrical container, the volume of which is filled with a working substance with a melting point of 30-40°C.

Недостатком этого устройства является повышение температуры в процессе работы «горячих» и, соответственно, «холодных» спаев термомодуля, так как тепло отводится рабочим веществом ограниченного объема, нагревающегося с течением времени работы несмотря на низкую температуру его плавления.The disadvantage of this device is the increase in temperature during the operation of the "hot" and, accordingly, "cold" junctions of the thermomodule, since heat is removed by the working substance of a limited volume, which heats up over time, despite the low temperature of its melting.

Задачей изобретения является увеличение охлаждения «горячего» теплоперехода с закрепленными на нем «горячими» спаями, что повышает скорость снижения температуры и увеличение охлаждения «холодного» теплоперехода с закрепленными на нем «холодными» спаями. Это достигается применением пьезоэлектрического насоса и кожуха, направляющего поток охлаждаемого воздуха к «горячему» теплопереходу и далее от его поверхности в окружающую среду.The objective of the invention is to increase the cooling of the "hot" heat transfer with "hot" junctions attached to it, which increases the rate of temperature decrease and increase the cooling of the "cold" heat transfer with "cold" junctions attached to it. This is achieved by using a piezoelectric pump and a casing that directs the flow of cooled air to the "hot" heat transfer and further from its surface to the environment.

Техническим результатом является охлаждение термомодуля до более низких температур и управление скоростью потока охлаждающего воздуха для регулирования температуры охлаждения.EFFECT: cooling the thermal module to lower temperatures and controlling the cooling air flow rate to control the cooling temperature.

Указанные техническая задача и результат достигаются благодаря тому, что в термоэлектрическом устройстве для локального охлаждения терморецепторов, содержащем источник питания и термоэлектрический модуль с горячими и холодными спаями, соответствующими «горячему» и «холодному» теплопереходам, модуль закреплен на одном из торцов пустотелого кожуха, к другому торцу которого прикреплен пьезоэлектрический насос с центральным воздушным отверстием, на противоположных концах кожуха выполнены сквозные отверстия, при этом сторона теплоперехода равна D, высота кожуха Н=0,7D - 4,5D, площадь сквозных отверстий со стороны пьезоэлектрического насоса Si=0,2D² - 0,45D², площадь сквозных отверстий со стороны модуля S2=0,25D² - 0,85D², а внутреннее поперечное сечение кожуха S=0,8D²-D².The specified technical task and result are achieved due to the fact that in a thermoelectric device for local cooling of thermoreceptors, containing a power source and a thermoelectric module with hot and cold junctions corresponding to "hot" and "cold" heat transfers, the module is fixed on one of the ends of the hollow casing, to a piezoelectric pump with a central air hole is attached to the other end of which, through holes are made at opposite ends of the casing, while the heat transfer side is D, the height of the casing is H=0.7D - 4.5D, the area of the through holes on the side of the piezoelectric pump is Si=0.2D ² - 0.45D ² , the area of the through holes on the side of the module S2=0.25D ² - 0.85D ² , and the inner cross section of the casing S=0.8D ² -D ² .

Существо изобретения поясняется на фигуре 1.The essence of the invention is illustrated in figure 1.

Устройство содержит термоэлектрический модуль 1 с «горячим» 2 и «холодным» 3 теплопереходами со стороной квадрата D, кожух 4 и пьезоэлектрический насос 5. Кожух 4 прикреплен к «горячему» теплопереходу 2. К противоположному торцу кожуха 4 прикреплен пьезоэлектрический насос 6.The device contains a thermoelectric module 1 with "hot" 2 and "cold" 3 heat transfers with a square side D, a casing 4 and a piezoelectric pump 5. The casing 4 is attached to the "hot" heat transfer 2. A piezoelectric pump 6 is attached to the opposite end of the casing 4.

Для подачи потока воздуха с заданной скоростью к «горячему» теплопереходу 2 кожух 4 имеет квадратное внутреннее поперечное сечение с площадью S=0.8D² - 1.0D², соответствующее квадрату стороны теплоперехода D, и высоту Н=0.7D - 4.5D, соответствующую стороне теплоперехода D. При поперечном сечении кожуха S меньше 0.8D² охлаждение «горячего» теплоперехода существенно уменьшается за счет уменьшения скорости потока воздуха и его объема, проходящего через кожух. Увеличение поперечного сечения кожуха S более 0.8D² до 1.0D² вызывает увеличение поперечного сечения кожуха, которое больше площади поверхности горячего теплоперехода. При этом значительно уменьшается скорость потока воздуха за счет появления дополнительных конвективных потоков воздуха, тормозящих основной поток воздуха, созданный высокочастотными колебаниями пьезоэлектрического насоса. При высоте устройства Н меньше 0.7D не достигается равномерный теплоотвод нагретого воздуха от «горячего» теплоперехода из-за близкого расположения сопла 6 и охлаждения в большей степени центральной части теплоперехода, что уменьшает его охлаждение. Превышение высоты Н больше 4.5D значительно снижает скорость потока воздуха в кожухе 4 вследствие увеличения сопротивления за счет появления конвекции в потоке воздуха и трения о внутренние поверхности его стенок. Кожух 4 имеет воздушные зазоры на боковой поверхности возле «горячего» теплоперехода 8 и пьезоэлектрического насоса 7. Над поверхностью «горячего» теплоперехода 2 воздушный зазор 8 для выходящего воздуха имеет сечение площадью S₂=0,25D² - 0.85D². При сечении воздушного зазора 8 площадью меньше 0,25D² значительно снижается скорость выходящего потока подогретого воздуха за счет уменьшения сечения зазора, что не обеспечивает заданного охлаждения. Превышение сечения воздушного зазора 8 площадью больше 0,85D² увеличивает его выходное сечение, превышающее максимальный поток, создающийся пьезоэлектрическим насосом 5. Это снижает скорость выходящего потока воздуха из кожуха 4 и уменьшает отвод тепла от «горячего» теплоперехода 2, снижая охлаждение термоэлектрического модуля 1. Центральное сопло 6 вибрирующего пьезоэлектрического насоса 5 и расположенный у его поверхности воздушный зазор 7 сечением с площадью 0,2D²- 0,45D² служат для всасывания охлаждающего воздуха из окружающей среды в кожух 4. Центральное сопло 6 создается в процессе изготовления пьезоэлектрического насоса с размерами определенной производительности, которая соответствует заданной конструкции предлагаемого устройства. Воздушный зазор 7 сечением с площадью меньше 0,2D² не обеспечивает всасывание достаточного количества воздуха в кожух 4 для отвода тепла от «горячего» теплоперехода 2 и снижает охлаждение термоэлектрического модуля 1. Сечение воздушного зазора 7 площадью больше 0,45D² не обеспечивает засасывание в кожух оптимального количества воздуха для заданной производительности пьезоэлектрического насоса, снижая его количество, что существенно уменьшает теплоотвод от «горячего» теплоперехода 2 и снижает холодопроизводительность термоэлектрического модуля 1.To supply air flow at a given speed to the "hot" heat transfer 2, the casing 4 has a square internal cross section with an area S=0.8D ² - 1.0D ² corresponding to the square of the side of the heat transfer D, and a height H=0.7D - 4.5D, corresponding to the side of the heat transfer D. When the cross section of the casing S is less than 0.8D ² , the cooling of the "hot" heat transfer is significantly reduced due to a decrease in the speed of the air flow and its volume passing through the casing. An increase in the cross section of the casing S from more than 0.8D ² to 1.0D ² causes an increase in the cross section of the casing, which is larger than the surface area of the hot heat transfer. At the same time, the air flow rate is significantly reduced due to the appearance of additional convective air flows, which slow down the main air flow created by high-frequency oscillations of the piezoelectric pump. When the height of the device H is less than 0.7D, uniform heat removal of heated air from the “hot” heat transfer is not achieved due to the proximity of the nozzle 6 and cooling to a greater extent of the central part of the heat transfer, which reduces its cooling. Exceeding the height H more than 4.5D significantly reduces the air flow velocity in the casing 4 due to an increase in resistance due to the appearance of convection in the air flow and friction on the inner surfaces of its walls. The casing 4 has air gaps on the side surface near the "hot" heat transfer 8 and the piezoelectric pump 7. Above the surface of the "hot" heat transfer 2, the air gap 8 for the outgoing air has a cross section of S ₂ =0.25D ² - 0.85D ² . When the cross section of the air gap 8 area less than 0.25D ² significantly reduces the speed of the outgoing flow of heated air by reducing the cross section of the gap, which does not provide the desired cooling. Exceeding the section of the air gap 8 with an area greater than 0.85D ² increases its output section, which exceeds the maximum flow created by the piezoelectric pump 5. This reduces the speed of the outgoing air flow from the casing 4 and reduces the heat removal from the "hot" heat transition 2, reducing the cooling of the thermoelectric module 1 The central nozzle 6 of the vibrating piezoelectric pump 5 and the air gap 7 located near its surface with a cross section of 0.2D ² - 0.45D ² serve to suck cooling air from the environment into the casing 4. The central nozzle 6 is created in the process of manufacturing a piezoelectric pump with the dimensions of a certain performance, which corresponds to the given design of the proposed device. Air gap 7 with a cross section with an area of less than 0.2D ² does not ensure the suction of a sufficient amount of air into the casing 4 to remove heat from the "hot" heat transfer 2 and reduces the cooling of the thermoelectric module 1. The cross section of the air gap 7 with an area of more than 0.45D ² does not provide suction into casing of the optimal amount of air for a given performance of the piezoelectric pump, reducing its amount, which significantly reduces the heat removal from the "hot" heat transfer 2 and reduces the cooling capacity of the thermoelectric module 1.

Устройство функционирует следующим образом.The device functions as follows.

В процессе работы предлагаемого устройства включение термоэлектрического модуля 1 и пьезоэлектрического насоса 5 производится одновременно пропусканием постоянного тока через термоэлектрический модуль 1 и регулированием напряжения на пьезоэлектрическом насосе 5 для достижения заданной скорости воздушного потока. Во включенном термоэлектрическом модуле 1 происходит нагревание «горячего» теплоперехода 2 и охлаждение «холодного» теплоперехода 3. Пьезоэлектрический насос 5 нагнетает поток охлаждающего воздуха из внешней среды во внутрь кожуха 4. Поток всасываемого воздуха через сопло пьезоэлектрического насоса 6 и воздушный зазор 7 в боковых стенках кожуха 4 направляется к «горячему» теплопереходу 2, охлаждая его. Далее теплый воздух, уносящий выделяющееся тепло от нагревающегося «горячего» теплоперехода 2 при работе термоэлектрического модуля 1, выходит из кожуха 4 через воздушный зазор 8 в его боковых стенках. Направления потоков воздуха в кожухе при охлаждении термоэлектрического модуля показаны пунктирными стрелками. Управление режимами работы термоэлектрического модуля 1 и пьезоэлектрического насоса 5 обеспечивает охлаждение предлагаемого устройства для индивидуального воздействия на различные терморецепторы кожи человека в диапазоне температуры от +5°С до +15°С.During the operation of the proposed device, the thermoelectric module 1 and the piezoelectric pump 5 are switched on simultaneously by passing direct current through the thermoelectric module 1 and by regulating the voltage on the piezoelectric pump 5 to achieve the specified air flow rate. In the switched on thermoelectric module 1, the “hot” heat transfer 2 is heated and the “cold” heat transfer 3 is cooled. The piezoelectric pump 5 injects the cooling air flow from the external environment into the inside of the casing 4. The intake air flow through the nozzle of the piezoelectric pump 6 and the air gap 7 in the side walls casing 4 is sent to the "hot" heat transfer 2, cooling it. Further, warm air, which carries away the released heat from the heated "hot" heat transfer 2 during operation of the thermoelectric module 1, leaves the casing 4 through the air gap 8 in its side walls. Directions of air flows in the casing during cooling of the thermoelectric module are shown by dotted arrows. The control of the operating modes of the thermoelectric module 1 and the piezoelectric pump 5 provides cooling of the proposed device for individual action on various thermoreceptors of human skin in the temperature range from +5°C to +15°C.

Пример реализации изобретения.An example of the implementation of the invention.

Термоэлектрический модуль «холодным» теплопереходом прикладывают к определенным термоцепеторам кожи человека для охлаждающего воздействия, предварительно включив термоэлектрический модуль и пьезоэлектрический насос. Для достижения необходимого охлаждения терморецепторов устанавливают заданные постоянный электрический ток, потребляемый термоэлектрическим модулем, и напряжение на пьезоэлектрическом насосе, вибрирующем с частотой около 25 кГц. После контакта устройства с кожей человека в течение 1-2 минут корректируются параметры охлаждения. Эта корректировка обусловлена тем, что при соприкосновении термомодуля 1 с кожей человека появляется дополнительное тепло за счет тепловыделения участка кожи в месте контакта, что снижает температуру охлаждения. Установив заданные параметры охлаждения предлагаемого устройства, проводят процедуру теплового воздействия в течение определенного времени. Затем прерывают контакт устройства с кожей человека и выключают электронный блок управления.The thermoelectric module is applied with a "cold" heat transfer to certain thermocouples of human skin for a cooling effect, after turning on the thermoelectric module and the piezoelectric pump. To achieve the required cooling of the thermoreceptors, the given constant electric current consumed by the thermoelectric module and the voltage on the piezoelectric pump vibrating at a frequency of about 25 kHz are set. After contact of the device with human skin, the cooling parameters are adjusted within 1-2 minutes. This adjustment is due to the fact that when the thermal module 1 comes into contact with human skin, additional heat appears due to the heat release of the skin area at the contact point, which reduces the cooling temperature. Having set the given cooling parameters of the proposed device, the procedure of thermal exposure is carried out for a certain time. Then interrupt the contact of the device with the human skin and turn off the electronic control unit.

На кожухе, например, из алюминия с поперечным сечением площадью S=0.8D², высотой H=0.7D, воздушным зазором с площадью сечения S₁=0,2D² под пьезоэлектрическим насосом и воздушным зазором с площадью сечения S₂=0,25D²выше «горячего» теплоперехода, фиксируют на обоих его торцах пьезоэлектрический насос и термоэлектрический модуль. Для проведения процедуры устанавливают начальные параметры тока через термоэлектрический модуль 1.6 А и напряжение управления пьезоэлектрическим насосом 5 В. Затем прикладывают термоэлектрический модуль «холодным» теплопереходом к терморецепторам кожи человека. Через 1 мин. после контакта с кожей пациента увеличивают ток через термоэлектрический модуль до 1.8 А и напряжение управления пьезоэлектрическим насосом 8 В. Данные параметры работы термоэлектрического модуля и пьезоэлектрического насоса обеспечивают температуру в области контакта 15°С.On a casing, for example, made of aluminum with a cross-sectional area S=0.8D ² , height H=0.7D, an air gap with a cross-sectional area S ₁ =0.2D ² under the piezoelectric pump and an air gap with a cross-sectional area S ₂ =0.25D ² above the "hot" heat transfer, a piezoelectric pump and a thermoelectric module are fixed on both ends of it. To carry out the procedure, the initial parameters of the current through the thermoelectric module are set at 1.6 A and the voltage for controlling the piezoelectric pump is 5 V. Then the thermoelectric module is applied with a “cold” heat transfer to the human skin thermoreceptors. After 1 min. after contact with the patient's skin, the current through the thermoelectric module is increased to 1.8 A and the control voltage of the piezoelectric pump is 8 V. These operating parameters of the thermoelectric module and the piezoelectric pump provide a temperature in the contact area of 15°C.

На кожухе, например, из алюминия с поперечным сечением площадью S=1.0D², высотой H=4.5D, воздушным зазором с площадью сечения S₁=0,45D² под пьезоэлектрическим насосом и воздушным зазором с площадью сечения S₂=0,85D²выше «горячего» теплоперехода, фиксируют на обоих его торцах пьезоэлектрический насос и термоэлектрический модуль. Устанавливают начальные параметры тока через термоэлектрический модуль 2.5 А и напряжение управления пьезоэлектрическим насосом 25 В. Затем прикладывают термоэлектрический модуль «холодным» теплопереходом к терморецепторам кожи человека. Через 2 мин. после контакта с кожей пациента увеличивают ток через термоэлектрический модуль до 2.8 А и напряжение управления пьезоэлектрическим насосом 30 В. При этих параметрах работы термоэлектрического модуля и пьезоэлектрического насоса в области контакта «холодного» теплоперехода устанавливается температура +5°С.On a casing, for example, made of aluminum with a cross-sectional area S=1.0D ² , height H=4.5D, an air gap with a cross-sectional area S ₁ =0.45D ² under the piezoelectric pump and an air gap with a cross-sectional area S ₂ =0.85D ² above the "hot" heat transfer, a piezoelectric pump and a thermoelectric module are fixed on both ends of it. The initial parameters of the current through the thermoelectric module are set at 2.5 A and the control voltage of the piezoelectric pump is 25 V. Then the thermoelectric module is applied with a "cold" heat transfer to the human skin thermoreceptors. After 2 min. after contact with the patient's skin, the current through the thermoelectric module is increased to 2.8 A and the control voltage of the piezoelectric pump is 30 V. With these operating parameters of the thermoelectric module and the piezoelectric pump, a temperature of +5°C is set in the contact area of the "cold" heat transition.

Проведенные исследования работоспособности предлагаемого устройства подтверждают его промышленную применимость.Conducted studies of the performance of the proposed device confirm its industrial applicability.

Claims

Thermoelectric device for thermal impact on human skin thermoreceptors, containing a power source and a thermoelectric module with hot and cold junctions corresponding to "hot" and "cold" heat transfers, characterized in that the module is fixed on one of the ends of the hollow casing, to the other end of which is attached piezoelectric pump with a central air hole, through holes are made at opposite ends of the casing, while the heat transfer side is D, the height of the casing is H=0.7D-4.5D, the area of the through holes on the side of the piezoelectric pump is Si=0.2D ² -0, 45D ² , the area of the through holes on the side of the module S2=0.25D ² -0.85D ² , and the inner cross section of the casing S=0.8D ² -D ² .