(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に絶縁している基板材料で形成されたパネルを備え、少なくとも一部が前記基板材料の内側に位置する圧縮導体と、少なくとも一部が前記基板材料の外側に位置する膨張導体とを備える複数の熱電素子を有する熱電装置であって、前記パネルが漏洩電流を迂回させる導体シートによって覆われている熱電装置。
【請求項２】
前記導体シートがスクリーン、メッシュまたは織物を含み、前記スクリーン、メッシュまたは織物が好ましくは金属化されているまたは金属もしくは炭素で構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記基板材料または前記導体シートが一または複数次元に伸縮性である、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
ベッドもしくはベッドフレーム、シートもしくはシートフレーム、病院のベッドもしくは病院のベッドフレーム、車椅子クッションもしくは車椅子フレーム、または手術台の上部に取り付けられ、場合により体液の蓄積のために前記膨張導体間に配置されたリザーバを備える上部パッドをさらに含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
再分配圧力と垂直方向に独立に可動性の支柱のマトリックスを備える空気流層をさらに含み、前記支柱が好ましくはプラスチック、スペーサーメッシュ、独立気泡フォーム、連続気泡フォームまたは流体を含有するバルーンで構成されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記流体が空気、水、ゲル、ペースト、油またはワックスを含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記パネルが、交互の圧力面、圧力再分配面、手術台、または他の治療面の上部に配置されたまたはこれらに統合された、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
電気的に絶縁している基板材料で形成されたパネルを備え、少なくとも一部が前記基板材料の内側に位置する圧縮導体と、少なくとも一部が前記基板材料の外側に位置する膨張導体とを備える複数の熱電素子を有し、前記パネルが漏洩電流を迂回させる導体シートによって覆われており、且つ、前記パネルが以下の操作の１つまたは複数を行う機械によって自動化様式で製造される、請求項１に記載の熱電装置を形成する方法：
（ａ）熱電素子のワイヤ切断、ワイヤ圧着、スズめっき、ピッキングおよび配置、はんだまたははんだペーストの分配または刷り込み、はんだリフロー、個片化、ならびに中空針の配列による前記基板材料の穿刺；または
（ｂ）エッチングまたは穿孔によるフレキシブル回路パターニング、熱電素子のロボットピッキングおよび配置、はんだまたははんだペーストの分配、はんだリフロー、ならびに中空針による前記基板材料の穿刺。
【請求項９】
ロボットピッキングを促進するために前記熱電素子が最初にテープのリールに配置され、前記はんだまたははんだペーストが純スズ、スズ、ビスマス、アンチモンもしくは銅、またはこれらの合金で構成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
装置に動力を供給するための無線電力送信機および受信機をさらに備え、前記無線電力送信機および受信機が好ましくは共鳴磁気または電磁波を使用する、請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
装置に動力を供給するための電源に接続された電極の固定配列と接触した可動性導体ブラシをさらに備える、請求項１乃至７又は請求項１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
以下の特徴の１つまたは複数をさらに備える、請求項１１に記載の装置：
（ａ）電源もしくは接地電圧のいずれかにそれぞれ接続され、前記可動性導体ブラシと接触するよう適合された固定電極の配列をさらに備える；
（ｂ）どの接続電極が電源電圧および接地電圧を前記装置に供給するかを選択するためのダイオードまたは整流器をさらに含む；および
（ｃ）前記導体ブラシが回転椅子、回転ベッド、または他の回転シートもしくはベッドの車輪上または車輪の近くに取り付けられる。
【請求項１３】
送風ファンと結合した空気流層の上部に取り付けられた熱電パネルを備えるクッションであって、前記ファンからの排気が側面、縁または多孔質カバーを源とし、複数方向に存在し、且つ、前記熱電パネルが漏洩電流を迂回させる導体シートによって覆われているクッション。
【請求項１４】
以下の特徴の１つまたは複数をさらに備える、請求項１３に記載のクッション：
（ａ）前記クッションがシートボトムまたはシートバックとして配置される；
（ｂ）バッテリーをさらに備える；
（ｃ）前記クッションが高設ベッドの下に取り付けられる；
（ｄ）前記熱電パネルがベッドの表面に沿って配置された膨張導体および前記表面の孔を通る圧縮導体を含む；および
（ｅ）炭素繊維、ゲル、グリセリン、金属粒子またはポリウレタンなどの熱伝導性材料を含むカバーをさらに備える。
【請求項１５】
局部圧力、局部温度、局部体感受性またはこれらの組み合わせに応じて冷却または加熱をいくぶん提供するために、選択的に点けたり消したりされるよう配置された、複数の熱電パネルを備えているシステムで、且つ、該複数のパネルの個々のパネルが電気的に絶縁している基板材料で形成されており、少なくとも一部が前記基板材料の内側に位置する圧縮導体と、少なくとも一部が前記基板材料の外側に位置する膨張導体とを備える複数の熱電素子を有しているもので、前記個々のパネルが漏洩電流を迂回させる導体シートによって覆われている、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
２０１１年５月４日出願の本出願人による先の特許文献１および２０１２年３月５日出願の特許文献２ならびに２０１１年９月１２日出願の特許文献３および２０１２年７月３日出願の特許文献４において、本出願人は、絶縁パネルに織り込まれたまたは詰め込まれたまたは重層された、フォーム、形状記憶フォーム、ベイリングまたは天然織物などの軟質材料で構成され得る熱電素子の接続されたストリングを備える熱電加熱および冷却システムを記載している。導体材料がパネルの両側で膨張して一方の側で熱を分散させ、他方の側で冷却する。このように熱電加熱および冷却でアップグレードされたこのような材料または表面は、分散型熱電パネルと呼ばれる。本出願人の先の出願では、この絶縁パネルをマットレス、椅子および毛布に統合することも記載された。最終的な結果は、寝具類、シート、毛布および他の製品に加熱および冷却を比較的低コストで均一に分散して付加することであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００６０８８５号明細書（米国特許出願第１３／１０１，０１５号）
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１２／０１９８６１６号明細書（米国特許出願第１３／３９４，２８８号）
【特許文献３】国際公開第２０１２／０３７０３１号（国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０５１２２７号）
【特許文献４】国際公開第２０１３／００６６４０号（国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０４５４４３号）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、先行技術に対して加熱および冷却される製品に種々の強化および改善をもたらし、また熱電加熱および冷却パネルをシートクッション、車椅子、病院のベッドおよびベッド上面、およびペットのベッドに統合するものである。さらに、本発明は、種々のこれらのおよび他の製品に使用するための分散型熱電パネルの部品の製造に強化および改善をもたらす。最後に、本発明は、可動性増加のための分散型熱電システムの電力供給の改善をもたらす。
【０００４】
より具体的には、本発明によると、低い漏洩電流、失禁パッドとの互換性および下にある支持面の圧力分配の保持を達成する、病院のベッドおよび車椅子に使用するための分散型熱電加熱および冷却パネルが提供される。膨張可能な撚り線とフレキシブル回路構成の両方を利用する分散型熱電製品に必要な部品の自動製造法が提供される。シートクッションの元の任意形状を維持する加熱および冷却シートトッパーが提供される。最後に、動物が使用するための加熱および冷却を備える高設ペットベッドが提供される。
【０００５】
本発明のさらなる特徴および利点は、同様の数字が同様の部分を示す添付の図面と併せた以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】漏洩電流が低い病院のベッドを示す概略図である。
【図２】失禁パッドと互換性がある病院のベッドを示す概略図である。
【図３】圧力再分配を維持する病院のベッドを示す概略図である。
【図４】図１〜図３の病院のベッドの熱電パネル用の制御電子機器およびファンのためのハウジングを示す図である。
【図５】熱電ストリングが撚り線を利用する、熱電ストリングおよびパネルを製造するための自動工程を示す概略図である。
【図６】熱電ストリングがフレキシブル回路材料を利用する、熱電ストリングを製造するための自動工程を示す概略図である。
【図７】可動性増加のために電力が無線でどのように熱電パネルに供給され得るかを示す概略図である。
【図８】可動性増加のために電力が可動接点によってどのように熱電パネルに供給され得るかを示す概略図である。
【図９Ａ】熱電パネルがどのようにシートクッションまたはベッド上面に統合され得るかを示す概略図である。
【図９Ｂ】熱電パネルがどのようにシートクッションまたはベッド上面に統合され得るかを示す概略図である。
【図１０】熱電パネルがどのように動物が使用するための高設ペットベッドに統合され得るかを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、膨張リンクワイヤ１０１、熱電素子１０３および膨張ループワイヤ１０２を含む分散型熱電ストリングで構成された病院のベッドを示している。熱電素子１０３を通って流れる電流が、電流の方向に応じて熱をベッド表面へまたはベッド表面から移動させる。絶縁フォーム１０５は、ストリングに加えて、ベッド表面の最上層でもある熱電パネルを備える。下のスペーサーメッシュ層１０６は、ファン１１２が空気を入口１０９から出口１１０まで移動させるための多孔質チャネルを提供し、この空気はループ１０２上を流れて、熱を環境から除去または環境へ挿入する。熱電パネルおよび空気流層は、フレーム１１５によって支持されている標準的な病院のマットレス１１４の上部に位置している。電子機器、制御装置、電源およびファン１１２を収容するボックス１１１は、スロット１１６を通してスペーサーメッシュに接続している。種々の位置に位置し得る温度センサもしくは過熱スイッチ１１３または他の装置が、危険な状態に達すると電源を消すまたは消すのを促進する。これらのセンサは、自動調温制御のためにベッド表面を一定温度に制御するためにも使用され得る。限定されないが、熱電素子１０３の分布は種々の密度を有してもよく、または患者のためにシステムを最適化するために別々のもしくは共通の温度制御を有するゾーンに配置されてもよい。故障状態下で病院の患者によって経験され得る極めて低い漏洩電流の要件のために、患者と熱電ストリングとの間に導電シート１０８が位置する。この導体シートは、優先的に電流を迂回させ、防水カバー１０７が損なわれる、患者を通って流れ得る残りの電流を最小化する。導体シートは好ましくは、ベッドに横になっている間の患者の体の輪郭に適合するために、全４つの横方向に伸びる金属化織物である。これらの特性を有するこの導体シートは、Ｌｅｓｓ  ＥＭＦ  Ｉｎｃ．および他の供給業者から入手可能である。限定されないが、他の導体シート、例えば、スクリーン、金属メッシュ、金属化メッシュ、および金属または炭素を含有する他の材料もこの目的にかなうことができるだろう。
【０００８】
図２は、図１の病院のベッドがどのように失禁パッド２０１と互換性があるようにされるかを示している。褥瘡および発汗を防ぐための皮膚の所望の冷却を達成するために、患者の体を熱電リンク１０１から離す層は可能な限り薄くなるべきである。病院で使用される標準的な失禁パッドは、体液のための厚い吸収材料を有する。図２の失禁パッド２０１は、熱電リンク間に配置された厚い領域２０２を有する。これらの厚い領域は、流体リザーバとして働き、リンク１０１の上部の失禁パッド２０１の部分がはるかに薄くなることを可能にする。限定されないが、これらの厚いリザーバ領域は、ベッドの適当な部分の全体にわたって位置する配列または平行な谷となり得るだろう。
【０００９】
多くの病院のベッドは、褥瘡の発生を防ぐまたは減少させるために圧力再分配特性を有する。これらのベッドのいくつかは、支持領域の２つ以上のセット間の圧力を互い違いにして体の任意の一部分があまりに長い間高圧を受けることを防ぐ。他のベッドは、可能な限り圧力を分配するためにきのこ形状のフォームの配列を有する。さらに他のベッドは、空気がある空気袋から別の空気袋に流れて圧力分配を平衡させることができる空気袋の配列を有する。皮膚の冷却は、圧力再分配の利益のみを超えて、褥瘡の発生をさらに防ぐまたは減少させることが示された。したがって、下にある面の圧力分配特性を保持する冷却層を提供することが必要とされている。
【００１０】
図３は、熱電パネル１０５がどのように間隔があいた支持アイランド３０１のマトリックスに取り付けられるかを示している。これらのアイランドは、互いに独立して垂直に変位することができる。アイランド３０１材料が硬質であったとしても、その小型サイズおよび独立運動によって圧力分配が保持されることが可能になる。アイランド３０２間の空間により、入口１０９から出口１１０への空気流が可能になる。これらのアイランドは、スペーサーメッシュ、独立気泡フォーム、連続気泡フォーム、ゴム、プラスチック、エアバルーン、流体袋、ゲル、または任意の他の適当な材料で構成され得る。袋の場合、流体はゲル、油、グリース、ワックス、水、空気または他の適当な液体もしくは気体となり得る。柱３０１を備える空気流層を有する熱電パネル１０５は、既存の圧力再分配面３０２の上部に配置される。限定されないが、圧力再分配面３０２は、輪郭フォーム、ハニカムゲル、交互の圧力機構、空気袋配列、粘性流体袋、または任意の他の面で構成され得るだろう。これらの面は、Ｒｏｈｏ、Ｈｉｌｌ−Ｒｏｍ、Ｓｔｒｙｋｅｒ、Ｓｕｎｒｉｓｅ、Ｐｒｉｄｅ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙなどから入手可能であり、車椅子、病院のベッドおよび手術台を含む座席および寝具類に適用される。
【００１１】
図４は、熱電パネルの操作に必要とされる電気機械部品がどのように単一ボックス１１１に収容され得るかを示している。このボックス１１１は、電源４０３、ファン１１２および制御電子機器４０２のための場所を有する。制御電子機器４０２は、４０４を点けたり消したりする、温度または冷却パワーレベル４０５を選択する、光によって冷却強度または温度４０６を示す、および過熱または部品不良などの故障状態４０７を示す機能を提供する。ボックスは、スペーサーメッシュのためのスロット１１６、または限定されないが、空気流のための他のチャネル、およびボックスを吊るすためのフック４０１を有する。
【００１２】
今日入手可能な各熱電チップにより提供される冷却力では、加熱および冷却製品に典型的には数百のこのようなチップが必要とされる。熱電ストリングはまた、数百の膨張可能な導体のセグメント、例えば、撚り線、および数百の歪み軽減体からなる必要がある。各熱電接点を個々に挿入することは、絶縁層および空気流層への数百の挿入を要する。したがって、熱電ストリングを組み立て、ストリングを絶縁体に挿入して熱電パネルを製造する工程を自動化する必要がある。
【００１３】
図５は、どのように今日容易に利用可能な３つの一般的自動機械を用いて熱電パネルの組立が達成されるかを示している。第１の機械５０１は、撚り線の長さを切断して各端にフェルールを圧着する。この機械の生産物は、明確な端部を有する撚り線セグメントである。この種の機械はＳｃｈｌｕｎｉｇｅｒなどから入手可能である。
【００１４】
図５の第２の機械５０２は、回路を広くするものである。この機械５０２は、接着剤を分配し、はんだを分配し、チップおよび他の電子機器部品をロボットで配置し、次いで、制御された温度プロファイルの炉ではんだを流す能力を有する。熱電ストリングを製造するために、これらの機能が実行されて熱電接点１０３のストリップ５０４を生成する。撚り線リンク１０１がストリップ５０４から別のストリップ５０４に配置され、撚り線ループ１０２がストリップ５０４の外側に配置される。限定されないが、リンクの端部がストリップ５０４上のはんだパッドに整列するのを促進するために、リンク１０１の群およびループ１０２の群がくし形スロットを有する担体に手動でまたはロボットで配置され得る。はんだを溶融し、次いで硬化させるためにリンク１０１、ループ１０２およびストリップ５０４の組み合わせがリフロー炉を通して移動させられる。ストリップ５０４を接続されているが個々の熱電接点１０３に個片化した後、熱電ストリングが製造される。
【００１５】
図５の第３の機械は、絶縁層中に多くの孔を同時にあけることができる鋭い管５０３の配列を含む。この機械はまた、管を案内し、絶縁材料を固定するための上下の孔５０４の配列、ならびに完全な穿刺および挿入に必要とされる力を生成するための空気圧または他のシステムを有する。いったん管の配列が絶縁材料を完全に貫通したら、熱電ストリングのループ１０２端部が手動またはロボットのいずれかで管に入れられる。次いで、管の配列が、挿入されたのと反対方向に取り除かれる。全ての挿入が同時に達成されると、完全な熱電パネルが製造される。
【００１６】
図６は、熱電リボンの製造を自動化する別の方法を示している。この場合、図５の撚り線と剛性ストリップの両方を交換するためにフレキシブル回路材料６０１が使用される。図６に示される方法の１つの目的は、銅のエッチングも基板のパターニングも必要としないことである。図６ステップ１は、ポリイミド基板上にめっきした銅などの、フレキシブル回路材料６０１のシートである。限定されないが、フレキシブル層はポリエステル、マイラまたは他の適当な材料となり得るだろう。図６ステップ２は、プレスまたは他の適当な機械で孔６０２、６０３および６０４をあけた後のフレキシブル材料６０１を示している。各角の孔６０２は、取り付け具にボードを位置合わせおよび取り付けて、配置および整列を促進するためのものである。孔６０３は、後のステップで配置されるチップの端間の電気接続を除去する。孔６０４は、大きな力の外乱がチップを損傷するのを防ぐ歪み軽減体を取り付けおよび把持するためのものである。図６ステップ３は、フレキシブル回路材料の裏に配置されたエポキシまたは他の硬質もしくは硬化材料でできた歪み軽減体６０５を示している。この歪み軽減体６０５は、追加の歪み軽減強度のために把持孔６０４にさらに形成または挿入され得る。図６ステップ４は、後のステップでの熱電チップの配置のために、調製時に銅パッド上にはんだペースト６０５を配置することを示している。図６ステップ５は、フレキシブル回路材料上およびはんだペースト配置６０６に隣接して交互にｎ型熱電チップ６０７およびｐ型熱電チップ６０８を配置することを示している。次いで、図６ステップ５のアセンブリがはんだリフロー炉で処理され、このリフロー炉中ではんだペーストがチップの端部および銅パッドによる硬質共晶接合を形成する。限定されないが、ステップ３で配置されたエポキシまたは他の接着剤は、同じリフロー炉でステップ５の後に硬化され得る。図６ステップ６は、図６ステップ７に示される１０５への挿入の準備ができた二次元熱電リボンを表すストリップへの最終切断６０９を示している。挿入工程によってｎおよびｐ型熱電チップ６０７および６０８の背中合わせの配置が達成される。ここで、図６ステップ７の熱電パネルは、シートクッション、ベッド表面、冷蔵庫壁、飲料の上包み、または加熱もしくは冷却を要する他の製品、および／または一方から他方へと切り替わる能力に使用され得る分散型熱電パネルに似ている。
【００１７】
本発明を使用した分散型熱電パネルおよび同発明者らによるその他は、任意の座席または寝具表面に加熱および冷却を付加することを可能にする。しかしながら、多くのこのような表面、例えば、車輪付き事務椅子は可動性を要する。これらの製品は、無線または可動性を阻害も制限もしない他の手段を用いてパネルに電力を供給することを要する。図７は、無線電力が椅子７０７の内側の熱電パネルに供給される１つの構成を示している。ＰｏｗｅｒＭａｔ、Ｑｕａｌｃｏｍｍ、ＷｉＴｒｉｃｉｔｙなどから入手可能な無線電力装置が、無線電力を、携帯電話および自動車などのモバイル機器に供給する。これらの無線電力送信機７０１および７０２がモバイル機器７０３の内側の対応する無線受信機に電力を供給する。熱電パネルに必要とされる電力レベルは、携帯電話については７０１より大きいが、自動車のバッテリーの充電については７０２未満となる。したがって、例えば、事務椅子７０７に動力を供給するのに必要なようにいずれかの機器を調整することができると予想される。
【００１８】
図８は、熱電パネルを含む製品の可動性を可能にする別の実施形態を示している。この場合、導電性ブラシ８０４が、交互の電源電圧用の導体電極８０２および接地用の導体電極８０３を含む下にあるマット８０１と接触して滑る。限定されないが、複数のブラシ８０４が分散型熱電パネルを含む任意のモバイル機器の三脚台８０６の端部または車輪上に取り付けられる。ブラシ８０４の少なくとも１つが電源電圧電極８０２と接触し、少なくとも１つの他のブラシが接地電極８０３と接触している限り、電源電圧ｙｉｎ８０５が図８のダイオードアレイ回路を用いて椅子の熱電パネルに供給され得る。電極８０２および８０３の全てがダイオードアレイ８０２の両端に電気接続しており、ダイオードの整流機能によって電力Ｖｉｎ８０５が電源から接地に流れることが保証される。
【００１９】
加熱および冷却座席の１つの用途は、容易に入手可能であり、コードまたはバッテリーを用いて動力を供給されるシートまたはバッククッションと同等のサイズのシートまたはバッククッションである。このようなクッションは図９Ａおよび図９Ｂに示されている。空気入口１０９が、シートボトムクッションについて前面に、またはシートバッククッションについて上部にある。限定されないが、空気入口は、カバー１０７の部分的にまたは全体的に分散した空隙となり得るだろう。熱電パネル１０５は、スペーサーメッシュ空気流層１０２の上部に配置される。送風ファン９０４は、シートボトムクッションの裏またはシートバッククッションの下端に位置している。空気は送風ファンによって入口１０９から引き込まれ、空気出口１１０に排出される。シートクッションの配置に応じて、排気１１０の好ましい方向が遮断されるので、異なる空気流の方向を有する代替出口９０１が付加され得る。カバー１０７は、シート表面を熱電パネルのワイヤ１０１から離す。快適さおよび性能の目的のために、カバー１０７は、炭素繊維、グリセリン、ゲルまたは無発泡ポリウレタンなどの軟質であるが熱伝導性の材料を含んでもよい。加熱および冷却システム全体は、従来のシートクッションのサイズおよび形状に含まれ得る。
【００２０】
図１０は、屋内または屋外での快適さのためのペットまたは他の動物用の加熱および冷却ベッドを示している。多くの既存のペットベッドは、下からの換気をもたらすために高設である。図１０では、高設支持層９５２ならびにフレーム９５３および９５４が保持されている。熱電ワイヤ１０１は支持層９５２の上部まで通される、または下からよく接触している。空気入口１０９は、空気をこれらの入口から出口１１０まで引くファン９０４を有するスペーサーメッシュ１０６の周囲のいくらかまたは全部となり得る。カバー９５１はペットを熱電パネルのワイヤ１０１から離す。
【００２１】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更がなされ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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