Термоэлектрическое устройство для локального охлаждения терморецепторов кожи человека
THERMOELECTRIC APPARATUS FOR LOCAL COOLING OF THERMORECEPTORS OF THE HUMAN SKIN

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.
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.
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.
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.
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.
Техническим результатом является охлаждение термомодуля до более низких температур и управление скоростью потока охлаждающего воздуха для регулирования температуры охлаждения.
2
2
2
2
2
2
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=0,2D - 0,45D, площадь сквозных отверстий со стороны модуля S2=0,25D - 0,85D, а внутреннее поперечное сечение кожуха S=0,8D-D.
Существо изобретения поясняется на фигуре 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.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Для подачи потока воздуха с заданной скоростью к «горячему» теплопереходу 2 кожух 4 имеет квадратное внутреннее поперечное сечение с площадью S=0.8D - 1.0D, соответствующее квадрату стороны теплоперехода D, и высоту Н=0.7D - 4.5D, соответствующую стороне теплоперехода D. При поперечном сечении кожуха S меньше 0.8D охлаждение «горячего» теплоперехода существенно уменьшается за счет уменьшения скорости потока воздуха и его объема, проходящего через кожух. Увеличение поперечного сечения кожуха S более 0.8D до 1.0D 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 S=0,25D - 0.85D. При сечении воздушного зазора 8 площадью меньше 0,25D значительно снижается скорость выходящего потока подогретого воздуха за счет уменьшения сечения зазора, что не обеспечивает заданного охлаждения. Превышение сечения воздушного зазора 8 площадью больше 0,85D 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 0,2D- 0,45D 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 0,2D 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 0,45D 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.
Устройство функционирует следующим образом.
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.
Пример реализации изобретения.
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.
2
2
2
1
2
На кожухе, например, из алюминия с поперечным сечением площадью S=0.8D, высотой H=0.7D, воздушным зазором с площадью сечения S=0,2D под пьезоэлектрическим насосом и воздушным зазором с площадью сечения S=0,25Dвыше «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.
2
2
2
1
2
На кожухе, например, из алюминия с поперечным сечением площадью S=1.0D, высотой H=4.5D, воздушным зазором с площадью сечения S=0,45D под пьезоэлектрическим насосом и воздушным зазором с площадью сечения S=0,85Dвыше «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.
Проведенные исследования работоспособности предлагаемого устройства подтверждают его промышленную применимость.