KR0149245B1 - Local skin cooling device with thermoelectric semiconductor elements - Google Patents
Local skin cooling device with thermoelectric semiconductor elementsInfo
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Abstract
본 발명은 열전반도체 소자의 흡열 및 가열기능을 히용하여 냉각과 가열 싸이클을 반복시켜 인체 피부의 극소부위에 열적 자극 효과를 주기 위한 피부 국소 냉각장치에 관한 것으로서, 열전반도체 소자쌍과 저온단(1)과 고온단(3)을 갖는 열전 모듈(2)와, 열전 모듈(2)의 고온단(3)과 접촉하는 히트 캐패시터(4)와, 히트 캐패시터(4)와 접촉하는 열절연체(5)와, 열절연체를 이동시키는 스크루(7)과, 머리 또는 이마 등 인체에 부착시키는 금속제 클램프(6)과, 직류 전원(9)의 온/오프 제어장치(8)을 포함한다.The present invention relates to a skin local cooling device for providing thermal stimulation effect to a minute portion of human skin by repeating cooling and heating cycles by utilizing endothermic and heating functions of thermoelectric semiconductor elements. ) And a thermoelectric module 2 having a high temperature stage 3, a heat capacitor 4 in contact with the high temperature stage 3 of the thermoelectric module 2, and a thermal insulator 5 in contact with the heat capacitor 4. And a screw 7 for moving the thermal insulator, a metal clamp 6 for attaching to a human body such as a head or forehead, and an on / off control device 8 of the DC power supply 9.
Description
제1도는 본 발명에 의한 개략적 구성도.1 is a schematic configuration diagram according to the present invention.
제2도는 열전 모듈 양단의 이론적인 온도 변화 싸이클을 도시한 그래프.2 is a graph showing the theoretical temperature change cycles across thermoelectric modules.
제3도는 본 발명에 의한 장치의 성능 시험 결과를 도시한 그래프.3 is a graph showing the performance test results of the device according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 저온단 2 : 열전 모듈1: low temperature stage 2: thermoelectric module
3 : 고온단 4 : 히트 캐패시터3: high temperature stage 4: heat capacitor
5 : 열전연체 6: 클램프5: thermoelectric 6: clamp
7 : 스크루 8 : 제어장치7: screw 8: control device
9 : 직류전원9: DC power
본 발명은 직류 전기를 통하면 한쪽이 냉각되고 반대쪽이 가열되는 열전 반도체 소자의 펠티에 효과(Peltier effect)을 이용하여 피부의 일정한 국소부위에 냉각과 승온 싸이클을 반복시켜 인체의 피부에 열적 자극을 주는 장치로서 인체에 감지되는 자극에 의하여 졸음이나 기타 혼미한 상태를 방지할 수 있도록 고안된 장치이다. 본 발명의 장치는 소형 경량이므로 인체에 간단히 부착할 수 있어 운전자 또는 수험생의 졸음방지용으로 효과적으로 이용할 수 있다. 이하에 첨부 도면을 참조하여 장치의 구성과 원리 및 기술적 특징을 설명한다.The present invention uses the Peltier effect of the thermoelectric semiconductor device that one side is cooled and the other side is heated by direct current, thereby repeating the cooling and heating cycles at a predetermined local part of the skin to give thermal stimulation to the human skin. As a device, it is designed to prevent drowsiness or other confusion by the stimulus sensed by the human body. Since the device of the present invention is compact and lightweight, it can be easily attached to a human body and can be effectively used for preventing drowsiness of the driver or examinee. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The construction, principle and technical features of the apparatus will be described below with reference to the accompanying drawings.
제1도에 도시된 본 발명의 냉각장치는 직류 전원(9) 및 전원의 온/오프(on/off) 제어장치(8)의 통전에 의하여 열을 흡수하는 열전 모듈(2), 흡수된 열을 수용하는 히트 캐패시터(4), 히트 캐패시터로부터의 열전도를 방지하는 열절연체(5), 머리 또는 이마등 인체에 부착시키는 금속제 클램프(6) 및 열절연체의 이동 스크루(7)로 구성되어 있다. 열전 모듈(2)은 P형 및 N형의 열전 반도체 소자를 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결하여 절연기판(저온단 및 고온단) 사이에 고정시켜 복수개의 열전 반도체 소자를 일체화시킨 것이다. 이같은 열전 모듈은 공지된 것으로서, 이미 상용화되어 있는 다수의 제품들로부터 선택될 수 있으므로 본 명세서에서는 더 자세히 설명하지 않는다. 본 장치의 작동 원리는 열전 모듈(2)의 흡열기능을 이용한는 것으로서 전원(9)으로부터 직류전기를 통전하면 피부와 접촉하게 되는 열전 모듈의 저온단(1)은 흡열에 의하여 Tc온도로 냉각되고, 흡열된 열은 열전 모듈의 고온단(3)으로 이동되어 Th온도로 가열되며 이때 흡열된 열은 히트 캐패시터(4)에 저장된다.The cooling apparatus of the present invention shown in FIG. 1 includes a thermoelectric module 2 that absorbs heat by energization of a DC power supply 9 and an on / off control device 8 for power supply, and absorbed heat. A heat capacitor (4) for accommodating the heat sink, a heat insulator (5) for preventing heat conduction from the heat capacitor, a metal clamp (6) for attaching to a human body such as a head or forehead, and a moving screw (7) of the heat insulator. The thermoelectric module 2 electrically connects P-type and N-type thermoelectric semiconductor elements in series and thermally in parallel to fix them between insulating substrates (low temperature end and high temperature end) to integrate a plurality of thermoelectric semiconductor elements. will be. Such thermoelectric modules are well known and can be selected from a number of products already commercially available and will not be described in further detail herein. The operating principle of the device is to use the endothermic function of the thermoelectric module 2, and the low temperature end 1 of the thermoelectric module, which is in contact with the skin when the direct current is energized from the power source 9, is cooled to the temperature T c by the endotherm. The endothermic heat is transferred to the high temperature stage 3 of the thermoelectric module and heated to the T h temperature, where the endothermic heat is stored in the heat capacitor 4.
본 발명의 장점은 직류 전원의 온/오프 제어에 의하여 피부와 접촉하게 되는 열전 모듈 저온단(1)이 냉각되었다가 가열되는 냉각 ←→ 가열의 왕복 사이클을 반복시킴으로서 열충격에 의한 피부자극 효과를 극대화한 점이다. 직류 전원의 온/오프 제어장치는 공지된 것으로서 본 명세서에서는 더 자세히 설명하지 않는다. 이러한 원리는 열전반도체에 의한 열전 냉각의 에너지 수지식으로 부터 착안한 것이다. 즉 열전 모듈(2)에 통전되는 시간( on off The advantage of the present invention is to maximize the skin irritation effect by thermal shock by repeating the reciprocating cycle of cooling ← → heating in which the thermoelectric module low temperature stage 1, which is in contact with the skin by the on / off control of the DC power source, is cooled and heated. One point. The on / off control device of the DC power supply is well known and will not be described in detail herein. This principle is conceived from the energy balance equation of thermoelectric cooling by thermoelectric semiconductor. That is, the time (the time that the thermoelectric module 2 is energized) on off
여기에서,From here,
α: 열전 모듈의 열기전력 [Volt/K]α: thermoelectric power of thermoelectric module [Volt / K]
I : 인가된 직류전류[A]I: DC current applied [A]
R : 전기저항[Ω]R: Electric resistance [Ω]
Ke: 열전도율[W/K]K e : Thermal Conductivity [W / K]
Th: 히트 캐패시터의 평균온도[K]T h : Average temperature of heat capacitor [K]
ΔTon: 통전중의 온도차[히트 캐패시터 온도(Th)-열전 모듈 저온단온도(Tc)]ΔT on : Temperature difference during energization [heat capacitor temperature (Th) -thermoelectric module low temperature end temperature (T c )]
ΔToff: 단전중 온도차[히트 캐패시터 온도(Th)-열전 모듈 저온단온도(Tc)]ΔT off : Temperature difference during disconnection [heat capacitor temperature (Th) -thermoelectric module low temperature end temperature (T c )]
식(1)에서 보는 바와 같이 통전되는 시간(τon)과 단전되는 시간(τoff)의 비는 열전 모듈에 공급하는 전류(I)의 크기에 따라 임의로 조절할 수 있다. τon/τoff의 비는 열전 모듈 저온단의 온도를낮게 하거나 높게 하는 냉각 및 가열 싸이클의 주기를 결정하는 요인으로서 이는 전원 스윗치의 온/오프 빈도에 의하여도 조절할 수 있다. 따라서 본 발명의 장치에서는 저온단의 냉각 온도와 냉각 및 가열 싸이클의 주기를 독립적으로 조절가능하다.As shown in Equation (1), the ratio between the energized time τ on and the disconnected time τ off can be arbitrarily adjusted according to the magnitude of the current I supplied to the thermoelectric module. The ratio of τ on / τ off is a factor in determining the cycle of cooling and heating cycles that lowers or raises the temperature of the thermoelectric module low temperature stage, which can also be controlled by the on / off frequency of the power switch. Therefore, in the apparatus of the present invention, the cooling temperature of the low temperature stage and the cycle of the cooling and heating cycles can be adjusted independently.
제2도는 작동상태에서의 온도 변화와 냉각 및 가열 싸이클을 도시한 그래프로서, 피부와 접촉하는 열전 모듈 저온단의 온도가 주기적으로 저온과 고온상태를 반복하는 것을 나타낸다.2 is a graph showing the temperature change in the operating state and the cooling and heating cycles, in which the temperature of the thermoelectric module cold end in contact with the skin periodically repeats the low temperature and the high temperature state.
본 발명의 장치는 이와 같이 통전시에는 열전 모듈의 저온단(1)이 냉각되고 단전시에는 가열되어 피부에 열적 자극을 주도록 한 것이다. 이러한 기능은 열전 모듈 고온단(3)에 히트 캐패시터(4)를 밀착시키고 이것과 클램프(6) 사이에 열절연체(5)를 삽입시킨 본 발명 특유의 구조에 의하여 가능하게 된다. 즉, 열전 모듈(2)에 직류 전기를 통전하면 피부에 접촉시키는 열전 모듈의 저온다(1)이 냉각되고 여기에서 흡열된 열은 열전 모듈의 고온단(3)을 경유하여 히트 캐패시터(4)에 수용된다. 히트 캐패시터(4)와 클램프(6) 사이에는 열절연체(5)가 있으므로 히트 캐패시터의 열방출이 억제되어 제2도에서와 같이 열전 모듈의 저온단(1)이 냉각됨에 따라 히트 캐패시터의 온도는 상승한다. 또 단전시에는 열전 모듈로 부터의 열의 유입이 정지되므로 히트 캐패시터(4)에 저장된 열은 열전 모듈의 저온단(1)으로 역류하여 저온단(1)의 온도가 상승한다. 이와같이 전원의 온/오프 상태를 반복함에 따라 피부와 접촉시키는 저온단(1)은 저온상태와 고온상태를 반복하여 피부에 열적 자극을 부여하게 된다.In the device of the present invention, the low temperature stage 1 of the thermoelectric module is cooled when energized, and heated at the time of power loss to give thermal stimulation to the skin. This function is made possible by the structure peculiar to the present invention in which the heat capacitor 4 is brought into close contact with the thermoelectric module high-temperature end 3 and the thermal insulator 5 is inserted between it and the clamp 6. That is, when a direct current is applied to the thermoelectric module 2, the low temperature 1 of the thermoelectric module to be brought into contact with the skin is cooled, and the heat absorbed therein is transferred to the heat capacitor 4 via the high temperature end 3 of the thermoelectric module. Is accommodated in. Since there is a thermal insulator 5 between the heat capacitor 4 and the clamp 6, heat dissipation of the heat capacitor is suppressed, and as the low temperature end 1 of the thermoelectric module is cooled as shown in FIG. 2, the temperature of the heat capacitor is increased. To rise. In addition, since the inflow of heat from the thermoelectric module is stopped at the time of power loss, the heat stored in the heat capacitor 4 flows back to the low temperature end 1 of the thermoelectric module, and the temperature of the low temperature end 1 increases. As described above, the low temperature stage 1 contacting the skin by repeating the on / off state of the power source repeatedly gives a thermal stimulus to the skin by repeating the low temperature state and the high temperature state.
열전 모듈(2)의 사양에 특별한 제한은 없으나 피부에서 감지되는 열적 자극 효과를 크게 하기 위하여는 1암페아의 전류에서 2~5watts의 흡열능력을 갖고 저온단의 면적이 10㎜×10㎜ 내외인 열전 모듈이 적당하다. 히트 캐패시터(4)는 통전시에는 히트 싱크의 역할을 하여 냉각효과를 증대시키고 단전시에는 열공급원의 역할을 하여 열전 모듈 저온단(1)의 승온 효과를 증대시켜야 하므로 열전 모듈(2)의 흡열 능력을 고려하여 적당한 열용량을 갖도록 해야한다. 만일 열용량이 과도하게 크면 열전 모듈로부터 열을 흡수해도 히트 캐패시터(4)의 온도는 크게 변화하지 않으므로 단전시에 열전 모듈 저온단(1)의 온도 상승 효과가 거의 없게 된다. 반대로 히트 캐패시터(4)의 열용량이 너무 작으면 히트 싱크로서의 역할이 감소되어 저온단(1)의 냉각효과가 저하하며 히트 캐패시터(4)는 과도하게 가열되어 일정 시간이 경과하면 히트 캐패시터(4)로부터 역류되는 열량이 열전 모듈의 흡열량을 능가하게 되므로 열전 모듈의 저온단(1)은 항상 고온상태를 유지하게 된다. 히트 캐패시터(4)의 재질에 특별한 제한은 없으나 가급적 열전도성이 좋고 가벼운 알루미늄과 같은 금속이 바람직하다.There is no particular limitation on the specifications of the thermoelectric module (2), but in order to increase the thermal stimulation effect detected on the skin, it has an endothermic capacity of 2 to 5 watts at a current of 1 amp and the area of the low temperature end is about 10 mm x 10 mm. Thermoelectric modules are suitable. The heat capacitor 4 acts as a heat sink when energizing to increase the cooling effect and act as a heat source when power is cut off, so that the temperature increase effect of the low temperature stage 1 of the thermoelectric module should be increased. Consideration of the capacity should be made to have a suitable heat capacity. If the heat capacity is excessively large, even if the heat is absorbed from the thermoelectric module, the temperature of the heat capacitor 4 does not change significantly, so that the temperature increase effect of the low temperature stage 1 of the thermoelectric module at the time of power loss becomes little. On the contrary, if the heat capacity of the heat capacitor 4 is too small, the role of the heat sink is reduced, so that the cooling effect of the low temperature stage 1 is lowered, and the heat capacitor 4 is excessively heated, and when the predetermined time elapses, the heat capacitor 4 Since the amount of heat flowing back from the thermoelectric module exceeds the endothermic amount, the low temperature stage 1 of the thermoelectric module is always maintained at a high temperature. There is no particular limitation on the material of the heat capacitor 4, but preferably a metal such as aluminum having good thermal conductivity and light weight.
열절연체(5)는 히트 캐패시터(4)에 축적된 열이 클램프(6)로 전도되어 방출되는 것을 방지하기 위하여 삽입된 것으로서, 그 재질이나 크기는 히트 캐패시터(4)의 열용량을 고려하여 적절한 열절연 효과를 갖도록 선택해야 한다. 만일 열절연체(5)의 열절연기능이 충분치 못하면 열손실이 커져 히트 캐패시터(4)의 온도 상승이 약화되고 반대로 열전달기능이 완전히 차폐되면 히트 캐패시터(4)의 온도가 과도하게 상승하여 제2도와 같은 온도 싸이클의 유지가 곤란하게 된다. 열절연체(5)의 재질은 플라스틱이나 목재 등 어느것이나 가능하며 이 경우 열절연성은 두께와 히트 캐패시터(4)와의 접촉면적을 조절하므로써 효과적으로 제어할 수 있다. 즉 제1도의 구성도에서와 같이 열절연체(5)에 스크루(7)를 고정시켜 스크루의 조작으로 히트 캐패시터(4)와 클램프(6) 사이에서 열절연체(5)를 이동시켜 히트 캐패시터(4)로부터의 열방출량을 조정할 수 있다. 만일 열절연체(5)를 매개로 하는 열전도가 커서 히트 캐패시터(4)의 온도 상승 효과가 작을 때에는 열절연체(5)를 좌측으로 이동시켜 접촉 면적을 감소시켜 열전도에 의한 열손실을 줄이고, 반대로 히트 캐패시터(4)의 온도가 너무 높아지면 열절연체(5)의 우측 이동으로 열전도량을 증가시켜 히트 캐패시터(4)의 온도를 적정하게 유지할 수 있다.The thermal insulator 5 is inserted in order to prevent the heat accumulated in the heat capacitor 4 from being conducted to the clamp 6 and released. The heat insulator 5 has a proper heat in consideration of the heat capacity of the heat capacitor 4. It should be chosen to have insulation effect. If the thermal insulation function of the thermal insulator 5 is not sufficient, the heat loss increases and the temperature rise of the heat capacitor 4 is weakened. On the contrary, if the heat transfer function is completely shielded, the temperature of the heat capacitor 4 rises excessively, and the second degree It is difficult to maintain the same temperature cycle. The heat insulator 5 may be made of any material such as plastic or wood. In this case, the heat insulation can be effectively controlled by adjusting the thickness and the contact area of the heat capacitor 4. That is, as shown in FIG. 1, the screw 7 is fixed to the heat insulator 5, and the heat insulator 5 is moved between the heat capacitor 4 and the clamp 6 by the operation of the screw to heat the heat capacitor 4 Can be adjusted. If the thermal conductivity through the heat insulator 5 is large, and the effect of increasing the temperature of the heat capacitor 4 is small, the heat insulator 5 is moved to the left to reduce the contact area to reduce heat loss due to heat conduction. If the temperature of the capacitor 4 becomes too high, the heat conduction amount is increased by the right movement of the heat insulator 5, so that the temperature of the heat capacitor 4 can be properly maintained.
클램프(6)는 본 발명의 장치를 신체의 특정부위, 예를 들면 아마 등에 부착 시키기 위한 금속제의 밴드로서, 가급적 가볍고 신체에 잘 고정될 수 있으며 장착 및 탈착이 용이하게 할 필요가 있다. 전원(8)으로는 직류 전원이며 어느 것이나 작동 가능하므로 운전자의 졸음방지용으로 사용시에는 시거라이터용 전원을 사용할 수 있으며 가정에서 수험생의 졸음방지용으로 사용시에는 AC 어댑터를 사용할 수 있다. 시판의 1.5volt 건전지로도 작동가능하나 이 경우에는 건전지를 자주 교체해야 하는 불편이 따른다.The clamp 6 is a metal band for attaching the device of the present invention to a specific part of the body, for example flax, etc., which is preferably as light as possible, can be secured to the body, and needs to be easily attached and detached. The power source 8 is a DC power source, and any of them can operate, so a cigar lighter can be used to prevent drowsiness of the driver and an AC adapter can be used to prevent drowsiness of the examinee at home. It can also work with commercially available 1.5 volt batteries, but in this case it is inconvenient to replace the batteries frequently.
제3도는 피부와 접촉하는 열전 모듈 저온단(1)의 면적이 8.0×8.0㎜²이고 최대 흡열능력이 2.6watt인 열전 모듈을 사용하여 V=1.2volt, I=0.8Amp의 전원에서 본 장치의 성능을 시험한 실시예이다. 히트 캐패시터(4)는 열전 모듈 고온단(3)과의 접촉면적율 8.0×8.0㎜²로하고 두께가 2.5㎜ 인 알루미늄을 사용하고 열절연체(5)는 동일한 칫수의 PVC를 사용하였다. 열전 모듈 저온단(1)의 초기온도는 체온과 동일한 36.5℃ 로 하여 통전하면 약 2초 경과후에 30℃까지 냉각되며 여기에서 통전을 중단하면 8~10초후에 36℃로 승온된다. 이와같이 짧은 시간 주기로 냉각과 가열을 반복시켜 인체의 피부에 열적 자극을 주게된다.FIG. 3 shows that the thermoelectric module low temperature stage (1) in contact with the skin has an area of 8.0 x 8.0 mm² and a maximum endothermic capacity of 2.6 watts. The example which tested the performance. The heat capacitor 4 used aluminum having a thickness of 8.0 mm 8.0 mm 2 and a thickness of 2.5 mm with the thermoelectric module high temperature stage 3, and the heat insulator 5 used PVC having the same dimensions. The initial temperature of the thermoelectric module low temperature stage 1 is 36.5 ° C. equal to the body temperature, and when the power is supplied, the temperature is cooled to 30 ° C. after about 2 seconds, and when the power supply is stopped, the temperature is raised to 36 ° C. after 8 to 10 seconds. In this way, the cooling and heating are repeated in a short time period to give thermal stimulation to the human skin.
본 발명의 장치에서 나타나는 성능은 위의 실시예에 한정되는 것은 아니며 열전 모듈의 냉각 성능은 인가하는 전류의 크기 또는 열전모듈의 선택에 따라 임의로 조정할 수 있다. 예를 들어 인가하는 전류를 증가시키면 냉각 온도는 더욱 낮게할 수 있다. 또한 냉각과 가열 싸이클의 주기는 전원의 자동 온/오프 스윗치에 의하여 임의로 설정할 수 있다.The performance exhibited in the device of the present invention is not limited to the above embodiment and the cooling performance of the thermoelectric module can be arbitrarily adjusted according to the size of the applied current or the selection of the thermoelectric module. For example, increasing the applied current can lower the cooling temperature. In addition, the cycle of cooling and heating cycle can be set arbitrarily by automatic on / off switch of power supply.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950020963A KR0149245B1 (en) | 1995-07-18 | 1995-07-18 | Local skin cooling device with thermoelectric semiconductor elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950020963A KR0149245B1 (en) | 1995-07-18 | 1995-07-18 | Local skin cooling device with thermoelectric semiconductor elements |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR970008635A KR970008635A (en) | 1997-02-24 |
| KR0149245B1 true KR0149245B1 (en) | 1998-10-01 |
Family
ID=19420754
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019950020963A KR0149245B1 (en) | 1995-07-18 | 1995-07-18 | Local skin cooling device with thermoelectric semiconductor elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR0149245B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105428153A (en) * | 2015-11-19 | 2016-03-23 | 中国科学院等离子体物理研究所 | Semiconductor low-temperature thermal switch |
-
1995
- 1995-07-18 KR KR1019950020963A patent/KR0149245B1/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105428153A (en) * | 2015-11-19 | 2016-03-23 | 中国科学院等离子体物理研究所 | Semiconductor low-temperature thermal switch |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR970008635A (en) | 1997-02-24 |
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