Устройство и способ регуляции температуры тела

Группа изобретений относится к медицинской технике. Устройство для регуляции температуры тела содержит корпус с отверстием в основании; пластину, изготовленную из высокотеплопроводного материала, которая имеет профилированный выступ, соответствующий отверстию и вставленный в него; по меньшей мере один элемент Пельтье; электроплату для управления функциями устройства; теплоотвод; экран; аккумулятор для обеспечения питанием электроплаты, указанного элемента Пельтье и указанного экрана; датчик температуры для измерения температуры кожи у поверхности корпуса и пластины, которая контактирует с той же кожей. В корпусе, начиная с основания, указанная пластина, датчик температуры, элемент Пельтье, теплоотвод, электроплата, экран и крышка для корпуса расположены последовательно, при этом активация указанного элемента Пельтье происходит каждый раз, когда температура кожи, измеренная указанным датчиком температуры, отличается от значения исходной температуры, которое сохранено в памяти на электроплате. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Устройство, которое представлено настоящим изобретением, относится к области устройств для регуляции температуры человеческого тела и, в частности, относится к устройству и способу регуляции температуры тела.

Как известно из уровня техники, термин «терморегуляция» означает способность организма поддерживать температуру тела в заданных пределах, даже при температуре окружающей среды, которая значительно отличается от температуры самого тела. Адаптация к разным климатическим условиям достигается с помощью физиологических механизмов со стороны печени, мозга и сердца, а также сокращением скелетных мышц. Игнорируя процессы накопления и рассеяния тепла, основанные на способности человеческого тела адаптироваться к разным температурам, относительно обмена тепла организма с окружающей средой известно, что он осуществляется посредством процессов конвекции, проводимости, излучения и испарения.

Например, когда возрастает потребность уменьшить температуру тела, одним из решений может быть применение средства, которое позволит воздуху проникать в кожу, таким образом обеспечивая испарение, которое затем приводит к снижению температуры тела. Вместо того, чтобы полагаться только на потоотделение, этот процесс может быть облегчен путем увлажнения кожи жидкостью и, таким образом, также применения теплопередачи за счет проводимости.

Другая альтернатива для передачи тепла к человеческому телу и от него состоит в использовании термоэлектрических устройств, например, таких как «элемент Пельтье». Он состоит из термоэлектрического устройства, которое состоит из серии основанных на «эффекте Пельтье» переходов, которые образуют твердотельный тепловой насос, который затем способен генерировать градиент температуры при контакте с кожей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Уже существуют устройства для регуляции температуры тела, известные из уровня техники, которые используют элемент Пельтье в качестве средства контроля температуры тела, и один из них описан в японском патенте № JP2004263325.

Это устройство совмещается с предметом одежды, в ткань которого встроены элементы Пельтье. Кроме того, элементы питаются от аккумулятора и ими управляет блок управления температурой. Однако это устройство имеет проблему снижения энергоэффективности, которая происходит из-за неспособности элементов Пельтье эффективно прилегать к поверхности кожи для передачи тепла к телу пользователя.

Еще одно устройство для регуляции температуры тела описано в японском патенте № JP2008031581. Это устройство относится к оборудованию для регуляции температуры тела, которое также может быть выполнено в виде предмета одежды, снабженного системой обогрева и охлаждения на основании элементов Пельтье. Описанное устройство вместе с его оборудованием для терморегуляции обладает сравнительно большим размером и не практично из-за плохого прилегания элементов «Пельтье» к коже, и следовательно, это оборудование также не предоставляет высокую эффективность передачи энергии к телу пользователя и от него.

Еще одно устройство для регуляции температуры тела описано в японском патенте № JP2012161446. Это оборудование для регуляции температуры представляет собой воротник, оборудованный системой для теплообмена посредством использования элементов «Пельтье» вместе с жидкостью. Это оборудование, однако, тоже имеет недостатки, в том числе большие размеры, в частности в отношении расположения устройства вокруг шеи пользователя, что может серьезно ограничить его использование в определенных ситуациях.

Другие устройства для регуляции температуры тела описаны в патентах № JP2010082427 и JP2002512081, которые оба имеют такие же недостатки, что и устройства, упомянутые выше.

Подытожив все сказанное, следует сказать, что устройства для регуляции температуры тела, известные из уровня техники, имеют следующие недостатки: большие размеры, которые значительно ограничивают их использование, снижение эффективности использования энергии из-за плохого прилегания элементов Пельтье к коже, а также ни одно из известных видов оборудования для регуляции температуры тела не оснащено элементом отображения температуры в реальном времени, которое обеспечивает пользователя возможностью регулировать функционирование такого оборудования в отношении желаемой температуры.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в создании оборудования, которое устранит недостатки, связанные с этими устройствами для регуляции температуры тела, известными из уровня техники, и, в частности, предоставит устройство регуляции температуры тела, которое обладает меньшими размерами и высокой эффективностью использования энергии в отношении теплопередачи, а также располагается на запястье пользователя для того, чтобы передавать или извлекать тепло.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в создании устройства для регуляции температуры тела, снабженного элементом отображения температуры тела на основании отображения и оценки текущей температуры тела.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение расслабления кожи за счет снижения стресса и усиления ощущения оздоровления, таким образом, обеспечивая баланс энергетических полей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Эти и другие цели достигаются устройством для регуляции температуры тела, описанным ниже в предпочтительном варианте осуществления, которым не ограничиваются возможности дальнейшего усовершенствования настоящего изобретения, в сочетании с прилагаемыми графическими материалами, на которых показаны соответственно:

фиг. 1 — покомпонентный вид устройства для регуляции температуры тела согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 — вид в разрезе устройства для регуляции температуры тела согласно настоящему изобретению;

фиг. 3 — изображение экрана устройства для регуляции температуры тела.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Со ссылкой на прилагаемые фигуры, устройство, представляющее настоящее изобретение и относящееся к устройству 1 для регуляции температуры тела, состоит из корпуса 2, в который вставляют в определенной последовательности, начиная с основания 22, пластину 3, изготовленную из высокотеплопроводного материала, которая оснащена датчиком 9 температуры, интерфейсом 5a теплопроводности, элементом 4 Пельтье, вторым интерфейсом 5b теплопроводности, теплоотводом 7 и экраном 10, который установлен на крышке 12, которая позволяет герметично закрывать корпус 2 и которая оснащена стеклянным окном 13, выполненным для защиты экрана 10.

Опять же в корпусе 2 можно увидеть электроплату 6 и один или более аккумуляторов 8 для подачи питания устройству 1; кроме того, указанный корпус 2 удерживается на месте с помощью ремня 11 таким образом, что устройство 1 охватывает запястье W пользователя. Наконец, в корпусе 2 и крышке 12 выполнены отверстия 24 для размещения кнопок 25 управления, которые функционально соединены с электроплатой 6 для взаимодействия с последней для установки или изменения рабочих параметров устройства.

Ссылаясь на прилагаемые чертежи, в основании корпуса 2 может также быть выполнено отверстие 21 , форма которого соответствует форме нижнего выступа 31, который расположен на поверхности 3a пластины 3, при этом упомянутая пластина выполнена из высокотеплопроводного материала. Толщина указанного нижнего выступа 31 совпадает с толщиной основания 22 корпуса 2.

Пластина 3, выполненная из высокотеплопроводного материала, передает тепло от элемента 4 Пельтье к коже, и наоборот. С этой целью пластина 3 изготавливается из высокотеплопроводного материала, такого как алюминий, например, и находится в контакте с кожей, и в результате этого теплообмен происходит каждый раз, как устройство 1 надето.

При отсутствии отверстия 21 основание 22 корпуса 2 может быть закрыто и находиться в контакте с поверхностью 4а элемента 4 Пельтье.

Для того, чтобы увеличить теплообмен, могут быть предусмотрены интерфейсы 5a и 5b теплопроводности, которые служат для охватывания элемента 4 Пельтье; в частности, интерфейсы 5a и 5b предназначены для увеличения теплообмена между элементом 4 Пельтье и пластиной 3, изготовленной из высокотеплопроводного материала, и между элементом 4 Пельтье и теплоотводом 7, при этом последний также находится в контакте с элементом 4 Пельтье.

Как упоминалось ранее, элемент 4 Пельтье представляет собой термоэлектрическое устройство, которое содержит много переходов с эффектом «Пельтье», которые вместе образуют твердотельный тепловой насос, при этом одна поверхность поглощает тепло, в то время как другая вырабатывает его, и направление, в котором передается тепло, зависит от направления постоянного тока, применяемого в самом элементе.

Электроплата 6 содержит все компоненты, необходимые для того, чтобы правильно управлять работой устройства. Поэтому она функционально соединена с экраном 10, датчиком 9 температуры, элементом 4 Пельтье, кнопками 25 управления, и ее питает аккумулятор 8. Электроплата выполняет следующие задачи: при помощи датчика 9 она измеряет температуру кожи и сохраняет измеренное значение в памяти; она выполняет алгебраические операции и операции сравнения; она активирует элемент 4 Пельтье, что приводит к теплообмену, и посылает информацию о температуре и функциях на экран 10. Электроплата 6 также способна интерпретировать управляющие сигналы, полученные от кнопок 25.

Экран 10 показывает всю информацию, которая касается работы устройства, включая измеряемую температуру, информацию о текущих дате и времени, как в обычных электронных часах, а также позволяет программировать тепловые функции. Более конкретно, экран 10 показывает следующую информацию: время 101, дату 102, исходную температуру 103 кожи, текущую температуру 104 кожи, уровень 105 заряда аккумулятора, состояние (включение/выключение) тепловой функции и режим тепловой функции (нагрев/охлаждение) 106, а также минимальную 107 и максимальную 108 температуры. Кроме того, экран 10 запрограммирован таким образом, чтобы изменять свой цвет в зависимости от исходной температуры и в зависимости от режима тепловой функции.

Теплоотвод 7 позволяет части тепла, вырабатываемого элементом 4 Пельтье, рассеиваться по направлению к наружной стороне устройства 1.

После размещения на запястье и активации, в течение заданного периода времени «Т», длящегося, например, 10 часов, устройство 1 для регуляции температуры тела начинает предварительный этап сбора информации о температуре тела, при этом в течение этого периода температура кожи измеряется каждые «N» временных интервалов на протяжении заранее определенного периода времени «T1», например раз в час в течение 10 часов этапа сбора информации.

Этап измерения исходной температуры управляется электроплатой 6, которая, для этой цели, хранит в памяти значения, измеренные датчиком 9 температуры, при этом указанный датчик находится в контакте с кожей.

В конце этапа сбора информации о температуре электроплата 6 вычисляет среднюю температуру (также называемую исходной температурой «TR»), значение 103 которой будет затем отображено на экране 10.

Исходная температура TR, которая представляет собой среднее значение температур, измеренных в течение периода T этапа сбора информации, постоянно обновляется дальнейшими измерениями температуры, которые происходят в заданном временном интервале «T2», например через каждый час с момента последнего измерения исходной температуры TR. Таким образом, в приведенном выше примере новая исходная температура TR будет результатом среднего значения температур, измеренных в течение последних 10 часов, исключая хронологически наиболее отдаленное измерение и включая самое последнее измерение. Соответственно, устройство 1 постоянно обновляет исходную температуру TR во время использования.

В качестве альтернативы, когда устройство находится на запястье и активировано, этап сбора информации об исходной температуре TR может быть запущен вручную с помощью кнопки сброса.

Во время указанного этапа сбора информации об исходной температуре TR, для обеспечения стабилизации температуры на пластине 3, изготовленной из высокотеплопроводного материала, устройства 1 по отношению к температуре кожи, тепловая функция для передачи тепла элементом 4 Пельтье дезактивируется. Кроме того, на данном этапе на экране 10 появляется иконка 106, например в виде песочных часов, что свидетельствует о том, что устройство 1 находится на этапе сбора информации об исходной температуре.

Когда устройство не надето, процесс вычисления исходной температуры и минимальной/максимальной температуры, осуществляемый с помощью электроплаты 6, прерывается; устройство начнет производить измерения снова, как только оно будет снова на запястье. Для этой цели на ремне 11 имеется датчик 111, который электроплата 6 использует для определения, надето ли или нет устройство 1.

Всякий раз, когда ремень 11 закрыт, на экране 10 появляется запрос повторной активации либо запрос тепловой функции.

Ремень 11 может, кроме того, быть выполненным в форме ремня с застегивающим элементом в виде липучки 112, пряжки или раскладной застежки.

Измерения температуры кожи также могут быть выполнены вручную с помощью специальной кнопки 25 управления.

Устройство 1 для регуляции температуры тела имеет два режима работы: первый режим, направленный на поддержание температуры тела близкой к исходной температуре TR, и второй режим, который может быть активирован только тогда, когда первый режим дезактивирован и что заставляет элемент Пельтье циклически активироваться в течение заданного временного интервала «T4». Указанная циклическая активация может быть запрограммирована либо только на нагрев, либо только на охлаждение поверхности кожи, которая находится в контакте с нижней частью пластины 3.

Также предусмотрен «автоматический» режим, в котором устройство 1 попеременно нагревается и охлаждается в течение предварительно определенного периода времени.

Во избежание ложных измерений температуры, когда элемент 4 Пельтье активен и одновременно проводится измерение исходной температуры в конце температурного диапазона «Tl», то до того, как измерение температуры осуществится с помощью датчика 9 температуры, электроплата 6 сначала отключит элемент 4 Пельтье.

Устройство также имеет кнопку 25, которая позволяет пользователю сбросить значение исходной температуры «TR» в любое время, таким образом, перезапуская этап сбора информации об исходной температуре.

Как упоминалось ранее, устройство имеет два режима работы; в первом случае, после истечения предварительно установленного временного интервала «T3», электроплата 6 с помощью датчика 9 температуры выполняет измерение текущей температуры «TS», полученное значение 104 которой также выводится на экран 10, и сравнивает ее с исходной температурой «TR». Если разница больше или меньше, чем заданное значение гистерезиса (например, значение по умолчанию, равное 0,5 °C, которое может быть установлено вручную с шагом от 0,5 °C до 2 °С), то электроплата 6 активирует элемент 4 Пельтье в зависимости от нагрева или охлаждения, чтобы сбалансировать температуру тела.

Тепловые функции элемента 4 Пельтье будут отключены только тогда, когда измеренная температура TS повторно установится или же возвратится в пределы значения гистерезиса, установленного для исходной температуры TS = TR.

В качестве альтернативы для первого теплового режима работы, электроплата 6 может управлять устройством 1 таким образом, что после заранее определенного количества часов элемент 4 Пельтье активируется на определенный период времени «T4». В этом режиме работы устройство сначала нагревается в течение заданного времени, а затем, по истечении определенного периода времени, устройство охлаждается за тот же временной интервал.

В качестве альтернативы, устройство может быть настроено на отдельный цикл нагрева или охлаждения, который длится период времени, задаваемый вручную.

В этом режиме работы новая температура, которой необходимо достичь и поддерживать, становится заданной температурой «TP», которая может быть на n градусов выше или ниже, вплоть до максимальной разницы температур, обеспечиваемой устройством. Поэтому заданная температура «TP», выбранная пользователем, устанавливается с помощью кнопок управления 25, которыми оснащено устройство 1.

Следуя этой логике, тепловая функциональность автоматически прекращается по истечении заданного интервала, в момент чего значение температуры, которую необходимо поддерживать, возвращается к значению исходной температуры TR.

Ниже схематический пример этапов работы устройства приводится совместно с определенными временными интервалами:

1) Этап сбора информации об исходной температуре TR имеет общую длительность T в 10 часов, в течение которых температура измеряется на каждом интервале T1 (то есть каждый час), во время чего элемент 4 Пельтье выключен, чтобы не влиять на само измерение.

2) После того, как исходная температура TR вычислена, в каждом последующем интервале T2, например через 2 секунды, значение текущей температуры TS измеряется и используется для поддержания исходной температуры TR (TR = TS) путем надлежащей активации элемента 4 Пельтье.

3) По истечении заданного временного интервала, например 55 минут, элемент Пельтье отключается.

4) После дополнительного фиксированного временного интервала, например 5 минут, производится измерение температуры для того, чтобы обновить среднюю, вычисленную за предыдущие 10 часов, то есть исходную температуру TR, в момент чего экран обновляется измеренной позднее всего температурой TS 104 и новой исходной температурой TR 103.

5) Если, например, после последней активации элемента 4 Пельтье прошло два часа и тепловой режим работы устройства 1 установлен таким образом, что элемент 4 Пельтье циклически активируется по истечении заданного количества часов в течение определенного периода времени, то устройство либо продолжает работать с пятого этапа, либо возобновляет работу с первого этапа.

6) Элемент 4 Пельтье активируется для того, чтобы либо нагревать, либо охлаждать с максимальной разницей температуры в 3 градуса, таким образом, возвращая заданную температуру к исходной температуры TR, например.

7) В каждом последующем интервале Tl, например через 2 секунды, значение текущей температуры TS измеряется и используется для поддержания исходной температуры TR путем надлежащей активации элемента 4 Пельтье.

8) По истечении заданного временного интервала, например 55 минут, элемент Пельтье дезактивируется.

9) После дополнительного фиксированного временного интервала, например в 5 минут, производится измерение температуры для того, чтобы обновить среднюю, вычисленную за последние 10 часов, то есть исходную температуру TR, в момент чего экране обновляется измеренной позднее всего температурой TS 104 и новой исходной температурой TR 103, и затем устройство возобновляет работу с четвертого этапа.

Длительность временных интервалов T, Tl и T2, число интервалов N и температура TR являются иллюстрированными и могут отличаться от тех, которые описаны и установлены пользователем.

1. Устройство (1) для регуляции температуры тела, содержащее:

- корпус (2), имеющий отверстие (21) в основании (22);

- пластину (3), изготовленную из высокотеплопроводного материала, которая имеет профилированный выступ (31), соответствующий отверстию (21) и вставленный в него;

- по меньшей мере один элемент (4) Пельтье;

- электроплату (6) для управления функциями устройства (1);

- теплоотвод (7);

- экран (10), меняющий цвет в зависимости от измеренных температур;

- аккумулятор (8) для обеспечения питанием указанной электроплаты (6), указанного элемента (4) Пельтье и указанного экрана (10);

- датчик (9) температуры, предназначенный для измерения температуры кожи у поверхности корпуса (2) и пластины (3), которая контактирует с той же кожей;

- ремень (11), который прикреплен к указанному корпусу (2);

- крышку (12) для закрытия корпуса (2);

- по меньшей мере одну кнопку (25) управления, которая функционально соединена с электроплатой (6);

при этом в корпусе (2), начиная с основания (22), пластина (3), изготовленная из высокотеплопроводного материала, датчик (9) температуры, элемент (4) Пельтье, теплоотвод (7), электроплата (6), экран (10) и крышка (12) для корпуса расположены последовательно, при этом активация указанного элемента Пельтье происходит каждый раз, когда температура кожи, измеренная указанным датчиком (9) температуры, отличается от значения исходной температуры TR, которое сохранено в памяти на электроплате (6); отличающееся тем, что ремень (11) снабжен датчиком (111), предназначенным для передачи электроплате (6) данных о том, что указанный ремень (11) застегнут.

2. Способ регуляции температуры тела с помощью устройства по п. 1, отличающийся тем, что включает следующие этапы:

- включение устройства (1) с помощью по меньшей мере одной кнопки (25) управления;

- сбор и сохранение в памяти на электроплате (6) температуры кожи, которая находится в контакте с корпусом (2) и с пластиной (3) из высокотеплопроводного материала, с помощью датчика (9) температуры после ее измерения с N интервалами на протяжении заранее определенного временного интервала «Т1» в течение общего временного интервала «Т»;

- передачу измеренных температур электроплате (6);

- вычисление средней температуры на основании значений, измеренных в течение общего временного интервала Т, которая затем составляет значение для исходной температуры TR, с помощью электроплаты (6);

- сбор текущей температуры «TS» с помощью датчика (9) температуры и сравнение исходной температуры «TR» и «TS» в каждом предварительно заданном временном интервале «Т3»;

- активацию элемента (4) Пельтье всякий раз, когда текущая температура «TS» отличается от исходной температуры «TR», а именно охлаждение элемента Пельтье, когда текущая температура «TS» выше, чем исходная температура «TR», или нагрев элемента (4) Пельтье, когда текущая температура TS ниже, чем исходная температура «TR»;

- дезактивацию элемента (4) Пельтье при тех условиях, в которых текущая температура «TS» соответствует исходной температуре «TR»;

- обновление исходной температуры «TR» путем определения температуры кожи с помощью датчика (9) температуры в конце каждого нового интервала «Т2», следующего за периодом Т;

- вычисление новой исходной температуры «TR» посредством электроплаты (6), которая состоит из среднего значения температур, измеренных в течение последних N-1 измерений, исключая хронологически наиболее отдаленное измерение и включая вместо него самое последнее измерение.