<Desc/Clms Page number 1>
Cryoprobe op basis van een Peltier Module Domein van de uitvinding.
- Deze uitvinding heeft betrekking op een apparaat "cryoprobe of koelprobe" voor het koelen of verwarmen van een buigzaam oppervlak. Meer bepaald kan dit apparaat gebruikt worden om een thermische behandeling uit te voeren op de huid van mens of een dier.
- Het doel van de Cryoprobe is vooral de klassieke ijsblokjes en andere koelmediums te vervangen, echter warmtetherapie is ook mogelijk, hij zal vooral zijn toepassingen kennen bij fysiotherapeuten en kinesisten en in de algemene geneeskunde. Afkoelen is een goede therapie en beproefde methode tegen bepaalde ontstekingen en al eeuwen gekend.
- In vergelijking met bestaande middelen heeft onze Cryobrobe echter het grote voordeel dat zowel temperatuur, vermogen als afkoelingstijd regelbaar zijn en dit alles samen gebracht in en goede hariteerbare handprobe, (zie fig 13 drie dimentioneel model) met een enorm groot koelvermogen.
Achtergrond van de uitvinding.
- Bepaalde aandoeningen vereisen een lokale behandeling van de huid met koude of warmte, of een behandeling onder gecontroleerde temperatuurvariaties met groot koel- vermogen.. Omdat het hoofddoel van de probe koelen is zullen we vooral het koude aspect benaderen. Koude is tot nu toe een van de oudste, en meest gebruikte middel bij de behandeling van acute musculoskeletale letsels. Het geeft volgens verschillende auteurs de volgende gunstige effekten : 1) Toename van de bloedcirculatie (Travell, J.,
Simons, D. : Myofascial Pain and Dysfunction, The
Trigger point manual, volume 1 & 2, Williams &
Wilkins)
<Desc/Clms Page number 2>
2) Toename van de gewrichtsbeweeglijkheid (Nielson,
A. J. : Spray and stretch for relief of myofascial pain.
Physical Therapy, 58,567-569, 1978) 3) Afname inflammatie (Schmidt, K. L., e. a. : Heat, cold and inflammation. Zeitschrift für rheumatologie,
38,391-404, 1979) 4) Afname oedeem (Meeusen R. e. a. : Cryotherapy in sportmedicine-the effect of topical ice application on the permeability of the lymphvessels, Sports and
Medicine. McGregor and Moncur, 246-250,1986) 5) Toename van de relaxatie van de spieren (Clenendi, N. M. A. en Czumski, A. J. : Influence of cutaneous ice application on single motor units in humans.
Physical Therapy, 51,166-175, 1971) 6) Afname spierspasmen (6) (Lee, J. M. and Warren, M. P.
: Cold Therapy in rehabilitation, Belt & Hymen,
London, 1978) 7) Afname pijn (Grant, A. E. : Massage with ice in the treatment of painful conditions of themusculosceletal system, Arch. Phys. Med. Rehab.,
44,233-238, 1964)
EMI2.1
8) Breek de pijn-spasmecyclus (8) (Oison, J. and Stravino, V. A review of cryotherapy. fhysical
Therapy, 53,840-853, 1972) - In het verleden werd koude-therapie of cryotherapie vaak toegepast met behulp van ijsblokjes, al of niet verpakt in een behuizing, bv : in een waterdichte zak, een beker. Tevens werden zakken met een welbepaalde gel in de handel gebracht, die afgekoeld werden in een koelruimte om daarna, en waarbij, via een koelgroep, koude lucht werd geblazen op de huid of lichaamsdeel.
- Een andere methode is de toepassing van zeer vluchtige stoffen met een laag kookpunt, zoals bv : ethylchloride en/of fluorimethaan.
<Desc/Clms Page number 3>
Oit zijn CFK's en zijn ozon en mens zeer onvriendelijk of beter gezegd giftig en zijn nu al in bepaalde staten van de USA verboden wegens deze opgesomde redenen.
- Alle bovenstaande hebben het volgende probleem dat controle van de temperatuur van het koelmedium en de behandelde oppervlakte zeer slecht is, of gewoon onmogelijk, ook het koelvermogen bij andere mediums zijn van een te klein vermogen om therapeutisch van belang te zijn.
Probleemstelling.
- Het probleem is dus een koelprobe te ontwikkelen waarvan de warmte-afgifte of warmte-opname continu kan gecontroleerd en geregeld worden met een groot genoeg vermogen ter vervanging van ijs, en dit in een handige gebruiksvorm. (fig : 13) - We vinden in het US patent 4, 519, 389 een koelprobe beschreven voor het vastvriezen van een ooglens tijdens een heelkundige ingreep. Deze cryoprobe bestaat uit een klein Peltier element, waavan de koude zijde rechtstreeks in contact komt met de ooglens. De warme zijde is gemonteerd op een warmte-afvoerelement, dat eventueel ook dienst doet als elektrische geleider. Het warmte-afvoerelement wordt gekoeld door de omringende atmosfeer of door het contact van de hand van de medicus.
- Hoewel dit soort koelprobe geschikt is voor het koelen van kleine oppervlakten, zoals een ooglens, is ze niet geschikt voor het koelen van grotere massa's zoals de goed doorbloede huid, spieren en andere onderliggende weefsels.
- Enerzijds kan een Peltier element, gemonteerd op deze wijze, onmogelijk het vereiste warmtetransport verzorgen en anderzijds kan deze hoeveelheid warmte (afgegeven door het lichaamsdeel) onmogelijk afgevoerd worden door de omgevingslucht, tenzij die aanzienlijk geforceerd wordt. Tevens moet de warmte die afgevoerd wordt, oordeelkundig geleid worden doorheen de
<Desc/Clms Page number 4>
koelprobe, zodat de omgeving niet ongewenst een deel van het nuttig warmtetransport teniet doet.
- Ook in de patenten U. S 3, 207, 159 en 4, 585, 002 en 4, 860, 748 en 3, 133, 539 en 3, 168, 895 en 4, 915, 108 en
EMI4.1
EP 0, EP 0, werkt men met Peltier elementen voor het koelen van de huid. Nochtans heeft geen van deze een nuttige koelcapaciteit in vergelijking met de capaciteit bij ijsfricties.
Doel van de uitvinding.
- Het doel van deze uitvinding is het bekomen van een cryoprobe of koelprobe door middel van een Peltier element en of module, (zie verder in tekst) die een voldoede en of groter koude vermogen aflevert, met bij voorkeur "30 Watt pompvermogen op 9cm2" als het gebruikte ijs of andere media.. gebruikt voor deze applicatie, en dit in een handige en gebruiksvriendelijke vorm.
- Nog een ander doel is een nieuwe bevestigingstechniek voor een Peltier element of module op punt te zetten.
Daardoor bekomen we een optimale warmte-overdracht van de koude las van de Peltier element en of module naar de koelkop en van de warme las van de Peltier element
EMI4.2
en of module naar het warmte-afvoerelement.
-Een doel van deze uitvinding is de controle op en de sturing van de temperatuur van de koelprobe, wat erg belangrijk is voor de levensduur van de Peltier module.
- Een ander doel van de uitvinding is het geschikt maken van de koelprobe voor toepassingen op veerkrachtige oppervlakken.
Meer doelstellingen en voordelen van deze uitvinding zullen aan bod komen en duidelijk worden in de volgende beschrijving.
<Desc/Clms Page number 5>
Samenvatting van de uitvinding.
Voorliggende uitvinding betreft een cryoprobe of koelprobe met de kenmerken zoals beschreven in conclusie 1. Meer specifieke kenmerken voor bevoorrechte uitvoeringsvormen zijn beschreven in de conclusies 2 tot en met 34.
Door het gebruik van een Peltier module, zoals verder in detail beschreven, kan meer warmte afgevoerd worden dan met een enkel Peltier element. Het is voordelig een koelkop zo te ontwerpen dat deze de gewenste vorm aanneemt van het te koelen oppervlak.
Voor de koudebehandeling van huidoppervlakken is het voordelig dat deze koelkop de vorm heeft van een afgeplatte kegel of konisch is. Deze vorm verhoogt de continue doorstroming van warmte van de basis van de kegel, waar de Peltier module zich bevindt, naar de top, waar het te koelen oppervlak zich bevindt. De bovenzijde van deze kegel, die in contact komt met de huid, is bij voorkeur licht bolvormig. De mantel van deze konische vorm van de koelkop wordt bij voorkeur van de top tot de basis afgeschermd door een isolerende kunststofbehuizing.
- Een temperatuurvoeler in de koelkop laat toe de temperatuur van de koelkop te controleren, d. m. v de nodige electronica, zodat de juiste correcte electronische acties kunnen uitgevoerd worden indien de temperatuur een ongewenste waarde aanneemt. Een warmte-afvoerelement of koelrib laat toe de warmte gegenereerd aan de warme zijde van de Peltier module af te voeren. De thermisch geleidende vloeistof in contact met het warmte-afvoerelement zorgt voor een goede afvoer van de warmte, zonder geluidsoverlast.
Perslucht zou ook gebruikt kunnen worden voor warmteafvoer, maar blijkt veel minder gunstig te zijn dan vloeistoffen met een hoge calorie opname zoals bv : ethylglycol met water.
<Desc/Clms Page number 6>
Gedetailleerde beschrijving van de uitvinding.
De uitvinding wordt hierna beschreven bij wijze van een voorbeeld, met verwijzingen naar de bijhorende figuren waarin : Fig. 1 : dwarsdoorsnede van de koelprobe volgens voorliggende uitvinding.
Fig. 2 : bovenaanzicht van de koelprobe op een doorsnede volgens vlak 1-1 in figuur 1.
Fig. 3 : bovenaanzicht van de koelprobe op een doorsnede volgens vlak 2-2 in figuur 1.
Fig. 4 : Seebeck-effeckt.
Fig. 5 : Peltier-effeckt.
EMI6.1
Fig. 6 : theoretisch koelapparaat. Fig. 7 : koelvermogen in functie van de temperatuur aan de koude junctie van de
Peltier module.
Fig. 8 : maximaal koelvermogen in functie van de temperatuur aan de warme junctie van de
Peltier module.
Fig. 9 : schematische voorstelling van warmte- wisselaar lucht/vloeistof koeling.
Fig. 10 : schematische voorstelling van warmte wisselaar met een compressie koelmachine Fig. 11 : blokschema van de elektronische sturing.
Fig. 12 : belangrijkste onderdelen van het drie dimentioneel model van onze cryoprobe.
Fig. 13 : drie dimentioneel model van onze cryoprobe.
- In Fig. 1 tonen we schematisch een doorsnede van de cryoprobe volgens voorliggende uitvinding, met essentiële onderdelen zoals beschreven in conclusie 1.
Het belangrijkste werkzaam onderdeel is de Peltier module Fig : 1, 2 (nr : 22). Een Peltier module die geschikt is voor een cryoprobe volgens deze uitvinding is van het type CP-1. 4-71-045 van de fabrikant MELCOR.
- Een Peltier module is bij voorkeur opgebouwd uit een aantal thermisch parallel, en elektrisch in serie geschakelde thermokoppels. In dit geval 71. Een Peltier module is in principe een warmtepomp in de vorm van een halfgeleider. Op de "koude las" of "koude
<Desc/Clms Page number 7>
zijden van een Peltier module wordt energie in de vorm van warmte geabsorbeerd door elektronen (bij hun overgang van de ene halfgeleider naar de andere).
Deze elektronen worden gedwongen om van een lager energieniveau naar een hoger energieniveau te gaan.
- Een spanningsbron, stroombron of in het algemeen een elektrische sturingsbron Figll, (nr : 34) levert de energie om de elektronen door de halfgeleiders te doen bewegen. Op de "warme las" of "warme zijde" gaan de elektronen van een hoger energieniveau naar een lager.
Daar wordt energie aan de omgeving afgestaan. Het betreft hier niet enkel de energie die aan de koude las werd geabsorbeerd, maar ook bijkomende energie vereist om de elektronen door de halfgeleiders van de Peltier module te doen bewegen. Deze laatste energie wordt zoals gezegd door de elektrische bron Fig. 11 (nr : 34) geleverd waarbij de 220Volt binnenkomt via de input filter 34a getransformeerd wordt en opgesplitst in de regelspanning T2 van 34b en de stuur spanning Tl van 34b naar de nodige laagspanning 24Volt en dan gelijkgericht wordt in 34c.
- Twee toevoerleidingen Fig. 1 (nr : 40, 41) voor de elektriciteit zijn noodzakelijk om de elektrische energie over te brengen van de elektrische bron Fig.
11 (nr : 34) naar de Peltier module Fig. 1, 3 (nr : 22) over de gechakelde voeding Fig ll. (nr72).
- Aan de koude zijde van de Peltier module Fig. 1, 3 (nr : 22) wordt een koelkop Fig. 1 (nr : 23) gemonteerd.
Deze koelkop heeft bij voorkeur de vorm van een afgeknotte kegel, waarin het basisvlak een goed thermisch contact moet maken met de koude zijde van de Peltier module en het topvlak dient om de warmte af te voeren van het te behandelen oppervlak. Het topvlak kan ook afgewerkt worden als een licht bolvormig oppervlak, zodat het contactopppervlak met het te behandelen veerkrachtig oppervlak kan vergroot worden door de cryoprobe steviger aan te drukken.
- In de koelkop Fig. 1 (nr : 23) dient een temperatuurvoeler Fig. 3 (nr : 31) ingebouwd te worden, in de boring van de koelkop. Fig. 1 (nr : 60) Zijn functie hiervan is de bewaking van de temperatuur van
<Desc/Clms Page number 8>
de koelkop toe te laten door zijn gegevens door te sturen naar de microcontroller Fig. ll (nr : 30b) die op zijn beurt de gevraagde temp. zal vergelijken met die van de temp. voeler Fig. 3 (nr : 31) om zo de spanning op de Peltier module bij te regelen indien nodig.
Het is belangrijk een goed algoritme te bepalen voor de temperatuurregeling, een proportionele regeling is aangewezen, deze bevindt zich in de Eprom van de stuurschakeling Fig. ll (nr : 30b). Bij voorkeur is de temp. voeler Fig. 3 (nr : 31) een thermokoppel of thermistor of een PtlOO of een NTC weerstand of een PTC weerstand die tussen twee geleiders of een spanning levert, of een weerstandverschil levert in funktie van de temperatuur. Een geschikte tempertuurvoeler voor deze uitvinding is bijvoorbeeld een LM335 Fig. 3 (nr : 31) met aansluitdraden Fig. 2, 3 (nr : 31a, 31b, 31c) van de fabrikant : National Semiconductor Corporation. In dit geval kan nog een derde geleider naar de temperatuurvoeler geleid worden. Deze laatste heeft als functie de temperatuurvoeler te ijken indien nodig.
- Het thermisch contact tussen de temperatuurvoeler Fig. 3 (nr : 31) en de koelkop Fig. 1 (nr : 23) dient uitermate verzorgd te worden. Hiertoe kan de temperatuurvoeler gemonteerd worden in een boring Fig. 1 (nr : 60) in de koelkop Fig. 1 (nr : 23), en omgeven worden door lijm of een thermische geleidende pasta zoals : Dow Corning 340 "heat sink compound".
- De hoeveelheid warmte die ontstaat aan de warme zijde van het Peltier element is ongeveer gelijk aan de warmte die moet afgevoerd worden aan de koude zijde, vermeerderd met de hoeveelheid elektrische energie die aan de Peltier module moet worden toegevoerd om te kunnen funktioneren als warmtepomp. Het is onvoldoende de warme zijde aan de Peltier module te koelen met omgevingslucht in deze uitvinding, zelfs niet indien zij geforceerd over de warme zijde van de Peltier module wordt geleid. Zelfs perslucht zou in theorie kunnen gebruikt worden maar geeft nog onvoldoende koeling. Een goede afvoer van de warme zijde kan maar
<Desc/Clms Page number 9>
bekomen worden door een geschikt-afvoerelement (24) in goed thermisch contact te brengen met de warme zijde van de Peltier module.
Het warmte afvoerelement (24) dient zo te zijn opgebouwd dat het wel degelijk in staat is om de nodige warmtecalorieën af te geven, daarbij zijn de totale oppervlakte van de ribconstructie en dikte en lengte van het materiaal erg belangrijk.
- Bovendien dient dit warmte-afvoerelement in onze uitvinding vrijwel permanent gekoeld te worden door een koelvloeistof bijvoorkeur (ethylglycol 20% en 80 demin. water) die de vrijgekomen warmte meevoert buiten de cryoprobe.
- Deze koelvloeistof heeft bij voorkeur een goede thermische geleidbaarheid door bij voorkeur geforceerde convectie. De koelvloeistof wordt aangevoerd door een toevoerleiding Fig. l (nr : 26) via wartel Fig. 1. (nr : 56) naar een reservoir Fig. 1 (nr : 25) en afgevoerd door een afvoerleiding Fig. 1 (nr : 27) via wartel Fig. l (nr : 57).
- De mantel Fig. l (nr : 21) van het inwendige reservoir Fig. l (nr : 25) wordt bij voorkeur uitgevoerd in kunststof. Het is voordelig dat deze kunststof goed thermisch isolerend is en bovendien is het belangrijk dat de kunstof 100% waterdicht is en geen opslorpend vermogen heeft voor de koelvloeistof, zodanig dat er geen materiaal uitzettingen kunnen gebeuren.
- In onze uitvinding gebruiken we PVC MZ materiaal van de fabrikant : SIMONA. Deze heeft een temperatuursbereik van-10 C tot 65 C is zeer goed waterafstotend en heeft in dit temperatuursbereik geen
EMI9.1
noemenswaardige vervorming, en is goed verlijmbaar.
Bij voorkeur wordt het grootste deel van de konische mantel van de koelkop Fig. l (nr : 23) afgesloten van de buitenlucht door een thermisch isolerende kunstof. Fig. l (nr : 59) Hierdoor is enerzijds de overdracht van de warmte van de omgevingslucht naar de koelkop minimaal en anderzijds is het optreden van condensatie op de koelkop tot een minimum beperkt, en kan de koelcapaciteit van de Peltier module optimaal aangewend worden voor het te behandelen
<Desc/Clms Page number 10>
oppervlak. Fig. l (nr : 64) Het is voordelig de kunststof zo goed mogelijk te laten aansluiten op de mantel van de koelkop, op twee contactlijnen : één aan de basis van de koelkop, waar de Peltier module gemonteerd is, en een aan de top van de koelkop.
Tussen deze twee contactlijnen, de binnenzijde van de kunststof en de mantel van de koelkop, wordt bij voorkeur een smalle luchtruimte voorzien. De stilstaande lucht zorgt daar voor een extra thermische isolatie, en door de nauwe contactlijnen kan geen buitenlucht binnenstromen, zodat al eerder vermeld de vochtige buitenlucht niet kan condenseren op de mantel van de koelkop.
-Bij voorkeur wordt de mantel Fig. l (nr : 54) van het inwendig reservoir Fig. l (nr : 25) van de cryoprobe en de bedekking van de mantel Fig. l. (nr : 59) van de koelkop Fig. l (nr : 23) gevormd door een kunststofbehuizing Fig. l (nr : 21) uit een stuk. Deze kunststofbehuizing heeft bij voorkeur inwendig een cirkelvormige doorsnede, wat de montage van de inwendige delen van de cryoprobe aanzienlijk vereenvoudigd vooral dan wat afdichtingen betreft (zie verder). Bovendien kan de buitenkant van de behuizing overheersend cirkelvormig zijn, wat de hanteerbaarheid aanzienlijk verhoogd, maar kan ook een grillige vorm aannemen dat de design en hanteerbaarheid nog verbeterd.
Ook kunnen in de buitenzijde van de behuizing Fig. l (nr : 21) uitsparingen, groeven en dergelijke worden voorzien om de hanteerbaarheid te optimaliseren.
- Een wezenlijk kenmerk van onze cryoprobe volgens deze uitvinding is dat een optimaal warmtetransport wordt bekomen doorheen het ganse systeem, behalve van het warmte-afvoerelement Fig. l, 2 (nr : 24) naar de koelkop Fig. l (nr : 23). Bovendien moet een snelle temperatuursverandering van de koelkop mogelijk zijn, om specifieke warmte- en koudebehandelingen toe te laten. Zoals gekend, wordt de richting van koelen of verwarmen van een Peltier element en of module bepaald daar de polariteitsbepaling van de elektrische gelijkspanning deze verandering kan door de bedieningspaneel Fig. ll (nr : 73) ingesteld worden.
<Desc/Clms Page number 11>
Hiertoe worden verschillende maatregelen genomen.
- Vooreerst is het zeer voordelig de koelkop Fig. ! (nr : 23) te maken in een vaste stof met een zeer hoge thermische geleidbaarheid en een lage thermische inertie of warmtecapaciteit. Door de hoge thermische geleidbaarheid wordt verkregen dat de temperatuur van de koelkop op vrijwel alle plaatsen een gelijke waarde heeft. Dit is voordelig om het te behandelen oppervlak gelijkmatig te kunnen koelen of verwarmen. Bovendien zal de temperatuurvoeler Fig. 3 (nr : 31) waar hij zich ook bevindt in de koelkop steeds betrouwbaar de juiste temperatuur, die over de ganse koelkop vrijwel gelijk is, aangeven. De lage warmtecapaciteit zorgt voor een snelle reactie van de cryoprobe op gewenste temperatuurswijzigingen.
Indien immers de koelkop plots moet verwarmd worden door de Peltier module om bv : de temperatuur met 5 C te verhogen, dan moet de Peltier module een hoeveelheid warmte toevoeren die
EMI11.1
evenredig is met het temperatuursverschil (5 massa van de koelkop en de warmtecoefficiënt. Vermits een Peltier module slechts een maximale warmteflux of hoeveelheid warmte per tijdseenheid kan toevoeren of afvoeren, is een lage warmtecoefficiënt voordelig om de totale reactietijd te verkorten.
- Een geschikte vaste stof voor de koelkop Fig. 1 (nr : 23) is een metaal, bij voorkeur aluminium. Een legering die hoofdzakelijk uit aluminium bestaat is zeer geschikt voor de koelkop van de cryoprobe volgens deze uitvinding. Enerzijds voldoet deze aan bovenstaande eisen i. v. m. de warmtecoefficiënt en anderzijds is dit materiaal erg licht in gewicht en gemakkelijk bewerkbaar in draai-en freesmachines, wat voor productie toch een belangrijk gegeven is. Andere legeringen van metalen met andere stoffen kunnen ook de gewenste voordelige effecten hebben. Het is wel voordelig alle aluminium stukken te anodiseren, dit met een dikte van bij voorkeur 25jam, ter bescherming tegen oxidatie van het koelwater en de buitenlucht aan de koelkop Fig. l (nr : 23).
<Desc/Clms Page number 12>
- Om een optimaal warmtetransport te verzekeren via het contactvlak Fig. 1, 3 (nr : 52) tussen de koude las van de Peltier module en de koelkop enerzijds, en via het contactvlak Fig. 1 (nr : 53) tussen de warme las van de Peltier module en het warmte-afvoerelement anderzijds, is het voordelig om hier warmtebarrières te voorkomen. Een goed warmtetransport via deze contactvlakken kan in de eerste plaats gerealiseerd worden door de elementen sterk tegen elkaar te drukken.
In een eerste uitvoeringsvorm voorzien we het grondvlak van de koelkop Fig. 1 (nr : 23) van twee schroe fga ten Fig. 1, 3 (nr : 42, 43) met inwendige schroefdraad. In het warmte-afvoerelement Fig. 1, 2 (nr : 24) worden twee boringen Fig. 1, 2 (nr : 46, 47) voorzien. Deze boringen worden aan de bovenzijde voorzien van telkens een afdichtingsring Fig. 2 (nr : 48, 49) om enerzijds te beletten dat de koelvloeistof van het reservoir binnendringt in de cilindrische boringen Fig. 1, 2 (nr : 46, 47) en anderzijds werken deze ook als isolatie tussen koude zijde en de warme zijde.
Bij montage van de cryoprobe wordt in elke boring Fig : 1, 2 (nr : 46, 47), doorheen de afdichtingsring Fig. 2 (nr : 48, 49), een schroef Fig. 1 (nr : 44, 45) ingebracht, en vastgeschroefd in het overeenkomstige schroefgat Fig. 1, 3 (nr : 42, 43) in de koelkop Fig. 1 (nr : 23). Beide schroeven worden stevig aangedraaid, bij voorkeur tot een trekkracht van ongeveer lKg/cm.
Hierdoor wordt de koelkop Fig. 1 (nr : 23) stevig aangedrukt tegen de koude las van de Peltier module Fig. 1 (nr : 22) en het warmte-afvoerelement Fig. 1, 2 (nr : 24) wordt stevig aangedrukt tegen de warme las van de Peltier module Fig. 1 (nr : 22). Het is mogelijk een schroef te vervangen door een beugel zoals beschreven in patent nr : WO 87/07361 die de koelkop met het warmte-afvoerelement verbindt, of geschikte inkepingen in de behuizing Fig. 1, 2 (nr : 21), zodat slechts een schroef dient gemonteerd te worden.
- Zoals reeds vermeld, moet ten stelligste vermeden worden dat er een warmteverlies- stroom ontstaat tussen de koelkop Fig. 1 (nr : 23) en het warmte-
<Desc/Clms Page number 13>
afvoerelement Fig. l, 2 (nr : 24). De schroeven Fig. l (nr : 44, 45) vormen hiervoor een kleine bedreiging.
Daarom worden deze bij voorkeur uitgevoerd in een thermisch isolerende stof, zoals nylon of glasvezel, maar hier maakten we gebruik van roestvast staal omdat deze een geringe warmtegeleidbaarheid heeft en dus geschikt is om deze schroeven in uit te voeren.
- Om het warmtetransport via de contactvlakken Fig. 1 (nr : 52, 53) nog te verbeteren, is het voordelig de microscopische contactoppervlakte te maximaliseren. Dit kan gebeuren door een of meer contactoppervlakken zeer vlak uit te voeren, en bij voorkeur te slijpen en te polijsten bij voorkeur met een tolerantie van tien micrometer. Hierbij denken we dan aan de basis van de koelkop Fig. l (nr : 23), die in contact wordt gebracht met de koude las van de Peltier module, en ook aan het contactvlak van het warmte-afvoerelement Fig. 1, 2 (nr : 24) die met de warme las van de Peltier module in contact wordt gebracht.
- Bij nog fijner polijsten weegt de extra kost bijna niet op tegen de gerealiseede verbetering van het warmtetransport. De koude zijde en de warme zijde van de Peltier module zijn al door fabricatie geslepen op grote nauwkeurigheid van 2 micrometer.
- Om de thermische overdracht van bovenstaande beschreven contactvlakken nog te verbeteren, is het voordelig om een thermische geleidende pasta aan te brengen tussen beide. Een voorbeeld van een goede geschikte geleidende pasta is :"Head sink compoud 340u van de fabrikant : Dow Corning.
- Een andere manier om geen pasta te moeten gebruiken zijn thermische geleidende folien of lapjes te gebruiken tussen bovenvernoemde contactvlakken.
Bijvoorbeeld, zilver lapje of koper lapje ; deze zijn redelijk goed thermisch geleidend en hebben een goede mechanische opspanmogelijkheid doordat deze niet hard zijn en goed vervormbaar. Een gekende frabricant van deze is bijvoorbeeld : de firma"Kunze Folien"of bijvoorbeeld"Sarcon"van de groep"Fujipoly" ; zij bieden een heel gamma kunststofachtige rubbers en of carbonfoliën aan die goed thermisch geleidend zijn.
<Desc/Clms Page number 14>
- Een laatste uitvoeringsvorm die de beste thermische en mechanische eigenschappen biedt is de verlijming waarbij ook zonder schroeven Fig. 1 (nr : 44, 45), zonder extra polijsten en zonder thermische pasta gewerkt kan worden. De funktie van deze laaste drie maatregelen kan worden overgenomen door gebruik te maken van een thermisch geleidende lijm. In de handel wordt zo een basislijm aangeboden met een hoge elektrische geleidbaarheid, voor toepassingen in de microelectronica. De firma "Grace NV" brengt zulke lijm op de markt onder de handelsnaam :'AMICON ct 4042-32', dit is een geregistreerde handelsnaam van"W. R Grace and Co". Dit is een twee-componenten epoxylijm, die heel wat zilver bevat om de elektrische geleidbaarheid te verhogen Deze lijm heeft een hoge treksterkte en warmtebestendigheid.
Testen met de cryoprobe volgens voorliggende uitvinding wezen uit dat dit soort lijm tevens een hoge thermische geleidbaarheid heeft, wat natuurlijk een groot voordeel voor het apparaat betekent.
- Onze labotesten wijzen uit dat een probleem kan optreden bij verlijming. Bij het uitdrogen of verharden van de lijm ontstaat er krimping in zijn struktuur doordat de oplosmiddelen verdampen, (of deze nu chemisch verharden of d. m. v een extra verwarming).
Dit geeft in vele gevallen microscopische of kleine onregelmatige strukturen waar geen lijm meer egaal verdeeld is en als het ware luchtbelletjes kunnen ontstaan, ondanks we over een lijmdikte van maar 70 micrometer spreken.
Dit fenomeen brengt onze totale geleidbaarheidscoëfficient op de vroeger vermelde contactoppervlakken aanzienlijk naar beneden. Om dit op te lossen kan men de verlijmde delen onder vacuüm laten uitdrogen. Omdat dit echter praktisch moeilijk haalbaar is in een produktie hebben we het volgende gewijzigd:
EMI14.1
- wordt bij de samenstelling van de lijm bij voorkeur 1% een door ons ontwikkelde korrel met een dikte van bij voorkeur : 50 micrometer en bij voorkeur uit een
<Desc/Clms Page number 15>
silicium legering. Men kan deze korrel, om het rendement te maximaliseren nog bedekken met een metaal laagje bij voorkeur zilver.
- Bij de verlijming blijft nu bij voorkeur een constante diktelaag achter ter grootte van de gebruikte korreldikte. In onze uitvinding is het voordelig 2, 5 gram lijm aan te brengen door middel van het dispensen van de lijm in 5 dots van elk 0, 5 gram op de oppervlakte van 9 cam2, waarna later als de werkstukken op een worden gebracht met een mechanische lichte kracht van bij voorkeur 300 g boven op het te verlijmen werkstuk komt. Voor het verhardingsproces is de lijmlaagdikte iets groter en na het verdampen van de oplosmiddelen verkrijgen we een egaal diktebeeld over de gehele verlijmde oppervlakte zonder nog maar waarneembare luchtbelletjes.
Dit gewichtje is geschikt voor een oppervlakte van het te verlijmen gedeelte van de koelkop van 9 cm2 die wij in onze uitvinding gebruiken, de nuttige lijmoppervlakte is uiteraard gelijk aan de maximale dimensie van de Peltier module.
Dit geeft voor onze uitvinding de ideale verbindingstechniek tussen de koude las en koelkop en warmte las en warmte-afvoerelement op mechanisch en thermodynamisch gebied. De cryoprobe kan bij voorkeur op volgende manier gemonteerd worden.
1) het basisvlak Fig. l (nr : 52) van de koelkop en of de koude las van de Peltier module wordt voorzien van de thermisch geleidende lijm.
2) basisvlak Fig. 1 (nr : 52) en koude las worden op elkaar gebracht.
3) basisvlak Fig. l (nr : 53) van het warmte- afvoerelement en/of warme las van de Peltier module wordt ook voorzien van de thermische geleidende lijm.
4) basisvlak Fig. l (nr : 53) en de koude las worden op elkaar gebracht. het gehele werkstuk komt in een mal of houder zodanig dat er geen horizontale bewegingen kunnen voorkomen, bovenaan komt een gewichtje van bij voorkeur 300 g.
<Desc/Clms Page number 16>
6) de elecronica wordt aangesloten als thermostatisch schakeling om de temperatuur te controleren en op de Peltier module wordt een wisselspanning aangelegd. Daardoor zal de
Peltier module anders dan in zijn normaal gebruik volledig aan de beide zijden verwarmen tot een temperatuur van bij voorkeur 110 C.
7) zodra de temp. boven de 110'C komt, wordt de wisselspanning uitgeschakeld, onder de 110 C aangeschakeld.
8) deze situatie wordt bij voorkeur 30 minuten aangehouden totdat de lijm volledig is uitgehard.
- De verharding van de lijm kan ook bekomen worden door het volledige werkstuk besproken hierboven extern te verwarmen in bijvoorbeeld een oven die goed in temperatuur regelbaar is. Het is niet noodzakelijk dat de thermische geleidende lijm alleen zilver bevat. Andere goed thermische geleidende vulstoffen kunnen ook voordelig zijn zoals een mangaan legering.
- Volgens nog eens een andere uitvoeringsvorm, wordt de basis van de koelkop Fig. l (nr : 52) op de koude las van de Peltier module gesoldeerd. Eveneens is het voordelig om de basis van het warmte-afvoerelement Fig. 1 (nr : 53) op de warme las van de Peltier module te solderen. Dit proces wordt ook bij voorkeur in een oven gedaan, wel moeten we rekening houden met de tempraturen dat deze niet boven de datagegevens van de fabrikant gaan, dit om de levensduur van het Peltier module te vrijwaren. Om het warmtetransport tussen het warmte-afvoerelement Fig. l, 2 (nr : 24) en de koelvloeistof te optimaliseren, is het voordelig het warmte-afvoerelement te voorzien van bijvoorkeur een koelvin Fig. l, 2 (nr : 38). Hierdoor verhoogt het contactoppervlak tussen de koelvloeistof en het warmte-afvoerelement.
Dit contactoppervlak kan nog vergroot worden door meerdere koelvinnen te voorzien.
Het is ook mogelijk om zonder koelvin te werken.
<Desc/Clms Page number 17>
- Het warmte-afvoerelement dient de koelvloeistof degelijk af te scheiden van de kamer waarin de Peltier module zich bevindt. Dit kan mogelijk gemaakt worden door een perfecte mechanische passing tussen het warmte-afvoerelement (24) en de behuizing (21) door middel van inpersing. Hetzelfde geldt ook tussen de koelkop (23) en de behuizing (21) een perfecte mechanische passing toe te passen. Een bevoorrechte manier om dit te verwezenlijken is het warmteafvoerelement schijf-of cilindervormig uit te voeren, met in de cilindermantel een cirkelvormige uitsparing voor een 0-ring Fig. 1 (nr : 37).
Oe Q-ring drukt met zijn buitenzijde tegen de cirkelvormige binnenwand van de behuizing Fig. 1, 2, 3 (nr : 21), en met zijn binnenzijde tegen de uitsparing in de mantel van het warmteafvoerelement Fig. l, 2 (nr : 24). Hierdoor wordt een optimale afdichting voor de koelvloeistof bekomen. Het is voordelig de 0-ring in het materiaal Teflon te vervaardigen, andere zijn ook bruikbaar als ze maar bestendig zijn tegen de koelvloeistof en snel veranderlijke temperaturen. Het reservoir Fig. 1 (nr : 25) is bovenaan bij voorkeur afgedicht door een schijfvormige afdekkap Fig. 1 (nr : 50) die rust op een zitting Fig. l (nr : 55) in de behuizing Fig. 1, 2, 3 (nr : 21), bij montage wordt deze afdekkap verlijmd op de zitting.
- Zoals eerder vermeld, dienen elektrische geleiders Fig. 1, 3 (nr : 40, 41) de Peltier module te voorzien van elektrische energie. Deze geleiders zou men zijdelings kunnen toevoeren aan de cryoprobe. Dit geeft evenwel praktische bezwaren voor de hanteerbaarheid van het toestel. Het is voordelig dat deze geleiders langs de bovenzijde, samen met de vloeistof aan-en afvoer, het toestel binnenkomen. De elektrische geleiders Fig. l, 2, 3 (nr : 40, 41, 31a, 31b, 31c) dienen dan via de koelvloeistof de Peltier module te bereiken, zonder dat koelvloeistof de Peltier kan bereiken.
Hiervoor is het aangewezen een afdichtingspijp Fig. l (nr : 39) te voorzien die start in de luchtkamer Fig. l (nr : 51) en die daar ook afgedicht wordt door de 0-ring Fig. 1 (nr : 55) in de afdekkap Fig. l (nr : 50) en doorloopt tot
<Desc/Clms Page number 18>
een cirkelvormige boring in het warmte-afvoerelement, waarbij bij montage de afdichtingspijp Fig. 1 (nr : 39) onderin het warmte-afvoerelement zal worden verlijmd d. m. v twee componenten epoxylijm bijvoorbeeld van het merk "CIBA-GEIGY" met de handelsnaam "Araldite".
Deze afdichtingspijp Fig. 1 (nr : 39) kan tevens gebruikt worden om de geleiders Fig. 2, 3 (nr : 31a, 31b, 31c) van de temperatuurvoeler Fig : 3 (nr : 31) vanuit de luchtkamer Fig. 1 (nr : 51) naar de koelkop Fig. l (nr : 23) te voeren.
- Een geschikte en prijsgunstige koelvloeistof is water. Zuiver en vrij koelwater kan veelal rechtstreeks afgenomen worden van het waterleidingsnet. De toevoerleiding Fig. 1 (nr : 26) wordt dus verbonden met een kraan, terwijl de afvoerleiding Fig. l (nr : 27) naar een afvoer van een huisinstallatie kan gaan. De cryoprobe in werking vereist, afhankelijk van de temperatuur van het water, een waterdebiet bij voorkeur van lliter per minuut. In de geindustrialiseerde landen waar het leidingswater een voldoende lage gemiddelde temp. van 10 C heeft zou dit een geschikte oplossing kunnen zijn mits er in serie met de waterleidingfilter een kleine waterontharder bij geïnstalleerd wordt.
Het zou dan voordelig zijn een afsluitklep te voorzien in de toevoerleiding, die onder elektrische bekrachting vanuit de stuurelektronica de toevoer van het water toelaat, en deze afsluit zodra enerzijds een bepaald programma van de cryoprobe afloopt, om waterverspilling tegen te gaan en anderzijds het watercircuit afsluit wanneer er een fout in het systeem optreedt, bijvoorbeeld waterlek in de toevoerdarmen.
Waar de beschikbaarheid van leidingwater voor koeling problematisch is, kan de koelvloeistof circuleren in een gesloten circuit Fig. 9 voorzien van een circulatiepomp Fig. 9 (nr : 28). Het is dan ook voordelig glycol toe te voegen aan het water in het gesloten circuit bij voorkeur een 20% dit om
EMI18.1
bij verwarmen van de koelkop Fig. het warmteafvoerelement gaan koelen onder de
<Desc/Clms Page number 19>
nul graden celisus en er in het waterreservoir Fig. l (nr : 25) het gewone water zou bevriezen.
-Het circuit dient dan ook een warmtewisselaar te bevatten, die de warmte van de koelvloeistof afgeeft naar de omgeving. Fig. 9 (nr : 29) Dit mag bij voorkeur een (koei) vloeistof/lucht warmtewisselaar zijn, met geforceerde luchtkoeling. Natuurlijk zijn we dan nog altijd afhankelijk van de buitentemperatuur die het rendement van de probe erg kan beïnvloeden, want hoe lager de temp. van de warme zijde, hoe meer we kunnen koelen aan de koude zijde. Zie volgende verklaring.
THERMOELECTRISCHE FENOMENEN Inleiding Thermoelectrische effecten zijn geassocieerd met gecombineerde warmte-en electriciteitsstromen. De twee meest gekende effecten zijn het Seebeck-effect en het Peltier-effect.
Seebeck effect
Fig : 4 Seebeck effect.
Wanneer twee verschillende geleiders, a/b, een circuit vormen, en de juncties, Th/Tl bevinden zieh op een verschillende temperatuur tussen a/b, dan kan een spanningsverschil waargenomen worden.
Deze spanning Eab is de Seebeck-spanning en blijkt evenredig te zijn met het temperatuursverschil,
EMI19.1
met Sab de relatieve Seebeck-coefficient tussen de materialen a en b.
Peltier effect Fig : 5 Peltier effect.
<Desc/Clms Page number 20>
Wanneer men een stroom stuurt door een circuit bestaande uit twee verschillende materialen, a/b dan zal aan de ene junctie Th warmte worden opgenomen en aan de andere junctie Tl warmte worden afgegeven. De hoeveelheid warmte Qab is evenredig met de stroom I,
EMI20.1
met nab de relatieve Peltier coefficient tussen de materialen a en b.
Lord Kelvin ontdekte op basis van thermodynamische principes dat de Seebeck- en de Peltiercoëfficiënt gerelateerd zijn,
EMI20.2
Intermezzo : fysische interpretatie Vrije electronen bewegen zich in een metaal op een bepaald energieniveau, afhankelijk van het metaal.
Wanneer twee verschillende metalen met elkaar in contact komen, zullen de electronen in het metaal op het hoogste energieniveau overlopen naar het metaal met electronen op een lager niveau. Het gevolg is dat het metaal met het laagste energieniveau meer electronen krijgt, en negatief geladen wordt. De spanning die zo opgebouwd wordt, zal nog meer electronen tegenhouden van over te lopen : er ontstaat een evenwicht. Deze spanning is specifiek voor de twee materialen.
Deze spanning kan niet gemeten worden, omdat elke poging tot meting nieuwe juncties vraagt (nl. met draden naar de volt-meter), resulterend in spanningen die mekaar opheffen.
Het spanningsverschil dat ontstaat is echter temperatuursafhankelijk. Wanneer twee juncties gemaakt worden die zieh op een verschillende temperatuur bevinden, zal er een netto spanningsverchil overblijven, dat wel kan gemeten worden. Deze spanning is de Seebeck-spanning, ze is evenredig met het temperatuursverschil en afhankelijk van de soort materialen.
<Desc/Clms Page number 21>
Wanneer we door een circuit bestaande uit twee verschillende metalen een stroom laten lopen, zullen de electronen aan de ene junctie'bergop'moeten (van een lager naar een hoger energieniveau). Om bergop te geraken zullen ze energie aan de omgeving onttrekken, i. e. koelen (zoals bv. ook verdampende aceton warmte aan de omgeving onttrekt). Aan de andere junctie zullen de electronen'bergaf'vallen en energie afgeven, i. e. warmte afgeven.
De hoeveelheid warmte die aan de koude kant wordt onttrokken is afhankelijk van de hoeveelheid electronen die er per tijdseenheid voorbijstromen, dit is de stroom.
Dit is het Peltier-effect.
THERMOELECTRISCHE KOELING Inleiding Fig. 6 Koel-apparaat.
We bespreken de koel-capaciteit van een eenvoudig Peltier-circuit, bestaande uit een n-en een p-been.
Drie effecten moeten daarvoor bestudeerd worden : het Peltier-effect aan de juncties, de Joule-warmte, geproduceerd door de stroom die door het circuit loopt en de warmte-geleiding doorheen de benen.
Maximale koeling De energie-balans van een Peltier-koeler kan neergeschreven worden als we met de drie warmtestromen rekening houden : 'het Peltier-effect aan de juncties, met eerder vernoemde formules wordt dit S T I, met S de
Seebeck-coefficient, T de temperatuur van de junctie en I de stroom door het element.
'de Joule-warmte bedraagt RI2, met R de electrische weerstand. Een gedetailleerde analyse (met differentiaalvergelijking) leert ons dat exact de
<Desc/Clms Page number 22>
helft van de Joule-warmte naar de warme junctie vloeit en exact de helft naar de koude junctie.
'de thermische geleiding Kart, met K de thermische geleidbaarheid en AT het temperatuursverschil. De twee juncties bevinden zich op een verschillende temperatuur, daardoor vloeit er warmte van de warme naar de koude kant.
De energiebalans (namelijk de warmte Qc die aan de koude kant wordt onttrokken en de warmte Qh die aan de warmte kant wordt afgegeven) wordt dan
EMI22.1
De bedoeling is maximaal te koelen, i. e. Qc te maximaliseren. Hiertoe nemen we de eerste afgeleide :
EMI22.2
Aan deze vergelijking is voldaan als
EMI22.3
R wordt bepaald door materiaalparameters en de geometrie,
EMI22.4
De resistiviteit r wordt bepaald door het materiaal waarmee we werken. Vgl. (2) legt dus eigenlijk een restrictie op aan de geometrie (een verhouding tussen de lengte 1 en de dwarsdoorsnede A) eens de werkingsstroom bepaald is. Omdat de geometrie nu bepaald is, ligt ook K vast,
<Desc/Clms Page number 23>
EMI23.1
met k de thermische geleidbaarheid.
Wanneer we in vgl. (1), R substitueren door vgl. (2), dan bekomen we :
Qc = STeI - K6T In deze vgl. kunnen we zien dat het maximaal gekoelde vermogen bepaald wordt door de Seebeck-coefficient S (materiaalparameter), de temperatuur van de koude junctie Tc (design-parameter), de stroom I (regelbaar, maar beperkt door de maximale stroomdichtheid), de thermische geleidbaarheid K (ligt vast door de geometrie te optimaliseren) en AT (bepaald door koelvermogen aan de warme junctie).
Het koelvermogen kan dus gemaximaliseerd worden door het temperatuursverschil AT te minimaliseren, i. e. de warme junctie zo sterk mogelijk te koelen.
De spanning die we over het element moeten aanleggen bestaat uit twee delen : de spanningsval over de weerstand AV = RI en de Seebeck-spanning veroorzaakt door het temperatuursverschil tussen de twee juncties AV = SAT. Het totaal toegevoerde vermogen is dan P, n = Y7 = (SAT+ RI) I = SATI + .
Ook hier kan je zien dat het toegevoerde vermogen kan geminimaliseerd worden door AT te verkleinen.
Enkele parameters Voor het Peltier-element in deze uitvinding (Umax = 8V ; Imax = 8. 5 A ; Sax = 38. 5 WH bij Th = 25 C en ATmax = 67 C), werden enkele curves uitgerekend.
Fig. 7 Het maximaal koelvermogen in functie van de temperatuur aan de koude junctie, uitgerekend
<Desc/Clms Page number 24>
voor enkele temperaturen aan de warme junctie (de lijncurves a=0 C, b=15 C, c=20 C, d=30 C) Fig. 8 Het maximaal koelvermogen in functie van de temperatuur aan de warme junctie, uitgerekend voor enkele temperaturen aan de koude junctie
EMI24.1
(de lijncurves a=-10 C, b=0 C, c=10 C, d=20 C) - voorgaande af te leiden formules en grafieken wordt duidelijk bewezen dat : Het max. af te leveren koelvermogen kan men pas bereiken als men de warme zijde van de Peltier module zo koud mogelijk houdt of anders gezegd zo dicht mogelijk benaderd als de gevraagde temperatuur, als we deze temperatuur alleszins stabiel willen houden.
Het mag dus gezegd worden dat het een kunst is de warmte van een Peltier module op een juiste manier te kunnen verwijderen, om het grootste rendement te benutten, en dat dit ook een van de belangrijkste vernieuwing in deze uitvinding
EMI24.2
is.
Indien de omgevingstemperatuur te hoog ligt, is het ook voordelig te werken met een warmte die -wisselaarvoorzien is van een of meerdere Peltier elementen, waarbij zijn warmte kan afgegeven worden via bij voorkeur een groote koelrib met geforceerde ventilatie.
- De beste manier om bijna niet afhankelijk te zijn van de omgevingsluchttemperatuur, is de warmtewisselaar Fig. 10 (nr : 29) te voorzien van een gasleiding met verdamper Fig. l0 (nr : 80) die zijn warmte zal onttrekken op het compressie/expantie principe. Hier volgt een korte verklaring van dit principe : Voor de compressor, Fig. 10 (nr : 77) hebben we een juist verzadigde damp die we bijeen persen naar een oververhitte damp, vandaar gaan we naar een condensor FiglO.
(nr78) deze brengt de oververhitte damp naar juist verzadigde vloeistof, deze vloeistof op hoge druk gaat dan door een capillair Fig. 10 (nr : 76) waar we van hoge naar een lage druk overgaan, de lengte van dit capillair bepaald de drukval en alzo de verdampingstemperatuur van het
<Desc/Clms Page number 25>
gasmengsel, daarna komt dit gasmengsel in onze warmtewisselaar Fig. 10 (nr : 29) waarbij deze gasleiding Fig. 10 (nr80) zijn warmte aan de omgeving zal onttrekken, en dus ons koelwater zal afkoelen naar de gewenste temperatuur. Dit systeem wordt traditioneel toegepast in koelkasten voor huishoudelijk gebruik.
Wij werkten in onze uitvinding vooral met een compressor van het merk"Danfoss"en het type PL50fxno die in staat is voldoende warmte weg te pompen, om alzo ons koelwater op de gevraagde temperatuur te krijgen. De comprimerende en expanderende vloeistof kan bijvoorbeeld " freon R 134 a" zijn. zie fig : 10 blokschema thermodynamische plan.
- In Fig. 11 (nr : 34, 30, 72) bespreken we de elektronische aansturing van de Peltier module. Dit is bij voorkeur een bron Fig. l1 (nr : 34, 30, 72) waarvan de stroom en de spanning regelbaar zijn. De stroombewaking Fig. 11 (nr : 75) is erg belangrijk omdat een typisch kenmerk voor een Peltier element is : zijn inwendige weerstand verkleind naargelang de werkingstijd. Als we dus geen stroombewaking toepassen, zou na een bepaalde tijd zijn weerstand gaan dalen en de stroom gaan toenemen en over de max. ingestelde stroom die de fabrikant opgeeft overgaan met het gevolg dat enerzijds de koeling enorm zal verminderen en anderzijds het Peltier element binnen zeer korte tijd zal beschadigen tot een definitief einde.
Onze electronische sturing en geschakelde voeding Fig. 11 (nr : 30, 72) houdt dus permanent de max. stroom en spanning onder controle en zelfs verder bij het overschrijden van de stroom zal de electronica het volledige systeem uitschakelen ook al uit veiligheidsmaatregel. Indien men de temperatuur van de koelkop volgens een gewenst patroon wil laten variëren in de tijd, en ook bepaalde begrenzingen aan de temp. of temperatuurvariaties wil opleggen, is het voordelig dat de electronische sturing Fig. 11 (nr : 30) zijn spanning krijgt van een DC/DC conversie Fig. 11 (nr : 30a) om alle storingen die via het net zouden binnen komen weg te zuiveren.
De informatie over het temperatuursverloop verkrijgt hij enerzijds
<Desc/Clms Page number 26>
van zijn intern programma in Eprom opgeladen Fig. ll (nr : 30b), en anderzijds informatie van zijn extern temperatuurvoelers Fig. ll (nr : 33, 3l) Oe temperatuurvoeler Fig. 3, 11 (nr : 3l) in de koelkop Fig. l (nr : 23) geeft bij voorkeur de nodige informatie aan de electronica om de temperatuur van de koelkop te controleren. Dit kan echter niet in een gewone thermostatische schakeling met een aan/uit regeling omdat de hoge aansturingsstromen de Peltier zouden doen sneuvelen vanwege de grote thermische schok die hij zou moeten verwerken van telkens de max. stroom aan en uit.
Een nauwkeurige regeling tot op 1 C zou niet haalbaar zijn. Een proportionele regeling lijkt ons voordelig en de eenvoudigste programmeerbare oplossing, dit algoritme wordt geprogrameerd via bijvoorbeeld een IBM computer via de ingang Fig. ll (nr : 76). Een proportionele regelaar regelt kontinu de te manipuleerbare variabele, en dus de verhouding tussen de ingestelde en de ingelezen waarde van temp. voeler Fig. 2, 3, 11 (nr : 3la, b, c) om alzo de gewenste procestemperatuur (ingestelde Setpoint) te behouden.
Dus bij een groot temp. verschil zal de spanning met grote sprongen stijgen, bij een klein meetverschil met kleine stapjes tot de gevraagde temperatuur wordt bereikt. Dit regelproces bevindt zich in het microprocessor gedeelte, fig : 11 (nr : 30b). Dit signaal wordt eerst nog optisch gescheiden in Fig. ll (nr : 30c) uit veiligheidsredenen en dan naar de geschakelde voeding Fig. 11 (nr : 72) gebracht om een perfecte uitgangsspanning van de Peltier module aan te sturen.
Dus bij voorkeur wordt de electronische sturing
EMI26.1
fig voorzien van een bedieningspaneel Fig. om gewenste temperatuur van de koelkop in te stellen, bijvoorbeeld min.-10 C en max. +45 C en zelfs een gewenste temperatuur in funktie van de tijd. Voor het gebruikersgemak is het voordelig de elektronische sturing te voorzien van een uitleeseenheid Fig. 11 (nr : 36a), waarop het temperatuur-verloop kan gevolgd worden, ook is het voordelig maar niet noodzakelijk een tweede
<Desc/Clms Page number 27>
uitleeseenheid Fig. 11 (nr : 36) te voorzien om de instellingen via menu gestuurde software te kunnen uitlezen. De elektronische sturing Fig. 11 (nr : 30) kan bijvoorbeeld uitgevoerd worden met een microcontroller van het type D87C51FA van het merk Intel.
Een 1/0- poort van deze microcontroller kan een regelbare stroombron sturen van het type NFS-110-7912 van het merk"RS"aansturen om de gewenste elektrische energie over te dragen naar de Peltier module in de cryoprobe.
Hiertoe dient dus de spanning en of de stroom van de elektrische bron goed controleerbaar te zijn. Onze electronica heeft ook de mogelijkheid om al de functies van de microcontroller over te nemen naar een standaard IBM compatiebele PC, Fig. 11 (76). De uitgangswaarde wordt bij voorkeur bepaald door de elektronische sturing fig. 11 (nr : 30) in functie van de gemeten temperatuur van de koelkop en door de gebruiker ingestelde gewenste temperatuur van de koelkop. Tevens is het belangrijk voor het rendement van de Peltier module dat een goede gelijkspanning wordt aangeboden, waarop weinig rimpel aanwezig is bij voorkeur minder dan 5%, dit wordt verkregen door de geschakelde voeding Fig. 11 (nr : 72).
De spanning die aan de Peltier module wordt geleverd is afhankelijk van het type module en van welke fabrikant, maar omdat het hier om een medische toepassing gaat wordt er bij voorkeur niet boven de plus 24 volt gegaan en moeten alle elektrische normen inverband met lekstromen, en brandveilige komponenten worden in achting genomen. Indien de koelkop moet koelen, wordt de richting van de polarisatie van de spanning van de Peltier module door de fabrikant bepaald en zo aangesloten. Indien de koelkop fig 1 (nr : 23) moet verwarmen, dan wordt de stroomtoevoer omgekeerd, zodat de koude las van de Pel tier module warmte produceert, en de warme las warmte onttrekt van het warmeafvoerelement fig 1, 2 (nr : 24) en de koelvloeistof.
Om de veiligheid van de cryoprobe te verhogen, wordt het reservoir voor de koelvloeistof fig. 1 (nr : 25) bij voorkeur voorzien van een temperatuurvoeler fig 1, 10 (nr : 33). Hiermee wordt
<Desc/Clms Page number 28>
de temperatuur van de koelvloeistof bewaakt en wordt de voedingspanning op de Peltier module uitgeschakeld indien deze temperatuur te hoog oploopt. Dit zou kunnen gebeuren indien er een onderbreking zou zijn in de toevoer van de koelvloeistof, of moest de waterpomp stukgaan of bij het stukgaan bij het gebruik van een compressiekoelmachine. fig : 10 Bij gebruik van een compressiekoelmachine is het bij voorkeur aan gewezen in de behuizing van deze een tilt contactje fig : 11 (nr : 74) te monteren. Van het merk RS en met type "337-289".
Hij moet ten alle de controleren of de hellingshoek van de compressor de door de fabrikant vastgelegde waarde niet overschrijdt anders zouden we vloeistofslag kunnen bekomen in de compressor en hem definitief beschadigen. Het is aangeraden de tilt sensor te verbinden met een elektronisch tijdmechanisme dat de microcontroller ten alle tijde meldt waneer bovenvermeld probleem zich kan voor doen. Dit heeft tot gevolg moest er een tilt melding binnenkomen er een onmiddelijke werkingsstop gebeurt en er een wachttijd van bij voorkeur 4h ingaat ter bescherming, vooraleer men de machine terug kan opstarten, dit proces wordt ook gecontroleerd als de machine spanningsloos staat, d. m. v een interne baterij die de spanning verzorgt aan een flip-flop die op zijn beurt de toestand van de tilt sensor zal onthouden.
- Ofschoon de uitvinding van deze Cryoprobe werd beschreven verwijzend naar begunstige uitvoeringsvormen, fig. 12 toont een uiteengetrokken model van de cryoprobe volgens een referentiële uitvoeringsvorm van deze uitvinding. Fig. 13 toont het overeenkomstige samengesteld drie dimentioneel model. Alle onderdelen van fig. 12 zijn voorzien van de nummers overeenkomstig met fig. 1, hun werking en onderling verband komt overeen zoals reeds vroeger beschreven over fig. 1. Het is voor de vakman duidelijk dat wijzigingen in elke verbeterde vorm en details kunnen aangebracht worden zonder af te wijken van de geest en het bereik van de uitvinding, zoals gedefinieerd in de volgende conclusies.
<Desc/Clms Page number 29>
EMI29.1
21 kunstofbehuizing Fig. 22 Peltier module Fig. 1, :23 : koelkop Fig. 1, 9, 10 24 : warmte-afvoerelement Fig. 1, 2, 9, 10 25 : reservoir voor thermisch geleidende vloeistof
Fig. 1 26 : toevoerleiding voor thermisch geleidende vloeistof Fig. 1, 9, 10 27 : afvoerleiding voor thermisch geleidende vloeistof
Fig. 1, 9, 10 28 : circulatiepomp Fig. 9, 10 29 : warmtewisselaar vloeistof/vloeistof Fig. 10 29a : warmtewisselaar lucht/vloeistof Fig. 9 30 : electronische sturing Fig. 11 30a : dc/dc conversie Fig. 11 30b : microcontroller control unit Fig. 11 30c : optische scheiding Fig. 11 31 : temperatuurvoeler in koelkop Fig. 2, 3, 9, 10 31a : aansluitdraden temperatuurvoeler 31 Fig. 2, 3 31b :
aansluitdraden temperatuurvoeler 31 Fig. 2, 3 31c : aansluitdraden temperatuurvoeler 31 Fig. 2, 3 33 : temperatuurvoeler in koelvloeistof Fig. 1, 9, 10 34 : electrische bron Fig. 11 34a : input filter Fig. 11 34b : transformatoren Fig. 11 34c : gelijkrichters Fig. 11 35 : bedieningspaneel Fig. 11 36 : Liquid Cristal Display 2 x 16 karakters Fig. 11 36a :
Light Emission Diode 4 x 7 segment displays
Fig. 11
EMI29.2
0-ring voor afdichting an koelvloeistof Fig. 1 koelvinnen Fig. 2 afdichtingspijp Fig. 1, : electriciteit Fig. 1, 37 41 toevoerleiding electriciteit Fig. 1, 2, 3 42 schroefgat in koelkop voor bevestiging warmte- afvoerelement Fig. 1, 3 43 : schroefgat in koelkop voor bevestiging warmte- afvoerelement Fig. 1, 3 44 : thermisch isolerende schroef Fig. 1
<Desc/Clms Page number 30>
45 : thermisch isolerende schroef Fig. 1 46 : boring in warmte-afvoerelement voor schroef
Fig. 1, 2 47 : boring in warmte-afvoerelement voor schroef
Fig. 1, 2 48 : afdichtingsring Fig. 2 49 : afdichtingsring Fig. 2 50 :
afdichtingsschijf Fig. 1 51 : luchtkamer Fig. l 52 : contactvlak tussen de koude las van de Peltier module en de koelkop Fig. 1, 3 53 : contactvlak tussen de warme las van de Peltier module en het warmte-afvoerelement Fig. 1 54 : mantel van het reservoir (25) Fig. 1 55 : afsluiting O-ring afdichtingspijp Fig. 1 56 : waterinlaat Fig. 1 57 : wateruitlaat Fig. 1 58 : afdichtingswartel voor temp. voeler koelwater
Fig. 1 59 : isolerende beschermingsmantel rond koelkop Fig. 1 60 : boring in koelkop voor temp. sensor 31 Fig. 1 61 : afdichtingskap van de koelkop Fig. 1 62 : bevestigingsvijs voor afdichtingskap Fig. 1 63 : beschermingsmantel voor toevoer van draden naar
Cryoprobe Fig. 1 64 : contactoppervlak voor behandeling Fig. 1, 10 65 :
luchtspleet tussen de koelkop en mantel van kunstofbehuizing Fig. 1 66 : boring in afdichtingskap voor bevestigingsvijs
Fig. 1 67 : boring met schroefdraad Fig. 1 68 : boring met schroefdraad voor waterinlaat Fig. 1 69 : boring met schroefdraad voor wateruitlaat Fig. 1 70 : boring in warmte-afvoerelement voor bevestiging van de afvoerpijp Fig. 1, 2
71 capillair Fig. 10
72 geschakelde voeding Fig. 11 73 bedieningspaneel Fig. 11
EMI30.1
tilt contact Fig. 11 74 75 instelling stroombewaking Fig. 11 76 PC-aansluiting RS-232 Fig. 11
<Desc/Clms Page number 31>
77 : compressor Fig. 10 78 : condensor Fig. 10 79 : ventilator Fig. 10 80 : verdamper Fig. 10