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Die
Erfindung betrifft einen Doppeltemperatursensor mit einem Aufnahmeelement.
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Doppeltemperatursensoren
werden zur Erfassung einer ersten Hautoberflächentemperatur eines Lebewesens
und einer zweiten Temperatur einer Umgebung verwendet. In
DE10038247C2 sind
zwei Temperaturmessfühler
in einem geschlossenen Sensorgehäuse
im Abstand wärmeisolierend
voneinander angeordnet. Aus den zwei Temperaturwerten der zwei Temperaturmessfühler wird
unter Verwendung von Wärmebilanzgleichungen
die körpernahe
Temperatur eines Lebewesens ermittelt. Die Doppeltemperatursensoren
solcher Art kommen beispielsweise bei der Steuerung eines Wärmetherapiegerätes für Neugeborene
und bei der Erfassung und Überwachung
der Körpertemperatur
in Atemschutzprodukten zum Einsatz. Die Anbringung der Doppeltemperatursensoren
auf der Haut eines Lebewesens, beispielsweise auf dem Kopf eine
Feuerwehrmannes oder auf dem Bauch eines neugeborenen Kindes erfolgt
mit Hilfe von einseitig klebenden Haftstreifen, wobei der Doppeltemperatursensor
mittig unter dem Haftstreifen platziert wird und die Klebeflächen mit
der Haut rundherum um den Doppeltemperatursensor klebend verbunden
werden. Zusätzlich
zur Klebeschicht ist in vielen Fällen
eine luftdurchlässige
textile Schicht im Haftstreifen angeordnet.
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Nachteilig
an einer solchen Klebeverbindung ist es, dass sowohl die mittige
Platzierung des Doppeltemperatursensors nicht in jedem Fall sicher
gegeben ist, dass aber zusätzlich
durch den Klebestreifen eine seitliche Abfuhr von Wärme resultiert.
Die seitliche Abfuhr von Wärme
beeinflusst die Randbedingungen für die Anwendung der Wärmebilanzgleichungen.
Aus der
US7299090 ist
ein Verfahren zur rechnerischen Kompensation der seitlichen Wärmeströme bekannt.
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Die
Anwendung der rechnerischen Kompensation setzt aber eingeschränkte und
bekannte Randbedingungen, wie beispielsweise die Kenntnis des Umgebungstemperaturbereiches
voraus, die aber nicht in jedem Fall der Anwendung gegeben sind.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Doppeltemperatursensor
derart weiterzubilden, dass die Wärmeverluste verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß besteht
ein Doppeltemperatursensor aus einem inneren Isolierungsblock mit
einem äußeren Aufnahmeelement,
wobei durch die Strukturierung des äußeren Aufnahmeelementes und/oder
des inneren Isolierungsblocks eine Anisotropie der Wärmeleitung
in der Art erzielt wird, so dass die horizontale Wärmeleitung gering
gegenüber
der vertikalen Wärmeleitung
ist.
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Vorteilhafte
Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch das Aufnahmeelement bei dem erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor
der Fehlereinfluss durch die Inhomogenität der Wärmeströme minimiert werden kann. Es
werden zwei Temperaturmessfühler
in einem Isolierungsblock zu einem Doppeltemperatursensor so vertikal übereinander
angeordnet, dass ein erster Temperaturmessfühler zur Erfassung einer hautseitigen
Temperatur, ein zweiter Temperaturmessfühler zur Erfassung einer umgebungsnahen
Temperatur ausgebildet ist.
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Der
Doppeltemperatursensor ist dabei in ein Aufnahmeelement eingebettet.
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Das
Material des Aufnahmeelements und/oder des Isolierungsblocks weist
dabei eine in vertikaler und in horizontaler Ausdehnung unterschiedliche
Struktur auf. Dadurch wird gewährleistet,
dass die horizontale Wärmeleitung
gering gegenüber
der vertikalen Wärmeleitung
ist. Durch die Einbettung des Doppeltemperatursensors in das erfindungsgemäße Aufnahmeelement
wird die Ausbreitung des Wärmeflusses
in senkrechter und waagerechter Flussrichtung gesteuert, die Hauptkomponente
des Wärmestroms
fließt
senkrecht von der Hautoberfläche über die
Oberfläche
des Doppeltemperatursensors zur oberseitigen Umgebung hin und durchfließt dabei
im Inneren des Isolierungsblocks zuerst den ersten hautseitigen
Temperatursensor und anschließend
den zweiten umgebungsseitigen Temperatursensor. Ein weiterer Teil
des senkrechten Wärmestromes fließt senkrecht
durch das Aufnahmeelement parallel zum Isolierungsblock. Die Anisotropie
der Wärmeleitung im
Material des Aufnahmeelementes bewirkt, dass die Summe der relativen
flächenbezogenen
senkrechten Wärmeströme im Aufnahmeelement
in gleicher Größenordnung
mit dem relativen flächenbezogenen
senkrechten Wärmestrom
im Isolierungsblock ist und damit der von den zwei Temperatursensoren
erfasste Temperaturgradient im Innern des Isolierungsblocks ebenfalls
in gleicher Größenordnung
mit dem Temperaturgradienten über
dem Aufnahmeelement ist. Die Anisotropie der Wärmeleitung reduziert den Fehlereinfluss
des seitlichen Wärmestroms
in den Wärmebilanzgleichungen
durch eine Verminderung des seitlichen Wärmestroms selbst. Die Anisotropie
der Wärmeleitung
wird durch die Ausbildung einer Strukturierung des Aufnahmeelements
erreicht.
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In
bevorzugter Weise kann eine Strukturierung derart erfolgen, dass
nach Vorgabe der Abmessungen des Isolierblocks und des Aufnahmeelements
unter Einbeziehung des Wärmedurchgangskoeffizienten
und der Wärmeleitfähigkeit
der Materialien des Isolierungsblocks und des Basismaterials des
Aufnahmeelements eine Anzahl ringförmiger Nuten konzentrisch zum
Mittelpunkt des Isolierungsblocks eingebracht wird, die mit einem Material
gefüllt
werden, dessen Wärmeleitfähigkeit
geringer als diejenige des Basismaterials des Aufnahmeelementes
ist. Das die Nuten ausfüllende
Material kann dabei gasförmig,
beispielsweise Luft, aber auch fest, porös oder viskos ausgebildet sein.
Die Anzahl und die Dimensionierung der ringförmigen Nuten sind dabei neben
den vorgegebenen Abmessungen und Materialeigenschaften vom beabsichtigten
Grad der Anisotropie abhängig.
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Die
Anisotropie der Wärmeleitung
im Aufnahmeelement ist bevorzugt so ausgebildet ist, dass der horizontale
Wärmedurchgangskoeffizient
um den Faktor von 2 bis 20 geringer als der vertikale Wärmedurchgangskoeffizient
ausgebildet ist.
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Die
Anisotropie der Wärmeleitung
im Isolierungsblock ist bevorzugt so ausgebildet, dass der horizontale
Wärmedurchgangskoeffizient
um den Faktor von 2 bis 20 geringer als der vertikale Wärmedurchgangskoeffizient
ausgebildet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit
im Aufnahmeelement durch eine Gruppe von vertikalen Bohrlöchern erreicht,
wodurch die horizontale Wärmeleitung
gering gegenüber
der vertikalen Wärmeleitung
ist, da die horizontale Wärmeleitfähigkeit
durch die geringere Wärmeleitfähigkeit
von Luft im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit
des schaumartigen Materials des Aufnahmeelementes herabgesetzt wird.
Eine unterseitige Haftschicht und eine oberseitige Isolierungsschicht
am Aufnahmeelement verhindern dabei eine mögliche Luftbewegung in den
Bohrlöchern,
welche ansonsten die isolierende Wirkung der Luft beeinträchtigen
würde.
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In
einer weiteren Gestaltungsvariante sind anstatt der Bohrlöcher mehrere
ringförmige
Nuten radialsymmetrisch in das Aufnahmeelement eingebracht. Als
Gestaltungsvarianten der Nuten können
dabei ununterbrochene konzentrische Kreise im Aufnahmeelement eingebracht
sein, eine weitere Variante ist eine Kombination aus Nuten und Stützstreben.
Die Stützstreben
sind dabei bevorzugt aus dem Material des Aufnahmeelementes ausgebildet,
wobei die Stützstreben
als zusätzliche
Elemente in das Aufnahmeelement eingebracht sind oder auch als Teile
des Aufnahmeelementes selbst ausgeprägt sein können.
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Eine
Anzahl konzentrischer Nuten sind dabei mit den Stützstreben
in vorteilhafter Weise so versetzt im Aufnahmeelement angeordnet,
dass der horizontale Wärmestrom
vom Isolierungsblock weg nicht in direkter und geradliniger Richtung
entlang der Stützstreben
vom Zentrum der Isolierblocks hin zum Rand des Aufnahmeelements
abfließen
kann. Damit wird eine flächenmäßig weitgehend
homogene Verteilung des horizontalen Wärmestroms im Aufnahmeelement
erreicht.
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Die
Bohrlöcher
oder die ringförmigen
Nuten sind bevorzugt mit einem Material ausgefüllt, dessen Wärmeleitfähigkeit
geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit
des Aufnahmeelementes. Das ausfüllende
Material in den Bohrlöchern
oder Nuten ist dabei durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen
0,01 W/mK und 0,1 W/mK gekennzeichnet. Das ausfüllende Material kann dabei
gasförmig,
beispielsweise mit Luft, aber auch fest, porös oder viskos ausgebildet sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
können
mindestens zwei unterschiedliche Materialien zum Ausfüllung der
Nuten oder Bohrlöcher
verwendet werden. Damit ist eine Gestaltung des Aufnahmeelements hinsichtlich
der Festigkeit und Flexibilität
möglich.
Wenn die Wärmeleitfähigkeiten
der verwendeten Füllmaterialien
voneinander verschieden sind, so kann die Anisotropie der Wärmeleitung
dadurch ebenfalls gestaltet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Aufnahmeelement aus einem Material ausgeführt, welches
durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit
im Bereich zwischen 0,05 W/mK und 0,3 W/mK gekennzeichnet ist. Ein
bevorzugtes Material für
das Aufnahmeelement ist Polyethylen (PE), weitere Materialvarianten
für das Aufnahmeelement
sind Polyetheretherketon (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA), geschlossenporige,
poröse
oder schaumartige Isolierwerkstoffe, wie Silikone, Gummi oder gummierte
Schäume.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführung
ist der Isolierungsblock aus einem Material ausgeführt, welches
durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit
im Bereich zwischen 0,05 W/mK und 0,3 W/mK gekennzeichnet ist. Ein
bevorzugtes Material für
den Isolierungsblock ist Polyetheretherketon (PEEK), weitere Materialvarianten
sind Polyethylen (PE), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat
(PC) oder Polysulfon (PSU).
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in den Zeichnungen 1 bis 8 schematisch dargestellt und wird im Folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Doppeltemperatursensor nach dem Stand der Technik in zylindrischer
Ausführung
in perspektivischer Ansicht,
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2 den
Doppeltemperatursensor nach 1 mit einem
strukturierten Aufnahmeelement in einer Halbschnittdarstellung
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3 einen
Querschnitt durch den Doppeltemperatursensor und das Aufnahmeelement
mit einer zusätzlichen
Isolierungsschicht und einer Haftschicht
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4 eine
Draufsicht der Anordnung nach 2
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5 eine
Variante nach 4 mit einer besonderen Bohrlochanordnung
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6 eine
Variante nach 4 mit einer Anordnung konzentrisch
eingebrachter Nuten
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7 eine
Ausführungsvariante
nach 6 mit einer Anordnung von Stützstreben
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8 eine
Ausführungsvariante
nach 7 mit einer alternativen Anordnung von Stützstreben
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In 1 ist
ein Doppeltemperatursensor 1 nach dem Stand der Technik
in zylindrischer Ausführung
in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der Doppeltemperatursensor 1 weist
einen als Gehäuse
ausgeformten Isolierungsblock 4 auf. Zwei Temperaturmessfühler 2, 3 sind
in dem Isolierungsblock 4 vertikal übereinander jeweils oberflächennah
eingebracht, sodass der erste Temperaturmessfühler 2 die hautseitige
Temperatur T1 und der zweite Temperaturfühler 3 die umgebungsseitige
Temperatur T2 sensorisch erfasst. Das Isolationsmaterial des Isolierungsblockes 4 ist
gekennzeichnet durch eine Wärmeleitfähigkeit
zwischen 0,05 W/mK und 0,3 W/mK. Die elektrischen Verbindungen 6 der
Temperaturmessfühler 2, 3 werden
aus dem Isolierungsblock 4 heraus an das Aufnahmeelement 8 (2)
geführt
und können
geradlinig, spiral-, kreis-, mäander-,
zickzack-, sternförmig
oder in Form eines Polygons unterseitig in dem Aufnahmeelement 8 nach
außen geführt sein.
Dabei sind die elektrischen Verbindungen 6 vorzugsweise
in einer dafür
vorgesehenen Schlitzung im Aufnahmelement 8 eingebettet.
Die Temperaturmessfühler 2, 3 sind
vorzugsweise baugleiche, temperaturabhängige, resistive Elemente,
wie NTC- oder PTC-Elemente,
beispielsweise Platintemperaturmessfühler.
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Von
einem ersten Temperatursensor 2 wird eine der Hautoberfläche 9 proportionale
Temperatur T1, von einem zweiten Temperatursensor 3 wird
eine der Umgebungsluft proportionale Temperatur T2 erfasst.
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Zu
einer Verwendung des Doppeltemperatursensors 1 zur Messung
einer körpernahen
Temperatur an einem Menschen ist die unterseitige Oberfläche des
Isolierblocks 4, welche zur Adaption an die Hautoberfläche 9 bestimmt
ist, für
eine optimale Wärmeübertragung
der Hauttemperatur an das Temperatursensorelement 2 vorzugsweise
zur Hautoberfläche
hin gewölbt
ausgeformt.
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In 2 ist
in einem perspektivischen Halbschnitt eine erste Anordnung 11 eines
Doppeltemperatursensors mit einem Isolierungsblock 4 und
einem Aufnahmeelement 8 dargestellt, welches den Isolierungsblock 4 in
radialer Richtung umgibt. Das Aufnahmeelement 8 dient der
seitlichen Temperaturisolation. Hierbei kann das Material des Aufnahmeelements 8 entsprechend
der Anwendung des Doppeltemperatursensors 1 verschieden
vom Material des Isolierungsblocks 4 ausgeführt sein,
beispielsweise aus einem porösen
oder schaumartigen Werkstoff. Die Temperaturmessfühler im Isolierungsblock 4 und
die elektrischen Verbindungen, sowie die Hautoberfläche sind
in der 2 nicht mit dargestellt.
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Mindestens
einer der Wärmeleitfähigkeiten
der Materialien des Aufnahmeelementes 8 und des Isolierungsblockes 4 weisen
dabei eine Anisotropie zwischen vertikaler und horizontaler Richtung
auf, wobei die Anisotropie so ausgebildet ist, dass die horizontale
Wärmeleitung
gering gegenüber
der vertikalen Wärmeleitung ist.
Die Anisotropie der Wärmeleitung
im Aufnahmeelement wird durch eine Gruppe von Bohrlöchern 10 bewirkt,
die konzentrisch um den Isolierungsblock angeordnet sind.
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In
einer in 3 dargestellten Ausführung ist
eine zweite Anordnung 12 eines Doppeltemperatursensors
mit einem Isolierungsblock 4, einem Aufnahmeelement 8,
einer Isolierungsschicht 7 und einer Haftschicht 5 als
erweiterte Variante der ersten Anordnung 11 im Querschnitt
gezeigt.
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Gegenüber der
Ausführung
der ersten Anordnung 11 nach 2 wird in
der zweite Anordnung 12 die der Hautoberfläche 9 abgewandte
obere Seite des Aufnahmeelementes 8 zusätzlich mit einer dünnen Isolierungsschicht 7 versehen,
um bei einem plötzlichen
Temperaturwechsel ein Überschwingen
der Messsignale zu verhindern. Unterseitig ist ringförmig eine
Haftschicht 5 an dem Aufnahmeelement 8 angebracht,
welche die Anbringung der zweiten Anordnung 12 eines Doppeltemperatursensors
an die Hautoberfläche 9 ermöglicht. Weiterhin
ist in 3 eine Gruppe von mit Luft gefüllten Bohrlöchern 10 gezeigt,
durch die die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit
so gestaltet wird, dass die horizontale Wärmeleitung gering gegenüber der
vertikalen Wärmeleitung
ist, da die insgesamt wirkende horizontale Wärmeleitfähigkeit durch die geringere
Wärmeleitfähigkeit
von Luft im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit
des Aufnahmeelementes 8 aus schaumartigen Material herabgesetzt
wird. Eine unterseitige Haftschicht 5 und eine oberseitige
Isolierungsschicht 7 am Aufnahmeelement 8 decken
die Bohrlöcher 10 beidseitig
ab und verhindern dadurch einerseits eine mögliche Luftbewegung in den
Bohrlöchern 10,
andererseits dient die Haftschicht 5 zur Befestigung der
Anordnung aus Isolierungsblock 4 und Aufnahmeelement 8 an
der Hautoberfläche 9,
sowie die Isolierungsschicht 7 als Schutz vor einem Überschwingen
des Messsignals bei einem plötzlichen
Temperaturwechsel.
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In 4 ist
eine Draufsicht einer Anordnung 11 nach 2 gezeigt,
eine Gruppe von 12 Bohrlöchern 10 ist dabei
radialsymmetrisch um den Isolierblock 4 angeordnet. Die
Anzahl von zwölf
Bohrlöchern
auf einem einzigen konzentrischen Kreis, sowie der Abstand des konzentrischen
Kreises zum äußeren Rand
des Aufnahmeelements 8 ist beispielhaft, bedingt durch
die Abmessungen des Aufnahmeelements 8 und die Bohrlochdurchmesser
ist die Anzahl der konzentrischen Kreise bis in einen Bereich von
zwanzig Kreisen und die Anzahl von Bohrlöchern bis in einen Bereich
von insgesamt einigen Hundert an Bohrlöchern im Aufnahmeelement 8 umsetzbar.
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In 5 ist
eine besondere Variante der Anordnung 11 nach 4 der
Gruppen von Bohrlöchern 10 in
einer Draufsicht gezeigt. Die Bohrlöcher sind dabei in mehreren
Teilgruppen radialsymmetrisch um den Isolierungsblock 4 angeordnet,
wobei beispielhaft zwei Teilgruppen im geringen Abstand jeweils
um einen Bohrlochdurchmesser radial zueinander versetzt angeordnet
sind. Diese Anordnung ergibt bei einer großen Anzahl von nahe beieinander
liegenden Bohrlöchern
eine größtmögliche verbleibende
Stabilität
des Aufnahmeelements 8.
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In 6 ist
in einer Draufsicht eine alternative Variante einer Anordnung 11 nach 4 gezeigt,
wo anstatt der Bohrlöcher
mehrere konzentrisch angebrachte ringförmige Nuten 20 radialsymmetrisch
um den Isolierungsblock 4 angeordnet sind. Die ringförmigen Nuten 20 sind
dabei mit einem Material ausgefüllt,
dessen Wärmeleitfähigkeit
geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit
des Aufnahmeelementes 8. Das Material kann dabei Luft sein.
Beispielhaft ist eine Anzahl von zwei Nuten 20 gezeigt,
wobei eine Nut 20 direkt am Isolierungsblock 4 und
eine weitere Nut 20 nahe am äußeren Umfang des Aufnahmeelementes 8 angeordnet
ist.
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Bedingt
durch die Abmessungen des Aufnahmeelementes 8 und die Nutbreiten
ist aber auch eine größere Anzahl
von Nuten umsetzbar.
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Die
Anisotropie der Wärmeleitung
wird durch die Strukturierung des Aufnahmeelementes 8 mit
eingebrachten Nuten 20 erreicht. Eine beispielhafte Vorgehensweise
zur Ermittlung der Dimensionierung der Strukturierung ist dabei
durch den Ablauf folgender Schritte gekennzeichnet:
Zuerst
wird ein Zielbereich des Faktors der Anisotropie festgelegt.
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Der
Faktor der Anisotropie beschreibt das Verhältnis des senkrechten Wärmedurchgangskoeffizienten zum
waagerechten Wärmedurchgangs koeffizienten
im Aufnahmeelement 8. Für
dies Beispiel soll der Faktor in einem Bereich von 8 bis 12 liegen.
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Auf
Basis der Abmessungen des Isolierblocks 4, werden die Abmessungen
des Aufnahmeelementes 8 festgelegt, wie Aufnahmeelementhöhe he, innerer
Durchmesser di und äußerer Durchmesser
de.
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Unter
Einbeziehung des Wärmedurchgangskoeffizienten
ks des Isolierungsblocks 4 und der Wärmeleitfähigkeiten λe, λl des Aufnahmeelementes 8 und
des in die Nuten eingefüllten
Materials sind die äußeren Randbedingungen
vorgegeben, wie die nachfolgende Strukturierung der Nuten 20 erfolgen
kann. Als weitere Bedingung wird die Anzahl der ringförmigen Nuten
vorgegeben, sowie, dass die Nuten mit gleicher Breite ausgeführt sein
sollen.
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Aus
der Lage der Nuten und der Breite der Nuten ergeben sich die Nutkreisdurchmesser
d1, d2, d3.
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Das
nachfolgende Zahlenbeispiel ist auf eine Umsetzung mit homogenem
Polyethylen (PE) als Basismaterial des Aufnahmeelementes 8 ausgelegt.
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Die
Nuten werden mit Luft gefüllt.
Die Abmessungen sind wie folgt: he = 6 mm; di = 10 mm; d1 = 12,82 mm;
d2 = 23,18 mm, d3 = 26 mm; d4 = 28 mm; de = 30 mm.
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Die
wärmespezifische
Materialeigenschaft ist in diesem Beispiel im Fall von PMMA für den Isolierungsblock 4 wie
folgt gegeben: ks = 50 W/m2K.
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Für den vertikalen
Wärmedurchgangskoeffizienten
kv des Aufnahmelementes 8 wird zur Erreichung gleicher
flächenbezogener
senkrechter Wärmeströme von der
Körperoberfläche zur
Umgebung ebenfalls ein Wert für
kv = 50 W/m2K gewählt.
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Auf
Basis der zylindrischen Geometrie des Aufnahmeelementes 8 (he,
de, di) und dem gewählten senkrechten
Wärmedurchgangskoeffizienten
kv = 50 W/m2K des Aufnahmeelementes 8 wird
im nächsten Schritt
mit Hilfe der Formel 1 ein Wert für den horizontalen Wärmedurchgangskoeffizienten
kl eines unstrukturierten Aufnahmeelementes ermittelt.
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In
diesem Beispiel ergibt sich ein Wert für den horizontalen Wärmedurchgangskoeffizienten
kl von 18.2 W/m2K.
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Aus
den Nutkreisdurchmessern d1, d2, d3, innerem Durchmesser di und äußerem Durchmesser
de, in Verbindung mit den Wärmeleitfähigkeiten λe = 0,4 W/mK
des Aufnahmeelements, λl
= 0,026 W/mK für
ruhende Luft als Füllmaterial für die Nuten
kann mit Hilfe von Formel 2 dann der veränderte horizontale Wärmedurchgangskoeffizienten
kl_s des strukturierten Aufnahmeelementes 8 ermittelt werden.
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In
diesem Beispiel ergibt sich bei einem kv von 50 W/m2K
ein kl_s von 4.31 W/m2K für das strukturierte Aufnahmeelement 8.
Daraus ergibt sich ein Faktor der Anisotropie von 11,6 zwischen
dem vertikalen Wärmedurchgangskoeffizienten
kv und dem horizontalen, durch Strukturierung veränderten
Wärmedurchgangskoeffizienten
kl_s. Durch eine Variation der Anzahl und der Dimensionierung der
ringförmigen
Nuten und der verwendeten Materialien ist der Grad der Anisotropie
einstellbar. Eine weitere Möglichkeit
zur Gestaltung des Faktors der Anisotropie ist die Verwendung von
mindestens zwei unterschiedlichen Füllmaterialien für die Nuten. Im
Beispiel sind dann entsprechend in Formel 2 die Werte für die Wärmeleitfähigkeiten λ der unterschiedlichen Füllmaterialien
einzusetzen.
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Die
durch die Anwendung gegebenen Randbedingungen und die für die Anwendung
geeigneten Materialien (PEEK, PE, PMMA, PC, PSU) und deren Kombinationen
ergeben dabei eine Vielfältigkeit
der Kombinationen.
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Nach
Vergleich mit dem beabsichtigten Zielbereich des Anisotropie-Faktors
wird dann in iterativen Schritten durch leichte Veränderung
der Geometriedaten d1, d2, d3 eine für die Herstellung praktikable
Variante im Zielbereich des Anisotropie-Faktors ausgewählt. Der Wert des Faktors der
Anisotropie liegt mit 11,6 dabei in diesem Beispiel im Zielbereich
der Vorgabe, sodass weitere Iterationsschritte bezüglich Nutbreite
und Nut-Anzahl nicht erforderlich sind.
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In 7 ist
eine Variante einer Anordnung 11 nach 6 als
Draufsicht dargestellt, wobei die Nuten 20 unterbrochen
sind und somit Stützstreben 22 im
Aufnahmeelement 8 entstehen. Damit wird das Aufnahmeelement
in der Struktur erhalten, mit dem Vorteil, dass keine ober- und
unterseitige Schicht zur mechanischen Stabilisierung notwendig ist.
Die Dimensionierung der Stärke
von Isolierungsschicht (3) und der Haftschicht (3)
ist somit unabhängig
von der Struktur des Aufnahmeelementes 8 und mechanischen
Anforderungen.
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Beispielhaft
ist eine Anzahl von zwei Nuten 20 gezeigt, wobei beide
Nuten in einem Abstand voneinander und im Abstand zum Isolierungsblock 4 und
dem äußeren Umfang
des Aufnahmeelementes 8 angeordnet sind. Beispielhaft ist
eine Anzahl von drei Stützstreben 22 gezeigt.
Bedingt durch die Abmessungen des Aufnahmeelementes 8 und
die Nutbreiten, die Anzahl von Nuten, die Breite der Stützstreben
und die Anforderungen an die Stabilität und Flexibilität des Aufnahmeelementes
kann in der Anwendung eine größere Anzahl von
Stützstreben 22 erforderlich
sein. Die Berechnung des horizontalen Wärmedurchgangskoeffizienten
dieser Variante basiert im Prinzip auf den zu 6 dargelegten
Formeln, allerdings ist die Geometrie der Stützstreben 22 dabei
in die Formel 2 mit einzubeziehen.
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In 8 ist
eine Variante einer Anordnung 11 nach 7 als
Draufsicht dargestellt, dabei sind die verbleibenden Stützstreben 22 so
in vorteilhafter Weise versetzt im Aufnahmeelement 8 angeordnet,
dass kein horizontaler Wärmestrom
vom Isolierungsblock 4 in direkter und geradliniger Richtung
entlang der Stützstreben
vom Zentrum der Isloierblocks 4 zum Rand des Aufnahmeelements 8 an
die Umgebung abfließen
kann. Damit wird trotz der Stützstreben 22 eine
weitgehend homogene Verteilung des horizontalen Wärmestroms
erreicht. Beispielhaft ist eine Anzahl von insgesamt sechs, sternförmig versetzt
angeordneten Stützstreben 22 gezeigt.
Andere Anordnungen der Versetzung und der Anzahl von Stützstreben 22 sind
möglich.
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- 1
- Doppeltemperatursensor
- 2
- erster
Temperaturmessfühler
- 3
- zweiter
Temperaturmessfühler
- 4
- Isolierungsblock
- 5
- Haftschicht
- 6
- elektrische
Verbindungen
- 7
- Isolierungsschicht
- 8
- Aufnahmeelement
- 9
- Hautoberfläche
- 10
- Gruppe
vertikaler Bohrlöcher
- 11
- erste
Anordnung eines Doppeltemperatursensors
- 12
- zweite
Anordnung eines Doppeltemperatursensors
- 20
- Nuten
- 22
- Stützstreben
- he
- Aufnahmeelementhöhe
- di
- innerer
Durchmesser
- de
- äußerer Durchmesser
- d1,
d2, d3
- Nutkreisdurchmesser