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Die Erfindung betrifft sowohl eine Vorrichtung als auch ein Verfahren zur Erhöhung des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers.
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Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt, wobei eine Erhöhung des Kalorienverbrauches des menschlichen Körpers über eine von Außerhalb des Körpers erfolgende Kühlung oder aber über eine Erhöhung der Wärmeabstrahlung und der damit einhergehenden Hypothermie des menschlichen Körpers ausgelöst wird. Angewandt werden diese Vorrichtungen und Verfahren zur Verringerung des Körperfettgehaltes, wobei eine zuvor erfolgte Gewichtszunahme aus einem Ungleichgewicht von dem Körper zugeführter und verbrauchter Energie resultiert. In der Regel nehmen Übergewichtige über einen langen Zeitraum täglich mehr Energie in Form von Nahrung auf, als sie über den Stoffwechsel verbrauchen können. Diese überschüssige Energie wird in Form von Fett im menschlichen Körper gespeichert und jeder Versuch einer Gewichtsreduktion muss deshalb zwangsläufig an diesem Gleichgewicht von Energiezufuhr und Energieverbrauch ansetzen.
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Folglich ist es neben einer Reduktion der aufgenommenen Energie, wie beispielsweise bei einer Diät, auch möglich die verbrauchte Energie, entweder durch eine stärkere körperliche Betätigung oder durch Erhöhung des Grundstoffwechsels, zu steigern. Während sportliche Aktivitäten über mechanische Arbeit den Energieverbrauch steigern, wirkt die Erhöhung des Grundstoffwechsels über den Anstieg der Wärmeproduktion im Körper.
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So werden Systeme zur Erzeugung einer Hypothermie, worunter eine Absenkung der Körperkerntemperatur zu verstehen ist, in der Intensivmedizin angewandt, um beispielsweise Hirnschäden nach Herz-Kreislauf-Stillstand zu verhindern oder abzumildern. Beispielsweise vertreibt der Hersteller Medivance ein derartiges Gerät unter dem Namen „Arctic Sun”, welches dem Körper mittels an der Haut anliegender Membranen Wärme entzieht, wobei eine Erhöhung des Energieverbrauchs durch die Stimulierung der Thermoregulation in der Intensivmedizin allerdings nicht beabsichtigt ist. Es werden in der Regel sogar Medikamente verabreicht, welche eine Thermoregulation des Körpers hemmen, so dass der Körper nicht mit einer Erhöhung des Energieumsatzes auf die applizierte Kälte reagiert und sich eine stabile Hypothermie im Körper ausbilden kann.
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Auch zeigt beispielsweise die
DE 689 27 258 T2 ein Verfahren zur Steigerung der Übertragung der Körperwärme, in welchem der Blutfluss an der Körperoberfläche eines Menschen erhöht wird und sich hierüber ein größerer Wärmestrom durch die Haut ergibt, wenn der Körper einer kalten Umgebung ausgesetzt wird. In der Regel erfolgt in einer kälteren Umgebung eine Verringerung des besagten Blutflusses über die Thermoregulation des Körpers, welche nach der in dieser Druckschrift vorgeschlagenen Lösung gerade außer Kraft gesetzt werden soll. Dies erfolgt durch elektrische Stimulation der Haut oder über Veränderung des Säurehaushaltes der Haut, was zu einer dem natürlichen Körperreflex entgegen laufenden Weitung der unterhalb der Haut liegenden Blutgefäße führt. Die Hypothermie wird folglich dadurch ausgelöst, dass der Körper dem Wärmeverlust nicht mehr in vollem Umfang begegnen kann, wobei der Körper allerdings zusätzlich zu der Anwendung der offenbarten Vorrichtung einer kalten Umgebung ausgesetzt werden muss, um den Wärmestrom aus dem Körper heraus zu erzeugen.
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Ein weiteres System zur Erzeugung einer Hypothermie über eine aktive Kühlung zeigt die
US 4,741,338 , wobei ein Gürtel mit einer Vielzahl von Peltier-Elementen bestückt ist, welche mittels einer Steuereinrichtung mit einem voreingestellten Wert einerseits beheizt oder andererseits gekühlt werden können. Auch lässt sich eine zeitliche Abfolge von konstanten Warm- und Kaltreizen an den Elementen erzeugen, mittels welchen die Durchblutung gesteigert werden soll.
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Die im Stand der Technik vorhandenen Vorrichtungen und Verfahren vermitteln – sofern es aktive kühlende Systeme sind – ein starkes Kältegefühl, so dass effektive Anwendungen außerhalb der Intensivmedizin kaum möglich sind. Darüber hinaus sind kühlende Systeme im bisherigen Stand der Technik zumeist stationär einsetzbar, was eine starke Einschränkung der Beweglichkeit zur Folge hat.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, durch den Entzug von Wärme den körpereigenen Energieverbrauch in Folge der gesteigerten Thermoregulation zu erhöhen ohne ein starkes Kälteempfinden oder einen starken Kälteschmerz auszulösen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird zum Einen eine Vorrichtung zur Erhöhung des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers mit wenigstens einem Wärmetauscher und mit wenigstens einer Befestigungseinrichtung zur Befestigung des Wärmetauschers an einem menschlichen Körper vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass der Wärmetauscher, insbesondere räumlich getrennt angeordnete, wärmende und kühlende Bereiche aufweist. Es wird somit vorteilhaft eine Vorrichtung mit zeitgleich auf den Körper aufgebrachten Wärmequellen und Wärmesenken bereitgestellt, welche den Effekt einer thermalen Illusion hervorrufen kann, um einen Kältereiz zu vermindern. Bei Verwendung der thermalen Illusion kann beispielsweise durch eine räumlich applizierte Abfolge von Warm- und Kaltreizen das paradoxe Gefühl von Hitze ausgelöst werden, obgleich eigentlich eine kalte Umgebung vorliegt und dem Körper Wärme entzogen wird.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Erhöhung des Energieverbrauches ergibt sich, wenn die wärmenden und kühlenden Bereiche des Wärmetauschers im Mittel einen negativen Nettowärmestrom aufweisen, wodurch in Summe eine Wärmesenke bereitgestellt wird.
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Mit „Wärmesenke” ist hierbei ein Temperaturniveau gemeint, welches unterhalb des Temperaturniveaus an der Haut eines menschlichen Körpers liegt, wodurch aus dem menschlichen Körper heraus ein negativer Wärmestrom appliziert wird. Im Gegensatz dazu bezeichnet eine „Wärmequelle” ein Temperaturniveau, welches oberhalb des Temperaturniveaus an der Haut eines menschlichen Körpers liegt, um einen positiven Wärmestrom in den menschlichen Körper hinein zu erzeugen.
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Unter „Wärmetauscher” wird hingegen jegliches Mittel bezeichnet, welches eine von der Oberfläche des menschlichen Körpers abgegriffene Wärmemenge bzw. an die Oberfläche des menschlichen Körpers aufgebrachte Wärmemenge mit einer Wärmesenke oder einer Wärmequelle koppelt. Somit beinhaltet der Wärmetauscher nicht notwendiger Weise lediglich ein Übertragungselement, um einen Wärmestrom von einem Stoff auf einen anderen Stoff zu übertragen, sondern es ist hierbei auch möglich, dass der Wärmetauscher auch Mittel zum Transportieren eines Stoffes, beispielsweise eines Kühl- oder Heizmittels, aufweist. So kann der Wärmetauscher im einfachsten Fall auch lediglich aus einer um den menschlichen Körper herum gelegten oder an den menschlichen Körper applizierten Rohrschlange bestehen, in welcher ein Kühlmittel oder ein Heizmittel befördert wird.
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In einem weiteren Abstraktionsschritt könnte, wie sofort ersichtlich, ein Wärmetauscher auch lediglich aus einem wärmeleitenden Blech bestehen, welches die an einer Innenseite des Bleches anfallende Wärme zu eine Außenseite ableitet, sofern dieses Blech um den Körper herumgelegt oder an diesem angelegt wird. Somit kann der Wärmetauscher im Sinne der Erfindung einen Wärmestrom zwischen Fluiden, Feststoffen und/oder Gasen übertragen.
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Insbesondere können die wärmenden und kühlenden Bereiche räumlich getrennt voneinander angeordnet sein, d. h. mit einem Abstand zwischen diesen Bereichen. Dieses belässt zwar weniger Freiheiten in der Ansteuerung der einzelnen Bereiche, erleichtert jedoch die Konstruktion der Gesamtanordnung, wobei darauf zu achten ist, dass der Abstand nicht so groß ist, dass der Körper der oben genannten thermalen Illusion nicht mehr unterlegt.
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Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass im Gegensatz zu der Anordnung aus der
US 4,741,338 die wärmenden und kühlenden Bereiche gleichzeitig nebeneinander wirksam werden können, was bei letzterer Anordnung deswegen nicht möglich ist, da sämtliche dort offenbarten Bereiche gleichzeitig angesteuert werden.
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Um mittels verschiedener Warm- und Kaltzonen an dem Wärmetauscher die vorstehend erläuterte thermale Illusion zu erzielen, ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zur Erhöhung des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers Mittel zur zeitabhängigen Temperaturregelung des Wärmetauschers aufweist. Es ist somit zusätzlich zu der Anordnung von verschiedenen Kalt- und Warmzonen vorzugsweise auch möglich, den zeitlichen Verlauf der einzelnen erzeugten Wärmesenken oder Wärmequellen zu steuern bzw. zu regeln, wobei einerseits gezielt ein negativer Nettowärmestrom aus dem Körper heraus und andererseits die thermale Illusion erzeugt werden können.
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Alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend erläuterten Merkmalen wird, um die Eingangs stehende Aufgabe zu lösen, eine Vorrichtung zur Erhöhung des Energieverbrauches des menschlichen Körpers mit wenigstens einem Wärmetauscher, mit wenigstens einer Befestigungseinrichtung zur Befestigung des Wärmetauschers an einem menschlichen Körper und mit Mitteln zur zeitabhängigen Temperaturregelung des Wärmetauschers vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Mittel zur zeitabhängigen Temperaturregelung Mittel zu einer zeitabhängigen Variation eines integralen Nettowärmestromes aufweisen.
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Eine thermale Illusion kann außer durch eine räumliche Abfolge von Warm- und Kaltreizen auch durch eine zeitliche Variation thermischer Reize bedingt sein. Bei einer geeignet langsamen Absenkung oder Erhöhung der an dem Körper wirkenden Temperatur lässt sich beispielsweise die Reizschwelle für ein Temperaturempfinden verlagern, wodurch ein Warm- oder Kaltreiz mit einiger zeitlicher Verzögerung oder gar bei erst extremeren Temperaturen wahrgenommen wird, so dass folglich die dem Körper aufgegebene oder entzogene absolute Wärmemenge erhöht werden kann, bevor ein Schmerzempfinden oder ein sonstiges unangenehmes Empfinden resultiert. Auch erscheint es möglich, durch geeignete zeitliche Abfolgen von Kalt- und Warmreizen thermale Illusionen aufzubauen.
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In vorliegendem Zusammenhang bezeichnet der Begriff ”Nettowärmestrom” den Wärmestrom durch die Haut des Körpers, der durch die vorliegende Vorrichtung bzw. durch das angewandte Verfahren bedingt ist. Da der menschliche Körper als Ganzes einen Temperaturunterschied zu seiner Umgebung aufweist, liegt, auch wenn keine ergänzenden Maßnahmen vorgesehen sind, ein Wärmestrom durch die Haut des Körpers vor, der zu dem ”Nettowärmestrom” hinzugenommen den ”Bruttowärmestrom” ergibt. Hierbei handelt es sich jeweils um Wärmeströme, die über die gesamte Körperoberfläche ermittelt werden, wobei ggf. in den Bereichen, in denen die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht vorgesehen ist bzw. in denen das erfindungsgemäße Verfahren nicht ansetzt, keine Anteile zum Nettowärmestrom zu finden sind. Wie unmittelbar ersichtlich, können der Netto- und der Bruttowärmestrom über die Zeit variieren. Diese Variation ist bedingt durch die Körpertemperatur, den körpereigenen Wärmetransport sowie die Umgebungstemperatur, sei sie nun in erfindungsgemäßer Weise beeinflusst oder sei sie lediglich natur- bzw. umgebungsbedingt. Unter einem integralen Nettowärmestromes wird nunmehr in Abgrenzung gegen den zeitlich veränderlichen Nettowärmestrom ein zeitliches Mittel des Nettowärmestroms verstanden, welches zeitlich ausreichend lang ist, so dass sich an sich stationäre Zustände im Wärmestrom eingestellt haben werden, jedoch wesentlich kürzer als eine Anwendungsdauer für die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen. In der Praxis hat sich, je nach konkreter Umsetzung derartiger Verfahren und Vorrichtungen, ein zeitliches Mittel eine bis dreißig Minuten zur Bestimmung des integralen Nettowärmestroms als zutreffend herausgestellt.
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Durch die Mittel zur zeitabhängigen Variation des integralen Nettowärmestromes kann also die über die Zeit dem Körper aufgegebene bzw. entzogene Wärmemenge vorrichtungsbedingt variiert werden. Dieses ermöglicht insbesondere ein langsames Absenken bzw. Erhöhen der anliegenden Temperatur, so dass ein diesbezüglich Reizempfinden, insbesondere auch ein Schmerzempfinden, erheblich verschoben werden kann, so dass insbesondere wesentlich kältere Temperaturen angelegt werden können als dieses bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik möglich ist. Hierdurch lässt sich die Effektivität der entsprechenden Maßnahmen erheblich steigern und insbesondere auch ein Abschotten des Körpers durch Reduktion der Blutzirkulation in der Haut minimieren, was sonst lediglich durch aufwändige und den Körper erheblich angreifende Maßnahmen, wie elektrischen Strom oder Säure, möglich ist.
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Zur Änderung der Wahrnehmung einer Temperatur bzw. zur Verlagerung einer Reizschwelle wird, alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend erläuterten Merkmalen, eine Vorrichtung zur Erhöhung des Energieverbrauches des menschlichen Körpers mit wenigstens einem Wärmetauscher, mit wenigstens einer Befestigungseinrichtung zur Befestigung des Wärmetauschers an einem menschlichen Körper und mit Mitteln zur zeitabhängigen Temperaturregelung des Wärmetauschers vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Mittel zur zeitabhängigen Temperaturregelung Mittel zu einem asymmetrischen Wechsel der Temperatur aufweisen.
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Beispielsweise ist es hierbei möglich einen Kaltreiz, wie bereits vorstehend erläutert, besonders langsam und lang zu applizieren und bei Erreichen einer Reizschwelle mit einer sehr viel höheren Geschwindigkeit einen Warmreiz auf den Körper aufzubringen, wodurch der Kaltreiz – auch wenn beim Anstieg der Temperatur effektiv keine sehr große Wärme aufgebracht werden muss – schnell unterdrückt und ein neuer Zyklus begonnen werden kann. Eine derartige Vorgehensweise kann einerseits sehr langsam, also im Konkreten beispielsweise mit einer Zykluszeit von über fünf Minuten, oder andererseits insbesondere verhältnismäßig schnell, also im Konkreten beispielsweise mit Zykluszeiten unter einer Minute erfolgen. Insofern kann ein derartige Wechsel der Temperatur einerseits derart langsam erfolgen, dass sich jeweils ein thermische Gleichgewicht der Wärmeströme einstellt, oder aber, was diesbezüglich insbesondere bevorzugt ist, derart schnell erfolgen, dass sich ein thermisches Gleichgewicht gerade nicht einstellt. Insofern handelt es sich bei letzterer aufgebrachten thermischen Illusion um eine durch kurzzeitige Effekte bedingte Illusion, die auftritt bevor ein eigentliches thermisches Gleichgewicht, insbesondere auch im Wärmeübergang an der Haut und den übrigen Bereichen des Körpers, erreicht ist.
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Hierbei, aber auch bei der vorstehend erläuterten Vorrichtung mit einer zeitlichen Variation eines Nettowärmestromes, ist es, wie sofort ersichtlich, ebenfalls besonders vorteilhaft, wenn der Nettowärmestrom im zeitlichen Mittel negativ ist, so dass dementsprechend dem Körper besonders effektiv Energie entzogen wird, ohne dass erhebliche unangenehme Gefühle oder gar nennenswerter Schmerz auftritt.
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Werden physiologische Effekte, wie die thermale Illusion beispielsweise durch räumliche Abwechslung, asymmetrische Temperaturschwankungen und/oder die Senkung der Reizschwelle für das Temperaturempfinden, außen vor gelassen, ist es aus thermodynamischen Gesichtspunkten sofort ersichtlich, dass es für das Erzeugen eines negativen Nettowärmestroms unerheblich ist, wie die konkrete Umsetzung der zeitlichen oder räumlichen Abfolgen der Temperaturverteilung an dem Wärmetauscher erfolgt. Zur Erzielung der Hypothermie reicht es aus, dem Körper über der Zeit mehr Energie zu entziehen als ihm zuzuführen und insbesondere mehr Energie zu entziehen als er unter normalen Bedingungen an seine Umgebung abgibt. Die Anwendung der vorstehend erläuterten Vorrichtung unter Ausnutzung physiologischer Effekte führt jedoch zur Ausweitung der möglichen Temperaturgrenzen und somit zur Erhöhung der dem Körper entzogenen absoluten Wärmemenge, was die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der entsprechenden Verfahren steigert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Befestigungseinrichtung für die Vorrichtung zur Erhöhung des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers eine Manschette umfassen, in welcher der oder die Wärmetauscher eingearbeitet sind. Es wird dem Körper, wie bereits vorstehend erläutert, durch einen an dem Körper anliegenden Wärmetausches Wärme entzogen, wobei die entsprechenden Vorrichtungen dabei vorteilhaft in einfacher Weise an- und abgelegt werden können, wodurch eine Person auch ohne fremde Hilfe die erfindungsgemäße Vorrichtung verwenden kann. Folglich erhöht sich hierdurch die Beweglichkeit während der Applikation der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Alternativ bzw. kumulativ hierzu kann die Befestigungseinrichtung in Form eines Kleidungsstückes, beispielsweise als Weste, als Strumpf, als Jacke oder als Hose, ausgebildet sein, in welches der Wärmetauscher eingearbeitet ist.
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Insofern bietet diese flexible Ausgestaltung als Kleidungsstück oder Manschette auch eine einfache Möglichkeit ein flexibles Schlauchsystem aufzunehmen, das von einem Kühlmittel durchströmt wird und dem Körper über eine Vergrößerung der applizierten Oberfläche weitere Wärme entzieht. Die Anwendung wird folglich angenehmer gestaltet, da der Tragekomfort erhöht und ein Beklommenheitsgefühl verringert werden kann.
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Da unter anderem das Schlauchsystem aus zwei oder mehreren voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen, deren Temperaturen in einem weiten Kalt- und Warmbereich unabhängig voneinander geregelt werden können, oder zwei oder mehreren unabhängigen Peltier-Elementen oder ähnlichem bestehen kann, ist es ferner vorteilhaft für die erfindungsgemäße Vorrichtung, wenn der Wärmetauscher mit einer externen Wärmeabfuhr wirkverbunden ist. Auch eine Kälteabfuhr statt einer Wärmeabfuhr ist an dieser Stelle möglich, wird jedoch nicht zwingend benötigt, da die verwendete Vorrichtung auch über eine Heizung beheizt werden kann, um warme Bereiche zu erzeugen und somit Kälte, wie beispielsweise an einer Wärmepumpe, nicht abgeführt werden muss. Eine externe Wärmeabfuhr ist insbesondere aus thermodynamischen Gründen vorteilhaft, um einen negativen Nettowärmestrom zu gewährleisten.
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Wie bereits vorstehend angedeutet, kann der Wärmetauscher wenigstens einen Peltier-Element enthalten. Somit wird der Vorteil umgesetzt, entweder die Vorrichtung gänzlich ohne Fluidströme bereitzustellen oder ein derartiges Peltier-Element statt einer Kältemaschine mit bewegten Teilen zu verwenden, wodurch ein weitaus geringeres Schallniveau bzw. Geräuschniveau der Vorrichtung erreicht wird, was sich wiederum positiv auf den Tragekomfort auswirkt.
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Alternativ oder kumulativ zu dem Peltier-Element kann der Wärmetauscher wenigstens eine fluidische Expansionskühlung umfasst. Die fluidische Expansionskühlung kann vorteilhaft besonders hohe Wärmeströme bei einem niedrigen Energieverbrauch bereitstellen sowie, beispielsweise mittels Kühlschlangen, flexibel an dem Wärmetauscher angebracht werden.
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Dadurch kann der verwendete Wärmetauscher, wenn er beispielsweise als Weste ausgebildet ist, auch an verschiedene Körpergrößen angepasst werden. Wie sofort ersichtlich, schließt dies einen flexibel anpassbaren und mit Peltier-Elementen bestückten Wärmetauscher nicht aus.
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Besonders vorteilhaft für die Vorrichtung bzw. für eine Anwendung dieser Vorrichtung ist es weiterhin, wenn die Vorrichtung Mittel zur Bestimmung der über den Wärmetauscher in den menschlichen Körper gebrachten Wärmebilanz aufweist. Somit lässt sich einerseits eine Anwendung dokumentieren und andererseits ein bestimmtes Anwendungsziel besser erzielen.
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Auch wird zur Lösung der Eingangs stehenden Aufgabe ein Verfahren zur Erhöhung des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet, dass der menschliche Körper einer räumlichen Abfolge von kühlenden und wärmenden Einflüssen unterzogen wird. Wie anhand obenstehender Erläuterung zur thermalen Illusion bereits ausgeführt, lässt sich mit einer räumlichen Abfolge von kühlenden und wärmenden Einflüssen statt eines Kälteschmerzes ein Gefühl von Hitze auslösen, welches besonders vorteilhaft für das angewendete Verfahren ist, da die Person, an welcher das Verfahren angewendet wird, bei gleicher Wärmebilanz einem unangenehmen Gefühl bzw. einem Schmerz weitaus geringer ausgesetzt werden kann.
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Ist die Wärmebilanz der kühlenden und wärmenden Einflüsse im zeitlichen Mittel negativ, ist dies besonders vorteilhaft für das Verfahren zur Erhöhung des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers, da hierdurch dem menschlichen Körper in Summe Energie entzogen und die gewünschte Hypothermie ausgelöst wird, auch wenn teilweise eine Beheizung erfolgt.
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Alternativ bzw. kumulativ zu vorstehendem Verfahren wird, um die Eingangs stehende Aufgabe zu lösen, ein Verfahren zur Erhöhung des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet, dass der menschliche Körper einer zeitabhängigen Abfolge von kühlenden und wärmenden Einflüssen unterzogen wird, wobei die Wärmebilanz der kühlenden und wärmenden Einflüsse im zeitlichen Mittel negativ ist. Dieses Verfahren nutzt alternativ zu dem vorstehend erläuterten Verfahren der räumlich induzierten thermalen Illusion eine durch zeitliche Temperaturänderungen, seien diese langsam unter Ausnutzung sich einstellender stabiler Temperaturverteilungen oder seien diese schnell und mithin schneller als sich einstellende Gleichgewichtszustände, induzierte thermale Illusion, so dass folglich die dem Körper entzogene absolute Wärmemenge um einiges höher ausfallen kann.
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Letztendlich ist es ebenfalls vorteilhaft für die vorstehend erläuterten Verfahren, wenn die kühlenden und/oder die wärmenden Einflüsse zeitabhängig variiert werden und die zeitabhängige Variation der kühlenden Einflüsse anders als die zeitabhängige Variation der wärmenden Einflüsse erfolgt. Auch hierbei kann das Gefühl von Schmerz verringert werden, indem die schmerzauslösenden bzw. schmerzmindernden Charakteristika der Wärmegradienten, also der zeitlichen Abläufe der Warm- und Kaltreize, zur Verwendung des Verfahrens umgesetzt werden können, wie dies bei der thermalen Illusion durch eine räumliche Abfolge geschieht, wodurch Schmerzen durch Kaltreize vermindert werden können. Insbesondere kann bei bzw. vor Erreichen eines Kälteschmerzes nach langsamer Abkühlung sehr schnell aufgeheizt werden, wodurch der Kälteschmerz einerseits unmittelbar abgelöst werden kann und andererseits auf Grund des schnellen Temperaturanstieges nur eine sehr geringe Wärme auf die Haut aufgebracht werden muss. Gegebenenfalls reicht es aus den Temperaturanstieg lediglich bis zu einer Umgebungstemperatur oder bis zu einer Oberflächentemperatur der Haut durchzuführen, wodurch die Verwendung einer Wärmequelle zum Ausschalten des Kältereizes ausbleiben kann.
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In diesem Zusammenhang sei betont, dass die Begriffe ”wärmend” und ”kühlend” sowie ”Kaltreiz” und ”Warmreiz” jeweils relativ zu verstehen sich und sich immer auf die Änderung einer momentan auf die Haut aufgebrachten Temperatur beziehen.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die vorstehend erläuterte Vorrichtung, die Verwendung oder das vorstehend erläuterte Verfahren nicht ausschließlich auf den menschlichen Körper angewendet werden muss, sondern dass auch die Anwendung an einem tierischen Köper möglich ist.
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Es versteht sich ferner, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
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Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Erhöhung des Energieverbrauchs des menschlichen Körpers mit einem Wärmetauscher; und
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2 ein als Hypothermieweste ausgebildeter Wärmetauscher.
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Ein Wärmetauscher 1 nach 2 verfügt zur Erzeugung verschiedener Temperaturzonen an einem Körper über eine Mehrzahl von Kaltkreisläufen 11 und Heißkreisläufen 21, welche in diesem Ausführungsbeispiel jeweils einen fluidischen Kälte- bzw. Wärmekreislauf beinhalten. Angeschlossen ist der Kaltkreislauf 11 des Wärmetauschers 1 an einer Kaltzuleitung 13 sowie an einer Kaltableitung 14, wobei über die Kaltzuleitung 13 ein gekühltes Kühlmittel von einer Kältemaschine 3 zugeführt wird. Hat das Kühlmedium Wärme vom Körper aufgenommen, wird es über die Kaltableitung 14 wieder zurück zur Kältemaschine 3 befördert, wo sich der Kreislauf an einem Kaltradiator 15 schließt. Der Kaltradiator 15 gibt die vom Körper abgeführte Wärme an die Kältemaschine 3 ab und stellt folgerichtig einen weiteren Wärmetauscher dar.
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Auch der Heißkreislauf 21 ist mittels Leitungen an der Kältemaschine 3 angeschlossen, wobei ein an der Kältemaschine 3 auf einen Heißradiator 25 übertragener Wärmestrom mittels einer Heißzuleitung 23 in den Heißkreislauf 21 befördert und das im Heißkreislauf 21 abkühlende Fluid über eine Heißableitung 24 abermals dem Heißradiator 25 zugeführt wird.
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Der nach 1 erläuterte Wärmetauscher 1 verfügt über eine gleiche Anzahl von Kaltkreisläufen 11 und Heißkreisläufen 21, welche jeweils abwechselnd am Wärmetauscher 1 angeordnet sind. Folgerichtig wird ein negativer Nettowärmestrom während der Anwendung des Wärmetauschers 1 nur dann erzeugt, wenn entweder ein Massenstrom des den Kaltkreislauf 11 durchströmenden Fluides größer ist als der Massenstrom des den Heißkreislauf 21 durchströmenden Fluides, sofern die Temperaturdifferenzen beider Fluide zur Temperatur der Körperoberfläche gleich sind. Bei gleichen Massenströmen im Kaltkreislauf 11 sowie im Heißkreislauf 21 besteht darüber hinaus die Möglichkeit einen negativen Nettowärmestrom am Körper zu erzeugen, wenn die Temperaturdifferenz am Kaltkreislauf 11 zur Oberflächentemperatur des Körpers größer ist als die Temperaturdifferenz des Heißkreislaufes 21 zur Oberflächentemperatur des Körpers. Da jedoch die Kältemaschine 3, wie sofort ersichtlich, thermodynamisch eine der am Kaltkreislauf 11 bereitgestellten Wärmesenke – zumindest für den thermodynamischen Idealfall – entsprechende Wärmequelle am Heißkreislauf 21 erzeugt, verfügt die Kältemaschine 3 über einen Abwärmeradiator 35, mittels welchem ein Teil der für den Heißkreislauf 21 bereitgestellten Wärme extern abgeführt wird. Diese Ausgestaltung bewirkt somit einen negativen Nettowärmestrom am Körper. In einer anderen Ausführungsform kann auf den Abwärmekreislauf 32, 33, 34, 35 verzichtet werden, wenn die Wärmeverluste in den Leitungen ausreichend hoch sind.
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An den Abwärmeradiator 35 ist sodann eine Abwärmezuleitung 33 angeschlossen, welche zu einem Abwärmekondensator 32 führt. Der Abwärmekondensator 32 führt die überschüssig anfallende Wärme an eine Umgebung ab, wofür bevorzugt, sofern es sich um einen als Luftwärmertauscher konstruierten Kondensator handelt, Kühllamellen 36 verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass der Abwärmekondensator 32 nicht ausschließlich als Kondensator für einen Dampfprozess konstruiert sein muss, sondern auch ein Kühlkreislauf ohne Phasenübergang an dieser Stelle verwendet werden kann, wobei es sich in dem Fall bei dem Abwärmekondensator 32 um einen Wärmetauscher handelt.
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Über eine Abwärmeableitung 34 wird das abgekühlte Fluid des Abwärmekondensators 32 an die Kältemaschine 3 zurückgeführt, wobei sich der gesamte Wärmekreislauf des Wärmetauschers 1 schließt.
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Die Kältemaschine 3 kann, wie bereits vorstehend erwähnt, nicht nur einen Kühlkreislauf mittels einer fluidischen Expansionskühlung aufweisen, wie sie beispielswiese auch in jedem gebräuchlichen Kühlschrank umgesetzt ist, sondern die an dem Kaltradiator 15, dem Heißradiator 25 sowie dem Abwärmeradiator 35 bereitgestellte Wärmesenke bzw. Wärmequelle auch mittels eines elektrischen Peltier-Elementes und dem damit umgesetzten Seebeck-Effekt bereitstellen. insbesondere bei einer derartigen Ausgestaltung können schwere Flüssigkeiten tragende Leitungen durch Stromleitungen ersetzt werden, was ggf. den Tragekomfort erhöhen kann. Diese Ausführung begünstigt besonders bevorzugt die Ausgestaltung der Kältemaschine 3 bzw. des Gehäuses des Kältemaschine 3 als weitere wärmeableitende Oberfläche, wodurch möglicherweise auf den Abwärmekondensator 32 verzichtet werden kann, wenn überschüssige Wärme direkt an der Kältemaschine 3 abgeführt wird. Es ist sofort ersichtlich, dass diese Möglichkeit darüber hinaus auch bei Verwendung einer fluidischen Expansionskühlung umgesetzt werden kann. Ebenso können alternativ andere wärmetauschende Systeme dementsprechend zur Anwendung kommen.
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Gesteuert wird die Kältemaschine 3 über eine Hypothermiesteuerung 4, welche mittels einer Steuerleitung 5 an die Kältemaschine 3 angeschlossen ist. Diese Hypothermiesteuerung 4 umfasst neben einer Anzeige der momentanen sowie der integralen Wärmebilanz des Wärmetauschers 1 auch eine Steuerungs- bzw. Regelungsvorrichtung für die voreingestellte Wärmebilanz des Wärmetauschers 1. Hierzu verfügt der Wärmetauscher 1 über nicht dargestellte Thermoelemente in den Kaltkreisläufen 11 sowie den Heißkreisläufen 21, welche ebenfalls mittels der Steuerleitung 5, wie die Kältemaschine 3 auch, an der Hypothermiesteuerung 4 angeschlossen sind. Somit lässt sich sowohl eine Leistungsregelung der Kältemaschine 3 nach dem gewünschten Nettowärmestrom als auch eine Mengenregelung der einzelnen Kreisläufe umsetzen sowie die Dauer der Anwendung bestimmen.
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Auch die zeitabhängige Temperaturregelung erfolgt über die Hypothermiesteuerung 4, welche ein langsames Herabsetzen der Temperatur steuern kann. Im Falle einer zeitabhängigen Temperatursteuerung reicht es bei diesem Ausführungsbeispiel aus, lediglich die Kaltkreisläufe 11 mit der Hypothermiesteuerung 4 anzusteuern bzw. ggf. auf die Heißkreisläufe 21 gänzlich zu verzichten. Beim langsamen Herabsetzen der Temperatur erfolgt ein Verschieben der wahrgenommenen Temperaturschwellen, was ebenfalls zu einer besseren Ausnutzung der an den Körper angelegten Wärmesenke führt, da die Kälte weitaus später wahrgenommen wird. Der negative Nettowärmestrom wird erzeugt, indem beim dem Kaltzyklus folgenden Warmzyklus nicht bis zu einer Temperatur geheizt wird, bei welcher die positive Temperaturdifferenz betragsmäßig unter der negativen Temperaturdifferenz bleibt und in Summe, also über die Zeit gemittelt, eine negative Temperaturdifferenz mit einem an diese negative Temperaturdifferenz gekoppelten negativen Wärmestrom verbleibt.
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Neben einer gleichmäßigen Temperaturänderung in Richtung warm und kalt appliziert die Hypothermiesteuerung 4 ggf. auch eine Abfolge von Warm- und Kaltzreizen, bei welchen der Temperaturanstieg wesentlich schneller erfolgt als das Absenken der Temperatur, wodurch sich zwei positive Auswirkungen ergeben. Zum einen lässt sich ein ausgelöster Kälteschmerz durch einen schnellen Temperaturanstieg schneller abstellen bzw. vermeiden und zum anderen wird durch den schnellen Anstieg der Temperatur bzw. durch den schnell erfolgenden Warmreiz eine weitaus geringere obere Zieltemperatur für den Warmreiz benötigt als dies bei einem langsamen Temperaturanstieg erforderlich wäre. Über die niedrigere obere Zieltemperatur und über die kürzere Dauer des Warmreizes, welche sich durch den schnellen Temperaturanstieg ergibt, wird ebenfalls der positive Wärmestrom in den Körper minimiert und somit der negative Nettowärmestrom maximiert.
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Der Wärmetauscher 1 nach 2, welcher als Hypothermieweste 2 ausgeführt ist, verfügt über eine alternative räumliche Anordnung von Kaltzonen 12 und Heißzonen 22, welche die zuvor erläuterten Kaltkreisläufe 11 bzw. Heißkreisläufe 21 innerhalb der Hypothermieweste 2 beinhalten.
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In dieser alternativen Anordnung, wobei weitere und alternative Anordnungen nicht ausgeschlossen werden, folgen einer Heißzone 22 stets zwei Kaltzonen 12 bevor sich hieran wieder eine Heißzone 22 anschließt. Die Hypothermieweste 2 ist in dieser Ausführungsform regelmäßig aufgebaut, wobei es jedoch auch möglich ist, je nach verwendeter Körperregion, beispielsweise im Thorax- oder Abdomenbereich, innerhalb ein und derselben Hypothermieweste 2 verschiedene Abfolgen der Heißzonen 22 und Kaltzonen 12 zu applizieren. Auch ist es sofort ersichtlich statt zwei getrennte Kaltzonen 12 eine gemeinsame jedoch breitere Kaltzone 12 an der Hypothermieweste 2 vorzusehen. je nach konkreter Umsetzung vorliegender Erfindung kann durch Umschaltvorgänge, beispielsweise der Stromrichtung oder auch in den Zuleitungen, eine Nutzung der vorgenannten Heißzonen 22 als Kaltzonen und umgekehrt vorgesehen sein.
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Die jeweiligen Heißzonen 22 sowie die Kaltzonen 12 sind gegeneinander und nach außen thermisch isoliert, um den gewünschten Wärmestrom auf den Körper maximal zu halten und einen Wärmeübergang untereinander zu unterdrücken. Zur weiteren Erhöhung des Wärmeüberganges auf den Körper kann die Hypothermieweste 2 auf der Innenseite, also auf der den Körper zugewandten Seite, mit besonders gut wärmeleitenden Materialien ausgekleidet sein. So kann die Hypothermieweste 2 über nicht dargestellte metallische Folien verfügen, welche den Kühl- bzw. Heizeffekt weiter verstärken.
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Angeschlossen ist die Hypothermieweste 2 in dem Ausführungsbeispiel nach 2 ebenfalls mittels der Heißzuleitung 23, der Heißableitung 24, der Kaltzuleitung 13 sowie der Kaltableitung 14 an die nach 1 erläuterte Kältemaschine 3. Im Unterscheid zu der Ausführungsform nach 1 sind die Leitungen des Kaltkreislaufes 11 sowie die Leitungen des Heißkreislaufes 21 jeweils auf einer gemeinsamen Seite angeordnet, wodurch sich innerhalb der Hypothermieweste 2 eine alternative Temperaturverteilung ergibt.
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Durch die Anordnung der Zu- und Ableitungen nach 2 wird jeweils zwischen einem Kaltkreislauf 11 und einem Heißkreislauf 21, wegen der Anordnung im Gleichstrom, zwischen einem benachbarten Kaltkreislauf 11 und einem benachbarten Heißkreislauf 21 jeweils über der Länge eine räumlich konstante Mitteltemperatur ausbildet. So kann, auch wenn der auf den Körper einwirkende Wärmestrom räumlich unterschiedlich ist, einerseits der Eindruck der thermischen Illusion über den ganzen Körper gleichmäßig aufrecht erhalten werden und andererseits besonders einfach eine räumlich konstante Mitteltemperatur appliziert werden, welche unterhalb der Körpertemperatur liegt.
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Alternativ zu der nach 2 dargestellten Ausführungsform der Hypothermieweste 2 können sowohl die Kältemaschine 3 als auch die Hypothermiesteuerung 4 und der Abwärmekondensator 32 ebenfalls auf bzw. innerhalb der Hypothermieweste 2 angeordnet werden, wodurch sich ein sehr größerer Bewegungsspielraum ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Hypothermieweste
- 3
- Kältemaschine
- 4
- Hypothermiesteuerung
- 5
- Steuerleitung
- 11
- Kaltkreislauf
- 12
- Kaltzone
- 13
- Kaltzuleitung
- 14
- Kaltableitung
- 15
- Kaltradiator
- 21
- Heißkreislauf
- 22
- Heißzone
- 23
- Heißzuleitung
- 24
- Heißabteilung
- 25
- Heißradiator
- 32
- Abwärmekondensator
- 33
- Abwärmezuleitung
- 34
- Abwärmeableitung
- 35
- Abwärmeradiator
- 36
- Kühllamellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 68927258 T2 [0005]
- US 4741338 [0006, 0015]
