DE102021119872A1

DE102021119872A1 - Kühlpad, Kühlvorrichtung, Kühlsystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Kühlpads und einer Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102021119872A1
Application number: DE102021119872.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Stelzle; Cornelia Speidel; Stefan Thiele
Original assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Current assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Kühlpad für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen mit einem ersten (körperseitigen) Wärmetauscher; einem zweiten (geräteseitigen) Wärmetauscher mit einer integrierten Pumpeinrichtung; einem Leitungssystem, welches den ersten Wärmetauscher fluidisch mit dem zweiten Wärmetauscher mit der integrierten Pumpeinrichtung verbindet; wobei der erste Wärmetauscher, der zweiten Wärmetauscher, die Pumpeinrichtung und das Leitungssystem einen (hermetisch abgeschlossenen) Fluidkreislauf bilden; wobei die integrierte Pumpeinrichtung dazu eingerichtet ist einen Austausch eines Wärmetransportfluids zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher zu bewirken; wobei der zweite, geräteseitige Wärmetauscher Fluidkanäle mit in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen aufweist. Ferner werden eine korrespondierende Kühlvorrichtung (60), ein Kühlsystem (1) und ein korrespondierendes Verfahren (200) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Medizintechnik und insbesondere eine Kühlbandage bzw. ein Kühlpad, insbesondere für Anwendungen in der Human- und Veterinärmedizin, eine korrespondierende Kühlvorrichtung, sowie ein Verfahren zum Betrieb von Kühlpad und Kühlvorrichtung.
Kühlpads bzw. Kühlbandagen und Kühlvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
In Deutschland verletzen sich jährlich allein etwa 1,5 Millionen Menschen durch Sportunfälle. Zur Erstversorgung bei akuten Verletzungen und zur postoperativen Behandlung wird dabei die Kälteanwendung als wichtigste Maßnahme eingesetzt. Ferner können durch Abkühlung von Extremitäten, z.B. Händen und Füßen, während und nach einer Chemotherapie Schädigungen des Gewebes und der peripheren Nerven vermieden werden.
Durch die Einwirkung von Kälte auf die Haut und das darunterliegende Bindegewebe kommt es einerseits zu einer Verengung der Blutgefäße (Vasokonstriktion) und einer Herabsetzung der lokalen Durchblutung. Zum anderen wird der Zellstoffwechsel verlangsamt als auch die Aktivität entzündungsfördernder Substanzen gehemmt sowie die Schmerzweiterleitung verzögert. Die Kältetherapie bewirkt somit eine rasche Schmerzlinderung und eine lokale Abschwellung des verletzten Gewebes. Der daraus resultierende schnellere Heilungsprozess verkürzt die Rehabilitationszeit und reduziert die krankheitsbedingten Kosten, die ggf. durch einen Arbeitsausfall und einen stationären Krankenhausaufenthalt entstehen.
Derzeit werden zur Kältetherapie vorwiegend kalte Wickel, Eisbeutel, vorgekühlte, gelhaltige Cool-Packs, Kältekompressen (Kühlung aufgrund endothermer chemischer Reaktion) oder auch Eis-/Kältespray eingesetzt.
Ein Nachteil dieser Lösungen besteht jedoch darin, dass sie bei nicht fachgerechter Anwendung häufig zu stark kühlen und somit Kälteschäden bis hin zu lokalen Erfrierungen im Gewebe verursachen. Kälteschäden haben mitunter den gegenteiligen Effekt, dass die Heilung verzögert statt gefördert wird.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Anwendung zur langfristigen Nachsorge von Verletzungen im Alltag sehr aufwendig ist, da sich die Kühlprodukte schon nach kurzer Zeit erwärmen und wieder erneuert werden müssen. Eine sichere, langanhaltende und gleichbleibende, angemessene moderate kühlende Wirkung gelingt oftmals nicht.
DE 10 2018 105 674.5, eine eigene Voranmeldung der Anmelderin, offenbart ein vorteilhaftes System zur Kältetherapie. In dieser Offenbarung wird ein fluidgefülltes Kühlpad insbesondere für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen bereitgestellt mit einem ersten Wärmetauscher; einem zweiten Wärmetauscher, einem Wärmetransportfluid; einem Leitungssystem; und einer integrierten Pumpeinrichtung (Umwälzpumpe) für das Wärmetransportfluid; wobei der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher von dem Wärmetransportfluid durchflossen sind; wobei das Leitungssystem den ersten Wärmetauscher fluidisch mit dem zweiten Wärmetauscher verbindet; wobei die Pumpeinrichtung dazu eingerichtet ist einen Austausch des Wärmetransportfluid zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher zu bewirken; und wobei das Kühlpad einen hermetisch abgeschlossenen Fluidkreislauf für das Wärmetransportfluid aufweist, wobei der Fluidkreislauf den ersten Wärmetauscher, den zweiten Wärmetauscher, das Leitungssystem und die Pumpeinrichtung aufweist. Ferner wird eine korrespondierende Kühlvorrichtung insbesondere für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen vorgeschlagen mit einer Aufnahme eingerichtet zur Aufnahme eines Wärmetauschers eines (vorstehend beschriebenen) Kühlpads und einer Kühleinrichtung, wobei die Kühleinrichtung dazu eingerichtet ist, dem Wärmetauscher des Kühlpads Wärme zuzuführen oder von diesem abzuführen, wenn sich der Wärmetauscher des Kühlpads in der Aufnahme befindet. Die Kühlvorrichtung kann ferner eine Antriebseinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine in dem Kühlpad integrierte Pumpeinrichtung anzutreiben.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Kühlpad und die Kühlvorrichtung noch weiter zu verbessern. Insbesondere wäre es wünschenswert, die Effizienz bzw. Kühlleistung zu verbessern und/oder die Handhabung zu erleichtern.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein (fluidgefülltes) Kühlpad insbesondere für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen bereitgestellt mit

- einem ersten (körperseitigen) Wärmetauscher;
- einem zweiten (geräteseitigen) Wärmetauscher mit einer integrierten Pumpeinrichtung;
- einem Leitungssystem, welches den ersten Wärmetauscher fluidisch mit dem zweiten Wärmetauscher mit der integrierten Pumpeinrichtung verbindet; wobei der erste Wärmetauscher, der zweiten Wärmetauscher, die Pumpeinrichtung und das Leitungssystem einen (hermetisch abgeschlossenen) Fluidkreislauf bilden; wobei die integrierte Pumpeinrichtung dazu eingerichtet ist einen Austausch eines Wärmetransportfluids zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher zu bewirken; wobei der zweite, geräteseitige Wärmetauscher Fluidkanäle mit in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen aufweist.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine korrespondierende Kühlvorrichtung insbesondere für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen vorgeschlagen mit

- einer Aufnahme eingerichtet zur Aufnahme eines zweiten, geräteseitigen Wärmetauschers eines vorstehend genannten Kühlpads;
- einer Kühleinrichtung, insbesondere mit einem thermoelektrischen Kühlelement wie einem Peltierelement; wobei die Kühleinrichtung dazu eingerichtet ist, dem zweiten, geräteseitigen Wärmetauscher des Kühlpads Wärme zuzuführen oder von diesem abzuführen, wenn sich der Wärmetauscher des Kühlpads in der Aufnahme befindet; und
- einer Antriebseinrichtung (64), die dazu eingerichtet ist, eine in dem Kühlpad integrierte Pumpeinrichtung anzutreiben.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Kühlsystem mit einem vorstehend genannten Kühlpad und einer vorstehend genannten korrespondierenden Kühlvorrichtung vorgeschlagen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlpads und einer Kühlvorrichtung vorgeschlagen, das Verfahren mit den Schritten:

- Bereitstellen des vorstehend genannten Kühlpads und der korrespondierenden Kühlvorrichtung;
- Einbringen des zweiten (geräteseitigen) Wärmetauschers des Kühlpads in eine Aufnahme der Kühlvorrichtung;
- Applikation des ersten (körperseitigen) Wärmetauschers des Kühlpads an einer zu kühlenden Stelle;
- Starten des Kühlvorgangs mit der Kühlvorrichtung.

Es versteht sich, dass die Kühlvorrichtung, das Kühlsystem und Verfahren ähnliche oder identische korrespondierende Weiterbildungen aufweisen können, wie nachfolgend im Detail für das offenbarte Kühlpad beschrieben.
Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere bei batteriebetriebenen mobilen Kühlvorrichtungen eine weiter verbesserte Effizienz und Kühlleistung wünschenswert ist. Ferner wäre es wünschenswert, das Kühlpad, insbesondere den zweiten, geräteseitigen Wärmetauscher zur Aufnahme in der Kühlvorrichtung, und die korrespondierende Kühlvorrichtung mit kleinerer Baugröße ausführen zu können.
Vor diesem Hintergrund könnte es auf den ersten Blick widersprüchlich erscheinen, Maßnahmen zu ergreifen, durch die der Fluidwiderstand erhöht und Durchfluss gehemmt werden könnte. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass bei einem Kühlpad für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen Vorteile erzielt werden können, indem in dem zweiten, geräteseitigen Wärmetauscher Fluidkanäle mit in die Fluidkanäle des Wärmetauschers hereinragende Verwirbelungsstrukturen bereitgestellt werden. Zwar steigt der Druck bzw. wird der Durchfluss gemindert. Ein relativ geringer Anstieg des Drucks bzw. eine relativ geringe Durchflussminderung kann jedoch durch eine wesentliche Steigerung des Wärmeübergangs überkompensiert werden. Die in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen führen auf einfache und kostengünstige Arte und Weise zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung des Kühlpads an eine Kühleinrichtung der den zweiten Wärmetauscher aufnehmenden Kühlvorrichtung. Insbesondere kann dank der Verwirbelungsstrukturen der Wärmeübergangswiderstands vom Wärmetransportfluid zu einer Wand bzw. Folie des zweiten Wärmetauschers, welche mit einer Kühleinrichtung der Kühlvorrichtung in thermischen Kontakt gebracht wird, verringert werden.
Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass aufgrund der verbesserten Wärmeübertragung kleinere Baugrößen der Systemkomponenten möglich werden. Das System kann kompakter gebaut werden und kann insbesondere für den mobilen Einsatz noch besser geeignet sein. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass die Wärmekapazität des Systems reduziert werden kann und daher eine geringere Leistungsaufnahme im Betrieb erreicht werden kann. Dies ist einerseits vorteilhaft bei batteriebetriebenen Systemen. Darüber hinaus kann eine geringere Wärmekapazität ein schnellere Temperaturwechsel im Zusammenhang mit innovativen Therapieschemata ermöglichen.
Die Verwirbelungsstruktur setzt dem Fluidstrom zwar einen höheren fluidischen Widerstand entgegen, dient aber letzten Endes zur Verbesserung des Wärmekontakts. Die Verwirbelungsstruktur ist dazu eingerichtet, dass Wärmeübertragungsmedium bzw. Wärmetransportfluid gezielt umzuwälzen. Statt einer gleichmäßigen Strömung über die Fläche des zweiten Wärmetauschers, werden also gezielte Verwirbelungen herbeigeführt. Die Schnittstelle zwischen dem geräteseitigen zweiten Wärmetauscher des Kühlpad und der Kühlvorrichtung kann damit weiter verbessert werden und einen effizienteren Betrieb ermöglichen und eine bessere Kühlwirkung für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen ermöglichen.
Das Kühlpad kann vorzugsweise einen hermetisch abgeschlossenen Fluidkreislauf für das Wärmetransportfluid aufweisen. Die damit einhergehenden Vorteile sind in der vorstehend genannten DE102018105674 bzw. US20200405535A1 beschrieben, die beide hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen werden. Die integrierte Pumpe kann als kontaktlos bzw. durchführungsfrei angetriebene Pumpe ausgeführt sein. Die Pumpe kann eine Umwälzpumpe bzw. Zirkulationspumpe für einen hermetisch geschlossenen Fluidkreislauf sein. Das Kühlpad kann als flüssigkeitsgefüllte, vollständig gekapselte Kühlbandage ausgeführt sein. Das Kühlpad kann ein Wärmetransportfluid im Fluidkreislauf aufweisen, insbesondere kann das Kühlpad vorbefüllt ausgeliefert werden. Die Verwirbelungsstruktur kann eine sogenannte chaotic mixer structure sein.
Gegenüber konventionellen vorgekühlten Gel-Packs kann ein Vorteil darin bestehen, dass keine bestehende Kühlinfrastruktur, wie z.B. Kühl- oder Gefrierschränke, erforderlich ist. Insbesondere kann die vorgeschlagene Kühlvorrichtung einen Energiespeicher, wie eine Batterie oder einen Akkumulator aufweisen und daher auch abseits von einer bestehenden Kühlinfrastruktur betrieben werden.
Unter dem Begriff Kühlen oder Kältebehandlung kann im Rahmen dieser Offenbarung allgemein eine Wärmebehandlung bzw. das Herbeiführen einer Temperaturänderung verstanden werden. Dies kann sowohl dass Zuführen als auch das Abführen von Wärme umfassen. Folgerichtig kann ein Kühlpad neben dem Kühlen auch zum Wärmen eingesetzt werden. Entsprechendes gilt für eine Kühlvorrichtung, Kühlsystem oder Verfahren. Zum besseren Verständnis wird im Rahmen dieser Offenbarung verkürzt, jedoch ohne Beschränkung, von Kühlen gesprochen.
Unter einer Pumpeinrichtung kann eine Umwälzpumpe für das Wärmetransportfluid verstanden werden. Die Antriebseinheit bzw. der Motor der Pumpeinrichtung kann als separates Element verstanden werden, welches vorzugsweise Bestandteil der mit dem Kühlpad zusammenwirkenden Kühlvorrichtung ist.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der erste Wärmetauscher des Kühlpads den körperseitigen Wärmetauscher, welcher am Körper des Tieres bzw. Patienten oder Wellnessempfängers angebracht wird. Der zweite Wärmetauscher bezeichnet den geräteseitigen bzw. kühlvorrichtungsseitigen Wärmetauscher, welcher am bzw. in der Kühlvorrichtung zum Einsatz kommt. Der zweite Wärmetauscher kann dazu ausgebildet sein, in eine Aufnahme der Kühlvorrichtung eingesteckt zu werden. Dadurch kann die Handhabung weiter erleichtert werden.
Vorzugsweise kann der erste oder zweite Wärmetauscher einen Wärmeaufnahmebereich zur Aufnahme von Wärme und der jeweils andere Wärmetauscher einen Wärmeabgabebereich zur Abgabe von Wärme aufweisen. Das Kühlpad kann einen hermetisch abgeschlossenen Fluidkreislauf für das Wärmetransportfluid aufweisen und zur Übertragung von Wärme zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher eingerichtet sein. Das Leitungssystem dient dem Wärmetransport zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher, und somit dem Wärmetransport zwischen der zu kühlenden Körperregion und der Kühlvorrichtung. Beispielsweise nimmt der erste Wärmetauscher Wärme auf, die Wärme wird mittels Pumpeinrichtung und Leitungssystem zum zweiten Wärmetauscher transportiert und dort abgegeben z.B. an eine Kühlvorrichtung. Das vorgeschlagene Kühlpad ist somit ein Zwischenstück zwischen der zu kühlenden Körperregion und einer beabstandet angeordneten Kühlvorrichtung ohne jedoch fluidisch an diese angeschlossen werden zu müssen.
Vorzugsweise kann das Leitungssystem des Kühlpads einen Vorlauf und einen Rücklauf aufweisen, wobei der Vorlauf einen Eingang des ersten Wärmetauschers und einen Ausgang des zweiten Wärmetauschers fluidisch miteinander verbindet; und wobei der Rücklauf einen Ausgang des ersten Wärmetauschers und einen Eingang des zweiten Wärmetauschers fluidisch miteinander verbindet. Vorzugsweise kann somit eine kontinuierliche Zirkulation ermöglicht werden. Das Leitungssystem des Kühlpads kann eine Isolierung, insbesondere eine mechanisch flexible Isolierung, aufweisen. Vorteile dieser Lösung können eine bessere Kühlleistung und/oder eine geringere Leistungsaufnahme sein, insbesondere für mobilen Betrieb und Versorgung mittels Akkus. Bei nicht-isolierten Leitungssystemen kann ein hoher Eintrag thermischer Leistung durch Kondensation von Luftfeuchtigkeit erfolgen. Dies mindert die am Patienten verfügbare Kühlleistung und erschwert das Erreichen der gewünschten niedrigen Temperatur. Das Leitungssystem kann einen Geflechtschlauch oder Textilschlauch aufweisen. Dadurch kann eine vorteilhafte thermische Isolierung bei gleichzeitig vorteilhafter (Biege-)Flexibilität und mechanischer (Zug-)Stabilität erreicht werden. Insbesondere bei mobilen Geräten kann hierdurch eine gute Stabilität bzgl. Zugbelastungen erreicht werden.
Vorzugweise kann die Pumpeinrichtung dazu ausgebildet sein, durchführungsfrei von einer externen Antriebseinrichtung angetrieben zu werden. Mit anderen Worten weist die Pumpeinrichtung vorzugsweise keine zusätzliche Öffnung für die Antriebseinrichtung auf. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit eines Austritts des Wärmetransportfluids vermindert werden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin bestehen, dass das Kühlpad einen hermetisch geschlossenen Fluidkreislauf aufweisen kann und nochmals besser von der Außenwelt abgeschlossen ist. Vorzugsweise weist die Pumpeinrichtung keine mechanische, elektrische und/oder fluidische Durchführung auf. Beispielsweise ist keine mechanische Durchführung für eine Antriebsachse der Pumpeinrichtung vorgesehen.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Pumpeinrichtung magnetisch an eine externe Antriebseinrichtung ankoppelbar sein. Insbesondere kann die Pumpeinrichtung eine magnetisch gekoppelte Zahnradpumpe sein. Die Kraftübertragung kann somit ohne Durchführung magnetisch erfolgen. Vorteile dieser Ausgestaltung können eine hohe energetische Effizienz und erhöhte Sicherheit sein. Eine direkte Verbindung zum Antrieb bzw. Kontakt zu beweglichen Teilen der Pumpeinrichtung ist nicht erforderlich. Ein magnetisch gekoppeltes Zahnrad der magnetisch gekoppelten Zahnradpumpe kann optional mehrere Magnete mit unterschiedlicher Ausrichtung aufweisen. Mit anderen Worten kann ein magnetisch gekoppeltes Zahnrad mehrpolig ausgeführt sein. Die externe Antriebseinrichtung kann mehrere korrespondierende Magnete mit unterschiedlicher Ausrichtung aufweisen.
Die Fluidkanäle des zweiten Wärmetauschers können schleifen- oder mäander-förmig oder als Harfenstruktur angeordnet sein. Die Verwirbelungsstrukturen können in die schleifen- oder mäander-förmig oder als Harfenstruktur angeordneten Fluidkanäle des zweiten Wärmetauschers hereinragen. Hierdurch kann ein vorteilhafter geringer Wärmeübertragungswiderstand erreicht werden. Durch die schleifen- oder mäanderförmige Anordnung ergeben sich Fluidkanäle mit reduziertem Querschnitt. Dadurch liegt eine höhere Fließgeschwindigkeit an, was wiederum die Bildung von Verwirbelungen an den in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen begünstigt.
Die Verwirbelungsstrukturen können eine Fischgrätenstruktur in einem oder mehreren Fluidkanälen des zweiten Wärmetauschers aufweisen. Die Fischgrätenstruktur bewirkt laterale Wirbel, die zu einer verbesserten Wärmeübertragung in die Kanalwand führen können. Insbesondere können die Verwirbelungsstrukturen eine asymmetrische Fischgrätenstruktur in einem oder mehreren Fluidkanälen des zweiten Wärmetauschers aufweisen. Hierdurch kann das Strömungsverhalten in Fluidkanälen des Kühlpads nochmals verbessert werden. Insbesondere bei mäanderförmig angeordneten Fluidkanälen kann ein Anströmverhalten ausgehend von einem Kurvenbereich eines Fluidkanals verbessert werden, um eine bessere Wärmeübertragung zu erreichen.
Die Verwirbelungsstrukturen können derart ausgebildet sein, dass sie Verwirbelungen des Fluids bewirken, derart, dass die wandnahen warmen Fluidschichten laufend die wandfernen kalten Fluidschichten ersetzen. Entsprechend können wandnahe kalte Fluidschichten laufend wandferne warme Fluidschichten ersetzen, falls ein umgekehrter Wärmetransport erwünscht ist.
Die Verwirbelungsstrukturen können dazu ausgebildet sein (beispielsweise in einem geraden Abschnitt eines Fluidkanals des zweiten Wärmetauschers), eine Ablenkung einer Strömung des Wärmetransportfluids senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung zu erzeugen, so dass eine obere Seite und/oder untere Seite des zweiten Wärmetauschers von innen angeströmt wird. Es kann also eine obere Innenseite bzw. untere Innenseite des Wärmetauschers gezielt angeströmt werden. Von einem derart angeströmten Bereich kann die Wärme beispielsweise mit einer Kühleinrichtung der Kühlvorrichtung gezielt und effizient abgeführt werden.
Die Verwirbelungsstrukturen können dazu eingerichtet sein, eine Strömungsgeschwindigkeit an einer Wand des Wärmetauschers zu erhöhen. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass ein Kontakt des Wärmetransportfluids mit der Wand des Wärmetauschers intensiviert werden kann und ein besserer Wärmetransport erreicht werden kann.
Der zweite Wärmetauscher kann einen Grundkörper aufweist, wobei der Grundkörper einen äußeren Rahmen, einen Bereich für die integrierte Pumpeinrichtung, die Fluidkanäle sowie vorzugsweise die in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen aufweist. Der Grundkörper kann einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Grundkörper effizient und kostengünstig in geringen Stückzahlen mittels additiver Fertigung bzw. 3D Druck oder als Spritzgussteil hergestellt werden.
Eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers kann durch eine Folie gebildet sein, insbesondere durch eine auf den Grundkörper aufgeschweißte oder aufgeklebte Folie. Mit anderen Worten kann eine Oberseite und/oder Unterseite durch aufgeschweißte Folie abgedeckt sein. Die Folie und der Grundkörper können dazu ausgebildet sein, dass die Folie mittels Schweißverfahren auf dem Grundkörper aufbringbar ist. Dies erlaubt eine vorteilhafte Herstellung. Vorzugweise kann eine dünne mit der Fluidikstruktur irreversibel verschweißbare, hoch wärmleitfähige Barrierefolie zum Einsatz kommen. Die Barrierefolie kann eine Verbundfolie sein.
Der Grundköper kann eine Aussparung zur Aufnahme einer Pumpeinrichtung, insbesondere einer Zahnradpumpe, aufweisen, welche in die Aufnahme einlegbar ist. Die Pumpe, insbesondere die Zahnradpumpe, wird vorzugweise nur in die Aussparung eingelegt. Dann wird die Oberseite und/oder Unterseite durch eine Folie gebildet. Damit wird auch die Pumpe in Position gehalten. Eine separate Befestigung oder aufwändige Herstellungsverfahren können damit entfallen. Eine kostengünstige Lösung ist insbesondere deswegen wünschenswert, weil das Kühlpad aus Hygienegründen nur für einen Patienten verwenden werden sollte. Die Maße der Aussparung und die Maße der Pumpe sind derart aufeinander abgestimmt, dass Einlass und Auslass der Pumpe fluidisch voneinander getrennt sind, so dass kein fluidischer Nebenschluss resultiert. Optional kann die Pumpe in die Aussparung eingeklebt sein. Die Aussparung kann den Vorteil einer einfachen und sicheren räumlichen Positionierung bieten. Dies kann die Massenfertigung erleichtern, da beispielsweise bei der späteren Anwendung auch die Positionierung im Verhältnis zur Antriebseinheit stimmen kann.
Eine eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers bildende Folie kann eine Wasserpermeabilität von <5g/m²/Tag, insbesondere von <2g/m²/Tag, insbesondere von <1g/m²/Tag, insbesondere zwischen 0.01 g/m²/Tag und 1 g/m²/Tag aufweisen. Vorteilhaft wird eine dünne Folie für einen guten Wärmeübergang eingesetzt, welche aber gleichzeitig eine hinreichende Dichtigkeit für eine ausreichend lange Lagerzeit aufweist. Dies ermöglicht eine effiziente, kostengünstige Implementierung.
Eine eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers bildende Folie kann eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Eine eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers bildende Folie kann eine Aluminium-Schicht aufweisen. Vorzugsweise kommen besonders dünne, thermisch gut leitfähige, dabei wasserdichte Folien zum Einsatz, die mittels Schweißverfahren auf einem Kunststoffkörper aufgebracht werden. Dies ermöglicht eine effiziente, kostengünstige Implementierung.
Eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers kann durch eine mechanisch flexible Folie gebildet werden. Die mechanische flexible Folie ist vorzugsweise auf einen vorstehende beschriebenen vorzugsweise einstückig ausgebildeten Grundkörper aufgeklebt bzw. aufgeschweißt. Wenn das Innere des zweiten Wärmetauschers bei Betrieb der Pumpe mit Druck beaufschlagt wird, kann die flexible Folie (flächig) an eine Kühlplatte der Kühleinrichtung gepresst werden. Damit kann eine große Kontaktfläche bereitgestellt werden. Das erlaubt einen geringen Wärmeübergangswiderstand. Der zweite Wärmetauscher kann derart ausgebildet sein, dass die flexible Folie durch einen Innendruck in den Fluidkanälen des zweiten Wärmetauschers bei Betrieb der integrierten Pumpeinrichtung aufgebläht wird und kann dazu ausgebildet sein, sich (großflächig) an
eine Kühleinrichtung einer den zweiten Wärmetauscher aufnehmenden Kühleinrichtung anzuschmiegen. Dadurch kann eine große Kontaktfläche bereitgestellt werden wobei gleichzeitig relativ große Fertigungstoleranzen bzgl. des Kühlpads toleriert werden können. Das Kühlpad muss also nicht perfekt an die Kühleinrichtung angepasst sein. Dies ermöglicht kostengünstige Fertigung auch bei kleinen Stückzahlen. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann eine Reduktion des Wärme-Kontaktwiderstands sein.
Es versteht sich, dass die Pumpeinrichtung dazu eingerichtet sein kann, dass sie einen etwas höheren Fluidwiderstand überwinden und eine gewünschte Flussrate realisieren kann. Der gesamte Kreislauf an sich (auch ohne die Verwirbelungsstrukturen) stellt bereits einen Fluidwiderstand dar, der dazu führt, dass die Pumpe einen gewissen Druck erzeugen muss, um das Fluid in Bewegung zu versetzen. Dieser Druck führt dazu, dass die Folie spaltfrei an die Kühlfläche angepresst wird. Hierdurch kann der Wärme-Kontaktwiderstand reduziert werden. Optional kann eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers durch eine mechanisch flexible Folie gebildet werden auch ohne dass der zweite, geräteseitige Wärmetauscher Fluidkanäle mit in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen aufweist. In diesem Fall können die in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen als optionales Merkmal angesehen werden. Eine verbesserte Wärmeübertragung kann bereits dadurch erreicht werden, dass die eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers bildende mechanisch flexible Folie einen verbesserten Wärmekontakt zu einer den zweiten Wärmetauscher aufnehmenden Kühleinrichtung bilden kann.
Die Verwirbelungsstruktur kann dazu eingerichtet sein, einen Fluidstrom des Wärmetauscherfluids gegen die die Oberseite und/oder Unterseite des Wärmetauschers bildende Folie zu richten. Hierdurch kann der Anpressdruck erhöht werden und ein besonders guter thermischer Kontakt zwischen dem zweiten Wärmetauscher und einer Kühleinrichtung ermöglicht werden.
Eine eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers bildende Folie kann derart ausgebildet sein, dass sie eine zumindest teilweise Überströmung von Strukturelementen des zweiten Wärmetauschers ermöglicht, welche zwei benachbarte Fluidkanäle des zweiten Wärmetauschers trennen. Ein Vorteil dieser Lösung kann darin bestehen, dass die Fertigung weiter vereinfacht werden kann. Eine (etwaige geringfügige) Überströmung benachbarter innenliegender Fluidkanäle kann toleriert werden. Hierdurch kann sogar die Kontaktfläche, über welcher der Wärmetauscher an einer Kühleinrichtung anliegt, vergrößert werden. Es reicht aus, wenn die Folie in einem Randbereich dicht verschweißt bzw. verklebt ist, um einen Flüssigkeitsaustritt zu vermeiden.
Zur Befestigung des zweiten Wärmetauschers an der Kühlvorrichtung kann ein Clips-Mechanismus vorgesehen sein. Das Kühlpad und die Kühlvorrichtung einen Clips-Mechanismus zum Befestigung des zweiten Wärmetauscher an der Kühlvorrichtung aufweisen. Mit anderen Worten kann der zweite Wärmetauscher durch Aufclipsen an der Basiseinheit befestigt werden. Das Kühlpad und die Kühlvorrichtung können derart eingerichtet sei, dass der zweite, geräteseitige Wärmetauscher des Kühlpads flächig auf eine Seitenfläche der Kühlvorrichtung, wobei an der Seitenfläche die Kühleinrichtung vorgesehen ist, anclipsbar ist. Das Prinzip ähnelt der Befestigung wie bei einer Handy-Hülle. Im Zusammenhang mit Wärmetauscher-Befestigungen wurde diese Lösung noch nicht beschrieben. Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass der zweite Wärmetauscher einfach anzubringen und einfach lösbar auf der Kühlvorrichtung fixierbar ist. Ein weiterer Vorteil ist der Sicherheitsaspekt. Bei Belastung löst sich das zweite Kühlpad von der Kühlvorrichtung. Ein Auslaufen des Wärmetransportmittels kann verhindert werden. Die vorgeschlagene Lösung kann demnach ein Auslösen des Pads z.B. bei ruckartiger Belastung im Sinne des Unfallschutzes ermöglichen.
Alternativ kann die Kühlvorrichtung eine taschenartige oder schlitzförmige Aufnahme aufweisen, in welche der zweite geräteseitige Wärmetauscher eingeschoben wird. Die integrierte Pumpeinrichtung zweiten Wärmetauschers kann im eingeschobenen Zustand von der Antriebseinrichtung antreibbar sein. Ein Vorteil kann in einer sicheren, gut geschützten Aufnahme gesehen werden. Insbesondere beim Einsatz von sehr dünnen Folien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, kann eine Beschädigung des Wärmetauschers effektiv verhindert werden. Die Befestigung des Wärmetauschers am bzw. im Gerät kann mittels Einschieben/Einstecken in taschenartige Aufnahme der Kühlvorrichtung erfolgen.
Eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers kann durch eine mechanisch flexible Folie gebildet werden; wobei die flexible Folie durch einen Innendruck in den Fluidkanälen des zweiten Wärmetauschers bei Betrieb der integrierten Pumpeinrichtung an eine oder mehrere Wände der Aufnahme des der Kühlvorrichtung gepresst wird. Insbesondere kann die flexible Folie durch einen Innendruck in den Fluidkanälen des zweiten Wärmetauschers bei Betrieb der integrierten Pumpeinrichtung derart an eine oder mehrere Wände der Aufnahme des der Kühlvorrichtung gepresst werden, so dass der zweite Wärmetauscher durch den auf die Wände der Kühlvorrichtung wirkenden Anpressdruck in der Aufnahme gehalten wird. Eine Folienwand des zweiten Wärmetauschers kann also durch den mittels der Umwälzpumpe erzeugten Innendruck an die Wände des Kühlgeräts gepresst werden und erzielt sehr guten thermischen Kontakt zu derselben. Ferner kann der Wärmetauscher dadurch im Gerät gehalten werden, dass die Pumpe das Kühlpad aufbläht / mit Druck beaufschlagt und sich das ausgedehnte Kühlpad im Gerät verklemmt/verspannt. Es ergibt sich also ein Synergieeffekt. Da die Haltekräfte begrenzt sind ergibt sich ein Sicherheitsaspekt. Bei Belastung kann sich das Kühlpad lösen. Sobald die Pumpeinrichtung nicht mehr in Betrieb ist, lässt die Haltekraft automatisch nach.
Die Kühlvorrichtung kann neben der (ersten) Kühleinrichtung ferner eine zweite Kühleinrichtung aufweisen. Der geräteseitige zweite Wärmetauscher kann vorzugsweise zwischen der Kühleinrichtung und der zweiten Kühleinrichtung angeordnet in der Aufnahme der Kühlvorrichtung angeordnet sein. Beispielsweise können Kühleinrichtungen oberhalb und unterhalb des zweiten Wärmetauschers vorgesehen sein, sodass der Wärmetauscher beidseitig temperiert wird. Ein Vorteil dieser Lösung besteht in einer nochmals kleineren Bauform und weiteren möglichen Reduzierung der Wärmekapazität des Wärmetauschers bzw. des Kühlpads.
Die integrierte Pumpeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, durchführungsfrei von einer externen Antriebseinrichtung angetrieben zu werden, wobei die integrierte Pumpeinrichtung eine magnetisch gekoppelte Zahnradpumpe ist. Die Antriebseinrichtung kann eine magnetische Stirnradkupplung auf einer ersten Seite des Wärmetauschers zum Antrieb der Pumpeinrichtung aufweisen und eine Axialkraftkompensationseinrichtung auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Wärmetauschers. Die Axialkraftkompensationseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, einer von der magnetischen Stirnradkupplung axial entlang einer Drehachse eines (magnetische gekoppelten) Zahnrads der Zahnradpumpe wirkenden Kraft entgegenzuwirken. Es wird also eine Axialkraftkompensation für die magnetische Stirnradkupplung zum Antrieb der im Wärmetauscher angeordneten magnetisch gekoppelten Zahnradpumpe vorgeschlagen. Hierbei kann ein auf der dem antreibenden Motor mit magnetischer Stirnradkupplung gegenüberliegender, gleichartiger freilaufender Magnet die bei einer solchen Magnetkupplung einseitig auftretenden starken Axialkräfte kompensieren, so dass die Kraft und folglich die Reibung in der Pumpe infolge des Anpressens des bewegten Teils an die Pumpenwand (in axialer Richtung) verringert wird. Dieser Ansatz unterscheidet sich auch von einem radial angeordneten magnetischen Antrieb, welcher Kräfte in axialer Richtung ohnehin vermeidet. Im vorliegenden besonderen Anwendungsfall, wobei ein flaches Kühlpad vorzugsweise in einen Schlitz eingeschoben werden soll, kommt eine derartige Anordnung nicht ohne weiteres in Betracht, da eine axiale Bewegung der Antriebseinrichtung relativ zur magnetisch gekoppelten Zahnradpumpe vorzugweise vermieden werden sollte. Vorteile der vorgeschlagenen Lösung können ein geringerer Verschleiß, geringere Reibung und damit geringere Verlustleistung sowie geringere mechanische Anforderungen an die integrierte Pumpeinrichtung sein. Letzteres ist vorteilhaft, da das Kühlpad mitsamt der integrierten Pumpe als Einwegartikel ausgeführt werden kann, welcher aus Hygienegründen nicht bei anderen Patienten eingesetzt wird. Die Kühleinrichtung kann hingegen als Basiseinheit mehrfach genutzt und an andere Patienten weitergeben werden, sodass der mit der Kompensation der Axialkraft verbundene Mehraufwand vertretbar ist. Ein weiterer Vorteil kann der vorgeschlagenen Lösung kann eine flache Bauform sein. Die integrierte Pumpeinrichtung, und damit auch der zweite Wärmetauscher mit integrierter Pumpeinrichtung, kann mit einer flachen Bauhöhe ausgeführt sein, beispielsweise mit einer Bauhöhe von weniger als 1,5 cm, insbesondere mit einer Bauhöhe von weniger als 1 cm, insbesondere mit eine Bauhöhe von weniger als 0,7 cm.
Die Kühlvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt kann einen Temperatursensor und einen Regler aufweisen; wobei der Temperatursensor dazu eingerichtet ist, eine Temperatur eines in die Aufnahme eingelegten Kühlpads zu erfassen und wobei der Regler dazu eingerichtet ist, die Antriebseinrichtung und/oder das Kühlelement in Abhängigkeit von einem Sollwert und von einer von dem Temperatursensor erfassten Temperatur anzusteuern. Vorzugsweise kann eine Regelung in Abhängigkeit von einer eingestellten Solltemperatur und/oder einer am Kühlpad gemessenen Vor- und/oder Rücklauftemperatur erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlpad selbst einen oder mehrere Temperatursensoren aufweisen und der Regler dazu eingerichtet sein, die Antriebseinheit und/oder das Kühlelement in Abhängigkeit von diesen Messwerten anzusteuern. Optional kann die Kühlvorrichtung eine Kühleinrichtung mit einem Peltierelement aufweisen. Optional kann die Temperatur des Peltierelements gemessen und bei der Regelung berücksichtigt werden. Optional kann die Kühleinrichtung ferner einen Ventilator aufweisen, welcher basierend auf der Temperatur des Peltierelements angesteuert werden kann.
Vorzugsweise kann der Regler dazu eingerichtet sein, eine Solltemperatur zwischen 5°C und 43°C, insbesondere zwischen 10°C und 39°C, insbesondere zwischen 15 und 25°C einzuregeln. Optional kann der Regler dazu eingerichtet sein einen vorgegebenen Temperaturverlauf einzuregeln. Beispielsweise kann der Regler dazu eingerichtet sein, eine Abkühlung um 10 bis 20 K mit einer Kühldauer von 10 bis 15 min zu bewirken und in den ersten 1 bis 5 Tagen nach einer Verletzung bzw. Operation mehrmals täglich anzuwenden.
Optional können das Kühlpad und/oder die Kühlvorrichtung eine Telemonitoringeinrichtung und/oder eine Fernsteuereinrichtung aufweisen. Ein Vorteil dieser Ausgestaltungen besteht darin, dass die Kälteanwendung überwacht und bei Bedarf angepasst werden kann.
Die Kühlvorrichtung kann eine Überwachungseinrichtung aufweisen. Die Überwachungseinrichtung kann dazu eingerichtet seine, eine (Rotations-) Geschwindigkeit der Antriebseinrichtung mit einer Leistungsaufnahme der Antriebseinrichtung abzugleichen. Optional kann bei einer Abweichung eine Fehlermeldung ausgeben werden. Zum Beispiel fällt die Leistungsaufnahme ab, wenn die Pumpe leerläuft, beispielsweise wenn das Kühlpad undicht oder nicht ausreichend gefüllt sein sollte oder wenn die Antriebseinheit die Pumpe nicht antreibt, weil das Kühlpad beispielsweise nicht oder nicht richtig eingelegt ist. Optional kann die Überwachungseinrichtung daher alternativ oder zusätzlich dazu eingerichtet sein, eine Kopplungsprüfung der Pumpeinrichtung mit der Antriebseinrichtung vorzunehmen. Optional kann eine optische oder magnetische Drehzahlerfassung der Pumpeinrichtung zur Flussratenmessung und/oder Regelung vorgesehen sein.
Die Kühlvorrichtung kann einen Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie oder einen Akkumulator aufweisen. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Kühlung unabhängig von einer Kühlinfrastruktur bzw. Netzinfrastruktur erfolgen kann.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems mit einem Kühlpad, einer geschlossenen Kühlvorrichtung und einer Orthese;
2 eine schematische Darstellung einer Anwendung des Systems aus 1;
3 eine schematische Darstellung eines Kühlpads gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung des Kühlpads aus 3 ohne obere Deckschichten;
5 zeigt eine Draufsicht eines geräteseitigen Wärmetauschers mit einer integrierten Pumpeinrichtung und in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen;
6 zeigt Simulationen von Fluidkanälen mit Verwirbelungsstrukturen;
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Zahnradpumpe;
8 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten, geräteseitigen Wärmetauschers mit Fluidkanälen;
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch Fluidkanäle eines Wärmetauschers mit Fluidkanälen;
10 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Querschnitts durch Fluidkanäle eines Wärmetauschers mit Fluidkanälen;
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung und eines Wärmetauschers;
12 zeigt eine schematische Darstellung eines inneren Aufbaus der Kühlvorrichtung und des Wärmetauschers aus 11;
13 zeigt eine Schnittdarstellung der Kühlvorrichtung aus 11;
14 zeigt eine weitere Schnittdarstellung der Kühlvorrichtung aus 11,
15 zeigt eine schematische Darstellung einer magnetisch gekoppelten Zahnradpumpe in Verbindung mit einer Axialkraftkompensationseinrichtung,
16 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung mit aufclipsbarem Wärmetauscher,
17 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Kühlpads und einer Kühlvorrichtung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 1 mit einem Kühlpad 10 und einer Kühlvorrichtung 60. Das Kühlpad 10 kann insbesondere für human- oder veterinärmedizinische Zwecke eingesetzt werden. Das Kühlpad 10 weist einen ersten Wärmetauscher 20 und einen zweiten Wärmetauscher 30 auf. Der erste Wärmetauscher 20 und der zweite Wärmetauscher 30 sind voneinander beabstandet angeordnet und über ein Leitungssystem 40 fluidisch miteinander verbunden. Das Kühlpad 10 weist ferner eine Pumpeinrichtung 50 auf, die dazu eingerichtet ist, über das Leitungssystem 40 einen Austausch eines Wärmetransportfluids zwischen dem ersten Wärmetauscher 20 und dem zweiten Wärmetauscher 30 zu bewirken. Der erste Wärmetauscher 20 wird auch als körperseitiger Wärmetauscher bezeichnet. Der zweite Wärmetauscher 30 wird auch als geräteseitiger bzw. kühlvorrichtungsseitiger Wärmetauscher bezeichnet, da dieser dazu eingerichtet ist, von der Kühlvorrichtung 60 aufgenommen zu werden.
Das Leitungssystem 40 weist im vorliegenden Beispiel zwei Schlauchleitungen auf, einen Vorlauf 41 und einen Rücklauf 42. Der Vorlauf 41 ist mit einem Eingang 21 des ersten Wärmetauschers 20 und einem Ausgang 32 des zweiten Wärmetauschers 30 fluidisch verbunden. Der Rücklauf 42 ist mit einem Ausgang 22 des ersten Wärmetauschers 20 und einem Eingang 31 des zweiten Wärmetauschers 30 fluidisch verbunden.
Bei dem Kühlpad 10 kann es sich um ein vollintegriertes, geschlossenes fluidgefülltes Kühlpad handeln. Das Kühlpad 10 kann einen hermetisch abgeschlossenen Fluidkreislauf aufweisen. Es ist somit nicht erforderlich, das Kühlpad an einen externen Fluidkreislauf anzuschließen. Die Handhabung kann dadurch deutlich vereinfacht werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 1 mit einem Kühlpad 10, einer Kühlvorrichtung 60 und zusätzlich einer Orthese 70. Der geräteseitige zweite Wärmetauscher mit der integrierten Pumpeinrichtung 50 wird eine Aufnahme 61 der Kühlvorrichtung eingeschoben. Bei der Orthese 70 kann es sich um eine konventionelle Orthese handeln. 2 zeigt einen Nutzer 100 mit einer beispielhaften Knieorthese 70. Eine Dicke bzw. Bauhöhe des ersten Wärmetauschers 20 ist vorzugsweise derart gewählt, dass der Wärmetauscher unter einer Orthese 70 getragen werden kann. Wie in 2 gezeigt führt das Leitungssystem 40 somit nunmehr von dem unter der Orthese 70 getragenen ersten Wärmetauscher 20 zur Kühlvorrichtung 60. Bei der Kühlvorrichtung 60 handelt es sich vorzugsweise um eine batteriebetriebene Kühlvorrichtung, welche mobil und unabhängig von weiterer Kälteinfrastruktur einsetzbar ist. Beispielsweise kann die Kühlvorrichtung 60 mit einem Schultergurt 66 getragen werden. Alternativ können, je nach erforderlicher Kühlleistung, auch kleinere Einheiten vorgesehen sein, welche z.B. am Gürtel oder direkt an der Kleidung oder am Körper getragen werden können.
3 und 4 zeigen schematische Darstellungen eines Kühlpads 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. 5 zeigt eine Draufsicht eines geräteseitigen Wärmetauschers 30 mit einer integrierten Pumpeinrichtung 50, wobei der geräteseitige Wärmetauscher Fluidkanäle 35 mit in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen 36 aufweist. Die Fluidkanäle 35 des zweiten Wärmetauschers können, wie in 3-5 beispielhaft dargestellt, schleifen- oder mäanderförmig angeordnet sein. Es sind jedoch auch anderen Anordnungen, wie beispielsweise eine doppelte Spiralstruktur oder eine Harfenstruktur denkbar. Statt eines flächigen Wärmeabgabebereichs, weist der Wärmetauscher einen in mehrere Fluidkanäle aufgeteilten Wärmeabgabebereich auf. Die Verwirbelungsstrukturen 36 können in einem oder mehreren Fluidkanälen 35 des geräteseitigen Wärmetauschers angeordnet sein. Optional können auch weitere Verwirbelungsstrukturen 35 im körperseitigen Wärmetauscher 20 angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung jedoch im geräteseitigen Wärmetauscher 30, da somit ein besserer Wärmeübergang und eine geringere Baugröße erreicht werden können.
Wie in der Draufsicht in 5 gezeigt, können die Verwirbelungsstrukturen 36 eine Fischgrätenstruktur, insbesondere eine asymmetrische Fischgrätenstruktur in einem Fluidkanal 35 des geräteseitigen Wärmetauschers 30 aufweisen. Hierbei können mehrere Stege 37 in einem oder mehreren Fluidkanälen derart angeordnet sein, dass sie eine Fischgrätenstruktur bilden.
6 zeigt Simulationen des Flussverhaltens eines Wärmetransportfluids in Fluidkanälen 35 mit Verwirbelungsstrukturen. 6 a) und b) zeigen Draufsichten eines der parallel angeordneten Fluidkanäle aus 5. Dabei zeigt 6 a) eine Simulation des Drucks in [N/m²] und 6 b) eine Simulation der Flussgeschwindigkeit in [m/s]. Die Flussrichtung ist durch die Pfeile 301 dargestellt. In der beispielhaften Simulation ist die Flussgeschwindigkeit am Einlass 0,15 m/s und der Volumenstrom am Einlass 350 ml/min. Der Einlass ist mit Bezugszeichen 302 bezeichnet. 6 c) zeigt eine Schnittdarstellung von 6 b) entlang A-A. 6d) zeigt eine Schnittdarstellung von 6 b) entlang B-B. Eine Kanalhöhe in z-Richtung beträgt in dem gezeigten Beispiel 2,5 mm. Die Stege 37 der beispielhaften Verwirbelungsstruktur ragen in dem gezeigten Beispiel mit ca. 1 mm Höhe in z-Richtung in den Fluidkanal und erstrecken sich als Fischgrätenstruktur über die gesamte Kanalbreite.
Die in die Fluidkanäle 35 hereinragenden Verwirbelungsstrukturen 37 können den Druck bzw. Staudruck in den Fluidkanälen erhöhen. In der Simulation in 6 a) ist der Druck am Auslass bei 0 Pa bzw. 0 N/m². Der Auslass ist mit Bezugszeichen 303 bezeichnet. Im Bereich des Einlasses 302 liegt der Druck hingegen bei etwa 155 Pa und nimmt gradual zum Auslass hin ab. Es versteht sich, dass bei einer Kombination mehrerer Fluidkanäle bzw. Fluidkanalabschnitte ein Druckabfall bis zu einem Ausgang 32 des geräteseitigen Wärmetauschers bereitgestellt werden kann.
Die in die Fluidkanäle 35 hereinragenden Verwirbelungsstrukturen 37 können ferner eine dazu eingerichtet sein, eine Flussgeschwindigkeit zu erhöhen, insbesondere in einem Randbereich. Mehrere beispielhafte Stellen mit erhöhter Flussgeschwindigkeit im Randbereich sind mit Bezugszeichen 304 bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel kann sich die die Flussgeschwindigkeit von 0,15 m/ am Einlass 302 auf beispielsweise 0,25m s erhöhen. Dadurch kann der Wärmeaustausch an einer Oberfläche des Wärmetauschers verbessert werden. Auch in der Querschnittsdarstellung entlang A-A wird, wie in 6c) gezeigt, eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit nicht nur im Kern des Fluidkanals 35 sondern bis in randnahe Schichten erreicht. Hierdurch kann der Wärmeübergang vom geräteseitigen Wärmetauscher 30 zu einer Kühleinrichtung 63 der Kühlvorrichtung 60 (siehe 1) verbessert werden. Eine Ober- und/oder Unterseite des geräteseitigen Wärmetauschers kann durch eine Folie 39' gebildet werden.
Ein Wärmeübergang zwischen Wärmetransportfluid im Kühlpad 10 mit Wärmetauscher 30 und der Kühleinrichtung 60 weist im wesentlichen drei Komponenten auf: erstens einen Wärmeübergangswiderstand R_W zwischen Wärmetransportfluid und Wärmetauscherwand bzw. Folie 39, 39`; zweitens einen Transferwiderstand für einen Wärmetransfer durch die Wärmetauscherwand bzw. durch die Folie 39`, hier bezeichnet als Folien-Widerstand R_F; und drittens einen Kontakt-Widerstand zwischen Wärmetauscherwand bzw. Folie 39' und Kühleinrichtung 63, hier bezeichnet als R_K. Der Gesamtwärmeübergangswiderstand ergibt sich durch die Summe der drei Komponenten. Für eine gute Wärmebertragung ist ein geringer Wärmeübergangswiderstand wünschenswert. Zwar kann der Wärmeübergangswiderstand R_W durch eine Vergrößerung der Wärmetauscherfläche reduziert werden. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass ein ähnlicher Effekt durch eine Erhöhung der Flussgeschwindigkeit erreicht werden kann, mittels in die Fluidkanäle hereinragender Verwirbelungsstrukturen. In einer Ausführungsform können die Verwirbelungsstrukturen 36 dazu einrichtet sein, eine Strömungsgeschwindigkeit an einer Wand des Wärmetauschers 30 zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich können die Verwirbelungsstrukturen 36 derart ausgebildet sein, dass sie Verwirbelungen des Fluids bewirken, derart, dass wandnahe warme oder kalte Fluidschichten laufend wandferne kalte oder warme Fluidschichten ersetzen. Die Verwirbelungsstrukturen 36 können dazu ausgebildet sein, eine Ablenkung einer Strömung des Wärmetransportfluids senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung zu erzeugen, so dass eine obere Seite und/oder untere Seite des zweiten Wärmetauschers 30 von innen angeströmt wird. Dies ist ebenfalls beispielhaft mit den kleinen Pfeilen der Simulation in 6 c) gezeigt.
Alternativ oder zusätzlich kann die eine eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers 30 bildende Folie 39, 39' eine hohe thermische Leitfähigkeit bzw. einen geringen Wärmeübergangswiderstand R_F aufweisen. Insbesondere kann die Folie 39, 39' eine Aluminium-Schicht aufweist. Beispielsweise kann die Folie 39, 39' einen Schichtaufbau aus PET, Aluminium und PE aufweisen. Eine solche Folie kann vorteilhaft direkt auf einem Grundkörper 38 des zweiten Wärmetauschers aufgeschweißt oder aufgeklebt sein. Ein Beispiel wird weiter unten mit erneuter Bezugnahme auf 3 bis 5 beschrieben werden.
3 bis 5 zeigen ferner eine vorteilhafte Ausgestaltung eines zweiten Wärmetauschers 30. Der zweite Wärmetauscher 30 kann einen Grundkörper 38 aufweisen, der einen äußeren Rahmen, einen Bereich für die integrierte Pumpeinrichtung 50 und die Fluidkanäle 35 aufweist. Vorzugsweise können auch die in die Fluidkanäle 35 hereinragenden Verwirbelungsstrukturen 36 bereits Teil des Grundkörpers 38 sein. Der Grundkörper kann einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Grundkörper kostengünstig mittels additiver Fertigung oder mittels einen Spritzgussverfahrens hergestellt werden. Eine Oberseite des zweiten Wärmetauschers 30 kann durch eine auf dem Grundköper 38 aufgebrachte, beispielsweise aufgeschweißte oder aufgeklebte Folie 39 gebildet werden. Entsprechend kann eine Unterseite des zweiten Wärmetauschers 30 durch eine auf dem Grundköper 38 aufgebrachte, beispielsweise aufgeschweißte oder aufgeklebte Folie 39' gebildet werden. Zur besseren Sichtbarkeit sind die Folien 39 und 39` in 3 bzw. 4 abgesetzt dargestellt. In 1 ist ein zweiter Wärmetauscher in geschlossenem Zustand dargestellt. Statt einer Folie kann die Ober- und/oder die Unterseite ebenfalls Teil des einstückigen Grundkörpers 38 sein. Der Grundkörper 38 kann eine Aussparung aufweisen, in welche eine Pumpe, insbesondere eine Zahnradpumpe 50 eingelegt werden kann. In 5 sind ferner die Verbindungen zwischen Einlass 31 und Pumpe 50 und den Fluidkanälen 35 sowie weiter von den Fluidkanälen 35 zum Auslass 32 gestrichelt dargestellt.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Pumpeinrichtung 50 in Form einer Zahnradpumpe. 7 a) zeigt die Zahnradpumpe in geschlossenem Zustand. 7 b) zeigt die Zahnradpumpe in offenem Zustand. Hierbei kann es sich um eine magnetisch gekoppelte Zahnradpumpe handeln, wie beispielsweise in der eingangs genannten DE 10 2018 105 674.5 beschrieben. Eine Antriebseinrichtung mit Elektromotor und Mitnehmer kann ebenfalls ausgeführt sein, wie darin beschrieben. Die integrierte Pumpeinrichtung kann als kontaktlos bzw. durchführungsfrei angetriebene Pumpe ausgeführt sein.
8 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines zweiten, geräteseitigen Wärmetauschers 30 mit Fluidkanälen 35. Der geräteseitige Wärmetauscher kann erneut eine integrierte Pumpeinrichtung aufweisen. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch Fluidkanäle eines Wärmetauschers entlang C-C in 8. In dem in 9 gezeigten Beispiel wird eine Oberseite des geräteseitigen bzw. zweiten Wärmetauschers 30 durch eine mechanisch flexible Folie 39 gebildet. Der zweite Wärmetauscher 50 ist derart ausgebildet ist, dass die flexible Folie 39 durch einen Innendruck in den Fluidkanälen des zweiten Wärmetauschers bei Betrieb der integrierten Pumpeinrichtung aufgebläht wird und sich, vorzugsweise großflächig, an eine Kühleinrichtung 63 einer den zweiten Wärmetauscher aufnehmenden Kühleinrichtung 60 anzuschmiegen. Die Aufnahme 61 der Kühleinrichtung, in welche der geräteseitige Wärmetauscher eingeschoben sein kann, ist in 8 und 9 gestrichelt dargestellt. Die Verwirbelungsstrukturen in den Fluidkanälen können, müssen aber nicht vorgesehen sein. Es handelt sich hierbei optionale Merkmale. Der Wärmeübergang kann bereits durch die mechanisch flexible Folie verbessert werden. Wie oben beschrieben kann der Anpressdruck den Kontaktwiderstand R_K reduzieren und dadurch bereits den Wärmeübergang verbessern. Optional können zusätzlich Verwirbelungsstrukturen 36 in den Fluidkanälen 35 vorgesehen sein. Beispielsweise in Form von Querstegen 37 oder wie oben beschrieben als Fischgrätenstruktur. Durch die Verwirbelungsstrukturen 36 kann eine Ablenkung einer Strömung des Wärmetransportfluids senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung zu erzeugen, wie mit Pfeil 401 gezeigt, so dass eine obere Seite u des zweiten Wärmetauschers von innen angeströmt wird. Die Verwirbelungsstruktur kann dazu eingerichtet sein, einen Fluidstrom des Wärmetauscherfluids gegen die die Oberseite und/oder Unterseite des Wärmetauschers bildende Folie zu richten. Hierdurch kann der Anpressdruck und damit der Wärmeübergang verbessert werden.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch Fluidkanäle eines weiteren Wärmetauschers entlang C-C in 8. Die Ausführung ist ähnlich wie in 9, allerdings kann auch auf einer Unterseite des geräteseitigen Wärmetauschers 30 eine mechanisch flexible Folie 39` vorgesehen sein. Entsprechend kann die Kühlvorrichtung 60 neben der Kühleinrichtung 63 ferner eine zweite Kühleinrichtung 63' aufweisen. Der zweite Wärmetauscher 30 ist dann vorzugsweise in der Aufnahme 61 zwischen der Kühleinrichtung 63 und der zweiten Kühleinrichtung 63` angeordnet.
Wie in 9 und 10 gezeigt, kann eine eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers bildende Folie derart ausgebildet ist, dass sie eine zumindest teilweise Überströmung 402, 402' von Strukturelementen 403 des zweiten Wärmetauschers ermöglicht, welche zwei benachbarte Fluidkanäle des zweiten Wärmetauschers trennen. Eine gewisse Leckage zwischen benachbarten Fluidkanälen kann also nicht nur zulässig sein, es kann sogar ein nochmals besserer Kontakt zwischen dem Wärmetauscher 30 und der Kühleinrichtung 63, 63' erreicht werden.
11 bis 14 zeigen schematische Darstellungen eines inneren Aufbaus einer Kühlvorrichtung 60 mit einem geräteseitigen Wärmetauscher 30. Beispielsweise kann es sich um eine Kühlvorrichtung 60 handeln, wie in 1 dargestellt. In dem in 11 bis 14 gezeigten Beispiel kann die Kühleinrichtung 63 ein oder mehrere elektrisch betriebene(s) Peltierelement(e) 81 aufweisen, welches an einer Oberseite der Aufnahme 61 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühleinrichtung ein oder mehrere elektrisch betriebene(s) Peltierelement(e) 81' aufweisen, welches an einer Unterseite der Aufnahme 61 angeordnet ist. Dies ist in 13 gezeigt. Das elektrisch betriebene Peltierelement 81 oder die elektrisch betriebenen Peltierelemente 81, 81` temperieren mittels des zweiten Wärmetauschers 30 das durch die Pumpeinrichtung 50 umgewälzte Wärmetransportfluid im Fluidkreislauf des Kühlpads. Die Abwärme, d.h. die dem Wärmetransportfluid entnommene Wärme zuzüglich der elektrischen Leistung des Peltierelements 81 können über einen oder mehrere Kühlkörper 83, 83` und optional einen oder mehrere Ventilatoren 84, 84' abgeführt werden. Über den geschlossenen Fluidkreislauf wird das nunmehr auf eine Solltemperatur abgekühlte Wärmetransportfluid 11 zu dem auf einem Hautareal aufliegenden ersten Wärmetauscher 20 transportiert und nimmt dort Wärme auf, so dass das Hautareal wie gewünscht gekühlt wird. Wie eingangs erwähnt kann das System auch zum Wärmen gewünschter Hautareale eingesetzt werden, indem den Hautarealen mittels des Wärmetransportfluids 11 Wärme zugeführt wird.
Die Kühlvorrichtung 60 kann optional einen Energiespeicher 85 zum netzunabhängigen Betrieb aufweisen. Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung 60 ferner eine Steuereinrichtung auf. Die Steuereinrichtung kann die Funktionen eines Reglers und/oder einer Überwachungseinrichtung realisieren. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung in Form eines Mikrokontrollers implementiert werden, der z.B. einen Leistungsregler für die Stromversorgung des Peltierelements ansteuert und/oder die Antriebseinrichtung 90 ansteuert. Die Kühlvorrichtung 60 kann optional einen ersten und/oder zweiten Temperatursensor aufweisen. Insbesondere können ein erster Temperatursensor vor der Kühleinrichtung 63 zur Messung einer Rücklauftemperatur und ein zweiter Temperatursensor nach der Kühleinrichtung zur Messung einer Vorlauftemperatur vorgesehen sein. Aus der Temperaturdifferenz und einem Volumenstrom des Wärmetransportfluids kann eine dem Hautareal entnommene Kühlleistung abgeschätzt werden.
12 zeigt die Elemente aus 11 jedoch ohne die Kühlkörper 83, 83'. Ferner sind eine das Kühlpad 30 abdeckende Folie und eine Oberseite der Pumpeinrichtung 50 nicht dargestellt, um den inneren Aufbau des der Kühlvorrichtung 60 und des Wärmetauschers 30 zu zeigen. 13 ist eine Schnittdarstellung an der durch Pfeil A gezeigten Stelle. 14 ist eine Schnittdarstellung an der durch Pfeil B gezeigten Stelle. Im eingeschobenen Zustand kommt der geräteseitige Wärmetauscher 30 mit der integrierten Pumpeinrichtung 50 derart in der Aufnahme 61 der Kühlvorrichtung zum Liegen, das ein Zahnrad 95 der Zahnradpumpe unter einer Antriebseinrichtung 90 für die Pumpeinrichtung 50 zum liegen kommt. Die Pumpeinrichtung 50 ist dazu ausgebildet durchführungsfrei von der Antriebseinrichtung 90 angetrieben zu werden.
Wie in 15 b) gezeigt, kann die Antriebseinrichtung 90 einen Elektromotor 91 und einen Mitnehmer 92 aufweisen. Der Mitnehmer 92 kann wiederum einen oder mehrere Magnete aufweisen. Mittels dieser Magnete kann durchführungsfrei eine Kraft auf die Pumpeinrichtung 50 übertragen werden. Eine solche Anordnung mit einem Mitnehmer kann als magnetische Stirnradkupplung 92 bezeichnet werden. Beispielsweise kann die Pumpeinrichtung 50 als magnetisch gekoppelte Zahnradpumpe ausgeführt sein. Hierfür sind an zumindest einem Zahnrad 95 ein oder mehrere Magnete vorgesehen. Wenn nun das Kühlpad mit der Pumpeinrichtung 50 derart in die Kühlvorrichtung 60 eingesetzt wird, dass die Magnete des Zahnrads 95 der Pumpeinrichtung 50 über bzw. unter den Magneten der Antriebseinheit 90 zum Liegen kommen, so kann eine Kraft der Antriebseinrichtung durchführungsfrei übertragen werden. Somit kann ein hermetisch abgeschlossener Fluidkreislauf erhalten werden.
Optional kann eine Axialkraftkompensationseinrichtung 1501 vorgesehen sein. Die Erfinder haben erkannt, dass ein einseitiger Antrieb einer magnetisch gekoppelten Zahnradpumpe eine nicht zu vernachlässigende Verlustleistung bewirkt. Insbesondere bei portablen Kühlsystemen leidet hierbei die Effizienz und reduziert sich die Betriebsdauer. Da die magnetische Stirnradkupplung 92 eine axiale Kraft auf das Zahnrad 95 bewirkt, führt dies zu Reibung des Zahnrads 95 in axialer Richtung an einem Gehäuse der Pumpeinrichtung. Optional kann die Antriebseinrichtung 90 daher eine magnetische Stirnradkupplung 92 auf einer ersten Seite des Wärmetauschers 30 zum Antrieb der Pumpeinrichtung 50 aufweisen und ein Axialkraftkompensationseinrichtung 1501 auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Wärmetauschers mit der Pumpeinrichtung. Die Axialkraftkompensationseinrichtung 1501 kann dazu ausgebildet sein, einer von der magnetischen Stirnradkupplung 92 axial entlang einer Drehachse eines Zahnrads der Zahnradpumpe wirkenden Kraft entgegenzuwirken. Beispielsweise kann ein Mitläufer 1502 vorgesehen sein, welcher eine korrespondierende axiale Gegenkraft auf das Zahnrad 95 bewirkt. Die Stirnradkupplung 92 und der Mitläufer 1502 können hierbei einen korrespondieren Aufbau aufweisen, wobei der Mitläufer 1502 anders als die Stirnradkupplung nicht von einem Motor angerieben ist. Es ist jedoch auch denkbar, das Zahnrad 95 beidseitig mit zwei Antriebseinrichtungen 90 anzutreiben, um eine auf das Zahnrad 95 wirkende Axialkraft zu kompensieren. 15 a) zeigt die Elemente aus 15b) in zusammengebautem Zustand, wobei die Pumpeinrichtung 50 ferner in eine Aufnahme 61 der Kühlvorrichtung 60 eingesetzt ist.
16 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung 60 mit aufclipsbarem geräteseitigen Wärmetauscher 30. Statt in eine schlitzförmige Aufnahme 61 der Kühlvorrichtung 60 eingeschoben zu werden, wie oben mit Bezug auf 1 gezeigt, kann die Aufnahme 61 der Kühlvorrichtung 60 auch an einer Seitenfläche, beispielsweise einer Oberseite der Kühlvorrichtung 60 vorgesehen sein. Das Kühlpad 30 und die Kühlvorrichtung 60 können einen Clips-Mechanismus zum Befestigen des zweiten bzw. geräteseitigen Wärmetauschers 30 an der Kühlvorrichtung 60 aufweisen. Das Kühlpad 10 und die Kühlvorrichtung 60 sind derart eingerichtet, dass der zweite, geräteseitige Wärmetauscher 30 des Kühlpads 10 flächig auf eine Seitenfläche der Kühlvorrichtung, wobei an der Seitenfläche die Kühleinrichtung vorgesehen ist, anclipsbar ist. Optional kann hierfür eine Abdeckung 1600 vorgesehen sein. Die Abdeckung 1600 kann optional eine Isolierung 1601 aufweisen, welche den Wärmetauscher 30 von der Umwelt isoliert. Die Abdeckung 1600 kann einen oder mehrere Clipselemente 1602 aufweisen, welche in korrespondierende Aufnahmen an der Kühlvorrichtung eingreifen können, um die Abdeckung 1600 auf der Kühlvorrichtung zu befestigen. Der zweite Wärmetauscher 1600 kann in die Abdeckung 1600 eingelegt werden und dann mittels der Abdeckung 1600 an der Kühlvorrichtung 60 befestigt werden. Dieser Ablauf ist beispielhaft durch die Pfeile in 16 dargestellt. Wie eingangs erwähnt, kann eine solche Befestigung ähnlich wie die Befestigung einer Handy-Hülle ausgestaltet sein. Ein Vorteil dieser Lösung besteht insbesondere darin, dass sich das Kühlpad 10 bei Zugbelastung von der Kühlvorrichtung 60 lösen kann. Vorzugsweise löst sich das Kühlpad 10 von der Kühlvorrichtung bevor das Fluidsystem beschädigt wird. Damit kann einen Flüssigkeitsaustritt des Wärmetransportfluids verhindert werden.
17 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Betrieb eines Kühlpads und einer Kühlvorrichtung. In einem ersten Schritt S201 werden das Kühlpads und die korrespondierende Kühlvorrichtung bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S202 wird der zweite, geräteseitige Wärmetauscher des Kühlpads in eine Aufnahme der Kühlvorrichtung eingelegt. In einem dritten Schritt S203 wird der erste Wärmetauscher des Kühlpads an einer zu kühlenden Stelle aufgebracht. In einem vierten Schritt S204 wird der Kühlvorgang mit der Kühlvorrichtung gestartet. Es versteht sich, dass eine Kühlung auch zu nichttherapeutischen Zwecken erfolgen kann, beispielsweise zu kosmetischen Zwecken oder zur Entspannung. Wie oben bereits erläutert kann unter dem Begriff Kühlen bzw. Kühlung oder Kältebehandlung im Rahmen dieser Offenbarung allgemein eine Wärmebehandlung bzw. das Herbeiführen einer Temperaturänderung verstanden werden. Dies kann sowohl dass Zuführen als auch das Abführen von Wärme umfassen. Folgerichtig kann ein Kühlpad neben dem Kühlen auch zum Wärmen eingesetzt werden. Ferner kann eine Wärmebehandlung auch als eine Wechselbehandlung mit Kühlen und Wärmen durchgeführt werden.
Das hierin beschriebene Verfahren ermöglicht eine sehr einfache Handhabung, auch durch weniger erfahrene Anwender. Die Applikation der Kühlvorrichtung in Schritt S203 kann beispielsweise mittels einer konventionellen Orthese oder Bandage oder dergleichen erfolgen. Somit kann das vorgeschlagene Kühlpad ohne weiteres in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsszenarien zum Einsatz kommen.
Die vorliegende Offenbarung befasst sich insbesondere mit einer in den Wärmetauscher integrierten, kontaktlos angetriebenen Pumpe, Verwirbelungsstrukturen in den Flüssigkeitskanälen sowie die Verwendung besonders dünner, thermisch gut leitfähiger, dabei wasserdichter Folien, die mittels Schweißverfahren auf einen Kunststoffkörper aufgebracht werden.
Die hierin offenbarten Lösungen können insbesondere nach Unfällen, Operationen oder Sportverletzungen helfen, Schwellungen zu vermeiden, Schmerzen zu lindern und/oder Gewebe bzw. Nervenschäden vorzubeugen. Ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet ist die Kühlung, insbesondere von Extremitäten, während oder nach der Chemotherapie, um Nebenwirkungen wie Taubheitsgefühle, Nerven- und Gewebeschäden sowie Haarausfall zu vermeiden oder zu reduzieren. Weitere vorteilhafte Anwendungsgebiete können Migränebehandlung und die Behandlung von Rheuma sein, jeweils mit Kälte und/oder Wärme. Ein vorteilhafter Anwendungsfall im Bereich Veterinärmedizin ist die Behandlung von Gelenkproblemen von Pferden. Hierbei kann eine akkubetriebene Kühlvorrichtung beispielsweise mittels eines Tragegurts am Tier befestigt werden und ein vorzugsweise flexibles, an die Form des betreffenden Gelenkes angepasstes Kühlpad für eine optimale Kühlung sorgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018105674 [0019]
US 20200405535 A1 [0019]

Claims

Kühlpad (10) für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen mit - einem ersten, körperseitigen Wärmetauscher (20); - einem zweiten, geräteseitigen Wärmetauscher (30) mit einer integrierten Pumpeinrichtung (50); - einem Leitungssystem (40), welches den ersten Wärmetauscher fluidisch mit dem zweiten Wärmetauscher mit der integrierten Pumpeinrichtung (50) verbindet; wobei der erste Wärmetauscher (20), der zweite Wärmetauscher (30), die Pumpeinrichtung (50) und das Leitungssystem (40) einen Fluidkreislauf bilden; wobei die integrierte Pumpeinrichtung (50) dazu eingerichtet ist, einen Austausch eines Wärmetransportfluids zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher zu bewirken; wobei der zweite, geräteseitige Wärmetauscher (30) Fluidkanäle (35) mit in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen (36) aufweist.
Kühlpad nach Anspruch 1, wobei die Fluidkanäle (35) des zweiten Wärmetauschers (30) schleifen- oder mäander-förmig oder als Harfenstruktur angeordnet sind und wobei Verwirbelungsstrukturen (36) in die schleifen- oder mäander-förmig oder als Harfenstruktur angeordneten Fluidkanäle (35) des zweiten Wärmetauschers (30) hereinragen.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verwirbelungsstrukturen (36) eine Fischgrätenstruktur (37) in einem Fluidkanal (35) des zweiten Wärmetauschers (30) aufweisen.
Kühlpad nach Anspruch 3, wobei die Fischgrätenstruktur eine asymmetrische Fischgrätenstruktur ist.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verwirbelungsstrukturen (36) derart ausgebildet sind, dass sie Verwirbelungen des Fluids bewirken, derart, dass wandnahe warme oder kalte Fluidschichten laufend wandferne kalte oder warme Fluidschichten ersetzen.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verwirbelungsstrukturen (36) dazu ausgebildet sind, eine Ablenkung einer Strömung des Wärmetransportfluids senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung zu erzeugen, so dass eine obere Seite und/oder untere Seite des zweiten Wärmetauschers (30) von innen angeströmt wird.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verwirbelungsstrukturen (36) dazu eingerichtet sind, eine Strömungsgeschwindigkeit an einer Wand des Wärmetauschers (30) zu erhöhen.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Wärmetauscher (30) einen Grundkörper (38) aufweist, wobei der Grundkörper einen äußeren Rahmen, einen Bereich für die integrierte Pumpeinrichtung (50), die Fluidkanäle (35) sowie vorzugsweise die in die Fluidkanäle hereinragenden Verwirbelungsstrukturen (36) aufweist.
Kühlpad nach Anspruch 8, wobei der Grundkörper (38) einstückig ausgebildet ist.
Kühlpad nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers durch eine auf den Grundkörper (38) aufgeschweißte oder aufgeklebte Folie (39, 39') gebildet wird.
Kühlpad nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei Grundköper eine Aussparung zur Aufnahme einer Pumpeinrichtung (50), insbesondere einer Zahnradpumpe, aufweist, welche in die Aufnahme einlegbar ist.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine die Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers bildende Folie (39, 39`) eine Wasserpermeabilität von <5g/m²/Tag, insbesondere von <2g/m²/Tag, insbesondere von <1g/m²/Tag, insbesondere zwischen 0.01 g/m²/Tag und 1 g/m²/Tag aufweist.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers bildende Folie (39, 39`) eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, insbesondere eine Aluminium-Schicht aufweist.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers durch eine mechanisch flexible Folie (39, 39') gebildet wird.
Kühlpad nach Anspruch 14, wobei der zweite Wärmetauscher derart ausgebildet ist, dass die flexible Folie (39, 39`) durch einen Innendruck in den Fluidkanälen (35) des zweiten Wärmetauschers (30) bei Betrieb der integrierten Pumpeinrichtung (50) aufgebläht wird und dazu ausgebildet ist, sich großflächig an eine Kühleinrichtung (63) einer den zweiten Wärmetauscher aufnehmenden Kühlvorrichtung (60) anzuschmiegen.
Kühlpad nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Verwirbelungsstruktur (36) dazu eingerichtet ist, einen Fluidstrom des Wärmetauscherfluids gegen die die Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers (30) bildende Folie (39, 39') zu richten.
Kühlpad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers (30) bildende Folie (39, 39`) derart ausgebildet ist, dass sie eine zumindest teilweise Überströmung von Strukturelementen des zweiten Wärmetauschers (30) ermöglicht, welche zwei benachbarte Fluidkanäle (35) des zweiten Wärmetauschers trennen.
Kühlvorrichtung (60) für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen mit - einer Aufnahme (61) eingerichtet zur Aufnahme eines zweiten, geräteseitigen Wärmetauschers (30) eines Kühlpads (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; - einer Kühleinrichtung (63), insbesondere mit einem thermoelektrischen Kühlelement wie einem Peltierelement (81); wobei die Kühleinrichtung dazu eingerichtet ist, dem zweiten, geräteseitigen Wärmetauscher (30) des Kühlpads (10) Wärme zuzuführen oder von diesem abzuführen, wenn sich der Wärmetauscher des Kühlpads in der Aufnahme befindet (61); und - einer Antriebseinrichtung (90), die dazu eingerichtet ist, eine in dem Kühlpad (10) integrierte Pumpeinrichtung (50) anzutreiben.
Kühlsystem (1) für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen mit - einem Kühlpad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17; und - einer Kühlvorrichtung (60) nach Anspruch 18.
Kühlsystem nach Anspruch 19, wobei das Kühlpad (10) und die Kühlvorrichtung (60) einen Clips-Mechanismus (1600, 1602) zum Befestigung des zweiten Wärmetauschers (30) an der Kühlvorrichtung (60) aufweisen.
Kühlsystem nach Anspruch 20, wobei das Kühlpad (10) und die Kühlvorrichtung (60) derart eingerichtet sind, dass der zweite, geräteseitige Wärmetauscher (30) des Kühlpads (10) flächig auf eine Seitenfläche der Kühlvorrichtung (60), wobei an der Seitenfläche die Kühleinrichtung vorgesehen ist, anclipsbar ist.
Kühlsystem nach Anspruch 19, wobei die Kühlvorrichtung eine taschenartige oder schlitzförmige Aufnahme (61) aufweist, in welche der zweite geräteseitige Wärmetauscher (30) eingeschoben wird, wobei die integrierte Pumpeinrichtung (50) des zweiten Wärmetauschers im eingeschobenen Zustand von der Antriebseinrichtung (90) antreibbar ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberseite und/oder Unterseite des zweiten Wärmetauschers durch eine mechanisch flexible Folie (39, 39') gebildet wird; wobei die flexible Folie durch einen Innendruck in den Fluidkanälen (35) des zweiten Wärmetauschers (30) bei Betrieb der integrierten Pumpeinrichtung (50) an eine oder mehrere Wände der Aufnahme (61) des der Kühlvorrichtung (60) gepresst wird.
Kühlsystem nach Anspruch 23, wobei die flexible Folie (39, 39`) durch einen Innendruck in den Fluidkanälen (35) des zweiten Wärmetauschers (30) bei Betrieb der integrierten Pumpeinrichtung (50) derart an eine oder mehrere Wände der Aufnahme (61) des der Kühlvorrichtung (60) gepresst wird, so dass der zweite Wärmetauscher (30) durch den auf die Wände der Kühlvorrichtung wirkenden Anpressdruck in der Aufnahme gehalten wird.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei die Kühlvorrichtung (60) neben der Kühleinrichtung (63, 81) ferner eine zweite Kühleinrichtung (63`, 81') aufweist, und wobei der zweite Wärmetauscher in der Aufnahme (61) zwischen der Kühleinrichtung (63, 81) und der zweiten Kühleinrichtung (63', 81') angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei die integrierte Pumpeinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, durchführungsfrei von einer externen Antriebseinrichtung (90) angetrieben zu werden, wobei die integrierte Pumpeinrichtung eine magnetisch gekoppelte Zahnradpumpe ist; wobei die Antriebseinrichtung (90) eine magnetische Stirnradkupplung (92) auf einer ersten Seite des Wärmetauschers (30) zum Antrieb der Pumpeinrichtung (50) aufweist und ein Axialkraftkompensationseinrichtung (1501) auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Wärmetauschers (30) mit der Pumpeinrichtung (50) aufweist, wobei die Axialkraftkompensationseinrichtung (1501) dazu ausgebildet ist, einer von der magnetischen Stirnradkupplung (92) axial entlang einer Drehachse eines Zahnrads (95) der Zahnradpumpe (50) wirkenden Kraft entgegenzuwirken.
Verfahren zum Betrieb eines Kühlpads (10) und einer Kühlvorrichtung (60) mit den Schritten: - Bereitstellen eines Kühlpads (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und einer korrespondierenden Kühlvorrichtung (60) nach Anspruch 18; - Einbringen des zweiten, geräteseitigen Wärmetauschers (30) des Kühlpads (10) in eine Aufnahme (61) der Kühlvorrichtung (60); - Applikation des ersten, körperseitigen Wärmetauschers (20) des Kühlpads (10) an einer zu kühlenden Stelle; - Starten des Kühlvorgangs mit der Kühlvorrichtung (60).