DE2029066A1 - Thermoelektrische Sonde - Google Patents

Thermoelektrische Sonde

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DE2029066A1 DE19702029066 DE2029066A DE2029066A1 DE 2029066 A1 DE2029066 A1 DE 2029066A1 DE 19702029066 DE19702029066 DE 19702029066 DE 2029066 A DE2029066 A DE 2029066A DE 2029066 A1 DE2029066 A1 DE 2029066A1
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Description

Thermoelektrische Sonde
Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Sonde für die lokale Abkühlung oder Erwärmung von Körperstellen zu medizinischen, insbesondere äalmmedizinischen Zwecken mit einem Peltier-Element als Wärmepumpe, dessen eine Seite über einen Wärmetauscher mit der Umgebungsluft als dem die Wärme aufnehmenden bzw. abgebenden Medium in Verbindung steht.
Im Rahmen einer medizinischen Behandlung und insbesondere zur diagnostischen, therapeutischen oder chirurgischen Zwecken ist häufig die lokale Abkühlung oder Erwärmung einer Körperstelle notwendig. Es ist bekannt, da,3 dazu gelegentlich thermoelektrische, nach dem Peltier- Effekt arbeitende Geräte benutzt worden sind. Jedoch waren diese Geräte für medizinische Zwecke nur beschränkt verwendbar, da sie komplizierte und räumlich ausgedehnte Wärmetauscher und Wärmeleitbleche bzw. körper erfordern, insbesondere wenn luft als das die Wärme aufnehmende abz. abgebende 'Medium verwendet wird. Auf Wärmetauscher kann jedoch nicht verzichtet werden, da die Kühlwirkung eines Peltier-Elementes nur dann während einer längeren Behandlungsdauer ausnutzbar ist, wenn die Wärmeabfuhr auf der heißen Seite des Peltier-Elementes mittels Wärmetauschern entsprechender Wärmeableitfähigkeit schnell genug
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erfolgt. Natürlich gilt das entsprechende für die umgekehrte Betriebsweise t bei welcher das Peltier-Element für eine Erwärmung benutzt wird. Allerdings wirft das Erwärmen in praktischer Hinsicht viel weniger Probleme als das Abkühlen auf.
Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Sonde für medizinische und insbesondere zahnmedizinische Zwecke zu schaffen, deren Wärmetauscher einen hohen Wirkungsgrad hat und so kompakt ist, daß sich auch eng umgrenzte Körperstellen, z.B. ein Zahn oder Zahnfleisohpartien bequem und ohne Schwierigkeiten lokal abkühlen und/oder erwärmen lassen.
Ausgehend von einer thermoelektrischen Sonde der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher als wärmeleitfähiger Hohlkörper ausgebildet ist, in dessen Inneres ein an eine Vakuumpumpe angeschlossenes Saugrohr hineinreicht und der in der Umgebung der Eintrittsstelle des Saugrohres zur Umgebungsluft hin offen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Sonde wird luft aus der Umgebung durch den als Hohlkörper ausgebildeten Wärmetauscher hindurchgesaugt. Es hat sich gezeigt, daß dadurch trotz kleiner Abmessungen des Wärmetauschers die Abgabe bzw» Aufnahme relativ großer Wärmemengen an die bzw. aus der Umgebungsluft möglich ist, so daß sich eine kompakt aufgebaute Sonde hohen Wirkungsgrades ergibt.
Besonders vorteilhaft ist eine Sonde, bei der das Saugrohr außerhalb des Hohlkörpers in ein Anschlußrohr übergeht, welches von einem mit dem Hohlkörper verbundenen Außenrohr umgeben ist und zusammen mit diesem einen Ringkanal abgrenzt, durch welchen der Hohlkörper" zur Umgebungsluft hin offen ist. Bei dieser Sonde ist der Wirkungsgrad noch erhöht, da das Anschlußrohr und das Außenrohr die mit der Umgebungsluft in Berührung kommende Kontaktfläche des Wärmetauschers vergrößern. Gleichzeitig ist durch das Außenrohr in einfachster Weise ein Handgriff gebildet, welcher durch die an seiner Innenseite zum Hohlkörper hinströmende
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Umgebungsluft praktisch immer auf Raumtemperatur gehalten wird.
Die erfindungsgemäße Sonde läßt sich besonders leicht herstellen, wenn der Hohlkörper ein zylindrisches, an einer Stirnseite verschlossenes und an der anderen Stirnseite mit dem Außenrohr verbundenes Bauteil ist, welches das in einem Anstand vor der verschlossenen Stirnwand endende Saugrohr koaxial umgibt. Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades und außerdem zur Halterung' des Saugrohres können zwischen dem zylindrischen Bauteil und dem Saugrohr sowie innerhalb des Saugrohres Wärmeleitbleche angeordnet sein. Diese sind so geformt, daß sie in Längsrichtung des Bauteiles und des Saugrohres verlaufende Luftkanäle abgrenzen, damit sie die Luftströmung durch den Wärmetauscher nicht behin-r dern.
Die Wärmeleitbleche können z.B. die Gestalt radialer Rippen haben oder im Querschnitt S-förmig sein. Am einfachsten sind die Wärmeleitbleche als Rohre geformt, welche in einem im Querschnitt wabenähnlichen Bündel innerhalb und außerhalb des durch einen zylindrischen Blechkörper gebildeten Saugrohres liegen.
Das Saugrohr und die Wärmeleitbleche können durch Löten miteinander verbunden sein. Alternativ können sie insgesamt als einstückiges Spritzteil, ggf. unter Einbeziehung des zylindrischen Bauteils hergestellt sein. Andere zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung ist mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 die Seitenansicht einer thermoelektrischen Sonde nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Sondenkopf längs der Linie 2-2 in Fig. 3
Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2, welcher das Peltier-Element der Sonde und eine auf dieses aufgesetzte Kontaktspitze darstellt,
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Fig. 5 einen Querschnitt durch ein in der Kontaktspitze angeordnetes Thermoelement·
Die als Ausführungsbeispiel dargestellte thermoelektrische Sonde umfaßt einen Sondenkopf 11 aus einem zylindrischen Bauteil 12, das an einem Ende ein Peltier-Element 13 und eine auf das Element aufgesetzte Spitze 14 für den Körperkontakt trägt. Der Sondenkopf 11 ist an einem Hjndgriff in Form eines länglichen Rohres 15 befestigt. Das Rohr 15 umgibt ein zweites längliches Rohr 16, welches aus dem Außenrohr 15 an einem Ende heraussteht und dort über einen flexiblen Schlauch 17 an eine Vakuumpumpe 18 üblicher Bauart angeschlossen ist. Ein Netz- und Steuerteil 19 ist über ein Kabel 21 mit dem Peltier-Element 13 und der aufgesetzten Kontaktspitze 14 verbunden. Es dient zur Einstellung und Regelung der gewünschten Temperatur an der Kontaktspitze. Mittels eines Umschalters 20 am Netz- und Steuerteil läßt sich bestimmen, ob das Peltier-Element die Kontaktspitze abkühlen oder erwärmen soll. Der Sondenkopf 11 bzw. das zylindrische Bauteil 12 und das als Handgriff dienende Außenrohr 15 sind so miteinander verbunden, daß die Längsachsen des Bauteiles und des Rohres unter einem Winkel von ca. 150 Grad zueinander verlaufen. Dadurch läßt sich die Kontaktspitze 14 bequem mit den verschiedenen Körperstellen in Berührung bringen.
Aus den Pig. 2 und 3 gehen Einzelheiten des Sondenkopfes 11 hervor. Das zylindrische Bauteil 12 ist an einer Stirnseite 23 verschlossen. Es besitzt einen aus Fig. 3 ersichtlichen Querschnitt von "exzentrischer" Gestalt, bei welchem die Wandstärke des Bauteiles stetig längs des Umfanges zwischen einem Maximum an einer Stelle des Umfanges und einem Minimum im gegenüberliegenden Bereich variiert. An der Stelle maximaler Stärke ist das zylindrische Bauteil 12 außen leicht abgeflacht. Auf die dadurch gebildete ebene Fläche ist das Peltier-Element 13 aufgesetzt. An der offenen Stirnseite ist das zylindrische Bauteil 12
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z.B. durch Schweißen mit dem Außenrohr 15 verbunden.
Innerhalb des zylindrischen Bauteiles 12 ist koaxial ein zylindrischer Bleehkörper 24 angeordnet, dessen Länge so gewählt ist," daß er in einem kurzen Abstand vor der verschlossenen Stirnseite 23 endet und dort eine unter dem Peltier-ELemeit 13 liegende Kammer 25 freiläßt. Der Durchmesser des zylindrischen Blechkörpers 24 ist ungefähr halb so groß wie der'des zylindrischen Bauteiles 12. Zwischen dem Bauteil 12 und dem Blechkörper 24 sind mittels Rohren 26 untereinander gleichen Durchmessers mehrere längliche Luftkanäle gebildet. Die Rohre 26 sind durch Löten oder auf andere geeignete Weise befestigt und legen dadurch auch den Bleehkörper 24 in der Mitte fest. Innerhalb des Blechkörpers 24 ist ein weiteres Bündel Rohre 27 angeordnet. Beide Rohrbündel 26 und 27 haben die gleiche Länge wie der Bleehkörper 24 und sind parallel zu dessen Längsachse ausgerichtet. Im Querschnitt bilden sie eine wabenähnliche Anordnung. Das Anschlußrohr 16 innerhalb des Außenrohres 15 ist mit dem Bleehkörper 24 stumpf, z.B. durch Schweißen verbunden. Der gesamte Sondenkopf 11 einschließlich des zylindrischen Bauteils 12, des Blechkörpers 24 und der Rohre 26 und 27 besteht aus hoch wärmeleitfähigem Material, z.B. aus Kupfer, das wegen des Körperkontaktes mit einem· geeigneten Überzug versehen ist.
Das Peltier-Element 13, dessen Einzelheiten in den Figuren nicht gezeigt sind, ist ein kommerziell erhältliches Bauelement und umfaßt eine Anzahl hintereinander geschalteter Einzelelemente, welche z.B. aus einer quaternären Legierung aus Wismut, Tellur, Selen und Antimon einschließlich geringer Mengen geeigneter Zusätze hergestellt sind. Die hintereinander geschalteten Einzelelemente sind zwischen, zwei flachen Platten 28 und 30 aus Aluminiumoxyd geschichtet, die elektrisch isolieren und eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, vergl. Fig. 4. Die eine keramische Platte 28 ist zur Herstellung eines guten thermischen Kon-
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taktes auf die äußere Abflachung des zxlindrischen Bauteiles aufgelötet. Auf die andere keramische Platte 30 ist die Kontaktspitze 14 aufgesetzt. Die sich am Ende kegelförmig verjüngende Koiitaktspitze besteht aus oder besitzt einen Überzug aus einem hoch wärmeleitfähigen Material, z.B. aus Messing oder Kupfer, Dicht unter der kegelfömigen Verjüngung ist die Kontaktspitze mit einer Bohrung 29 versehen, welche ungefähr bis zur Mittelachse der Kontaktspitze reicht und ein Gehäuse für ein Thermoelement, einen Thermistor oder einen anderen geeigneten Meßfühler für die Temperatur der Kontaktspitze 14 bildet.
Das beim Ausführungsbeispiel als Meßfühler verwendete Mantel-Thermoelement ist in Fig. 5 genauer gezeigt. Es umfaßt ein Thermopaar 31» z.B. ein Kupfer-Konstantan-Paar, welches unter Verwendung einer elektrisch isolierenden Füllung z.B. aus Aluminiumoxyd oder einem anderen geeigneten Material innerhalb eines elektrisch leitenden Mantels 32 angeordnet ist. Der Mantel 32 ist über die elektrisch leitende Kontaktspitze 14 und das zylindrische Bauteil 12 geerdet. Die Anschlußdrähte 34 des Thermopaares und die Speiseleitungen 33 für das Peltier-Element sind zu dem Kabel 21 zusammengefaßt und über die Stirnfläche des Sondenkopfes 11 zum Netz- und Steuerteil 19 geführt. Die Stirnfläche und ein Teil des zylindrischen Bauteiles 12 sind außen mit einer Kunststoffbeschichtung 35 versehen, in welche die Verdrahtung eingebettet ist und welche bei Verwendung der Sonde in der Zahnmedizin Bohrgut vom Peltier-Element fernhält.
Zur Benutzung der thermoelektrischen Sonde wird erst das Netz- und Steuerteil 19 eingeschaltet. Dieses liefert daraufhin einen Gleichstrom über die Leitungen 33 im Kabel 21 an das Peltier-Element. Bei entsprechender Stromrichtung wird dadurch die keramische Platte 30 unter der Kontaktspitze 14 gekühlt, während an der keramischen Platte 28 auf dem zylindrischen Bauteil 12 Wärme entsteht. Diese Wärme wird auf den das zylindrische Bauteil 12, die Rohre 26 und 27 und den zylindrischen
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Blechkörper 24 umfassenden Wärmetauscher übertragen und dort verteilt. Im Wärmetauscher wird die Wärme an den Oberflächen der verschiedenen Teile abgeführt. Dies geschieht mit Hilfe der Saugoder Vakuumpumpe 18, die nach dem Einschalten Umgebungsluft durch das Außenrohr 15 einsaugt. Von dort fließt die Umgebungsluft in Richtung der in Fig. 2 eingezeichneten Pfeile durch die Rohre und durch die Zwischenräume zwischen diesen in die Kammer 25 unterhalb des Peltier-Elementes 13 und von dort durch den als Saugrohr wirkenden, die Rohre 27 umschließenden Blechkörper 24 und anschließend durch das konzentrische Anschlußrohr 16 zur an dieses angeschlossenen Saugpumpe.
Es wurde festgestellt, daß die Verwendung einer Säugpumpe für den oben erläuterten Zweck hier im Gegensatz zu anderen Methoden besonders vorteilhaft ist. Bei ersten Versuchen mit Druckluft wurde festgestellt, daß sich der Luftstrom durch die Kompression leicht erwärmte, bevor er mit dem Wärmetauscher in Kontakt kam, wodurch dessen Wirkungsgrad herabgesetzt wurde. Außerdem waren besondere Maßnahmen zur Ableitung der erwärmten Luft notwendig, da diese anderenfalls den Patient oder die Bedienungsperson belästigt hätte. Im Gegensatz dazu wird die Umgebungsluft bei Verwendung eines Saugluftsystems kaum verändert, bevor sie mit dem Wärmetauscher in Kontakt kommt. Außerdem bleibt das als Handgriff dienende Außenrohr, das funktionell mit in den Wärmetauscher einbezogen ist, stets auf Raumtemperatur.
Zur Einhaltung der richtigen Temperatur an der Kontaktspitze, und zwar sowohl bei einem Abkühlungs- als auch bei einem Erwärmungsvorgang, wird die gewünschte Temperatur mittels eines Wahlschalters und eines Meßinstrumentes am Netz- und Steuerteil 19 eingestellt und der Strom entsprechend der einzuhaltenden Temperatur geregelt. Mittels des Schalters 20 läßt sich die Stromrichtung umkehren, so daß, wie bereits erwähnt, die Kontaktspitze 14 mittels des Peltier-Elementes wahlweise abgekühlt oder erwärmt werden kann.
Patentansprüche
• ■ ■
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Claims (11)

Pat en ta ns prüche
1.\ Thermoelektrische Sonde für die lokale Abkühlung oder Erwärmung von Körperstellen zu medizinischen, insbesondere zahnmedizinischen Zwecken mit einem Peltier-Element als Wärmepumpe, dessen eine Seite über einen Wärmetauscher mit der Umgebungsluft als dem die Wärme aufnehmenden bzw. abgebenden Medium in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher als wärmeleitfähiger Hohlkörper(12) ausgebildet ist, in dessen Inneres ein an eine Vakuumpumpe (18) angeschlossenes Saugrohr (24) hineinreicht und der in der Umgebung der Eintrittsstelle des Saugrohres zur Umgebungsluft hin offen ist.
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugrohr (24) außerhalb des Hohlkörpers (12) in ein Anschlußrohr (16) übergeht, welches -von einem mit dem Körper verbundenen Außenrohr (15) umgeben ist und zusammen mit diesem einen Ringkanal abgrenzt, durch welchen der Hohlkörper zur Umgebungsluft hin offen ist.
3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper ein zylindrisches, an einer Stirnseite (23) verschlossenes und an der anderen Stirnseite mit dem Außenrohr (15) verbundenes Bauteil (12) ist, welches das in einem Abstand von der verschlossenen Stirnseite endende Saugrohr (24) koaxial umgibt.
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4. Sonde nach Anspruch 3f dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Bauteil (12) außen mit einer Abflachung versehen ist, auf die das Peltier-Element (13) aufgesetzt ist.
5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Querschnitt kreisförmige Außenrohr unter einem stumpfen Winkel zur Längsachse des zylindrischen Bauteiles (12) ausgerichtet ist.
6. Sonde nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des zylindrischen Bauteiles (12) längs des Umfangs variiert mit einem Maximum im Bereichder Abflachung und einem Minimum im gegenüberliegenden Bereich (Pig. 3).
7. Sonde nach Anspruch 3, 4. 5 oder 6, dadurch g e k e η η ζ e i c h ne t , daß zwischen dem zylindrischen Bauteil (12) und dem Saugrohr (24) sowie innerhalb des Saugrohres Wärmeleitbleche (26, 27) angeordnet sind, welche in Längsrichtung des Bauteils und des Saugrohres verlaufende Luftkanäle abgrenzen.
8. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugrohr durch einen zylindrischen, mittels der Wärmeleitbleche (26, 27) innerhalb des zylindrischen Bauteiles
(12) gehaltenen Blechkörper (24) gebildet ist.
9. Sonde nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g ek e η ηζ e i c hn e t, daß die Wärmeleitbleche als Rohre (26, 27) geformt sind.
10. Sonde nach einem der Anspitbhe 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb einer auf das Peltier-Element (13) aufgesetzten, wärmeleitfähigen Spitze (14) für den Kontakt mit den Körperstellen ein Temperaturmeßfühler (31, 32) angeordnet ist.
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11. Sonde nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Temperaturmeßfühler ein Mantel-Thermoelement (31, 32) ist, dessen mit der Spitze (14) in Berührung stehender Mantel (32) geerdet ist.
009882/U55. · ORfQIfMAL INSPECTED
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