DE4125535A1 - Geraet zum erzeugen thermischer energie mit einer vorwaehlbaren temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Erzeugen thermischer Energie mit einer vorwählbaren Temperatur nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein geltungsgemäßes Gerät ist aus der DE 39 25 461 A1 bekannt. Bei dem bekannten Gerät wird, beispielsweise mittels eines Peltierelementes, thermi­ sche Energie erzeugt, d. h. Wärme oder Kälte. Mittels eines ersten Wärme­ tauschers wird diese thermische Energie auf ein Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit, übertragen. Von diesem Medium aus wird die thermische Energie dann über einen zweiten Wärmetauscher letztendlich an Teile eines zu behandelnden Organismus transportiert. Ein Temperatursensor, der wahlwei­ se vorsehbar ist, erfaßt offensichtlich lediglich die Temperatur des Mediums, da er wahlweise bei einem der beiden Wärmetauscher vorsehbar ist. Das bekannte Gerät ist gut geeignet zu einer länger dauernden Behandlung eines Patienten, bei der über längere Zeit hinweg eine Körperstelle oder ein Körperteil gekühlt oder erwärmt werden soll.

Ein Nachteil des bekannten Gerätes liegt darin, daß es zwar auf einen länger dauernden Behandlungsvorgang ausgerichtet ist, nicht jedoch auf einen kür­ zeren. Bei manchen Behandlungsarten eines Patienten (Mensch, Tier) ist der behandelnde (Tier-)Arzt an einer kurzen, schnellen Temperierung (Kühlen bis hin zu Vereisen, Erwärmen) eines Körperteils oder eines Teils davon interessiert (beispielsweise in der Dermatologie: Vereisen von Muttermalen, Warzen, um diese dann im vereisten Zustand entfernen zu können). Eine solche Behandlung ist mit dem bekannten Gerät nicht möglich, da der zwei­ malige Energieaustausch in den beiden Wärmetauschern nur relativ langsam erfolgen kann. Auch die Temperaturerfassung durch den Sensor am Medium ist insoweit ungenau, da sie erst in einem eingeschwungenen Zustand des Gerätes eine gültige Aussage darüber erlaubt, welche Temperatur an dem mit der Körperoberfläche in Kontakt tretenden Teil des Gerätes herrscht. Für eine kurzfristige Temperierung ist dies absolut unzureichend, ungeachtet des bereits genannten Umstandes, daß dieses Gerät keine kurzfristige Tempe­ rierung erlaubt.

Weiterhin ist ein Gerät mit der Bezeichnung "KRYOTHERM Freeline" bekannt (diese Bezeichnung soll auch ein eingetragenes Warenzeichen sein). Dieses enthält eine Temperatursteuerung, wobei eine Temperaturvorwahl möglich ist. Des weiteren enthält es ein Teil, welches die Form eines Haar­ föns hat. Dieses Teil enthält nach Informationen der Anmelder ein Pel­ tierelement und einen Ventilator. Das Haarfön-ähnliche Teil ist mit der Temperatursteuerung verbunden. Das Peltierelement erzeugt in seinem einen Bestandteil in an sich bekannter Weise thermische Energie (d. h. wahlweise Wärme oder Kälte) aus elektrischem Strom. Wird in seinem einen Bestand­ teil Wärme erzeugt, so kühlt sein anderer Bestandteil ab, wie allgemein bekannt und im übrigen auch der vorgenannten DE 39 25 461 A1 entnehm­ bar. Entsprechendes gilt, wenn in seinem einen Bestandteil Kälte erzeugt wird: dann fällt bei seinem anderen Bestandteil eine entsprechende Abwärme an. Dieses würde die Leistung des Gerätes vermindern. Deshalb ist an dem anderen Bestandteil des Peltierelementes der Ventilator angebracht. Er soll die am anderen Bestandteil des Peltierelementes entstehende Kälte bzw. Abwärme abführen. Als Medium dafür wird Luft benutzt. Luft wiederum hat einen schlechten Wärmeleitwert (0.024 W/mK). Dies führt im Betrieb nun dazu, daß die gewünschte Temperatur am einen Bestandteil des Peltier­ elements zwar relativ schnell erreicht wird (und damit einem Patienten zuführbar ist), daß diese Temperatur jedoch nicht konstant ist, sondern daß sie wieder Werte annimmt, die in Richtung der ursprünglichen Temperatur liegen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das gattungsgemäße Gerät so weiterzubilden, daß es einerseits sehr schnell die gewünschte Temperatur erreicht und daß es andererseits diese Temperatur konstant beibehält.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Gerät gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfinder haben bei der vorliegenden Erfindung erkannt, daß bei dem bekannten Gerät die oben genannte Nicht-Konstanz der Temperatur darauf beruht, daß am anderen Bestandteil des Peltierelementes der entsprechend notwendige Energieausgleich über die Luft trotz des Ventilator wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Luft nicht schnell genug erfolgen kann. Diese Erkenntnis führte dann zum Gegenstand nach dem vorliegenden Schutzrecht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die

Fig. 1 das erfindungsgemäße Gerät in stark schematisierter Form, die

Fig. 2 und 3 vorteilhaft ausgeführte Einzelheiten in schematisier­ ter Form, die

Fig. 4 und 5 vorteilhafte räumliche Ausgestaltungen desjenigen Teils des Gerätes, an dem die zu erzeugende thermi­ sche Energie entsteht.

Nach Fig. 1, welche das erfindungsgemäße Gerät in stark schematisierter Form zeigt und mehr die technischen Einzelheiten offenbart und weniger eine realisierbare konkrete Gesamtform des Gerätes, enthält dieses an einem Teilbereich 1 seiner Oberfläche ein Peltierelement P. Je nach elektrischer Ansteuerung (nicht dargestellt aus Gründen der Übersichtlichkeit) entsteht im Betrieb an seinem einen Bestandteil, der auch einen Teilbereich 2 der Oberfläche des Peltierelementes P beinhält, Wärme bzw. Kälte als die zu erzeugende thermische Energie, während an seinem anderen Bestandteil, entsprechend umgekehrt, Kälte bzw. Wärme entsteht als eine andere, weitere thermische Energie. Das Gerät enthält weiterhin ein Medium M zum Aus­ tausch der anderen, weiteren thermischen Energie (die also nicht identisch ist mit der zu erzeugenden thermischen Energie) mit dem Peltierelement P. Das Medium M hat somit im Bereich des Peltierelementes P eine energietau­ schende Funktion. Das Gerät enthält außerdem einen Temperatursensor S sowie eine regelbare Temperatursteuerung CTRL. Bis auf das Merkmal, daß das Peltierelement P am Teilbereich 1 der Oberfläche des Gerätes angeordnet ist (welches vom bereits genannten Gerät "KRYOTHERM Freeline" bekannt ist), sind die vorstehenden Merkmale alle aus der DE 39 25 461 A1 bekannt.

Darüber hinaus enthält das erfindungsgemäße Gerät noch folgende Merk­ male: Das Medium M zum Austausch der weiteren thermischen Energie mit dem Peltierelement P ist am anderen Bestandteil des Peltierelementes P an einem weiteren Teilbereich 3 von dessen (P) Oberfläche in thermisch engem Kontakt mit dem Peltierelement P geführt, so daß das Medium M mit dem weiteren Teilbereich 3 der Oberfläche des Peltierelementes P einen ersten Wärmetauscher WT1 bildet. Das Medium weist eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 0.1 W/mK auf.

Am Teilbereich 2 der Oberfläche des Peltierelementes P ist ein Tempera­ tursensor S angebracht zum Erfassen der am einen Teilbereich 2 herrschen­ den Temperatur (Wärme bzw. Kälte je nach Betriebsart). Dieser ist mit der Temperatursteuerung CTRL z. B. über Kabel K verbunden, so daß diese in Abhängigkeit von der vorgewählten Temperatur (welche beispielsweise mit­ tels eines Einstellknopfes oder einer Digitaleingabetastatur an der Tempe­ ratursteuerung CTRL vorwählbar ist) und dem durch den Temperatursensor S ermittelten und an die Temperatursteuerung CTRL übermittelten Wert den Betrieb des Peltierelementes P regelt.

Nach Fig. 1 ist das Medium M am weiteren Teilbereich 3 der Oberfläche des Peltierelementes P diesen Teilbereich 3 umschlingend ausgeführt. Nach Fig. 2 ist in einer anderen Ausführungsform das Medium M am weiteren Teil­ bereich 3 der Oberfläche des Peltierelementes P mäanderförmig geführt.

Es ist günstig, wenn das Medium M eine Flüssigkeit ist wie z. B. Wasser, destilliertes Wasser oder Alkohol. Zu diesem Zweck ist es beispielsweise in einem Schlauch Schl oder in einem flexiblen Rohr eingeschlossen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Medium M im Betrieb in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Zu diesem Zweck ist eine (in der Zeichnung aus Gründen der Über­ sichtlichkeit nicht dargestellte) Pumpe vorsehbar, beispielsweise ähnlich wie bei der eingangs bereits erwähnten DE 39 25 461 A1.

Vorzugsweise ist die Menge des Mediums M so bemessen, daß im Betrieb derjenige Teil des Mediums M, der gerade an den weiteren Teilbereich 3 der Oberfläche des Peltierelementes P gelangt (d. h., derjenige Teil, der gerade seine wärmetauschende Funktion aufnimmt), eine Temperatur aufweist, die sich höchstens unwesentlich von der jeweiligen Zimmertemperatur unter­ scheidet. Dies ist in Fig. 1 symbolisch durch einen großen Behälter B für das Medium M dargestellt.

In einer weiteren Ausführungsform, auszugsweise dargestellt in Fig. 3, ist das Medium M (samt Schlauch Schl) mit einem zweiten Wärmetauscher WT2 verbunden, wobei der zweite Wärmetauscher WT2 weiterhin eine Vorrich­ tung P1 zur Erzeugung thermischer Energie aufweist, welche im Betrieb des Gerätes gegenläufig arbeitet zum Peltierelement P. Dies sei kurz erläutert:
entsteht im Betrieb am anderen Bestandteil des Peltierelementes P, an dem sich der weitere Teilbereich 3 seiner Oberfläche befindet, Kälte, so erzeugt die Vorrichtung P1 Wärme. Entsteht jedoch im Betrieb am anderen Bestandteil des Peltierelementes P, an dem sich der weitere Teilbereich 3 seiner Oberfläche befindet, Wärme, so erzeugt die Vorrichtung P1 Kälte. Die Vorrichtung P1 ist vorzugsweise ein weiteres Peltierelement.

Bezüglich der Gestaltung des Teilbereiches 1 der Oberfläche des Gerätes ist es, wie in Fig. 2 angedeutet, vorteilhaft, wenn dieser flach gestaltet ist, so daß er bei der Verwendung des Gerätes in einen thermisch engen Kontakt bringbar ist mit entsprechend gleich geformten Teilen, beispielsweise solchen von menschlichen oder tierischen Organismen.

Das erfindungsgemäße Gerät kann jedoch nicht nur, wie bislang stets bei­ spielhaft beschrieben, an solchen Organismen angewandt werden. Es sind auch noch völlig andere Anwendungsfälle möglich:

Beispielsweise bei der Fertigung von Halbleiterprodukten ist es üblich, auf ganzen Wafern vorliegende Halbleiterchips unter Verwendung eines sog. Wafer Prober zu prüfen. Ein solcher Wafer Prober weist zu diesem Zweck eine Auflage auf, allgemein als "Chuck" bekannt, auf welche die Wafer zur Durchführung des Prüfvorganges gelegt werden. Insbesondere bei der Fertigung integrierter Halbleiterspeicher ist es dabei üblich, die Chips auf dem Wafer auch bei Temperaturen ungleich der Zimmertemperatur (z. B. bei 10°C und bei 80°C) zu prüfen. Dies erfolgt dann dadurch, daß der Ghuck entsprechend gekühlt oder beheizt wird. Einen solchen Chuck nennt man "Thermochuck". Die vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, den Teilbe­ reich 1 der Oberfläche des Gerätes als einen solchen Thermochuck zu verwen­ den, da dieses Gerät es ermöglicht, daß die angestrebte Temperatur sehr schnell erreicht wird und daß sie sehr konstant gehalten werden kann. Weitere, andere Anwendungsmöglichkeiten sind aufgrund der vielseitig mög­ lichen Einsetzbarkeit des Gerätes, das im übrigen insgesamt sehr kompakt gestaltbar ist, leicht vorstellbar.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Gerätes, bei der der Teilbereich 1 seiner Oberfläche rundlich, oval oder ellipsoid gestaltet ist. Damit ist dieser Teilbereich 1 der Oberfläche in einen thermisch engen Kontakt bringbar mit entsprechend entgegengesetzt geformten Teilen von zu temperierenden Orga­ nismen oder Gegenständen.

Claims (13)

1. Gerät zum Erzeugen thermischer Energie mit einer vorwählbaren Temperatur an einem Teilbereich (1) seiner Oberfläche mit wenigstens einem Peltierelement (P) zum Erzeugen der thermischen Energie, einem Medium (M) zum Austausch weiterer thermischer Energie mit dem Peltierelement (P), einem Temperatursensor (S) und einer regelbaren Temperatursteuerung (CTRL), gekennzeichnet durch folgende Merk­ male:

• - das Peltierelement (P) ist mit einem Teilbereich (2) seiner Oberfläche am Teilbereich (1) der Oberfläche des Gerätes angeordnet,
• - das Medium (M) zum Austausch der weiteren thermischen Energie mit dem Peltierelement (P) ist an einem weiteren Teilbereich (3) der Oberfläche des Peltierelementes (P) in engem thermischen Kontakt geführt, so daß das Medium (M) mit dem weiteren Teilbereich (3) einen ersten Wärmetauscher (WT1) bildet,
• - das Medium weist eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 0.1 W/mK auf,
• - der Temperatursensor (S) ist am einen Teilbereich (2) der Oberfläche des Peltierelementes (P) angeordnet und er ist mit der Temperatur­ steuerung (CTRL) verbunden.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (M) am weiteren Teilbereich (3) der Oberfläche des Peltierelementes (P) diesen umschlingend geführt ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (M) am weiteren Teilbereich (3) der Oberfläche des Peltierelementes (P) mäanderförmig geführt ist.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Medium (M) eine Flüssigkeit ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser, insbesondere destilliertes Wasser ist.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Alkohol ist.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Medium (M) im Betrieb in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert.

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Temperatursteuerung (CTRL) so ausgelegt ist, daß mittels ihr, je nach Temperaturvorwahl, sowohl Kälte wie auch Wärme als thermische Energie durch das Peltierelement (P) erzeugbar ist.

9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Medium (M) mengenmäßig so bemessen ist, daß jeweils derjenige Anteil des Mediums (M), der im Betrieb an den weiteren Teil­ bereich (3) der Oberfläche des Peltierelementes (P) gelangt, unabhängig von der vorgewählten Temperatur am Teilbereich (1) der Oberfläche des Gerätes eine Temperatur aufweist, die sich höchstens unwesentlich von der jeweiligen Zimmertemperatur unterscheidet.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (M) mit einem zweiten Wärmetauscher (WT2) verbunden ist, wobei der zweite Wärmetauscher (WT2) weiterhin eine Vorrich­ tung (P1) zur Erzeugung thermischer Energie aufweist, welche im Betrieb des Gerätes thermisch gegenläufig arbeitet zum Peltierelement (P).

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (P1) ein weiteres Peltierelement ist.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (1) der Oberfläche des Gerätes rundlich, oval oder ellip­ soid gestaltet ist, so daß er in einen thermisch engen Kontakt mit ent­ sprechend entgegengesetzt geformten Teilen von menschlichen oder tierischen Organismen bringbar ist.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (1) der Oberfläche des Gerätes flach gestaltet ist, so daß er in einen thermisch engen Kontakt mit entsprechend geformten Teilen von menschlichen oder tierischen Organismen oder von Gegenständen bringbar ist.