ES2254597T3 - Sonda criogenica a base de un modulo peltier. - Google Patents

Abstract

Criosonda que comprende un módulo Peltier (22) con una parte fría y una parte caliente; un suministro de energía eléctrica (34) conectado a dicho módulo Peltier; una cabeza de enfriamiento (23) colocada sobre dicha parte fría; un elemento de disipación de calor (24) colocado sobre dicha parte caliente; una reserva (25) para un líquido térmicamente conductivo en contacto con dicho elemento de disipación de calor (24); caracterizada por el hecho de que dicha cabeza de enfriamiento (23) tiene la forma de un cono truncado o posee una superficie superior ligeramente esférica.

Description

Sonda criogénica a base de un módulo Peltier.

Campo del la invención

Esta invención se refiere a un aparato llamado "criosonda" o "sonda criogénica" para enfriar o calentar una superficie flexible. Más en concreto, este aparato se puede utilizar para el tratamiento térmico de la piel del cuerpo humano o de animales.

El objetivo principal de la "criosonda" es sustituir los cubitos de hielo tradicionales y otros medios de enfriamiento. Aunque también es posible la terapia térmica, la "criosonda" se aplicará generalmente por fisioterapeutas y en medicina general. El enfriamiento es una buena terapia y un método aceptado contra inflamaciones específicas que se conoce desde hace varios siglos.

En comparación con los medios existentes, nuestra "criosonda" tiene la ventaja de que la temperatura, la potencia y el tiempo de enfriamiento son controlables. La "criosonda" según la presente invención puede ser diseñada en forma de una sonda manual fácil de manejar, ver Fig. 13 que muestra un modelo en tres dimensiones. La "criosonda" tiene una enorme potencia de enfriamiento.

Antecedentes de la invención

Algunas enfermedades específicas necesitan un tratamiento local de la piel con frío o calor, o un tratamiento con variaciones de temperatura controladas con una gran potencia de enfriamiento. Puesto que el principal objetivo de la sonda es enfriar, se va a tratar sobre todo el aspecto del enfriamiento. El frío es hasta ahora el medio más antiguo y usado con mayor frecuencia en el tratamiento de lesiones agudas musculoesqueléticas. Ofrece, según varios autores, los siguientes efectos beneficiosos:

1)

Aumento de la circulación sanguínea (Travell, J., Simons, D.: Myofascial Pain and Dysfunction, The Trigger point manual, volume 1&2, Williams & Wilkins)

2)

Aumento de la movilidad articular (Nielson, A. J.: Spray and stretch for relief of myofacial pain. Physical Therapy, 58, 567-569, 1978)

3)

Disminución de la inflamación (Schmidt, K.L., e.a.: Heat, cold and inflammation. Zeitschrift für Rheumatologie, 38, 391-404, 1979)

4)

Disminución del edema (Meeusen, R., e.a.: Cryotherapy in sportmedicine-the effect of topical ice application on the permeability of the lymphvessels, Sports and Medicine. McGregor and Moncur, 246-250, 1986)

5)

Aumento de la relajación muscular (Clenendi, N.M.A. and Czumski, A. J.: Influence of cutaneous ice application on single motor units in humans. Physical Therapy, 51, 166-175, 1971)

6)

Disminución de los espasmos musculares (6) (Lee, J.M. and Warren, M.P.: Cold therapy in rehabilitation, Belt & Hymen, London, 1978)

7)

Disminución del dolor (Grant, A.E.: Massage with ice in the treatment of painful conditions of the musculoskeletal system, Arch. Phys. Med. Rehab., 44, 233-238, 1964)

8)

Interrupción del ciclo de dolor y espasmos (8) (Oison, J.E. and Stravino, V.D.: A review of cryotherapy. Physical Therapy, 53, 53, 840-853, 1972)

En el pasado, la terapia por enfriamiento o crioterapia se ha aplicado a menudo por medio de cubitos de hielo, dentro o fuera de una envoltura, p. ej. dentro una bolsa impermeable o en una copa. Al mismo tiempo, se pusieron en venta bolsas que contenían un gel específico. Éstos debían enfriarse en un refrigerador. Después se aplicaban sobre la piel. Alternativamente, se aplicaba aire frío, a través de un sistema de enfriamiento, sobre la piel de una parte del cuerpo.

Otro método es la aplicación de substancias muy volátiles que tienen un punto de ebullición muy bajo, tales como "etilcloruro" y/o "fluorimetano". Se trata de CFC's que son peligrosos para la capa de ozono y venenosos para el hombre. Su uso ha sido prohibido en algunos estados de EE.UU. por esta razón.

Todos los sistemas antes mencionados tienen el problema de que el control de la temperatura en el medio de enfriamiento y en la superficie tratada es muy bajo, e incluso imposible. Por otro lado, la capacidad de enfriamiento de otros medios es muy baja para ser significativa terapéuticamente.

El problema reside, por lo tanto, en desarrollar un sistema mediante el cual la producción de calor o la disipación del calor pueda ser controlada de forma continua y con suficiente potencia. Esto permite sustituir el hielo y tiene la ventaja de que puede ser diseñado en una forma que sea fácil de manejar, ver Fig. 13.

La patente estadounidense US-A-4, 519, 389 describe una "criosonda" para congelar las lentes oculares durante la cirugía. Esta "criosonda" consiste en un pequeño elemento Peltier. La parte fría está en contacto directo con la lente ocular. La parte caliente está colocada sobre un elemento de disipación de calor, que puede ser utilizado como un conductor eléctrico. El elemento de disipación del calor es enfriado por la atmósfera del ambiente o por el contacto con la mano del médico.

Aunque este tipo de "criosonda" es adecuada para enfriar pequeñas superficies, como una lente ocular, no es adecuada para enfriar cuerpos más grandes como piel, músculo y otros tejidos subyacentes con buena circula-
ción.

Por un lado es imposible que un elemento Peltier, colocado de esta manera, provea el transporte de calor requerido. Por otro lado, es imposible que esta cantidad de calor, liberada por la parte del cuerpo, pueda ser disipada por el aire del ambiente, a menos que su flujo sea sustancialmente forzado. Al mismo tiempo, el calor que se elimina, debe ser conducido adecuadamente a través de la "criosonda", de manera que el ambiente no haga desaparecer sin querer una porción del transporte de calor utilizable.

También en las patentes US-A-3,207,159, US-A-4,585,002, US-A-4, 860,748, US-A-3, 133,539, US-A-3,168,895, US-A-4,915,108, EP-A-0 552 379 y EP-A-0 651 308, se utilizan elementos Peltier para enfriar la piel. Sin embargo, ninguna de las formas de realización de las mismas tiene una capacidad de enfriamiento útil comparable con la capacidad del hielo.

FR-A-2 613 611 revela una "criosonda" que comprende un módulo Peltier con un suministro de energía y un cabezal de enfriamiento. Un intercambiador de calor que contiene un líquido térmicamente conductivo está en contacto con el lado caliente del módulo Peltier. Este ensamblaje sin embargo todavía tiene algunas desventajas, que se resuelven en la presente invención como se explicará más adelante.

WO-A-9 316 667 describe una sonda criogénica, que incluye un foco de frío y una punta desmontable en comunicación térmica con el foco de frío.

US-A-5 097 828 describe un aparato terapéutico con una cabeza térmicamente conductiva, que incluye una placa de contacto térmicamente conductiva, aislada térmicamente de la cabeza. Se provee un aparato de efecto Peltier para calentar o enfriar la placa de contacto. La cabeza funciona como un disipador de calor.

Objetivos de la invención

El objetivo de la presente invención es proveer una "criosonda" o sonda criogénica que comprende un elemento o módulo Peltier, el cual produce una potencia de enfriamiento suficientemente grande, preferiblemente con 30 W de fuerza de bombeo por 9 cm^{2}.

Otro objetivo de la invención es que la eficacia de la "criosonda" sea comparable con el uso del hielo u otros medios utilizados en esta aplicación.

Otro objeto más de la invención es que la "criosonda" sea fácil de manejar y tenga una forma fácil de utilizar.

Otro objetivo es elaborar una nueva técnica para fijar un módulo Peltier, logrando así un transporte óptimo del calor:

- desde la parte fría del módulo Peltier hasta la cabeza de enfriamiento; y,

- desde la parte caliente del módulo Peltier al elemento disipador de calor.

Otro objetivo de la invención es controlar y dirigir la temperatura de la "criosonda", con el fin de ahorrar tiempo de vida al módulo Peltier.

Otro objetivo de la invención es hacer que la "criosonda" sea adecuada en aplicaciones sobre superficies elásticas.

Otros objetivos y ventajas adicionales de la presente invención se describen y aparecen como evidentes a partir de la siguiente descripción.

Resumen de la invención

La presente invención se refiere a una "criosonda" o "sonda criogénica" que incluye los aspectos establecidos en la reivindicación 1. Otros aspectos más específicos de las formas de realización preferidas se establecen en las reivindicaciones dependientes.

Al usar un módulo Peltier, como el que se describe más adelante en detalle, se puede difundir más calor que con un solo elemento Peltier. En el texto siguiente, se usa tanto elemento Peltier como módulo Peltier, siempre refiriéndose a un módulo Peltier. Es preferible diseñar una cabeza de enfriamiento de manera que tome la forma deseada de la superficie que debe enfriar.

Para la terapia de enfriamiento de la superficie de la piel, es preferible que esta cabeza de enfriamiento tenga la forma de un cono truncado o que sea cónica. Esta forma aumenta el transporte continuo de calor desde la base del cono, donde está ubicado el elemento Peltier, hasta la parte superior, donde se sitúa la superficie que debe ser enfriada. La parte superior de este cono, que está en contacto con la piel, es preferiblemente ligeramente esférica. La superficie exterior de la forma cónica de la cabeza de enfriamiento está preferiblemente aislada mediante un revestimiento sintético aislante, de arriba a bajo.

Un detector de la temperatura, en la cabeza de enfriamiento, permite un control de la temperatura de la cabeza de enfriamiento por medio de los elementos electrónicos necesarios, de manera que se pueden ejercer las acciones electrónicas correctas y apropiadas cuando la temperatura alcanza un valor no deseado. Un elemento de disipación del calor o aleta de enfriamiento permite disipar el calor generado en el lado caliente del módulo Peltier. El líquido térmicamente conductivo, en contacto con el elemento de disipación del calor, proporciona una buena disipación del calor, sin demasiado ruido. Se puede utilizar aire a alta presión para disipar el calor, aunque parece ser menos adecuado que líquidos de alta absorción calorífica, como etilglicol con agua.

Descripción detallada de la invención

La invención se describe a continuación mediante ejemplos, los cuales hacen referencia a las figuras anexas, en las que:

La Fig. 1 es un corte transversal de la "criosonda" según la presente invención.

La Fig. 2 es una vista superior de la "criosonda" según un corte transversal a lo largo del plano 1-1 de figura 1.

La Fig. 3 es una vista superior de la "criosonda" según un corte transversal a lo largo del lado 2-2 de figura 1.

La Fig. 4 muestra el efecto Seebeck.

La Fig. 5 muestra el efecto Peltier.

La Fig. 6 muestra una presentación de un aparato de enfriamiento teórico.

La Fig. 7 muestra la potencia máxima de enfriamiento Q_{c} en función de la temperatura T_{c} en la junta fría del módulo Peltier.

La Fig. 8 muestra la potencia máxima de enfriamiento Q_{h} en función de la temperatura T_{h} en la junta caliente del módulo Peltier.

La Fig. 9 muestra una presentación esquemática del intercambiador de calor aire/líquido de enfriamiento.

La Fig. 10 muestra una presentación esquemática del intercambiador de calor con un aparato compresor de enfriamiento.

La Fig. 11 muestra un diagrama funcional del mecanismo electrónico de control.

La Fig. 12 muestra una vista despiezada de las partes más importantes de un modelo tridimensional de la "criosonda" según la presente invención.

La Fig. 13 muestra una vista tridimensional de la "criosonda" ensamblada según la presente invención.

La Fig. 14a muestra el revestimiento superior de una "criosonda" específica.

La Fig. 14b muestra el revestimiento inferior correspondiente a la Fig. 14a.

La Fig. 15a muestra una vista lateral de la parte inferior del elemento de disipación de calor.

La Fig. 15b muestra una vista superior de la parte superior del elemento de disipación de calor.

La Fig. 16a muestra una vista lateral de la cabeza de enfriamiento.

La Fig. 16b muestra una vista superior de la cabeza de enfriamiento.

La Fig. 1 muestra esquemáticamente un corte transversal de la "criosonda" según la presente invención, con las partes esenciales establecidas en la reivindicación 1. Una forma de realización de la "criosonda" se describe ahora en conjunto en las Fig. 1, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a y 16b. Números de referencia iguales indican los mismos elementos en las diferentes figuras.

El revestimiento 21, representado esquemáticamente en la Fig. 1, se representa en mayor detalle en la Fig. 14a y Fig. 14b. El revestimiento 21 comprende un revestimiento inferior 21a y un revestimiento superior 21b. El revestimiento superior 21b tiene una parte estrecha 81 en la superficie externa, que encaja exactamente en una parte más ancha 82 de la superficie interna del revestimiento inferior 21a. Durante el ensamblaje, ambos se insertan y se encajan. El reves-
timiento inferior tiene una sección más ancha por debajo de p. ej. la mitad, de manera que se forma una pestaña 83.

La Fig. 15a y la Fig. 15b muestran un elemento de disipación de calor 24. Este elemento es preferiblemente de cobre, ya que la transmisión del calor del cobre es tres veces mejor que la transmisión del calor del aluminio. Debido a una mejora en la disipación del calor, la temperatura de la junta caliente será inferior. De esa manera, la eficacia del módulo Peltier mejorará increíblemente. Todas las partes de cobre estarán preferiblemente cubiertas por una delgada capa de plata. La plata es preferiblemente pasivada, para evitar que el cobre y la plata se oxiden. El elemento de disipación de calor comprende un disco circular inferior 84, que tiene un diámetro de 44,8 mm y un espesor de 6,5 mm. En la superficie exterior cilíndrica del disco 84, se provee un surco, con una profundidad de 2 mm y una anchura de 1,5 mm. En este surco, se puede insertar un anillo tórico 37 (ver Fig. 1) para sellar el líquido de enfriamiento. En el disco 84, se instala un copa 86. La superficie exterior de la copa es cilíndrica, la superficie interior muestra grandes aletas de enfriamiento del líquido 87. La copa está sellada por la parte superior con una cubierta (no mostrada), con dos tubos: uno para el suministro y otro para el drenaje del líquido de enfriamiento. Es importante que la salida de los tubos se sitúen a un nivel diferente en la copa, para evitar el drenaje inmediato del líquido de enfriamiento suministrado. Se obtuvo una mayor eficiencia cuando el líquido de enfriamiento se suministró por el tubo situado más bajo en el interior de la copa y era drenado por el tubo más alto en el interior la copa. También la cubierta de la copa es preferiblemente de cobre, y se suelda a la copa durante la fabricación. De esta manera, el elemento entero de disipación de calor forma un circuito cerrado de calor, lo que mejora considerablemente la transferencia de calor. En el disco circular inferior 84 se proveen cuatro orificios 46a, 46b, 46c y 46d para pasar unos tornillos, lo cual se describe más abajo. Además, se proporciona una abertura para pasar los conductores del detector de calor.

La Fig. 16b muestra una vista superior de la cabeza de enfriamiento 23. La cabeza de enfriamiento también tiene un surco circular 89, dentro del cual se instala un anillo tórico 90 de sellado. La cabeza de enfriamiento tiene cuatro orificios roscados para tornillos 43a, 43b, 43c y 43d, que tienen preferiblemente una profundidad de 7 mm y son del tipo M3. Estos orificios están preferiblemente situados a distancias iguales en el contorno de un círculo. Además, la cabeza de enfriamiento tiene un agujero 91 para el detector de calor. Los orificios 43a, 43b, 43c y 43d y el agujero 91 dejan suficiente espacio para montar en la cabeza de enfriamiento un módulo Peltier, indicado por líneas rayadas que forman un cuadro en la Fig. 16b. Es evidente que la cabeza de enfriamiento 23 tiene una superficie mayor que la superficie del plano inferior de la copa 86 del elemento de disipación de calor. Por eso, es ventajoso elegir para el elemento de disipación de calor un metal que tenga una conductividad del calor superior (cobre) que el de la cabeza de enfriamiento (aluminio), aunque el peso específico del cobre sea más alto que el del aluminio.

La "criosonda" se ensambla a continuación de la manera siguiente. Primero, el detector de temperatura se coloca en el agujero 91 de la cabeza de enfriamiento 23. Usando una pasta térmica para introducir el detector en el agujero, se obtiene un buen contacto térmicamente conductivo entre el detector y la cabeza de enfriamiento. La pasta térmica puede contener siliconas térmicamente conductivas, como Dow Corning 340 "compuesto disipador del calor" o pegamento térmico (Silver), como "AMICON ct 4042-32". Después, la superficie superior de la cabeza de enfriamiento es provista con una capa de silicona térmicamente conductiva. Sobre esa capa, se instala el módulo Peltier, con lo que se logra un buen contacto térmico con la cabeza de enfriamiento. La parte superior del módulo Peltier también está preferiblemente cubierta por una capa de siliconas térmicamente conductivas. Los conductores del detector de calor pasan por el pasaje 88 en el elemento de disipación de calor, y luego el elemento de disipación de calor se coloca sobre las siliconas térmicamente conductivas encima de la junta de calor del módulo Peltier. En cada orificio 46a, 46b, 46c y 46d del elemento de disipación de calor, se coloca una anilla de plástico, para aislar térmicamente los tornillos de acero del elemento de disipación de calor, y para aislar galvánicamente el circuito de agua de la cabeza de enfriamiento. Después, dos tornillos de acero inoxidable son pasados por las anillas y los orificios 46a, 46b, 46c y 46d del elemento de disipación de calor, y son atornillados en los respectivos orificios roscados para tornillos 43a, 43b, 43c y 43d en la cabeza de enfriamiento. La fuerza de estos tornillos es decisiva para la fuerza con que se presiona el módulo Peltier entre la cabeza de enfriamiento y el elemento de disipación de calor. Los tornillos de acero inoxidable, pueden ser reemplazados por tornillos de plástico, preferiblemente de nailon. Estos tornillos pueden soportar las expansiones y las compresiones del ensamblaje producidas por las variaciones en la temperatura. Esto evita una tensión excesiva en el módulo Peltier. Debido a los cuatro tornillos, el pegamento térmicamente conductivo tiene como función más importante ser un elemento conductivo del calor más que la de ser un pegamento. Por lo tanto, el pegamento de las juntas caliente y fría del módulo Peltier puede ser sustituido por una pasta térmicamente conductiva o viceversa. En los surcos 85 y 89, se colocan los respectivos anillos tóricos. El ensamblaje atornillado formado por la cabeza de enfriamiento, el módulo Peltier y el elemento de disipación de calor es ahora introducido dentro del revestimiento inferior 21a, mostrado en la Fig. 14b, de abajo hacia arriba. Preferiblemente, se aplica pegamento -PVC a los anillos tóricos y al elemento de disipación de calor. Puesto que el revestimiento está preferiblemente hecho de PVC-MZ, fabricado por Erics, el pegamento es compatible con el revestimiento. La aplicación del pegamento mejora el deslizamiento del ensamblaje en el interior del revestimiento inferior. Después de endurecerse, el ensamblaje permanecerá asegurado en el revestimiento. El ensamblaje es introducido en el revestimiento inferior hasta que el anillo tórico 92 de la cabeza de enfriamiento choca contra la pestaña 83 del revestimiento. De esta manera, el módulo Peltier evitará impactos o choques, incluso si la cabeza de enfriamiento rebota en superficies sólidas. Además, los anillos tóricos proporcionan un buen aislamiento térmico, lo que es la clave para el buen funcionamiento de la "criosonda". Puesto que el módulo Peltier cerámico es colocado en flotación sobre los anillos tóricos, el módulo es mucho más resistente al choque.

Si la "criosonda" se usa para calentar una superficie, entonces el elemento de disipación de calor es enfriado por el módulo Peltier. Mediante esta acción, el líquido de enfriamiento se podría congelar, si no estuviese equipado con un medio anticongelante, como "glicol". En el circuito primario, donde el freón se dilata, el agua puede alcanzar una temperatura de -7ºC. En este caso, no se puede utilizar agua pura, ya que se congela a 0ºC. Cuando el freón se comprime en el sistema de compresión/expansión, el calor producido es disipado por el aire del ambiente.

En operaciones normales, el líquido de enfriamiento circula y es enfriado en el compresor. Puesto que no se hace uso de un segundo módulo Peltier para enfriar el líquido de enfriamiento, y no se hace uso de un sistema aire/aire, sino que se hace uso de un sistema compresión/expansión, la temperatura del líquido de enfriamiento, y por lo tanto también el manejo óptimo del módulo Peltier y de la "criosonda" en general, es más independiente de la temperatura ambiente. Incluso hasta en un ambiente de 30ºC, el sistema según la presente invención sigue funcionando de acuerdo con sus especificaciones.

La parte operativa más importante es el módulo Peltier 22 de la Fig. 1, 2. Un módulo Peltier que se puede utilizar en una "criosonda" de acuerdo con esta invención es del tipo CP-1.4-71-045, fabricado por MELCOR.

Un módulo Peltier está preferiblemente formado por una cantidad de pares termoeléctricos térmicamente paralelos, acoplados electrónicamente y en serie. En este caso, se utilizan 71 pares termoeléctricos. Un módulo Peltier es principalmente una bomba de calor formada por un semiconductor. En la "junta fría" o "parte fría" de un módulo Peltier, la energía en forma de calor es absorbida por electrones (en transición de un semiconductor a otro). Estos electrones son hechos desplazarse de un nivel energético bajo a un nivel energético alto.

Una fuente de tensión, una fuente de corriente eléctrica o en general un suministro de energía eléctrico-dinámico 34 en la Fig. 11, proporciona la energía para mover los electrones por los semiconductores. En la "junta caliente" o la "parte caliente" los electrones se mueven de un nivel energético alto a un nivel energético bajo. Allí la energía es disipada en el ambiente. Esto se aplica no sólo a la energía absorbida por la parte fría, sino también a la energía adicional que se necesita para mover los electrones por los semiconductores del módulo Peltier. Esta ultima energía es proporcionada, como se ha dicho antes, por la fuente de electricidad 34. La Fig. 11 muestra la aplicación de 220 voltios por el filtro de entrada 34a. Esta tensión es transformada y distribuida por la tensión de control T2 y la tensión de excitación Ti, ambas con una tensión baja requerida de 24 Voltios. Esta tensión alterna es rectificada en 34c.

En referencia a la Fig. 11 y a la Fig. 1, la Fig. 1 muestra dos cables de suministro 40, 41 de electricidad, necesarios para transmitir la energía eléctrica desde la fuente de electricidad 34 al módulo Peltier 22, a través del suministro de energía conmutada 72. En la parte fría del módulo Peltier, se coloca la cabeza de enfriamiento 23. Esta cabeza de enfriamiento tiene preferiblemente la forma de un cono truncado, en el cual la superficie de la base debe tener un contacto térmicamente muy bueno con la parte fría del módulo Peltier, y en el cual la superficie superior sirve para disipar el calor de la superficie que va a ser tratada. La superficie superior también puede tener la forma de una superficie ligeramente esférica, de manera que el área de contacto de una superficie elástica que va a ser tratada pueda ser aumentada impulsando la "criosonda" con mayor firmeza.

En referencia a la Fig. 1 y a la Fig. 3, se construye un detector de temperatura 31 en la cabeza de enfriamiento 23, en el agujero 60 de la cabeza de enfriamiento. Su función es controlar la temperatura de la cabeza de enfriamiento. De esta manera, el detector transmite los datos al micro-controlador 30b mostrado en la Fig. 11, el cual, a su vez, va a comparar la temperatura requerida con la del detector de la temperatura 31, para regular la tensión aplicada al módulo Peltier en caso necesario. Es importante determinar un algoritmo adecuado para el control de la temperatura. Se prefiere un control proporcional, que puede ser incorporado en el Eprom del circuito de control 30b. Preferiblemente, el detector de temperatura 31 es un par termoeléctrico, un termistor, un PM 00, una resistencia NTC, un resistencia PTC, o un diodo térmicamente sensible que produce 10 mV/ºC, el cual proporciona entre dos conductores, o una tensión o una diferencia de la resistividad en función de la temperatura. Un detector de temperatura 31 adecuado para la presente invención es por ejemplo un LM335 con cables de conexión 31a, 31b, 31c, mostrados en la Fig. 2 y la Fig. 3 y fabricado por National Semiconductor Corporation. En este caso, se puede dirigir un tercer conductor al detector de temperatura. Este último tiene la función de calibrar el detector de temperatura en caso necesario.

El contacto térmico entre el detector de temperatura 31 y la cabeza de enfriamiento 23 debe ser diseñado con cuidado. Por ello, el detector de temperatura puede ser colocado en un el agujero 60 de la cabeza de enfriamiento 23 y fijado con pegamento o una pasta térmicamente conductiva p. ej.: Dow Corning 340 "compuesto disipador del calor".

La cantidad de calor desarrollada en la parte caliente del elemento Peltier es más o menos igual a:

-

el calor que debe ser disipado por la parte fría, añadido a:

-

la cantidad de energía eléctrica que debe ser aplicada al módulo Peltier, para que pueda operar como bomba de calor.

No es suficiente enfriar la parte caliente del módulo Peltier con el aire ambiente, de acuerdo con esta invención, tampoco aunque sea guiado de manera forzada por la parte caliente del módulo Peltier. Se podría utilizar en teoría incluso aire a alta presión, pero todavía no permitiría un enfriamiento suficiente. Una buena disipación en la parte caliente sólo se puede lograr con un elemento de disipación 24 adecuado con un buen contacto térmico con la parte caliente del módulo Peltier. La disipación de calor significa que 24 debe ser diseñado de manera que sea capaz de disipar la cantidad requerida de calorías de calor. Por lo tanto, la superficie total, la construcción de las aletas de enfriamiento y el espesor y la longitud del material son muy importantes.

Además, los medios de disipación de calor según nuestra invención son preferiblemente enfriados de manera casi permanente por un líquido de enfriamiento, preferiblemente compuesto por un 20% de etilglicol y un 80% de agua desmineralizada. El líquido de enfriamiento transporta el calor disipado fuera de la "criosonda". Este líquido de enfriamiento tiene preferiblemente una buena conductividad térmica. Además, el líquido es preferiblemente forzado por convección. El líquido de enfriamiento es preferiblemente suministrado a través de un pasaje de suministro 26 mostrado en la Fig. 1, mediante una placa giratoria 56 a una reserva 25 y drenado por un pasaje de drenaje 27 mediante una placa giratoria 57.

La superficie exterior 21 de la reserva interior 25 es preferiblemente de un material sintético. Se prefiere que el material sintético aísle bien térmicamente y además es importante que el material sintético sea 100% impermeable y no tenga capacidad absorbente del líquido de enfriamiento, de manera que no pueda producirse una expansión del material.

En nuestra invención se usa material "PVC-MZ" del fabricante: SIMONA. Este material tiene un rango de temperaturas de -10ºC hasta 65ºC, es muy repelente al agua y no tiene deformación nominal dentro del rango de temperaturas. Además, el material puede ser adherido perfectamente. Preferiblemente, la región más grande de la superficie exterior cónica de la cabeza de enfriamiento 23 está sellada al aire ambiental mediante un material sintético térmicamente aislante 59. Por eso, por un lado, la transmisión de calor del aire del ambiente a la cabeza de enfriamiento es mínima y, por otro lado, la incidencia de la condensación en la cabeza de enfriamiento se reduce al mínimo. Por lo tanto, la capacidad de enfriamiento del módulo Peltier puede ser aplicada de manera óptima sobre la superficie 64 que va a ser tratada. Se prefiere acomodar el material sintético lo mejor posible sobre la superficie exterior de la cabeza de enfriamiento, en dos líneas de contacto: una en la base de la cabeza de enfriamiento, donde se coloca el módulo Peltier, y otra cerca de la parte superior de la cabeza de enfriamiento. Entre estas dos líneas de contacto, entre la parte interior del material sintético y la superficie exterior de la cabeza de enfriamiento se prefiere dejar un delgado hueco de aire. El aire estático proporciona allí un aislamiento térmico añadido y, a través de las finas líneas de contacto no puede entrar el aire del ambiente. Así, como se ha descrito antes, el aire húmedo del ambiente no se puede condensar en la superficie exterior de la cabeza de enfriamiento.

Preferiblemente, la superficie exterior 54 de la reserva interior 25 de la "criosonda" y la cubierta de la superficie exterior 59 de la cabeza de enfriamiento 23 están formadas por un revestimiento sintético de una pieza 21. Este revestimiento sintético tiene preferiblemente en su interior una sección transversal circular, que simplifica considerablemente el montaje de las partes internas de la "criosonda", especialmente con respeto a las partes selladas. Además la superficie externa del revestimiento puede ser predominantemente circular, lo que aumenta considerablemente la facilidad del manejo. Sin embargo, la superficie exterior del revestimiento puede tener también una forma irregular, lo que mejora el diseño y la facilidad de manejo. También es posible incluir entrantes, surcos y similares en la superficie exterior del revestimiento 21 para mejorar la facilidad de manejo. Una característica importante de la "criosonda" de acuerdo con la
presente invención es que un transporte óptimo del calor se alcanza mediante el conjunto del sistema, particularmente:

-

desde el elemento de disipación de calor 24

-

hasta la cabeza de enfriamiento 23.

Además, debe ser posible realizar cambios rápidos en la temperatura de la cabeza de enfriamiento para permitir tratamientos específicos de calor y frío. Como se sabe, la dirección de enfriamiento o calentamiento de un elemento y de un módulo Peltier se establece mediante la determinación de la polaridad de la tensión eléctrica en c.c. Este cambio puede ser controlado mediante un panel de control 73, mostrado en la Fig. 11. Por lo tanto, se pueden tomar varias medidas.

Ante todo, es muy ventajoso hacer la cabeza de enfriamiento 23 de un material sólido que tenga una conductividad térmica muy alta y baja inercia térmica ó capacidad calorífica. Por la alta conductividad térmica, se logra que la temperatura de la cabeza de enfriamiento tenga el mismo valor en casi todas las zonas. Esto ofrece ventajas a la hora de enfriar o calentar de forma continua la superficie tratada. Además, el detector de temperatura 31, independientemente de dónde esté localizado dentro de la cabeza de enfriamiento, siempre reflejará de forma fiel la temperatura exacta, que es casi igual dentro del conjunto de la cabeza de enfriamiento. La baja capacidad calorífica proporciona una reacción rápida de la "criosonda" ante los cambios de temperatura deseados. Si la cabeza de enfriamiento debe ser calentada de repente por el módulo Peltier para aumentar la temperatura en 5ºC, entonces el módulo Peltier debe suministrar una cantidad de calor proporcional a la diferencia de temperatura (5ºC), la masa de la cabeza de enfriamiento y el coeficiente de calor. Debido a que el módulo Peltier sólo es capaz de suministrar o absorber un flujo máximo de calor o cantidad de calor por unidad de tiempo, un bajo coeficiente de calor en el material de la cabeza de enfriamiento es ventajoso para reducir el tiempo total de reacción.

Un material sólido adecuado para la cabeza de enfriamiento 23 es un metal, preferiblemente aluminio. Una aleación consistente en su mayor parte de aluminio también es muy adecuada para la cabeza de enfriamiento de la "criosonda" de acuerdo con la presente invención. Por un lado cumple con el requisito mencionado arriba respeto al coeficiente de calor y, por otro lado, este material es de peso bajo y se trabaja fácilmente en tornos y fresadoras, lo cual es un requisito previo importante para la producción. Otras aleaciones de metales con otros materiales también pueden tener el efecto ventajoso requerido. También es preferible anodizar todas las piezas de aluminio, con un espesor de preferiblemente 25 \mum, para protegerlo contra la oxidación por el líquido de enfriamiento y el aire del ambiente en la cabeza de enfriamiento 23. Para asegurar un transporte óptimo del calor

-

a través de la superficie de contacto 52 entre la junta fría del módulo Peltier y la cabeza de enfriamiento por un lado; y,

-

a través de la superficie de contacto 53 entre la junta caliente del módulo Peltier y el elemento de disipación de calor por el otro lado,

es ventajoso evitar barreras al calor. Un buen transporte del calor por estas superficies de contacto se puede lograr en primer lugar juntando los elementos fuertemente unos contra otros.

En la base de la cabeza de enfriamiento 23 se proveen dos orificios 42, 43, mostrados en la Fig. 1 y la Fig. 3, ambos orificios provistos con una rosca interior. En el elemento de disipación de calor 24, se proveen dos agujeros 46, 47. Cada uno de estos agujeros está provisto por la parte superior con un anillo de sellado 48, 49, mostrados en la Fig. 2. Estos anillos evitan por un lado que el líquido de enfriamiento de la reserva pueda penetrar en los agujeros cilíndricos 46, 47. Por otro lado, sirven también como aislante entre la parte fría y la parte caliente. Al ensamblar la "criosonda", en cada orificio 46, 47 y a través de los anillos de sellado 48, 49, se introduce un tornillo 44, 45, y se atornilla en el orificio roscado correspondiente 42, 43 en la cabeza de enfriamiento 23. Ambos tornillos se atornillan firmemente, preferiblemente con una fuerza de tracción de hasta más o menos 1 Kg/cm.

De esta manera, la cabeza de enfriamiento 23 es apretada contra la junta fría del módulo Peltier 22 y el elemento de disipación de calor 24 es apretado contra el junta caliente del módulo Peltier 22. Es posible reemplazar un tornillo por una pinza o una abrazadera como se describe en la solicitud de patente WO 87/07361. Dicha pinza o abrazadera conecta la cabeza de enfriamiento con el elemento de disipación de calor utilizando los surcos del revestimiento 21. Por tanto, sólo debe colocarse un tornillo.

Como se ha dicho antes, debe evitarse la creación de un flujo de calor no deseado entre la cabeza de enfriamiento 23 y el elemento de disipación de calor 24. Por lo tanto, los tornillos 44, 45 pueden causar problemas. Por eso, estos tornillos son preferiblemente de un material térmicamente aislante, p. ej. nailon o fibra de vidrio. En otra forma de realización preferida se usa acero inoxidable, ya que tiene baja conductividad del calor y es por tanto adecuado para la fabricación de estos tornillos.

Para mejorar aún más el transporte de calor a través de las superficies de contacto 52, 53 es preferible maximizar la superficie de contacto microscópica. Esto se puede lograr haciendo una de las superficies de contacto muy lisa, preferiblemente mediante esmerilado y pulido, y preferiblemente con una tolerancia de diez micrómetros. Esto se puede hacer en la base de la cabeza de enfriamiento 23, que se pone en contacto con la junta fría del módulo Peltier. Se puede hacer también en la superficie de contacto del elemento de disipación de calor 24, que se pone en contacto con la junta caliente del módulo Peltier.

Si se pule más fino de la tolerancia anterior, el coste extra no se compensa apenas por el mejoramiento del transporte de calor. La parte fría y caliente del módulo Peltier son preferiblemente pulidas durante la fabricación hasta una precisión máxima de 2 micrómetros.

Para mejorar aún más la transferencia térmica de las superficies de contacto descritas anteriormente, es ventajoso proporcionar una pasta térmicamente conductiva entre ambas. Un ejemplo una pasta conductiva adecuada es el compuesto de disipación de calor "Heat sink compound 340" fabricado por Dow Corning.

Otra manera de evitar el uso de la pasta es usando hojas o parches de metales térmicamente conductivos entre las superficies de contacto mencionadas. Por ejemplo, se puede usar un parche de plata o cobre. Estos parches son bastante buenos conductores térmicos y tienen una buena capacidad de tensión mecánica, ya que no son duros y fácilmente deformables. Un fabricante conocido es por ejemplo la compañía "Kunze Folien" o, por ejemplo, "Sarcon" del grupo "Fujipoly". Estos fabricantes ofrecen una gama completa de cauchos de tipo sintético y de hoja de carbón, los cuales son buenos conductores térmicos. El método que ofrece las mejores características térmicas y mecánicas, es el del pegamento, que permite prescindir de los tornillos 44, 45 mostrados en la Fig. 1. El pegamento puede evitar el pulido adicional y la pasta térmicamente conductiva. La función de las últimas tres condiciones se puede lograr haciendo uso de pegamentos térmicamente conductivos. En el mercado, este tipo de pegamentos básicos se ofertan, con alta conductividad eléctrica, para aplicaciones en microelectrónica. La compañía "Grace NV" ofrece tales pegamentos en el mercado con el nombre comercial de: "AMICON ct 4042-32". Este es un nombre comercial registrado por "W.R. Grace and Co". Este pegamento es un pegamento epoxi de dos componentes, que contiene gran cantidad de plata para mejorar la conductividad eléctrica. Este pegamento tiene una alta resistencia a la tracción y una alta durabilidad del calor.

Las pruebas con la "criosonda" según la presente invención muestran que este tipo de pegamentos ofrecen una alta conductividad térmica, lo que por supuesto es una gran ventaja para el dispositivo.

Las pruebas de laboratorio muestran que puede surgir un problema durante el pegado. Si el pegamento se seca o se endurece, la estructura se encoge, ya que los solventes se evaporan, tanto si se endurece químicamente o por medio de calor adicional. Esto ocasiona en muchos casos estructuras irregulares microscópicas o pequeñas, donde la cola no se distribuye homogéneamente. Lo peor es que a pesar de que el pegamento tenga un espesor de no más de 70 micrómetros, pueden aparecer burbujas de aire visibles.

Este fenómeno reduce considerablemente el coeficiente de conductividad total en las superficies de contacto mencionadas. Para resolver este problema las partes pegadas se pueden secar al vacío. Sin embargo, puesto que esto es difícil de lograr en la práctica de producción, se hicieron las siguientes modificaciones:

-

a la composición del pegamento, se añadió preferiblemente un 1% de "Spacer"; el "spacer" o espaciador es una partícula que hemos desarrollado nosotros, la cual tiene un espesor preferiblemente de 50 micrómetros y, preferiblemente, es de una aleación de silicona. Para maximizar la eficacia, esta partícula puede estar cubierta por una capa metálica, preferiblemente plata.

-

durante el pegado, se aplica preferiblemente una capa de espesor constante, teniendo el tamaño del espesor de las partículas usadas. De acuerdo con nuestra invención es ventajoso aplicar 2,5 gramos de pegamento distribuyendo el pegamento en razón de 5 puntos de 0,5 gramos cada uno por una superficie de 9 cm.

-

cuando las partes son ensambladas, se aplica una pequeña fuerza mecánica de preferiblemente 300 g por encima de la parte que debe ser pegada.

-

durante el proceso de endurecimiento, el espesor de la capa de pegamento es un poco mayor y, después de la evaporación del solvente, se obtiene un perfil de espesor continuo por toda la superficie colada, sin burbujas de aire perceptibles.

El ligero peso de 300 g es adecuado para la superficie de la porción que debe ser pegada en la cabeza de enfriamiento de 9 cm, la cual es de aplicación en la presente invención. La superficie utilizable con pegamento equivale naturalmente a la dimensión máxima del módulo Peltier. Esto confiere a la presente invención una técnica de conexión muy apropiada

-

entre la junta fría y la cabeza de enfriamiento; y, entre la junta caliente y el elemento de disipación de calor;

tanto mecánica como termodinámicamente. La "criosonda" puede ser montada preferiblemente de acuerdo con el método siguiente:

1)

la base 52 de la cabeza de enfriamiento y/o la junta fría del módulo Peltier están provistas con un pegamento térmicamente conductivo.

2)

la base 52 y la junta fría están colocadas una encima de la otra.

3)

la base 53 del elemento de disipación de calor y/o la junta caliente del módulo Peltier también están provistas de un pegamento térmicamente conductivo.

4)

la base 53 y la junta fría están colocadas una encima de la otra.

5)

todo el ensamblaje está colocado en un modelo o soporte de manera que se impide cualquier movimiento horizontal. Encima del ensamblaje se pone un peso de preferiblemente 300 g.

6)

los elementos electrónicos se conectan como un circuito termostático para controlar la temperatura, y se aplica una tensión alterna al módulo Peltier. De esta manera el módulo Peltier, a diferencia de su uso normal, se calentará completamente por los dos lados hasta una temperatura de preferiblemente 110ºC.

7)

tan pronto como la temperatura supera los 110ºC, la tensión alterna se apaga, cuando desciende de los 110ºC se enciende otra vez.

8)

el paso 7) se repite preferiblemente durante 30 minutos hasta que el pegamento se endurece por completo.

El endurecimiento del pegamento también se puede realizar calentando el sistema completo anteriormente descrito desde el exterior en, por ejemplo, un horno cuya temperatura pueda ser bastante controlada. No es necesario que el pegamento térmicamente conductivo contenga sólo plata. Otros materiales de relleno buenos conductores térmicos pueden ser ventajosos p. ej. una aleación de manganeso.

La base de la cabeza de enfriamiento 52 puede ser soldada a la junta fría del módulo Peltier. También es ventajoso soldar la base del elemento de disipación de calor 53 a la junta caliente del módulo Peltier. Este proceso se realiza también preferiblemente en un horno. Sin embargo, la temperatura no puede subir por encima de los datos del fabricante, para asegurar el tiempo de vida del módulo Peltier. Para optimizar el transporte de calor entre el elemento de disipación de calor 24 y el líquido de enfriamiento, es ventajoso proporcionar preferiblemente una aleta de enfriamiento 38 al elemento de disipación de calor. De manera que la superficie de contacto entre el líquido de enfriamiento y el elemento de disipación de calor aumenta. Esta superficie de contacto puede aumentar más si se proporciona una cantidad mayor de aletas de enfriamiento.

El elemento de disipación de calor debe separar correctamente el líquido de enfriamiento de la cámara donde esta localizado el módulo Peltier. Esto se puede lograr con un ensamblaje mecánico perfecto entre el elemento de disipación de calor 24 y el revestimiento 21 por medio de presión. Lo mismo se aplica para la cabeza de enfriamiento 23 y el revestimiento 21, para lograr un ensamblaje mecánico perfecto. Una manera preferida de lograr esto es hacer el elemento de disipación de calor en forma de un disco o cilindro, con un hueco circular para un anillo tórico 37, mostrado en la fig. 1. Este hueco se realiza en la superficie exterior del cilindro. El anillo tórico presiona con su parte exterior contra el lado interior del revestimiento cilíndrico 21, y con su parte interior contra el hueco en la superficie exterior del elemento de disipación de calor 24. De esta manera se logra un sellado óptimo del líquido de enfriamiento. Se prefiere que el material del anillo tórico sea teflón. También se pueden utilizar otros materiales, siempre y cuando sean resistentes al líquido de enfriamiento y a temperaturas que cambian rápidamente. La reserva 26 está preferiblemente sellada desde arriba con un cubierta en forma de disco 50, que está apoyada sobre la pestaña 55 del revestimiento 21. Durante el montaje, esta cubierta se pega en la pestaña. Como se ha dicho antes, los conductos o cables eléctricos 40, 41 sirven para suministrar al módulo Peltier la energía eléctrica. Estos cables pueden ser guiados lateralmente a la "criosonda". Esto tiene sin embargo complicaciones prácticas respecto a la facilidad de manejo del aparato. Es ventajoso que estos cables entren por la parte superior del aparato, junto con el de suministro y drenaje del líquido. Los cables eléctricos 40, 41, 31a, 31b, 31c, mostrados en las Fig. 1, 2 y 3, deben llegar al módulo Peltier a través del líquido de enfriamiento, evitando al mismo tiempo que el líquido de enfriamiento alcance el módulo Peltier. Por eso es preferible proporcionar el tubo de sellado 39 en la parte inferior del elemento de disipación de calor, mostrado en la Fig. 1. Este tubo 39 empieza en la cámara de aire 51 donde también está sellada por el anillo tórico 55 a la cubierta 50. El tubo 39 sigue hasta un orificio circular en el elemento de disipación de calor. Durante el ensamblaje, el tubo de sellado 39, en la parte inferior del elemento de disipación de calor, es preferiblemente pegado. El pegado se puede hacer por medio de un pegamento epoxi de dos componentes, como el pegamento con la marca comercial "CIBA-GEIGY" con el nombre comercial "Araldite". Este tubo de sellado 39 puede igualmente ser utilizado para guiar los cables o conductores 31a, 31b, 31c, mostrados en la Fig. 2 y en la Fig. 3, del detector de temperatura 31 desde la cámara de aire 51 hasta la cabeza de enfriamiento
23.

Un líquido de enfriamiento adecuado que tiene un precio favorable es el agua. Agua de enfriamiento pura y gratis puede tomarse generalmente directamente de la red de abastecimiento. El conducto de suministro 26 se conecta entonces a un grifo, mientras que el conducto de drenaje 27 se puede conectar al drenaje de una instalación doméstica. La "criosonda" necesita durante el uso, dependiendo de la temperatura del agua, un ritmo de flujo de agua de 1 litro por minuto. En países industrializados, donde el agua del grifo tiene una temperatura media suficientemente baja, de 10ºC, esta puede ser una solución adecuada, con la condición de que además del filtro de la red de abastecimiento, se instala una pequeña unidad de desmineralización de agua en serie. Sería ventajoso proporcionar una válvula de cierre del conducto de suministro, la cual permite el suministro de agua, siendo sometida a un control electrónico por medios electrónicos de control, que cierran el suministro cuando, por un lado, un programa específico de la "criosonda" se acaba, para evitar el derrame de agua, y por otro lado cierra el circuito de agua cuando ocurre un fallo en el sistema, por ejemplo, un escape en el conducto de suministro. En caso de que la disponibilidad de agua de grifo para el enfriamiento sea problemática, el líquido de enfriamiento puede circular en un circuito cerrado, como se muestra en la Fig. 9, con una bomba de circulación 28. También es ventajoso añadir glicol al agua en el circuito cerrado, preferiblemente en un 20%. Para evitar que al calentar la cabeza de enfriamiento, la unidad de disipación de calor 24 empiece a enfriarse por debajo de los cero grados Celsius y el agua pura se congele en la reserva de agua
26.

El circuito también debe por tanto contener un intercambiador de calor 29, que disipa el calor del líquido de enfriamiento al ambiente, como muestra la Fig. 9. El intercambiador de calor es preferiblemente un intercambiador de calor líquido/aire (enfriador), con un enfriamiento del aire forzado. Naturalmente el sistema sigue entonces siendo dependiente de la temperatura ambiental, que puede influir considerablemente en la eficacia de la sonda. Esto se debe a que cuanto más baja sea la temperatura en la parte caliente, más puede enfriar el sistema en la parte fría. A continuación se da una aclaración de este hecho.

Fenómeno termoeléctrico Introducción

Los efectos termoeléctricos están asociados a flujos de calor y flujos de electricidad combinados. Los dos efectos más conocidos son el efecto-Seebeck y el efecto-Peltier.

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Efecto-Seebeck

Fig. 4: Efecto-Seebeck

Cuando dos cables diferentes, a y b, forman un circuito, y las juntas T_{h} y T_{I} tienen una temperatura diferente entre a y b, entonces la diferencia de tensión se puede notar. Esta tensión E_{ab} es la tensión Seebeck y parece ser proporcional a la diferencia de temperatura:

E_{ab} \ = \ S_{ab}\Delta T \ = \ \Delta T \ = \ T_{h} \ - \ TI

siendo S_{ab} el coeficiente relativo de Seebeck entre los materiales a y b.

Efecto-Peltier

Fig. 5: Efecto-Peltier

Cuando la corriente pasa por un circuito que consta de dos materiales diferentes, a y b, entonces en una junta T_{h} el calor será absorbido y en la otra junta T_{I} el calor será liberado. La cantidad de calor Q_{ab} es proporcional a la corriente I,

Q_{ab} \ = \ \Pi_{ab}I,

siendo \Pi_{ab} el coeficiente relativo de Peltier entre los dos materiales a y b.

Lord Kelvin describió, basándose en principios termodinámicos, que el coeficiente de Seebeck y el coeficiente de Peltier están relacionados,

\Pi_{ab} \ = \ S_{ab}T.

Intermedio: interpretación física

Los electrones libres se mueven a través de un metal en un nivel energético determinado, dependiendo del metal. Cuando dos metales diferentes entran en contacto el uno con el otro, los electrones del metal que tiene el nivel energético más alto fluyen al metal con electrones en un nivel más bajo. El efecto es que el metal con el nivel energético más bajo recibe más electrones, y se carga negativamente. La tensión, que se acumula de esta manera, va a evitar que fluyan más electrones creando un equilibrio. Esta tensión es específica para los dos materia-
les.

Esta tensión no se puede medir, puesto que cada intento para medirla requiere nuevas juntas (es decir, de los cables con el voltímetro), lo que da como resultado tensiones que se eliminan unas a otras.

La diferencia de tensión que se crea depende, sin embargo, de la temperatura. Cuando se realizan dos juntas, que tienen un nivel de temperatura diferente, se producirá una diferencia de tensión neta, la cual sí puede ser medida. Esta tensión es la tensión-Seebeck. Es proporcional a la diferencia de temperatura y depende del tipo de materiales. Cuando una corriente es hecha pasar por un circuito que contiene dos metales diferentes, los electrones deben ir "hacia arriba" en una junta (de un nivel energético bajo a un nivel alto). Para subir, van a absorber energía del ambiente, es decir enfrían (p. ej. la acetona en evaporación también absorbe calor del ambiente). Por la otra junta los electrones van a descender "hacia abajo" y liberar energía, es decir liberan calor.

La cantidad de calor que se disipa de la parte fría depende de la cantidad de electrones que fluyen por unidad de tiempo, esto es la corriente.

A esto se llama efecto-Peltier.

Enfriamiento termoeléctrico Introducción

Fig. 6: Aparato de enfriamiento

Discutiremos la capacidad de enfriamiento de un circuito-Peltier simple, que consiste en un brazo-n y un brazo-p. Tres efectos deben ser estudiados: el efecto-Peltier en las juntas, el calor en Julios producido por la corriente que fluye por el circuito y la conducción de calor por los brazos.

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Enfriamiento máximo

El equilibrio energético de un enfriador Peltier puede ser determinado si se tienen en cuenta tres flujos de calor:

-

el efecto-Peltier en las juntas, según las formulas descritas previamente, se convierte en S T I, siendo S el coeficiente-Seebeck, T la temperatura de la junta e I la corriente que pasa por el elemento.

-

el calor en Julios equivale a RI^{2}, siendo R la resistencia eléctrica. Un análisis detallado (con ecuación diferencial) nos muestra que exactamente la mitad del calor en Julios fluye hacia la junta caliente y exactamente la otra mitad hacia la junta fría.

-

la conductividad térmica K\DeltaT, siendo K la conductividad térmica y \DeltaT la diferencia de temperatura. Las dos juntas tienen una temperatura diferente, por eso el calor fluye de la parte caliente a la parte fría.

Por lo tanto, el equilibrio energético (es decir, el calor Q_{c} que es absorbido en el lado frío y el calor Q_{h} que es liberado en el lado caliente) es

Q_{c} \ = \ ST_{c}I \ - \ K\Delta T \ - \ ^{1}/_{2}RI^{2}

(1)Q_{h} \ = \ ST_{h}I \ - \ K\Delta T \ - \ ^{1}/_{2}RI^{2}.

El objetivo es enfriar al máximo, es decir, maximizar Q_{c}.

Por eso tomamos la primera derivada:

\frac{dQ_{c}}{dI} \ = \ ST_{c} \ - \ RI \ = \ 0.

Esta ecuación es correcta si

(2)R \ = \ \frac{ST_{c}}{I}.

R se determina según los parámetros del metal y la geometría,

R \ = \ \rho\frac{I}{A}.

La resistividad r se determina según el material con el cual estamos trabajando. La ecuación (2) impone por lo tanto una restricción respecto a la geometría (una proporción entre la longitud l y la sección transversal A) una vez que la corriente de operación está determinada. Puesto que la geometría está ahora determinada, también se determina K,

K \ = \ \kappa\frac{A}{l}.

siendo K la conductividad térmica.

Si, en la ecuación (1), sustituimos R por la ecuación (2), obtenemos:

Qc \ = \ ^{1}/_{2}ST_{c}I \ - \ K\Delta T

En esta ecuación se puede ver que la potencia máxima de enfriamiento se determina según el coeficiente de Seebeck S (parámetro material), la temperatura de la junta fría T_{c} (parámetro designado), la corriente I (controlable, pero limitada por la densidad máxima de la corriente), la conductividad térmica K (se fija optimizando la geometría) y \DeltaT (determinada por la potencia de enfriamiento en la junta caliente).

La potencia de enfriamiento puede entonces ser maximizada, minimizando la diferencia de temperatura \DeltaT, es decir, enfriando la junta caliente lo más posible.

La tensión que debemos aplicar al elemento consiste en dos partes: la caída de la tensión a través de la resistencia \DeltaV = RI y la tensión-seebeck causada por la diferencia de temperatura entre las dos juntas \DeltaV = S\DeltaT. El total de la energía suministrada es

P_{in} \ = \ VI \ = \ (S\Delta T \ + \ RI)I \ = \ S\Delta TI \ + \ RI^{2}.

También aquí se puede observar que la energía suministrada puede ser minimizada disminuyendo la \DeltaT.

Algunos parámetros

Para el elemento Peltier de esta invención (U_{max} = 8 V; I_{max} = 8.5 A; Q_{max} = 38.5 W a T_{h} = 25ºC and \DeltaT_{max} = 67ºC), se calcularon algunas curvas.

- Fig. 7 La potencia máxima de enfriamiento en función de la temperatura de la junta fría, calculada según las temperaturas en la junta caliente (las curvas lineares a = 0ºC, b = 15ºC, c = 20ºC, d = 30ºC)

- Fig. 8 La potencia máxima de enfriamiento en función de la temperatura en la parte caliente, calculada según las temperaturas en la junta caliente (las curvas lineares a = -10ºC, b = 0ºC, c = 10ºC, d = 20ºC)

De las fórmulas y gráficos arriba deducidos se demuestra claramente que: la potencia máxima de enfriamiento que se puede emitir solamente se alcanza si la parte caliente del módulo Peltier se mantiene lo más fría posible, o dicho de otra manera, se acerca lo más posible a la temperatura requerida, si queremos mantener esta temperatura constante ante todo. Entonces, se puede decir que es un arte el disipar el calor del módulo Peltier de la forma correcta, o utilizar la eficacia máxima. Esta característica se explota al máximo según la presente invención.

Si la temperatura ambiental es demasiado alta, entonces también es ventajoso trabajar con un intercambiador de calor, que se provee junto con uno o más elementos Peltier. El calor de este elemento puede ser liberado preferiblemente por una gran aleta de enfriamiento, usando ventilación de enfriamiento.

La mejor manera de que sea casi independiente de la temperatura ambiental es incluir un intercambiador de calor 29, mostrado en la Fig. 10, con un conducto de gas con un evaporador 80. Este evaporador absorbe su calor según el principio de compresión/expansión.

Una breve explicación de este principio: delante del compresor 71, se presenta sólo vapor saturado, que se comprime para dar lugar a vapor sobrecalentado. Este vapor va a un condensador 78, que convierte el vapor sobrecalentado en sólo líquido saturado. Este líquido a alta presión fluye entonces por un tubo capilar 76, donde pasa de una alta presión a una baja presión. La longitud de este tubo capilar determina la bajada de presión y en consecuencia la temperatura de evaporación de la mezcla gaseosa. Después de esto, esta mezcla gaseosa fluye hacia el intercambiador de calor 29, donde este conducto de gas 80 disipa su calor al ambiente. Así, el líquido de enfriamiento se va a enfriar hasta la temperatura deseada. Este sistema se aplicaba tradicionalmente en los refrigeradores de uso doméstico. En la presente invención se usa principalmente un compresor de la marca "Danfos" y del tipo PL50fxno. Este compresor es capaz de bombear suficiente calor fuera, para así mantener el agua de enfriamiento a la temperatura deseada. El líquido de compresión y de expansión puede ser por ejemplo "freon R 134 a". La Fig. 10 muestra un diagrama funcional del plano termodinámico.

En la Fig. 11, los números de referencia 34, 30 y 72 muestran el control electrónico del módulo Peltier. Este control es preferiblemente una fuente 34, 30 y 72 mediante la cual se controla la corriente y la tensión. El control de la corriente 75 es muy importante ya que una característica típica de un elemento Peltier es que su resistencia interna disminuye según el tiempo de operación. Entonces, si no se aplica un control de la corriente, después de un tiempo la resistencia disminuirá y la corriente aumentará. La corriente subirá por encima de la corriente máxima programada, especificada por el fabricante. La consecuencia es que, por un lado, el enfriamiento va a disminuir enormemente y, por otro lado, los elementos Peltier se van a dañar muy pronto hasta su final. Por eso, el control electrónico y el suministro de energía conmutada 30, 72 controlan permanente la corriente máxima y la tensión. Si se sobrepasa la corriente máxima, los medios electrónicos van a desconectar el sistema completo, también de forma
preventiva.

Sí la temperatura de la cabeza de enfriamiento varía según un modelo deseado en el tiempo y deben imponerse también límites específicos a la temperatura o a las variaciones de temperatura, es ventajoso que el control electrónico 30 reciba su energía de un convertidor CC/CC 30 para limpiar todo el ruido que pueda entrar a través del medio. La información con respeto al perfil de la temperatura puede ser obtenido

-

de un programa interno cargado en el Eprom 30b; y,

-

por otro lado, de la información de sus sensores externos de temperatura 33, 31.

El detector de temperatura 31 (Fig. 3 y Fig. 11) de la cabeza de enfriamiento 23 preferiblemente da la información necesaria a los medios electrónicos para controlar la temperatura de la cabeza de enfriamiento. Sin embargo, esto es imposible en un circuito termoestático usual con un control de encendido/apagado. Las corrientes de excitación pueden romper el módulo Peltier debido al gran choque termal que necesitaría para soportarlo, debido a que cada vez hay una corriente máxima encendida y apagada.

Un control preciso de hasta un 1ºC puede ser difícil. Un control proporcional es ventajoso y es una solución de programación factible en, por ejemplo, un ordenador IBM por la entrada 76. Un control proporcional controla de forma continua la variable que debe ser manipulada y por tanto la relación entre el valor de ajuste y el valor de lectura del detector de temperatura 31a, b, c. De esta manera, el proceso de temperatura deseada (valor de ajuste establecido) se mantiene constante.

Con grandes diferencias de temperatura, la tensión subirá a grandes saltos, con una diferencia medida pequeña subirá a pequeños pasos hasta alcanzar la temperatura deseada. Este proceso de regulación está localizado en la región del micro-procesador, 30b. La señal es, en primer lugar, separada ópticamente en el separador óptico 30c por razones de seguridad. Después la señal es enviada al suministro de energía conmutada 72 para suministrar una tensión de salida perfecta al módulo Peltier. Por tanto, preferiblemente, el control electrónico 30 está provisto con un panel de control 73 para establecer la temperatura deseada en la cabeza de enfriamiento. La temperatura deseada puede ser fijada, por ejemplo, entre -10ºC y un máximo de +45ºC. La temperatura deseada puede ser programada incluso en función del tiempo. Para facilitar el uso, es ventajoso proveer el control electrónico con una pantalla 36a, en la que se pueda seguir el proceso de temperatura. También resulta ventajoso, aunque no necesario, proporcionar una segunda pantalla 36, para poder leer los ajustes mediante el menú del programa informático; el control electrónico 30 puede realizarse, por ejemplo, con un micro-controlador del tipo D87C51FA de la marca Intel. Un puerto I/O del micro-controlador puede controlar una fuente de corriente controlable del tipo NFS-110-7912 de la marca "RS" para transportar la energía eléctrica deseada al módulo Peltier de la "criosonda". Así, la tensión y la corriente del suministrador de energía pueden estar bien controladas. Los elementos electrónicos también tienen la posibilidad de adoptar todas las funciones del micro-controlador en un PC compatible estándar de IBM 76. El valor de salida se determina preferiblemente por el control electrónico 30 en función de la temperatura medida en la cabeza de enfriamiento y la temperatura deseada de la cabeza de enfriamiento, establecida por el usuario. También es importante para la eficiencia de módulo Peltier que se suministre una buena tensión CC, que tenga poco ruido, preferiblemente menos del 5%. Esto se puede conseguir con el suministro de energía conmutada 72. La tensión que se suministra al módulo Peltier depende del tipo de módulo y del fabricante. Puesto que el sistema según la presente invención es una aplicación médica, es preferible no superar los 24 V y deben tenerse en cuenta todos los estándares eléctricos relacionados con la corriente de fuga y los componentes de seguridad contra el fuego. Si la cabeza de enfriamiento debe ser enfriada, el sentido de polarización de la tensión del módulo Peltier es la determinada por el fabricante y se conecta tal cual. Si la cabeza de enfriamiento 23 debe producir calor, entonces el suministro de la corriente se invierte, de manera que la junta fría del módulo Peltier produce calor y la junta caliente absorbe el calor del elemento de disipación de calor 24 y del líquido de enfriamiento. Para mejorar la seguridad de la "criosonda", la reserva del líquido de enfriamiento 25 está preferiblemente provista con un detector de temperatura 33. Con este sensor, se controla la temperatura del líquido de enfriamiento y la tensión del suministro de energía en el módulo Peltier es apagada si su temperatura sube demasiado. Esto puede suceder si existe una avería en el suministro de líquido de enfriamiento o si la bomba de agua se rompe o si se produce una avería durante el uso de un aparato de enfriamiento por compresión, como se muestra en la Fig. 10. Si se hace uso de un aparato de enfriamiento por compresión, es preferible introducir dentro de su revestimiento un pequeño contacto oscilante 74, mostrado en la Fig. 11. El contacto oscilante puede ser de la marca RS, de tipo "337-289". Este contacto debe controlar de forma continua que el ángulo de inclinación del compresor no sobrepase el valor especificado por el fabricante. En caso contrario, el líquido podría entrar en el compresor y estropearlo por completo. Es preferible conectar el detector de la inclinación con un mecanismo electrónico temporal, el cual informará siempre al micro-controlador cuando se produzca un problema como el descrito arriba. Esto tiene como consecuencia que, si se produce un poco de inclinación, inmediatamente se produce una interrupción de la operación y se inicia un tiempo de espera de preferiblemente 4 horas como protección antes de que la máquina pueda funcionar de nuevo. Este proceso también puede ser controlado cuando el aparato no está conectado, por medio de una batería interna que proporciona energía a un biestable, el cual a su vez memoriza el estado del detector de la inclinación.

La Fig. 12 muestra un modelo desiezado de la "criosonda" de acuerdo con una forma de realización preferida de la invención. La Fig. 13 muestra la correspondiente composición del modelo en tres dimensiones. Todas las partes de la Fig. 12 se relacionan con los correspondientes números de la Fig. 1. Su función e interrelación corresponden a las descritas anteriormente en relación a la Fig. 1. Es evidente para los expertos en la materia que se pueden incorporar modificaciones que mejoren la forma y los detalles sin salirse del alcance de la invención tal y como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Listado de elementos

21:

revestimiento sintético Fig. 1, 2, 3

21a:

revestimiento inferior

21b:

revestimiento superior

22:

módulo Peltier Fig. 1, 3, 9, 10

23:

cabeza de enfriamiento Fig. 1, 9, 10

24:

elemento de disipación de calor Fig. 1, 2, 9, 10

25:

reserva del líquido térmicamente conductivo Fig. 1

26:

pasaje de suministro del líquido térmicamente conductivo Fig. 1, 9, 10

27:

conducto de drenaje del líquido térmicamente conductivo Fig. 1, 9, 10

28:

bomba de circulación Fig. 9, 10

29:

intercambiador de calor líquido/líquido Fig. 10

29a:

intercambiador de calor aire/líquido Fig. 9

30:

control electrónico Fig. 11

30a:

conversión cc/cc Fig. 11

30b:

unidad de control del micro-controlador Fig. 11

30c:

separación óptica Fig. 11

31:

detector de la temperatura

31a:

cables de conexión del detector de la temperatura 31 Fig. 2, 3

31b:

cables de conexión del detector de la temperatura 31 Fig. 2, 3

31c:

cables de conexión del detector de la temperatura 31 Fig. 2, 3

33:

detector de la temperatura del líquido de enfriamiento fig.; 1, 9, 10

34:

suministro de energía eléctrica Fig. 11

34a:

filtro de entrada Fig. 11

34b:

transformadores Fig. 11

34c:

rectificador Fig. 11

35:

panel de control Fig. 11

36:

Pantalla de Cristal Líquido 2x16 caracteres Fig. 11

36a:

Diodo de Emisión de Luz 4x7 pantalla segmentada Fig. 11

37:

anillo tórico para sellar el líquido de enfriamiento Fig. 1

38:

aletas de enfriamiento del elemento de disipación de calor Fig. 2

39:

tubo de sellado Fig. 1, 9

40:

cable para el suministro de electricidad Fig. 1, 2, 3

41:

cable para el suministro de electricidad Fig. 1, 2, 3

42:

orificio roscado en la cabeza de enfriamiento para atornillar el elemento de disipación de calor Fig. 1, 3

43:

orificio roscado en la cabeza de enfriamiento para atornillar el elemento de disipación de calor Fig. 1, 3

43a:

orificio roscado para un tornillo

43b:

orificio roscado para un tornillo

43c:

orificio roscado para un tornillo

43d:

orificio roscado para un tornillo

44:

tornillo térmicamente aislante Fig. 1

45:

tornillo térmicamente aislante Fig. 1

46:

agujero roscado en el elemento de disipación de calor Fig. 1, 2

46a:

orificio en el disco inferior

46b:

orificio en el disco inferior

46c:

orificio en el disco inferior

46d:

orificio en el disco inferior

47:

agujero roscado en el elemento de disipación de calor Fig. 1, 2

48:

anillo de sellado Fig. 2

49:

anillo de sellado Fig. 2

50:

disco de sellado Fig. 1

51:

cámara de aire Fig. 1

52:

superficie de contacto entre la junta fría del módulo Peltier y la cabeza de enfriamiento Fig. 1, 3

53:

superficie de contacto entre el junta caliente del módulo Peltier y el elemento de disipación de calor Fig. 1, 3

54:

superficie exterior de la reserva (25) Fig. 1

55:

anillo tórico de sellado del tubo Fig. 1

56:

entrada de agua Fig. 1

57:

salida de agua Fig. 1

58:

placa giratoria del detector de temperatura del líquido de enfriamiento Fig. 1

59:

superficie exterior aislante protectora de la cabeza de enfriamiento Fig. 1

60:

agujero en la cabeza de enfriamiento para el detector de la temperatura 31 Fig. 1

61:

cubierta de sellado de la cabeza de enfriamiento Fig. 1

62:

tornillo para fijar la cubierta de sellado Fig. 1

63:

superficie exterior protectora de los cables de suministro de la "criosonda" Fig. 1

64:

superficie de contacto para el tratamiento Fig. 1, 10

65:

espacio de aire entre la cabeza de enfriamiento y la superficie exterior del revestimiento sintético Fig. 1

66:

agujero en la cubierta de sellado para el tornillo de sujeción Fig. 1

67:

agujero roscado Fig. 1

68:

agujero roscado para la entrada de agua Fig. 1

69:

agujero roscado para la salida de agua Fig. 1

70:

agujero en el elemento de disipación de calor para fijar el conducto de drenaje Fig. 1, 2

71:

tubo capilar Fig. 10

72:

suministro de energía conmutada Fig. 11

73:

panel de control Fig. 11

74:

contacto oscilante Fig. 11

75:

control de ajuste de la corriente Fig. 11

76:

conexión PC RS-232 Fig. 11

77:

compresor Fig. 10

78:

condensador Fig. 10

79:

ventilador Fig. 10

80:

evaporador Fig. 10

81:

parte estrecha del revestimiento superior

82:

parte ancha del revestimiento inferior

83:

pestaña

84:

disco circular inferior

85:

surco

86:

copa

87:

aleta de enfriamiento

88:

abertura

89:

surco circular en la cabeza de enfriamiento

90:

anillo tórico en el surco circular 89

91:

pasaje para el detector de calor

92:

anillo tórico en la cabeza de enfriamiento

Claims (12)

1. Criosonda que comprende

-

un módulo Peltier (22) con una parte fría y una parte caliente;

-

un suministro de energía eléctrica (34) conectado a dicho módulo Peltier;

-

una cabeza de enfriamiento (23) colocada sobre dicha parte fría;

-

un elemento de disipación de calor (24) colocado sobre dicha parte caliente;

-

una reserva (25) para un líquido térmicamente conductivo en contacto con dicho elemento de disipación de calor (24);

caracterizada por el hecho de que dicha cabeza de enfriamiento (23) tiene la forma de un cono truncado o posee una superficie superior ligeramente esférica.

2. Criosonda según la reivindicación 1, que comprende un sistema de compresión/expansión (29, 29a) para enfriar dicho líquido.

3. Criosonda según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende unos medios para ensamblar dicho modulo Peltier (22), dicha cabeza de enfriamiento (23) y dicho elemento de disipación de calor (24) en una relación flotante.

4. Criosonda según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual la cabeza de enfriamiento (23) está hecha de un metal compuesto en su mayor parte de aluminio, y el elemento de disipación de calor (24) está hecho de un metal compuesto en su mayor parte de cobre.

5. Criosonda según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual al menos una superficie de contacto entre la cabeza de enfriamiento (23) y el módulo Peltier (22), o entre el módulo Peltier (22) y el elemento de disipación de calor (24), está pulida hasta 10 micra o más.

6. Criosonda según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual al menos una superficie de contacto entre la cabeza de enfriamiento (23) y el módulo Peltier (22), o entre el módulo Peltier (22) y el elemento de disipación de calor (24), está provista con una pasta térmicamente conductiva o un pegamento térmicamente conductivo.

7. Criosonda según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual:

-

dicho modulo Peltier (22) está dispuesto en una cámara, y

-

dicho elemento de disipación de calor (24) tiene una forma de disco y está provisto de un surco (85) con un anillo tórico circular (37) para sellar dicho fluido de enfriamiento de esta cámara.

8. Criosonda según la reivindicación 7, que comprende un revestimiento cilíndrico hueco (21), y en la que ese anillo tórico (37) está dispuesto entre el elemento de disipación de calor (24) y dicho revestimiento (21).

9. Criosonda según la reivindicación 8, en la cual el lado exterior de dicho anillo tórico (37) se apoya contra el lado interior cilíndrico del revestimiento (21), y el lado interior se apoya contra la ranura en la superficie exterior del elemento de disipación de calor (24).

10. Criosonda según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual dicha cabeza de enfriamiento (23) está provista de un surco que posee un anillo tórico circular para el aislamiento térmico entre dicha cabeza de enfriamiento (23) y dicho revestimiento (21).

11. Criosonda según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un detector de temperatura (31), acoplado térmicamente a dicha cabeza de enfriamiento (23), y dicho detector de temperatura (31) y el suministro de energía eléctrica (34) están acoplados a una unidad de control electrónico (30).

12. Criosonda según la reivindicación 11, que comprende unos medios que permiten programar la temperatura de dicha cabeza de enfriamiento (23) como función del tiempo bajo el control de dicho detector de temperatura (31).