DE102017007198A1 - Contaminationsfei coolable, enclosed, in operation heat-releasing, electrical and / or electronic components and devices - Google Patents
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Abstract
Kontaminationsfrei kühlbare, umschlossene, bei Betrieb Wärme abgebende, elektrische und/oder elektronische Bauteile und Geräte (1) gemäß Figur 1, jeweils umfassend- ein geschlossenes Gehäuse (2) mit einer Innenseite (2.1) und einer Außenseite (2.2), das ein Bauteil und/oder Gerät (1) umschließt,- ein Peltier-Element (3), dessen kalte Seite (3.1) dem Bauteil und/oder Gerät (1) in einem Abstand zugekehrt ist oder in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem Bauteil und/oder Gerät (1) steht und dessen heiße Seite (3.2) in wärmeleitendem Kontakt mit der Außenseite (2.2) steht,- eine Vorrichtung (4) zur Leitung der abgegebenen Wärme zu der nicht in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem Bauteil und/oder dem Gerät (1) stehenden kalten Seite (3.1) des Peltier-Elements (3) und- mindestens Vorrichtung (5) zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite (3.2) des Peltier-Elements (3) zur Außenseite (2.2) und zu einer Wärmesenke (6) in der Umgebung (2.4),1, each comprising a closed housing (2) with an inner side (2.1) and an outer side (2.2), which is a component and / or device (1) encloses, - a Peltier element (3), the cold side (3.1) of the component and / or device (1) is facing at a distance or in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the component and / or device (1) and whose hot side (3.2) is in heat-conducting contact with the outside (2.2), - a device (4) for directing the heat released to the not in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the Component and / or the device (1) standing cold side (3.1) of the Peltier element (3) and at least device (5) for dissipating the heat from the hot side (3.2) of the Peltier element (3) to the outside ( 2.2) and to one Heat sink (6) in the environment (2.4),
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft kontaminationsfrei kühlbare, umschlossene, bei Betrieb Wärme abgebende, elektrische und elektronische Bauteile und Geräte.The present invention relates to contamination-free, cooled, enclosed in operation heat-releasing, electrical and electronic components and devices.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur kontaminationsfreien Kühlung von umschlossenen, bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und elektronischen Bauteilen und Geräten ohne eine Kontamination des Inneren der Bauteile und der Geräte.Moreover, the present invention relates to a method for the contamination-free cooling of enclosed, heat-dissipating, electrical and electronic components and devices without contamination of the interior of the components and the devices.
Nicht zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der kontaminationsfrei kühlbaren, umschlossenen, bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und elektronischen Bauteile und Geräte in Reinräumen, Reinsträumen, Operationssälen, Intensivstationen, Isolierstationen sowie mikrobiologischen, biologischen, analytischen, medizinischen, pharmakologischen, nanotechnologischen oder elektrotechnischen, Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen sowie in Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen für Wafer, Datenträger, Mikrochips, Smartphones und Computer sowie in luftfahrt- und raumfahrttechnischen Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen.Last but not least, the present invention relates to the use of the contamination-free coolable, enclosed, heat-dissipating during operation, electrical and electronic components and devices in clean rooms, clean rooms, operating theaters, intensive care units, isolation stations and microbiological, biological, analytical, medical, pharmacological, nanotechnological or electrical engineering, Research facilities and production facilities as well as in research facilities and production facilities for wafers, data carriers, microchips, smartphones and computers as well as in aviation and aerospace technical research facilities and production facilities.
Stand der TechnikState of the art
Der in der vorliegenden Anmeldung zitierte Stand der Technik wird durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.The prior art cited in the present application is incorporated by reference into the present application.
Von Gehäusen umschlossene, elektrische und elektronische Bauteile und Geräte können beim Betrieb beträchtliche Wärmemengen entwickeln. Diese muss abgeführt werden, damit die Hitze nicht die Bauteile und die Geräte selbst, ihre Umgebung und/oder das Bedienungspersonal und/oder andere Personen wie Patienten und/oder andere Lebewesen schädigt. Üblicherweise erfolgt die Kühlung durch Ventilation, bei der ein Luftstrom durch die Gehäuse auf die oder durch die Wärme abgebenden elektrischen oder elektronischen Bauteile und Geräte geblasen oder gesogen wird. Voraussetzung hierfür sind aber Lufteinlässe und Luftauslässe in den Gehäusen. Ein solches Verfahren birgt aber ein hohes Risiko für eine Kontamination, insbesondere durch Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Viren, Protozoen, Mikroalgen und Archaea, Sporen, Pollen, Feinstaub, Feinststaub, Schwebstoffe, Aerosole, chemische Kontaminanten und/oder Nanopartikel, der elektrischen und elektronischen Bauteile und Geräte. Schlimmstenfalls können auch Kleintiere und Kleinsttiere eindringen.Enclosed enclosures, electrical and electronic components and devices can generate significant amounts of heat during operation. This must be dissipated so that the heat does not damage the components and the devices themselves, their environment and / or the operating personnel and / or other persons such as patients and / or other living beings. Usually, the cooling is done by ventilation, in which an air flow is blown or sucked through the housing on or by the heat-emitting electrical or electronic components and devices. However, this requires air intakes and air outlets in the housings. However, such a method involves a high risk of contamination, in particular by microorganisms such as bacteria, fungi, viruses, protozoa, microalgae and archaea, spores, pollen, particulate matter, particulate matter, suspended solids, aerosols, chemical contaminants and / or nanoparticles, the electric and electronic components and devices. In the worst case, even small animals and micro animals can penetrate.
Thermoelektrische Elemente (TEE) oder Thermoelectric Coolers (TEC), auch bekannt als Peltier-Elemente, sind elektrothermische Wandler, die bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss erzeugen. Grundsätzlich enthält ein TEC zwei Beine aus verschiedenen thermoelektrischen Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten, die an einer Kontaktstelle oder in einem Kontaktbereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Eine im Vergleich zur Temperatur der anderen Enden der Beine erhöhte Temperatur im Kontaktbereich bewirkt aufgrund des thermoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung (Thermospannung) zwischen den beiden thermoelektrischen Materialien. Bei geschlossenem Stromkreis fließt dann ein elektrischer Strom. Ein TEC kann aus mehreren solcher Peltier-Elementen aufgebaut sein, die in Serie und/oder parallel geschaltet sein können, um eine höhere Temperatur oder einen höheren Strom zu erzielen. In den meisten Fällen wird eine Kombination von beiden Verschaltungen verwendet. Bei der Serienschaltung befindet sich an beiden Seiten der Beine ein Kontaktbereich, der von den anderen Beinen elektrisch isoliert sein muss.Thermoelectric elements (TEE) or Thermoelectric Coolers (TEC), also known as Peltier elements, are electrothermal transducers that produce a temperature difference when current flows, or a current flow at temperature difference. Basically, a TEC includes two legs made of different thermoelectric materials having different Seebeck coefficients, which are electrically conductively connected to each other at a pad or in a contact region. An elevated temperature in the contact area compared to the temperature of the other ends of the legs causes an electrical voltage (thermal voltage) between the two thermoelectric materials due to the thermoelectric effect. When the circuit is closed then flows an electric current. A TEC may be constructed of several such Peltier elements, which may be connected in series and / or in parallel to achieve a higher temperature or higher current. In most cases, a combination of both interconnections is used. When connected in series, there is a contact area on both sides of the legs, which must be electrically isolated from the other legs.
Peltier-Elemente werden beispielsweise zur Kühlung von Kühlboxen für den Campingbereich und zur Kühlung von Prozessoren genutzt.Peltier elements are used, for example, for cooling coolers for camping and for cooling processors.
Ein elektrischer Strom der Stromstärke I setzt an der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Leitern A und B mit den Peltier-Koeffizienten PiA und PiB pro Zeit die Wärmemenge (Gleichung 1)
Der Peltier-Effekt rührt daher, dass in einem homogenen Leiter von konstanter Temperatur mit einem elektrischen Strom gleichzeitig auch ein Wärmestrom fließt. Seine Größe ist durch π•I gegeben. Die Peltier-Wärme (Gleichung 1) stellt den Überschuss oder das Defizit zwischen der an der Kontaktstelle zu- und abfließenden Wärme dar. Dieser isotherme Wärmestrom wird dadurch hervorgerufen, dass in einem elektrischen Strom nicht alle Leitungselektronen dieselbe Strömungsgeschwindigkeit besitzen. Letztere hängt vielmehr von der Energie der Elektronen ab. Wenn etwa die Leitungselektronen mit einer über ihrem chemischen Potential (s.u.) liegenden Energie eine höhere Geschwindigkeit erhalten als jene mit niedrigerer Energie, ist mit dem elektrischen Ladungsstrom ein - wegen des negativen Vorzeichens der Elektronenladung - entgegengesetzt gerichteter Wärmestrom verbunden. Der Peltier-Koeffizient ist dann negativ. Genauso verhält es sich bei einem n dotierten Halbleiter, in dem der elektrische Strom von Elektronen in Leitungsbandzuständen getragen wird. The Peltier effect is due to the fact that in a homogeneous conductor of constant temperature with an electric current also flows a heat flow at the same time. Its size is given by π • I. The Peltier heat (Equation 1) represents the excess or deficit between the heat flowing in and out at the contact point. This isothermal heat flow is caused by the fact that not all conduction electrons have the same flow velocity in an electric current. The latter depends on the energy of the electrons. For example, if the conduction electrons with a higher energy than their chemical potential (see below) receive a higher velocity than those with lower energy, the electric charge current is associated with an oppositely directed heat flow because of the negative sign of the electron charge. The Peltier coefficient is then negative. The same is true for a doped semiconductor in which the electric current of electrons is carried in conduction band states.
Zwischen der absoluten Thermokraft Q und dem Peltier-Koeffizienten π eines Leiters besteht die schon von Kelvin gefundene Relation (Gleichung
Ein Wärmerohr (heatpipe) ist ein gasdichtes, verschlossenes Bauteil, mit dem thermische Energie und/oder Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen Ort transportiert werden kann. Es kann eine 100- bis 1000-mal höhere Wärmeenergie transportieren, als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer. Das Wärmerohr nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfen und Kondensieren einer Flüssigkeit sehr hohe Energiemengen umgesetzt werden. Des Weiteren ist das Wärmerohr von innen hohl und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit, der „arbeitenden“ Flüssigkeit, gefüllt. Diese steht unter ihrem Dampfdruck, der bei niedrigen Temperaturen deutlich unter den atmosphärischen Druck liegen kann. Die Innenwand des Wärmerohrs kann mit einer Kapillarstruktur - vergleichbar mit einem Docht - bedeckt sein. Diese Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmetransportmittel, der „arbeitenden“ Flüssigkeit, gesättigt.A heat pipe is a gas-tight, sealed component that can be used to transport thermal energy and / or heat very efficiently from one location to another. It can transport 100 to 1,000 times higher thermal energy than a component of the same geometric dimensions made of solid copper. The heat pipe uses the physical effect of converting very large amounts of energy when vaporizing and condensing a liquid. Furthermore, the heat pipe is hollow from the inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which can be well below the atmospheric pressure at low temperatures. The inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transport medium, the "working" liquid.
Wird an einer Stelle des Wärmerohres Energie zugeführt, verdampft dort die „arbeitende“ Flüssigkeit aus der Kapillarstruktur. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert überall dort, unter Abgabe der Verdampfungswärme, wo Energie abgeführt wird. Das Kondensat, das verflüssigte Wärmetransportmittel, wird von der Kapillarstruktur aufgesaugt und fließt zurück um erneut zu verdampfen. Es schließt sich ein Kreislauf, der schnell zirkulierend und sehr effektiv thermische Energie transportiert. Die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungs- und Kondensationszone im Wärmerohr ist dabei sehr gering.If energy is supplied at one point of the heat pipe, the "working" liquid from the capillary structure evaporates there. The steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere, releasing the heat of vaporization, where energy is dissipated. The condensate, the liquefied heat transfer agent, is absorbed by the capillary structure and flows back to re-evaporate. It closes a cycle that quickly circulates and very effectively transports thermal energy. The temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low.
Je nachdem, in welchem Temperaturbereich gearbeitet wird, werden unterschiedliche „arbeitende“ Flüssigkeiten verwendet, wie beispielsweise Wasser im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600°K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170°K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800°K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb von 1000°K.Depending on which temperature range is used, different "working" liquids are used, such as water in the temperature range of about 170 to 600 ° K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170 ° K, mercury in the temperature range of 400 to 800 ° K. or lithium or silver in a temperature range above 1000 ° K.
Wärmerohre können beispielsweise in TEC/Heatpipe-Kühlsystemen verwendet werden.Heat pipes can be used for example in TEC / heat pipe cooling systems.
Aus deutschen Patentanmeldung
In der oben genannten Offenlegungsschrift finden sich keine Anregungen oder Hinweise darauf, ob sich die bekannte Vorrichtung zur Kühlung von Systemen von geschlossenen elektrischen und elektronischen Bauteilen und Geräten ohne Kontamination des Inneren der Bauteile und Geräte eignet.In the above publication, there are no suggestions or indications as to whether the known device is suitable for cooling systems of closed electrical and electronic components and devices without contamination of the interior of the components and devices.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, kontaminationsfrei kühlbare, umschlossene, bei Betrieb Wärme abgebende, elektrische und/oder elektronische Bauteile und/oder Geräte bereit zu stellen.It is an object of the present invention to provide electrical, electronic and / or electronic components and / or devices which are free of contamination, can be cooled and are enclosed during operation.
Außerdem lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur kontaminationsfreien Kühlung von umschlossenen, bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen und/oder Geräten bereitzustellen.In addition, the object of the present invention was to provide a method for the contamination-free cooling of enclosed, heat-releasing, electrical and / or electronic components and / or devices.
Nicht zuletzt lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten für die kontaminationsfrei kühlbaren, umschlossenen, im Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und/oder elektronischen Bauteile und/oder Geräte in Reinräumen, Reinsträumen, Operationssälen, Intensivstationen, Isolierstationen sowie mikrobiologischen, biologischen, analytischen, medizinischen, pharmakologischen, nanotechnologischen oder elektrotechnischen, Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen sowie in Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen für Wafer, Datenträger, Mikrochips, Smartphones und Computer sowie in luftfahrt- und raumfahrttechnischen Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen, zu finden.Last but not least, the present invention was based on the object, advantageous applications for the contamination free coolable, enclosed, heat dissipating in operation, electrical and / or electronic components and / or devices in clean rooms, clean rooms, operating theaters, intensive care units, isolation stations and microbiological, biological, analytical, medical, pharmacological, nanotechnological or electrical engineering, research facilities and production facilities, as well as in research facilities and production facilities for wafers, data carriers, microchips, smartphones and computers, as well as in aviation and aerospace research facilities and manufacturing facilities.
Erfindungsgemäße LösungInventive solution
Demgemäß wurden die neuen kontaminationsfrei kühlbaren, umschlossenen, bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und/oder elektronischen Bauteile und Geräte gefunden, die jeweils
- - mindestens ein geschlossenes Gehäuse mit einer Innenseite und einer Außenseite, das mindestens ein bei Betrieb Wärme abgebendes elektrisches und/oder elektronisches Bauteil und/oder Gerät umschließt,
- - mindestens ein Peltier-Element, dessen kalte Seite dem mindestens einen bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder Gerät in einem Abstand zugekehrt ist oder in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder Gerät steht und dessen heiße Seite in wärmeleitendem Kontakt mit der Außenseite steht,
- - mindestens eine Vorrichtung zur Leitung der abgegebenen Wärme zu der nicht in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder dem mindestens einen Gerät stehenden kalten Seite des mindestens einen Peltier-Elements und
- - mindestens Vorrichtung zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite (
3.2 ) des mindestens einen Peltier-Elements zu einer Wärmesenke in der Umgebung
- - at least one closed housing with an inner side and an outer side, which surrounds at least one electrical and / or electronic component and / or device which releases heat during operation,
- - At least one Peltier element, the cold side of the at least one heat-emitting during operation, electrical and / or electronic component and / or device is at a distance or in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the electrical and / or electronic component and / or device stands and whose hot side is in heat-conducting contact with the outside,
- - At least one device for directing the heat emitted to the not in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one electrical and / or electronic component and / or the at least one device cold side of the at least one Peltier element and
- at least device for dissipating the heat from the hot side (
3.2 ) of the at least one Peltier element to a heat sink in the environment
Außerdem wurde ein Verfahren zur kontaminationsfreien Kühlung von umschlossenen, bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen und Geräten gefunden, bei dem man mindestens ein kontaminationsfrei kühlbares, umschlossenes, bei Betrieb Wärme abgebendes, elektrisches und/oder elektronisches Bauteil und/oder Gerät, umfassend
- - mindestens ein geschlossenes Gehäuse mit einer Innenseite und einer Außenseite, das mindestens eine bei Betrieb Wärme abgebendes elektrisches und/oder elektronisches Bauteil und/oder Gerät umschließt,
- - mindestens ein Peltier-Element, dessen kalte Seite dem mindestens einen bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder Gerät in einem Abstand zugekehrt ist oder in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder Gerät steht und dessen heiße Seite in wärmeleitendem Kontakt mit der Außenseite steht,
- - mindestens eine Vorrichtung zur Leitung der abgegebenen Wärme zu der nicht in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder dem mindestens einen Gerät stehenden kalten Seite des mindestens einen Peltier-Elements und
- - mindestens Vorrichtung zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite des mindestens einen Peltier-Elements zu einer Wärmesenke in der Umgebung,
- at least one closed housing having an inner side and an outer side enclosing at least one electrical and / or electronic component and / or device emitting heat during operation,
- - At least one Peltier element, the cold side of the at least one heat-emitting during operation, electrical and / or electronic component and / or device is at a distance or in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the electrical and / or electronic component and / or device stands and whose hot side is in heat-conducting contact with the outside,
- - At least one device for directing the heat emitted to the not in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one electrical and / or electronic component and / or the at least one device cold side of the at least one Peltier element and
- at least means for dissipating the heat from the hot side of the at least one Peltier element to a heat sink in the environment,
Im Folgenden wird dieses Verfahren als „erfindungsgemäßes Kühlungsverfahren“ bezeichnet.In the following, this process is referred to as "cooling method according to the invention".
Nicht zuletzt wurde die Verwendung der kontaminationsfrei kühlbaren, umschlossenen, bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrische und/oder elektronischen Bauteile und Geräte in Reinräumen, Reinsträumen, Operationssälen, Intensivstationen, Isolierstationen sowie mikrobiologischen, biologischen, analytischen, medizinischen, pharmakologischen, nanotechnologischen oder elektrotechnischen, Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen sowie in Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen für Wafer, Datenträger, Mikrochips, Smartphones und Computern sowie in luftfahrt- und raumfahrttechnischen Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen gefunden, was im Folgenden als „erfindungsgemäße Verwendung“ bezeichnet wird.Last but not least, the use of contamination-free coolable, enclosed, heat-dissipating, electrical and / or electronic components and devices in clean rooms, clean rooms, operating theaters, intensive care units, isolation stations and microbiological, biological, analytical, medical, pharmacological, nanotechnological or electrical research facilities and production facilities as well as in research facilities and production facilities for wafers, data carriers, microchips, smartphones and computers as well as in aviation and aerospace technical research facilities and production facilities found, which is hereinafter referred to as "inventive use".
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag, mithilfe der erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte, dem erfindungsgemäßen Kühlungsverfahren und der erfindungsgemäßen Verwendung gelöst werden konnte.In view of the prior art, it was surprising and unforeseeable for the skilled person that the object underlying the present invention could be achieved by means of the components and devices according to the invention, the cooling method according to the invention and the use according to the invention.
Insbesondere überraschte, dass durch die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte, das erfindungsgemäße Kühlungsverfahren und die erfindungsgemäßen Verwendung die Verbreitung von Kontaminanten z.B. in Krankenhäusern, Arztpraxen, Solarien, Saunen, Schwimmbädern Amtsgebäuden, Schulen, Einkaufszentren, Theatern, Kinos, Flughäfen, Flugzeugen, Bahnhöfen, Zügen, Bussen, Kreuzfahrtschiffen, Forschungseinrichtungen oder Produktionsanlagen wirksam eingedämmt oder von vornherein verhindert werden konnte.In particular, it was surprising that the components and devices according to the invention, the cooling method according to the invention and the use according to the invention prevent the spread of contaminants, e.g. in hospitals, medical practices, solariums, saunas, public buildings, schools, shopping malls, theaters, cinemas, airports, airplanes, train stations, trains, buses, cruise liners, research facilities or production facilities could be effectively contained or prevented from the outset.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung war, dass man nunmehr das gekapselte elektronische Herzstück mit TEC-Kühlung von der Peripherie des erfindungsgemäßen Geräts trennen konnte. Danach konnten die beiden Bestandteile getrennt voneinander gereinigt werden, sodass sie auch besonders einfach sterilisiert werden konnten und der Wasserschutz von elektronischen Geräten signifikant erhöht werden konnte.Another important advantage of the invention was that it was now possible to separate the encapsulated electronic heart with TEC cooling from the periphery of the device according to the invention. Thereafter, the two components could be cleaned separately, so that they could be sterilized particularly easily and the water protection of electronic devices could be significantly increased.
Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte sind kontaminationsfrei kühlbar. »Kontaminationsfrei« bedeutet, dass die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte mithilfe des erfindungsgemäßen Kühlungsverfahren effektiv gekühlt werden können, ohne dass Kontaminanten wie Kleintiere wie Mäuse, Kleinsttiere, wie Gliederfüßer wie Insekten, Tausendfüßler, Krebstiere, Spinnen, Milben und Skorpione, Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Viren, Protozoen und Archaea, Pollen, Staub, Feinstaub, Feinststaub, Schwebstoffe, Aerosole, chemische Kontaminanten wie Wasser, Lösemittel, Öle, Säuren, Basen sowie sonstige organische und anorganische Feststoffe in der Form von Nanopartikeln und Mikropartikeln in das mindestens eine geschlossene Gehäuse, das Bestandteil der erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte ist, eindringen können.The components and devices according to the invention can be cooled without contamination. "Contamination-free" means that the components and devices of the present invention can be effectively cooled using the cooling method of the present invention without causing contaminants such as small animals such as mice, small animals such as arthropods such as insects, centipedes, crustaceans, spiders, mites and scorpions, microorganisms such as bacteria, fungi , Viruses, protozoa and archaea, pollen, dust, particulate matter, particulate matter, particulate matter, aerosols, chemical contaminants such as water, solvents, oils, acids, bases and other organic and inorganic solids in the form of nanoparticles and microparticles in the at least one closed housing , which is part of the components and devices according to the invention, can penetrate.
Das mindestens eine geschlossene Gehäuse weist eine Innenseite und eine Außenseite auf und umschließt mindestens ein bei Betrieb Wärme abgebendes elektrisches und/oder elektronisches Bauteil und/oder Gerät. Dadurch werden die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte sehr gut gegen schädliche Einwirkungen von außen geschützt, gleichzeitig können sie aber hervorragend mithilfe des erfindungsgemäßen Kühlungsverfahrens gekühlt werden. The at least one closed housing has an inner side and an outer side and encloses at least one electrical and / or electronic component and / or device which releases heat during operation. As a result, the components and devices according to the invention are very well protected against harmful effects from the outside, but at the same time they can be perfectly cooled using the cooling method according to the invention.
Das mindestens eine geschlossene Gehäuse ist aus einem thermisch und mechanisch stabilen Material gefertigt. Das Material kann transparent oder opak sein oder im Wesentlichen opak sein mit transparenten Sichtfenstern zur Prüfung des geschlossenen Innenraums des mindestens einen Gehäuses. Vorzugsweise ist es aus Glas, Metall, Kunststoff, Holz und/oder Verbunden aus mindestens zwei dieser Materialien aufgebaut.The at least one closed housing is made of a thermally and mechanically stable material. The material may be transparent or opaque or substantially opaque with transparent viewing windows for testing the closed interior of the at least one housing. Preferably, it is made of glass, metal, plastic, wood and / or composites of at least two of these materials.
Des Weiteren kann das geschlossene Gehäuse elektrisch isolierend und/oder gegen elektromagnetische Strahlung und/oder gegen Magnetfelder abschirmend sein, mindestens eine Öffnung, die gasdurchlässig aber für Mikroorganismen, Feinstaub, Feinstaub, Schwebstoffe und Aerosole undurchlässig ist, mindestens ein Überdruckventil mit Rückschlagsicherung und/oder mindestens eine Druckausgleichsmembran aufweisen, und/oder dessen Innenraum kann mit Luft, Schutzgas wie Kohlendioxid, Stickstoff und/oder Schwefelhexafluorid und/oder einer unpolaren und/oder nicht oder nur schwer entflammbaren Flüssigkeit, wie halogenierte Öle, gefüllt sein.Furthermore, the closed housing may be electrically insulating and / or shielding against electromagnetic radiation and / or against magnetic fields, at least one opening which is gas-permeable but impermeable to microorganisms, particulate matter, particulate matter, suspended solids and aerosols, at least one pressure relief valve with non-return valve and / or have at least one pressure-compensating membrane, and / or its interior may be filled with air, inert gas such as carbon dioxide, nitrogen and / or sulfur hexafluoride and / or a nonpolar and / or non-flammable or liquid, such as halogenated oils.
Bei den erfindungsgemäßen Bauteilen kann es sich um aktive elektrische und elektronische Bauteile handeln. Beispiele für aktive Bauteile sind Halbleiter-Bauelemente, Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise, Prozessoren und Elektromotoren. Außerdem kann es sich um passive erfindungsgemäße Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen handeln.The components according to the invention may be active electrical and electronic components. Examples of active devices include semiconductor devices, diodes, transistors, integrated circuits, processors, and electric motors. In addition, it may be passive components according to the invention such as resistors, capacitors and coils.
Bei den erfindungsgemäßen Geräten handelt es sich vorzugsweise um Geräte zur Verwendung in Reinräumen, Reinsträumen, Operationssälen, Intensivstationen, Isolierstationen sowie mikrobiologischen, biologischen, analytischen, medizinischen, pharmakologischen, nanotechnologischen oder elektrotechnischen, Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen sowie in Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen für Wafer, Datenträger, Mikrochips, Prozessoren, Smartphones, und Computer sowie luftfahrt- und raumfahrttechnischen Forschungseinrichtungen und Produktionsanlagen.The devices according to the invention are preferably devices for use in clean rooms, clean rooms, operating theaters, intensive care units, isolation stations as well as microbiological, biological, analytical, medical, pharmacological, nanotechnological or electrotechnical research facilities and production facilities as well as in research facilities and production facilities for wafers, data carriers, Microchips, processors, smartphones, and computers, as well as aviation and aerospace engineering research facilities and manufacturing facilities.
Beispiele für solche erfindungsgemäßen Geräte sind Datenverarbeitungsanlagen, Computer, Notebooks, iPads, Smartphones, Gegensprechanlagen und andere Kommunikationsanlagen, Mikroskope, Elektronmikroskope, AFM-Geräte, Regelgeräte für Klimaanlagen und insbesondere medizintechnische Geräte wie Anästhesiegeräte, Beatmungsgeräte, Bestrahlungsgeräte, Defibrillatoren, Dialysegeräte, Kontaktlinsenreiniger, Reinigungsdesinfektionsautomaten, bildgebende Diagnostikgeräte wie Röntgengeräte, CT, MR, PET, Geräte mit radioaktiver Strahlung für die Nuklearmedizin und Ultraschallgeräte, Geräte für die Strahlentherapie Geräte für Patientenüberwachung und lebenserhaltende Systeme, Laborgeräte für In-Vitro-Diagnostik und dentale Anwendungen, Endoskope samt Zubehör wie Insufflatoren, Pumpen, Sauggeräte und Spülgeräte, Antriebe für motorisierte Instrumente mit Zubehör, Sterilwasserfilteranlagen, Desinfektionsautomaten, Gas befeuchtende Geräte, Dentalgeräte für die Diagnostik und Therapie, Sterilisatoren, Instrumentendesinfektion- und Reinigungssysteme, Hörgeräte, Audiometer, optometrische Geräte, Injektoren, Geräte für die neurologische Diagnostik, Geräte für die Kardiodiagnostik, Inkubatoren, neonatale Wärmetherapie, OP- und Intensivstationsausrüstung, elektrische Krankenhausbetten, Archivierung- und Datenbanksysteme für medizinische Zwecke, Decken- und Patientenversorgungsanlagen, Krankenhaus-Kommunikationssysteme und - Rufanlagen, Ergometer, Untersuchungsstühle und -liegen, Untersuchungsleuchten, Geräte zum Patienten-Handling wie Patientenlifter und Bade- und Duschsysteme, endoskopische Videosysteme mit Versorgungsgeräten und Zubehör, wie Videoendoskope, Endokameras, Monitore, Lichtquellen, Prozessoren und Steuerrechner, Bildverarbeitungsgeräte, Aufzeichnungsgeräte, sowie Archivierung- und Speichersysteme, therapeutische und diagnostische Lichtquellen mit Zubehör, Geweberesektions- und Koagulationssysteme, Elektrochirurgiegeräte mit Zubehör wie HF-Chirurgiegeräte, Elektrokauter, Ultraschallgeräte, Wasserstrahlsysteme und Lasersysteme, OP-Steuerungssysteme wie Gerätevernetzungssysteme, Sprachsteuerungssysteme und Logistiksysteme, Assistenz- und Robotersysteme, Navigationssysteme, Chirurgie- und Dentalgeräte mit Zubehör wie Geräte zum Antrieb und Spülung motorisierter Instrumente, therapeutische Lithotripsie-Geräte wie Lithotriptoren zur intrakorporalen Anwendung mittels Laser, Elektrohydraulik Pneumatik und Ultraschall sowie Zubehör wie Sonotroden und Transducer, Extrakorporale Stoßwellenlithotripsie, Stoßwellentherapiegeräte und -systeme und Zubehör, therapeutische Stimulationsgeräte, Trainingssimulatoren für endoskopische Applikationen, AED (automatic electrical defibrillator) Puls- und Blutdruckmessgeräte, elektrische Fieberthermometer, Blutzuckermessgeräte, Blutgerinnungsmessgeräte, elektrische Rollstühle, Rotlichtlampen und Apnoegeräte.Examples of such devices according to the invention are data processing systems, computers, notebooks, iPads, smartphones, intercoms and other communication systems, microscopes, electron microscopes, AFM devices, air conditioners and in particular medical devices such as anesthesia equipment, respirators, radiation equipment, defibrillators, dialysis machines, contact lens cleaners, cleaning disinfection machines diagnostic imaging equipment such as x-ray equipment, CT, MR, PET, nuclear radiation and ultrasound equipment, radiotherapy equipment, patient monitoring and life support equipment, in vitro diagnostic and dental laboratory equipment, endoscopes and accessories such as insufflators, Pumps, suction devices and flushing devices, drives for motorized instruments with accessories, sterile water filter systems, disinfection machines, gas humidifying devices, dental equipment for diagnostics and therapy, sterilizers, instrument disinfection and cleaning systems, hearing aids, audiometers, optometry devices, injectors, neurological diagnostic equipment, cardiac diagnostic equipment, incubators, neonatal thermal therapy, surgical and intensive care equipment, electric hospital beds, medical archiving and database systems Purposes, ceiling and patient care equipment, hospital communication systems and call systems, ergometers, examination chairs and couches, examination lights, patient handling equipment such as patient lifts and bath and shower systems, endoscopic video systems with power supplies and accessories such as video endoscopes, endocameras, monitors, Light sources, processors and control computers, image processing apparatus, recording apparatus, and archiving and storage systems, therapeutic and diagnostic light sources with accessories, tissue resection and coagulation systems, electrosurgical apparatus with Accessories such as electrosurgical units for HF surgery, electrocautery, ultrasound machines, water jet systems and laser systems, surgical control systems such as device networking systems, voice control systems and logistics systems, assistance and robotic systems, navigation systems, surgical and dental devices with accessories such as propulsion and irrigation equipment, therapeutic lithotripsy devices such as laser illuminators for intracorporeal use, electrosurgical pneumatics and ultrasound, and accessories such as sonotrodes and transducers, extracorporeal shockwave lithotripsy, shockwave therapy devices and systems and accessories, therapeutic stimulation devices, training simulators for endoscopic applications, AED (automatic electrical defibrillator) pulse and sphygmomanometers, electric clinical thermometers , Blood glucose meters, blood clotting gauges, electric wheelchairs, red light bulbs and apnea devices.
Die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte können aber auch hervorragend in der Luftfahrt- und der Raumfahrttechnik verwendet werden. However, the components and devices according to the invention can also be used excellently in aviation and space technology.
Ein erfindungswesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte ist mindestens ein Peltier-Element (TEC, thermolectric cooler). Sein Wirkungsprinzip wird eingangs im Detail beschrieben und braucht deshalb hier nicht mehr wiederholt zu werden. Peltier-Elements sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen im Handel erhältlich, sodass die am besten für den jeweiligen Verwendungszweck geeigneten TEC vom Fachmann Zuhilfenahme seines allgemeinen Fachwissens leicht ausgewählt werden können. Es kommen aber auch neuere Entwicklungen wie dünne gedruckte TEC, Folien von TEC und flexible TEC in Betracht. Das Material für die TEC kann aus gemahlenem und gepresstem Material bestehen, um Magnonen als kollektiven Anregungszustand eines magnetischen Systems mit Eigenschaften eines bosonischen Quasiteilchens verstärkt zu erzeugen. Die Kühlleistung des Peltier-Elements wird über die angelegte elektrische Spannung und Stromstärke geregelt. Die Regelung kann per Hand oder mittels einer Datenverarbeitungsanlage erfolgen.An essential part of the components and devices according to the invention is at least one Peltier element (TEC, thermolectric cooler). Its principle of operation is described in detail in the beginning and therefore does not need to be repeated here. Peltier elements are commercially available in a wide variety of embodiments so that the most suitable TECs for the particular application can be readily selected by those skilled in the art, with the aid of their general knowledge. However, newer developments such as thin printed TEC, TEC films and flexible TEC are also possible. The material for the TEC may be made of ground and pressed material to produce magnons as the collective excited state of a magnetic system having bosonic quasiparticle characteristics. The cooling capacity of the Peltier element is controlled by the applied electrical voltage and current. The regulation can be done manually or by means of a data processing system.
Bei einer ersten Ausführungsform ist das mindestens eine Peltier-Element mit seiner kalten Seite dem bei Betrieb Wärme abgeben mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteil oder Gerät in einem Abstand zugekehrt.In a first embodiment, the at least one Peltier element, with its cold side, emits at least one component or device according to the invention at a distance away from the heat given off during operation.
Bei einer weiteren Ausführungsform steht die kalte Seite des mindestens eine Peltier-Elements in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteil und/oder Gerät.In a further embodiment, the cold side of the at least one Peltier element is in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one component and / or device according to the invention.
Bei beiden Ausführungsformen steht die heiße Seite des mindestens einen Peltier-Elements in wärmeleitendem Kontakt mit der Außenseite des geschlossenen Gehäuses.In both embodiments, the hot side of the at least one Peltier element is in heat-conducting contact with the outside of the closed housing.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteils und/oder Geräts ist mindestens eine Vorrichtung zur Leitung der abgegebenen Wärme zu der nicht in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteil und/oder Gerät stehenden kalten Seite des mindestens einen Peltier-Elements.Another essential component of the at least one component and / or device according to the invention is at least one device for conducting the heat given off to the cold side of the at least one Peltier which is not in direct heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one component and / or device according to the invention element.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Vorrichtung zur Leitung der abgegebenen Wärme zu der nicht in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder dem mindestens einen Gerät stehenden kalten Seite des mindestens einen Peltier-Elements anorganische und/oder organische Gase, anorganische und/oder organische Flüssigkeiten, anorganische und/oder organische schmelzbare und/oder sublimierbare Festkörper, Ventilatoren, Gebläse, Turbinen, Dysons, Venturidüsen, Wärmerohre, mit der kalten Seite in direktem und/oder indirektem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt stehende Schichten aus wärmeleitenden Metallen, Metalllegierungen und/oder Keramiken, Kühlrippen, Wärmetauscher, Wärmeleitpasten und/oder Rohrkühlkörper.Preferably, the at least one device for conducting the heat released to the not in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one electrical and / or electronic component and / or the at least one device cold side of the at least one Peltier element comprises inorganic and / or organic gases, inorganic and / or organic liquids, inorganic and / or organic fusible and / or sublimable solids, fans, blowers, turbines, dysons, venturi nozzles, heat pipes, with the cold side in direct and / or indirect heat-conducting, electrically insulating Contact standing layers of thermally conductive metals, metal alloys and / or ceramics, cooling fins, heat exchangers, thermal compounds and / or tube heat sink.
Beispiele geeigneter organische und anorganische Gase sind Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase, Kohlendioxid, gasförmiges Ammoniak, gasförmige Amine Schwefelhexafluorid, Kohlenwasserstoffe sowie fluorierte, chlorierte und/oder bromierte Kohlenwasserstoffe.Examples of suitable organic and inorganic gases are air, nitrogen, oxygen, noble gases, carbon dioxide, gaseous ammonia, gaseous amines sulfur hexafluoride, hydrocarbons and fluorinated, chlorinated and / or brominated hydrocarbons.
Beispiele geeigneter anorganischer und organischer Flüssigkeiten sind Wasser, Salzlösungen, Salzschmelzen, ionische Flüssigkeiten, flüssiges Ammoniak, flüssige Metalle und Metallegierungen, flüssige Kohlenwasserstoffe oder flüssige, fluorierte, chlorierte und/oder bromierte Kohlenwasserstoffe.Examples of suitable inorganic and organic liquids are water, salt solutions, molten salts, ionic liquids, liquid ammonia, liquid metals and metal alloys, liquid hydrocarbons or liquid, fluorinated, chlorinated and / or brominated hydrocarbons.
Beispiele geeigneter anorganischer und organischer sublimierbarer Festkörpers sind Sublimat, festes Kohlendioxid, para-Dichlorbenzol, Naphthalin oder Kampfer.Examples of suitable inorganic and organic sublimable solids are sublimate, solid carbon dioxide, para-dichlorobenzene, naphthalene or camphor.
Beispiele geeigneter Materialien sind Metalle wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Rhenium, Eisen, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber, Gold, Zink, Kadmium, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium, Germanium, Zinn und Blei, sowie ihre Legierungen miteinander und/oder mit anderen Metallen und/oder Nichtmetallen.Examples of suitable materials are metals such as titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, iron, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, gold, Zinc, cadmium, aluminum, gallium, indium, silicon, germanium, tin and lead, and their alloys with each other and / or with other metals and / or non-metals.
Beispiele für wärmeleitende Keramiken und besondere Anwendungsformen sowie ihre Bezugsquellen sind Dreyer System GmbH: HITHERM® Interface Materialien, wie Gap-Filler, Thermal Tapes und Phase Change Materialien; Dr. D. Müller, Ahlhorn: Wärmeleitpasten Thermigrease®, Wärmeleitkleber Thermiglue® und Wärmeleitpads Thermipads®; Ceram Tec: Aluminiumnitrid-Keramik; oder Aavid Kunze: hochwärmeleitendes Softsilikon, Thermosilikon, wärmeleitende silikonfreie Folien, silikonfreie Phase Change-Folien Crayotherm® (Polyimidfilme). Als weitere Materialien kommen Glimmerscheiben oder Scheiben aus Aluminiumoxid-Berylliumoxid-Keramik in Betracht.Examples of heat-conducting ceramics and special applications as well as their sources of supply are Dreyer System GmbH: HITHERM® Interface materials, such as gap fillers, thermal tapes and phase change materials; Dr. D. Müller, Ahlhorn: thermal compound Thermigrease®, thermal adhesive Thermiglue® and thermal pads Thermipads®; Ceram Tec: aluminum nitride ceramics; or Aavid Kunze: highly heat-conductive Soft silicone, thermo-silicone, thermally conductive silicone-free films, silicone-free phase change films Crayotherm® (polyimide films). As further materials are mica or slices of alumina-beryllium oxide ceramic into consideration.
Die Funktionsweise und der Aufbau der Wärmerohre werden bereits eingangs erläutert. Ihr sei noch näher ausgeführt, dass die Materialien, aus denen die Wärmerohre aufgebaut sind, gasdicht, sowohl gegenüber der „arbeitenden“ Flüssigkeit, als auch gegenüber der äußeren Atmosphäre chemisch stabil, mechanisch und thermisch stabil sowie verformungsstabil sein müssen. Außerdem sollten die Wärmerohre vorzugsweise, zu mindestens in den Bereichen in denen die thermische Energie aufgenommen und/oder abgegeben wird, eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Die anderen Bereiche der Wärmerohre brauchen nicht wärmeleitend zu sein.The operation and the structure of the heat pipes are already explained at the beginning. It should be explained in more detail that the materials of which the heat pipes are constructed must be gas-tight, chemically stable, mechanically and thermally stable, as well as resistant to deformation, vis-à-vis both the "working" liquid and the external atmosphere. In addition, the heat pipes should preferably have a high thermal conductivity, at least in those areas in which the thermal energy is absorbed and / or emitted. The other areas of the heat pipes need not be thermally conductive.
Die Wärmerohre können die unterschiedlichsten Längen aufweisen, die sich insbesondere nach ihrem Verwendungszweck und den Dimensionen der erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte richten.The heat pipes can have a wide variety of lengths, which are directed in particular to their intended use and the dimensions of the components and devices according to the invention.
Des Weiteren können die Wärmerohre unterschiedliche Querschnitte wie Quadrate, Rechtecke und Dreiecke, die abgerundete Ecken und/oder Seiten aufweisen können, Ellipsen, Ovale und/oder Kreise aufweisen. Auch die Größe der Querschnitte kann breit variieren und richtet sich ebenfalls nach dem Verwendungszweck der Wärmerohre und den Dimensionen der erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte.Furthermore, the heat pipes may have different cross sections such as squares, rectangles and triangles, which may have rounded corners and / or sides, ellipses, ovals and / or circles. The size of the cross sections may vary widely and also depends on the intended use of the heat pipes and the dimensions of the components and devices according to the invention.
Die Wärmerohre können in Längsrichtung unterschiedliche Formen aufweisen. So können sie geradlinig, in der Ebene einfach oder mehrfach gebogen, räumlich mehrfach gebogen, mäanderförmig oder spiral verlaufen.The heat pipes may have different shapes in the longitudinal direction. So they can straight, in the plane bent once or several times, spatially multiple curved, meandering or spiral.
Außerdem können die Wärme Wärmerohre leiter nach der Formgebung noch beschichtet werden, um sie vor mechanischer, chemischer und/oder thermischer Einwirkung zu schützen. Beispiele geeigneter Beschichtungsstoffe sind thermisch und/oder mit aktinischer Strahlung, wie z.B. UV-Strahlung oder Elektronenstrahlung härtbare, pigmentierte und/oder nicht pigmentierte Pulverlacke und/oder Flüssigkeiten auf Wasserbasis und/oder auf Basis organischer Lösemittel.In addition, the heat pipe heat conductors can be coated after shaping to protect them from mechanical, chemical and / or thermal impact. Examples of suitable coating materials are thermal and / or actinic radiation, e.g. UV radiation or electron beam curable, pigmented and / or non-pigmented powder coatings and / or water-based and / or organic solvent-based fluids.
Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung auf der Innenseite der Wandungen der Wärmerohre kann ebenfalls aus den unterschiedlichen Materialien bestehen. Der Fachmann kann daher die Materialien aufgrund der ihm bekannten Eigenschaftsprofile auswählen. Die Kapillarstruktur kann aus Nanopartikeln, Fasermaterialien und/oder nano- und/oder mikroporösen Materialien mit entsprechend dimensionierten Porengrößen aufgebaut sein. Außerdem kann die Dochtwirkung durch Drahtgeflechte, wie beispielsweise Kupferdrahtgeflechte oder elektrisch nicht leitende Drahtgeflechte und Faserbündel, z.B. aus Keramik, Glas und/oder hochtemperaturbeständigen Kunststoffen, im Inneren der Wärmerohre erzeugt werden. Des Weiteren kann die Dochtwirkung auch durch Oberflächenstrukturen aus Erhebungen und Vertiefungen wie z.B. Rillen, Säulen, Kugeln und/oder Näpfchen auf den Innenwänden der Wärmerohre erzeugt werden. Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung kann auch nachträglich eingebracht werden. Beispiele geeigneter Methoden sind das Auskristallisieren oder das Ausfällen mesoporöser Materialien wie Zeolithe.The capillary structure with wicking on the inside of the walls of the heat pipes can also be made of different materials. The person skilled in the art can therefore select the materials on the basis of the property profiles known to him. The capillary structure can be constructed of nanoparticles, fiber materials and / or nano- and / or microporous materials with appropriately sized pore sizes. In addition, the wicking may be by wire mesh, such as copper wire mesh or electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, e.g. made of ceramic, glass and / or high temperature resistant plastics, are produced inside the heat pipes. Furthermore, the wicking effect may also be due to surface structures of protrusions and pits such as e.g. Grooves, columns, balls and / or wells are generated on the inner walls of the heat pipes. The capillary structure with wicking can also be introduced later. Examples of suitable methods are the crystallization or precipitation of mesoporous materials such as zeolites.
Das Ende der Wärmerohre, das in wärmeleitendem Kontakt mit dem erfindungsgemäßen Bauteil oder Gerät steht, ist vorzugsweise hiervon elektrisch isoliert. Beispielsweise kann der wärmeleitende Kontakt zwischen dem Ende des Wärmerohrs und des erfindungsgemäßen Bauteils oder Geräts durch Lötkontakte, Schweißkontakte, Flanschkontakte, elektrische und thermisch leitende. Metallpartikel enthaltende Klebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs in die Quelle oder an die Quelle der thermischen Energie ein- und/oder angeschraubt, eingesteckt und/oder ein- oder angeklemmt wird, Druckkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs mittels geeigneter Vorrichtungen an die Quelle der thermischen Energie angedrückt wird, hergestellt. Der wärmeleitende Kontakt kann beispielsweise durch die vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden wärmeleitenden Keramiken und Wärmeleitpasten verbessert werden.The end of the heat pipes, which is in heat-conducting contact with the component or device according to the invention, is preferably electrically insulated therefrom. For example, the heat-conducting contact between the end of the heat pipe and the component or device according to the invention by solder contacts, welding contacts, flange contacts, electrical and thermally conductive. Adhesive layers containing metal particles, screwed, plugged and clamped contacts, in which the end of the heat pipe is screwed into the source or the source of thermal energy and / or screwed in, plugged in and / or clamped on, pressure contacts, in which the End of the heat pipe is pressed by suitable means to the source of thermal energy produced. The thermally conductive contact can be improved, for example, by the above-described electrically insulating thermally conductive ceramics and thermal compounds.
Wärmerohre können beispielsweise von den Firmen Situs Technicals GmbH, Wuppertal, Adeo Heatpipe, Schweiz, oder Cool Tec Electronic GmbH bezogen werden.Heat pipes can be obtained, for example, from the companies Situs Technical GmbH, Wuppertal, Adeo Heatpipe, Switzerland, or Cool Tec Electronic GmbH.
Die Dimensionen und die konstruktiven Details der mindestens einen Vorrichtung zur Leitung der abgegebenen Wärme richten sich in erster Linie nach der Wärmemenge die abzuleiten ist. Der Fachmann kann daher für jeden Einzelfall die am besten geeignete Konstruktion aufgrund seines allgemeinen Fachwissens berechnen und ihre Bestandteile zusammenstellen.The dimensions and constructive details of the at least one device for conducting the heat given off depend primarily on the amount of heat that has to be dissipated. The person skilled in the art can therefore calculate the most suitable construction for each individual case on the basis of his general knowledge and assemble their components.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteils und/oder Geräts ist mindestens eine Vorrichtung zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite des mindestens einen Peltier-Elements zur Außenseite des geschlossenen Gehäuses und zu einer Wärmesenke in der Umgebung des mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteils und oder Geräts. Another essential component of the at least one component and / or device according to the invention is at least one device for dissipating the heat from the hot side of the at least one Peltier element to the outside of the closed housing and to a heat sink in the vicinity of the at least one component according to the invention and / or device.
Das mindestens eine Peltier-Element kann dabei nicht in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteile und/oder Gerät stehen. Ein solches Peltier-Element kann dabei im Innenraum des geschlossenen Gehäuses auf mindestens einer Innenseite und/oder in einer Öffnung in der Wand des geschlossenen Gehäuses angeordnet sein, wobei das mindestens eine Peltier-Element zusätzlich zu seiner Kühlfunktion die Öffnung abdichtetThe at least one Peltier element can not stand in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one component and / or device according to the invention. Such a Peltier element can be arranged in the interior of the closed housing on at least one inner side and / or in an opening in the wall of the closed housing, wherein the at least one Peltier element seals the opening in addition to its cooling function
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Vorrichtung zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite des mindestens einen Peltier-Elements die vorstehend im Detail beschriebenen Materialien und Vorrichtungen und/oder mindestens eine auf der Innenseite des geschlossenen Gehäuses durch eine wärmeleitende Platte abgedeckte Anordnung von Luftschlitzen mit Mikrofiltern. Die wärmeleitende Platte ist vorzugsweise eine Keramikplatte oder Polyimidfilm. Es können aber auch mit Polyimid beschichtete Metallplatten verwendet werden.Preferably, the at least one device for dissipating the heat from the hot side of the at least one Peltier element comprises the materials and devices described in detail above and / or at least one arrangement of air slots with microfilters covered by a heat-conducting plate on the inside of the closed housing. The heat conductive plate is preferably a ceramic plate or polyimide film. But it can also be used with polyimide coated metal plates.
Steht das mindestens eine Peltier-Element in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteil und/oder Gerät, können als mindestens eine Vorrichtung zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite des mindestens einen Peltier-Elements die vorstehend im Detail beschriebenen Materialien und Vorrichtungen verwendet werden.If the at least one Peltier element is in direct heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one component and / or device according to the invention, as at least one device for dissipating the heat from the hot side of the at least one Peltier element can be described in detail above Materials and devices are used.
Darüber hinaus kann die aus dem geschlossenen Gehäuse abgeleitete Wärme in der Form eines erwärmten Luftstroms abtransportiert werden und in zentrale Entlüftungsanlagen geleitet oder gesaugt werden. Zu diesem Zweck können Absaugrohre an die mindestens eine Austrittsstelle der Wärme angeschlossen werden.In addition, the heat dissipated from the closed housing can be removed in the form of a heated air stream and directed or sucked into central venting systems. For this purpose, suction tubes can be connected to the at least one exit point of the heat.
Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite des mindestens einen Peltier-Elements sowie die Vorrichtungen zur Leitung der abgegebenen Wärme zu der kalten Seite des mindestens einen Peltier-Elements können in beliebiger geeigneter Weise miteinander kombiniert werden, was eine großes Anzahl von Freiheitsgraden bei der Konstruktion der erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte eröffnet.The devices described above for dissipating the heat from the hot side of the at least one Peltier element and the means for directing the heat given off to the cold side of the at least one Peltier element can be combined in any suitable manner, which requires a large number of Degrees of freedom in the construction of the components and devices of the invention opened.
Alle Bestandteile und elektrischen Anschlüsse, die in das und/oder aus dem geschlossenen Gehäuse führen, sind mit gasdichten und flüssigkeitsdichten Dichtungen versehen, sodass ein Eindringen von Kontaminanten verhindert wird.All components and electrical connections that lead into and / or out of the closed housing are provided with gas-tight and liquid-tight seals, so that the ingress of contaminants is prevented.
Letztendlich wird die von dem mindestens einen erfindungsgemäßen Bauelement und/oder Gerät abgegebene Wärme einer Wärmesenke in der Umgebung des Geräts zugeführt. Dabei kann es sich um einen Energy Harvester, also ein Gerät zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrischen Strom wie beispielsweise ein thermoelektrisches Element (TEE) handeln. Darüber hinaus können Kühlaggregate, Wärmetauscher, Rohrkühler, oder wie vorstehend genannten organischen und anorganischen Gase, Flüssigkeiten und Phase-Change-Materialien verwendet werden.Finally, the heat emitted by the at least one component and / or device according to the invention is supplied to a heat sink in the vicinity of the device. This can be an energy harvester, ie a device for converting heat energy into electrical current, such as a thermoelectric element (TEE). In addition, refrigeration units, heat exchangers, tube coolers, or organic and inorganic gases, liquids and phase change materials as mentioned above can be used.
Die erfindungsgemäßen Bauteile und/oder Geräte können eine übliche und bekannte, mechanische, elektrische, elektronische und/oder pneumatische Mess- und Regelperipherie aufweisen. Darüber hinaus können sie Bedienungselemente und akustische und/oder optische Anzeigegeräte die Bildschirme enthalten. In allen Fällen wird dafür gesorgt, dass keine Kontaminanten in die geschlossenen Gehäuse der erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte eindringen können.The components and / or devices according to the invention can have a customary and known, mechanical, electrical, electronic and / or pneumatic measurement and control peripheral. In addition, they may include controls and audible and / or visual indicators that screens. In all cases it is ensured that no contaminants can penetrate into the closed housing of the components and devices according to the invention.
Um einen Eindruck von der Vielzahl der Möglichkeiten, die erfindungsgemäßen Bauteile und/oder Geräte herzustellen, zu gewinnen, werden in der Tabelle charakteristische Beispiele für Kombinationen von Bauteilen aufgeführt. Die Tabelle ist nicht einschränkend oder abschließend aufzufassen.
Tabelle: 223 Beispiele für Kombinationen von Komponenten für Vorrichtungen zur Ableitung von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen und/oder Geräten erzeugter Wärme
Wenn sowohl im Innenraum als auch auf der Außenseite des Gehäuses beispielsweise bis zu vier verschiedene Komponenten verwendet werden, die in unterschiedlicher Reihenfolge angeordnet sein können, ergibt sich eine Anzahl von unterschiedlichen Kombinationen im Bereich von 105. Dies untermauert, dass die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte bzw. ihre Kühlvorrichtungen in besonders vorteilhafter Weise an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können.If, for example, up to four different components, which may be arranged in different order, are used both inside and outside the housing, a number of different combinations in the range of 10 5 results. This underpins that the components and devices according to the invention or their cooling devices can be adapted in a particularly advantageous manner to the respective requirements.
Die erfindungsgemäßen Bauteile und/oder Geräte werden insbesondere für das erfindungsgemäße Kühlungsverfahren verwendet. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur kontaminationsfreien Kühlung von umschlossenen, bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen und Geräten, bei dem man man mindestens ein kontaminationsfrei kühlbares, umschlossenes, bei Betrieb Wärme abgebendes, elektrisches und/oder elektronisches Bauteil und/oder Gerät, umfassend
- - mindestens ein geschlossenes Gehäuse mit einer Innenseite und einer Außenseite, das mindestens ein bei Betrieb Wärme abgebendes elektrisches und/oder elektronisches Bauteil und/oder Gerät umschließt,
- - mindestens ein Peltier-Element, dessen kalte Seite dem mindestens einen bei Betrieb Wärme abgebenden, elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder Gerät in einem Abstand zugekehrt ist oder in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder Gerät steht und dessen heiße Seite in wärmeleitendem Kontakt mit der Außenseite steht,
- - mindestens eine Vorrichtung zur Leitung der abgegebenen Wärme zu der nicht in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen elektrischen und/oder elektronischen Bauteil und/oder dem mindestens einen Gerät stehenden kalten Seite des mindestens einen Peltier-Elements und
- - mindestens Vorrichtung zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite des mindestens einen Peltier-Elements in mindestens eine Wärmesenke in der Umgebung,
- - at least one closed housing with an inner side and an outer side, which surrounds at least one electrical and / or electronic component and / or device which releases heat during operation,
- - At least one Peltier element, the cold side of the at least one heat-emitting during operation, electrical and / or electronic component and / or device is at a distance or in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the electrical and / or electronic component and / or device stands and whose hot side is in heat-conducting contact with the outside,
- - At least one device for directing the heat emitted to the not in a direct heat-conducting, electrically insulating contact with the at least one electrical and / or electronic component and / or the at least one device cold side of the at least one Peltier element and
- at least means for dissipating the heat from the hot side of the at least one Peltier element into at least one heat sink in the environment,
Das erfindungsgemäße Kühlungsverfahren verhindert das Eindringen von Kleintieren, Kleinsttieren, Bakterien, Pilzen, Viren, Protozoen, Mikroalgen und Archaea, Sporen, Pollen, Staub, Feinstaub, Feinststaub, Schwebstoffen, Aerosolen, chemischen Kontaminanten, Mikropartikeln und/oder Nanopartikeln in das geschlossenene Gehäuse.The cooling method according to the invention prevents the penetration of small animals, micro animals, bacteria, fungi, viruses, protozoa, microalgae and archaea, spores, pollen, dust, particulate matter, fine dust, suspended particles, aerosols, chemical contaminants, microparticles and / or nanoparticles into the closed housing.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Bauteil und/oder Gerät anhand der
-
1 einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät1 zur Verwendung in einer medizinischen Forschungseinrichtung , -
2 einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät1 zur Verwendung in einem Operationssaal, -
3 einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät1 zur Verwendung in einem Reinstraum, -
4 einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät1 zur Verwendung als Komponente in einer Datenverarbeitungsanlage und -
5 einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt eineram Gehäuse 2 befestigten Absaugvorrichtung5.8 .
-
1 a longitudinal section through a contaminated cooled, enclosedelectronic device 1 for use in a medical research institution, -
2 a longitudinal section through a contaminated cooled, enclosedelectronic device 1 for use in an operating room, -
3 a longitudinal section through a contaminated cooled, enclosedelectronic device 1 for use in a clean room, -
4 a longitudinal section through a contaminated cooled, enclosedelectronic device 1 for use as a component in a data processing system and -
5 a longitudinal section through a section of ahousing 2 attached suction device5.8 ,
In den
- 1
- elektrisches und/oder elektronisches Bauteil und/oder Gerät
- 2
- Geschlossenes Gehäuse
- 2.1
- Innenseite
- 2.2
- Außenseite
- 2.3
- Geschlossener Innenraum
- 2.4
- Umgebung
- 2.5
- Dichtung
- 2.6
- Überdruckventil mit mit Rückschlagsicherung
- 2.7
- Druckausgleichsmembran
- 3
- Peltier-Element (elektrische Anschlüsse und Stromquelle nicht wiedergegeben)
- 3.1
- Kalte Seite
- 3.2
- Heiße Seite
- 4
- Vorrichtung zur Leitung der
von 1 abgegebenen Wärme zu 3.1 - 4.1
- Wärmeleitende, elektrisch isolierte Metallplatte
- 4.2
- Ventilator
- 4.3
- Kühlrippen
- 4.4
- Wärmeleitpaste
- 4.5
- Wärmeleitende Keramikplatte
- 4.6
- Wärmerohr (heatpipe)
- 5
- Vorrichtung zur Ableitung der Wärme von 3.2 zu 2.2 und 2.4
- 5.1
- Wärmeleitende, elektrisch isolierte Metallplatte
- 5.2
- Ventilator
- 5.3
- Kühlrippen
- 5.4
- Wärmeleitpaste
- 5.5
- Wärmeleitende Keramikplatte
- 5.6
- Wärmerohr (heatpipe)
- 5.7
- Luftschlitze mit Mikrofilter 5.7.1
- 5.7.1
- Mikrofilter
- 5.8
- Absaugvorrichtung
- 5.8.1
- Absaugrohr
- 5.8.2
- Befestigungsring an der Außenseite 2.2 des
Gehäuses 2 - 5.8.3
- Flansch
- 5.8.4
- Befestigungsschrauben
- 3.8.5
- Teil des zentralen Entlüftungssystems
- 6
- Wärmesenke
- 7
- Erwärmter Luftstrom, Schutzgasstrom oder Arbeitsfluidstrom
- 1
- electrical and / or electronic component and / or device
- 2
- Closed housing
- 2.1
- inside
- 2.2
- outside
- 2.3
- Closed interior
- 2.4
- Surroundings
- 2.5
- poetry
- 2.6
- Pressure relief valve with non-return valve
- 2.7
- Pressure compensation membrane
- 3
- Peltier element (electrical connections and power source not shown)
- 3.1
- Cold side
- 3.2
- Hot side
- 4
- Apparatus for conducting the heat emitted by 1 to 3.1
- 4.1
- Thermally conductive, electrically insulated metal plate
- 4.2
- fan
- 4.3
- cooling fins
- 4.4
- Thermal Compounds
- 4.5
- Thermally conductive ceramic plate
- 4.6
- Heat pipe (heat pipe)
- 5
- Device for dissipating heat from 3.2 to 2.2 and 2.4
- 5.1
- Thermally conductive, electrically insulated metal plate
- 5.2
- fan
- 5.3
- cooling fins
- 5.4
- Thermal Compounds
- 5.5
- Thermally conductive ceramic plate
- 5.6
- Heat pipe (heat pipe)
- 5.7
- Louvers with microfilter 5.7.1
- 5.7.1
- microfilter
- 5.8
- suction
- 5.8.1
- suction tube
- 5.8.2
- Mounting ring on the outside 2.2 of the
housing 2 - 5.8.3
- flange
- 5.8.4
- mounting screws
- 3.8.5
- Part of the central ventilation system
- 6
- heat sink
- 7
- Heated air flow, inert gas flow or working fluid flow
Ausführliche Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures
Figur 1FIG. 1
Die
Das elektronische Gerät
Das Gerät
Nach einer Betriebsdauer des Geräts
Figur 2FIG. 2
Die
Das elektronische Gerät
Die Kühlung war besonders effektiv, und die gesamte Vorrichtung
Nach einer Betriebsdauer des Geräts
Figur 3FIG. 3
Das elektronische Gerät
Das Gerät
Nach einer Betriebsdauer des Geräts
Figur 4FIG. 4
Das elektronische Gerät
Das Gerät
Nach einer Betriebsdauer des Geräts
Figur 5 FIG. 5
Das Absaugrohr
Durch die Verwendung der Absaugvorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2017/0199554 A1 [0017]US 2017/0199554 A1 [0017]
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