DE102008026642A1

DE102008026642A1 - Doppeltemperatursensor mit einem Aufnahmeelement

Info

Publication number: DE102008026642A1
Application number: DE102008026642A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Sattler
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-06-04
Also published as: US8057093B2; DE102008026642B4; US20090296773A1

Abstract

Doppeltemperatursensor mit einem Aufnahmeelement zur Messung einer oberflächennahen Temperatur der Umgebungsluft und der Hautoberfläche (9), bestehend aus einem Isolierungsblock (4), zwei Temperaturmessfühlern (2, 3) und einem Aufnahmeelement (8), wobei mindestens das Aufnahmeelement (8) und/oder der Isolierungsblock (4) in der Materialstruktur so ausgebildet sind, dass die Wärmeleitfähigkeit anisotrop ausgeprägt ist, dass die horizontale Wärmeleitung gering gegenüber der vertikalen Wärmeleitung ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppeltemperatursensor mit einem Aufnahmeelement. Doppeltemperatursensoren werden zur Erfassung einer ersten Hautoberflächentemperatur eines Lebewesens und einer zweiten Temperatur einer Umgebung verwendet. In DE10038247C2 sind zwei Temperaturmessfühler in einem geschlossenen Sensorgehäuse im Abstand wärmeisolierend voneinander angeordnet. Aus den zwei Temperaturwerten der zwei Temperaturmessfühler wird unter Verwendung von Wärmebilanzgleichungen die körpernahe Temperatur eines Lebewesens ermittelt. Die Doppeltemperatursensoren solcher Art kommen beispielsweise bei der Steuerung eines Wärmetherapiegerätes für Neugeborene und bei der Erfassung und Überwachung der Körpertemperatur in Atemschutzprodukten zum Einsatz. Die Anbringung der Doppeltemperatursensoren auf der Haut eines Lebewesens, beispielsweise auf dem Kopf eine Feuerwehrmannes oder auf dem Bauch eines neugeborenen Kindes erfolgt mit Hilfe von einseitig klebenden Haftstreifen, wobei der Doppeltemperatursensor mittig unter dem Haftstreifen platziert wird und die Klebeflächen mit der Haut rundherum um den Doppeltemperatursensor klebend verbunden werden. Zusätzlich zur Klebeschicht ist in vielen Fällen eine luftdurchlässige textile Schicht im Haftstreifen angeordnet.
Nachteilig an einer solchen Klebeverbindung ist es, dass sowohl die mittige Platzierung des Doppeltemperatursensors nicht in jedem Fall sicher gegeben ist, dass aber zusätzlich durch den Klebestreifen eine seitliche Abfuhr von Wärme resultiert. Die seitliche Abfuhr von Wärme beeinflusst die Randbedingungen für die Anwendung der Wärmebilanzgleichungen. Aus der US7299090 ist ein Verfahren zur rechnerischen Kompensation der seitlichen Wärmeströme bekannt.
Die Anwendung der rechnerischen Kompensation setzt aber eingeschränkte und bekannte Randbedingungen, wie beispielsweise die Kenntnis des Umgebungstemperaturbereiches voraus, die aber nicht in jedem Fall der Anwendung gegeben sind.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Doppeltemperatursensor derart weiterzubilden, dass die Wärmeverluste verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß besteht ein Doppeltemperatursensor aus einem inneren Isolierungsblock mit einem äußeren Aufnahmeelement, wobei durch die Strukturierung des äußeren Aufnahmeelementes und/oder des inneren Isolierungsblocks eine Anisotropie der Wärmeleitung in der Art erzielt wird, so dass die horizontale Wärmeleitung gering gegenüber der vertikalen Wärmeleitung ist.
Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das Aufnahmeelement bei dem erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor der Fehlereinfluss durch die Inhomogenität der Wärmeströme minimiert werden kann. Es werden zwei Temperaturmessfühler in einem Isolierungsblock zu einem Doppeltemperatursensor so vertikal übereinander angeordnet, dass ein erster Temperaturmessfühler zur Erfassung einer hautseitigen Temperatur, ein zweiter Temperaturmessfühler zur Erfassung einer umgebungsnahen Temperatur ausgebildet ist.
Der Doppeltemperatursensor ist dabei in ein Aufnahmeelement eingebettet.
Das Material des Aufnahmeelements und/oder des Isolierungsblocks weist dabei eine in vertikaler und in horizontaler Ausdehnung unterschiedliche Struktur auf. Dadurch wird gewährleistet, dass die horizontale Wärmeleitung gering gegenüber der vertikalen Wärmeleitung ist. Durch die Einbettung des Doppeltemperatursensors in das erfindungsgemäße Aufnahmeelement wird die Ausbreitung des Wärmeflusses in senkrechter und waagerechter Flussrichtung gesteuert, die Hauptkomponente des Wärmestroms fließt senkrecht von der Hautoberfläche über die Oberfläche des Doppeltemperatursensors zur oberseitigen Umgebung hin und durchfließt dabei im Inneren des Isolierungsblocks zuerst den ersten hautseitigen Temperatursensor und anschließend den zweiten umgebungsseitigen Temperatursensor. Ein weiterer Teil des senkrechten Wärmestromes fließt senkrecht durch das Aufnahmeelement parallel zum Isolierungsblock. Die Anisotropie der Wärmeleitung im Material des Aufnahmeelementes bewirkt, dass die Summe der relativen flächenbezogenen senkrechten Wärmeströme im Aufnahmeelement in gleicher Größenordnung mit dem relativen flächenbezogenen senkrechten Wärmestrom im Isolierungsblock ist und damit der von den zwei Temperatursensoren erfasste Temperaturgradient im Innern des Isolierungsblocks ebenfalls in gleicher Größenordnung mit dem Temperaturgradienten über dem Aufnahmeelement ist. Die Anisotropie der Wärmeleitung reduziert den Fehlereinfluss des seitlichen Wärmestroms in den Wärmebilanzgleichungen durch eine Verminderung des seitlichen Wärmestroms selbst. Die Anisotropie der Wärmeleitung wird durch die Ausbildung einer Strukturierung des Aufnahmeelements erreicht.
In bevorzugter Weise kann eine Strukturierung derart erfolgen, dass nach Vorgabe der Abmessungen des Isolierblocks und des Aufnahmeelements unter Einbeziehung des Wärmedurchgangskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit der Materialien des Isolierungsblocks und des Basismaterials des Aufnahmeelements eine Anzahl ringförmiger Nuten konzentrisch zum Mittelpunkt des Isolierungsblocks eingebracht wird, die mit einem Material gefüllt werden, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer als diejenige des Basismaterials des Aufnahmeelementes ist. Das die Nuten ausfüllende Material kann dabei gasförmig, beispielsweise Luft, aber auch fest, porös oder viskos ausgebildet sein. Die Anzahl und die Dimensionierung der ringförmigen Nuten sind dabei neben den vorgegebenen Abmessungen und Materialeigenschaften vom beabsichtigten Grad der Anisotropie abhängig.
Die Anisotropie der Wärmeleitung im Aufnahmeelement ist bevorzugt so ausgebildet ist, dass der horizontale Wärmedurchgangskoeffizient um den Faktor von 2 bis 20 geringer als der vertikale Wärmedurchgangskoeffizient ausgebildet ist.
Die Anisotropie der Wärmeleitung im Isolierungsblock ist bevorzugt so ausgebildet, dass der horizontale Wärmedurchgangskoeffizient um den Faktor von 2 bis 20 geringer als der vertikale Wärmedurchgangskoeffizient ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit im Aufnahmeelement durch eine Gruppe von vertikalen Bohrlöchern erreicht, wodurch die horizontale Wärmeleitung gering gegenüber der vertikalen Wärmeleitung ist, da die horizontale Wärmeleitfähigkeit durch die geringere Wärmeleitfähigkeit von Luft im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit des schaumartigen Materials des Aufnahmeelementes herabgesetzt wird. Eine unterseitige Haftschicht und eine oberseitige Isolierungsschicht am Aufnahmeelement verhindern dabei eine mögliche Luftbewegung in den Bohrlöchern, welche ansonsten die isolierende Wirkung der Luft beeinträchtigen würde.
In einer weiteren Gestaltungsvariante sind anstatt der Bohrlöcher mehrere ringförmige Nuten radialsymmetrisch in das Aufnahmeelement eingebracht.
Als Gestaltungsvarianten der Nuten können dabei ununterbrochene konzentrische Kreise im Aufnahmeelement eingebracht sein, eine weitere Variante ist eine Kombination aus Nuten und Stützstreben. Die Stützstreben sind dabei bevorzugt aus dem Material des Aufnahmeelementes ausgebildet, wobei die Stützstreben als zusätzliche Elemente in das Aufnahmeelement eingebracht sind oder auch als Teile des Aufnahmeelementes selbst ausgeprägt sein können.
Eine Anzahl konzentrischer Nuten sind dabei mit den Stützstreben in vorteilhafter Weise so versetzt im Aufnahmeelement angeordnet, dass der horizontale Wärmestrom vom Isolierungsblock weg nicht in direkter und geradliniger Richtung entlang der Stützstreben vom Zentrum der Isolierblocks hin zum Rand des Aufnahmeelements abfließen kann. Damit wird eine flächenmäßig weitgehend homogene Verteilung des horizontalen Wärmestroms im Aufnahmeelement erreicht.
Die Bohrlöcher oder die ringförmigen Nuten sind bevorzugt mit einem Material ausgefüllt, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Aufnahmeelementes. Das ausfüllende Material in den Bohrlöchern oder Nuten ist dabei durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen 0,01 W/mK und 0,1 W/mK gekennzeichnet. Das ausfüllende Material kann dabei gasförmig, beispielsweise mit Luft, aber auch fest, porös oder viskos ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform können mindestens zwei unterschiedliche Materialien zum Ausfüllung der Nuten oder Bohrlöcher verwendet werden. Damit ist eine Gestaltung des Aufnahmeelements hinsichtlich der Festigkeit und Flexibilität möglich. Wenn die Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Füllmaterialien voneinander verschieden sind, so kann die Anisotropie der Wärmeleitung dadurch ebenfalls gestaltet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Aufnahmeelement aus einem Material ausgeführt, welches durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen 0,05 W/mK und 0,3 W/mK gekennzeichnet ist. Ein bevorzugtes Material für das Aufnahmeelement ist Polyethylen (PE), weitere Materialvarianten für das Aufnahmeelement sind Polyetheretherketon (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA), geschlossenporige, poröse oder schaumartige Isolierwerkstoffe, wie Silikone, Gummi oder gummierte Schäume.
In einer weiter bevorzugten Ausführung ist der Isolierungsblock aus einem Material ausgeführt, welches durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen 0,05 W/mK und 0,3 W/mK gekennzeichnet ist. Ein bevorzugtes Material für den Isolierungsblock ist Polyetheretherketon (PEEK), weitere Materialvarianten sind Polyethylen (PE), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) oder Polysulfon (PSU).
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen 1 bis 8 schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Dabei zeigen:
1 einen Doppeltemperatursensor nach dem Stand der Technik in zylindrischer Ausführung in perspektivischer Ansicht,
2 den erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor nach 1 mit einem strukturierten Aufnahmeelement in einer Halbschnittdarstellung
3 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Doppeltemperatursensor und das Aufnahmeelement mit einer zusätzlichen Isolierungsschicht und einer Haftschicht
4 eine Draufsicht der Anordnung nach 2
5 eine Variante nach 4 mit einer besonderen Bohrlochanordnung
6 eine Variante nach 4 mit einer Anordnung konzentrisch eingebrachter Nuten
7 eine Ausführungsvariante nach 6 mit einer Anordnung von Stützstreben
8 eine Ausführungsvariante nach 7 mit einer alternativen Anordnung von Stützstreben
In 1 ist ein Doppeltemperatursensor 1 nach dem Stand der Technik in zylindrischer Ausführung in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der Doppeltemperatursensor 1 weist einen als Gehäuse ausgeformten Isolierungsblock 4 auf. Zwei Temperaturmessfühler 2, 3 sind in dem Isolierungsblock 4 vertikal übereinander jeweils oberflächennah eingebracht, sodass der erste Temperaturmessfühler 2 die hautseitige Temperatur T1 und der zweite Temperaturfühler 3 die umgebungsseitige Temperatur T2 sensorisch erfasst. Das Isolationsmaterial des Isolierungsblockes 4 ist gekennzeichnet durch eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,05 W/mK und 0,3 W/mK. Die elektrischen Verbindungen 6 der Temperaturmessfühler 2, 3 werden aus dem Isolierungsblock 4 heraus an das Aufnahmeelement 8 (2) geführt und können geradlinig, spiral-, kreis-, mäander-, zickzack-, sternförmig oder in Form eines Polygons unterseitig in dem Aufnahmeelement 8 nach außen geführt sein. Dabei sind die elektrischen Verbindungen 6 vorzugsweise in einer dafür vorgesehenen Schlitzung im Aufnahmelement 8. eingebettet. Die Temperaturmessfühler 2, 3 sind vorzugsweise baugleiche, temperaturabhängige, resistive Elemente, wie NTC- oder PTC-Elemente, beispielsweise Platintemperaturmessfühler.
Von einem ersten Temperatursensor 2 wird eine der Hautoberfläche 9 proportionale Temperatur T1, von einem zweiten Temperatursensor 3 wird eine der Umgebungsluft proportionale Temperatur T2 erfasst.
Zu einer Verwendung des Doppeltemperatursensors 1 zur Messung einer körpernahen Temperatur an einem Menschen ist die unterseitige Oberfläche des Isolierblocks 4, welche zur Adaption an die Hautoberfläche 9 bestimmt ist, für eine optimale Wärmeübertragung der Hauttemperatur an das Temperatursensorelement 2 vorzugsweise zur Hautoberfläche hin gewölbt ausgeformt.
In 2 ist in einem perspektivischen Halbschnitt eine erste Anordnung 11 eines Doppeltemperatursensors mit einem Isolierungsblock 4 und einem Aufnahmeelement 8 dargestellt, welches den Isolierungsblock 4 in radialer Richtung umgibt. Das Aufnahmeelement 8 dient der seitlichen Temperaturisolation. Hierbei kann das Material des Aufnahmeelements 8 entsprechend der Anwendung des Doppeltemperatursensors 1 verschieden vom Material des Isolierungsblocks 4 ausgeführt sein, beispielsweise aus einem porösen oder schaumartigen Werkstoff. Die Temperaturmessfühler im Isolierungsblock 4 und die elektrischen Verbindungen, sowie die Hautoberfläche sind in der 2 nicht mit dargestellt.
Mindestens einer der Wärmeleitfähigkeiten der Materialien des Aufnahmeelementes 8 und des Isolierungsblockes 4 weisen dabei eine Anisotropie zwischen vertikaler und horizontaler Richtung auf, wobei die Anisotropie so ausgebildet ist, dass die horizontale Wärmeleitung gering gegenüber der vertikalen Wärmeleitung ist. Die Anisotropie der Wärmeleitung im Aufnahmeelement wird durch eine Gruppe von Bohrlöchern 10 bewirkt, die konzentrisch um den Isolierungsblock angeordnet sind.
In einer in 3 dargestellten Ausführung ist eine zweite Anordnung 12 eines Doppeltemperatursensors mit einem Isolierungsblock 4, einem Aufnahmeelement 8, einer Isolierungsschicht 7 und einer Haftschicht 5 als erweiterte Variante der ersten Anordnung 11 im Querschnitt gezeigt.
Gegenüber der Ausführung der ersten Anordnung 11 nach 2 wird in der zweite Anordnung 12 die der Hautoberfläche 9 abgewandte obere Seite des Aufnahmeelementes 8 zusätzlich mit einer dünnen Isolierungsschicht 7 versehen, um bei einem plötzlichen Temperaturwechsel ein Überschwingen der Messsignale zu verhindern. Unterseitig ist ringförmig eine Haftschicht 5 an dem Aufnahmeelement 8 angebracht, welche die Anbringung der zweiten Anordnung 12 eines Doppeltemperatursensors an die Hautoberfläche 9 ermöglicht. Weiterhin ist in 3 eine Gruppe von mit Luft gefüllten Bohrlöchern 10 gezeigt, durch die die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit so gestaltet wird, dass die horizontale Wärmeleitung gering gegenüber der vertikalen Wärmeleitung ist, da die insgesamt wirkende horizontale Wärmeleitfähigkeit durch die geringere Wärmeleitfähigkeit von Luft im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit des Aufnahmeelementes 8 aus schaumartigen Material herabgesetzt wird. Eine unterseitige Haftschicht 5 und eine oberseitige Isolierungsschicht 7 am Aufnahmeelement 8 decken die Bohrlöcher 10 beidseitig ab und verhindern dadurch einerseits eine mögliche Luftbewegung in den Bohrlöchern 10, andererseits dient die Haftschicht 5 zur Befestigung der Anordnung aus Isolierungsblock 4 und Aufnahmeelement 8 an der Hautoberfläche 9, sowie die Isolierungsschicht 7 als Schutz vor einem Überschwingen des Messsignals bei einem plötzlichen Temperaturwechsel.
In 4 ist eine Draufsicht einer Anordnung 11 nach 2 gezeigt, eine Gruppe von 12 Bohrlöchern 10 ist dabei radialsymmetrisch um den Isolierblock 4 angeordnet. Die Anzahl von zwölf Bohrlöchern auf einem einzigen konzentrischen Kreis, sowie der Abstand des konzentrischen Kreises zum äußeren Rand des Aufnahmeelements 8 ist beispielhaft, bedingt durch die Abmessungen des Aufnahmeelements 8 und die Bohrlochdurchmesser ist die Anzahl der konzentrischen Kreise bis in einen Bereich von zwanzig Kreisen und die Anzahl von Bohrlöchern bis in einen Bereich von insgesamt einigen Hundert an Bohrlöchern im Aufnahmeelement 8 umsetzbar.
In 5 ist eine besondere Variante der Anordnung 11 nach 4 der Gruppen von Bohrlöchern 10 in einer Draufsicht gezeigt. Die Bohrlöcher sind dabei in mehreren Teilgruppen radialsymmetrisch um den Isolierungsblock 4 angeordnet, wobei beispielhaft zwei Teilgruppen im geringen Abstand jeweils um einen Bohrlochdurchmesser radial zueinander versetzt angeordnet sind. Diese Anordnung ergibt bei einer großen Anzahl von nahe beieinander liegenden Bohrlöchern eine größtmögliche verbleibende Stabilität des Aufnahmeelements 8.
In 6 ist in einer Draufsicht eine alternative Variante einer Anordnung 11 nach 4 gezeigt, wo anstatt der Bohrlöcher mehrere konzentrisch angebrachte ringförmige Nuten 20 radialsymmetrisch um den Isolierungsblock 4 angeordnet sind. Die ringförmigen Nuten 20 sind dabei mit einem Material ausgefüllt, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Aufnahmeelementes 8. Das Material kann dabei Luft sein. Beispielhaft ist eine Anzahl von zwei Nuten 20 gezeigt, wobei eine Nut 20 direkt am Isolierungsblock 4 und eine weitere Nut 20 nahe am äußeren Umfang des Aufnahmeelementes 8 angeordnet ist. Bedingt durch die Abmessungen des Aufnahmeelementes 8 und die Nutbreiten ist aber auch eine größere Anzahl von Nuten umsetzbar.
Die Anisotropie der Wärmeleitung wird durch die Strukturierung des Aufnahmeelementes 8 mit eingebrachten Nuten 20 erreicht. Eine beispielhafte Vorgehensweise zur Ermittlung der Dimensionierung der Strukturierung ist dabei durch den Ablauf folgender Schritte gekennzeichnet:
Zuerst wird ein Zielbereich des Faktors der Anisotropie festgelegt. Der Faktor der Anisotropie beschreibt das Verhältnis des senkrechten Wärmedurchgangskoeffizienten zum waagerechten Wärmedurchgangs koeffizienten im Aufnahmeelement 8. Für dies Beispiel soll der Faktor in einem Bereich von 8 bis 12 liegen.
Auf Basis der Abmessungen des Isolierblocks 4, werden die Abmessungen des Aufnahmeelementes 8 festgelegt, wie Aufnahmeelementhöhe he, innerer Durchmesser di und äußerer Durchmesser de.
Unter Einbeziehung des Wärmedurchgangskoeffizienten ks des Isolierungsblocks 4 und der Wärmeleitfähigkeiten λe, λl des Aufnahmeelementes 8 und des in die Nuten eingefüllten Materials sind die äußeren Randbedingungen vorgegeben, wie die nachfolgende Strukturierung der Nuten 20 erfolgen kann. Als weitere Bedingung wird die Anzahl der ringförmigen Nuten vorgegeben, sowie, dass die Nuten mit gleicher Breite ausgeführt sein sollen. Aus der Lage der Nuten und der Breite der Nuten ergeben sich die Nutkreisdurchmesser d1, d2, d3.
Das nachfolgende Zahlenbeispiel ist auf eine Umsetzung mit homogenem Polyethylen (PE) als Basismaterial des Aufnahmeelementes 8 ausgelegt. Die Nuten werden mit Luft gefüllt. Die Abmessungen sind wie folgt: he = 6 mm; di = 10 mm; d1 = 12,82 mm; d2 = 23,18 mm, d3 = 26 mm; d4 = 28 mm; de = 30 mm. Die wärmespezifische Materialeigenschaft ist in diesem Beispiel im Fall Von PMMA für den Isolierungsblock 4 wie folgt gegeben: ks = 50 W/m²K.
Für den vertikalen Wärmedurchgangskoeffizienten kv des Aufnahmelementes 8 wird zur Erreichung gleicher flächenbezogener senkrechter Wärmeströme von der Körperoberfläche zur Umgebung ebenfalls ein Wert für kv = 50 W/m²K gewählt. Auf Basis der zylindrischen Geometrie des Aufnahmeelementes 8 (he, de, di) und dem gewählten senkrechten Wärmedurchgangskoeffizienten kv = 50 W/m²K des Aufnahmeelementes 8 wird im nächsten Schritt mit Hilfe der Formel 1 ein Wert für den horizontalen Wärmedurchgangskoeffizienten kl eines unstrukturierten Aufnahmeelementes ermittelt.
In diesem Beispiel ergibt sich ein Wert für den horizontalen Wärmedurchgangskoeffizienten kl von 18.2 W/m²K.
Aus den Nutkreisdurchmessern d1, d2, d3, innerem Durchmesser di und äußerem Durchmesser de, in Verbindung mit den Wärmeleitfähigkeiten λe = 0,4 W/mK des Aufnahmeelements, λl = 0,026 W/mK für ruhende Luft als Füllmaterial für die Nuten kann mit Hilfe von Formel 2 dann der veränderte horizontale Wärmedurchgangskoeffizienten kl_s des strukturierten Aufnahmeelementes 8 ermittelt werden.
In diesem Beispiel ergibt sich bei einem kv von 50 W/m²K ein kl_s von 4.31 W/m²K für das strukturierte Aufnahmeelement 8. Daraus ergibt sich ein Faktor der Anisotropie von 11,6 zwischen dem vertikalen Wärmedurchgangskoeffizienten kv und dem horizontalen, durch Strukturierung veränderten Wärmedurchgangskoeffizienten kl_s. Durch eine Variation der Anzahl und der Dimensionierung der ringförmigen Nuten und der verwendeten Materialien ist der Grad der Anisotropie einstellbar. Eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung des Faktors der Anisotropie ist die Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Füllmaterialien für die Nuten. Im Beispiel sind dann entsprechend in Formel 2 die Werte für die Wärmeleitfähigkeiten λ der unterschiedlichen Füllmaterialien einzusetzen.
Die durch die Anwendung gegebenen Randbedingungen und die für die Anwendung geeigneten Materialien (PEEK, PE, PMMA, PC, PSU) und deren Kombinationen ergeben dabei eine Vielfältigkeit der Kombinationen. Nach Vergleich mit dem beabsichtigten Zielbereich des Anisotropie-Faktors wird dann in iterativen Schritten durch leichte Veränderung der Geometriedaten d1, d2, d3 eine für die Herstellung praktikable Variante im Zielbereich des Anisotropie-Faktors ausgewählt. Der Wert des Faktors der Anisotropie liegt mit 11,6 dabei in diesem Beispiel im Zielbereich der Vorgabe, sodass weitere Iterationsschritte bezüglich Nutbreite und Nut-Anzahl nicht erforderlich sind.
In 7 ist eine Variante einer Anordnung 11 nach 6 als Draufsicht dargestellt, wobei die Nuten 20 unterbrochen sind und somit Stützstreben 22 im Aufnahmeelement 8 entstehen. Damit wird das Aufnahmeelement in der Struktur erhalten, mit dem Vorteil, dass keine ober- und unterseitige Schicht zur mechanischen Stabilisierung notwendig ist. Die Dimensionierung der Stärke von Isolierungsschicht (3) und der Haftschicht (3) ist somit unabhängig von der Struktur des Aufnahmeelementes 8 und Beispielhaft ist eine Anzahl von zwei Nuten 20 gezeigt, wobei beide Nuten in einem Abstand voneinander und im Abstand zum Isolierungsblock 4 und dem äußeren Umfang des Aufnahmeelementes 8 angeordnet sind. Beispielhaft ist eine Anzahl von drei Stützstreben 22 gezeigt. Bedingt durch die Abmessungen des Aufnahmeelementes 8 und die Nutbreiten, die Anzahl von Nuten, die Breite der Stützstreben und die Anforderungen an die Stabilität und Flexibilität des Aufnahmeelementes kann in der Anwendung eine größere Anzahl von Stützstreben 22 erforderlich sein. Die Berechnung des horizontalen Wärmedurchgangskoeffizienten dieser Variante basiert im Prinzip auf den zu 6 dargelegten Formeln, allerdings ist die Geometrie der Stützstreben 22 dabei in die Formel 2 mit einzubeziehen.
In 8 ist eine Variante einer Anordnung 11 nach 7 als Draufsicht dargestellt, dabei sind die verbleibenden Stützstreben 22 so in vorteilhafter Weise versetzt im Aufnahmeelement 8 angeordnet, dass kein horizontaler Wärmestrom vom Isolierungsblock 4 in direkter und geradliniger Richtung entlang der Stützstreben vom Zentrum der Isolierblocks 4 zum Rand des Aufnahmeelements 8 an die Umgebung abfließen kann. Damit wird trotz der Stützstreben 22 eine weitgehend homogene Verteilung des horizontalen Wärmestroms erreicht. Beispielhaft ist eine Anzahl von insgesamt sechs, sternförmig versetzt angeordneten Stützstreben 22 gezeigt. Andere Anordnungen der Versetzung und der Anzahl von Stützstreben 22 sind möglich.

1: Doppeltemperatursensor
2: erster Temperaturmessfühler
3: zweiter Temperaturmessfühler
4: Isolierungsblock
5: Haftschicht
6: elektrische Verbindungen
7: Isolierungsschicht
8: Aufnahmeelement
9: Hautoberfläche
10: Gruppe vertikaler Bohrlöcher
11: erste Anordnung eines Doppeltemperatursensors
12: zweite Anordnung eines Doppeltemperatursensors
20: Nuten
22: Stützstreben
he: Aufnahmeelementhöhe
di: innerer Durchmesser
de: äußerer Durchmesser
d1, d2, d3: Nutkreisdurchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10038247 C2 [0001]
- US 7299090 [0002]

Claims

Doppeltemperatursensor (1) mit einem Aufnahmeelement (8), geeignet zur Erfassung einer Hautoberflächentemperatur und einer Umgebungstemperatur, bestehend aus einem Aufnahmeelement (8) und einem Isolierungsblock (4) mit eingebrachten Temperaturmessfühlern (2, 3), wobei der erste Temperaturmessfühler (2) zur Erfassung einer hautseitigen Temperatur und der zweite Temperaturmessfühler (3) zur Erfassung einer oberseitigen Umgebungstemperatur angeordnet ist, wobei das Aufnahmeelement (8) oder der Isolierungsblock (4) in der Materialstruktur derart ausgebildet sind, dass eine anisotrope Wärmeleitung vorliegt.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 1, wobei die Anisotropie der Wärmeleitung so ausgebildet ist, dass die horizontale Wärmeleitung kleiner als die vertikale Wärmeleitung ist.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 2, wobei die Anisotropie der Wärmeleitung im Aufnahmeelement (8) so ausgebildet ist, dass der horizontale Wärmedurchgangskoeffizient um den Faktor von 2 bis 20 geringer als der vertikale Wärmedurchgangskoeffizient ausgebildet ist.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 2, wobei die Anisotropie der Wärmeleitung im Isolierungsblock (4) so ausgebildet ist, dass der horizontale Wärmedurchgangskoeffizient um den Faktor von 2 bis 20 geringer als der vertikale Wärmedurchgangskoeffizient ausgebildet ist.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 1, wobei die Anisotropie der Wärmeleitung im Aufnahmeelement (8) durch eine Gruppe von vertikalen Bohrlöchern im Aufnahmeelement (8) erreicht wird.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 1, wobei die Anisotropie der Wärmeleitung im Aufnahmeelement (8) durch vertikale Nuten (20) im Aufnahmeelement (8) erreicht wird.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 6, wobei die Nuten (20) über Stützstreben (22) mit dem Aufnahmeelement (8) verbunden sind.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 7, wobei die Nuten (20) mit den Stützstreben (22) in einer versetzten Anordnung im Aufnahmeelement (8) angeordnet sind, wobei der horizontale vom Isolierungsblock (4) fließende Wärmestrom nicht in direkter und geradliniger Form entlang der Stützstreben (22) abfließen kann.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 7, wobei die Stützstreben (22) als Bestandteile des Aufnahmeelementes (8) ausgeprägt sind.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 7, wobei die Stützstreben (22) als zusätzliche Elemente in das Aufnahmeelement (8) eingebracht sind.
Doppeltemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bohrlöcher (10) oder die Nuten (22) mit einem Material ausgefüllt sind, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer als die Wärmeleitfähigkeit des Aufnahmeelementes ist.
Doppeltemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von einem ersten Temperatursensorelement (2) eine der Hautoberfläche (9) proportionale Temperatur und von einem zweiten Temperatursensorelement (3) eine der Umgebungsluft proportionale Temperatur erfasst wird.
Doppeltemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material des Aufnahmeelements (8) eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,05 W/mK und 0,3 W/mK aufweist.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 13, wobei das Material des Aufnahmeelements (8) aus einem Polyethylen (PE) ausgebildet ist.
Doppeltemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolationsmaterial des Isolierungsblocks (4) eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,05 W/mK und 0,3 W/mK aufweist.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 15, wobei das Material des Isolierungsblocks (4) aus einem Polyetheretherketon (PEEK) ausgebildet ist.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 1, wobei das Material der Bohrlöcher (10) oder Nuten (20) eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Aufnahmeelements (8) im Bereich zwischen 0,01 W/mK und 0,1 W/mK aufweist.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Materialien zur Füllung der Nuten (20) oder Bohrlöcher (10) verwendet werden.
Doppeltemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungen (6) der Temperaturmessfühler (2, 3) geradlinig, spiral-, kreis-, mäander-, zickzack-, sternförmig oder in Form eines Polygons unterseitig in dem Aufnahmeelement (8) angeordnet sind.
Doppeltemperatursensor nach Anspruch 19, wobei die elektrischen Verbindungen (6) in einer Schlitzung im Aufnahmeelement (8) eingebettet sind.
Doppeltemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessfühler (2, 3) temperaturabhängige elektrische Widerstandselemente sind.
Doppeltemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessfühler (2, 3) baugleich sind.
Doppeltemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unterseitige Oberfläche des Isolierblocks 4 zur Hautoberfläche 9 hin gewölbt ausgeformt ist.