Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft kontaminationsfrei kühlbare, umschlossene, bei Betrieb Wärme abgebende, elektrische und elektronische Bauteile und Geräte.

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.

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.

Stand der Technik

Der in der vorliegenden Anmeldung zitierte Stand der Technik wird durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.

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, l

BESTÄTIGUNGSKOPIE 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.

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.

Peltier-Elemente werden beispielsweise zur Kühlung von Kühlboxen für den Campingbereich und zur Kühlung von Prozessoren genutzt. 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 )

^ = ΠΑΒ Ι = (Π _Α - Π _Β ) Ι (1 ) frei. Das Vorzeichen von W hängt von der Stromrichtung ab. Ein negatives Vorzeichen von W bedeutet, dass dem Kontakt zwischen beiden Leitern Wärme entzogen wird. Es handelt sich, im Gegensatz zur Erzeugung Joulescher Wärme, um einen reversiblen Prozeß. 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 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. Zwischen der absoluten Thermokraft Q und dem Peltier-Koeffizienten Π eines Leiters besteht die schon von Kelvin gefundene Relation (Gleichung 2)

Π = T Q, (2), die aber erst im Rahmen der kinetischen Theorie für die Leitungselektronen oder der Theorie der irreversiblen Thermodynamik gültig begründet werden konnte. Die Kelvin-Relation (2) verknüpft die Materialkonstanten für zwei ganz verschiedene physikalische Effekte, von denen der eine (Peltier-Effekt) die oben angedeutete einfache Erklärung besitzt. 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. 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.

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.

Wärmerohre können beispielsweise in TEC/Heatpipe-Kühlsystemen verwendet werden.

Aus deutschen Patentanmeldung DE 10 201 1 056 877 A1 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie bekannt. Diese umfasst mindestens eine Quelle thermischer Energie, mindestens ein Wärmerohr, mindestens ein thermoelektrisches Element und mindestens eine Wärme ableitenden Vorrichtung, wobei das Wärmerohr mit seinem einen Ende in wärmeleitendem Kontakt mit der Quelle thermischer Energie und mit seinem anderen Ende in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite des thermoelektrischen Elements steht und wobei die der heißen Seite gegenüberliegende kalte Seite des thermoelektrischen Elements in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der Wärme ableitenden Vorrichtung steht. Als Wärmequellen oder Quellen thermischer Energie werden Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren, fotovoltaische Zellen, Solarzellen, Heizkörper, Bestandteile von Öfen und Fußbodenheizungen, Stromwandler, die Unterseite von Automobilen, Motorblöcke, Auspuffanlagen, Rauchrohre, Abgaskamine, Behälter mit Materialien, die bei der Phasenumwandlung thermische Energie erzeugen, elektrische Widerstände, Warmwassertaschen, Biogasanlagen, menschliche und tierische Körper oder Sonnenkonzentratoren genannt. Als wärmeableitetende Vorrichtung werden anorganische und organische Gase, anorganische und organische Flüssigkeiten, anorganische und organische sublimierbare Festkörper, Kühlrippen, Wärmetauscher, Rohrkühlkörper, Motoren, Turbinen, Vorrichtungen zur Durchführung des Rankine-Zyklus und große Flächenheizungen genannt. Von der heißen Seite des thermoelektrischen Elements kann die thermische Energie durch Wärmerohre zu den wärmeableitetenden Vorrichtungen transportiert werden.

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.

Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2017/0199554 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung eines Grafikprozessors (GPU) und eines Zentralprozesors (CPU) bekannt, bei der ein TEC in einem Abstand von den Prozessoren angeordnet ist. Die kalte Seite des TECs ist mit einer wärmeleitenden Platte aus Eisen, Aluminium oder aus einer Eisen/Aluminium- Legierung mit den Prozessoren thermisch verbunden. Die Wärme wird von der heißen Seite des TECs über ein Wärmerohr zu einer Wärmesenke geleitet. Die Wärmesenke umfasst mehrere Ventilatoren mit jeweils einem Lufteinlass und einem Luftauslass. Hier besteht nach wie vor die Gefahr der Kontamination der elektrischen und elektronischen Bauteile im Inneren des Computers.

Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2014/0063736 1 ist eine Anordnung zum kontaminationsfreien Kühlen einer elektrischen Komponente mit einem geschlossenen Gehäuse, in dem eine zu kühlende elektrische Komponente angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Innenseite und eine Außenseite aufweist, und mindestens einem Peltier- Element mit einer kalten Seite, die der elektrischen Komponente beabstandet zugewandt ist, und einer heißen Seite, die in wärmeleitendem Kontakt mit der Außenseite steht.

Aus der koreanischen Patentanmeldung 1020040061286 A ist eine Kühlanordnung für in einem Gehäuse angeordnete elektrische Komponente, die eine Vorrichtung zur Leitung der von der elektrischen Komponente ab zu führenden Wärme zu der kalten Seite eines Peltier- Elements und einer Vorrichtung zur Ableitung der Wärme von der heißen Seite des Peltier- Elements zur Außenseite und zu einer Wärmesenke in der Umgebung aufweist.

Aus der Übersetzung DE 1 1 2009 004 973 T5 der internationalen Patentanmeldung WO 2010/120287 geht eine Vorrichtung zum Erzeugen und zur Verwendung von Elektrizität, die von der Abwärme eines elektrischen Geräts abgeleitet ist. Die Vorrichtung arbeitet mit einer Wärmeerzeugungskomponente die mit einem thermoelektrischen Bauelement thermisch gekoppelt ist. Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2017/037315A1 ist ein Computer mit einem speziellen Gehäuse bekannt, das die Verwendung des Computers in einer explosiven Atmosphäre gestattet. Das Innere des Gehäuses enthält ein Peltier-Element, das die Temperatur der elektronischen Elemente konstant hält. Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2015/008281 1 A1 ist ein Prozessor bekannt, der ein thermoelektrisches Kühlelement aufweist, der eine konstantes Kühlung des Prozessors gewährleistet das thermoelektrische Kühlelement transportiert die Wärme von dem Prozessor zu einer Wärmesenke. Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2006/0101831 A1 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur aktiven Kühlung eines elektronischen Elements hervor. Sie umfassen ein erstes Kühlungselement und induzieren einen thermischen Gradienten in einem Wärmerohr, das die Wärme von der heißen Seite des ersten Kühlungselements zu der kalten Seite eines zweiten Kühlungselements ableitet. Die Anlage kann in Bohrlöchern und bei Bohroperationen verwendet werden.

Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2002/0121097 A1 ist eine Vorrichtung zur Einstellung eines Temperaturgleichgewichts bekannt. Im Innern der Vorrichtung befindet sich ein erster Ventilator, ein Temperatursensor, ein Wärmerohr und erste Wärmelamellen. Das eine Ende des Wärmerohrrohrs ist mit einem Aktuator verbunden. Die ersten, und dem ersten Ventilator angeordnet. Die Kontrollschaltung ist mit der Vorrichtung zur Einstellung des Temperaturgleichgewichts, dem ersten Ventilator und dem Temperatursensor durch elektrische Leitungen verbunden. Außerhalb des Gehäuses weist die Vorrichtung einen zweiten Ventilator und zweite Wärmelamellen auf, die über eine Zuleitung durch das Gehäuse mit der Kontrollschaltung verbunden ist. Die zweiten Wärmelamellen sind zwischen dem zweiten Ventilator und dem Gehäuse angeordnet.

Aber auch diese bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind nicht so allgemein anwendbar, wie es wünschenswert wäre, und müssen weiterentwickelt werden. Aufgabe der Erfindung

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.

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.

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.

Erfindungsgemäße Lösung

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 umfassen und die im Folgenden als„erfindungsgemäße Bauteile und Geräte" bezeichnet werden. 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, in Betrieb nimmt, eine regelbare elektrische Spannung an das mindestens eine Peltier- Element anlegt und die abgegebene Wärme über die mindestens eine Vorrichtung zur Leitung der abgegebenen Wärme oder direkt der kalten Seite des mindestens einen Peltier- Elements zuführt und über mindestens eine Vorrichtung von der heißen Seite zur Außenseite ableitet.

Im Folgenden wird dieses Verfahren als „erfindungsgemäßes Kühlungsverfahren" bezeichnet.

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Insbesondere überraschte, dass durch die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte, das erfindungsgemäße Kühlungsverfahren und die erfindungsgemäße 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.

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. Ausführliche Beschreibung der Erfindung

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.

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. 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. 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. 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.

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. 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 Insuffiatoren, 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.

Die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte können aber auch hervorragend in der Luftfahrt- und der Raumfahrttechnik verwendet werden.

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.

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.

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.

Bei beiden Ausführungsformen steht die heiße Seite des mindestens einen Peltier-Elements in wärmeleitendem Kontakt mit der Außenseite des geschlossenen Gehäuses.

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. 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. 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. 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. Beispiele geeigneter anorganischer und organischer sublimierbarer Festkörpers sind Sublimat, festes Kohlendioxid, para-Dichlorbenzol, Naphthalin oder Kampfer.

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.

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 Therm ig rease®, Wärmeleitkleber Thermiglue® und Wärmeleitpads Thermipads®; Ceram Tee: 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.

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. Die Wärmerohre können die unterschiedlichsten Längen aufweisen, die sich insbesondere nach ihrem Verwendungszweck und den Dimensionen der erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte richten.

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.

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.

Außerdem können die Wärmerohre 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.

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 nichtleitende 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.

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.

Wärmerohre können beispielsweise von den Firmen Situs Technicals GmbH, Wuppertal, Adeo Heatpipe, Schweiz, oder Cool Tee Electronic GmbH bezogen werden.

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. 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.

Das mindestens eine Peltier-Element kann dabei nicht in einem direkten wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Kontakt mit dem mindestens einen erfindungsgemäßen Bauteil 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 abdichtet

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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



20

21

22





Innenseite des Gehäuses

Außenseite des Gehäuses

Mitte zwischen Innenseite und Außenseite

Komponente ist vorhanden

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 10 ⁵ . Dies untermauert, dass die erfindungsgemäßen Bauteile und Geräte bzw. ihre Kühlvorrichtungen in besonders vorteilhafter Weise an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können.

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, in Betrieb nimmt, eine regelbare elektrische Spannung an das mindestens eine Peltier- Element anlegt und die abgegebene Wärme über die mindestens eine Vorrichtung oder direkt der kalten Seite des mindestens einen Peltier-Elements zuführt und über mindestens eine Vorrichtung von der heißen Seite zur Außenseite und einer Wärmesenke in der Umgebung ableitet.

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.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Bauteil und/oder Gerät anhand der Figuren 1 bis 5 beispielhaft erläutert. Bei den Figuren 1 bis 5 handelt es sich um schematische Darstellungen, die das Prinzip der Erfindung veranschaulichen sollen. Die Größenverhältnisse müssen daher auch nicht den in der Praxis angewandten Größenverhältnissen entsprechen. Es zeigen in vereinfachter, nicht maßstabsgetreuer Darstellung: Figur 1 einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät 1 zur Verwendung in einer medizinischen Forschungseinrichtung,

Figur 2 einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät 1 zur Verwendung in einem Operationssaal, Figur 3 einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät 1 zur Verwendung in einem Reinstraum,

Figur 4 einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät 1 zur Verwendung als Komponente in einer Datenverarbeitungsanlage und

Figur 5 einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt einer am Gehäuse 2 befestigten

Absaugvorrichtung 5.8.

In den Figuren 1 bis 5 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:

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

Ausführliche Beschreibung der Figuren

Figur 1 Die Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät 1 zur Verwendung in einer medizinischen Forschungseinrichtung. In der Figur 1 sind die elektrischen Anschlüsse, Leitungen und Durchführungen der Einfachheit halber nicht wiedergegeben. Das elektronische Gerät 1 zur Verwendung in einer medizinischen Forschungseinrichtung wurde im Innenraum 2.3 eines geschlossenen Gehäuses 2 angeordnet. Die Wände des Gehäuses 2 bestanden aus mit Flammschutzmitteln und elektromagnetische Strahlung abschirmenden Pigmenten ausgerüstetem, hochtemperaturbeständigem, sterilisierbarem Kunststoff (Polyetherketon). In jeweils einer Wand wurden eine elastische Druckausgleichsmembran 2.7 und ein Überdruckventil 2.6 mit Rückschlagsicherung angeordnet. Zur Umgebung 2.4 hin war die Rückschlagsicherung noch durch einen Mikrofilter (nicht eingezeichnet, vgl. Figur 4, 5.7.1 ) vor dem Eindringen von Kontaminanten geschützt. Der Innenraum 2.3 des Gehäuses 2 war mit Kohlendioxid als Schutzgas gefüllt. Die Außenseite 2.2 des Gehäuses 2 wurde mit einer Metallfolie mit einer schmutzabweisenden, ultrahydrophoben Beschichtung bedeckt (nicht eingezeichnet). Die von dem elektronischen Gerät 1 erzeugte Wärme erhitzte das Schutzgas, das von einem Ventilator 4.2 als erwärmter Schutzgasstrom 7 angesaugt und auf die Kühlrippen 4.3 aus Aluminium geblasen wurde. Die Kühlrippen 4.3 befanden sich in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der kalten Seite 3.1 des Peltier-Elements 3, an das eine geregelte elektrische Spannung angelegt wurde. Das Peltier-Element 3 war mit seiner heißen Seite 3.2 fest mit der Innenseite 2.1 des Gehäuses 2 elektrisch isolierend verbunden. Die Wärmeleitung zu der an der Außenseite 2.2 befindlichen Schicht aus Wärmeleitpaste 5.4 wurde von der Schicht aus Wärmeleitpaste 4.4 zwischen der heißen Seite 3.2 und der Innenseite 2.2 übernommen. Die Wärmeleitpaste 5.4 übertrug die Wärme auf die an der Außenseite 2.2 befestigten Kühlrippen 5.3, von wo sie mittels des Ventilators 5.2 abgesaugt wurde. Der resultierende erwärmte Luftstrom 7 wurde von dem Ventilator 5.2 in ein Absaugrohr 5.8.1 (nicht eingezeichnet, vgl. Figur 5) als Wärmesenke 6, das gasdicht mit der Außenseite 2.2 des Gehäuses 2 verbunden war und den Ventilator 5.2, die Kühlrippen 5.3 und Wärmeleitpaste 5.4 umschloss, geblasen.

Das Gerät 1 konnte durch diese Vorrichtung 5 in dieser Weise hervorragend gekühlt werden.

Nach einer Betriebsdauer des Geräts 1 von einem Jahr wurde das geschlossene Gehäuse 2 von dem Absaugrohr 5.8, 1 (vgl. Figur 5) entfernt und seine Außenseite 2.2 gereinigt und sterilisiert. Sofort danach wurde das Gehäuse 2 in einer Glovebox unter Schutzgas geöffnet und seine Innenseite 2.1 auf Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Viren, Protozoen, Mikroalgen und Archaea, Sporen, Pollen, Feinstaub, Feinststaub, Schwebstoffe, Aerosole, chemische Kontaminanten und Nanopartikel mittels üblicher und bekannter Nachweismethoden getestet. Es wurden jedoch keine dieser Kontaminanten gefunden. Dies bedeutete, dass diese nicht vorhanden waren oder nur in einer Konzentration unterhalb der Nachweisgrenze der jeweiligen Nachweismethoden vorlagen. Kleintiere oder Kleinsttiere hatten ohnehin keinen Zugang.

Figur 2

Die Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät 1 zur Verwendung in einem Operationssaal. In der Figur 2 sind die elektrischen Anschlüsse, Leitungen und Durchführungen der Einfachheit halber nicht wiedergegeben. Das elektronische Gerät 1 zur Verwendung in einem Operationssaal wurde im Innenraum 2.3 eines geschlossenen Gehäuses 2 angeordnet. Die Wände des Gehäuses 2 bestanden aus mit Flammschutzmitteln und elektromagnetische Strahlung abschirmenden Pigmenten ausgerüstetem, hochtemperaturbeständigem, sterilisierbarem Kunststoff (Polyetherketon). Der Innenraum 2.3 des Gehäuses 2 war mit Kohlendioxid als Schutzgas gefüllt. Die Außenseite 2.2 des Gehäuses 2 wurde mit einer Metallfolie mit einer schmutzabweisenden, ultrahydrophoben Beschichtung bedeckt (nicht eingezeichnet). An dem Gerät 1 waren - in dieser Reihenfolge - eine wärmeleitende Keramikplatte 4.5, das Peltier-Element 3 mit der kalten Seite 3.1 und eine weitere wärmeleitende Keramikplatte 5.5 an der heißen Seite 3.2 befestigt. Die vom Gerät erzeugte Wärme wurde durch diese Anordnung in zwei, mit einer Kapillarstruktur aus Kupfer im Inneren ausgestattete Wärmerohre 5.6 mit rundem Querschnitt, Wänden aus Kupfer und Wasser als Arbeitsflüssigkeit (Arbeitsfluidstrom 7) geleitet. Die beiden Wärmerohre 5.6 wurden durch umlaufende gasdichte Dichtungen 2.5 aus dem Innenraum 2.3 des Gehäuses 2 in die Umgebung 2.4 und in ein Kühlaggregat als Wärmesenke 6 geführt.

Die Kühlung war besonders effektiv, und die gesamte Vorrichtung 5 war ausgesprochen robust, betriebssicher und bis auf das Kühlaggregat 6 wartungsfrei. Nach einer Betriebsdauer des Geräts 1 von einem Jahr wurde das geschlossene Gehäuse 2 samt den Wärmerohren 5.6 von dem Kühlaggregat 6 entfernt und seine Außenseite 2.2 gereinigt und sterilisiert. Sofort danach wurde das Gehäuse 2 in einer Glovebox unter Schutzgas geöffnet und seine Innenseite 2.1 auf Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Viren, Protozoen, Mikroalgen und Archaea, Sporen, Pollen, Feinstaub, Feinststaub, Schwebstoffe, Aerosole, chemische Kontaminanten und Nanopartikel mittels üblicher und bekannter Nachweismethoden getestet. Es wurden jedoch keine dieser Kontaminanten gefunden. Dies bedeutete, dass diese nicht vorhanden waren oder nur in einer Konzentration unterhalb der Nachweisgrenze der jeweiligen Nachweismethoden vorlagen. Kleintiere oder Kleinsttiere hatten ohnehin keinen Zugang.

Figur 3

Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät 1 zur Verwendung in einem Reinstraum. In der Figur 3 sind die elektrischen Anschlüsse, Leitungen und Durchführungen der Einfachheit halber nicht wiedergegeben.

Das elektronische Gerät 1 zur Verwendung in einem Reinstraum wurde im Innenraum 2.3 eines geschlossenen Gehäuses 2 angeordnet. Die Wände des Gehäuses 2 bestanden aus mit Flammschutzmitteln und elektromagnetische Strahlung abschirmenden Pigmenten ausgerüstetem, hochtemperaturbeständigem, sterilisierbarem Kunststoff (Polyetherketon). Der Innenraum 2.3 des Gehäuses 2 war mit Kohlendioxid als Schutzgas gefüllt. Die Außenseite 2.2 des Gehäuses 2 wurde mit einer Metallfolie mit einer schmutzabweisenden, ultrahydrophoben Beschichtung bedeckt (nicht eingezeichnet). An dem Gerät 1 war eine Aluminiumplatte 4.1 befestigt, die die von dem Gerät 1 erzeugte Wärme in vier daran angeschlossene, mit einer Kapillarstruktur aus Kupfer im Inneren ausgestattete Wärmerohre 4.6 mit rundem Querschnitt, Wänden aus Kupfer und Wasser als Arbeitsflüssigkeit Arbeitsfluidstrom 7) geleitet. Die Wärmerohre 4.6 leiteten die Wärme zu einer wärmeleitenden Keramikplatte 4.5 auf der kalten Seite 3.1 des Peltier-Elements 3, das in eine Öffnung in der Wand des Gehäuses 2 fest eingefügt und von einer umlaufenden, gasdichten Dichtung 2.5 zur Umgebung 2.6 hin abgedichtet war. Ein Teil des Peltier- Elements 3 und die heiße Seite 3.2 befanden sich daher außerhalb des Innenraums 2.3. An der heißen Seite 3.2 war eine wärmeleitende Keramikplatte 5.5 befestigt, die die Wärme auf die an der Außenseite 2.2 befestigten Kühlrippen 5.3, von wo sie mittels des Ventilators 5.2 abgesaugt wurde, übertrug. Der resultierende erwärmte Luftstrom 7 wurde von dem Ventilator 5.2 in ein Absaugrohr 5.8.1 (nicht eingezeichnet; vgl. Figur 5) als Wärmesenke 6, das gasdicht mit der Außenseite 2.2 des Gehäuses 2 verbunden war und den Ventilator 5.2, die Kühlrippen 5.3 und die wärmeleitende Keramikplatte 5.5 umschloss, geblasen.

Das Gerät 1 konnte durch diese Vorrichtung 5 in dieser Weise hervorragend gekühlt werden.

Nach einer Betriebsdauer des Geräts 1 von einem Jahr wurde das geschlossene Gehäuse 2 von dem Absaugrohr 5.8.1 (vgl. Figur 5) entfernt und seine Außenseite 2.2 gereinigt und sterilisiert. Sofort danach wurde das Gehäuse 2 in einer Glovebox unter Schutzgas geöffnet und seine Innenseite 2.1 auf Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Viren, Protozoen, Mikroalgen und Archaea, Sporen, Pollen, Feinstaub, Feinststaub, Schwebstoffe, Aerosole, chemische Kontaminanten und Nanopartikel mittels üblicher und bekannter Nachweismethöden getestet. Es wurden jedoch keine dieser Kontaminanten gefunden. Dies bedeutete, dass diese nicht vorhanden waren oder nur in einer Konzentration unterhalb der Nachweisgrenze der jeweiligen Nachweismethoden vorlagen. Kleintiere oder Kleinsttiere hatten ohnehin keinen Zugang.

Figur 4

Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch ein kontaminationsfrei gekühltes, umschlossenes elektronisches Gerät 1 zur Verwendung als Komponente in einer Datenverarbeitungsanlage. In der Figur 4 sind die elektrischen Anschlüsse, Leitungen und Durchführungen der Einfachheit halber nicht wiedergegeben.

Das elektronische Gerät 1 zur Verwendung als Komponente in einer Datenverarbeitungsanlage wurde im Innenraum 2.3 eines geschlossenen Gehäuses 2 angeordnet. Die Wände des Gehäuses 2 bestanden aus mit Flammschutzmitteln und elektromagnetische Strahlung abschirmenden Pigmenten ausgerüstetem, hochtemperaturbeständigem, sterilisierbarem Kunststoff (Polyetherketon). Der Innenraum

2.3 des Gehäuses 2 war mit Kohlendioxid als Schutzgas gefüllt. Die Außenseite 2.2 des Gehäuses 2 wurde mit einer Metallfolie mit einer schmutzabweisenden, ultrahydrophoben Beschichtung bedeckt (nicht eingezeichnet). An dem Gerät 1 waren zwei wärmeleitende Keramikplatten 4.5 befestigt. An jeder Platte 4.5 war ein Wärmerohr 4.6 aus Kupfer mit rundem Querschnitt und im Inneren mit einer Kapillarstruktur aus Kupfer und Wasser als Arbeitsflüssigkeit (Arbeitsfluidstrom 7) befestigt. Jedes Wärmerohr 4.6 leitete die vom Gerät erzeugte Wärme durch den Innenraum 2.3 zu der korrespondierenden wärmeleitenden Keramikplatte 4.5 auf der kalten Seite 3.1 des jeweiligen Peltier-Elements 3. Die jeweilige heiße Seite 3.2 der zwei Peltier-Elemente 3 war an einer gemeinsamen Aluminiumplatte 5.1 befestigt und diese war wiederum an der Innenseite 2.2 der Wand des Gehäuses befestigt und bedeckte die Fläche der Innenseite 2.2 der Wand, worin sich Luftschlitze 5.7 mit Mikrofiltern 5.7.1 befanden, durch die die Wärme als erwärmter Luftstrom 7 in die Umgebung

2.4 als Wärmesenke 6 abgegeben wurde. Der Kühleffekt konnte noch dadurch verstärkt werden, dass Luft an den Öffnungen der Luftschlitze 5.7 vorbeigeblasen wurde.

Das Gerät 1 konnte durch diese Vorrichtung 5 in dieser Weise hervorragend gekühlt werden.

Nach einer Betriebsdauer des Geräts 1 von einem Jahr wurde die Außenseite 2.2 des geschlossenen Gehäuses 2 gereinigt und sterilisiert. Sofort danach wurde das Gehäuse 2 in einer Glovebox unter Schutzgas geöffnet und seine Innenseite 2.1 auf Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Viren, Protozoen, Mikroalgen und Archaea, Sporen, Pollen, Feinstaub, Feinststaub, Schwebstoffe, Aerosole, chemische Kontaminanten und Nanopartikel mittels üblicher und bekannter Nachweismethoden getestet. Es wurden jedoch keine dieser Kontaminanten gefunden. Dies bedeutete, dass diese nicht vorhanden waren oder nur in einer Konzentration unterhalb der Nachweisgrenze der jeweiligen Nachweismethoden vorlagen.

Figur 5 Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt einer am Gehäuse 2 befestigten Absaugvorrichtung 5.8. In der Figur 5 sind die elektrischen Anschlüsse, Leitungen und Durchführungen der Einfachheit halber nicht wiedergegeben.

Das Absaugrohr 5.8.1 der Absaugvorrichtung 5.8 wies einen runden Querschnitt auf und bestand aus Edelstahlblech einer Wandstärke von 1 ,5 mm. An seinem einen Ende war es an einen Teil des zentralen Entlüftungssystems 3.8.5 angeschweißt. An seinem anderen Ende war es mit dem Flansch 5.8.3 an dem Befestigungsring 5.8.2 aus hochtemperaturbeständigem Polyetherketon mit Edelstahlschrauben 5.8.4 angeschraubt. Die von der Vorrichtung 5 aus dem Innenraum 2.2 des Gehäuses 2 über das Peltier-Element 3 abgeleitete Wärme wurde in der Form eines erwärmten Luftstroms 7 in ein Rohr eines zentralen Entlüftungssystems 5.8.7 abgesaugt.

Durch die Verwendung der Absaugvorrichtung 5.8 konnte das Kontaminationsrisiko noch weiter verringert und die Effektivität der Kühlung noch weiter erhöht werden.