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Einrichtung zum Erzeugen und Regulieren von tiefen Temperaturen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung und Regulierung tiefer
Temperaturen mittels eines Temperierbehälters bei automatischer Zuführung eines
Kältemittels, dessen Siedepunkt vorzugsweise unter minus 100° C liegt.
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Es sind Einrichtungen dieser Art bekannt, die zu Laboratoriumsuntersuchungen
als auch für Industrieanlagen flüssige Gase als Kältemittel verwenden. Dabei wird
dem zu temperierenden Objekt mittel- oder unmittelbar so lange Energie in Form von
latenter Verdampfungswärme des Kältemittels entzogen, bis die gewünschte Temperatur
erreicht ist.
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Es ist insbesondere eine Einrichtung, jedoch ohne automatische Temperaturregelung,
bekannt, mit der es möglich ist, mittels flüssiger Luft eine Kältekammer zu Versuchszwecken
auf tiefe Temperaturen zu bringen und zu regeln. Für diese Einrichtung ist ein thermisch
isoliertes Speichergefäß für flüssige Luft vorhanden, in das die Kühlschlangen münden,
welche zur Temperierung der unter dem Speichergefäß befindlichen Kältekammer dienen..
Der je nach Erfordernis notwendige Kältemittelzufluß kann mit einem von Hand einzustellenden
Ventil reguliert werden. Außerdem ist durch einen um die Kältekammer liegenden Hohlraum
vorgesehen, der gasförmigen Phase des Kältemittels eine zusätzliche Kälteleistung
abzugewinnen.
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Einer solchen Anordnung haften mehrere Mängel an. Durch die Anordnung
des Speichergefäßes auf dem Kältekessel und durch den einfachen Ausfließvorgang
des Kältemittels in die Verdampfungseinrichtung macht es sich erforderlich, durch
eine zusätzliche Absaugvorrichtung dafür Sorge zu tragen, daß die gasförmige Phase
des Kältemittels ohne Störung des Kältemittelzuflusses in der vorgesehenen Richtung
in die Atmosphäre entweichen kann. Die direkte Einleitung des Kältemittels in Röhren
zum Zweck des Temperaturaustausches mit der Umgebung wirkt sich nachteilig aus,
da durch den Siedevorgang viele Flüssigkeitsteile im Gasstrom zunächst ungenutzt
mitgerissen werden, so daß ein wesentlicher Temperaturaustausch am Boden der Kältekammer
vonstatten geht. Dieser Umstand leistet einer naturgegebenen Temperaturschichtung
Vorschub und läuft der Forderung nach einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung
zuwider.
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Die Anordnung des zusätzlichen Temperaturaustauschers in Form des
äußeren Hohlkörpers hat den Nachteil, daß auch der Sekundäraustausch nicht in einer
Zone optimaler Temperaturdifferenz zwischen Kälteerzeuger und Kältekammermedium
vor sich gehen kann, was den Wirkungsgrad der Ausnutzung der gasförmigen Phase negativ
beeinflußt. Die durch das Speichergefäß gegebene Türanordnung hat den weiteren Nachteil,
daß jede Öffnung der Kältekammer sofort eine intensive Konvektion des Kältekammermediums
unter Einbeziehung warmer Außenluft und damit einer sofortigen Störung des Temperiervorganges
in der Kammer nach sich zieht.
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Die Erfindung hat zum Inhalt, eine automatische Einrichtung zur Erzeugung
und Regelung von tiefen Temperaturen zu schaffen, die die genannten Nachteile beseitigt,
und insbesondere eine Einrichtung zu schaffen, die ohne die Notwendigkeit des unmittelbaren
Anschlusses an einen Kälbemittelerzeuger höchsten Temperierungsansprüchen im Tieftemperaturgebiet
gerecht wird und einen intensiven Temperaturaustausch in einer Zone größter Temperaturdifferenz
zwischen den austauschenden Medien durch Förderung der natürlichen Konvektion begünstigt,
wodurch ein geringerer Verbrauch an Kältemittel erzielt wird.
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Erfindungsgemäß wird dies durch einen Verdampfungskörper mit einer
veränderlich wärmeaustauschenden Fläche erreicht, dem über ein mittels Widerstandsthermometer
gesteuertes Magnetventil intermittierend aus einem Vorratsbehälter Kältemittel zugeführt
wird, wobei beim Eintauchen eines Verdampfungskörpers in einen Temperierbehälter
mit einem Kühlmittel mit höherem Siedepunkt als der des Kältemittels dem
Kühlmittel
Wärme in Form von latenter Verdampfungswärme entzogen wird, so daß die in einem
Einsatzkorb befindlichen Objekte bis zu einer bestimmten Temperatur gekühlt werden
und der Einsatzkorb von einer Rohrschlange so umschlossen wird, daß durch die in
ihr strömende gasförmige Phase des Kühlmittels eine Zusatzkühlung der zu temperierenden
Objekte erfolgt. Die erfindungsgemäße Anordnung des Verdampfungskörpers im oberen
Teil des von einem doppelwandigen vakuumisolierten Gefäßmantel umgebenden Temperierbehälters
ermöglicht den Temperaturaustausch in einer Zone optimaler Temperaturdifferenz.
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Nach der Erfindung wird ferner eine auf einem Steigrohr aufgewickelte
Heizleitung durch eine Kontakteinrichtung eines Manometers bzw. beim öffnen des
Magnetventils eingeschaltet, wenn der stationäre Druck der gasförmigen Phase des
Kältemittels in einem von einem Überdruckventil, dem Ventilkegel des Magnetventils
und einem nach außen hin abschließenden Dichtungsring gebildeten Raum einen an dem
Manometer abzulesenden Druck unterschreitet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung eines Rührwerkes ermöglicht die Beschleunigung
der Konvektion im Kühlmittel, wobei die entstehende Mischungstemperatur von einem
Widerstandsthermometer aufgenommen wird und an einer Anzeigevorrichtung ablesbar
ist.
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Die Erfindung wird beispielsweise an Hand einer Zeichnung erklärt.
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Abb. 1 zeigt die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung,
Abb. 2 die schematische Darstellung des Verdampfungskörpers.
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In einem doppelwandigen vakuumisolierten Vorratsgefäß 1 (Abb. 1) befindet
sich ein Kältemittel 2, in das ein Steigrohr 3 mit einer thermisch und elektrisch
isolierten Heizspirale 4 eintaucht. Der durch den Dichtering 5, ein Überdruckventil
6 und einen Ventilkegel ? gebildete Raum enthält die gasförmige Phase des Kältemittels
2, deren Druck an einem Manometer 8 abgelesen wird, wobei dieser Druck
mittels genannten überdruckventils 6 variiert wird. Genanntes Manometer
8 dient als Schalter für die Heizwicklung 4
und zur Auslösung einer
Signaleinrichtung, wenn im stationären Zustand ein bestimmter Maximaldruck in diesem
Raum über- oder unterschritten wird. Die Durchflußmenge des in dem Steigrohr 3 aufsteigenden
Kältemittels 2 wird geregelt durch ein Magnetventil 9, bestehend aus einem Ventilkegel
?, einer Druckfeder 10 und aus Ventilspulen 15, das seinerseits von
einem Widerstandsthermometer 13 über einen Verstärker 14
gesteuert
wird. überein Überleitungsrohr 11 (Abb. 1, 2) fließt das Kältemittel
2 in einen eine geneigte Bodenfläche 12 a, 12 6 besitzenden
Verdampfungskörper 12
eines Temperierbehälters 25 mit einem Kühlbad
25'.
Der Temperierbehälter 25 (Abb. 1) ist eingeschlossen durch einen
doppelwandigen evakuierten Gefäßmantel 22, eine thermisch isolierte Deckplatte 23
(Abb. 1, 2) mit einem Deckel 24 (Abb. 1), der einen von einer Rohrschlange
18 umgebenden Einsatzkorb 21 trägt zur Aufnahme der zu temperierenden
Objekte und der luftdicht abgeschlossen ist. Durch einen Schwimmerschalter 19 wird
das Kältemittelniveau im Verdampfungskörper 12 (Abb. 1, 2) konstant gehalten.
Mit einem Widerstandsthermometer 16 (Abb. 1) wird die Temperatur im Temperierbehälter
25 auf eine Meßeinrichtung 17 zur Anzeige übertragen. Ein Rührwerk
20 fördert die Wärmekonvektion und damit den Temperaturausgleich im Kühlbad
25' des Temperierbehälters 25.
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Soll ausgehend von einer höheren Temperatur eine tiefe Temperatur
erzielt werden oder ist im Regelvorgang die Kühlperiode erreicht, wird durch das
Widerstandsthermometer 13 über einen Verstärker 14 und eine Ventilspule
15 ein Magnetventil 9 geöffnet, so daß das unter Druck stehende Kältemittel
2 aus einem Vorratsbehälter 1 über ein Steigrohr 3 in ein überleitungsrohr
11 (Abb. 1, 2) und einen mit einer geneigten Bodenfläche 12 a, 12 b versehenen und
damit eine veränderliche energieaustauschende Fläche besitzenden Verdampfungskörper
12 gedrückt wird.
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Da der Verdampfungskörper 12 in einem Temperierbehälter
25 mit einem Kühlmittel 25' eintaucht, dessen Temperatur über dem
Siedepunkt liegt, siedet das Kältemittel 2 (Abb. 1) sofort, wobei dem Kühlmittel
25' Energie entzogen wird, so daß die Temperatur des Kühlmittels 25' sinkt,
die Temperatur im Temperierbehälter 25 abnimmt und damit die Temperatur der
in einem Einsatzkorb 21 befindlichen und zu temperierenden Objekte. Beschleunigt
wird dieser Abkühlungsprozeß durch eine mit dem Temperierbehälter 25 verbundene
Rohrschlange 18, die nur von der gasförmigen Phase des Kältemittels
2 durchströmt wird, wodurch eine zusätzliche Kühlung der zu temperierenden
Objekte erfolgt. Ein Rührwerk 20 fördert die Konvektion im Kühlmittel 25'
(Abb. 1, 2) durch Mischung desselben und damit den Energieaustausch zwischen Kältemittel
2 und Kühlmittel 25'.
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Ein Schwimmerschalter 19 (Abb. 1) unterbricht den Zufluß des Kältemittels
2, wenn das maximale Niveau, welches das Kältemittel 2 einnehmen darf, im
Verdampfungskörper 12 (Abb. 1, 2) überschritten wird.
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Der durch Ausströmen des Kältemittels 2 aus dem Vorratsbehälter
1 in genanntem Verdampfungskörper 12 entstehende Druckverlust im Vorratsbehälter
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(Abb. 1) und im Steigrohr 3 sowie in dem Raum, abgegrenzt durch einen Dichtering
5, ein überdruckventil 6 und ein Ventilkegel ?, ist meßbar an einem Manometer
8 und wird kompensiert durch Einschalten der Heizwicklung 4 durch
genanntes Magnetventil 9 über genannten Verstärker 14 und die damit verbundene
Zunahme der gasförmigen Phase des Kältemittels 2 in dem genannten Raum.