AT511647B1 - Kühl-/heiz-vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen bzw. Beheizen von Gefäßen und Behältern zur Durchführung chemischer oder physikalischer Reaktionen, wobei die Vorrichtung in vertikaler Richtung von oben nach unten die folgenden Bauteile umfasst: eine wärmeleitfähige Kühl- bzw. Heizplatte (1); zumindest ein mit elektrischen Anschlüssen (7) versehenes Peltierelement (2, 3, 4); gegebenenfalls zumindest eine wärmeleitfähige Trennplatte (5) zwischen jeweils zwei Peltierelementen (2, 4); einen von einem oder mehreren Flüssigkeitskanälen (8) durchzogenen, wärmeleitfähigen Thermoblock (6) zur Ab- bzw. Zufuhr von Wärme von bzw. zu dem zumindest einen Peltierelement (2, 3, 4); und eine externe Steuereinheit für das zumindest eine Peltierelement (2, 3, 4); wobei die Bauteile (1) bis (6) aufeinander aufliegen und so in direktem, flächigem Kontakt miteinander stehen.

Description

MerKicfcische;; jBteiiiKat AT511 647B1 2013-11-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen bzw. Beheizen von Gefäßen und Behältern zur Durchführung chemischer oder physikalischer Reaktionen unter Nutzung des Peltier-Effekts.

STAND DER TECHNIK

[0002] Unter dem Peltier-Effekt wird das Phänomen verstanden, dass in einem stromdurchflossenen Paar von Thermoelementen aus unterschiedlichen Materialien ("Peltierelement") das eine Thermoelement kalt und das andere warm wird. Das heißt, dass bei Nutzung von Peltier-elementen als Kühl- oder Heizeinrichtungen auf der vom zu kühlenden bzw. zu beheizenden Objekt abgewandten Seite, d.h. der "Rückseite" des Peltierelements im Kühlbetrieb Wärme abgeführt, im Heizbetrieb hingegen Wärme zugeführt werden muss. Normalerweise erfolgt dieser Wärmeausgleich mittels der Umgebungsluft.

[0003] Vorrichtungen unter Verwendung von Peltierelementen zum Heizen bzw. Kühlen von Reaktionsgefäßen sind in großer Zahl bekannt. Beispielsweise vertreibt die Fa. Bio Integrated Solutions, Inc. mit Peltiermodulen ausgestattete Heizblöcke, die für einen Betrieb bei Temperaturen zwischen -10 °C und +120 °C kalibriert sind (siehe deren Website: http://www.biointsol.com/prod ucts.aspx?product=7).

[0004] In der Patentliteratur beschreiben etwa WO 01/05497 A1 und US 4.950.608 A1 jeweils eine Kühl- bzw. Heizvorrichtung, die eine wärmeleitfähige Platte und einen mit Flüssigkeitskanälen sowie Elementen einer Widerstandsheizung durchzogenen Thermoblock mit einer externen Steuereinheit umfassen. In beiden Dokumenten werden jedoch keine Peltierelemente erwähnt.

[0005] In US 2008/286171 A1 wird eine vergleichbare Vorrichtung beschrieben, jedoch zusätzlich erwähnt, dass die durch die Kanäle strömende Flüssigkeit mittels - aufgrund der Konstruktionsweise zwangsläufig außen liegender - Peltier-Elemente gekühlt werden kann.

[0006] DE 10 2007 057 651 A1 offenbart ein System zum Temperieren von Proben, bestehend aus einer Abfolge von wärmeleitfähigen Probenaufnahmeblöcken mit zahlreichen Ausnehmungen für Teströhrchen sowie Temperierblöcken, die vorzugsweise Peltier-Elemente enthalten, wodurch ein Temperierblock gleichzeitig in eine Richtung eine Heiz- und in die andere Richtung eine Kühlwirkung entfalten kann. Eine direkte Übertragung von Wärme zwischen den Temperierblöcken ist nicht vorgesehen. Die Gesamttemperatur des Geräts soll konstant bleiben, d.h. es wird keine Wärme nach außen ab- oder von außen zugeführt, während mittels der Peltier-Elemente durch Umschaltung der Stromrichtung abwechselnd eine Heiz- und eine Kühlwirkung auf die Proben ausgeübt wird.

[0007] In WO 98/50147 A1 wird ein System zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Beheizung bzw. Kühlung mittels Peltier-Elementen offenbart. Dabei sind zwei Peltier-Elemente beidseitig eines Reaktionsblocks vorgesehen, der Ausnehmungen für Proben aufweist. Beide Peltier-Elemente stehen auf ihrer vom Reaktionsblock abgewandten Seite in Kontakt mit jeweils einem Thermoblock, der als Wärmespeicher dienen soll. In Betrieb wird mittels der Peltier-Elemente entweder Wärme vom Reaktionsblock auf die beiden Thermoblöcke übertragen oder umgekehrt. Wiederum wird keine Wärme (in nennenswertem Ausmaß) aus dem System abgeführt oder diesem zugeführt.

[0008] DE 35 25 860 A1 beschreibt einen Thermostaten mit einem Metallblock, der Aufnahmebohrungen für Probengefäße aufweist und an dem eine Heiz- und Kühleinrichtung in Form von Peltierelementen angebracht ist. Dabei ist entweder nur ein einziges Peltierelement an der Unterseite des Blocks vorgesehen, oder aber es sind zusätzliche Peltierelemente an den Seiten des Blocks montiert. Als möglicher Temperaturbereich werden zwar -60 °C bis +60 °C angegeben, einen Nachweis dafür gibt es jedoch nicht, da jegliche konkrete Ausführungsbeispiele fehlen.

[0009] Der Nachteil von Ausführungsformen unter Verwendung der Umgebungsluft besteht 1/26

öserKsfcischts fetesiitiat AT511 647B1 2013-11-15 jedoch darin, dass der Wärmeausgleich an der Rückseite des Peltierelements nur sehr langsam vonstatten geht. Durch das Vorsehen von Ventilatoren für die Luftzufuhr kann zwar eine geringfügige Verbesserung erzielt werden, zufrieden stellende Ergebnisse werden, insbesondere im Kühlbetrieb, jedoch dennoch nicht erhalten. Das heißt, es werden nicht jene Temperaturen erreicht, die für Tieftemperatur-Reaktionen, z.B. in chemischen Labors, erwünscht sind, wie etwa Temperaturen im Bereich jener von Eis/Kochsalz-Kältemischungen, d.h. von -20 °C oder darunter, oder von Trockeneis-Kältemischungen, d.h. im Bereich von -70 °C. Darüber hinaus verursachen die Ventilatoren mitunter eine sehr hohe Lärmbelastung.

[0010] Die DE 2 013 973 A1 offenbart einen Thermostaten, der mittels mehrerer, nebeneinander angeordneter Peltieraggregate thermisch beeinflussbar ist. An der Rückseite der Peltierag-gregate ist ein Wärmetauscher zur Kühlung vorgesehen, der entweder mittels Wasser- oder mittels Luftkühlung betreibbar ist. Dabei soll die Luftkühlung bei Ausfall der Wasserkühlung einsetzen, zu welchem Zweck vorzugsweise wiederum ein zuschaltbarer Ventilator vorgesehen ist. Durch diese Luftkühlung soll gewährleistet sein, dass auch "über einen sehr langen Zeitraum dauernde Untersuchungen ohne ständige Überwachung, ohne Gefahr einer Unterbrechung durchgeführt werden können". Offenkundig werden somit Wasserkühlung und (gegebenenfalls ventilatorunterstützte) Luftkühlung als gleichwertig angesehen. Die mittels eines solchen Thermostaten erzielbaren Temperaturen sind nicht angegeben.

[0011] Daher kann auch die DE 2 013 973 A1 die obige Aufgabe, mittels Peltierelementen tiefe Temperaturen in einem Reaktionsblock zu erzielen, nicht lösen, der optionale Ventilator verursacht wiederum einen gewissen Lärmpegel, und darüber hinaus wäre der in diesem Dokument offenbarte Thermostat nicht für einen Dauerbetrieb im Heizmodus geeignet, da die Wärmezufuhr aus der Umgebungsluft hierfür unzureichend ist.

[0012] Ziel der Erfindung war daher die Bereitstellung einer Vorrichtung, mittels derer sich die obige Aufgabe, mittels ein und derselben Vorrichtung einen Reaktionsblock auf sehr tiefe Temperaturen zu kühlen, aber mitunter auch beheizen zu können, lösen lässt.

[0013] Entgegen der Lehre des Standes der Technik haben nun die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstands im Zuge ihrer Forschungen herausgefunden und belegt, dass Wasser- und Luftkühlung keineswegs gleichwertig sind, sondern mittels Wasserkühlung deutliche Verbesserungen der Leistungsfähigkeit von Peltierelementen erzielbar sind, vor allem in Fällen, in denen mehrere Peltierelemente neben- oder insbesondere übereinander angeordnet sind.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0014] Somit betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Kühlen bzw. Beheizen von Gefäßen und Behältern zur Durchführung chemischer oder physikalischer Reaktionen, einschließlich Rohrreaktoren, wie z.B. Kapillarreaktoren, wobei die Vorrichtung in vertikaler Richtung von oben nach unten die folgenden Bauteile umfasst: • eine wärmeleitfähige Kühl- bzw. Heizplatte; • zumindest ein mit elektrischen Anschlüssen versehenes Peltierelement; • gegebenenfalls zumindest eine wärmeleitfähige Trennplatte zwischen jeweils zwei Peltierelementen; • einen von ein oder mehreren Flüssigkeitskanälen durchzogenen, wärmeleitfähigen Thermoblock zur Ab- bzw. Zufuhr von Wärme von bzw. zu dem zumindest einen Peltierelement; und • eine externe Steuereinheit für das zumindest eine Peltierelement; wobei die Kühl- bzw. Heizplatte, das oder die Peltierelement(e), die optionale Trennplatte und der Thermoblock aufeinander aufliegen und so in direktem, flächigem Kontakt miteinander stehen.

[0015] Durch das Vorsehen eines Thermoblocks mit einer ständigen Flüssigkeitskühlung bzw. - 2/26

iKterrecsiseie pitesiäsnt AT511 647B1 2013-11-15 heizung für ein oder mehrere Peltierelemente, die in vollflächigem Kontakt mit dem Ther-moblock und mit der darüber liegenden Kühl- bzw. Heizplatte stehen, in Kombination mit der Steuereinheit für die zugeführte elektrische Energie konnte die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung als Ganzes optimiert werden, wie dies in den nachstehenden Beispielen ausführlich erläutert wird. Schon mit der einfachsten Ausführungsform der Erfindung mit nur einem einzigen Peltierelement konnten im Kühlbetrieb Temperaturen unter -30 °C erzielt werden.

[0016] Weiters sind Temperaturänderungen, z.B. ein Umschalten vom Kühl- in den Heizbetrieb, durch die Flüssigkeitskühlung wesentlich rascher vollziehbar, insbesondere wenn die als Kühloder Heizmedium dienende Flüssigkeit außerhalb der Vorrichtung vorgekühlt oder -geheizt wird, was im Falle einer Luftkühlung oder -heizung aufgrund der deutlich schlechteren thermischen Eigenschaften mit einem erheblichen apparativen und Kostenaufwand verbunden wäre. Aus wirtschaftlichen Gründen wird als flüssiges Medium natürlich vorzugsweise Wasser eingesetzt.

[0017] Speziell bei Einsatz mehrerer Peltierelemente, die nebeneinander auf dem Thermoblock aufliegen und/oder übereinander angeordnet sein können - wobei die Anzahl der neben- bzw. übereinander angeordneten Elemente nicht speziell eingeschränkt ist und unter anderem von den jeweils gewünschten Dimensionen und der Geometrie abhängt - lässt sich diese Temperatur noch deutlich weiter nach unten verschieben. So wurden für eine zweistufige Ausführungsform, d.h. mit übereinander liegenden Peltierelementen, erzielbare Kühltemperaturen im Bereich von -70 °C festgestellt.

[0018] In letzteren Ausführungsformen mit zwei oder mehreren übereinander liegenden Peltierelementen dient ein Peltierelement für den Wärmeausgleich des darüber liegenden Elements. Die Elemente sind dabei vorzugsweise durch jeweils eine wärmeleitfähige Trennplatte, mit der sie in direktem, flächigem Kontakt stehen, voneinander getrennt, um direkten elektrischen Kontakt zu vermeiden.

[0019] Die eigentlichen Peltierelemente sind weiters vorzugsweise jeweils in eine Platte aus einem das Element elektrisch und thermisch nach außen isolierenden und vor äußeren Einwirkungen schützenden Material, vorzugsweise Kork, eingebettet. Dadurch wird neben der elektrischen Isolierung der Wärmefluss in vertikaler Richtung konzentriert, und die Elemente sind vor Beschädigung geschützt.

[0020] Gemäß vorliegender Erfindung kann auf die Kühl- bzw. Heizplatte ein Block aufgesetzt werden, in dem eine oder mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme von Reaktionsgefäßen oder-behältern vorgesehen sein können, oder die Platte ist selbst als Block ausgeführt, der wiederum entsprechende Ausnehmungen aufweisen kann. Dadurch ist die Vorrichtung sehr variabel an unterschiedlichste Reaktionsgefäße und -behälter anpassbar.

[0021] Unter Reaktionsgefäßen und -behältern werden für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sämtliche Behältnisse verstanden, in denen chemische oder physikalische Reaktionen stattfinden können, einschließlich Probenröhrchen, Kolben, Flaschen, Mikrotiterplatten, Rohroder Schlauchreaktoren, wie z.B. Kapillarreaktoren, usw., ohne darauf beschränkt zu sein.

[0022] In manchen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können die chemischen oder physikalischen Reaktionen direkt in "Ausnehmungen" der Blöcke ablaufen, d.h. der absetzbare Block oder die als Block ausgeführte Kühl- bzw. Heizplatte kann selbst als Reaktionsgefäß dienen. Als Rohrreaktor ausgeführt, d.h. mit einem mehr oder weniger dünnen, durchgehenden Kanal versehen, kann somit der Block als Durchflusszelle dienen.

[0023] Die Flüssigkeitskanäle im Thermoblock, die Ausnehmungen in der als Block ausgeführten Kühl- bzw. Heizplatte oder jene in einem auf die Platte aufzusetzenden Block sind vorzugsweise jeweils darin vorgesehene Bohrungen oder Ausfräsungen. Diese sind einfach und kostengünstig herstellbar.

[0024] Die Materialien für die Bauteile der Vorrichtung sind nicht speziell eingeschränkt, solange eine ausreichende Wärmeleitung von einem Bauteil zum anderen gewährleistet ist. Im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit sind die Kühl- bzw. Heizplatte, der Thermoblock und gegebenenfalls die Trennplatte vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Legierungen dieser Metalle 3/26

8&rrcid>i$cht$ pitenfesst AT511 647B1 2013-11-15 gefertigt, wobei Aluminium und dessen Legierungen besonders bevorzugt sind. Als Legierungen werden vorzugsweise solche mit nicht ferromagnetischen Legierungspartnern bevorzugt.

[0025] In Fällen, wo die Kühl- bzw. Heizplatte als Reaktionsblock ausgeführt ist, kann diese jedoch beispielsweise auch aus anderen Legierungen, wie z.B. Edelstahl oder Hastelloy, aus Glas oder aus Kunststoffen, wie z.B. Polytetrafluorethylen oder Polyamid, bestehen. Diese zeichnen sich zwar durch deutlich geringere Wärmeleitfähigkeiten als beispielsweise Aluminium oder Kupfer aus, sind dafür aber weitaus inerter gegenüber den darin durchzuführenden Reaktionen. Gegebenenfalls kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials durch Dotation oder Additive, z.B. Metallpulver oder -späne, erhöht werden, was speziell bei Kunststoffen relativ leicht erreicht werden kann. Dieselben Materialoptionen gelten auch für einen gesonderten, auf die Platte aufzusetzenden Reaktionsblock.

[0026] In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist zwischen einzelnen Bauteilen der Vorrichtung ein den Wärmeübergang förderndes Medium vorgesehen, um die Leistungsfähigkeit weiter zu erhöhen. Dieses ist nicht speziell eingeschränkt und kann beispielsweise beliebige bekannte Wärmeleitpasten, -fluide und dergleichen umfassen, wie z.B. Zinkoxid oder Aluminium-, Kupfer- oder Silberkomponenten enthaltende Silikonöle, ohne darauf beschränkt zu sein.

[0027] Vorzugsweise sind die einzelnen, aufeinander aufliegenden Bauteile miteinander verklebt oder verschraubt, insbesondere verschraubt, um gegen Verrutschen gesichert zu sein. Bei Verwendung einer Wärmeleitpaste oder dergleichen kann diese gleichzeitig als Kleber dienen.

[0028] Weiters sind in bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Ränder der aufeinander aufliegenden Bauteile miteinander fluchtend ausgeführt, um so die Oberfläche der Vorrichtung als Ganzes zu minimieren und den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu reduzieren. Die Querschnittsform der Vorrichtung und der einzelnen Bauteile ist generell nicht speziell eingeschränkt. Besonders zweckdienlich sind jedoch aufgrund einfachen Herstellbarkeit und Lagerbarkeit rechteckige oder quadratische Formen sowie eine kreisrunde Form aus Gründen der Oberflächenminimierung. Entweder nur die Kühl- bzw. Heizplatte oder auch weitere Bauteile kann/können auch in ihrer Form an jene üblicher Laborgeräte oder Reaktionsgefäße anpasst werden.

[0029] Schließlich sind in bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung an äußeren Enden der Flüssigkeitskanäle im Thermoblock Schlauch- oder Rohranschlüsse vorgesehen, um eine einfache und rasche Inbetriebnahme und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

[0030] Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen in konkreten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0031] Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0032] Fig. 2 [0033] Fig. 3 [0034] Fig. 4 [0035] Fig. 5 [0036] Fig. 6 [0037] Fig. 7 [0038] Fig. 8 ist eine isometrische Ansicht der Ausführungsform aus Fig. 1. ist eine isometrische Explosionsansicht der Ausführungsform aus den Fig. 1 und 2 von schräg oben. ist eine isometrische Explosionsansicht der Ausführungsform aus den Fig. 1 bis 3 von schräg unten. ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform. ist eine isometrische Explosionsansicht der Ausführungsform aus Fig. 6 von schräg oben. ist eine isometrische Explosionsansicht der Ausführungsform aus den Fig. 6 und 7 von schräg unten. 4/26

AT511 647B1 2013-11-15 [0039] Fig. 9 ist eine isometrische Ansicht eines Blocks zur Aufnahme von Reaktionsgefä ßen.

[0040] Fig. 10 ist eine isometrische Ansicht eines Blocks zur Aufnahme von röhrenförmigen

Reaktoren.

[0041] Fig. 11 ist ein grafische Darstellung der in Beispiel 1 unter Verwendung einer Vorrich tung gemäß vorliegender Erfindung erhaltenen Messwerte.

[0042] Fig. 12 ist eine grafische Darstellung der in Beispiel 2 für die in Beispiel 1 verwendete

Vorrichtung computersimulierten Werte.

[0043] Fig. 13 ist eine grafische Darstellung der in Beispiel 3 für eine zweistufige Vorrichtung computersimulierten Werte.

[0044] Fig. 14 ist eine grafische Darstellung der für die zweistufige Vorrichtung aus Beispiel 3 computersimulierten Werte bei zweidimensionaler Simulation.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

[0045] In Fig. 1 ist eine einfache Ausführungsform der Heiz-/Kühl-Vorrichtung der Erfindung dargestellt. Zuoberst befindet sich eine Kühl- bzw. Heizplatte 1, in der eine Öffnung 10 zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Temperatursensors vorgesehen ist, wobei es sich z.B. um ein einfaches Thermometer oder vorzugsweise um einen mit der (nicht dargestellten) Steuereinheit für das Peltierelement verbundenen Thermofühler handeln kann.

[0046] Unterhalb der Platte 1 liegt ein Peltierelement 2, das mit elektrischen Anschlüssen 7 zur Verbindung mit dem Steuerelement ausgestattet ist. Das Peltierelement ist vorzugsweise in eine Platte aus einem Material eingebettet, dass das Element thermisch und elektrisch nach außen, d.h. zur Seite, isoliert. Zur Erhöhung der Kühl- bzw. Heizleistung können neben diesem Peltierelement 2 noch ein oder mehrere weitere vorgesehen sein (ohne dass diese in Fig. 1 zu erkennen wären).

[0047] Unterhalb des Peltierelements 2 befindet sich der Thermoblock 6, der in bevorzugten Ausführungsformen zweiteilig ausgeführt ist, d.h. einen oberen Teil 6a und einen unteren Teil 6b umfasst. Dies erleichtert die Herstellung, da die im Inneren des Thermoblocks verlaufenden Flüssigkeitskanäle 8 so leichter durch (computergesteuertes) Fräsen in nur einem oder in beiden Teilen erzeugbar sind. In Fig. 1 sind die Eintritts- und Austrittsöffnungen eines Flüssigkeitskanals 8 zu erkennen. In einem Thermoblock können jedoch auch mehrere, voneinander getrennt mit Flüssigkeit zu speisende Kanäle vorgesehen sein.

[0048] Zwischen den einzelnen, aufeinander aufliegenden Bauteilen 1 bis 6 ist vorzugsweise ein (nicht dargestelltes) Wärmeleitmedium vorgesehen, um den Wärmeübergang zu verbessern. Die Ränder der einzelnen Bauteile sind miteinander fluchtend ausgeführt, um die Oberfläche und damit den Wärmeaustausch mit der Umgebung gering zu halten.

[0049] Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht derselben Ausführungsform, in der zusätzlich zu Fig. 1 ebenfalls eine Öffnung 10 für einen Temperatursensor sowie obere Schrauben 11 zur stabilen Verbindung der einzelnen Bauteile miteinander gekennzeichnet sind, wobei die Schrauben vorzugsweise von (nicht dargestellten) Buchsen, z.B. aus Polyamid oder anderen Kunststoffen, zur thermischen Isolierung umhüllt sind.

[0050] Fig. 3 ist eine isometrische Explosionsansicht derselben Ausführungsform von schräg oben. Darin sind zusätzlich zu den beiden vorhergehenden Zeichnungen nun auch untere Schrauben 11 so wie der Umstand zu erkennen, dass das Peltierelement 2 zweiteilig ausgeführt ist. Das heißt, das eigentliche Peltierelement 2a ist in eine Platte 2b aus einem Material wie etwa Kunststoff oder vorzugsweise Kork eingebettet, das neben thermischer und elektrischer Isolierung des Elements nach außen Letzteres auch gegen mechanische oder chemische Beschädigungen schützt. 5/26 ästerreidBsd!« pitwiarot AT511 647B1 2013-11-15 [0051] Fig. 4 ist eine isometrische Explosionsansicht wiederum derselben Ausführungsform von schräg unten. Hier ist nun auch ein bevorzugter Verlauf des Flüssigkeitskanals 8 im Inneren des oberen Teils 6a des Thermoblocks angedeutet. Konkret verläuft der Kanal 8 vorzugsweise in schlangen- oder Mäanderform durch den Thermoblock, um für einen guten Wärmeübergang vom Thermoblock auf die Flüssigkeit oder umgekehrt zu sorgen. In Fig. 4 ist zu erkennen, dass der Kanal an derselben Seite des Thermoblocks 6 ein- und ausmündet. Angedeutet ist, bei Annahme eines Flüssigkeitseintritts durch die mit 8a gekennzeichnete Öffnung in der linken Hälfte des Thermoblocks - ein mäandernder Verlauf des Kanals 8 zur gegenüberliegenden Seite, dort ein Wechsel in die rechte Hälfte des Thermoblocks und ein wieder zurück zur Stirnseite führender, erneut mäandernder Verlauf des Kanals 8 bis zur Austrittsöffnung 8b.

[0052] Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer doppelstufigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Peltierelementen, bei der zwischen der Kühl- bzw. Heizplatte 1 und dem Peltierelement 2 ein weiteres Peltierelement 4 und eine wärmeleitende Trennplatte 5 zwischen den Peltierelementen vorgesehen sind. Diese Trennplatte verhindert einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den Peltierelementen 2 und 4 und fördert aber gleichzeitig den Wärmeübergang von einem zum anderen. In dieser Ausführungsform dient das untere Peltierelement 2 zur Kühlung bzw. Erwärmung des oberen Elements 4 und wird seinerseits vom wiederum zweiteiligen Thermoblock 6a, 6b gekühlt bzw. erwärmt.

[0053] Fig. 6 ist eine isometrische Seitenansicht einer weiteren doppelstufigen Ausführungsform mit drei Peltierelementen. In der unteren Ebene ist neben dem Element 2 ein weiteres Peltierelement 3 vorgesehen. Auf diesen beiden liegen eine Trennplatte 5 und ein zentrales Peltierelement 4 auf. Auf diese Weise ist vor allem der Wärmeaustausch zwischen den Peltierelementen 2 und 3 in der unteren Ebene und dem Thermoblock erhöht.

[0054] Fig. 7 ist eine isometrische Explosionsansicht der Ausführungsform aus Fig. 6 von schräg oben, in der die bevorzugte Zweiteiligkeit der Peltierelemente 2 bis 4, vor allem von Element 4, zu erkennen ist. Letzteres besteht erneut aus einem in eine Isolierplatte 4b eingebetteten Element 4a.

[0055] Fig. 8 ist eine isometrische Explosionsansicht der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 von schräg unten. Hier ist wiederum der schlangenförmige bzw. mäandernde Verlauf des Flüssigkeitskanals 8 durch den Thermoblock zu erkennen.

[0056] Die Fig. 9 und 10 zeigen mögliche Ausgestaltungsformen von Blöcken der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Aufnahme von Reaktionsgefäßen. Dabei kann es sich entweder direkt um eine als Block ausgeführte Kühl- bzw. Heizplatte oder aber um einen darauf aufzusetzenden, gesonderten "Reaktionsblock" handeln. In beiden Fällen wird der jeweilige Bauteil vorzugsweise wiederum mittels Schrauben 11 mit einem oder mehreren darunter liegenden verbunden und weist vorzugsweise eine Öffnung 10 für einen Temperatursensor auf.

[0057] In Fig. 9 weist dieser Block 14 kreisrunde Ausnehmungen 9 auf, in denen einzelne (nicht dargestellte) Reaktionsgefäße, wie z.B. Kolben, Fläschchen, Probenröhrchen und dergleichen, untergebracht und so gekühlt oder beheizt werden können. In Fig. 10 ist ein zylindrischer Block dargestellt, der als Halterung für einen (nicht dargestellten) Rohr- oder Schlauchreaktor, z.B. einen Kapillarreaktor, dient. Letzterer wird in Betrieb einfach um den Zylinder herumgewickelt. Möglich sind aber auch Ausführungsform mit einem teilweise oder gänzlich hohlen und nicht notwendigerweise zylindrischen Block, in den Reaktionsgefäße, so z.B. auch Kapillarreaktoren, eingelegt werden können.

[0058] Wie bereits erwähnt, können derartige Blöcke aber auch direkt als Reaktionsgefäße dienen, indem die thermisch zu beeinflussenden chemischen oder physikalischen Reaktionen in entsprechenden Hohlräumen, z.B. Ausnehmungen 9, des Reaktionsblocks ablaufen gelassen werden. 6/26 isteireidiiscises jafsüfeMt AT511 647B1 2013-11-15

BEISPIELE

Beispiele 1 und 2 - einstufige Vorrichtung [0059] Eine Vorrichtung wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt wurde einerseits wie nachstehend beschrieben hergestellt und im Kühlbetrieb getestet (Beispiel 1), und andererseits wurde deren Leistungsfähigkeit in einer Computersimulation theoretisch berechnet (Beispiel 2).

Beispiel 1 [0060] Kühlplatte: [0061] Peltierelement: [0062] Thermoblock: [0063] Verschraubung:

Aluminium, 10x10x1 cm, 3,5 mm 0 Bohrung für einen Temperatursensor TEC2H-62-62-437/75 von der Eureca Messtechnik GmbH, Köln, Deutschland, eingebettet in eine Korkplatte mit 10 x 10 x 0,3 cm

Aluminium, 10 x 10 x 2+1 cm Höhe; darin eingefräst ein schlangenförmiger Flüssigkeitskanal mit einer Breite von 6 mm, einer Tiefe von 15 mm und einer Gesamtlänge von 547 mm, 3,5 mm 0 Bohrung für einen Temperatursensor 17 (8 + 9) mit Polyamidbuchsen isolierte Schrauben aus rostfreiem Edelstahl [0064] Temperatursensor: digitales Laborthermometer (2 x), Fluke 54-ll-B Differenzthermome ter mit 2 x 80PK-25- bzw. 2 x 80PT-25-Temperatursonden [0065] Stromversorgung: stromstärkegeregelter Betrieb, Hochleistungsnetzgerät für mindes

tens 25 V/25A

[0066] Die gesamte Vorrichtung (mit Ausnahme der Steuereinheit) wurde zur thermischen Isolierung mit Polystyrolschaum ummantelt, und der Thermoblock wurde mit Leitungswasser mit einer Temperatur von 10-12 °C gespeist. Anschließend wurde die Stromzufuhr zum Peltierelement aktiviert und die Stromstärke in Schritten von 1 A erhöht. Nach jeweils 5 min Äquilibrierungszeit wurde mittels der beiden Thermometer die Temperatur der Kühlplatte und des Ther-moblocks bei der jeweiligen Stromstärke, d.h. zwischen 0 und 20 A, gemessen. Die so erhaltenen Messwerte wurden als Temperatur der kalten Seite "Tc" bzw. Temperatur der warmen Seite "Th" des Peltierelements herangezogen.

[0067] Fig. 11 zeigt die dabei erhaltenen Werte mit den zugehörigen Ausgleichskurven und deren Berechnungsgrundlage.

[0068] Die niedrigste kontinuierlich erzielte Temperatur der Kühlplatte lag bei einer Stromstärke von 20 A bei -31 °C, wofür eine Leistung von etwa 330 W erforderlich war. Kurzzeitig konnte bei einer Stromstärke von 25 A sogar eine Temperatur von -35 °C gemessen werden, was jedoch aufgrund der Leistungsgrenze des im Versuch verwendeten Netzgeräts nicht dauerhaft verifiziert werden konnte. Aus der Ausgleichskurve lässt sich allerdings abschätzen, dass bei entsprechender Stromstärke die niedrigere Temperatur auch kontinuierlich erzielbar sein sollte.

[0069] Jedenfalls stellt die vorliegende Erfindung eine Kühlvorrichtung bereit, die bestens zum Einsatz für Tieftemperaturreaktionen geeignet ist.

Beispiel 2 [0070] Zur Überprüfung der theoretischen Leistungsgrenze der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Beispiel 1 im Kühlbetrieb wurde eine Computersimulation unter Verwendung der nachstehenden Gleichung durchgeführt. Hierbei wurden die durch die Thermokraft (wie durch den Seebeck-Koeffizienten definiert) erzeugte Temperaturdifferenz, die durch Stromfluss erzeugte Wärmemenge und der durch die Wärmeleitung zwischen kalter und warmer Seite des Peltierelements hervorgerufene Wärmeverlust wie folgt berücksichtigt und in Abhängigkeit von der jeweiligen Temperatur dynamisch angepasst: 7/26

österreichisches päteü tarnt AT511 647B1 2013-11-15

Q 0SexIxT)- rRxI2^

-(Kx&T) Q Kälteleistung [W]

Se Seebeck-Koeffizient [K/W] I Stromstärke [A] T Temperatur im Peltierelement [K] R Ohmscher Widerstand des Peltierelements [Ω] K Wärmeleitwert des Peltierelements [W/K] ΔΤ Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite des Peltierelements [K] [0071] Folgende Koeffizienten wurden - laut Datenblatt des verwendeten Peltierelements - zur Berechnung eingesetzt:

Se(300 K) 0,0826 V/K R(300K) 0,815 Ω

K(300 K) 3,47 W/K

[0072] Da die drei obigen Koeffizienten von der Temperatur im Peltierelement abhängig sind, wurde die im Datenblatt beschriebene Temperaturabhängigkeit mittels Polynomfunktion 4. Ordnung approximiert, wobei folgende Koeffizienten erhalten wurden: a b c d e

Se(T) -1.385E-10 R(T) +1,260E-08 K(T) +1,074E-08 +1.457E-07 -5,812E-05 -1,348E-05 +5,378E-03 -7,837E-06 +1,712E-03 +1,060E-02 -6,764E-01 -9,445E-01 +6,208E+01 -7,149E-02 +-4,568E+00 [0073] Für den Temperaturbereich von 225 K bis 300 K wurde ein R2 von größer 0,999 erhalten.

[0074] Zuerst wurden Se, R und K jeweils für die entsprechende Temperatur bestimmt (hier wurde für T die Temperatur auf der warmen Seite eingesetzt), da sie die einzig bekannte ist und die Kaltseitentemperatur zu einer zirkulären Definition führen würde. Durch Einsetzen in die Peltiergleichung wurden die ΔΤ-Werte berechnet. Die Betriebsspannung U [V] wurde durch Addition des Seebeck-Terms und der Beziehung U = R x I (Ohm'sches Gesetz) berechnet.

[0075] Dabei wurden die in der nachstehenden Tabelle 1 aufgelisteten Werte berechnet: 8/26 AT511 647B1 2013-11-15

Tabelle 1 äStCT?W»5Ö»S pitentäist

9/26 österreichische;! föteüSawi AT511 647B1 2013-11-15 [0076] Fig. 12 zeigt diese bei der Simulation erhaltenen Werte samt den zugehörigen Ausgleichskurven. Man erkennt, dass die berechneten Werte sehr gut mit den tatsächlich gemessenen übereinstimmen. So betrug die in Beispiel 1 bei 25 A kurzzeitig gemessene Temperatur der Kühlplatte -35 °C, und das Minimum der Ausgleichskurve liegt bei etwa -34 °C, bei einer Stromstärke von etwa 21 A und einer Leistung von etwa 460 W. Und die in Beispiel 1 bei einer Stromstärke von 20 A kontinuierlich gemessene Temperatur betrug -31 °C, während die Simulation -32,8 °C ergab. Hierzu ist zu erwähnen, dass die Wassertemperatur im praktischen Versuch in einem Bereich zwischen 10 und 12 °C schwankte, während bei der Berechnung von konstanten 12 °C ausgegangen wurde.

Beispiele 3 und 4 - zweistufige Vorrichtung [0077] Auf ähnliche Weise wie in Beispiel 2 wurde eine Computersimulation für eine erfindungsgemäße Vorrichtung wie in den Fig. 6 bis 8 dargestellt, d.h. mit drei neben-bzw. übereinander liegenden Peltierelementen durchgeführt.

Beispiel 3 [0078] Zur Berechnung dieser zweistufigen Ausführungsform wurde im Wesentlichen analog zur einstufigen Variante vorgegangen. Dabei wurden zunächst die Stromstärken der primären und sekundären Stufe, d.h. der beiden unteren Peltierelemente 2 und 3 bzw. des oberen Peltie-relements 4, als identisch angesetzt und zwei Datensätze, wie zuvor in Beispiel 2 aufgelistet, unter Annahme einer Wassertemperatur von 12 °C berechnet. Die Kaltseitentemperatur der unteren Stufe entsprach dabei der Warmseitentemperatur der oberen Stufe.

[0079] Fig. 13 zeigt die bei dieser Simulation erhaltenen Werte samt Ausgleichskurven. Das Minimum der Ausgeichskurve liegt in diesem Fall bei etwa -67 °C bei einer Stromstärke von 14 bis 15 A und einer Leistung von etwa 650 W.

Beispiel 4 [0080] Anschließend wurde die Berechnung weiter optimiert, indem für jede Stromstärke in der primären (unteren) Peltierstufe ein kompletter Datensatz, wie zuvor in Beispiel 2 aufgelistet, für die zweite (obere) Stufe berechnet wurde, wobei eine Wassertemperatur von 10 °C angenommen wurde. Aufgrund der großen Datenmengen werden diese simulierten Ergebnisse hierin nur grafisch präsentiert.

[0081] Fig. 14 zeigt hierzu ein zweidimensionales Diagramm, das sich aus den Stromstärken der primären und der sekundären Stufe als x- bzw. y-Achse sowie der Kaltseitentemperatur nach der zweiten Stufe, die jener der Kühlplatte dieses theoretischen zweistufigen Beispiels entspricht, d.h. der Tc-Werte aller Sekundärstufendaten, auf der z-Achse ergibt. Hier wurde ein Maximum bei einer Temperatur von -72 °C bei einer Stromstärke von 17 A für die beiden Peltierelemente der primären Stufe und von 11,5 A für jenes der sekundären Stufe erhalten. Dieses ist im Diagramm mit einer achsenparallelen Linie markiert.

[0082] Somit ist klar zu erkennen, dass die Kühlleistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Einsatz mehrerer Peltierelemente gegenüber der einstufigen Variante deutlich steigerbar ist. Ein der obigen Simulation entsprechender zweistufiger Prototyp ist zurzeit in Entwicklung. Falls die mit dieser Vorrichtung tatsächlich gemessenen Werte ähnlich gut mit den in den Beispielen 3 und 4 simulierten übereinstimmen, wie dies in den Beispielen 1 und 2 der Fall war, wird dies belegen, dass eine mehrstufige Vorrichtung der Erfindung eine wertvolle Alternative zur Verwendung von Trockeneis-Kältemischungen für Tieftemperaturreaktionen im Laborbetrieb darstellt. 10/26

Claims (14)

1. österrclt&sches ρ®ίκηΕδίϊϊί AT511 647B1 2013-11-15 Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Kühlen bzw. Beheizen von Gefäßen und Behältern zur Durchführung chemischer oder physikalischer Reaktionen, einschließlich Rohrreaktoren, wie z.B. Kapillarreaktoren, wobei die Vorrichtung in vertikaler Richtung von oben nach unten die folgenden Bauteile umfasst: • eine wärmeleitfähige Kühl- bzw. Heizplatte (1); • zumindest ein mit elektrischen Anschlüssen (7) versehenes Peltierelement (2, 3, 4); • gegebenenfalls zumindest eine wärmeleitfähige Trennplatte (5) zwischen jeweils zwei Peltierelementen (2, 4); • einen von einem oder mehreren Flüssigkeitskanälen (8) durchzogenen, wärmeleitfähigen Thermoblock (6) zur Ab- bzw. Zufuhr von Wärme von bzw. zu dem zumindest einen Peltierelement (2, 3, 4); und • eine externe Steuereinheit für das zumindest eine Peltierelement (2, 3, 4); wobei die Bauteile (1) bis (6) aufeinander aufliegen und so in direktem, flächigem Kontakt miteinander stehen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei Peltie-relemente (2, 3) umfasst, die nebeneinander auf dem Thermoblock (6) aufliegen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei Peltierelemente (2, 4) umfasst, die übereinander angeordnet sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Peltierelementen (2, 4) eine wärmeleitfähige Trennplatte (5) vorgesehen ist, mit der beide in direktem, flächigem Kontakt stehen.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Peltierelement (2, 3, 4) in eine Platte aus einem das Element elektrisch und thermisch nach außen isolierenden Material, vorzugsweise Kork, eingebettet ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl- bzw. Heizplatte (1) und/oder der Thermoblock (6) und/oder die Trennplatte (5) aus Aluminium, Kupfer, Legierungen dieser Metalle, vorzugsweise Legierungen davon mit nicht ferromagnetischen Legierungspartnern, Edelstahl, Hastelloy, Polytetrafluorethylen oder Polyamid bestehen.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl- bzw. Heizplatte (1) als Block ausgeführt ist, der Ausnehmungen (9) zur Aufnahme der Reaktionsgefäße oder -behälter aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskanäle (8) im Thermoblock (6) und/oder die Ausnehmungen (9) in der Kühl- bzw. Heizplatte (1) jeweils darin vorgesehene Bohrungen oder Ausfräsungen sind.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Bauteilen ein den Wärmeübergang förderndes Medium vorgesehen ist.
10. 10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1) bis (6) miteinander verschraubt (11) sind.
11. 11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der Bauteile (1) bis (6) miteinander fluchtend ausgeführt sind.
12. 12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an äußeren Enden der Flüssigkeitskanäle (8) Schlauch- oder Rohranschlüsse vorgesehen sind. 11/26

    (Stirreoische fisteiäfsi AT511 647B1 2013-11-15
13. 13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskanäle (8) im Thermoblock (6) schlangenförmig oder mäandernd verlaufen.
14. 14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oder mehreren der Bauteile (1) bis (6) Öffnungen (10) zur Aufnahme von Temperatursensoren vorgesehen sind. Hierzu 14 Blatt Zeichnungen 12/26