DE102010026677B3 - Gas chromatograph, has electrically controllable heating/cooling device provided on separating device in heat conducting contact manner, where heating/cooling device consists of electrical heater and magnetic cooler - Google Patents

Gas chromatograph, has electrically controllable heating/cooling device provided on separating device in heat conducting contact manner, where heating/cooling device consists of electrical heater and magnetic cooler Download PDF

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Abstract

The chromatograph has an electrically controllable heating/cooling device provided on a separating device (1) in a heat conducting contact manner, where the heating/cooling device consists of an electrical heater (3) and a magnetic cooler (4). A sensor (14) is attached at a control device (12) for acquisition of actual temperature of a heat conducting substrate (2) e.g. metal plate, or the separating device. The control device controls the electrical heater and the magnetic cooler in accordance with a temperature program (13). The electrical heater is arranged at or in the substrate.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaschromatographen mit einer Trenneinrichtung, an der in wärmeleitendem Kontakt eine elektrisch steuerbare Heiz-/Kühlvorrichtung anliegt.The invention relates to a gas chromatograph with a separator to which an electrically controllable heating / cooling device rests in thermally conductive contact.

Ein derartiger Gaschromatograph ist aus der US 6,706,091 B1 bekannt.Such a gas chromatograph is from the US 6,706,091 B1 known.

Die chromatographische Trennung von Komponenten geschieht bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich schnell. Idealerweise wird daher in der Prozesschromatographie die chromatographische Trenneinrichtung mit einem Temperaturprogramm betrieben. Dieses erfordert ein Heizen und Kühlen der Trenneinrichtung während unterschiedlicher Zeiten. Die Kühlung erfolgt jedoch relativ langsam oder ist technisch nur aufwändig und teuer zu realisieren.The chromatographic separation of components takes place at different temperatures at different speeds. Ideally, therefore, in process chromatography, the chromatographic separator is operated with a temperature program. This requires heating and cooling of the separator during different times. However, the cooling is relatively slow or technically complex and expensive to implement.

Bei dem aus der US 6,706,091 B1 bekannten Gaschromatographen besteht die Heiz-/Kühlvorrichtung aus einem thermoelektrischen (Peltier-) Wandler, der je nach Polarität einer angelegten Spannung die Trenneinrichtung erwärmt oder abkühlt. Zu Regelungszwecken wird die Temperatur an der Trenneinrichtung mittels eines Sensors erfasst.In the from the US 6,706,091 B1 known gas chromatograph, the heating / cooling device consists of a thermoelectric (Peltier) converter which heats or cools the separator depending on the polarity of an applied voltage. For control purposes, the temperature is detected at the separator by means of a sensor.

Die Zyklenfestigkeit (maximale Zyklenzahl bis Ausfall) von Peltierelementen ist bei den in der Chromatographiepraxis geforderten Temperaturschwankungen begrenzt.The cycle stability (maximum number of cycles to failure) of Peltier elements is limited to the temperature fluctuations required in chromatography practice.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und aufwandsarme Temperierung der Trenneinrichtung eines Gaschromatographen zu erreichen.The invention has for its object to achieve a quick and low-cost tempering of the separator of a gas chromatograph.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Gaschromatographen der eingangs angegebenen Art die Heiz-/Kühlvorrichtung aus einer elektrischen Heizung und einem magnetischen Kühler besteht.According to the invention, the object is achieved in that in the gas chromatograph of the type specified, the heating / cooling device consists of an electric heater and a magnetic cooler.

Der magnetokalorische Effekt (MCE) ist seit langem bekannt. Wird magnetisches Material in ein Magnetfeld eingeführt, so beobachtet man eine Erwärmung des Materials, während beim Entnehmen des magnetischen Materials aus dem Magnetfeld eine Abkühlung erfolgt. Der Effekt beruht auf Entropieabnahme beim Anlegen eines magnetischen Feldes und der Entropiezunahme, wenn das magnetische Feld abgebaut wird.The magnetocaloric effect (MCE) has been known for a long time. When magnetic material is introduced into a magnetic field, heating of the material is observed, while cooling occurs when the magnetic material is removed from the magnetic field. The effect is due to entropy decrease when applying a magnetic field and entropy increase when the magnetic field is degraded.

Die aus elektrischer Heizung und magnetischem Kühler bestehende Heiz/Kühlvorrichtung ist in Größe und Leistung besonders einfach skalierbar.The heating / cooling device consisting of electric heater and magnetic cooler is particularly easy to scale in terms of size and performance.

Ein einfacher Aufbau und eine einfache Ansteuerung des magnetischen Kühlers wird dadurch erreicht, dass dieser einen von einem Motor angetriebenen und zwischen zwei Statorhälften laufenden Rotor mit Flügeln aus einem Material mit magnetokalorischem Effekt aufweist, wobei die eine Statorhälfte aus wärmeleitendem Material besteht und mit dem Substrat verbunden oder integraler Bestandteil des Substrats ist und die andere Statorhälfte aus einem Permanentmagneten mit Kühlkörper besteht.A simple structure and a simple control of the magnetic cooler is achieved in that it has a rotor driven by a motor and running between two stator halves with vanes made of a material with magnetocaloric effect, wherein the one stator half consists of thermally conductive material and connected to the substrate or is an integral part of the substrate and the other stator half consists of a permanent magnet with a heat sink.

Der Wärmeabtransport von dem Substrat in die Umgebung kann dadurch verbessert werden, dass die Spalte zwischen dem Rotor und den Statorhälften voneinander getrennt jeweils mit einem von Luft verschiedenen und besser wärmeleitenden Medium gefüllt sind.The removal of heat from the substrate into the environment can be improved by filling the gaps between the rotor and the stator halves separately from each other with a medium which differs from air and has better thermal conductivity.

Die Ansteuerung der elektrischen Heizung und des magnetischen Kühlers erfolgt vorzugsweise durch eine Steuereinrichtung nach Maßgabe eines Temperaturprogramms, wobei die erreichte Ist-Temperatur des Substrats oder der Trenneinrichtung mittels eines Sensors erfasst werden kann.The control of the electric heater and the magnetic cooler is preferably carried out by a control device in accordance with a temperature program, wherein the achieved actual temperature of the substrate or the separating device can be detected by means of a sensor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die einzige Figur der Zeichnung Bezug genommen, die in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gaschromatographen zeigt.To further explain the invention, reference will now be made to the single figure of the drawing, which shows a schematic representation of an embodiment of the gas chromatograph according to the invention.

Dieser besteht aus einer Trenneinrichtung 1, die auf einem sehr gut wärmeleitenden Substrat 2, z. B. einer Metallplatte, aufgebracht ist oder, bei mikromechanischer Ausbildung, in dem Substrat 2 integriert ist.This consists of a separator 1 on a very good heat-conducting substrate 2 , z. As a metal plate, is applied or, in micromechanical training, in the substrate 2 is integrated.

An oder in dem Substrat 2 ist eine elektrische Heizung (Widerstandsheizung) 3 angeordnet.On or in the substrate 2 is an electric heater (resistance heating) 3 arranged.

Weiterhin ist ein magnetischer Kühler 4 vorgesehen, der einen von einem Motor 5 angetriebenen und zwischen zwei Statorhälften 6 und 7 laufenden Rotor 8 aufweist. Der Rotor 8 weist Flügel aus einem Material mit hohem magnetokalorischem Effekt, z. B. eine Mangan-Eisen-Legierung, auf. Die eine Statorhälfte 6 besteht aus sehr gut wärmeleitendem Material und ist unmittelbar mit dem Substrat 2 verbunden oder integraler Bestandteil des Substrats 2. Die andere Statorhälfte 7 besteht aus einem starken Permanentmagneten mit Kühlkörper 9 oder Kühlrippen. Die beiden Statorhälften 6 und 7 umschließen jeweils eine Hälfte des Rotors 8, wobei der Spalt zwischen dem Rotor 8 und den Statorhälften 6 und 7 möglichst eng ist. Wie durch strichpunktierte Umrandungen 10 und 11 angedeutet ist, können die Spalte mit einem von Luft verschiedenen und besser wärmeleitenden Medium, z. B. Helium gefüllt sein, wobei aber beide Spalte, ebenso wie die beiden Statorhälften 6 und 7, wärmemäßig voneinander entkoppelt sind.Furthermore, a magnetic cooler 4 provided, one of a motor 5 driven and between two stator halves 6 and 7 running rotor 8th having. The rotor 8th has wings of a material with a high magnetocaloric effect, eg. As a manganese-iron alloy, on. The one half of the stator 6 consists of very good heat conducting material and is directly with the substrate 2 connected or integral part of the substrate 2 , The other stator half 7 consists of a strong permanent magnet with heat sink 9 or cooling fins. The two halves of the stator 6 and 7 each enclose one half of the rotor 8th , where the gap between the rotor 8th and the stator halves 6 and 7 as close as possible. As by dash-dotted borders 10 and 11 is indicated, the column with a different and different heat from air and heat-conducting medium, for. B. helium, but both columns, as well as the two stator halves 6 and 7 , are thermally decoupled from each other.

Beim Verlassen des Magnetfelds des Permanentmagneten 7 findet eine Abkühlung des Rotorflügels statt. Der abgekühlte Rotorflügel kann daher innerhalb der Statorhälfte 6 Wärme aufnehmen und so das Substrat 2 und die Trenneinrichtung 1 entwärmen. Die aufgenommene Wärme wird dann in die andere Statorhälfte 7 transportiert und von dort über den Kühlkörper 9 an die Umgebung abgeführt.When leaving the magnetic field of the permanent magnet 7 a cooling of the rotor blade takes place. The cooled rotor blade can therefore within the stator half 6 Absorb heat and so the substrate 2 and the separator 1 segregated heat removal. The absorbed heat is then transferred to the other half of the stator 7 transported and from there over the heat sink 9 discharged to the environment.

Die Leistung der elektrischen Heizung 3 und die Drehzahl des Motors 5 des magnetischen Kühlers 4 werden durch eine Steuereinrichtung 12 nach Maßgabe eines Temperaturprogramms 13 gesteuert bzw. geregelt, wobei die erreichte Ist-Temperatur des Substrats 2 oder der Trenneinrichtung 1 mittels eines Sensors 14 erfasst wird.The power of the electric heater 3 and the speed of the motor 5 of the magnetic cooler 4 be by a control device 12 according to a temperature program 13 controlled, wherein the achieved actual temperature of the substrate 2 or the separator 1 by means of a sensor 14 is detected.

Claims (5)

Gaschromatograph mit einer Trenneinrichtung (1), an der in wärmeleitendem Kontakt eine elektrisch steuerbare Heiz-/Kühlvorrichtung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-/Kühlvorrichtung aus einer elektrischen Heizung (3) und einem magnetischen Kühler (4) besteht.Gas chromatograph with a separating device ( 1 ), in which a thermally conductive contact an electrically controllable heating / cooling device is applied, characterized in that the heating / cooling device from an electric heater ( 3 ) and a magnetic cooler ( 4 ) consists. Gaschromatograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kühler (4) einen von einem Motor (5) angetriebenen und zwischen zwei Statorhälften (6, 7) laufenden Rotor (8) mit Flügeln aus einem Material mit magnetokalorischem Effekt aufweist, wobei die eine Statorhälfte (6) aus wärmeleitendem Material besteht und mit dem Substrat (2) verbunden oder integraler Bestandteil des Substrats (2) ist und die andere Statorhälfte (7) aus einem Permanentmagneten mit Kühlkörper (9) besteht.Gas chromatograph according to claim 1, characterized in that the magnetic cooler ( 4 ) one from a motor ( 5 ) and between two stator halves ( 6 . 7 ) running rotor ( 8th ) having wings of a material with magnetocaloric effect, wherein the one stator half ( 6 ) consists of thermally conductive material and with the substrate ( 2 ) or an integral part of the substrate ( 2 ) and the other stator half ( 7 ) of a permanent magnet with heat sink ( 9 ) consists. Gaschromatograph nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte zwischen dem Rotor (8) und den Statorhälften (6, 7) voneinander getrennt jeweils mit einem von Luft verschiedenen und besser wärmeleitenden Medium gefüllt sind.Gas chromatograph according to claim 2, characterized in that the gaps between the rotor ( 8th ) and the stator halves ( 6 . 7 ) separated from each other are filled with a different and different from air and better heat conducting medium. Gaschromatograph nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (12) zur Ansteuerung der elektrischen Heizung (3) und des magnetischen Kühlers (4) nach Maßgabe eines Temperaturprogramms (13).Gas chromatograph according to one of the preceding claims, characterized by a control device ( 12 ) for controlling the electric heating ( 3 ) and the magnetic cooler ( 4 ) according to a temperature program ( 13 ). Gaschromatograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Steuereinrichtung (12) ein Sensor (14) zur Erfassung der Ist-Temperatur des Substrats (2) oder der Trenneinrichtung (1) angeschlossen ist.Gas chromatograph according to claim 4, characterized in that on the control device ( 12 ) a sensor ( 14 ) for detecting the actual temperature of the substrate ( 2 ) or the separating device ( 1 ) connected.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3722947A1 (en) * 1986-07-11 1988-01-21 Hitachi Ltd MAGNETIC REFRIGERATOR
US6706091B1 (en) * 2002-12-17 2004-03-16 Sandia Corporation Sub-to super-ambient temperature programmable microfabricated gas chromatography column

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