DE1909810U - Fluessigkeitsbehaelter fuer konstante temperatur. - Google Patents

Description

Flüssigkeits-Behälter für konstante Temperatur

Von Thermoelementen, wie sie beispielsweise für Meßzwecke gebraucht werden, wird stets eine der Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Verbindungsstelle entsprechende Spannung erzeugt (Seebeck-Effekt). Als Vergleichsstelle dient bei einfachen Messungen der Ort, an dem die beiden Thermoelementschenkel entweder direkt oder mit einem thermoelektrisch gleichen Werkstoff, z.B. mit den Ausgleichsleitungen oder mit den Instrumentenklemmen verbunden sind. Die Temperaturen dieser Verbindungsstellen gehen mit in die Messung ein, sie sind aber im allgemeinen nicht konstant und vielfach auch nicht genau bestimmbar.

Für genaue Messungen von Temperaturen mit Hilfe von Thermoelementen bedient man sich immer einer Vergleichsstelle, die in ihrer Tempe-

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ratur konstant gehalten wird. Nach DIN 4.3710 ist als Vergleichstemperatur 0 ⁰C genormt. Man findet jedoch in der Praxis auch gelegentlich Werte von +20 und +50 C sowie solche mit negativen Temperaturen. Naturgemäß lassen sich Vergleichsstellentemperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur verhältnismäßig einfach herstellen und in engen Grenzen regeln. Sie haben jedoch den Nachteil, daß am Anzeigeinstrument nicht der richtige Temperaturwert der heißen Lötstelle, bezogen auf 0 C, angezeigt wird. Man hilft sich in solchen Fällen, indem man den mechanischen Nullpunkt der Anzeigeinstrumente auf den Skalenwert der Vergleichsstellentemperatur einjustiert.'Dieses Verfahren gibt oft Anlaß zu Meßfehlern, da fast immer die Nichtlinearität der Thermo spannung über den Temperaturbereich unberücksichtigt bleibt. - Bei genauen Messungen mit Kompensationsschreibern ist diese Methode ohnedies nicht anwendbar. Hier dient als Vergleichsstelle vorzugsweise die Temperatur 0 C, dargestellt durch ein mit Wasser und Eisstückchen gefülltes Dewar-Gefäß, in welches die kalten Lötstellen der Meßelemente eingesetzt werden. Infolge der großen Schmelzwärme des Eises von 79,7 kcal/kg bleibt die Temperaturvon 0 C über einen langen Zeitraum konstant. Allerdings muß - ■ bei langandauernden Messungen dafür gesorgt werden, daß noch ausreichend Eis im Wasserbad vorhanden ist. Dies erfordert, von der ständigen.Überwachung abgesehen, zumindest einen Eisbereiter, z.B. einen Kühlschrank mit Gefrierfach.

Die B^ zeigt eine besonders einfache Lösung für Flüssigkeits-Behälter mit konstanter Temperatur.

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Die Erfindun-y! betrifft einen Flüssigkeits-Behälter mit an der Phasengrenze fest/flüssig einer Flüssigkeit konstanter Temperatur.. Hierbei ist in vielen Fällen an den Eispunkt gedacht, der sich bei der Verwendung destillierten Wassers einstellen wird. Jedoch sind auch andere Kaltpunkte vorgesehen, beispielsweise durch eine Flüssigkeit, bestehend aus einer Mischung von Alkohol und Wasser (Alkohol 3C Gemäß der fö4^i»ätii% sind zur Konstanthaltung der Temperatur Thermoelemente (thermoelektrische Kühlelemente) vorgesehen, und deren Stromversorgung ict geregelt In Abhängigkeit vom durch das Verhältnis der Mengen der flüssigen und festen Phase der Flüssigkeit abhängigen Volumen mittels auf einen Schalter wirkenden Volumenmessers.

Als Volumenmesser kann ein Metallfaltenbalg dienen, der mit dem Behälter in Verbindung steht. Als Flüssigkeit kann beispielsweise destilliertes Wasser für eine konstante Temperatur von 0 verwendet sein, jedoch können für andere Nullpunkte auch andere Flüssigkeiten oder Mischungen verwendet werden. Zur Vergrößerung der Umwälzung der Flüssigkeit im Behälter können unsymmetrisch verteilte Thermoelemente angeordnet sein, die beispielsweise über Flüssigkeitsströmungen wirken. Zur zusätzlichen Vergrößerung der Umwälzung der Flüssigkeit kann ein - beispielsweise schraubenförmiger - Rührer im In-. nenraum des Behälters angeordnet sein, der - beispielsweise auf magnetischem Wege - durch die Wand des Behälters hindurch bewegt wird.

In der Figur ist im Längsschnitt ein Flüssigkeits-Behälter für eine konstante Temperatur von 0 C dargestellt.

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Ein Behälter 1 aus Messing mit verstärkter Boden- und Deckelplatte aus Messing trägt zentral im Deckel einen massiven Einsatz 2 aus riessing mit mehreren nicht durchgehenden Bohrungen 3, die zur Aufnahme von Thermoelementen oder den "kalten" Enden von Thermoelementen, beispielsweise'für Meßzwecke, bestimmt sind. Im Deckel befindet' sich weiterhin eine Einfüllöffnung mit Verschlußschraube 4, mit deren Hilfe es ermöglicht wird, den Behälter 1 ohne Luftblasen zu fül- len, beispielsweise mit.destilliertem Wasser. An der Bodenplatte des Gefäßes sind unten unter Zwischenlage von dünnen Giimmerpiatten zur Isolation zwei beispielsweise quadratische Peltier-Kühlelemente 5 und 6'angesetzt, deren jedes aus einer Vielzahl von Halbleiterther-" moelementen besteht. Sie sind in diesem Beispiel elektrisch hintereinandergeschaltet. Die "kalten" Seiten der Peltier-Kühlelemente sind gegen die Bodenplatte des Behälters 1 gerichtet, die "warmen" Seiten sind in der Zeichnung also nach unten gerichtet; sie werden von kühlwasserdurchflossenen Wärmeaustauschern 8 bedeckt; der Zufluß des Kühlwassers erfolgt bei 9, der Austritt bei 10. Die Wärmeaustauscher werden durch Bügel auf die Peltier-Kühlelemente aufgepreßt, welche wiederum durch Schrauben, beispielsweise Kunststoffschrauben 7, befestigt sind. Im Inneren des Behälters befindet sich im Betriebszustand für Temperaturen von 0 C überwiegend destilliertes Wasser 11 bei seinem Schmelzpunkt, ein kleiner Teil des Behälters ist mit der anderen Phase, nämlich Eis 12, gefüllt. An einer Seite des Behälters 1 ist eine Muffe IJ angebracht, an dieser selbst ist der eigentliche Metallfaltenbalg 14 aus Phosphorfederbronze befestigt, der mit einer Kappe 15 abgeschlossen ist. Durch Löcher in der Seitenwand des Behälters 1 kann Wasser in-den Teil IJ, 14, 15 eindringen und sich auch mit dem Volumen 11 ausgleichen.

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In der Nähe .der Kappe 15 ist ein Mikroschalter 16 mit Kontaktnase 17 befestigt. Mit seiner Hilfe wird der Strom, der von der Batterie oder Gleichstromquelle l8 über einen Einstellwiderstand 19 und die Verbindungsleitungen 20 durch die Peltier-Kühlplatten 5 und 6 fließen kann, ein- bzw. ausgeschaltet (und zwar bei Druck auf die Nase ausgeschaltet) . Vorzugsweise wird man bei Verwendung eines Gleichrichtergerätes zur Stromversorgung dessen Netzzuleitung unterbrechen.

Anstelle der hier erwähnten FlUssigkeitswärmeaustauscher lassen sich auch Luftwärmeaustauscher, beispielsweise mit Kühlrippen, verwenden.

Die gesamte Anordnung kann zweckmäßig in einem Gehäuse untergebracht sein..

Die Wirkungsweise der Apparatur nach der Zeichnung wird im folgendendargestellt :

Beim Abkühlen des Wassers auf 0 C kommt es zu einer Volumenvergrößerung im gleichen Maße, wie Wasser in Eis umgewandelt wird, wobei die entstehende Eismenge ein um etwa 10 % größeres Volumen beansprucht als die Wassermenge, aus der sie gebildet wurde. Die Volumenvergrößerung wird vom Faltenbalg aufgenommen, indem sich dieser in Längsrichtung ausdehnt, bis die Kappe den Mikroschalter erreicht und betätigt. Hierbei wird die Stromversorgung der Peltier-Kühlelemente unterbrochen und die Eisbildung vorerst beendet. Die Temperatur des Inhalts des Behälters ist bei sinnvollem Aufbau

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bereits, auf O C abgesunken. Von außen nachströmende Wärme wird durch den Bedarf des Eises an Schmelzwärme aufgefangen und trägt vorerst nicht zur Temperatürerhöhung bei, so daß sich bis zur völligen Auflösung des Eises die Temperatur nicht ändert. Praktisch ist dies jedoch nur insoweit möglich, als bei ruhendem Wasser dessen vernaltnismäßig schlechte Wärmeleitfähigkeit ein Temperaturgefälle entstehen läßt. Wie durch Versuche ermittelt wurde, genügt zur Konstanthaltung der Behältertemperatur auf 0. C ein Volumenverhältnis von Wasser zu Eis von etwa 3:1. Hiermit ist bei gegebener Behältergröße auch die erforderliche Vclumenausdehnung des Faltenbalges gegeben. Sie muß etwa 3··-^ % des Behältervolumens betragen.

Sobald sich im Behälter soviel Eis in Wasser zurückgebildet hat, daß bei entstehender Volumenyerkleinerung der Faltenbalg sich um die Schaltspanne des Mikroschalters verkürzt hat - etwa 0,5 ram -, wird die Stromversorgung für die Peltier-Kühlelemente selbsttätig wieder eingeschaltet, es bildet sich von neuem Eis. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.

Bei einem Versuchsmuster betrug für 0,5 mm Balgausdehnung die zeitliche Ein-Ausschaltspanne etwa 5 min. Die größte Abweichung von 0 ⁰C war +0,2 °C. Es ist möglich, diese Abweichung noch wesentlich zu verringern, wenn man für eine Umwälzung des Wassers im Be-. hälter sorgt. Dies kann z.B. durch die schon erwähnte unsymmetrische Anbringung der Kühlelemente auf den Seitenwänden (Eigenkonvektion) geschehen, oder auf rein mechanische Weise.

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ansprüche
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Claims (4)

Ueue Schutζansprüehe

1. Flüssigkeitsbehälter für eine Flüssigkeit (11) konstanter Temperatur mit mindestens einem Einsatz (2) für die "kalte" Seite von Meßthermoelementen, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Behälter (1) einerseits Thermoelemente (5>6) zum Kühlen der Flüssigkeit (11) und andererseits ein mit der in der Temperatur konstant zu haltenden Flüssigkeit in Verbindung stehendes Ausdehnungsgefäß (14) angeordnet sind, dessen bei Volumenänderung sich verlagernde Kappe (15) dem Betätigungsglied (17) eines elektrischen Steuerschalters (16) für die Kühlthermoelemente (5» 6) zugeordnet ist.

2. Flüssigkeitsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausdehnungsgefäß am Behälter (1) ein Metallfaltenbalg (14) dient.

3. Flüssigkeitsbehälter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Umwälzung der Flüssigkeit (11) unsymmetrisch, beispielsweise an verschiedenen Stellen der Seitenwände, verteilte Thermoelemente angeordnet sind.

4. Flüssigkeitsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Vergrößerung der Umwälzung ein- beispielsweise schraubenförmiger - Rührer im Inneren des Behälters (1) angeordnet ist, der - beispielsweise auf magnetischem Wege - durch die land (1) des Behälters hindurch bewegt wird.

Pf/Fa 21.12.1964