DE202020000687U1

DE202020000687U1 - Vorrichtung zur Fernkühlung von Objekten

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Publication number: DE202020000687U1
Application number: DE202020000687.4U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2030-02-21

Abstract

Vorrichtung zur Fernkühlung von Objekte, einschließlich eines zu kühlenden Objektes und eines Objektes mit einer niedriger Temperatur (nachfolgend Kältequelle), dadurch gekennzeichnet, dass
sie zusätzlich einen Hohlspiegel mit einer reflektierenden Beschichtung aus einem Material, das Infrarotstrahlung gut reflektiert, einschließt,
wobei dieser Hohlspiegel entweder in Form eines Rotationskörpers oder in Form einer Rinne mit einem Querschnitt in Form einer Kurve ausgeführt ist, die die Strahlen einer Punktquelle, welche in einem ihrer (nahen) Fokusse angeordnet ist, so reflektiert, dass sie in ihrem zweiten (entfernten) Fokus gesammelt werden,
wobei die Kältequelle im ersten (nahen) Fokus dieses Hohlspiegels platziert ist und das zu kühlende Objekt so platziert ist, dass seine Oberfläche sich im zweiten (fernen) Fokus dieses Hohlspiegels befindet.

Description

Die Erfindung betrifft Laborpraxis.
In Laborpraxis und in Produktion besteht häufig Notwendigkeit, die zu untersuchenden oder zu bearbeitenden Objekte zu kühlen. In Fällen, in denen ein direkter Kontakt dieser untersuchten oder verarbeiteten Objekte mit einer Kältequelle nicht akzeptabel ist, werden sie häufig neben einer Kältequelle platziert, jedoch ohne direkten Kontakt. Dies ist zum einen ineffizient, zum anderen reduziert es die Bearbeitungsmöglichkeiten des gekühlten Objektes stark.
Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine effektive Möglichkeit zur Fernkühlung von Objekten zu schaffen. Er schlug vor, dass man einen gewünschten Effekt erzielt, wenn man einen konkaven Spiegel (Hohlspiegel) verwendet, um das Abbild einer Kältequelle auf ein zu kühlenden Objekt zu fokussieren. Zu diesem Zweck wird die Kältequelle in den ersten (Nah-) Fokus (Brennpunkt) eines konkaven (z. B. etwa verformtes parabolischen) Spiegels gebracht, und das zu kühlende Objekt sich in der Nähe des zweiten, entfernten Fokus (Brennpunkt) befindet, so dass sich das durch den Spiegel gebildete Abbild dieser Kältequelle auf der Oberfläche des zu kühlenden Objektes befindet. Die nachstehend beschriebenen Versuche bestätigten seine Annahme. Das gibt uns die Möglichkeit, einen Patentanspruch zu formulieren:

Verfahren zur Fernkühlung von Objekten einschließend Platzieren eines zu kühlenden Objektes in der Nähe eines Objektes mit einer niedrigen Temperatur (nachfolgend Kältequelle) ohne direkten Kontakt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältequelle im nahen Fokus eines Hohlspiegels mit einer reflektierenden Beschichtung aus einem Material platziert wird, das Infrarotstrahlung gut reflektiert, wobei dieser Hohlspiegel entweder in Form eines Rotationskörpers oder in Form einer Rinne mit einem Querschnitt in Form einer Kurve ausgeführt ist, die die Strahlen einer Punktquelle, welche in einem ihrer (nahen) Fokusse angeordnet ist, so reflektiert, dass sie in ihrem zweiten (entfernten) Fokus gesammelt werden, und das zu kühlende Objekt so angeordnet wird, dass seine Oberfläche sich im zweiten (fernen) Fokus dieses Hohlspiegels befindet.

Es ist ganz natürlich, dass eine bekannte Vorrichtung zur Fernkühlung von Objekten, einschließlich eines zu kühlenden Objektes und eines Objektes mit einer niedriger Temperatur, eine Weiterentwicklung braucht, und zwar:

Sie soll zusätzlich einen Hohlspiegel mit einer reflektierenden Beschichtung aus einem Material, das Infrarotstrahlung gut reflektiert, einschließen,
wobei dieser Hohlspiegel entweder in Form eines Rotationskörpers oder in Form einer Rinne mit einem Querschnitt in Form einer Kurve ausgeführt ist, die die Strahlen einer Punktquelle, welche in einem ihrer (nahen) Fokusse angeordnet ist, so reflektiert, dass sie in ihrem zweiten (entfernten) Fokus gesammelt werden,
wobei die Kältequelle im ersten (nahen) Fokus dieses Hohlspiegels platziert ist und das zu kühlende Objekt so platziert ist, dass seine Oberfläche sich im zweiten (fernen) Fokus dieses Hohlspiegels befindet.

Es ist selbstverständlich, dass ein Teil der Oberfläche der Kältequelle und des zu kühlenden Objektes mit einer Wärmeisolierung versehen werden soll. Die dem Hohlspiegel zugewandte Oberfläche der Kältequelle und die Oberfläche des zu kühlenden Objektes, auf die das Abbild der Kältequelle fokussiert ist, sollten mit Vorrichtungen ausgestattet werden, die eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit verhindern und vor einem Einfrieren schützen.
In der 1 sind die Optionen der Versuchsanlage, in der 2 ist eine relative Position der Kältequelle und des rinnenförmigen Spiegels abgebildet.
Auf 1a ist ein Schema des ersten Experiments dargestellt. Als eine Kältequelle 1 diente ein dünnwandiges Metallglas mit einer geschwärzten undurchsichtigen Außenfläche, als zu kühlende Objekt 2 diente ebenfalls ein dünnwandiges Metallglas mit einer geschwärzten Außenfläche. Die Kältequelle 1 wurde nahe dem Fokus auf die optische Achse des Spiegels 3 platziert. Der Durchmesser des Spiegels 3 beträgt 0,5 m bei einer Brennweite von 0,35 m. Das zu kühlende Metallglas 2 wurde in einem Abstand von 4,5 m vom Spiegel auf die optische Achse aufgesetzt. In dem ein Metallglas 2 wurde 50 ml Wasser bei Raumtemperatur eingegeben und ein Thermometer eintaucht.
Das Abbild der Kältequelle 1 wird mittels kleinen Bewegungen der Kältequelle entlang der optischen Achse des Spiegels 3 auf die Oberfläche des Metallglases 2 fokussiert. In das Metallglas 1 wird ein Kühlmittel eingebracht - zerkleinertes festes Kohlendioxid („Trockeneis“, CO2), das mit 96% Ethanol angefeuchtet ist (die Temperatur der Mischung beträgt etwa minus 60° C). Das Thermometer in Glas 2 registrierte eine schnelle Minderung der Wassertemperatur. Die niedrigsten Wassertemperaturen in Metallglas 2, die im Experiment erreicht wurden, sind +2° C. Um den angegebenen Kühlungsgrad zu gewährleisten, wurden zukünftig folgende Bedingungen erfüllt:

1) Die Teile der äußeren Oberfläche des Metallglases 2, durch die keine Übertragung von Strahlungsenergie erfolgen sollte, wurden mit einer Wärmeisolierung ausgestattet.
2) Die Teile der Außenfläche des Metallglases 2, die an der Übertragung der Strahlungsenergie beteiligt sind, wurden gegen Kondensation von Luftfeuchtigkeit und Vereisung geschützt.
3) Die Luftbewegung in der Nähe der Außenfläche des Metallglases 2 sollte so langsam wie möglich sein, um die Intensität des Wärmeaustauschs mit der Umgebungsluft zu verringern. Dazu wurde das Metallglas 2 in eine Schutzhülle platziert.

Die Kältequelle (Metallglas 1) war ebenfalls vor Feuchtigkeitskondensation und Vereisung geschützt. Alle diese Maßnahmen sind in der 1b dargestellt, welche ein Schema des zweiten Experiments zeigt.
Das zu kühlende Metallglas 2 ist in einem Schutzgehäuse 4 eingeschlossen. Ein Teil der Oberfläche der Kältequelle 1 und des zu kühlenden Metallglases 2 sind mit einer Wärmeisolierung 5 ausgestattet, um unnötigen (unerwünschten) Kälteverlust zu verringern. Eine der Wände 8 des Schutzgehäuses 4 besteht aus einem Material, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist (zum Beispiel aus einem organischen Polymerfilm). Ein Lufttrockner 6 ist innerhalb des Schutzgehäuses 4 angeordnet. Ein Kanal 7 ist in der Wand des Schutzgehäuses 4 vorgesehen, um innere und äußere Drücke auszugleichen.
Der Innenraum des Hohlspiegels 3 ist ebenfalls durch zwei für Infrarotstrahlung transparente Platten 8 (beispielsweise aus einem organischen Polymerfilm) von der Umgebungsluft isoliert. In diesen Raum wird bei Normaldruck ein Schutzgas- oder Trockenluftstrom 9 eingeleitet. In den Hohlraum zwischen den Platten 8 wird auch trockene Luft mit Normaldruck und Umgebungstemperatur eingeleitet.
In der 1c ist das Schema eines dritten Experiments abgebildet. Das zu kühlende Objekt ist ein flaches Objekt 2 auf oder ohne ein isolierendes Substrat 5. Es wurde eine Kühlung bis einer Temperatur, die +3° C nicht übersteigt, registriert.
In der 1d ist das Schema eines vierten Experiments abgebildet. In diesem Experiment diente als zu kühlenden Objekt ein Aerosol (Rauch von glimmender Cellulose), das einen gasdichten Behälter mit den für Infrarotstrahlung transparenten Wänden (organischen Polymerfilm) füllte. Es wurde eine Aerosolkoagulation beobachtet. Ein Abkühlen der Aerosolpartikel unter den Taupunkt führt zur Kondensation von Luftfeuchtigkeit auf Aerosolpartikeln. Es tritt ein Aerosolinstabilitätsfaktor auf, der eine Koagulation auslöst.
In den Experimenten der 1c und 1d ist die Kältequelle auf die gleiche Weise ausgestattet wie in dem Experiment in 1b (in der 1c und 1d nicht gezeigt).
Der Erfinder ist der Ansicht, dass bei Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kältemittel (in einem Metallglas 1) mit einem Siedepunkt etwa minus 195° C der Effekt einer Fernkühlung in beträchtlichen Entfernungen in der Größenordnung von 10 oder mehr Metern auftreten kann, abhängig von der Herstellungsgenauigkeit (Qualität) des Spiegels, dem Spiegeldurchmesser und unter sorgfältiger Beachtung der obigen Bedingungen.
Bezugszeichenliste

1.: Kältequelle
2.: zu kühlendes Objekt
3.: Hohlspiegel
4.: Schutzgehäuse
5.: Wärmedämmung
6.: Luftentfeuchter
7.: Kanal zum Ausrichten des internen und äußerer Druck
8.: Eine für Infrarotstrahlung transparente Platte (organischen Polymerfilm)
9.: Einlass von Schutzgas oder trockener Luft
10.: Aerosol

Claims

Vorrichtung zur Fernkühlung von Objekte, einschließlich eines zu kühlenden Objektes und eines Objektes mit einer niedriger Temperatur (nachfolgend Kältequelle), dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich einen Hohlspiegel mit einer reflektierenden Beschichtung aus einem Material, das Infrarotstrahlung gut reflektiert, einschließt, wobei dieser Hohlspiegel entweder in Form eines Rotationskörpers oder in Form einer Rinne mit einem Querschnitt in Form einer Kurve ausgeführt ist, die die Strahlen einer Punktquelle, welche in einem ihrer (nahen) Fokusse angeordnet ist, so reflektiert, dass sie in ihrem zweiten (entfernten) Fokus gesammelt werden, wobei die Kältequelle im ersten (nahen) Fokus dieses Hohlspiegels platziert ist und das zu kühlende Objekt so platziert ist, dass seine Oberfläche sich im zweiten (fernen) Fokus dieses Hohlspiegels befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Oberfläche der Kältequelle und des zu kühlenden Objekts mit einer Wärmeisolation ausgestattet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Hohlspiegel zugewandte Oberfläche der Kältequelle und die Oberfläche des zu kühlenden Objekts, auf die das Abbild der Kältequelle fokussiert ist, mit Vorrichtungen ausgestattet sind, die eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit verhindern und vor einem Einfrieren schützen.