DE3509609A1 - Vorrichtung zum temperieren einer mehrzahl von fluessigkeiten - Google Patents

Vorrichtung zum temperieren einer mehrzahl von fluessigkeiten

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    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/14—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by endowing the walls of conduits with zones of different degrees of conduction of heat

Description

DR. ULRICH OSTERTAG * ty · DR. REINHARD OSTERTAG
ElBENWEQ 1O, 7OOO STUTTGART 70, TELEFON 0711/76 68 AS, KABEL: OSPAT
Vorrichtung zum Temperieren einer Mehrzahl von
Flüssigkeiten
Anmelder: Dürr Dental GmbH & Co. KG Höpfigheimer Str. 17
7120 Bietigheim-Bissingen
Anwaltsakte: 1704.9
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren einer Mehrzahl von Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige bekannte Vorrichtungen weisen eine Mehrzahl von zum Heizen und/oder Kühlen dienenden Temperierelementen auf, welche jeweils einer der zu temperierenden Flüssigkeiten zugeordnet sind. In die zu temperierenden Flüssigkeiten taucht jeweils ein Temperaturfühler ein, und eine zentrale Steuereinrichtung ist mit den Ausgangssignalen der letzteren beaufschlagt und steuert die einzelnen Temperierelemente derart, daß eine vorgegebene Temperaturbeziehung zwischen den einzelnen Flüssigkeiten eingehalten ist.
Derartige Temperiervor.richtungen erlauben zwar ein Einstellen der Temperaturunterschiede der verschiedenen Flüssigkeiten in weiten Bereichen; sie sind aber apparativ aufwendig, und beim Ausfall eines der Temperaturfühler ist es möglich, daß die gewünschte Temperaturbeziehung zwischen den verschiedenen Flüssigkeiten nicht mehr eingehalten ist. Für verschiedene Anwendungsfälle, z.B·. das Temperieren der Entwickler-Flüssigkeit und der Fixierer-Flüssigkeit in einem Entwicklungsautomaten ist es jedoch notwendig, daß die eine Flüssigkeit unter allen Umständen geringere Temperatur aufweist als die zweite Flüssigkeit. Ansonsten können am Entwicklungsgut irreparable Schaden auftreten.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Vorrichtung zum Temperieren einerMehrzahl von Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 geschaffen werden, bei welcher unabhängig vom richtigen Arbeiten einer Temperier-Steuereinrichtung stets gewährleistet ist/ daß bestimmte Temperaturverhältnisse zwischen den zu temperierenden Flüssig-
2 -
1704.9/RO/p - -Τ - OO09b09 13.3.1985
keiten eingehalten werden.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 1.
5
Da bei der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung nur ein einziges Temperierelement vorgesehen ist und an letzteres die Rohre für die verschiedenen zu temperierenden Flüssigkeiten über unterschiedliche Gesamt-Wärmewiderstände angekoppelt sind, ist schon durch die Führung des Wärmestromes die Richtung des gewünschten Temperaturgradienten zwischen den Flüssigkeiten zwangsläufig gewährleistet, und zwar auch dann7 wenn die Heiz- oder Kühlleistung des Temperierelementes j die Umwälzraten der verschiedenen Flüssigkeiten oder die Umgebungsbedingungen sich in unkontrollierbarer Weise bei Störungen ändern sollten.
Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung zeichnet sich bei den o.g. Vorzügen zudem durch einen mechanisch und elektrisch sehr einfachen und kompakten Aufbau aus.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Verwendet man als den Gesamtwärmewiderstand zu einem der Rohre erhöhendes Widerstandselement gemäß Anspruch 3 ein von einer der Flüssigkeiten durchströmtes Rohr, so hat die gesamte Temperiereinrichtung besonders kompakten und mechanisch einfachen Aufbau, wobei man als Ausgangsmaterial für die verschiedenen Rohre das gleiche Material wählen kann. Dies ist im Hinblick auf ein Zusammenschweißen der Rohre und im Hinblick auf einfache Lagerhaltung von besonderem Vorteil.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist im Hinblick auf die Einstellung großer Temperaturunterschiede in
13.3.1985
den zu temperierenden Flüssigkeiten von Vorteil.
Auch mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 kann man sehr große Temperaturunterschiede realisieren, wobei man, falls gewünscht, die Rohre wieder aus dem gleichen Werkstoff herstellen kann.
Auch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist im Hinblick auf das Einstellen starker Temperaturunterschiede zwischen den Flüssigkeiten vorteilhaft.
Bei einer Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 7 kann man bei gleichem mechanischem Aufbau der durch Temperierelement und Rohre gebildeten Einheit unterschiedliche Temperaturunterschiede zwischen den zu temperierenden Flüssigkeiten einstellen/ da durch Erhöhung des Durchsatzes durch das mit kleinerem Gesamtwärmewiderstand an das Temperierelement angekoppelten Rohres der Wärmefluß zu den restlichen Rohren entsprechend vermindert wird.
Bei einer Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 8 kann die auslaßseitige Temperatur der verschiedenen Flüssigkeiten getrennt direkt an der Temperiereinrichtung gemessen werden.
Entsprechend läßt sich gemäß Anspruch 9 auch die Temperatur der einströmenden Flüssigkeiten messen. Dabei hat eine Temperiervorrichtung, welche sowohl die im Anspruch 8 als auch die im Anspruch 9 aufgeführten Merkmale aufweist, zusätzlich den Vorteil, daß sie vollständig symmetrisch ausgebildet ist, so daß Einlaßseite und Auslaßseite im Bedarfsfalle vertauscht werden können.
Wird gemäß Anspruch 10 ein an das Temperierelement angekoppelter Temperaturfühler verwendet, so kann über dessen Ausgangssignal die korrekte Abnahme der Heiz- bzw. Kühlleistung
4 -
durch die verschiedenen durch die Rohre umgewälzten Flüssigkeiten kontrolliert werden. Ein unzulässig stark ansteigendes oder abfallendes Ausgangssignal dieses Temperaturfühlers kann dann zur Realisierung eines TrockenlaufSchutzes verwendet werden.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 ist im Hinblick auf ein einfaches Herstellen der Temperiervor.richtung ausgehend von handelsüblichem Rohrmaterial und handelsüblichen Temperierelementen von Vorteil.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 ist es möglich, das Heranführen der Flüssigkeitstemperaturen an die gewünschten Solltemperaturen besonders rasch durchzuführen, indem man die Steuerung der Heiz- oder Kühlleistung in der Anlaufphase zunächst gemäß dem Unterschied zwischen Einlauftemperatur und Solltemperatur vornimmt, während gegen Ende des RegeIvorganges auf eine Steuerung in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen der Auslauftemperatür und der Solltemperatur umgeschaltet wird.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
25
Figur 1: eine Aufsicht auf eine Temperiereinheit zum Aufheizen zweier Flüssigkeiten auf unterschiedliche Temperatur;
Figur 2: einen Schnitt durch die Temperiereinheit nach Fi-. gur 1 längs der dortigen Schnittlinie II-II;
Figur 3: ein Blockschaltbild einer Temperiervorrichtung, welche eine Temperiereinheit nach Anspruch 1 und ι zusätzliche Einrichtungsteile zum Einstellen
des Temperaturunterschiedes zwischen den beiden Flüssigkeiten aufweist;
Figuren 4-6: Transversale Schnitte durch Schenkel abgewandelter Temperiereinheiten; und
Figur 7: eine schematische Aufsicht auf eine weiter abgewandelte Temperiereinheit.
In Figur 1 ist eine Temperiereinheit insgesamt mit 10 bezeichnet. Sie besteht aus einem untenliegenden elektrisch betriebenen Heizelement 12r einem auf dieses aufgeschweißten ersten Rohr 14 und einem auf letzteres aufgeschweißten oberen Rohr 16.
Das Heizelement 12 und die Rohre 14 und 16 haben in Aufsicht gesehen jeweils U-förmige Gestalt und liegen in ihrem Hauptabschnitt fluchtend übereinander. Während das Rohr 14 exakt ü-förmig ist, hat das Rohr 16 einen nach außen abgewinkelten einla-ßseitigen Endabschnitt 18 sowie einen nach außen abgewinkelten auslaßseitigen Endabschnitt 20. Ähnlich hat das Heizelement 12 abgewinkelte Endabschnitte 22, 24.
Etwa in der Mitte seiner Längserstreckung sind die Schenkel des Heizelementes 12 durch eine angeschweißte Platte 26 verbunden, auf welcher ein Temperaturfühler 28 sitzt. Ähnlich sitzen auf den vereinzelt geführten Endabschnitten 18 und des Rohres t6 über aufgeklemmte Träger 30 Temperaturfühler 32, 34. Entsprechende Temperaturfühler 36, 38 sind auf die freien Enden des Rohres 14 aufgesetzt.
Die Rohre T4 und 16 sowie der Äußenmantel des Heizelementes 12 sowie die Platte 26 sind vorzugsweise aus dem. gleichen Material, z.B. Edelstahl, hergestellt^ so daß sie gut durch Schweißungen verbunden werden können, wie sie in Figur 2
• /(O >
schematisch bei 40 bis 50 angedeutet sind.
Die oben beschriebene Temperiereinheit 10 arbeitet folgendermaßen:
5
Das Heizelement 12 wird über eine nicht näher gezeigte Spannungsquelle, geheizt. Durch Wärmeleitung wird Wärme auf das Rohr 14 übertragen, so daß eine durch das Rohr 14 umgewälzte Flüssigkeit entsprechend erhitzt wird. Eine gleichzeitig durch das Rohr 16 umgewälzte Flüssigkeit kann zwangsläufig keine höhere Temperatur erreichen als die durch das Rohr 14 umgewälzte Flüssigkeit, da die gesamte Wärmezufuhr zum Rohr 16 über das Rohr 14 erfolgt.
Wird infolge Ausfalles der dem Rohr 14 und/oder dem Rohr 16 zugeordneten Umwälzpumpe die vom Heizelement 12 erzeugte Wärme nicht ordnungsgemäß abgeführt, so ist der Temperaturfühler 28 erhöhter Temperatur ausgesetzt und sein Ausgangssignal kann zum automatischen Abschalten des Heizelementes 12 verwendet werden.
Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Temperiereinheit hängt der Temperaturunterschied zwischen der durch das Rohr 14 umgewälzten Flüssigkeit und der durch das Rohr 16 umgewälzten Flüssigkeit vom Wärmeleitvermögen der Werkstoffe, aus denen die Rohre 14 und 16 gefertigt sind, von der Wandstärke der Rohre 14 und T6, von dem Wärmeleitvermögen der Schweißungen 44 und 46 sowie von der Strömungsgeschwindigkeit im Rohr T4 und der jeweiligen Heizleistung ab. Während die meisten der og. Parameter nach mechanischer Fertigstellung der Temperiereinheit nicht mehr beeinflußbar sind, kann man den Temperaturunterschied zwischen den beiden Flüssigkeiten noch über die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr 14 einstellen: Offensichtlich gilt, daß bei sehr kleiner Strömungsgeschwindigkeit im Rohr 14 die durch das Rohr 16 umge-
wälzte Flüssigkeit eine Temperatur erreichen kann, welche nahe bei derjenigen im Rohr 14 liegt. Bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Rohr 14 wird dagegen ein größerer Anteil der Heizleistung von der ersten Flüssigkeit weggetragen.
Figur 3 zeigt eine Temperiereinrichtung mit einstellbarem Temperaturunterschied zwischen den beiden Flüssigkeiten, wobei von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Temperiereinheit nur die beiden Rohre T4 und 16 schematisch wiedergegeben sind. Ein Pfeil 52 symbolisiert den vom Heizelement 12 abgegebenen Wärmestrom, während ein weiterer Pfeil 54 den über das Rohr 14 zum Rohr 16 gelangenden kleineren Wärmestrom darstellt.
Eine Steuereinheit 56 ist mit den AusgangsSignalen der Temperaturfühler 32 bis 38 beaufschlagt, über ein Tastenfeld 58 können in die Steuereinheit 56 die Soll-Temperaturwerte für die beiden durch die Rohre 14 und 16 umgewälzten Flüssigkeiten eingestellt werden.
Ausgänge der Steuereinheit 56. sind mit Steuerklemmen einer ersten Umwälzpumpe 60 mit variabler Förderleistung und einer zweiten Umwälzpumpe 62 mit konstanter Förderleistung verbunden. Die Umwälzpumpen 60 und 62 saugen aus zu temperierenden Tanks 64, 66 an und fördern die entsprechenden Flüssigkeiten 68, 70 durch das Rohr 14 bzw. 16, von dem aus die Flüssigkeiten in den zugeordneten Tank zurückgeführt werden. Die entsprechenden Verbindungsleitungen, die in Figur 3 durch Striche angegeben sind, können in der Praxis durch flexible Schläuche gebildet sein, welche einfach auf den Enden der Rohre 14 und 16 mittels Schlauchschellen befestigt sind.
Die oben beschriebene Steuereinheit arbeitet grob gesprochen so, daß sie die Heizleistung zunächst gemäß dem Unterschied
μ-
zwischen Soll-Temperatur und der am Einlaß des Rohres 14 vom Fühler 36 gemessenen Temperatur regelt. Bei Annäherung an die Solltemperatur wird dann auf eine Regelung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des auslaßseitigen Temperaturfühlers 38 umgeschaltet.
Die AusgangsSignaIe der Temperaturfühler 32 und 34 werden dazu verwendet, die Förderleistung der Umwälzpumpe 60 zu steuern, wobei wiederum in einer ersten Phase die Steuerung gemaß dem Unterschied zwischen Solltemperatur und Ausgangssignal des einlaßseitigen Temperaturfühlers 32 erfolgt, während bei Annäherung an die Solltemperatur die Regelung unter Verwendung des Ausgangssignales des Temperaturfühlers 34 erfolgt.
Aus der obenstehenden Beschreibung der Temperiereinheit 10 ist ersichtlich, daß die durch das Rohr 16 umgewälzte Flüssigkeit deshalb nie höhere Temperatur als die durch das Rohr 14 umgewälzte Flüssigkeit haben kann, weil der Gesamt-Wärmewiderstand zwischen Rohr 16 und Heizelement 12 größer ist als der Gesamt-Wärmewiderstand zwischen dem Rohr 14 und dem Heizelement 12.
Während bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 diese Beziehung zwischen den Gesamt-Wärmewiderständen aufgrund der dort gewählten Stapelbildung aus Heizelement 12 und Rohren 14 und 16 erhalten wird, finden bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur A1 welches einen transversalen Schnitt durch einen Schenkel einer abgewandelten Temperiereinheit darstellt, verschiedene Werkstoffe für die Rohre 14 und T6 Verwendung. So kann z.B. das dort gezeigte Rohr 14 aus Kupfer hergestellt sein, während das Rohr 16 aus Edelstahl hergestellt ist. Beide Rohre sind durch Schweißungen mit dem dazwischen liegenden Heizelement 12 verbunden. Das Heizelement als heißester Teil der Temperiereinheit ist somit gegen direkte Berührung geschützt, während gleichzeitig
- 9
wiederum sichergestellt ist, daß die durch das Rohr 14 wälzte Flüssigkeit höhere Temperatur hat als die durch das Rohr 16 umgewälzte Flüssigkeit.
Figur 5 zeigt einen ähnlichen transversalen Schnitt wie Figur 4, nur ist an die dortige Temperiereinheit die Forderung gestellt, daß für die Rohre 14 und 16 der gleiche Werkstoff verwendet werden soll. Auch bei der Temperiereinheit nach Figur 5 liegt das Heizelement 12 zwischen den Rohren 14 und
16. Ein höherer Gesamt-Wärmewiderstand zwischen dem Rohr 16 und dem Heizelement 12 ist beim Ausführungsbeispiel nach Pigur 5 dadurch gewährleistet, daß zwischen das Heizelement und das Rohr 16 ein rohrförmiges Widerstandselement 72 eingefügt ist, welches jedoch nicht von Flüssigkeit durchströmt ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist das Heizelement 12 auf die Stoßstelle zweier nebeneinanderliegender Rohre 14 und 16 aufgeschweißt, wobei die Rohre 14 und 16 aus dem selben Werkstoff gefertigt sind und gleichen Außendurchmesser jedoch unterschiedliche Wandstärke haben. Auch auf diese Weise ist gewährleistet, daß ein größerer Anteil des vom Heizelement 12 abgegebenen Wärmestromes zum Rohr 14 fließt und die durch letzteres umgewälzte Flüssigkeit höhere Temperatur erreicht als die durch das Rohr 16 umgewälzte Flüssigkeit.
Den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen war gemeinsam, da-ß sie sich in Förder richtung der Flüssigkeit gleich weit mit dem Heizelement Ϊ2 überlappten. Der unterschiedliche Gesamt-Wärmewiderstand ergab sich aus der unterschiedlichen transversalen Materialgeometrie.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 7 zeigt einen unterschiedliehen Gesamt-Wärmewiderstand zwischen Rohr 14 und Heizeier
- 10 -
■fa-
ment 12 bzw. Rohr 16 und Heizelement 12, welcher auch bei symmetrischer radialer Materialgeometrie erhalten wird, da diejenige Strecke, über welche hinweg die Rohre in wärmeleitendem Kontakt mit dem Heizelement 12 stehen, unterschiedlich groß, ist. Das Rohr 14 folgt dem Heizelement 12 über eine größere Strecke als das Rohr 16, so daß die durch das Rohr umgewälzte Flüssigkeit zwangsweise höhere Temperatur hat als die durch das Rohr 16 umgewälzte Flüssigkeit.
Es versteht sich, daß man die "Längsvariierung" des Gesamt-Wärmewiderständes gemäß Figur 7 mit der "Quervariierung" des Gesamt-WärmewiderStandes kombinieren kann, wie sie weiter oben unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 erläutert wurde.

Claims (13)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Temperieren einer Mehrzahl von Flüssig-
keiten, mit einer Temperiereinrichtung, mit einer Pumpenanordnung zum Umwälzen der Flüssigkeiten durch die Temperiereinrichtung und mit Mitteln zum Einhalten vorgegebener Temperaturunterschiede zwischen den Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet., daß ein einziges Temperierelement
(12) und eine Anzahl von Rohren (14, 16), welche der Anzahl der zu temperierenden Flüssigkeiten entspricht, wärmeleitend zu einer Einheit verbunden sind, das Ganze derart, daß der Gesamt-Wärmewiderstand zwischen einem betrachteten Rohr (14) und dem Temperierelement (12) aufintegriert vom Einlaßende zum Auslaßende des betrachteten Rohres sich vom entsprechenden Gesamt-Wärmewiderstand mindestens eines weiteren Rohres (16) unterscheidet. /
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Rohre (14) direkt wärmeleitend am Temperierelement (12) angebracht ist, während weitere Rohre (16) unter Zwischenschaltung von Widerstandselementen (14; 72) mit dem Temperierelement (12) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement für ein betrachtetes Rohr (16) ein zwischen diesem und dem Temperierelement (12) liegendes von einer anderen Flüssigkeit durchströmtes Rohr (14) umfaßt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (14, 16) aus unterschiedlich gut wärmeleitenden Werkstoffen gefertigt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge-
kennzeichnet, daß die Rohre (14, 16) unterschiedliche
Wand stärke au fwe i s en.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (14, 16) über unterschiedlich lange Strecken thermisch an das Temperierelement (12) angekoppelt sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem derjenigen der Rohre
(14), welche' einen kleineren Gesamt-Wärmewiderstand zum
Temperierelement (12) aufweisen, eine Umwälzpumpe mit
steuerbarer Förderleistung zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenseite vereinzelt geführter auslaßseitiger Endabschnitte der Rohre (14, 16) Temperaturfühler (34, 38) aufgesetzt sind.
9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf einlaßseitige vereinzelt geführte
Endabschnitte der Rohre (14, 16) Temperaturfühler (32,
36) aufgesetzt sind.
10, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (28) mit dem Temperierelement (T2) verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperierelement (12) und die Rohre (14, 16) U-förmige Gestalt haben.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet., daß der mit dem Temperierelement (12) verbundene
Temperaturfühler (28) auf einer die beiden Schenkel des
U-förmigen Temperierelementes (12) verbindenden Platte (26) sitzt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 5 und 9, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (56) , welche die Förderleistung der steuerbaren Umwälzpumpe (60) und die Heiz- oder Kühlleistung des Temperierelementes (12) in Abhängigkeit sowohl der Ausgangssignale der auslaßseitigen Temperaturfühler (34, 38) als auch der Ausgangssig-10 nale der einlaßseitigen Temperaturfühler (32, 36) regelt.
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