RU2099773C1

RU2099773C1 - Apparatus for controlling temperature of object

Info

Publication number: RU2099773C1
Application number: RU94041960A
Authority: RU
Inventors: Олег Леонидович Олендский
Original assignee: Олег Леонидович Олендский
Priority date: 1994-11-21
Filing date: 1994-11-21
Publication date: 1997-12-20
Also published as: RU94041960A

Abstract

FIELD: heat engineering, namely temperature control of different objects in chemical, pharmaceutical, food industry branches, at medical diagnostics, biological investigation and criminology tests. SUBSTANCE: apparatus for controlling temperature includes container with object and temperature pickup, heat transfer means contacting with said container and joined with cold source, heat source, control unit whose input is connected with said temperature pickup. Novelty is heat transfer means in the form of gas duct filled by non-condensed gas and having blower. Said gas duct engages with lateral surface of container made of heat conductive material. Heat source is in the form of resistance heater and it is arranged inside container. Fan is also placed inside said container. Outputs of control unit are connected with blower and resistance heater. Said control unit may be connected with cold source for increasing efficiency. EFFECT: lowered time lag, increased rate of temperature change of object, high accuracy of sustaining predetermined temperature in static mode. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для регулирования температуры различных объектов в химической, фармацевтической и пищевой промышленности, а также в медицинской диагностике и биологических исследованиях и тестах ( например, криминалистических). The invention relates to heat engineering and can be used to control the temperature of various objects in the chemical, pharmaceutical and food industries, as well as in medical diagnostics and biological research and tests (for example, forensic).

Известно устройство [1] для регулирования температуры жидкости, подвергаемой химическому анализу при определенной температуре. Оно представляет собой сосуд для анализируемой жидкости, закрытый изотермическим каркасом с большой теплоемкостью, который контактирует с термоэлектрическими элементами. Устройство включает устанавливаемый в жидкости детектор температуры. Недостатком данной конструкции является присущая ей значительная тепловая инерция, которая не позволяет быстро изменять температуру объекта регулирования. A device [1] is known for controlling the temperature of a liquid subjected to chemical analysis at a certain temperature. It is a vessel for the analyzed fluid, closed by an isothermal frame with high heat capacity, which is in contact with thermoelectric elements. The device includes a liquid temperature detector. The disadvantage of this design is its inherent significant thermal inertia, which does not allow you to quickly change the temperature of the control object.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство [2] для циклического изменения температуры компонентов при проведении химической реакции. Это устройство представляет собой часть аппарата для проведения автоматической амплификации нуклеиновых кислот с помощью попеременного нагрева и охлаждения. Оно содержит блок управления, контейнер из теплопроводного материала, имеющий внутри выемку для размещения реагентов, резервуары с холодной и горячей жидкостями, затворы для открывания и закрывания резервуаров, теплообменник с каналами для протекания жидкости и детектор температуры контейнера. Вход блока управления соединен с детектором температуры, а его выходы соединены с затворами. Затворы представляют собой мультиплексор, обеспечивающий соединение каналов теплообменника либо с резервуаром с горячей жидкостью, либо с резервуаром с холодной жидкостью. Теплообменник находится в тепловом контакте с контейнером. Данное устройство обеспечивает в контейнере попеременно температуру горячего и холодного резервуара. Of the known devices, the closest to the proposed technical essence and the achieved result is a device [2] for cyclically changing the temperature of the components during a chemical reaction. This device is part of an apparatus for the automatic amplification of nucleic acids by alternating heating and cooling. It contains a control unit, a container of thermally conductive material, which has a recess in it for holding reagents, reservoirs with cold and hot liquids, valves for opening and closing reservoirs, a heat exchanger with channels for fluid flow, and a container temperature detector. The control unit input is connected to a temperature detector, and its outputs are connected to the gates. The gates are a multiplexer that provides the connection of the channels of the heat exchanger with either a reservoir with hot liquid or a reservoir with cold liquid. The heat exchanger is in thermal contact with the container. This device provides alternately the temperature of the hot and cold reservoir in the container.

При использовании в резервуарах жидкости с большой удельной теплоемкостью (например, воды) устройство по [2] обеспечивает более быстрое циклическое изменение температуры объекта, чем большинство других аналогичных устройств. Однако неизбежная при этой конструкции большая суммарная, теплоемкость теплообменника и контейнера определяют его инерционность и ограничивают частоту циклического изменения температуры и, тем самым, области применения устройства. Следует отметить, что быстрота перехода от одной температуры к другой в цилиндрическом процессе значительно влияет на чистоту получаемых продуктов химической реакции. When using liquids with large specific heat capacity (for example, water) in tanks, the device according to [2] provides a faster cyclic change in the temperature of an object than most other similar devices. However, the large total heat capacity of the heat exchanger and container, which is inevitable with this design, determines its inertia and limits the frequency of cyclic temperature changes and, thus, the scope of the device. It should be noted that the speed of transition from one temperature to another in a cylindrical process significantly affects the purity of the resulting products of a chemical reaction.

Задачей изобретения является уменьшение инерционности устройства, увеличение скорости изменения температуры объекта и точности поддержания заданной температуры в статическом режиме. The objective of the invention is to reduce the inertia of the device, increasing the rate of change of the temperature of the object and the accuracy of maintaining the desired temperature in static mode.

Для достижения указанной цели предложено устройство для регулирования температуры объекта, содержащее контейнер с объектом и датчиком температуры, контактирующее с контейнером теплопередающее средство, соединенное с источником холода, источник тепла, блок управления, вход которого соединен с датчиком температуры, отличающееся тем, что теплопередающее средство выполнено в виде заполненного неконденсирующимся газом газопровода с нагнетателем, причем газопровод контактирует с выполненной из теплопроводного материала боковой поверхностью контейнера, источник тепла выполнен в виде резистивного нагревателя и расположен внутри контейнера, в который также помещен вентилятор, а выходы блока управления соединены с нагнетателем и резистивным нагревателем. To achieve this goal, a device for controlling the temperature of an object is proposed, comprising a container with an object and a temperature sensor, heat transfer agent in contact with the container, connected to a cold source, a heat source, a control unit, the input of which is connected to a temperature sensor, characterized in that the heat transfer means is made in the form of a gas pipeline filled with non-condensable gas with a supercharger, the gas pipeline being in contact with a side surface made of heat-conducting material With the container, the heat source is made in the form of a resistive heater and is located inside the container, in which the fan is also placed, and the outputs of the control unit are connected to a supercharger and a resistive heater.

Кроме того, для повышения экономичности устройства блок управления может быть соединен с источником холода. In addition, to increase the efficiency of the device, the control unit can be connected to a cold source.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

В качестве источника тепла используется резистивный нагреватель, помещенный внутрь контейнера, где находится объект регулирования температуры. Этим достигается упрощение конструкции за счет отсутствия трубопровода между контейнером и источником тепла и повышение точности поддержания заданной температуры объекта в контейнере за счет уменьшения времени запаздывания регулирующего воздействия (при обнаружения отклонения температуры объекта от заданного значения). As a heat source, a resistive heater is used, placed inside the container where the temperature control object is located. This achieves a simplification of the design due to the absence of a pipeline between the container and the heat source and to increase the accuracy of maintaining the target temperature of the object in the container by reducing the delay time of the regulatory action (when detecting deviations of the object temperature from the set value).

В отличие от известных устройств, где для обеспечения равномерности температурного поля объекта он заключен в массивный контейнер из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивается работой вентилятора, интенсивно перемешивающего воздух в контейнере, имеющем тонкие стенки. При этом обеспечивается значительно меньшая теплоемкость контейнера, а следовательно, и его меньшая инерционность. In contrast to known devices, where to ensure uniformity of the temperature field of an object it is enclosed in a massive container made of a material with high thermal conductivity, it is ensured by the operation of a fan that intensively mixes air in a container having thin walls. This ensures a significantly lower heat capacity of the container, and therefore its lower inertia.

В предлагаемом устройстве в качестве теплопередающего средства от источника холода к контейнеру используется газопровод с нагнетателем, что обеспечивает быстрое охлаждение контейнера при включенном нагнетателе и его изоляцию от источника холода при выключенном нагнетателе, т.е. создаются условия для быстрого повышения температуры контейнера после включения нагревателя. In the proposed device, a gas pipeline with a supercharger is used as a heat transfer agent from the cold source to the container, which ensures quick cooling of the container with the supercharger turned on and its isolation from the cold source with the supercharger turned off, i.e. conditions are created for a rapid increase in the temperature of the container after turning on the heater.

На фиг. 1 изображена блочная схема предлагаемого устройства для регулирования температуры объекта; на фиг. 2 поперечный разрез контейнера, содержащего объект регулирования температуры. In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device for controlling the temperature of the object; in FIG. 2 is a cross-sectional view of a container containing a temperature control object.

Устройство содержит контейнер 1 для размещения объекта регулирования температуры, газопровод 2 с нагнетателем 3, источник 4 холода и блок 5 управления исполнительными элементами. Контейнер 1 предпочтительно имеет форму тела вращения (например, полого цилиндра) с выполненной из тонкого теплопроводного материала, боковой поверхностью 6. В его нижней части установлены вентилятор 7 и резистивный нагреватель 8. Верхняя часть контейнера 1 имеет крышу 9, в которой закреплен держатель 10 объекта, 11 регулирования температуры. Внутри контейнера находится также датчик 12 температуры. Газопровод 2 имеет часть 13 облегающую теплопроводную стенку 6 контейнера 1. Другая часть 14 газопровода 2 примыкает к источнику 4 холода. Блок 5 управления представляет собой регулятор, осуществляющий выработку управляющих воздействий на основе сравнения установки температуры и поступающего в него сигнала обратной связи от объекта регулирования. Блок 5 может включать в себя программное устройство, изменяющее установку температуры во времени. Вход блока 5 управления соединен с датчиком 12 температуры, а его выходы соединены с нагнетателем 3 и резистивным нагревателем 8. Блок 5 может также иметь выход, соединенный с источником 4 холода. В качестве источника холода предпочтительно используется термоэлектрическая батарея элементов Пельтье. The device comprises a container 1 for accommodating a temperature control object, a gas pipeline 2 with a supercharger 3, a cold source 4 and an actuator control unit 5. The container 1 is preferably in the form of a body of revolution (for example, a hollow cylinder) with a lateral surface 6 made of thin heat-conducting material. A fan 7 and a resistive heater 8 are installed in its lower part. The upper part of the container 1 has a roof 9 in which the object holder 10 is fixed 11 temperature control. Inside the container is also a temperature sensor 12. The gas pipeline 2 has a part 13 that encloses the heat-conducting wall 6 of the container 1. The other part 14 of the gas pipeline 2 is adjacent to the cold source 4. The control unit 5 is a controller that produces control actions based on a comparison of the temperature setting and the feedback signal received from the control object. Block 5 may include a software device that changes the temperature setting over time. The input of the control unit 5 is connected to a temperature sensor 12, and its outputs are connected to a supercharger 3 and a resistive heater 8. Unit 5 may also have an output connected to a cold source 4. A thermoelectric battery of Peltier elements is preferably used as a source of cold.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В блок 5 управления вводится уставка температуры объекта или программа изменения его температуры во времени. В зависимости от величины разности заданной на данный момент времени температуры и температуры, показываемой датчиком 12, блок 5 управления обеспечивает включение нагнетателя 3, нагревателя 8 или их обоих одновременно. The proposed device operates as follows. The control unit 5 is entered the temperature setting of the object or the program changes its temperature over time. Depending on the difference in the temperature set at the given moment of time and the temperature indicated by the sensor 12, the control unit 5 provides the inclusion of a supercharger 3, a heater 8, or both of them simultaneously.

При включении нагнетателя 3 осуществляется теплообмен между источником 4 холода и боковой поверхностью 6 контейнера в результате эта поверхность передает теплоту от контейнера к источнику холода. Вентилятор 7 включен постоянно и осуществляет интенсивное перемешивание газа внутри контейнера, что обеспечивает равномерность температурного поля и интенсивный теплообмен между объектом 11 регулирования, находящимся в контейнере газом и боковой стенкой контейнера. When the blower 3 is turned on, heat is exchanged between the cold source 4 and the side surface 6 of the container; as a result, this surface transfers heat from the container to the cold source. The fan 7 is switched on continuously and carries out intensive mixing of the gas inside the container, which ensures uniformity of the temperature field and intensive heat exchange between the control object 11, the gas in the container and the side wall of the container.

Если нагнетатель 3 включен, а нагреватель 8 выключен, то объект приобретает температуру, близкую к температуре источника 4. Если нагнетатель 3 выключен, а нагреватель 8 постоянно включен, то объект приобретает температуру, примерно равную температуре нагревателя. Таким образом, диапазон обеспечиваемых температур объектов регулирования простирается от температуры источника холода до максимальной температуры нагревателя, достигаемой при максимальном проходящем через него токе. При задании температур объекта внутри этого диапазона поддержание заданной температуры достигается путем изменения блоком 5 управления величины среднего тока нагревателя 8. If the supercharger 3 is turned on and the heater 8 is off, then the object acquires a temperature close to the temperature of the source 4. If the supercharger 3 is turned off and the heater 8 is constantly on, the object acquires a temperature approximately equal to the temperature of the heater. Thus, the range of temperatures provided by the objects of regulation extends from the temperature of the cold source to the maximum temperature of the heater, achieved at the maximum current passing through it. When setting the temperature of the object within this range, maintaining the desired temperature is achieved by changing the unit 5 of the control value of the average current of the heater 8.

Благодаря связи блока 5 управления с источником 4 холода возможен режим работы с регулировкой температуры источника холода 4. В этом режиме уменьшается потребляемая устройством мощность. Регулировка может осуществляться изменением среднего тока термоэлектрической батареи, используемой в качестве источника холода. Due to the connection of the control unit 5 with the cold source 4, a mode of operation with the temperature control of the cold source 4 is possible. In this mode, the power consumption of the device is reduced. The adjustment can be carried out by changing the average current of the thermoelectric battery used as a source of cold.

При уменьшении уставки температуры объекта включается нагнетатель 3, газ начинает циркулировать по газопроводу 2, охлаждать стенку 6 контейнера 1 и через нее внутренний объем контейнера. When the set temperature of the object decreases, the supercharger 3 is turned on, the gas begins to circulate through the gas pipeline 2, cool the wall 6 of the container 1 and through it the internal volume of the container.

При увеличении уставки температуры объекта включается нагреватель 8, включается нагнетатель 3, прекращается движение газа в газопроводе 2 и теплообмен между источником холода 4 и контейнером 1. With an increase in the temperature setting of the object, the heater 8 is turned on, the supercharger 3 is turned on, the gas movement in the gas pipeline 2 is stopped and the heat exchange between the cold source 4 and the container 1 is stopped.

Скорость увеличения температуры объекта при увеличении уставки температуры обеспечивается следующими факторами: близостью нагревателя к объекту регулирования, малой инерционностью резистивного нагревателя, малой суммарной теплоемкостью стенок контейнера и находящегося внутри него газа, перемешиванием газа внутри контейнера вентилятором. The rate of increase in the temperature of an object with an increase in the temperature setpoint is ensured by the following factors: the proximity of the heater to the control object, the low inertia of the resistive heater, the low total heat capacity of the walls of the container and the gas inside it, and the gas is mixed inside the container with a fan.

После достижения заданной температуры объекта и перехода в режим ее поддержания эти же факторы определяют быстроту регулирующего воздействия блока 5 управления через нагреватель 8 на температуру объекта. Быстрота регулирующего воздействия через нагреватель 8 позволяет повысить точность поддержания заданной температуры. After reaching the target temperature of the object and switching to the mode of maintaining it, these same factors determine the speed of the regulatory effect of the control unit 5 through the heater 8 on the temperature of the object. The speed of the regulatory action through the heater 8 can improve the accuracy of maintaining a given temperature.

Скорость уменьшения температуры объекта при уменьшении заданного значения температуры обеспечивается: скоростью движения газа в газопроводе, которая значительно выше, чем скорость движения жидкости в трубопроводе устройства-прототипа, малой суммарной теплоемкостью газа в газопроводе 2 и его стенок, малой суммарной теплоемкостью контейнера 1 и содержащегося внутри него воздуха, которая значительно меньше, чем теплоемкость массивного контейнера устройства-прототипа. The speed of decreasing the temperature of the object with decreasing the set temperature is ensured by: the gas velocity in the gas pipeline, which is much higher than the fluid velocity in the pipeline of the prototype device, the low total heat capacity of the gas in the gas pipeline 2 and its walls, the low total heat capacity of the container 1 and contained inside air, which is significantly less than the heat capacity of the massive container of the prototype device.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность поддерживания заданной температуры объектов и быстрое изменение их температуры при изменении ее установки. Поэтому оно может найти широкое применение в различных промышленных и лабораторных установках, осуществляющих химические реакции при постоянной или циклически изменяющейся температуре. The proposed device provides high accuracy of maintaining the set temperature of objects and a quick change in their temperature when changing its setting. Therefore, it can be widely used in various industrial and laboratory installations that carry out chemical reactions at constant or cyclically varying temperatures.

Claims

1. A device for controlling the temperature of an object, comprising a temperature sensor installed in a container for placing the object, in thermal contact with the container and with a cold source, heat transfer means, a heat source and an actuator control unit, an input connected to a temperature sensor, characterized in that the heat transfer agent is made in the form of a gas pipeline filled with non-condensable gas with a supercharger, the gas pipeline being placed (distributed) along the side wall of the container, made of heat-conducting material, the heat source is made in the form of a resistive heater placed in a container and equipped with a fan, and the outputs of the control unit of the actuating elements are connected to the inputs of the resistive heater and supercharger.

2. The device according to claim 1, characterized in that the control unit is connected to a source of cold.

3. The device according to claim 1, characterized in that the container is made in the form of a hollow cylinder.