| JP10119547 | VISCOUS HEATER |
| WO/2010/014717 | SUPPLEMENTAL HEATING SYSTEM INCLUDING INTEGRAL HEAT EXCHANGER |
| JP3023815 | INTAKE DEVICE OF 4-CYCLE ENGINE |
Ulrich, Faust
Uwe
Ulrich, Faust
Uwe
| 1. | Verfahren zur Temperierung einer Flüssigkeit mit Aufwärmbarkeit der Flüssigkeit durch elektrische Mittel und mit Regelung der Wärme und Steuerung der elektrischen Mittel unter Auswertung des Tem¬ peraturvergleichs einer IstTemperatur der Flüs sigkeit mit einer"SollTemperatur, dadurch gekenn ■ zeichnet, daß die elektrischen Mittel zur Erzeugung akustischer Ultraschallwellen dienen, deren Wir¬ kung auf die Flüssigkeit unter Auswertung des Temperaturvergleichs änderbar ist. |
| 2. | Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An¬ spruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig¬ keit in einem Behälter (2, 13, 15, 2o) aussetzbar ist, daß. die IstTemperatur dieser Flüssigkeit durch einen OU l Temperaturgeber (1, 17) meßbar ist und daß durch ein elektrisches Steuergerät der Temperaturvergleich, die Steuerung des Ultraschallerzeugers und die Re gelung auf die SollTemperatur durchführbar ist. |
| 3. | Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturgeber (1) in die Flüssigkeit ragen¬ der Tauchfühler (1) (Berührungstemperaturgeber) dient. |
| 4. | Vorrichtung nach Anspruch 2,* dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Flüssigkeit berührungsfrei durch optische Mittel (17) (Infrarotstrahlungsgerät und dergl.) meßbar ist. |
| 5. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Behälter (2, 15) und Ultraschallerzeuger (5) ein mit diesem unmittelbar . verbundenes Ultraschallabstrahlglied (3, 19) vorge¬ sehen ist/*welches mit dem Behälter (2, 15) über ein Koppelmedium (4, 14) verbunden ist. |
| 6. | Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelmedium (14) Flüssigkeit, insbesondere Wasser ist. |
| 7. | Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelmedium (4) aus einem elastischen Isolier¬ material besteht. |
| 8. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallerzeuger aus min destens einem elektroakustischen Wandler (5) besteht, OMFI an den sich einerseits ein Abschlußglied (8) und an¬ dererseits ein zum beschaffenden Medium hin angeord¬ neter Adapter (7, lo, 19) anschließt. |
| 9. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit über den Behälter (2, 2o) selbst der Ultraschallschwingung aussetzbar ist. |
| 10. | Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Behälter ein Rohr (2) dient und daß die das Rohr durchströmende Flüssigkeit der Ultraschall¬ schwingung aussetzbar ist, indem die Ultraschaller¬ zeuger (5) radial zum Rohr (2) angeordnet sind und die Ultraschallwellen quer zur Rohrachse verlaufen. |
| 11. | Vorrichtung nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß drei Verbundschwinger (5", 6, 7, 8, 9) (Ultraschall¬ erzeuger) 'radial gleichmässlg um das Rohr (2) ange¬ ordnet sind. |
| 12. | Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (13, 2o) als nach oben offener Topf ausgebildet ist und der Verbundschwinger (5, 6, 8) über einen Adapter (19) ,der als Abstrahlglied dient, kraft¬ schlüssig mit dem Behälter (2o) in Berührung steht. |
| 13. | Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbundschwinger der Temperaturgeber (1) ange¬ ordnet ist. |
| 14. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter (15) untergebracht ist. |
| 15. | Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (15) in eine als Koppelmedium dienen¬ de Flüssigkeit (14) getaucht wird, die wiederum durch einen Tank (3) aufgenommen wird, dessen Tankwand als Abstrahlfläche eines Abstrahlgliedes dient. |
| 16. | Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, ■ daß der Behälter (15) aus Kunststoff ist und daß als Koppelmedium Wasser dient. |
| 17. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallverbundgerät als Handgerät ausgebildet ist mit einem sich an den Ultra¬ schallerzeuger (5) unmittelbar anschließenden Abstrahl¬ horn (12) ,welches am freien Ende eine Abstrahlfläche (11) aufweist, und welches für die Ultraschallbearbeitung mit diesem freien Ende in die zu beschallende Flüssig¬ keit tauchbar ist. (Fig. 3) . |
| 18. | Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet," daß die Abstrahlflache (11) schräg zur Achse des Ab strahlhorns (12) angeordnet ist. OMPI. |
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem. Verfahren zur Temperier¬ ung einer * Flüssigkeit .nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei " bekannten Verfahren dieser Art wird die zu temperieren¬ de Flüssigkeit erwärmt, indem entweder ein Heizelement unmittelbar in die Flüssigkeit ragt, oder indem ein Heiz¬ element eine Behälterwand aufheizt und mittelbar dadurch die in dem Behälter enthaltene Flüssigkeit. Aufgrund die¬ ses Konvektionsheizprinzips entstehen partielle "tϊber- hitzungen", zumindestens solange, bis sich die Wärme gleich ässig verteilt hat. Ganz abgesehen davon, daß eine derartige Aufheizung einen relativ ungünstigen Wirkungs¬ grad hat und zudem verhältnismässig lang dauert, kann die partielle überhitzung zur Zerstörung insbesondere empfind¬ licher organischer Reagenzien an den Wärmeaustauschflachen führen. Die Temperierung muß daher stets mit geringer Temperaturdifferenz erfolgen, so daß eine verhältnis-
massig lange Zeit erforderlich ist, um einen Temperatur¬ ausgleich innerhalb der Flüssigkeit zu erreichen. Zudem ist eine Temperaturmessung unabhängig davon, in welchem Teil des Flüssigkeitsbehälters gemessen wird, nicht repräsentativ für die Durchschnittstemperatur der Flüs¬ sigkeit insgesamt. Physikalisch und technisch bedingt ist dieses bekannte Verfahren somit träge, ungenau und teuer im Energieverbrauch r so daß der Einsatzbereich bei den • zunehmenden An orderungen in der Technik mehr und mehr beschränkt ist.
Bei einem anderen bekannten Verfahren erfolgt die Erwär¬ mung über Mikrowellen, was jedoch den wesentlichen Nach¬ teil hat, daß die die Temperatur messenden Geber durch die Mikrowellen beeinflusst werden, so daß erhebliche Meßfehler entstehen, die eine Temperierung im Sinne einer Regelung unmöglich machen.
■ Bei einem weitere bekannten Verfahren erfolgt die Er- - - wärmung mittels Infrarotstrahlung. Da die Infrarot¬ strahlung aufgrund einer hohen spezifischen Absorption mit zunehmender Eindringtiefe in die Flüssigkeit an In¬ tensität schnell abnimmt, entstehen ähnlich wie bei der oben beschriebenen konvektiven Erwärmung örtliche über— hitzungen mit den obengenannten Nachteilen. Auch hier ist eine verhältnismässig lange Zeit erforderlich, um die. homogene Erwärmung eintreten zu lassen. Außer der hier sich ergebenden verhältnismässig geringen Eindringtiefe ist rein technisch gesehen eine Infrarottemperierung auf¬ wendig und nicht universell einsetzbar.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat gegen¬ über dem Stand der Technik den Vorteil, daß die Erwär¬ mung homogen über den gesamten beschallten Querschnitt erfolgt, so daß eine partielle überhitzung - wie sie bei der Erwärmung durch Konvektion unvermeidbar ist - nicht stattfinden kann. Dies ist besonders für biolo¬ gische Flüssigkeiten von Bedeutung oder auch solchen, die biologisches Material wie Proteine oder lebende Zellen enthalten. Im Gegensatz zur Erwärmung mit partieller Überhitzung kann durch die homogenisierende Wirkung des Ultraschalls und damit die optimale Temperaturverteilung eine Denaturierung bzw. ein Zelluntergang vermieden wer¬ den. Durch die Erfindung ist es beispielsweise sehr ein¬ fach möglich, Milch zu homogenisieren und zu pasteuri¬ sieren, ohne daß die Gefahr einer überhitzung besteht.
Ein. weiterer wesentlicher Vorteil ist, daß die Steuerung des Ultraschalls .trägheitslos ' erfolgt, so daß keine kom¬ plizierten Regler"erforderlich sind. Meist genügt eine einfache Proportionalregelung. Aufgrund der sich durch den Schalldruck in der Flüssigkeit bildenden Turbulenzen ist ein zusätzliches Rühren nicht erforderlich, so daß auf entsprechende Rührmittel verzichtet werden kann.
Eine Reihe von Ausgestaltungen d.er Erfindung sind in den Ansprüchen enthalten und in der nachfolgenden Figuren¬ beschreibung anhand von Beispielen mit ihren Vorteilen näher erläutert..
Zeichnung
Vier Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung näher erläutert und im folgenden näher beschrieben.
O PI
Es zeigen:
Fig. 1 und 2 das erste Ausführungsbeispiel einer.
Durchflußtemperierung
Fig. 3 das zweite Ausführungsbeispiel als
Temperierung in Laborgefäsen
Fig. 4 das dritte Ausführungsbeispiel als Temperieru abgeschlossener Flüssigkeitsvolumina und
Fig. 5 das vierte Ausführungsbeispiel als
Temperierung durch Erregung der Wandung - eines topfföπnigen Behälters.
" Beschreibung der TSrfindungsbeispiele
Bei allen nachfolgend beschriebenen Beispielen handelt es sich um Geräte zur Ultraschallerzeugung und Temperierung von Flüssigkeiten r denen jeweils ein elektronisches Steuer¬ gerät zugeordnet ist, das hier nicht näher beschrieben ist. Diese elektronischen Steuergeräte arbeiten in bekannter Weise, indem das Signal einer Ist-Temperaturmessung ein¬ gegeben wird und entsprechend einem Programm nach Ver¬ gleich mit einem Soll-Temperaturwert elektroakustische Er¬ reger steuert , so daß endgültig eine Regelung der Tempera¬ tur bzw. eine Temperierung erzielbar ist ' . " * . -
Mit dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Gerät wird über einen Temperaturgeber i die Ist-Temperatur der durch ein Rohr 2 strömenden und zu temperierenden Flüssigkeit ge¬ messen. Koaxial ist um dieses Rohr 2 ein hülsenförmiges Abstrahlglied 3 angeordnet, wobei zwischen Rohr 2 und Hülse 3 ein Koppelmedium 4 vorgesehen ist.
Das Koppelmedium dient neben der Schallübertragung auch der thermischen Isolation, so daß bei hohen Temperaturen vom Schwingungserzeuger nach Abstellen keine Temperatur auf das zu temperierende Medium übergeht. Natürlich dürfen als Koppelmedium keine Gase dienen, da sonst sofort eine
Totalreflektion des Ultraschalls gegeben wäre.
Auf der Abstrahlgliedhülse sind auf den Umfang gleich- massig verteilt drei elektroakustisch arbeitende Ultra¬ schallverbundschwinger angeordnet mit jeweils zwei elektroakustischen Wandlern 5, zwischen denen eine Kon¬ taktscheibe 6 angeordnet ist, einem Adapter 7 zur Hülse 3 hin, einem auf der anderen Seite des Verbundschwingers angeordnetem Abschlußglied 8 und einer die Teile zusammen¬ haltenden Verschraubung 9. Die elektroakustischen Wand¬ ler 5 können aus einer beliebigen Anzahl von piezokera- mischen oder magnetostriktiven oder ähnlichen Teilen be¬ stehen. Die Kontaktscheibe 6, die vorzugsweise aus Kupferberyllium besteht, dient als Anschlußteil der elek¬ troakustischen Wandler 5 an einen elektrischen Generator, d. h. zur Erregung der Ultraschall-Erzeuger auf deren Resonanzfrequenz.
Wie* aus Fig. 2 und der dort über den Pfeil dargestellten Strömungsrichtung der Flüssigkeit entnehmbar, ist der ' ' Temperaturgeber 1 stromab der Ultraschallschwinger 5 - 9 angeordnet. Somit ist die im Rohr 2 gemessene Ist-Temperatur bereits durch die Ultraschallsteuerung bestimmbar. Stärke und Dauer des Ultraschalls kann zur Temperierung somit durch das elektronische Steuergerät bestimmt werden. Es ist jedoch auch denkbar, daß mehrere derartige Einheiten hintereinander auf dem Rohr 2 angeordnet sind. Die Resonanz¬ frequenz läßt sich durch Wahl geeigneter Werkstoffe, Ab¬ messungen und Anzahl derartiger Verbundschwinger erzielen, wobei sich eine homogene Energieeinkoppelung im Transport- rohr 2 ergibt.
Durch das Zwischenschalten eines Koppelmediums 4 wird er¬ reicht, daß die Resonanzerscheinungen im Transportrohr 2 bzw. im Koppelmedium 4 mit ausgenutzt werden, um dadurch
einen möglichst hohen Energieanteil einzukoppeln.
Durch die sternartige Anordnung der Ultraschallverbund¬ schwinger (siehe Fig. 1) wird zudem der Effekt der Ultra¬ schallbündelung durch die den Verbundschwingern gegen¬ überliegenden Wände ausgenutzt. Auf diese Weise durch¬ läuft die Ultraschallwelle mehrfach das Transportrohr.
In Fig. 3 ist als weiteres Beispiel für die Anwendung in Laboratorien ein "handlicher Ultraschallerzeuger" dargestellt. Der Aufbau des Gerätes entspricht im we¬ sentlichen der Teile 5, 6, 8 und 9 des oben beschriebe¬ nen Beispiels. Lediglich statt dem Adapter 7 ist hier ein Abstrahlhorn lo vorgesehen, das auf der dem Wandler 5 abgewandten und verjüngten Seite eine Abstrahlfläche 11 aufweist, die schräg zur Geräteachse verläuft. Der ganze Schwinger ist dann zentral axial durchbohrt, um ein zum Temperäturgeber 1 führendes Kabel 12 aufzunehmen. Das Abstrahlhorn lo mit- ' Strahlfläche lϊ wird in die zu behandelnde Flüssigkeit getaucht, die sich beispielsweise in einem Laborgefäß 13 befindet. Durch Gestaltung der turbulenzerzeugenden Fläche 11 wird in Bezug auf die Form des Laborgefäßes 13 eine-optimale und möglichst Verlust¬ arme Ultraschallbehandlung der Flüssigkeit erzielt. Die über den Temperaturgeber 1 im Gefäß gemessene Flüssig¬ keitstemperatur wird dem nichtgezeigten elektronischen Steuergerät eingegeben und dort mit dem Sollwert verglichen. Bei einem Laborgerät kann beispielsweise ein solcher Soll¬ wert willkürlich jeweils eingestellt werden. Gemäß dem eingegebenen Programm, beispielsweise einer speziellen Regelgröße, ergibt ' die Temperaturdifferenz aus Ist- und Sollwert ein Steuersignal, das die eingekoppelte Ultraschall-
energie steuert und zwar entweder als Aus-/Einschaltung oder als Frequenzsteuerung, um dadurch eine möglichst schenlle und exakte Temperatureirrsteliung zu erhalten. Vorteilhafterweise dient hier die Ultraschalleinkoppelung zum Erwärmen sowie auch zum Rühren der Flüssigkeit, so daß zwei Funktionen mit nur einer Vorrichtung und einer Energiequelle realisiert werden. Da die Energiezufuhr in Form von Ultraschall trägheitslos steuerbar ist, ent¬ fällt das bei sonstigen Geräten übliche erforderliche Voreilen der Temperatur an der Erwärmungsstelle. Bei letzterem besteht nämlich die Gefahr eines Überschwingens. Die schräge Abstrahlfläche 11 hat zudem den Vorteil, daß im Behälter eine Zirkulation der Flüssigkeit erreicht wird, was außer der optimalen homogenen Durchmischung auch eine verbesserte Heizqualität mit sich bringt.
■ In- Fig. 4' ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung- zur- Behandlung ' von Flüssigkeit dargestellt, die .. in geschlossenen Behältnissen, wie Kunststoffbeutel, ent¬ halten sind. Derartige Flüssigkeiten können beispielsweise Infussionlösungen oder Blutkonserven sein, die von einer Kühltemperatur auf Körpertemperatur gebracht werden müssen und dabei keinerlei Schaden erleiden oder mit Luft in Be¬ rührung kommen dürfen.
Beispielhaft sind hier zwei Verbundschwinger, wie zu Fig. 1 beschrieben, auf nur einem Adapter 7 angeordnet, der wiederum an einem hier als Tank ausgebildeten Abstrahlglied 3 be¬ festigt ist. Dieser Tank ist mit einem flüssigen Koppel¬ medium, beispielsweise Wasser, angefüllt. In diesen Tank 3 bzw. das Wasser 14 wird ein Kunststoffbeutel 15 gehängt, der mit der zu temperierenden Flüssigkeit gefüllt ist. Die Temperaturmessung erfolgt bei diesem Aus ührunqsbeispiel über ein Fenster 16 im Tank 3 mit einem Infrarot-
m OMPI
temperaturmeßgerät 17. Das Fenster 16 kann aus Germanium oder Silizium oder sonst einem infrarotdurchlässigen Medium bestehen. Der Beutel 15 mit dem zu behandelnden Medium wird über eine Halterung 18 von oben in den Tank 3 gehängt.
Das vorzugsweise als Kompensationsmeßgerät ausgebildete Infrarotmeßgerät 17 mißt die Flüssigkeitstemperatur im Beutel 15 und vergleicht sie mit einer Soll-Temperatur. Diese Infrarottemperaturmesser (Pyrometriegeräte) , weisen einen Meßaufnehmer (Infrarotstrahlungsdetektor) auf, der auf Soll-Temperatur beispielsweise mit einem Peiletier-Thermostat gebracht wird und solange ein Sig¬ nal abgibt, bis das zu messende Medium (Ist-Temperatur) die Soll-Temperatur erreicht hat. Da es sich bei der An¬ wendung meist um zellhaltige Flüssigkeiten handelt, wird mit einer hohen Frequenz gearbeitet, damit nicht durch Kavitation eine Zellschädigung entsteht. Da die Dichte von Wasser und Kunststoff nahezu gleich ist, ist ein verlustarmer Schwingungsdurchgang' om Adapter 7 über das Koppelmedium 14 (Wasser) zum zu temperierenden Medium im Beutel 15 gewährleistet.
Bekanntlich ist das Mischen von Flüssigkeiten innerhalb von verschlossenen Kunststoffbeuteln nahezu unmöglich, so daß sich gerade bei diesem Beispiel die Eigenart des Ultraschalls, Flüssigkeiten zu homogenisieren, entscheidend auswirkt.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten vierten Ausführungs¬ beispiel wird ein im Prinzip wie beim zweiten Aus¬ führungsbeispiel (Fig. 3) aufgebauter Verbundschwinger mit achsgleichem Temperaturgeber verwendet, um durch Schwingungserregung von Behälterwandungen eine Temperierung zu erzielen. An den elektroakustischen Wandler 5 ist ein AusStrahlglied oder Adapter 19 angeschlossen, dessen dem Wandler 5 abgewandte Seite der Form eines Behälters 2o angepaßt ist. Bei diesem Behälter kann es sich um eine oben offene Küvette handeln für eine photometrische Un¬ tersuchung im klinisch-chemischen oder biochemischen Be¬ reich. Der Verbundschwinger ist hierfür in einer Halterung 21 beispielsweise über die Kontaktscheibe 6 befestigt, wobei die Halterung selbst an einem Schwingungswegaus- gleichselement 22 aufgehängt ist. Der Behälter 2o wird über eine Andrückvorrichtung 23 an das Abstrahlglied 19 kraftschlüssig angedrückt. - -
Durch die ■ Schwingungen werden intensive Turbulenzen er¬ zeugt,vor allem an den Wänden und in den Ecken des Behäl¬ ters, an denen mit üblichen Rührverfahren keine Strömung erzeugt werden könnte. Aufgrund der auf den Behälter 2o übertragenen Ultraschallschwingung findet eine Homogeni¬ sierung und gleichmässige Erwärmung der Flüssigkeit statt, so daß im Grunde ' die Meßstelle irgendwo im Behälter ange¬ ordnet sein kann. Statt einem Berührungsmeßgeber 1 kann natürlich auch die Temperatur mit optischen Mitteln ge¬ messen werden. In jedem Fall ist aufgrund der Ultraschall- wirkung eine Temperaturmeßgenauigkeit von o,ol°c oder besser möglich. Dies ist besonders ' bei reaktionkinetischen Untersuchungen von Bedeutung, bei denen der Temperaturfehier
- lo -
die erreichbare Analysengenauigkeit und die Taktzeiten von Automaten maßgeblich limitiert.
Erfindungsgemäß kann generell und nicht nur bei den dar¬ gestellten Beispielen die Temperaturwirkung durch eine Ein-/AusSchaltung des Ultraschalls oder aber durch eine Änderung der Schwingungsamplitude erzielt werden.
Next Patent: TOP STRUCTURE FOR A COOLED, TRANSPORT COMPARTMENT