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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
von Anspruch 5 und ein Verfahren zur Herstellung des Behälters
nach dem Oberbegriff von Anspruch 7.
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Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Laborzentrifugen, d.
h. Zentrifugen, die beispielsweise in chemischen, biologischen,
biochemischen oder biotechnologischen Laboren Verwendung finden.
Andererseits kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft auch bei
großtechnischen Zentrifugen und mechanischen Rührvorrichtungen
eingesetzt werden und allen Vorrichtungen, bei denen ein Gut zumindest
mittelbar gekühlt werden soll. Damit ist die Erfindung
aber auch bei reinen Kühlvorrichtungen, wie Kühl-
und Gefrierschränken und insbesondere Laborkühl-
und Laborgefrierschränken, bei denen eine sehr tiefe Auskühlung erreicht
werden soll, einsetzbar. In solchen Reinen Kühlvorrichtungen
bildet der Behälter die Umhausung des Innenraums der Vorrichtung
in den das Gut eingebracht wird.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere keine Kochgeschirre, Bratpfannen
oder dergleichen Behälter, die der Erwärmung eines
in dem Behälter anordenbaren Gutes dienen.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
der Zentrifugation entsteht während der Drehung des Zentrifugenrotors
im Zentrifugenkessel Wärme durch Luftreibung und elektrische
Verlustleistung. Da der Zentrifugenkessel zum Verhindern eines Austritts von
Zentrifugiergut mit einem Deckel verschlossen ist, kann dieser Wärmeeintrag
nicht ohne weiteres abgeführt werden und führt
zur Erhöhung der Temperatur des Zentrifugiergutes.
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Diese
Temperaturerhöhung ist jedoch zumeist unerwünscht.
Daher wurden schon in der Vergangenheit Vorkehrungen zur Vermeidung
einer Erhöhung der Zentrifugierguttemperatur getroffen.
Dies kann zum einen durch direkt Kühlung erfolgen oder
durch indirekte Kühlung mittels Wärmetauscherprinzip.
Bei der indirekten Kühlung (mittelbare Kühlung)
besteht also kein direkter Kontakt zwischen Kühlmedium
und zu kühlendem Gut bzw. Umhüllung des zu kühlenden
Gutes.
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Bei
der direkten Kühlung wird die Umgebungsluft unmittelbar
am Zentrifugenrotor durch den Zentrifugenkessel geleitet, wobei
der Rotor als eine Art Radiallüfter wirkt. Dazu weist der
Zentrifugendeckel und/oder Zentrifugekessel achsennah eine Einlassöffnung
und eine in Bezug auf die Rotationsachse entfernter angeordnete
Auslassöffnung auf. Eine solche direkte Kühlung
hat sich zwar bewährt, jedoch muss der Zentrifugenkessel
dazu eine Auslassöffnung aufweisen, die allerdings auch
einen Materialaustritt gestattet. Solche Kessel sind damit auch
nicht für Rührvorrichtungen oder dergleichen verwendbar,
in denen Materialien direkt vermengt werden sollen und die damit
ringsum geschlossen ausgebildet sein müssen. Ein Nachteil
der direkten Kühlung ergibt sich aus der Verwendung der
Umgebungsluft als Kühlmittel: das Gut kann maximal nur
auf die Temperatur der Umgebungsluft abgekühlt werden.
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Bei
der mittelbaren Kühlung ist der Rotor im Zentrifugenkessel
unter dem Zentrifugendeckel eingeschlossen und es ist kein Kühlkanal
oder dergleichen vorgesehen. Die Luft zirkuliert daher nur innerhalb
des Zentrifugenkessels. Eine Kühlung wird nun durch ein
zweites Medium erreicht, das an der Außenseite des Kessels
vorbeigeführt wird. Dabei kann es sich entweder um Umgebungsluft
handeln, die am Kesseläußeren vorbeigeleitet wird,
wie es z. B. bei der Zentrifuge 5424 der Eppendorf AG verwirklicht
ist. Alternativ wird ein spezielles Kühlmittel über
Rohrleitungen, die spiralförmig an dem Kessel, d. h. den
Seitenwänden und der Bodenplatte des Kessels, anliegen,
an dem Kessel vorbeigeführt, um Wärme abzutransportieren.
Bei letzterer Variante der mittelbaren Kühlung ist auch
eine Abkühlung des Guts auf eine Temperatur unter die Temperatur
der Umgebungsluft möglich. Ein Vorteil der mittelbaren
Kühlung ist die bessere Regelbarkeit der einzustellenden Temperatur
im Vergleich zur direkten Kühlung.
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Der
mit der mittelbaren Kühlung erzielte Kühleffekt
ist jedoch bisher noch nicht so effizient, wie bei der direkten
Kühlung, weshalb der Energieaufwand bei gleicher Kühlleistung
entsprechend hoch ist. Dies ist eine Folge des flächenmäßig
begrenzten Kontakts des Kühlmediums, das an der Außenseite
des Kessels vorbeigeführt wird.
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Bereits
aus dem Stand der Technik sind Bemühungen bekannt, die
mittelbare Kühlung zu verbessern. So beschreibt die
US 5,477,704 A einen
Zentrifugenkessel, an dessen äußeren Seitenwänden
und der Bodenplatte Kühlschlangen aus Kupfer mittels eines
Aluminium-gefüllten Epoxidharzes geklebt sind. Das Aluminium-gefüllte
Epoxidharz weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit
auf und dient der Unterstützung der Wärmeableitung
aus dem Zentrifugenkessel. Die in der
US 5,477,704 A offenbarten Kühlschlangen,
die an den Kessel geklebt werden, zeichnen sich durch ihre besondere
Ausgestaltung aus: die an der Kesselseitenwand bzw. and der Bodenplatte
anliegende Seite der Kühlschlange ist abgeflacht, um so
die Kontaktfläche zwischen Kühlschlange und Kessel
zu vergrößern. Ein Epoxidharz ist allerdings schwierig
auf Kupferrohre aufzubringen und es bedarf einer gewissen Aushärtezeit,
bevor ein solcher Kessel nutzbar bzw. weiter verarbeitet werden
kann. Dazu kommt, dass der Kessel und der Verbund Epoxidharz/Kupfer
unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Das führt dazu, dass bei einer Temperaturveränderung
Knackgeräusche auftreten können, die beim Benutzer
ein Unsicherheitsgefühl hinsichtlich der Betriebssicherheit
der Zentrifuge hinterlassen können.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Behälter
bereit zu stellen, der eine effiziente mittelbare Kühlung
erlaubt und einfach und möglichst kostengünstig
herzustellen ist. Außerdem soll auch eine mit dem Behälter
zusammenwirkende Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung des
Behälters bereit gestellt werden. Dabei soll der Behälter
nicht nur Anwendung in Zentrifugen, sondern auch Rührvorrichtungen,
Kühlvorrichtungen und dergleichen finden können.
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Behälter
im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Einrichtungen, in
denen ein zu kühlendes Gut direkt oder über eine
gesonderte Umhüllung indirekt angeordnet werden kann und
der mittels mittelbarer Kühlung über eine im Wärme
leitenden Kontakt stehende Kühleinrichtung gekühlt
werden kann. Der erfindungsgemäße Behälter
kann bezüglich der äußeren Form verschiedenartig
ausgestaltet sein. Er kann rund bzw. kesselförmig sein.
In einem solchen Falle weist der Behälter eine runde Bodenplatte
auf, von der sich am äußeren Rand eine Seitenwand
hochzieht. Die Oberseite des Behälters ist verschließbar
durch einen öffenbaren Deckel. In einer alternativen Ausgestaltung
ist der Behälter eckig, d. h. rechteckig bzw. quadratisch
ausgestaltet. Er besitzt dann eine rechteckige bzw. quadratische
Bodenplatte, von deren äußeren Rand sich jeweils
vier Seitenwände erstrecken. Die Oberseite des Behälters
ist mit einer oberen Platte verschlossen. Je nach Verwendung des
Behälters ist entweder wenigstens eine der Seitenwände
als öffenbare Tür ausgestaltet oder die Oberseite
des Behälters, d. h. die obere Platte ist als öffenbarer
Deckel ausgebildet. Wenn im Weiteren von „Seitenwand” die
Rede ist, umfasst dieser Begriff auch den Plural, d. h. „Seitenwände”.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass diese Aufgabe gelöst wird durch einen
zumindest zweischichtigen Behälter gemäß Anspruch
1. Ebenso überraschend sind die Ergebnisse, die mit einer
Vorrichtung, insbesondere Zentrifuge gemäß Anspruch
5 erzielt werden. Diese Ergebnisse sind deswegen überraschend, weil
bisher keinerlei Hinweise vorlagen, dass ein zumindest zweischichtiger
Zentrifugenkessel eine solche enorme Verbesserung der mittelbaren
Kühlung bei einer Zentrifuge erbringen kann.
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Die
Erfindung betrifft somit
- (1) einen Behälter
zur mittelbaren Kühlung von Gut in einer Vorrichtung, wie
Zentrifugen, Rührvorrichtungen, Kühlvorrichtungen,
wie Kühlschränken, und dergleichen, wobei der
Behälter mit einer Kühleinrichtung der Vorrichtung
in Wärme leitenden Kontakt bringbar ist und einen Behälterkörper
aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälterkörper
zumindest zwei in Wärme leitendem Kontakt stehende Behälterschichten
(10, 11) mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit
aufweist, wobei die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
(11) an der durch die Kühleinrichtung zu kühlenden
Behälteraußenseite angeordnet ist;
- (2) eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere Zentrifugieren,
Rühren, Kühlen oder dergleichen., eines Gutes,
insbesondere eine Laborzentrifuge, ein Kühlschrank, ein
Gefrierschrank, insbesondere ein Laborkühlschrank- und/oder
Laborgefrierschrank oder dergleichen., mit einem Behälter
und einer nur bereichsweise mit einer gekühlten Außenfläche
des Behälters in Wärme leitendem Kontakt stehenden
Kühleinrichtung zur mittelbaren Kühlung des im
Inneren des Behälters angeordnetes Gutes, dadurch gekennzeichnet, dass
der Behälter als Behälter gemäß (1)
ausgebildet ist; und
- (3) ein Verfahren zur Herstellung des Behälters gemäß (1),
dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
(11) auf der Schicht mit geringerer Wärmeleitfähigkeit
(10) angeordnet wird oder umgekehrt.
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„Wärme
leitender Kontakt” heißt im Zusammenhang der vorliegenden
Erfindung, dass der Kontakt so beschaffen sein muss, dass die Wärmeübertragung
durch Wärmeleitung erfolgen kann. Es muss also ein stofflicher
Kontakt vorhanden sein, was jedoch nicht bedeutet, dass dieser Kontakt
unmittelbar bestehen muss – zwischen den beiden Schichten
können also auch noch ein oder mehrere Zwischenschichten
angeordnet sein. „Wärme übertragender
Kontakt” heißt dagegen im Zusammenhang der vorliegenden
Erfindung, dass der Kontakt so beschaffen sein muss, dass eine Wärmeüber tragung
zumindest durch eine der drei prinzipiellen Wärmeübertragungsmechanismen,
Wärmeleitung, -strahlung oder -konvektion, erfolgen kann.
Es muss dabei also nicht zwingend ein stofflicher Kontakt bestehen. „Direkter
Kontakt” zwischen zwei Objekten heißt im Rahmen der
vorliegenden Erfindung, dass zwei Objekte zumindest bereichsweise
direkt aneinander anliegen und sich somit berühren. Wenn
im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein von „Kontakt” oder „Kontaktstelle” die Rede
ist, d. h. ohne die voranstehenden Worte „Wärme
leitend” bzw. „Wärme übertragend”,
ist damit immer ein direkter Kontakt gemeint.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren illustriert, die
zusätzlich auch in der detaillierten Beschreibung der Erfindung
näher erläutert sind. Dabei zeigen
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1 eine
schematische, ausschnittsweise Darstellung eines herkömmlichen
Zentrifugenkessel in Kontakt mit einer Kühlleitung und
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2 eine
schematische, ausschnittsweise Darstellung eines erfindungsgemäßen
Zentrifugenkessel in Kontakt mit einer Kühlleitung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Behälter umfasst einen
Behälterkörper, der zumindest zwei in Wärme
leitendem Kontakt stehende Behälterschichten mit unterschiedlicher
Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch die zwei Behälterschichten
wird eine große Kontaktfläche geschaffen, die
die Wärmeübertragung bei der Kühlung
verbessert. Dadurch, dass die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
an der zu kühlenden Behälteraußenseite angeordnet
ist, wird der Wärmestrom in Richtung zu der nur bereichsweise
in Wärme leitendem Kontakt mit der zu kühlenden
Behälterfläche stehenden Kühleinrichtung
erhöht. Dadurch ergibt sich insgesamt eine erhöhte
Kühleffizienz.
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Um
eine besonders effiziente Kühlung zu ermöglichen,
sollen sich die Wärmeleitfähigkeiten um einen Faktor
größer 10, bevorzugt größer
20, insbesondere größer 100 unterscheiden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Schicht mit niedrigerer
Wärmeleitfähigkeit aus einem Material umfassend
Edelstahl, Stahl, Keramik, Glas und/oder Kunststoff gebildet und
die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
ist aus einem Material Aluminium, Gold, Kohlenstoff, einschließlich
dessen Modifikationen Graphit, Diamant, diamantähnlicher
Kohlenstoff und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kupfer, Magnesium, Messing,
Silber und/oder Silizium oder deren Legierungen umfassend gebildet.
Dann lässt sich eine besonders effiziente Wärmeübertragung
sicherstellen und der Kessel ist auch leicht herstellbar. Insbesondere
ist auch eine Ausgestaltung der Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
als Folie vorteilhaft, beispielsweise als pyrolytische Graphitfolie
(PGS), da diese fertigungstechnisch einfach auf die Schicht mit
niedrigerer Wärmeleitfähigkeit aufbringbar ist.
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Die
Herstellungskosten lassen sich bei guter Effizienz dadurch reduzieren,
dass die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
eine geringe Dicke von weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 0,5
mm und insbesondere weniger als 0,2 mm aufweist. Dabei ist zu beachten,
dass in Abhängigkeit vom Schichtmaterial der Wärmestrom
bei zu dicken Schichten abnimmt und der Wärmetransport
bei zu dünnen Schichten möglicherweise gestört
ist, so dass bezüglich der minimalen Dicke für
jedes Schichtmaterial ein Optimum besteht, das der Fachmann anhand
von Versuchen und Berechnungen routiniert herausfinden wird.
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Unabhängiger
Schutz wird beansprucht für eine Vorrichtung zur Behandlung,
insbesondere Zentrifugieren, Rühren, Kühlen oder
dergleichen, eines Gutes, insbesondere eine Laborzentrifuge, ein
Kühlschrank, ein Gefrierschrank, ein Laborkühlschrank,
ein Laborgefrierschrank, oder dergleichen, mit einem Behälter
und einer nur bereichsweise mit einer gekühlten Außenfläche
des Behälters in Wärme leitendem Kontakt ste henden
Kühleinrichtung zur mittelbaren Kühlung des im
Inneren des Behälters angeordnetes Gutes, wobei der Behälter
als der erfindungsgemäße Behälter ausgebildet
ist.
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Vorteilhafterweise
ist dabei der Behälter von einer rohrförmigen
Leitung umgeben, die vorzugsweise spiralförmigen um den
Behälter gewickelt ist. Der Begriff „rohrförmig” umfasst
runde Rohre sowie auch Rohre mit zumindest einer abgeflachten Seite,
insbesondere auch Rechteckrohre.
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„Nur
bereichsweise” bedeutet im Zusammenhang der vorliegenden
Erfindung, dass die Kontaktfläche zwischen der Kühleinrichtung
und der gekühlten Außenfläche des Behälters
kleiner ist als die gekühlte Außenfläche
des Behälters. Die Kühleinrichtung kann dabei
auch durch mehrere getrennt arbeitende Einrichtungen gebildet sein,
wobei jedoch deren gesamte Kontaktfläche kleiner sein soll
als die gekühlte Behälteraußenfläche.
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Aufgrund
der Effizienz der ermöglichten mittelbaren Kühlung
kann auf die Vorsehung von Kühlleitungen am Boden des Behälters
verzichtet werden. Allerdings steigt die Temperatur beispielsweise
in einem Zentrifugenkessel in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit
exponentiell an, so dass für sehr hohe Drehzahlen und/oder
angestrebte sehr tiefe Auskühlungen zusätzliche
Kühlleitungen am Kesselboden vorgesehen werden können.
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Selbstverständlich
kann die erfindungsgemäße mittelbare Wärmeübertragung
auch mit einer direkten Wärmeübertragung, beispielsweise
die bekannte Rotorluft gestützte Zentrifugenkühlung
gekoppelt werden.
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Weiterhin
wird selbständiger Schutz für das Verfahren zur
Herstellung des erfindungsgemäßen Behälters
beansprucht, bei dem die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
auf der Schicht mit geringerer Wärmeleitfähigkeit
angeordnet wird oder umgekehrt. Beispielsweise kann dies dadurch
erfolgen, dass die eine Schicht, bevorzugt die mit der höheren
Wärmeleitfähigkeit auf der anderen Schicht aufplatiert
und dann der Behälter geformt wird oder zwei von einander
getrennte Schichten werden beispielsweise als Folien oder Bleche
aufeinander gelegt und der Behälter beispielsweise durch
gleichzeitiges Umformen, beispielsweise Tiefziehen, der Schichten
geformt.
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Allerdings
wird bevorzugt, wenn die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
auf der Schicht mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit
aufgebracht wird nachdem die Schicht mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit
im Wesentlichen die Form des Behälters erhalten hat oder
umgekehrt wird die Schicht mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit auf
der Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
aufgebracht wird nachdem die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
im Wesentlichen die Form des Behälters erhalten hat. Dann
lässt sich das Herstellungsverfahren kostengünstiger
gestalten, wobei beispielsweise die Schicht mit höherer
Wärmeleitfähigkeit galvanotechnisch auf der Schicht
mit niedriger Wärmeleitfähigkeit aufgebracht wird
oder umgekehrt.
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Zusammenfassend
kann festgehalten werden, dass die Erfinder erkannt haben, dass
bei der mittelbaren Kühlung die Effektivität ganz
wesentlich von der Wärmeübertragung zwischen den
Elementen des Wärmetauschers abhängt, wie im Folgenden
dargelegt wird. Dabei wird zur Beschreibung der Vorgänge
bei der Wärmeübertragung nur die Wärmeleitung
berücksichtigt und die Wärmestrahlung und Wärmekonvektion
werden außer Acht gelassen.
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Der
Wärmestroms innerhalb eines Festkörpers ist definiert
als:
wobei
Q . der Wärmestrom
durch den Festkörper, λ die Wärmeleitfähigkeit,
die eine Materialkonstante ist, A die Größe der
Querschnittsfläche des Festkörpers, s die Dicke
des Festkörpers und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen
der Eingangs- und Ausgangsseite des Wärmestroms sind.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip mit seinen Vorteilen
wird im Folgenden anhand der Zeichnung am Beispiel von Zentrifugenkesseln
näher erläutert.
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Anhand
von 1 wird dieses Prinzip rein schematisch für
einen nach Stand der Technik bekannten und ausschnittsweise dargestellten
Zentrifugenkessel mit einer Kesselwand 1, der mit einer
Kühlleitung 2 in Kontakt steht, erläutert.
Dabei fließt der anhand der Pfeile verdeutlichte Wärmestrom
von der Kesselinnenseite 3 mit einer Temperatur T1 durch die Kesselwand 1, die eine
Wandstärke s1 aufweist, über
die Kontaktfläche A zwischen Kesselwand 1 und
Kühlleitung 2 mit einer Temperatur TA durch
das Kühlmedium führende Material der Kühlleitung 2,
die eine Wandstärke s2 besitzt,
wobei das Kühlmedium die Temperatur T2 aufweist.
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Zur
Vereinfachung werden weiterhin die Annahmen getroffen, dass die
Wandstärken s1 und s2 gleich sind,
und zwar s = 1 mm, der Querschnitt der Kontaktfläche A
= 1 mm2 beträgt und der Wärmestrom
außerhalb der Kontaktfläche A gleich Null ist,
dort also ein Luftspalt vorliegt. Damit kann der Wärmestrom
durch die Kesselwand 1 nur durch die Kontaktfläche
A erfolgen und für den Wärmestrom durch die Kesselwand 1 ergibt
sich dann: Q .1 = λ1·(T1 – TA)und
für den Wärmestrom durch das Kühlmedium
führende Material der Kühlleitung 2: Q .2 = λ2·(TA – T2)
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Nach
dem Kontinuitätsprinzip ist Q .1 = Q .2.
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Nach
dem Einsetzen ergibt sich: λ1·(T1 – TA) = λ2·(TA – T2).
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Mit
T1 – TA = ΔT1 und TA – T2 = ΔT2 folgt
schließlich: λ1·ΔT1 = λ2·ΔT2.
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Wenn λ1 < λ2 gewählt wird, muss folglich ΔT1 > ΔT2 sein.
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Im
Anwendungsfall einer Zentrifuge wird T2 mittels
Kühlmittel konstant niedrig gehalten. Das bedeutet im Umkehrschluss,
dass die Temperatur im Kesselinneren T1 einen
wesentlich höheren Temperaturabstand zur Temperatur der
Kontaktstelle TA haben wird.
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Um
nun die Temperatur im Kesselinneren T1 noch
weiter absenken zu können, stehen zwar prinzipiell auch
die Möglichkeiten zur Verfügung, die Wandstärken
s1 und s2 zu verringern
und/oder die Kesselwand 1 aus einem Material mit sehr hoher
Wärmeleitfähigkeit λ1 (z.
B. aus Kupfer oder Silber) zu fertigen, jedoch ist die erste Möglichkeit
technisch durch die funktionelle Auslegung der Bauteile begrenzt
und wird in der Regel auch ausgeschöpft und die zweite
Möglichkeit ist zumeist aus anwendungstechnischen Gründen
und dem vorgesehenen Einsatzbereich nicht möglich, da z.
B. Kupfer oder Silber nicht chemisch inert sind.
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Damit
verbleibt die praktikable Möglichkeit, die Kontaktfläche
A zu vergrößern. Dazu können Rechteckrohre
an Stelle von Rundrohren verwendet werden, denn üblicherweise
wird rundes Kupferrohr für die Kühlmittel führenden
Bauteile verwendet und bei der Verwendung von Rechteckrohr erfolgt
eine wesentliche Vergrößerung der Kontaktfläche
A. Allerdings ist es in der praktischen Ausführung jedoch
derzeit technologisch nicht möglich, einen vollständigen
Kontakt der eckigen Rohrwandung mit dem Zentrifugenkessel herzustellen. Es
bleiben immer Spalte, an denen effektiv gesehen kein Wärmeübergang
stattfindet.
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Als
erfindungsgemäße Lösung wird durch die
Erfinder eine zusätzliche Wärmeleitschicht an
der Kesselaußenwand vorgesehen, wie in 2 wiederum
rein schematisch für den sich ergebenden und anhand der Pfeile
verdeutlichten Wärmestrom ausschnittsweise dargestellt
ist. Hierdurch wird eine zusätzliche Kotaktstelle mit großer
Kontaktfläche eingefügt.
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Im
Unterschied zum Zentrifugenkessel nach 1 ist hier
also neben der das Kesselinnere begrenzenden inneren Kesselschicht 10 mit
der Dicke s10 eine zusätzliche äußere
Kesselschicht 11 mit der Dicke s11 aus
gut Wärme leitendem Material als Kesselaußenwand
aufgebracht. Die Kühlleitung 12 weist die Dicke
s12 auf.
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Zur
Vereinfachung gelten auch hier die Annahmen von 1,
dass die Wandstärken alle gleich s = 1 mm sind, der Querschnitt
der zwischen der äußeren Kesselschicht 11 und
der Kühlleitung 12 angeordneten Kontaktfläche
A = 1 mm2 beträgt und der Wärmestrom
außerhalb der Kontaktfläche A gleich Null ist,
also dort ein Luftspalt vorliegt.
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Zusätzlich
ergibt sich hier jedoch eine Kontaktfläche B zwischen den
Kesselschichten 10, 11, die sehr viel größer
ist als die andere Kontaktfläche A. Der Wärmestrom
geht jetzt durch die drei Materialien der inneren Kesselschicht 10,
der äußeren Kesselschicht 11 und der
Kühlleitung 12 sowie durch die zwei dazwischen
liegenden Kontaktstellen A, B, die sich von ihrer Größe
erheblich unterscheiden.
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Nach
dem Kontinuitätsprinzip gilt auch hier: Q .1 = Q .B-A = Q .2.
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Mit
dem Einsetzten der Formel für den Wärmestrom ergibt
sich: λ1·B·(T1 – TB)
= λA-B·A·(TB – TA)
= λ2·A·(TA – T2).
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Unter
der weiteren Vereinfachung, dass die Materialien der äußeren
Kesselschicht 11 und der Kühlleitung 12 dieselben
sind und daher λA-B = λ2 gilt, vereinfacht sich der Zusammenhang
zu: λ1·B·(T1 – TB)
= λ2·A2 ·(TB – T2),und
mit T1 – TB = ΔT1 und TB – T2 = ΔT2 zu: λ1·B·ΔT1 = λ2·A2 ·ΔT2.
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D.
h. wenn wiederum λ1 < λ2 gewählt wird, muss folglich wiederum ΔT1 > ΔT2 sein. Allerdings wird hier ein Teil der
erforderlichen Temperaturdifferenz durch die wesentlich größere
Kontaktfläche B abgefangen. Oder anders formuliert ist B·ΔT1 > A2 ·ΔT2.
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Im
Anwendungsfall einer Zentrifuge mit Kühlung wird T2 mittels Kühlmittel konstant niedrig
gehalten. Das bedeutet aber im Umkehrschluss, dass die Temperatur
im Kesselinneren T1 zwar einen höheren
Temperaturabstand zur Temperatur der Kontaktstelle TB haben
muss, jedoch ist der wiederum geringer als im Zusammenhang mit 1 beschrieben,
da B >> A.
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Auch
wenn das erfindungsgemäße Prinzip vorliegend anhand
von zwei Behälterschichten mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit
beschrieben wurde, ist doch klar, dass auch drei oder mehr Schichten
verwendet werden können. Dabei kann es sich insbesondere
um Korrosionsschutz-, Verschmutzungsschutz- oder dergleichen Schichten
handeln. Wichtig ist nur, dass die Schicht mit höherer
Wärmeleitfähigkeit an der zu kühlenden
Behälteraußenfläche angeordnet ist. Es
können aber sowohl zwischen der Schicht mit höherer
und der Schicht mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit
als auch auf der Schicht mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit
noch ein oder mehrere weitere Schichten angeordnet sein, um den
Behälter an besondere Einsatzbedingungen anzupassen.
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Beispiel
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Nachfolgend
werden die Wirkungen der Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels verglichen
mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Vergleichsbeispiel
geschildert.
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Es
wurde eine Laborzentrifuge 5415R der Firma Eppendorf AG verwendet,
die als Kühlleitung 2, 12 ein spiralförmiges
Rechteckrohr mit einer Breite von 9,5 mm, einer Höhe von
5,5 mm und einer Materialstärke von 0,5 mm aufweist. Dazu
wurde ein serienmäßiger Zentrifugenkessel 1 mit
185 mm Durchmesser, 70 mm Höhe und einer Wandstärke
von 1 mm (Art.-Nr. 5426 123.101-00) der Firma Eppendorf AG verwendet,
der aus V2A-Edelstahl (Wärmeleitfähigkeit ca.
15 W/m·K) besteht und mit Wärmeleitpaste (Wärmeleitfähigkeit
ca. 15 W/m·K) versehen in der Kühlleitung 2 angeordnet
wurde, um das Vergleichsbeispiel zu bilden. Für das Erfindungsgemäße
Ausführungsbeispiel wurde der serienmäßige
Edelstahl-Zentrifugenkessel 10 (Art.-Nr. 5426 123.101-00)
der Firma Eppendorf AG mit einer 0,1 mm dicken Kupferbeschichtung 11 (Wärmeleitfähigkeit
ca. 350 W/m·K) versehen, ansonsten war der Versuchsaufbau
gleich, d. h. der Zentrifugenkessel wurde mittels Wärmeleitpaste
(Wärmeleitfähigkeit ebenfalls ca. 15 W/m·K)
mit der rechteckigen Kühlleitung 12 verbunden.
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In
beiden Fällen wurde die Zentrifuge 5415R mit einem gebräuchlichen
Rotor F45-24-11 der Firma Eppendorf AG für eine Stunde
bei maximal 13200 U/min betrieben. Die minimal erreichbare Probentemperatur wurde
jeweils mit dem Temperaturmesser gemessen. Die Ergebnisse sind in
der Tabelle festgehalten. Tabelle:
| | 5415R
mit Zentrifugenkessel ohne Cu-Beschichtung | 5415R
mit Zentrifugenkessel mit Cu-Beschichtung |
| Raumtemperatur
[°C] | 25 | 26 |
| Probentemperatur
[°C] | 3,9 | 0,4 |
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Die
Ergebnisse zeigen, dass durch die Kupferbeschichtung 11 des
Zentrifugenkessels 10 bei gleicher Kühlleistung
eine wesentlich niedrigere Probentemperatur erreicht wird. Durch
die Kupferbeschichtung 11 wird die Wärmeleitfähigkeit
des Zentrifugenkessels 10 und damit der Wirkungsgrad der
Kühlanlage verbessert. Es wird bei gleichem elektrischen
Energieverbrauch eine geringere Probentemperatur erreicht.
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Somit
wurde gezeigt, dass die vorliegende Erfindung eine wesentlich effizientere
mittelbare Kühlung vom Behälteräußeren
in das Behälterinnere erlaubt. Die Verbesserung der Wärmeleitung
und des Wärmeübergangs von Zentrifugenkesseln
ergibt bei gekühlten Zentrifugen eine Verminderung der
notwendigen Leistung der Kälteanlage.
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Durch
die höhere Leistungsfähigkeit der Zentrifuge kann
für gleiche Zentrifugierguttemperaturen eine höhere
Drehzahl gefahren und/oder bei gleicher Zentrifugierguttemperatur
und gleicher Drehzahl die aufgenommene Leistung des Kühlaggregats
reduziert werden.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip beruht auf der Erkenntnis,
dass bei mittelbarer Kühlung einer Behälterfläche,
die größer ist als die Kontaktfläche
zwischen dem Behälter und der Kühleinrichtung,
die Kühlwirkung dann erhöht werden kann, wenn
der Behälter neben der Schicht mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
eine Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
aufweist und dabei die Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
an der zu kühlenden Behälteraußenfläche
angeordnet ist und mit der Kühleinrichtung in Wäre
leitendem Kontakt steht. So wird die Kühlleistung besser
in das Behälterinnere auf das dort zu kühlende
Gut übertragen.
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Eine
alternative Lösung besteht darin, die Kontaktfläche
zwischen der Kühleinrichtung und der gekühlten
Fläche des Behälters zumindest gleich groß der
gekühlten Behälterfläche zu machen. Dies
kann dadurch verwirklicht werden, dass die Kühleinrichtung
ein Teil der Schicht des Behälters mit größerer
Wärmeleitfähigkeit ist.
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Dazu
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zweite Schicht aus
einem Feststoff, wie Kupfer oder dergleichen besteht und die Kühleinrichtung
direkt in dieser Schicht angeordnet ist.
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Andererseits
kann die Kühleinrichtung auch in einer Flüssigkeit,
Gel oder dergleichen angeordnet sein, die mit der Schicht mit niedrigerer
Wärmeleitfähigkeit in Wärme leitendem
Kontakt steht und selbst eine höhere Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Dazu weist entweder der Behälter eine Schicht
auf, die zwischen sich und der Schicht mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit
einen mit einer Flüssigkeit, Gel oder dergleichen füllbaren
Hohlraum aufweist, in dem die Kühleinrichtung angeordnet
ist (die Wärmeleitfähigkeit dieser weiteren Schicht
ist unerheblich, da sie in Bezug auf die Kühleinrichtung
außerhalb liegt). Oder der Behälter weist nicht
selbst die Flüssigkeit, Gel oder dergleichen auf, sondern
diese ist mit der darin aufgenommenen Kühleinrichtung in
einer Vorrichtung vorgesehen, in der der Behälter so anordenbar
ist, dass die Flüssigkeit, Gel oder dergleichen mit der Schicht
mit niedriger Wärmeleitfähigkeit in Wärme
leitendem Kontakt steht. Dazu kann beispielsweise der Behälter
im Sinne eines Bades selbst, bevorzugt bis zum Rand vollständig,
in die Flüssigkeit, Gel oder dergleichen eingetaucht werden
oder die Flüssigkeit, Gel oder dergleichen steht nur mit
einem Teil der Behälteraußenfläche in
Kontakt. Für einen Transport sollte bevorzugt darauf geachtet
werden, dass eine ausreichende Abdichtung der Flüssigkeit,
Gel oder dergleichen erfolgt.
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Zwischen
der Flüssigkeit, Gel oder dergleichen und der Schicht mit
niedriger Wärmeleitfähigkeit kann auch eine weitere
Schicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit
angeordnet sein. Beispielsweise kann die Flüssigkeit, Gel
oder dergleichen mit der Kühleinrichtung innerhalb einer Kupferumhüllung
angeordnet sein, die entweder direkt in den Behälter integriert
ist oder in der Vorrichtung vorgesehen wird, wo dann der Behälter
mit dieser Kupferumhüllung in direkten Kontakt bringbar
ist. Dadurch lässt sich auch die Abdichtung erzielen. Unter die
Begriffe „Flüssigkeiten” bzw. „Gele” fallen
sowohl Newtonsche Flüssigkeiten wie auch Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten,
Sole, Dispersionen, Suspensionen, so wie auch jegliche Kombination
von zwei oder mehr dieser aufgeführten Substanzen. Insbesondere
kann eine Flüssigkeit bzw. Gel ausgewählt sein
aus nachstehender Gruppe: Wasser, ionische Flüssigkeiten,
Suspensionen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen,, Kühlsole,
Eutektika bzw. eutektische Gemische und ähnliche Materialien.
Insbesondere kommen in Frage Antifrogene, d. h. Wärmeträger-Flüssigkeiten
auf Basis von Glykolen (Antifrogen N, Antifrogen L und Antifrogen
SOL) bzw. Kaliumformiat (Antifrogen KF). Weiterhin finden ionische
Flüssigkeiten, wie beispielsweise 1-Ethyl-3-methylimidazolium
chloride, 1-Ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate, 1-Butyl-3-methylimidazolium
chloride, 1-Butyl-3-methylimidazolium methanesulfonate, 1-Ethyl-2,3-di-methylimidazolium
ethylsulfate (vertrieben unter der Marke Basionics® der
BASF SE, 67063 Ludwigshafen, DE) Anwendung. Ebenfalls eingesetzt
werden können Polyalkylenglykol-Derivate.
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Der
Vorteil dieser alternativen Lösung liegt darin, dass die
Kühleinrichtung nicht mehr selbst in direktem Kontakt,
der ggf. durch Vermittlung einer Wärmeleitpaste vermittelt
wird, mit der zu kühlenden Behälterfläche
stehen muss. Dadurch bestehen keine so großen Anforderungen
an die Genauigkeit beispielsweise der Wicklungsgeometrie eines Kühlrohrs
bezüglich der Behälteraußenkontur, was
die Kosten reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5477704
A [0009, 0009]