DK176506B1 - Temperaturkalibreringssystem - Google Patents

Description

DK 176506 B1

Temperaturkalibreringssystem

Opfindelsen angår et temperaturkalibreringssystem omfattende en termo-siphon, en heatpipe eller tilsvarende forbundet mellem en køleenhed og en 5 temperaturkalibreringsenhed.

Eksisterende teknologi

Der anvendes i dag to typer teknologi til at overføre energi fra et punkt eller 10 område til et andet punkt eller område med lav termisk modstand. Dertil anvendes enten en heatpipe eller en termosiphon.

En heatpipe er en tofaset varmeoverførselsindretning med en ekstremt høj, effektiv varmeledningsevne. Det kan være cylinderformet eller plant, og den 15 indvendige overflade er foret med et kapillært vægemateriale. Heatpipen tømmes og fyldes igen med en lille mængde arbejdsfluidum, såsom vand, acetone eller metanol. Varme absorberes i fordampningsregionen ved fordampning af arbejdsfluidet. Dampen transporterer varme til kondensatorregionen, hvor dampen kondenseres, afgiver varme til kølemediet, såsom luft.

20 Det kondenserede arbejdsfluidum returneres til fordampningsenheden ved tyngdekraften eller ved kapillarvirkning, hvis der arbejdes mod tyngdekraften.

Heatpipe har en lavere total termisk modstand end massive varmeledere, hvilket sætter dem i stand til at overføre varme mere effektivt og jævnt. De er 25 fuldstændigt passive varmeoverføringssystemer, de har ingen bevægelige dele, som kan slides, og kræver ikke energi for at virke. Et eksempel på en sådan heatpipe er vist i GB 2003596.

En termosiphon er i lighed med heatpipen en tofaset varmeoverførselsindret-30 ning med en ekstremt høj effektiv varmeledningsevne. Men den indvendige overflade er ikke foret med kapillært vægemateriale, og termosiphonen vil DK 176506 B1 2 derfor kun virke ved hjælp af tyngdekraften. Det betyder, at kondensatorregionen skal befinde sig højere oppe end fordampningsregionen.

Det område, som driftstemperaturen for både heatpipe og termosiphoner lig-5 ger inden for, afhænger af arbejdsfluidet. Generelt vil enhederne overføre energi inden for et temperaturområde, som er begrænset af arbejdsfluidets frysepunkt ved lave temperaturer og det kritiske punkt for arbejdsfluidet ved høje temperaturer. Enhedens varmeledningsevne varierer med temperaturen (afhængigt af gassen).

10

Ved temperaturer over det kritiske punkt vil enheden ikke overføre energi, idet gassen ikke vil kondensere. Trykket på gassen, som afhænger af enhedens temperatur, vil fortsætte med at stige ved temperaturer, som ligger over arbejdsfluidets kritiske punkt.

15

Som nævnt kan arbejdsfluidet være vand, acetone, metanol, kuldioxid eller propanol, men andre fluider kan også bruges.

I systemet afkøles kondensatorenden af termosiphonen eller heatpipen af en 20 aktiv køleindretning (f.eks. kompressorsystem, termoelektrisk modul eller en Stirling-Cooler) og fordampningsenden af termosiphonen eller heatpipen bruges til at afkøle et medium (f.eks. en metalblok af en tørblok-kalibreringsenhed eller væske i et væskebad).

25 Opfindelsen

Opfindelsen tilvejebringes i og med, at systemet yderligere omfatter et eksternt kammer forbundet til heatpipen/termosiphonen eller tilsvarende til at styre varmeledningen mellem de to enheder.

30 DK 176506 B1 3

Et eksternt kammer forbindes til køleenheden (termosiphon eller heatpipe).

Når enhedens temperatur er højere end temperaturen i det eksterne kammer vil arbejdsfluidet kondensere i det eksterne kammer og kun efterlade gas i enheden. Enheden vil dermed holde op med at overføre energi og trykket i 5 enheden vil blive begrænset til kogetrykket af arbejdsfluidet ved den temperatur, som er i det eksterne kammer.

Det eksterne kammer kan holdes ved omgivende temperatur eller temperaturen af det eksterne kammer kan styres med henblik på at styre den tempera-10 tur, hvorved enheden holder op med at overføre energi. Det eksterne kammer er øverst forbundet til kondensatoren anbragt oven på køleenheden, men ifølge en anden udførelsesform af opfindelsen kunne det eksterne kammer være forbundet til termosiphonen, når blot forbindelsespunktet befinder sig over væskeniveauet af den kondenserende gas ved fordampning-15 senden af heatpipen/termosiphonen for at undgå, at kondenserende gas strømmer ud i det eksterne kammer og utilsigtet virker som termosiphon.

Systemet med det eksterne kammer vil begrænse temperaturen af den aktive køleindretning til den temperatur, som er i det eksterne kammer, om end 20 temperaturen ved fordampningsenden udsættes for højere temperaturer.

Systemet med det eksterne kammer kan anvendes i et apparat, hvor det eksterne kammer styrer varmeledningen de to enheder imellem.

25 Temperaturen af volumenet kunne enten være omgivelsestemperatur eller en temperatur, som styres med andre midler.

Formål

Det primære formål med opfindelsen er et udvide temperaturområdet for 30 temperaturkalibreringsenheden til over driftsområdet for køleenheden (f.eks. en Stirling Cooler).

4 DK 176506 B1

Det er et yderligere formål med opfindelsen at begrænse gastrykket i termo-siphonen, når temperaturkalibreringsenheden arbejder ved høje temperaturer.

5

Med opfindelsen tilvejebringes endvidere den fordel, at der opnås en højere opvarmningshastighed. Ved høje temperaturer, når metalblokken er termisk frakoblet køleenheden, er det kun metalblokken, der opvarmes.

10 Tilsvarende vil afkølingshastigheden fra ovenstående omgivelsestemperatur være hurtigere. Der skal overføres mindre energi, idet køleenheden befinder sig ved omgivelsestemperatur og ikke ved maksimumtemperatur.

Opfindelsen vil blive beskrevet mere detaljeret nedenfor under henvisning til 15 figuren, hvor:

Fig. 1 i skematisk afbildning viser et tværsnit af et varmekalibreringssystem.

I et temperaturkalibreringssystem 1 ifølge opfindelsen anvendes en termo-20 siphon 2, en heatpipe eller tilsvarende til at overføre varme væk fra en temperaturkalibreringsenhed 3 ved hjælp af en køleenhed 4. Fig. 1 viser en sådan opstilling.

I det på fig. 1 viste system bliver en kondenserende ende 5 af termosiphonen 25 2 eller heatpipen afkølet ved hjælp af en aktiv køleenhed (f.eks. kompressor system, termoelektrisk modul eller en Stirling Cooler 4) og en fordampningsende 6 af termosiphonen 2 eller heatpipen bruges til at afkøle et medium (f.eks. metalblok af tørblok-kalibreringsenhed 3 eller væske i et væskebad).

På denne måde overføres der varme fra mediet 3 til køleenheden 4.

30 DK 176506 B1 5 I temperaturkalibreringssystemer ønskes det at være i stand til at styre temperaturen af temperaturkalibreringsenheden 3 hen over et bredt temperaturområde. Det ønskes derfor at være i stand til både at afkøle og opvarme temperaturkalibreringsenheden 3. Derfor er der i det på fig. 1 viste system 5 indlejret temperaturregulerende elementer 7 i tørblok-kalibreringsenheden 3.

I den på fig. 1 viste udførelsesform er de temperaturregulerende elementer 7 enkle elektriske opvarmningselementer eller elektroder. I en anden udførelsesform kunne de temperaturregulerende elementer 7 være et eller flere Pel-tier-elementer, som er i stand til at tilvejebringe opvarmning såvel som afkø-10 ling af temperaturkalibreringsenheden 3.

Når temperaturkalibreringsenheden 3 opvarmes, vil heatpi-pen/termosiphonen 2 imidlertid overføre varme fra temperaturkalibreringsen-heden 3 til køleenheden 4. I mange tilfælde vil for meget varme skade køle-15 enheden 4.

Det primære formål med den foreliggende opfindelse er derfor at udvide temperaturområdet for det temperaturkalibrerende system 1, så det ligger over driftsområdet for køleenheden 4 (f.eks. en Stirling Cooler).

20

Det er et andet formål med opfindelsen at begrænse gastrykket i termo-siphonen 2, når den temperaturregulerende enhed 3 arbejder ved høje temperaturer.

25 Disse formål tilvejebringes ved at forbinde et eksternt kammer 8 med termo-siphonen 2, heatpipen eller tilsvarende. Når temperaturen af heatpi-pen/termosiphonen 2 er højere end temperaturen i det eksterne kammer 8, vil arbejdsfluidet kondensere i det eksterne kammer 8 og kun efterlade gas i heatpipen/termosiphonen 2. Heatpipen/termosiphonen 2 vil derfor holde op 30 med at overføre energi, og trykket i enheden vil blive begrænset til kogetrykket af arbejdsfluidet ved den temperatur, der er i det eksterne kammer 8.

DK 176506 B1 6 I en given udførelsesform kan det eksterne kammer 8 holdes ved omgivelsestemperatur eller temperaturen i det eksterne kammer 8 kan styres via eksterne organer for at styre den temperatur, hvorved enheden holder op 5 med at overføre energi. Hvis f.eks. temperaturen af det eksterne kammer 8 holdes ved 50°C, så vil heatpipen/termosiphonen 2 holde op med at lede varme, når temperaturen af heatpipen/termosiphonen 2 liggerpå ca. 50°C.

I denne udførelsesform forbindes det eksterne kammer 8 til heatpi-10 pen/termosiphonen 2 via et rør 9, som er forbundet til kondenseringsenden 5.

Ifølge en anden udførelsesform er det eksterne kammer forbundet til heatpipen/termosiphonen 2, hvor forbindelsespunktet befinder sig over væskeniveauet af den kondenserende gas ved fordampningsenden af heatpi-15 pen/termosiphonen 2 for at undgå, at kondenserende gas strømmer til det eksterne kammer 8 og utilsigtet virker som termosiphon.

Desuden er det eksterne kammer 8 anbragt under det punkt, hvor røret 9 forbindes til heatpipen/termosiphonen 2 eller til den kondenserende ende 5.

20 På denne måde forhindres kondenseret gas i at strømme til det eksterne kammer 8 og utilsigtet virke som termosiphon.

Ifølge en yderligere udførelsesform af det temperaturkalibrerende system 1 kan røret 9 forbindes til fordampningsdelen 6 af den temperaturkalibrerende 25 enhed 3, og for at forhindre røret 9 og det eksterne kammer 8 i at virke som termosiphon befinder i det mindste en del af røret sig over systemets 1 væskeniveau.

Røret 9, der forbinder den kondenserende ende 5 med det eksterne kammer 30 8, kan anbringes, så den stopper øverst på det eksterne kammer 8.

DK 176506 B1 7

Ifølge en anden udførelsesform forløber røret 9 ned i det eksterne kammer 8 og danner et mellemrum (ikke vist) mellem røret 9 og bunden af det eksterne kammer 8. Derved er det muligt at føre arbejdsfluidet tilbage til den temperaturkalibrerende enhed 3 gennem røret 9 og heatpipen/termosiphonen 2 på 5 hurtig og pålidelig måde.

Det eksterne kammer 8 er tilvejebragt med en ifyldningsforbindelse 10 til at tilføre systemet 1 fluidum. Det er inden for omfanget af opfindelsen muligt at anbringe en sådan ifyldningsforbindelse 10 på et andet sted i systemet 1.

10

Systemet 1 med det eksterne kammer 8 vil begrænse temperaturen af den aktive køleindretning 4 til den temperatur, som er i det eksterne kammer 8, selvom temperaturen af fordampningsenden 6 udsættes for langt højere temperaturer.

15 I tilfælde af, at det eksterne kammer 8 holdes ved omgivelsestemperatur, begrænses koldhovedtemperaturen af Stirling Cooler’en 4 til omgivelsestemperaturen, selvom temperaturen af fordampningsenden 6 kunne ligge på 125°C.

20

Som eksempel kunne fordampningsenden 6 af heatpipen/termosiphonen 2 forbindes til metalblokken af en tørblok-kalibreringsenhed 3, som opvarmes til 125°C ved hjælp af temperaturregulerende elementer 7. Den kondenserende ende 5 er forbundet til en Stirling Cooler 4, der har en maksimal, abso-25 lut driftstemperatur på koldhovedet på 50°C, og med den yderligere begrænsning, at temperaturen ikke bør overskride omgivelsestemperaturen, når Stirling Cooler'en 4 er i drift. I det tilfælde holdes det eksterne kammer 8 ved omgivelsestemperatur, hvorved temperaturen af koldhovedtemperaturen på Stirling Cooler’en begrænses til omgivelsestemperaturen, selvom tempe-30 raturen af fordampningsenden 6 ligger på 125°C.

DK 176506 B1 8

Det er en yderligere fordel ved opfindelsen, at den tilvejebringer en hurtigere opvarmningshastighed. Ved at frakoble metalblokken vamnemæssigt i forhold til køleenheden er det kun metalblokken, der varmes op under opvarmningsfasen. Herved nedsættes systemets varmeinerti.

5

Tilsvarende vil afkølingshastigheden fra ovennævnte omgivelsestemperatur være hurtigere. Der skal overføres mindre energi, idet køleenheden befinder sig ved omgivelsestemperatur og ikke ved en maksimumtemperatur.

Claims (11)

1. Temperaturkalibreringssystem (1) omfattende en termosiphon, en heatpi-pe eller tilsvarende (2), som forbindes mellem en køleenhed (4) og en tempe- 5 raturkalibrerende enhed (3), kendetegnet ved at systemet (1) yderligere omfatter et eksternt kammer (8), som er forbundet til heatpipen/termosiphonen eller tilsvarende (2) for at styre varmeledningen mellem de to enheder.

2. Temperaturkalibreringssystem ifølge krav 1, kendetegnet ved attempera-10 turen i det eksterne kammer (8) holdes ved en vis temperatur, f.eks. omgivelsestemperatur eller en temperatur, som styres ved hjælp af eksterne midler.

3. Temperaturkalibreringssystem ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved at det eksterne kammer (8) forbindes til heatpipen/termosiphonen (2) via et rør 15 (9), hvor forbindelsespunktet befinder sig over væskeniveau ved en for dampningsende af heatpipen/termosiphonen (2); og at det eksterne kammer (8) er anbragt under forbindelsen mellem røret (9) og heatpipen/termosiphonen (2).

4. Temperaturkalibreringssystem ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved at det eksterne kammer (8) forbindes til heatpipen/termosiphonen (2) via et rør, som forbindes til heatpipen/termosiphonen (2) omkring den øverste ende deraf eller til en kondenserende ende (5); og at det eksterne kammer (8) er anbragt under forbindelsen mellem røret (9) og heatpipen/termosiphonen (2). 25

5. Temperaturkalibreringssystem ifølge krav 4, kendetegnet ved at det eksterne kammer (8) forbindes via et rør (9), som er forbundet ved toppen af den kondenserende ende (5). DK 176506 B1 10

6. Temperaturkalibreringssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5, kendetegnet ved at de temperaturregulerende elementer (7) omfatter elektriske varmeelementer.

7. Temperaturkalibreringssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5, kendetegnet ved at de temperaturregulerende elementer. (7) omfatter et el-'ler flere Peltier-elementer.

8. Temperaturkalibreringssystem ifølge et hvilket som helst af de foregående 10 krav, kendetegnet ved at røret (9) ender ved toppen af det eksterne kammer (8).

9. Temperaturkalibreringssystem ifølge et hvilket som helst af de foregående krav 1-7, kendetegnet ved at røret (9) forløber ned i det eksterne kammer 15 (8), som danner et mellemrum mellem røret (9) og bunden af det eksterne kammer (8).

10. Temperaturkalibreringssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 1-9, kendetegnet ved at det eksterne kammer (8) er forsynet med en ifyldnings- 20 forbindelse (10) til at tilføre systemet (1) fluidum.

11. Temperaturkalibreringssystem ifølge et hvilket som helst af kravene 1-10, kendetegnet ved at i det mindste en del af røret (9) befinder sig over systemets (1) væskeniveau.