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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zum Bereitstellen eines temperierten Gases.
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Hintergrund der Erfindung
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Temperierte Gase werden für viele messtechnische Anwendungen in Messkammern benötigt, bei denen es erforderlich ist, dass in einer Messkammer mit zumindest einem Messsensor eine bestimmte Temperatur vorliegt. Eine Temperierung einer Messkammer kann beispielsweise in Rheometern, für die Verwendung von Gasen in Gaschromatographen und bei der Messung von temperierten Proben mit einem Magnetresonanzgerät erforderlich sein. Die Liste der Anwendungen, für die temperierte Gase erforderlich sind, kann nahezu beliebig fortgesetzt werden.
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Ein wichtiger Aspekt bei der Verwendung von temperierten Gasen für messtechnische Anwendungen besteht darin, dass das temperierte Gas an den Einsatz- bzw. Messort geleitet werden muss, ohne dabei die messtechnische Anwendung bzw. die Messung selbst zu stören. Dazu sollte eine Zuleitung für das temperierte Gas gut isoliert und zudem möglichst kurz sein, um einen unerwünschten Wärmeaustausch mit der Umgebung zu minimieren.
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Ein solcher unerwünschter Wärmeaustausch, welcher zu hohen thermischen Verlusten führen kann, kann in bekannter Weise mittels einer Verwendung von tiefkalten Gasen gering gehalten werden, welche mittels geeigneter Heizgräte auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden. Das Hantieren mit tiefkalten Gasen wie beispielsweise beim Verdampfen von Flüssigstickstoff ist allerdings in der Praxis sehr aufwendig und erfordert sowohl besondere Sicherheitsvorkehrungen als auch ein spezielles Equipment. Häufig wird für Anwendungen von temperierten Gasen auch gar nicht der gesamte mit einem tiefkalten Gas erzielbare Temperaturbereich benötigt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes System zum Temperieren von Gasen zu schaffen, welches temperiertes Gas für beliebige Mess- und Untersuchungsanwendungen zur Verfügung stellen kann und dabei die jeweilige technische Anwendung möglichst wenig beeinflusst.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein System zum Bereitstellen eines temperierten Gases für eine Anwendungskammer beschrieben. Das beschriebene System weist auf (a) einen Gas-Einlassanschluss für das zu temperierende Gas, (b) einen Wärmetauscher mit einem ersten Durchströmbereich und einem davon getrennten zweiten Durchströmbereich, zum Temperieren des Gases, (c) eine Gas-Zuleitung, welche den Gas-Einlassanschluss mit dem ersten Durchströmbereich verbindet, (d) ein Gas-Ventil, welches der Gas-Zuleitung zugeordnet ist, zum Steuern eines Gas-Massenstroms des Gases, und (e) einen Gas-Auslassanschluss für temperiertes Gas, wobei der Gas-Auslassanschluss mit der Anwendungskammer verbindbar ist. Infolge des Gesetzes der Massenerhaltung ist der Massenstrom des Gases gleich dem Massenstrom des zu temperierenden Gases (vor dem Wärmetauscher) und auch gleich dem Massenstrom des temperierten Gases (hinter dem Wärmetauscher).
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Das beschriebene System weist ferner auf (f) einen Fluid-Einlassanschluss zum Zuführen von einem temperierenden Fluid, welches in dem flüssigen Aggregatszustand vorliegt, (g) eine Fluid-Zuleitung, welche den Fluid-Einlassanschluss mit dem zweiten Durchströmbereich verbindet, (h) ein Fluid-Ventil, welches der Fluid-Zuleitung zugeordnet ist, zum Steuern eines Fluid-Massenstroms des Fluids, (i) einen Fluid-Auslassanschluss, welcher mit dem zweiten Durchströmbereich verbunden ist, zum Abführen des Fluids. Infolge des vorstehend bereits erwähnten Gesetzes der Massenerhaltung ist der Massenstrom des Fluids gleich dem Massenstrom des temperierenden Fluids (vor dem Wärmetauscher) und auch gleich dem Massenstrom des bereits für die Temperierung des Gases verwendeten Fluids (hinter dem Wärmetauscher).
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Das beschriebene System weist ferner auf (j) zumindest drei Sensoren, welche jeweils der Gas-Zuleitung oder der Fluid-Zuleitung zugeordnet sind, zum Erfassen jeweils einer Zustandsgröße des durch die Gas-Zuleitung strömenden und zu temperierenden Gases bzw. des durch die Fluid-Zuleitung strömenden temperierenden Fluids, wobei jeder Zuleitung zumindest ein Sensor zugeordnet ist, und (k) eine Steuereinrichtung, welche eingangsseitig mit den zumindest drei Sensoren und ausgangsseitig mit den beiden Ventilen gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung konfiguriert, die beiden Ventile basierend auf den von den zumindest drei Sensoren erfassten Zustandsgrößen so anzusteuern, dass das temperierte Gas eine vorbestimmte Temperatur annimmt.
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Dem beschriebenen System liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine gezielte Anpassung der Eingangsmassenströme von einem Gas und einem Fluid, welche beide zum Zwecke eines Wärmetausches in den jeweiligen Durchströmbereich des Wärmetauschers strömen, abhängig von verschiedenen physikalischen Zustandsgrößen von dem einströmenden Gas und dem einströmenden Fluid, der Betriebszustand des gesamten Systems derart eingestellt oder angepasst werden kann, dass das der Anwendungskammer zugeführte Gas eine genau definierte Temperatur annimmt.
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Die relative Anordnung der verschiedenen Komponenten des beschriebenen Systems kann auch in Bezug auf die Strömungsrichtungen des Gases bzw. des Fluids beschrieben werden. Konkret ausgedrückt befindet sich in Bezug auf die Strömungsrichtung des Gases der Wärmetauscher stromabwärts von dem Gas-Einlassanschluss und der Gas-Auslassanschluss befindet sich stromabwärts von dem Wärmetauscher. In entsprechender Weise befindet sich in Bezug auf die Strömungsrichtung des Fluids der Wärmetauscher stromabwärts von dem Fluid-Einlassanschluss und der Fluid-Auslassanschluss befindet sich stromabwärts von dem Wärmetauscher.
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Unter dem Begriff "Anwendungskammer" kann in diesem Dokument jeder räumlich mehr oder weniger von einer Umgebung abgegrenzte Bereich verstanden werden, in welchem eine beliebige technische Anwendung stattfindet, welche umgeben von dem mit dem hier beschriebenen System temperierten Gas durchgeführt wird. Bevorzugt ist die Anwendungskammer ein von der Umgebung räumlich abgetrennter Bereich, so dass durch den Zustrom von dem temperierten Gas genau definierte Umgebungsbedingungen für die jeweilige technische Anwendung gegeben sind. Ferner ist es bei einer geschlossenen Anwendung, möglich, dass zugeführte und durch den Wärmetauscher temperierte Gas wieder aus der Anwendungskammer herauszuführen und demjenigen Gasstrom zuzuführen oder denjenigen Gasstrom zu bilden, welcher über den Gas-Einlassanschluss dem Wärmetauscher zugeführt wird. Allerdings kann es bei speziellen Anwendungen auch erforderlich sein, dass die Anwendungskammer gegenüber ihrer Umgebung zumindest teilweise offen ist. In diesem Fall ist eine effektive Gasrückführung jedoch nur schwer oder gar nicht möglich.
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Unter dem Begriff "Wärmetauscher" kann in diesem Dokument jede räumlich körperliche Struktur verstanden werden, welche zwei räumlich voneinander getrennte aber in einem möglichst guten thermischen Kontakt stehende Bereiche aufweist. Somit kann von einem Medium (z.B. dem Gas), welches sich in dem einen Bereich (dem ersten Durchströmbereich) befindet, Wärmeenergie auf ein anderes Medium (z.B. dem Fluid) übertragen werden kann, welches sich in dem anderen Bereich (dem zweiten Durchströmbereich) befindet.
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Unter dem Begriff "Zustandsgröße" kann in diesem Dokument jede physikalische Messgröße verstanden werden, welche den Zustand eines Gases oder eines in dem flüssigen Aggregatszustand vorliegenden Fluids beschreibt. Typische Zustandsgrößen können beispielweise die Temperatur, der Massenstrom, der Volumenstrom, die spezifische Wärme, die Dichte und der Druck des Gases bzw. des Fluids sein. Ein weiterer wichtiger Parameter für einen optimalen Betrieb des hier beschriebenen Systems ist die spezifische Wärmekapazität des verwendeten Gases bzw. des verwendeten Fluids.
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In diesem Dokument wird unter dem Begriff "zu temperierendes Gas" derjenige Gasstrom verstanden, welcher dem ersten Durchströmbereich des Wärmetauschers zugeführt wird. Der Begriff "temperiertes Gas" bezeichnet denjenigen Gasstrom, welcher in dem ersten Durchströmbereich des Wärmetauschers temperiert bzw. auf eine andere Temperatur gebracht wurde und dann von dem Wärmetauscher zu der Anwendungskammer transferiert wird.
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Der Ausdruck "Verbinden" oder "Verbunden" bedeutet bei dem Gas ein Herstellen bzw. ein Vorhandensein einer möglichst gasdichten pneumatischen Kopplung zwischen den betreffenden Komponenten des beschriebenen Systems. Bei dem Fluid bedeutet der Ausdruck "Verbinden" oder "Verbunden" ein Herstellen bzw. ein Vorhandensein einer möglichst flüssigkeitsdichten Kopplung zwischen den betreffenden Komponenten.
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Der Ausdruck "der Gas-Zuleitung zugeordnet" kann bedeuten, dass die entsprechende zugeordnete Komponente, d.h. hier das Gas-Ventil direkt in oder an der Gas-Zuleitung angeordnet ist. Der Ausdruck "der Gas-Zuleitung zugeordnet" kann jedoch auch bedeuten, dass das Gas-Ventil indirekt, beispielsweise mittelbar über den Wärmetauscher, mit der Gas-Zuleitung verbunden ist. So kann das Gas-Ventil beispielsweise in oder an einer Gas-Ableitung angeordnet sein, welche den ersten Durchströmbereich des Wärmetauschers mit dem Gas-Auslassanschluss verbindet. In entsprechender Weise kann der Ausdruck "der Fluid-Leitung zugeordnet" bedeuten, dass das Fluid-Ventil direkt in oder an der Fluid-Zuleitung angeordnet ist. Das Fluid-Ventil kann jedoch indirekt oder mittelbar über den Wärmetauscher mit der Fluid-Zuleitung verbunden sein. Insbesondere kann das Gas-Ventil in oder an einer Fluid-Ableitung angeordnet sein, welche den zweiten Durchströmbereich des Wärmetauschers mit dem Fluid-Auslassanschluss verbindet. Ferner kann sowohl stromaufwärts von dem Wärmetauscher als auch stromabwärts von dem Wärmetauscher ein Gas-Ventil bzw. ein Fluid-Ventil vorgesehen sein. In diesem Fall weist das beschriebene System zumindest zwei Gas-Ventile und/oder zumindest zwei Fluid-Ventile auf.
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Das zu temperierende Gas kann beispielsweise Trockenluft oder Umgebungsluft, bevorzugt entfeuchtete Umgebungsluft, sein. Das zu temperierende Gas kann jedoch auch aus Gasflaschen entnommen werden.
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Außerdem ist, wie vorstehend bereits beschrieben, prinzipiell auch eine Rückführung des Gases von der Anwendungskammer möglich, so dass ein geschlossener Gas-Kreislauf realisiert werden kann.
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Bevorzugt steht das zugeführte Gas mit einem Druck der Anwendungskammer zur Verfügung gestellt, welcher höher ist als der herrschende Umgebungsdruck (typischerweise der aktuelle Atmosphärendruck). Dieser Druck kann durch das an der Gas-Zuleitung befindliche Gas-Ventil oder durch ein zusätzliches Ventil eingestellt bzw. geregelt werden.
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"Temperieren" kann je nach spezifischem Anwendungsfall und je nach aktuellen Betriebsbedingungen des beschriebenen Systems ein Abkühlen oder ein Erwärmen des Gases bedeuten. In den meisten Anwendungsfällen bedeutet "Temperieren" jedoch, dass das Gas abgekühlt wird. In diesem Fall ist das Fluid dann eine Kühlflüssigkeit, welche, wenn sie durch den zweiten Durchströmbereich fließt, infolge der thermischen Kopplung zwischen Fluid und Gas in dem Wärmetauscher, das Gas beim Durchgang durch den ersten Durchströmbereich abkühlt.
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Das beschriebene System zum Bereitstellen eines temperierten Gases kann im Vergleich zu gattungsgleichen bekannten Systemen in einer besonders kompakten Bauform realisiert werden. Ferner kann das System so betrieben werden, dass das temperierte Gas mit einer genau definierten Temperatur, einem genau definierten Massenfluss und/oder einem genau definierten Druck der Anwendungskammer bereitgestellt wird. Damit können in der Anwendungskammer die unterschiedlichsten Messgeräte unter genau definierten Umgebungsbedingungen messtechnische Anwendungen mit hoher Genauigkeit durchführen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuereinrichtung eingerichtet, basierend auf den von den zumindest drei Sensoren erfassten Zustandsgrößen und unter Verwendung eines Kalibriermodells für die Zustandsgrößen des zu temperierenden Gases und des temperierenden Fluids Steuersignale zu bestimmen, welche an die beiden Ventile ausgebbar sind.
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Das Kalibriermodell kann ein thermodynamisches Modell sein, welches die zumindest drei erfassten Zustandsgrößen mathematisch derart miteinander verknüpft, dass die beiden Ventile so eingestellt werden, dass das temperierte Gas zumindest annähernd die vorbestimmte Temperatur annimmt. Die mathematische Verknüpfung der zumindest drei erfassten Zustandsgrößen kann ferner von weiteren in Bezug auf das beschriebene System extrinsischen Parametern, wie beispielsweise der Druck und/oder die Temperatur des verwendeten Gases bzw. des verwendeten Fluids, abhängen. Ferner kann die Art des verwendeten Gases bzw. die Art des verwendeten Fluids einen Einfluss auf das verwendete Kalibriermodell haben.
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Das Kalibriermodell kann als eine mathematische Funktion in einen Speicher der Steuereinrichtung hinterlegt sein. Ein Prozessor der Steuereinrichtung wird dann die für die Bestimmung der Steuersignale für die beiden Ventile erforderlichen Berechnungen vornehmen. Das Kalibriermodell kann alternativ oder in Kombination auch mittels einer Nachschlagtabelle (look up table) in dem Speicher der Steuereinrichtung hinterlegt sein, wobei die Werte, die in der Nachschlagtabelle hinterlegt sind, bei verschiedenen Testbetrieben des beschriebenen Systems unter verschiedensten Betriebsbedingungen vorab ermittelt wurden.
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So können beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Kalibriermodells für die Zustandsgrößen des zugeführten Gases und des zugeführten Kühlmittels die Temperatur und der Volumenstrom bzw. die Temperatur und der Massenstrom an dem Gas-Auslassanschluss auf die gewünschten Werte für die Zustandsgrößen geregelt werden. Ein Benutzer kann dann die gewünschten Werte für die Zustandsgrößen bzw. Parameter des bereitgestellten temperierten Gases in die Steuer- bzw. Regeleinheit eingeben. Diese kann dann den Zufluss von Gas und Fluid über geeignete Stellgrößen bzw. Steuersignale für die beiden Ventile in geeigneter Weise regeln.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Genauigkeit der Temperierung dadurch verbessert werden kann, dass mehr als drei Sensoren verwendet werden, welche Werte für die Zustandsgrößen des Gases in der Gas-Zuleitung bzw. für die Zustandsgrößen des Fluids in der Fluid-Zuleitung erfassen und diese Werte dann an die Steuereinrichtung übermitteln. Die entsprechenden zusätzlichen Werte können dann bei der Bestimmung der Steuersignale für die beiden Ventile in geeigneter Weise berücksichtigt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System ferner auf (a) eine Fluid-Ableitung, welche den zweiten Durchströmbereich mit dem Fluid-Auslassanschluss verbindet, und (b) zumindest einen weiteren Sensor, welcher der Fluid-Ableitung zugeordnet ist, zum Erfassen einer Zustandsgröße des Fluids, welches von dem zweiten Durchströmbereich zu dem Gas-Auslassanschluss strömt. Der zumindest eine weitere Sensor ist mit der Steuereinrichtung gekoppelt. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, die beiden Ventile ferner basierend auf der von dem zumindest einen weiteren Sensor erfassten Zustandsgröße anzusteuern.
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Die Fluid-Zuleitung und die Fluid-Ableitung können als offenes Fluidsystem oder als geschlossenes Fluid-System ein einem Fluid-Kreislauf realisiert werden.
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Durch die Verwendung eines weiteren Sensors in der Fluid-Ableitung wird erreicht, dass die Steuereinrichtung mit zusätzlichen Informationen über den aktuellen Betriebszustand des beschriebenen Systems versorgt werden kann. Die Steuereinrichtung kann damit die Steuersignale für die Ventile des Systems noch genauer ermitteln, so dass die Genauigkeit insbesondere der Ausgangstemperatur des temperierten Gases auf vorteilhafte Weise weiter erhöht werden kann. So kann beispielsweise eine Temperierung des Gases mit einer Genauigkeit erreicht werden, welche zumindest annähernd der Genauigkeit der für das Fluid einstellbaren Temperatur entspricht. In der Praxis kann diese Genauigkeit selbst bei einem vertretbaren apparativen Aufwand zur Realisierung des beschriebenen Systems ungefähr ca. ±0,5°C betragen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System ferner eine Gas-Ableitung auf, welche den ersten Durchströmbereich mit dem Gas-Auslassanschluss verbindet. Die Gas-Ableitung sowie der Gas-Auslassanschluss sind frei von einem Sensor. Dies bedeutet, dass das beschriebene System in Bezug auf den Massenstrom von Gas ausgangsseitig keinen Sensor aufweist.
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Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind somit im Vergleich zu bekannten Systemen zum Bereitstellen eines temperierten Gases an der Gasaustrittseite möglichen Sensoren weggelassen. Damit kann auf vorteilhafte Weise vermieden werden, dass bei einem Messvorgang in oder an der Anwendungskammer die entsprechende Messung durch den Betrieb eines solchen Sensors an der Gasaustrittsseite in nachteilhafter Weise beeinflusst wird.
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Durch gasauslassseitig wegfallende Sensoren kann sichergestellt werden, dass die von dem beschriebenen System temperierten Gase auch in Explosions-Schutzbereichen funkenfrei zur Verfügung gestellt werden können. Ferner kann eine Störung der Steuerung bzw. Regelung, welche von der Steuereinrichtung ausgeführt wird, durch eine Messapparatur vermieden werden, welches sich in oder an der Anwendungskammer befindet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System ferner eine Fluid-Temperiervorrichtung auf, welche mit dem Fluid-Einlassanschluss verbunden ist und welche konfiguriert ist, das in den zweiten Durchströmbereich des Wärmetauschers strömende Fluid zu temperieren.
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Die Fluid-Temperiervorrichtung kann in Bezug zu der Strömungsrichtung des Fluids stromaufwärts oder stromabwärts von dem Fluid-Einlassanschluss angeordnet sein. Bevorzugt befindet sich die Fluid-Temperiervorrichtung stromaufwärts von dem Fluid-Einlassanschluss.
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Abhängig von dem Typ eines in der Fluid-Temperiervorrichtung verwendeten Thermostats und von der Art des Fluids kann die Temperatur des temperierten Gases in unterschiedlichen Temperaturbereichen liegen.
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Die Fluid-Temperiervorrichtung kann unter Verwendung des bekannten Gegenstrom-Prinzips betrieben werden. Dies bedeutet, dass in der Fluid-Temperiervorrichtung das Fluid in einer Richtung und ein anderes Wärmemedium, mittels welches das Fluid temperiert wird, in einer zu dieser Richtung entgegen gesetzten anderen Richtung strömt. Damit kann auf einfache Weise und mit einfachen Mitteln eine optimale Temperierung des Fluids erreicht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System ferner eine Schnittstelle zum Koppeln der Steuereinrichtung mit einem in der Anwendungskammer befindlichen Messgerät auf, wobei das Messgerät konfiguriert ist, eine Messgröße des temperierten Gases in der Anwendungskammer zu erfassen. Ferner ist die Steuereinrichtung konfiguriert, die von dem Messgerät erfasste Messgröße zu empfangen.
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Mit der beschriebenen Schnittstelle können somit Messsignale, welche direkt von der Anwendungskammer stammen und somit den aktuellen Zustand in der Anwendungskammer genau charakterisieren, von der Steuereinrichtung empfangen und für eine geeignete Ansteuerung der Ventile verwendet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in der Anwendungskammer ohnehin entsprechende Sensoren bereits vorgesehen sind, welche das hier beschriebene Messgerät darstellen.
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Die Messsignale von der Anwendungskammer können auch direkt oder indirekt über die Steuereinrichtung an die vorstehend beschriebene Fluid-Temperiervorrichtung übermittelt werden, so dass insbesondere die Temperatur des zuströmenden Fluids in geeigneter Weise eingestellt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Wärmetauscher ein poröses Material und insbesondere ein gesintertes oder geschäumtes poröses Material auf. Durch die Verwendung eines porösen Materials kann der Wärmetauscher besonders kompakt aufgebaut werden. Dies hat den Vorteil, dass sich im Betrieb das beschriebene System, welches das temperierte Gas bereitstellt, sehr nahe an dem Einsatzort (d.h. an die Anwendungskammer) befinden kann.
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Mit einem solchen aus einem porösen Material aufgebauten und in einer kompakten Bauform realisierten Wärmetauscher kann im Falle einer gewünschten Abkühlung des Gases abhängig von der Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers und der Ausgangstemperatur des zu temperierenden Gases die Temperatur des zu temperierenden Gases um bis zu 150°C (Temperaturänderung = –150 K) abgesenkt werden.
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Das poröse Material weist bevorzugt ein hohes Oberfläche-zu-Volumen Verhältnis auf. Ferner, kann das poröse Material eine hohe Wärmeleit-fähigkeit aufweisen. Dies kann beispielsweise mit dem metallischen Grundmaterial Kupfer, Bronze, etc. erreicht werden kann. Beides, sowohl das hohe Oberfläche-zu-Volumen Verhältnis als auch die hohe Wärmeleitfähigkeit tragen zu einer hohen Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers bei.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Wärmetauscher somit einen einfach geformten bzw. zu formenden porösen Werkstoff auf. Derartige Werkstoffe sind z.B. mechanisch feste, poröse und damit durchströmbare Bauteile, die insbesondere durch Sintern von Metallpartikeln hergestellt werden können.
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Daneben sind auch Keramiken und beispielsweise Graphit als Materialien für den Wärmetauscher geeignet. Die Permeabilität des Materials und damit die mögliche Durchflussrate kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Auf alle Fälle sollte die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Wärmetauschers, welche den Wärmeübergang charakterisiert, möglichst hoch sein.
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Solche Sintermaterialien für Wärmetauscher sind beispielsweise aus der
DE 44 03 801 A1 bekannt und werden im Übrigen auch als Filtermaterialien in einer Vielzahl von technischen Anwendungen verwendet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Wärmetauscher eine Mehrzahl von Wärmetausch-Baugruppen auf, welche jeweils einen von dem Gas oder alternativ von dem Fluid durchströmbaren Teilbereich darstellen. Dabei bildet eine erste Anzahl von Wärmetausch-Baugruppen gemeinsam den ersten Durchströmbereich und eine zweite Anzahl von Wärmetausch-Baugruppen bildet gemeinsam den zweiten Durchströmbereich. Die erste Anzahl und/oder die zweite Anzahl sind abhängig von dem aktuellen Betriebszustand des Systems wählbar. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Kapazität des Wärmetauschers, d.h. die Wärmeleistung bzw. die Wärmemenge pro Zeiteinheit, die zwischen dem Gas und dem Fluid ausgetauscht werden kann, an die jeweiligen aktuellen Anforderungen an das System angepasst werden kann. Diese Anpassung kann insbesondere von der Steuereinrichtung vorgenommen werden, welche in geeigneter Weise mit dem Wärmetauscher verbunden ist und ferner in der Lage ist, den Wärmetauscher in geeigneter Weise zu konfigurieren.
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Die beschriebene Anpassung der Kapazität des Wärmetauschers kann vor einer konkreten Anwendung durchgeführt werden, so dass für diese Anwendung der Wärmetauscher eine optimale Kapazität hat. Es ist jedoch auch möglich, während einer Anwendung die Kapazität des Wärmetauschers dynamisch an ggf. sich ändernde Anforderungen anzupassen.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der zusammen geschalteten Wärmetausch-Baugruppen nicht nur die Kapazität des Wärmetauschers sondern auch den Widerstand des Wärmetauschers bestimmt, welchen der Gas-Strom bzw. der Fluid-Strom erst überwinden muss, um überhaupt eine Gas- bzw. Fluid-Strömung auszubilden. Sofern es bei der jeweiligen Anwendung des beschriebenen Systems weniger auf eine Anpassung der Kapazität des Wärmetauschers als vielmehr auf eine Anpassung der Strömungswiderstände des Wärmetauschers ankommt, kann auch dieser Aspekt für eine geeignete Konfiguration des Wärmetauschers berücksichtigt werden.
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Es wird ferner darauf hingewiesen, dass das beschriebene System gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel geeignete Handhabungseinrichtungen oder andere Mittel aufweisen muss, um eine Anpassung der Konfiguration des Wärmetauschers zu realisieren. Eine Anpassung der Konfiguration des Wärmetauschers kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass die einzelnen Wärmetausch-Baugruppen über ein Kanalsystem miteinander verbunden sind, welches eine entsprechende Anzahl von Schaltelementen aufweist, mittels welchen der Strömungspfad des Gases und/oder des Fluids so angepasst werden kann, dass die gewünschte Anzahl von Wärmetauscher-Baugruppen von dem Gas bzw. von dem Fluid durchströmt wird.
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Eine weitere Möglichkeit der Anpassung der Kapazität des Wärmetauschers besteht in einer Änderung der aktiven Wärmeübertragungsfläche zwischen dem ersten Durchströmbereich und dem zweiten Durchströmbereich. Dies kann durch geeignete Systeme erfolgen, welche die aktive und für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Grenzfläche zwischen dem ersten Durchströmbereich und dem zweiten Durchströmbereich modifiziert. Besonders einfach kann dies beispielsweise durch ein relatives Verschieben der beiden Durchströmbereiche gegeneinander entlang einer gemeinsamen Achse erfolgen, um so die Größe des Überlappungsbereichs zwischen beiden Durchströmbereichen zu ändern. Eine weitere Möglichkeit der Anpassung der Kapazität des Wärmetauschers besteht darin, zumindest ein poröses Material insbesondere des ersten Durchströmbereiches zu verdichten (Erhöhung der Kapazität) bzw. aufzuweiten (Reduzieren der Kapazität).
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Wärmetauscher ein Chassis und einen Wärmetausch-Körper auf, welcher lösbar an oder in dem Chassis angebracht ist. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmetausch-Körper auf einfache Weise durch einen anderen Wärmetausch-Körper ersetzt werden kann, wenn beispielsweise bei unterschiedlichen Anforderungen bezüglich des Masseflusses der aktuell verwendete Wärmetauscherkörper ungünstige Durchflussparameter aufweist. Die Durchflussparameter können beispielsweise die Kapazität bzw. die Leistungsfähigkeit bezüglich eines Wärmeaustausches sowie der Strömungswiderstand für den Gas-Strom bzw. für den Fluid-Strom sein. Somit kann sowohl die Kapazität des Wärmetauschers als auch der von dem Wärmetauscher verursachte Druckabfall in der Gas-Strömung bzw. in der Fluid-Strömung optimal an die jeweiligen Anforderungen eingestellt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass eine Zerlegung des gesamten Wärmetauschers auch für Reinigungszwecke von großem Vorteil sein kann, weil damit eine einfache Zugänglichkeit in das Innere des Wärmetauschers gegeben ist. Die Möglichkeit den Wärmetauscher auf einfache Weise zu reinigen kann insbesondere im Falle der Verwendung katalytischer Oberflächen von großem Vorteil sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umgibt der zweite Durchströmbereich den ersten Durchströmbereich. Dies bedeutet, dass (i) der erste Durchströmbereich, durch welchen das zu temperierende Gas strömt, in dem Wärmetauscher innen angeordnet ist, und dass (ii) der zweite Durchströmbereich, durch welchen das temperierend Fluid strömt, in dem Wärmetauscher außen angeordnet ist. Diese Konfiguration ist insbesondere dann von großem Vorteil, wenn das Gas durch den Wärmetauscher bzw. durch das Fluid abgekühlt wird. In diesem Fall werden nämlich die Verluste durch Wärmestrahlung, welche von dem noch nicht temperierten Gas ausgesendet wird und welche insbesondere aufgrund einer nicht perfekten thermischen Isolation zu einer thermischen Instabilität des gesamten Systems beitragen können, von dem flüssigen Fluid mit seiner deutlich höheren Wärmekapazität aufgefangen. Da somit das Gas mit einem lediglich sehr geringen Wärmeverlust durch den Wärmetauscher strömt, kann das durch den ersten Durchströmbereich des Wärmetauschers strömende Gas optimal temperiert werden.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass (i) die äußere Kontaktfläche des inneren ersten Durchströmbereiches mit (ii) der inneren Kontaktfläche des äußeren zweiten Durchströmbereiches und damit mit einem Flüssigkeitsmantel, welcher von dem Fluid bereitgestellt wird, auf einfache Weise dadurch erhöht werden kann, dass die äußere Kontaktfläche des inneren ersten Durchströmbereiches auf geeignete Weise zusätzlich mechanisch bearbeitet wird, so dass sich die Kontaktfläche zwischen den beiden Durchströmbereichen vergrößert. Damit kann auf einfache Weise ein Wärmeübergang zwischen dem Gas und dem Fluid in dem Wärmetauscher deutlich verbessert werden. Eine solche zusätzliche Bearbeitung kann beispielsweise mittels eines einfachen mechanischen Drehens und/oder mittels eines Schleifens realisiert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung befinden sich der Fluid-Einlassanschluss und der Fluid-Auslassanschluss in Bezug auf den Wärmetauscher an derselben Seite. Eine derartige Ausbildung des Fluidkreises bzw. der Fluidleitungen, bei der sich der Fluid-Einlass und der Fluid-Auslass an derselben Seite des Wärmetauschers befinden, hat den Vorteil, dass der Platzbedarf des beschriebenen Systems sehr klein gehalten werden kann. Damit ergeben sich für das beschriebene System im Vergleich zu bekannten Systemen zum Bereitstellen von temperierten Gasen viele neue Anwendungsmöglichkeiten.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System ferner auf (a) einen weiteren Gas-Einlassanschluss für ein weiteres Gas, (b) eine weitere Gas-Zuleitung, welche den weiteren Gas-Einlassanschluss mit dem ersten Durchströmbereich verbindet, und (c) eine weiteres Gas-Ventil, welches der weiteren Gas-Zuleitung zugeordnet ist, zum Steuern eines weiteren Gas-Massenstroms des weiteren Gases in den ersten Durchströmbereich. Die Steuereinrichtung ist ferner konfiguriert, das weitere Gas-Ventil in Abhängigkeit der von den zumindest drei Sensoren erfassten Zustandsgrößen anzusteuern.
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Die Verwendung eines weiteren Gas-Einlassanschlusses in Verbindung mit einer weiteren Gas-Zuleitung hat den Vorteil, dass mit dem beschriebenen System verschiedene Gase temperiert werden können, welche insbesondere in dem ersten Durchströmbereich miteinander vermischt werden. Damit wird der Anwendungsbereich für das beschriebene System deutlich erweitert.
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Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Gase auch zeitlich zueinander versetzt dem ersten Durchströmbereich zugeführt werden können, so dass im Ergebnis nacheinander verschiedene temperierte Gase der Anwendungskammer bereitgestellt werden können.
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Es wird ferner darauf hingewiesen, dass das beschriebene System auch mehrere Fluid-Einlassanschlüsse haben kann, mittels welchen verschiedene Fluide dem zweiten Durchströmbereich zuführbar sind. Auch hier können je nach speziellem Anwendungsfall verschiedene Fluide gleichzeitig dem zweiten Durchströmbereich zugeführt werden, in welchem sie dann vermischt werden und gemeinsam das zu temperierende Gas und gegebenenfalls das weitere zu temperierende Gas temperierten können. Alternativ können verschiedene Fluide auch nacheinander dem zweiten Durchströmbereich zugeführt werden, so dass in einer ersten Zeitspanne ein erstes Fluid und in einer zweiten Zeitspanne ein anderes zweites Fluid das Gas und gegebenenfalls das weitere Gas temperiert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das System ferner einen weiteren Gas-Sensor auf, welcher der weiteren Gas-Zuleitung zugeordnet ist und welcher zum Erfassen einer Zustandsgröße des durch die weitere Gas-Zuleitung strömenden weiteren Gases vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung ist eingangsseitig ferner mit dem weiteren Gas-Sensor gekoppelt und konfiguriert, die beiden Ventile ferner basierend auf der von dem weiteren Gas-Sensor erfassten Zustandsgröße anzusteuern.
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Die Verwendung des weiteren Gas-Sensors kann auf vorteilhafte Weise zu einer Verbesserung der Kontrolle des gesamten Systems beitragen, weil damit zusätzliche insbesondere thermodynamische Zustandsgrößen bekannt sind, welche einen zusätzlichen Eingangsparameter für das vorstehend beschriebene Kalibriermodell darstellen. Damit können die Steuersignale für die beiden Ventile noch genauer bestimmt werden, so dass die Genauigkeit hinsichtlich der Temperierung des Gases und/oder des weiteren Gases weiter verbessert wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der erste Durchströmbereich einen Katalysator auf, mittels welchem in dem ersten Durchströmbereich eine chemische Reaktion zwischen (i) dem Gas, welches über den Gas-Einlassanschluss dem ersten Durchströmbereich zugeführt wurde, und (ii) dem weiteren Gas, welches über den weiteren Gas-Einlassanschluss dem ersten Durchströmbereich zugeführt wurde, zumindest begünstigt wird.
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Mittels eines Katalysators kann in bekannter Weise die Aktivierungsenergie für eine exotherme chemische Reaktion herabgesetzt werden, so dass diese Reaktion ohne oder zumindest mit einer deutlich reduzierten Aktivierungsenergie in Gang gesetzt werden kann. Damit kann im Falle der Verwendung von mehreren Gasen, welche miteinander zur Reaktion gebracht werden sollen, der apparative Aufwand reduziert werden, welcher für eine Realisierung des beschriebenen Systems erforderlich ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines temperierten Gases für eine Anwendungskammer beschrieben. Das beschriebene Verfahren kann insbesondere mit dem vorstehend beschriebenen System durchgeführt werden. Das Verfahren weist auf (a) Zuführen des zu temperierenden Gases in einen ersten Durchströmbereich eines Wärmetauschers, (b) Steuern eines Gas-Massenstroms des Gases von einem Gas-Einlassanschluss in den ersten Durchströmbereich mittels eines Gas-Ventils, (c) Zuführen eines temperierenden Fluids, welches in dem flüssigen Aggregatszustand vorliegt, in einen zweiten Durchströmbereich des Wärmetauschers, wobei der zweite Durchströmbereich und der erste Durchströmbereich räumlich voneinander getrennt und thermisch miteinander gekoppelt sind, (d) Steuern eines Fluid-Massenstroms des Fluids von einem Fluid-Einlassanschluss in den zweiten Durchströmbereich mittels eines Fluid-Ventils, (e) Temperieren des Gases mittels einer Wärmemenge, welche zwischen dem Fluid und dem Gas transferiert wird, und (f) Abführen des temperierten Gases von dem ersten Durchströmbereich in die Anwendungskammer. Die beiden Ventile werden von einer Steuereinrichtung abhängig von Messsignalen, welche der Steuereinrichtung von zumindest drei Sensoren zugeführt werden, derart angesteuert, dass das temperierte Gas eine vorbestimmte Temperatur aufweist, wobei mit zumindest einem Sensor der zumindest drei Sensoren zumindest eine Zustandsgröße des zu temperierenden Gases erfasst wird und mit zumindest einem anderen Sensor der zumindest drei Sensoren zumindest eine Zustandsgröße des temperierenden Fluids erfasst wird.
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Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch eine gezielte Anpassung der Eingangsmassenströme von einem Gas und einem Fluid, welche beide durch den Wärmetauscher strömen, abhängig von verschiedenen physikalischen Zustandsgrößen von dem einströmenden Gas und von dem einströmenden Fluid, der Betrieb des beschriebenen Systems in geeigneter Weise angepasst werden kann, so dass der Anwendungskammer ein Gas mit einer genau definierten Temperatur bereitgestellt wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Wärmetauscher im Gegenstrom betrieben. Dies bedeutet, dass in dem Wärmetauscher das Gas in einer Richtung und das Fluid in einer zu dieser Richtung entgegengesetzten anderen Richtung strömt. Damit kann auf einfache Weise und mit einfachen Mitteln eine optimale Temperierung des Gases erreicht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf (a) Zuführen eines weiteren Gases in den ersten Durchströmbereich, (b) Steuern eines weiteren Gas-Massenstroms des weiteren Gases von einem weiteren Gas-Einlassanschluss in den ersten Durchströmbereich mittels eines weiteren Gas-Ventils, (c) Durchführen einer chemischen Reaktion in dem ersten Durchströmbereich zwischen dem zugeführten Gas und dem zugeführten weiteren Gas, und (d) Abführen der gasförmigen Produkte der chemischen Reaktion in die Anwendungskammer.
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Die chemische Reaktion kann vorwiegend in dem ersten Durchströmbereich des Wärmetauschers stattfinden. Allerdings muss der räumliche Bereich, in dem die chemische Reaktion stattfinden kann, nicht zwingend auf den ersten Durchströmbereich beschränkt sein. Die chemische Reaktion kann sich auch beispielsweise bis in eine Gasleitung hinein erstrecken, welche den ersten Durchströmbereich mit der Anwendungskammer verbindet.
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Die beiden Gase können abhängig von der jeweiligen Anwendung bzw. der jeweiligen Verwendung des beschriebenen Systems mittels einer exothermen oder einer endothermen Reaktion miteinander reagieren.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems zum Bereitstellen von temperiertem Gas.
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2 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung einen Wärmetauscher für das in 1 dargestellte System.
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3 zeigt eine weitere perspektivische Explosionsdarstellung des Wärmetauschers von 2.
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4 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems zum Bereitstellen von temperiertem Gas an eine Temperier- bzw. Anwendungskammer eines Rotationsrheometers.
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Detaillierte Beschreibung
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Es wird darauf hingewiesen, dass in der folgenden detaillierten Beschreibung Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten von einer anderen Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem Bezugszeichen versehen sind, welches sich von dem Bezugszeichen der gleichen oder zumindest funktionsgleichen Merkmale bzw. Komponenten lediglich in der ersten Ziffer unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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Außerdem wird darauf hingewiesen, dass raumbezogene Begriffe, wie beispielsweise "vorne" und "hinten", "oben" und "unten", "links" und "rechts", etc. verwendet werden, um die Beziehung eines Elements zu einem anderen Element oder zu anderen Elementen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Demnach können die raumbezogenen Begriffe für Ausrichtungen gelten, welche sich von den Ausrichtungen unterscheiden, die in den Figuren dargestellt sind. Es versteht sich jedoch von selbst, dass sich alle solchen raumbezogenen Begriffe der Einfachheit der Beschreibung halber auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtungen beziehen und nicht unbedingt einschränkend sind, da die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wenn sie in Verwendung ist, Ausrichtungen annehmen kann, die von den in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtungen verschieden sein können.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit welchem ein temperiertes Gas für eine nicht dargestellte Anwendungskammer bereitgestellt werden kann.
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Das System 100 weist einen Wärmetauscher 110 auf, welcher voneinander räumlich getrennte aber thermisch miteinander in Kontakt stehende Durchströmbereiche, einen ersten Durchströmbereich 112 und einen zweiten Durchströmbereich 114, aufweist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 110 aus einem porösen Material hergestellt, welches gesinterte Metallkugeln aufweist.
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Das System 100 weist einen Gas-Einlassanschluss 120 auf, welcher über eine Gas-Zuleitung 122 mit dem ersten Durchströmbereich 112 verbunden ist. In der Gas-Zuleitung 122 ist ein Gas-Ventil 124 angeordnet, mittels welchem ein Massenstrom von Gas, welches von dem Gas-Einlassanschluss 120 zu dem ersten Durchströmbereich 112 strömt, eingestellt werden kann. Auslassseitig ist der erste Durchströmbereich 112 über eine Gas-Ableitung 126 mit einem Gas-Auslassanschluss 128 verbunden.
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Das System 100 weist ferner einen Fluid-Einlassanschluss 140 auf, welcher über eine Fluid-Zuleitung 142 mit dem zweiten Durchströmbereich 114 verbunden ist. In der Fluid-Zuleitung 142 ist ein Fluid-Ventil 144 angeordnet, mittels welchem ein Massenstrom von Fluid, welches von dem Fluid-Einlassanschluss 140 zu dem zweiten Durchströmbereich 114 strömt, eingestellt werden kann. Auslassseitig ist der zweite Durchströmbereich 114 über eine Fluid-Ableitung 146 mit einem Fluid-Auslassanschluss 148 verbunden.
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In der Fluid-Zuleitung 142 befindet sich ferner eine Fluid-Temperiervorrichtung 160, mittels welcher die Temperatur des in den zweiten Durchströmbereich 114 strömenden temperierenden Fluids so eingestellt werden kann, dass je nach Anwendungsfall das temperierende Fluid in geeigneter Weise gekühlt oder in geeigneter Weise erwärmt wird, so dass zwischen (i) dem durch den zweiten Durchströmbereich 114 strömenden Fluid und (ii) dem durch den ersten Durchströmbereich 112 strömenden Gas eine vorgegebene Wärmemenge transferiert werden kann.
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In der Gas-Zuleitung 122 befindet sich ferner ein Gas-Sensor 132, welcher über eine Messleitung 133 mit einer Steuereinrichtung 170 des beschriebenen Systems 100 verbunden ist. Der Gassensor 132 dient dazu, eine physikalische Zustandsgröße des durch die Gas-Zuleitung 122 strömenden Gases zu erfassen und das entsprechende Messergebnis an die Steuereinrichtung 170 weiterzuleiten. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Gas-Zuleitung 123 auch weitere nicht dargestellte Gas-Sensoren angeordnet sein können, welche ebenfalls jeweils eine physikalische Zustandsgröße des durch die Gas-Zuleitung 122 strömenden Gases erfassen und über jeweils eine Messleitung (nicht dargestellt) an die Steuereinrichtung 170 weiterleiten können. Typische Zustandsgrößen für das strömende Gas können insbesondere die Temperatur T, der Druck p und der Massenstrom dm/dt sein.
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In der Fluid-Zuleitung 142 befindet sich ein Fluid-Sensor 152, welcher über eine Messleitung 153 mit der Steuereinrichtung 170 verbunden ist. Der Fluid-Sensor 152 dient dazu, eine physikalische Zustandsgröße des durch die Fluid-Zuleitung 142 in den zweiten Durchströmbereich 114 strömenden Fluids zu erfassen und das entsprechende Messergebnis an die Steuereinrichtung 170 weiterzuleiten. Wie bei der Gas-Zuleitung 122 können auch in der Fluid-Zuleitung 142 weitere nicht dargestellte Sensoren vorhanden sein, welche ebenfalls mit der Steuereinrichtung 170 gekoppelt sind. Typische Zustandsgrößen für das von dem Sensor oder von den Sensoren in den zweiten Durchströmbereich 114 strömenden Fluids können wiederum die Temperatur T, der Druck p und der Massenstrom dm/dt sein. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden an die Steuereinrichtung 170 ein Messwert für die aktuelle Temperatur T und ein weiterer Messwert für den aktuellen Massenstrom dm/dt des durch die Fluid-Zuleitung 122 strömenden Fluids übermittelt.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner ein optionaler Fluid-Sensor 192 vorgesehen, welcher in der Fluid-Ableitung 146 angeordnet ist. Der Fluid-Sensor 192 ist über eine Messeleitung 193 mit der Steuereinrichtung 170 gekoppelt. Auch hier kann optional zumindest ein weiterer nicht dargestellter Fluid-Sensor in der Fluid-Ableitung 146 angeordnet sein, welcher ebenfalls mit der Steuereinrichtung 170 gekoppelt ist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden an die Steuereinrichtung 170 ein Messwert für die aktuelle Temperatur T und ein weiterer Messwert für den aktuellen Massenstrom dm/dt des durch die Fluid-Ableitung 122 von dem zweiten Durchströmbereich 114 zu dem Fluid-Auslassanschluss 148 strömenden Fluids übermittelt.
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Basierend auf dem Messwerten, welche von den vorstehend beschriebenen Sensoren übermittelt werden, berechnet die Steuereinrichtung 170 geeignete Steuersignale für die beiden Ventile 124 und 144, welche über eine Steuerleitung 174a bzw. eine Steuerleitung 174b an das Gas-Ventil 124 bzw. an das Fluid-Ventil 144 übermittelt werden. Mittels dieser Ventile 124, 144 werden dann die Massenströme sowohl des Gases als auch des Fluids so eingestellt, dass an dem Gas-Auslassanschluss 128 das Gas mit einer genau definierten Temperatur in die nicht dargestellte Anwendungskammer strömt.
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Wie aus 1 ersichtlich, steuert die Steuereinrichtung 170 ferner die Fluid-Temperiervorrichtung 160, so dass das zuströmende Fluid eine geeignete Temperatur annimmt. Je nach speziellem Anwendungsfall wird das durch die Fluid-Zuleitung 142 strömende Fluid von der Fluid-Temperiervorrichtung 160 entweder gekühlt oder erwärmt.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Steuereinrichtung 170 ferner eine Schnittstelle 186 auf, über welche Messsignale von einem externen Messgerät empfangen werden können. Das Messgerät kann sich insbesondere in der Anwendungskammer befinden. Auf diese Weise kann der Steuereinrichtung 170 genau der Wert von zumindest einer Zustandsgröße des Gases übermittelt werden, so wie dieser Wert in der Anwendungskammer tatsächlich vorliegt.
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Zur Ermittlung von geeigneten Steuersignalen für eine Ansteuerung der beiden Ventile 124 und 144 verwendet die Steuereinrichtung 170 gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kalibriermodell basierend auf den vorstehend genannten Zustandsgrößen des zugeführten Gases und des zugeführten Fluids. Von einem Benutzer können dann einfach die gewünschten Zustandsgrößen des Gases, welches an dem Gas-Auslassanschluss 128 ausgegeben wird, in die Steuereinrichtung 170 eingegeben werden. Die Steuereinrichtung 170 kann dann selbständig den Zufluss von Gas und Fluid sowie gegebenenfalls die Temperatur des zuströmenden Fluids in geeigneter Weise einstellen, so dass nach einer Temperierung des Gases in dem Wärmetauscher 110 das Gas mit der jeweils gewünschten Temperatur bereitgestellt wird.
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An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das System 100 an der Gasaustrittsseite bzw. in der Gas-Ableitung 126 keine Sensoren aufweist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die mit dem System 100 bereitgestellten temperierten Gase frei von jeglichen Funken zur Verfügung gestellt werden können. Damit kann das hier beschriebene System für Anwendungen verwendet werden, welche in so genannten EX-Schutzbereichen stattfinden.
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Das System 100 kann als baulich kompakte Gas-Temperier-Einheit (GTE) realisiert werden, welche nach folgendem Prinzip funktioniert. Ein oder ggf. auch mehrere Gasströme strömen in den Wärmetauscher, welcher bevorzugt als Sinter-Wärme-Tauscher (SWT) ausgebildet ist. Der SWT hat die Aufgabe, den Gasstrom zu temperieren oder die Gasströme zu vermischen und zu temperieren. Der SWT kann auch mit einem katalytischen Material beschichtet sein und dadurch chemische Reaktionen zwischen verschiedenen zugeführten Gasen ermöglichen oder zumindest begünstigen. Die chemische Reaktion der Gase in der GTE kann dabei endotherm oder exotherm sein.
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Die Temperierung des Gases in dem SWT erfolgt insbesondere mit einer sog. Fluid-Gegen-Temperierung, bei der in dem SWT das Gas und das Fluid in einander entgegengesetzten Richtungen aneinander vorbeiströmen. Die zur GTE hinführende Fluid-Leitung wird als Vorlauf bezeichnet, die von der GTE wegführende Leitung wird als Rücklauf bezeichnet.
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Die Gas-Temperierung in der GTE kann prinzipiell in einem offenen Kreislauf oder in einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden. Bevorzugt wird die Temperierung der GTE mit Thermostaten in einem geschlossenen Fluid-Kreislauf durchgeführt.
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In den folgenden Tabellen sind die bevorzugten physikalischen Zustandsgrößen des Fluids und des Gases aufgeführt, die für den Betriebszustand des in diesem Dokument beschriebenen Systems von Bedeutung sein können. Ferner sind in den Tabellen auch Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen physikalischen Zustandsgrößen aufgeführt.
| Vorlauf-Thermostat (Fluid-Eintritt) |
| T_th_VL | Temperatur Thermostat Vorlauf | Regelbar |
| m_th_VL | Massenstrom Thermostat Vorlauf | Regelbar |
| V_th_VL | Volumenstrom Thermostat Vorlauf | f(m_th und Rho_th_VL) |
| C_th_VL | Spezifische Wärme Fluid Thermostat Vorlauf | f(T_th_VL) |
| Rho_th_VL | Dichte Thermostat Vorlauf | f(T_th_VL, p_th_VL) |
| p_th_VL | Druck Thermostat Vorlauf | f(System) |
| Rücklauf Thermostat (Fluid Austritt) |
| T_th_RL | Temperatur Rücklauf Thermostat | ergibt sich! |
| m_th_VL = m_T_RL | Massenstrom Thermostat | Massenerhaltung |
| V_th_RL | Volumenstrom Thermostat Rücklauf | f(m_th und Rho_th_RL) |
| C_th_RL | Spezifische Wärme Fluid Thermostat | f(T_th_RL, p_th_RL) |
| Rho_th_RL | Dichte Thermostat | f(T_th_RL, p_th_RL) |
| p_th_RL | Druck Thermostat Vorlauf | f(System, d.h. Pumpe und Druckverluste) |
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Mit dem beschriebenen System können prinzipiell beliebig viele (Anzahl i= 1 bis n) Gas-Eintrittsströme verarbeitet werden. Im Folgenden wird der Einfachheit halber ein Beispiel mit einem einzigen Gas-Eintrittsstrom angeführt. Des Weiteren findet keine chemische Reaktion beim Durchströmen des SWT statt.
| Gas Eintritt-Seite an der GTE |
| T_Gas_e | Temperatur Gas Eintritt | Vorgegeben oder regelbar |
| m_Gas_e | Massenstrom Gas Eintritt | Regelbar |
| V_Gas_e | Partial Volumenstrom Gas_i Eintritt | f(m_Gas_e und Rho_Gas_e) |
| Cp_Gas_e | Spezifische Wärme Gas | f(T_Gas_e, p_Gas_e) |
| Rho_Gas_e_i | Gasdichte am Eintritt | f(T_Gas_e, p_Gas_e) |
| p_Gas_e | Gasdruck am Eintritt | Regelbar |
| Gas Austritt-Seite an der GTE |
| T_Gas_a | Temperatur Gas Austritt | Temperierbar innerhalb T_th_VL und T_th_RL |
| m_Gas_a | Massenstrom Gas Austritt | Regelbar, f(m_Gas_e) |
| V_Gas_a | Volumenstrom Gas Austritt | f(m_Gas_a und Rho_Gas_a) |
| Cp_Gas_a | Spezifische Wärme Gas Austritt | f(T_Gas_a, p_Gas_a) |
| Rho_Gas_a | Dichte Gas Austritt | f(T_Gas_a, p_Gas_a) |
| p_Gas_a | Gasdruck am Austritt | Regelbar, f(p_Gas_e, Druckverlust) |
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Die 2 und 3 zeigen jeweils in einer perspektivischen Explosionsdarstellung einen Wärmetauscher 210 für das in 1 dargestellte System 100. Wie aus 2 ersichtlich, weist der Wärmetauscher 210 ein Chassis 211 auf, in welches der eigentliche SWT eingeschoben ist. Der SWT weist eine symmetrische Struktur auf, bei welcher sich der erste Durchströmbereich 212 für das zu temperierende Gas innen und der zweite Durchströmbereich 214 für das temperierende Fluid außen befindet. An der vorderen Stirnseite des SWT befindet sich ein Einlass-Anschluss 223 für das zu temperierende Gas. Hinten befindet sich, wie in 3 dargestellt, ein Auslass-Anschluss 327 für das temperierte Gas. Der Auslass-Anschluss 327 befindet sich in bzw. an einem Anbauelement, welches gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit vier Schrauben 327a an der Rückseite des SWT angebracht ist.
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Wie erneut aus 2 ersichtlich, sind an der vorderen Stirnseite des SWT ein Anschlussstutzen 243 für den Fluid-Vorlauf und ein Anschlussstutzen 247 für den Fluid-Rücklauf in jeweils eine Öffnung des SWT eingebracht. In 3 sind die entsprechenden Leitungen, (i) die Gas-Zuleitung 322 für den Einlass-Anschluss 223 für das Gas, (ii) die Fluid-Zuleitung 342 für den Anschlussstutzen 243 für den Fluid-Vorlauf sowie (iii) die Fluid-Ableitung 346 für den Anschlussstutzen 247 für den Fluid-Rücklauf, dargestellt. In Bezug auf die geplante Strömungsrichtung des Fluids befindet sich stromaufwärts von der Fluid-Zuleitung 342 der Fluid-Einlassanschluss 340 und stromabwärts von der Fluid-Ableitung 346 befindet sich der Fluid-Auslassanschluss 348. In 3 ist ferner eine Isolationshülle 318 dargestellt, welche den gesamten SWT thermisch von seiner Umgebung isoliert, so dass Temperaturschwankungen der Umgebung keinen oder lediglich einen zu vernachlässigenden Einfluss auf den Betrieb des SWT und des gesamten Systems 100 haben.
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4 zeigt ein Temperiersystem 400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches an eine Anwendungskammer 495 eines Rheometers 490 angeschlossen ist und dieser ein temperiertes Gas zur Verfügung stellt.
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Das Rheometer 490 weist neben der Anwendungskammer 495 ein Grundelement 496 auf, welches auch als Fuß des Rheometers 490 bezeichnet werden kann. Ferner weist das Rheometer 490 eine Ständerkonstruktion 497 auf, an welcher ein Rotationsantrieb 498 angebracht ist. In der Anwendungskammer 495 befindet sich ein Temperatursensor 495a, welcher über eine nicht mit einem Bezugszeichen versehene Messleitung mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 499 des Rheometers 490 gekoppelt ist. In der Anwendungskammer 495 befinden sich in bekannter Weise zwei als Rotationselemente ausgebildete Messteile 495b, wobei das obere der beiden Rotationselemente 495b mit einer Drehachse des Rotationsantriebs 498 verbunden ist. Durch eine Drehung des oberen Rotationselementes 495b wird eine zwischen den beiden Rotationselementen 495b befindliche zu vermessende Probe mit einer Rotationsbelastung beaufschlagt und damit die rheologischen Eigenschaften der Probe untersucht. Die beliebig geformten, wechselbaren Rotationselemente 495b des Rheometers 490 werden zusammen mit der Probe von dem Gas temperiert, welches in die Anwendungskammer 495 strömt. Optional können die Rotationselemente 495b zusätzlich temperiert werden.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich in der Anwendungskammer
495 an bzw. in der Wand integriert Temperiereinrichtungen (nicht dargestellt). Die Temperiereinrichtungen können beispielsweise aber nicht abschließend Peltierelemente und/oder eine Widerstandsheizung sein, welche beispielsweise in der
DE 100 58 399 B4 beschriebenen ist bzw. welche unter der Bezeichnung CTD Kammern von der Anmelderin vertrieben wird. Diese Temperiereinrichtungen können selbständig die Atmosphäre in der Anwendungskammer
495 und damit auch die Probe temperieren. Es ist jedoch auch ein Temperierung ausschließlich über die hier beschriebene Zufuhr von einem temperierten Gas möglich. Besonders effizient ist jedoch die Kombination von der Zufuhr von einem temperierten Gas und der Verwendung einer solchen Temperiervorrichtung in der Anwenderkammerkammer
495.
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Die Anwenderkammerkammer 495 eines Rheometers 490 besitzt im Allgemeinen zumindest einen, teils auch mehrere Temperatursensoren und/oder Feuchtesensoren und/oder Drucksensoren. Damit können die von diesen Sensoren erlangten Parameterwerte für die Steuerung und/oder eine Regelung des Gas- und Fluidstromes des Systems 400 herangezogen werden, welche in der Steuereinrichtung 470 durchgeführt wird.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 470 des Temperiersystems 400 in die Steuer- und Auswerteeinheit 499 des Rheometers 490 integriert. Allerdings können alternativ die von den Sensoren in der Anwendungskammer 495 ermittelten Messwerte über eine Schnittstelle an die Steuereinheit 470 des Temperiersystems 400 übertragen werden.
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Das Betriebsgas bzw. das zu temperierende Gas wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einfach aus einer Gasflasche 405 entnommen und über den Gas-Einlassanschluss 420, über die Gas-Zuleitung und über das Gas-Ventil 424 dem ersten Durchströmbereich 412 des Wärmetauschers 410 zugeführt. Das Gas-Ventil 424 wird über die Steuerleitung 474a von der Steuereinrichtung 470 angesteuert. Der Gas-Sensor 432 misst den Volumenstrom des zuströmenden zu temperierenden Gases und übergibt die entsprechenden Messwerte über die Messleitung 433 an die Steuereinrichtung 470. Das Gas kann beispielsweise Stickstoff oder Argon oder auch die in Labors übliche Luftversorgung sein. Über die Gas-Ableitung 426 und den Gas-Auslassanschluss 428 wird das in dem Wärmetauscher 410 temperierte Gas der Anwendungskammer 495 zugeführt.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des einströmenden Gases nicht separat gemessen. Vielmehr wird der zumindest eine Sensor 495 in der Anwendungskammer 456 des Rheometers 490 für die Temperaturregelung herangezogen.
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Der Wärmetauscher 410 bzw. der zweite Durchströmbereich 414 des Wärmetauschers 410 wird über die Fluid-Zuleitung 442 mit temperiertem Fluid aus einer Fluid-Temperiervorrichtung 460, welche auch als Thermostat bezeichnet wird, gekühlt. Die Steuereinrichtung 470 des Systems 400 regelt dabei den Volumen- bzw. Massestrom des Fluids aus der Fluid-Temperiervorrichtung 460 mithilfe des Fluid-Ventils 444, welches über die Steuerleitung 474b angesteuert wird und welches hier das Regelglied darstellt. Die Zulauftemperatur des Fluids wird mit dem Fluid-Sensor 452 gemessen und mittels einer Messleitung 453 zu der Steuereinheit 470 übertragen. Über die Fluid-Ableitung 446 wird das aus dem zweiten Durchströmbereich abfließende Fluid zu der Fluid-Temperiervorrichtung 460 zurückgeführt.
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Um beliebige Fluid-Temperiervorrichtungen 460 und Quellen für das zu temperierende Fluid verwenden zu können, wird durch Messungen (i) bei verschiedenen Fluidtemperaturen (gemessen mit dem Fluid-Sensor 452), (ii) bei verschiedenen Masseflüssen des Fluides (geregelt mit dem Fluid-Ventil 444 über die Steuerleitung 474b) und (iii) bei verschiedenen Volumen- bzw. Masseströmen des zu temperierenden Gases (geregelt mit dem Gas-Ventil 424 und der Steuerleitung 474b) eine Kalibriertabelle ermittelt und in der Steuereinheit 470 hinterlegt. In dieser Kalibriertabelle sind die jeweils in der Anwendungskammer 495 erzielbaren Temperaturen mit den Zulaufparametern des Gases und des Fluids in den Wärmetauscher 410 in Beziehung gesetzt.
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Bei der Durchführung von rheologischen Messungen regelt die Steuereinheit 470 des Systems 400 die Zuläufe von Gas und Fluid, um die benötigte Temperatur in der Anwendungskammer 495 zu erzielen.
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Zusammenfassend bleibt festzustellen: Ein System (100) zum Bereitstellen eines temperierten Gases weist auf: Einen Gas-Einlassanschluss (120), einen Wärmetauscher (110) mit einem ersten Durchströmbereich (112) und einem davon getrennten zweiten Durchströmbereich (114), eine Gas-Zuleitung (122), welche den Gas-Einlassanschluss (120) mit dem ersten Durchströmbereich (112) verbindet, ein Gas-Ventil (124), welches der Gas-Zuleitung (122) zugeordnet ist, zum Steuern eines Gas-Massenstroms, und einen Gas-Auslassanschluss (128). Das System (100) weist ferner auf: Einen Fluid-Einlassanschluss (140), eine Fluid-Zuleitung (142), welche den Fluid-Einlassanschluss (140) mit dem zweiten Durchströmbereich (114) verbindet, ein Fluid-Ventil (144), welches der Fluid-Zuleitung (142) zugeordnet ist, zum Steuern eines Fluid-Massenstroms, und einen Fluid-Auslassanschluss (148), welcher mit dem zweiten Durchströmbereich (114) verbunden ist. Das System (100) weist ferner auf: Zumindest drei Sensoren (132, 152), welche jeweils der Gas-Zuleitung (122) oder der Fluid-Zuleitung (142) zugeordnet sind, zum Erfassen jeweils einer Zustandsgröße des durch die Gas-Zuleitung (122) strömenden Gases bzw. des durch die Fluid-Zuleitung (142) strömenden Fluids, wobei jeder Zuleitung (122, 142) zumindest ein Sensor (132, 152) zugeordnet ist, und eine Steuereinrichtung (170), welche eingangsseitig mit den zumindest drei Sensoren (132, 152) und ausgangsseitig mit den beiden Ventilen (124, 144) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (170) konfiguriert ist, die beiden Ventile (124, 144) basierend auf den von den Sensoren (132, 152) erfassten Zustandsgrößen so anzusteuern, dass das temperierte Gas eine vorbestimmte Temperatur annimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 110
- Wärmetauscher
- 112
- erster Durchströmbereich
- 114
- zweiter Durchströmbereich
- 120
- Gas-Einlassanschluss
- 122
- Gas-Zuleitung
- 124
- Gas-Ventil
- 126
- Gas-Ableitung
- 128
- Gas-Auslassanschluss
- 132
- Gas-Sensor
- 133
- Messleitung
- 140
- Fluid-Einlassanschluss
- 142
- Fluid-Zuleitung
- 144
- Fluid-Ventil
- 146
- Fluid-Ableitung
- 148
- Fluid-Auslassanschluss
- 152
- Fluid-Sensor
- 153
- Messleitung
- 160
- Fluid-Temperiervorrichtung
- 170
- Steuereinrichtung
- 174a
- Steuerleitung
- 174b
- Steuerleitung
- 180
- Steuerleitung
- 186
- Schnittstelle
- 192
- Fluid-Sensor
- 193
- Messleitung
- 210
- Wärmetauscher
- 211
- Chassis
- 212
- erster Durchströmbereich (innen)
- 214
- zweiter Durchströmbereich (außen)
- 223
- Anschluss für Gas-Einlass
- 243
- Anschlussstutzen für Fluid-Vorlauf
- 247
- Anschlussstutzen für Fluid-Rücklauf
- 318
- Isolationshülle
- 322
- Gas-Zuleitung
- 327
- Anschluss für Gas-Auslass
- 327a
- Schrauben
- 340
- Fluid-Einlassanschluss
- 342
- Fluid-Zuleitung
- 346
- Fluid-Ableitung
- 348
- Fluid-Auslassanschluss
- 400
- System
- 405
- Gasflasche (Luft, Stickstoff, Argon,…)
- 410
- Wärmetauscher
- 412
- erster Durchströmbereich
- 414
- zweiter Durchströmbereich
- 420
- Gas-Einlassanschluss
- 422
- Gas-Zuleitung
- 424
- Gas-Ventil
- 426
- Gas-Ableitung
- 428
- Gas-Auslassanschluss
- 432
- Gas-Sensor
- 433
- Messleitung
- 442
- Fluid-Zuleitung
- 444
- Fluid-Ventil
- 446
- Fluid-Ableitung
- 452
- Fluid-Sensor
- 453
- Messleitung
- 460
- Fluid-Temperiervorrichtung / Thermostat
- 470
- Steuereinrichtung
- 474a
- Steuerleitung für das Gas-Ventil
- 474b
- Steuerleitung für das Fluid-Ventil
- 490
- Rheometer
- 495
- Anwendungskammer
- 495a
- Temperatursensor in der Rheometerkammer
- 495b
- Rotationselemente / Messteile
- 496
- Grundelement, Fuß
- 497
- Ständer
- 498
- Rotationsantrieb
- 499
- Steuer- und Auswerteeinheit des Rheometers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4403801 A1 [0046]
- DE 10058399 B4 [0102]
