DE202017005985U1 - Cooling with thermoelectric and saline solution in automated sampling equipment - Google Patents

Abstract

Kühleinrichtung zum automatischen Abkühlen von Flüssigkeiten durch die Verwendung von thermoelektrischer Kühlung und einer Wasser-Chemikalien Mischung mit endothermer Reaktion dadurch gekennzeichnet, dass Wasser durch Einsatz einer thermoelektrischen Kühlung abgekühlt wird und durch Zugabe einer Chemikalie, die in Verbindung mit Wasser eine endotherme Reaktion erzeugt, in das zu kühlende Wasser, die Temperatur des zu kühlenden Wassers zusätzlich sinkt.Cooling device for the automatic cooling of liquids by the use of thermoelectric cooling and a water-chemical mixture with endothermic reaction, characterized in that water is cooled by using a thermoelectric cooling and by addition of a chemical that produces an endothermic reaction in conjunction with water in the water to be cooled, the temperature of the water to be cooled additionally decreases.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlung von z. B. Wasserproben in batteriebetriebenen Probenahmegeräten bei denen aufgrund von nur begrenztem Energievorrat eine Kompressorkühlung nicht eingesetzt werden kannThe invention relates to a cooling of z. B. Water samples in battery-operated sampling equipment in which due to limited energy supply compressor cooling can not be used

Automatische Flüssigkeits-Probenahmegeräte werden für die verschiedensten Überwachungsaufgaben eingesetzt. In vielen Fällen als transportable Einheiten mit Batteriebetrieb. Die nachfolgende Untersuchung der entnommenen Proben beinhaltet in der Regel auch biologische Analysen. Um die Proben für die Zeit zwischen Probenentnahme und Untersuchung im Labor möglichst stabil zu halten wird das Probenmedium auf eine Temperatur von etwa 4°C abgekühlt um biologische Veränderungen (Keimwachstum etc.) so weit wie möglich zu verhindern. Die Kühlung der Proben kann auf verschiedene Arten erfolgen. Eine einfache Möglichkeit ist, den Probenraum vor der Probenahme mit Eis oder Trockeneis zu füllen, so dass ein gewisser Kältevorrat vorhanden ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin eine elektrisch betrieben Kompressorkühlung einzusetzen. Diese Art der Kühlung ist sehr effektiv und lässt sich sehr genau steuern. Allerdings benötigt diese Art der Temperierung viel Energie. Dies ist bei batteriebetriebenen Geräten von großem Nachteil, da je nach Umgebungstemperatur, Wassertemperatur und Dauer des Betriebes große Batterien eingesetzt werden müssen. Eine weitere Möglichkeit der elektrischen Kühlung ist der Einsatz von Thermoelektrischen Elementen, sogenannten Peltier-Elementen. Mit diesen kann durch Speisung mit Gleichstrom ein Kühl- bzw. Heizeffekt erzeugt werden. Eine Kühlung auf dieser Basis kann kostengünstig und kompakt aufgebaut werden. Der Nachteil dieser Elemente ist jedoch, dass sie sehr viel Energie benötigen, relativ uneffizient sind und nur eine begrenzte Kühlleistung von etwa 15°C unter der Umgebungstemperatur ermöglichen.Automatic liquid samplers are used for a variety of monitoring tasks. In many cases as transportable units with battery operation. The subsequent examination of the samples taken usually also includes biological analyzes. In order to keep the samples as stable as possible for the time between sampling and examination in the laboratory, the sample medium is cooled to a temperature of about 4 ° C. in order to prevent biological changes (germ growth, etc.) as far as possible. The cooling of the samples can be done in different ways. An easy way is to fill the sample room with ice or dry ice before sampling, so that a certain amount of cold storage is available. Another possibility is to use an electrically operated compressor cooling. This type of cooling is very effective and can be controlled very accurately. However, this type of temperature control requires a lot of energy. This is a major disadvantage in battery-operated devices, since large batteries must be used depending on the ambient temperature, water temperature and duration of operation. Another possibility of electrical cooling is the use of thermoelectric elements, so-called Peltier elements. With these, a cooling or heating effect can be generated by feeding with DC. Cooling on this basis can be constructed inexpensively and compactly. The disadvantage of these elements, however, is that they require a great deal of energy, are relatively inefficient and allow only a limited cooling capacity of about 15 ° C below ambient temperature.

Ein besonderes Problem stellt dabei der Einsatz von transportablen Probenahmegeräten für die Ereignisprobenahme dar. In solchen Einsatzfällen werden Geräte z. B. an Gewässern platziert um dort beim Eintreten von bestimmten Bedingungen, z. B. starker Pegelanstieg im Gewässer, automatisch Proben zu nehmen. Wenn in diesem Fall auch noch die Forderung nach Kühlung der Probe besteht, dann ergeben sich zwangsläufig weitere Probleme. Eine Vorkühlung mit Eis ist nicht mehr möglich. Eine Kompressorkühlung ist zwar einsetzbar, aber teuer, schwer und mit hohem Energiebedarf. Oft sind bei diesen Probenahmeaufgaben nur kleine Probenmengen zu kühlen, sodass eine kleine leistungsfähige Kühlung ausreichen würde.A particular problem is the use of portable sampling equipment for event sampling. In such applications, devices z. B. placed in waters to avoid the occurrence of certain conditions, eg. B. strong level increase in the water to take samples automatically. If in this case there is still the demand for cooling the sample, then inevitably further problems arise. Pre-cooling with ice is no longer possible. Compressor cooling is usable, but expensive, heavy and with high energy requirements. Often, these sample tasks require only a small amount of sample to be cooled, so a small powerful cooling would suffice.

Auf dem Markt gibt es bereits transportable automatische Probenahmegeräte die mit einer Kühleinrichtung ausgerüstet sind. In der Regel sind dies elektrische Kompressorkühlungen die mit Neztbetrieb (230 Volt 50 Hz) arbeiten. Manche dieser Geräte werden auch mit Gleichstrombetrieb angeboten, sodass anstatt der Netzversorgung eine 12 Volt Batterie eingesetzt werden kann. Für den Betrieb einer solchen Kühlung über 48 Stunden sind dann aber große Batterien mit z. B. 90 Ah notwendig. Insbesondere bei hohen Außen- und Probentemperaturen benötigt die Kühlmaschine längere Einschaltzyklen, sodass die vorhandene Batteriekapazität schneller erschöpft ist. Dass Thermoelektrische Elemente für die Probenkühlung eingesetzt werden ist uns nicht bekannt. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die mögliche Temperaturabsenkung mit etwa 15°C unter die Umgebungstemperatur zu gering ist und die Effizienz zu klein.On the market there are already portable automatic sampling devices equipped with a cooling device. As a rule, these are electrical compressor cooling systems which operate with the mains supply (230 Volt 50 Hz). Some of these devices are also offered in DC mode, so instead of the mains power supply a 12 volt battery can be used. For the operation of such cooling for 48 hours but then big batteries with z. B. 90 Ah necessary. In particular, at high outdoor and sample temperatures, the refrigerator requires longer switch-on, so that the existing battery capacity is exhausted faster. We do not know that thermoelectric elements are used for sample cooling. This is probably due to the fact that the possible temperature drop of about 15 ° C below the ambient temperature is too low and the efficiency too small.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Proben mit einer Kühleinrichtung abzukühlen, die wenig elektrische Energie benötigt, eine Abkühlleistung von mindestens 20°C erreicht und zudem kostengünstig und kompakt aufzubauen ist.Based on this prior art, the present invention seeks to cool samples with a cooling device that requires little electrical energy, achieved a cooling capacity of at least 20 ° C and also is inexpensive and compact to build.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den darauf rückbezogenen Ansprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a cooling device with the features of claim 1. Further advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Grundgedanke der Erfindung ist es, zwei Kühlmethoden zu kombinieren. Eine thermoelektrische Kühlung und eine chemische Kühlung mit einer Salzmischung. Beide Methoden ermöglichen eine Temperaturreduzierung von etwa 15°C. Das heißt in Kombination kann eine Abkühlung von deutlich über 20°C erreicht werden. Eine Möglichkeit diese Kombination zu nutzen besteht darin, den Probenbehälter in ein Wasserbad einzustellen, das durch die Thermoelektrische Kühlung relativ schnell um mehr als 10°C abgekühlt werden kann. Der Energiebedarf für diese Kühlung liegt bei etwa 6 Ah wenn eine Wassermenge von z. B. 500 ml gekühlt werden soll. Um eine weitere Reduktion der Temperatur zu erreichen wird nun in diese Wasservorlage ein Salz, wie z. B. Kaliumchlorid eingebracht, was durch die dabei stattfindende endotherme Reaktion eine weitere Abnahme der Wassertemperatur um etwa 15°C bewirkt. Beide Methoden sind mit technisch einfachen Vorrichtungen anwendbar, können kompakt aufgebaut werden und sind kostengünstig herzustellen. Die Betriebskosten sind ebenfalls gering, da lediglich eine Batterieladung mit 6 Ah und z. B. 100 g Kaliumchlorid oder ähnliche Salze notwendig sind. Je nach Umgebungs- und Wassertemperatur kann auch nur eine Methode zur Anwendung kommen. Dies kann auch durch eine Regelung im Gerät selber geschehen. Auch können die beiden Methoden in umgekehrter Reihenfolge zur Anwendung kommen indem zuerst die Salzmischung angesetzt wird und dann das Thermoelektrische Element eingeschaltet wird. Oder aber beide Methoden werden gleichzeitig eingesetzt. Für längere Standby-Zeiten, wie sie insbesondere bei der Ereignisprobenahme vorkommen ist es ratsam, anstatt der Wasservorlage das Salz um den Probenbehälter vorzuhalten und das notwendige Wasser aus einem geschlossenen Vorratsbehälter automatisch zuzugeben. Dies verhindert, dass sich in offen vorgelegtem Wasser im Laufe der Zeit Verunreinigungen bilden.The basic idea of the invention is to combine two cooling methods. Thermoelectric cooling and chemical cooling with a salt mixture. Both methods allow a temperature reduction of about 15 ° C. That means in combination a cooling of well over 20 ° C can be achieved. One way to use this combination is to set the sample container in a water bath, which can be relatively quickly cooled by more than 10 ° C by the thermoelectric cooling. The energy required for this cooling is about 6 Ah when a water flow of z. B. 500 ml to be cooled. In order to achieve a further reduction of the temperature is now in this water mask a salt such. B. potassium chloride introduced, which causes a further decrease in the water temperature by about 15 ° C by doing taking place endothermic reaction. Both methods are applicable with technically simple devices, can be compact and are inexpensive to manufacture. The operating costs are also low, since only a battery charge with 6 Ah and z. B. 100 g of potassium chloride or similar salts are necessary. Depending on the ambient and water temperature, only one method can be used. This can also be done by a regulation in the device itself. Also, the two methods can be used in reverse order by first preparing the salt mixture and then turning on the thermoelectric element. Or both methods are used simultaneously. For longer standby times, such as those that occur during event sampling, it is advisable to store the salt around the sample container instead of the water reservoir and to automatically add the necessary water from a closed storage container. This prevents impurities from forming in open water over time.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der beigefügten Zeichnung. Die einzelnen Merkmale der Erfindung können für sich allein oder zu mehreren bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen in schematischer Darstellung:The invention will be explained in more detail with reference to two embodiments illustrated in the drawings. Further features of the invention will become apparent from the following description of the embodiments of the invention in conjunction with the claims and the accompanying drawings. The individual features of the invention may be implemented on their own or in several different embodiments of the invention. In a schematic representation:

1 eine erfindungsgemäße Kühlung für Flüssigkeitsproben, 1 a cooling according to the invention for liquid samples,

Das Probenahmegerät (1) entnimmt aus einem Wasservorrat (10) Proben und füllt diese in einen Probenbehälter (3) ab. Dieser Probenbehälter (3) ist in einem thermisch isolierten Gehäuse (5) untergebracht. An dieses Gehäuse angebaut ist eine thermoelektrische Kühlung (8) mit einer Versorgungsbatterie (9) und ein Vorratsbehälter (6) mit Auslassventil (7) zur Aufnahme einer Chemikalie. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich um den Probenbehälter (3) eine Wasservorlage (4) Die Ansteuerung der thermoelektrischen Kühlung (8) und des Auslassventils (7) erfolgt durch die Steuerung des Probenahmegerätes (1). Der Ablauf der Probenahme mit Kühlung kann beispielsweise wie folgt erfolgen: Das Probenahegerät (1) entnimmt die Wasserprobe aus dem Wasservorrat (10) und füllt diese in den Probenbehälter (3) ab. Danach wird die thermoelektrische Kühlung automatisch (8) eingeschaltet. Dadurch wird die Temperatur der Wasservorlage (4) je nach Einschaltdauer der Kühlung (8) um bis zu 15°C abgekühlt. Nach einer bestimmten Zeit oder nach Erreichen eines bestimmten Temperaturwertes in der Wasservorlage (4) wird die thermoelektrische Kühlung (8) automatisch wieder abgeschaltet. Danach wird das Ventil (7) am Vorratsbehälter (6) automatisch geöffnet, was bewirkt, dass die im Vorratsbehälter (6) gelagerte Chemikalie in den Innenraum des isolierten Gehäuses (5) entleert wird und sich mit dem dort befindlichen Wasser (4) vermischt. Die Chemikalie kann z. B. Kaliumchlorid sein. Eine Mischung von Kaliumchlorid mit Wasser erzeugt eine starke endotherme Reaktion, was bewirkt, dass die Wasservorlage (4) weiter abgekühlt wird. In einer weiteren Ausführungsform kann im isolierten Behälter anstatt der Wasservorlage (4) die Chemikalie aus dem Vorratsbehälter (6) vorgelegt und das Wasser (4) im Vorratsbehälter (6) vorgehalten werden. In diesem Fall wird zur Kühlung dann zuerst die Wasservorlage (6) durch Öffnen des Ventils (7) in den Innenraum des isolierten Behälters (5) abgelassen, sodass eine Vermischung mit der dort befindlichen Chemikalie (4) erfolgt. Dies erzeugt eine endotherme Reaktion die zur Abkühlung des Gemisches (Wasser und Chemikalie) führt. Danach wird dann die thermoelektrische Kühlung (8) eingeschaltet, was zu einer weiteren Absenkung der Temperatur im Gemisch (4) führt.The sampling device ( 1 ) withdraws from a water supply ( 10 ) Samples and fill them into a sample container ( 3 ). This sample container ( 3 ) is in a thermally insulated housing ( 5 ) housed. Attached to this housing is a thermoelectric cooling ( 8th ) with a supply battery ( 9 ) and a storage container ( 6 ) with exhaust valve ( 7 ) for receiving a chemical. In a preferred embodiment, the sample container ( 3 ) a water template ( 4 ) The control of the thermoelectric cooling ( 8th ) and the exhaust valve ( 7 ) is carried out by the control of the sampling device ( 1 ). The sequence of sampling with cooling can be carried out, for example, as follows: The sampling device ( 1 ) takes the water sample from the water supply ( 10 ) and fill them into the sample container ( 3 ). Thereafter, the thermoelectric cooling is automatically ( 8th ) switched on. This will change the temperature of the water template ( 4 ) depending on the duration of the cooling ( 8th ) cooled by up to 15 ° C. After a certain time or after reaching a certain temperature value in the water template ( 4 ), the thermoelectric cooling ( 8th ) automatically shut off again. After that, the valve ( 7 ) on the reservoir ( 6 ) automatically opens, which causes the in the reservoir ( 6 ) stored chemical in the interior of the insulated housing ( 5 ) is emptied and with the water there ( 4 ) mixed. The chemical may, for. B. be potassium chloride. A mixture of potassium chloride with water produces a strong endothermic reaction, which causes the water ( 4 ) is cooled further. In another embodiment, in the isolated container, instead of the water reservoir ( 4 ) the chemical from the reservoir ( 6 ) and the water ( 4 ) in the reservoir ( 6 ). In this case, for cooling then first the water template ( 6 ) by opening the valve ( 7 ) in the interior of the insulated container ( 5 ), so that mixing with the chemical located there ( 4 ) he follows. This produces an endothermic reaction which leads to the cooling of the mixture (water and chemical). Thereafter, the thermoelectric cooling ( 8th ), resulting in a further lowering of the temperature in the mixture ( 4 ) leads.

Claims (5)

Kühleinrichtung zum automatischen Abkühlen von Flüssigkeiten durch die Verwendung von thermoelektrischer Kühlung und einer Wasser-Chemikalien Mischung mit endothermer Reaktion dadurch gekennzeichnet, dass Wasser durch Einsatz einer thermoelektrischen Kühlung abgekühlt wird und durch Zugabe einer Chemikalie, die in Verbindung mit Wasser eine endotherme Reaktion erzeugt, in das zu kühlende Wasser, die Temperatur des zu kühlenden Wassers zusätzlich sinkt.Cooling device for the automatic cooling of liquids by the use of thermoelectric cooling and a water-chemical mixture with endothermic reaction, characterized in that water is cooled by using a thermoelectric cooling and by addition of a chemical that produces an endothermic reaction in conjunction with water in the water to be cooled, the temperature of the water to be cooled additionally decreases. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Wasservorlage thermoelektrisch gekühlt wird und dann eine Chemikalie in das Wasser zugegeben wird die zusammen mit Wasser eine endotherme Reaktion erzeugt und das Wasser somit weiter abkühlt.Cooling device according to claim 1, further characterized in that first a water mask is thermoelectrically cooled and then a chemical is added to the water which, together with water, generates an endothermic reaction and thus further cools the water. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Mischung aus Wasser und Chemikalie erzeugt wird die eine endotherme Reaktion erzeugt und das Wassergemisch abkühlt und danach dieses Wassergemsich durch Einsatz einer thermoelektrischen Kühlung weiter abgekühlt wird.Cooling device according to claim 1, further characterized in that first a mixture of water and chemical is generated which generates an endothermic reaction and cools the water mixture and then this Wassermemsich is further cooled by using a thermoelectric cooling. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Kühlung und die Kühlung durch eine endotherme Reaktion von einem Gemisch aus Wasser und Chemikalie parallel angewendet werden.Cooling device according to claim 1, further characterized in that the thermoelectric cooling and the cooling by an endothermic reaction of a mixture of water and chemical are applied in parallel. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der zu kühlenden Flüssigkeit gemessen wird und die Kühleinrichtungen nach Erreichen der Soll-Temperatur automatisch abgeschaltet werden.Cooling device according to claim 1, 2 or 3, further characterized in that the temperature of the liquid to be cooled is measured and the cooling means are switched off automatically after reaching the target temperature.

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