DE4128881C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Herabsetzen der Temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herabsetzen der Temperatur in einer Kammer von einem Ausgangswert auf einen gegenüber dem Ausgangswert niedrigeren Sollwert und zur Regelung der Temperatur auf diesen Sollwert mittels eines Flüssiggases, mit einer Flüssiggas-Zuleitung mit einem von einem Temperaturregler gesteuerten Einlaßventil, über welche Flüssiggas von einer Flüssiggasquelle durch die Kammer und einen Auslaß der Kammer hindurchleitbar ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herabsetzen der Temperatur in einer Kammer von einem Ausgangswert auf einen gegenüber dem Ausgangswert niedrigeren Sollwert und zur Regelung der Temperatur auf diesen Sollwert mittels eines Stromes von Flüssiggas.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS 23 60 032) wird Flüssiggas, z. B. flüssiger Stickstoff, als Kühlmittel über eine Flüssiggas-Zuleitung und ein einziges Magnetventil auf die Kammer geleitet. Zum schnellen Abkühlen der Kammer von einer Ausgangstemperatur auf eine niedrigere, einem eingestellten Sollwert entsprechende Temperatur während einer "Abkühlphase" ist ein relativ starker Strom von Flüssiggas erforderlich. Nach Erreichen der Sollwert-Temperatur ist zum Aufrechterhalten dieser Temperatur eine wesentlich geringere Menge von Flüssiggas notwendig. Das führt dazu, daß während der anschließenden "Regelphase" das Magnetventil in schnellem Takt öffnet und schließt. Das beeinträchtigt die Lebensdauer des Magnetventils und führt zu störenden Geräuschen.

Die EP 0 317 054 A2 betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur in einer Kammer. Dabei ist die Kammer ein Dewar-Gefäß, das bis zu einem über ein Einlaßventil geregelten Niveau mit einem Flüssiggas, insbesondere flüssigem Stickstoff, gefüllt ist. Die Temperatur dieses Flüssiggases wird geregelt über den in dem abgeschlossenen Dewar-Gefäß herrschenden Druck. Dieser Druck bestimmt nämlich den Siedepunkt und damit die sich einstellende Temperatur des Flüssiggases: Wenn die Temperatur des Flüssiggases über dem Siedepunkt liegt, dann verdampft Flüssiggas. Die Verdampfungswärme kühlt das Flüssiggas in dem Dewar-Gefäß ab. Der den Siedepunkt bestimmende Druck wird geregelt. Zu diesem Zweck ist eine Heizung vorgesehen, die eine ständige Verdampfung von Flüssiggas gewährleistet. Ein temperaturabhängig gesteuertes Auslaßventil läßt verdampftes Flüssiggas ab, wenn der Druck im Dampfraum über den dem Sollwert der Siedetemperatur entsprechenden Druck ansteigt.

Diese Art der Regelung setzt eine vollständig mit flüssigem Flüssiggas gefülltes, geschlossenes Dewar-Gefäß voraus. Die Temperaturregelung erfolgt über eine Regelung des Druckes im Dampfraum. Die Regelung kann nur in dem Temperaturbereich erfolgen, in welchem die Siedetemperatur des Flüssiggases durch Regelung des Druckes im Dampfraum verändert werden kann.

Die DE 31 39 479 A1 beschreibt eine Kühlfalle, die in einer Kammer der vorliegenden Art vorgesehen werden kann. Dort ist ein U-Rohr vorgesehen, das zur ohmschen Beheizung eingerichtet ist. Das U-Rohr wirkt mit einer thermoelektrischen Pumpe zusammen und ist in einem Gehäuse angeordnet.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung der zuerst erwähnten Art mit einem durch ein Einlaßventil bestimmten Strom von Flüssiggas als Kühlmittel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Regelung zu verbessern, indem die Schaltfrequenz des Einlaßventils in der Regelphase verringert wird.

Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck

• a) ein paralleler, zu einem Auslaß führender Strömungsweg für das Flüssiggas vorgesehen, der ein Auslaßventil enthält, und
• b) sind Einlaß- und Auslaßventil von dem Temperaturregler ansteuerbar.

Beim Durchfluß durch die Flüssiggas-Zuleitung nimmt das Flüssiggas Wärme auf. Die Temperatur des Flüssiggases steigt trotz einer Isolierung längs der Flüssiggas-Zuleitung an. Dieser Temperaturanstieg ist umso größer, je geringer die Strömungsrate der durch die Flüssiggas-Zuleitung fließenden Strömung ist. Durch den parallelen, zu einem Auslaß führenden Strömungsweg kann diese Erwärmung des Flüssiggases in der Flüssiggas- Zuleitung reduziert und die Kühlleistung in der Kammer entsprechend erhöht werden.

Die Erfindung kann in der Weise angewandt werden, daß Einlaß- und Auslaßventil durch den Temperaturregler derart ansteuerbar sind, daß während des Abkühlens vom Ausgangswert der Temperatur auf den Sollwert Einlaß- und Auslaßventil geöffnet sind und das Auslaßventil nach Erreichen des Sollwertes im wesentlichen geschlossen bleibt, wobei der Sollwert der Temperatur durch intermittierendes Öffnen des Einlaßventils in der Nähe eines thermischen Gleichgewichts der Kammer aufrechterhalten wird.

In der Abkühlphase fließt Flüssiggas ständig über beide Strömungswege ab. Es ergibt sich daher eine hohe Strömungsrate in der Flüssiggas-Zuleitung. Das Flüssiggas erreicht die Kammer mit geringer Erwärmung, so daß sich eine hohe Kühlleistung ergibt. Wenn der Sollwert der Temperatur erreicht ist, wird das Auslaßventil geschlossen. Das Einlaßventil arbeitet intermittierend. Dabei wird eine intermittierende Strömung über das Einlaßventil durch die Kammer und den Auslaß der Kammer in die Atmosphäre geleitet. Das System arbeitet dann bei geeigneter Bemessung im Bereich des thermischen Gleichgewichts. Der zur Regelung der Temperatur erforderliche Regeltakt mit Öffnen und Schließen des Einlaßventils ist wesentlich langsamer als beim Stand der Technik.

Der das Auslaßventil enthaltende parallele Strömungsweg kann vor der Kammer abzweigen.

In dem Strömungsweg des Auslaßventils können Verdampfungsmittel vorgesehen sein, welche eine Verdampfung des Flüssiggas-Stromes vor Erreichen des Auslaßventils sicherstellen. Das kann eine Rohrschlange sein, die von einem Ventilator angeblasen wird. Damit kann für das Auslaßventil ein Ventil verwendet werden, das einen Gas- oder Dampfstrom steuert. Ein solches Ventil ist einfacher als ein Ventil, das z. B. flüssigen Stickstoff schalten muß.

Es ist aber auch möglich, daß die Flüssiggas-Zuleitung unisoliert durch die Kammer geführt ist, derart, daß der Flüssiggas-Strom durch Wärmeaustausch mit der Kammer vor Erreichen des Einlaß- und des Auslaßventils verdampft ist. Dann können beide Ventile zur Steuerung von Gasströmen statt von Flüssiggas eingerichtet sein. Die von dem Flüssiggas in der Flüssiggas-Zuleitung aufgenommene Wärme wird dabei zur Kühlung der Kammer mit ausgenutzt.

Eine andere Anwendung der Erfindung besteht darin, daß Einlaß- und Auslaßventil ein Zweiwegeventil bilden, durch welches Flüssiggas entweder nur auf die Kammer oder nur auf den Auslaß geleitet wird.

Eine solche Anordnung wird dort verwendet, wo ständig eine hohe Kühlleistung gefordert wird, so daß unverdampftes Flüssiggas auf die Kammer geleitet wird.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art wird erfindungsgemäß so ausgestaltet, daß in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur in der Kammer und dem Sollwert eine Strömung von Flüssiggases durch einen Auslaß und eine dazu parallele Strömung von Flüssiggas durch die Kammer derart in Beziehung gesetzt werden, daß zunächst der Sollwert der Temperatur erreicht und dann dieser Sollwert gehalten wird. Dabei kann während einer Abkühlperiode, während welcher die Kammer auf den Sollwert der Temperatur abgekühlt wird, ein vorgegebener hoher Flüssiggas-Strom sowohl durch die Kammer als auch durch den Auslaß erzeugt werden. Während einer Regelungperiode, während welcher die Temperatur im wesentlichen auf dem Sollwert gehalten wird, wird das Flüssiggas bei geschlossenem Auslaß intermittierend nur durch die Kammer geleitet. Während der Regelperiode wird nur bei vorübergehend erhöhtem Kühlbedarf auch ein Flüssiggas-Strom durch den Auslaß geleitet.

Die Erfindung ist für verschiedene Zwecke anwendbar, wie in der Beschreibung erläutert ist.

In der vorliegenden Beschreibung ist der Begriff "niedrigeren" in dem Ausdruck "gewünschten niedrigeren Temperatur" oder der gleichwertige Ausdruck "gewünschten niedrigeren Wert" nach der vorhergehenden Erwähnung des Begriffs "Temperatur" in Bezug auf eine angenommene "bestehende höhere Temperatur" zu verstehen. Wenn beispielsweise ein Gegenstand eine Temperatur von 50°C hat und auf 5°C abgekühlt werden soll, stellt der erstgenannte Wert die "bestehende höhere Temperatur" und der zuletzt genannte die "gewünschte niedrigere Temperatur" dar. Die Verwendung eines Kühlmittels in Form eines verflüssigten Gases bedeutet nicht notwendigerweise, daß die gewünschte niedrigere Temperatur unter 0°C liegt.

Ein im Handel erhältliches verflüssigtes Gas wird üblicherweise mit dem Namen des Gases und dem vorangestellten Begriff "flüssig" bezeichnet, zum Beispiel flüssiges Helium. Diese Konvention wird auch im vorliegenden Zusammenhang befolgt und weiterhin wird der Ausdruck "Flüssiggas" als allgemeiner Ausdruck verwendet, um ein verflüssigtes Gas entweder im flüssigen oder verdampften Zustand zu bezeichnen, es sei denn, daß in dem betreffenden Zusammenhang speziell auf einen der beiden Zustände Bezug genommen wird.

Flüssiger Stickstoff ist ohne weiteres zu vergleichsweise niedrigen Kosten erhältlich und als Kühlmittel besonders geeignet bei vielen Anwendungen, bei denen die Temperatur der Kammer oder des Gehäuses und/oder irgendwelchen Gegenstände darin bis auf -100°C oder darunter von einer höheren Temperatur abgekühlt werden muß; jedoch kann Flüssiggaskühlung sogar angezeigt sein, wo die gewünschten niedrigeren Temperaturen nicht extrem oder in der Tat Über 0°C sind, falls hohe Akühlungsgeschwindigkeiten gefordert werden. Wenn sowohl hohe Geschwindigkeiten als auch sehr tiefe Temperaturen erreicht werden müssen, gibt es fast keine praktischen Alternativen, insbesondere wenn auch hohe Wärmekapazitäten damit verbunden sind.

Im folgenden wird speziell auf flüssigen Stickstoff als Kühlmittel Bezug genommen, was jedoch nicht davon ablenken soll, daß in der Allgemeinheit geeignete Flüssiggase als alternative Kühlmittel verwendet werden können.

Ein Problem, dem man bei der Flüssiggaskühlung begegnet, besteht darin, wie eine gewünschte niedrigere Temperatur innerhalb relativ enger Grenzen wie 1°C aufrechterhalten werden kann, wenn praktisch die einzige zweckentsprechende Art der Steuerung durch die Regulierung des Kühlmittelstroms erreicht wird, der wiederum selbst Veränderungen unterworfen ist, von denen einige nicht vorhersagbar sind. Bevor auf dieses Problem eingegangen wird, mag es hilfreich sein, kurz die Konstruktion des Behälters zu besprechen, in dem Flüssiggase im Handel angeliefert werden.

Wenn man nun tatsächlich flüssigen Stickstoff als Beispiel nimmt, so ist dieses Produkt im Handel in ziemlich großen Vorratsbehältern aus rostfreiem Stahl erhältlich, die nachstehend als Dewarbehälter bezeichnet werden. Dieser Dewarbehälter weist einen Innenzylinder auf, der mit seinem oberen Ende in einem Außenzylinder und im Abstand von diesem aufgehängt ist. Der Zwischenraum ist zur guten thermischen Isolierung evakuiert, um den Wärmefluß von der Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren und die Verdampfung des flüssigen Stickstoffs in annehmbaren Grenzen zu halten. Bei einer typischen Anordnung ist am Kopf des Dewarbehälters ein Anschlußteil vorgesehen, in das zwei Anschlüsse eingeschraubt sind: ein Anschluß, der Zufuhranschluß, steht mit einem langen, engen Rohr in Verbindung, das bis dicht zum Boden des Innenzylinders reicht und einem Verwendungskreis flüssigen Stickstoff zuführen soll; der andere steht mit einem kurzen Rohr in Verbindung, das gerade nur über die obere Stirnwand des Innenzylinders hinausreicht und dazu dient, stattdessen verdampften flüssigen Stickstoff abzuziehen, wenn der Benutzer es verlangt, außer daß er dem Benutzer ermöglicht, den Dewarbehälter mit Stickstoffgas unter einen Druck bis zwischen 20 und 25 p.s.i. (d. h. zwischen etwa 137 und 172 Kilopascal) zu setzen, es sei denn, daß der Hersteller eine Eigendruckbeaufschlagung vorgesehen hat. Der von dem verdampften Flüssiggas in dem Dewarbehälter ausgeübte Druck, der auf das Flüssiggas einwirkt und dieses durch das lange Rohr nach oben zu dem Zufuhranschluß drückt, wird nachstehend als "Dewardruck" bezeichnet. Ein Abblasventil zur Atmosphäre verhindert den Aufbau von Überdruck. Zusätzlich kann der Benutzer den Dewardruck dadurch verringern, daß das Kühlmittel durch den zweiten erwähnten Anschluß abgelassen wird. Wird der Dewarbehälter nicht gebraucht, wird von Zeit zu Zeit etwas verdampftes Gas mit einer Häufigkeit freigesetzt, die von der Umgebungstemperatur, der Einstellung des Abblasventils und der Isolierung des Dewarbehälters abhängt.

Zur Förderung von Flüssiggas von dem Zufuhranschluß des Dewarbehälters zu einer Verbindung mit dem Verwendungskreis dient ein thermisch isoliertes Rohr geeigneter Länge und Bohrung, das üblicherweise als "Transportleitung" bezeichnet wird. Wenn das Kühlmittel in der Transportleitung steht oder über eine gewisse Zeit mit niedriger Geschwindigkeit fließt, befindet sich das Kühlmittel im verdampften Zustand, weil unter solchen Umständen die Kühlung nicht ausreicht, um den flüssigen Zustand gegen die Erwärmungswirkung der Umgebungswärme, die durch die thermische Isolierung der Transportleitung dringt, aufrechtzuerhalten. Daraus folgt, daß nach einer ersten Öffnung des Zufuhranschlußes des Dewarbehälters das Kühlmittel aus der Transportleitung im verdampften Zustand austreten kann, bis ein ausreichender Kühlmittelstrom lange genug aufrechterhalten wurde, um die Transportleitung bis zu einem Punkt abzukühlen, an dem das verdampfte Gas durch Flüssiggas ersetzt wird. Natürlich hängt die für den Wechsel erforderliche Zeit von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Tatsächlich ist es bei allen Anwendungen außer denen mit den höchsten Ansprüchen möglich, auf Kühlung durch verdampftes Flüssiggas dadurch umzuschalten, daß der Kühlmittelstrom so eingestellt wird, daß dieser bei einer gegebenen Umgebungstemperatur die Transportleitung gerade nicht hinreichend kühlt, um den Wechsel zu bewirken.

Die Transportleitung kann von dem Hersteller der Apparatur geliefert werden, in der die Flüssiggaskühlung verwendet wird. Sie wird daher so beschaffen sein, daß die Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit den Maximalwert erreicht, der wahrscheinlich an der Verbindungsstelle mit dem Verwendungskreis unter der Annahme eines Standard- Dewardrucks wie zwischen etwa 137 bis 172 Kilopascal gefordert wird. Natürlich können diese gegebenenfalls durch Nichtstandard-Transportleitungen und -Dewardrücke ersetzt und die Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit dementsprechend eingestellt werden.

Aus den obigen Einzelheiten zum Hintergrund kann man verstehen, daß die Kühlung eines Gehäuses oder einer Kammer erfordert, daß ein durch das Gehäuse oder die Kammer hindurchgehen der Kühlmittelstrom aufrechterhalten werden muß. Unter der Annahme, daß eine gegebene maximale Strömungsgeschwindigkeit erforderlich ist, um eine einigermassen rasche anfängliche Abkühlung auf die niedrigste Temperatur in dem Ausgestaltungsbereich eines Kühlsystems zu erreichen, kann diese Strömungsgeschwindigkeit dauernd aufrechterhalten werden, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist und danach auf intermittieren der Grundlage über Steuermittel, die auf einen Temperatursensor innerhalb des Gehäuses oder der Kammer ansprechen. Diese Steuermittel sind so eingerichtet, daß sie sicherstellen, daß die Kühlwirkung gerade ausreichend ist, um die Wirkung der Wärmeübertragung aus der Umgebung aufzuheben.

In einer typischen bekannten Anordnung wird das Kühlmittel durch ein Magnetventil geleitet, das in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das auf den Temperatursensor anspricht, entweder völlig geöffnet oder völlig geschlossen ist. Befindet sich das Gehäuse oder die Kammer auf Umgebungstemperatur und beträgt die gewünschte niedrigere Temperatur viele Zehnergrade unter 0°C, dann bewirkt das Steuersignal, daß das Magnetventil offen bleibt, bis die gewünschte niedrigere Temperatur erreicht ist; alsdann beginnt das Magnetventil, intermittierend zu arbeiten.

Es ist klar, daß, wenn eine rasche Abkühlung auf eine sehr niedrige Temperatur verlangt wird, die maximale Strömungsgeschwindigkeit vergleichsweise groß sein muß, daß aber nach Erreichen der tiefen Temperatur die Kühlwirkung, die zu ihrer Aufrechterhaltung erforderlich ist, verhältnismäßig gering ist. Um die Kühlwirkung genügend zu verringern, muß das Magnetventil mit einer hoher Unterbrechungsgeschwindigkeit betrieben werden. Dadurch wird seine Lebensdauer sehr beträchtlich begrenzt, die Temperatursteuerung schlecht und unzulänglich hinsichtlich des Kühlmittelverbrauchs und unangenehmes Geräusch erzeugt. Darin liegen schwerwiegende Nachteile des Standes der Technik.

Insoweit die vorliegende Erfindung betroffen ist, bezieht sich der Ausdruck "Kammer" auf Mittel, die ganz oder teilweise einen gegebenen Raum einschließen, der zusammen mit einem oder mehreren darin befindlichen Gegenständen auf die gewünschte niedrigere Temperatur abgekühlt werden soll.

In Fällen, in denen an die gewünschte Temperatursteuerung besonders hohe Anforderungen gestellt werden und die Umstände ihrer Anwendung dies gestatten, kann sich die Kammer in einer Vorkammer befinden, die zwischen der Umgebung und der Kammer angeordnet und selbst einer Kühlung unterworfen ist. Die Einrichtung ist dann so getroffen, daß das Kühlmittel zuerst durch die eigentliche Kammer und dann durch die Vorkammer fließt. Die Temperatur innerhalb der Kammer kann dann in engen Grenzen gesteuert werden, weil die Temperatur der umgebenden Vorkammer nicht sehr davon abweicht und die Vorkammer so als ein besonders wirksamer Puffer gegen Änderungen in der Umgebungstemperatur wirkt.

Es ist verständlich, daß bei der Abkühlung eines Gegenstandes in der Kammer auf einen gewünschten niedrigen Wert die Temperatur des Gegenstandes nicht der Temperatur der Kammer zu folgen braucht, so, wenn der Temperatursensor in engem thermischen Kontakt mit dem Gegenstand steht.

In diesem Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck "Kühlmittelkreis" auf die Mittel, durch die das Kühlmittel vom Anschluß der Transportleitung zur Herabsetzung der Temperatur der Kammer auf einen gewünschten niedrigeren Wert gefördert wird. Obwohl die Transportleitung streng genommen kein Teil des "Kühlmittelkreises" in dem System nach der vorliegenden Erfindung ist, werden ihre Eigenschaften doch bei der Ausgestaltung und der Steuerung des Kühlmittelkreises berücksichtigt.

In einem ersten Ausführungbeispiel der vorliegenden Erfindung, die besonders zur Abkühlung einer Kammer von geringem Volumen und/oder geringer Wärmekapazität auf eine gewünschte niedrigere Temperatur durch Hindurchleiten von verdampftem Flüssiggas geeignet ist, können die Zuführmittel zur automatischen wahlweisen Kühlmittelzufuhr zu der Kammer und der Kühlmittelablaßöffnung ein elektrisch gesteuertes Kühlmittelzufuhrventil und ein elektrisch gesteuertes Kühlmittelablaßventil enthalten, die jeweils einen Einlaßanschluß und einen Auslaßanschluß haben.

Der Einlaßanschluß des Kühlmittelzufuhrventils kann zur Aufnahme eines Flüssiggaskühlmittels von einem Versorgungs-Dewarbehälter durch eine Transportleitung und der Auslaßanschluß an einen Kühlmittelzufuhrkanal angeschlossen sein, der Kühlmittel zu der Kammer fördert.

Es kann ein Kühlmittelablaßkanal vorgesehen sein, der von dem Kühlmittelzufuhrkanal abzweigt und zum Eingangsanschluß des Kühlmittelablaßventils führt. Dessen Auslaßanschluß bildet entweder als solcher oder über eine davon ausgehende Verlängerung die Kühlmittelablaßöffnung.

Die Steuerung kann einen Mikrocomputer enthalten, der auf ein Spezialprogramm anspricht und das Öffnen und Schließen der beiden Ventile bestimmt, die durch einen Magneten betätigt werden können.

Der Mikrocomputer kann durch das Programm in einen solchen Zustand gebracht sein, daß während der anfänglichen Abkühlung der Kammer von der bestehenden höheren Temperatur zu der gewünschten niedrigeren Temperatur sowohl das Kühlmittelzufuhrventil wie auch das Kühlmittelablaßventil offen gehalten werden.

Der Fließwiderstand gegen den Kühlmitteldurchfluß durch den Kühlmittelzufuhrkanal und den Kühlmittelablaßkanal kann im Verhältnis zu einem gegebenen Dewardruck und dem Fließwiderstand der Transportleitung so ausgebildet sein, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels für die anfängliche Abkühlung der Kammer auf die niedrigste Temperatur in dem Ausgestaltungsbereich in annehmbarer Zeit gerade ausreicht. Die Strömungsgeschwindigkeit kann so gewählt werden, daß sichergestellt ist, daß sich das Kühlmittel im verdampften Zustand befindet. Alternativ kann auch eine höhere Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden um zu bewirken, daß das Kühlmittel zur Erzielung einer kürzeren Abkühlzeit im flüssigen Zustand fließt.

Es ist zu beachten, daß im verdampften Zustand des Kühlmittels bei der anfänglichen Abkühlung der Kammer der Vorteil der kumulativen Wirkung des Kühlmittelstroms durch das Kühlmittelzufuhrventil und das Kühlmittelablaßventil ausgenutzt wird. Obwohl der Durchfluß durch das Ablaßventil dazu tendiert, den Durchfluß durch die Kammer zu verringern, bewirkt er im Endeffekt, daß das Kühlmittel der Kammer mit niedrigerer Temperatur zugeführt wird als es anders der Fall wäre. Dies mit dem Ergebnis, daß die Ventile tatsächlich zur Temperaturerniedrigung der Kammer mit einer zufriedenstellenden Geschwindigkeit zusammenwirken.

Das Ende der anfänglichen Abkühlungsperiode ist erreicht, wenn die Temperatur innerhalb der Kammer oder des Gegenstandes, der darin abgekühlt werden soll, auf den gewünschten niedrigeren Wert gefallen ist. Wenn dies geschieht, liegen jedoch sowohl die Transportleitung als auch die Teile wie der Kühlmittelzufuhrkanal, der Kühlmittelablaßkanal und die beiden entsprechenden Ventile, die zusammen mit der Kammer den Kühlmittelkreis bilden, bei höherer Temperatur zurück. Dies beruht auf der Tatsache, daß es wahrscheinlich ist, daß die Wärmeübergangsgeschwindigkeit vom Kühlmittel und auf das Kühlmittel wenigstens bei einigen dieser Teile viel geringer ist als in der Kammer, in der diese Geschwindigkeit ohne weiteres optimiert ist. Daraus folgt, daß eine beträchtliche Zeitverzögerung auftreten kann, bevor sich das ganze Temperatursteuersystem dem thermischen Gleichgewicht nähert. Der Teil des Kühlmittelkreises mit der niedrigeren Übergangsgeschwindigkeit bestimmt dann am Ende das Ausmaß der Verzögerung.

Es kann daher durch das Programm eingerichtet werden, daß das Kühlmittelzufuhrventil während der Zeit offen gehalten wird, während der das Temperatursteuersystem nach der anfänglichen Abkühlung zum thermischen Gleichgewicht gelangt, um zu verhindern, daß ein Teil der in der Wärmekapazität der genannten Teile gespeicherten Wärme in die Kammer abgegeben wird und darin einen Anstieg der Temperatur verursacht. Andererseits kann nun die volle Kühlwirkung verringert werden um sicherzustellen, daß die Temperatur der Kammer nicht unter den gewünschten niedrigeren Wert fällt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß (wiederum durch das Programm) das Kühlmittelablaßventil geschlossen und vielleicht gelegentlich wieder geöffnet wird, um zufälligen Temperaturerhöhungen während der Gleichgewichtseinstellung entgegenzuwirken.

Im Maße der Annäherung an das thermische Gleichgewicht erfolgt die Betätigung des Kühlmittelablaßventils für immer kürzere Zeiten, bis bei oder nahe dem Gleichgewicht durch das Programm eingerichtet werden kann, daß das Zufuhrventil die Steuerung übernimmt und intermittierend arbeitet, so daß die aus der Umgebung in die Kammer eindringende Wärme gerade ausgeglichen wird. Gelegentliche Temperaturstörungen, die zu einem Temperaturanstieg in der Kammer führen, kann bei ihrem jeweiligen Auftreten entgegengewirkt werden, indem durch das Programm eine vorübergehende Öffnung des Kühlmittelablaßventils zur Erhöhung des gesamten Kühlmittelflusses vorgesehen wird.

In dem so weit dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels vorzugsweise so gewählt, daß sichergestellt ist, daß das Kühlmittel niemals in flüssigem Zustand in den Kühlmittelkreis eintritt. Es wurde gefunden, daß die Verwendung des Kühlmittels im verdampften Zustand erlaubt, daß die gewünschte niedrigere Temperatur in engeren Grenzen gesteuert werden kann als dies beim Fließen des Kühlmittels im flüssigen Zustand möglich wäre.

Es ist erkennbar, daß die Zweiventilsteuerung wie sie für das vorliegende Ausführungsbeispiel dargestellt ist, die Arbeitsbelastung des Kühlmittelzufuhrventils verringert, das nach der anfänglichen Abkühlung nicht mehr bei maximaler Strömung und hoher Unterbrechungsgeschwindigkeit das Kühlmittel steuern muß. Im Gegenteil, bei aufrechterhaltener Unterbrechung nachfolgend einem Zustand nahe dem Gleichgewicht, muß das Zufuhrventil lediglich eine vergleichsweise geringe Kühlmittelströmung bei mittleren An- und Abschaltgeschwindigkeiten steuern. Im Ergebnis einer solchen Anpassung der Kühlmittelströmung an die tatsächlichen Anforderungen ermöglicht das dargestellte Temperatursteuersystem im Vergleich zum Stand der Technik die Aufrechterhaltung einer engeren Temperaturkontrolle bei geringerem Kühlmittelverbrauch und sehr viel weniger "Hämmern" des Zufuhrventils. Das Ablaßventil ist natürlich viel weniger belastet, weil es keinem Zweck dienen würde, das Ablaßventil zu öffnen, wenn das Zufuhrventil nicht geöffnet ist. In jedem Fall ist aber seine An- und Abschaltgeschwindigkeit immer kleiner als die des Zufuhrventils, das den Kühlmittelstrom in der Hauptsache steuert.

Der Unzulänglichkeit der Steuerung durch ein einziges Ventil nach dem Stand der Technik wird insbesondere dort abgeholfen, wo eine Kammer von vergleichsweise großem Volumen rasch auf eine Temperatur von -100°C und noch darunter abgekühlt werden muß. Der Ofen eines Gaschromatographen ist ein treffendes Beispiel für eine solche Kammer, nicht nur wegen seines Volumens und der niedrigen Temperaturen, welchen die darin enthaltene chromatographische Säule während des chromatographischen Verfahrens zu Zeiten ausgesetzt werden muß, sondern auch, weil die Situation weiter dadurch erschwert wird, daß der Probeninjektor so ausgebildet ist, daß er zu einem wesentlichen Teil in den Ofen hineinragt, um die Bildung von "Kaltstellen" auf ein Minimum zu reduzieren. Darüberhinaus wird der Probeninjektor sogar beheizt. Ähnliches trifft auch für den Detektor zu, mit dem das Auslassende der Säule verbunden ist. Die vorstehenden Teile des beheizten Probeninjektors und des beheizten Detektors stellen eine Wärmekapazität und eine Wärmequelle dar, die sich zusammen mit der Wärmekapazität solcher Teile wie der Säule und anderen Ausrüstungsteilen innerhalb des Ofens zu einer thermischen Gesamtlast zusammensetzen, die bezüglich des Kühlmittelstroms berücksichtigt werden muß.

Obwohl der Begriff "Ofen" normalerweise mit der Bereitstellung von Temperaturen weit über Umgebungstemperaturen verbunden wird, versteht sich, daß die Kammer, in der sich die chromatographische Säule befindet, passend mit diesem Ausdruck bezeichnet wird, selbst wenn die Kammer für analytische Zwecke auf niedrige Tieftemperaturen abgekühlt wird. Diese Konvention ist in der Chromatographie-Technik wohlverstanden.

Es ist dann verständlich, daß es, wenn ein chromatographischer Ofen, passend zu einem Analysenlauf von angemessener Dauer, mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit auf beispielsweise -100°C abzukühlen ist, fast unvermeidbar ist, daß der für diese Aufgabe erforderliche Kühlmittelstrom derart ist, daß das Kühlmittel in der Transportleitung im flüssigen Zustand ist. So lange das einzige Magnetventil nach dem Stand der Technik offen bleibt, um rasche Abkühlung zu bewirken, entstehen keine besonderen Probleme.

Wenn jedoch die Temperatur auf den gewünschten niedrigeren Wert abfällt und das einzige Magnetventil in die vorerwähnte intermittierende Betriebsart übergeht, die typischerweise durch Mittel gesteuert wird, welche auf einen in dem Ofen befindlichen Temperatursensor ansprechen und dadurch die Dauer der offenen und geschlossenen Intervalle des Ventils einstellen, kann das in dem einzigen Magnetventil ankommende Kühlmittel in unvorhersehbarer Weise zwischen dem flüssigen und verdampften Zustand um eine Temperatur wechseln, die eine Schwellentemperatur zwischen den beiden Zuständen darstellt. Man hat erkannt, daß die Einschaltperiode, die auftritt, während sich das Kühlmittel im flüssigen Zustand befindet, wirksamer ist als die gleiche Periode, in der das Kühlmittel im verdampften Zustand ist. Mit anderen Worten, wenn die Beziehung zwischen dem Temperatursensorsignal und dem Ein/Aus-Betrieb des Ventils genügt, um die Temperatur des Ofens auf einem bestimmten Wert zu halten, wenn das Kühlmittel im flüssigen Zustand ist, reicht diese Beziehung nicht mehr aus, wenn das Kühlmittel in dem weniger wirksamen verdampften Zustand ist. Es folgt daraus, daß, wenn die Temperatur auf einen Wert abgesenkt ist, der nahe dem Schwellwert zwischen den beiden Zuständen ist, können zwei aufeinanderfolgende Ventilöffnungen so erfolgen, daß die erste mit dem einen Zustand und die zweite mit dem anderen Zustand zusammentrifft. In dem System besteht dann die Tendenz zu Schwingungen um den Schwellenwert herum und zu unvorhersehbaren Temperaturabweichungen, die von dem gewünschten niedrigeren Wert weggerichtet sind.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, das zur Abkühlung einer Kammer von vergleichsweise großem Volumen und/oder hoher Wärmekapazität bis zu -100°C und darunter besonders geeignet ist, wobei verdampftes Flüssiggas mit vergleichsweise hoher Strömungsgeschwindigkeit durch die Kammer hindurchgeleitet wird und daher die mögliche Gefahr besteht, daß das Kühlmittel den Kühlmittelkreis im flüssigen Zustand erreicht, kann innerhalb der Kammer ein Wärmetauscher vorgesehen werden, den das Kühlmittel durchlaufen muß, bevor es die Zufuhrmittel zur automatischen wahlweisen Kühlmittelzufuhr zu der Kammer und der Kühlmittelablaßöffnung erreicht.

Der Wärmetauscher kann die Form eines Kühlmittelverdampfungskanals haben, der so eingerichtet ist, daß er mit dem Auslassende der von einem Dewarbehälter ausgehenden Transportleitung verbunden ist, und so ausgebildet und angeordnet ist, daß bei einer vorgegebenen maximalen Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit alles Kühlmittel, das sich dem stromaufwärtigen Ende des Kühlmittelverdampfungskanals nähert, bis zu dem Zeitpunkt verdampft ist, zu dem es die Zufuhrmittel zur automatischen wahlweisen Kühlmittelzufuhr zu der Kammer und der Kühlmittelablaßöffnung erreicht. Die Verdampfungswärme dazu wird von der Kammer zur Verfügung gestellt.

Der Kühlmittelverdampfungskanal kann jede geeignete Form annehmen, die zu einer maximalen Wärmeübertragung zwischen der Kammer und dem Kühlmittel führt, selbst wenn ein Rohr geeigneter Länge und Bohrung für bestimmte Anwendungsfälle ausreichend sein kann. Es ist zu beachten, daß die Wärmeübertragung tatsächlich die Kühlung der Kammer unterstützt und daher dazu tendiert, den Kühlmittelverbrauch zu senken.

Als weiterer Beitrag zur Abnahme des Kühlmittelverbrauchs können Mittel vorgesehen werden, welche die Kühlmittelablaßöffnung innerhalb der Kammer anordnen.

Merkmale des ersten Ausführungsbeispiels können wahlweise auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel enthalten sein. Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, die in dem ersten Ausführungsbeispiel hinsichtlich des niedrigeren Kühlmittelverbrauchs, der engeren Temperatursteuerung und des sehr stark reduzierten "Hämmerns" des Ventils verwirklicht sind, spiegeln sich in dem zweiten Ausführungsbeispiel wieder.

Die vorliegende Erfindung entspringt zum Teil der Erkenntnis, daß, wo immer die gewünschte niedrigere Temperatur dieses zuläßt, eine engere Temperatursteuerung der Kammer nach der anfänglichen Abkühlung dadurch erreicht werden kann, daß das Kühlmittel im verdampften Zustand durch die Kammer hindurchfließt. Es wurde jedoch auch erkannt, daß, wenn die gewünschte niedrigere Temperatur so ist, daß sie nur durch den Durchfluß von Flüssiggas im flüssigen Zustand erreicht werden kann, Schritte unternommen werden müssen um sicherzustellen, daß das Kühlmittel in allen Teilen des Kühlmittelkreises an der Verdampfung gehindert ist, wodurch einige der vorstehend behandelten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Das bedeutet, daß frisches Kühlmittel im flüssigen Zustand in der Transportleitung und im Kühlmittelkreis ständig das Kühlmittel ersetzen muß, das Wärmeübertragung aus der Umgebung erfahren hat, um zu verhindern, daß sich die Temperatur in beiden erhöht und möglicherweise verdampftes Kühlmittel gebildet wird.

Es ist zu beachten, daß sich bei Unterbrechung des Kühlmittelflusses zu der Kammer für Zwecke der Temperatursteuerung das Kühlmittel erwärmt, falls kein Umgehungsstrom vorgesehen ist.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das besonders zur Abkühlung der Kammer auf Temperaturen geeignet ist, die nur durch den Durchfluß von Flüssiggas im flüssigen Zustand durch die Kammer erreicht werden können, können die Zufuhrmittel zur automatischen wahlweisen Kühlmittelzufuhr zu der Kammer und der Kühlmittelablaßöffnung ein gesteuertes Zweiwegeventil enthalten, um das flüssige Kühlmittel aus einer Transportleitung entweder der Kammer oder der Kühlmittelablaßöffnung, aber nicht beiden gleichzeitig zuzuleiten.

Wie in den vorigen Ausführungsbeispielen, kann die Steuerung einen von einem Spezialprogramm betriebenen Mikrocomputer enthalten. Der Mikrocomputer kann durch das Programm so betrieben werden, daß während der anfänglichen Abkühlung das Zweiwegeventil auf die Kammer geschaltet ist und daher kein Kühlmittel durch die Kühlmittelablaßöffnung abgelassen wird.

Zusätzlich kann der Mikrocomputer so betrieben werden, daß nach dem Ende der Abkühlung die gewünschte niedrigere Temperatur dadurch aufrechterhalten wird, daß das Zweiwegeventil intermittierend zwischen der Kammer und dem Kühlmittelablaßventil geschaltet wird, um das Kühlmittel der Kammer mit einer Frequenz zuzuführen, wie sie erforderlich ist, um jede Wärmeübertragung auf die Kammer beispielsweise aus der Umgebung zu kompensieren, durch welche die Kammer über die gewünschte niedrigere Temperatur erwärmt werden würde.

Die Verdampfung des Kühlmittels kann dadurch verhindert werden, daß sichergestellt wird, daß die kumulierte Wirkung des Kühlmittelstroms durch das Zweiwegeventil ausreicht, um eine kritische Erwärmung der Transportleitung und des Kühlmittelkreises zu verhindern.

Die Verwendung des vorgenannten Zweiwegeventils bedeutet, daß kein Kühlmittel unnötigerweise abgelassen wird, wenn minimale Durchflußbedingungen durch die Kammer aufrechterhalten werden, nachdem eine dichte Annäherung an das thermische Gleichgewicht erfolgt ist.

Ein Zweiwegeventil kann ohne weiteres dadurch nachgebildet werden, daß zwei identische Magnetventile mit ihren Basen in gutem thermischen Kontakt verbunden und die Einlaßanschlüsse miteinander vereinigt werden, beispielsweise durch ein Anschlußteil, mit dem auch die Transportleitung verbunden ist.

Im ganzen hat die Erfindung das Grundproblem erkannt, das im Stand der Technik verhindert hat, ein Flüssiggas-Temperatursteuersystem zu schaffen, das zufriedenstellend ist in Bezug auf a) die Nähe der erreichten gesteuerten Temperatur zu dem vom Benutzer eingestellten, gewünschten niedrigeren Temperaturwert, b) wirtschaftlichen Kühlmittelverbrauch, c) akzeptable Ventillebensdauer und d) erträgliches Geräusch und das eine einfache und zweckmäßige Lösung in dieser Hinsicht bringt.

Das Grundproblem liegt darin, daß im Stand der Technik versucht wurde, die Strömung während des Temperaturstabilisierungsstadiums bei der gleichen maximalen Strömungsgeschwindigkeit zu steuern wie sie für die rasche Abkühlung erforderlich ist. Dies ist ein Überwiegender Grund für die schlechten Ergebnisse, die nach dem Stand der Technik bezüglich der vorgenannten Punkte a) bis d) erhalten worden sind. Die durch die Erfindung geschaffene Lösung besteht darin, sowohl die Zufuhr des Kühlmittels zu der Kammer, in der ein Gegenstand auf die gewünschte niedrigere Temperatur gebracht werden soll, als auch das Ablassen des Kühlmittels durch eine Kühlmittelablaßöffnung unter Ansprechen auf die bestehende Temperatur der Kammer im Vergleich zu der eingestellten niedrigeren Temperatur zu steuern. Durch die Einführung des gesteuerten Ablasses in Beziehung zu der gesteuerten Zufuhr des Kühlmittels werden alle Mittel zur automatischen wahlweisen Kühlmittelzufuhr zur Kammer befähigt, unter weit verminderter Last zu arbeiten, wodurch große Verbesserungen hinsichtlich der vorgenannten Punkte a) bis d) verwirklicht werden können.

Nach Erkennung des größeren Problems, das den Stand der Technik belastet, und der Schaffung einer allgemeinen Lösung erkennt die Erfindung auch ein zusätzliches Problem, das mit dem Wechsel im physikalischen Zustand des Kühlmittels verbunden ist und einen überwiegenden Einfluß auf die Strenge der erreichbaren Temperatursteuerung hat: die weit unterschiedliche Wirksamkeit der Steuerung in Abhängigkeit davon, ob das Kühlmittel im verdampften Zustand oder im flüssigen Zustand strömt. Die Lösung dieses zusätzlichen Problems kann im Zusammenhang mit jeder der nachfolgend aufgeführten drei Situationen ausgedruckt werden:

• 1. Kammer von geringem Volumen und/oder niedriger Wärmekapazität, ohne daß extreme gewünschte niedrigere Temperaturen dicht an der Verflüssigungstemperatur des Kühlmittels verlangt werden;
• 2. Kammer von beträchtlichem Volumen und/oder beträchtlicher Wärmekapazität, ohne daß die vorgenannten extremen gewünschten niedrigeren Temperaturen verlangt werden;
• 3. Extreme gewünschte niedrigere Temperaturen.

Im weiten Sinne wird der erstgenannten Situation zweckmäßig dadurch begegnet, daß das Temperatursteuersystem von Anfang an zur Verwendung von verdampftem Flüssiggas über den gesamten Temperatursteuerbetrieb eingerichtet wird. Dieser Betrieb schließt ein anfängliches, rasches Abkühlstadium und ein nachfolgendes Temperaturstabilisierungsstadium bei der gewünschten niedrigeren Temperatur ein, obwohl etwas weniger zweckmäßig flüssiges Kühlmittel während der Abkühlung verwendet werden kann, wenn außergewöhnlich hohe Abkühlgeschwindigkeiten erreicht werden müssen. Der zweiten Situation wird zweckmäßig dadurch begegnet, daß sichergestellt wird, daß wenigstens in dem Temperaturstabilisierungsstadium verhindert wird, daß das Kühlmittel den Kühlmittelkreis in flüssigem Zustand durchströmt. Schließlich wird der dritten Situation zweckmäßig dadurch begegnet, daß die Bildung von verdampftem Kühlmittel während des Abkühlstadiums und des Temperaturstabilisierungsstadiums verhindert wird. Allgemeiner ausgedruckt, sollte die Durchflußsteuerung während des Temperaturstabilisierungsstadiums auf das Kühlmittel entweder im verdampften Zustand oder im flüssigen Zustand ausgeübt werden, nicht aber kombiniert in beiden Zuständen. Die Vorteile, die aus der Lösung des zusätzlichen Problems stammen, addieren sich zu den Vorteilen, die von der Lösung des Grundproblems herrühren.

Die Erfindung wird nachstehend in größeren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine zur Einführung dienende schematische Darstellung von Fig. 2,

Fig. 2 eine Darstellung eines grundlegenden praktischen Ausführungsbeispiels der Erfindung, von dem die anderen Ausführungsbeispiele abgeleitet sind,

Fig. 2A ein abgeleitetes Ausführungsbeispiel in einer Anwendung der Erfindung auf die Kühlung einer Kühlfalle,

Fig. 2B eine Einzelheit von Fig. 2,

Fig. 2C ein abgeleitetes Ausführungsbeispiel, bei dem die Kühlfalle von Fig. 2A auf eine thermoelektrische Pumpe aufgesetzt ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Steuerung mit einem Mikrocomputer, durch den das Erreichen und die Stabilisierung der gewünschten niedrigeren Temperatur in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen gesteuert wird,

Fig. 4 ein Fließdiagramm des Temperatursteuerbetriebs durch den Mikrocomputer unter Spezialprogramm in jedem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Ausnahme der in Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiele,

Fig. 5 eine Darstellung eines abgeleiteten Ausführungsbeispiels in einer Anwendung der Erfindung auf einen chromatographischen Ofen,

Fig. 6 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2, die es gestattet, extreme gewünschte niedrigere Temperaturen dadurch zu erreichen und aufrechtzuerhalten, daß Flüssiggas ausschließlich im flüssigen Zustand durch das Zweiwegeventil strömt,

Fig. 7 die Abwandlung von Fig. 6, bei der das Zweiwegeventil durch zwei von Basis zu Basis verbundene Magnetventile und durch einen Anschluß mit zwei vereinigten Einlaßanschlüssen nachgebildet ist, und

Fig. 8 ein Flußdiagramm der von dem Mikrocomputer in der Steuerung ausgeführten Arbeitsschritte unter dem Spezialprogramm, das auf die Abwandlungen nach Fig. 6 und 7 anwendbar ist.

In Fig. 1 enthält das Temperatursteuersystem nach der vorliegenden Erfindung in weit schematischer Darstellung: ein automatisch steuerbares Kühlmittelzufuhrventil in Form eines Magnetventils 1; eine Kammer 2, die eine geringe Leckage des Kühlmittels zur Atmosphäre erlaubt, die entweder als solche in der Ausbildung der Kammer (siehe Fig. 5) vorhanden ist oder durch einen Kühlmittelablaß (siehe Fig. 2A und 2C) eingeführt ist; einen Kühlmittelzufuhrkanal 3, der Glieder 3A1 und 3A2 eines T-Stück-Verbinders 3A und ein mit dem Glied 3A2 verbundenes Rohr 3B enthält, wobei das Glied 3A1 in Direktverbindung mit dem (nicht gezeigten) Auslaßanschluß des Magnetventils 1 steht und das Rohr 3B die Kammer 2 versorgt; einen Kühlmittelablaßkanal, der ein Glied 3A3 des T-Stücks 3A enthält, das mit einem Rohr 4 verbunden ist, das ein gewundenes Teil 4A enthält, das Wärmluft von einem Ventilator 4B ausgesetzt ist, und den (nicht gezeigten) Einlaßanschluß eines Kühlmittelablaßventils in Form eines Magnetventils 5 versorgt, dessen Auslaßanschluß eine Kühlmittelablaßöffnung darstellt oder zu dieser (siehe Fig. 2) hinführt; und eine Steuerung 6 für die Magnetventile 1 und 5 in Form einer Mikrocomputersteuerung.

Innerhalb der Kammer 2 befindet sich ein Temperatursensor 2B, der (wie später gezeigt wird) mit einem Paar von Leitungen versehen ist, die zu der Steuerung 6 verlaufen. Wenn die Kammer 2 dazu dienen soll, einen besonderen, zu kühlenden Gegenstand aufzunehmen, z. B. das Rohr einer Kühlfalle, ist der Temperatursensor 2B vorteilhafterweise eine örtlich festgelegte Sensoreinrichtung, vorzugsweise ein Thermoelement, das mit dem Gegenstand in gutem thermischen Kontakt steht. Wenn andererseits die Kammer mehrere Gegenstände einschließt oder die Temperatur des umschlossenen Raums von beherrschender Wichtigkeit ist, z. B. beim Kühlen des Ofens eines Gaschromatographen, bildet der Temperatursensor 2B vorteilhafterweise eine ausgedehnte Einrichtung, vorzugsweise einen Platinwiderstandsensor, der sich innerhalb der Kammer befindet, aber mit keinem der Gegenstände darin in Kontakt ist. Das Bezugszeichen 2B bezeichnet daher einen allgemeinen Sensor, wenn die Situation beide spezifischen Sensoren zuläßt wie bei dem Temperatursteuersystem nach Fig. 3 und 4, oder den einen oder anderen spezifischen Sensor, wenn einer gegenüber dem anderen bevorzugt wird wie in der Beschreibung zu den Fig. 2A, 2B, 2C und 5. Das vorerwähnte Kühlmittelzufuhrventil 1, das Kühlmittelablaßventil 5, der Kühlmittelzufuhrkanal 3, der Kühlmittelabasskanal 4 und die Kammer 2 werden fortan als zusammenwirkende Teile des früher bereits eingeführten Kühlmittelkreises betrachtet.

Im Betrieb wird flüssiger Stickstoff von einem (nicht gezeigten) Dewarbehälter dem (nicht gezeigten) Einlaßanschluß des Kühlmittelzufuhrventils 1 in Richtung des Pfeiles A zugeführt und, wenn das Ventil 1 offen ist, durch die Glieder 3A1, 3A2 und das Rohr 3B zur Kammer 2 gefördert, aus der er nach Diffusion durch die Kammer 2 in Richtung des Pfeiles B durch einen Ablaß oder gleichzeitig durch eine Anzahl eingebauter Leckstellen in die Atmosphäre entweichen kann.

Zusätzlich wird das Kühlmittel über die Glieder 3A1 und 3A3 und das Rohr 4 zu dem Einlaßanschluß des Kühlmittelablaßmagnetventils 5 geleitet mit dem Ergebnis, daß bei offenem Ventil 5 etwas Kühlmittel durch den (nicht gezeigten) Auslaßanschluß des Ventils 5 in Richtung des Pfeils C in die Atmosphäre entweicht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 enthält das darin gezeigte Ausführungsbeispiel eine Kühlmitteltransportleitung 7, die mit einer thermisch isolierenden Hülle 7A umgeben ist, um Wärmezufluß aus der Umgebung auf einem Minimum zu halten, wenn Kühlmittel aus dem früher genannten Stickstoff-Dewarbehälter gefördert wird. Die Kühlmitteltransportleitung 7 ist gasdicht mit dem (gegen die Sicht verdeckten) Einlaßanschluß 1A des Kühlmittelzufuhrmagnetventils 1 verbunden, und zwar über einen 90°C-Winkelverbinder 8, dessen eines Glied in den Einlaßanschluß 1A eingeschraubt ist und dessen anderes Glied in Gewindeverbindung mit einem Rohrverbinder 7B der Transportleitung 7 steht. Das Magnetventil 1 ist an einem Flansch 9A eines Rahmens 9 über eine thermisch isolierende Platte 10 abgestützt, die durch Schrauben von unterhalb des Flansches 9A gehalten wird, welche daher in Fig. 2 nicht sichtbar sind.

Um unnötige Wiederholung zu vermeiden, versteht sich fortan, daß alle Verbindungen in dem in Fig. 2 gezeigten Kühlmittelkreis als gasdichte Schraubverbindungen aus Paaren von ineinander greifenden Teilen ausgeführt sind.

Der Auslaßanschluß 1B des Magnetventils 1 ist mit dem Glied 3A1 des T-Stücks 3A verbunden, und der Kühlmittelzufuhrkanal 3 (siehe Fig. 1) wird durch die Verbindung des Rohres 3B mit dem Glied 3A2 über den Rohrverbinder 3B1 vervollständigt. Das Rohr 3B ist durch eine federnde Hülle 3B2 thermisch isoliert, die in die Kammer 2 eindringt und an dem Eintrittsort damit eine Dichtung bildet.

Das Glied 3A3 des T-Stücks 3A ist durch einen Rohrverbinder 4C mit dem Rohr 4 einschließlich des gewundenen Mittelteils 4A verbunden. Eine ähnliche Verbindung ist am stromabwärtigen Ende des Rohres 4 eingerichtet und schließt den Eingriff zwischen einem Rohrverbinder 4D und einem Adapter 5A1 ein, der in den Einlaßanschluß 5A des Magnetventils 5 eingeschraubt ist, das an einem aus einem Stück mit dem Rahmen 9 gebildeten Arm 9B mittels Schrauben 9B1 und 9B2 gehalten ist. Ein Adapter 5B1 und ein Rohrverbinder 11A wirken in gleicher Weise zusammen, um eine Verbindung zwischen dem Ablaßrohr 11 und dem (gegen Sicht verdeckten) Auslaßanschluß 5B des Ventils 5 zu knüpfen. Das Ende 11B des Rohres 11 stellt die Kühlmittelablaßöffnung dar. Wenn das Rohr 11 weggelassen wird, wirkt der Auslaßanschluß 5B als die Kühlmittelablaßöffnung.

Zusätzlich zur Halterung der Magnetventile 1 und 5 hält der Rahmen 9 eine Tropfschale 12 durch eine untere, abgewinkelte Verlängerung 9C, die mit nach oben gewandten Halteflanschen wie 9C1 und 9C2 versehen ist. Die Tropfschale 12 ist vorzugsweise eine Plastikschale und dient dem Zweck, Tropfen von dem darüber befindlichen Kühlmittelkreis zu sammeln, die von der oberflächlichen Eisbildung durch die Umgebungsfeuchtigkeit, wenn der Kühlmittelkreis arbeitet, und dem nachfolgenden Abtauvorgang stammen, wenn dieser abgeschaltet wird.

Das Haupterfordenis für den Betrieb des Ventils 1 besteht darin, daß es in der Lage sein soll, bei Temperaturen weit unter -100°C zufriedenstellend zu arbeiten. Das gleiche Erfordernis wurde im Fall des Ventils 5 dadurch umgangen, daß in dem Rohr 4 der gewundene Teil 4A vorgesehen und bewirkt wurde daß wärmende Luft von dem Ventilator 4B auf diesen Teil auftrifft.

Der in Fig. 2 dargestellte Ventilator 4B ist ein gut bekannter, ohne weiteres erhältlicher Ventilator mit 5 Schaufeln und eingebautem Elektromotor. Die Nabe des Ventilators ist aus einem Stück mit dem rotierenden Teil des Motors gebildet, der durch einen kreisförmigen Pfeil D markiert ist, der die Drehrichtung anzeigt. Der stationäre Motorteil liegt dem gewundenen Teil 4A gegenüber und ist nicht zu sehen; er ist durch Streben an einem Stützrahmen abgestützt. Die Streben und der Rahmen sind weggelassen worden, da sie die Ansicht des gewundenen Teils 4A größtenteils verdeckt haben würden. Der Motor wird über die Leitungen 4B1 und 4B2 mit Wechselstrom aus einer Stromversorgung wie Netzstrom gespeist, was durch das gezeigte Symbol gekennzeichnet wird.

Wenn das Temperatursteuersystem Teil einer Vorrichtung ist, in der Wärme erzeugt wird und bereits ein Absaugventilator vorgesehen ist, ist es einfach eine Sache der Anordnung des gewundenen Teils in dem Ausgangsstrom des Ventilators. In Fig. 2 ist angenommen, daß der Ventilator bereits zur Verfügung steht, um Wärme aus der Vorrichtung abzuführen, von der das Temperatursteuersystem einen Teil bildet. Wenn das nicht der Fall ist und es aus irgendeinem Gestaltungsgrund schwierig ist, einen wärmenden Ventilator vorzusehen, besteht die offensichtliche Alternative darin, den gewundenen Teil 4A in dem Rohr 4 fortzulassen und ein Ventil 5 anzubringen, das die gleichen Spezifikationen wie das Ventil 1 erfüllt.

Die Kammer 2 kann in Abhängigkeit von ihrem Zweck und der Gestalt des Gegenstandes oder der Gegenstände, die in der Kammer zu kühlen sind, jede geforderte Form und Proportion annehmen. Die in Fig. 2 abgebildete Kastenform eines Parallelepipeds aus Aluminium hat rein symbolischen Charakter und steht daher für jede passende Form und Größe.

Hinsichtlich der elektrischen Auslegung sind die Magnete innerhalb des Ventils 1 und des Ventils 5 (von denen natürlich keiner sichtbar ist) mit der Steuerung 6 durch entsprechende Leitungspaare 1C1-1C2 und 5C1-5C2 verbunden. Ein anderes Leitungspaar 2B1-2B2 verbindet den Temperatursensor 2B mit der Steuerung 6, die über Leitungen S1 und S2 von einer 24 V-Gleichstromversorgung, die durch DC gekennzeichnet ist, mit Energie versorgt wird.

Wie bereits in Bezug auf Fig. 1 angegeben wurde, kann die Kammer 2 in Fig. 2 einen einzigen Gegenstand aufnehmen, dessen Temperatur streng kontrolliert werden soll. In diesem Fall ist der Temperatursensor 2B vorzugsweise ein an den Gegenstand angeschweißtes Thermoelement. Die Kammer kann auch mehrere Gegenstände aufnehmen und die Temperatur des umschlossenen Raumes soll aus praktischen Gründen festgestellt werden; in diesem Fall ist der Temperatursensor vorzugsweise eine Widerstandsspule aus vielen Windungen eines sehr feinen Platindrahtes.

Da die Natur des Temperatursensors den Betrieb der Steuerung 6 nicht bedeutend beeinflußt, wird dieser Betrieb nachfolgend auf der Grundlage beschrieben, daß der Temperatursensor von beiden Arten sein kann.

Die folgende Beschreibung von Fig. 3 und 4 gilt für die Ausführungsbeispiele nach Fig. 2 und davon abgeleitete Ausführungen, außer daß die Ausführungsbeispiele nach Fig. 6 und 7 eine Abwandlung des Programms entsprechend dem Fließdiagramm nach Fig. 8 erfordern.

In Fig. 3 erhält die Steuerung 6, die durch die Teile innerhalb des äußeren gestrichelten Rahmens dargestellt ist, ein Eingangssignal von dem Temperatursensor 2B (Fig. 2) und bewirkt, daß aktivierende Ausgangssignale zu den Magneten in den Magnetventilen 1 und 5 abgegeben oder unterbrochen werden, je nachdem, ob diese Ventile geöffnet oder geschlossen werden sollen. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 2B wird durch einen Verstärker 6A verstärkt, durch einen Analog/Digital-Wandler 6B in digitale Form gewandelt und an den Mikrocomputer 6C über einen Bus 6D weitergegeben, der mit einem Festspeicher (ROM) 6C1, einem Mikroprozessor 6C2 und einem Schreib-Lese- Speicher (RAM) 6C3 verbunden ist. Der Bus 6D steht auch mit einer Blocktastatur 6E in Verbindung, die den Benutzer befähigt, die gewünschte niedrigere Temperatur einzustellen, und mit einer Anzeige 6F, die sowohl die geforderte Temperatur als auch die durch das Temperatursteuersystem tatsächlich erreichte Temperatur anzeigt. Das berechnete Ausgangssignal, wie es durch ein in dem Festspeicher 6C1 gespeichertes Programm bestimmt wird, wird an den Signalspeicher 6G weitergegeben, der in zwei Kanäle verzweigt, deren einer das Ventil 1 und deren anderer das Ventil 5 steuert. Der zuerst genannte Kanal enthält einen Treiber 6H1, der ausreichende Leistung zum Betrieb eines Relais 6I1 zur Verfügung stellt, welches wiederum den Magneten im Ventil 1 betätigt. Der zweite Kanal enthält ebenfalls einen Treiber 6H2 und ein Relais 6I2, das den Magneten im Ventil 5 betätigt.

Die Dauer, während der jedes der Ventile 1 und 5 offen oder geschlossen ist, wird durch das in dem Festspeicher 6C1 gespeicherte Programm bestimmt, welches das Signal vom Temperatursensor 2B mit der an der Blocktastatur 6E eingestellten, gewünschten niedrigeren Temperatur vergleicht und den Mikrocomputer 6C in der Weise betreibt, daß der Signalspeicher 6G arbeitet und den Magneten im Ventil 1 über den Treiber 6H1 und das Relais 6I1 und den Magneten im Ventil 5 über den Treiber 6H2 und das Relais 6I2 derart steuert, daß Kühlmittelfließbedingungen eingestellt werden, unter denen die Kammer 2 auf die eingestellte Temperatur abgekühlt wird. Es ist natürlich wohlbekannt, daß übliche Magnetventile nur zwei Zustände zulassen: voll geöffnet, wenn eingeschaltet, und voll geschlossen, wenn abgeschaltet, obwohl, falls erforderlich, der umgekehrte Zustand herbeigeführt werden kann.

Das in dem Festspeicher 6C1 gespeicherte Programm erfüllt tatsächlich die Erfordernisse, die in dem Fließdiagramm von Fig. 4 dargestellt sind, das nachfolgend im einzelnen beschrieben wird.

Die folgende Beschreibung von Fig. 4 enthält Bezugnahmen auf Fig. 1 bis 3 (quod vide). Die Reihenfolge von Arbeitsschritten, die von dem Programm beherrscht werden, beginnt tatsächlich bei 6C1B, wenn der Mikrocomputer 6C das Initialisierungsverfahren durchführt wie das Nullsetzen des Schreib-Lese-Speichers 6C3, wobei der vorhergehende Block 6C1A lediglich auf den anfänglichen Eingriff des Benutzers durch die Handlung des Einschaltens der Steuerung 6 durch Niederdrücken der Kipptaste 6E1 in der Blocktastatur 6E hinweist. Nach der Initialisierung wird der Benutzer durch die Anzeige 6F dahin geführt, die gewünschte niedrigere Temperatur durch Niederdrücken der entsprechenden Tasten in einer Tastenmatrix 6E2 nach Rechnerart in der Blocktastatur 6E einzugeben. Dies ist bei 6C1C angezeigt und markiert den zweiten und letzten Eingriff durch den Benutzer in jedem einzelnen Lauf. Es ist zu beachten, daß das X mit dem voranstehenden Minus-Zeichen eine gewünschte niedrigere Temperatur bezeichnet, wie sie auf der Blocktastatur 6E eingestellt ist. Das Minus-Zeichen bezeichnet einen Wert, der niedriger ist als eine höhere bestehende Temperatur. Es bezeichnet jedoch nicht notwendigerweise eine Tieftemperatur unter 0°C.

Der erste Ventilsteuerschritt, der durch das Programm ausgelöst wird, tritt in der bei 6C1D spezifizierten Weise auf. Dabei werden beide Magnetventile 1 und 5 vollständig geöffnet, um eine rasche Abkühlung der Kammer 2 und ihres Inhalts von der Umgebungstemperatur auf die eingestellte, gewünschte niedrigere Temperatur zu ermöglichen. Während des Ablaufs dieser Abkühlung wird die Temperatur in der Kammer 2 durch den Temperatursensor 2B erfaßt und unter Kontrolle des Programms mit dem eingestellten Wert, der in dem Schreib-Lesespeicher 6C3 (RAM) gespeichert ist, verglichen. Dadurch wird zunächst festgestellt, ob entsprechend 6C1E die in der Kammer 2 bestehende Temperatur höher ist als die um 0,25°C erniedrigte, gewünschte niedrigere Temperatur (die durch -X dargestellt ist), so daß also, wenn in einem Beispiel die eingestellte Temperatur zu -100°C angenommen wird, die bestehende Temperatur höher, das heißt wärmer als -100,25°C ist. Ist die Antwort auf diese Frage "JA", so tritt das Programm in eine Warteschleife ein, wie sie durch den "JA"-Zweig in 6C1E angezeigt ist. Ist die Antwort "NEIN", wird die "NEIN"-Route zu 6C1F; befolgt und das Programm wird dementsprechend bestimmen, daß das Ventil 1 offen gehalten und das Ventil 5 geschlossen wird. Das bedeutet, daß die Kühlwirkung herabgesetzt wird, obwohl der Durchfluß des Kühlmittels durch die Kammer 2 aufrechterhalten und tatsächlich leicht erhöht wird, aber auf einer höheren Temperatur, da das Ventil 5 nicht dazu beiträgt, einen hohen Gesamtdurchfluß aufrechtzuerhalten, der aus dem Kammerdurchfluß und dem Ablaßdurchfluß zusammengesetzt ist. Im Ergebnis werden daher die Kühlmittel fördernden Teile, die von der Umgebungstemperatur beeinflußt sind, beginnen, sich leicht zu erwärmen.

Die Überwachung der bestehenden Temperatur durch das Programm wird fortgesetzt, damit die bei 6C1G gestellte Frage beantwortet wird. Die Frage deutet an, daß von dem Steuersystem verlangt wird, die bestehende Temperatur nicht merklich über den Sollwert steigen zu lassen. Man beachte an dieser Stelle auch, daß Abweichungen unter den Sollwert nur in vergleichsweise engen Grenzen zulässig sind. Falls nun die Antwort "JA" ist, wird weitere Kühlung verlangt; man erkennt, daß die "JA"-Route zurück zu 6C1D führt mit dem Ergebnis, daß die von diesem Punkt an beschriebene Folge wiederholt wird. Die Rückführung durch das Programm besteht weiter, bis die Antwort "NEIN" wird. In diesem Fall ist eine Antwort fällig auf die bei 6C1H gestellte Frage, nämlich ob die bestehende Temperatur um 1,5°C unter den eingestellten Sollwert gefallen ist. Falls nicht, zeigt der "NEIN"-Zweig an, daß das Programm in eine Warteschleife eintritt. Falls die Antwort "JA" ist, bedeutet dies, daß die bestehende Temperatur unter die vorgegebene Grenze hinaus abgefallen ist und daß deshalb eine geringere Kühlung angewendet werden muß. Demzufolge wird bei 6C1I verlangt, daß beide Ventile 1 und 5 geschlossen werden. Die Wirkung dieses letzten Schrittes muß überwacht und die bei 6C1J gestellte Frage durch das Programm beantwortet werden. Liegt die Temperatur nicht mehr als 0,5°C unter dem Sollwert, ist alles in Ordnung und das Programm kann in eine Warteschleife gebracht werden. Andernfalls muß der "NEIN"-Route zu 6C1F gefolgt werden und die Abfolge von dort wiederholt werden. Es können mehrere Iterationen erforderlich sein, bevor das System in einen vergleichsweise stationären Zustand gelangt. Bei dichter Annäherung an diesen bleibt die bestehende Temperatur weitgehend unter dem Sollwert. Das bedeutet, daß die Antwort bei 6C1G zu "NEIN" tendiert und die Steuerung hauptsächlich die mit 6C1H, 6C1I und 6C1J bezeichneten Schritte einschließt. Dabei wird das Ventil 1 intermittierend geöffnet und geschlossen, und das Ventil 5 bleibt meistens geschlossen, es sei denn, daß eine gelegentliche Störung einen Anstieg der bestehenden Temperatur verursacht. In diesem Fall reagiert das System durch vorübergehendes öffnen des Ventils 5 durch die Schleife unter Einschluß von 6C1D, bis die Störung überwunden ist und die Schleife unter Einschluß von 6C1F wieder in Betrieb genommen wird.

Das Ausführungsbeispiel, das so weit mit Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 beschrieben wurde, läßt sich an spezifische Anwendungen anpassen, von denen einige die Form, die Größe und andere physikalische Merkmale der Kammer 2 bestimmen. Bei einigen Anwendungen ist kein Ablaß erforderlich, durch den das Kühlmittel abfließen kann, weil das als Kammer wirkende Gehäuse fast unvermeidbar Lecks aufweist, z. B. der Ofen eines Gaschromatographen. Bei anderen Anwendungen ist ein Ablaß mit oder ohne Rückschlagventil erwünscht, z. B. in dem Gehäuse einer Kühlfalle. Die Kammer 2 in Fig. 2 ist ein Symbol für beide Situationen, wie gegenwärtig erkennbar ist.

Die Kammer 2 kann typischerweise eine Kühlfalle aufnehmen, die im wesentlichen ein zylindrisches Rohr aufweist, das ein Adsorbens enthält, an dem eine gasförmige Analysenprobe abgeschieden wird, während die Temperatur des Rohres über eine längere Zeit auf einem gewünschten niedrigeren Wert gehalten wird. Dieser Zeit folgt ein sehr kurzes Intervall, während dessen die Temperatur auf einen vergleichsweise hohen Wert erhöht wird, um eine thermische Desorption der Probe in Form eines in der Zeit konzentrierten "Pfropfens" typischerweise für die Einspritzung auf die Säule eines Gaschromatographen zu bewirken.

Die beschriebene Anordnung ist gut geeignet, um den Anforderungen zu genügen, die an Kühlfallenanwendungen gestellt werden und sogar größer sind als die gerade erwähnten Anforderungen. Wenn die Wärmekapazität des Fallenrohres auf ein Minimum reduziert werden muß und keine zusätzliche Wärmekapazität wie die von Wärmetauschern und dergleichen, die für den Zweck der Flüssiggaskühlung erforderlich sind, hinnehmbar sind, weil sie den Heizzyklus und daher die Zeitdauer der Pfropfenbildung verlängern würden, wodurch die Länge des Pfropfens in der Säule vergrößert und die Auflösung des Chromatogramms verschlechtert würde, ist die Anordnung nach Fig. 2A besonders vorteilhaft. In Fig. 2A ist die Kammer 2 nur schemenhaft gezeigt. Sie fungiert als Vorkammer, in der sich die eigentliche Kammer befindet, die innerhalb eines längs verlaufenden Mantels 2D bestimmt ist, der aus zwei Hälften 2D1 und 2D2 aufgebaut ist, die entlang einer axialen Ebene aneinanderstoßen. Der Mantel 2D umgibt ein gerades, zylindrisches, dünnwandiges Rohr 2C aus rostfreiem Stahl sehr geringer Wärmekapazität. Zwischen der Innenwand des Mantels 2D und der Außenfläche des Rohres 2C erstreckt sich eine Ringkammer 2D3, deren Weite durch drei Vorsprünge 2D4 bestimmt ist, die als Abstandsstücke für das Rohr 2C von der inneren Zylinderfläche des Mantels 2D wirken.

Die obere Hälfte 2D1 des Mantels 2D ist mit zwei Nippeln 2D1A und 2D1B versehen, an die zwei Zweige 3B3A bzw. 3B3B eines Rohres 3B durch ein T-Stück 3B3C angeschlossen sind. Diese Nippel ermöglichen, daß das Kühlmittel die Ringkammer 2D3 erreicht, um das Rohr 2C herumwirbelt und durch die beiden Längsenden der Ringkammer 2D3 in die Vorkammer 2 austritt. Diese Enden sind offen gelassen bis auf die kleine Sperre, die durch die Vorsprünge 2D4 bewirkt wird. Sie sind in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordnet, um eine bessere Verteilung des Kühlmittels um den Mittelbereich des Rohres 2C, in dem sich das Adsorbens befindet, zu erzeugen. Die Vorkammer 2 ist gegen den Zutritt von Feuchtigkeit aus der Umgebung zweifach dadurch geschützt, daß ihr Deckel abgedichtet ist und trockener Stickstoff in die Vorkammer 2 durch ein Rohr 2E eingepumpt wird, das mit einer Durchführung 2E1 zum Schutz gegen kleine Lecks gegen über der Umgebung dadurch zusammenwirkt, daß innerhalb der Vorkammer 2 selbst dann ein positiver Gasdruck aufrechterhalten wird, wenn das Kühlmittelzufuhrventil 1 geschlossen ist. Die Vorkammer 2 ist mit einem Ablaß 2A versehen, der mit einem Rückschlagventil ausgerüstet ist, das öffnet, wenn der Druck innerhalb der Vorkammer ca. 3,4 Kilopascal erreicht. Jede Feuchtigkeit, die in die Vorkammer 2 eingeschlossen wird, würde eine schädliche Wirkung auf die Funktion der Kühlfalle ausüben, da sie eine große zusätzliche Wärmekapazität bilden würde, die bei einer Konstruktionsanforderung nach Reduzierung der gesamten Wärmekapazität auf ein Minimum nicht hingenommen werden könnte. Der Mantel 2D selbst hat eine geringe Wärmekapazität, und die gesamte vorhandene Wärmekapazität wurde tatsächlich so weit reduziert, daß sie nur noch eine unerhebliche Wirkung auf die Geschwindigkeit hat, mit der die Temperatur des wirksamen Teils des Rohres 2C zur thermischen Desorption erhöht wird. Das Rohr 2C enthält ein geeignetes (nicht gezeigtes) Adsorbens und ist mit zwei geschweißten Leitungen 2C1 und 2C2 versehen. Durch diese kann der Mittelbereich des Rohres rasch auf eine erhöhte Temperatur durch ohmsche Beheizung gebracht werden, die durch Hindurchleiten eines starken elektrischen Stromes über die Leitungen 2C1 und 2C2 aus einer Wechselstromversorgungsquelle über einen Abwärtstransformator T erfolgt, dessen Primärwicklung durch einen Schalter SW1 eingeschaltet wird. Der Temperatursensor 2B (Fig. 2B) in Form eines Thermoelementes ist tatsächlich an das Rohr 2C dicht an dessen Mittelbereich angeschweißt. Die Leitungen 2B1 und 2B2 des Thermoelementes verlaufen durch einen Durchbruch 2D1C in der Mantelhälfte 2D1 und zu der Steuerung 6 (Fig. 2). Eine Gasprobe kann durch ein Rohr 2C3 dem Rohr 2C und nach der thermischen Desorption durch ein Rohr 2C4 der chromatographischen Säule eines (nicht gezeigten) Gaschromatographen zugeführt werden.

Die Vorkammer 2 ist mit abgedichteten Durchführungen 2C3A und 2C4A ausgerüstet, durch welche die Rohre 2C3 und 2C4 hindurchgeführt sind.

In dem von der Fig. 2 abgeleiteten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2A ist die niedrigste wählbare Temperatur -100°C. Das Volumen der Ringkammer 2D3 ist 1 ml. Die kombinierte Wärmekapazität des Rohres 2C und des Mantels 2D wird dadurch angezeigt, daß die Abkühlungszeit von der Umgebungstemperatur auf -100°C nur 90 Sekunden beträgt und der Kühlmittelfluß dafür durchaus mäßig ist. Die Fließwiderstände der verschiedenen Bestandteile des Kühlmittelkreises wurden so gewählt, daß bei maximaler Kühlmittelströmung zur Erreichung der gewünschten Abkühlungszeit niemals flüssiger Stickstoff den Einlaßanschluß des Ventils 1 erreicht. Das bedeutet natürlich, daß alle anderen Teile des Kühlmittelkreises stromab von dem Ventil 1 frei von flüssigem Stickstoff sein müssen, der, nachdem er einmal verdampft ist, nicht wieder verflüssigt werden kann, ohne ihn in einer richtigen Verflüssigungsanlage unter sehr hohen Druck zu setzen. Natürlich sind die Fließwiderstände des Zufuhrkanals zu der Ringkammer 2D3 und des Ablaßkanals, der über das Ablaßventil 5 zur Atmosphäre führt, so in Beziehung zueinander gewählt, daß die kombinierte, durch das Ventil 5 zur Atmosphäre und durch den Ablaß der Kammer 2A abgelassene Strömung die kleinste ist, welche die gewünschte Temperatursteuerung nach der Erfindung sicherstellt, um den vollen Nutzen des Vorteils niedrigen Kühlmittelverbrauchs zu erlangen. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 2A ist dort besonders geeignet, wo die Anforderungen an die Kühlfalle so sind, daß ihnen zum größten Teil nur durch Flüssiggaskühlung genügt werden kann.

In Fig. 2C ist der in Fig. 2A abgebildete Mantel 2D innerhalb der Kammer 2 von Fig. 2 untergebracht, die jetzt als Vorkammer wirkt und schemenhaft dargestellt ist. Mit Ausnahme des Bezugszeichens 2A wird in Fig. 2C die Bezeichnung der in Fig. 2A enthaltenen Teile nicht wiederholt, um die Anhäufung von Bezugszeichen zu vermindern. Zum gleichen Zweck wird die elektrische Verbindung zwischen dem Fallenrohr 2C und dem Transformator T nicht gezeigt.

Der Mantel 2D ist so dargestellt, daß er an der Kopfstufe 2F1 einer aus vielen, in Reihe verbundenen Stufen bestehenden thermoelektrischen Pumpe 2F angebracht ist, deren Leitungen 2F7A und 2F7B durch Durchführungen 2F7C verlaufen und sich zu einer stabilisierten Gleichspannungsversorgung PS erstrecken, die über einen Schalter SW2 von Netzwechselspannung versorgt wird. Die Stufe 2F1 wiederum ist durch eine Aluminiumplatte 2F2 gehalten, die der Stufe 2F3 aufliegt, welche wiederum durch eine Platte 2F4 gehalten ist. Die dritte Stufe 2F5 ist nicht zu sehen. Sie liegt zwischen der Platte 2F4 und einem flachen Oberteil 2F6A eines Kühlkörpers 2F6, das als Boden der Vorkammer 2 wirkt, die als eine Haube geformt ist, deren unterer Rand auf dem Kühlkörper 2F6 ruht und abdichtend damit verbunden ist. Die Vorkammer 2 ist wie im Fall der Vorkammer 2 in Fig. 2A mit einem Ablaß 2A versehen.

Alle Paare von Kontaktflächen sind in einer solchen Weise miteinander verbunden, daß der Wärmeübergangswiderstand zwischen ihnen so weit wie möglich reduziert ist. Die Platte 2F4 ist mit vier Ansätzen 2F4A versehen, um den gesamten Stapel durch Nylonschrauben 2F4B am Kopf 2F6A des Kühlkörpers 2F6 zu befestigen. Ähnlich ist die Platte 2F2 durch zusammenwirkende Ansätze 2F3A und Nylonschrauben 2F3B an der Platte 2F4 befestigt. Schließlich ist die Mantelhälfte 2D2 (Fig. 2A) durch Nylonschrauben 2D2A an der Platte 2F2 befestigt.

Die Arbeitsweise der thermoelektrischen Pumpe 2F im Zusammenhang mit dem Kühlkörper 2F6 ist gut bekannt. Sie ist unabhängig vom Betrieb des Flüssiggas- Temperatursteuersystems und gibt dem Benutzer die Option, die gewünschte niedrigere Temperatur entweder mittels der thermoelektrischen Pumpe 2F oder dem Flüssiggassystem bis herunter zu beispielsweise -50°C zu erreichen oder die thermoelektrische Pumpe zu übergehen und bis herunter zu -100°C zu gelangen. Es ist klar, daß die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2 bis 2C zu einer Situation passen, die normalerweise von einer thermoelektrischen Pumpe bedient wird, jedoch können die Kühlungsanforderungen oft nur durch die Verwendung von Flüssiggas als Kühlmittel erfüllt werden. Das Temperatursteuersystem nach der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise Teil eines Zusatzes zu einem System mit einer thermoelektrischen Pumpe bilden.

Es ist zu beachten, daß, selbst wenn die Kühlung durch die thermoelektrische Pumpe 2F von dem Flüssiggas-Temperatursteuersystem übersteuert wird, immer noch etwas Wärme über den Kühlkörper 2F6 abgeleitet wird. Diese Wärme wird von dem Ventilator 4B (Fig. 2) genutzt, um Luft durch die Rippen des Kühlkörpers zu saugen und an die Windungen 4A abzugeben.

Man wird nun natürlich erkennen, daß sich Fig. 2 auf ein Ausführungsbeispiel bezieht, bei dem die Anordnung in der Kammer 2 so verallgemeinert ist, daß in verschiedenen spezifischen Anordnungen Ausführungsbeispiele abgeleitet werden können, die alle in jeder anderen Beziehung die Konstruktion und die Betriebsweise gemeinsam haben, wie sie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben worden sind. Daher betrifft Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 3 des eingebrachten Patents eine erste abgeleitete Ausführung, bei der das Temperatursteuersystem nach der vorliegenden Erfindung der in diesem Patent beschriebenen Kühlfalle überlagert werden kann. Es kann dann jedes von beiden Systemen unabhängig vom anderen benutzt oder mit dem vorliegenden System das alte System übersteuert werden. In gleicher Weise betrifft Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 2A und 2B eine zweite abgeleitete Ausführung, bei dem die Kammer 2 als Vorkammer zu einer darin befindlichen eigentlichen Kammer fungiert, die ein sehr geringes Volumen und sehr geringe Wärmekapazität hat und den Teil einer Kühlfalle mit besonders raschem thermischen Ansprechen bildet. Schließlich beziehen sich die Fig. 2 und 2C auf eine dritte abgeleitete Ausführung, bei der eine Flüssiggaskühlung entsprechend der zweiten abgeleiteten Ausführung der thermoelektrischen Kühlung wie in der ersten abgeleiteten Ausführung überlagert ist.

In Fig. 5 ist das Zweiventil-Temperatursteuersystem, wie es in Fig. 2 abgebildet ist, leicht modifiziert, um es für den Betrieb in einer Situation geeignet zu machen, in der die Kammer ein beträchtliches Volumen und beträchtliche Wärmekapazität hat und daher, wie vorher angemerkt, die Möglichkeit nicht ausgeschlossen werden kann, daß das Kühlmittel das Kühlmittelzufuhrventil 1 (Fig. 2) in flüssigem Zustand erreicht. In der Fig. 5 nimmt die in Fig. 2 symbolisch dargestellte Kammer 2 die Form eines chromatographischen Ofens 13 als Teil eines (nicht gezeigten) Gaschromatographen an. Der eigentliche Ofen bildet einen Raum mit einem Inhalt von typischerweise 10.000 ml innerhalb eines Parallelepiped-Kastens, der mit fünf festen Wandungen gebildet ist: einer oberen Wand 13A, einer unteren Wand 13B, zwei Seitenwänden 13C und 13D, einer Rückwand 13E und einer Vorderwand 13F. Die Vorderwand 13F enthält Läufer 13F1 und 13F2, die an einer Schiene 13D1, die an der Wand 13D befestigt ist, bzw. einer (nicht sichtbaren) Schiene 13C1 gleitbeweglich sind, die an der Wand 13C befestigt ist. Die Wand 13F bildet im Effekt eine gleitfähige Tür, die im geöffneten Zustand den Zugang zum Inneren des Kastens, d. h. des Ofens 13 erlaubt, und im geschlossenen Zustand den Ofen 13 zu einer Kammer komplettiert, die bis zu gewissem Grade gegen die Umgebung thermisch isoliert ist, aber durch Leckage unvermeidlicherweise ermöglicht, daß eine gewisse Wärmeübertragung stattfindet.

Gaschromatographische Öfen sind normalerweise nicht hermetisch gegen die Umgebung abgedichtet, wenn die Tür verschlossen ist. Tatsächlich ist der Luftdurchtritt derart, daß keine Vorsorge dafür getroffen werden muß, das Kühlmittel abzulassen, wenn Flüssiggas verwendet wird. Der Ofen 13 bildet da keine Ausnahme, und es ist kein strukturbestimmter Ablaß erforderlich, wie er in Fig. 2A abgebildet ist.

An der Tür 13F sind eine chromatographische Einspritzvorrichtung 13F3 und ein chromatographischer Detektor 13F4 befestigt. Das Einlassende einer chromatographischen Säule 13F5 ist mit dem erstgenannten und das Auslassende derselben mit dem zweitgenannten verbunden. Es ist zu erkennen, daß die Einspritzvorrichtung 13F3 und der Detektor 13F4 tatsächlich in den Ofenraum hineinragen, wenn die Tür 13F geschlossen ist.

Die Fig. 2 und 5 haben eine Anzahl gemeinsamer Teile. Gleiche Teile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Steuerung des Kühlmittelzufuhrventils 1 über die Leitungen 1C1 und 1C2 und des Kühlmittelablaßventils 5 über die Leitungen 5C1 und 5C2 durch die Steuerung 6 ist wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2, 3 und 4 beschrieben.

Im Hinblick auf den Kühlmittelkreis besteht eine wichtige Abwandlung darin, daß die Transportleitung von dem Dewarbehälter nicht direkt mit dem Kühlmittelzufuhrventil 1 verbunden ist. Tatsächlich ist die Transportleitung 7 im Betrieb an einen inneren Kühlmittelverdampfungskanal 13G angeschlossen, der dicht an der Rückseite der Wand 13E verläuft und eine fast vollständige Schleife bildet, die grob der Kontur der Wand folgt, bevor sie in einem Rohrverbinder 13G1 an der Außenseite der Wand 13E endet, durch den sie mit dem Einlaßanschluß des Ventils 1 durch ein kurzes Stück Winkelrohr 13G2 verbunden ist. Mit dem Auslaßanschluß des Ventils 1 ist ein Ende eines Vertikalgliedes (wie gezeichnet) eines fabrizierten T-Rohrs 3A verbunden (der T- Stückverbinder und Adapter von Fig. 2 wurden weggelassen, um die Zeichnung in einem überfüllten Bereich zu vereinfachen, obwohl das Bezugszeichen 3A beibehalten wurde). Das andere Ende des Vertikalgliedes ist mit dem Kühlmittelablaßventil 5 verbunden, das die gleiche Funktion wie das Ventil 5 in Fig. 2 ausführt, aber tatsächlich mit dem Ventil 1 in beiden Fig. 2 und 5 körperlich identisch ist. Die Anordnung von Fig. 2, die ein Ablaßventil geringerer Spezifikation einschließt, was durch die Wirkung der Erwärmungsschleife 4A ermöglicht wird, wurde weggelassen, da es bei der hohen Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit, die für die chromatographische Anwendung erforderlich ist, wichtiger ist, den Kühlmittelverbrauch zu senken als die Kosten für das Ablaßventil zu verringern. Das (wie gezeichnet) horizontale Glied 3B des T-Rohres 3A wird über den äußeren Rohrverbinder 3C1 zu einem Verlängerungsrohr 3C innerhalb des Ofens 13 verlängert. Der Kühlmittelzufuhrkanal, der in Fig. 1 die Teile 3A1, 3A2 und 3B enthält, wird in Fig. 5 durch die untere Hälfte des Vertikalgliedes des T-Stücks 3A, das Horizontalglied 3B, den Verbinder 3C1 und das Verlängerungsrohr 3C bestimmt. Der Kühlmittelablaßkanal, der in Fig. 1 die Teile 3A1, 3A2 und 4 enthält, ist in Fig. 5 durch die beiden Vertikalglieder des T-Stücks 3A bestimmt.

Ein Ablaßrohr 11 ist mit dem Auslaßanschluß des Ventils 5 verbunden. Es ist im Vergleich zu seinem Gegenpart in Fig. 2 vereinfacht, und man sieht, daß es einen Rohrwinkel 11B aufweist, der durch einen äußeren Rohrverbinder 11C1 mit einem Verlängerungsrohr 11C verbunden ist, das über eine vorgegebene Länge innerhalb des Ofens 13 verläuft. Das Ende 11C2 des Rohres 11C stellt die Kühlmittelablaßöffnung dar.

Es wird daher bemerkt, daß im Interesse einer Verminderung des Kühlmittelverbrauchs sowohl der Kühlmittelzufuhrkanal als auch der Kühlmittelablaßkanal innerhalb des Ofens 13 in einem kurzen Abstand von den Ventilen, die sie versorgen, geführt sind.

Innerhalb des Ofens 13 befinden sich an der Wand 13C eine Heizwicklung 13H und ein elektrischer Ventilator 13I, beide hinter einem Gitter 13J. Ihre kombinierte Wärmekapazität ist recht bedeutend und addiert sich zu der gesamten Wärmekapazität des Ofens, die bei der Kühlung berücksichtigt werden muß. Gleichbedeutend ist die Tatsache, daß sowohl die Einspritzvorrichtung 13F3 als auch der Detektor 13F4, die an der Ofentür 13F angebracht sind, nicht nur eine noch weitere Wärmekapazität darstellen, die nicht vernachlässigt werden kann, sondern auch, noch ungünstiger, normalerweise beheizt werden, um die Bildung von "Kaltstellen" zwischen jedem Ende der chromatographischen Säule 13F5 und der Vorrichtung, mit der diese Enden wie gezeigt jeweils verbunden sind, zu verhindern. Ein Temperatursensor 2B in Form eines gewickelten Platinwiderstandes, auf den das unter Bezugnahme auf Fig. 2, 3 und 4 beschriebene Temperatursteuersystem anspricht, befindet sich ebenfalls innerhalb des Ofens 13 an der Wand 13C an einer vorteilhaft gewählten Stelle, um die Raumtemperatur des Ofens 13 zu erfassen. Er ist mit Leitungen 2B1 und 2B2 versehen, durch die er mit der Steuerung 6 verbunden ist.

Es ist klar, daß die gesamte in einem chromatographischen Ofen zu berücksichtigende Wärmekapazität ganz beträchtlich ist, was bedeutet, daß, wenn die gewünschte niedrigere Temperatur besonders tief oder die erwartete Abkühlungsgeschwindigkeit besonders hoch oder beides gleichzeitig der Fall ist, der erforderliche Kühlmittelstrom so hoch wird, daß im Ergebnis das Kühlmittel sehr wohl bis zu jedem Punkt seines Durchlaufs durch den Kühlmittelkreis im flüssigen Zustand sein kann. Aus den vorhergenannten Gründen führt dies zu einer unbefriedigenden Situation mit schlechter Temperatursteuerung und hohem Kühlmittelverbrauch, wenn ein einziges Steuerventil entsprechend dem Stand der Technik verwendet wird. Die Zweiwegesteuerung, wie sie unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, würde sogar in solcher Extremsituation eine Verbesserung darstellen, indem der maximale Kühlmittelstrom nur während des Abkühlstadiums aufrechterhalten würde, wenn beide Ventile 1 und 5 offen sind. Danach ist das Ventil 5 zumeist geschlossen, was bedeutet, daß das Ventil 1 tatsächlich bei reduzierter Strömung betrieben wird und bei solcher Strömung das am Ventil 1 aus der Transportleitung 7 ankommende Kühlmittel wahrscheinlich im verdampften Zustand sein wird, weil das langsam fließende Kühlmittel der Umgebungswärme über längere Zeit ausgesetzt ist. Dadurch, daß das Ventil 1 jedoch nicht direkt von der Transportleitung 7, sondern indirekt über den Kühlmittelverdampfungskanal 13G versorgt wird, wird die Möglichkeit vermieden, daß Flüssiggas den Kühlmittelkreis erreicht, wenn das Kühlmittelzufuhrventil 1 intermittierend arbeitet. Der Grund dafür kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

Innerhalb des Ofens 13 ist der Kühlmittelverdampfungskanal 13G mit der beträchtlichen Wärmekapazität des Ofens gekoppelt, auf den Wärme von den physikalischen Teilen Übertragen wird, die darin der Kühlung unterliegen. Stellt man sich vor, daß sich der Ofen zu Beginn des Abkühlungsstadiums auf Umgebungstemperatur befindet und daß während einer Zeit von einer halben Stunde oder dergleichen vor dem Beginn kein Kühlmittel durch die mit dem Dewarbehälter verbundene Transportleitung 7 geleitet worden ist, so wird das volle Öffnen der Ventile 1 und 5 auf maximalen Kühlmitteldurchfluß nicht bewirken, daß Flüssiggas in den Kühlmittelverdampfungskanal 13G eintritt. Dies deshalb, weil das Kühlmittel während der Zeit, während der es in der Transportleitung 7 steht, durch Wärmeübertragung aus der Umgebung verdampft. Wenn das Kühlmittel einige Zeit danach das stromaufwärtige Ende des Kühlmittelverdampfungskanals 13G im flüssigen Zustand erreicht, weil der hohe Kühlmitteldurchfluß eine Kühlung der Transportleitung 7 bewirkt hat, die ausreicht, um darin eine Verdampfung zu verhindern, wird es in der Zeit verdampft sein, in der es das stromabwärtige Ende erreicht, und zwar wegen der Wärmeübertragung von den Ofenteilen zu dem im Kühlmittelverdampfungskanal 13G fließenden Kühlmittel, die nahe dem Beginn der Abkühlung maximal ist.

Bei Annäherung an die eingestellte, gewünschte niedrigere Temperatur und, wenn sich die Temperatur der Ofenteile stärker an die des Kühlmittels in dem Kühlmittelverdampfungskanal 13G annähert, absorbiert das Kühlmittel weniger Wärme und doch wird die gleiche Maximalströmung zur Sicherstellung der verlangten Abkühlungsgeschwindigkeit aufrechterhalten. Man kann sich wohl vorstellen, daß, wenn die eingestellte, ausgewählte Temperatur erniedrigt wird, ein Punkt erreicht wird, an dem die thermische Kopplung zwischen dem Kühlmittelverdampfungskanal 13G und den Ofenteilen nicht ausreicht um sicherzustellen, daß alles Flüssiggas, das am stromaufwärtigen Ende des Kühlmittelverdampfungskanals 13G ankommt, verdampft wird, bevor es das stromabwärtige Ende erreicht. Es ist daher für die Ausgestaltung zu erwägen, daß die Kopplung ausreichen muß, um den ungünstigsten Situationen zu genügen. Mit anderen Worten, die Wärmeaustauschwirkung des Kühlmittelverdampfungskanals 13G muß ausreichen, solche Kopplung herzustellen. Dies kann in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 dadurch erreicht werden, daß eine passende Länge und Anordnung für den Kühlmittelverdampfungskanal 13G gewählt wird.

Es sollte erwähnt werden, daß der Kühlmittelverdampfungskanal 13G durch Absorption der Wärme von den Ofenteilen dank der Tatsache, daß er als Wärmetauscher wirkt, tatsächlich den Kühlprozess unterstützt. Das gleiche kann natürlich von den Längen des Kühlmittelverdampfungskanals und des Ablaßrohres gesagt werden, die in dem Ofen geführt werden und in Fig. 5 mit 3C bzw.11C bezeichnet sind. Dies bewirkt einen niedrigeren Kühlmittelverbrauch.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist, wie im Fall der Ausführungen nach den Fig. 2A und 2C, durch die Wahl der Ausgestaltung die niedrigste Temperatur auf - 100°C festgelegt, aber dies sollte nicht so gesehen werden, daß eine Anpassung an tiefere Temperaturen nicht vorgenommen werden könnte. Im allgemeinen sollte die tiefste Temperatur um etwa 20 bis 50°C höher sein als die Verflüssigungstemperatur des als Kühlmittel verwendeten Gases, die im Fall von Stickstoff bei -196°C liegt. Das Volumen des Ofens 13 beträgt ungefähr 10.000 ml und seine effektive Wärmekapazität ist so, daß ungefähr 500 Watt erforderlich sind, um die Temperatur des Ofens, ausgehend von Umgebungstemperatur, um 1°C/sec zu erhöhen. Die Abkühlzeit von Umgebungstemperatur auf -100°C beträgt etwa 6 Minuten. Es wurde gefunden, daß bei einem solchen Ofen ein Kühlmittelverdampfungskanal 13G aus einem Aluminiumrohr mit einer Bohrung von 7 mm, mit einer Wandstärke von 1,2 mm und einer Länge von 800 mm in der in Fig. 5 gezeigten Anordnung angemessen ist zu verhindern, daß Kühlmittel den Einlaßanschluß des Ventils 1 in flüssigem Zutand erreicht, wenn der Ofen voll in Betrieb ist, was natürlich heißt, daß der Umlaufventilator 13I läuft, die Detektoren 13F3 und 13F4 anfänglich auf eine Temperatur von 250°C über Umgebungstemperatur erwärmt sind und die Ofentür 13 fest verschlossen ist.

Es kann wohl angenommen werden, daß der Kühlmittelverdampfungskanal 13G gegen Ende des Abkühlstadiums einer Ofentemperatur ausgesetzt sein kann, die dicht bei dem niedrigsten wählbaren Wert von -100°C liegt, während der Kühlmittelstrom weiter an seinem Maximum ist, und es viel weniger wahrscheinlich ist, daß in diesem Zustand Kühlmittel aus dem flüssigen Zustand verdampft, als wenn die gleiche Leitung, wie die Transportleitung 7, der Umgebungstemperatur ausgesetzt wäre. Dies ist jedoch nicht der Fall, und zwar aus einer Reihe von Gründen. Zunächst ist die thermische Kopplung zwischen der Transportleitung 7 und der Umgebung sehr gering, was bedeutet, daß der Widerstand gegen Wärmeübertragung recht hoch ist. Bei ausreichender Kühlmittelströmung kann das Kühlmittel ohne weiteres die Temperatur erreichen, bei der es nicht verdampft, und zwar nahezu ohne Rücksicht darauf, welche Umgebungstemperatur unter normalen Arbeitsbedingungen, wie sie in einem Laboratorium bestehen, herrschen würde. Dies ist jedoch nicht so der Fall bei dem Kühlmittelverdampfungskanal 13G, der von den Ofenteilen Wärme empfängt, mit denen er in ziemlich enger thermischer Kopplung steht. Bei ungefähr -100°C haben diese Teile eine Temperatur, die etwa 96°C über der Verflüssigungstemperatur des Stickstoffs liegt. Es folgt daraus, daß, obwohl die Leitung 13G gegen das Ende des Abkühlstadiums kälter als -100°C ist, jede Tendenz zur Annäherung an die Verflüssigungstemperatur des Stickstoffs eine größere Wärmeübertragung von den Ofenteilen auf den Kühlmittelverdampfungskanal 13G zur Folge haben würde. Es ist wichtig, hier darauf hinzuweisen, daß die Wärmeübertragung durch die Mischwirkung des Ventilators 13I unterstützt wird, dessen normale Funktion darin besteht, einen umlaufenden Luftstrom zu erzeugen, der innerhalb der Windungen durch die chromatographische Säule 13F5 hindurchtritt und sich dann an der Außenseite der Windungen entlang zur Ansaugseite des Ventilators zurückwindet. Die gleiche Wirkung steht zur Verfügung, wenn verdampftes Flüssiggas durch den Ofen 13 geleitet wird.

Nachdem das kritische Abkühlstadium vorüber und das Ventil 5 zumeist geschlossen ist, während das Ventil 1 einen verminderten Kühlmittelstrom durchläßt, wird einer der Vorteile der beschriebenen Zweiwegesteuerung offenbar und die Wahrscheinlichkeit, das Kühlmittel im Kühlmittelkreis oder sogar in der Transportleitung 7 selbst im flüssigen Zustand anzutreffen, wird minimal. Es ist wahr, daß gelegentlich die Ventile 1 und 5 über kurze Zeiten zusammen geöffnet werden, um zufällige Erwärmung z. B. der Umgebung zu berücksichtigen, nachdem sich das Temperatursteuersystem beispielsweise für eine halbe Stunde oder dergleichen stabilisiert hat, jedoch ist in einem solchen Fall wahrscheinlich, daß die Transportleitung 7 vorübergehend wärmer als der Kühlmittelverdampfungskanal 13G ist. Die Störung wird weit vor der Zeit behoben, die notwendig ist, um die Transportleitung 7 hinreichend abzukühlen, damit flüssiges Kühlmittel hindurchfließen kann, und das Ventil 5 schließt wieder, wodurch eine weitere Abkühlung der Transportleitung 7 verhindert wird. Das Vorhergehende stellt eine vereinfachte qualitative Analyse dessen dar, das als Betriebsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 angenommen wird. Eine quantitative Analyse wäre extrem kompliziert und im gegenwärtigen Zusammenhang in jedem Fall unnötig.

Es sollte beachtet werden, daß bei der Ausführung nach Fig. 2A angenommen worden war, daß keine nennenswerte Wärmekapazität in die Ringkammer 2D3 eingebracht werden könnte. Dies ist sicher der Fall, wenn der Adsorption der Gasprobe bei niedriger Temperatur in dem Rohr 2C ein rascher thermischer Desorptionszyklus folgen soll, bei dem das Rohr in wenigen Sekunden auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Im Fall eines chromatographischen Ofens ist die eingebrachte Wärmekapazität nicht so kritisch, weil solche schnellen Heizzyklen darin nicht realistisch sind. Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 2A und 5 befassen sich mit unterschiedlichen Problemen. Im ersten Fall liegt die Betonung auf der engen Temperatursteuerung und der Vermeidung von zusätzlicher Wärmekapazität; im zweiten Fall liegt 08662 00070 552 001000280000000200012000285910855100040 0002004128881 00004 08543 die Betonung auf der Anpassung der Feinsteuerung der Temperatur nach dem ersten Fall an die Kühlung eines großen Volumens unter Vermeidung der Anwesenheit von Flüssiggas in dem Kühlmittelkreis während der intermittierenden Betätigung des Kühlmittelzufuhrventils 1. Beide stellen gegenüber der Einventilsteuerung nach dem Stand der Technik einen deutlichen Fortschritt dar.

In Fig. 6 ist die Verwendung von Flüssiggas im flüssigen Zustand zum Unterschied vom verdampften Zustand beabsichtigt, und zwar sowohl während des anfänglichen Abkühlstadiums, als auch während des nächstfolgenden Stadiums, in dem das Temperatursteuersystem dem thermischen Gleichgewicht zustrebt, während das Kühlmittel intermittierend zugeführt wird.

Ein elektrisch gesteuertes Zweiwegeventil, das aus einem noch zu erörternden Grunde mit dem Bezugszeichen 1A5 versehen ist, enthält einen gemeinsamen Einlaßanschluß 1A5A, der im Betrieb Flüssiggaskühlmittel im flüssigen Zustand von der Transportleitung 7 erhält, und getrennte Auslaßanschlüsse 1A5B und 1A5C, deren erster mit dem Kühlmittelablaßrohr 11 mit der Kühlmittelablaßöffnung 11B und deren zweiter mit dem Kühlmittelzufuhrkanal 3 in Verbindung steht, der zu der Kammer 2 führt, die mit einem Ablaß 2A und eingebautem Rückschlagventil versehen ist, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2A beschrieben wurde. Das Ventil 1A5 steht unter der automatischen Kontrolle der Steuerung 6, und ihre elektrische Verbindung wird durch das Bezugszeichen L symbolisiert. Die Steuerung erfolgt derart, daß das Kühlmittel im flüssigen Zustand aus dem Anschluß 1A5A ständig entweder auf einem zum Auslaßanschluß 1B5B oder einem zum Auslaßanschluß 1A5C führenden Weg (dem Ablaßweg bzw. Zufuhrweg) fließt, wobei die beiden Wege durch gepunktete Linien symbolisiert sind.

Während der anfänglichen Abkühlung der Kammer 2 auf die gewünschte niedrigere Temperatur aktiviert die Steuerung 6 den Zufuhrweg, und das flüssige Kühlmittel fließt ständig durch die Kammer 2 und durch den Ablaß 2A aus, bis die Kammer 2 oder der darin enthaltene Gegenstand die gewünschte niedrigere Temperatur erreicht hat. Danach arbeitet die Steuerung 6 in der Weise, daß der zu der Kammer 2 führende Zufuhrweg intermittierend betrieben wird, wobei jede Einschaltperiode durch die Zeit bestimmt wird, die von einem Kühlmittelvolumen benötigt wird, um durch die Kammer zu fließen, und das ausreicht, um einen Temperaturanstieg zu kompensieren, der durch Wärmeübertragung aus der Umgebung verursacht wird. Am Ende der vorgenannten Periode wird der Zufuhrweg gesperrt und der Ablaßweg freigegeben, wodurch das Kühlmittel durch das Rohr 11 abgelassen wird. Mit anderen Worten, die Kühlmittelströmung entlang des einen oder anderen Weges wird ständig aufrechterhalten.

Der Fließwiderstand des Kühlmittelablaßrohres 11 und die Reihenverbindung aus dem Kühlmittelzufuhrkanal 3, der Kammer 2 und dem Ablaß 2A sind, gegebenenfalls durch Probieren, so gewählt, daß die kumulative Wirkung des intermittierend entlang des einen und anderen Weges fließenden Kühlmittels ausreicht zu verhindern, daß das Flüssiggas jemals auf die Verdampfungstemperatur erwärmt wird. Im Ergebnis kann so eine bessere Temperatursteuerung erzielt werden im Vergleich zu dem Einventilbetrieb nach dem Stand der Technik, bei dem eine zufällige Verdampfung aus den früher erwähnten Gründen die Temperatursteuerung beeinträchtigt. Wiederum wird hier durch die Steuerung sowohl der Zufuhr des Kühlmittels zur Kammer 2 wie auch des Kühlmittelablasses der Kühlmittelverbrauch merklich reduziert. Dies wird ohne weiteres erkennbar, wenn man betrachtet, daß der Ablaß während der Zufuhrphase vollständig abgesperrt ist. Wenn keine Vorsorge zur Steuerung des Ablasses in Beziehung zur Zufuhr des Kühlmittels getroffen ist, würde der Ablaß während der Ein- und Aus-Phasen der Kühlmittelzufuhr zu der Kammer 2 ständig aufrechterhalten werden müssen.

Fig. 7 zeigt, wie ein Zweiwegeventil ohne weiteres durch die Ventile 1 und 5, wie sie in Fig. 5 abgebildet sind, nachgebildet werden kann, wobei die Ventile identische Konstruktion haben. Die anschlußtragenden Basen der beiden Ventile sind einfach in gutem thermischen Kontakt miteinander verbunden und die benachbarten Einlaßanschlüsse 1A und 5A sind durch ein Anschlußteil M miteinander gekoppelt, mit dem auch die Transportleitung 7 verbunden ist. Der Grund für die Verwendung des Bezugszeichens 1A5 (das 1 und 5 andeutet) in Fig. 6 wird nun ersichtlich. Rein praktisch kann die Nachbildung zweckmäßiger sein als ein einzelnes, als Zweiwegeventil gestaltetes Ventil, das nicht ohne weiteres zur Verwendung im Tieftemperaturbereich erhältlich sein kann.

Die in Fig. 6 und 7 gezeigte Steuerung (in der letzteren werden die von den Ventilen 1 und 5 ausgehenden elektrischen Leitungen zu der Steuerung 6 durch die Bezugszeichen LL1 und LL2 symbolisiert) ist identisch mit der in Fig. 3 gezeigten Steuerung, außer daß das Programm zum Betrieb des Mikrocomputers 6C mit anderen Befehlen ausgestattet ist, wie in dem Fließdiagramm von Fig. 8 gezeigt ist. In beiden Figuren liefert ein Temperatursensor 2B innerhalb der Kammer 2 Signale an die Steuerung 6 wie in den Fig. 1 und 2.

In Fig. 8 stimmen die Schritte 14A, 14B und 14C mit den ersten drei Schritten in Fig. 4 überein. Bei 14D wird der Mikrocomputer 6C, der einen Teil der Steuerung 6 bildet, so betrieben, daß er den Zufuhrweg in dem Zweiwegeventil 1A5 von Fig. 6 freigibt und den Ablaßweg gesperrt hält, um so das Abkühlstadium der Kammer 2 einzuleiten. Die bei 14E dargestellte Warteschleife stellt sicher, daß die Abkühlung so lange fortdauert wie die Temperatur höher ist als die gewünschte niedrigere Temperatur -X, wobei das Minus-Zeichen die gleiche Bedeutung hat wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 4 definiert ist. 14F stellt eine weitere Warteschleife dar, welche die Abkühlung aufrechterhält, bis die tatsächliche Temperatur etwa 1,5°C unter der gewünschten niedrigeren Temperatur liegt. Der Zufuhrweg (SP) des Ventils 1A5 wird dann geschlossen und der Ablaßweg (VP) geöffnet, wie bei 14G angezeigt ist. Schließlich hält die Warteschleife 14H das Zweiwegeventil 1A5 so lange in dem bei 14G angegebenen Zustand, wie die tatsächliche Temperatur etwa 10°C unterhalb der gewünschten niedrigeren Temperatur liegt. Wenn die Temperatur über -(X + 10) ansteigt, wird der gesamte Steuerablauf ausgehend von 14D wiederholt. Bei Inbetriebnahme des Systems nach Fig. 6 fließt das Kühlmittel zunächst im verdampften Zustand durch das Ventil 1A5 und den übrigen Kühlmittelkreis. Jedoch stellt der abwechselnd durch die Kammer 2 und das Ablaßrohr 11 erfolgende Kühlmittelstrom zur Atmosphäre sicher, daß das verdampfte Kühlmittel innerhalb des Kühlmittelkreises bald durch flüssiges Kühlmittel ersetzt wird.

Es ist zu beachten, daß die Temperatursteuerung nicht so streng ist wie in dem Fall, in dem die gewünschte niedrigere Temperatur ausreichend hoch ist, um die Verwendung von verdampftem Kühlmittel zu ermöglichen. Dies beruht großenteils darauf, daß die Temperatur des Flüssiggases im flüssigen Zustand in einem im Vergleich zum verdampften Flüssiggas sehr engen Bereich variiert. Dies ist ein Hauptgrund dafür, daß der Temperatursteuerung durch verdampftes Kühlmittel entsprechend der Erfindung der Vorzug gegeben wird, soweit damit keine extremen gewünschten niedrigeren Temperaturen verbunden sind.

Die vorstehend beschriebene Steuerung des Zweiwegeventils 1A5 ist ebenfalls mutatis mutandis auf die Nachbildung gemäß Fig. 7 anwendbar.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Herabsetzen der Temperatur in einer Kammer (2) von einem Ausgangswert auf einen gegenüber dem Ausgangswert niedrigeren Sollwert und zur Regelung der Temperatur auf diesen Sollwert mittels eines Flüssiggases, mit einer Flüssiggas-Zuleitung (7) mit einem von einem Temperaturregler (6) gesteuerten Einlaßventil (1), über welche Flüssiggas von einer Flüssiggasquelle durch die Kammer (2) und einen Auslaß (B) der Kammer (2) hindurchleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein paralleler, zu einem Auslaß (11) führender Strömungsweg (4) für das Flüssiggas vorgesehen ist, der ein Auslaßventil (5) enthält, und
• b) Einlaß- und Auslaßventil (1, 5) von dem Temperaturregler (6) ansteuerbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß- und Auslaßventil (1, 5) durch den Temperaturregler (6) derart ansteuerbar sind, daß während des Abkühlens vom Ausgangswert der Temperatur auf den Sollwert Einlaß- und Auslaßventil (1, 5) geöffnet sind und das Auslaßventil (5) nach Erreichen des Sollwertes im wesentlichen geschlossen bleibt, wobei der Sollwert der Temperatur durch intermittierendes Öffnen des Einlaßventils (1) in der Nähe eines thermischen Gleichgewichts der Kammer (2) aufrechterhalten wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Auslaßventil (5) enthaltende parallele Strömungsweg (4) vor der Kammer (2) abzweigt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strömungsweg (4) des Auslaßventils (5) Verdampfungsmittel (4A, 4B) vorgesehen sind, welche eine Verdampfung des Flüssiggas-Stromes vor Erreichen des Auslaßventils (5) sicherstellen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssiggas- Zuleitung (7) unisoliert durch die Kammer (2) geführt ist, derart, daß der Flüssiggas- Strom durch Wärmeaustausch mit der Kammer (2) vor Erreichen des Einlaß- und des Auslaßventils verdampft ist (Fig. 5).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß- und Auslaßventil ein Zweiwegeventil (1A5) bilden, durch welches Flüssiggas entweder nur auf die Kammer (2) oder nur auf den Auslaß (11) geleitet wird.

7. Verfahren zum Herabsetzen der Temperatur in einer Kammer von einem Ausgangswert auf einen gegenüber dem Ausgangswert niedrigeren Sollwert und zur Regelung der Temperatur auf diesen Sollwert mittels eines Stromes von Flüssiggas, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur in der Kammer (2) und dem Sollwert eine Strömung von Flüssiggas durch einen Auslaß und eine dazu parallele Strömung von Flüssiggas durch die Kammer (2) derart in Beziehung gesetzt werden, daß zunächst der Sollwert der Temperatur erreicht und dann dieser Sollwert gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Abkühlperiode, während welcher die Kammer (2) auf den Sollwert der Temperatur abgekühlt wird, ein vorgegebener hoher Flüssiggas-Strom sowohl durch die Kammer (2) als auch durch den Auslaß erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Regelungperiode, während welcher die Temperatur im wesentlichen auf dem Sollwert gehalten wird, das Flüssiggas bei geschlossenem Auslaß intermittierend nur durch die Kammer (2) geleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Regelperiode nur bei vorübergehend erhöhtem Kühlbedarf auch ein Flüssiggas- Strom durch den Auslaß geleitet wird.