Устройство для регулирования температуры объекта

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для регулирования температуры различных объектов в химической, фармацевтической и пищевой промышленности, а также в медицинской диагностике и биологических исследованиях и тестах (например, криминалистических). Задачей изобретения является уменьшение инерционности устройства, увеличение скорости изменения температуры объекта и точности поддержания заданной температуры в статическом режиме. Для решения этой задачи предложено устройство для регулирования температуры объекта, содержащее контейнер с объектом и датчиком температуры, контактирующее с контейнером теплопередающее средство, соединенное с источником холода, источник тепла, блок управления, вход которого соединен с датчиком температуры, отличающееся тем, что теплопередающее средство выполнено в виде заполненного неконденсирующимся газом газопровода с нагнетателем, причем газопровод контактирует с выполненной из теплопроводного материала боковой поверхностью контейнера, источник тепла выполнен в виде резистивного нагревателя и расположен внутри контейнера, в которой также помещен вентилятор, а выходы блока управления соединены с нагнетателем и резистивным нагревателем. Кроме того, для повышения экономичности устройства блок управления может быть соединен с источником холода. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для регулирования температуры различных объектов в химической, фармацевтической и пищевой промышленности, а также в медицинской диагностике и биологических исследованиях и тестах ( например, криминалистических).

Известно устройство [1] для регулирования температуры жидкости, подвергаемой химическому анализу при определенной температуре. Оно представляет собой сосуд для анализируемой жидкости, закрытый изотермическим каркасом с большой теплоемкостью, который контактирует с термоэлектрическими элементами. Устройство включает устанавливаемый в жидкости детектор температуры. Недостатком данной конструкции является присущая ей значительная тепловая инерция, которая не позволяет быстро изменять температуру объекта регулирования.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство [2] для циклического изменения температуры компонентов при проведении химической реакции. Это устройство представляет собой часть аппарата для проведения автоматической амплификации нуклеиновых кислот с помощью попеременного нагрева и охлаждения. Оно содержит блок управления, контейнер из теплопроводного материала, имеющий внутри выемку для размещения реагентов, резервуары с холодной и горячей жидкостями, затворы для открывания и закрывания резервуаров, теплообменник с каналами для протекания жидкости и детектор температуры контейнера. Вход блока управления соединен с детектором температуры, а его выходы соединены с затворами. Затворы представляют собой мультиплексор, обеспечивающий соединение каналов теплообменника либо с резервуаром с горячей жидкостью, либо с резервуаром с холодной жидкостью. Теплообменник находится в тепловом контакте с контейнером. Данное устройство обеспечивает в контейнере попеременно температуру горячего и холодного резервуара.

При использовании в резервуарах жидкости с большой удельной теплоемкостью (например, воды) устройство по [2] обеспечивает более быстрое циклическое изменение температуры объекта, чем большинство других аналогичных устройств. Однако неизбежная при этой конструкции большая суммарная, теплоемкость теплообменника и контейнера определяют его инерционность и ограничивают частоту циклического изменения температуры и, тем самым, области применения устройства. Следует отметить, что быстрота перехода от одной температуры к другой в цилиндрическом процессе значительно влияет на чистоту получаемых продуктов химической реакции.

Задачей изобретения является уменьшение инерционности устройства, увеличение скорости изменения температуры объекта и точности поддержания заданной температуры в статическом режиме.

Для достижения указанной цели предложено устройство для регулирования температуры объекта, содержащее контейнер с объектом и датчиком температуры, контактирующее с контейнером теплопередающее средство, соединенное с источником холода, источник тепла, блок управления, вход которого соединен с датчиком температуры, отличающееся тем, что теплопередающее средство выполнено в виде заполненного неконденсирующимся газом газопровода с нагнетателем, причем газопровод контактирует с выполненной из теплопроводного материала боковой поверхностью контейнера, источник тепла выполнен в виде резистивного нагревателя и расположен внутри контейнера, в который также помещен вентилятор, а выходы блока управления соединены с нагнетателем и резистивным нагревателем.

Кроме того, для повышения экономичности устройства блок управления может быть соединен с источником холода.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В качестве источника тепла используется резистивный нагреватель, помещенный внутрь контейнера, где находится объект регулирования температуры. Этим достигается упрощение конструкции за счет отсутствия трубопровода между контейнером и источником тепла и повышение точности поддержания заданной температуры объекта в контейнере за счет уменьшения времени запаздывания регулирующего воздействия (при обнаружения отклонения температуры объекта от заданного значения).

В отличие от известных устройств, где для обеспечения равномерности температурного поля объекта он заключен в массивный контейнер из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивается работой вентилятора, интенсивно перемешивающего воздух в контейнере, имеющем тонкие стенки. При этом обеспечивается значительно меньшая теплоемкость контейнера, а следовательно, и его меньшая инерционность.

В предлагаемом устройстве в качестве теплопередающего средства от источника холода к контейнеру используется газопровод с нагнетателем, что обеспечивает быстрое охлаждение контейнера при включенном нагнетателе и его изоляцию от источника холода при выключенном нагнетателе, т.е. создаются условия для быстрого повышения температуры контейнера после включения нагревателя.

На фиг. 1 изображена блочная схема предлагаемого устройства для регулирования температуры объекта; на фиг. 2 поперечный разрез контейнера, содержащего объект регулирования температуры.

Устройство содержит контейнер 1 для размещения объекта регулирования температуры, газопровод 2 с нагнетателем 3, источник 4 холода и блок 5 управления исполнительными элементами. Контейнер 1 предпочтительно имеет форму тела вращения (например, полого цилиндра) с выполненной из тонкого теплопроводного материала, боковой поверхностью 6. В его нижней части установлены вентилятор 7 и резистивный нагреватель 8. Верхняя часть контейнера 1 имеет крышу 9, в которой закреплен держатель 10 объекта, 11 регулирования температуры. Внутри контейнера находится также датчик 12 температуры. Газопровод 2 имеет часть 13 облегающую теплопроводную стенку 6 контейнера 1. Другая часть 14 газопровода 2 примыкает к источнику 4 холода. Блок 5 управления представляет собой регулятор, осуществляющий выработку управляющих воздействий на основе сравнения установки температуры и поступающего в него сигнала обратной связи от объекта регулирования. Блок 5 может включать в себя программное устройство, изменяющее установку температуры во времени. Вход блока 5 управления соединен с датчиком 12 температуры, а его выходы соединены с нагнетателем 3 и резистивным нагревателем 8. Блок 5 может также иметь выход, соединенный с источником 4 холода. В качестве источника холода предпочтительно используется термоэлектрическая батарея элементов Пельтье.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В блок 5 управления вводится уставка температуры объекта или программа изменения его температуры во времени. В зависимости от величины разности заданной на данный момент времени температуры и температуры, показываемой датчиком 12, блок 5 управления обеспечивает включение нагнетателя 3, нагревателя 8 или их обоих одновременно.

При включении нагнетателя 3 осуществляется теплообмен между источником 4 холода и боковой поверхностью 6 контейнера в результате эта поверхность передает теплоту от контейнера к источнику холода. Вентилятор 7 включен постоянно и осуществляет интенсивное перемешивание газа внутри контейнера, что обеспечивает равномерность температурного поля и интенсивный теплообмен между объектом 11 регулирования, находящимся в контейнере газом и боковой стенкой контейнера.

Если нагнетатель 3 включен, а нагреватель 8 выключен, то объект приобретает температуру, близкую к температуре источника 4. Если нагнетатель 3 выключен, а нагреватель 8 постоянно включен, то объект приобретает температуру, примерно равную температуре нагревателя. Таким образом, диапазон обеспечиваемых температур объектов регулирования простирается от температуры источника холода до максимальной температуры нагревателя, достигаемой при максимальном проходящем через него токе. При задании температур объекта внутри этого диапазона поддержание заданной температуры достигается путем изменения блоком 5 управления величины среднего тока нагревателя 8.

Благодаря связи блока 5 управления с источником 4 холода возможен режим работы с регулировкой температуры источника холода 4. В этом режиме уменьшается потребляемая устройством мощность. Регулировка может осуществляться изменением среднего тока термоэлектрической батареи, используемой в качестве источника холода.

При уменьшении уставки температуры объекта включается нагнетатель 3, газ начинает циркулировать по газопроводу 2, охлаждать стенку 6 контейнера 1 и через нее внутренний объем контейнера.

При увеличении уставки температуры объекта включается нагреватель 8, включается нагнетатель 3, прекращается движение газа в газопроводе 2 и теплообмен между источником холода 4 и контейнером 1.

Скорость увеличения температуры объекта при увеличении уставки температуры обеспечивается следующими факторами: близостью нагревателя к объекту регулирования, малой инерционностью резистивного нагревателя, малой суммарной теплоемкостью стенок контейнера и находящегося внутри него газа, перемешиванием газа внутри контейнера вентилятором.

После достижения заданной температуры объекта и перехода в режим ее поддержания эти же факторы определяют быстроту регулирующего воздействия блока 5 управления через нагреватель 8 на температуру объекта. Быстрота регулирующего воздействия через нагреватель 8 позволяет повысить точность поддержания заданной температуры.

Скорость уменьшения температуры объекта при уменьшении заданного значения температуры обеспечивается: скоростью движения газа в газопроводе, которая значительно выше, чем скорость движения жидкости в трубопроводе устройства-прототипа, малой суммарной теплоемкостью газа в газопроводе 2 и его стенок, малой суммарной теплоемкостью контейнера 1 и содержащегося внутри него воздуха, которая значительно меньше, чем теплоемкость массивного контейнера устройства-прототипа.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность поддерживания заданной температуры объектов и быстрое изменение их температуры при изменении ее установки. Поэтому оно может найти широкое применение в различных промышленных и лабораторных установках, осуществляющих химические реакции при постоянной или циклически изменяющейся температуре.

Формула изобретения

1. Устройство для регулирования температуры объекта, содержащее датчик температуры, установленный в контейнере для размещения объекта, находящееся в тепловом контакте с контейнером и с источником холода теплопередающее средство, источник тепла и блок управления исполнительными элементами, входом связанный с датчиком температуры, отличающееся тем, что теплопередающее средство выполнено в виде заполненного неконденсирующимся газом газопровода с нагнетателем, причем газопровод размещен (распределен) по боковой стенке контейнера, выполненной из теплопроводного материала, источник тепла выполнен в виде резистивного нагревателя, размещенного в контейнере и снабженного вентилятором, а выходы блока управления исполнительными элементами связаны с входами резистивного нагревателя и нагнетателя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления соединен с источником холода.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнер выполнен в виде полого цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2