Vorrichtung zur Kühlung von Materialien

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Materialien in einem Gehäuse mit einer in dem Gehäuse angeordneten Kühlvorrichtung, die mit einer Kaltgasquelle in Verbindung steht, sowie mit einer elektrischen Heizvorrichtung zur Temperaturregelung des Kaltgases, wobei die Heizvorrichtung mit einer Regeleinheit und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Temperaturfühler gekoppelt ist.

[0002] Bei der Herstellung und Verarbeitung von bestimmten Materialien ist es oft notwendig, diese im Rahmen verschiedener Behandlungsstufen auch einem Kühlprozeß zu unterziehen. Zu diesen Materialien zählen z.B. Textilien, Papier, Leder, Folien aus Kunststoff, Gummi, Vulkanfiber und dergleichen. So ist es teilweise nötig, um einen kontinuierlichen Verarbeitungsprozeß zu gewährleisten, nach einem Trockenvorgang oder einem Thermofixiervorgang das Material kurzzeitig zu kühlen. Durch diesen Kühlprozeß ist es möglich, gewisse Materialien in ihrer Form zu fixieren, deren Qualität zu verbessern oder Material einzusparen.

[0003] Entsprechend der Art und Herstellungsform des Materials sind verschiedene Verfahrensweisen zur Kühlung bekannt. So kann gemaß der DE-OS 30 15 672 zur Kühlung von Textilien ein Kühlmittel, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, verwendet werden, das auf die Materialien aufgeblasen wird, wobei das Kühlmittel direkt oder nach der Mischung mit einem Gas aufgeblasen werden kann. Dieses Eindüsen von flüssigem Stickstoff in einen Lufstrom kann noch weiter modifiziert werden. Jedoch zeigt sich bei all diesen Verfahren der Nachteil der Eisbildung. Auch ist es nicht möglich, dadurch eine stabile Kühlatmosphäre aufrechtzuerhalten.

[0004] Ein anderes generelles Verfahren ist die Erzeugung von Kaltgas über einen luftbeheizten Verdampfer, das auch in verschiedenen Ausführungsformen angewendet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der geringe Wirkungsgrad und die teilweise hohe Investition für Kompressoren. Bei den herkömmlichen Verfahren für z.B. die Textilbehandlung oder Folienblasen wird durch die Veränderung der Einspeismenge des flüssigen Kältemittels die erforderliche Temperatur grob geregelt. Eine Feinregulierung durch Verwendung von speziellen Regelventilen in Verbindung mit einer Temperaturüberwachung erbrachte keine befriedigende Lösung.

[0005] Weiterhin ist aus der DE-A-30 09 402 ein mit Flüssiggas als Kühlmittel betriebenes Kryostatsystem bekannt, mit dem ein Gegenstand auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden kann. Dazu wird gemäß einem Ausführungsbeispiel (vgl. dort Figur 3) eine Probe in einer Kammer von Stäben fixiert, verflüssigtes Gas durch Sprühdüsen auf diese Probe gesprüht, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist, und anschließend das verflüssigte Gas mittels eines Wärmetauschers erwärmt und das nunmehr verdampfte, kalte Gas auf die Probe gesprüht, um deren Temperatur konstant zu halten. Von einer Regeleinheit, der die Temperatur der Probe und die des Kaltgases eingegeben werden, wird die Heizquelle des Wärmetauschers angesteuert. Nachteilig wirkt sich bei dieser Vorrichtung gemaß DE-A-30 09 402 aus, daß die Gegenstände fixiert werden müssen, also keine kontinuierliche Kühlung von Materialbahnen oder Gegenständen auf einem Fließband erfolgen kann, und daß die Gegenstände mit Kaltgas (verflüssigt und verdampft) direkt gekühlt werden, wodurch lokale Beschädigungen durch Einfrierungen auftreten können.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf einfache aber präzise Weise die Temperatur des Kaltgases geregelt werden kann, ohne die obengenannten Nachteile mit sich zu bringen.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Transporteinrichtungen zum Transport der zu kühlenden Materialien entlang eines Transportweges durch das Gehäuse vorgesehen sind, daß die Kühlvorrichtung als Rohrwendel ausgebildet und koaxial zum Transportweg angeordnet ist, und daß die Heizvorrichtung als Heizwendel ausgebildet und koaxial zum Transportweg und innerhalb der Rohrwendel angeordnet ist.

[0008] Diese erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Kühlung von Materialien, die durch das Gehäuse transportiert werden. Die Temperatur des Kaltgases in der Rohrwendel und damit auch die Umgebungstemperatur werden erfindungsgemäß mittels einer Heizwendel geregelt, die sich innerhalb der Rohrwendel befindet und koaxial zu dieser angeordnet ist. Die Materialien werden kontinuierlich auf ihrem Transportweg, der innerhalb dieser beiden Wendeln verläuft, geregelt durch indirekten Wärmeaustausch abgekühlt.

[0009] Vorteilhafterweise wird die Rohrwendel unter Zwischenschaltung eines Regelventils unmittelbar an eine Flüssiggasquelle gekoppelt und als Verdampfer benutzt.

[0010] In diesem Fall kann durch Wärmeaustausch der zu kühlenden Materialien und gegebenenfalls der Heizwendel mit dem Flüssiggas die Verdampfungsenthalpie des Flüssiggases genutzt werden und der Wirkungsgrad der Kühlung erhöht werden. Die Menge des zugeführten Flüssiggases wird dabei mittels eines Regelventils gesteuert. Zu Beginn der Kühlung können große Mengen Flüssiggas durch die Rohrwendel geleitet werden, um möglichst rasch die erwünschte tiefe Temperatur der Umgebung zu erreichen. Anschließend wird die Menge Flüssiggas entsprechend der Umgebungstemperatur gedrosselt. Die Feineinstellung der Temperatur wird über einen Temperaturfühler mittels der Heizleistung der Heizwendel vorgenommen.

[0011] Bei Verwendung von flüssigem N₂ als Flüssiggas ergibt sich der Vorteil eines weiten Einstellbereiches von z.B. 0°C bis 180°C. Beim Verdampfen des flüssigen Gases und der Erwärmung des Kaltgases auf beispielsweise 0°C nimmt der Stickstoff pro m³ rund 500 kJ an Wärmemenge auf.

[0012] In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Gehäuse rohrförmig ausgebildet und die Mittelachse sowohl des Gehäuses als auch der Rohrwendel bildet den Transportweg des zu kühlenden Materials.

[0013] In dieser Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorteilhaft, daß die Kühleinrichtung ein Kühlrohr ist, durch das das zu kühlende Material mittels einer Transporteinrichtung, die koaxial innerhalb der Heizvorrichtung und des Verdampfers angeordnet ist, transportiert wird. Diese Ausgestaltung hat den besonderen Vorteil, daß sich die zu kühlenden Materialien in einer trockenen Kühlatmosphäre mit gleichbleibender Temperatur befinden. Dadurch, daß der Verdampfer nicht vereist, kann eine gleichbleibende Verdampfungsleistung aufrechterhalten werden, was wiederum die genaue Temperatureinstellung unterstützt. Die Temperaturabweichung schwankt nur um 1°.

[0014] Durch den Einbau eines Ventilators in das Gehäuse der Kühleinrichtung kann erfindungsgemäß der Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlenden Material und der Verdampferheizungseinheit verstärkt werden.

[0015] Nachstehend soll ein Ausführungsbeispiel die KÜhlung von Materialien mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer Zeichnung näher erläutern.

[0016] Die Figur zeigt in schematischer Weise eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung mit einer wendelförmigen Verdampfer- und Heizdrahtanordnung.

[0017] In der Figur ist mit 1 eine Kühleinrichtung bezeichnet, die von einer Wärmeisolationsschicht 10 umgeben ist. Ein zu kühlendes Produkt wird koaxial in der Mitte eines Verdampfers 3 und einer Heizeinrichtung 7 angeordnet (Materialaufnahmeeinrichtung 2). Der Verdampfer 3 wird aus einer Zufuhreinrichtung 4 mit flüssigem Kältemittel, z.B. Stickstoff, versorgt. Dabei wird die Menge des zugeführten Stickstoffs entsprechend der gewünschten Kälteleistung mit einem Regelventil 5 bestimmt. Beim Anfahrprozeß wird zur raschen Kühlung der gesamten Kühleinrichtung dieses Ventil durch eine By-pass-Leitung mit eingebautem Kaltfahrventil 6 umgangen. Die Temperatur im Kühlraum wird laufend von einem Temperaturfühler 9 überwacht und über einen Regler 8 wird dementsprechend die Heizleistung des Heizdrahtes gesteuert.

[0018] Gegenüber der herkömmlichen Kühlung wird durch diese Kühleinrichtung die gewünschte Produkttemperatur wesentlich genauer erzielt. Durch die Optimierung der Kühlleistung durch Einbau einer Heizung konnte als weiterer Vorteil eine erhebliche Senkung des Kältemittelverbrauchs konstatiert werden.

[0019] Zur Inbetriebnahme der Kühleinrichtung muß zuerst über das By-pass-Ventil 6 flüssiger Stickstoff in den Verdampfer einfließen. Durch diesen Vorgang wird die gesamte Kühleinrichtung auf eine gleich tiefe Temperatur abgekühlt und zwar so lange, bis sich alle Kühleinrichtungsbestandteile (z.B. Isolierung, Leitungen, Transporteinrichtungen etc.) im Temperaturgleichgewicht befinden. In diesem Anfahrprozeß befindet sich die Kühleinrichtung auf einer tieferen Temperatur als beim Kühlverfahren für die zu kühlenden Materialien, z.B. bei Verwendung von flüssigem Stickstoff bis auf -196°C. Aufgrund dieser tiefen Temperaturen erfolgt eine Abkühlung in dieser Anfahrphase in sehr kurzer Zeit.

[0020] Nach dieser Grundeinstellung wird die weitere Zufuhr des flüssigen Kältemittels in dem Verdampfer über das Ventil 5 geregelt. Da trotz des feinregulierbaren Ventils die exakte Kühltemperatur bei Einbringen der zu kühlenden Materialien nicht gehalten werden kann, wird die gewünschte Temperatur über eine durch einen Transformator regelbare Heizung eingestellt. Bei stetiger Stickstoffeinspeisung kann die erforderliche Temperatur, die laufend mittels eines Temperaturfühlers gemessen, mit einem Soll-Wert verglichen und bei Abweichungen nachgeregelt wird, auf 1° genau aufrechterhalten werden.

[0021] Besonders vorteilhaft und wirtschaftlich ist bei dieser Kühleinrichtung die Nutzung der Verdampfungsenthalpie. Die zur Verdampfung des flüssigen Kältemittels notwendige Wärmemenge wird den zu kühlenden Materialien entzogen. Weiterhin entfällt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Nachteil der Bereifung durch feuchte Kühlmedien. Zum besseren Wärmeaustausch ist speziell bei bahnenförmigen Materialien, wie Folien oder Schlauchseelen, ein zusätzlicher Ventilator 2 vorgesehen, der den Wärmetransport zwischen dem zu kühlenden Material und dem Verdamfer fördert.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Kühlung von Materialien in einem Gehäuse mit einer in dem Gehäuse angeordneten Kühlvorrichtung, die mit einer Kaltgasquelle in Verbindung steht, sowie mit einer elektrischen Heizvorrichtung zur Temperaturregelung des Kaltgases , wobei die Heizvorrichtung mit einer Regeleinheit und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Temperaturfühler gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß Transporteinrichtungen zum Transport der zu kühlenden Materialien entlang eines Transportweges (2) durch das Gehäuse (1) vorgesehen sind, daß die Kühlvorrichtung als Rohrwendel (3) ausgebildet und koaxial zum Transportweg (2) angeordnet ist, und daß die Heizvorrichtung als Heizwendel (7) ausgebildet und koaxial zum Transportweg (2) und innerhalb der Rohrwendel (3) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendel (3) unter Zwischenschaltung eines Regelventils (5) unmittelbar an eine Flüssiggasquelle gekoppelt ist und als Verdampfer benutzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) rohrförmig ausgebildet ist und die Mittelachse sowohl des Gehäuses (1) als auch der Rohrwendel (3) den Transportweg (2) des zu kühlenden Materials bildet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) ein Ventilator eingebaut ist.

Claims

1. A device for cooling materials in a housing comprising a cooling device which is arranged in the housing and which is connected to a cold gas source, and comprising an electric heating device for regulating the temperature of the cold gas, wherein the heating device is coupled to a regulating unit and to a temperature sensor arranged inside the housing, characterised in that transport devices are provided for transporting the materials to be cooled along a transport path (2) through the housing (1), that the cooling device has the form of a pipe coil (3) and is arranged coaxially with the transport path (2), and that the heating device has the form of a heater coil (7) and is arranged coaxially with the transport path (2) and inside the pipe coil (3).

2. A device as claimed in Claim 1, characterised in that the pipe coil (3) is coupled directly to a liquid gas source with an interposed regulating valve (5) and is used as a vaporizer.

3. A device as claimed in Claim 1 or 2, characterised in that the housing (1) is tubular and the central axis both of the housing (1) and of the pipe coil (3) forms the transport path (2) of the material to be cooled.

4. A device as claimed in one of Claims 1 to 3, characterised in that a fan is installed in the housing (1).

Revendications

1. Dispositif pour le refroidissement de matières dans une enceinte dans laquelle est disposé un élément de réfrigération relié à une source de gaz froid, ainsi qu'un élément de chauffage électrique pour réguler la température du gaz froid, dans lequel l'élément de chauffage est couplé à une unité de régulation et à un capteur de température placé à l'intérieur de l'enceinte, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte des moyens de transport des matières à refroidir consistant en une voie de transport (2) dans l'enceinte (1), en ce que l'élément de réfrigération est un serpentin hélicoïdal (3) placé coaxialement par rapport à la voie de transport (2), et en ce que l'élément de chauffage est un élément hélicoïdal (7) placé coaxialement par rapport à la voie de transport (2) et disposé à l'intérieur du serpentin hélicoïdal (3).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin hélicoïdal (3) est couplé par l'intermédiaire d'une vanne de régulation (5) à une source de gaz liquéfié, ledit serpentin hélicoïdal (3) étant employé comme évaporateur.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est de forme tubulaire et que la voie de transport (2) de la matière à refroidir constitue l'axe médian non seulement de l'enceinte (1) mais aussi du serpentin hélicoïdal (3).

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un ventilateur est disposé dans l'enceinte (1).

Zeichnung