Термостат хроматографа
Сущность: термостат хроматографа состоит из корпуса с дверцей, хроматографической колонки, размещенной в корпусе в рабочей зоне, смесительной камеры, нагревателя, вентилятора, входных и выходных каналов для воздуха с управляемыми заслонками. Дополнительно введен теплоизолирующий экран, установленный внутри корпуса с образованием зазора. Рабочая зона расположена внутри теплоизолирующего экрана, на входе которого установлены нагреватель и кожух, образующий смесительную камеру, внутри которого установлена крыльчатка вентилятора, обеспечивающая подачу воздуха внутрь термостата через входные каналы, расположенные на задней стенке корпуса. Теплоизолирующий экран выполнен сборным из плоской и П-образной частей, содержащих два слоя листового материала, скрепленных полыми втулками, теплоизоляторы обернуты теплоустойчивой тканью и размещены между слоями листового материала по их периметру. Технический результат изобретения: понижение температурного градиента в объеме термостата, снижение мощности нагрева в изотермическом режиме, уменьшение времени охлаждения термостата и снижение аэродинамического сопротивления. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Заявляемое конструкторское решение относится к приборостроению, в частности к термостатам для хроматографов.
Известен термостат хроматографа (патент №2213960, публ. 10.10.2003), содержащий теплоизолирующий корпус, дверцу и крышку с установленными на ней хроматографическими колонками, в полости корпуса расположены кольцевой нагреватель, датчик температуры и осевой вентилятор, а в задней стенке корпуса выполнены вентиляционные каналы с заслонками, при этом нагреватель подключен к источнику питания через соответствующие электронные ключи, управляемые контроллером по заданной программе.
Недостатком известного термостата является наличие тепловых потерь через стенки корпуса.
Известен термостат хроматографа (а.с. №1469452, публ. 30.03.89 Бюл. №12), выбранный в качестве прототипа, содержащий теплоизоляционный корпус, крышку, колонку в виде трубки, свернутой в цилиндрическую спираль, впускной и выпускной каналы для воздуха, центробежный вентилятор с двигателем и открытую цилиндрическую юбку, расположенную коаксиально внутри цилиндрической спирали соосно с вентилятором, при этом колонка размещена в рабочей зоне, в центре образованного наружным кожухом и цилиндрической юбкой равномерного кольцевого зазора, сообщающегося через кольцеобразную смесительную камеру с выходом вентилятора, снабженного равномерно распределенным кольцеобразным нагревателем и дополнительной крыльчаткой, взаимодействующей с выходным соплом впускного канала, выполненного в задней стенке корпуса термостата и снабженного управляемой заслонкой.
Недостатком известного термостата является высокий температурный градиент в объеме термостата, связанный с тепловыми потерями через стенки корпуса, низкая динамика изменения температуры, а также большое аэродинамическое сопротивление между входными и выходными вентиляционными каналами.
Задачей заявляемого изобретения является понижение температурного градиента в объеме термостата, снижение мощности нагрева в изотермическом режиме, уменьшение времени охлаждения термостата и снижение аэродинамического сопротивления.
Указанный технический результат достигается тем, что термостат хроматографа состоит из корпуса с дверцей, хроматографической колонки, размещенной в корпусе в рабочей зоне смесительной камеры, нагревателя, крыльчатки вентилятора, входных и выходных каналов для воздуха с управляемыми заслонками, при этом термостат дополнительно содержит теплоизолирующий экран, установленный внутри корпуса с образованием зазора, рабочая зона расположена внутри теплоизолирующего экрана, на входе которого установлены нагреватель и кожух, образующий смесительную камеру, внутри которого расположена крыльчатка вентилятора, обеспечивающая подачу воздуха внутрь термостата через входные каналы, расположенные на задней стенке корпуса.
Теплоизолирующий экран выполнен сборным из плоской и П-образной частей, содержащих два слоя листового материала скрепленных полыми втулками, теплоизоляторы обернуты теплоустойчивой тканью и размещены между слоями листового материала по их периметру.
Корпус выполнен многослойным из пористых базальтовых плит с размещением между слоями фольги с коэффициентом отражения инфракрасной энергии не менее 0,9.
Входные каналы расположены в зоне вращения крыльчатки вентилятора, а выходные каналы расположены на наименьшем расстоянии от входных каналов за пределами зоны вращения крыльчатки вентилятора по ходу движения воздуха между корпусом и теплоизолирующим экраном.
Смесительная камера выполнена в виде цилиндрического кожуха, установленного относительно крыльчатки вентилятора с равномерным зазором.
Нагреватель размещен в плоскости, перпендикулярной оси крыльчатки вентилятора.
Размещение рабочей зоны внутри теплоизолирующего экрана, установленного с образованием зазора с корпусом, обеспечивает снижение температурного градиента в объеме рабочей зоны термостата и снижение мощности нагрева в изотермическом режиме.
Выполнение смесительной камеры в виде цилиндрического кожуха, внутри которого установлена крыльчатка вентилятора, обеспечивает высокую динамику подачи холодного воздуха в рабочую зону, снижает аэродинамические потери и позволяет уменьшить время охлаждения термостата.
С целью снижения тепловых потерь и уменьшения температурного градиента корпус выполнен многослойным из пористых базальтовых плит с размещением между ними слоями фольги.
Расположение входных каналов в зоне вращения крыльчатки вентилятора, а выходных каналов на наименьшем расстоянии от входных каналов за пределами зоны вращения крыльчатки вентилятора по ходу движения воздуха между корпусом и теплоизолирующим экраном позволило уменьшить аэродинамические потери и снизить время охлаждения термостата.
Устройство термостата поясняется чертежом на котором изображен термостат, разрез.
Термостат состоит из корпуса 1 с дверцей 2 и откидной крышкой 3, теплоизолирующего экрана 4, образующего рабочую зону 5 с хроматографической колонкой 6. На входе теплоизолирующего экрана 4 установлен кожух 7, образующий смесительную камеру 8, нагреватель 9. Внутри кожуха расположена крыльчатка вентилятора 10. Теплоизолирующий экран 4 располагается относительно корпуса 1 с зазором 11. На задней стенке корпуса расположены входные 12 и выходные 13 каналы с механизмом привода заслонок 14.
Теплоизолирующий экран 4 содержит два слоя листового материала толщиной 0,4-0,6 мм, полые втулки, скрепляющие слои на расстоянии 3-5 мм, и теплоизоляторы, обернутые теплоустойчивой тканью и размещенные между слоями по их периметру.
Корпус термостата выполнен многослойным из пористых базальтовых плит с размещением между слоями фольги для отражения инфракрасной энергии, излучаемой колонкой.
В Таблице 1 приведены продольный и поперечный градиенты температуры для вариантов термостата с теплоизолирующим экраном и без него.
Работа термостата осуществляется следующим образом.
После начала вращения крыльчатки вентилятора 10 и включения нагревателя 9 воздух движется через нагреватель 9 в рабочую зону 5 термостата. Кожух 7 выполняет направляющую функцию и обеспечивает эффективную работу крыльчатки вентилятора 10. Поток воздуха в рабочей зоне 5 ограничен теплоизолирующим экраном 4, поэтому он сначала достигает дверцы 2, затем по зазору 11 проходит через пространство между корпусом 1 и теплоизолирующим экраном 4 с кожухом 7, затем возвращается на вход смесительной камеры 8. Горячий воздух, циркулируя в объеме термостата, нагревает хроматографическую колонку 6. Температура воздуха в рабочей камере контролируется датчиком температуры.
Приведенный цикл теплообмена повторяется многократно и создает достаточно однородное распределение градиента температуры в рабочей зоне 5 термостата.
Управление нагревательным элементом 9 осуществляется регулятором, например, по ПИД-закону. При низких температурах термостатирования, т.е. близких к температуре окружающей среды, поддержание температуры осуществляется совместным взаимодействием нагревателя 9 и механизма заслонок 14, при этом входящий воздух смешивается с воздухом, проходящим через зазоры 11.
При высоких температурах термостатирование осуществляется за счет подвода строго дозированной мощности к нагревателю 9, как правило, при закрытых заслонках 14. Количество мощности регулируется ПИД-регулятором.
Работа термостата в режиме охлаждения осуществляется при выключенном нагревателе 9 с открытыми полностью заслонками 14. Смешивание холодного воздуха, подаваемого осевым вентилятором внутрь термостата, приводит к быстрому понижению его температуры, а наличие прямоточного выходного канала снижает пневмосопротивление выходящему воздуху.
Движение воздушных потоков организовано с минимальным энергопотреблением, так как исключена возможность смешивания входящих и выходящих потоков.
Таким образом, размещение рабочей зоны внутри теплоизолирующего экрана. установленного с образованием зазора с теплоизолированным корпусом, применение смесительной камеры в виде цилиндрического кожуха, размещение входных каналов в зоне вращения крыльчатки вентилятора, а выходных каналов на наименьшем расстоянии от входных каналов за пределами зоны вращения крыльчатки вентилятора позволило снизить температурный градиента в объеме рабочей зоны термостата, обеспечить высокую динамику подачи холодного воздуха в рабочую зону, снизить аэродинамические потери и снизить время охлаждения термостата.
| Таблица. | ||
| Термостат | Компоненты градиента, °С/см | |
| продольный | поперечный | |
| Без экрана | 0,7 | 0,06 |
| С экраном | 0,3 | 0,05 |
1. Термостат хроматографа, состоящий из корпуса с дверцей, хроматографической колонки, размещенной в корпусе в рабочей зоне, смесительной камеры, нагревателя, крыльчатки вентилятора, входных и выходных каналов для воздуха с управляемыми заслонками, отличающийся тем, что дополнительно содержит теплоизолирующий экран, установленный внутри корпуса с образованием зазора, рабочая зона расположена внутри теплоизолирующего экрана, на входе которого установлены нагреватель и кожух, образующий смесительную камеру, внутри которого расположена крыльчатка вентилятора, обеспечивающая подачу воздуха внутрь термостата через входные каналы, расположенные на задней стенке корпуса.
2. Термостат по п.1, отличающийся тем, что теплоизолирующий экран выполнен сборным из плоской и П-образной частей, содержащих два слоя листового материала, скрепленных полыми втулками, теплоизоляторы обернуты теплоустойчивой тканью и размещены между слоями листового материала по их периметру.
3. Термостат по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен многослойным из пористых базальтовых плит с размещением между слоями фольги с коэффициентом отражения инфракрасной энергии не менее 0,9.
4. Термостат по п.1, отличающийся тем, что входные каналы расположены в зоне вращения крыльчатки вентилятора, а выходные каналы расположены на наименьшем расстоянии от входных каналов за пределами зоны вращения крыльчатки вентилятора по ходу движения воздуха между корпусом и теплоизолирующим экраном.
5. Термостат по п.1, отличающийся тем, что смесительная камера выполнена в виде цилиндрического кожуха, установленного относительно крыльчатки вентилятора с равномерным зазором.
6. Термостат по п.1, отличающийся тем, что нагреватель размещен в плоскости, перпендикулярной оси крыльчатки вентилятора.
