专利名称：用于间接冷却物品的容器和设备以及制造该容器的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1所述的容器、根据权利要求5所述的设备以及根 据权利要求7所述的用于制造所述容器的方法。本发明特别涉及到实验室离心机，也就是例如在化学、生物、生物化学、或生物技 术实验室中使用的离心机。另一方面，本发明还能够具有优势地应用于大型机器技术的离 心机和机械搅拌设备，以及所有对物品需要至少进行间接冷却的设备。此外，本发明还用于 单纯的制冷设备中，所述制冷设备诸如为冰箱和冰柜，特别是指需要实现深度制冷的实验 室冰箱和实验室冰柜。在这种单纯的制冷设备中，所述容器形成所述设备内部空间的包围 壳体，在该包围壳体中放入物品。本发明并没有特别涉及到烹饪用具、煎锅或类似的用于对容器内的物品进行加热 的容器。
背景技术：
在离心分离的过程中，由于离心机转子的旋转在离心机容器中通过空气摩擦和电 功率损耗而产生热量。因为为了防止离心物品排出而用盖子对该离心机容器进行密封，所 以使热量损害没能进一步减轻，并且导致离心物品的温度升高。这种温度升高大多数情况是不被希望的。对此在过去已经采取了一些措施用于避 免离心物品温度的升高。这能够在一方面通过直接冷却来实现，或另一方面通过利用热交 换原理的非直接冷却来实现。在非直接冷却(间接冷却)的方法中，也就是指在制冷介质 和待冷却物品或待冷却物品的套筒之间不存在直接接触。在直接冷却的方法中，周围环境空气直接地沿着离心机转子导引通过离心机容 器，其中，所述转子用作是离心式通风机。由此，离心机盖子和/或离心机容器在轴的附近 设有导入口并且相对远离旋转轴的位置设置有导出口。这种直接冷却的方法虽然证明了， 对此必须使离心机容器设有导出口，然而该导出口当然造成材料的导出。由此，这种容器还 不能用于搅拌设备或类似设备，这是因为在这些设备中需要将材料直接混合并且因此必须 形成周围密封的结构。直接冷却的缺点是，将周围环境空气作为制冷介质的使用物品最大 程度也只能是冷却到周围环境空气的温度。在间接冷却的方法中，转子在离心机盖子的下方而被封闭在离心机中，而且并没 有冷却通道或类似装置。在此，空气仅在离心机容器内部进行循环。一种冷却方法是通过 第二种介质实现，使该第二种介质在所述容器的外侧进行导引。此外，或者可以使该第二种 介质为在所述容器外侧导引的周围环境空气，例如Eppendorf AG公司的5424型离心机所 采用的方式。或者可替换地，采用特殊的制冷介质通过导管在所述容器上进行导引，从而将 热量传递出去，所述导管呈螺旋状设置在所述容器上，也就是设置在容器的侧壁和底座上。 在后一种间接冷却的方案中，还可以实现将物品冷却到低于周围环境空气的温度。采用间 接冷却的优点在于，相对于直接冷却具有较好的调节温度的可控性。然而，采用间接冷却所达到的制冷效果至今还未能如直接冷却的效果那样有效，因为在相同的制冷功率下间接冷却的能量消耗相对较高。这是沿着所述容器外侧导引的制 冷介质的表面受到限定的接触所导致的结果。现有技术已经在努力改善间接冷却的方法。如文献US 5，477，704A公开的一种离 心机容器，在该离心机容器的外部侧壁和底座上通过添加铝的环氧树脂粘合有铜制成的制 冷蛇形管。所述添加铝的环氧树脂具有高热导率，并且用于支持离心机容器的热传导。文 献US 5，477，704A公开的粘合在所述容器上的制冷蛇形管，其特征在于该制冷蛇形管的特 殊结构所述制冷蛇形管设在容器侧壁或和底座上的面制成平面，从而扩大了制冷蛇形管 和容器之间的接触面积。然而，环氧树脂很难涂覆在铜管上，并且在能够使用这种容器之前 或能够对容器继续进行加工之前，需要一个足够的硬化时间。由此得出，所述容器和所述氧 化树脂/铜的连接具有不同的热导率。这就导致了，在温度变化过程中能够产生噼啪的噪 音，对于使用人员来说，这样的噪音能够产生对于离心机安全运行的不安全感。本发明的目的在于提供一种容器，所述容器能够实现有效的间接冷却，并且制造 简单、尽可能地降低成本。此外，本发明还提供一种与所述容器共同使用的设备以及一种用 于制造所述容器的方法。同时，所述容器不仅可以应用在离心机中，而且还能够应用在搅拌 设备、制冷设备和类似设备中。 具有意义地，本发明的容器可以是所有这样的装置，即，在这样的装置中能够直接 装有待冷却物品，或者通过可分开的套筒间接装有待冷却物品，并且所述物品能够通过形 成热传导接触的制冷装置的间接冷却而被冷却。本发明的容器能够根据外部结构而设计成 不同的形状。所述容器能够为圆形或锅的形状。在这样的一种情况下，所述容器具有圆形底 座，从该底座的外缘向上拉伸出侧壁。所述容器的顶侧可以通过一个可打开的盖子进行密 封。在一个可替换的结构中，所述容器具有多边形结构，也就是矩形或正方形结构。因此， 所述容器具有矩形或正方形的底座，从该底座的外缘分别延伸出四面侧壁。所述容器的顶 侧通过顶部盖板密封。分别根据所述容器的用途，可以将容器设计成一侧侧壁可以打开的 门的结构；还可以将容器的顶侧，也就是顶部盖板，设计成可以打开的盖子的结构。当进一 步解读“侧壁(Seitenwand) ”的时候，还包括其复数的概念，即，“侧壁们(Seitenwaende) ”。
发明内容
本发明的意想不到的效果通过权利要求1所述的至少两层涂层的容器得以实现。 同样令人意想不到的结果是，还实现了根据权利要求5所述的设备，特别是指离心机。因为 对于至少两层涂层的离心机容器能够使离心机的间接冷却实现如此明显得到改善的技术 方案，目前没有任何相关的启示，所以本发明的技术效果是令人意想不到的。因此，本发明提供了 (1) 一种用于间接冷却物品的容器，所述容器用于诸如离心机、搅拌设备、制冷设 备的设备中，所述制冷设备诸如为冰箱、冰柜和类似制冷设备，其中，所述容器与所述设备 的制冷装置形成热传导连接，并且所述容器包括容器本体，其特征在于，所述容器本体包括 至少两层热导率不相同的容器涂层(10、11)，这两层容器涂层形成热传导接触，其中，热导 率较高的涂层(11)设置在待冷却的容器外侧，所述容器外侧由所述冷却装置进行冷却；(2) 一种用于物品加工处理的设备，特别是指用于对物品进行离心分离、搅拌、制 冷或类似加工处理的设备，这些设备特别是指实验室离心机、冰箱、冰柜、实验室冰箱和/或实验室冰柜或类似设备，这些设备设有容器和制冷装置，该制冷装置仅局部地与冷却的 容器外表面形成热传导接触，所述制冷装置用于间接冷却设置在所述容器内部的物品，其 特征在于，所述容器形成为前述(1)项中的容器；以及(3) 一种用于制造前述(1)项中的容器的方法，其特征在于，将热导率较高的涂层 (11)设置在热导率较低的涂层(10)上，或相反地将热导率较低的涂层设置在热导率较高 的涂层上。“热传导接触(Waerme leitender Kontakt) ”结合本发明的意思是指必须提供这 样的接触，即，使热传递能够通过热传导来实现。也就是必须具有一个材料上的接触，这种 接触并不是指必须形成直接接触，而是指能够在两层涂层之间设有一层或多层中间涂层。 对此，“热传递接触(Waerme uebertragender Kontakt) ”结合本发明的意思是指必须提供 这样的接触，即，使热传递能够至少通过三种原理上的热传递力学中的一种来实现，这三种 热传递力学是指热传导、热辐射或热对流。对此，不用必须具有材料上的接触。在两个物体 之间的“直接接触”在本发明中理解为，两个物体至少局部地相互贴合或因此相接触。当对 本发明中通常所述的“接触”或“接触位置(Kontaktstelle) ”进行解读时，也就是指在这些 词前面没有“热传导(Waerme leitend) ”或“热传递(Waermeuebertragend) ”字样的时候， 对此通常是指直接接触。具有优势的扩展方案在从属权利要求中给出。
接下来，根据附图对本发明进行详细说明。其中示出了 图1为现有技术的离心机容器与制冷导管相接触的局部截面示意图；以及图2为本发明的离心机容器与制冷导管相接触的局部截面示意图。
具体实施例方式本发明的容器包括容器本体，该容器本体包括至少两层热导率不相同的容器涂 层，这两层容器涂层形成热传导接触。通过这两层容器涂层实现了一个大的接触面积，该接 触面积在制冷过程中改善了热传递。其中，热导率较高的涂层设置在待冷却的容器外侧，热 流在朝向制冷装置的方向上增大，该制冷装置仅局部地与待冷却的容器表面形成热传导接 触。由此总体实现了一个提高的制冷效果。为了实现特别有效的制冷，应该使热导率之间的差异为系数10，优选为20，特别 优选为100。在一个特别优选的结构方案中，热导率较低的涂层由包括铸铁、钢、陶瓷、玻璃和/ 或合成材料在内的材料制成，而热导率较高的涂层由包括铝、金、碳、包括碳的改性剂石墨、 金刚石、类金刚石碳和碳纳米管、铜、镁、黄铜、银和/或硅，或它们的合金在内的材料制成。 于是形成特别有效的热传递，并且所述容器也便于制造。特别地在一种结构方案中，热导 率较高的涂层具有优势地制成薄膜，例如为热解石墨薄膜(pyrolytische Graphitfolie, PGS)，这是因为这种薄膜在制造技术上便于涂覆在热导率较低的涂层上。作为热导率较低 的涂层还能够可替换地采用所谓的纳米层，也就是利用纳米技术制成的涂层。进一步可理 解为，这种涂层是由“纳米材料”制成。
在具有良好的效率的情况下如此降低制造成本，即，使热导率较高的涂层具有小 于Imm的微小厚度，优选小于0. 5mm，特别优选小于0. 2mm。同时要注意到，根据涂层材料， 热流在特别厚的涂层条件下会减少，而在特别薄的涂层条件下可能会受到干扰，从而对于 每种涂层材料的最小厚度都具有一个最佳值，这个最佳值可以由技术人员以常规手段通过 实验和计算得出。所要求的独立保护还包括一种用于物品加工处理的设备，特别是指用于对物品进 行离心分离、搅拌、制冷或类似加工处理的设备，这些设备特别是指实验室离心机、冰箱、冰 柜、实验室冰箱、实验室冰柜或类似设备，所述设备设有容器和制冷装置，该制冷装置仅局 部地与冷却的容器外表面形成热传导接触，该制冷装置用于间接冷却设置在容器内部的物 品，其中，所述容器形成为本发明的容器。此外还具有优势地，所述容器由管状的导管围绕，优选地呈螺旋状围绕所述容器。 术语“管状的(rohrfoermig) ”包括圆管以及至少一面制成平面的导管，特别还包括矩形管。“仅局部地(nur bereichsweise) ”结合本发明的意思是，制冷装置和冷却的容器 外表面之间的接触面积小于冷却的容器外表面面积。而且，所述制冷装置还能够由多个分 离工作的装置而构成，然而它们总的接触面积也应该小于冷却的容器外表面面积。由于所实现的间接制冷的效用，能够忽略在容器底部上制冷导管的设计。当然，例 如在离心机容器中温度随着旋转速度而成指数增加，而为了实现转数很高和/或需要深度 制冷的情况下，也可以在容器底部附加地设置冷却导管。当然，还能够使本发明的间接热传递与一种直接热传递相结合，所述直接热传递 例如是指由公知的转子空隙所支持的离心制冷方式。进一步地，当然还要求保护用于制造本发明容器的方法，在该方法中将热导率较 高的涂层设在热导率较低的涂层上，或者相反地将热导率较低的涂层设在热导率较高的涂 层上。例如能够通过以下步骤来实现，即，优选地将热导率较高的涂层镀在另一涂层上，然 后制成容器，或者将例如为薄膜或金属板的两层相互分离的涂层先相互贴合在一起，再使 容器例如通过同时诸如拉伸的涂层形变而成型。当然优选地，将热导率较高的涂层涂覆在热导率较低的涂层上之后，使热导率较 低的涂层大体上具有容器的结构；或者相反地，将热导率较低的涂层涂覆在热导率较高的 涂层上之后，使热导率较高的涂层大体上具有容器的结构。于是使制造方法具有较低的成 本，其中，例如将热导率较高的涂层通过镀层技术镀在热导率较低的涂层上，或相反地进行
镀层处理。综上可知，发明人公开了，在间接制冷的过程中，其效果主要取决于热交换组件之 间的热传递，如在下文示出的那样。同时，为了说明热传递的过程，仅考虑热传导，而忽略热 辐射和热对流。固定本体中的热流是这样定义的β-Α·-·ΔΓ其中，0表示通过固定本体的热流，λ表示热导率，热导率为材料常数，A表示固定 本体的横截面面积，s表示固定本体的厚度以及△ T表示热流的导入侧和导出侧的温度差。下面根据附图所示的离心机容器的实施例对本发明原理的优势进行详细说明。
图1仅示意性地示出了现有技术下公知的原理图，其中示出了离心机容器的截面 图，该离心机容器包括容器壁1、与该容器壁相接触的制冷导管2。同时，根据箭头所示的热 流从温度为T1的容器内侧3穿过壁厚为S1的容器壁1，经由位于容器壁1和制冷导管2之 间的温度为Ta的接触面A，再穿过制冷导管2导引冷却介质的材料，该制冷导管的壁厚为 S2，其中，冷却介质的温度为T2。为了实现简化，进一步地使壁厚S1和S2相等，并且s = 1mm，接触面的横截面面积 A = 1mm2，而且热流在接触面A以外的位置上等于零，也就是说在该等于零的位置上存在缝 隙。因此，穿过容器壁1的热流仅能够通过接触面A实现穿过，并且穿过容器壁1的热流 为Q1=X1^T1-Ta)以及，穿过制冷导管2导引冷却介质的材料的热流为Q2=A2^(Ta-T2)根据连续原理Q = Q2。代入，得出λ工· (T1-Ta) = A2 · (Ta-T2)。令T1-Ta = Δ T1 和 Ta-T2 = AT2,由此得出λ i · AT1 = λ2 · ΔΤ2。当选择λ i < λ 2时，则必须有Δ T1 Δ T2。在使用离心机的情况下，T2通过冷却介质而维持持续较低。这说明，在相对的一 端，容器内部温度T1与接触面温度Ta之间具有明显较高的温度差。为了能够进一步降低容器内部温度T1，原理上还具有这样的可能性，即，减小壁厚 S1和S2和/或使容器壁1采用热导率λ工非常高的材料(例如采用铜或银)制成，尽管第 一种可能性在技术上受到组成构件的功能性设置的限制，但是通常情况下还是被采用；而 第二种可能性大多由于技术原因和特定的使用范围而不能实现，这是因为例如铜或银不具 备化学上的惰性性能。因此，能够实现的可能性就保留为，增大接触面积A。由此，能够使用矩形管来代替 圆管，因为通常情况采用圆管来作为导引冷却介质的组成构件，而采用矩形管则实现了显 著地增大了接触面积A。当然，在这种可行的实施例中在技术上还不能实现矩形管壁与离心 机容器的完全接触。仍然存在清楚可见的缝隙，在所述缝隙上没有热传递。 作为本发明的解决方案，发明人在容器外壁上设置了 一层附加的热传导层，如图2 同样仅示意性地示出的截面图，其中示出了由箭头清楚表示的热流。由此，装入了一个附加 的具有较大接触面积的接触位置。与图1所示的离心机容器的区别在于，这里，也就是在厚度为Sltl的内部容器涂层 10的边上涂覆一层附加的厚度为S11的外部容器涂层11，该内部容器涂层限定出容器内部， 这层外部容器涂层作为容器外壁而由具有良好热传导性能的材料制成。制冷导管12的厚 度为 S12O为了实现简化，在此也适用图1的设计，使所有壁厚都相等，即s = 1mm，设置在外 部容器涂层11和制冷导管12之间的接触面的横截面面积A = 1mm2，而且热流在接触面A 以外的位置上等于零，也就是说在该等于零的位置上存在缝隙。然而另外，在此还具有位于容器涂层10、11之间的接触面B，该接触面面积远远大
7于另一个接触面面积A。这样，热流穿过内部容器涂层10、外部容器涂层11和制冷导管12 这三种材料，以及穿过分别位于各两种材料之间的接触位置A、B，这两个接触位置根据它们 的大小来区分。根据连续原理么=Qb_a = Q2。代入热流公式，得出A1-B- (T1-Tb) = λ Α_Β · A · (Tb-Ta) = A2-A- (Ta-T2)。进一步简化的情况下，使外部容器涂层11和制冷导管12采用相同的材料，并且由 此使λΑ_Β = λ 2，从而使它们的关系简化为λ[·Β·(Τι-ΤΒ) = λ2·^·(ΤΒ-Τ2)，并且令T1-Tb = Δ T1 禾口 Tb-T2 = AT2,由此得出=A2* J^AT2 。也就是说，当再次选择λ工< λ 2时，则必须有AT1〉AT20当然，此处所需的温 度差的一部分由明显较大的接触面B吸收。或者表示为另外的形式
AB^AT1 > — ·Μ2。在使用具有冷却功能的离心机的情况下，T2通过冷却介质而维持持续较低。这说 明，在相对的一端，虽然容器内部温度T1与接触面温度Tb之间必须具有明显较高的温度差， 但是这个温差还是要比图1所示的关系中的温差小，这是因为B >> A0既然本发明的原理是根据设置两层具有不同热导率的容器涂层而进行说明的，那 么显然还能够采用三层或多层容器涂层。同时还能够特别包括防腐层、耐磨层或类似涂层。 重要的就是在待冷却的容器外表面上设置热导率较高的容器涂层。为了使容器适用于特定 的使用环境中，既能够在热导率较高的涂层和热导率较低的涂层之间、还能够在热导率较 低的涂层上设置一层或多层其它的涂层。实施例接下来，将通过本发明的一个优选实施例与现有技术公知的对比实施例相比较来 对本发明的效果进行说明。采用Eppendorf AG公司的5415R型实验室离心机，这种离心机的制冷导管2、12采 用螺旋状矩形管，该螺旋状矩形管的宽为9. 5mm,高为5. 5mm,以及材料厚度为0. 5mm。对此， 采用Eppendorf AG公司的系列产品的离心机容器1 (货号5426123. 101-00)，该离心机容 器直径为185mm，高为70mm，以及壁厚为1mm，该离心机容器由V2A-不锈钢(热导率大约为 15ff/m*K)制成，并且通过导热胶(热导率大约为15W/m*K)设置在制冷导管2中，从而构成 对比实施例。而本发明的实施例中，采用Eppendorf AG公司的系列产品不锈钢离心机容器 10 (货号5426123. 101-00)，该离心机容器具有0. Imm厚的铜镀层11 (热导率大约为350W/ m*K)，在其它方面的实验组成都是一样的，也就是说，离心机容器通过导热胶(热导率同样 大约为15W/m*K)与矩形制冷导管12相接合。在两种情况下，5415R型离心机由Eppendorf AG公司的常用的F45-24-11型转子 以最大13200U/min的速度驱动一个小时。最小可实现的试样温度分别通过温度测量仪进 行测量。测量结果在下表中示出。
表
权利要求
一种用于间接冷却物品的容器，所述容器用于诸如离心机、搅拌设备、制冷设备的设备中，所述制冷设备诸如为冰箱、冰柜和类似制冷设备，其中，所述容器与所述设备的制冷装置形成热传导连接，并且所述容器包括容器本体，其特征在于，所述容器本体包括至少两层热导率不相同的容器涂层(10、11)，这两层容器涂层形成热传导接触，其中，热导率较高的涂层(11)设置在待冷却的容器外侧，所述容器外侧由所述冷却装置进行冷却。
2.根据权利要求1所述的容器，其特征在于，所述热导率之间的差异为系数10，优选为 20，特别优选为100。
3.根据前述任意一项权利要求所述的容器，其特征在于，热导率较低的涂层(10)由 包括铸铁、钢、陶瓷、玻璃、纳米材料和/或合成材料在内的材料制成，而热导率较高的涂层 (11)由包括铝、金、碳、铜、镁、黄铜、银和/或硅，或它们的合金在内的材料制成。
4.根据前述任意一项权利要求所述的容器，其特征在于，所述热导率较高的涂层(11) 的厚度小于1mm，优选小于0. 5mm，特别优选小于0. 2mm。
5.一种用于物品加工处理的设备，特别是指用于对物品进行离心分离、搅拌、制冷或类 似加工处理的设备，这些设备特别是指实验室离心机、冰箱、冰柜、实验室冰箱、实验室冰柜 或类似设备，所述设备设有容器和制冷装置，所述制冷装置仅局部地与冷却的容器外表面 形成热传导接触，所述制冷装置用于间接冷却设置在所述容器内部的物品，其特征在于，所 述容器形成为前述任意一项权利要求所述的容器。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述容器在其侧壁和/或底部上由管状的 导引制冷介质的导管(12)围绕，所述导管优选地呈螺旋状围绕在所述侧壁和/或底部上。
7.一种用于制造根据权利要求1至4中任意一项所述的容器的方法，其特征在于，将热 导率较高的涂层(11)设置在热导率较低的涂层(10)上，或相反f地将热导率较低的涂层设 置在热导率较高的涂层上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将热导率较高的涂层(11)涂覆在热导率 较低的涂层(10)上之后，使热导率较低的涂层(10)大体上具有所述容器的形状；或相反地 将热导率较低的涂层涂覆在热导率较高的涂层上之后，使热导率较高的涂层大体上具有所 述容器的形状。
全文摘要
本发明涉及一种用于间接冷却物品的容器和设备以及用于制造本发明的容器的方法。通过本发明实现了从容器外部到容器内部中的显著有效的间接热传递。离心机容器的热传导和热传递的改善在对离心机进行冷却的过程中使冷却装置所消耗的功率得到减少。通过离心机的较高的有效功率能够在相同的离心物品温度的条件下实现较高的转数，和/或在相同的离心物品温度和相同转数的条件下减少制冷设备所消耗的功率。
文档编号B65D81/18GK101941554SQ20091026132
公开日2011年1月12日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月22日
发明者凯·马施纳, 彼得·策纳尔, 贝尔特-奥拉夫·格林 申请人:埃佩多夫股份公司