English China

Meilenstein Temperiertechnik Vom Rosenhut zur Peltiertemperierung

Autor / Redakteur: Ulla Reutner* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die richtige Temperatur ist für den Erfolg zahlreicher Prozesse essenziell. Die Geschichte der Temperierung in Labor und Prozess ist folgerichtig eine, in der es um immer höhere Genauigkeiten und Konstanz ging. Das Unternehmen Lauda hat sie maßgeblich mitgeprägt.

Anbieter zum Thema

Abb.1: Anfang der 60er Jahre. Die deutsche Wirtschaft läuft auf Hochtouren. Das gerade gegründete Messgeräte-Werk Lauda geht mit der ersten Produktgeneration in die Serienfertigung.
Abb.1: Anfang der 60er Jahre. Die deutsche Wirtschaft läuft auf Hochtouren. Das gerade gegründete Messgeräte-Werk Lauda geht mit der ersten Produktgeneration in die Serienfertigung.
(Bild: Lauda Dr. R. Wobser)

Lange bevor die Bedeutung der Temperierung den Anwendern in unterschiedlichsten Branchen bewusst wurde, erkannte der Urzeit-Mensch: Temperatur ist wichtig – sowohl für das Wohlbefinden als auch für die Beschaffenheit von Wasser und Nahrungsmitteln. Die erste Feuerstelle vor etwa 790 000 Jahren war der erste Meilenstein der Temperierung. Die „Regelgenauigkeit“ musste nicht sehr hoch sein, um das Überleben zu sichern. Temperiertechnik im heutigen Sinne, wenngleich rudimentär, entwickelten schon die Alchemisten, etwa für Destillationsapparaturen. Die Herstellung von höherprozentigem Alkohol soll schon dem persischen Arzt Rhazes Ende des 9. Jahrhunderts gelungen sein. In der frühen Alchemie wurden so genannte Aludel genutzt, Türme aus Ton, die ins Feuer gestellt wurden. Als erste Destilliergefäße dienten Retorten, Kolben mit einem langen, abwärts gebogenen Rohr, in dem die Substanz dank Luftkühlung kondensierte. Zur Wärmezufuhr wurde im Mittelalter jedoch zu eigenartigen Mitteln gegriffen, neben dem Wasser-, Aschen- und Sonnenbad. Gefäße wurden in gärenden Brotteig oder in faulenden Pferdedung gesetzt [1]. Zur Abkühlung des Destillats nutzte man den als Rosenhut bekannten Helm, einen wenig wirksamen Luftkühler. Eine verbesserte Version entstand durch Umhüllung des Helm-Kopfes mit einer Rindsblase mit hölzernem Ablaufhahn; so konnte er mit durchströmendem Wasser kühl gehalten werden.

Der niederländische Physiker, Chemiker und Instrumentenbauer Cornelis Drebbel (1572 – 1633) gilt als Erfinder des ersten Thermostats der Neuzeit. Er entwickelte ihn für alchemistische Öfen und Brutschränke für Hühnereier. Unter dem Brutkasten mit hohlen, wassergefüllten Wänden erhitzten die Verbrennungsgase eines Feuers die Wände. Die Wassertemperatur wurde mit einem gläsernen Temperaturfühler gemessen, bei dem ein zylindrischer Teil mit Alkohol, ein zweiter, u-förmiger mit Quecksilber gefüllt war. Durch die Wärmeausdehnung des Alkohols bewegte sich die Quecksilbersäule; ein auf dem Quecksilberspiegel liegender Schwimmstab regelte die Sauerstoffzufuhr und damit die Temperatur des Feuers [2]. Eine Konstruktion aus dem 18. Jahrhundert stammt von Francois Demachy, Direktor der Apothekenlaboratorien der Pariser Hospitäler. Sie bestand aus einer Zinn- und Kupferblase im Wasserbad, einem Kühlkopf, dem so genannten Rosenhut sowie einem Schlangenrohr zur Abkühlung.

Nach Rosenhut und Schlangenrohr: Bunsen-Thermostat

1830 gelang es Robert Wilhelm Bunsen, einen Thermostaten zu entwickeln, der bis zu 300 °C erreichte und diese Temperatur auf bis zu ±0,2 °C genau halten konnte. Das metallene Bunsen-Thermostat regulierte die Temperatur des in der Mitte angebrachten Gefäßes genau. Dazu war es an allen Seiten von Brennern umgeben, die man auf zwei dünnen Stäben hin- und herschieben und den Abstand zum Gefäß in der Mitte genau regeln konnte – und damit auch die Temperatur, die dort herrscht [3].

Mit heutigen Thermostaten (von altgriechisch thermós „warm, heiß“ und statós „stehend, eingestellt“) haben die Konstruktionen von Bunsen oder die rudimentären Wasserkühler der Alchemisten wenig Ähnlichkeit. Die drei Basismethoden waren jedoch dieselben: Gastemperierung, z.B. im Wärmeschrank mit Luft als Wärmeträger, Flüssigtemperierung mit Übertragung der Wärme über Flüssigkeit oder Feststofftemperierung, etwa unter Verwendung von Metallblockthermostaten. Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts stellten Luftthermostate die gewünschte Temperatur über geregelte Warmluft ein. Das Ziel einer hohen Temperaturgenauigkeit und -stabilität erzielte man aber erst mit einem geregelten Badthermostaten, bei denen der Wärmeträger zugleich sehr beweglich ist und über hohes Wärmetransportvermögen verfügt. Schon 1913 gelang es mithilfe einer elektrischen Heizung, einer Zusatzkühlung und passendem Rührmotor, Konstanzen von 0,0001 °C zu erzielen [4].

Sternstunde für die Analytik: Umwälzthermostat von Haake

Der Chemiker Fritz Höppler war für die nächsten Meilensteine verantwortlich. Er arbeitete damals bei der Firma Gebrüder Haake in Medingen bei Dresden und optimierte im Jahr 1932 die Temperierung eines Viskosimeters, indem er es mit einem temperierten Flüssigkeitsmantel umgab. Dieser wurde von einem Thermostaten mit der Temperierflüssigkeit versorgt, der 1934 in Serie ging. 1938 schließlich erfand Höppler den ersten Ultra-Umwälzthermostaten, noch heute eines der wichtigsten Instrumente zur exakten Temperierung von Mess- und Analysegeräten. Sein wichtigster Mitarbeiter: der Physiker Dr. Rudolf Wobser.

1956, mit der Gründung seines Familienunternehmens, beginnt dieser, die Geschichte der Thermostatierung mitzuschreiben. 1955 erlebt Dr. Wobser als Technischer Leiter der inzwischen umbenannten Firma VEB Prüfgeräte-Werk Medingen (vormals Gebrüder Haake) aus Ostdeutschland die Achema, schon damals die weltweit bedeutendste Messe für chemischen Apparatebau und Labortechnik. Die Aufbruchstimmung und der Geist der Freiheit im Westen bewegen ihn dazu, mit seiner Familie den nicht ungefährlichen Schritt in den Westen zu gehen. Die „Republikflucht“ führt bereits im August 1955 zunächst nach West-Berlin. Nach einigen Zwischenstationen und einer Phase der Suche nach einem vielversprechenden Standort für sein Unternehmen, findet er in Lauda bei Würzburg optimale Bedingungen [5].

Thermostatisierungs-Pionier Dr. Wobser: Startup in Lauda

Der jungen Firma gehört bereits Werner Trepte, ein Weggefährte aus Medingen, sowie der 20-jährige Sohn Karlheinz Wobser an. Bald darauf kommt der Tauberbischofsheimer Mechanikermeister Julius Strang dazu. Gemeinsam arbeiten sie an der Entwicklung von Ultra-Thermostaten, -Kryostaten und Strömungsmessern.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Ein erstes technisches Highlight gelingt den Pionieren Anfang 1958: ein Thermometer-Prüfgerät für die Anwendung in der Luftfahrt. Ende Mai 1958 kann das Unternehmen dann auf der Achema zum ersten Mal reüssieren: mit Ultra-Thermostaten und -Kryostaten, verschiedenen Arten von Strömungsmessern und einem Schmelzpunkt-Schnellbestimmer. Die „Kälte-Erfahrung“ bringt insbesondere Sohn Karlheinz ein, der dazu einen mehrmonatigen Spezialkurs bei Linde absolviert hatte. Die Achema-Exponate überzeugen; die Auftragsbücher füllen sich.

Innovation braucht aber manchmal auch Freiräume. Die nutzt Gerhard Wobser, der jüngere Sohn des Unternehmensgründers. Aus dem eigenen Entwicklungslabor steuert er das so genannte Quantenrelais bei, das für eine stetige Heizleistung in Form von gepulsten Heizstößen sorgt. 1967 zeigt Lauda eine völlig neue Generation von Ultra-Thermostaten – mit einer Regelelektronik, die es erlaubt, die Heizleistung stufenlos präzise einzustellen. Ergänzt wird das Angebot zudem um eine besonders kompakte Baureihe, die unter anderem den Kryostaten K2R umfasst. Die darin verwendete lagerfreie Umwälzpumpe und korrosionsbeständiger Edelstahl prägen die Modelle.

Anfang der 1970er übernehmen die Söhne Karlheinz Wobser (als technischer Leiter) und Dr. Gerhard Wobser (als Leiter F&E) Führungsverantwortung. Der frische Wind in F&E mit damals 17 Mitarbeitern sorgt für schnelle Erfolge: etwa in Form des Viscotimers, des weltweit ersten Kapillar-Viskositätsmesssystems. Auch die Entwicklung von kleinen Wärmethermostaten wird forciert. Pünktlich zur nächsten Achema 1973 sind drei neue Thermostate fertig. Ihr Bauprinzip mit Kontrollköpfen, die alle Funktionseinheiten außer das Temperierbad enthalten, wird wegweisend.

Hypothermiegeräte für die Operation am offenen Herzen

1977, nach dem frühen Tod des Firmengründers, treten die Sohne die Nachfolge als Gesellschafter an. Technisch sind die Jahre geprägt durch einen neuen Bedarf nach Kühlgeräten in der Medizintechnik. Für das Herabsetzen der Körpertemperatur von Patienten, die am offenen Herzen operiert werden, entwickelt Lauda ein spezielles Hypothermiegerät WKV 450 S für die Firma Stöckert (heute Livanova), Anbieter von Herz-Lungen-Maschinen. Das OEM-Gerät temperiert sowohl eine Kühlmatte, auf der der Patient liegt, als auch seinen Blutkreislauf. Inzwischen ist es in der dritten Auflage weltweit verbreitet.

Einen weiteren Meilenstein in der Thermostatisierung eröffnet die Digitaltechnik. 1976 werden die ersten, überaus genauen Digitalthermometer als Zusatzgeräte zu den Lauda-Thermostaten verkauft. Eine neue Generation von Thermostaten mit digitaler Anzeige von Soll- und Istwert präsentiert das Unternehmen 1982. Als Sensation jedoch dürfte der zeitgleich vorgestellte weltweit erste Mikroprozessor-Thermostat bewertet worden sein, dessen komplette Signalverarbeitung digital erfolgt. Neben einer bislang unerreichten Temperaturkonstanz ermöglicht das eine hochauflösende Anzeige bis zu einem Tausendstel Grad. Zudem verfügen die Lauda-Geräte nun über digitale und analoge Schnittstellen. Die ersten menügeführten Anwenderprogramme kommen hinzu. Dass zugleich noch immer die Kältetechnik an sich für Überraschungen gut ist, beweist Lauda mit der neuen Proportionalkühlung. Bisher erzielte man die gewünschte Temperatur weithin im Markt, indem man maximal kühlte und dann bis zur gewünschten Temperatur aufheizte. Die neue Technik kühlt dagegen genau so stark wie nötig und spart Energie.

In den frühen 1990ern löst das Unternehmen die alte Linien mit einer neuen Generation an Compact-Thermostaten mit fortschrittlicher Regelungstechnik ab, unter anderem einem Modell mit LC-Display und Folientastatur. Wettbewerber Haake jedoch hat hier einmal die Nase vorn. Er stattet auch die Einsteigergeräte mit Mikroprozessortechnologie aus. Erst 1997 zieht Lauda mit der Ecoline gleich. Das sonnengelbe Laborgerät fällt nicht nur ob der Farbe auf; auch das Bedienkonzept ist dem des Wettbewerbs voraus.

Prozessthermostate füllen eine Lücke

Ins neue Jahrtausend startet Lauda mit der Entwicklung der Prozessthermostate, einer Produktgruppe, die zwischen Laborthermostaten und Heiz- und Kühlsystemen angesiedelt ist: Lauda Integra (später umbenannt in Integral). Das Patent für die so genannte LN2-Kryopac-Technik, die Temperaturen von –150 °C bis 400 °C ermöglicht, puscht zudem den Sektor Heiz- und Kühlsysteme. Das Familienunternehmen, inzwischen vom Gründer-Enkel Dr. Gunther Wobser als Geschäftsführender Gesellschafter mit geleitet, will schließlich 2003 im mittleren und oberen Preissegment aufholen – mit der Proline. Innovatives Design, eine abnehmbare Bedieneinheit und Hightech im Inneren werden zum Erfolgsrezept.

„Peltiertechnik neu gedacht!“ – Temperierung per Halbleiter

2006 steht im Zeichen des 50. Jubiläums des Unternehmens – und der neuen Variante Integral XT bei den Prozessthermostaten. Zudem stellt Lauda die Gerätelinie Aqualine vor, die universelle Wasserbäder für das Labor beinhaltet. Damit deckt Lauda als einziger Hersteller die gesamte Bandbreite an Temperiergeräten ab – vom Labor-Wasserbad bis zu modularen Temperieranlagen.

Die Modellpflege und -entwicklung prägt die nächsten Jahre. Herausragend ist die Einführung von Eco-Kältethermostaten in Europa, die durch den Einsatz natürlicher Kältemittel einen Beitrag zur Reduzierung des Treibhauseffektes leisten. Auch die Messe Analytica spornt die Lauda-Entwickler zu Neuerungen an, so etwa 2014, als die neue Produktlinie Microcool vorgestellt wird – Umlaufkühler zur Kühlung von Analysegeräten. Ebenfalls noch 2014 kann der Temperierspezialist mit der Neueinführung der PRO neue Maßstäbe bei Kälte- und Wärmethermostaten setzen. Zum vorerst letzten Meilenstein verhelfen die Entwickler dem Unternehmen 2017 – nach zwei Jahren intensiver Forschung: „Wir haben die Peltiertechnik neu gedacht“, so die selbstbewusste Botschaft. Auf Basis der bewährten Technik entstand ein neuartiger thermoelektrischer Umwälzthermostat, der Lauda Loop. Vor dem Hintergrund gestiegener Anforderungen an flexible Arbeitsprozesse war das örtlich ungebundene Temperieren das Ziel. Bei diesem Thermostaten, im März in Paris auf dem Forum Labo vorgestellt, wird die Temperatur mittels Stromfluss durch Halbleiter erzeugt; je nach Stromrichtung wird geheizt oder gekühlt – zwischen 4 und 80 °C, und das ohne Kühlmittel. Der Lauda Loop ist für die Temperierungen von Refraktometern, Bioreaktoren, Elektrophorese-Kammern oder für die Probenvorbereitung einsetzbar. Zusätzlich bieten die thermoelektrischen Thermostate des bereits 2013 akquirierten amerikanischen Unternehmens Lauda-Noah Peltierthermostate bis 2,5 Kilowatt, vornehmlich für die anspruchsvolle Halbleiterindustrie.

„Mit der Peltiertemperierung konnten wir ein weiteres Mal Maßstäbe setzen“, sagt Dr. Gunther Wobser, der heutige Geschäftsführende Gesellschafter, und fügt hinzu: „Wir haben aber auch allen Grund, auf die Erfolge der Vergangenheit stolz zu sein, etwa auf den ersten digitalen Thermostaten, den wir 1982, weit vor dem Wettbewerb auf den Weg gebracht haben.“ Bei vielen Entwicklungen waren es immer wieder Kunden und deren Anforderungen, die Lauda zu Höchstleistungen anspornten. „Gerade bei OEM-Anwendungen und beim Anlagenbau arbeiten wir seit jeher interaktiv mit unseren Kunden. Das wollen wir auch bei Seriengeräten tun.“ Für weitere Entwicklungen sollen künftig gezieltere Analysen der vorhandenen Daten als Schrittmacher dienen. Die daraus resultierenden Erkenntnisse über die Nutzung der Lauda-Geräte wird den Entwicklern tiefe Einblicke in den Bedarf der Anwender geben und für weitere Meilensteine in der Temperiertechnik sorgen.

Literatur

[1] Eduard Gildemeister, Friedrich Hoffmann, „Die ätherischen Öle“, 3. Auflage, Schimmel & Co.

[2] Rüdiger Kramme, „Medizintechnik - Verfahren – Systeme – Informationsverarbeitung“. Springer-Verlag, 2016

[3] Tina Schäfer, „Heroen der Chemie“, Unispiegel 1/2016, Universität Heidelberg

[4] Website www.lauda.de, „Temperierung – was ist das?“

[5] nach Lauda-Chronik, Gesamtwerk

* Dr. U. Reutner: Fachjournalistin Technik & Wissenschaft, 86916 Kaufering

(ID:44899333)