CN110168297B - 冷却设备通风机装置和超低温冷却设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其是用于超低温冷却设备的冷却设备通风机装置，其具有通风机电机(10)，通风机电机具有通风机转子(12)，并且可以设置在空气入口(16)、冷却设备热交换器(15)和/或冷却设备压缩机(14)以及空气出口(18)之间的空气引导通道中，空气引导通道设置在冷却设备壳体(20、22)上或中，通风机电机可以通过供电和/或控制线路与冷却设备的机组、尤其是冷却设备压缩机和/或冷却设备控制电子器件连接，其中，通风机电机(10)实现为无刷式的转速可调节的直流电压电机，直流电压电机的运行转速依据尤其是相关联的或可相关联的冷却设备压缩机的运行温度信号和/或有效冷却区域温度信号被调节或可被调节。

Description

冷却设备通风机装置和超低温冷却设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的冷却设备通风机装置。此外，本发明还涉及一种具有这种通风机装置的超低温冷却设备。
背景技术
由现有技术通常已知的是，冷却设备、尤其是超低温冷却设备(ULT＝Ultra-Low-Temperature-Freezers，超低温冷却设备)，即针对在-40℃以下的、通常甚至在-60℃以下至-80℃以及更低的冷却温度的有效冷却区域的冷却设备，设有通风机装置，其用于在热动态过程中在热交换器(液化器)上形成的过程热量的热导出以及必要时用于冷却所使用的冷却设备压缩机。通风机装置(其通常具有至少一个对通风机转子进行驱动的通风机电机)合适地设置在通常设置在冷却设备壳体的底部区域上或中的空气引导通道中，并且将通过空气入口进入的空气经由液化器和压缩机引导至空气出口，并且因此提供机组的有利的或对于冷却运行来说需要的运行条件。
这种假定为常见的和通常已知的冷却设备通常用于工业目的或研究目的，其中，该设备的典型的使用目的是长时间冷却：合适地作为冷却物体设置的生物或医学样品或类似的东西通常在(超低温)目标温度中保存几周或甚至几个月，其目的例如是遵守相应的法律规定。
除了电能消耗和压缩机以外，并且除了用于热交换器的冷却和热导出的通风机电机以外，在持续运行中，来自该通风机电机的噪声发射特别地也起越来越重要的作用。依据通常设有常见的通风机装置的冷却设备系统的地点，这种通风机装置的通风机噪声通常看起来是干扰性的，更确切地说，尤其是当例如在目标冷却温度中或附近的平稳的(持续)冷却运行状态中，冷却设备压缩机(通常也作为多个压缩机以所谓的级联的形式布置)以降低的冷却功率或减小的压缩机电机转速运行(其中，这种压缩机附加地通常也是噪声抑制的)。因此，不仅是(通常在固定的转速中运行的、设计为交流电压电机的)通风机电机本身导致可能干扰性的噪声，而且通常在大约1300至1400min-1的转速下运行的通风机转子的起通风作用的叶片也产生干扰性的噪声(所谓的“fan tip noise”，即通过通风机叶片导致的噪声)。因为常见的通风机电机本身在其转速或旋转速度中通常未经调节地运行(尤其因为通常使用的电机由于成本原因也不一定能够实现转速调节)，并且通常通风机电机的运行与对相关联的压缩机的控制有关(即通风机电机恒定地、与冷却设备压缩机同步地运行)，所以在压缩机运行期间、以实际上不变的高的噪声水平连续进行通风机电机运行和与之相关的噪声发射。
电能消耗附加地与通常未经调节的和因此仅数字地接通/切断的通风机电机相关联；与通过常见的通风机装置来冷却的热交换器和压缩机的实际的热导出或冷却需求无关，通风机以标称或额定功率运行，其中，鉴于相关联的冷却回路的待冷却的功率峰值，在此通常甚至执行通风机功率和因此通风机电机的一定的超规模设计，以避免冷却回路在这种冷却功率峰值中的低效的运行。然而，这导致在冷却设备压缩机的更小的冷却功率的运行情况中(即例如在额定冷却温度的平稳运行中)的效率缺陷。甚至在此，冷却回路被施加以热交换器和通风机装置的完全的通风机功率，这又减小能效地导致更高的压缩机功率，因为冷却设备压缩机(在这种减小的冷却功率运行中)由于始终流动的高的气流不(不再)在优化的工作温度或优化的工作点中运行。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，鉴于冷却设备通风机装置的噪声特性，改进一种根据独立权利要求的前序部分的、尤其是用于所谓的超低温冷却设备的冷却设备通风机装置，并且尤其是也提供一种改进的通风机装置，其改进了通风机电机和以通风机电机的空气冷却施加的冷却机组(热交换器、压缩机)的能效。在此尤其是注意到结构简单的和最小硬件费用的实现方案，并且优选地也提供的是，这种改进的通风机装置在不同的运行环境中、尤其是在具有不同的国家专属的标准电网电压的运行环境中可以简单地和运行安全地运行。
该技术问题通过具有独立权利要求的特征的冷却设备通风机装置以及通过作为这种通风机装置的使用的根据独立权利要求9的超低温冷却设备来解决；在从属权利要求中描述了本发明的有利的扩展方案。本发明的范围内的附加的保护要求保护一种用于运行根据本发明的冷却设备通风机装置的方法，其中，可从本申请识别到的方法步骤就此而言应当被视为本发明的公开内容。
以根据本发明有利的方式，首先，通风机电机被设计为无刷式的转速可调节的直流电压电机。这以根据本发明特别有利的方式不仅可以根据本发明依据运行温度和/或有效冷却区域温度来调节通风机转速，而且能够实现通风机电机的如下这种设计方案：以特别简单的方式通过通常已经用于运行UTL冷却设备本身的电机或前置电子器件来运行该通风机电机，电机或前置电子器件通常附加地有利地设有用于处理不同的输入侧的供电网交流电压的电压转换器部件，在这种有利的电压转换器部件的输出侧可以提供恒定直流电压，从恒定直流电压于是可以产生或导出和必要时调节针对根据本发明的直流电压电机的运行电压。
因此，本发明有利地实现的是，通风机电机的转速(和因此其电功率消耗)可以匹配于因此冷却的(ULT)冷却设备机组的实际的运行条件，其中，根据本发明，运行温度或有效冷却区域温度已经证实为特别合适的控制参量，以便就此而言(也)影响通风机电机的转速。因此，有利的结果是：在不具有或仅具有很小的温度波动的冷却额定温度中的压缩机运行的情况下，就此而言根据平稳运行并且可能与减小的压缩机功率相关联地，也可以降低通风机转速，伴随着相应对根据本发明的DC通风机电机的通风机噪声和电功率消耗的正面影响。因此在实际运行中，最大转速例如可以从大约1300min-1减小至大约300至400min-1；鉴于典型的通风机电机的电功率消耗，这意味着电功率消耗从在满载时的大约30W下降到在给出的低的转速范围内的部分负载时的大约2至3W。相反地，本发明提供的是，在冷却冷却设备压缩机以很高的压缩机功率运行时的设备压缩机的运行状态期间，调节出相应提高的通风机电机的通风机转速，从而在每个时间点存在最佳的空气运输条件。
根据本发明，根据本发明的温度调节依据运行温度信号或有效冷却区域温度信号进行，运行温度信号或有效冷却区域温度信号根据扩展方案通过温度传感器部件产生，温度传感器部件可以与冷却设备的冷却区域的有效冷却区域相关联。替换地，仍然也可能的是，合适地在(至少一个)冷却设备压缩机上、例如在对应的压缩机壳体上量取温度信号，又补充或替换地，这种温度信号也可以间接地从冷却设备压缩机电机的电机或电枢电流获得，或者相应地可以使用相应于运行温度或有效冷却区域温度的或与其成比例的另外的信号。
运行温度信号或有效冷却区域温度信号尤其是也可以包含温度梯度，即有效冷却区域或冷却设备压缩机的温度在时间间隔中如何或多强地改变的信息，以便就此而言可以推断出在降温时的冷却运行或平稳的冷却运行。
特别优选地，在本发明的扩展方案的范围内，将温度传感器用作原本已经与有效冷却区域相关联的温度传感器部件，例如为了如下目的：借助因此产生的温度信号来控制或调节冷却设备压缩机(本身)的冷却运行。以该方式，不仅可以使用已经存在的和通常通过前置于冷却设备压缩机的电子器件准备的传感器信号，而且在超低温冷却设备的绝缘敏感和温度敏感的环境中也不需要另外的传感器，其可能具有附加的和要避免的(形成热桥的)线路、穿引部等。
在针对(至少一个、但优选多个且级联地设置的)冷却设备压缩机和通风机电机的集成的电机或前置电子器件的范围内，附加地有利的是，该电子器件设有功率因数校正功能(PFC＝Power-Factor-Correction)，以便就此而言除了为各种各样的(国家)电网电压环境提供通用性以外，也使到这种(公共的)供电网的可能的电网反馈最小化。
特别合适的和用于敏感的运行环境的扩展方案是根据扩展方案设置的延迟部件，其又优选地结合集成的电子器件实现地影响冷却设备压缩机，并且被构造为，作为对激活冷却设备的激活信号或运行启动信号的反应，在激活冷却设备压缩机之前激活通风机电机，更确切地说根据本发明扩展地，在激活冷却设备压缩机之前的预定的时间间隔中激活通风机电机。随着对这样实现的冷却设备装置的运行安全的明显的影响，通过这种优选的扩展方案可以例如防止如下问题，即，通过冷却设备压缩机运行的、在当前优选的超低温中通常包含可燃烧冷却剂的冷却回路具有泄漏，泄漏在可能的利用压缩机激活导致的火花形成中可能意味着爆炸危险。关于在接通冷却设备压缩机之前的预定的时间激活通风机电机的根据本发明的扩展的解决方案导致的是，冷却气流去除或至少稀释可能的逸出的冷却剂，使得剩余的混合物在泄漏的情况下也不再能点燃，并且就此而言明显减小爆炸危险。典型的和进一步优选待设计的针对相对于激活通风机电机延迟压缩机激活的时间间隔是大约5s，其中，根据本发明的设计的时间间隔根据相应装备的冷却设备的配置和运行环境或运行条件提供针对该延迟的测定的依据。
尤其地，无刷式的直流电压电机用于实现通风机电机的根据本发明的应用通常提供如下可能性，即，提供与转速成比例的、用于通风机电机的评估或运行状态监控的信号(不论是通过对DC电机进行驱动的调节回路，还是通过电机控制电子器件的单独的反馈信道)。对根据本发明的通风机电机的这种转速(实际)信号的评估能够实现，检测可能的故障功能，并且作为对故障功能的反应也产生对相应装备的冷却设备装置的冷却运行或压缩机运行的影响：因此，作为对激活根据本发明的通风机电机的反应，例如可以通过监控对应的转速信号确定该电机是否以设置的转速工作(例如通过与例如电子存储的额定值的比较)，并且可以在低于转速阈值时推断出故障功能(例如通风机电机损坏或空气引导通道中的堵塞)，随后可以输出故障报告，或者甚至可以禁止启动冷却设备压缩机。补充地或替换地，这种通风机电机转速采集或监控能够使通风机电机转速与根据本发明采集的运行温度或有效冷却区域温度相关联，并且又在与设置的额定值或额定值范围的预定的偏差的情况下输出相应的故障信号，或者为了避免在冷却设备上的可能的损坏而停止压缩机运行。
即使在本发明的范围内，对冷却设备通风机装置单独要求进行保护，并且就此而言，提供优选的使用环境的具有对应的冷却设备壳体的冷却设备以及(至少一个)冷却设备压缩机本身都不是本发明的主题，根据本发明的冷却设备通风机装置在超低温冷却设备的范围内的应用仍然是本发明的优选的实现方案，并且相应设置将这种冷却设备配置为针对根据本发明的通风机装置的使用环境。在此一方面优选地，通风机装置可以作用于(单个)冷却回路，从而就此而言，根据本发明的空气引导通道除了通风机电机和通风机转子以外还在气流通过的区域中具有压缩机。另一方面也可想到，在通常在非常低的额定温度中级联设置地布置多个具有相应的热交换器和冷却设备压缩机的冷却回路的情况下使用相应多个通风机电机，替换地又使用仅一个通风机电机。
即使本发明设置超低温作为优选的应用领域，本发明仍然不局限于上下文，而是同样提供了，根据本发明的技术及其扩展也能够针对覆盖了另外的温度范围的冷却设备进行应用，其中，尤其因为本发明在能效中的优点，也可以提供结合设置在车辆中的冷却设备的移动使用或应用。
附图说明
由随后对优选的实施例的描述以及根据附图得到本发明的另外的优点、特征和细节；附图中：
图1示出了用于实现本发明的第一实施例的与热交换器和冷却设备压缩机共同作用的根据本发明的冷却设备通风机装置的示意性框图；和
图2示出了(设计用于超低温的)冷却设备的示意图，冷却设备在底部侧构造出具有根据图1的通风机装置和冷却设备压缩机的空气引导通道。
具体实施方式
如图1的示意性框图在逻辑上或功能上和图2的几何图示说明的那样，设计为无刷式的直流电机的、具有合适的通风机转子12的通风机电机10相对于未详细示出的冷却回路的针对超低温冷却目的而确定尺寸的热交换器(液化器)15和冷却设备压缩机14放置，使得可以施加由通风机转子12产生的、从(合适地利用通风机格栅、过滤器等以未详细示出的方式遮盖的)入口16导入和朝出口18引导的、来自在图2中示意性示出的冷却设备20的环境空气-环境的冷却气流。更准确的说，简略画出的空气引导路径16-10-12-15-14-18构造在冷却设备20的冷却设备壳体的底部区域22中，冷却设备提供用于容纳冷却物体的内部空间24作为有效冷却区域，冷却物体在所描述的实施例中可以在超低温范围内保持在-80℃至-40℃的额定温度。
为了检测该有效冷却区域的当前的冷却温度设置了温度传感器26，示意性示出地，温度传感器可以不仅被前置于通风机电机10的通风机电机控制单元28，而且也被前置于压缩机电机14的压缩机控制单元30评估或可以用于运行控制。更准确的说，在所示的实施例中设置，借助压缩机控制单元30使用由温度传感器26输出的温度信号(作为绝对温度信号，补充或替换地也作为温度梯度信号)，以便根据有效冷却区域中的当前的温度来调节压缩机14的冷却功率；这例如可以有利地如下地实现(在压缩机转速优选保持恒定的情况下)，即，例如当达到在冷却额定温度中的平稳运行状态时，降低正常以230VAC运行的压缩机电机的压缩机运行电压。图2以在底部区域22中设置的电子器件模块40的形式示出：单元28和30(图1)也可以合适地合并。
附加地，在所描述的实施例的范围内，传感器26的温度信号被通风机电机控制单元28使用，以便根据当前的温度条件取决于温度地(或也替换地或补充地取决于温度梯度地)调节通风机电机10的运行、尤其是通风机电机的转速。因此，压缩机14的(在电功率消耗中减小的)压缩机运行例如根据本发明有利地导致，仅需要与通风机转速的降低相关联的更小的通风机功率。相应地，通风机电机控制单元将转速降低为更低的值，从而通过由此减小的转子12的气流，使压缩机14和热交换器(液化器)15始终保持在最佳的工作点(工作温度)上。前置于通风机电机10的转速检测器32随后能够就此而言利用由传感器26提供的(替换地也可以直接通过压缩机控制单元30、受温度控制地输出的)额定信号实现针对通风机电机的转速调节回路，转速检测器的检测器信号可以由通风机电机控制单元28评估。
附加地，图1的框图说明了，通过与合适地与通风机电机控制单元相关联的、所存储的针对转速的特征值或额定值的比较，转速检测器32的输出信号也可以执行通风机电机或空气引导通道的有效的故障采集：如果当前的转速检测器信号32例如不应当与(预定的)控制信号一致，或者导致预定的边界值以外的调节干预，则可以推断出通风机电机的可能的故障功能，替换地可以推断出例如与空气入口16相关联的过滤器的堵塞，并且通过控制单元30经由控制线路34阻止压缩机电机的激活。
补充地或替换地，控制线路34也适用于在激活压缩机14之前(通过通风机电机控制单元)启动通风机电机10的运行，作为对激活冷却设备的反应；在通风机电机控制单元28的范围内，就此而言实施延迟单元，延迟单元借助控制线路34触发延迟的压缩机激活。这可以针对开头阐述的目的用于在压缩机激活发生之前借助通风机气流来去除或稀释相应的蒸汽，以预防由于冷却剂逸出而造成的危险。
为了输出可能的故障或状态信息，图1的框图还以单元36的形式示出了相应的状态或信号功能，并且为了匹配于公共电网的不同的(尤其是国家的)交流电网环境，在输入侧构造电压转换器单元38，补充地通过(没有详细示出的)功率因数校正功能(PFC)，电压转换器单元将在大约100至大约240VAC(具有在50至60Hz之间的典型的电网频率)之间的宽的输入范围的电网交流电压转换为390V的直流电压，直流电压根据本发明扩展地也可以用于运行通风机电机控制单元。

Claims (10)

1.一种尤其是用于超低温冷却设备的冷却设备通风机装置，其具有
通风机电机（10），所述通风机电机具有通风机转子（12）并且能够设置在超低温冷却设备（20）上或冷却设备壳体的底部区域（22）中的、在空气入口（16）、冷却设备热交换器（15）和冷却设备压缩机（14）以及空气出口（18）之间的空气引导通道中，
所述通风机电机能够经由供电和/或控制线路与冷却设备压缩机和/或冷却设备控制电子器件连接，
其特征在于，
所述通风机电机（10）实现为无刷式的转速可调节的直流电压电机，
所述直流电压电机的运行转速被控制为，使得当冷却设备压缩机（14）处于平稳运行时，所述通风机电机（10）的运行转速相对于在通过冷却设备压缩机在有效冷却区域中降温时的通风机转速减小，其中，所述平稳运行被定义为当有效冷却区域中的温度在目标冷却温度的范围内并且取决于温度梯度的运行，所述温度梯度表示有效冷却区域或冷却设备压缩机的温度在时间间隔中如何或多强地改变的信息，以便能够推断出在降温时的冷却运行或平稳的冷却运行，并且
其中所述温度由运行温度信号或有效冷却区域温度信号表示，其中所述运行温度信号表示冷却设备压缩机（14）的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于温度传感器部件（26），所述温度传感器部件与冷却设备的有效冷却区域相关联，以用于产生运行温度信号或有效冷却区域温度信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述温度传感器部件（26）与压缩机控制电子器件（30）相关联，以用于对冷却设备压缩机进行运行控制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，针对通风机电机的DC运行电压能够通过与冷却设备压缩机相关联的或可相关联的电机电子器件（38）产生，或者能够从所述电机电子器件中导出。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电机电子器件具有用于将所施加的供电网交流电压电压转换（38）为中间直流电压的部件，
其中，所述中间直流电压为了产生针对通风机电机的DC运行电压而被布线。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于作用于相关联的或可相关联的冷却设备压缩机的延迟部件，所述延迟部件被构造为，使得作为对激活信号和/或运行启动信号的反应，能够在激活冷却设备压缩机之前的预定的时间间隔中激活通风机电机。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述延迟部件被设计和/或构造为，使得预定的时间间隔是在1秒到360秒之间、优选在2秒至30秒之间、进一步优选在3秒至10秒之间。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于与通风机电机（10）相关联的转速采集和/或监控部件（32），所述转速采集和/或监控部件，尤其是关于运行转速相对于运行温度或有效冷却区域温度的预定的或可预定的比率或比率范围，被构造为用于识别和/或通知故障功能，作为对超过或低于对应的比率阈值的反应。
9.一种超低温冷却设备（20），具有至少一个冷却设备压缩机（14）和与冷却设备的冷却设备压缩机以及冷却回路-热交换器（15）相关联的根据权利要求1至8中任一项所述的冷却设备通风机装置，其中，所述超低温冷却设备具有构造为用于与公共的供电网连接的供电单元（38），所述供电单元针对在85V至264V之间的、尤其是在100V至230V之间的电网交流电压被构造为标准电网交流电压，并且提供针对冷却设备通风机装置的运行直流电压。
10.根据权利要求9所述的冷却设备，其特征在于，所述冷却设备通风机装置被构造和设计为，在冷却设备以待冷却的有效冷却区域的冷却额定温度进行冷却运行时，通风机电机的运行转速相对于在通过冷却设备压缩机在有效冷却区域中降温时的通风机转速减小，并且尤其是连续地和/或相应跟随优选成比例的调节曲线地减小。
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