DE102012002593A1

DE102012002593A1 - Zentrifuge mit Kompressorkühleinrichtung und Verfahren zur Steuerung einer Kompressorkühleinrichtung einer Zentrifuge

Info

Publication number: DE102012002593A1
Application number: DE102012002593A
Authority: DE
Inventors: Heiko Müller; Sven Fischer; Dieter Wolf
Original assignee: Eppendorf SE
Current assignee: Eppendorf SE
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-14
Also published as: JP6329910B2; CN104203422A; WO2013120604A2; EP2814617B1; EP2814617A2; JP2015513447A; CN104203422B; PL2814617T3; WO2013120604A3; US20150080202A1; US10449556B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentrifuge mit Kompressorkühleinrichtung (30) und Verfahren zur Steuerung einer Kompressorkühleinrichtung (30) einer Zentrifuge. Die erfindungsgemäße Zentrifuge weist im Kältekreislauf (41) der Kompressorkühleinrichtung (30) eine steuerbare Drosselvorrichtung (39) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zentrifuge nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Kompressorkühleinrichtung einer Zentrifuge nach dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Bei der Zentrifugation, insbesondere in sehr schnell drehenden Laborzentrifugen, entsteht während der Drehung des Zentrifugenrotors im Zentrifugenkessel Wärme durch Luftreibung und Einleitung elektrischer Verlustleistung. Da der Zentrifugenkessel zum Verhindern eines Austrittes von Zentrifugiergut mit einem Deckel verschlossen ist, kann dieser Wärmeeintrag nicht ohne weiteres abgeführt werden und führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Zentrifugiergutes.
Diese Temperaturerhöhung ist jedoch unerwünscht, da sie zu einer Zerstörung bzw. Unbrauchbarkeit der zentrifugierten Proben führen kann. Üblicherweise müssen die Proben auf einer definierten Temperatur gehalten werden, beispielsweise je nach Anwendung auf Temperaturen von 4°C, 22°C oder 37°C. Daher wurden schon in der Vergangenheit Vorkehrungen zur Vermeidung einer Erhöhung der Temperatur des Zentrifugiergutes getroffen, wobei häufig eine mittelbare Kühlung eingesetzt wird. Bei dieser mittelbaren Kühlung ist der Rotor zumeist im Zentrifugenkessel unter dem Zentrifugendeckel eingeschlossen und es ist kein Kühlkanal oder dergleichen vorgesehen. Die Luft zirkuliert daher nur innerhalb des Zentrifugenkessels. Eine Kühlung wird nun durch ein zweites Medium erreicht, das an der Außenseite des Kessels vorbeigeführt oder in der Kesselwand geführt wird. Hierzu wird häufig eine Kompressorkühleinrichtung mit Rohren und Wärmetauschern vorgesehen, mittels derer ein spezielles Kältemittel (Im Gegensatz zu „Kühlmitteln”, wie sie beispielsweise für den Kühlwasserkreislauf von PKW eingesetzt werden, durchläuft ein Kältemittel während des Durchgangs durch den Kältekreislauf Phasenänderungen, nämlich üblicherweise von flüssig nach gasförmig, und mit einem solchen Kältemittel ist auch eine Temperierung eines Kühlgutes, welches eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur hat, möglich) über Rohrleitungen (bilden den Kältekreislauf), die beispielsweise spiralförmig an dem Zentrifugenkessel, d. h. den Seitenwänden und den Boden des Kessels, anliegen, an dem Kessel vorbeigeführt wird, um Wärme abzutransportieren. Mittels einer solchen Kompressorkühleinrichtung ist auch eine Abkühlung des Probengutes auf eine Temperatur unter die Temperatur der Umgebungsluft möglich.
Solche Kompressorkühleinrichtungen 1 weisen einen Verdampfer 3 auf, der zumeist rohrförmig um den Zentrifugenkessel 5 herumgeführt wird, einen Verdichter 7, einen Verflüssiger 9 und ein Entspannungselement 11 (vgl. 1). Das Entspannungselement 11 ist dabei auf den größtmöglichen Lastfall, also die Maximaldrehzahl des Zentrifugenrotors (nicht gezeigt), ausgelegt, wobei schon bekannt ist, dass der Entspanner (Druckausgleichselement zwischen Hoch- und Niederdruckseite des Kältekreislaufs bei Stillstand des Verdichters) als Kapillarrohr oder thermostatisches Einspritzventil 11 ausgebildet ist.
Im Zusammenhang mit einer druckgesteuerten Temperaturerfassung 13 nach dem Verdampfer 3 wird dieses thermostatische Einspritzventil (TEV) 11 dazu verwendet, in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur selbständig am Verdampfereingang VE den Kältemittelzufluss im Kältekreislauf 15 zu steigern oder zu drosseln. Hierzu ist eine Überhitzung des Kältemittels am Verdampferausgang VA erforderlich, so dass ein Überdruck entsteht, der direkt auf eine Feder 17 des thermostatischen Einspritzventils 11 geleitet wird, um dieses zu betätigen. Genauer gesagt besteht am Verdampferausgang VA eine gewisse Temperatur. Am Verdampferausgang VA ist der Fühler 13 des TEV 11 befestigt, in welchem ein Kältemittel enthalten ist.
Aufgrund der Temperatur am Verdampferausgang VA hat das Kältemittel einen entsprechenden Druck, welcher sich dann auf das TEV 11 und die Gegenkraft der Feder auswirkt und somit das TEV 11 öffnet oder schließt.
Über ein weiteres Regelglied, welches ein beispielsweise frequenzgeregelter Verdichter 7 ist, können andere Lastfälle teilweise, aber meist nur ungenau geregelt werden.
Dadurch, dass zur Funktion des thermostatischen Einspritzventils 11 eine Überhitzung des Kältemittels erforderlich ist, kann die Verdampferleistung nicht vollständig ausgenutzt werden, wobei nur ca. 95% der Verdampferfläche genutzt werden können. Aufgrund der erforderlichen Überhitzung liegt zwischen Verdampfereungang VE und Verdampferausgang VA eine Temperaturdifferenz Von ca. 7 K vor.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil solcher bekannten Kompressorkühlreinrichtungen 1 bei Zentrifugen besteht darin, dass die Verdichter 7 nur relativ ungenau und in gewissen Grenzen in ihrer Leistung gesteuert werden können, so dass bei verschiedenen Teillastfällen und Geringlastfällen der Verdichter 7 ggf. ganz ausgeschaltet werden muss.
Dies ist allerdings nicht immer möglich, weil Verdichter 7 üblicherweise eine Mindestlaufzeit besitzen, um den internen Ölkreislauf sicher zu stellen. Im Gegenzug besteht wegen der stärkeren Erwärmung des Antriebsmotors des Verdichters 7 im Anlauf und dem notwendigen Druckausgleich/Druckdifferenzminderung zwischen Hoch- und Niederdruckseite auch eine gewisse Mindestruhezeit für solche Verdichter 7, weshalb die Regelungsmöglichkeiten über den Verdichter 7 insbesondere im unteren Leistungsbereich stark begrenzt sind.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass beim Start oder Halt des Verdichters 7 einer Kompressorkühlreinrichtung 1 Erschütterungen entstehen. Diese Erschütterungen beeinflussen das Betriebsverhalten der Zentrifuge, erhöhen die Rückmischrate im Rotor nach Stillstand der Zentrifuge und haben Auswirkungen auf benachbart aufgestellte Laborgeräte und dergleichen.
Schließlich wird durch häufiges Aus- und Einschalten des Verdichters 7 dessen Lebensdauer verkürzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese genannten Nachteile zu beheben bzw. abzumildern. Insbesondere soll die Zentrifuge mit der Kompressorkühleinrichtung einfach und kostengünstig aufgebaut sein, eine hohe Regelgüte aufweisen und weniger Erschütterungen hervorrufen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Zentrifuge nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Zentrifuge, insbesondere Laborzentrifuge, weist einen Zentrifugenkessel und eine Kompressorkühleinrichtung mit einem Kältekreislauf, einen Verdampfer, einen Verdichter und einen Verflüssiger auf und zeichnet sich dadurch aus, dass im Kältekreislauf zumindest eine-steuerbare Drosselvorrichtung zur Regelung des Kältemittelflusses vorgesehen ist, die bevorzugt als elektronisches Einspritzventil ausgebildet ist. Zweckmäßig kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Drosselvorrichtung auch als Druckausgleichselement zwischen Hoch- und Niederdruckseite des Kältekreislaufs bei Stillstand des Verdichters wirkt.
Unter einer steuerbaren, d. h. extern ansteuerbaren Drosselvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Drosselvorrichtung verstanden, bei der eine direkte externe Ansteuerungsmöglichkeit besteht, um den Kältemittelfluss zu regeln, also ein von außerhalb des Kältekreislaufs beeinflussbares Stellglied. Zwar erfolgt beispielsweise auch mit einem TEV 11 eine Regelung, allerdings wird dieses nicht von außerhalb des Kältekreislaufs 15 gesteuert, sondern durch einen Sensor 13, der direkt auf das TEV 11 einwirkt und dieses regelt. Vorzugsweise besteht die erfindungsgemäße Ansteuerungsmöglichkeit auf elektrischem Wege, allerdings sind auch hydraulische und/oder pneumatische Ansteuerungsmöglichkeiten oder dgl. möglich. Thermostatische Einspritzventile sind daher keine steuerbaren Drosselvorrichtungen im Sinne der vorliegenden Erfindung, da bei ihnen keine unmittelbare externe Beeinflussung vorgenommen werden kann, sondern diese Elemente passiv auf eine Temperatur bedingte Druckerhöhung gegenüber einer Feder reagieren.
Dadurch, dass die Kompressorkühleinrichtung der Zentrifuge eine steuerbare Drosselvorrichtung im Kältekreislauf aufweist, lässt sich die Kompressorkühleinrichtung für viele Lastfälle direkt regeln ohne den Verdichter selbst regeln zu müssen. Damit ist die Kompressorkühleinrichtung wesentlich weniger Quelle von Erschütterungen und weist auch eine höhere Lebensdauer auf. Zusätzlich ist es nicht mehr erforderlich, eine Überhitzung des Kältemittels zu ermöglichen, weshalb die volle Verdampferlänge ausgenutzt werden kann. Dadurch wird die Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers vergrößert, wodurch eine höhere Kühlleistung erreicht wird und insgesamt der Wirkungsgrad der Kühleinrichtung verbessert wird. Damit lassen sich tiefere Kühltemperaturen im Zentrifugenkessel erreichen und/oder die gewünschten niedrigeren Kühltemperaturen auch für höhere Zentrifugenleistungen einstellen. Außerdem kann die gewünschte Temperatur im Zentrifugenkessel schneller erreicht werden. Andererseits lässt sich auch bei einer vorgegebenen Kühlleistung des Verdampfers ein Verdichter mit geringerer Leistung verwenden, was den benötigten Bauraum verringert, oder es lässt sich ein frequenzsteuerbarer Verdichter bei geringerer Frequenz, also geringerer Leistung betreiben, wodurch insgesamt der Energiebedarf für die selbe Kühlleistung gesenkt werden kann. Außerdem wird die Genauigkeit der Regelung erhöht, weshalb geringere Abweichungen von einem gewünschten Sollwert erzielbar sind.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Mittel zur Erfassung der Temperatur des Kältemittels im Kältekreislauf und/oder zur Erfassung der Temperatur im Zentrifugenkessel vorgesehen. Diesbezüglich ist es bevorzugt, dass ein Mittel zur Erfassung der Temperatur im Zentrifugenkessel, eine Mittel zur Erfassung der Temperatur des Kältemittels im Kältekreislauf vor dem Verdampfer, bevorzugt am Verdampfereingang, und ein Mittel zur Erfassung der Temperatur nach dem Verdampfer vorgesehen sind. Bevorzugt handelt es sich bei dem Anordnungsort für letzteres Mittel um den Verdampferausgang, weil ansonsten möglicherweise aufgrund von Überhitzung an einer weiter in Richtung Verdichter liegenden Stelle die Temperatur nur ungenau gemessen werden kann und somit keine optimale Ausnutzung des Verdampfers gewährleistet wäre. Dadurch lässt sich eine wesentlich genauere Regelung ermöglichen.
„Mittel zur Erfassung der Temperatur” sind dabei alle Mittel, die einen physikalischen Parameter bestimmen, über den sich die Temperatur ermitteln lässt. Beispielsweise handelt es sich um Druck- oder Temperatursensoren, wobei Temperatursensoren kostengünstiger sind und daher bevorzugt eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist der Verdichter zur Regelung seiner Fördermenge steuerbar, bevorzugt leistungssteuerbar, insbesondere frequenzsteuerbar ausgebildet, wodurch insbesondere für das Anfahren der Kompressorkühleinrichtung mit einer gegenüber der Netzfrequenz erhöhten Frequenz die Einschwingzeit bis zum Erreichen der gewünschten Temperatur wesentlich verkürzt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann im Kältekreislauf zur Überbrückung des Verflüssigers ein Bypass vorgesehen sein, der insbesondere regelbar ausgebildet ist. Für diese Regelung kann ebenfalls eine steuerbare Drosselvorrichtung eingesetzt werden.
Steuerbare Drosselvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können sowohl als kontinuierlich verstellbare Drosselventile als auch als diskret verstellbare Drosselventile ausgebildet sein.
Insbesondere wenn die möglichen Stellglieder als kontinuierlich verstellbare Drosselvorrichtung, Verdichter mit kontinuierlich verstellbarem Förderstrom, kontinuierlich verstellbares Bypassventil ausgebildet sind, kann die Abdeckung des gesamten Lastspektrums ohne Leistungssprünge sehr effizient und schnell ansprechend gewährleistet werden.
Besonders bevorzugt sind Regelungsmittel, die insbesondere als programmierbare Elektronik (z. B. Mikrocontroller) ausgebildet sind, vorgesehen, die zumindest eine der erfassten Temperaturen als Eingangsgröße verwenden und die zumindest eines der Elemente steuerbare Drosselvorrichtung, steuerbarer Bypass und steuerbarer Verdichter ansteuern und regeln, weil dann besonders effektive Steuerungs- und Regelungsroutinen verwendet werden können.
Unabhängiger Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Kompressorkühleinrichtung einer Zentrifuge mit einem Zentrifugenkessel, wobei die Kompressorkühleinrichtung einen Kältekreislauf, einen Verdampfer, einen Verdichter und einen Verflüssiger aufweist und sich dadurch auszeichnet, dass eine steuerbare Drosselvorrichtung zur Regelung des Kältemittelflusses im Kältekreislauf der Kompressorkühleinrichtung verwendet wird. Vorzugsweise kommt dabei die erfindungsgemäße Zentrifuge zum Einsatz.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird eine Soll-Temperatur des Zentrifugenkessels der Zentrifuge vorgegeben und es wird die Ist-Temperatur des Zentrifugenkessels der Zentrifuge ermittelt. In diesem Zusammenhang wird bevorzugt die Tendenz der Ist-Temperatur für einen vorbestimmten Tendenzzeitraum bestimmt, um auf Temperaturveränderungen schneller reagieren zu können und Schwankungen um den Sollwert zu minimieren Vorzugsweise beträgt der Tendenzzeitraum mindestens 2 s, bevorzugt mindestens 5 s insbesondere mindestens 10 s. Andererseits können hiervon auch zweckmäßige Abweichungen erfolgen, die sich aus Größe und Leistung des Gesamtsystems Zentrifuge ableiten.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird um die vorgegebene Soll-Temperatur ein Toleranzbereich festgelegt, der höchstens +/–5 K, bevorzugt höchstens +/–3 K und insbesondere +/–1,5 K beträgt. Dann kann die Regelung wesentlich verbessert werden, wenn die Ist-Temperatur nur dann mittels der steuerbaren Drosselvorrichtung geregelt wird, wenn sie sich innerhalb des festgelegten Toleranzbereiches befindet. Diese Regelung ist besonders feinfühlig. „Innerhalb” des Toleranzbereichs bedeutet hier, dass auch die Temperaturen der Ränder des Toleranzbereichs erfasst sind. Außerdem wird die Regelung dann verbessert, wenn die Ist-Temperatur nur dann über den Verdichter geregelt wird, wenn sich die Ist-Temperatur nicht innerhalb des Toleranzbereichs befindet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für die Regelung außerhalb des Toleranzbereiches (Grobreglung) ein steuerbarer Verdichter verwendet wird. Der Verdichter wird dazu bei Verlassen des Toleranzbereiches durch die im Zentrifugenkessel gemessene Ist-Temperatur so geregelt, dass sich die Ist-Temperatur wieder in den Toleranzbereich einfindet.
Mit diesem Verfahren, der Kombination von Grob- und Feinreglung (s. u.), wird die Leistungsfähigkeit des Verdichters besonders vorteilhaft ausgenutzt und gleichzeitig ein Aus- und Wiederanschalten des Verdichters im Geringlastbereich, speziell auch bei hohen Kesselinnentemperaturen, weitgehend verhindert, weil der Verdichter im Wesentlichen nur für die Einregelung der Ist-Temperatur bis in den Toleranzbereich verwendet wird.
Besonders bevorzugt wird beim Start der Kompressorkühleinrichtung die steuerbare Drosselvorrichtung auf einen empirisch ermittelten Kältemittelfluss eingestellt und die Ist-Temperatur wird bis zum vorgegeben Toleranzbereich mittels des Verdichters abgesenkt. Bevorzugt sollte zumindest am Anfang des Kühlprozesses eine für die jeweilige Zentrifuge als optimal ermittelte Stellung der steuerbaren Drosselvorrichtung zur maximalen Kühlung verwendet und ggf. später auf eine der optimalen Verdampferfüllung entsprechende Position nachgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist es besonders wünschenswert, dass der Verdichter nur über einen solchen Zeitraum eingeregelt wird, bis die Ist-Temperatur sich für einen empirisch ermittelten Zeitraum, vorteilhaft einen mehrfachen, bevorzugt 40fachen, höchstbevorzugt 26fachen und insbesondere 12fachen Tendenzzeitraum, beispielsweise für mindestens 2 min, innerhalb des Toleranzbereiches befindet, wonach dann insbesondere vorgesehen ist, dass die Verdichterleistung konstant gehalten wird, und zwar so lange, wie sich die Ist-Temperatur im Toleranzbereich befindet und auf die Soll-Temperatur über die steuerbare Drosselvorrichtung geregelt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Anfahren der Kühlkompressoreinrichtung in einem ersten Schritt ausschließlich eine Grobregelung über den Verdichter und anschließend eine Feinregelung über die steuerbare Drosselvorrichtung bei konstanter Verdichterleistung erfolgt.
Falls bestimmte Vorgaben bezüglich der Abkühlzeit, also der Zeit, in der auf die Soll-Temperatur abgekühlt wird, bestehen, können auch die Leistung des Verdichters und/oder der Kältemittelfluss durch die steuerbare Drosselvorrichtung entsprechend geregelt werden. Allerdings ist es abweichend auch möglich, schon während der Grobregelung die Feinregelung einzuleiten, also zeitgleich über den steuerbaren Verdichter und über die steuerbare Drosselvorrichtung zu regeln.
Außerdem kann ein Vorabschaltwert oberhalb der Soll-Temperatur oder des Toleranzbereichs vorgesehen sein. Damit wird dem Effekt Rechnung getragen, dass in einem solchen Regelprozess der Ist-Temperaturwert aktuell den Soll-Temperaturwert aus dem positiven Temperaturbereich sehr rasant anstrebt. Um eine Überschreitung des schmalen Toleranzbereichs in Richtung negative Temperaturen möglichst zu vermeiden, wird der Vorabschaltwert eingeführt, das heißt bevor der eigentliche Soll-Temperaturwert, bevorzugt in der Mitte des Toleranzbereichs gelegen, durch den Ist-Temperaturwert erreicht ist, wird zum Beispiel der Verdichter schon heruntergeregelt oder abgeschaltet oder die steuerbare Drosselvorrichtung wird in Richtung Schließen betätigt. Es handelt sich hier also um ein Gegenregeln gegen die Trägheit des Systems.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des Kältemittels im Kältekreislauf zum einen vor dem Verdampfer, bevorzugt am Verdampfereingang, und zum anderen nach dem Verdampfer, bevorzugt am Verdampferausgang, ermittelt wird und die steuerbare Drosselvorrichtung so geregelt wird, dass die Differenz der Temperatur des Kältemittels im Kältekreislauf vor dem Verdampfer und der Temperatur des Kältemittels im Kältekreislauf nach dem Verdampfer zwischen 0 K und 5 K, bevorzugt zwischen 0 K und 3 K, insbesondere zwischen 0 K und 1 K beträgt. (Die angegebenen Bereichsgrenzen sind dabei zugelassene Werte.) Hierdurch wird der Verdampfer besonders effektiv ausgenutzt, da der bei den Lösungen nach dem Stand der Technik erforderliche Temperaturunterschied von ca. 7 K zur Sicherstellung der Überhitzung nicht mehr erforderlich ist. Gleichzeitig wird eine Durchströmung des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel und damit ein möglicher Flüssigkeitsschlag vermieden. Wenn auf eine Differenz größer 0 K geregelt wird, darin wird sichergestellt, dass das Kältemittel vollständig verdampft ist, da die positive Differenz dadurch zustande kommt, dass eine geringe Überhitzung stattfindet.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn die Temperatur des Kältemittels im Kältekreislauf vor dem Verdampfer ermittelt wird und bei Unterschreiten einer vorbestimmten Temperatur zumindest durch eine der folgenden Maßnahmen diese vorbestimmte Temperatur zumindest wieder erreicht wird: i) Absenken der Fördermenge des Verdichters, ii) Zuschalten und Regeln eines Bypasses, mit dem der Verflüssiger im Kältekreislauf umgangen wird und iii) Steuerung der regelbaren Drosselvorrichtung zur Erhöhung des Kältemittelflusses im Kältekreislauf der Kompressorkühleinrichtung. Die vorbestimmte Temperatur ist abhängig vom benutzten Kältemittel und den geometrischen Verhältnissen zwischen Verdampfereingang und Verdichtereingang und beträgt beispielsweise –18°C. Dadurch wird wirksam verhindert, dass der Verdichter in den Vakuumbereich gerät und die Ölrückführung ausfällt. Deshalb muss bei Variante iii) bei Unterschreitung einer vorbestimmten Temperatur die Drosselvorrichtung wieder geöffnet werden.
Alternativ oder zusätzlich können folgende Merkmale zur weiteren Reduzierung von Erschütterungen der Zentrifuge eingesetzt werden:

– Verwendung eines Verdichters mit waagerecht liegender Hauptwelle, der bevorzugt einen niedrigen Schwerpunkt aufweist und/oder eine große Stellfläche beansprucht
– Verwendung eines rotierenden Verdichters, der bevorzugt nicht die von Hubkolbenverdichter her bekannte Mindestdrehzahl benötigt und/oder mittels eines Frequenzumrichters nach Möglichkeit bis zum Stillstand heruntergeregelt werden kann. Zusätzlich entsteht der Vorteil des Entfalls oszillierender Massen
– Verwendung einer elastischen Abstützung des insbesondere stehend eingebauten Verdichters gegenüber dem Chassis der Zentrifuge, wobei die Abstützung bevorzugt oberhalb des Schwerpunktes des Verdichters angeordnet wird.

Für die Ausgestaltung einer Zentrifuge mit diesen den Verdichter betreffenden Merkmalen wird unabhängig von der Ausgestaltung der Kompressorkühleinrichtung selbständiger Schutz beansprucht.
Sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich – sofern nicht anders angegeben – frei miteinander kombinieren.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung und weitere Vorteile werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigen:
1 das Blockschema einer Kompressorkühleinrichtung nach dem Stand der Technik,
2 die erfindungsgemäße Zentrifuge in einer Draufsicht,
3 das Blockschema der Kompressorkühleinrichtung der erfindungsgemäßen Zentrifuge,
4 das Blockschema der Regelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und
5 den Vergleich der maximalen Kühlleistung zweier Zentrifugen mit Kompressorkühleinrichtung nach Stand der Technik mit TEV und der erfindungsgemäß verwendeten Kompressorkühleinrichtung mit EEV.
In 2 ist rein schematisch in einer perspektivischen Draufsicht die erfindungsgemäße Zentrifuge 20 dargestellt. Die Zentrifuge ist als eine Laborzentrifuge 20 ausgebildet und weist ein Gehäuse 21 mit einer Abdeckung (nicht gezeigt) für die Kompressorkühleinrichtung 25 mit dem Kompressor 27, einem Deckel 23 für den Zentrifugenkessel 37 und Rotor 28 und eine Bodenplatte 29 auf.
Aus den 1 und 3 werden die Unterschiede der erfindungsgemäßen Kompressorkühleinrichtung 30 im Vergleich zu einer Kompressorkühleinrichtung 1 nach dem Stand der Technik deutlich.
Auch die erfindungsgemäße Kompressorkühleinrichtung 30 weist einen frequenzsteuerbaren Verdichter 31, einen Verflüssiger 33, einen Verdampfer 35, der zur mittelbaren Kühlung um einen Zentrifugenkessel 37 angeordnet ist, und ein Entspannungselement 39 auf.
Die in 1 dargestellte bisher bekannte Kompressorkühleinrichtung 1 weist als Entspanner 11 ein thermostatisches Einspritzventil (TEV) auf, das einen Druckeingang 17 besitzt, der mit einem Sensor 13 am Ausgang VA des Verdampfers 3 in Verbindung steht. Bei Erreichen einer Überhitzung entsteht im Sensor 13 am Verdampferausgang VA ein Überdruck, der gegen den Druck einer Feder des TEV 11 wirkt und diesen dadurch öffnet. Das TEV 11 ist daher nur Element einer passiven Regelung, da keine externe Ansteuerbarkeit, beispielsweise über eine Elektronik vorliegt, und es ist aufgrund der herzustellenden Überhitzung nicht möglich, den Verdampfer vollständig auszunutzen.
Im Gegensatz dazu weist die in 3 gezeigte Kompressorkühleinrichtung 30 anstelle des TEV eine steuerbare Drosselvorrichtung 39 in Form eines elektronischen Einspritzventils (EEV) 39 auf. Weiterhin besitzt der Kältekreislauf 41 einen Bypass 43 zur Überbrückung des Verflüssigers 33. Dieser Bypass 43 ist ebenfalls mit einem elektronischen Einspritzventil 45 versehen. Anstelle kontinuierlich verstellbaren Stellglieder 39, 45 können alternativ auch diskrete Stellglieder vorgesehen sein.
Weiterhin sind drei Mittel 47, 49, 51 zur Erfassung der Temperatur T_VE vor dem Verdampfer 35, zur Erfassung der Temperatur T_VA am Ausgang VA des Verdampfers 35 und zur Erfassung der Temperatur T im Zentrifugenkessel 37 vorgesehen.
In 4 ist rein schematisch die Regelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass ein Regelungsmittel 60 eingesetzt wird, das die durch einen Bediener festgelegte Soll-Temperatur T_K für den Zentrifugenkessel berücksichtigt. Am Verdampfer 35 werden am Eingang VE die Temperatur T_VE und am Ausgang VA die Temperatur T_VA erfasst und dem Regelungsmittel 60 zugeführt. Außerdem wird am Kessel 37 die Ist-Temperatur T abgenommen und dem Regelungsmittel 60 zugeführt. Über einen für die erfindungsgemäß aufgebaute Zentrifuge 20 empirisch ermittelten Tendenzzeitraum td von 10 s, wobei sowohl längere als auch kürzere Zeiträume möglich sind, wird die Tendenz der Temperaturentwicklung der Ist-Temperatur T bestimmt. Außerdem ist für die Soll-Temperatur T_K für den Zentrifugenkessel 37 ein Toleranzbereich von +/–1,5 K festgelegt. Das Regelmittel 60 steuert das EEV 39, den Verdichter 31 und ggf. den Bypass 45.
Die Steuerung und Regelung der Kompressorkühleinrichtung 30 erfolgt nun in der folgenden Art und Weise.
Bei Start der Kühlvorrichtung 30 der Zentrifuge 20 ist das EEV 39 auf einen empirisch ermittelten Kältemittelfluss eingestellt und die Ist-Temperatur T wird bis zum vorgegeben Toleranzbereich mittels Steuerung der Drehzahl des Verdichters 31 abgesenkt. Die Drehzahl des Verdichters 31 wird dabei entweder maximal gehalten oder, falls eine bestimmte Abkühlzeit auf die Soll-Temperatur T_K angestrebt ist, auf einem entsprechenden Wert gehalten werden. Zusätzlich kann eine Vorabschaltzeit zur Berücksichtigung der Trägheit der Kompressorkühleinrichtung 30 verwendet werden und/oder die Drehzahl des Verdichters 31 wird mittels einer empirisch bestimmten Funktion während der Grobregelung abgesenkt.
Bevorzugt sollte zumindest am Anfang des Kühlprozesses eine für die jeweilige Zentrifuge 20 als optimal ermittelte Stellung der steuerbaren Drosselvorrichtung 39 zur maximalen Kühlung verwendet und ggf. später auf eine der optimalen Verdampferfüllung entsprechende Position nachgeführt werden.
Die Grobregelung mittels Verdichterdrehzahl wird so lange ausgeführt, bis die Ist-Temperatur T im Kessel 37 für einen festgelegten Zeitraum (z. B. 1 min) im Toleranzbereich verweilt. Wenn also die Ist-Temperatur T die Soll-Temperatur T_K unterschreitet, wird die Leistung des Verdichters 31 durch Reduzierung der Frequenz herabgesetzt, und zwar so lange, bis die Ist-Temperatur T die Soll-Temperatur T_K wieder erreicht oder überschreitet. Im Fall des Überschreitens der Soll-Temperatur T_K wird die Frequenz des Verdichters 31 wieder angehoben. Dieser iterative Prozess wird so lange fortgesetzt, bis sich die Ist-Temperatur T für eine Zeitspanne von beispielsweise mindestens 1 min, d. h. 6 Tendenzzeiträume td innerhalb des Toleranzbereiches der Soll-Temperatur T_K bewegt.
Danach wird dann die Verdichterdrehzahl konstant gehalten, und zwar so lange, wie sich die Ist-Temperatur im Toleranzbereich befindet und die Soll-Temperatur über die steuerbare Drosselvorrichtung 39 geregelt wird.
Dadurch wird sichergestellt, dass beim Anfahren der Kühlkompressoreinrichtung 20 in einem ersten Schritt ausschließlich die Grobregelung über den Verdichter 31 und anschließend eine Feinregelung über die steuerbare Drosselvorrichtung 39 bei konstanter Verdichterdrehzahl erfolgt.
Es kann vorgesehen sein, dass im Laufe der Grobregelung oder zwischen Grob- und Feinregelung die steuerbare Drosselvorrichtung 39 auf eine Mittelstellung eingestellt wird und die Drehzahl des Verdichters 31 entsprechend angepasst wird, um das Regelungsvermögen der Drosselvorrichtung 39 während der Feinregelung optimal ausnutzen zu können. Wesentlich ist aber, dass während der Feinregelung, also der Zeit, in der sich die Ist-Temperatur T sich innerhalb des Toleranzbereichs befindet, keine Veränderung der Leistung des Verdichters 31 erfolgt.
Bei der nachfolgenden Feinregelung wird die Kühlleistung nur nach über das EEV 39 allein geregelt. Dabei erfolgt eine Regelung nach der Tendenz, d. h. wenn die Tendenz der Ist-Temperatur T im Tendenzzeitraum td sinkt, wird das EEV 39 heruntergeregelt, also der Kältemittelfluss verringert. Für den Fall, dass die Tendenz steigt, wird das elektronische Einspritzventil 39 heraufgeregelt, so dass mehr Kältemittel dem Verdampfer 35 zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht darauf beschränkt, dass die Grobregelung (Regelung über den Verdichter allein) und die Feinregelung (Regelung über die Drosselvorrichtung allein) voneinander getrennt durchgeführt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Überschneidung stattfindet, also eine gleichzeitige Regelung von Verdichter und Drosselvorrichtung.
Außerdem wird noch eine festgelegte untere Grenze T_VEmin der Temperatur T_VE am Eingang VE des Verdampfers 35 überwacht und bei Unterschreiten dieser Temperatur T_VEmin wird das EEV 39 weiter geöffnet bis die ermittelte Temperatur T_VE wieder größer ist als die dafür vorgegebene Temperatur T_VEmin. Dadurch wird verhindert, dass der Verdichter 31 in den Vakuumbereich gerät.
Zusätzlich wird die Differenz der Temperaturen T_VA – T_VE ständig überwacht. Diese sollte sich im Bereich zwischen 0 K und 1 K bewegen, um einerseits die Auslastung des Verdampfers 35 maximal zu halten. und um andererseits zu verhindern, dass flüssiges Kältemittel in den Verdichter 31 gelangt, Falls diese Differenz T_VA – T_VE unterschritten wird, wird das EEV 39 weiter geschlossen oder/und die Verdichterfrequenz verringert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Verdampfer maximal ausgenutzt werden. Damit kann die Kühlleistung des Verdampfers erhöht und somit im Fall der erfindungsgemäßen Zentrifuge 20 ca. 5% mehr Wärme gegenüber bisher bekannten Kompressorkühleinrichtungen abgeführt werden, wodurch die Leistung des Rotors der Zentrifuge entsprechend angehoben werden kann. Im Extremfall ist also eine um 5% höhere Wärmeerzeugung durch den Rotor zulässig und dieser kann damit in einem höheren Drehzahlbereich betrieben werden, wodurch die Zentrifugierleistung erhöht wird.
In 5 ist die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Zentrifuge 20 im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich zu erkennen, wobei zur Vereinfachung vorgesehen war, dass die Kompressorfrequenz über die gesamte Laufzeit konstant (maximal) gehalten wurde und mit der Drosselvorrichtung geregelt wurde. Aus der graphischen Darstellung der Verläufe der Ist-Temperatur T wird sehr deutlich, dass die Regelung der Temperatur der Kesselluft gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich stetiger erfolgt und eine tiefere Endtemperatur gefahren werden kann.
Neben den beschriebenen Vorteilen bezüglich der Kühlleistung können somit die Proben wesentlich genauer auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden, was insbesondere bei empfindlichen Proben bzw. problematischen Temperatureinflüssen von großem Vorteil ist.
Insgesamt lässt sich somit festhalten, dass die vorliegende Erfindung folgende Vorteile besitzt:

– effizientere Ausnutzung des Rotorraumes/Verdampfers der Zentrifuge
– energieeffizientere Funktion der Zentrifuge
– Möglichkeit der Verwendung eines Verdichters mit geringerer Leistung bzw. der Verdichter kann zur Erzielung einer vorgegebenen Kühlleistung mit geringerer Frequenz angetrieben werden, woraus eine geringere Stromaufnahme und damit Energieeinsparung folgen
– Verdichter startet weniger, wodurch die Anzahl der Lastspitzen im Stromnetz und der Verbrauch minimiert werden
– Verdichter kann im optimalen Arbeitspunkt, öfter bei niedriger Drehzahl, betrieben werden, wodurch sich Arbeitsgeräusche vermindern
– die Möglichkeit eines gesteuerten Druckausgleichs zwischen Hoch- und Niederdruckseite verringert die Startströme des Verdichters. Es kann im Stillstand des Verdichters gezielt das EEV geöffnet werden, um den Druckausgleich zwischen Hoch- und Niederdruckseite zu beschleunigen und damit im Geringlastbereich eine höhere Regelgüte zu erreichen
– genauere Regelung der Temperatur im Rotorraum und somit der Probentemperatur.

Claims

Zentrifuge, insbesondere Laborzentrifuge (20), mit einem Zentrifugenkessel (37) und einer Kompressorkühleinrichtung (30), die einen Kältekreislauf (41), einen Verdampfer (35), einen Verflüssiger (33) und einen Verdichter (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältekreislauf (41) zumindest eine, insbesondere als Entspannungselement wirkende, steuerbare Drosselvorrichtung- (39) zur Regelung des Kältemittelflusses vorgesehen ist, die bevorzugt als elektronisches Einspritzventil ausgebildet ist.
Zentrifuge (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mittel (47, 49) zur Erfassung der Temperatur (T_VE, T_VA) des Kältemittels im Kältekreislauf (41) und/oder zur Erfassung der Temperatur (T_K) im Zentrifugenkessel (37) vorgesehen ist, wobei bevorzugt ein Mittel (47) zur Erfassung der Temperatur (T_VE) des Kältemittels im Kältekreislauf (41) vor dem Verdampfer (35) und ein Mittel (49) zur Erfassung der Temperatur (T_VA) nach dem Verdampfer (35) vorgesehen sind.
Zentrifuge (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (31) hinsichtlich seine Fördermenge steuerbar, bevorzugt leistungssteuerbar, insbesondere frequenzsteuerbar ausgebildet ist und/oder dass im Kältekreislauf (41) zur Überbrückung des Verflüssigers (33) ein Bypass (43) vorgesehen ist, der insbesondere über eine steuerbare Drosselvorrichtung regelbar (45) ausgebildet ist.
Zentrifuge (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regelungsmittel (60) vorgesehen sind, die zumindest eine der erfassten Temperaturen (T_VE, T_VA, T_K) als eine Eingangsgröße verwenden und die zumindest eines der Elemente steuerbare Drosselvorrichtung (39), steuerbarer Bypass (43) und steuerbarer Verdichter (41) ansteuert und regelt.
Verfahren zur Steuerung und Regelung der Kompressorkühleinrichtung (30) einer Zentrifuge (20) mit einem Zentrifugenkessel (37), insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kompressorkühleinrichtung (30) einen Kältekreislauf (41), einen Verdampfer (35), einen Verflüssiger (33) und einen Verdichter (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Drosselvorrichtung (39) zur Regelung des Kältemittelflusses im Kältekreislauf (41) der Kompressorkühleinrichtung (30) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Soll-Temperatur (T_K) des Zentrifugenkessels (37) der Zentrifuge (20) vorgegeben wird und die Ist-Temperatur (T) des Zentrifugenkessels (37) der Zentrifuge (20) ermittelt wird, wobei bevorzugt die Tendenz dieser Ist-Temperatur (T) für einen vorbestimmten Tendenzzeitraum (td) bestimmt wird, wobei der Tendenzzeitraum (td) mindestens 2 s, bevorzugt mindestens 5 s, insbesondere mindestens 10 s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Toleranzbereich um die Soll-Temperatur (T_K) festgelegt wird, der höchstens +/–5 K, bevorzugt höchstens +/–3 K, insbesondere +/–1,5 K beträgt, und die Ist-Temperatur (T), wenn sie sich innerhalb des Toleranzbereichs befindet, mittels der steuerbaren Drosselvorrichtung (39) geregelt wird, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass ein steuerbarer Verdichter (31) verwendet wird und der Verdichter (31) bei einem Über- oder Unterschreiten des Toleranzbereichs durch die Ist-Temperatur (T) so geregelt wird, dass sich die Ist-Temperatur (T) wieder in dem Toleranzbereich befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start der Kühlkompressoreinrichtung (30) die steuerbare Drosselvorrichtung (39) auf einen vorbestimmten Kältemittelfluss eingestellt wird und die Ist-Temperatur (T) bis zum Toleranzbereich mittels des Verdichters (31) abgesenkt wird, wobei bevorzugt vorgesehen ist, dass der Verdichter (31) über einen solchen Zeitraum eingeregelt wird, bis die Ist-Temperatur (T) sich für einen empirisch ermittelten Zeitraum, bevorzugt den 60fachen, höchstbevorzugt 24fachen, insbesondere 12fachen Tendenzzeitraum (td) innerhalb des Toleranzbereichs befindet, wonach dann insbesondere vorgesehen ist, dass die Verdichterleistung konstant gehalten wird, solange sich die Ist-Temperatur (T) im Toleranzbereich befindet und die Ist-Temperatur (T) über die steuerbare Drosselvorrichtung (39) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T_VE, T_VA) des Kältemittels im Kältekreislauf (41) a) vor dem Verdampfer (35) und b) nach dem Verdampfer (35) ermittelt wird und die steuerbare Drosselvorrichtung (39) so geregelt wird, dass die Differenz der Temperatur (T_VE) des Kältemittels im Kältekreislauf (41) vor dem Verdampfer (35) und der Temperatur (T_VA) des Kältemittels im Kältekreislauf (41) nach dem Verdampfer (35) zwischen 0 K und 5 K, bevorzugt zwischen 0 K und 3 K, insbesondere zwischen 0 K und 1 K beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T_VE) des Kältemittels im Kältekreislauf (41) vor dem Verdampfer (35) ermittelt wird und bei Unterschreiten einer vorbestimmten Temperatur (T_VEmin) zumindest durch eine der folgenden Maßnahmen diese Temperatur zumindest wieder erreicht wird: i) Absenken der Fördermenge des Verdichters (31), ii) Zuschalten und Regeln eines Bypasses (43), mit dem der Verflüssiger (33) im Kältekreislauf (41) umgangen wird, und iii) Regeln der steuerbaren Drosselvorrichtung (39) zur Erhöhung des Kältemittelflusses im Kältekreislauf (41) der Kompressorkühleinrichtung (30).