DE3343516A1

DE3343516A1 - Kuehlzentrifuge mit auswechselbaren rotoren

Info

Publication number: DE3343516A1
Application number: DE19833343516
Authority: DE
Inventors: Paul 7208 Spaichingen Bernlöhr; Hans-Christoph 7209 Wehingen Ulber
Original assignee: BERTHOLD HERMLE KG; BERTHOLD HERMLE KG 7209 GOSHEIM; HERMLE KG BERTHOLD
Current assignee: Maschinenfabrik Berthold Hermle AG
Priority date: 1983-12-01
Filing date: 1983-12-01
Publication date: 1985-06-13
Also published as: GB8428754D0; GB2150717B; GB2150717A; CH663729A5; DE3343516C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlzentrifuge mit auswechselbaren Rotoren unterschiedlichen Wärmeentwicklungsvermögens der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art.

Derartige Zentrifugen werden in medizinischen und ähnlichen Laboratorien zum Trennen von natürlichem oder im Labor hergestelltem Zentrifugiergut aus Anteilen verschiedener Dichte mit dem Ziel verwendet, bei unterschiedlichen Temperaturen Anteile des Zentrifugiergutes möglichst weitgehend von Begleitsubstanzen abzutrennen bzw. eine der beteiligten Phasen quantitativ zu erfassen (vergl. DIN 58 970, Teil 1/Ziff. 1}.

Postscheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332

Bei Hochgeschwindigkeitskühlzentrifugen, welche mit Drehzahlen bis ca. 25.000 Umdrehungen/Minute betrieben werden, muß das Zentrifugiergut nach DIN-Vorschriften (vergl. DIN 58 970, Teil 3) im Bereich von 0 bis 25°C bei einer Umgebungstemperatur von 15 bis 32 ⁰C eine Genauigkeit von+/- 1°C einhalten.

Zu diesem Zweck sind wirksame und rasch reagierende Kühleinrichtungen notwendig, da insbesondere bei hohen Drehzahlen im atmosphärischen Druck nicht unerhebliche Reibungswärme entsteht, die, um die vorgeschriebene Temperatur einzuhalten_#rasch abgeführt werden muß. Hierbei müssen die Kühleinrichtungen und deren Regelungen so ausgelegt sein, daß die vorgeschriebene Temperatur auch bei Rotoren unterschiedlicher Abmessung, also Rotoren unterschiedlichen Wärmeentwicklungsvermögens eingehalten wird.

Auf der anderen Seite soll die Temperatur auch bei niedrigen Drehzahlen, also auch im Bereich von 200 bis 2.000 Umdrehungen/Minute und sogar bei Stillstand eingehalten werden. Für diese Arbeitssituation ist nur etwa ein Hundertstel der maximal notwendigen Kühlleistung erforderlich, da nur geringe oder keine Reibungswärme auftritt. Auch ist der Wärmeaustausch zwischen der gekühlten Rotorkammer und dem Rotor wegen der fehlenden Luftströmung verringert, wobei nachteiligerweise ferner der Temperaturfühler wegen der fehlenden Luftbewegung die Isttemperatur mit einer größeren zeitlichen Verzögerung erfaßt. Diese Umstände können dazu führen, daß eine zu starke Kühlung bei geringen Drehzahlen oder bei Rotorstillstand erfolgt und das häufig sehr wertvolle Zentrifugiergut durch Einfrieren unbrauchbar wird.

Im anderen Extremfall stellt der Fühler die Erwärmung des Rotors bei geringen Drehzahlen oder bei Rotorstillstand zu spät fest/ so daß die Rotorkammertemperatur sich in zu starkem Maße erhöht.

Zur Herabsetzung der Reibungswärme werden Kühlzentrifugen verwendet, bei welchen hochtourige Rotoren im Teilvakuum laufen. Wegen der geringeren Wärmeerzeugung können derartige Kühlzentrifugen mit schwächeren Kühlaggregaten ausgerüstet sein. Gelöst ist hierdurch die oben erläuterte Problematik jedoch auch nicht, da auch hier das Wärmeentwicklungsvermögen

von der Dimensionierung der austauschbaren Rotoren und der jeweiligen Drehzahl der Rotoren abhängt. Außerdem ergibt sich bei im Teilvakuum arbeitenden Kühlzentrifugen dadurch eine zusätzliche Problematik, daß wegen der geringeren Luftdichte die Erfassung der Lufttemperatur mit einem in der Rotorkammer angeordneten Temperaturfühler mit größerer Verzögerung erfolgt.

Um diesem Nachteil zu begegnen, werden insbesondere bei mit sehr hohen Drehzahlen, nämlich mit Drehzahlen in der Größenordnung von 20.000 bis 80.000 Umdrehung/Minute_/arbeitenden Ultrazentrifugen Temperaturmeßeinrichtungen eingesetzt, welche die Rotortemperatur nicht mittelbar durch die Lufttemperatur sondern unmittelbar durch Wärmestrahlung erfassen.Wegen der insbesondere bei tiefen Temperaturen geringen Strahlungsenergie sind solche Einrichtungen aufwendig, empfindlich und schließlich auch sehr kostspielig, so daß sie für Laborzentrifugen der eingangs erwähnten Art nicht in Betracht kommen.

Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr insbesondere bei Kammerzentrifugen für Blut wurde schon eine Flüssigkeitsabdichtung vorgeschlagen, welche die sich im Laufe des Zentrifugiervorganges in der sich drehen3en Trommel bildende Wärme auf einen feststehenden Kopf übertragen soll (vergl. DE-GM 75 40 083). Nachdem die entstehende Wärme je nach Drehzahl und Rotordimensionierung zwischen dem Faktor 1 und 100 schwankt, wird diese Maßnahme bei universell einsetzbaren Kühlzentrifugen nicht ausreichen.

Das gleiche gilt für den aus der DE-OS 26 11 679 hervorgehenden Vorschlag, nach welchem das Gehäuse mit je nach dem verwendeten Rotor veränderten Luftdurchlässen versehen ist, so daß die Wärmeableitung besser den unterschiedlich dimensionierten Rotoren angepaßt ist.

Eine bessere Anpassung des Regelverhaltens an die unterschiedlichen Ausgangssituationen kann nur durch unmittelbare Beeinflussung der Kühleinrichtung erfolgen. So ist es bereits bekannt, das Kühlmittel über ein gesteuertes Dreiwegemagnetventil zu führen mit welchem nach verzögerter Erfassung der Isttemperatur durch den Temperaturfühler das Kühlmedium, wenn die Solltemperatur erreicht ist, in einem Bypass an der Kühlkammer vorbei und wieder in den Kühlkreislauf geführt wird. Eine derart gesteuerte Kühleinrichtung kann zwar besser an unterschiedliche Kühlsituationen angepaßt werden, sie ist jedoch dennoch mit den vorstehend beschriebenen Mängeln behaftet.

Bei der in der DE-AS 23 27 678 beschriebenen Einrichtung sollen unzulässig hohe Temperaturüberschwinger bei beheiztem Zentrifugenrotor durch folgende Maßnahmen verhindert werden:

a) Verwendung eines Rotors mit einer gegenüber dem Zentrifugiergut wesentlich größeren Wärmekapazität

b) Zufuhr von Heißluft über geregelte elektrische Heizelemente bei Berücksichtigung der Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße

c)'unmittelbare Erfassung der Temperatur des Zentrifugiergutes mit einem Temperaturfühler.

Durch Berücksichtigung der Änderungsgeschwindigkeit der Regelgröße soll eine Überhitzung der Proben vermieden werden. Dieser Druckschrift sind jedoch keine Maßnahmen zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Dimensionierung der Rotoren sowie der unterschiedlichen Drehzahl zu entnehmen .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlzentrifuge mit auswechselbaren Rotoren für einen großen Arbeitstemperaturenbereich in der Größenordnung von - 20 bis 40 ⁰C zu schaffen, bei welcher neben der Kammerlufttemperatur auch die Rotorgröße und die Enddrehzahl und somit das jeweilige Wärmeentwicklungsvermögen verzögerungsfrei derart erfaßt wird, daß für die unterschiedlichen Anwendungsfälle die vorgegebene Solltemperatur über einen längeren Zeitraum mit nur geringen Abweichungen eingehalten wird. Solche Kühlzen-trifugen werden vor allem in Laboratorien der Biochemie, der Human- und Tiermedizin sowie für die Genforschung benötigt, wobei die Temperaturregelung in einem Drehzahlbereich von 250 Umdrehungen/Minute bis 25.000 Umdrehungen/Minute bei unterschiedlich bemessenen Rotoren wirksam sein muß, um mit einem einzigen Gerät alle anfallenden Untersuchungen durchführen zu können. Ebenso soll die Temperatur in der Rotorkammer im Stillstand

über mehrere Stunden konstant gehalten werden können, um z.B. nach automatischer Beendigung eines Zentrifugiervorganges während der Nacht am anderen Morgen die Prooen ohne Schädigung durch Temperatureinwirkung entnehmen zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Kühlzen+--r.i.fv\rr<= der gattungsgemäßen Art gemäß dem Kennzeichen des Anspruches eine Detektoreinrichtung vorgeschlagen, welche verzögerungsfrei eine für die momentane Drehzahl und das Wärmeentwicklungsvermögen des jeweiligen Rotors charakteristische Steuergröße erzeugt, mit welcher der Verstärkungsgrad des Verstärkers in Abhängigkeit des Wärmeentwicklungsvermögens verändert wird.

Durch diese Maßnahme wird die Kühlung nicht nur in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Ist- und Solltemperatur geregelt, sondern es wird auch das Wärmeentwicklungsvermögen des jeweiligen Rotors dadurch berücksichtigt, daß der Verstärkungsgrad und damit die Empfindlichkeit des Regelkreises beeinflußt wird. Als Wärmeentwicklungsvermögen wird hierbei die Änderung der Lufttemperatur, welche mit dem in e'er I'ammer angeordneten Temperaturfühler festgestellt wird, in einer bestimmten Zeit bei konstanter Bezugsdrehzahl und gleicher Ausgangstemperatur des Rotors verstanden. Dieses rechnerisch schwer erfaßbare Wärmeentwicklungsvermögen beeinflußt die im Rotor beim Lauf entstehende Reibungswärme, welche von folgenden Parametern abhängt :

a. konstruktive Gestaltung des Rotors

b. Materialbeschaffenheit, insb. Beschaffenheit der Rotoroberfläche

c. mittlere Umfangsgeschwindigkeit der Rotoroberfläche

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d. Verhältnis von Rotorvolumen zu Kammervolumen, d.h. in der Kammer vorhandene Luftmenge bei eingesetztem Rotor.

e. Verhältnis des Wärmespeichervermögens von Rotor und Rotorkammer.

Die mit der Erfindung vorgeschlagene Änderung des Regelverhaltens bewirkt, daß bei Rotoren, bei welchen infolge der Gestaltung und der höheren Enddrehzahl eine höhere Erwärmung zu erwarten ist, eine stärkere und damit rascher wirksam werdende Kühlung ausgelöst wird.

Das hat ferner aber auch zur Folge, daß bei einem Absinken der Temperatur unter den vorgeschriebenen Sollwert die Kühlung schneller, also mit geringerer Verzögerung,unterbrochen wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Rotorkammer zu viel Wärme entzogen wird, was die oben erläuterte gefährliche Unterkühlung der Proben zur Folge haben kann.

In besonders einfacher Weise läßt sich die Erfindung bei Kühlzentrifugen realisieren, welche bereits mit einer Detektoreinrichtung der im Anspruch 1 gekennzeichneten Art versehen sind. Es sind nämlich bereits Kühlzentrifugen auf dem Markt, bei welchen die zulässige Maximaldrehzahl zur Überdrehzahlsicherung mittels einer Detektoreinrichtung und einer Begrenzerschaltung begrenzt ist, wie diese für die Durchführung des erfindungsgemäßen Vorschlages geeignet ist. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die zulässige Höchstdrehzahl wie das Wärmeentwicklungsvermögen von der Rotorgestaltung abhänot, so daß in erster Näherung das Wärmeentwicklungsvermögen um so größer ist, je kleiner die aus der Rotorfestigkeit und -gestaltung resultierende zulässige Höchstdrehzahl ist.

Kühlzentrifugen mit hierfür geeigneten Detektoreinrichtungen werden z.B. unter der Bezeichnung Hermle ZK-400 auf den Markt gebracht.

Bei diesen Kühlzentrifugen ist der Rotor bereits mit Kennelementen ausgestattet, welche bei Rotorumlauf in einem Empfänger eine Impulsfolge mit einer der momentanen Drehzahl proportionalen Frequenz erzeugen, wobei die Zahl und/ oder Anordnung der Kennelemente der Rotordimensxonierung und damit indirekt dem Wärmeentwicklungsvermogen zugeordnet ist. Die vom Empfänger erzeugte Impulsfolge wird auch bei den bekannten Kühlzentrifugen in eine Steuergröße umgewandelt, mit welcher hier jedoch lediglich die Drehzahlbegrenzerschaltung angesteuert wird. Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird die in eine analoge Größe umgewandelte Steuergröße zur Beeinflussung des Verstärkergrades des im Regelkreis vorgesehenen Verstärkers ausgenutzt.

Kennelemente können hierbei Reflektoren sein, welche eine von einer Signalquelle erzeugte Strahlung in Form von Signalimpulsen auf einen mit dem Empfängereingang verbundenen Signalwandler reflektieren. Die Signalquelle kann hierbei Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen. Verwendet man als Signalquelle eine Lichtquelle, so bestehen die Reflektoren aus Spiegeln.

Die Kennelemente können jedoch auch nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung selbst aktive "Strahler", ζ. B. Permanentmagnete,sein, deren Feld beim Rotorumlauf mit einem im Eingangskreis des Empfängers vorgesehenen Wandler, z. B. eine Induktionsschleife, einem Feldplattenfühler oder dergleichen^detektiert wird.

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Zur Kühlung eignet sich grundsätzlich jede hinsichtlich ihrer Temperatur steuerbare Kühleinrichtung. Es ist jedoch von Vorteil, eine solche Kühleinrichtung zu verwenden, welche möglichst trägheitsfrei der Regelung folgt. Hierfür eignet sich vorzugsweise eine Kühleinrichtung, in deren der Rotorkammer zugeordnete Kühlschlangen das Kühlmittel pulsartig injiziert wird, da hierbei die Kühlung durch die Dauer des Injektionsimpulses rasch und wirksam beeinflußt werden kann. Auch kann für diesen Zweck ein vergleichsweise einfach aufgebautes handelsübliches und damit preisgünstiges Ventil anstelle eines kostspieligen Ventiles mit analog veränderbarem Durchfluß verwendet werden.

Eine solche Kühleinrichtung ist darum bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel einer Kühlzentrifuge vorgesehen. Zur Einspritzung des Kühlmittels ist ein handelsübliches, steuerbares Magnetventil ausreichend, welches von einer pulsbreitenmodulierten Impulsfolge angesteuert wird. Letztere wird zweckmäßigerweise von einem Pulsbreitenmodulator erzeugt, dessen Modulationsgrad vom Ausgangssignal des Verstärkers bestimmt ist.

Mit den oben geschilderten Maßnahmen ist eine sehr variable und nur mit geringer Verzögerung regelbare Kühlung während des Rotorumlaufes möglich.

Da bei Rotorstillstand jedoch von der Detektoreinrichtung kein Signal geliefert wird, eignet sich diese Regelung nicht ohne weiteres für die Kühlung bei Rotorstillstand.

Zu diesem Zweck ist nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ein Impulsgeber vorgesehen, der nur bei Rotorstillstand aktiviert wird und das Magnetventil bei Abweichen der Rotorkammertemperatur von der Solltemperatur mit Impulsen konstanter Breite und Frequenz ansteuert. Da bei Rotorstillstand keine Reibungswärme erzeugt wird und folglich nur der Wärmeverlust auszugleichen ist, genügt es, das Magnetventil in größeren Zeitabständen für eine geringe Impulsdauer zu öffnen, d. h. einen Impulsgeber zu verwenden, der eine Impulsfolge mit größerer Periodendauer als bei Rotorlauf

erzeugt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Periodendauer bei Rotorstillstand etwa fünfmal größer als diejenige bei Rotorlauf

ist, wobei ein Tastverhältnis, also das Verhältnis von Impulsdauer zu Impulsperiode, bei 100 liegen kann.

Weitere Vorschläge sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend im einzelnen anhand einer Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen

Fig. 1 schematische Darstellung einer Kühlzentrifuge mit den für die Erläuterung notwendigen Komponenten,

Fig. 2 elektrische Blockschaltung der erfindungsgemäß ausgebildeten Regelschaltung,

Fig. 3 Diagramme zur Darstellung der Drehzahl-, Temperatur- und Impulsänderungen in Abhängigkeit von der Zeit bei hoher Enddrehzahl,

Fig. 4 Diagramme gemäß Fig. 3 bei niederer Enddrehzahl, nämlich folgende zeitabhängige Werte:

3.1 und 4.1: Rotordrehzahl

3.2 und 4.2: Vom Temperaturfühler gemessene

Temperatur in der Rotorkammer

3.3 und 4.3: Ausgangsspannung des geregelten

Verstärkers

3.4 und 4.4: Vom Pulsmodulator erzeugte Steuer

impulse

3.5 und 4.5: Rotortemperatur und

Fig. 5 Temperaturverlauf bei Rotorstillstand, nämlich

5.1 Rotorkammertemperatur

5.2 Rotorsolltemperatur

5.3 Rotoristtemperatur

5.4 Vom Impulsgeber erzeugte Impulse.

Der grundsätzliche Aufbau der an sich bekannten Kühlzentrifuge ist in Fig. 1 veranschaulicht.

In einem Gehäuse 1 ist innerhalb der Rotorkammer 4 ein hier als Winkelrotor ausgebildeter Rotor 2 angeordnet. Der Rotor ist austauschbar und durch anders dimensionierte und ausgebildete ersetzbar. Angetrieben wird der Rotor von einem in seiner Drehzahl veränderbaren Antriebsmotor 3. Der Kühlung der Rotorkammer 4 dient ein Kühlaggregat 5. Das von diesem Aggregat 5 gekühlte Mittel wird über ein elektromagnetisch steuerbares Ventil 6 zu den Kühlschlangen 5a geleitet, welche die Kühlkammer 4 umgeben. Mittels eines in der Rotorkammer 4 vorgesehenen Temperaturfühlers 7 wird die Isttemperatur überwacht. Die mittels des Temperaturfühlers 7 festgestellte Kammertemperatur wird in einer Regelschaltung 10 mit einer vorgegebenen Solltemperatur verglichen. Bei Auftreten einer Temperaturdifferenz wird das Magnetventil 6 zur Steuerung der Kältemittelzufuhr angesteuert, d. h. entweder gesperrt oder geöffnet.

Zur Feststellung der Istdrehzahl des Rotors ist eine Detektoreinrichtung vorgesehen, welche aus einem feststehenden Empfänger 8 und am Rotor 2 auf einem Kreisbogen im Abstand voneinander angeordneten Kennelementen 9 besteht. Die mit dem Rotor umlaufenden Kennelemente 9 werden vom Empfänger fotoelektrisch, elektromagnetisch oder elektrostatisch abgetastet. Beispielsweise können die Kennelemente Reflektoren sein, welche das Licht einer nicht dargestellten Lichtquelle zu einem im Eingangskreis des Empfängers angeordneten fotoelektrischen Wandler, z. B. einer Fotozelle oder einem Fototransistor, reflektieren. Auch können aktive Kenn-

elemente in Form von Permanentmagneten verwendet werden, welche in einer im Eingangskreis des Empfängers angeordneten Induktionsschleife, einem Feldplattenfühler oder dgl. bei jeder Umdrehung eine der Rotorgröße entsprechende Anzahl von Impulsen induzieren. Jeder Rotor besitzt entsprechend seiner Bemessung und Masse eine maximal zulässige Drehzahl. Dieser Maximaldrehzahl entspricht die Anordnung bzw. Anzahl der Kennelemente 9, so daß das im Empfänger erzeugte Signal, welches der Regelschaltung 10 zugeleitet wird, unmittelbar zur Überdrehzahlsicherung des Rotorantriebes genutzt werden kann. Die Anzahl der Kennelemente ist hierbei um so größer, je niederer die maximal zulässige Drehzahl ist.

Diese Überdrehzahlbegrenzung ist bekannt. Neu ist die mit dieser Erfindung vorgeschlagene Beeinflussung des Regelverhaltens der Regelschaltung 10 in Abhängigkeit von Drehzahl und Wärmeentwicklungsvermögen.

Diesem Zweck dient die mit dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 veranschaulichte Regelung.

Mit dem Temperaturfühler 7 wird die in der Rotorkammer 4 herrschende Isttemperatur festgestellt, welche mit einem einstellbaren Temperatursollwert verglichen wird. Bei Abweichung von diesem Sollwert erzeugt der Temperaturfühler 7 eine positive bzw. negative Regelspannung U A~i~ , deren Größe dem Temperaturunterschied & T entspricht. Die Regelspannung U4 T wird mittels eines Verstärkers 11 verstärkt, der bei dem Ausführungsbeispiel aus einem Operationsverstärker 11a und einer gesteuerten Stromquelle 11b besteht. Bei dem erläuterten Aüs-

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führungsbeispiel liegt der veränderbare Verstärkungsgrad zwischen 10 und 50. Am Ausgang Y des Verstärkers 11 erscheint ein gegenüber dem Signal am Eingang X um den Verstärkungsgrad vergrößertes analoges Ausgangssignal, welches der Primärsei'te eines als Pulsbreitenmodulator 13 •arbeitenden Analog-Digitalwandlers zugeführt wird. Dieser A/D-Wandler gibt an seiner Sekundärseite Impulse konstanter Taktzeit, also konstanter Frequenz, jedoch variabler, also modulierbarer Impulsbreite ab. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine Taktzeit von 10 Sekunden bei einer Modulationsbreite von 0 bis 100 % gewählt. Mit diesen Impulsen wird der Elektromagnet des im Kältemittelkreislauf gelegenen Magnetventiles 6 angesteuert. Zwischen Pulsbreitenmodulator 13 und Magnetventil 6 ist ein Umschalter 14 vorgesehen, der nachstehend erläutert ist. Mittels eines bei laufendem Rotor aus der Istdrehzahl abgeleiteten Signales ist der Verstärker 11 hinsichtlich seines Verstärkungsgrades steuerbar.

Wie oben erläutert, entsteht im Empfänger 8 eine von der Drehzahl und der Zahl der Kennelemente 9 und damit indirekt dem Wärmeentwicklungsvermögen des Rotors abhängige Impulsfolge, welche mittels eines Digital-Analogwandlers in ein analoges Ausgangssignal umgewandelt wird. Dieses Ausgangssignal wird dem Steuereingang V des Verstärkers 11 zugeführt, die Stromquelle 11b wird in ihrem Verstärkungsgrad also in Abhängigkeit von Drehzahl und Wärmeentwicklungsvermögen gesteuert. Bei hoher Drehzahl gibt der. Empfänger 8 eine Impulsfolge hoher Frequenz ab, so daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers 11 vergrößert wird. Bei einem Rotor mit großer Masse, dem eine größere Anzahl von Kennelementen zugeordnet ist, wird der Verstärkungsgrad auch schon bei niedrigeren Frequenzen vergrößert. Das hat in beiden Fällen zur Folge, daß auch bei einer kleinen Differenz zwischen Ist- und Solltemperatur die am Ausgang Y des Verstärkers 11 gebildete Spannung überproportional ansteigt bzw. abfällt, wodurch die

zwischen O und 100 % veränderbare Impulsbreite für die Einschaltzeit des Magnetventiles 6 überproportional vergrößert bzw. vermindert wird.

Die Temperaturverläufe sowie die Wechselwirkungen während des Laufs eines Zentrifugenrotors sind anhand von zeitsynchronen Diagrammen, für eine vergleichsweise hohe Drehzahl von 20.000 Umdrehungen pro Minute in Fig. 3 und bei einer niederen Drehzahl von 2.000 Umdrehungen pro Minute in Fig. 4 erläutert. In beiden Fällen wird in die Zentrifuge ein auf 4 ⁰C vorgekühlter Rotor eingesetzt.

Mit der Kurve 3.1 ist der Hochlauf der Drehzal von 0 auf 20.000 Umdrehungen/Minute gezeigt, welche nach 66 Sekunden erreicht ist. Wie die Kurve 3.2 deutlich macht, steigt die vom Temperaturfühler 7 festgestellte Kammertemperatur infolge von Reibungswärme von 4 auf 6⁰C an. Diese Lufttemperatur entspricht wegen der Wärmeträgheit des Rotors natürlich nicht derjenigen des Zentrifugiergutes, das sich in Zentrifugiergefäßen des Rotors befindet. Um eine Temperaturerhöhung des Zentrifugiergutes entsprechend dem Temperaturanstieg gemäß Kurve 3.2 zu verhindern, sind Kühlmaßnahmen notwendig. Mittels des Magnetventiles 6 wird entsprechend der Temperaturdifferenz A. Τ vermehrt Kühlmittel injiziert. Gesteuert wird der Kältemittelzufluß in Abhängigkeit von der bei Y anstehenden Ausgangsspannung des Verstärkers 11,deren Verlauf ohne Einfluß der erfindungsgemäß herangezogenen Korrekturgröße mit der Kurve 3.31 veranschaulicht ist. Die Kurve 3.31 macht deutlich, daß bei Verwendung dieser Steuerungsgröße die Steuerung zu unempfindlich wäre, d. h., entweder nicht schnell genug auf Temperaturänderungen reagieren könnte oder der Kältemittelzufluß,nicht rasch

genug reduziert bzw. unterbrochen wird. In beiden Fällen wäre eine konstante Temperatur des Zentrifugiergutes nicht gewährleistet.

Durch die mit der Erfindung vorgeschlagene Korrekturgröße, die aus der Istdrehzahl und einer für die Wärmeträgheit charakteristischen Kennung abgeleitet wird, wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 derart vergrößert, daß ein bezüglich der festgestellten Temperaturdifferenz überproportionales Steuersignal am Ausgang Y des Verstärkers 11 erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf mit der Kurve 3.32 in Fig. 3.3 veranschaulicht ist. Diese Kurve macht deutlich, daß bei hohen Drehzahlen, die zu einer großen Wärmeentwicklung führen und/oder großvolumigen Rotoren, die ein hohes Wärmeentwicklungsvermögen besitzen, trotz der sich nur vergleichsweise wenig ändernden Lufttemperatur in der Rotorkammer die erforderliche Regelantwort mit geringerer Verzögerung rechtzeitig erfolgt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Impulsbreite des am Ausgang des Pulsmodulator 13 anstehenden Signals 100 % wenn die Spannung uy den Wert Uyg erreicht hat.Dies bewirkt, daß das Magnetventil 6 in der Zeitspanne, in welcher die Steuerspannung Uy oberhalb des Grenzwertes Uyg liegt, geöffnet ist, wie das die Öffnungszeiten des Magnetventiles 6 repräsentierende Balkendiagramm gemäß Ziff. 3.4 deutlich macht. Während dieser Zeit wird kontinuierlich Kältemittel zugeführt, während davor und danach das Kältemittel nur impulsweise mit zunehmender bzw. abnehmender Impulsdauer eingespritzt wird.

Das Ergebnis dieser Steuerungsmaßnahme/ nämlich der zeitliche Temperaturverlauf innerhalb des Zentrifugiergutes,ist mit dem Diagramm gemäß Ziff. 3.5 veranschaulicht. Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel schwankte die Probentemperatur bei der eingestellten Temperatur von + 4°C um ca. 0,3 ⁰C.

Entsprechende Vorgänge und Temperaturverhalten sind bei Einsatz desselben Rotors jedoch mit geringerer Maximaldrehzahl, nämlich einer Drehzahl von 2.000 Umdrehungen pro Minute, mit den Diagrammen in Fig. 4 veranschaulicht. Wie die Kurve 4.1 zeigt, ist die Enddrehzahl schon nach kurzer Zeit erreicht.

Die Rotorkammertemperatur 4.2, wie sie vom Temperaturfühler 7 festgestellt wird, schwankt gleichfalls unter dem Einfluß der Reibungswärme und der gesteuerten Kühlung etwa um 2 ⁰C. Die Wärmeträgheit des Rotors sorgt dafür, daß sich diese Temperaturänderung nicht auf das Zentrifugiergut auswirkt. Seine Temperatur liegt konstant bei etwa 4.5 ⁰C und schwankt um etwa 0,3 ⁰C, wie das Diagramm 4.5 deutlich macht.

Die geringere Drehzahl des Rotors hat aus den oben erläuterten Gründen einen reduzierten Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 zur Folge, so daß seine mit der Kurve 4.3 veranschaulichte Ausgangsspannung Uy sich in Abhängigkeit von der Rotorkammertemperatur weniger stark verändert. Das Ausgangssignal Uy erreicht hierbei nicht den im Diagramm 3.3 angegebenen Grenzwert, so daß die Impulsbreite der am Ausgang des Pulsmodulators 13 erzeugten Impulsfolge nie 100 % erreicht und folglich das Magnetventil 6 nur mit vergleichsweise kurzen Impulsen veränder-

barer Breite angesteuert wird, wie dies mit dem Balkendiagramm gemäß 4.4 dargestellt ist.

Bei stillstehendem Rotor erzeugt der Wandler 12 keine Steuergröße, so daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers 11 zu 0 würde und daß die Kühlung unterbunden würde. Es genügt jedoch auch nicht, für diese Situation die Verstärkung des Verstärkers 11 auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, da aus folgenden Gründen andere Verhältnisse vorliegen.

Wegen der bei stillstehendem Rotor fehlenden Reibungswärme ist nur noch Verlustwärme auszugleichen, wobei diese weitgehend unabhängig von der Rotorgröße ist. Der Temperaturfühler 7 andererseits reagiert wegen der fehlenden Luftströmung in der.Rotorkammer außerordentlich träge. Würde die Kältemittelzufuhr nur über den Regelkreis, bestehend aus Temperaturfühler 7, Verstärker 11, Pulsmodulator 13, Magnetventil 6, gesteuert werden, wären unzulässige Temperaturschwankungen unvermeidbar.

Aus diesem Grunde erfolgt bei stillstehendem Rotor die Tempera turrregelung in anderer Weise.

Bei stillstehendem Rotor wird nämlich über den Umschalter 14 der Impulsgeber 15 mit dem Steuereingang des Magnetventils 6 verbunden. Der Impulsgeber 15 erzeugt, wie mit dem Balkendiagramm 5.4 in Figur 5 veranschaulicht ist, Impulse mit geringerer Impulsfolgefrequenz und konstanter Impulsbreite. So beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Tastverhältnis, nämlich das Verhältnis der Impulsdauer zur Impulsperiode 0,5 Sekunden/50 Sekunden = 1:100. Mit diesen Impulsen

wird das Magnetventil 6 so lange angesteuert, bis
die vorgegebene Solltemperatur erreicht ist. Zur
Realisierung dieser Regelungsbedingung ist der
Steuereingang des Umschalters 14 mit dem Ausgang
des UND-Gliedes 18 verbunden. Der erste Eingang des UND-Gliedes 18 wird vom Temperaturkomparator 16 angesteuert, der immer dann ein Signal abgibt, wenn
vom Temperaturfühler eine Abweichung der Isttemperatur von der Solltemperatur festgestellt wird.

Der zweite Eingang des UND-Gliedes 18 wird von einem Signalgeber 17 angesteuert, der bei Rotorstillstand ein Signal erzeugt. Bei Koinzidenz von unzulässiger Temperaturabweichung und Rotorstillstand wird folglich der Ausgang des Impulsgebers 15 über den Umschalter 1.4 mit dem Steuereingang des Magnetventiles 6 verbunden. Kältemittel wird während dieser Zeit impulsartig so lange injiziert, bis die Rotorkammertempera tür wieder den Sollwert erreicht hat.

Diese Steuer- und Regelvorgänge sind mit den Diagrammen in Fig. 5 veranschaulicht. Die Kurve 5.1 zeigt die vom Temperaturfühler 7 festgestellten Schwankungen der
Rotorkammertemperatur. Die Kurve 5.2 zeigt den Verlauf der Isttemperatur des Zentrifugiergutes, während mit der Linie 5.3 die Solltemperatur des Zentrifugiergutes angegeben ist. Der Temperaturabfall hier von
0,2 °C/Stunde ist in der Regel zulässig, kann jedoch mit entsprechendem Regelaufwand reduziert werden.

Das Balkendiagramm gemäß 5.4 veranschaulicht die am Steuereingang des Magnetventiles 6 wirksam werdenden Steuerimpulse.

In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 sind nur die zur Erläuterung der Erfindung notwendigen Baugruppen veranschaulicht. Diese Baugruppen können selbstverständlich auch durch entsprechend programmierbare Prozessorschaltungen realisiert werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Kühlzentrifuge mit auswechselbaren Rotoren unterschiedlichen Wärmeentwicklungsvermögens, einer regelbaren Kühleinrichtung sowie einer Regelschaltung, bestehend aus einem die Isttemperatur feststellenden Temperaturfühler, einem Vergleicher, welcher durch Vergleich der Isttemperatur mit einer Solltemperatur eine Regelgröße erzeugt, einem Verstärker zur Erzeugung einer der Regelgröße entsprechenden Stellgröße, welche ein Stellglied der Kühleinrichtung steuert, gekennzeichnet durch eine Detektoreinrichtung (8, 9), welche verzögerungsfrei eine für die momentane Drehzahl und das Wärmeentwicklungsvermögen des jeweiligen Rotors (2) charakteristische Steuergröße erzeugt, mit welcher der Verstärkungsgrad des Verstärkers (11) in Abhängigkeit des Wärmeentwicklungsvermogens verändert wird.

2. Kühlzentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Rotors (2) ein Empfänger (8) angeordnet ist, daß die Rotore (2) mit aktiven oder passiven Kennelementen (9) versehen sind, welche bei Umlauf des Rotors (2) im Empfänger (8) eine Impulsfolge mit einer der momentanen Drehzahl proportionalen Frequenz erzeugen, daß die Zahl und/oder Anordnung der Kennelemente (9) dem Wärmeentwicklungsvermöqen des Rotors (2j zugeordnet ist und daß die vom Empfänger (8) erzeugte Impulsfolge mittels eines Digital/Analogwandlers (12) in die analoge Steuergröße umgewandelt wird.

3. Kühlzentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennelemente (9) Reflektoren sind, welche eine von einer Signalquelle erzeugte Strahlung in Form von Signalimpulsen auf einen mit dem Empfängereingang verbundenen Signalwandler reflektieren.

4. Kühlzentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennelemente (9) Permanentmagnete sind und daß im Empfängereingang eine den Permanentmagneten zugeordnete Induktionsschleife, ein Feldplattenfühler oder dergleichen Wandlerelement angeordnet ist.

5. Kühlzentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (11) ein Pulsbreitenmodulator (13) nachgeschaltet ist, welcher das analoge Ausgangssignal des Verstärkers (11) in eine pulsbreitenmodulierte Impulsfolge umwandelt und daß der Ausgang des Modulators (13) ein Magnetventil (6) steuert, über welches pulsartig Kühlmittel in die im Bereich der Rotorkammer (4) vorgesehene Kühlschlangen (5a) injiziert wird.

6. Kühlzentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Begrenzerschaltung, welche in an sich bekannter Weise entsprechend der jeweiligen für jeden Rotor charakteristischen Anordnung der Kennelemente (9) die zulässige Maximaldrehzahl des Rotorantriebes (3) begrenzt.

7. Kühlzentrifuge nach Anspruch 5 und 6, gekennzeichnet durch einen Impulsgeber (15), welcher Steuerimpulse konstanter Breite und Frequenz zur Ansteuerung des Magnetventiles (6) bei Rotorstillstand erzeugt und dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Magnetventiles (6) bei Abweichen der Rotorkammertemperatur von der Solltemperatur verbunden wird.

8. Kühlzentrifuge nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (6) über einen umschalter

(14) ansteuerbar ist, dessen erster Eingang (x) mit dem Ausgang des Pulsbreitenmodulators (13), dessen zweiter Eingang (Y) mit dem Ausgang des Impulsgebers (15) und dessen Steuereingang (S) mit dem Ausgang eines UND-Gliedes (18) verbunden ist, dessen erster Eingang mit dem Ausgang eines Temperaturkomparators (16) und dessen zweiter Eingang mit einem vom Rotor (2) gesteuerten Signalgeber (17) zur Stiilstandserkennunq verbunden ist.

9. Kühlzentrifuge nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer der vom Impulsgeber

(15) erzeugten Impulsfolge größer als diejenige der vom Pulsbreitenmodulator (13) erzeugten Impulsfolge ist, daß sie vorzugsweise fünfmal größer als diejenige der bei Rotorlauf erzeugten Impulsfolge ist.