具有压缩机冷却装置的离心机及控制离心机的压缩机冷却装置的方法

摘要

本发明涉及具有压缩机冷却装置(30)的离心机以及对离心机的压缩机冷却装置(30)进行控制的方法。根据本发明的离心机在压缩机冷却装置(30)的制冷电路(41)中具有可控节流装置(39)。

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的离心机，以及涉及根据权 利要求5的离心机的压缩机冷却装置进行控制并调节的方法。

背景技术

在离心分离期间，尤其在急速转动实验室离心机时，离心机转子旋 转时在离心机转鼓中通过空气摩擦以及耗费电功率的引入产生热量。因 为离心机转鼓被用盖子封住以防止被离心机分离的材料脱离，所以产生 的热量无法轻易地消散，最终导致正被离心机分离的材料的温度上升。

由于温度上升会导致被离心机分离的样品受到破坏或变得无用，所 以温度上升是不希望的。通常，样品必须保持在规定的温度下，例如， 取决于应用，样品必须保持在4℃、22℃或者37℃。因此，为了防止被 离心机分离的材料的温度上升，过去已经进行了测量，其中，通常使用 间接冷却。为了间接冷却，转子通常被封在离心机转鼓中离心机盖子的 下方，并且不提供冷却通道或相似构造。因此，空气只在离心机转鼓中 循环。冷却只通过第二媒介来提供，该第二媒介沿着转鼓的外面或者在 转鼓的壁上运行(run)。因此，通常提供具有管子和热交换器的压缩机冷 却装置，专门的制冷剂(不同于冷却剂，因为冷却剂(例如)在汽车的 冷却水循环中流动，而制冷器在流过制冷循环时发生状态变化，通常从 液体变成气态的，并且制冷器还使对材料进行控制的温度降到室温以下) 通过该压缩机冷却装置流过形成制冷剂循环的导管并沿着转鼓流动以将 热消散掉，导管(例如按照螺旋的方式)与离心机转鼓进行接触(这意 味着转鼓的侧壁和底)。这种类型的压缩机冷却装置还促使将样品材料冷 却到周围空气温度以下。

压缩机冷却装置1包括蒸发器3(通常作为导管围绕离心机转鼓5 延伸)、压缩机7、冷凝器9以及膨胀元件11(参见图1)。因此，针对最 高负荷的情况(离心机转子的最大速度(图未示出))，膨胀元件11被配 置，其中，已知膨胀元件(是当压缩机停止时制冷剂循环的高压侧和低 压侧之间的压力平衡元件)被配置为毛细管(capillary tube)或恒温 注射阀(thermostat injection valve)11。

与在蒸发器3之后的压力控制温度检测器13结合，恒温注射阀(TEV) 11用于作为确定的温度的函数在蒸发器入口VE对制冷器循环15流中的 制冷器自动地进行增加或节流。因此，在蒸发器出口VA处需要对制冷器 进行过度加热，使得产生直接作用到恒温控制注射阀11的弹簧17上的 正压力，以驱动注射阀。在蒸发器出口VA处提供更加精确的特定温度。 TEV 11的传感器13连接在蒸发器出口VA处，其中，在蒸发器出口处提 供制冷器。基于蒸发器出口VA处的温度，制冷器具有分别的压力，该压 力影响TEV 11并与弹簧的复位力抵消，使得TEV 11打开或关闭。

额外的控制元件(例如频率控制压缩机7)部分地但是不精确地促使 对其它负荷情况进行控制。

因为需要对制冷器进行过加热以使恒温控制注射阀进行工作，所以 无法充分使用蒸发器性能，只有大约95％的蒸发器表面可以使用。由于需 要进行过度加热，在蒸发器入口VE和蒸发器出口VA之间提供大约7k的 温差。

这种离心机中的已知的压缩机冷却装置1的另一个重要缺点是压缩 机只可以是功率控制的，而非是不精确的并在某些界限内，使得压缩机7 在各种部分负荷的情况下以及在低负荷的情况下必须完全关掉。

然而，由于压缩机7通常具有最小运行时间以确保内部油循环，故 这并非始终可行。反之亦然，由于启动期间压缩机7的驱动马达的持续 加热以及高压侧和低压侧之间所需要的压力平衡或压差缩小，对这种压 缩机7提供了某个最小关机时间。因此，可控性通过压缩机7被严格地 限制在(尤其)低功率范围内。

另一个缺点是在压缩机冷却装置1的压缩机7启动或停止时会产生 振动。这种振动影响离心机的运行参数，增大离心机停止后的重混率， 影响实验室设备以及靠近离心机的设备。最后一点是，频繁地将压缩机7 打开并关掉减少其使用寿命。

发明内容

因此，本发明的目的是克服或减轻这些缺点。特别地，具有压缩机 冷却装置的离心机应按照简单并且划算的方式进行配置，并且应具有高 的控制质量以及低振动。

用根据权利要求1的离心机以及根据权利要求5的方法实现该目的。 从属权利要求中提供了有利的实施例。

根据本发明的离心机特别的是实验室离心机，包括离心机转鼓和压 缩机冷却装置，压缩机冷却装置具有制冷循环、蒸发器、压缩机和冷凝 器，特征在于，制冷循环包括用于控制制冷剂流的至少一个可控节流装 置，可控节流阀装置有利地被配置为电子注射阀。有利地，可以提供的 是，当压缩机停止时，可控节流装置还可以作为制冷循环的高压侧和低 压侧之间的压力平衡元件进行工作。

根据本发明的可控的(这意味着外部可控的节流装置)是节流装置， 其中有对控制制冷剂流的直接外部控制选择，从而有可以从制冷循环外 部被影响的控制链路。尽管用TEV 11也可以提供控制，但是从制冷循环 15的外部这是不受控的，而是由直接影响并调节TEV 11的传感器13进 行控制。

有利地，根据本发明的控制选择可以以电子的方式提供，然而，液 压和/或气动控制选择等也是可行的。因为恒温注射阀无法提供直接的外 部控制，而是由元件被动地反作用于弹簧以响应温度引发的压力增大， 所以恒温注射阀不是可控节流装置。

因为离心机的压缩机冷却装置在冷却循环中包含可控的节流装置， 所以对于许多的负荷情况压缩机冷却装置都可以被直接控制，而不必控 制压缩机自身。因此，压缩机冷却装置引起更少的振动并且具有更长的 使用寿命。额外地，不再需要促进对制冷剂进行过加热，因此，整个蒸 发器长度都可被使用。这增大了蒸发器的传热面，其促进了更高的冷却 功率并且改善了冷却装置的总体效率。这有助于实现离心机转鼓中更低 的冷却温度，和/或对于更高的离心功率，也可以实现所期望的低冷却温 度。而且，可以更加快速地实现离心机转鼓中所期望的温度。另一方面， 具有更低功率的压缩机甚至可以用于预定的蒸发器的冷却功率，这减小 了所要求的安装空间，或者频率可控的压缩机可以以更低的频率(进而 以更低的功率)进行工作，这对于相同的冷却功率减小了总体能量需要。 而且，控制精度得以提高，这有助于实现离所期望的标称值的更小的偏 差。

在有利的实施例中，提供了用于对制冷剂循环中制冷剂的温度进行 检测和/或对离心机转鼓中的温度进行检测的至少一个装置。有利地，提 供了用于对离心机转鼓中的温度进行检测的装置，提供了有利地在蒸发 器入口处对蒸发器上游制冷剂循环中制冷剂的温度进行检测的装置，提 供了在蒸发器之后对温度进行检测的装置。有利地，因为由于在进一步 朝向蒸发器布置的位置进行过加热而引起温度会被不精确地测量，导致 没有最佳地利用蒸发器，所以最后的温度测量装置被布置在蒸发器出口 处。因此可以促进更加精确的控制。

因此，“用于检测温度的装置”是确定物理参数的所有装置，通过这 些装置可以确定温度。例如，有压力或温度传感器，其中，温度传感器 更加划算，因此被有利地使用。

有利地，压缩机是可控的以调节其进给量(feed volume)，有利地， 是功率可控的，特别地，是频率可控的，这通过用相对于电网频率提高 的频率启动压缩机冷却装置基本减少了用于达到所期望的温度的稳定时 间(settling time)。

可替代地或者此外，在冷却循环中提供旁路用于桥接冷凝器，其中， 特别地，旁路被配置为可控的。可控节流装置也可以用于该调节。

根据本发明的可控节流装置可以形成为连续可控的节流阀以及离散 可控的节流阀。

特别地，当可选的控制元件被配置为连续可变的节流装置，具有连 续可变的进给流的压缩机，连续可变的旁路阀，整个负荷谱可以以非常 有效的并且快速响应的方式被覆盖，并且没有电涌。

调节装置特别有利，特别地，调节装置可以被配置为可编程电子装 置(例如微控制器)，可编程电子装置使用被检测的温度中的至少一个作 为输入变量，并且控制并调节可控节流装置、可控旁路和可控压缩机这 些元件中的至少一个，这是因为可以使用特别有效的控制和调节程序。

根据本发明的用于对具有离心机转鼓的离心机的压缩机冷却装置进 行控制和/或调节的方法在独立权利要求中进行保护，其中，压缩机冷却 装置包括制冷循环、蒸发器、压缩机和冷凝器，特征在于，可控节流装 置用于对压缩机冷却装置的制冷循环中的制冷流进行调节。因此，有利 地，根据本发明的离心机用于本方法。

在有利的实施例中，预先确定离心机的离心机转鼓的标称温度，确 定离心机的离心机转鼓的实际温度。关于这点，有利地，对于预定的趋 势周期确定实际温度的趋势，以能够更快地对温度变化做出反应并且使 关于标称值的偏差最小化。有利地，趋势周期至少2s，有利地，至少5s， 特别地，至少10s。另一方面，有利地，还可以提供从其的偏差，这些偏 差是整个离心机系统大小和功率的函数。

在有利的实施例中，关于预定的标称温度对公差范围进行定义，其 中，公差范围是+/-5K，至多，有利地，是+/-3K，至多，有利地，是+/-1.5K。 当实际温度仅由可控节流装置调节当实际温度在定义的公差范围内时， 控制可以得到明显改善。该调节特别敏感。关于这点，在公差范围之“内” 意味着在公差范围边界处的温度也包含在内。而且，当实际温度仅通过 压缩机控制时当实际温度没有在公差范围之内时，调节得到改善。

有利地，提供的是，可控压缩机用于在公差范围外部进行控制(粗 控制)。当离开公差范围时，压缩机被离心机转鼓中测量的实际温度进行 调节，使得实际温度返回到公差范围中。

通过粗调和细调(c.f.下文)进行结合的方法，可以特别有利地使 用压缩机的功率，并且在低负荷范围中关掉压缩机并再将其打开，尤其 也基本防止了高的内部转鼓温度，这是因为压缩机本质上只用于调节实 际温度直到其达到公差范围。

特别有利地，当压缩机冷却装置被启动并且实际温度通过压缩机被 降到预定的公差范围时，可控节流装置被设在经验确定的制冷剂流。有 利地，至少在冷却过程的开始，已被确定为对于分别的离心机是最佳的 可控节流装置的位置应被用于最大限度的冷却，并且有利地，随后应被 调整到用于最佳的蒸发器装填的位置。关于这点，特别有利的是，压缩 机仅被调节一个时间周期，直到实际温度在公差范围内保持经验确定的 时间周期，有利地，是多个趋势周期，有利地，是趋势周期的40倍，更 有利地，是趋势周期的26倍，更有利地，是趋势周期的12倍，例如至 少2分钟，在这之后，特别提供的是，只要实际温度在公差范围内并且 通过可控节流装置被调节到标称温度，压缩机功率就保持恒定。因此， 确保的是，当启动压缩机冷却装置时，第一步中通过压缩机只提供了粗 控制，随后以恒定压缩机功率通过可控节流装置执行细调。

如果关于冷却时间提供了某些参数，则冷却到标称温度的时间被执 行，压缩机的功率和/或制冷剂流通过可控节流装置也可以被相应地控 制。然而，在粗调期间启动细调也是可行的，因此同时通过可控压缩机 以及通过可控节流装置。

而且，可以在标称温度或公差范围之上提供提早的截止值(cut off  value)。因此，考虑如下现象，该类型的调节过程使当前的实际温度值 从正温度范围朝向标称温度值快速汇聚。为了避免超过窄的公差范围朝 向负温度，尽可能地引入提早的截止值，这意味着在被有利地布置在公 差范围中间的实际标称值被实际温度值达到之前，压缩机(例如)已被 向下调节或被关掉或者可控节流装置在关闭方向被驱动。这是对抗系统 惯性的相反调节。

而且，有利的是，当一方面制冷剂的温度在制冷循环中在蒸发器的 上游、有利地在蒸发器出口处并且另一面在蒸发器的下游、有利地在蒸 发器出口处被确定，并且可控节流装置被调节时，使得蒸发器的制冷剂 上游的温度和制冷循环中蒸发器下游制冷剂的温度之间的差在0K和5K 之间，有利地在0K和3K之间，特别地在0K和1K之间。因此，列举的 范围界限是允许值。因此，因为不再需要大约7K的温度差(在现有解决 方案中是所需的，以提供过加热)，蒸发器以特别有效的方式被使用。同 时，防止了具有液体制冷剂的流穿过蒸发器(从而防止了液体堵塞)。当 大于0K的差被调节时，确保的是，因为由于提供了少量的过加热而引起 了正差，所以制冷剂被完全蒸发。

而且，特别有利的是，当制冷循环中蒸发器上游的制冷剂的温度被 确定，并且当低于(undercut)预定的温度时，通过以下措施的其中之 一至少再次达到预定的温度：i)减小压缩机的进给量，ii)打开并调节 在制冷循环中避开冷凝器的旁路，iii)控制可调节的节流装置，以在压 缩机冷却装置的制冷循环中增大制冷剂流。预定的温度是所使用的制冷 剂以及蒸发器入口与压缩机入口之间的几何条件的函数，例如是-18℃。 这有效地防止了压缩机进入真空范围以及回油失败。因此，当低于预定 温度时，节流装置必须通过变量iii)被再次打开。

可替换地或额外地，下面的特征可以用于离心机的振动的进一步的 减少：

-具有水平主轴的压缩机的使用，水平主轴有利地具有低重心和/或 需要大的放置表面；

-旋转的压缩机的使用，旋转的压缩机有利地不需要最小速度(像往 复活塞压缩机一样)和/或可以用变频器向下调节到停止状态。额外地， 具有振荡块被省略的优点。

-相对于离心机的框架(特别地)垂直安装的压缩机的弹性支撑的使 用，其中，该支撑有利地被布置在压缩机重心的上方；

对于具有压缩机的离心机的实施例，要求独立保护，不管压缩机冷 却装置的结构，压缩机具有前文列举的特征。

除非另有说明，本发明的所有特征可以随意彼此结合。

附图说明

下文参考附图基于实施例对本发明的特征和优点进行更详细地描 述，其中：

图1示出了已知的压缩机冷却装置的框图；

图2示出了根据本发明的离心机的俯视图；

图3示出了根据本发明的离心机的压缩机冷却装置的框图；

图4示出了根据本发明的方法的控制框图；以及

图5示出了两个离心机的最大冷却功率的比较，其中一个离心机具有 已知的压缩机冷却装置(具有TEV)，另一个离心机具有根据本发明的压 缩机冷却装置(具有EEV)。

具体实施方式

图2示意性地示出了根据本发明的离心机20的立体图。离心机被配 置为实验室离心机20，包括用于压缩机冷却装置25的壳体21、用于离 心机转鼓37和转子28的盖子23、以及底板29，壳体21具有盖子(图 未示出)，压缩冷却装置25具有压缩机27。

图1和图3示出了根据本发明的压缩机冷却装置30较于已知的压缩 机冷却装置1的区别。

同样，根据本发明的压缩机冷却装置30包括频率可控的压缩机31、 冷凝器33、被布置成围绕离心机转鼓37间接冷却的蒸发器35、以及膨 胀元件39。

图1所示的已知的压缩机冷却装置1包括恒温注射阀(TEV)，恒温 注射阀被配置为膨胀元件11，膨胀元件11包括在蒸发器3的出口VA处 与传感器13连接的压力入口17。当达到过加热时，在蒸发器出口VA处 在传感器13中产生正压力，其中，正压力对抗TEV 11的弹簧的压力， 从而打开TEV 11。因此，TEV 11仅是个被动调节的元件，这是因为没有 (例如)通过电子学方法提供外部可控性，因此由于必须提供的过加热不 可能充分地使用蒸发器。

相比之下，图3所示的压缩机冷却装置30包括可控节流装置39，所 述可控节流阀装置39被配置为电子注射阀(EEV)39来代替TEV。而且， 冷却循环41具有用于桥接冷凝器33的旁路43。旁路43上也设置有电子 注射阀45。可替代地，还可以提供离散的控制元件来代替连续可调的控 制元件39、45。

而且，提供三个装置47、49、51，用于检测蒸发器35上游的温度 T_VE、检测蒸发器35的出口VA处的温度T_VA、检测离心机转鼓37中的温度 T。

图4图示性地示出了根据本发明的方法的控制。

显然，使用了调节装置60，所述调节装置60考虑了操作员为离心机 转鼓预定的标称温度T_K。在蒸发器35处，在入口VE处检测温度T_VE，在 出口VA处检测温度T_VA，并将温度TVE和温度TVA提供给调节装置60。 而且，在转鼓37处检测实际温度T，并将该实际温度T提供给调节装置 60。为离心机20确定实际温度T的温度发展的趋势，根据本发明将该趋 势配置为10s的经验确定的趋势周期td，其中，更长和更短的时间周期 都是可行的。而且，针对离心机转鼓37，为标称温度T_K定义+/-1.5K的 公差范围。调节装置60控制EEV 39、压缩机31、以及(可选地)旁路 45。

下文提供对压缩机冷却装置30的控制和调节。

当启动离心机20的冷却装置30时，将EEV 39调整成经验确定的制 冷器流，并且通过对压缩机31的速度进行控制将实际温度T降到预定的 公差范围。压缩机31的速度或者被保持在最大值，或者如果在对标称温 度T_K的预定冷却时间是所期望的时，压缩机被保持在各自的速度。额外 地，可以使用提早的截止时间来考虑压缩机冷却装置30的惯性，和/或 通过粗调期间经验确定的函数降低压缩机31的速度。

有利地，至少在冷却过程的开始，可控节流装置39的位置(已被确 定为对分别的离心机20来说是最佳的)应被用于最大限度的冷却并且(可 选地)稍后被更新为用于最佳蒸发器装填的位置。

通过压缩机速度执行粗调，直到转鼓37中的实际温度T在公差范围 内保持预定的时间周期(例如1分钟)。因此，当实际温度T低于标称温 度T_K时，通过减小频率来减小压缩机31的功率，直到实际温度T再次达 到标称温度T_K或超过标称温度T_K。如果标称温度T_K被超过，压缩机31 的频率被再次提高。该迭代过程被继续，直到标称温度T在标称温度T_K 的公差范围内保持一个时间跨度，例如至少1分钟，这意味着至少6个 趋势周期td。

因此，此后只要实际温度在公差范围内并且标称温度通过可控节流 装置39被调节，压缩机速度就保持恒定。

此后，确保了当启动压缩机冷却装置20时，第一步唯一地通过压缩 机31提供了粗调以及随后通过可控节流装置39提供了细调，提供了恒 定压缩机速度。

可以提供的是，可控节流装置39被调整到中心位置，并且在粗调期 间或在粗调和细调之间压缩机31的速度相应地进行适应，以能够以最佳 的方式在细调期间使用节流装置39的调节能力。然而，必不可少的是在 细调期间(从而在实际温度T在公差范围内的时间周期内)压缩机31的 功率没有改变。

在随后的细调期间，冷却功率通过EEV 39仅被其自身调节。因此， 根据趋势执行一个调节，这意味着当趋势周期td中的实际温度的趋势下 跌时，EEV 39被向下调节，因此制冷剂流被减少。如果趋势上升，电子 注射阀39被向上调节，使得更多的制冷剂被提供给蒸发器35。

然而，本发明不限制于彼此独立执行的粗调(只通过压缩机调节) 和细调(只通过节流装置调节)。还可以提供的是重叠进行，即压缩机和 节流装置的同时调节。

额外的，在蒸发器35的入口VE对温度T_VE的预定下限T_VEmin进行监控， 当低于温度T_VEmin时，EEV 39被进一步打开，直到确定的温度T_VE再次大于 预定的温度T_VEmin。这防止了压缩机31进入真空范围。

额外地，继续对温度的差T_VA-T_VE进行监控。为了将对蒸发器35的装 载最大化，并且为了防止液体制冷器到达压缩器31，这个差应在0K和 1K的范围内。如果低于差T_VA-T_VE，EEV 39被进一步关闭和/或压缩机频 率被降低。

根据本发明的方法促进了蒸发器的最大限度的使用。因此，蒸发器 的冷却功率可以被提高，并且相比于已知的压缩机冷却装置(其相应地 促进了离心机转子功率的提高)，在根据本发明的离心机20的情况下， 大约5％的更多的热量可以被消散。极端情况下，通过转子允许产生的热 量增加5％，从而转子可以在更高的速度范围内运行，这提高了离心机功 率。

图5结合根据本发明的方法示出了根据本发明的离心机20的有利的 运行，其中，出于简化的目的，提供了压缩机频率在整个运行时间保持 恒定(最大限度)并且用节流装置进行控制。根据实际温度T的曲线的 图示，很显然，转鼓空气的温度的调节根据本发明被更加连续地执行， 并且可以使用更低的最终温度。

除了所描述的关于冷却功率的优点，样品可以更加精确地被保持在 特定温度，该特定温度尤其对于敏感样品或不确定的温度影响非常有利。

总的来说，应当理解本发明具有以下优点：

-离心机的转子腔/蒸发器的更加有效的利用；

-离心机的更加节能的功能；

-选择使用具有更低功率的压缩机，或可以用更低的频率来驱动压缩 机，以获得预定的冷却功率，该预定的冷却功率消耗更少的电功率从而 节省了能量；

-压缩机不用频繁地启动，这使电力网中的负荷峰值以及消耗减到最 小；

-压缩机在最佳的运行点(更加频繁地以更低的速度)被操作，这减 小了运行噪音；

-高压侧和低压侧之间的受控压力平衡的选择减小了压缩机的启动 电流。在压缩机停止状态期间EEV可以被打开，以加速高压侧和低压侧 之间的压力平衡，从而在负荷范围内达到更高的控制质量；

-对转子转鼓中的温度进行更加精确的调节，从而对样本温度进行更 加精确的调节。