WO2001005516A1 - Laborzentrifuge mit kühlaggregat - Google Patents

Laborzentrifuge mit kühlaggregat Download PDF

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Heiko Müller
Horst Kache
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B15/00—Other accessories for centrifuges
    • B04B15/02—Other accessories for centrifuges for cooling, heating, or heat insulating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
    • B04B9/10—Control of the drive; Speed regulating

Definitions

  • the invention relates to a laboratory centrifuge with an electric centrifuge motor.
  • Laboratory centrifuges are also known with a cooling unit driven by an electric motor.
  • the cooling motors are continuously provided in a simple design with constant speed, the cooling power being controlled by switching the motor on and off.
  • the object of the present invention is to construct a laboratory tool with a speed-controlled centrifuge motor and cooling unit in a structurally simpler and more cost-effective manner.
  • the cooling motor is speed-controlled with a frequency control.
  • the existing frequency converter only has to be supplemented by another inverter. Additional switching and control devices for the cooling motor are not required. This results in a significant structural simplification for the engine control, which is reflected in the costs. This is of crucial importance for laboratory centrifuges, since they can only be successfully marketed as small and inexpensive table-top units.
  • the control device controlling the frequency converter can control both inverters with the same frequency. However, this would have the disadvantage that the rotor speed and cooling capacity are driven up and down together.
  • the features of claim 2 are therefore advantageously provided. This makes it possible to control the rotor speed and the cooling capacity separately as required.
  • the back braking power is - at least partially - destroyed in the cooling motor drawing current from the DC voltage source, which works as a braking resistor. Additional braking resistors can be greatly reduced or can be omitted entirely, which further reduces the cost of the centrifuge.
  • the centrifuge has a rotor 2 which has internal receptacles (not shown) for the conventional centrifuging vessels in the usual way.
  • the rotor 2 is operated via a shaft 4 by a centrifugal motor 5, which is designed as a three-phase induction motor.
  • the centrifuge motor 5 is supplied via three lines 6 by a centrifuge inverter 7 of a frequency converter 20.
  • the centrifuge inverter 7 is connected with input lines to the positive line and the negative line of a DC voltage source 10.
  • the DC voltage source 10 has a conventional charging capacitor 11 between the plus line and the minus line and is fed by a line rectifier 12 which is connected to line AC voltage via lines
  • the centrifuge inverter 7 is connected to a frequency controller 15 via control lines. This specifies the frequency and the voltage with which the centrifuge motor 5 is to be controlled to the centrifuge inverter 7.
  • a cooling unit 17 which, in the highly schematic illustration, cools the rotor 2 with a cooler 18 designed as a Roman coil cooler, and dissipates the heat outside the housing (not shown) with a heat exchanger 19 likewise designed as a coil cooler.
  • the cooling circuit is supplied by a compressor, not shown, which is driven by an electric cooling motor 22 via a shaft 21.
  • the cooling motor 22 is also designed as an induction motor and is supplied by a cooling inverter 24 via three lines 23. This is connected in the frequency converter 20 via input lines to the positive line and the negative line of the DC voltage source 10, that is to say in parallel to the centrifuge inverter 7. It is controlled via control lines by a frequency control 28 in a manner similar to that of the centrifuge inverter 7.
  • the cooling capacity of the cooling unit 17 and the speed of the rotor 2 can be set completely separately via corresponding specifications.
  • a control device 30 is used, which is connected to the frequency controls 15 and 28 via corresponding data lines in order to predefine the rotational speeds to be set.
  • the control device 30 can reduce the power to the cooling motor 22 by reducing the control frequency, or switch it off completely, in particular when the centrifuge motor 5 is at full load while the rotor 2 is operating. Overloading of the DC voltage source 10 is thus avoided and this can. e.g. with regard to the charging capacitor 11 and the line rectifier 2, as well as with respect to the size and the manufacturing costs.
  • the control device 30 can be designed such that when the centrifuge is switched on, the cooling unit 17 is first switched off and the rotor 2 rotates up to the range of its predetermined target speed. In addition, the power consumption of the centrifuge motor 5 drops and the power can now be increased to the cooling motor 22, which can reduce the power again via temperature sensors (not shown) connected to the control device 30 after the desired temperature has been reached. After completing the centrifugation process, rapid braking of the rotor 2 is desired in order to be able to quickly unload the stationary rotor 2. For this purpose, the control device 30 is designed such that it drives the frequency of the centrifuge inverter 7 to brake the centrifuge DC voltage source 10. With strong braking, the DC voltage source 10 can be overloaded while the voltage rises
  • the control device 30 ensures that when the centrifuge motor 5 is braked, the Kuhl grill ⁇ chtei 24 is driven at a defined frequency, so that the Kuhlmotoi 22 draws current from the DC voltage source 10.
  • the cooling motor 22 then acts as a braking resistor, so that additional braking resistors can be saved
  • the control unit 30 is also designed in such a way that it operates the cooling alternating egg 24 only above a minimum frequency, corresponding to a minimum drawing number of the cooling motor 22. In this way, the cooling compresses provided in the cow unit 17 are operated only above a minimum drawing number operated so that lubrication rangebioblems occurring at lower speeds are avoided

Abstract

Eine Laborzentrifuge mit einem von einem elektrischen Zentrifugenmotor (5) angetriebenen Rotor (2) und einem von einem elektrischen Kühlmotor (22) angetriebenen Kühlaggregat (17), wobei der Zentrifugenmotor als frequenzgesteuerter Induktionsmotor ausgebildet ist und von einem von einer Steuerungseinrichtung (30) gesteuerten Frequenzumrichter (20) versorgt ist, der einen den Zentrifugenmotor speisenden Zentrifugenwechselrichter (7) aufweist, welcher an eine von einem Netzgleichrichter (12) versorgte Gleichspannungsquelle (10) angeschlossen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmotor als frequenzgesteuerter Induktionsmotor ausgebildet ist und daß der Frequenzumrichter einen weiteren, parallel zum Zentrifugenwechselrichter an die Gleichspannungsquelle angeschlossenen Kühlwechselrichter (24) aufweist, der den Kühlmotor speist.

Description

LABORZEif^TRIFUGE MIT KÜHLAGGREGAT
Die Erfindung betrifft eine Laborzentrifuge mit elektrischem Zentrifugenmotor.
Bei gattungsgemaßen Laborzentrifugen ist es üblich, wie in DE 4136514 C2 beschrieben, den Zentrifugenmotor als Induktionsmotor mit frequenzgesteuerter Veisoigung über einen Frequenzumrichter auszubilden. Damit läßt sich die für den Zentπfugenbetπeb erforderliche Genauigkeit der Einstellung der Rotordrehzahl erreichen
Laborzentrifugen sind auch mit von einem Elektromotor angetriebenem Kühlaggregat bekannt Bei diesem sind jedoch nach dem Stand der Technik die Kuhlmotoren in einfacher Bauweise mit konstanter Drehzahl laufend vorgesehen, wobei die Steuemng der Kühlleistung über Ein- und Ausschalten des Motors erfolgt. Fui Klimaanlagen ist es aus der DE 3523818 C3 bekannt, den Motor frequenzgesteuert zu betreiben Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laborzenüifuge mit drehzahlgesteueitem Zentrifugenmotor und Kühlaggregat konstruktiv einfacher und kostengünstiger auszubilden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird nicht nur der Zentrifugenmotor, sondern auch der Kühlmotor mit einer Frequenzsteuerung drehzahlgesteuert. Dadurch ergibt sich zunächst die Möglichkeit zu besserer Kühlsteuerung, aber vor allem zu einer starken baulichen Vereinfachung der Konstruktion. Der ohnehin vorhandene Frequenzumrichter muß nur um einen weiteren Wechselrichter ergänzt werden. Zusätzliche Schalt- und Steuereinrichtungen für den Kühlmotor werden nicht benötigt. Es ergibt sich für die Motorensteuerung eine bedeutende bauliche Vereinfachung, die sich in den Kosten niederschlägt. Bei Laborzentrifugen ist dies von entscheidender Bedeutung, da diese im wesentlichen nur als möglichst kleine und kostengünstige Tischgeräte erfolgreich zu vermarkten sind.
Die den Frequenzurnrichter steuernde Steuemngseinrichtung kann beide Wechselrichter mit der gleichen Frequenz ansteuern. Dies hätte aber den Nachteil, daß Rotordrehzahl und Kühlleistung gemeinsam hoch und runter gefahren werden. Vorteilhaft sind daher die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Hiermit ist es möglich, die Rotordrehzahl und die Kühlleistung getrennt bedarfsweise zu steuern.
Bei Zentrifugen ist es erforderlich, nach Beendigung des Zentrifugiervorganges, den Rotor möglichst schnell bis zum Stillstand abzubremsen, um die zentrifu- gierten Proben wieder in kurzer Zeit entnehmen zu können. Wird die Steuerfrequenz für den Zentrifugenwechselrichter runtergefahren, so speist dieser einen hohen Bremsstrom in die Gleichspannungsquelle, so daß deren Spannung unzu- lässig hohe Werte annehmen kann. Nach dem Stand der Technik wird die zurückgeführte Bremsleistung in bedarfsweise zuschaltbaren Bremswiderständen vernichtet, die die Konstraktionskosten erhöhen. Vorteilhaft sind daher die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Auf diese Weise wird beim Bremsen des Zentrifugenrotors die rückgefühlte Bremsleistung - zumindest teilweise - in dem Strom aus der Gleichspannungsquelle ziehenden Kühlmotor vernichtet, der als Bremswiderstand arbeitet. Zusätzliche Bremswiderstände können stark verkleinert werden, oder können gänzlich entfallen, wodurch die Kosten der Zentrifuge weiter verringert werden.
Werden die Antriebsleistungen des Zennϊfugenmotors und des Kühlmotors völlig getrennt gesteuert, so kann es zu gleichzeitiger Vollast in beiden Motoren kommen, für die die Gleichspannungsquelle und der Netzgleichrichter ausgelegt werden müssen. Vorteilhaft sind daher die Merkmale des Anspruches 4 vorgesehen. Mit einer solchen Steuerangskopplung der beiden Motoren wird dafür gesorgt, daß beim Beschleunigen des Rotors, wenn der Zentrifugenmotor viel Leistung benötigt, der Kühlmotor mir verringerter Leistung betrieben wird. Die aus der Gleichspannungsquelle zu liefernde Maximalleistung wird dadurch reduziert, so daß Bauteile verkleinert werden können und somit wiederum die Kosten der Zentrifuge verringert werden können.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 5 vorgesehen. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, daß der Kühlmotor unterhalb einer Minimaldrehzahl nur kurzfristig läuft. Dies ist von Vorteil bei Verwendung üblicher Kühlaggregate mit einem Kompressor, der aus Schmierangsgränden nur oberhalb einer minimalen Drehzahl betrieben werden darf.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch mit dem stark schematisierten Blockschaltbild einer Zentrifuge dargestellt. Die Zentrifuge weist einen Rotor 2 auf, der in üblicher Weise nicht dargestellte innen liegende Aufnahmen für die üblichen Zentrifugiergefäße aufweist. Der Rotor 2 wird über eine Welle 4 von einem Zenüifugenmotor 5 beti'ieben, der als dreiphasiger Induktionsmotor ausgebildet ist.
Der Zentrifugenmotor 5 wird über drei Leitungen 6 von einem Zentrifugenwech- selrichter 7 eines Frequenzumrichters 20 versorgt. In dem Frequenzumrichter 20 ist der Zentrifugenwechselrichter 7 mit Eingangsleitungen an die Plusleitung und die Minusleitung einer Gleichspannungsquelle 10 angeschlossen.
Die Gleichspannungsquelle 10 weist zwischen der Plusleitung und der Minusleitung einen üblichen Ladekondensator 11 auf und wird von einem Netzgleichrichter 12 gespeist, der über Leitungen an Netzwechselspannung angeschlossen
Der Zentrifugenwechselrichter 7 ist über Steuerleitungen an eine Frequenzsteuerung 15 angeschlossen. Diese gibt dem Zentrifugenwechselrichter 7 die Frequenz und die Spannung vor, mit der der Zentrifugenmotor 5 anzusteuern ist.
Es ist ein Kühlaggregat 17 vorgesehen, das in der stark schematisierten Darstellung mit einem als Romschlangenkühler ausgebildeten Kühler 18 den Rotor 2 kühlt, und mit einem ebenfalls als Schlangenkühler ausgebildeten Wärmetauscher 19 außerhalb des nicht dargestellten Gehäuses die Wärme abführt. Der Kühlkreislauf wird von einem nicht dargestellten Kompressor versorgt, der über eine Welle 21 von einem elektrischen Kühlmotor 22 getrieben wird. Der Kühlmotor 22 ist ebenfalls als Induktionsmotor ausgebildet und wird über drei Leitungen 23 von einem Kühlwechselrichter 24 versorgt. Dieser ist im Frequenzumrichter 20 über Eingangsleitungen an die Plusleitung und die Minusleitung der Gleichspannungsquelle 10, also parallel zum Zentrifugenwechselrichter 7 angeschlossen. Er wird über Steuerleitungen von einer FrequenzsteueiTing 28 in ähnlicher Weise wie der Zentrifugenwechselrichter 7 angesteuert.
Bei der dargestellten Zentrifuge lassen sich die Kühlleistung des Kühlaggregates 17 und die Drehzahl des Rotors 2 über entsprechende Vorgaben völlig getrennt einstellen. Dazu dient eine Steuereinrichtung 30, die über entsprechende Datenleitungen an die Frequenzsteuerungen 15 und 28 angeschlossen ist, um diesen die einzustellenden Drehzahlen vorzugeben.
Die Steuereimichtung 30 kann insbesondere bei Vollast des Zenti'ifugenmotors 5 während des Hochfahiens des Rotors 2, die Leistung zum Kühlmotor 22 durch Verringerung der Ansteuerfrequenz reduzieren, oder diesen ganz abschalten. Damit wird eine Überlastung der Gleichspannungsquelle 10 vermieden und diese kann. z.B. hinsichtlich des Ladekondensators 11 und des Netzgleichlichters 2, sowie hinsichtlich der Baugröße und der Herstellungskosten reduziert werden.
Die Steuereimichtung 30 kann so ausgebildet sein, daß bei Einschalten der Zentrifuge zunächst das Kühlaggregat 17 abgeschaltet ist und der Rotor 2 hochdreht bis in den Bereich seiner vorgegebenen Solldrehzahl. Darm sinkt die Leistungsaufnahme des Zentrifugenmotors 5 und es kann nun die Leistung zum Kühlmotor 22 hochgefahren werden, der über nicht dargestellte, an die Steuerangseinrichtung 30 angeschlossene Temperatursensoren - nach Erreichen der gewünschten Temperatur - die Leistung wieder reduzieren kann. Nach abgeschlossenem Zentπfugiervorgang ist em rasches Abbremsen des Rotors 2 ei wünscht, um schnell den stehenden Rotor 2 entladen zu können Dazu ist die Steueiungseimichtung 30 derart ausgebildet, daß sie zum Bremsen der Zentrifuge die Fiequenz des Zentrifugenwechselrichters 7 heranterfahrt Dieser liefert nun einen Bremsstiom zurack in die Gleichspannungsquelle 10. Bei starker Bremsung kann die Gleichspannungsquelle 10 unter Spannungsanstieg überlastet werden
Um die Veiwendung sonst üblicher Bremswiderstande zu vermeiden, sorgt die Steuerangseimichtung 30 dafür, daß beim Bremsen des Zentrifügenmotois 5 der Kuhlwechselπchtei 24 mit definierter Frequenz angesteuert wird, so daß der Kuhlmotoi 22 Strom aus dei Gleichspannungsquelle 10 zieht Der Kühlmotoi 22 wirkt dann als Biemswiderstand, so daß zusätzliche Bremswiderstande eingespart werden können
Die Steuerangseimichtung 30 ist zusätzlich auch so ausgelegt, daß sie den Kühl- wechsehichtei 24 nui oberhalb einer Mindestfrequenz, entsprechend einer Min- destdiehzahl des Kuhlmotors 22, betreibt Em im Kuhlaggregat 17 vorgesehener, nicht daigestelltei Kuhlkompressoi wird auf diese Weise nur oberhalb einer Min- destdiehzahl betrieben, so daß bei niedrigeren Drehzahlen auftretende Schmie- rangspiobleme vermieden werden

Claims

Laborzentrifuge mit KühlaggregatPATENTANSPRÜCHE
1. Laborzenüifuge mit einem von einem elektrischen Zentiifugemotor (5) angetriebenen Rotor (2) und einem von einem elektrischen Kühlmotor (22) angetriebenen Kühlaggregat (17), wobei der Zentrifügenmotor (5) als frequenzgesteuerter Induktionsmotor ausgebildet ist und von einem von einer Steuerangseimichtung (30) gesteuerten Frequenzumrichter (20) versorgt ist, der einen den Zentrifugenmotor (5) speisenden Zentrifügenwechsel- richter (7) aufweist, welcher an eine von einem Netzgleichrichter (12) versorgte Gleichspannungsquelle (10) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmotor (22) als frequenzgesteuerter Induktionsmotor ausgebildet ist und daß der Frequenzumrichter (20) einen weiteren, parallel zum Zentrifugenwechselrichter (7) an die Gleichspannungsquelle ( 10) angeschlossenen Kühlwechselrichter (24) aufweist, der den Kühlmotor (22) speist. Laboizentiifuge nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueieimichtung (30) die beiden Wechselrichter (7, 24) unabhängig steuert
Laboizentiifuge nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerangseimichtung (30) bei starkei Veilangsamung dei Fiequenz des Zentiifugenwechselnchteis (7) den Kuhlwechselπchtei (24) mit defmiertei Fi equenz ansteuert
Laboizentiifuge nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueieimichtung (30) bei Beschleunigung des Zentrifugenmotors (5) die Fiequenz des Kuhlwechselnchteis (24) verringert
Laboizentiifuge nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueieimichtung (30) den Kuhlwechselnchtei (24) unterhalb einei Mini- malfi equenz abschaltet
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