用于制冷系統(tǒng)的預(yù)測性故障算法
【專利說明】用于制冷系統(tǒng)的預(yù)測性故障算法
[0001]本申請要求2013年3月6日提交的美國臨時(shí)專利申請序號61/773，280和2014年1月15日提交的美國專利申請序號14/155,853的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用整體地結(jié)合于本文中。
【背景技術(shù)】
[0002]需要為各種目的而存儲(chǔ)生物樣品。例如，大學(xué)、醫(yī)學(xué)院、研究型醫(yī)院、醫(yī)藥公司、生物科技公司和生命科學(xué)合同實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的研究者、研究生和技術(shù)人員會(huì)使用這些生物樣品。此外，執(zhí)行臨床試驗(yàn)工作的設(shè)施也可能使用這些樣品。為了做到這一點(diǎn)，超低溫冷凍柜能夠被用于將樣品存儲(chǔ)在低至_86°C的溫度下。在一些實(shí)施例中，冷凍柜能夠?qū)⒊汕先f的樣品存儲(chǔ)在小瓶和物架中。此外，對使用者而言，擁有多個(gè)冷凍柜并不罕見，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千件樣品的存儲(chǔ)。由于超低溫，這些樣品能夠被存儲(chǔ)更長的時(shí)間段。
[0003]冷凍柜可以擁有10年至15年的壽命。然而，在大約5年之后，冷凍柜內(nèi)的壓縮機(jī)可性能降低大約20%。此降低可以通過壓縮機(jī)的操作工作循環(huán)的增加來補(bǔ)償。但是，工作循環(huán)的這種增加不能無限地持續(xù)，并且最終壓縮機(jī)可能發(fā)生故障。冷凍柜不能維持其超低溫可能是災(zāi)難性的。在一些情況下，存儲(chǔ)在超低溫冷凍柜中的樣品的價(jià)值可能在數(shù)十萬美元。當(dāng)冷凍柜不能保持溫度時(shí)，它可能發(fā)聲報(bào)警或以某種其他方式通知操作者，例如，通過發(fā)聲音報(bào)警信號、通過SMS文本消息或者通過發(fā)送電子郵件。然后，操作者試圖通過在非常有限的關(guān)注的情況下將樣品移動(dòng)到后備冷凍柜(如果后備冷凍柜是可用的)來保存它們。因?yàn)楣收厦黠@是計(jì)劃外的，所以有可能故障將發(fā)生在正常的工作時(shí)間之外。在這種情況下，可能需要操作者通勤到冷凍柜所在的位置。一到那里，操作者就能開始將樣品移動(dòng)到后備系統(tǒng)的過程。
[0004]這種狀況具有若干風(fēng)險(xiǎn)和不足。首先，移動(dòng)樣品所需的時(shí)間可能是所有的樣品無法在它們達(dá)到不可接受的高溫之前都被成功移動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。其次，在冷凍柜故障的情況下，此程序需要指派來應(yīng)急值守的至少一名人員。第三，為使此應(yīng)急過程成功，后備制冷系統(tǒng)必須已處于超低溫。因?yàn)橹骼鋬龉窆收喜皇前才藕玫?，所以這暗示著后備制冷系統(tǒng)必須總是保持在超低溫下，從而消耗大量的能量。
[0005]如果存在一種用于預(yù)先確定超低溫冷凍柜面臨故障的風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)和方法將是有益的。以這種方式，預(yù)防性維護(hù)能夠以有組織和有條理的方式來規(guī)劃，從而最小化對樣品的風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]公開了一種用于預(yù)測超低溫冷凍柜的故障的設(shè)備和方法。所述冷凍柜包括多種溫度傳感器，其監(jiān)測冷凍柜在各個(gè)部件處的溫度，例如在熱交換器、冷凝器以及蒸發(fā)器處?？刂破髋c這些傳感器通信。所述控制器監(jiān)測這些傳感器，并且可以確定冷凍柜經(jīng)歷了性能降低或嚴(yán)重性能降低。在一些實(shí)施例中，所述控制器還監(jiān)測其他事件，例如壓縮機(jī)的促動(dòng)和冷凍柜門的關(guān)閉。所述控制器使用絕對傳感器讀數(shù)或兩個(gè)不同傳感器之間的差的溫度信息來估計(jì)系統(tǒng)中的制冷劑體積和流率。在一些實(shí)施例中，所述控制器還使用從特定事件的經(jīng)過時(shí)間以及溫度讀數(shù)來估計(jì)系統(tǒng)中的制冷劑體積和流率。
[0007]
【附圖說明】
[0008]圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例可以使用的超低溫冷凍柜的示意圖；
圖2示出了與圖1的冷凍柜一起使用的控制器的示意圖；
圖3示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的故障分析過程；
圖4示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的故障分析過程；
圖5示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的故障分析過程；
圖6示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的故障分析過程；
圖7示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的故障分析過程；
圖8示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的故障分析過程；以及圖9示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的故障分析過程。
【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明的實(shí)施例允許控制器監(jiān)測超低溫冷凍柜系統(tǒng)的操作。當(dāng)所述控制器檢測到與正常操作的異常或偏差時(shí)，能夠產(chǎn)生警告，同時(shí)冷凍柜仍然能夠維持正常超低溫。
[0010]圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的超低溫冷凍柜的示意圖。所述超低溫冷凍柜10由通過使用熱交換器100級聯(lián)在一起的兩個(gè)單級制冷系統(tǒng)制成。
[0011]第一級或高側(cè)級包括第一壓縮機(jī)20、第一冷凝器30、第一過濾干燥器40、第一毛細(xì)管50和J形氣液分離器(suct1n accumulator)60。像傳統(tǒng)的單級制冷系統(tǒng)一樣，此第一級使用第一壓縮機(jī)20，所述第一壓縮機(jī)20吸收第一級制冷劑蒸氣并且給它添加機(jī)械能，使得它在高溫和高壓下離開壓縮機(jī)。用管道將此高壓和高溫的蒸氣氣體輸送到第一冷凝器30中，在那里，借助通過第一冷凝器的散熱器的氣流來移除氣體熱。在一個(gè)示例中，這些散熱器可以是鋁翼散熱器。雖然此過程維持恒定的壓力，但第一級制冷劑氣體中的熱含量被移除，并且因此，第一級氣體在第一冷凝器30內(nèi)被冷凝成液體形式。然后，高壓液體通過第一過濾干燥器40。如其名稱所暗示的，過濾干燥器從制冷系統(tǒng)去除水分(moisture)和水，它還過濾可能在系統(tǒng)中的任何碎肩。高壓的第一級制冷劑液體進(jìn)入第一毛細(xì)管50，所述第一毛細(xì)管50當(dāng)作系統(tǒng)中的膨脹裝置。第一毛細(xì)管50中突然的截面面積下降顯著地減小了第一級制冷劑的壓力。隨著第一級制冷劑流過第一毛細(xì)管50，第一毛細(xì)管50內(nèi)的摩擦迫使第一級制冷劑的壓力以及溫度更進(jìn)一步減小。然后，此低壓的第一級制冷劑進(jìn)入階式熱交換器100，其作為用于第一級系統(tǒng)的蒸發(fā)器。隨著所述低壓的第一級制冷劑流過階式熱交換器100，它從第二級吸收熱，這使第一級液體制冷劑蒸發(fā)。第一級制冷劑隨后從階式熱交換器100去到J型氣液分離器60，所述J型氣液分離器60負(fù)責(zé)排除任何過量的液體第一級制冷劑在制冷循環(huán)的任何部分期間到達(dá)第一級壓縮機(jī)。然后，第一級制冷劑蒸氣返回到第一壓縮機(jī)20，并且循環(huán)重復(fù)。在一些實(shí)施例中，第一級制冷劑可以是R404A制冷劑，其提供_35°C至-40°C的蒸發(fā)器溫度。
[0012]第一級制冷劑在隔熱(insulated)的階式熱交換器100中向上運(yùn)行，以為第二級制冷劑的冷凝過程提供完全滿液(fully flooded)條件，在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二級制冷劑可以是R508B。
[0013]第二級可以包括第二壓縮機(jī)120、第二冷凝器130、第二干燥器140、第二毛細(xì)管150和蒸發(fā)器170。
[0014]第二級制冷劑的冷凝液通過第二級毛細(xì)管150膨脹，并且流動(dòng)到蒸發(fā)器170中。在蒸發(fā)器170中，低壓的第二級制冷劑蒸發(fā)，并且隨著它從室移除熱而為冷凍柜的存儲(chǔ)空間提供冷卻效果。第二級制冷劑氣體從蒸發(fā)器170行進(jìn)到第二壓縮機(jī)120。在第二壓縮機(jī)120中，第二級制冷劑被壓縮并且推出到第二級減溫回路(de-superheating circuit)，所述第二級減溫回路負(fù)責(zé)在第二級排出氣體到達(dá)油分離器180之前從它移除過量的熱能。此第二級減溫回路可以是第二冷凝器130。在油分離器180中，油被過濾掉，從而僅留下高壓的第二級制