用于制冷系统的预测性故障算法
【专利说明】用于制冷系统的预测性故障算法
[0001]本申请要求2013年3月6日提交的美国临时专利申请序号61/773，280和2014年1月15日提交的美国专利申请序号14/155,853的优先权，其公开内容通过引用整体地结合于本文中。
【背景技术】
[0002]需要为各种目的而存储生物样品。例如，大学、医学院、研究型医院、医药公司、生物科技公司和生命科学合同实验室内的生命科学实验室中的研究者、研究生和技术人员会使用这些生物样品。此外，执行临床试验工作的设施也可能使用这些样品。为了做到这一点，超低温冷冻柜能够被用于将样品存储在低至_86°C的温度下。在一些实施例中，冷冻柜能够将成千上万的样品存储在小瓶和物架中。此外，对使用者而言，拥有多个冷冻柜并不罕见，从而使得能够实现数千件样品的存储。由于超低温，这些样品能够被存储更长的时间段。
[0003]冷冻柜可以拥有10年至15年的寿命。然而，在大约5年之后，冷冻柜内的压缩机可性能降低大约20%。此降低可以通过压缩机的操作工作循环的增加来补偿。但是，工作循环的这种增加不能无限地持续，并且最终压缩机可能发生故障。冷冻柜不能维持其超低温可能是灾难性的。在一些情况下，存储在超低温冷冻柜中的样品的价值可能在数十万美元。当冷冻柜不能保持温度时，它可能发声报警或以某种其他方式通知操作者，例如，通过发声音报警信号、通过SMS文本消息或者通过发送电子邮件。然后，操作者试图通过在非常有限的关注的情况下将样品移动到后备冷冻柜(如果后备冷冻柜是可用的)来保存它们。因为故障明显是计划外的，所以有可能故障将发生在正常的工作时间之外。在这种情况下，可能需要操作者通勤到冷冻柜所在的位置。一到那里，操作者就能开始将样品移动到后备系统的过程。
[0004]这种状况具有若干风险和不足。首先，移动样品所需的时间可能是所有的样品无法在它们达到不可接受的高温之前都被成功移动的持续时间。其次，在冷冻柜故障的情况下，此程序需要指派来应急值守的至少一名人员。第三，为使此应急过程成功，后备制冷系统必须已处于超低温。因为主冷冻柜故障不是安排好的，所以这暗示着后备制冷系统必须总是保持在超低温下，从而消耗大量的能量。
[0005]如果存在一种用于预先确定超低温冷冻柜面临故障的风险的系统和方法将是有益的。以这种方式，预防性维护能够以有组织和有条理的方式来规划，从而最小化对样品的风险。
【发明内容】
[0006]公开了一种用于预测超低温冷冻柜的故障的设备和方法。所述冷冻柜包括多种温度传感器，其监测冷冻柜在各个部件处的温度，例如在热交换器、冷凝器以及蒸发器处。控制器与这些传感器通信。所述控制器监测这些传感器，并且可以确定冷冻柜经历了性能降低或严重性能降低。在一些实施例中，所述控制器还监测其他事件，例如压缩机的促动和冷冻柜门的关闭。所述控制器使用绝对传感器读数或两个不同传感器之间的差的温度信息来估计系统中的制冷剂体积和流率。在一些实施例中，所述控制器还使用从特定事件的经过时间以及温度读数来估计系统中的制冷剂体积和流率。
[0007]
【附图说明】
[0008]图1示出了根据一个实施例可以使用的超低温冷冻柜的示意图；
图2示出了与图1的冷冻柜一起使用的控制器的示意图；
图3示出了根据一个实施例的故障分析过程；
图4示出了根据另一个实施例的故障分析过程；
图5示出了根据另一个实施例的故障分析过程；
图6示出了根据另一个实施例的故障分析过程；
图7示出了根据另一个实施例的故障分析过程；
图8示出了根据另一个实施例的故障分析过程；以及图9示出了根据另一个实施例的故障分析过程。
【具体实施方式】
[0009]本发明的实施例允许控制器监测超低温冷冻柜系统的操作。当所述控制器检测到与正常操作的异常或偏差时，能够产生警告，同时冷冻柜仍然能够维持正常超低温。
[0010]图1示出了根据一个实施例的超低温冷冻柜的示意图。所述超低温冷冻柜10由通过使用热交换器100级联在一起的两个单级制冷系统制成。
[0011]第一级或高侧级包括第一压缩机20、第一冷凝器30、第一过滤干燥器40、第一毛细管50和J形气液分离器(suct1n accumulator)60。像传统的单级制冷系统一样，此第一级使用第一压缩机20，所述第一压缩机20吸收第一级制冷剂蒸气并且给它添加机械能，使得它在高温和高压下离开压缩机。用管道将此高压和高温的蒸气气体输送到第一冷凝器30中，在那里，借助通过第一冷凝器的散热器的气流来移除气体热。在一个示例中，这些散热器可以是铝翼散热器。虽然此过程维持恒定的压力，但第一级制冷剂气体中的热含量被移除，并且因此，第一级气体在第一冷凝器30内被冷凝成液体形式。然后，高压液体通过第一过滤干燥器40。如其名称所暗示的，过滤干燥器从制冷系统去除水分(moisture)和水，它还过滤可能在系统中的任何碎肩。高压的第一级制冷剂液体进入第一毛细管50，所述第一毛细管50当作系统中的膨胀装置。第一毛细管50中突然的截面面积下降显著地减小了第一级制冷剂的压力。随着第一级制冷剂流过第一毛细管50，第一毛细管50内的摩擦迫使第一级制冷剂的压力以及温度更进一步减小。然后，此低压的第一级制冷剂进入阶式热交换器100，其作为用于第一级系统的蒸发器。随着所述低压的第一级制冷剂流过阶式热交换器100，它从第二级吸收热，这使第一级液体制冷剂蒸发。第一级制冷剂随后从阶式热交换器100去到J型气液分离器60，所述J型气液分离器60负责排除任何过量的液体第一级制冷剂在制冷循环的任何部分期间到达第一级压缩机。然后，第一级制冷剂蒸气返回到第一压缩机20，并且循环重复。在一些实施例中，第一级制冷剂可以是R404A制冷剂，其提供_35°C至-40°C的蒸发器温度。
[0012]第一级制冷剂在隔热(insulated)的阶式热交换器100中向上运行，以为第二级制冷剂的冷凝过程提供完全满液(fully flooded)条件，在一个实施例中，所述第二级制冷剂可以是R508B。
[0013]第二级可以包括第二压缩机120、第二冷凝器130、第二干燥器140、第二毛细管150和蒸发器170。
[0014]第二级制冷剂的冷凝液通过第二级毛细管150膨胀，并且流动到蒸发器170中。在蒸发器170中，低压的第二级制冷剂蒸发，并且随着它从室移除热而为冷冻柜的存储空间提供冷却效果。第二级制冷剂气体从蒸发器170行进到第二压缩机120。在第二压缩机120中，第二级制冷剂被压缩并且推出到第二级减温回路(de-superheating circuit)，所述第二级减温回路负责在第二级排出气体到达油分离器180之前从它移除过量的热能。此第二级减温回路可以是第二冷凝器130。在油分离器180中，油被过滤掉，从而仅留下高压的第二级制