Elektronik hilft BLDC-Kompressoren für ULT-Schränke zur Vakzin-Lagerung

Redakteur: Gerd Kucera

Einige Impfstoffe reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen und müssen vom Zeitpunkt der Herstellung bis kurz vor ihrer Verabreichung bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert werden.

Kompressoren von ULT-Schränken basieren meist auf Induktionsmotoren. Das Problem ist ihre Ineffizienz. Kompressoren mit modernen BLDC-Motoren jedoch bieten Vorteile wie höherer Wirkungsgrad, weniger Selbsterwärmung und Leistungsfaktorkorrektur.
Kompressoren von ULT-Schränken basieren meist auf Induktionsmotoren. Das Problem ist ihre Ineffizienz. Kompressoren mit modernen BLDC-Motoren jedoch bieten Vorteile wie höherer Wirkungsgrad, weniger Selbsterwärmung und Leistungsfaktorkorrektur.
(Bild: ROHM)

Der Impfstoff gegen COVID-19 von Pfizer beispielsweise musste anfangs bei Temperaturen unter -60 °C (-76 °F) aufbewahrt werden. In der Produktionsanlage und den dazugehörigen Lagern ist es nicht schwierig, diese Temperaturen zu halten. Wenn die Impfstoffe jedoch zum Vertrieb kommen und danach zu den Patienten transportiert werden, wird die Aufrechterhaltung dieser extrem niedrigen Temperaturen immer schwieriger und kostspieliger. ULT-Tiefkühlschränke (ULT steht für Ultra Low Temperature) verwenden dazu einen Kaskaden-Kühlkreislauf mit mehreren Kompressorstufen. Um Temperaturen von bis zu -86 °C zu erreichen, haben ULT-Tiefkühlschränke in der Regel zwei Kompressorstufen.

Induktionsmotoren sind ineffizient, oft um die 70%

Kühlkompressoren nutzen im Allgemeinen einen einfachen, kostengünstigen Induktionsmotor für die Komprimierungsarbeit. Um die Effizienz bei den richtigen Temperaturen zu gewährleisten, kommen in einem ULT-Tiefkühlschrank andere Kältemittel zum Einsatz. Die Kompressoren sind meist zwei Standardgeräte mit Induktionsmotoren. Das größte Problem bei ULT- Tiefkühlschränken ist ihre Ineffizienz. Ihre Induktionsmotoren sind relativ ineffizient, oft um die 70% oder weniger, und erzeugen dadurch Eigenwärme. Das bedeutet, dass ein erheblicher Teil der vom Kühlsystem geleisteten Arbeit darin besteht, die vom System selbst erzeugte Wärme abzuführen, anstatt Wärme aus dem Kühlraum zu entfernen.

Ein weiteres Problem bei Induktionsmotoren ist der Leistungsfaktor. Induktionsmotoren sind sehr reaktiv. Deshalb verfügen sie über einen schlechten Leistungsfaktor, der mit der Last schwankt. Unter den allerbesten Umständen und idealen Lastbedingungen können sie nur einen Leistungsfaktor von etwa 90% erreichen.

BLDC-Kompressoren können eine Lösung sein

BLDC-Motoren wurden in den Kompressoren von ULT-Tiefkühlschränken aufgrund ihrer Kosten und der technischen Komplexität der Design-Implementierung bisher nur begrenzt eingesetzt. Einige Kompressoren für neue Klimaanlagen verwenden jedoch bereits BLDC-Motoren, um die strengen Energieanforderungen zu erfüllen. Der Einsatz von Kompressoren auf der Basis bürstenloser Gleichstrommotoren würde für ULT-Tiefkühlschränke viele Vorteile bieten, etwa einen höheren Wirkungsgrad, weniger Selbsterwärmung und Leistungsfaktorkorrektur. Außerdem haben sich die Kosten und die Komplexität für die Steuerung einer BLDC-Motorlösung mit dem technologischen Fortschritt der letzten Jahre erheblich verbessert. ROHM entwickelte geeignete Treiberlösungen für BLDC-Motoren. Dazu gehören auch DIP-Module, die in ein Design integriert werden können, um die gesamte Motorsteuerung zu übernehmen. Dazu gibt es von ROHM Referenz-Designs zur Entwicklung von Ultra-Tiefkühlanwendungen mit hoher Energieeffizienz. Ganz gleich, ob der Entwickler sich für den höchsten Integrationsgrad mit IGBT-IPMs entscheidet oder den Fokus auf das Preis-Leistungs-Verhältnis mit diskreten Komponenten setzt, IGBTs, MOSFETs und Gate-Treiber sind so konzipiert, dass sie nahtlos zusammenarbeiten. Dies ermöglicht die Entwicklung eines funktionierenden Gesamtsystems mit geringem Stromverbrauch und kleinerem Formfaktor.

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