DE10229865A1 - Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung und -Verfahren - Google Patents

Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung und -Verfahren

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Abstract

Eine Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung, die einen Vorratsbehälter, der eine Menge eines kryogenen Fluids aufnimmt, ein Gehäuse, das einen klimatisierten Raum definiert und einen Wärmetauscher in Thermoverbindung mit dem klimatisierten Raum umfaßt. Ein erster Strömungspfad stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher her. Ein erstes Ventil ist im ersten Strömungspfad angeordnet, um die Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher über den ersten Strömungspfad wahlweise zu unterbrechen. Ein zweiter Strömungspfad stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher her. Ein zweites Ventil ist im zweiten Strömungspfad angeordnet, um die Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher über den zweiten Strömungspfad wahlweise zu unterbrechen.

Description

    QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 USC § 119 der am 3. Juli 2001 eingereichten vorläufigen Patentanmeldung Nr. 60/302.918.
    • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Klimatisierungs- und Kälteerzeugungssysteme und insbesondere auf eine Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung, um die Temperatur in einem klimatisierten Raum abzusenken und beizubehalten.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Klimatisierungs- und Kälteerzeugungssysteme verwenden typisch einen Chlorfluorkohlenwasserstoff-(CFC)-Kälteträger in einem mechanischen Kältekreislauf. Jedoch wird wegen der erwarteten Abbauwirkung auf das Ozon (O3) in der Stratosphäre über praktische Alternativen zur Verwendung von CFC nachgedacht. Eine solche praktische Alternative ist ein Tiefsttemperatur-Steuersystem.
  • Herkömmliche Tiefsttemperatur-Steuersysteme speichern typisch ein Kältemittel wie etwa Kohlendioxid, flüssiger Stickstoff usw. Das Kältemittel wird typisch in einen kalten flüssigen Zustand komprimiert und in einem unter Druck stehenden Vorratsbehälter aufbewahrt. Das Kältemittel wird über eine Leitung aus dem Vorratsbehälter zu einer Verdampferschlange geleitet, die durch einen Wärmetauscher verläuft. Relativ warme Luft wird über die Verdampferschlange geleitet und durch den Kontakt mit der Verdampferschlange gekühlt. Der Kontakt mit der warmen Luft erwärmt und verdampft das Kältemittel in der Verdampferschlange. Nach erfolgtem Wärmetransport wird das verdampfte Kältemittel typisch an die Umgebung abgegeben. Alternativ können Tiefsttemperatur-Steuersysteme geschlossen sein und den verdampften Kälteträger kondensieren lassen, bevor er vom Temperatursteuersystem wiederverwertet wird. Die gekühlte Luft wird dann in einen klimatisierten Raum zurückgeführt.
  • Damit Tiefsttemperatur-Steuersysteme im Heizbetrieb oder im Abtaubetrieb betrieben werden können, enthalten herkömmliche Tiefsttemperatur-Steuersysteme typisch ein Heizelement. Herkömmliche Tiefsttemperatur-Steuersysteme enthalten typisch eine Propan-Heizvorrichtung zum Überhitzen des Kältemittels. Im Heizbetrieb und im Abtaubetrieb wird das Kältemittel durch die Propan-Heizvorrichtung erwärmt. Das erwärmte kryogene Gas wird dann über eine Gruppe von elektrisch betätigten Ventilen durch die Verdampferschlange geleitet, um entweder die Verdampferschlange abzutauen oder den klimatisierten Raum zu heizen.
  • Herkömmliche Tiefsttemperatur-Steuersysteme enthalten typisch eine Reihe von im System verteilten Sensoren, die Temperatur- und Druckwerte an verschiedenen Orten im gesamten System aufzeichnen. Die von den Sensoren gesammelten Daten werden an einen hochentwickelten, auf Fuzzy- Logik basierenden Regler übertragen, der periodisch die Änderungsgeschwindigkeit der Ablufttemperatur sowie die Zunahme oder Abnahme dieser Änderungsgeschwindigkeit bestimmt. Der Regler manipuliert dann die Betriebsparameter des Systems durch Betätigen im System verteilter Ventile, um die Einstellpunkttemperatur zu erreichen und beizubehalten.
  • Verschiedene Typen von Temperatursteuersystemen, die Tiefsttemperatursysteme umfassen, werden gegenwärtig in mobilen Anwendungen verwendet, um die Temperatur in einer Frachtzelle zu steuern. Mobile Temperatursteuersysteme sind typisch auf Lang-Lastkraftwagen, dem Anhänger einer Zugmaschine-Anhänger-Kombination, einem Kühlschiffcontainer, einem Eisenbahnkühlwagen und dergleichen angebracht, um klimatisierte Räume zu kühlen. Im allgemeinen ist es wünschenswert, die Temperatur eines klimatisierten Raums in einem relativ schmalen Bereich um eine vorgegebene Einstellpunkttemperatur aufrechtzuerhalten. In dieser Weise kann temperaturempfindliche Fracht im klimatisierten Raum sicher aufbewahrt und/oder transportiert werden. Kühltransportfahrzeuge für Gefriergüter wie etwa Fisch, Fleisch, Eis, gefrorene Nachspeisen und dergleichen müssen den klimatisierten Raum auf einer Einstelltemperatur halten, die normalerweise unter dem Gefrierpunkt liegt. Kühltransportfahrzeuge werden gleichfalls für den Transport von Frischwaren und Getränken verwendet und müssen auf einer Einstellpunkttemperatur gehalten werden, die über dem Gefrierpunkt liegt. In dieser Weise kann das mobile Temperatursteuersystem verwendet werden, um die Temperatur der Fracht während des Transports bei oder in der Nähe der Soll-Einstellpunkttemperatur aufrechtzuerhalten, damit die Fracht während des Transports nicht beschädigt oder verdorben wird.
  • Die obenbeschriebene herkömmliche mobile Temperatursteuervorrichtung muß die Soll-Einstellpunkttemperatur im klimatisierten Raum bei nur einer minimalen Menge an Kältemittel schnell erreichen, da die Kältemittelmenge, die in einem solchen System mitgeführt werden kann, begrenzt ist. Ferner sind die zum Betreiben von herkömmlichen Tiefsttemperatur-Steuervorrichtungen verwendeten Regler im allgemeinen relativ komplex. Diese Systeme erfordern zur korrekten Implementierung und zum korrekten Betrieb im allgemeinen eine große Rechenleistung und hohe Programmierfähigkeiten. Die Komplexität des Systems schränkt im allgemeinen die Flexibilität des Systems ein. Deshalb werden die Benutzer solcher Systeme eine Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung und ein Verfahren, die das Kältemittel effizient nutzen, sehr begrüßen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung einen Vorratsbehälter, der eine Kältemittelmenge aufnimmt, ein Gehäuse, das einen klimatisierten Raum definiert, und einen Wärmetauscher in Thermoverbindung mit einem klimatisierten Raum. Ein erster Strömungspfad stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher her. Ein erstes Ventil ist im ersten Strömungspfad zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher angeordnet. Das erste Ventil besitzt eine erste geöffnete Stellung und eine erste geschlossene Stellung. In der ersten geöffneten Stellung stellen das erste Ventil und der erste Strömungspfad eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher her. In der ersten geschlossene Stellung sperrt das erste Ventil den Strömungspfad zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher für das Fluid. Ein zweiter Strömungspfad stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher her. Ein zweites Ventil ist im zweiten Strömungspfad zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher angeordnet und besitzt eine zweite geöffnete Stellung und eine zweite geschlossene Stellung. In der zweiten geöffneten Stellung stellen das zweite Ventil und der zweite Strömungspfad eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher her. In der zweiten geschlossene Stellung sperrt das zweite Ventil den Strömungspfad zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher für das Fluid.
  • In bevorzugten Ausführungsformen enthält die vorliegende Erfindung einen Regler. Der Regler wird betrieben, um das erste Ventil zwischen der ersten geöffneten Stellung und der ersten geschlossenen Stellung zu betätigen und das zweite Ventil zwischen der zweiten geöffneten Stellung und der zweiten geschlossenen Stellung zu betätigen.
  • Ein Fahrzeug trägt die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung und besitzt einen Motor und ein Motorkühlsystem. Das Motorkühlsystem wälzt ein Motorkühlmittel durch den Motor um. Eine Heizschlange steht mit dem Kühlsystem in Fluidverbindung und verläuft durch den Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist in einer Heizbetriebsart betreibbar und enthält ein drittes Ventil. Das dritte Ventil wird betrieben, um eine Fluidverbindung zwischen der Heizschlange und dem Motorkühlsystem herzustellen und zu unterbrechen. In der Heizbetriebsart stellt das dritte Ventil wahlweise eine Fluidverbindung zwischen Heizschlange und dem Motorkühlsystem her.
  • Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung ist in einem ersten Kühlmodus betreibbar. Im ersten Kühlmodus ist das erste Ventil in der ersten geöffneten Stellung und das zweite Ventil in der zweiten geschlossenen Stellung. Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung ist außerdem in einem zweiten Kühlmodus betreibbar, wobei das erste und das zweite Ventil verschiedene Schlitzanordnungen besitzen. Im zweiten Kühlmodus ist das zweite Ventil in der zweiten geöffneten Stellung und das erste Ventil in der ersten geschlossenen Stellung.
  • Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung ist außerdem in einem dritten Kühlmodus betreibbar. Im dritten Kühlmodus ist das erste Ventil in der ersten geöffneten Stellung und das zweite Ventil in der zweiten geöffneten Stellung. Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung ist in einem vierten Kühlmodus betreibbar. Im vierten Kühlmodus ist das erste Ventil in der ersten geschlossenen Stellung und das zweite Ventil in der zweiten geschlossenen Stellung.
  • Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung enthält einen Ventilator, der einen Betriebszustand und einen Ruhezustand besitzt. Im Betriebszustand wird der Ventilator betrieben, um einen Luftstrom über den Wärmetauscher zu führen. Der Regler wird betrieben, um den Ventilator zwischen dem Betriebszustand und dem Ruhezustand zu schalten.
  • Im klimatisierten Raum ist vorzugsweise ein Temperatursensor angeordnet. Der Temperatursensor wird betrieben, um den Ventilator zwischen dem Betriebszustand und dem Ruhezustand zu schalten. Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung enthält außerdem einen zweiten Ventilator, der betrieben wird, um einen Luftstrom über den Wärmetauscher zu führen.
  • Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung enthält eine Leitung, die zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher verläuft. Die Leitung weist einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig auf. Der erste Strömungspfad folgt dem ersten Zweig der Leitung, während der zweite Strömungspfad dem zweiten Zweig der Leitung folgt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Steuern der Temperatur eines klimatisierten Raums mit einem Wärmetauscher das Vorsehen eines Wärmetauschers, der in Thermoverbindung mit dem klimatisierten Raum steht. Der Wärmetauscher enthält einen Vorratsbehälter, der ein Kältemittel aufnimmt, wobei ein erstes Ventil betrieben wird, um eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher längs eines ersten Strömungspfads herzustellen, und ein zweites Ventil betrieben wird, um eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher längs eines zweiten Strömungspfads herzustellen. Das Verfahren umfaßt ferner das Erfassen der Temperatur im klimatisierten Raum und das Vergleichen der Temperatur mit einer Solltemperatur. Das erste Ventil wird geöffnet, um Kältemittel über den ersten Strömungspfad in den Wärmetauscher einzuführen, wobei Luft aus dem klimatisierten Raum durch den Wärmetauscher geleitet wird. Das zweite Ventil wird ebenfalls vorzugsweise geöffnet, um Kältemittel über den zweiten Strömungspfad in den Wärmetauscher einzuführen. Vorzugsweise wird die Temperatur im klimatisierten Raum erfaßt und mit der Solltemperatur verglichen. Das erste und das zweite Ventil werden dann geschlossen, wodurch verhindert wird, daß Fluid längs des ersten und des zweiten Strömungspfads zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher fließt.
  • Vorzugsweise umfaßt das Verfahren zum Steuern der Temperatur in einem klimatisierten Raum mit einem Wärmetauscher außerdem das Erfassen der Temperatur im klimatisierten Raum und das Blasen von Luft über den Wärmetauscher.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten nach Durchsicht der folgenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die, wie momentan angenommen wird, die beste Art der Ausführung der Erfindung darstellen, deutlich.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Erfindung wird im weiteren mit Bezug auf die begleitende Zeichnung, die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt, beschrieben. Jedoch sei angemerkt, daß die Erfindung, die in der begleitenden Zeichnung offenbart ist, lediglich anhand von Beispielen veranschaulicht ist. Die weiter unten beschriebenen und in der Zeichnung gezeigten verschiedenen Elemente und Kombinationen von Elementen können unterschiedlich angeordnet und organisiert werden, um zu Ausführungsformen zu führen, die dennoch innerhalb des Leitgedankens und des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
  • In der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile angeben, sind:
  • Fig. 1 eine Seitenansicht eines Lastkraftwagens, der eine Ausführungsform einer Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthält; und
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung der Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung von Fig. 1.
    • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 wird betrieben, um die Temperatur eines klimatisierten Raums 14, der wie in Fig. 1 gezeigt ist, in einen Lastkraftwagen 16 eingebaut ist, zu steuern. Die Tiefsttemperatur- Steuervorrichtung 12 kann alternativ auf anderen Fahrzeugen wie etwa einer Zugmaschine-Anhänger-Kombination, einem Container und dergleichen verwendet werden. Außerdem kann die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 verwendet werden, um die Luft im Passagierraum eines Fahrzeugs (beispielsweise in einem Bus oder in einer Lastkraftwagenkabine) zum Komfort der Mitfahrer aufzubereiten, oder verwendet werden, um die Luft in einem Frachtraum aufzubereiten. In manchen Aspekten kann die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 verwendet werden, um die Luft sowohl im Frachtraum eines Fahrzeugs als auch im Mitfahrerraum des Fahrzeugs aufzubereiten.
  • Alternativ kann die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 in stationären Anwendungen betrieben werden. Beispielsweise kann die Temperatursteuervorrichtung 12 betrieben werden, um die Temperatur von Gebäuden, Gebäudebereichen, Vorratsbehältern, Gefriermöbeln und dergleichen zu steuern. In allen Fällen besitzt der klimatisierte Raum eine Außenwand 18, die eine oder mehrere Türen besitzt, die in den klimatisierten Raum führen, damit eine Bedienungsperson ein Produkt in den klimatisierten Raum 14 hineinbringen und aus demselben herausholen kann.
  • Der Begriff "klimatisierter Raum", wie er hier und in den Ansprüchen verwendet wird, umfaßt jeden Raum, dessen Temperatur und/oder Feuchte zu steuern ist, einschließlich Transportanwendungen und stationären Anwendungen für die Aufbewahrung von Nahrungsmitteln, Getränken und anderer verderblicher Waren, für die Aufrechterhaltung einer korrekten Atmosphäre beim Verfrachten industrieller Produkte, für die Raumkonditionierung zur Behaglichkeit der Menschen und dergleichen. Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 wird betrieben, um die Temperatur des klimatisierten Raums 14 auf eine vorgegebene Einstellpunkttemperatur ("SP") zu steuern. In anderen Anwendungen wird die Temperatur des klimatisierten Raums 14 selbstverständlich auf ein vorgebendes Band in der Umgebung der gewählten Einstellpunkttemperatur SP gesteuert.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist an der Außenwand 18 des Lastkraftwagens 16 ein Flüssigkeits-Vorratsbehälter 20, der ein Kältemittel enthält, angebracht. In anderen Anwendungen kann der Vorratsbehälter 20 an einem anderen Ort am Lastkraftwagen 16 wie etwa dem Rahmen des Lastkraftwagens, dem Chassisboden des Lastkraftwagens 16 oder an einer anderen Stelle des Lastkraftwagens 16 innen oder außen angebracht oder befestigt sein. Der Vorratsbehälter 20 speichert das Kältemittel unter Druck in einem flüssigen Zustand. Jedoch kann sich in manchen Anwendungen ein Teil des Kältemittels im Vorratsbehälter 20 selbstverständlich im dampfförmigen Zustand befinden. Insbesondere hält der Vorratsbehälter 20 das Kältemittel vorzugsweise bei einem Pegel unter Druck, der wesentlich über dem atmosphärischen Druck liegt. In dieser Weise liefert der Druck im Vorratsbehälter 20 die bewegende Kraft, die das Kältemittel durch die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 treibt.
  • Das Kältemittel ist vorzugsweise Kohlendioxid (CO2). Jedoch ist einem gewöhnlichen Fachmann klar, daß andere Kältemittel wie etwa LN2 und LNG ebenso oder alternativ verwendet werden können. Jedoch sind Kältemittel, die umweltfreundlich und nicht reaktiv sind, aus leicht verständlichen Gründen höchst wünschenswert.
  • An der Unterseite des Vorratsbehälters 20 ist eine Leitung 22 angeschlossen, die einen ersten Zweig 24 und einen zweiten Zweig 25 enthält. Die Leitung 22, die den ersten Zweig 24 enthält, definiert einen ersten Strömungspfad 26. Ähnlich definiert die Leitung 22, die den zweiten Zweig 25 enthält, einen zweiten Strömungspfad 28. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, stehen der erste und der zweite Zweig 24, 25 in Fluidverbindung mit dem Vorratsbehälter 20 und führen an einer Verbindung, die sich stromabwärts vom Vorratsbehälter 20 befindet, zusammen.
  • In Fig. 2 enthält der erste Zweig 24 ein erstes Steuerventil 30. Das erste Steuerventil 30 enthält eine erste Schlitzanordnung und steuert den Mengendurchfluß des Kältemittels durch den ersten Zweig 24 während der Heiz- und Kühlzyklen. Das erste Steuerventil 30 wird vorzugsweise durch einen elektrisch gesteuerten Magneten (nicht gezeigt) zwischen einer ersten geöffneten Stellung und einer ersten geschlossenen Stellung betätigt. Jedoch können in anderen Anwendungen ebenso oder alternativ andere Ventile und Aktoren verwendet werden.
  • Der zweite Zweig 25 erstreckt sich ebenfalls von einem unteren Punkt des Vorratsbehälters 20 und enthält ein zweites Steuerventil 32. Das zweite Steuerventil 32 enthält eine zweite Schlitzanordnung, die vorzugsweise kleiner als die erste Schlitzanordnung ist. Jedoch können in manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das erste und das zweite Steuerventil 30, 32 dieselbe Schlitzanordnung enthalten. Das zweite Steuerventil 32 ist vorzugsweise ein elektrisch betätigtes Ventil und steuert den Mengendurchfluß des Kältemittels durch den zweiten Zweig 25 während der Heiz- und Kühlzyklen. Vorzugsweise wird das zweite Steuerventil 32 durch einen elektrisch gesteuerten Magneten (nicht gezeigt) betätigt, der das zweite Steuerventil 32 zwischen einer zweiten geöffneten Stellung und einer zweiten geschlossenen Stellung betätigt. Jedoch können ebenso oder alternativ, wie oben in Zusammenhang mit dem ersten Steuerventil 30 angeführt wurde, andere Ventile und Aktoren verwendet werden.
  • Außerdem sind das erste und das zweite Steuerventil 30, 32, wie hier gezeigt und beschrieben ist, vorzugsweise relativ einfache Zweipunkt-Ventile. Jedoch ist einem gewöhnlichen Fachmann klar, daß in anderen Anwendungen eines der ersten und zweiten Steuerventile 30, 32 oder beide Ventile Modulationsventile, Impulsventile, Expansionsventile oder dergleichen sein können. In diesen Ausführungsformen kann die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 eine größere Breite verfügbarer Mengendurchflüsse zwischen dem Vorratsbehälter 20 und einer Verdampferschlange 42 (weiter unten beschrieben) umfassen. Ähnlich können andere Ausführungsformen (nicht gezeigt) drei oder mehr Zweige umfassen. Jeder dieser Zweige kann ein Steuerventil (nicht gezeigt) zur Regulierung des Mengendurchflusses des Kältemittels aus dem Vorratsbehälter 20 enthalten. In nochmals anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) können sich der erste und der zweite Zweig 24, 25 zwischen dem Vorratsbehälter 20 und der Verdampferschlange 42 erstrecken, ohne an der Verbindung zusammenzuführen.
  • Das erste und das zweite Steuerventil 30, 32 werden durch einen Regler 34 mit Mikroprozessor gesteuert. Der Regler 34 wird vorzugsweise vom Motor 35 des Lastkraftwagens oder von einer im Motor 35 angeordneten Wechselstromlichtmaschine (nicht gezeigt) gespeist. In alternativen Ausführungsformen kann der Regler 34 ebenso oder alternativ über eine Batterie, eine Brennstoffzelle, einen Generator oder dergleichen gespeist werden. In nochmals anderen Ausführungsformen kann eine externe Stromquelle (nicht gezeigt), beispielsweise eine Wandsteckdose an einem Gebäude, dem Regler 34 Strom zuführen.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist innerhalb des klimatisierten Raums 14 ein Wärmetauscher 36 angeordnet, der einen Lufteinlaß 38 und einen Luftauslaß 39 aufweist. Im Betrieb tritt Luft aus dem klimatisierten Raum 14 durch den Lufteinlaß 38 in den Wärmetauscher 36 ein und wird durch den Luftauslaß 39 abgegeben. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt der Luftauslaß 39 vorzugsweise einen Dämpfer 40, der zwischen einer Anzahl von Stellungen zum Öffnen und Schließen des Luftauslasses 39 verstellbar ist.
  • Die Leitung 22 steht mit einem Einlaß einer Verdampferschlange 42, die sich im Wärmetauscher 36 befindet, in Fluidverbindung. Während der Kühlvorgänge strömt das Kältemittel aus dem Vorratsbehälter 20 längs des ersten und/oder des zweiten Strömungspfads 22 in flüssigem oder nahezu flüssigem Zustand in die Verdampferschlange 42. Luft aus dem klimatisierten Raum 14 streicht über die Verdampferschlange 42 und wird durch die relativ kalte Verdampferschlange 42 gekühlt. Gleichzeitig wird das Kältemittel in der Verdampferschlange 42 durch Kontakt mit der relativ warmen Luft verdampft. Die gekühlte Luft wird durch den Luftauslaß 39 in den klimatisierten Raum 14 zurückgeleitet, um diesen zu kühlen, während das verdampfte Kältemittel durch einen Auslaß 43 aus der Verdampferschlange 42 ausströmt, und an die Umgebung abgegeben wird.
  • Der Auslaß 43 enthält einen Gegendruckregler 44. Der Gegendruckregler 44 kann den Dampfdruck des Kältemittels auf einen vorgegebenen Wert (z. B. den Tripelpunkt des Kältemittels) automatisch regeln oder kann elektrisch betrieben und vom Regler 34 gesteuert werden. Alternativ kann ein automatisches Gegendruck-Regelventil des mechanischen Typs verwendet werden. Der Gegendruckregler 44 hält den Druck in der Verdampferschlange 42 auf einem Sollwert. Vorzugsweise ist der Solldruck gleich dem Tripelpunkt des Kältemittels oder etwas höher als dieser. Beispielsweise hält der Gegendruckregler 44 in Anwendungen, in denen das Kältemittel Kohlendioxid ist, den Druck in der Verdampferschlange 42 auf 60, 43 psig.
  • Im Lufteinlaß 38 befindet sich ein Rückluftsensor 45, um die Temperatur der Luft ("RA") bei ihrem Eintritt in den Wärmetauscher 36 aufzuzeichnen. Der Rückluftsensor 45 ist vorzugsweise ein mit dem Regler elektrisch verbundener analoger Sensor mit einem Betriebsbereich von -50°C bis 70°C (von -58°F bis 158°F):
  • In der Nähe des Auslasses 43 ist ein Verdampferschlangenauslaß-Temperatursensor 48 angeordnet. Der Verdampferschlangenauslaß-Temperatursensor 48 zeichnet die Temperatur des kryogenen Dampfes ("ECOT"), der die Verdampferschlange 42 verläßt, auf. Der Verdampferschlangenauslaß-Temperatursensor 48 ist vorzugsweise ein mit dem Regler elektrisch verbundener analoger Sensor mit einem Betriebsbereich von -50°C bis 70°C (von -58°F bis 158° F).
  • Im Wärmetauscher 37 sind ein erster Ventilator 50 und ein zweiter Ventilator 52 angeordnet, die betrieben werden, um Luft aus dem klimatisierten Raum 14 durch den Wärmetauscher hindurch 36 anzusaugen. Wie in den Figuren gezeigt ist, kann der erste Ventilator 50 oberhalb des zweiten Ventilators 52 angeordnet sein. Alternativ können der erste und der zweite Ventilator 50, 52 nebeneinander oder in einer durch Raumbelange erzwungenen Konfiguration angeordnet sein.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt ist, befindet sich im Wärmetauscher 36 ein Heizelement 53, das eine Heizschlange 54 und eine Fluidleitung 55 enthält, die sich zwischen der Heizschlange 54 und einem Kühlmittelkreislauf 36 erstreckt, der im Motor 35 des Lastkraftwagens angeordnet ist. In der Fluidleitung 55 ist ein drittes Ventil 58 angeordnet, das den Strom des Motorkühlmittels vom Kühlkreislauf zur Heizschlange 54 steuert. Während des Betriebs heizt der Motor 35 das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 36 auf. Wenn ein Heizen erforderlich ist, wird das dritte Ventil 58 geöffnet und das Kühlmittel 56 durch das Heizelement 53 geleitet, um die Luft im Wärmetauscher 36 zu erwärmen. In anderen Ausführungsformen können andere Fluide erwärmt und durch das Heizelement 53 geleitet werden, um Luft im Wärmetauscher 36 zu erwärmen. In nochmals anderen Ausführungsformen können ebenso oder alternativ andere Heizelemente 53 wie beispielsweise elektrische Heizvorrichtungen (nicht gezeigt) verwendet werden, um Luft im Wärmetauscher 36 zu erwärmen.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist das Heizelement 53 zwischen den Ventilatoren 50, 52 und der Verdampferschlange 42 angeordnet. Jedoch kann in anderen Anordnungen die Verdampferschlange 42 zwischen den Ventilatoren 50, 52 und dem Heizelement 53 angeordnet sein. Außerdem können das Heizelement 53 und die Verdampferschlange 42 in manchen Ausführungsformen kombiniert sein, um Raum zu sparen.
  • Der Regler 34 ist vorzugsweise so programmiert, daß die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 in wenigstens sechs Betriebsarten, die einen Ersten Kühlmodus, einen Zweiten Kühlmodus, einen Dritten Kühlmodus, Vierten Kühlmodus, einen Heizmodus und einen Abtaumodus umfassen, betrieben werden kann. Im Ersten Kühlmodus oder Super-Kühlmodus werden das erste und das zweite Ventil 30, 32 geöffnet, um einen maximalen Mengendurchfluß des Kältemittels vom Vorratsbehälter 20 zur Verdampferschlange 42 zu bewirken. In dieser Weise kann die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 die Temperatur des klimatisierten Raums 14 schnell absenken. Der Regler 34 ist so programmiert, daß er die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 für eine relativ kurze Zeit nach dem Laden oder dann, wenn die Temperatur des klimatisierten Raums 14 deutlich über die Einstellpunkttemperatur SP angestiegen ist, im Ersten Kühlmodus betreibt.
  • Wenn eine geringere Kühlung erforderlich ist oder wenn die Temperatur des klimatisierten Raums 14 relativ nahe bei der Einstellpunkttemperatur SP liegt, schaltet der Regler die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 in den Zweiten Kühlmodus, um Kältemittel zu sparen. Im Zweiten Kühlmodus bleibt das erste Steuerventil 30 geöffnet, wobei das zweite Steuerventil 32 geschlossen wird, um dadurch den Mengendurchfluß des Kältemittels aus dem Vorratsbehälter 20 durch die Verdampferschlange 42 auf einen zweiten kleineren Mengendurchfluß zu reduzieren.
  • Wenn die Temperatur im klimatisierten Raum 14 weiter abfällt, ist der Regler vorzugsweise so programmiert, daß er die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 in den Dritten Kühlmodus, der einer dritten, niedrigeren Fließgeschwindigkeit entspricht, schaltet. Im Dritten Kühlmodus wird das erste Steuerventil 30 geschlossen und das zweite Steuerventil 32 geöffnet, um einen dritten Mengendurchfluß zu bewirken.
  • Sobald sich die Temperatur im klimatisierten Raum 14 bei oder in der Nähe der Einstellpunkttemperatur SP befindet, schaltet der Regler 34 die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 vorzugsweise in den Vierten Kühlmodus oder Null-Modus. Im Vierten Kühlmodus werden sowohl das erste Steuerventil 30 als auch das zweite Steuerventil 32 geschlossen, um einen vierten Mengendurchfluß zu bewirken, bei dem kein Kältemittel vom Vorratsbehälter 20 zur Verdampferschlange 42 fließt.
  • Wenn die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 im Ersten, Zweiten, Dritten oder Vierten Kühlmodus arbeitet, sind der erste und der zweite Ventilator 50, 52 in Betrieb. Außerdem ist der Dämpfer 40 in der geöffneten Stellung, damit Luft durch den Wärmetauscher 36 strömen kann. Einem Durchschnittsfachmann ist klar, daß der erste und/oder der zweite Ventilator 50, 52 im Ersten, Zweiten, Dritten und Vierten Kühlmodus alternativ von einem Zeitgeber (nicht gezeigt) auf einen Befehl von der Bedienungsperson oder vom Regler 34 hin ein- und ausgeschaltet werden können.
  • Wenn die Einstellpunkttemperatur SP wie beispielsweise in relativ kalten Gegenden unter der Umgebungstemperatur liegt, wird der Regler 34 vorzugsweise so betrieben, daß er die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 in den Heizmodus schaltet. Wenn die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 in den Heizmodus geschaltet wird, werden das erste und das zweite Steuerventil 30, 32 geschlossen, um zu verhindern, daß Kältemittel in die Verdampferschlange 42 eintritt, während das dritte Ventil 58 geschlossen wird, um zuzulassen, daß relativ warmes Motorkühlmittel in das Heizelement 53 eintritt. Der erste und der zweite Ventilator 50, 52 werden eingeschaltet, um Luft aus dem klimatisierten Raum 14 über das Heizelement 53, damit es von diesem Wärme aufnimmt, und durch den Luftauslaß 39 zurück in den klimatisierten Raum 14 zu leiten.
  • Gelegentlich kann sich Wasserdampf aus dem klimatisierten Raum 14 von der Luft abscheiden und auf der Verdampferschlange 42 niederschlagen, so daß sich Reif bildet. Um die Reifbildung auf der Verdampferschlange 42 zu minimieren und den Reif von der Verdampferschlange 42 zu entfernen, ist der Regler 34 so programmiert, daß er die Temperatursteuervorrichtung 12 in den Abtaumodus schaltet.
  • Im Abtaumodus ist der Regler 34 so programmiert, daß er sowohl das erste Ventil 30 als auch das zweite Ventil 32 schließt, den Dämpfer 40 schließt und das dritte Ventil 58 öffnet. In dieser Weise erwärmt das Heizelement 53 die Luft im Wärmetauscher 36, bis die Verdampferschlange 42 entfrostet ist, wobei der Dämpfer 40 verhindert, daß die erwärmte Luft in den klimatisierten Raum eindringt. Außerdem werden in manchen Ausführungsformen der erste und der zweite Ventilator 50, 52 im Abtaumodus ausgeschaltet, um ein unnötiges Aufheizen des klimatisierten Raums 14 zu verhindern.
  • Die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 kann auf vier verschiedene Arten in den Abtaumodus geschaltet werden. Erstens ist der Regler 34 so programmiert, daß er die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 anhand von vom Rückluftsensor 45 und dem Verdampferschlangenauslaß- Temperatursensor 48 gelieferten Daten in den Abtaumodus schaltet. Beispielsweise kann der Regler 34 so programmiert sein, daß er die Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung 12 in den Abtaumodus schaltet, wenn der Verdampferschlangenauslaß-Temperatursensor 48 eine Verdampferschlangenauslaß-Temperatur ECOT aufzeichnet, die unter einem vorgegebenen Wert (z. B. -40°C) liegt.
  • Zweitens ist der Regler 34 so programmiert, daß er periodisch, in vorgegebenen Zeitintervallen wie beispielsweise alle vier Stunden in den Abtaumodus schaltet. Drittens enthält der Regler 34 eine Benutzerschnittstelle (nicht gezeigt), die einer Bedienungsperson das manuelle Initiieren des Abtaumodus ermöglicht. Viertens ist der Regler 34 so programmiert, daß er die Tiefsttemperatur- Steuervorrichtung 12 in den Abtaumodus schaltet, wenn die Differenz zwischen der Rücklufttemperatur RA und der Verdampferschlangenauslaß-Temperatur ECOT größer als ein vorgegebener Wert (d. h. 8°C) ist.
  • Obwohl besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sind Fachleuten weitere alternative Ausführungsformen, die innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen, augenscheinlich.

Claims (17)

1. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung, umfassend:
einen Vorratsbehälter, der eine Kältemittelmenge aufnimmt;
ein Gehäuse, das einen klimatisierten Raum definiert;
einen Wärmetauscher in Thermoverbindung mit dem klimatisierten Raum;
einen ersten Strömungspfad, der eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher herstellt;
ein erstes Ventil, das im ersten Strömungspfad zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher angeordnet ist, wobei das erste Ventil eine erste geöffnete Stellung und eine erste geschlossene Stellung besitzt, wobei der erste Strömungspfad dann, wenn das erste Ventil in der ersten geöffneten Stellung ist, eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher herstellt und das erste Ventil in der ersten geschlossenen Stellung den ersten Strömungspfad zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher für das Fluid sperrt;
einen zweiten Strömungspfad, der eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher herstellt; und
ein zweites Ventil, das im zweiten Strömungspfad zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher angeordnet ist, wobei das zweite Ventil eine zweite geöffnete Stellung und eine zweite geschlossene Stellung besitzt, wobei das zweite Ventil und der zweite Strömungspfad dann, wenn das zweite Ventil in der zweiten geöffneten Stellung ist, eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher herstellen und das zweite Ventil in der zweiten geschlossenen Stellung den zweiten Strömungspfad zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher für das Fluid sperrt.
2. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Regler, der betrieben wird, um das erste Ventil zwischen der ersten geöffneten Stellung und der ersten geschlossenen Stellung wahlweise zu betätigen und das zweite Ventil zwischen der zweiten geöffneten Stellung und der zweiten geschlossenen Stellung wahlweise zu betätigen.
3. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Heizschlange, die durch den Wärmetauscher verläuft.
4. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Fahrzeug das Gehäuse trägt, wobei das Fahrzeug einen Motor und ein Motorkühlsystem besitzt, wobei das Motorkühlsystem ein Motorkühlmittel durch den Motor umwälzt und wobei die Heizschlange mit dem Motorkühlsystem in Fluidverbindung steht.
5. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend ein drittes Ventil, das betrieben wird, um zwischen der Heizschlange und dem Motorkühlsystem eine Fluidverbindung herzustellen oder zu unterbrechen.
6. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Wärmetauscher in einem Kühlmodus betrieben werden kann, wobei im Kühlmodus das erste Ventil in der ersten geöffneten Stellung ist und das zweite Ventil in der zweiten geschlossenen Stellung ist.
7. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 6, wobei das erste Ventil eine erste Schlitzanordnung enthält und das zweite Ventil eine zweite Schlitzanordnung enthält, wobei die erste Schlitzanordnung von der zweiten Schlitzanordnung verschieden ist, wobei der Wärmetauscher in einem zweiten Kühlmodus betrieben werden kann, wobei das zweite Ventil in der zweiten geöffneten Stellung ist und das erste Ventil in der ersten geschlossenen Stellung ist.
8. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Wärmetauscher in einem dritten Kühlmodus betrieben werden kann, wobei das erste Ventil in der ersten geöffneten Stellung ist und das zweite Ventil in der zweiten geöffneten Stellung ist.
9. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Wärmetauscher in einem vierten Kühlmodus betrieben werden kann, wobei das erste Ventil in der ersten geschlossenen Stellung ist und das zweite Ventil in der zweiten geschlossenen Stellung ist.
10. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Ventilator, der einen Betriebszustand und einen Ruhezustand besitzt, wobei der Ventilator im Betriebszustand betrieben wird, um einen Luftstrom über den Wärmetauscher zu führen.
11. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Regler, wobei der Regler betrieben wird, um den Ventilator zwischen dem Betriebszustand und dem Ruhezustand zu schalten.
12. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Temperatursensor im klimatisierten Raum, wobei der Temperatursensor mit dem Regler kommuniziert, um den Ventilator zwischen dem Betriebszustand und dem Ruhezustand zu schalten.
13. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend einen zweiten Ventilator, der einen zweiten Luftstrom über den Wärmetauscher führt.
14. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Temperatursensor im klimatisierten Raum, wobei der Temperatursensor mit dem Regler kommuniziert, um das erste Ventil zwischen der ersten geöffneten Stellung und der ersten geschlossenen Stellung zu betätigen und das zweite Ventil zwischen der zweiten geöffneten Stellung und der zweiten geschlossenen Stellung zu betätigen.
15. Tiefsttemperatur-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Leitung, die zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher verläuft, wobei die Leitung einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig aufweist und wobei der erste Strömungspfad dem ersten Zweig der Leitung folgt und der zweite Strömungspfad dem zweiten Zweig der Leitung folgt.
16. Verfahren zum Steuern der Temperatur eines klimatisierten Raums mit einem Wärmetauscher, wobei der klimatisierte Raum eine erste Temperatur besitzt, wobei der Wärmetauscher in Thermoverbindung mit dem klimatisierten Raum steht, wobei der Wärmetauscher einen Vorratsbehälter, der ein Kältemittel aufnimmt, enthält, wobei ein erstes Ventil betrieben wird, um eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher längs eines ersten Strömungspfads herzustellen, und ein zweites Ventil betrieben wird, um eine Fluidverbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher längs eines zweiten Strömungspfads herzustellen, wobei das Verfahren umfaßt:
Vorsehen einer Solltemperatur für den klimatisierten Raum;
Erfassen der ersten Temperatur;
Vergleichen der ersten Temperatur mit der Solltemperatur;
Öffnen des ersten Ventils und Einführen von Kältemittel in den Wärmetauscher durch das erste Ventil längs des ersten Strömungspfads;
Leiten von Luft aus dem klimatisierten Raum durch den Wärmetauscher;
Öffnen des zweiten Ventils und Einführen von Kältemittel in den Wärmetauscher durch das zweite Ventil längs des zweiten Strömungspfads;
Erfassen der zweiten Temperatur;
Vergleichen der zweiten Temperatur mit der Solltemperatur;
Schließen des ersten Ventils und Verhindern, daß Fluid längs des ersten Pfads zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher fließt; und
Schließen des zweiten Ventils und Verhindern, daß Fluid längs des zweiten Pfads zwischen dem Vorratsbehälter und dem Wärmetauscher fließt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Wärmetauscher einen Ventilator enthält und ferner das Blasen von Luft über den Wärmetauscher mittels des Ventilators umfaßt.
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