CN110792923A - 向容器加注加压气体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于向容器加注加压气体的装置和方法，该装置包括加压气体源和具有一个上游端的转移回路，该装置包括用于在从气体源流出的气体进入容器之前冷却该气体的制冷系统，该制冷系统包括制冷剂冷却环路，该冷却环路包括串联布置的压缩机、冷凝器区段、膨胀阀和蒸发器区段，该制冷系统包括与冷凝器区段进行热交换的冷源和位于转移回路中的热交换器，该热交换器包括在转移回路中流动的气体与蒸发器区段之间的热交换区段，冷却环路包括旁通管道，该旁通管道包括连接到压缩机的出口的上游端和在压缩机的入口上游连接到冷却环路的下游端，该旁通管道绕过冷凝器区段和膨胀阀，该装置包括用于控制流入旁通管道的制冷剂的流量的旁通调节阀。

Description

向容器加注加压气体的装置和方法
技术领域
本发明涉及向容器加注(refuel)加压气体的装置和方法。
本发明更具体地涉及一种用于向容器加注加压气体的装置，特别是用于加注气态氢储箱的装置，该装置包括加压气体源和转移回路，该转移回路包括连接到气体源的一个上游端和用于可移除地连接到容器的至少一个下游端，该装置包括用于在从气体源流出的气体进入容器之前冷却该气体的制冷系统，该制冷系统包括制冷剂冷却环路，该制冷剂冷却环路包括串联布置的压缩机、冷凝器区段、膨胀阀和蒸发器区段，该制冷系统包括与冷凝器区段进行热交换的冷源和位于转移回路中的热交换器，该热交换器包括在转移回路中流动的气体与蒸发器区段之间的热交换区段。
背景技术
氢加注站设计用于给燃料电池电动车辆(FCEV)快速加注(几分钟)高压(例如等于或高于70MPa)氢。氢需要在分配器加注管嘴处被预冷(通常低于-33℃)以避免储箱中过热。
已知的冷却或制冷系统向氢冷却热交换器供给制冷剂冷却环路的制冷剂。
制冷剂可以是CO2。例如参见文献JP20150921108A或US2016348840A。还参见WO2018104983A1。
通常，热交换器包括用于蓄冷的材料团或材料块以响应高需求。制冷装置可以提供几乎恒定的冷却，并且冷却能量储存在热交换器(高热惯性)的热惯性中。
然而，在某些情况下热惯性可能不足以提供所需的冷量(cold)。另外，当使用其它类型的热交换器(例如：紧凑型扩散结合式热交换器)时，热惯性很小。在这种情况下，必须在有需求时提供冷却能量。这种需求可能会在几秒钟内从零变为全部冷却功率。
使用对流式热交换器可以最有效地利用冷却功率。在这种情况下，希望热交换器入口处的制冷剂温度保持在预定的温度范围内。
为此目的，应在热交换器的入口处维持预定的蒸发压力范围。此外，应在压缩机的吸入端处维持足够的过热度(superheat)。过热度例如是在制冷剂已经蒸发之后添加到制冷剂中的预定热量。它可以通过给定压力下的温度来定义，并且可以在热交换器的出口处或在压缩机的入口处测量。制冷剂的蒸发温度取决于压力。
控制过热度的原因是为了确保蒸发器区段中的液态制冷剂已经从液体完全变为蒸气(因为希望只有蒸气返回到压缩机吸入端/入口)。
加注装置(或站)也可以在一段延长的时间上设定在待机模式(等待加注的情形)。并且即使进行加注，气体的量也可能低于最大设计值。在这些情况下，制冷系统将在低负荷下运行。
一个目标是克服或减轻至少一个前述问题。
发明内容
为此，根据上述总体定义的根据本发明的装置的主要特征在于，制冷剂冷却环路包括旁通管道，该旁通管道包括连接到压缩机出口的上游端和在压缩机入口的上游连接到制冷剂冷却环路的下游端，该旁通管道绕过冷凝器区段和膨胀阀，该装置包括用于控制流入旁通管道中的制冷剂的流量的旁通调节阀。
再次注入到压缩机上游的此给定量的旁通压缩热气体使得能够升高压缩机入口处的制冷剂温度和压力。这还允许改变流经蒸发器的制冷剂的量。如果需要全部冷却能力，可以关闭旁通阀。
附加地(或替代地)，多个实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
-所述旁通管道的下游端连接在转移回路的热交换器的出口处，
-所述旁通阀是能够被设定在一个关闭位置或多个打开位置以用于改变在旁通管道中流动的制冷剂的流量的受控阀，该装置包括连接到旁通阀并且配置成控制所述旁通阀的开度的电子控制器，
-所述压缩机是变速压缩机，所述电子控制器连接到压缩机并且配置成控制压缩机，尤其是压缩机的速度，
-所述电子控制器连接到膨胀阀，并且配置成经由控制膨胀阀的开度来控制由制冷系统产生的冷却功率，
-所述装置包括温差传感器系统，该温差传感器系统测量制冷剂冷却环路中在热交换器出口处的制冷剂温度与制冷剂冷却环路中在热交换器入口处的制冷剂温度之间的温差，电子控制器配置成根据该温差来控制所产生的冷却功率，
-所述电子控制器配置成产生或接收指示为了冷却转移回路中通过热交换器的气体流而在热交换器处需要的冷却功率的信号，并且作为响应相应地控制由制冷系统产生的冷却功率，
-指示热交换器处需要的冷却功率的所述信号包括以下中的至少一者：流经转移回路的气体的数量或流量，流经转移回路的气体的温度，流经转移回路的气体的压力，气体源中的压力值或压力变化，外部请求，诸如无线信号，
-所述方法包括经由控制膨胀阀的开度来控制在制冷剂冷却环路的蒸发器区段中产生的冷却功率的步骤，
-所述装置包括膨胀箱，该膨胀箱包括在压缩机出口的下游连接到制冷剂冷却环路的入口和在压缩机入口的上游连接到制冷剂冷却环路的出口，该装置包括一组阀，用于控制制冷剂流向膨胀箱和流出膨胀箱，以控制制冷剂冷却环路中和膨胀箱中的压力，
-所述装置包括压力传感器，用于感测制冷剂冷却环路中在压缩机入口与热交换器出口之间的制冷剂压力，特别是在压缩机的入口处的制冷剂压力，
-所述电子控制器配置成经由对压缩机速度和旁通阀的开度的控制，将压缩机入口处的吸入压力调节到预定的压力设定点，
-所述装置包括温度传感器，用于感测制冷剂冷却环路中在压缩机入口与热交换器出口之间的制冷剂温度，特别是在压缩机的入口处的制冷剂温度，
-所述电子控制器配置成经由对压缩机速度和旁通阀的开度的控制，将压缩机入口处的制冷剂温度调节到预定的温度设定点，
-所述电子控制器配置成经由对压缩机速度和旁通阀的开度的控制，将热交换器入口处的制冷剂温度调节到预定的温度设定点，
-所述装置包括用于感测热交换器温度的温度传感器，电子控制器配置成能够将制冷系统切换到第一待机模式，在第一待机模式中，当热交换器的温度等于或低于预定的第一待机温度阈值(例如介于-40℃和-20℃之间)时，电子控制器关闭压缩机，而当感测到的热交换器的温度高于第二待机阈值——其例如等于或高于第一待机温度阈值——时，电子控制器启动压缩机以产生冷却功率并冷却热交换器。
-所述电子控制器配置成：在第一待机模式中，当感测到的制冷剂冷却环路中的压力高于预设的待机压力阈值时启动冷源，并因此降低制冷剂冷却环路中的压力，
-所述电子控制器配置成：在第一待机模式中，当感测到的制冷剂冷却环路中的压力高于预设的待机压力阈值时启动压缩机，并因此降低制冷剂冷却环路中的压力，
-当所述热交换器必须被冷却时，冷源和压缩机两者都启动。
本发明还涉及使用一种装置向容器加注加压气体的方法，特别是向气态氢储箱加注的方法，所述装置包括气体源和将压缩气体从气体源转移到容器的转移回路，该方法包括冷却位于转移回路中的热交换器的冷却步骤，该热交换器与从气体源流向容器的气体进行热交换，该冷却步骤包括在制冷剂冷却环路的蒸发器区段中产生冷却功率，该制冷剂冷却环路包括串联布置的压缩机、冷凝器区段、膨胀阀和蒸发器区段，冷凝器区段与冷源进行热交换，该方法包括以下步骤：控制在压缩机上游经由旁通管道再次注入的、且没有流经冷凝器区段和膨胀阀的、由压缩机压缩的制冷剂的量。
根据其它实施例，本发明可包括以下特征中的一个或多个：
-经由旁通管道在压缩机上游再次注入的压缩气体是在热交换器的出口处被再次注入的，
-该方法包括以下步骤：通过控制压缩机速度和经由旁通管道在压缩机上游再次注入的制冷剂的量，将压缩机入口处的吸入压力调节为预定压力水平，
-该方法包括以下步骤：通过对压缩机速度和旁通阀的开度的控制，将压缩机入口处的制冷剂的温度调节到预定的温度设定点，
-该方法包括以下步骤：根据制冷剂冷却环路中在热交换器出口处的制冷剂温度与制冷剂冷却环路中在热交换器入口处的制冷剂温度之间的温差，控制在制冷剂冷却环路的蒸发器区段中产生的冷却功率，
-该方法包括以下步骤：根据指示热交换器处的冷却功率需求的信号控制在制冷剂冷却环路的蒸发器区段处产生的冷却功率，所述信号包括以下中的至少一者：流经转移回路的气体的数量或流量，流经转移回路的气体的温度，流经转移回路的气体的压力，气体源中的压力或压力变化，来自用户的加注容器请求，无线信号，
-该方法包括以下步骤：将制冷剂冷却环路的一部分制冷剂引导到膨胀箱，以将制冷剂冷却环路中的压力降低到预定值以下，
-当膨胀箱中的压力高于预定值时，该方法包括经由冷源向制冷剂冷却环路提供冷量并将气体从膨胀箱抽出到制冷剂冷却环路的步骤，
-该方法包括在没有加注容器的请求时将装置切换到第一待机模式的步骤，在第一待机模式中，当热交换器的温度等于或低于预定的第一待机温度阈值(例如介于-40℃与-20℃之间)时，将压缩机接通，并且其中当热交换器的温度高于第二待机阈值——其例如等于或高于第一待机温度阈值——时，启动压缩机以产生用于冷却热交换器的冷却功率，
-在第一待机模式中，该方法包括以下步骤：当制冷剂冷却环路中的压力高于预设的待机压力阈值时，通过启动冷源来降低制冷剂冷却环路中在压缩机上游的压力，
-在第一待机模式中，该方法包括以下步骤：当制冷剂冷却环路中的压力高于预设的待机压力阈值时，通过启动压缩机来降低制冷剂冷却环路中在压缩机上游的压力，
-在第一待机模式中，该方法包括以下步骤：当热交换器的温度等于或低于预定的第一待机温度阈值(例如介于-40℃与-20℃之间)时，启动压缩机以产生冷却功率并冷却热交换器，并且该方法还包括以下步骤：当热交换器的温度高于预定的第一待机温度阈值时，关闭压缩机。
本发明还可涉及权利要求范围内的包括上述或下述特征的任何组合的任何替代装置或方法。
附图说明
通过阅读以下参考附图的描述，其它特征或优点将显而易见，其中：
-图1是示出根据第一实施例的加注装置的结构和操作的示意性局部视图，
-图2是示出根据第二实施例的加注装置的结构和操作的示意性局部视图，
-图3是示出根据第三实施例的加注装置的结构和操作的示意性局部视图，
-图4是示出根据第四实施例的加注装置的结构和操作的示意性局部视图，
-图5至8是可以(独立或组合)实现的装置和方法的不同的可行操作的示意性局部视图，
-图9是示出根据又一实施例的加注装置的结构和操作的示意性局部视图。
具体实施方式
如图所示，用于给容器3加注的装置1可以是用于将加压气体加注到车辆储箱的加注站(例如氢气，但是它可以应用于其它气体：天然气等)。
装置1包括加压气体源2和转移回路4，该转移回路4包括连接到气体源2的一个上游端5和用于可拆卸地连接到要加注的容器或储箱3的至少一个下游端6(例如设有管嘴)。
气体源2可包括例如以下中的至少一者：加压气体储存器或缓存器、压缩机、成组加压气瓶或长管拖车、液化气体源和蒸发器、电解器、气体网络出口。
转移回路4可包括由电子控制器根据预定的加注策略控制的一组阀(储箱3中的升温控制和/或储箱3中的密度控制和/或质量注入控制(mass injected control)和/或升压或升压速率)。
装置1包括制冷系统，用于在气体进入容器3之前冷却从气体源2流出的气体(例如冷却到低于0℃的预定温度，特别是在-33℃与-40℃之间)。还可以控制被冷却的气体温度根据加注条件(根据储箱3中的温度和/或压力、储箱3中的升压速率、转移回路4中的气体流量、环境温度等)而变化。
制冷系统包括制冷剂冷却环路20，其包括串联布置的压缩机8、冷凝器区段9、膨胀阀10和蒸发器区段11。在冷却环路20中流动的制冷剂优选是二氧化碳，但可以使用其它制冷剂，例如R717(氨)、R22、R134a、R404a、R507或能够达到至少-40℃温度的任何制冷剂。
冷凝器区段9可包括用于冷却由压缩机8压缩的制冷剂的热交换器。
制冷系统包括与冷凝器区段9进行热交换的冷源12。该冷源12可包括冷却流体回路，例如环路。例如，空气、水、氮或任何适当的冷却流体或制冷剂。冷源可以包括能够冷却制冷剂的任何其它冷的元件或装置，例如热对流散热器、冷却塔或二级制冷循环。来自冷源12的冷却流体可以与热交换器中的冷凝器区段9进行热交换。
制冷系统优选地包括位于转移回路4中的热交换器7，该热交换器7包括在转移回路4中流动的气体与蒸发器区段11之间的热交换区段。蒸发器区段11可包括与转移回路4和/或与形成用于蓄冷的具有高热惯性的元件(例如几厘米厚的金属或铝块体和/或其它材料，诸如相变材料)的材料体(铝或类似物)进行热交换的回路(例如盘管)。
根据一个有利的特征，制冷剂冷却环路20包括旁通管道13，旁通管道13包括连接到压缩机8的出口的上游端和在压缩机8上游连接在制冷剂冷却环路20中的下游端，并且旁通管道13绕过冷凝器区段9和膨胀阀10。制冷装置包括旁通调节阀15，用于控制流入旁通管道13中的制冷剂的流量。
如图1所示，以下中的至少一部分可以位于致冷模块(frigorific module)14中：压缩机8、冷凝器区段9、冷源12、旁通调节阀、以及可能的膨胀阀10。
如图1所示，旁通管道13的下游端(上游连接到压缩机出口)可以直接连接到压缩机8的吸入管线。这意味着经压缩的旁通热制冷剂被直接地再次注入到压缩机8的入口中。
在另一实施例(图2)中，旁通管道13的下游端可以连接在热交换器7的入口的上游。此第二方案允许经压缩的旁通热制冷剂和通过膨胀阀10调节的较冷的制冷剂流在进入热交换器7之前混合。这允许膨胀阀10保持回路中的过热度水平(足够的温度)。这还允许热交换器7和压缩机的吸入管线中的较高流体速度。
在压缩机是油润滑活塞式压缩机的情况下，这允许更好地携带否则将泄漏并蓄积在制冷剂回路中特别是热交换器7中的油。然而，在低蒸发器负荷下，保持热交换器入口处的温度恒定可能更难以控制。
在图3和4所示的优选实施例中，旁通管道13的下游端连接到转移回路4的热交换器7的出口。也就是说，经压缩的旁通热制冷剂被再次注入并与离开所述热交换器7的制冷剂混合。
这意味着经压缩的旁通热制冷剂不会注入到压缩机8的入口或吸入管线中，而是在更上游并且优选地更靠近热交换器7的制冷剂出口注入。例如，旁通管道13的下游端刚好在蒸发器11的区段之后——例如在该蒸发器11的区段的出口之后或热交换器7的出口之后的1cm至40cm之间——被系结(连接)在制冷剂冷却环路20中。
如下面详细描述的，在需要测量(通常经由温度传感器17)离开蒸发器11(热交换器7)的制冷剂的温度的情况下，旁通管道13的系结不应太靠近蒸发器11的出口，因为这会影响温度测量。一个可行的有利解决方案是，将温度测量定位成尽可能靠近蒸发器7的出口(例如，由于所需的配件，约为5-10cm)。因此，旁通管道13的连接优选在蒸发器7下游的制冷剂回路的第一弯部的下游约20至30cm处。由于蒸发器7通常安装在气体分配器内部并且管道来自下方，因此该位置由于可用空间而可以几乎自动被限定。
与图2中描述的方案相比，此方案防止或减少了热交换器7的入口处的温度波动问题，因为热和冷的制冷剂没有在热交换器7的入口处混合。与在图1中描述的方案相比，此方案有助于回油并且防止液体制冷剂积聚在制冷剂冷却环路20的返回管线中(即，从热交换器到压缩机入口的管线中)。
优选地，旁通阀15是能够在经调制的时间期间(例如，对于电磁阀的脉冲宽度调制)上被设定在一个关闭位置或多个打开位置或者能够被设定在打开和关闭位置(例如全开和全闭)的受控阀。这允许中断或改变在旁通管道13中流动的制冷剂的流量。装置1可包括连接到旁通阀15的电子控制器21，其配置(例如编程)为控制所述旁通阀15的开度(见图4)。
电子控制器21可以包括用于储存、处理、接收和/或发送数据的器件。例如，它包括微处理器和/或计算器和/或计算机。电子控制器21可以位于所述装置或站中，或者可以是远程的。该电子控制器21还可以控制转移回路4中的气体向储箱3的流动。
压缩机8优选是变速压缩机。电子控制器21可以连接到压缩机8并且配置成用于控制压缩机8(开/关状态)和压缩机8的速度。
制冷系统的冷却功率可以主要通过膨胀阀10的开度来控制。控制器21优选地连接到膨胀阀10，并且配置成经由对膨胀阀10的开度的控制来控制由制冷系统产生的冷却功率。
为了保持恒定的蒸发压力，在压缩机8上游、尤其是在热交换器7的入口处的吸入压力必须保持在预定范围内。
因此，可以经由对旁通阀15和压缩机8的速度的控制来控制蒸发压力。
蒸发温度——即膨胀阀之后的制冷剂的温度——取决于膨胀阀10下游的压力。
基于所需的蒸发温度(对于加注气体的预定冷却而言)，可以计算所需的吸入压力(借助于适当的状态方程或相关性)。
可以在交换器7处或者优选地在压缩机8的吸入侧测量压力。如图4所示，该装置可以包括压力传感器16，用于感测在压缩机8的入口与热交换器7的出口之间、特别是在压缩机8的入口处的冷却环路20中的制冷剂压力。
为了补偿压力损失，可以使用热交换器7的入口处的温度的测量值18来降低吸入压力控制的设定点。
如图4所示，该装置可包括温度传感器18，以用于感测在热交换器7上游的蒸发区段11中、特别是在热交换器7的入口处的制冷剂温度。
可以通过控制进入旁通管道13中的热气体的流量和压缩机8的速度，来控制压缩机8的吸入压力。
如果压缩机8处于最小速度(或停止)并且旁通调节阀15完全打开，则可以实现通过热交换器7的零制冷剂流量。
当旁通调节阀15关闭并且压缩机8处于其最大速度时，获得通过热交换器7的最大制冷剂流量。
这种关系可以通过分程控制技术来控制。
这允许确保在压缩机8的吸入侧总是存在足够的过热度。
快速的负荷变化可能导致膨胀阀10的快速反应。这对压缩机8的吸入压力有影响。为了实现压力控制的快速反应，膨胀阀10的开度可以与传输到压力控制输出端(即，旁通调节阀15和压缩机8的速度的设定点)的前馈信号相关联。
如果冷却需求增加，则膨胀阀10的开度增加。为了保持蒸发压力恒定，传输到膨胀阀10的信号也可用于计算传输到吸入压力控制的前馈信号。这意味着膨胀阀的开度的增加可以控制使旁通制冷剂的流量减少和/或压缩机8的速度增加。
在典型的制冷应用中，可以正好在蒸发器区段11之后(在热交换器7的出口处)测量过热度(制冷剂温度)。
替代地或附加地，可以测量更靠近压缩机8入口处的过热度，例如在致冷模块14的入口处(该致冷模块也可以称为冷却器)。
测量蒸发器区段11(热交换器7)附近的温度的主要原因是能量消耗。在该装置中，冷却器与分配器6之间的距离可以用于使液体制冷剂过冷和使压缩机8吸入侧的气态制冷剂的温度升高。例如，参照图4，这可以通过以下来实现：在相同的隔热材料或结构内，使管线在冷凝区段9的出口与膨胀阀10之间以及蒸发区段11与过热度控制器22之间延伸。由于此原因，优选地在相比距离热交换器7更靠近压缩机8的位置处对过热度控制器进行控制。
因此，装置1优选地包括用于感测在制冷剂冷却环路20中且在压缩机8入口与热交换器7出口之间的制冷剂温度的温度传感器17，特别是在压缩机8入口处的传感器22。
电子控制器21可以配置成经由控制压缩机8的速度和旁通阀15的开度而在预定温度范围内调节压缩机8的入口处的制冷剂的温度。
如图5所示，基于实际的(测量或计算出的)压力P和压力设定点PS(所需压力)，电子控制器作用于旁通阀15和压缩机8。
冷却功率的控制可以基于在热交换器7的出口处的温度测量(过热度控制)。当冷却需求仅缓慢变化时，此控制方案运行良好。然而，在储箱加注站的情况下，可能会发生快速的负荷变化。该简单的温度控制策略将无法保持气体温度(示例H2)被冷却在用于加注的适当温度范围(通常在-33℃和-40℃之间)。
在典型的制冷应用中，冷却需求变化非常缓慢。在这些情况下，冷却器的反应速度因此并不重要。
对于加注站而言，冷却需求可能在几秒钟内从零变成全冷却功率。因此，单个基于温度的控制可能是不够的。
优选地，该装置包括温差传感器系统，该系统测量制冷剂冷却环路20中的制冷剂在热交换器7的出口处的温度与冷却环路20中的制冷剂在热交换器7的入口处的温度之间的差值。电子控制器21可以配置成根据温差来控制所产生的冷却功率。
例如，基于在热交换器7的出口和入口处的温度传感器17、18来计算温差。
入口18处的温度等于吸入压力给出的蒸发温度。代替测量，经由吸入压力计算出的入口温度反应更快，并提供更好的控制。
在本文中，术语“温度传感器”是指用于直接或间接测量温度的装置和/或用于基于适当参数来计算温度的装置。
可以经由对热交换器8的入口18和出口17之间的制冷剂温差的闭环控制来控制膨胀阀10。当不需要冷却功率或者需要低冷却功率时(例如，在待机模式中热交换器是冷的)，温差非常小。随着冷却需求增加，温差增大，并且控制将导致膨胀阀10根据需要打开。
由于实际冷却功率与膨胀阀10的开度直接相关(通常具有一定比例和/或经调制的打开时间)，因此，用于在所供应的冷却功率过高或过低时进行控制的测量可以是热交换器7的制冷剂入口和制冷剂出口之间的温差。
当存在加注需求时，装置1可以切换为加注模式。
例如，可以在电子控制器21中生成或接收到信号或命令时激活加注模式。例如，来自用户的支付/请求，和/或当加注管嘴6从基座分配器被取下时。
在管嘴6被取下之后，用户可能需要一些时间(例如10s至20s)将管嘴6连接到汽车并激活加注序列。
当执行管嘴与储箱3的连接时，可以进行压力脉冲测试(例如约30s)，然后可以开始实际的加注。
在加注开始后的一段短时间(例如30秒)内，分配器出口6处应达到预定的低气体温度(例如约-33℃)。
该装置可以设计成使得在管嘴从其基座被取下后的一段时间(例如60s)内，热交换器7被冷却在预定温度(例如-38℃)。
这意味着在转移回路4中的气体流到储箱3之前，热交换器被过冷。
如果当请求在气体流动之前冷却热交换器11时系统处于待机模式(如下文所述)，则电子控制器21可启动压缩机8并如上所述控制膨胀阀10和旁通调节阀15。这将导致快速冷却。
例如，对储箱3的加注可能需要150s至500s。在此期间，实际冷却需求可能会迅速变化。对于传统控制来说，这些快速变化通常太快了。为了保持氢的稳定温度，优选实施前馈控制。
例如，制冷系统的运行参数将基于实际所需的冷却能量。
因此，一旦实际的加注开始，加注将产生冷却需求。基于实际冷却需求，可以计算/提供所需的冷却功率。
电子控制器21可以计算和控制热交换器7中所需的制冷剂流量(随着冷却需求增加，制冷剂流量必须相应地增加)。
压缩机8可以在加注开始后不久启动。为了限制功率消耗，制冷系统可以在开始时尽可能多地冷却内部热交换器9(冷凝器区段)和热交换器7。
随着冷却需求增加，首先旁通阀15可以关闭，然后压缩机8的速度可以根据需要增加。这可以通过分程控制来完成。
为了对负荷变化更快地反应，可以基于待冷却的气体流量来计算所需的冷却功率。计算出的冷却需求可以作为偏移量作用于电子控制器21。因此，可以在热交换器7处发生温差的显著变化之前打开膨胀阀10。
可以使用基于实际冷却需求的前馈控制。基于转移回路4中的气体流量和(预期的)入口温度，可以计算所需的冷却功率。基于所需的冷却功率，可以计算所需的制冷剂流量，然后计算所需的膨胀阀10的开度。因此，所需的膨胀阀10的开度可以用于产生用于冷却功率控制的前馈信号。
可以使用装置1上可用的仪器来计算所需冷却功率的估计值。例如，所需的冷却功率可以设定为等于待冷却的气体流量乘以热交换器7的入口处的气体的焓与热交换器7的出口处的所述气体的焓之差。这可以用管嘴6处的预期出口气体温度(通常为-40℃)来计算。在最低限度上，可能需要气体流量估计值。例如，这可以优选地从转移回路中的流量计信号获取。但这也可以从其它仪器的信号(例如，源2(诸如缓存器)中的压降或压力变化)计算得出。为了提高冷却功率计算的准确度，可以考虑其它测定值，例如热交换器7上游的气体压力、热交换器7下游的气体压力、热交换器上游的气体温度、环境温度、热交换器的温度、等等。
如图7所示，冷却功率需求信号24将使电子控制器21作用于压缩机8和旁通阀10以匹配需求。
也可使该装置处于待机模式(两次加注之间)。
在此待机模式期间，可以将热交换器7保持在允许快速启动加注的温度(以预定时间期间，例如在60s内)。
这种需求可以限定待机模式期间热交换器7的最大温度。例如，如果制冷系统能够在60秒内将热交换器7冷却20°K，那么待机模式期间的主动冷却应在热交换器7的温度高于预定阈值(例如高于-18℃)时开始。
如果系统处于低温(例如，热交换器温度低于第一待机温度阈值，例如低于-20℃)，则将系统置于/保持在待机模式。此时优选关闭压缩机。
在待机模式期间，液态制冷剂升温并且制冷剂冷却环路20中的压力将增加。
为了降低制冷剂冷却环路20中的压力(压力的增加超过预设极限值)，可以启动冷却源12以向制冷剂回路产生或提供冷量。
在必须降低热交换器7的温度(或必须保持热交换器7的温度较冷)的情况下，可以启动压缩机8。压缩机8的启动将导致环路中的流动以及在其入口处的压力降低。
如果在待机模式期间热交换器7升温太多，则优选再次冷却。
在这种操作情况下，达到低温的时间并不重要。因此，压缩机8可以效率最高的速度运转(通常是其最低速度)。
在压缩机8的最低速度下，冷却功率例如为10至20kW。这是足以使通常的热交换器在120秒内冷却30°K的冷却功率。压缩机8的最小运行时间可以是固定的(例如120s)。因此，在热交换器7的这种待机冷却期间可能不需要更高的压缩机速度。
例如，如果热交换器7的温度T17(图8中的传感器“19”)下降到第一待机温度阈值(图8中的“TS1”，例如等于-37℃)以下，则制冷系统(冷却系统)或者压缩机8可以关闭(或保持关闭，参见图8中的附图标记25)。热交换器7的温度可以例如经由温度传感器19测量或基于其它参数进行计算。
然而，如果该温度T17高于第二待机温度阈值TS2(例如高于-20℃或类似值)，则制冷系统应当接通(或能够接通)(参见图8中的“Y”和附图标记26)。否则，可以关闭(即切断)制冷系统(冷却系统)或压缩机(或保持关闭，参见图8中的附图标记25)。
电子控制器21可以控制制冷系统，使得热交换器入口处的制冷剂温度的设定点为预定温度，例如-40℃。
因此，电子控制器21可以调节例如在热交换器7的入口处测得的蒸发温度。如果该温度升高太多，则可以降低在压缩机8的入口处的压力设定点(即，要在热交换器入口处实现的温度)。
经由热交换器7和压缩机吸入管线的预期压力损失可小于1巴。因此可以说，在制冷剂是CO2的情况下，由于压力损失而对蒸发温度的影响小于2°K。
如果使用不同的制冷剂，则温度影响可能会大得多。
电子控制器21可以控制热交换器7的入口18和出口17之间的温差。如果热交换器升温(由温差ΔT增大给出)，参见图6中的附图标记27和箭头“Y”，则控制器21可以打开膨胀阀10(参见图6中的附图标记122)。
随着热交换器7冷却下来，温差减小(参见图6中的箭头“N”)，电子控制器21将关闭膨胀阀10(参见图6中的附图标记23)。
因此，可以基于(入口和出口之间的)所述温差控制在热交换器7中流动的制冷剂的量。如果温差增大，则控制器21的输出增加并且更多的制冷剂被送到热交换器(反之亦然)。这能够以基于阀10的前馈控制信号来控制。
能够以这样的方式调节最小输出，即，在零负荷下，压缩机8的入口处的过热温度在预定温度(例如+10°K)附近。
在“待机冷却”的情况下，设定点可以更高，例如+20°K。
电子控制器21可以控制压缩机8的速度和旁通阀15，以在压缩机8的入口处保持恒定的压力。
过热度控制(温度控制)优选始终在运行。在过热温度下降到太低的情况下，可以根据需要关闭膨胀阀10。
优选地，如果压缩机入口处的过热温度太低，则膨胀阀10关闭，而与实际冷却请求无关。
在过热温度升高过多的情况下，可以根据需要打开膨胀阀10。
如果压缩机入口处的过热温度太低，则可以打开热气旁通阀15。
为了避免膨胀阀10完全关闭，可以设定膨胀阀10的最小开度。此最小开度可以设定成使得压缩机8入口处的吸入温度由于热的旁通气体注入而总是充分过热。
除了上述优点之外，该装置还可以允许冷却功率的非常快速的变化，同时保持恒定的蒸发压力和在压缩机8的吸入端处的足够的过热度。
当装置1处于待机模式时，冷凝器热交换器9下游的制冷剂(通常为液态CO2)升温并可能蒸发，从而导致压缩机8的排出侧的压力升高。一种解决方案是启动冷却源2以提供冷量并降低制冷剂压力。为了减少冷源12的启动次数，如图9所示，该装置可包括膨胀箱29，膨胀箱29包括在压缩机8侧的出口处连接到制冷剂冷却环路20的入口。膨胀箱29包括在压缩机8侧的出口处连接到制冷剂冷却环路20的出口。该装置包括一组阀28、30，用于控制制冷剂从回路20(在压缩机出口下游)到膨胀箱29以及从膨胀箱29到回路20(在压缩机8入口上游)的流动。电子控制器21可以配置成打开通向膨胀箱29的入口阀28，直到压缩机8下游的压力低于某个值(通常在35barg打开)，并且在预设值(例如33barg)关闭。
当热交换器7的温度太高时或者当膨胀箱29中的压力太高(例如高于15barg)时，可以启动冷源12并且可以启动压缩机8。膨胀箱29的出口阀30可以打开，并且膨胀箱29中的压力因此再次降低到适当值(例如10barg)。

Claims (19)

1.一种用于向容器加注加压气体的装置，特别是用于向气态氢储箱加注的装置，所述装置包括加压气体源(2)和转移回路(4)，所述转移回路(4)包括连接到所述加压气体源(2)的一个上游端(5)和用于可拆卸地连接到容器(3)的至少一个下游端(6)，所述装置(1)包括用于在从所述加压气体源(2)流出的气体进入所述容器(3)之前冷却所述气体的制冷系统，所述制冷系统包括制冷剂冷却环路(20)，所述制冷剂冷却环路(20)包括串联布置的压缩机(8)、冷凝器区段(9)、膨胀阀(10)和蒸发器区段(11)，所述制冷系统包括与所述冷凝器区段(9)进行热交换的冷源(12)和位于所述转移回路(4)中的热交换器(7)，所述热交换器(7)包括在所述转移回路(4)中流动的气体与所述蒸发器区段(11)之间的热交换区段，其特征在于，所述制冷剂冷却环路(20)包括旁通管道(13)，所述旁通管道(13)包括连接到所述压缩机(8)的出口的上游端和在所述压缩机(8)的入口的上游连接到所述制冷剂冷却环路(20)的下游端，所述旁通管道(13)绕过所述冷凝器区段(9)和膨胀阀(10)，所述装置包括用于控制流入所述旁通管道(13)中的制冷剂的流量的旁通调节阀(15)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旁通管道(13)的下游端连接到所述转移回路(4)的所述热交换器(7)的出口，也就是说，相比距离所述压缩机的入口，所述旁通管道(13)的下游端更靠近所述热交换器(7)的制冷剂出口，优选地，所述旁通管道(13)的下游端位于所述蒸发器区段(11)的出口或所述热交换器(7)的出口之后的1cm至40cm之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述旁通管道(13)的下游端连接在所述转移回路(4)的所述热交换器(7)的出口处。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述旁通阀(15)是能够被设定在一个关闭位置或多个打开位置以改变在所述旁通管道(13)中流动的制冷剂的流量的受控阀，所述装置(1)包括电子控制器(21)，所述电子控制器(21)连接到所述旁通阀(15)并且配置成用于控制所述旁通阀(15)的开度。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述压缩机(8)是变速压缩机，所述电子控制器(21)连接到所述压缩机(8)并且配置成用于控制所述压缩机(8)，特别是控制所述压缩机(8)的速度。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述电子控制器(21)连接到所述膨胀阀(10)，并且配置成经由控制所述膨胀阀(10)的开度来控制由所述制冷系统产生的冷却功率。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括温差传感器(17,18)系统，该温差传感器系统测量所述制冷剂冷却环路(20)中在所述热交换器(7)的出口处的制冷剂温度与所述制冷剂冷却环路(20)中在所述热交换器的入口处的制冷剂温度之间的温差，所述电子控制器(21)配置成用于根据所述温差控制所产生的冷却功率。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述电子控制器(21)配置成产生或接收指示为了冷却所述转移回路中的通过所述热交换器(7)的气体流而在所述热交换器(7)处需要的冷却功率的信号，并且作为响应相应地控制由所述制冷系统产生的冷却功率。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，指示所述热交换器(7)处需要的冷却功率的信号包括以下中的至少一者：流经所述转移回路(4)的气体的数量或流量，流经所述转移回路(4)的气体的温度，流经所述转移回路(4)的气体的压力，所述气体源(2)中的压力值或压力变化，外部要求，诸如无线信号。
10.使用一种装置向容器加注加压气体的方法，特别是向气态氢储箱加注的方法，所述装置包括气体源(2)和转移回路(4)，所述转移回路(4)用于将压缩气体从所述气体源(2)转移到容器(3)，所述方法包括冷却位于所述转移回路(4)中的热交换器(7)的冷却步骤，所述热交换器(7)与从所述气体源(2)流到所述容器(3)的气体进行热交换，所述冷却步骤包括在制冷剂冷却环路(20)的蒸发器区段(11)中产生冷却功率，所述制冷剂冷却环路(20)包括串联布置的压缩机(8)、冷凝器区段(9)、膨胀阀(10)和所述蒸发器区段(11)，所述冷凝器区段(9)与冷源(12)进行热交换，所述方法包括控制由所述压缩机(8)压缩的以下制冷剂的量的步骤：这些制冷剂经由旁通管道(13)在所述压缩机(8)的上游被再次注入，并且没有流经所述冷凝器区段(9)和所述膨胀阀(10)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述旁通管道(13)的下游端连接到所述转移回路(4)的所述热交换器(7)的出口，也就是说，相比距离所述压缩机的入口，所述旁通管道(13)的下游端更靠近所述热交换器(7)的制冷剂出口，优选地，所述旁通管道(13)的下游端位于所述蒸发器区段(11)的出口或所述热交换器(7)的出口之后的1cm至40cm之间。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，经由旁通管道(13)在所述压缩机(8)的上游被再次注入的压缩气体是在所述热交换器(7)的出口处被再次注入的。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过控制所述压缩机(8)的速度和经由旁通管道(13)在所述压缩机(8)上游被再次注入的制冷剂的量，将所述压缩机(8)的入口处的吸入压力调节到预定压力水平的步骤。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过控制所述压缩机(8)的速度和旁通阀(15)的开度，将所述压缩机(8)的入口处的制冷剂温度调节到预定的温度设定点的步骤。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过控制所述膨胀阀(10)的开度来控制在所述制冷剂冷却环路(20)的所述蒸发器区段(11)中产生的冷却功率的步骤。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：根据所述制冷剂冷却环路(20)中在所述热交换器(7)的出口处的制冷剂温度与所述制冷剂冷却环路(20)中在所述热交换器的入口处的制冷剂温度之间的温差，来控制在所述制冷剂冷却环路(20)的所述蒸发器区段(11)中产生的冷却功率。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：根据指示所述热交换器(7)处的冷却功率需求的信号来控制在所述制冷剂冷却环路(20)的所述蒸发器区段(11)处产生的冷却功率，所述信号包括以下中的至少一者：流经所述转移回路(4)的气体的数量或流量，流经所述转移回路(4)的气体的温度，流经所述转移回路(4)的气体的压力，所述气体源(2)中的压力或压力变化，来自用户的加注容器请求，无线信号。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将所述制冷剂冷却环路(20)的一部分制冷剂引导到膨胀箱(29)，以将所述制冷剂冷却环路(20)中的压力降低到预定值以下。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，当所述膨胀箱(29)中的压力高于预定值时，所述方法包括经由所述冷源(12)向所述制冷剂冷却环路(20)提供冷量并将气体从所述膨胀箱(29)抽出到所述制冷剂冷却环路(20)的步骤。
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