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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung
eines Innenraumes eines Kühlbehälters, insbesondere
eines Transporters für Kühlgut, unter Einsatz
von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel sowie
eine entsprechende Vorrichtung. Kühltransporter werden
für den Transport und die Verteilung von Kühlgut
eingesetzt. Im Allgemeinen handelt es sich um Lastkraftwagen mit
einem festen Aufbau, jedoch ist die vorliegende Erfindung auch für
Transportcontainer oder andere Kühleinrichtungen einsetzbar.
Es ist sogar möglich, erfindungsgemäße
Kühlsysteme an größere Räume
zu deren Kühlung anzukuppeln.
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Verschiedene
Transportaufgaben verlangen nach jeweils angepassten Lösungen,
von denen auch schon eine große Zahl bekannt ist. Im einfachsten
Fall kann der Innenraum eines Transporters mittels eines mechanischen
Kühlaggregates auf einer bestimmten Kühltemperatur
gehalten werden, wobei das Kühlaggregat entweder von einem
Verbrennungsmotor oder von einem Elektromotor angetrieben sein kann.
Solche Systeme eignen sich für die Aufrechterhaltung einer
bestimmten Kühltemperatur im Innenraum des Transporters
bei langen Transporten, jedoch reicht ihre Kühlleistung
unter Umständen nicht aus, wenn der Innenraum relativ häufig
geöffnet wird, was beispielweise bei der Verteilung von
Kühlgut auf viele relativ nah zueinander liegende Abnehmer
auftritt.
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Auch
spielen Energiekosten für die lückenlose Aufrechterhaltung
einer Kühlkette eine immer größere Rolle.
Unter diesen Gesichtspunkten wurden auch Kühltransporter
entwickelt, bei deren Kühlung flüssiger Stickstoff
als Kühlmittel eingesetzt wird. Dieser wird typischer Weise
in einem Kryotank im oder am Kühltransporter mitgeführt
und kann eine große Kühlleistung bereitstellen,
insbesondere durch den Phasenübergang von flüssig
zu gasförmig.
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Ein
Nachteil der Kühlung mit flüssigem Stickstoff
ist, dass beim direkten Einsprühen von Stickstoff in den
Innenraum dort eine für Menschen nicht atembare Atmosphäre
entstehen kann, im Extremfall mit nur noch sehr geringem Sauerstoffgehalt.
Obwohl das direkte Einsprühen von flüssigem Stickstoff
in den Innenraum die schnellste Kühlmethode ist, bedeutet
das Wiederherstellen einer atembaren Atmosphäre jeweils
einen Zeit- und Energieverlust, der gerade bei Anwendungen mit häufigem
Betreten des Innenraumes sehr ungünstig ist. Es wurden
daher auch indirekte Kühlungen entwickelt, bei denen der
flüssige Stickstoff nicht direkt in den Innenraum eingesprüht,
sondern durch einen Wärmetauscher in die Umgebungsluft
abgeleitet wird, und wobei gleichzeitig die Luft im Innenraum durch
den Wärmetauscher geleitet und gekühlt wieder
in den Innenraum geleitet wird. Diese Kühlmethode kann
bei vernünftiger Größenordnung des Wärmetauschers
kurzfristig keine so große Kühlleistung bereitstellen
wie direkt eingesprühter flüssiger Stickstoff.
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Aus
der
EP 1 252 471 B1 ist
auch ein kombiniertes System aus direkter und indirekter Kühlung mit
flüssigem Stickstoff bekannt. Bei dieser Kombination erfolgt
die Kühlung zunächst durch Einsprühen von
flüssigem Stickstoff, wird jedoch gestoppt, bevor der Innenraum
geöffnet werden soll. Danach wird eine Zeit lang eine indirekte
Kühlung mit durch einen Wärmetauscher geführter
Umgebungsluft durchgeführt, so dass im Innenraum wieder
eine atembare Atmosphäre entsteht. Das direkte und das
indirekte Kühlsystem sind als unabhängige parallele
Systeme ausgebildet und werden nur alternativ betrieben. Dies hat
gewisse Verzögerungen zur Folge, bevor nach Abschalten
des direkten Systems die indirekte Kühlung wirksam wird
und wieder eine atembare Atmosphäre im Innenraum hergestellt
hat.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen zur
Kühlung eines Innenraumes eines Behälters, insbesondere
eines Transporters für Kühlgut anzugeben, bei
denen ein direktes und ein indirektes Kühlsystem energetisch und
zeitlich besonders gut zusammenwirken, wobei jederzeit eine atembare
Atmosphäre im Innenraum vorhanden oder wenigstens innerhalb
kürzester Zeit wiederherstellbar sein soll. Da ein indirektes
Kühlsystem typischerweise mit einem elektrischen Ventilator betrieben
wird, was bei längeren Standzeiten eines Transporters,
z. B. über Nacht, eine Fahrzeugbatterie übermäßig
belasten kann, soll als Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung auch
eine die Batterie schonende und energetisch günstige Bevorzugung
der direkten Kühlung durch verschiedene Maßnahmen
ermöglicht werden.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren nach Anspruch
1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen,
die einzeln oder in Kombinationen miteinander nutzbar sind, sind
in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung
eines Innenraumes eines Behälters für Kühlgut unter
Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel
zeichnet sich dadurch aus, dass der Stickstoff in einer direkten
Kühlphase direkt in den Innenraum gesprüht wird,
wobei aber zumindest ein Teil des Stickstoffes vor dem Sprühen
einen Wärmetauscher mit einer Wärmetauschermasse
durchläuft und diesen kühlt, so dass in einer
gleichzeitig oder später ablaufenden indirekten Kühlphase
das im Innenraum entstandene Luftgemisch und/oder Umgebungsluft durch
den gekühlten Wärmetauscher in den Innenraum geblasen
werden kann. Im günstigsten Fall bedeutet dies, dass bei
Umschaltung von direkter Kühlung auf indirekte Kühlung
die Stickstoffzufuhr vollständig abgeschaltet werden kann,
weil der Wärmetauscher bereits gekühlt ist und
die Wärmetauschermasse mit ihrer Wärmekapazität
eine indirekte Kühlung für eine gewisse Zeit auch
ohne zusätzliche Zufuhr von flüssigem Stickstoff
zum Wärmetauscher aufrecht erhalten kann. Bei geeigneter
Auslegung des Wärmetauschers reicht dies zum Beispiel aus, um
soviel gekühlte Außenluft in den Innenraum zu blasen,
dass dort annähernd der gleiche Sauerstoffgehalt wie in
der Umgebung vorliegt.
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Falls
erforderlich kann jedoch erfindungsgemäß während
einer indirekten Kühlphase auch weiter Stickstoff zur Kühlung
durch den Wärmetauscher und danach direkt in die Umgebung
geleitet werden, während weiter das Luftgemisch im Innenraum
und/oder Umgebungsluft durch den Wärmetauscher in den Innenraum
geblasen wird. Dies ist besonders bei großen Innenräumen
und abhängig vom Beladezustand im Lieferverkehr mit häufigen
Be- und Entladevorgängen von Vorteil.
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Außerdem
hat sich herausgestellt, dass eine alternative Regelungsphilosophie
ganz unabhängig von der genauen Bauart und Verknüpfung
direkter und indirekter Kühlsysteme zu Verfahrensvarianten führt,
die eine schnelle Begehbarkeit des Innenraumes sicherstellen können.
Dazu lehrt die vorliegende Erfindung, dass die direkte Kühlphase
beendet und bei Bedarf an weiterer Temperaturabsenkung oder der
Erhaltung einer niedrigen Temperatur die indirekte Kühlphase
gestartet wird, wenn der Sauerstoffgehalt im Innenraum unter einen
vorgegebenen Schwellwert gesunken ist, beispielweise unter 15%, vorzugsweise
unter 12%. Während bei lang anhaltender direkter Kühlung
fast aller Sauerstoff aus dem Innenraum verdrängt wird,
so dass es relativ lange dauert, bis wieder eine atembare Atmosphäre
hergestellt ist, bewirkt die erfindungsgemäße
Lösung, dass im Innenraum praktisch immer eine atembare
Atmosphäre vorhanden ist. Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass trotzdem ein erheblicher Anteil der Kühlleistung
durch direkte Kühlung erbracht werden kann, wobei insbesondere
die erfindungsgemäße Rei henschaltung des Wärmetauschers
in das direkte Kühlsystem einen energetisch günstigen
wechselweisen oder gleichzeitigen Betrieb beider Systeme ermöglicht.
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Wenn
der Sauerstoffgehalt im Innenraum immer oberhalb eines bestimmten
Schwellwertes, beispielweise 12%, gehalten wird, so kann der Innenraum
praktisch jederzeit betreten werden. Bei Abschalten der direkten
Kühlung und Öffnen einer Tür erhöht
sich der Sauerstoffgehalt allein durch natürliche Konvektion
innerhalb von wenigen Sekunden so stark, dass eine atembare Atmosphäre
vorliegt. Gegebenenfalls kann dies durch eine indirekte Kühlung mit
Umgebungsluft kurz vor und während des Aufenthaltes einer
Serviceperson im Innenraum unterstützt werden. Bei einem
Schwellwert oberhalb von 14% liegt sogar immer eine atembare Atmosphäre
vor. Es ist daher auch möglich, eine direkte Kühlung
bis zu einem Sauerstoffgehalt von z. B. 14% durchzuführen, danach
durch indirekte Kühlung das entstandene Luftgemisch im
Innenraum beliebig lange durch den Wärmetauscher umzuwälzen
und so den Innenraum durch Umluftkühlung kühl
zu halten oder weiter abzukühlen und dann direkt den Innenraum
zu betreten.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich eine Anordnung erwiesen, bei der
flüssiger Stickstoff zunächst durch eine Zuleitung
mit Auslassöffnungen dem Wärmetauscher zugeführt
wird, wobei nur ein Teil des flüssigen Stickstoffs durch
die Auslassöffnungen in den Innenraum gesprüht
wird, während der Rest in den Wärmetauscher gelangt,
diesen durchläuft und dann über eine mit Auslassöffnungen in
den Innenraum versehene Auslassleitung zur weiteren Kühlung
des Innenraumes genutzt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass
selbst bei vollständig aufgewärmten Wärmetauscher
das direkte Kühlsystem durch den aus der Zuleitung austretenden
flüssigen Stickstoff Kühlwirkung entfaltet. Der
restliche Stickstoff wird möglicherweise in dem aufgewärmten Wärmetauscher
verdampft und gelangt daher nur noch gasförmig und mit
schon erhöhter Temperatur in die Auslassleitung. Würde
man den Wärmetauscher ganz am Anfang des direkten Kühl systems
anordnen, so könnte das Kühlsystem bei aufgewärmtem Wärmetauscher
nicht sofort eine starke Kühlwirkung entfalten. Bei dieser
bevorzugten Ausführungsform kann durch Ventile und Bypassleitungen
das Verhältnis von direkt versprühtem flüssigen
Stickstoff zum Verhältnis des zunächst durch den
Wärmetauscher laufenden Stickstoffes verändert
oder sogar geregelt werden. Das System ist daher sehr flexibel an
verschiedene Situationen des Kühlbedarfs anpassbar. Sobald
der Wärmetauscher abgekühlt ist, stellt er bei weiterer
Benutzung des direkten Kühlsystems keinen Nachteil dar,
ist jedoch für eine sofortige Wirkung des indirekten Kühlsystems
verfügbar.
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Dazu
ist es natürlich am einfachsten, den Sauerstoffgehalt im
Innenraum immer so hoch zu halten, dass eine Person nach Öffnen
einer Tür direkt gefahrlos den Innenraum betreten kann.
Es kann jedoch auch Zeiträume geben, z. B. nach oder bei
längeren Pausen, bei denen es zugelassen wird, dass der
Sauerstoffgehalt im Innenraum niedriger wird. Für diesen
Fall ist es vorteilhaft, dass erfindungsgemäß alle
Türen für den Zugang von außen zum Innenraum
verriegelt werden, solange der Sauerstoffgehalt im Innenraum unter
einem vorgegebenen Zugangswert liegt.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Betriebsweise, bei der die direkte und die
indirekte Kühlphase im Wesentlichen gleichzeitig in Betrieb
sind, wobei das Verhältnis der Mengen an direkt eingesprühtem Stickstoff
und indirekter Kühlung des Luftgemisches im Innenraum in
Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Innenraum
geregelt wird, während die Kühlung insgesamt in
Abhängigkeit von der Temperatur im Innenraum geregelt wird.
Die Grundprinzipien einer solchen Regelung sind sehr einfach: Sofern die
Temperatur im Innenraum in einem gewünschten Sollbereich
liegt, findet überhaupt keine Kühlung statt. Ist
die Temperatur zu hoch, so wird solange Stickstoff eingesprüht,
bis entweder die Temperatur wieder im Sollbereich liegt oder die
Sauerstoffkonzentration unter dem vorgegebenen Schwellwert liegt.
Ist die Temperatur noch zu hoch, der Sauerstoffgehalt jedoch unter
dem Schwellwert, so wird die indirekte Kühlphase eingeleitet,
bis die Temperatur den Sollbereich erreicht.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Maßnahme, die
bei den beschriebenen Verfahren vorteilhaft zusätzlich
angewendet werden kann, aber auch unabhängig von der genauen
Verfahrensführung generell bei direkten Kühlungen
eingesetzt werden kann, ist die Möglichkeit, automatisch
oder manuell von der direkten Kühlphase ausschließlich
auf die indirekte Kühlphase mit Umgebungsluft umzuschalten,
insbesondere eine kurze Zeit, beispielweise einige Minuten vor einem
erwarteten Betreten des Innenraumes. In der Praxis bedeutet dies,
dass entweder ein Navigationssystem vor Erreichen bestimmter Ziele
die Umschaltung auslöst oder ein Fahrer eines Transporters
manuell die Umschaltung bewirkt, wenn er kurz vor einem Ziel ist,
an dem der Innenraum betreten werden muss. Dadurch ist der Innenraum
bei Erreichen des Zieles bereits wieder mit einer atembaren Atmosphäre
begehbar, ohne dass Wartezeiten auftreten.
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Dieser
Vorgang kann erfindungsgemäß durch zusätzliche
Lüftungsmittel zum Zuführen von ggf. gekühlter
Umgebungsluft in den Innenraum, z. B. Lüftungsklappen,
Ventilatoren und dergleichen unterstützt werden. Gegebenenfalls
kann die Belüftung sogar durch den Fahrtwind auf einer
letzten Teilstrecke vor dem Ziel unterstützt werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung
des Innenraumes eines Transporters für Kühlgut
weist einen Tank für flüssigen Stickstoff auf, ein
direktes Kühlsystem zum Sprühen von Stickstoff in
den Innenraum und ein indirektes Kühlsystem mit einem primärseitig
von Stickstoff gekühlten Wärmetauscher, durch
den sekundärseitig Luftgemisch aus dem Innenraum und/oder
Umgebungsluft in den Innenraum geleitet werden kann. Das direkte
und das indirekte Kühlsystem sind so verschaltet, dass
der Wärmetauscher primärseitig in Reihe mit zu mindest einem
Teil des direkten Kühlsystems schaltbar ist. Bevorzugt
sind Ventile vorhanden, die verschiedene Betriebsweisen gleichzeitig
oder separat für beide Kühlsysteme zulassen. Der
Vorteil der Reihenschaltung ist, dass der Wärmetauscher
bereits bei Benutzung des indirekten Kühlsystems vorgekühlt
wird, so dass bei Zuschaltung des indirekten Kühlsystems bzw.
bei Umschaltung auf dieses Kühlsystem sofort sehr stark
gekühltes Luftgemisch aus dem Innenraum oder gekühlte
Umgebungsluft in den Innenraum geleitet werden kann. Im Allgemeinen
hat ein Wärmetauscher genügend Wärmetauschermasse, so
dass genügend Kalte gespeichert werden kann, um einen weitgehenden
Austausch der Innenatmosphäre mit gekühlter Umgebungsluft
zu bewerkstelligen, ohne weiteren Stickstoff durch den vorgekühlten Wärmetauscher
zu leiten. Diese Betriebsweise bedeutet eine energetisch besonders
gute Ausnutzung des Kältevorrates im flüssigen
Stickstoff. Bei Bedarf sollte es jedoch möglich sein, den
Wärmetauscher so zu schalten, dass er von Stickstoff gekühlt
wird, der in die Umgebung abgeführt wird, ohne den Sauerstoffgehalt
des Innenraumes zu reduzieren.
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Wie
beschrieben ist es besonders vorteilhaft, wenn das direkte Kühlsystem
mit einem Regelkreis ausgestattet ist, dessen Regelgröße
die Sauerstoffkonzentration im Innenraum oder eine damit physikalisch
zusammenhängende Messgröße ist. Im einfachsten
Fall kann dies eine Zweipunktregelung sein, der im Allgemeinen eine
Temperaturregelung überlagert wird. Bei bekanntem Laderaumvolumen,
ggf. unter Berücksichtigung des Volumens des geladenen Kühlgutes
kann das direkte Kühlsystem auch einfach für eine
erprobte, berechnete oder experimentell bestimmte Zeitdauer bei
bekannter Menge an eingesprühtem Stickstoff pro Zeiteinheit
eingeschaltet werden, nach deren Ablauf dann auf indirekte Kühlung umgeschaltet
wird. Auch diese Vorgehensweise kann das Unterschreiten des Schwellwertes
für den Sauerstoffgehalt sicherstellen, ohne dass es einer Messung
und Regelung bedarf.
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Es
hat sich gezeigt, dass bei typischen Ladezuständen und
typischen Ladeklappen z. B. an der Rückseite eines Transporters
praktisch keine Gefährdungen für Menschen beim
Betreten des Innenraumes auftreten können, wenn bestimmte
Randbedingungen eingehalten werden. Ein verringerter Sauerstoffgehalt
im Innenraum wird beim Öffnen einer Ladeklappe relativ
schnell durch natürliche Konvektion ausgeglichen, jedenfalls
bis zu einer bestimmten Entfernung von der Ladeklappe. Außerdem
wirkt sich ein verringerter Sauerstoffgehalt nicht innerhalb von
wenigen Sekunden auf den menschlichen Organismus aus, so dass erfindungsgemäße
Kühlungen bei Einhaltung von bestimmten Erfahrungswerten
keinerlei Gefahren für das Ladepersonal bedeuten, wodurch oftmals
auf eine Regelung des Sauerstoffgehaltes ganz verzichtet werden
kann, wenn die Erfahrungswerte auf sicheren Randbedingungen basieren.
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Besonders
bevorzugt und flexibel einsetzbar ist eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der der Tank für flüssigen
Stickstoff über eine mit Auslassöffnungen versehene
Zuleitung primärseitig mit dem Wärmetauscher verbunden
ist, so dass ein Teil des dem Wärmetauscher zugeführten
flüssigen Stickstoffes schon aus der Zuleitung in den Innenraum
gesprüht werden kann, wobei der Wärmetauscher
primärseitig eine mit Auslassöffnungen versehene
Auslassleitung für Stickstoff aufweist, durch die Stickstoff nach
Durchströmen des Wärmetauschers in den Innenraum
gesprüht werden kann. Der serielle Einbau des Wärmetauschers
nach einem Teilstück des direkten Kühlsystems
hat verschiedene Vorteile. Zunächst bewirken die Auslassöffnungen
in der Zuleitung, dass auch dann bei Inbetriebnahme des direkten
Kühlsystems sofort flüssiger Stickstoff in den
Innenraum gesprüht wird, wenn der Wärmetauscher aufgewärmt
ist. Nur ein Teil des flüssigen Stickstoffs dient dann
dazu, den Wärmetauscher abzukühlen, wodurch möglicherweise
zunächst nur gasförmiger Stickstoff in die Auslassleitung
des Wärmetauschers und durch dessen Auslassöffnungen
in den Innenraum gelangt. Auf diese Weise kann sowohl eine schnelle
direkte Kühlung als auch eine energetisch günstige
Ausnutzung des Stickstoffs im direkten Kühlsystem zur Abkühlung
des Wärmetauschers erreicht werden.
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Um
grundsätzlich auch einen Betrieb nur des indirekten Kühlsystems
zu ermöglichen, können entsprechende Bypassleitungen
mit Ventilen und/oder verschließbare Auslassöffnungen
vorgesehen werden. Auch Ventile, die ein Abtauen des Wärmetauschers
ermöglichen, ohne die direkte Kühlung zu beeinflussen,
können vorgesehen werden.
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Falls
die erfindungsgemäße Regelung die Messung des
Sauerstoffgehaltes im Innenraum beinhaltet, ist es vorteilhaft,
eine Verriegelung aller Türen für den Zugang von
außen zum Innenraum vorzusehen, die von außen
nur bei einem Sauerstoffgehalt im Innenraum über einem
vorgegebenen Zugangswert lösbar ist. Die direkte Messung
des Sauerstoffgehaltes und die Feststellung einer atembaren Atmosphäre
sind sicherer als den Zugang nur von einer vorgegebenen Zeitspanne
der Belüftung abhängig zu machen.
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Die
Auslegung des Wärmestauschers kann besonders vorteilhaft
so erfolgen, dass der Wärmetauscher eine Wärmetauschermasse
aufweist, deren Wärmekapazität ausreicht, genügend
kalte Luft in den Innenraum zu blasen, um den Sauerstoffgehalt vom
niedrigsten Schwellwert bis zu einer gut atembaren Atmosphäre
zu erhöhen und für eine gewisse Zeit auch bei
mehrmaligem Öffnen und Schließen der Türen
den gewünschten Temperaturbereich einzuhalten, ohne dass
Kühlgut an seiner Außenseite aufgewärmt
wird. Die Kühlung mit direkten oder indirekten Kühlsystemen
setzt voraus, dass der Innenraum Gasauslässe, insbesondere
solche mit Rückschlagklappen aufweist, durch die Überdruck
aus dem Innenraum entweichen kann. Sofern Innenräume zusätzliche
Klappen oder Öffnungen aufweisen oder über zusätzliche
Ventilationssysteme verfügen, so können im Lieferverkehr
Zeitgewinne erreicht werden, wenn eine Belüftung durch
zusätzliches Betätigen dieser Lüftungsmittel
schon vor Erreichen eines Be- oder Entladepunktes Umgebungsluft
in den Innenraum führen, insbesondere gekühlte
Umgebungsluft. Möglicherweise kann dabei sogar der Fahrtwind
ausgenutzt werden. In Verbindung mit einem ohnehin nicht stark abgesenkten
Sauerstoffgehalt im Innenraum lässt sich so schnell eine
atembare Atmosphäre herstellen, wodurch ein sofortiges
Betreten des Innenraumes nach Erreichen des Be- oder Entladepunktes
möglich ist. Günstig ist es, wenn eine Fahrereingriffsleitung
die Ansteuerung solcher Maßnahmen von einem Führerhaus
des Transporters aus ermöglicht.
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Einzelheiten
der Erfindung sind im Folgenden beschrieben und anhand eines Ausführungsbeispiels,
auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, in der
Zeichnung dargestellt. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung
einen Transporter 1 mit einem Kühlbehälter 2,
dessen Innenraum 3 auf einer relativ zur Umgebung kälteren
Temperatur zur Lagerung von Kühlgut gehalten werden soll.
Unter dem Kühlbehälter befindet sich ein Tank 4 für
flüssigen Stickstoff, von dem aus eine Verbindungsleitung 5 in den
Innenraum 3 führt. Nach Öffnen eines
ersten Einlassventils 6 kann von dort flüssiger
Stickstoff in eine Zuleitung 7 gelangen, die Auslassöffnungen 8 in
den Innenraum 3 aufweist. Nach Öffnen eines zweiten Einlassventils 9 gelangt
flüssiger Stickstoff in einen Wärmetauscher 12,
dessen Primärseite 13 insbesondere aus einer Kühlschlange
mit einer vorgegebenen Wärmetauschermasse und vorgegebener
Wärmekapazität besteht. Über ein Auslassventil 19 gelangt
der Stickstoff in eine Auslassleitung 17 mit weiteren Auslassöffnungen 18 in
den Innenraum 3. Das auf diese Weise gebildete direkte
Kühlsystem erlaubt das Einsprühen von flüssigem
Stickstoff in den Innenraum 3, wodurch dieser sehr schnell
abgekühlt werden kann, beispielweise nach einem Be- oder
Entladevorgang. Da der Wärmetauscher 12 durch
eine Reihenschaltung in das direkte Kühlsystem eingebunden
ist, wird dieser Wärmetauscher 12 bei Betrieb
des direkten Kühlsystems auf die Temperatur des flüssigen
Stickstoffs abgekühlt. Ist der Wärmetauscher 12 bei
Inbetriebnahme des direkten Kühlsystems warm, so kann es sein,
dass zwar flüssiger Stickstoff aus den Auslassöffnungen 8 der
Zuleitung 7 in den Innenraum gelangt, jedoch aus den Auslassöffnungen 18 der
Auslassleitung 17 zunächst nur gasförmiger
Stickstoff ausgestoßen wird, weil der Wärmetauscher 12 zunächst
abgekühlt wird. Dies verringert zwar etwas die Kühlleistung
der direkten Kühlung am Anfang, führt aber bei
geeigneter Auslegung der Längen von Zuleitung 7 und
Auslassleitung 17 nicht zu Störungen. Dafür
befindet sich der Wärmetauscher 12 nach einiger Betriebszeit
des direkten Kühlsystems auf der Temperatur des flüssigen
Stickstoffs. Nunmehr kann durch das Gebläse 14,
wie mit einem Pfeil angedeutet, Umgebungsluft durch einen Umgebungslufteinlass 15 und/oder,
je nach Stellung einer Steuerklappe 32, Luftgemisch aus
dem Innenraum 3 durch den Wärmetauscher 12 in
den Innenraum 3 eingeblasen werden. Dies kann nach Abschaltung
des direkten Kühlsystems erfolgen, weil die Wärmetauschermasse
des Wärmetauschers 12 genügend Kälteenergie für
eine gewisse Betriebszeit des Gebläses 14 enthält,
beispielsweise eine Wärmekapazität von 100 kJ bis
5000 kJ, vorzugsweise von 200 bis 1000 kJ, aufweist. Durch eine
Bypassleitung 10 und ein Bypassventil 11 sowie
ein Abblasventil 16 kann bei Abschaltung des ersten Einlassventils 6 und
des zweiten Einlassventils 9 sowie des Auslassventils 19 auch
eine dauerhafte indirekte Kühlung durchgeführt
werden, wobei der Wärmetauscher aus dem Tank mit flüssigem
Stickstoff versorgt wird, ohne dass Stickstoff in den Innenraum 3 gesprüht
wird. Insgesamt ermöglicht die beispielhaft dargestellte
Anordnung der Ventile verschiedene sehr flexible Betriebsweisen
von direktem und indirektem Kühlsystem gleichzeitig oder wahlweise,
wobei die indirekte Kühlung eine Art Umluftkühlung
sein kann oder bei Bedarf gekühlte Außenluft in
den Innenraum zur Erhöhung des Sauerstoffgehaltes führt.
Auch Kombinationen sind möglich, je nachdem, ob die Steuerklappe 32 nur
einen Weg freigibt oder zwei Wege teilweise öffnet. Durch Schaltung
der Ventile in bestimmten Intervallen oder durch in ihrem Durchfluss
regelbare Ventile lässt sich sogar ein bestimmtes Verhältnis
der direkten zur indirekten Kühlung einstellen.
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Zur
Steuerung bzw. Regelung der Kühlung dient eine Steuer-
und Regeleinheit 20, die mit ihren Verbindungsleitungen
schematisch angedeutet ist. Sie ist mit mindestens einem Sauerstofffühler 21 und mindestens
einem Temperaturfehler 22 verbunden. Aus den gemessenen
Werten der Temperatur und des Sauerstoffgehaltes werden entsprechende
Steuerbefehle erzeugt, die über Ventilsteuerleitungen 23 zu
den jeweiligen Ventilen bzw. der Steuerklappe 32 gelangen.
Auch das Gebläse 14 kann so gesteuert werden.
Eine typische Struktur der Regelung sieht vor, dass bei zu hoher
Temperatur T mindestens eines der beiden Kühlsysteme in
Betrieb genommen werden muss. Bei geöffneter Tür
oder bei einem Sauerstoffgehalt unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes
kann dies nur das indirekte Kühlsystem sein. Dieses wird
dann so lange betrieben bis die Temperatur in einem gewünschten
Sollbereich liegt. Bei geschlossener Tür und einem Sauerstoffgehalt
oberhalb des Schwellwertes ist der Betrieb des direkten Kühlsystems
oft günstiger und wird daher bei zu hoher Temperatur angesteuert.
Sinkt der Sauerstoffgehalt unter den Schwellwert bei noch zu hoher
Temperatur, so wird auf das indirekte Kühlsystem umgeschaltet
oder dieses zumindest zugeschaltet.
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Die
im vorliegenden Ausführungsbeispiel beschriebene Verschaltung
und Anordnung der Ventile erlaubt verschiedene Betriebsweisen, bei
denen es jedoch immer möglich ist, einen Sauerstoffgehalt oberhalb
einer vorgegebenen Schwelle aufrecht zu erhalten. Wird diese Schwelle
geeignet gewählt, so kann der Innenraum jederzeit oder
zumindest nach einer nur kurzen Belüftungsphase betreten
werden. Trotzdem kann das schnell wirkende direkte Kühlsystem
in großem Umfang eingesetzt werden. Dies kann noch dadurch
verbessert werden, dass für bestimmte vorgegebene Zeiträume,
in denen kein Betreten des Innenraumes 3 erforderlich ist,
der Schwellwert des Sauerstoffgehaltes abgesenkt wird. Dies kann
sinnvoll sein beispielweise zur Schonung der Fahrzeugbatterie bei
einer nächtlichen Lagerung des Kühlgutes oder
bei besonders langen Fahrstrecken zwischen zwei Be- oder Entladepunkten.
Zur Sicherheit wird eine Türverriegelung 28 vorgesehen,
die ein Öffnen einer Tür 31 von außen
nur dann zulässt, wenn der Sauerstoffgehalt im Innenraum 3 oberhalb
eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. Als zusätzliche Verbesserung
kann auch noch eine Fahrereingriffsschaltung 24 vorgesehen
werden, mit der ein Fahrer des Transporters 1 kurz vor
Erreichen eines Be- oder Entladepunktes manuell die Herstellung
einer atembaren Atmosphäre im Innenraum 3 einleitet.
Natürlich kann die Einleitung solcher Maßnahmen
auch automatisiert werden, beispielweise unter Einsatz eines Navigationssystems,
welches die Annäherung an ein Ziel erkennt. Der Kühlbehälter 2 kann
auch zusätzliche steuerbare Lüftungsmittel aufweisen,
beispielweise eine Luftklappe 25 oder eine Auslassklappe 26,
die über Luftklappensteuerleitungen 27 zur Unterstützung
der schnellen Herstellung einer atembaren Atmosphäre eingesetzt
werden können. Das Gesamtsystem soll generell geeignet
sein und so betrieben werden, dass selbst bei kurz aufeinander folgenden
Be- und Entladevorgängen gelagertes Kühlgut 30 nicht
angetaut wird. Die Bedingungen hierfür sind sehr unterschiedlich,
je nachdem ob der Innenraum 3 ganz mit Kühlgut 30 gefüllt
oder beispielweise fast leer ist. Die beschriebene und zur Regelung
erforderliche Instrumentierung mit Sensoren ermöglicht in
Verbindung mit der Messung der zugeführten Mengen an flüssigem
Stickstoff und/oder der Gebläseleistung eine gute Anpassung
an den jeweiligen Ladezustand. Fällt beispielweise der
Sauerstoffgehalt bei direkter Einspritzung einer bestimmten Menge
an flüssigem Stickstoff pro Zeiteinheit sehr schnell ab,
so kann daraus auf ein großes Volumen der vorhandenen Ladung
geschlossen werden. Auch aus dem Temperaturverlauf in verschiedenen
Kühlphasen und Aufwärmehasen können Rückschlüsse
auf die Ladung und deren Oberfläche erfolgen. Dies ermöglicht eine
Anpassung der Steuer- und Regeleinheit an verschiedene Zustande
oder sogar ein selbstlernendes System.
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Insgesamt
ermöglicht die vorliegende Erfindung eine besonders effektive
Ausnutzung eines Vorrats an flüssigem Stickstoff zur Kühlung
des Innenraums 3 eines Kühlbehälters 2 auf
einem Transporter 1. Die Verwendung des Sauerstoffgehaltes
als Regelgröße erhöht die Sicherheit
des Bedienpersonals trotz Verwendung eines direkten Kühlsystems
als bevorzugtes System.
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- 1
- Transporter
- 2
- Kühlbehälter
- 3
- Innenraum
- 4
- Tank
für flüssigen Stickstoff
- 5
- Verbindungsleitung
- 6
- erstes
Einlassventil
- 7
- Zuleitung
- 8
- Auslassleitung
- 9
- zweites
Einlassventil
- 10
- Bypassleitung
- 11
- Bypassventil
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Primärseite
mit Wärmetauschermasse
- 14
- Gebläse
- 15
- Umgebungslufteinlass
- 16
- Abblasventil
- 17
- Auslassleitung
- 18
- Auslassöffnungen
- 19
- Auslassventil
- 20
- Steuer-
und Regeleinheit
- 21
- Sauerstoffsensor
- 22
- Temperatursensor
- 23
- Ventilsteuerleitungen
- 24
- Fahrereingriffsschaltung
- 25
- Luftklappe
- 26
- Auslassklappe
- 27
- Luftklappensteuerleitung
- 28
- Türverriegelung
- 29
- Entriegelungsleitung
- 30
- Kühlgut
- 31
- Tür
- 32
- Steuerklappe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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