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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Das
Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft Steuerungssysteme für Transportkühlsysteme. Insbesondere
ist die vorliegende Erfindung auf ein Maximieren der Kühlkapazität des Systems
durch Anpassen der Überhitzungseinstellung
des Expansionsventils gerichtet, wenn die Antriebs-Leistungsfähigkeit
für das
System beschränkt
ist.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Ein
Transportkühlsystem,
das zum Steuern geschlossener Bereiche verwendet wird, beispielsweise
des Behälters,
der bei Lastwägen,
Anhängern, Containern
oder ähnlichen
intermodularen Einheiten verwendet wird, arbeitet mit einem Absorbieren
von Wärme
von dem geschlossenen Bereich und einem Abgeben der Wärme außerhalb
des Behälters
an die Umwelt. Ein Problem, das den Konstrukteuren derartiger Systeme
mit den steigenden Umweltschutzanforderungen und ökonomischen
Anforderungen auferlegt wird, ist, dass steigende funktionale Anforderungen
an das System gestellt werden, während gleichzeitig
die Beschränkungen
für die
Leistungsversorgung für
das System gleichermaßen
steigen.
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Bestehende
Transportkühlsysteme
lehren die Fähigkeit,
einen Heißgasheizzyklus
und einen Heißgasabtauzyklus
eines Transportkühlsystems
zu verbessern, während
die Abhängigkeit
von der in den Akkumulatortank des Systems absorbierten Wärmemenge
reduziert wird. Beispielsweise diskutiert das US-Patent 4 903 495
(Howland et al.) ein System, bei dem. das normale thermostatische
Expansionsventil (TXV) eines Transportkühlsystems durch einen TXV-Typ
ersetzt wird, der eine Druckbegrenzeinrichtung aufweist. Dieser
Ventiltyp schließt,
wenn ein vorbestimmter maximal gewünschter Betriebsdruck erreicht
wird und ist als ein Maximalarbeitsdruckventil (maximum operating
pressure valve) oder "MOP"-Ventil bekannt.
Jedoch haben derartige Vorrichtungen die Verwendung von komplizierten
zusätzlichen
Geräten
zur Folge, einschließlich
des Hinzufügens
eines Sekundärkondensators
und eines Leitens eines Massestroms durch einen Kondensator. Zusätzlich sind
derartige Konfigurationen nicht auf das Steuern des Transportkühlsystems
gerichtet, um gleichzeitig die Kühlmittelströmung an
dem Expansionsventil zu steuern, um die Leistungsaufnahme zu begrenzen,
während
die Abnahme der Systemkühlkapazität minimiert
wird.
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Ein
weiteres Klimatisierungssystem ist in GB-A-2 287 783 beschrieben.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben das Erfordernis nach einem
gesteuerten Transportkühlsystem
erkannt, das die Massestromrate eines Kühlmittels durch das System
begrenzt, während gleichzeitig
eine deutliche Abnahme der Kühlkapazität vermieden
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Optimieren der Kühlkapazität bei einer
Kühleinheit,
wie in Anspruch 1 beansprucht ist.
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Das
bevorzugte Steuerungsverfahren dieser Erfindung schafft eine Kühleinheit
für ein
Transportsystem mit einer Steuerungseinrichtung zum Überwachen
und Beschränken
der Leistungsaufnahme durch Beschränken der Massestromrate des
Kühlmittels.
Speziell hat das System gewisse Leistungsversorgungsbeschränkungen
(d.h. die Konstruktionsbeschränkungen
des Permanentmagnetgenerators, während
im Dieselmodus gearbeitet wird, oder die Beschränkungen der Gebäudestromversorgung
im elektrischen Modus), die von einem Algorithmus beachtet werden,
der durch den Mikroprozessor der Systemsteuerungseinrichtung implementiert
wird. Dieser Algorithmus überwacht
die Leistung (und die Massestromrate) über den von dem System aufgenommenen elektrischen
Strom indirekt. Immer wenn der von dem System aufgenommene Strom
eine gewisse vorbestimmte Grenze überschreitet, gibt die Steuerungseinrichtung
ein Signal aus, das die Massestromrate des Systems reduziert, um
den von dem System aufgenommenen Strom zu reduzieren.
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Ohne
die Steuerungseinrichtung der vorliegenden Erfindung müsste die
Steuerungseinrichtung den Massestrom durch allmähliches Schließen des Ansaugmodulationsventils
(oder "SMV") reduzieren, bis
der Strom unter eine vorausgewählte
Grenze gefallen ist. Jedoch führt
die niedrigere Massestromrate, die durch die Beschränkung verursacht
wird, die durch das SMV auferlegt wird, zusätzlich zu der niedrigeren Leistungsaufnahme
zu einem deutlichen Abfall der Kühlkapazität.
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Die
Rechtsinhaber haben herausgefunden, dass ein Beschränken der
Kühlmittelströmung an dem
Expansionsventil (d.h. vor dem Verdampfereinlass) zu einer vergleichbaren
Reduzierung der Leistungsaufnahme bei einem geringeren Abfall der
Systemkühlkapazität führt. Daher
erhöht
der Steuerungsalgorithmus der vorliegenden Erfindung, wenn die Stromaufnahme
des Systems vorausgewählte Grenzen überschreitet,
die gewünschte Überhitzungseinstellung,
was verursacht, dass das Expansionsventil schließt, und so die Kühlmittelströmung beschränkt und
die Leistungsaufnahme reduziert. Vorzugsweise fährt die Steuerungseinrichtung
fort, die gewünschte Überhitzung
zu erhöhen,
bis entweder die Stromaufnahme unter die Grenze fällt oder
eine maximale Überhitzungseinstellung
erreicht wird.
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Sobald
der von dem System aufgenommene Strom unter die vorausgewählte Grenze
um einen festgelegten Betrag fällt,
gibt die Steuerungseinrichtung weitere Signale aus, die allmählich die
gewünschte Überhitzung
verringern, um die Kapazität zu
maximieren. Derartige weitere Steuerungssignale reduzieren vorzugsweise
die gewünschte Überhitzung
auf ihren ursprünglichen
Grundwert zurück,
solange die Stromaufnahme von dem System innerhalb akzeptabler Niveaus
bleibt. Höchst
vorzugsweise maximiert die Implementierung dieser Steuerungseinrichtungen
die Position des Ansaugmodulationsventils, um so die Kühlkapazität bei Leistungsbeschränkungsbedingungen
zu maximieren.
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Demgemäß ist ein
Ziel der vorliegenden Erfindung, in zumindest einer bevorzugten
Ausführungsform,
für die
Optimierung der Kühlkapazität bei Leistungsbeschränkungsbedingungen
zu sorgen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in mindestens einer bevorzugten
Ausführungsform ist,
die Kühlkapazität bei Leistungsbeschränkungsbedingungen
durch Steuern des Expansionsventils zu optimieren.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in mindestens einer
bevorzugten Ausführungsform
ist, ein Verfahren und ein System zum Optimieren der Kühlkapazität eines
Systems bei Leistungsbeschränkungsbedingungen
zu optimieren, während
die Beschränkung
des Ansaugmodulationsventils minimiert oder begrenzt wird.
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Diese
und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden im Lichte der folgenden detaillierten Beschreibung einer
besten Ausführungsform
davon und wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist,
ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
einen Schaltplan des Transportkühlsystems
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
einen Blockschaltplan einer ersten bevorzugten Ausführungsform
einer Steuerungseinrichtung der vorliegenden Erfindung; und
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2a zeigt
einen Blockschaltplan einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
einer Steuerungseinrichtung der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung, die das Thema der vorliegenden Anmeldung ist, ist eine
aus einer Reihe von Anmeldungen, die sich mit der Konstruktion und
der Steuerung eines Transportkühlsystems
beschäftigen,
wobei die anderen ebenfalls anhängigen
Anmeldungen umfassen: "Voltage
Control Using Engine Speed" (
US 6 226 998 ); "Economy Mode For
Transport Refrigeration Units" (
US 6 044 651 ); "Compressor Operating
Envelope Management" (
US 6 301 911 ); "High Engine Coolant
Temperature Control" (
US 6 148 627 ); "Generator Power Management" (
US 6 196 012 ); und "Electronic Expansion
Valve Control Without Pressure Sensor Reading" (
US
6 148 627 ). Diese Erfindungen sind höchst vorzugsweise für die Verwendung
in Transportkühlsystemen des
Typs konstruiert, der in ebenfalls anhängigen Anmeldungen mit den
Titeln "Electrically
Powered Trailer Refrigeration Unit With Integrally Mounted Diesel Driven
Permanent Magnet Generator" (
US 6 223 546 ) und "Transport Refrigeration
Unit With Synchronous Generator Power System" (
EP
1 046 525 ) beschrieben ist.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Transportkühlsystems 100 der
vorliegenden Erfindung. Das Kühlmittel
(das in der höchst
bevorzugten Ausführungsform
R404A ist) wird verwendet, um die Behälterluft (d.h. die Luft in
dem Container, Anhänger
oder Lastwagen) des Kühltransportsystems 100 zu
kühlen,
es wird zuerst mittels eines Verdichters 116 verdichtet,
der von einem Motor 118 angetrieben wird, der höchst vorzugsweise
ein integrierter elektrischer Antriebsmotor ist, der von einem Synchrongenerator 120 versorgt
wird, der bei einer niedrigen Drehzahl (höchst vorzugsweise 45 Hz) oder
einer hohen Drehzahl (höchst
vorzugsweise 65 Hz) arbeitet. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht jedoch vor, dass der Motor 118 eine
Dieselmaschine ist, höchst
vorzugsweise eine Vierzylinder-Dieselmaschine mit 2200 cm3 Hubraum, die vorzugsweise bei einer hohen Drehzahl
(ca. 1950 s–1)
oder bei einer niedrigen Drehzahl (ca. 1350 s–1)
arbeitet. Der Motor oder die Maschine 118 treibt höchst vorzugsweise
einen Sechszylinder-Verdichter 116 mit einem Hubraum von
600 cm3 an, wobei der Verdichter 116 ferner
zwei Entlastungseinrichtungen hat, die je für ein selektives Entlasten
eines Paars von Zylindern bei selektiven Betriebsbedingungen vorgesehen
sind. Im Kondensator wird das Kühlmittel
(vorzugsweise im dampfförmigen Zustand)
auf eine höhere
Temperatur und einen höheren
Druck komprimiert. Das Kühlmittel
bewegt sich dann zu dem luftgekühlten
Kondensator 114, der eine Mehrzahl von Kondensatorwindungen
mit Lamellen und Rohren 122 aufweist, die Luft erhalten,
die typischerweise mittels eines Kondensatorgebläses (nicht gezeigt) angeblasen
wird. Durch Entziehen der latenten Wärme durch diesen Schritt kondensiert
das Kühlmittel
zu einer Flüssigkeit
mit einem hohen Druck/einer hohen Temperatur und strömt zu einer Aufnahmeeinrichtung 132,
die eine Speichereinrichtung für überschüssiges flüssiges Kühlmittel
während des
Niedertemperaturbetriebs bereitstellt. Von der Aufnahmeeinrichtung 132 strömt das Kühlmittel durch
eine Unterkühlungseinheit 140,
dann zu einer Filtertrocknungseinrichtung 124, die das
Kühlmittel sauber
und trocken hält,
und dann zu einem Wärmetauscher 142,
der die Unterkühlung
des Kühlmittels erhöht.
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Schließlich strömt das Kühlmittel
zu einem elektronischen Expansionsventil 144 (das "EXV"). Während das
flüssige
Kühlmittel
durch die Öffnung des
EXV strömt,
verdampft zumindest ein Teil davon. Das Kühlmittel strömt dann
durch die Rohre oder die Windungen 126 des Verdampfers 112,
der Wärme von
der Rücklaufluft
absorbiert (d.h. Luft, die von dem Behälter zurückkehrt) und verdampft dabei
das verbleibende flüssige
Kühlmittel.
Die Rücklaufluft
wird vorzugsweise von mindestens einem Verdampfergebläse (nicht
gezeigt) über
die Rohre oder die Windungen 126 gesaugt oder gedrückt. Der
Kühlmitteldampf
wird dann durch ein Ansaugmodulationsventil (oder "SMV") von dem Wärmetauscher 112 zurück in den
Verdichter gesaugt.
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Viele
der Punkte in dem Transportkühlsystem
werden von einer Steuerungseinrichtung 150 überwacht
und gesteuert. Wie in 2 und 2A gezeigt
ist, weist die Steuerungseinrichtung 150 vorzugsweise einen
Mikroprozessor 154 und seinen zugeordneten Speicher 156 auf.
Der Speicher 156 der Steuerungseinrichtung 150 kann
vom Betreiber oder vom Besitzer vorausgewählte, gewünschte Werte für verschiedene
Betriebsparameter in dem System enthalten, die den Temperatursollwert
für verschiedene Stellen
in dem System 100 oder dem Behälter, Druckgrenzwerte, Stromgrenzwerte,
Maschinendrehzahlgrenz werte oder eine beliebige Vielfalt anderer
gewünschter
Betriebsparameter oder Grenzwerte in dem System 100 umfassen,
aber nicht darauf beschränkt
sind. Die Steuerungseinrichtung 150 weist vorzugsweise
eine Mikroprozessorplatine 160 auf, die den Mikroprozessor 154,
den Speicher 156 und eine Eingabe/Ausgabe- (I/O-) Platine 162 enthält, die einen
Analog/Digital-Umsetzer 156 enthält, der Temperatureingangssignale
und Druckeingangssignale von verschiedenen Punkten in dem System,
Wechselstromeingangssignale, Gleichstromeingangssignale, Spannungseingangssignale
und Feuchtigkeitsniveau-Eingangssignale erhält. Zusätzlich weist die I/O-Platine 162 Treiberschaltungen
oder Feldeffekttransistoren ("FETs") auf, die Signale
oder Strom von der Steuerungseinrichtung 150 erhalten und
wiederum verschiedene externe oder periphere Vorrichtungen in dem
System 100, beispielsweise das SMV 130 und das
EXV 144, steuern.
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Zu
den speziellen Sensoren und Messwandlern, die höchst vorzugsweise von der Steuerungseinrichtung 150 überwacht
werden, gehören:
der Rücklufttemperatursensor
(RAT-Sensor), der einen variablen Widerstandswert gemäß der Verdampferrücklauflufttemperatur
in den Prozessor 154 einspeist, die Umgebungslufttemperatur
(AAT), die einen variablen Widerstandswert gemäß der Umgebungslufttemperatur,
die vor dem Kondensator 114 gemessen wird, in den Mikroprozessor 154 einspeist; der
Verdichteransaugtemperatursensor (CST-Sensor), der einen variablen
Widerstandswert gemäß der Verdichteransaugtemperatur
in den Mikroprozessor einspeist; der Verdichterabgabetemperatursensor (CDT-Sensor),
der einen Widerstandswert gemäß der Verdichterabgabetemperatur
in dem Zylinderkopf des Verdichters 116 in den Mikroprozessor 154 einspeist;
der Verdampferauslasstemperatursensor (EVOT-Sensor), der einen variablen
Widerstandswert gemäß der Auslasstemperatur
des Verdampfers 112 in den Mikroprozessor 154 einspeist;
der Generatortemperatursensor (GENT-Sensor), der einen Widerstandswert
gemäß der Generatortemperatur
in den Mikroprozessor 154 einspeist; der Maschinenkühlmitteltemperatursensor
(ENCT-Sensor), der einen variablen Widerstandswert gemäß der Maschinenkühlmitteltemperatur
der Maschine 118 in den Mikroprozessor 154 einspeist;
der Verdichteransaugdruckmesswandler (CSP-Messwandler), der einen variablen
Widerstandswert gemäß dem Verdichteransaugwert
des Ver dichters 116 in den Mikroprozessor 154 einspeist;
der Verdichterabgabedruckmesswandler (CDP-Messwandler), der einen
variablen Widerstandswert gemäß dem Verdichterabgabewert des
Verdichters 116 in den Mikroprozessor 154 einspeist;
der Verdampferauslassdruckmesswandler (EVOP-Messwandler), der einen
variablen Widerstandswert gemäß dem Verdampferauslassdruck oder
dem Verdampfer 112 in den Mikroprozessor 154 einspeist;
einen Maschinenöldruckschalter
(ENOPS), der einen Maschinenöldruckwert
von der Maschine 118 in den Mikroprozessor 154 einspeist;
und einen Maschinendrehzahlmesswandler (ENRPM-Messwandler), der
einen variablen Widerstandswert gemäß der Maschinendrehzahl der
Maschine 118 in den Mikroprozessor 154 einspeist.
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Bei
der vorliegenden Erfindung überwacht und
bestimmt die Steuerungseinrichtung 150, ob der aus dem
System aufgenommene Strom den Stromgrenzwert (und daher den Leistungsgrenzwert)
des Systems 100 überschreitet.
Bei der höchst
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist dieser Stromgrenzwert ca. 25 A. Folglich
erfordert die Implementierung der vorliegenden Erfindung ein Stromsensoreingangssignal
(CT2-Eingangssignal) an der I/O-Platine 156, der die Stromaufnahme
von dem System widerspiegelt. Dieser Wert wird an den Mikroprozessor 154 weitergeleitet,
der diesen Stromaufnahmewert mit einem vorausgewählten Stromaufnahmegrenzwert
vergleicht, der im Speicher 156 gespeichert ist.
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Falls
der Stromaufnahmewert den vorausgewählten Grenzwert überschreitet,
implementiert der Mikroprozessor 154 einen Algorithmus,
der das bereits in dem Speicher gespeicherte gewünschte Überhitzungsniveau erhöht. Folglich
gibt der Mikroprozessor (über
die Treiberschaltung 162) ein Steuersignal aus, das allmählich das
Expansionsventil 144 schließt, um das gewünschte Überhitzungsniveau
zu erreichen. Dieses Schließen
des Expansionsventils 144 beschränkt die Massestromrate des Kühlmittels,
das durch den Verdampfer 112 strömt, und führt schließlich zu einer niedrigeren
Strömungsrate,
die durch den Verdichter 116 bewältigt wird, was folglich den
Leistungsverbrauch und die Stromaufnahme aus dem System reduziert.
Das gewünschte Überhitzungsniveau
wird ferner durch die Steuerungseinrichtung 150 erhöht, bis
entweder:
- a) die erfasste und in die Steuerungseinrichtung eingespeiste
Stromaufnahme unter einen akzeptablen Grenzwert (vorzugsweise mindestens
1 A unter den Stromgrenzwert des Systems) fällt; oder b) bis das Überhitzungsniveau
einen vorausgewählten
Grenzwert erreicht.
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Sobald
die in die Steuerungseinrichtung 150 eingespeiste Stromaufnahme
unter einen akzeptablen Grenzwert fällt, fährt der Algorithmus in der
Steuerungseinrichtung 150 fort, allmählich das gewünschte Überhitzungsniveau
zu verringern, um die Kühlkapazität des Systems 100 zu
maximieren. Die gewünschte Überhitzung
kann reduziert werden, bis sie ihren ursprünglichen Ausgangswert erreicht,
wie er in dem Speicher 156 der Steuerungseinrichtung 150 gespeichert
ist. Solange die Erhöhung
der Überhitzung
zu einer Abnahme der Stromaufnahme unter den Systemgrenzwert führt, kann
folglich das System die Kühlkapazität bei Leistungsbeschränkungsbedingungen
durch Vermeiden eines unnötigen
Schließens
des Ansaugmodulationsventils 144 vermeiden.