JP2020504667A - 空気乾燥機の加熱器の最適制御 - Google Patents

空気乾燥機の加熱器の最適制御 Download PDF

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Abstract

空気乾燥機は、低温時の凍結を防止するため、注入及び排出バルブと関連するヒーターを有する。空気乾燥機は、温度が所定の閾値より低下したとき、ヒーターがバルブブロックを十分に温めるまで、バルブの動作を抑制するバルブブロック及び制御部と関連する温度センサを含む。ヒーターの過熱を防止するため、制御部は、注入空気温度を増加させるヒーターの負荷サイクルを調節する。

Description

本発明は、鉄道用空気システム空気乾燥機に関し、より具体的には、バルブブロックヒーター制御システムを備える空気乾燥機である。
典型的な“ツインタワー”の乾燥型の空気乾燥機は、バルブにより制御される2つの乾燥回路を有する。多湿の流入空気が水分を除くため、一の回路に流れ、一方、乾燥された空気が、他方の回路に逆流し、水分が堆積された乾燥剤を再生する。各圧縮空気の回路の注入及び排出バルブは、一方の回路を再生している間に、他方の回路が常に乾燥しているように、2つの回路間の空気の流れを切り替えるため、制御電子機器に応答する。空気乾燥機は、乾燥回路の上流に配置された水分離器および/またはコアレッサーとともに、濾過前段部を含んでもよい。濾過前段部は、機関車空気圧縮機による周囲空気の圧縮の結果として、空気供給システム内に蓄積された液相およびエアロゾル水および油を除去する。濾過前段部は、蓄積した液体を定期的にパージするために使用されるドレインバルブを含む。例えば、典型的な濾過前段部ドレインバルブ作動サイクルは、2分毎に2秒間パージ(開く)を命令してもよい。
鉄道車両用の空気乾燥機は、−40℃〜0℃の凍結温度で運転しなければならない。さらに、空気乾燥機を通る冷気の流れは、乾燥機に著しい冷却負荷を与える。なぜなら、空気乾燥機の注入口の段階を流れる空気は水分を含むため、乾燥機の制御バルブが凍結することがある。氷形成を軽減するためにバルブ要素を温めるためにヒーター素子が設けられる。しかしながら、高い空気流速で、−40℃での凍結を防止するのに十分な電力のヒーターは、より高い空気温度(例えば、0℃付近)では高すぎる熱を供給する可能性がある。その結果、バルブブロックが温度コントローラによって感知されるのに十分に加熱される前に、ヒーター素子が過熱される可能性がある。したがって、より高い温度で過熱することなく、極めて低温で十分な熱を供給することができる空気乾燥機ヒーター制御システムが、本技術分野において必要とされている。
本発明は、0℃近くの凍結温度で過熱しないように、非常に低い温度および高い空気流量での凍結を防止するのに十分な熱を提供するために、鉄道の空気乾燥機のヒータへの電力を調節するシステムおよび方法である。本発明の空気乾燥機は、供給される圧縮空気を受け入れる注入口と、対応する一対の乾燥塔を通る圧縮空気の動きを制御するため、バルブブロック内に設置される、一対の注入バルブ及び対応する一対の排出バルブと、前記バルブブロックを加温するヒーターと、
前記バルブブロックの温度を示す信号を出力する温度センサと、前記注入バルブ及び前記排出バルブと、前記ヒーターと、前記温度センサと相互接続され、前記バルブブロックの前記温度が第1の所定閾値より低いか否かを判定し、低い場合には、前記バルブブロックの前記温度が第2の所定閾値になるまで、前記注入バルブ及び前記排出バルブの動作を抑制するようにプログラムされる制御部とを備える。前記制御部は、前記バルブブロックの前記温度が前記第1の所定閾値よりも低い場合、前記バルブブロックの前記温度が前記第2の所定閾値を上回るまで、前記ヒーターを動作させるようにプログラムされ、前記制御部は、前記バルブブロックの前記温度が、前記第2の所定閾値より高い場合に、単に前記注入バルブ及び前記排出バルブを動作させるようにプログラムされる。第2温度センサは、前記制御装置と相互接続され、前記注入口の前記圧縮空気の温度を示す信号を出力するため、前記注入口に設置されてもよい。前記制御部は、前記注入口の前記圧縮空気の前記温度に応じて前記ヒーターを動作させるようにプログラムされてもよい。例えば、制御部は、前記注入口の前記圧縮空気の前記温度が、第1の範囲内となったとき、全負荷サイクルに従い、また、前記注入口の前記圧縮空気の前記温度が、前記第2の範囲内となったとき、減少負荷サイクルに従うように、前記ヒーターを動作させるようにプログラムされてもよい。制御部は、さらに、正規化入力電圧に従って、前記ヒーターを動作させるようにプログラムされてもよい。前記制御部は、仮に、前記注入口の前記圧縮空気が所定温度を下回り、前記一対の乾燥塔間の前記圧縮空気の動きが切り替えられたとき、前記注入バルブと対応し、動作の切り替えの際に開かれる前記排出バルブが開くのを遅延させるようにプログラムされてもよい。
本発明は、乾燥空気バルブの凍結防止の方法を含み、圧縮空気の供給を受け入れる注入口と、バルブブロックに配置される一対の注入バルブ及び対応する一対の排出バルブと、バルブブロックを加温するヒーターと、前記バルブブロックの温度を示す信号を出力する温度センサとを備える空気乾燥機を利用する。この方法は、前記バルブブロックの温度が前記第1の所定の閾値以下であるか否かを判定し、低い場合、前記バルブブロックの前記温度が第2の所定閾値になるまで、前記注入バルブ及び前記排出バルブの動作を抑制するステップを含む。この方法は、前記バルブブロックの前記温度が前記第1の所定閾値より低い場合、前記バルブブロックの前記温度が前記第2の所定の閾値より上回るまで、ヒーターを動作させるステップを含んでもよい。第2の温度センサが、前記制御部と相互に接続されるとき、この方法は、前記ヒーターを前記注入口の前記圧縮空気の前記温度に応じて動作させるステップを含んでもよい。例えば前記注入口の前記圧縮空気の前記温度に応じて、前記ヒーターを動作させるステップは、前記注入口内の前記圧縮空気の前記温度が第1の範囲内になると、全負荷サイクルに従い前記ヒーターを動作させ、前記注入口の前記温度が第2の範囲内になると、減少負荷サイクルで動作させることを含む。その方法は、正規化入力電圧に従って、前記ヒーターを動作させるステップをさらに含んでもよい。その方法は、仮に、前記注入口の前記圧縮空気が所定温度を下回り、一対の乾燥塔管動作の前記圧縮空気の動きが切り替えられたとき、前記注入バルブと対応し、する前記排出バルブを開くことを遅延させるステップをさらに含んでもよい。
図1は、本発明に係る過熱バルブブロックを有する空気乾燥機を備える機関車空気供給システムを示す概略図である。 図2は、本発明に係る不可欠な濾過前段部及び加温されたバルブブロックを備える空気乾燥機を示す概略図である。 図3は、本発明に係る濾過前段部の空気乾燥機の加温されたバルブブロックの概略図である。 図4は、加温されたバルブブロックを備える空気乾燥機のヒーター制御の過程のフローチャートである。
本発明は、添付の図面と合わせて以下の詳細な説明を読むことで、より十分に理解され、認識されるであろう。
図面について、類似部に対し、類似の番号を付す。図1に示すように、機関車空気システム10は、空気圧縮機12と、最終冷却器14と、第1及び第2の主容器MR1,MR2と、詳しく後述する本発明に従って制御されるヒーターを有する2塔乾燥剤空気乾燥機16とを備える。第2の主容器MR2は、制動システム18と対となり、逆止めバルブ20は、第1及び第2の主容器MR1,MR2間に配置される。濾過前段部22は、空気乾燥機16と関連し、ドレインバルブのパージサイクルタイムに従って動作されるドレインバルブ24を有する。
図2に示すように、2塔乾燥剤空気乾燥機16は、第1の主容器MR1から空気を受け入れる注入口28を備える。注入口28は、濾過前段部22と通信可能であり、図示するように、水分離器32と、粗コアレッサー34と、細コアレッサー36とを備える。水分離機32、粗コアレッサー34及び細コアレッサー36に堆積された全ての液体は、ドレインバルブ24に排出される。一対の注入バルブ42及び44は、2つの進路から入る空気をそらすための濾過前段部22の下流に配置され、それぞれ乾燥塔46,48のうちの1つと関連する。温度センサ50は、注入バルブ42及び44の上流、かつ、濾過前段部22の下流に配置される。任意で、温度センサ50、又は、第2の温度センサ76は一連のバルブが収納されるバルブブロックに配置されてもよい。第1の注入バルブ42の下流の第1の進路は、排出バルブ52及び第1の乾燥塔46に接続される。第2の注入バルブ44の下流の第2の進路は、第2の排出バルブ54及び第2の乾燥塔48に接続される。第1の進路は、さらに、第1の乾燥塔46の下流に、第1の逆止めバルブ58及び第1の迂回口62を備える。また、第2の進路は、さらに、第2乾燥塔48の下流に、第2の逆止めバルブ60及び第2の迂回口64を備える。一の排気口66は、第1及び第2の進路の端部と対となり、排気口66の上流に湿度センサ68が設置される。注入バルブ42及び44と、排出バルブ52及び54とは、制御部40に導かれる。制御部40は、注入バルブ42及び44と、排出バルブ52及び54とを動作し、それにより、注入口28に供給された圧縮空気が、直接、乾燥されるため、乾燥塔46又は48のいずれかに導かれる。他方の乾燥塔46又は48は、必要に応じて、迂回口62又は64、及び他の排出バルブ52又は54を介して還流が許可された乾燥空気を再生してもよい。制御部40は、また、温度センサ50、温度センサ76及び湿度センサ68と通信可能である。
ヒーター素子70は、電解効果トランジスタ(FET)、ソリッドステートリレー、又は、電気‐機械式継電器、を介して制御部40と結合されてもよく、また、温度が氷点下より低くなった場合、ドレインバルブ24と、注入バルブ42及び44と、排出バルブ52,54を加温するため、空気乾燥機16に配置される。ヒーター素子70は、空気乾燥機16の最低規定動作温度において凍結を防止するため、十分な電力を持つ必要があり、それは、少なくとも60〜100+SCFMの空気が流れる場合、通常、−40℃である。乾燥機16を通過する冷気の流れは、非常に大きな冷却負荷を与える。実験によると、バルブブロック72の凍結温度及びドレインバルブ24と、注入バルブ42及び44と、排出バルブ52及び54の凍結を防止するため、−40℃及び通常の空気の流れで、加温電力が少なくとも525ワット以下が要求されることが示された。図1中に示される空気乾燥機進路は、図3に示すように配置され、これによりドレインバルブ24と、注入バルブ42及び44と、排出バルブ52及び54とは、通常、バルブブロック72のヒーター素子70とともに配置される。上述したように、空気乾燥機16は、バルブブロック72、ひいては、ドレインバルブ24と、注入バルブ42及び44と、排出バルブ52及び54とのおおよその温度を決定する温度センサ76を備える。温度センサ50は、空気乾燥機16を通過する空気の温度を検出するように配置されているように図示されているが、バルブブロック72の温度(温度センサ76として示される)、注入空気の温度、周囲空気の温度、又はそれらの組み合わせを検出するように配置されてもよい。
氷点下の周囲温度の場合には、種々配置されるソレノイドバルブが凍結するリスクがあり、機関車空気システム10に悪影響を与える。例えば、注入バルブ42及び44と、排出バルブ52及び54のいずれか又は両方が開いた状態で凍結したとき、回路の1つは開いたままにできる。この状態で空気乾燥機16は、空気圧縮機12が再充填するよりも早い速度で主容器システム(MR1及びMR2)を排出し、それにより、望まない列車停止がもたらされる(主容器の圧力が低い場合、機関車のブレーキシステムは、回復不能のペナルティブレーキ利用が要求される)。したがって、図4に示すように、空気乾燥機の制御部40は、ヒーター素子70の過熱のリスクなく、いずれのバルブが凍結する可能性も避ける温度にバルブブロック72を十分に加温することを保証し、温度がヒーターの電力制御プロセス80に依存して実行するようにプログラムされる。初始動時に、全てのバルブは、無動力の状態で、かつ、制御部40は、バルブブロック72に配置される、温度センサ76が使用され、バルブブロック72の温度82を読む。次に、温度が、凍結のリスクを示す閾値より低いか決定するため、チェック82が実行される(全ての所定温度は、ドレインバルブ24、注入バルブ42及び44、または、排出バルブ52及び54が凍結し始めるであろうリスクを示すもの(例えば3℃)が選択される)。温度が、閾値以上になると、空気乾燥機16は、オンになり、通常動作86、例えば、「ノーマルモード」で実行される。チェック84で温度が、閾値より低い場合、制御部40は、セーフモード88に入り、バルブ動作が抑制され、ヒーター素子70の電圧が印加される。ヒーター素子70の電圧の印加による加温は、バルブブロック72の温度が、チェック90で第2の閾値より高くなるまで継続し、チェック84で同一温度になり、または、12℃程度等、若干高くなる。その場合、ヒーター素子70は、電圧降下92され、また、制御がチェック84に戻り、それにより、ヒーター素子70は、チェック84で、バルブの凍結のリスクを示す閾値より温度が低くなったとき、再度電圧が印加される。上述したように、特定の状況下で、バルブブロック72に配置された温度センサ76がバルブブロック72がヒーター素子70の通電停止を可能にするのに十分に加温したことを検知する前に、ヒーター素子70が加熱する可能性がある(180〜200℃のヒーター素子70の温度は、ヒーター素子70を損傷させる)。したがって、制御部40は、ステップ88の実行時に注入空気温度94を読み、また、例えば、ヒーター素子70のパルス幅変調(PWM)を使用して、電力の供給を注入空気温度と相対的に制御することによってヒーター素子70を制御するように構成されてもよい。例えば、−40℃〜0℃の非常に低い温度で、PWM負荷サイクルは、制御部40によって提供されるのは1でもよく、それにより、ヒーター素子70は、加温電力の全消費電力を供給するように継続的に電力供給される。より温かい温度(例えば、0℃)では、一方で、過熱のリスクの発生させずに凍結を防止のためにバルブブロック72を十分に加温するため、PWM負荷サイクルは減少されてもよい。例えば、加熱電力が525ワットのシステムでは、その他の点では、−30℃以下の温度が必要であり、0℃付近の温度で単に200ワットの電力が必要となる。動作温度を超えない範囲で凍結を防止するのに必要な電力レベル(例えば、ヒーター素子70の温度は180〜200℃)は、−40℃〜約3℃の温度範囲内の様々な点について実験的に決定することができ、注入口温度ヒーター制御アルゴリズムでPWM負荷サイクルを調整する。
ヒーター電力制御プロセス80に依存する温度は、開ループであってよく、72Vの公称入力電力と仮定する(一般的な空気乾燥機は、DC50V〜DC93V(72V ±30%)で動作することが動作仕様で要求される)。高電圧でも、ヒーター素子70は依然として過熱して目標動作温度を超える可能性があるが、過電圧での動作は、特に過電圧と氷点下の周囲温度との同時状態においてはまれな発生であると考えられる。このリスクを軽減するために、しかしながら、ヒーター素子70は、ヒーター素子70の温度が所定の最大値を超えるときはいつでもヒーターを開回路するための過熱サーモスタットを含むことができる。代替として、サーモスタット機能は、制御部40に結合されたヒーター素子70に埋め込まれた追加のサーミスタを追加することによって、制御部40によって提供され得る。この選択肢では、制御部40は、ヒーター素子70の温度が最大許容動作温度に近づくのに応答してPWM負荷サイクルをさらに調整して、ヒーター素子70が最大動作温度以下で動作するがそれ以下で動作できるようにする。
別の実施形態では、制御部22は入力電圧を読み取り、気温と入力電圧の両方に基づいてヒーター素子70への電力をPWMで変調することができる。上述のように、ヒーター素子70への電力は周囲温度に比例し、非常に低い温度で最大のヒーター電力を提供し、より高温ではより少ない電力を提供する。さらに、制御部22は、入力電圧を読み、公称72Vの入力に等しい電力を供給するようにヒーター素子70への電力を調整することができる。抵抗性負荷の場合、電力=V2 /Rである。したがって、DC72Vで300ワットを消費するヒーターは、DC93Vで500ワットを消費する。この場合、制御部22はPWM負荷サイクルを300/500 = 0.6に減少させることができる。たとえば、周囲温度が−1℃の場合、PWM負荷サイクルはその温度に比例してさらに減少させることができる。温度に依存するPWM負荷サイクルが−1℃で0.5であれば、制御部22は0.6×0.5 = 0.3のPWM負荷サイクルを提供する。同様に、入力電圧がDC50Vの場合、電圧に依存するPWM係数は300/145=2.0である。上述の例で周囲温度係数が0.5の場合、最終的なPWM負荷サイクルは2.0×0.5=1.0である。このようにして、制御部22は、入力電圧と周囲温度の両方に対して正規化された出力電力をヒーター素子70に供給することができる。
凍結したバルブに対するさらなる監視のため、通常モードの空気乾燥機16を変更することができる。注入バルブ42および44は排出バルブ52および54よりも長い時間にわたってより多くの空気を流すので、注入バルブ42および44は凍結で開いた可能性がはるかに高い。例えば、注入バルブ42および44は、乾燥サイクルの全期間にわたって150SCFMまで流れ、一方、排出バルブ52および54は、乾燥剤チャンバが吹き落とされる最初の数秒間高流速である110秒サイクルを有し、続いて、110秒サイクルの残りの部分について18SCFMのパージ流が続く。さらに、低温では、30分間の間、注入バルブ42および44を通る空気が流れ、周期が延長することがある。
この特徴により、制御部22は、注入口空気温度が凍結のリスクを示す所定の温度(例えば、0℃)を下回るとき、通常モードが注入バルブ42または44閉じ、対応する排出バルブ52または54を開く間の時間遅延を含むように構成することができる。典型的な動作では、一回に1つの注入バルブ42または44のみが開き、したがって、全注入口の流れは、そのバルブを通る。結果として、低温では、解放する注入バルブ42または44は、空気の流れの非常に高い冷却を見て、凍結を引き起こす可能性がある。低温では、制御部22は、回路Aと関連する注入バルブ42を閉じ、回路Bと関連する注入バルブ42を開き、所定の時間(1分等)待機し、その後、通常のサイクルで回路Aと関連する排出バルブ52を開くことにより、乾燥回路Aから回路Bへの切り替えを命令してもよい。遅延は、動作の遅い注入バルブが加温し、完全に閉じるまでの時間を与え、そしてそれが凍結して開いていたら、そして両方の注入バルブを同時に開くことで(Aは凍結して開き、Bは命令により開く)、そして、各バルブが半分の注入口の流れのみ見、両方のバルブの流れに依存する冷却の影響を現象し、回路Aに関連する排出バルブを開く前に回路Aの凍結した注入バルブが凍結する機会を改善する。
上述したように、本発明は、システム、方法、および/またはそれらに関連するコンピュータプログラムであってよく、方法およびシステムのフローチャートおよびブロック図を参照してここに記載されている。フローチャートおよびブロック図は、本発明のシステム、方法、およびコンピュータプログラムの可能な実装形態のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。フローチャートおよびブロック図の各ブロックは、ソフトウェア、ファームウェア、または専用のアナログもしくはデジタル回路内のコンピュータ可読プログラム命令によって実施することができることを理解されたい。これらのコンピュータ可読プログラム命令は、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または、機械を製造するための他のプログラム可能なデータ処理装置で実行可能であり、フローチャートおよびブロック図中のいずれかのブロックの一部または全部を構成することができる。フローチャートまたはブロック図の各ブロックは、指定の論理機能を実施のための1以上の実行可能命令を含む、モジュール、セグメント、または命令の一部を示すことができる。フローチャート又はブロック図の各ブロックは、またはブロック図およびフローチャート内のブロックの組み合わせは、特定の機能を実行するか、または特定の機能を実行または実行する、特別目的のハードウェアとコンピュータ命令の組み合わせを実行する特別目的のハードウェアベースのシステムによって実装できる。

Claims (14)

  1. 供給される圧縮空気を受け入れる注入口と、
    対応する一対の乾燥塔を通る圧縮空気の動きを制御するため、バルブブロック内に設置される、一対の注入バルブ及び対応する一対の排出バルブと、
    前記バルブブロックを加温するヒーターと、
    前記バルブブロックの温度を示す信号を出力する温度センサと、
    前記注入バルブ及び前記排出バルブと、前記ヒーターと、前記温度センサと相互接続され、前記バルブブロックの前記温度が第1の所定閾値より低いか否かを判定し、低い場合には、前記バルブブロックの前記温度が第2の所定閾値になるまで、前記注入バルブ及び前記排出バルブの動作を抑制するようにプログラムされる制御部と、
    を備える空気乾燥機。
  2. 前記制御部は、前記バルブブロックの前記温度が前記第1の所定閾値よりも低い場合、前記バルブブロックの前記温度が前記第2の所定閾値を上回るまで、前記ヒーターを動作させるようにプログラムされる
    請求項1に記載の空気乾燥機。
  3. 前記制御部は、前記バルブブロックの前記温度が、前記第2の所定閾値より高い場合に、単に前記注入バルブ及び前記排出バルブを動作させるようにプログラムされる
    請求項2に記載の空気乾燥機。
  4. 前記制御装置と相互接続され、前記注入口の前記圧縮空気の温度を示す信号を出力するため、前記注入口に設置される第2温度センサをさらに備える、
    請求項3に記載の空気乾燥機。
  5. 前記制御部は、前記注入口の前記圧縮空気の前記温度に応じて前記ヒーターを動作させるようにプログラムされる
    請求項4に記載の空気乾燥機。
  6. 前記制御部は、前記注入口の前記圧縮空気の前記温度が、第1の範囲内となったとき、全負荷サイクルに従い、また、前記注入口の前記圧縮空気の前記温度が、第2の範囲内となったとき、減少負荷サイクルに従うように、前記ヒーターを動作させるようにプログラムされる
    請求項5に記載の空気乾燥機。
  7. 前記制御部は、さらに、正規化入力電圧に従って、前記ヒーターを動作させるようにプログラムされる
    請求項6に記載の空気乾燥機。
  8. 前記制御部は、仮に、前記注入口の前記圧縮空気が所定温度を下回り、前記一対の乾燥塔間の前記圧縮空気の動きが切り替えられたとき、前記注入バルブと対応し、動作の切り替えの際に開かれる前記排出バルブを開くのを遅延させるようにプログラムされる
    請求項4に記載の空気乾燥機。
  9. 圧縮空気の供給を受け入れる注入口と、バルブブロックに配置される一対の注入バルブ及び対応する一対の排出バルブと、バルブブロックを加温するヒーターと、前記バルブブロックの温度を示す信号を出力する温度センサとを備える空気乾燥機に供給するステップと、
    前記バルブブロックの温度が第1の所定閾値以下であるか否かを判定し、低い場合、前記バルブブロックの前記温度が第2の所定閾値になるまで、前記注入バルブ及び前記排出バルブの動作を抑制するステップと、
    を含む乾燥空気バルブの冷凍防止の方法。
  10. 前記バルブブロックの前記温度が前記第1の所定閾値より低い場合、前記バルブブロックの前記温度が前記第2の所定閾値より上回るまで、ヒーターを動作させるステップ
    をさらに含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記空気乾燥機は、さらに、前記制御部と相互に接続される第2の温度センサを備え、
    前記ヒーターを動作させる前記ステップは、前記ヒーターを前記注入口の前記圧縮空気の前記温度に応じて動作させる
    請求項10に記載の方法。
  12. 前記ヒーターを動作させるステップは、前記注入口の前記圧縮空気の前記温度に応じて、前記ヒーターを動作させるステップは、前記注入口内の前記圧縮空気の前記温度が第1の範囲内になると、全負荷サイクルに従い前記ヒーターを動作させ、前記注入口の前記温度が第2の範囲内になると、減少負荷サイクルで動作させることを含む
    請求項11に記載の方法。
  13. 正規化入力電圧に従って、前記ヒーターを動作させるステップをさらに含む
    請求項12に記載の方法。
  14. 仮に、前記注入口の前記圧縮空気が所定温度を下回り、一対の乾燥塔管動作の前記圧縮空気の動きが切り替えられたとき、前記注入バルブと対応し、する前記排出バルブを開くこと遅延させるステップをさらに含む
    請求項9に記載の方法。
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