CN1973165A - 自动的新鲜空气交换系统 - Google Patents
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Abstract
一种自动地向货物单元提供新鲜空气交换的系统和方法，该系统包括单个气体传感器，优选为二氧化碳传感器，以便向控制器提供用于导出该货物单元内的二氧化碳和氧气水平的输入。该控制器随后将所导出的数值与预先选定的水平进行比较并且选择性地打开或关闭进入货物单元的空气流，以便实现并保持该货物单元内的所需的氧气和二氧化碳的水平。
Description
技术领域
本发明涉及用于运输用制冷系统的控制系统，尤其涉及借助单个传感器来确定运输用制冷单元内的二氧化碳和氧气量的替代装置以及在运输用制冷单元中将这些气体的水平精确地保持在预先限定的限制范围内或接近该限制范围。
背景技术
运输用制冷系统用于控制封闭区域内的环境，封闭区域例如为在卡车、货车、集装箱、或类似的联运单元上使用的隔热箱，通过从该封闭区域内吸收热量并将热量释放到该隔热箱外界的环境中从而使得运输用制冷系统进行工作。此外，在隔热箱中运输的某些易腐烂的物品(例如农产品)通常会在一定时期内进行呼吸作用，从而产生二氧化碳，同时耗尽隔热箱中的可利用的氧气。如果氧气的浓度过低或者二氧化碳的浓度过高，则货物可能损坏(例如腐败)。因此，新鲜空气交换装置可用于防止产生这些不希望出现的后果，其中吸入和排出开口通向该隔热箱，并且压力差将新鲜空气吸入该吸入开口并且将富含二氧化碳的空气推出该排出开口。然而，重要的是，该交换装置应避免提供过量的新鲜空气，这是因为空气往往使得农产品风干，并且吸入大量的较暖的新鲜空气可能导致不可接受的大功率负荷施加到系统上，(也就是说，提供了过多的暖的环境空气需冷却)。
大量的运输用制冷单元以及本发明的受让人目前出售的制冷单元均使用手动的新鲜空气交换系统，以便避免出现这些问题。在这种系统中，运输过程中的相关人员(例如水手或最终操作员)通常需要手动地设定新鲜空气的设定值。然而，如果该操作员没有提供适当的设定值(例如通风口打开过早、过晚、或交换流率不正确)，或者如果在该货箱中意外地偏离所希望的氧气或二氧化碳水平，将出现上述的问题。
目前，其它的运输用制冷系统采用各种控制器来直接感测氧气或二氧化碳水平并且基于与这些气体的设定值的偏差从而开口和关闭货箱的吸入开口和排出开口。例如，(授权给Freese等人的)美国专利No.6,595,847 B1披露并描述了采用与集装箱制冷控制系统相结合的单独的氧气和二氧化碳传感器。在Freese等人的该专利中，披露了在集装箱中所希望的是使用氧气传感器来感测氧气水平并且使用二氧化碳传感器来感测二氧化碳水平，并且随后基于集装箱中偏离预先选定的设定值的偏差从而在第一(打开)位置与第二(关闭)位置之间调节一门。该系统同样产生了大量的问题。首先，使用分开的氧气传感器和二氧化碳传感器产生了不必要的复杂性和成本。第二，在市场上可获得的成本效率最佳的氧气传感器需要使用不含氧气的特殊气体和使用含氧气21％的标准大气源气体来进行特别的校准。这样，与商业角度来看所期望的情况相比，采用附加的氧气传感器将需要更大程度的维护和技术支持，(因此需要更高的成本和时间)。
本发明的发明人已经确定，在具有标准大气源气体的封闭货箱内氧气和二氧化碳的量(大致)等于一常数。该事实不会因为货物的呼吸作用而改变，也不会因交换系统吸入新鲜空气而改变。因此，在该货箱中氧气和二氧化碳的水平可由单个气体传感器的输入来近似获得。本申请人已经发现，为了提供用于控制运输用制冷系统中的气体的简单且高效的系统，所希望的是在该运输用制冷系统中使用一控制器借助单个气体传感器(优选为二氧化碳传感器)来确定货箱中的氧气和二氧化碳的水平，将所述计算的结果与由操作者输入的预先选定的水平(例如极限值)进行比较并且当所述计算得到的水平偏离或超过所述水平或极限值时促动货箱的开口。
发明内容
本发明的控制过程和系统采用一控制器来接受来自单个气体传感器(优选为二氧化碳传感器)的数值并且使用这些数值来导出在运输用制冷货箱单元内的氧气和二氧化碳的水平。该控制过程还包括一用于输入该货箱中的氧气和二氧化碳的水平的所希望的预先选定的水平(优选为所希望的极限值)的手段。如果由该传感器导出的数值偏离或超过所述预先选定的限制范围，(例如，如果由二氧化碳传感器获得二氧化碳数值上升超过预先选定的最高水平，或者如果由氧气传感器获得的氧气水平下降低于预先选定的最低水平)，则该控制器将促动一开口以便吸入新鲜空气，直到氧气和二氧化碳的水平再次落入预先选定的限制范围内。
附图说明
参照对优选实施例的下列描述并结合附图，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是依据本发明的实施例的货箱单元的框图；
图2是本发明的空气交换面板的优选实施例的简化图；
图3是实施本发明的第一优选方法的流程图；和
图4是实施本发明的第二优选方法的流程图。
具体实施方式
图1和图2示出了本发明要求保护的系统的优选实施例的框图。冷藏货箱单元10可包括集装箱、卡车拖挂车、或用于包含易腐烂的物品的相当的单元。该单元10通常容纳有由控制器14控制的制冷单元12。该单元10还包括至少一个壁16，其构造成空气交换面板18的至少一部分。空气交换面板18包括吸入开口20和排出开口22。电动盖24优选为基于由控制器14响应于来自二氧化碳传感器26的输入而确定的方向部分地或整体地滑动覆盖这些开口。
本发明的控制器能够接受来自单个传感器例如二氧化碳传感器26的输入，并且至少确定在货箱单元10中的氧气和二氧化碳水平的近似浓度。在(易腐烂的)农作物货物的绝大多数情况下，呼吸作用商数或RQ(所产生的二氧化碳量与所消耗的氧气量的比率)大约为1。由于此原因，确定货箱单元10中的氧气和二氧化碳浓度所需的只是采用一个传感器的读数的简单计算。如果给定的是，由本发明的系统控制的货物通常在标准大气压环境下包含大致21％的氧气和含量可忽略不计的二氧化碳，并且另外假定货物的呼吸作用和与集装箱外界的标准大气环境的空气交换是影响集装箱大气环境的唯一因素，则在集装箱中的氧气量的近似值可以通过获得所测量的二氧化碳并从21％中减去二氧化碳的量从而计算得出。例如，对于在标准状态下装载的货物具有大约为1的RQ，5％的二氧化碳的读数可导出在该单元10中氧气水平的近似值为16％。相反，在实施本发明中通过仅使用氧气传感器，相似地可以将氧气传感器的读数用于导出二氧化碳的水平。
此外，在一些情况下，本领域的普通技术人员应当理解，RQ不等于1。例如，大于1的RQ水平存在于例如苹果或葡萄的酸性的货物情况中，并且对于富含脂类的货物(例如鳄梨)的RQ数值小于1。如果对于将要运输的货物的RQ的数值是已知的，(其可以由建立设定值的使用者来编程，或者由该单元中的货物的承运方预先编程以便简化识别)，对于一种气体(例如氧气)的浓度的计算可以基于另一种气体(例如二氧化碳)的传感器的测量值来作出。
本领域的普通技术人员在阅读本说明书之后应当理解，进行呼吸作用的货物可能产生其它的微量气体(例如乙烯)，并且在标准大气状态下其它的微量气体(例如氩)的水平很低。在主函数限定为特定气体浓度的这类系统而言，这些气体对于借助本发明进行的计算的精确度的影响是不重要的。如果使用者希望更精确地控制气体水平(例如受控制的气体环境系统向封闭空间内喷射氮气)，本发明的发明人认为更好的方式是多个气体传感器与控制器结合使用，可以使用或可不使用本发明教示出的导出技术。
在本发明中，基于以下至少两个原因，使用二氧化碳传感器而不使用氧气传感器是更优选的。首先，通过使用二氧化碳传感器，该系统测量了在新鲜空气系统中受限制的原气体，这样消除了由其它气体引入的潜在的误差，例如上述的乙烯的生成。这种精确度是特别重要的，这是因为在装载了进行呼吸作用的货物的封闭集装箱中，在很早于氧气水平达到一损害性的浓度(例如过低)之前，二氧化碳浓度通常达到了一损害性的浓度(例如过高)。其次，本发明的发明人认为，在市场上可获得的成本效率最佳的氧气传感器在量程的两端处需要使用不含氧气的特殊气体和使用含氧气21％的标准大气来进行周期性的校准。这样，采用氧气传感器而不采用二氧化碳传感器需要程度明显更大的维护和技术支持，以便保持良好的准确性。二氧化碳传感器需要频率较低的校准，这样的校准使用来自标准大气的干净的新鲜空气即可实现。
本发明的系统可能需要持续的二氧化碳和/或氧气监控和限制，或者在替代方式中使用者可选择不使用该特征。图3中的示意框图示出了依据本发明的方法用于将二氧化碳和氧气水平控制为接近极限设定值的控制算法。最优选的是，本发明的方法通常在货物单元已经完成其初始的温度下降时开始，或者如果检测到的温度不超过初始设定值加5摄氏度且没有进行初始的冷却。该优选的方法涉及：第一步骤30和第二步骤32，第一步骤30是控制器监控货物的二氧化碳和氧气水平，第二步骤32是当由二氧化碳传感器26导出的二氧化碳或氧气的水平偏离了它们的预先选定的水平时(即，感测到的二氧化碳水平高于预先选定的水平或由该传感器导出的氧气水平下降到其预先选定的水平之下)，选择性地将电动滑动盖24打开到预定位置以便提供流经入口开口和排出开口(例如“10CFH(立方英尺每小时)的位置”)。这些预先选定的二氧化碳和氧气的水平可在该货物单元处进行输入(例如由没有示出的DTMF(双音多频)式的面板来输入)，或者可以在远端位置输入，随后借助射频(RF)信号或RS-232链接输入到该单元中，或者借助本领域普通技术人员公知的任何方法来输入。相似地，这些输入装置还可用于与本发明可能的应用相关的其它参数的输入，(例如有关的货物的类型或者与该货物对应的RQ数值)。
一旦该滑动盖被促动而打开，控制器还执行步骤34，以便继续监控二氧化碳和氧气水平并与预先选定的气体极限值比较从而确定由二氧化碳传感器输入导出的气体数值是否超出该预先选定的气体极限值至少二分之一个百分比，(所测量的二氧化碳水平是否低于预定极限值(LM)至少二分之一个百分比，并且氧气水平是否大于预定极限值至少二分之一个百分比)。如果在电动盖滑动到其预定位置之后所述气体极限值在15分钟内变为符合要求的，则电动盖滑动关闭，直到再次超过一种或两种气体极限值。如果所希望的二氧化碳的极限值是0％，则在比较该极限值与由传感器得到的二氧化碳水平输入时，二氧化碳极限值再加上0.5％。
然而，如果控制器确定：在电动盖滑动到其预定位置之后任一气体极限值经过15分钟仍不符合要求，则该控制器执行步骤36，以便促动滑动盖每15分钟以一附加增量打开，(例如提供额外的10CFH的空气流)，直到两种气体的极限值符合上述步骤34的要求。一旦气体的极限值符合要求，该控制器执行关闭该滑动盖24的步骤42。
图4中的示意框图示出了一旦超过极限值用于控制气流的本发明优选实施例。与第一实施例相似，该方法涉及：第一步骤30和第二步骤32，第一步骤30是控制器监控货物的二氧化碳和氧气水平，第二步骤32是当由二氧化碳传感器26导出的二氧化碳或氧气的水平超出了它们的预先选定的水平时，选择性地将电动滑动盖24打开到预定位置以便使得入口开口和排出开口的一定百分比的部分暴露，(例如“25％打开”的位置)。该实施例还执行步骤34，以便继续监控二氧化碳和氧气水平并与预先选定的气体极限值比较从而确定由二氧化碳传感器输入导出的气体数值是否超出该预先选定的气体极限值至少二分之一个百分比。如同第一实施例的情况一样，如果在电动盖滑动到其预定位置之后控制器确定任一气体极限值经过15分钟仍不符合要求，则该控制器执行步骤36，以便促动滑动盖每15分钟以一附加增量打开，(例如入口开口和排出开口的10％)，直到两种气体的极限值均符合上述步骤34的要求。一旦气体的极限值符合要求，该控制器执行促动滑动盖24以便滑动到其初始位置的步骤38。如果以任意的开度增量没有使得状态符合要求，并且在所述开口完全暴露了90分钟之后两种气体极限值仍不能符合要求，控制器将执行促发一(为示出的)报警器的步骤40。然而，如果状态符合要求且滑动盖滑动回到其初始位置，控制器将继续监控一额外的15分钟以便识别所述状态仍然符合要求(类似上述的监控步骤34)，并且如果在该时间段内状态仍然符合要求则该控制器随后执行关闭滑动盖的步骤42。
本领域的普通技术人员应当理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变、增加、省略、和变型。例如，应当理解，通风开口的增量调节可以基于气流量(例如调节开口以便提供以CFM(立方英尺每分钟)或CMH(立方米每小时)测量的给定量的空气)，或者可以基于通风开口的打开百分比(例如通风开口空间的表面面积的百分比)。另外，应当理解，实施本发明的最优选实施例旨在将氧气和二氧化碳水平控制为接近极限设定值，而且替代实施方式例如一旦超出极限值则调节通风口也在权利要求的保护范围内。此外，本发明的算法避免使用RQ数值，或者该数值可以由使用者或操作者计算或确定出并在与控制器连接的数字面板上的输入，或者该数值可以基于将要运输的货物的控制器的选择和识别从而预先编程和采用。相似地，尽管采用单个二氧化碳传感器代替氧气传感器具有明显的差别和优点，但是本发明的特定优点(例如由单个气体传感器来计算两种气体数值)可等同地应用于采用单个氧气传感器(不采用二氧化碳传感器)的系统，其中控制器基于氧气传感器的读数或输入从而近似得到二氧化碳气体水平。所有的这些变型和改变都落在后附的权利要求的范围内。
Claims (11)
1.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)二氧化碳传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)在操作上与该二氧化碳传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的相当于偏离预先选定的数值的气体数值的信号来调节该开口。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，该预先选定的水平相当于在该运输用制冷单元中所希望的氧气最低水平。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，该预先选定的水平相当于在该运输用制冷单元中所希望的二氧化碳最高水平。
4.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)二氧化碳传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)在操作上与该二氧化碳传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的相当于接近预先选定的极限值的气体数值的信号来调节该开口。
5.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)二氧化碳传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)在操作上与该二氧化碳传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的偏离预先选定的设定值的信号来调节该开口。
6.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)氧气传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)在操作上与该氧气传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的相当于超出预先选定的水平的气体数值的信号来调节该开口。
7.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)氧气传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)在操作上与该氧气传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的相当于接近预先选定的极限值的气体数值的信号来调节该开口。
8.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)氧气传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)在操作上与该氧气传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的偏离预先选定的设定值的信号来调节该开口。
9.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)单个气体传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)在操作上与该单个气体传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的相当于超出预先选定的极限值的气体数值的信号来调节该开口，该控制器还能够将由该单个气体传感器导出的氧气和二氧化碳的数值与对应的氧气和二氧化碳的极限值进行比较。
10.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)气体传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)使用者界面，该使用者界面提供多个可选择的货物类型，每一类型具有预定的呼吸作用商数；
d)在操作上与该气体传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的相当于氧气数值或二氧化碳数值的信号来调节该开口，其中所述数值偏离所述呼吸作用商数并且所述数值超出预先选定的氧气和二氧化碳的极限值。
11.一种用于封闭的运输用制冷单元的控制系统，其包括：
a)气体传感器；
b)用于使得空气流进入和流出该封闭的运输用单元的可调节的开口；
c)使用者界面，该使用者界面提供多个可选择的货物类型，每一类型对应于预定的氧气和二氧化碳的极限值；
d)在操作上与该气体传感器和该开口连接的控制器，其中，该控制器基于接受来自该传感器的相当于氧气水平或二氧化碳水平超出对应于选定货物类型的氧气和二氧化碳的极限值的信号来调节该开口。
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