用于用低温制冷剂填充移动制冷剂罐的设备和方法
本发明涉及一种用于用低温制冷剂来填充车辆的制冷剂罐的设备，该设备具有用于贮存液化的低温制冷剂的储存罐，该储存罐与填充站处于流动连接，该填充站具有配备有用于连接待填充的制冷剂罐的联接器的填充管线。本发明还涉及一种对应的方法。
在此，本发明尤其涉及用于填充制冷剂罐的一种设备或一种方法，这些制冷剂罐是被指定用于使冷却室冷却的，该冷却室位于冷藏车辆、尤其是冷藏货车上。这样的冷却室用于运输温度敏感型货品，这些温度敏感型货品为例如4℃至10℃的温度下的冷藏货品或者低于0℃的温度下的冷冻货品。为了冷却此类冷却室，通常还使用常规的冷却装置，然而这些冷却装置一方面由于其高的噪音排放并且另一方面由于其在连续运行期间的柴油排放而越来越受到批评。作为替代方案提出：借助低温制冷剂进行冷却。低温制冷剂(例如液态的氮气)以液态的状态贮存在安装于车辆上的隔热的制冷剂罐中，并且在需要时经由管道管线供应给该冷却室。为了使冷却室冷却，低温制冷剂要么液态或气态地被喷入到冷却室中(直接冷却)、要么经由热交换器组件与冷却室中的大气产生间接的热接触(间接冷却)。针对此类冷藏车辆以及针对冷藏车辆的冷却系统的实例在WO 2011/141287 A1、EP1659 355 A2、GB 2 275 098 A或EP 2 384 916 A2中进行了描述。
然而，本发明通常还涉及一种用于用低温制冷剂填充被安装在车辆(尤其道路车辆或轨道车辆)上的制冷剂罐(下文也为“移动制冷剂罐”)的开篇所述类型的一种设备和一种方法。
通常在与位置固定的储存罐流动连接的填充站处对移动制冷剂罐进行填充，制冷剂在深冷状态下被贮存在该储存罐中。填充站配备有填充管线，在该填充管线处，制冷剂罐的填充管线可以连接于联接器。
为了将制冷剂输送至填充站或者在填充制冷剂罐时通常使用泵。然而，借助泵输送低温制冷剂与泵的运行和维护的成本相关联并且还容易发生故障。此外，由于泵还向系统中引入不希望的热量。为了避免气穴效应，还必须在填充过程之前预先冷却泵和管线，这导致明显的时间延迟。
为了实现在省去泵的情况下完成移动制冷剂罐的填充，可以在填充站中以与低温制冷剂在制冷剂罐中对应的压力相比更高的压力提供低温制冷剂。制冷剂在加料时在更高的压力的作用下流向制冷剂罐。然而在此存在如下问题，即在制冷剂罐中降低到更小的压力时必须使制冷剂的一部分蒸发并且将其导出。当已蒸发的制冷剂直接从制冷剂罐或直接在车辆处被导出到周围环境大气中时，这导致明显的制冷剂损耗，并且另外对于使用者而言与明显的安全风险相关联。
在从WO 2014/064355 A2已知的用于用低温介质填充制冷剂罐的装置中收集在制冷剂罐中产生的气体，并且使用该气体，以用于在填充站的储存罐与制冷剂罐之间产生均匀的、预先设定的压力差。为此，气体被部分地引回到填充站中。这虽然避免冷的气体不受控制地逸出到周围环境中，但是却得出在制冷剂罐和在储存罐中的液相之间和气相之间建立密封连接的必要性。然而，这对使用者而言是费力的，并且同样也提高了安全风险；此外还降低了填充过程的速度。
另一个问题存在于用于填充制冷剂罐的公共填充站。在此，基于法律规定必须确保：在加料期间所测量的制冷剂的量完全被转移到客户的储罐中。然而，当客户储罐中的制冷剂被部分地蒸发并且在填充过程期间从该客户储罐中被减去时，这可能是无法确保的。
因此，本发明的基本目的在于，提供一种迅速并且可靠的、用于填充移动制冷剂罐的方法，该方法满足公共填充站的需求。
该目的在开篇所述类型和用途的设备中通过以下方式实现：在该储存罐的下游并且在该填充站的上游设置有用于中间储存液化的低温制冷剂的调节容器，该调节容器是能够与压力形成容器产生流动连接的，其中低温制冷剂处于比该储存罐中的压力更高的压力。
术语“上游”和“下游”在此且在下文中指的是在填充过程中相对于液态的制冷剂的预期流动方向的布置。
因此，根据本发明的设备包括：优选地隔热的储存罐，低温制冷剂(尤其液态的氮气)以例如p1＝1bar(g)-2bar(g)的相对较低的压力p1贮存在该储存罐中；同样优选地隔热的压力形成容器，低温制冷剂以例如5bar(g)至8bar(g)的高于储存罐中的压力p1的压力p2存在于该压力形成容器中；以及隔热且抗压的调节容器，该调节容器是可以以交替的方式与储存罐和压力形成容器产生流动连接的。调节容器被设计得小于储存罐和压力形成容器，使得调节容器中压力状况的改变对储存罐和压力形成容器中的压力状况并不具有实质影响。调节容器与填充站的填充管线处于流动连接，该填充管线进而借助联接器可以抗压并且液体密封地、然而可松脱地与待填充的制冷剂罐的填充接头相连接。
因此，制冷剂以相对较低的压力和相应较低的温度贮存在储存罐中并且被注入到调节容器中，直到达到预先设定的液位的高度。在关闭与储存罐的流动连接并且打开与压力形成容器的流动连接之后，由于在那里更高的压力使调节容器中的压力升高，这使得那里存在的低温制冷剂处于明显低于对应压力的平衡温度的温度，也就是说，低温制冷剂在调节容器中以过冷的状态存在，并且可以经由填充管线被注入到制冷剂罐中，而在填充过程中，制冷剂的大部分没有蒸发。根据本发明不需要气体从制冷剂罐的顶部空间引回至填充站所必需借助的返回管线。
优选地，储存罐和调节容器藉由两条管线互相连接：第一管线，借助于该第一管线将储存罐中液态的制冷剂供应给调节容器；和第二管线，借助于该第二管线将调节容器中气态的制冷剂引回到该储存罐的顶部空间中，并且因此在填充调节罐时可以在储存罐与调节罐之间实现压力平衡。这两条管线装配有关断配件，这些关断配件在调节容器与压力形成容器建立流动连接之前被关闭。
优选地，被供应给制冷剂罐的制冷剂的总量在填充管线中被布置在调节容器的下游的测量装置处被检测。因为在填充过程期间制冷剂罐气体密封地与填充站相连接，并且气体既不被排到周围环境中也不被引回到填充站或储存罐中，所以在该测量装置处检测到的制冷剂的量非常准确地对应于实际上被引入到制冷剂罐中的制冷剂的量。由此，根据本发明的设备尤其也适合用于低温制冷剂的公共加料站的配置。
本发明的一个特别有利的设计方案提出：设计有用于储存液化的低温制冷剂的压力形成容器，并且该压力形成容器配备有用于使低温制冷剂蒸发的蒸发器。因此，制冷剂以液化的形式存在于压力形成容器中并且为了产生作用于调节容器的压力而完全或部分地被蒸发。在此，蒸发优选地借助于空气蒸发器进行，其中液态的低温制冷剂与更热的环境空气产生热接触。
优选地，该填充管线在该联接器的上游是与能够封闭的、用于给该制冷剂罐放气的排气管线处于流动连接的。排气管线被布置在填充站的内部，并且能够将气态的制冷剂从制冷剂罐中导出。因此在这种情况下，填充管线的在制冷剂罐与联接器之间以及在联接器与排气管线的分支之间的区段既用于向制冷剂罐供应液态的低温介质，而且也用于在开始用液态的制冷剂填充制冷剂罐之前将气态的制冷剂从该制冷剂罐中导出。因此，不需要设置有用于将气相从制冷剂罐中导出的单独的管线。
有利地，设置有多个调节容器，这些调节容器是可以借助适合的关断配件(这些关断配件例如可以借助控制单元进行远程控制)与该储存罐和/或该压力形成容器产生流动连接的，并且这些调节容器是各自连接到填充站的。以这种方式可以用储存容器和压力形成容器同时执行多个加料过程。
优选地，该低温制冷剂涉及液化的氮气、液化的氢气或液化的烃气体，例如LNG或LPG。
适用于用根据本发明的设备进行填充的制冷剂罐具有能够与该填充站的联接器连接的、通向该制冷剂罐中的填充管线，其中该填充管线在该制冷剂罐的上部区域中在喷嘴组件处终止。在填充过程期间，优选连续地将液化的、过冷的制冷剂喷入制冷剂罐的上部区域中存在的气相中，该制冷剂在制冷剂罐中存在压力状况下以过冷的状态存在。由此，对制冷剂罐中存在的气相进行冷却并且降低制冷剂罐中的压力。根据温度状况，甚至出现气体的部分凝结。在此，制冷剂罐不需要与填充管线分开的、用于导出气态的制冷剂的管线。
本发明的目的还通过具有专利权利要求7所述的特征的方法来实现。
根据本发明的用于用低温制冷剂填充冷藏车辆的制冷剂罐的加料方法的特征在于以下步骤：
a.将以压力p1贮存在储存罐中的、液化的低温制冷剂供应给调节容器，
b.随后，中断储存罐与调节容器之间的流动连接，并且使该调节容器中的压力等温地达到值p2，该值大于该储存罐中的压力p1，
c.使待填充的制冷剂罐降低到小于该调节容器中的压力p2的压力，
d.在调节容器中存在的低温制冷剂的液相与待填充的制冷剂罐之间建立流动连接，并且随后在该调节罐中存在的低温制冷剂处于过压的情况下填充该制冷剂罐。
为了填充调节容器，储存罐中的输出压力高于调节罐中的输出压力，从而使得调节罐可以在储存罐中存在的过压作用的情况下被填充，直到达到预先设定的液位的高度。在这种情况下，在填充调节罐时给制冷剂降压，并且在那里处于比在储存罐中更低的温度。或者，储存罐和调节罐在存在于二者中的液相和气相处相连接并且具有大体上相同的压力和相同的温度。
在中断与储存容器的流动连接之后，使调节容器中的压力在至少很大程度上等温的条件下(即，在调节容器中所注入的低温制冷剂的温度没有明显提高的情况下)达到值p2，其中p2>p1。因此，调节罐中存在的液化的制冷剂被过冷并且因此避免制冷剂的一部分在向该制冷剂罐供应时就已经蒸发。同时，由此调节罐中的制冷剂达到能够在不借助泵的情况下填充制冷剂罐的压力。为此，如果在制冷剂罐处存在较高的压力，那么在加料过程开始之前必须使待填充的制冷剂罐中的大气压降低到对应的更低的压力值(p<p2)。
在完成填充之后中断制冷剂罐与调节容器的流动连接，并且联接器部分从彼此松脱。随后，可以将冷藏车辆从填充站中移出。同时，还关闭压力形成容器与调节容器之间的流动连接并且例如通过气体返回管线对调节容器泄压，该气体返回管线将调节容器的上部区域与储存罐的上部区域相连接。随后，调节容器可供重新填充使用。
优选地，以上提及的提高调节容器中的压力通过如下方式进行：在中断与该储存容器的流动连接之后建立与压力形成容器的流动连接，其中存在比在该储存罐中更高的压力。为此优选地，压力形成容器如同储存罐一样用相同的低温制冷剂填充，该制冷剂以液态的状态贮存在压力形成容器中并且在建立与调节罐的流动连接之前至少部分地被蒸发。
有利地，使该制冷剂罐中的大气在开始加料之前被降低到0bar(g)(即环境压力)至2bar(g)之间的压力。这优选通过制冷剂罐中存在的气相的一部分经由相同的填充管线来实现，借助该填充管线将制冷剂供应给制冷剂罐(步骤d)，由此同时预先冷却该填充管线。
为了冷却在该制冷剂罐中存在的气相并且相应地降低该制冷剂罐中的压力，优选地将该液态的低温制冷剂通过喷嘴组件喷入到该制冷剂罐中存在的气相中。
在填充之前或填充期间，该储存罐中的压力p1优选介于1bar(g)与2bar(g)之间，并且该调节容器中的压力p2在提高压力之后介于5bar(g)与10bar(g)之间。在通过建立与压力形成容器的流动连接来实现调节容器中的压力提高的情况下，低温制冷剂优选同样以介于5bar(g)与10bar(g)之间的压力存在于该压力形成容器中。
根据本发明的设备和根据本发明的方法尤其适用于用液态的氮气给制冷剂罐加料，然而还适用于用液态的氢气或液态的烃气体(例如LNG或LPG)给制冷剂罐加料。优选地，制冷剂罐涉及被安装在陆上车辆(例如载重汽车)处或被安装陆上车辆上的储罐。
应借助于附图更详细地解释本发明的实施例。唯一的附图(图1)示意性地示出根据本发明的设备的结构。
用于用液化的低温制冷剂填充移动制冷剂罐2的设备1包括储存罐3、调节容器4、压力形成容器5和填充站6。例如，储存罐3具有200001-500001的容量，压力形成容器5具有50001-100001的容量，并且调节容器具有10001-20001的容量，即，小于储存罐的容量的十分之一。储存罐3、调节罐4和压力形成容器5(同样如连接这三者并且从这三者引出的管线)被设计为隔热好的。
液体导入管线8从储存罐3的底部通向调节容器4。气体返回管线9将储存罐3与调节容器4在它们相应的上部区域中相连接。可以通过操作阀11、12来关断和打开液体导入管线8和气体返回管线9。
液体导入管线13从调节容器4的底部通向填充站6中的用作相分离器的中间容器14，其中在此阀15也能够实现关断或打开液体导入管线13。具有柔性的管线区段17的填充管线16从中间容器14的下部区域通向联接器接头18。为了检测通过液体导入管线13的流通量，设置有为此适合的测量装置19(例如测量孔板)。可以借助阀20来关断或打开填充管线16。填充站6是根据加料柱的类型构造的并且能够以下文更详细地描述的方式实现制冷剂罐2的加料，该制冷剂罐位于(在此仅通过虚线指示的)冷藏车辆22上。制冷剂罐2用于冷却冷藏车辆22上的(在此未示出的)冷却室、例如冷却用于运输冷藏的和/或冷冻的食品的冷却室。
在冷藏车辆22上，填充管线23从能够与联接器接头18牢固地、然而可松脱地连接的联接件25通向制冷剂罐2，在该制冷剂罐中该填充管线在上部区域中在由多个喷射喷嘴组成的喷嘴组件24处终止。
就流动而言在联接器接头18与测量装置19之间从填充管线16分支出排气管线26，该排气管线可以借助阀27被关断或被打开。排气管线26以在此未示出的方式通入收集容器、返回管线或通向气体出口，气体在该气体出口处被排放到周围环境大气中。
压缩气体管线28从调节容器4的上部区域通向压力形成容器5。在压缩气体管线28中布置有蒸发器29、尤其空气蒸发器。压缩气体管线28可以借助于阀30被关断或被打开，该阀也如同以上所提及的所有其他阀一样可以手动地或借助远程控制的马达来操作。
在设备1的运行中，液态的低温制冷剂(例如液态的氮气)以例如1bar(g)至2bar(g)的压力贮存在储存罐3中。通过在阀12保持打开的情况下打开阀11来填充调节容器4，直到达到预先设定的液位的高度。阀15和30在此期间是关闭的。
在填充制冷剂罐2之前，填充管线16的柔性的管线区段17在联接器接头18处与填充管线23的联接件25相连接。阀20是关闭的。随后打开阀27并且来自制冷剂罐2中存在的气相中的气体通过排气管线26被导出，直到在制冷剂罐2中达到例如0bar(g)至2bar(g)的预先设定的压力值。随后关闭阀27。由于穿过填充管线23和管线区段17的冷气体流，现在对用于随后填充制冷剂罐2的该填充管线和该管线区段进行预先冷却。
随着气体从制冷剂罐2中排出，几乎同时关闭阀11、12并且打开阀30。从压力形成容器5中(低温制冷剂以例如介于5bar(g)与8bar(g)之间的压力存在于该压力形成容器中)流出液态的制冷剂，该液态的制冷剂在蒸发器29中蒸发并且作为气体流入到调节容器4的顶部空间中。与之相关联地，在调节容器4中提高的压力使得在那里存在的液态的制冷剂从现在起以过冷的方式存在，即，处于与该液态的制冷剂以5bar(g)至8bar(g)的压力下对应的平衡温度相比明显更低的温度。随后打开阀15，由此液态的制冷剂从调节容器4经由液体导入管线13流入到中间容器14中并且在那里形成液相，填充管线16以其与联接器接头18相反的端部浸入该液相中。
随后打开阀20。液态的制冷剂在仍过冷的状态下经由填充管线16和填充管线23流动至喷嘴组件24，并且被喷入到在制冷剂罐2中存在的气相中。通过使冷的液体与制冷剂罐2中相对热的气体接触来冷却该制冷剂罐中存在的气相，并且部分地冷凝成液态的制冷剂，由此降低制冷剂罐中的压力。
制冷剂罐2的完全填充由填充管线23中的压力升高来确定，该压力升高借助(在此未示出的)测量装置来测量。在填充过程完成之后关闭阀20、30。联接件25和联接器接头18现在可以彼此分离。通过打开阀12实现储存罐3与调节容器4之间的压力平衡，该调节容器现在可以再次地用来自储存罐3中的液态的制冷剂以储存罐中存在的较低的压力来填充。
根据本发明的方法完全实现加料过程，而在此期间不对待填充的制冷剂罐2进行放气。
由此，不仅使制冷剂消耗最小化并且满足公共填充站的需求，而且也可以非常迅速地实现加料过程。例如可以用液态的氮气在6min至8min之内充满6601容量的储罐。此外，根据本发明的布置省去了用于连接来自制冷剂罐2的气体返回管线的单独的联接器，由此确保高的操纵友好性和安全性。
附图标记清单
1. 设备
2. 制冷剂罐
3. 储存罐
4. 调节容器
5. 压力形成容器
6. 填充站
7. -
8. 液体导入管线
9. 气体返回管线
10.-
11.阀
12.阀
13.液体导入管线
14.中间容器
15.阀
16.填充管线
17.柔性的管线区段
18.联接器接头
19.测量装置
20.阀
21.-
22.冷藏车辆
23.填充管线
24.喷嘴组件
25.联接件
26.排气管线
27.阀
28.压缩气体管线
29.蒸发器
30.阀。
