Liikkuvat työkoneet ja lämmönhallinta: mitä haasteita suunnittelu sisältää?

1. Kylmäainevalinnat muuttavat koko suunnittelulähtökohdan

EU:n F-kaasuasetuksen kiristyminen ja REACH-asetuksen PFAS-rajoituksen laajeneminen muuttavat kylmäainekenttää pysyvästi. HFC- ja HFO-ratkaisut eivät ole pitkän aikavälin strategia.

Luonnolliset kylmäaineet, kuten propaani R290, hiilidioksidi R744 ja ammoniakki R717 nousevat keskiöön myös liikkuvien työkoneiden akustojen lämmönhallinnassa. Lisäksi R1234yf tetrafluoripropeenissa on alhainen GWP-arvo luonnollisten kylmäaineiden tapaan.

Kukin näistä tuo omat haasteensa, jotka täytyy ottaa huomioon.

• CO₂ tarkoittaa korkeita käyttöpaineita ja rakenteellista mitoitusta.
• Propaani edellyttää paloturvallisuuden huomioimista jo layout-suunnittelussa.
• Ammoniakki vaatii teollisen tason vuototurvallisuusratkaisut.
• R2134yf:n käyttöä rajoittaa tulevan PFAS-rajoituksen tulkinnat.

Kylmäainevalinta vaikuttaa koko koneen arkkitehtuuriin, ei pelkästään kylmälaitteeseen. Tästä syystä lämmönhallinta pitäisi olla osana koneen kokonaissuunnittelua, ei irrallisena komponenttina.

Lue artikkelimme luonnollisista kylmäaineista

2. Sijoittelu ja tilavaatimukset

Työkoneiden sisällä tila on vähissä ja painolla on väliä.

Lämmönhallintajärjestelmän kannalta huomioitavaa on:

• akun kapasiteetti
• suorajarakenteet
• huollettavuus
• ilmankierto
• kuormitus- ja lataussyklit
• ympäristölämpötila
• akuston tavoitelämpötilat

Kylmäjärjestelmä usein yritetään sovittaa valmiiseen koneeseen, mikä saattaa johtaa kompromisseihin ilmankierrossa, huollettavuudessa ja suorituskyvyssä.

Hajautettu arkkitehtuuri on usein toimiva ratkaisu: komponentit kuten kompressori, lämmönvaihtimet, pumput ja ohjausyksiköt sijoitetaan eri puolille konetta. Tämä:

• optimoi tilankäytön
• poistaa tarpeen kylmäpiirin täyttämiselle koneen kokoonpanossa
• mahdollistaa asiakaskohtaisen suunnittelun
• parantaa painojakaumaa
• mahdollistaa paremman suojauksen iskuja ja pölyä vastaan
• helpottaa huollettavuutta

3. Käyttöjännitteet

Siirtyminen polttomoottoriajoneuvoista kohti sähköisiä työkoneita aiheuttaa myös käyttöjännitteen kasvamisen. Jos perinteisessä polttomoottoriajoneuvossa jännite oli 12V/24V, täysin sähköisessä ajoneuvossa se voi olla 400-900VDC.

Lämpö täytyy siis hallita useammissa paikoissa:

• akku
• tehoelektroniikka
• sähkömoottori
• pikalataus
• ohjaamo

Suurijännitteisessä järjestelmässä lämpötilan haaste on ”paljon lämpöä lyhyessä ajassa”, kun pienempijännitteisessä se oli ”liikaa lämpöä koko ajan”. Lämmönsiirron täytyy olla nopeaa, lämpökapasiteetin hallinta hyvää ja ohjaus ennakoivaa.

4. Lämpökuorman käsittely koko tuotteen elinkaaren ajan

Kun akustot ikääntyvät

• ne lämpenevät enemmän
• sietävät huonommin korkeita lämpötiloja
• reagoivat eri tavalla latauskuormiin
• kapasiteetti heikkenee
• Latauskyky ja -nopeus heikkenee

 Akustolla on siis erilaiset jäähdytystarpeet sen elinkaaren eri kohdissa. Jos lämmönhallinta suunnitellaan uuden akuston mukaan, järjestelmä voi olla alimitoitettu muutaman vuoden kuluttua.  

Siksi suunnittelussa täytyy huomioida:

• kapasiteettivara, jäähdytys pitää mitoittaa ikääntyneen akun tehontarpeen mukaan
• ohjauksen adaptiivisuus
• käyttötapojen muutokset
• kylmälaitteiston oikea mitoittaminen ja ylimitoittamisen välttäminen. Piikkitehoa voidaan hallita muillakin laitteiston ominaisuuksilla kuin sen nimellistehon lisäyksellä.

Elinkaariajattelu on osa vastuullista koneen suunnittelua.

5. Ympäristöolosuhteet

Liikkuvat työkoneet toimivat:

• +45 °C kesällä
• -40 °C talvella, jolloin lämmitys astuu tärkeään rooliin
• pölyisessä kaivosympäristössä
• suolavedelle altistuneena satamissa
• jatkuvan tärinän ja mekaanisen rasituksen alaisina
• Kosteissa olosuhteissa

Tämä tarkoittaa, että lämmönhallintajärjestelmän on kestettävä:

• korroosio
• mekaaniset iskut
• pöly ja lika
• suuret lämpötilaerot
• jatkuva tärinä

Ympäristöolosuhteiden kestäminen on lähtökohta myös lämmönhallintajärjestelmän suunnittelulle.