Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der thermischen Leistungsfähigkeit eines temperaturkontrollierten Transportbehälters .

Die Erfindung betrifft weiters ein System zur Überwachung der thermischen Leistungsfähigkeit eines temperaturkontrollierten Transportbehälters, umfassend einen Transportbehälter und eine Recheneinheit.

Beim Transport von temperaturempfindlichem Transportgut, wie z.B. Arzneimitteln, über Zeiträume von mehreren Tagen müssen vorgegebene Temperaturbereiche bei der Lagerung und dem Transport eingehalten werden, um die Verwendbarkeit und die Sicherheit des Transportguts zu gewährleisten. Für verschiedene Arzneimittel sind Temperaturbereiche von 2 bis 25°C, insbesondere 2 bis 8°C oder 15 bis 25°C, als Lager- und Transportbedingungen fest geschrieben .

Damit der gewünschte Temperaturbereich des Transportguts beim Transport permanent und nachweislich eingehalten wird, werden Transportcontainer, z.B. Luftfrachtcontainer, mit besonderem Isolationsvermögen eingesetzt. Aus dem Stand der Technik sind Container bekannt, deren Containerwände eine thermische Isolationsschicht umfassen und die mit passiven Temperierelementen ausgestattet sind. Für die Isolation werden schichtweise Wandaufbauten aus Standarddämmmaterial wie z.B. EPS, PIR oder XPS sowie Hochleistungsdämmung wie z.B. Vakuumpaneele (VIP) verwendet. Passive Temperierelemente erfordern während der Anwendung keine externe Energiezufuhr, sondern nützen ihre Wärmespeicherkapazität, wobei es je nach Temperaturniveau zu einer Abgabe oder einer Aufnahme von Wärme an den bzw . aus dem zu temperierenden Transportbehälterinnenraum kommt . Solche passiven Temperierelemente sind erschöpft , sobald der Temperaturausgleich mit dem Transportbehälterinnenraum abgeschlossen ist .

Eine besondere Form von passiven Temperierelementen sind Latentwärmespeicher, die thermische Energie in Phasenwechselmaterialien speichern können, deren latente Schmel zwärme , Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die Wärme , die sie aufgrund ihrer normalen spezi fischen Wärmekapazität speichern können .

Für die Planung von temperaturkontrollierten Frachttransporten ist die Kenntnis der thermischen Leistungs fähigkeit der Transportbehälter von wesentlicher Bedeutung . Üblicherweise wird die thermische Leistungs fähigkeit temperaturkontrollierter Transportbehälter mit passiven Kühlsystemen in dedi zierten Validierungsmessungen bestimmt . Dabei wird in einer zerti fi zierten Klimakammer ein Temperaturprofil im gewünschten Bereich abgefahren und die Änderung der Temperatur im Inneren des Transportbehälters mit mehreren Mess fühlern gemessen . Dies ergibt sehr genaue Daten über die Leistungs fähigkeit des betref fenden Behälters .

Der Nachteil ist j edoch, dass diese Validierungsmessungen relativ zeit- und kostenaufwändig sind und somit nicht für j eden einzelnen Transportbehälter durchgeführt werden können . Die typischerweise auftretenden Streuungen der Wärmeleitfähigkeit der I solation sowie der Enthalpie des Latentwärmespeichers werden nicht berücksichtigt . Außerdem werden die Validierungsmessungen nur einmal durchgeführt und stellen somit nur Momentaufnahmen für einzelne Behälter dar . Zeitliche Änderungen der Wärmeleitfähigkeit der I solation ( z . B . durch eine Erhöhung des Vakuumdrucks von Vakuumpaneelen in Folge einer Beschädigung) oder der Enthalpie des Latentwärmespeichers werden nicht detektiert .

Dies führt dazu, dass Leistungsvorhersagen mit großen Sicherheits faktoren beaufschlagt werden müssen oder dass im schlimmsten Fall der garantierte Temperaturbereich nicht gehalten werden kann .

Mit der vorliegenden Erfindung soll es ermöglicht werden, die thermische Leistungs fähigkeit aller Transportbehälter der eingesetzten Flotte laufend zu überwachen . Dabei soll sowohl die Wärmeleitfähigkeit der I solation als auch die Enthalpie des Latentwärmespeichers mit einfachen Mitteln bestimmt werden können . Die Überwachung soll im Rahmen des Standardbetriebs möglich sein ohne dass zusätzliche Instrumentierungen eingesetzt werden müssen .

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Überwachung der thermischen Leistungs fähigkeit eines temperaturkontrollierten Transportbehälters vor, wobei der Transportbehälter eine Behälterwandung und einen von der Behälterwandung umgebenen Innenraum aufweist , wobei die Behälterwandung eine den Innenraum allseitig umgebende thermische I solationsschicht und eine Latentwärmespeicherschicht umfasst , wobei die Latentwärmespeicherschicht ein Phasenwechselmaterial mit einer Phasenwechseltemperatur aufweist , und wobei ein Außentemperatursensor für die Messung der Umgebungstemperatur des Transportbehälters und ein Innentemperatursensor für die Messung der Innenraumtemperatur vorgesehen sind, wobei die Umgebungstemperatur und die Innenraumtemperatur während eines ersten Zeitraums gemessen und auf gezeichnet werden, in dem die Innenraumtemperatur einen ersten Temperaturbereich durchläuft , und die Umgebungstemperatur und die Innenraumtemperatur während eines zweiten Zeitraums gemessen und auf gezeichnet werden, in dem die Innenraumtemperatur einen zweiten Temperaturbereich durchläuft , wobei die Phasenwechseltemperatur im ersten Temperaturbereich liegt und der zweite Temperaturbereich oberhalb oder unterhalb des ersten Temperaturbereichs liegt , wobei aus der zeitlichen Änderung der Innenraumtemperatur relativ zur Umgebungstemperatur während des Durchlaufens des zweiten Temperaturbereichs die Wärmeleitfähigkeit der I solationsschicht errechnet wird und wobei danach aus der zeitlichen Änderung der Innenraumtemperatur relativ zur Umgebungstemperatur während des Durchlaufens des ersten Temperaturbereichs und aus der Wärmeleitfähigkeit der I solationsschicht die Enthalpie des Phasenwechselmaterials errechnet wird .

Die Erfindung beruht somit auf der Idee , die Einflüsse der Wärmeleitfähigkeit der I solationsschicht und der Enthalpie des Latentwärmespeichers auf die thermische Leistungs fähigkeit getrennt voneinander zu betrachten, indem für die Messungen zwei unterschiedliche Temperaturbereiche berücksichtigt werden . Hierzu wurde die Verteilung der spezi fischen Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials über der Temperatur genauer betrachtet . Die spezi fische Wärmekapazität weist ein Maximum auf , welches durch den Phasenwechsel und die dafür nötige Schmel zwärme gegeben ist ( siehe Fig . 1 ) . Diej enige Temperatur, bei welcher das genannte Maximum auftritt , wird hierbei als die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials betrachtet. Je nach Anwendungsbereich des Transportbehälters wird das Phasenwechselmaterial so ausgewählt, dass sich dieses Maximum innerhalb des Betriebstemperaturintervalls befindet. Typischerweise tritt in diesem Bereich (auch als „erster Temperaturbereich" bezeichnet) allerdings auch die höchste Streuung zwischen den einzelnen Herstellungschargen des Phasenwechselmaterials auf. Die Kenntnis der Enthalpie (Integral der Wärmekapazitätskurve) des Phasenwechselmaterials im Betriebstemperaturintervall ist entscheidend für eine genaue Vorhersage der thermischen Leistungsfähigkeit des Transportbehälters.

Ober- oder unterhalb des Phasenwechsels ist die Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials konstant und weist nur geringe Streuungen zwischen einzelnen Herstellungschargen auf. Daher eignet sich dieser Bereich (auch als „zweiter Temperaturbereich" bezeichnet) zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit der Isolation. In Fig. 1 ist die Verteilung der spezifischen Wärmekapazität eines Phasenwechselmaterials exemplarisch dargestellt. Ein geeigneter Bereich zur Messung der Wärmeleitfähigkeit der Isolation befindet sich zwischen T±(ti) und T±(t2) . Sobald die Wärmeleitfähigkeit der Isolation bekannt ist, kann unter Verwendung der bei einer weiteren Messung zwischen Ti(ts) und Ti(t ₄ ) erhaltenen Messwerte die Enthalpie des Latentwärmespeichers bestimmt werden. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass sich der von Ti(ts) bis T±(t ₄ ) erstreckende erste Temperaturbereich von einer Temperatur von 1-4 °C unterhalb der Phasenwechseltemperatur bis zu einer Temperatur von 1-4 °C oberhalb der Phasenwechseltemperatur erstreckt. Am besten geeignet für die Bestimmung der thermischen Leistungs fähigkeit sind Betriebs zustände , in denen der Behälter geschlossen und leer ist . Eine bevorzugte Vorgehensweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass die Messung der Umgebungstemperatur und der Innenraumtemperatur begonnen wird, nachdem Sensorinformationen erhalten worden sind, wonach der Transportbehälter geschlossen und leer ist . Als geeigneter Sensor zur Erfassung des Öf fnungs- oder Schließ zustands kann beispielsweise ein Türkontakt und/oder ein im Inneren des Behälters angeordneter Lichtsensor zum Einsatz gelangen . Als geeigneter Sensor zur Erfassung des Leerzustands kann beispielsweise ein Gewichtssensor zum Einsatz gelangen .

Außerdem ist es vorteilhaft , wenn die Messungen durchgeführt werden, solange ein deutlicher Temperaturunterschied zwischen der Innenraum- und der Umgebungstemperatur vorhanden ist . Eine bevorzugte Vorgehensweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass die Messung der Umgebungstemperatur und der Innenraumtemperatur durchgeführt wird, während die Di f ferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Innenraumtemperatur mindestens 10 K beträgt .

Die Auswertung der beiden Messungen erfolgt automatisch, z . B . durch ein Computerprogramm, welches erkennt , sobald sich der Transportbehälter in geschlossenem und leerem Zustand befindet und die j eweiligen Temperaturbereiche durchfahren werden . Im normalen Betriebs zyklus ist dies z . B . beim Rücktransport des Transportbehälters nach einer Medikamentenlieferung der Fall . Mit der vorliegenden Erfindung kann somit eine fortwährende Überwachung der Leistungs fähigkeit aller eingesetzten Transportbehälter während des laufenden Betriebs durchgeführt werden, wobei sowohl die Wärmeleitfähigkeit der I solation als auch die Enthalpie des Latentwärmespeichers bestimmt werden . Dies ermöglicht zum einen eine Unterscheidung der Leistungs fähigkeit j edes einzelnen Behälters , welche z . B . durch eine Leistungskennzahl angegeben werden kann, und zum anderen können Beschädigungen der I solation durch eine Veränderung der thermischen Leistungs fähigkeit erkannt und die betrof fenen Behälter repariert werden .

Dadurch ergeben sich entscheidende Vorteile gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise . Die Sicherheits faktoren in Lauf zeitvorhersagen der Transportbehälter können reduziert werden und die thermische Leitungs fähigkeit der Behälterf lotte kann besser ausgenutzt werden .

Gemäß einer bevorzugten Aus führung der Erfindung kann die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit der I solationsschicht für zumindest eine der Wände der Behälterwandung gesondert von den anderen Wänden vorgenommen werden . Besonders bevorzugt wird der Wärmeleitfähigkeit der I solationsschicht für j ede Wand der Behälterwandung gesondert vorgenommen . Zu diesem Zweck werden der oder den gesondert zu erfassenden Wand bzw . Wänden j eweils ein eigener Innentemperatursensor zugeordnet , dessen Messwerte für die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit der dieser Wand zugehörigen I solationsschicht herangezogen werden .

Der Innentemperatursensor ist bevorzugt an der dem Innenraum zugewandten Fläche der Behälterwandung oder in einer Ausnehmung dieser Fläche angeordnet oder befestigt . Gemäß einem zweiten Aspekt betri f ft die Erfindung ein System zur Überwachung der thermischen Leistungs fähigkeit eines temperaturkontrollierten Transportbehälters , umfassend einen Transportbehälter mit einer Behälterwandung und einem von der Behälterwandung umgebenen Innenraum, wobei die Behälterwandung eine den Innenraum allseitig umgebende thermische I solationsschicht und eine Latentwärmespeicherschicht umfasst , wobei die Latentwärmespeicherschicht ein Phasenwechselmaterial mit einer Phasenwechseltemperatur aufweist , und wobei der Transportbehälter einen Außentemperatursensor für die Messung der Umgebungstemperatur des Transportbehälters und ein Innentemperatursensor für die Messung der Innenraumtemperatur aufweist , und wobei der Transportbehälter einen Messwertspeicher aufweist , dem die Messwerte des Außentemperatursensors und des Innentemperatursensors zugeführt sind, die während eines ersten Zeitraums gemessen werden, in dem die Innenraumtemperatur einen ersten Temperaturbereich durchläuft , und die während eines zweiten Zeitraums gemessen werden, in dem die Innenraumtemperatur einen zweiten Temperaturbereich durchläuft , wobei die Phasenwechseltemperatur im ersten Temperaturbereich liegt und der zweite Temperaturbereich oberhalb oder unterhalb des ersten Temperaturbereichs liegt , und eine Recheneinheit zur Auswertung der Messdaten, wobei der Transportbehälter und die Recheneinheit j eweils eine Datenübertragungsschnittstelle aufweisen, über welche die Messwerte aus dem Messwertspeicher des Transportbehälters an die Recheneinheit übermittelt werden, und wobei die Recheneinheit eingerichtet ist , um aus der zeitlichen Änderung der Innenraumtemperatur relativ zur Umgebungstemperatur während des Durchlaufens des zweiten Temperaturbereichs die Wärmeleitfähigkeit der I solationsschicht zu errechnen und danach aus der zeitlichen Änderung der Innenraumtemperatur relativ zur Umgebungstemperatur während des Durchlaufens des ersten Temperaturbereichs und aus der Wärmeleitfähigkeit der I solationsschicht die Enthalpie des Phasenwechselmaterials zu errechnen .

Die Recheneinheit kann hierbei im Transportbehälter angeordnet sein . Alternativ kann die Recheneinheit als gesonderte bzw . entfernte Einheit angeordnet sein . Die entfernte Einheit kann beispielswiese in einem zentralen Rechenzentrum angeordnet sein, in welchem Zustands- , Ortsund Sensordaten aller Transportcontainer einer Containerf lotte empfangen und ausgewertet werden .

Die Datenübertragungsschnittstelle des Transportbehälters und der Recheneinheit können hierbei in Abhängigkeit von den j eweiligen Erfordernisse ausgebildet sein . Wenn die Recheneinheit in den Transportbehälter integriert ist , können die Datenübertragungsschnittstellen für die drahtgebundene Übertragung der Messwerte ausgebildet und im einfachsten Fall als elektrische Kontakte ausgeführt sein . Wenn die Recheneinheit als gesonderte Einheit ausgebildet ist , können die Datenübertragungsschnittstellen für die drahtlose Datenübermittlung ausgebildet sein, z . B . über REID, Bluetooth oder über ein Mobil funknetz . Die Datenübermittlung vom Transportbehälter an die Recheneinheit muss außerdem nicht direkt erfolgen, sondern kann über zwischengeschaltete Einheiten, wie z . B . Netzwerkkomponenten, Zwischenspeicher, Datenausleseeinheiten oder dgl . , vorgenommen werden . Hinsichtlich der den Innenraum allseitig umgebenden thermischen I solationsschicht ist diese so ausgebildet , dass sie den Energiefluss in radialer Richtung zum Innenraum des Transportbehälters hin reduziert . Die I solationsschicht kann eine Wärmeleitfähigkeit von < 0 , 02 W/ (m . K) , bevorzugt < 0 , 012 W/ (m . K) , aufweisen . Die I solationsschicht besteht bevorzugt aus Vakuumdämmplatten (VIP ) .

Hinsichtlich der im Transportbehälter des erfindungsgemäßen Systems angeordneten Latentwärmespeicherschicht wird vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial mit einer Phasenübergangstemperatur ausgewählt , die auf den im Innenraum des Transportbehälters gewünschten Temperaturbereich abgestimmt ist , sodass der gewünschte Temperaturbereich möglichst stabil und unabhängig von der Außentemperatur gehalten werden kann . Bevorzugt liegt die Phasenübergangstemperatur im Bereich von 2 ° C-15 ° C .

Die Latentwärmespeicherschicht umfasst bevorzugt als flächige chemische Latentwärmespeicher ausgebildete Phasenwechselmaterialelemente , wobei bezüglich des den Latentwärmespeicher bildenden Mediums herkömmliche Ausbildungen verwendbar sind . Bevorzugte Medien für die Latentwärmespeicher sind Paraf fine und Sal zmischungen .

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung umfasst j ede Wand des Transportbehälters wenigstens einen flächigen chemischen Latentwärmespeicher, sodass der Innenraum bevorzugt vollständig von Phasenwechselmaterial umgeben ist . Alternativ kann ein Latentwärmespeicher den Innenraum nur teilweise umgeben, wobei wenigstens eine mit dem Latentwärmespeicher in Kontakt stehende Energieverteilschicht aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von > 100 W/ (m . K) , insbesondere > 200 W/ (m . K) , vorgesehen sein kann, welche für eine Wärmeverteilung über den gesamten Umfang des Innenraums sorgt . Vorzugsweise besteht die wenigstens eine Energieverteilschicht zumindest teilweise , insbesondere vollständig, aus Aluminium, Kupfer oder Kohlenstof f- Nanoröhrchen .

Im Folgenden werden die der Erfindung zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge anhand eines Aus führungsbeispiels näher erläutert .

Nach dem Energieerhaltungssatz führt eine Wärmeübertragung (Qi ) zu einer Änderung der Inneren Energie (At/) des Transportbehälters :

Af/ = Qi (1)

Die Änderung der Inneren Energie des leeren Transportbehälters wird mit guter Näherung durch Gleichung ( 2 ) beschrieben .

Dabei ist c _PCM (T) die temperaturabhängige spezi fische Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials . C _s die temperaturunabhängige Wärmekapazität der anderen Bauteile des Transportbehälters ( I solation, Strukturteile ) , welche mit Hil fe einer Validierungsmessung bestimmt und für andere Behälter übertragbar ist .

Der Wärmeeintrag in den Behälter kann vereinfacht mit Gleichung ( 3 ) berechnet werden .

Hier stellt f einen Korrekturf aktor dar, der über Validierungsmessungen bestimmt wird und auf andere Transportbehälter übertragbar ist.

Der Phasenwechsel des Latentwärmespeichers liegt üblicherweise innerhalb des Betriebsintervalls des entsprechenden Behälters. Somit ergibt sich in diesem Temperaturbereich ein Maximum in der Verteilung der spezifischen Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials. Außerhalb dieses Bereiches ist die spezifische Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials nahezu konstant und sehr gut bekannt (siehe Fig. 1) . Daher eignet sich dieser Bereich gut für eine Berechnung der Wärmeleitfähigkeit der Isolation mit Gleichung ( 4 ) . ( vr

Da c _PCM (T) im betrachteten Temperaturbereich konstant ist, vereinfacht sich das Integral in Gleichung (2) zu c _PCM ■ AT . Ein Beispiel: Der typische Betriebstemperaturbereich eines Transportbehälters für die Pharmaindustrie liegt bei 2-8°C. Ein geeignetes Phasenwechselmaterial sollte ein Maximum der spezifischen Wärmekapazität bei etwa 5°C aufweisen. Ein geeigneter Temperaturbereich für die Messung der Wärmeleitfähigkeit nach Gleichung (4) wäre also z.B. 10-15°C. Die Messung wird bei einer Temperatur von 10°C zum Zeitpunkt ti automatisch gestartet. Sobald die Temperatur im Inneren des Behälters einen Wert von 15°C aufweist, wird die Messung zum Zeitpunkt t2 gestoppt und mit Gleichung (4) ausgewertet. Mit Hilfe der nun bekannten Wärmeleitfähigkeit der Isolation kann die Enthalpie des Latentwärmespeichers mit Gleichung (5) berechnet werden. Dazu muss der gewünschte Temperaturbereich innerhalb des Betriebstemperaturintervals des Behälters durchfahren werden, so dass ein Phasenwechsel stattfindet.

Im obigen Beispiel wäre ein Temperaturintervall von 2-8°C denkbar. Die Messung wird gestartet bei einer Temperatur von

2 °C zum Zeitpunkt ts und läuft bis eine Temperatur von 8 °C erreicht wurde (Zeitpunkt t4) .

Ein für die Durchführung der Erfindung geeigneter Transportbehälter wird anhand der Fig. 2 näher erläutert, welche eine Schnittdarstellung des Transportbehälters zeigt. Der Transportbehälter umfasst eine quaderförmige Wandung 1, welche den Innenraum des Transportbehälters umschließt. An einer (nicht dargestellten) Vorderseite des Transportbehälters ist eine Tür vorgesehen, über welche der Innenraum be- und entladen werden kann. Die Wandung 1 umfasst eine thermische Isolationsschicht 2 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von < 0,02 W/ (m.K) , bevorzugt < 0,012 W/ (m.K) , wie z.B. aus Vakuumdämmplatten. An der dem Innenraum zugewandten Seite der Isolationsschicht 2 ist eine Latentwärmespeicherschicht 3 angeordnet, welche ein Phasenwechselmaterial umfasst. Für die Messung der Innenraumtemperatur ist an der dem Innenraum zugewandten Seite der Latentwärmespeicherschicht 3 ein Innentemperatursensor 4 angeordnet. Für die Messung der Umgebungstemperatur ist an der Außenseite des Transportbehälters ein Außentemperatursensor 5 angeordnet. Die Messsignale des Innentemperatursensors 4 und des Außentemperatursensors 5 sind einem nicht dargestellten Messwertspeicher bzw. einer Recheneinheit zugeführt, in der die erfindungsgemäße Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht und der Enthalpie des Phasenwechselmaterials erfolgt.