DE3445336A1

DE3445336A1 - Klimaanlage mit luftumwaelzung

Info

Publication number: DE3445336A1
Application number: DE19843445336
Authority: DE
Inventors: George C. Canton Conn. Rannenberg
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-12-12
Filing date: 1984-12-12
Publication date: 1985-06-13
Anticipated expiration: 2004-12-13
Also published as: JPS60138367A; ES8507255A1; ES538466A0; NO160740B; DE3445336C2; SE8406252D0; GB8430571D0; JPH0566504B2; FR2556453A1; DK589284A; BR8406292A; IL73716A; SE8406252L; IT8424014A1; SE457826B; DK160332B; IL73716A0; GB2153513A; DK160332C; NO844877L

Description

KLIMAANLAGE MIT LUFTUMWÄLZUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage mit Luftumwälzung und betrifft insbesondere eine Klimaanlage, welche die Temperatur und den Druck eines ersten Arbeitskörpers unter Verwendung von Frischluft sowie die Temperatur eines zweiten Arbeitskörpers unterVerwendung von Umwälzluft regelt.

Klimaanlagen mit Luftumwälzung sind allgemein bekannt und werden gewöhnlich zum Kühlen und zur Druckregelung von Arbeitskörpern wie beispielsweise Passagierkaa*binen und Räumen für Ausrüstungsgegenstände in Zivil- und Militärflugzeugen verwendet. Ein Grund für die Beliebtheit derartiger Anlagen ist das beachtliche Kühlangebot, das von Klimaanlagen mit Luftumwälzung bei einer verhältnismäßig bescheidenen Größe zur Verfügung gestellt wird. Ein anderer Grund ist die Anpassungsfähigkeit derartiger Anlagen an Fahrzeuge, die von einer Gastr/ubinenanlage angetrieben werden. Beispiele für derartige Fahrzeuge sind Flugzeuge und neuerdings auch militärische Landfahrzeuge, wie Panzer. Das Austrittsende des Verdichters einer Gasturbinenanlage stellt eine angenehme Quelle einer zu Kühlzwecken verwendbaren Druckluft für die Klimaanlage dar.

Bei Zivil- und Militärflugzeugen wird gefordert, daß die Regelung der Temperatur und des Druckes in den Räumen für Passagiere (Mannschaften) und Ausrüstungsgegenstände von der mit Luftumwälzung arbeitenden Klimaanlage des Flugzeugs ausgeht. Um eine ausreichende Menge an Atemluft in den Räumen für die Passagiere aufrecht zu erhalten, ist es allgemein üblich, einen derartigen Arbeitskörper mit einer Klimaanlage mit einem offenen Luftkreislauf zu erwärmen oder abzukühlen und auf den richtigen Druck zu bringen. Bei einer derartigen Anlage wird die verbrauchte Luft fortlaufend aus dem Arbeitskörper abgezogen und über Bord gegeben. Der Druck und die Tem-

peratur des Raumes werden fortlaufend durch die Zufuhr von frischer Umgebungsluft auf den gewünschten Werten gehalten, wobei die dem Raum zugeführte Luft je nach Bedarf erwärmt Sder abgekühlt wird. Während eine Klimaanlage mit einem offenen Luftkreislauf für eine wirksame Regelung der'Temperatur und des Druckes in Räumen für Passagiere sorgt, kann ein Raum für Ausrüstungsgegenstände j der gekühlt werden muß, eine Temperaturregelung mit einer wiederholt umgewälzten Luft ertragen. Eine derartige Temperaturregelung läßt sich wirtschaftlicher durchführen, da eine einmalige Zufuhr einer wiederholt umgewälzten Luft ausreicht.

Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades bei der Temperatur- und Druckregelung eines ersten Arbeitskörpers, dem kontinuierlich Frischluft zugeführt werden muß.und eines zweiten Arbeitskörpers, dessen Temperatur durch wiederholt umgewälzte Luft geregelt werden kann, ist es daher wünschenswert zwei getrennte Klimaanlagen mit Luftumwälzung vorzusehen. Wenn jedoch eine derartige doppelte Temperatur- und Druckregelung in die Tat umgesetzt wird, können die Vorteile, die mit dem Kühlen des zweiten Arbeitskörpers durch wiederholt umgewälzte Luft verbunden sind, durch die Kosten und den Umfang von zwei verschiedenen Klimaanlagen mehr als ausgeglichen sein. Es scheint daher auf den ersten Blick, daß die Verwendung einer einzigen, bekannten Klimaanlage mit einem offenen Luftkreislauf mit einer ausreichenden Kapazität zur Befriedigung der beiden Arbeits-« körper ein wirksamer Weg ist, um die verschiedenen, mit den beiden Arbeitskörpern verbundenen Anforderungen an die Temperatur- und Druckregelung in den Griff zu bekommen. Eine einzige Anlage bringt sicherlich weniger Aufwand mit sich und ist wahrscheinlich auch weniger kompliziert, als zwei Anlagen. Eine einzige Anlage würde jedoch über eine vorgegebene Zeitspanne mehr Antriebsenergie verbrauchen als zwei Anlagen. Eine einzige Anlage mit einem offenen Kreislauf müßte bei Ausgangswerten arbeiten, die ausreichen, um den

größten Wärme- und Kältebedarf eines Arbeitskbrpers zu befriedigen, gleichgültig, ob eine derartige Ausgangsleistung von der Anlage verlangt wird oder nicht. Bei zwei Anlagen, kann die Ausgangsleistung und damit auch der Energiebedarf an der Eintrittsseite einer jeden Anlage auf den betreffenden Arbeitskörper zugeschnitten werden.

Es ist daher hauptsächlich Ziel und Zweck der Erfindung, eine Klimanlage mit Luftumwälzung zu schaffen, mit welcher die Temperatur und der Druck von zwei verschiedenen Arbeitskörpern wirksam geregelt werden können, wobei der eine Arbeitskörper eine ständige Zufuhr von Frischluft verlangt und der andere Arbeitskörper mit wiederholt umgewälzter Luft erwärmt oder gekühlt werden kann.

Der Gegenstand der Erfindung geht aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den Ansprüchen näher hervor. Das vorstehend erwähnte Ziel ι wird gemäß der Erfindung durch eine einzige Klimaanlage mit Luftumwälzung erreicht, bei welcher die Eingangsenergie, die mit der Zufuhr von Druckluft zur Anlage verbunden ist, einen ersten, mit offenem Kreislauf arbeitenden Teil der Anlage zur Regelung der Temperatur und des Druckes eines Arbeitskörpers antreibt und speist, wobei die an einer Welle auftretende Energie, welche durch den mit offenem Kreislauf arbeitenden Teil der Anlage erzeugt wird, einen mit geschlossenem Kreislauf arbeitenden Teil der Anlage zur Regelung der Temperatur des anderen Arbeitskörpers antreibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die der Klimaanlage zugeführte Eingangsenergie von einer Quelle mit Druckluft aufgebracht, die beispielsweise aus dem Austrittsende eines Verdichters einer Gasturbinenanlage austritt, welche ein Fahrzeug antreibt, das die beiden Arbeitskörper trägt. Die Druckluft treibt eine erste, dem offenen Kreislauf zugeordnete Turbine an, welche die Druckluft entspannt und dem ersten Arbeitskörper Luft mit geregelter Temperatur zuführt. Der erste Arbeitskörper kann beispielsweise eine Flug-

zeugkabine sein, die eine Belüftung mit Frischluft verlangt. Die dem offenen Kreislauf zugeordnete Turbine führt dem ersten Arbeitskörper nicht nur Frischluft zu, sondern treibt auch einen dem geschlossenen Kreislauf zugeordneten Verdichter an, welcher eine verhältnismäßig konstante Zuführmenge an wiederholt umgewälzter Luft verdichtet, welche anschließend entspannt und einem zweiten Arbeitskörper zugeführt wird. Es ist daher ersichtlich, daß im wesentlichen die gesamte Energie, die aus der Luftquelle stammt, welche die Anlage speist und antreibt, zum Kühlen oder Erwärmen und zum Regeln des Druckes der beiden Arbeitskörper verwendet wird. Auf diese Weise wird sowohl eine Regelung der Temperatur und des Druckes mit Frischluft als auch eine Regelung der Temperatur mit wiederholt umgewälzter Luft von zwei zu klimatisierenden Arbeitskörpern mit einer einzigen, eine Luftumwälzung aufweisenden Klimaanlage erreicht, die durch einen wirtschaftlichen Aufbau, und einen minimalen Bedarf an Eingangsenergie gekennzeichnet ist.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimaanlage mit Luftumwälzung, und

Fig. 2 eine schematische Darstelung einer Steuereinrichtung zum Steuern der Klimaanlage gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Klimaanlage 10 mit Luftumwälzung gezeigt. Die Klimaanlage 10 weist einen ersten, mit offenem Kreislauf arbeitenden Teil 12 auf, welcher einen ersten Arbeitskörper erwärmt oder abkühlt und auf den richtigen Druck bringt. Der erste Arbeitskörper 14 kann beispielsweise eine Kabine eines Zivil- oder Militärflugzeugs sein. Die Klimaanlage Io weist ferner einen zweiten, mit geschlossenem Kreislauf arbeitenden Teil 16 auf, welcher einen zweiten Arbeitskörper 20 erwärmt oder

abkühlt. Der zweite Arbeitskörper 2o weist einen Raum 25 auf, der beispielsweise ein Raum für elektrische Ausrüstungsgegenstände sein kann. Die Temperatur des zweiten Arbeitskörpers wird durch eine verhältnismäßig konstante Zuführmenge eines geeigneten, wiederholt umgewälzten Kühlmediums geregelt.

Die Luft, mit welcher eine geeignete Zufuhr an Kühlluft aufrecht erhalten und die Klimaanlage Io angetrieben werden soll, kommt von einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise von einer nicht dargestellten Verdichterstufe eines Gasturbinenanlage. Die von der Verdichterstufe kommende Luft wird der Anlage Io über das in Fig. 1 gezeigte linke Ende einer Haupteinlaßleitung zugeführt. Die Haupteinlaßleitung 3o weist einen primären Wärmetauscher 35 und einen sekundären Wärmetauscher 40 auf. Die Luft wird in diesen Wärmetauschern durch einen Strom eines geeigneten Kühlmittels, wie beispielsweise der Umgebungsluft gekühlt. Ein Teil der Luft wird über eine Leitung 45 und ein Umwegventil 50 einer zur Kabine führenden Einlaßleitung 60 zugeführt. Das Umwegventil 5o führt an der dem offenen Kreislauf zugeordneten Trubine vorbei und wird von einer Betätigungseinrichtung 55 eingestellt. Der Rest der zugeführten Luft wird durch eine zur Turbine führende Einlaßleitung 65 geführt, die einen regenerativen Wärmetauscher 7o aufweist. Die Luft wird dann durch die Turbine 75 hindurchgeführt und der zur Kabine führenden Einlaßleitung 60 zugeführt. Die Turbine 75 weist einen Einlaß 80 mit einem veränderlichen Querschnitt auf. Der Einlaß 8o kann eine Vielzahl von verstellbaren Blättern 85 aufweisen, die von einer Betätigungseinrichtung 9o eingestellt werden, die mit den Blättern 85 verbunden ist. Wenn die Druckluft durch die Turbine 75 hindurchfließt, gibt die Luft an die Turbine Arbeit ab, wodurch das Laufrad der Turbine angetrieben und die Luft entspannt wird. Hierdurch werden die Temperatur und der Druck der Luft beträchtlich abgesenkt. Ein Teil der aus der Turbine 75 austretenden Kühlluft wird mit der ungekühlten Luft gemischt, die aus der Leitung 45 in die Einlaß-.leitung 60 fließt. Die Mischung fließt durch einen Wasserab-

scheider 80 A, in welchem der Luftstrom getrocknet wird, worauf der Luftstrom schließlich der Kabine 14 zugeführt wird. Die verbrauchte Luft wird kontinuierlich aus der Kabine 14 abgezogen und über ein Auslaßventil 85 A über Bord gegeben, welches den Druck in der Kabine regelt. Die aus der Kabine abgezogene, verbrauchte Luft wird durch Frischluft ersetzt, die der Kabine über die Einlaßleitung 60 kontinuierlich zugeführt wird. Der Rest der aus der Turbine 75 austretenden Luft wird durch eine Leitung 90 A hindurchgeführt, wobei die Luft durch ein Steuerventil 95 und den regenerativen Wärmetauscher 7o hindurchfließt. Die durch die Leitung 90 A hindurchfließende Luft zieht Wärme von der Luft ab, welche durch die Leitung 65 zur Turbine 75 fließt, um das Kühlangebot am Ausgang der Turbine 75 zu vergrößern. Das Steuerventil 95', welches den Luftstrom durch die Leitung 90 A regelt, ist "mit·dem Ventil 5o mechanisch verbunden. Das Steuerventil 95 und das Umwee;-ventil 50 werden von der Betätigungseinrichtung 55 nacheinander betätigt. Wenn die durch die Leitung 90 A hindurchfließende Luft durch den regenerativen Wärmetauscher hindurchgetreten ist, wird die Luft über Bord abgegeben.

Das Erwärmen und Abkühlen sowie die Druckregelung der Kabine 14 können dadurch gesteuert werden, daß der Strom der durch die Turbine 75 hindurchfließenden, entspannten und gekühlten Luft und der Strom der durch die Leitung 45 fließenden, verhältnismäßig wärmeren, ungekühlten Luft geregelt werden.* Wenn beispielsweise eine maximale Erwärmung der Kabine erforderlich ist, wie dies beispielsweise bei hohen Flughöhen eines Flugzeugs der Fall ist, wird die Einlaßdüse der Turbine 75 von der Betätigungseinrichtung 90 geschlossen. Die Betätigungseinrichtung 55 schließt daraufhin das Steuerventil 95, um den Strom der durch den regenerativen Wärmetauscher hindurchfließenden Kühlluft zu verringern und schließlich abzusperren und anschließend das Ventil 50 allmählich bis zu seinem maximalen Durchtrittsquerschnitt zu öffnen, um die Menge an Warmluft möglichst groß zu machen, welche aus der

Haupteinlaßleitung 3o zur Kabine fließt. Wenn die Kabine gekühlt werden soll, verstellt die Betätigungseinrichtung 90 die verstellbaren Blätter 85 in der Einlaßdüs« 80, um.die Menge der zur Turbine 75 fließenden Luft und damit die Menge der aus der Turbine austreteneden Kühlluft zu erhöhen. Die Betätigungseinrichtung 55 schließt daraufhin das Umwegventil 50, um den Strom der ungekühlten Zuführluft zu: der von der Turbine kommenden Leitung 60 abzusperren. Die Betätigungseinrichtung öffnet daraufhin das Steuerventil 95, um die zur Turbine fließende Luft im regenerativen Wärmetauscher 7o einer verstärkten Vorkühlung zu unterziehen und damit die Kühlung der Kabine über die Leitung 60 zu erhöhen.

Es liegt auf der Hand, daß genügend Druckluft der Klimaanlage Io zugeführt werden muß, um den Heiz- und Kühlbedarf der Kabine 14 und des Raumes 25 zu befriedigen. Es·ist offensichtlich, daß die Energie, die in der aus der'Kabine über Bord ausgeblasenen Kühlluft enthalten ist, einer weiteren Verwendung nicht mehr zugeführt wird. Die Menge der über Bord geblasenen Kühlluft sollte daher möglichst gering gehalten werden . Wenn einer der Arbeitskörper Ausrüstungsteile enthält, die durch eine wiederholte Umwälzung einer in einem geschlossenen Kreislauf geführten Kühlluft gekühlt werden können, läßt sich ein derartiger Arbeitskörper mit der Klimaanlage Io dadurch wirksam kühlen, daß in dem mit geschlossenem Kreislauf arbeitenden Teil 16 die kinetische Energie verwendet wird, die dem Laufrad der dem offenen Kreislauf zugeordneten Turbine 75 von dem durch die Turbine 75 hindurchfließenden Luftstrom erteilt wird. Zu diesem Zweck ist das Laufrad der Turbine 75 über eine Welle 105 mit dem Laufrad eines dem geschlossenen Kreislauf zugeordneten Verdichters 100 verbunden, wobei die Drehbewegung des Laufrades der Turbine das Laufrad des Verdichters antreibt, um die durch eine Leitung 110 fließende Luft vorzuverdichten. Die Leitung 110 wird mit Luft aus der Luftquelle über ein Steuerventil 115 in der Haupteinlaßleitung 30 gespeist. Das Steuerventil 15 regelt die Luft-

■-"12

zufuhr zur Leitung 110. Der Durchflußquerschnitt des Steuerventils 115 wird von einer Betätigungseinrichtung 120 eingestellt. Die Betätigungseinrichtung 120 öffnet das Steuerventil 115, wenn die Kühlluft, die in dem mit geschlossenem Kreislauf arbeitenden Teil der Anlage umgewälzt wird, beispielsweise aufgrund einer Leckströmung aufgefüllt werden muß.

Die Druckluft aus dem Verdichter 100 wird einem Verdichter 125 zugeführt, in welchem der Druck der Luft weiter gesteigert wird. Der Verdichter 125 wird vom Laufrad einer Turbine 130 angetrieben, das über eine Welle 135 mit dem Laufrad des Verdichters 125 verbunden ist. Die aus dem Verdichter 125 austretende Luft wird über eine Leitung 137 einem die Wärme abführenden Wärmetauscher 140 zugeführt, in welchem die Luft durch Wärmeabgabe an ein geeignetes Kühlmittel, wie Umgebungsluft gekühlt wird. Die Luft wird von dem die Wärme abführenden Wärmetauscher 140 über eine Leitung 145 dem auf der Hochdruckseite der Turbine 13o liegenden Strang eines regenerativen Wärmetauschers 150 zugeführt. Die Luft wird im regenerativen Wärmetauscher 150 durch Wärmeabgabe an die von der Turbine 130 kommende Luft gekühlt, die über eine Leitung 155 dem auf der Niederdruckseite der Turbine 130 liegenden Strang des regenerativen Wärmetauschers 150 zugeführt wird. Die verdichtete Luft wird von dem auf der Hochdruckseite der Turbine liegenden Strang des Wärmetauschers 150 über eine Leitung 16o der dem geschlossenen Kreislauf zugeordneten Expansionsturbine 130 zugeführt. Ein Teil der verdichteten Luft wird über eine Leitung 165 an der Turbine 130 vorbeigeführt. Die Leitung 165 weist ein Steuerventil 170 auf, das von einer Betätigungseinrichtung 175 eingestellt wird. Die Luft, die nicht an der Turbine 130 über die Zweigleitung 165 vorbeigeführt wird, tritt durch die Turbine 130 hindurch. Die durch die Turbine 130 durchfließende Luft wird entspannt und abgekühlt und treibt das Laufrad der Turbine und damit den Verdichter 125 an.

Die aus der Turbine 130 austretende Kühlluft wird über eine Auslaßleitung 180 dem Arbeitskörper 20 zugeführt. Der Arbeitskörper 20 weist einen Wärmetauscher 185, den Raum 25 für Ausrüstungsgegenstände und eine dazwischenliegende Ringleitung 190 auf. Die Ringleitung 190 enthält ein flüssiges Wärmetauschmittel . Das flüssige Wärmetauschmittel wird in Richtung der Pfeile mit Hilfe einer Pumpe 195 umgewälzt, die in der Ringleitung 190 angeordnet ist. Die Luft, die von der Turbine 130 zum Wärmetauscher 185 geführt wird, kühlt die in der Ringleitung 190 umlaufende Flüssigkeit, die dann zum Raum 25 mit den Ausrüstungsgegenständen gepumpt wird. Die Flüssigkeit entzieht dem Raum 25 Wärme und wird zum Wärmetauscher 185 zurückgepumpt, in welchem die Flüssigkeit wieder gekühlt wird. Die von der Turbine kommende und nunmehr leicht angewärmte Luft wird vom Wärmetauscher 185 über die Leitung 155 dem regenerativen Wärmetauscher 150 zugeführt, um die zur Turbine 130 fließende Luft vorzukühlen. Wenn der Raum 25 für die Ausrüstungsgegenstände weniger gekühlt oder erwärmt werden soll, öffnet die Betätigungseinrichtung 175 das Umwegventil 170, wodurch die vom Verdichter 125 über die Leitungen 137, 145 und 160 kommende Luft an der Turbine 130 vorbeigeführt wird. Die an der Turbine 130 vorbeigeführte Luft wird dann über die Auslaßleitung 180 der Turbine dem Wärmetauscher 185 des Arbeitskörpers 20 zugeführt.

Die Klimaanlage 10 kann durch jede geeignete Steuereinrichtung, wie Analog- oder Digitalrechner für allgemeine oder besondere Zwecke gesteuert werden. Ein Beispiel einer typischen Steuerschaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Signal T . ... _ _Λ _Ί ^& & & & & Ausrüstung Soll

entspricht einer Temperatur (gewöhnlich eine konstante Temperatur die im Raum 25 für die Ausrüstungsgegenstände aufrecht erhalten werden soll. Das Signal T_{Ausrüstung Sq11} wird über eine Leitung 200 einer ersten summierenden Knotenstelle oder Differenzschaltung 205 zugeführt. Ein Signal ^T _{Ausrüstung Ist} wird über eine Leitung 210 der summierenden Knotenstelle 205 von einem geeigneten Wandler, wie Thermoelement 215 zugeführt, das im

Raum 25 angeordnet ist. Die Knotenstelle 205 stellt die Differenz zwischen diesen beiden Signalen fest und gibt die Differenz in Form eines Fehlersignals T_{Ausrüstung Fehler} über eine Leitung 220 an einen analogen Funktionsgeneratur oder digitalen Datensuchspeicher 225 weiter. Der Speicher 225 gibt ein Ausgangssignal ab, das dem Fehlersignal für die Temperatur des Ausrüstungsraumes entspricht und entweder eine angepaßte Einstellung des Einlaßquerschnittes der dem offenen Kreislauf zugeordneten Turbine 75 oder eine angepaßte Einstellung des Durchflußquerschnittes des dem geschlossenen Kreislauf zugeordneten Umwegventils 170 anzeigt.

Wenn das Fehlersiganl entsprechend der Darstellung in Fig. einem Betriebszustand entspricht, in welchem der Ausrüstungsraum zu warm ist, sorgt das Ausgangssignal des Speichers 225 dafür, daß zunächst das Umwegventil 170 geschlossen und anschließend die Einlaßdüse 80 der Turbine geöffnet wird. Wenn dagegen das Fehlersignal einem Betriebszustand entspricht, in welchem die Temperatur des Ausrüstungsräumes zu niedrig ist, sorgt das Ausgangssignal des Speichers 225 dafür, daß zuerst die Einlaßdüse 80 der Turbine geschlossen und anschließend das Umwegventil 170 geöffnet wird. Wenn das Ausgangssignal des Speichers 225 einem Betriebszustand entspricht, in welchem der Durchflußquerschnitt des Umwegventils einzustellen ist, wird das Ausgangssignal des Speichers 225 über eine Leitung 230 der Betätigungseinrichtung 175 zugeführt. Die Betätigungseinrichtung 175 stellt den Querschnitt des Umwegventils 170 nach, um den Fehler zwischen der tatsächlichen und gewünschten Temperatur im Ausrüstungsraum 25 auf ein Minimum herabzusetzen. Wenn das Ausgangssignal des Speichers 225 einem Signal entpricht, das ein Nachstellen des Durchflußquerschnittes der Einlaßdüse 80 der Turbine verlangt, wird das Ausgangssignal des Speichers 225 über eine Leitung 235 einem Schaltkreis 240 zugeführt, der einen maximalen Wert auswählt. Der Schaltkreis 240 weist einen weiteren Eingang auf, der über eine

Leitung 245 gespeist wird und ein Ausgangssignal von einem Funktionsgenerator oder Speicher 250 empfängt. Das Ausgangssignal des Speichers 250 gibt den Einlaßquerschnitt der Turbine an, der erforderlich ist, um den Luftstrom durch die Kabine zu erzielen, der notwendig ist, um eine gewünschte Temperatur aufrecht zu erhalten. Um ein Überhitzen der Kabine oder des Ausrüstungsraumes zu verhindern, wählt der Schaltkreis 240 das Eingangssignal mit dem größten Wert aus und gibt dieses Signal an die Betätigungseinrichtung 90 weiter. Die Betätigungseinrichtung 90 stellt den Querschnitt der Einlaßdüse 80 der Turbine in Abhängigkeit von diesem Signal ein, um den größten Kühlbedarf¹ der Kabine und des Ausrüstungsraumes zu befriedigen.

Der Ausgang des Funktionsgenerators oder Speichers 250 gibt den Luftstrom durch die Kabine an, der erforderlich ist, um eine gewünschte Temperatur in der Kabine aufrecht zu erhalten. Der Eingang zum Speicher 250 über eine Leitung 255 entspricht einem Signal, das einen Fehler zwischen dem tatsächlichen Luftstrom durch die Kabine und dem Luftstrom durch die Kabine angibt, der erforderlich ist, um die gewünschte Temperatur in der Kabine zu erzielen. Dieses Signal entspricht der Differenz, die von einer summierenden Knotenstelle 260 aus einem Signal W _c ,., (erforderlicher Luftstrom) und einem Signal W₁. .(

boil XSt

tatsächlicher Luftstrom) festgestellt wird. Das Signal W„ ,, kommt über eine Leitung 265 von einem Funktionsgenerator 270. Das Signal W_x . kommt über eine Leitung 275 von einem Wandler, wie einem Strömungsmesser 280 am Einlaß der Kabine.

Der Funktionsgenerator oder Speicher 270 gibt ein Signal ab , welches dem erforderlichen Luftstrom von der Turbine 75 zur Kabine entspricht. Der Speicher 270 gibt daneben ein Ausgangssignal über eine Leitung 285 an die Betätigungseinrichtung 55 ab. Das durch die Leitung 285 fließende Ausgangssignal entspricht dem Einstellwert des Umwegventils 50, der erforderlich ist, um die gewünschte Temperatur in der Kabine zu erreichen. Der Eingang des Speichers 270 empfängt

über eine Leitung 290 A ein Fehlersignal T_{Kabine Fehler}· Das dem Speicher 270 über die Leitung 290 A zugeführte Eingangssignal ist das Ausgangssignal aus einer summierenden Knotenstelle 290 und stellt die Differenz zwischen einem Signal

T,, ,. T₄. und einem Signal T„ , . _o ,, dar. Das Signal Kabine Ist ^s Kabine Soll ^&

T„ , . _x . entspricht der tatsächlichen Temperatur in der Kabine Ist * ¹^

Kabine und wird von einem Thermoelement 295 in der Kabine über eine Leitung 300 an die Knotenstelle 290 abgegeben. Das

Signal T„ , . „ ,, entspricht der gewünschten Temperatur Kauins doh

in der Kabine und wird über eine Leitung 305 der Knotenstelle 290 zugeführt. Wenn das Fehlersignal entsprechend der Darstellung in der Zeichnung einem Betriebszustand entspricht, in welchem die Kabine zu warm ist, entsprechen die Ausgangssignale des Speichers 270 zuerst dem Umwegventil 50^ das vollständig geöffnet ist, während der Bedarf an Durchsatz durch die Kabine herabgesetzt ist. Der Querschnitt des Ventils nimmt dann zu, während der Bedarf an Durchsatz durch die Kabine konstant bleibt. Schließlich nimmt der Bedarf an Durchsatz durch die Kabine zu, während das Umwegventil geschlossen gehalten wird. Wenn das Fehlersignal einem Betriebszustand entspricht, in welchem die Kabine zu kühl ist, entsprechen die Ausgangssignale des Speichers 270 zuerst dem Umwegventil, das geschlossen gehalten wird, während der Bedarf an Durchsatz durch die Kabine auf einen konstanten Wert abnimmt, bei welchem die Ausgangssignale einem abnehmenden Querschnitt des Umwegventils bei einem konstanten Bedarf an Durchsatz durch die Kabine entsprechen. Ein zunehmender Bedarf an Durchsatz durch die Kabine wird befriedigt, wenn das Umwegventil vollständig geöffnet ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß eine gewünschte Temperatur in der Kabine durch eine Steuerung des Luftstroms aufrecht erhalten werden kann..Die Steuerung des Luftstroms wird dadurch erreicht, daß der Querschnitt der Einlaßdüse d=;r Turbine 75 sowie der Strom der ungekühlten Luft zur Kabine über das Umwegventil 50 gesteuert werden.

Die gewünschte Temperatur des Ausrüstungsraumes wird in ähnlicherweise durch die Regelung des Stromes der ungekühlten, durch das Umwegventil 170 fließenden Luft sowie durch die Regelung des gesamten Luftstromes erreicht, der vom Verdichter 100 in dem mit geschlossenem Kreislauf arbeitenden Teil der Klimaanlage umgewälzt wird. Die Regelung des Verdichters 100 wird dadurch erreicht, daß die Eingangsenergie mit Hilfe der Regelung des Luftstromes durch die dem offenen Kreislauf zugeordnete Turbine 75 gesteuert wird, die den Verdichter antreibt,

Die erfindungsgemäße Klimaanlage mit Luftumwälzung macht es möglich, daß verschiedene Arbeitskörper mit einem maximalen Wirkungsgrad und einer minimalen Anzahl an Bauteilen gekühlt und auf den richtigen Druck gebracht werden können. Die Verbindung zwischen den Laufrädern der Turbine 75 und des Verdichters 100 macht es möglich, daß die Turbine 75 beide Arbeitskörper kühlen kann. Die Kabine wird durch die Zufuhr von Frischluft gekühlt, während der Ausrüstungsraum durch das Antreiben des Verdichters 100 und damit durch das Antreiben des Verdichters 125 und der Turbine 130 gekühlt wird.

Obgleich eine einzige Ausführungsform der Erfindung gezeigt worden ist, sei festgestellt, daß verschiedene Abweichungen von der vorstehenden Offenbarung für den Durchschnittsfachmann auf der Hand liegen. Während beispielsweise bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei in Reihe geschaltete Verdichter zum Erwärmen und Kühlen des Ausrüstungsräumes verwendet werden, sei festgestellt, daß auch ein einziger Verdichter verwendet werden kann, der von beiden Turbinen 75 und 130 über eine einzige Welle angetrieben werden kann, ohne von der Erfindung abzuweichen. Während bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel regenerative Wärmetauscher zum Kühlen der beiden Arbeitskörper verwendet werden, können diese regenerativen Wärmetauscher aus Gründen eines wirtschaftlichen Aufbaus auch ohne ein Abweichen von der Erfindung weggelassen werden, wenn die Anforderungen an das Erwärmen und Kühlen

- "is -

der Arbeitskörper auch ohne die regenerativen Wärmetauscher erfüllt werden. Die nachfolgenden Ansprüche decken daher diese und andere Abwandlungsformen, die unter den Geist und Umfang der Erfindung fallen.

- Leerseite -

Claims

Dlpl.-Ohem. Dr. Stefren ANDRAE
Dlpl.-Phys. Dieter FLACH
Dipl.-lng. Dietmar HAUG

CHpl.-Chem. Dr. Richard KNEISSL i ο π «w»

PATENTANWÄLTE · 2. ΟθΖ. 1984

Stefriatr. 44, D-8000 München 80

Anm.; United Technologies Corporation

HarlJTord, Ct., V. Sl. A. Az: 278 Zi/Ul

KLIMAANLAGE MIT LUFTUMWÄLZUNG

Patentansprüche

(l./Klimaanlage mit Luftumwälzung, gekennzeichnet durch einen ersten Arbeitskörper (14), dessen Temperatur und Druck mit Hilfe von Frischluft aufrecht erhalten werden müssen, die ständig zugeführt und anschließend wieder abgeführt wird; eine erste Turbine (75) mit einem Einlaß und einem Auslaß, die mit einer Druckluftquelle in Verbindung steht und von der Druckluftquelle angetrieben wird, wobei die erste Turbine (75) die Druckluft entspannt und abkühlt und die entspannte und gekühlte Luft dem ersten Arbeitskörper (14) zuführt; eine erste Einrichtung, welche eine Verbindung zwischen dem Einlaß der ersten Turbine (75) und der Druckluftquelle herstellt;
einen ersten Verdichter (100) mit einem Einlaß und einem Aus-

laß, der mit der ersten Turbine (75) verbunden ist und von der ersten Turbine (75) angetrieben wird und eine durch die Anlage umlaufende Luftmenge verdichtet;; eine zweite Turbine (130) mit einem Einlaß und einem Auslaß; eine zweite Einrichtung, welche den Auslaß des ersten Verdichters (100) mit dem Einlaß der zweiten Turbine (130) verbindet, welche durch die vom ersten Verdichter (100) zugeführte Luft angetrieben wird, sowie die zugeführte Luft entspannt und abkühlt;

einen zweiten Arbeitskörper (20), dessen Druck und Temperatur von einer durch die Anlage umgewälzten Kühlluft aufrecht erhalten werden, wobei die Kühlluft aus der zweiten Turbine (130) dem zweiten Arbeitskörper (20) zugeführt wird; und eine dritte Einrichtung, welche den Auslaß des zweiten Arbeitskörpers (20) mit dem Einlaß des ersten Verdichters (100) verbindet, wobei die von der zweiten Turbine (130) dem zweiten Arbeitskörper (20) zugeführte Luft vom zweiten Arbeitskörper (20) zum ersten Verdichter (100) zurückgeführt und anschließend der zweiten Turbine (130) zugeführt wird, um die Luft ständig" ''-durch den ersten Verdichter (100),die zweite Turbine (130) und den zweiten Arbeitskörper (20) umzuwälzen, wodurch der zweite Arbeitskörper (20) wirksam gekühlt und unter Druck gesetzt und gleichzeitig von der ersten Turbine (130) angetrieben wird.
2. Klimaanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Verdichter (125) mit einem Einlaß und einem Auslaß, welcher mit der zweiten Turbine (130) verbunden ist und zumindest teilweise von der zweiten Turbine (130) angetrieben wird, wobei der Einlaß des zweiten Verdichters (125) mit dem Auslaß des ersten Verdichters (100) verbunden ist, während der Auslaß des zweiten Verdichters (125) mit dem Einlaß der zweiten Turbine (130) verbunden ist, wodurch der zweite Verdichter (125) die vom ersten Verdichter (100) verdichtete Luft erhält und der zweite Verdichter (125) die Luft weiter verdichtet und der zweiten Turbine (130) zur

Entspannung und Abkühlung zuführt.
3. Klimaanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Steuerventil, das mit der dritten Verbindungseinrichtung in Verbindung steht und eine Strömungsverbindung zwischen der Druckluftquelle und dem ersten Verdichter (100) herstellt, um die durch den zweiten Arbeitskörper hindurchfließende Luftmenge aufzufüllen.
4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft dem Einlaßventil in der dritten Verbindungseinrichtung aus der ersten Verbindungseinrichtung zugeführt wird.
5. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Tubine (75) mit einem veränderlichen Einlaßquerschnitt versehen ist, und daß der Einlaßquerschnitt in Abhängigkeit vom größten Kühlbedarf des ersten und zweiten Arbeitskörpers eingestellt wird.
6. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Einrichtung den Auslaß der ersten Turbine (75) mit der ersten Verbindungseinrichtung verbindet, und daß die vierte Verbindungseinrichtung ein erstes Umwegventil (50) aufweist, wobei der Durchflußquerschnitt des Umwegventils (50) zur Umgehung der ersten. Turbine (75) und damit die Menge der ungekühlten Druckluft die von der Druck— luftquelle über das erste Umwegventil (50) dem Austrittsende der ersten Turbine (75) zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Wärmebedarf des ersten Arbeitskörpers eingestellt werden.
7. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine fünfte Einrichtung den Auslaß der zweiten Turbine (130) mit der zweiten Verbindungseinrichtung verbindet, und daß die fünfte Verbindungseinrichtung ein zweites Umwegventil

(17.0) zur Umgehung der zweiten Turbine (130) aufweist, und daß der Durchflußquerschnitt des Umwegventils (170) zur Umgehung der zweiten Turbine(130) und damit die Menge der ungekühlten Druckluft, die vom ersten Verdichter (100) durch das zweite Umwegventil (I7o) zum Austrittsende der zweiten Turbine (13o) fließt, in Abhängigkeit vom Wärmebedarf des zweiten Arbeitskörpers eingestellt werden.