DE102005012926B4 - Device for expanding the scope of use of a vehicle retrofitted for research purposes - Google Patents

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Abstract

Kühleinrichtung zum Kühlen von in weitgehend geschlossenen Bereichen von beweglichen und/oder stationären Vehikeln, wie Flugzeugen, Fahrzeugen, Containern u.ä. untergebrachten Mess- und anderen Spezialgeräten mit Wärmetauscher und Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlmittel-Kreislauf zwischen Wärmetauscher (1) und Pumpe (2) ein zusätzliches auf einem Verbrauchskühlmittel (5) basierendes Kühlmodul (4) eingebunden ist.cooling device for cooling in largely closed areas of movable and / or stationary Vehicles, such as aircraft, vehicles, containers, etc. accommodated Measuring and other special equipment with heat exchanger and pump, characterized in that in the coolant circuit between the heat exchanger (1) and pump (2) an additional on a consumption coolant (5) based cooling module (4) is involved.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zum Kühlen von in weitgehend geschlossenen Bereichen von beweglichen und/oder stationären Vehikeln, wie Flugzeugen, Fahrzeugen, Containern u.ä. untergebrachten Mess- und anderen Spezialgeräten mit Wärmetauscher und Pumpe.The The invention relates to a cooling device for cooling in largely closed areas of movable and / or stationary Vehicles, such as aircraft, vehicles, containers, etc. accommodated Measuring and other special equipment with heat exchanger and pump.

In DE 34 42 001 ist ein Verfahren zum Klimatisieren von geparkten Flugzeugen angegeben, bei welchen Luft mit einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser unter Druck in das Flugzeug eingebracht wird. Hiermit kann gegenüber herkömmlichen Kühleinrichtungen bei gleicher Kühlleistung mit kleineren Luftdurchsätzen eine effizientere und damit angenehmere Kühlung geschaffen werden.In DE 34 42 001 For example, there is provided a method of conditioning parked aircraft in which air having a temperature below the freezing point of water is introduced into the aircraft under pressure. This can be compared to conventional cooling devices with the same cooling performance with smaller air flow rates more efficient and thus more pleasant cooling can be created.

In WO 2004/045987 ist ein Luftfrachtkontainer beschrieben, in welchem ein Behälter mit Trockeneis vorgesehen ist, um die Kühlung beim Be- und Entladen des Flugzeugs sowie während Zwischenlandungen sicherzustellen. Hierbei handelt es sich um eine ergänzende Einrichtung, welche von dem eigentlichen Kühlsystem entkoppelt ist.In WO 2004/045987 describes an air freight container in which a container is provided with dry ice to the cooling during loading and unloading of the plane as well as during To ensure stopovers. This is a supplementary Device which is decoupled from the actual cooling system.

In EP 1 601 899 ist eine Trockeneis-Kühlmaschine für Transportbehälter beschrieben, wobei die durch das Trockeneis erzeugten niedrigen Temperaturen dazu genutzt werden, um das Kühlmittel im Kondensator zu verflüssigen, so dass die Kühlmaschine ohne einen mechanischen Kompressor auskommt. Hierbei handelt es sich um ein abgeschlossenes, autarkes Kühlsystem, das keinerlei Wechselwirkung mit anderen Kühlkreisläufen hat und obendrein ausschließlich zur Kühlung von Luft dient.In EP 1 601 899 describes a dry ice cooling machine for transport containers, wherein the low temperatures generated by the dry ice are used to liquefy the coolant in the condenser, so that the cooling machine can do without a mechanical compressor. This is a closed, self-contained cooling system that has no interaction with other cooling circuits and on top of that only serves to cool the air.

In AT 248 408 ist eine autarke Trockeneis-Kühlmaschine beschrieben, die eine reine Kondensations-Verdampfungseinheit in geschlossener Kreislaufanordnung ohne Pumpe ist.In AT 248 408 a self-contained dry ice cooling machine is described, which is a pure condensation-evaporation unit in a closed circuit arrangement without a pump.

In DE 19 45 957 ist ein Kühlsystem für einen Luftfracht-Container beschrieben, bei welchem Trockeneis zum Einsatz kommt. Hierbei sind für den Container zwei verschiedene Kühlmechanismen vorgeschlagen, die vollkommen unabhängig voneinander fungieren. Bei einem der Kühlmechanismen erfolgt eine Luftumwälzung in dem Container, wobei ein Teil der Luft gezielt über eine mit Trockeneis gekühlte Oberfläche eines Trockeneisgefäßes geleitet wirdIn DE 19 45 957 describes a cooling system for an air freight container, in which dry ice is used. Here, two different cooling mechanisms are proposed for the container, which function completely independently of each other. In one of the cooling mechanisms, an air circulation takes place in the container, wherein a portion of the air is directed via a dry ice cooled surface of a dry ice vessel

Beim Betrieb aufwendiger Messtechnik wird häufig viel Abwärme erzeugt. Radarsender, Hochleistungslaser oder große Pumpen stellen erhebliche Wärmequellen dar, die effizient gekühlt werden müssen, damit sie optimal funktionieren und die Arbeitsbedingungen für den/die Betreuer erträglich bleiben.At the Operation of complex measuring technology often generates a lot of waste heat. Radar transmitters, high power lasers or large pumps make a significant difference heat sources which cooled efficiently Need to become, so that they function optimally and the working conditions for the person Caregiver bearable stay.

Unter Laborbedingungen kann diese Wärme in der Regel beispielsweise durch Verwendung eines Flüssigkeitskühlers effizient abgeführt werden, da hier die nötigen Voraussetzungen hinsichtlich Wasser- und Energieversorgung gegeben sind. Probleme treten allerdings bei der Verwendung solcher Geräte unter extremen Bedingungen auf, wenn beispielsweise Kühlwasser, der benötigte Platz oder die erforderliche elektrische Leistung nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen. Als mögliche Szenarien seien hier beispielsweise Forschungsflugzeuge oder Messcontainer im Feld genannt, wo der Betrieb solcher Geräte daher mit Einschränkungen verbunden ist.Under Laboratory conditions can be this heat usually, for example, by using a liquid cooler efficiently dissipated be, since here the necessary Conditions regarding water and energy supply given are. However, problems occur when using such devices extreme conditions, such as cooling water, the space required or the required electrical power is not sufficient Measurements to disposal stand. As possible Scenarios here are, for example, research aircraft or measurement containers called in the field, where the operation of such devices therefore with limitations connected is.

Nachstehend wird der Stand der Technik am Beispiel von Flugzeugen erläutert. Diese Ausführungen lassen sich allerdings ebenso auf das Szenario von Messcontainern im Feldeinsatz oder andere Fahrzeuge übertragen. Forschungsflugzeuge, oder allgemeiner ausgedrückt Spezialflugzeuge im Bereich Forschung, Mi litär u.ä., stellen im Prinzip ein fliegendes Labor dar, das dazu dient, wissenschaftliches Arbeiten und einen Messbetrieb in der Luft zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass auf dieser Plattform Geräte betrieben werden, die, üblicherweise am Boden im Labor entwickelt, für den Einsatz auf einem Flugzeug entsprechend angepasst wurden. Auch das Flugzeug ist in der Regel modifiziert, um beispielsweise eine ausreichende Energieversorgung sicherzustellen.below the state of the art will be explained using the example of aircraft. These Let executions but also on the scenario of measurement containers in the field or other vehicles. Research aircraft, or more generally, special purpose aircraft in the field Research, military etc., place in principle, a flying laboratory serving scientific Working and to allow a measuring operation in the air. This means that devices are operated on this platform which, usually developed on the ground in the laboratory, for the use on an aircraft have been adjusted accordingly. Also The aircraft is usually modified to, for example, a ensure adequate energy supply.

Die Instrumentierung eines vollausgerüstetes Spezialflugzeugs bedeutet einen zusätzlichen Bedarf an elektrischer Energie, der häufig in der Größenordnung von 10kW liegt. Große Verbraucher sind beispielsweise Radarsender, Hochleistungslaser oder große Pumpen. Die entstehende Abwärme wird häufig direkt in die Kabine des Flugzeuges dissipiert, in einigen Sonderfällen, wo Instrumente die entsprechende Schnittstelle besitzen, oder die Instrumentierung in geschlossenen Messgestellen mit Wärmetauscher untergebracht ist, kommen allerdings auch Flüssigkeitskühler zum Einsatz, die diese Wärme an die vorbeiströmende Luft abgeben.The Instrumentation of a fully equipped special aircraft means An additional Demand for electrical energy, often of the order of magnitude of 10kW. Size Consumers are, for example, radar transmitters, high-power lasers or big Pump. The resulting waste heat becomes common directly dissipated in the cabin of the aircraft, in some special cases, where Instruments have the appropriate interface, or the instrumentation housed in closed measuring frames with heat exchanger, However, liquid chillers are also used Use that heat to the passing ones Release air.

Dies geschieht durch einfachen Wärmeübergang an der Außenhaut, was beispielsweise vom Anmelder DLR im Fall von Hochleistungslasern realisiert wurde oder durch Verwendung eines entsprechend gestalteten Lufteinlasses mit integriertem Wärmetauscher, wie es beispielsweise bei militärische Radaranwendungen üblich ist. Bewegt sich das Flugzeug in ausreichender Höhe, in welcher die Luft entsprechend kalt ist, stellen diese Kühlmethoden ein effizientes und robustes Verfahren dar.This happens through simple heat transfer on the outer skin, such as by the applicant DLR in the case of high power lasers was realized or by using an appropriately designed Air inlet with integrated heat exchanger, as for example in military Radar applications common is. If the aircraft moves sufficiently high, in which the air accordingly is cold, make these cooling methods an efficient and robust process.

Dies funktioniert allerdings nicht unter allen Betriebsbedingungen. Probleme treten insbesondere am Boden auf, beispielsweise in Flugzeugen beim Rollen, bei einer Zwischenlandung mit Betrieb der Geräte oder beim Tiefflug in warmer Umgebung. In beiden Fällen kann die Energie nicht effizient abgeführt werden, da im ersten Fall ein ausreichender Luftaustausch an der Kühlfläche nicht mehr vorhanden ist, im anderen Fall die vorbeiströmende Luft zu warm ist.This does not work under all operating conditions. issues occur especially on the ground, for example in aircraft Rolling, during a stopover with operation of the equipment or at Low altitude flight in a warm environment. In both cases, the energy can not efficiently dissipated In the first case, sufficient air exchange at the cooling surface will not occur There is more, in the other case, the passing air is too warm.

Anhand eines Tieffluges kann gezeigt werden, dass ein solches System sogar Wärme in die Kabine leitet, anstatt sie abzuführen. Dies spielt insbesondere bei einer ansonsten sehr effektiv wirkenden Lösung mit Lufteinlass eine Rolle, da hier die Luft durch den Staueffekt im Einlass zusätzlich erwärmt wird. Eine zusätzliche Kühlstufe (vapor cycle booster) zu verwenden, die mit höherer Abwärme arbeitet, ist unter diesen Bedingungen nicht sinnvoll, da sie einen deutlichen Mehrbedarf an Platz und elektrischer Energie bedeutet und unter diesen Bedingungen ineffizient arbeitet.Based A low-level flight can be shown to be such a system even Heat in the cabin conducts, rather than dissipate. This plays in particular in an otherwise very effective air-inlet solution, because here the air is additionally heated by the congestion effect in the inlet. An additional cooling stage (vapor cycle booster), which works with higher waste heat, is among these Conditions do not make sense, because they require a lot more Space and electrical energy means and under these conditions works inefficiently.

Als Konsequenz des Verlustes an Kühlleistung wird die Kabinenluft überhitzt, was in der Regel einen Abbruch der betreffenden Mission zur Folge hat. Die langjährige Erfahrung im Betrieb von meteorologischer Messtechnik auf Forschungsflugzeugen des Anmelders DLR hat immer wieder diese Grenzen aufgezeigt, bei deren Erreichen ein Arbeiten in dem Flugzeug nicht mehr möglich war. Ausreichende Kühlung von elektrischen Verbrauchern auf einem Forschungsflugzeuges definiert somit entscheidend die Betriebsgrenzen der Plattform.When Consequence of the loss of cooling capacity the cabin air is overheated, which usually results in a cancellation of the mission in question Has. The longtime ones Experience in the operation of meteorological measurement technology on research aircraft the applicant DLR has repeatedly shown these limits, in whose Achieve working in the aircraft was no longer possible. Sufficient cooling defined by electrical consumers on a research aircraft thus decisive the operating limits of the platform.

Das Problem der Kühlung von Messeinbauten gilt für die Szenarien "Zwischenlandung mit Betrieb der Geräte" oder "Tiefflug in warmer Umgebung" als ungelöst. Als Verfahren werden derzeit zwei Methoden diskutiert:

  • • Wenn die vorbeiströmende Außenluft so warm ist, dass kein Wärmeaustausch stattfinden kann, werden als Ergänzung zur Kühlung mobile Zusatzkühleinheiten in Form von Flüssigkeitskühlern am Boden angeboten, da ein Wärmeaustausch mit der Außenluft in diesem Fall nicht funktioniert.
  • • Eine zweite Möglichkeit besteht darin, Wärme an die Kabinenluft abzugeben und in der Kabine zusätzliche entsprechende Klimaanlagen einzubauen.
The problem of the cooling of fair installations applies to the scenarios "stopover with operation of the equipment" or "low flying in warm environment" as unresolved. As a method, two methods are currently being discussed:
  • • If the passing outside air is so warm that no heat exchange can take place, additional mobile cooling units in the form of liquid coolers are offered on the ground as a supplement to the cooling, since a heat exchange with the outside air does not work in this case.
  • • A second option is to give heat to the cabin air and install additional air conditioners in the cabin.

Klassische Flüssigkeitskühler zu verwenden, ist bei entsprechenden Umgebungsbedingungen eine effektive und robuste Methode. Diese Methode versagt jedoch beim vorstehend geschilderten Tiefflug-Szenario. Bei Messungen am Boden muss vor Ort eine Zusatzkühleinheit, beispielsweise eine Klimaanlage, die den Außenluft-Wärmetauscher ersetzt, geschafft werden; dies wiederum ist bei Außenlandungen in der Regel nicht möglich. Diese Methode funktioniert auch beim Rollen des Flugzeuges und bei eventuellen Wartezeiten, beispielsweise auf die Startfreigabe, ebenfalls nicht. Obendrein muss die gesamte Instrumentierung in geschlossenen Messgestellen untergebracht sein, welche über Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf verbunden sind.Classical Liquid cooler too Use is an effective under appropriate environmental conditions and robust method. However, this method fails in the above described low-flying scenario. For measurements on the ground must be before Place an additional cooling unit, For example, an air conditioner that replaces the outdoor air heat exchanger, managed become; In turn, this is usually not possible in the case of external landings. These Method also works when taxiing the aircraft and possibly Waiting times, for example on the start release, also not. On top of that, the entire instrumentation must be in closed measuring frames be accommodated, which over heat exchangers with the cooling circuit are connected.

Beim Abgeben von Wärme an die Kabinenluft kann mittels einer Klimaanlage sehr bequem gekühlt werden. Allerdings ist im allgemeinen eine Klimaanlage für eine derartige thermische Belastung nicht ausgelegt; hier sind nur geringe Reserven vorhanden. Der Wärmeübergang zur Kühlung über die Kabinenluft ist außerdem sehr ineffizient und führt häufig zur Überhitzung von Geräten.At the Giving off heat To the cabin air can be cooled very comfortably by means of an air conditioner. However, in general, an air conditioner for such a thermal Load not designed; here are only small reserves available. The heat transfer for cooling over the Cabin air is as well very inefficient and leads often for overheating of devices.

Der Einbau zusätzlicher Klimaanlagen ist konstruktiv aufwendig, da im Flugzeug nur ein geringes Platzangebot zur Verfügung steht. Aus diesem Grund erfordert das Abwärmeproblem eine Unterbringung derartiger Klimaanlagen außerhalb der Kabine.Of the Installation additional Air conditioning systems is structurally complex, since in the plane only a small amount of space to disposal stands. For this reason, the waste heat problem requires accommodation such air conditioning outside the cabin.

Bei Festeinbau einer Klimaanlage schlägt die Installation als Zusatzgewicht auf Kosten der wissenschaftlichen Nutzlast zu Buche. Außerdem entsteht zusätzlich ein großer Energiebedarf. In heißer Umgebung am Boden und bei reduzierter Triebwerksleistung im Tiefflug geht das Angebot an elektrischer Energie bzw. anzuzapfender Luft zurück; die Klimaanlage arbeitet in einem solchen Fall mit einem reduzierten Wirkungsgrad.at Fixed installation of air conditioning suggests the installation as additional weight at the expense of the scientific payload. In addition, arises additionally a large Energy demand. In hotter Environment on the ground and with reduced engine power at low altitude goes the supply of electrical energy or to be tapped air back; The air conditioner works in such a case with a reduced Efficiency.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, bei einer Kühleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dessen Einsatzmöglichkeiten und Betriebsgrenzen bei aufwendigen Messungen mit für Forschungszwecke ausgelegten, insbesondere tief fliegenden Flugzeugen, bei Messcontainern im Feld u.ä. zu erweitern.Of the The invention is therefore based on the object, in a cooling device according to the preamble of claim 1 whose applications and operating limits for complex measurements with for research purposes designed, in particular low-flying aircraft, at Messcontainern in the field and the like to expand.

Zur Erweiterung von Einsatzmöglichkeiten bzw. Betriebsgrenzen ist gemäß der Erfindung in den Kühlmittelkreislauf zwischen einem Wärmetauscher und einer Pumpe ein zusätzliches auf ein Verbrauchskühlmittel, wie Trockeneis, basierendes Kühlmodul eingebunden. Der Einsatz eines solchen zusätzlichen Kühlmoduls ist eine ausgesprochen robuste, effiziente und platzsparende Lösung, welche obendrein für bestimmte Einsatzszenarien optimierbar ist. Obendrein kann das erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche Kühlmodul auch bei Einrichtungen eingesetzt werden, welche keine der herkömmlichen Kühleinrichtungen aufweist.to Extension of application possibilities or operating limits is according to the invention in the coolant circuit between a heat exchanger and an additional pump on a consumption coolant, like dry ice, based cooling module involved. The use of such an additional cooling module is a pronounced Robust, efficient and space-saving solution, which on top of that for certain Application scenarios can be optimized. On top of that, the inventively provided additional Cooling module too be used in facilities that none of the conventional cooling equipment having.

Gemäß der Erfindung liegt somit die Lösung des Kühlproblems in der Einbindung eines zusätzlichen Kühlmoduls in den Kreislauf eines Wärmetauschers in Form eines klassischen Flüssigkeit- oder Luftkühlers. Das auf einem Verbrauchskühlmittel in Form von Trockeneis basierende Kühlmodul verbraucht obendrein keine nennenswerten elektrischen Energieressourcen, was wiederum auf einem Flugzeug eine ganz wesentliche Rolle spielt. Ferner ist die Kühlleistung eines derartigen Kühlmoduls regelbar, so dass die vorhandenen Kühlressourcen optimal genutzt werden können. Obendrein ist ein derartiges System jeder Zeit modular erweiterbar und kann jederzeit auch wieder aus dem Kühlkreislauf entfernt werden. Dies bedeutet, es kann fallweise für entsprechende Szenarien integriert werden.According to the invention is thus the solution the cooling problem in the integration of an additional cooling module in the circuit of a heat exchanger in the form of a classic liquid or air cooler. The on a consumption coolant in the form of dry ice based cooling module consumed on top of that no significant electrical energy resources, which in turn plays an essential role on an airplane. Further is the cooling capacity such a cooling module adjustable, so that the existing cooling resources are optimally used can be. On top of that, such a system is modularly expandable at any time and can be removed from the cooling circuit at any time. This means it can be integrated on a case-by-case basis for appropriate scenarios become.

Verschiedene Ausführungsformen werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen,Various embodiments will be explained with reference to the drawings. Show it,

1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Kühlsystems; 1 a schematic representation of a conventional cooling system;

2 in schematischer Darstellung Schnittstellen zur Integration einer zusätzlichen Kühleinheit in das herkömmliche Kühlsystem; 2 a schematic representation of interfaces for the integration of an additional cooling unit in the conventional cooling system;

3 in schematischer Darstellung eine in ein herkömmliches Kühlsystem integrierte Kühleinheit in Form eines Kühlmoduls; 3 a schematic representation of a cooling unit integrated in a conventional cooling system in the form of a cooling module;

4a bis 4c ein Funktionsprinzip für ein herkömmliches Kühlsystem mit zusätzlichem Kühlmodul in verschiedenen Betriebsmodi und zwar in 4a mit Luftkühlung, in 4b mit einer unterstützten Luftkühlung und in 4c nur mit einer Verbrauchskühlmittel-Kühlung; 4a to 4c a functional principle for a conventional cooling system with additional cooling module in different operating modes and in 4a with air cooling, in 4b with a supported air cooling and in 4c only with a consumption coolant cooling;

5 einen schematischen Aufbau eines der beschriebenen Kühlsysteme im Falle eines Einbaus in einem Flugzeug, und 5 a schematic structure of one of the described cooling systems in the case of installation in an aircraft, and

6 eine Integration eines der beschriebenen Kühlsysteme in ein Messgestell als Teil einer wissenschaftlichen Nutzlast in einem Flugzeug. 6 an integration of one of the cooling systems described in a measuring rack as part of a scientific payload in an aircraft.

In 1 ist in schematischer Darstellung ein herkömmliches Kühlsystem wiedergegeben, dessen wesentliche Teile ein Verbraucher 1, eine Pumpe 2 und ein externer Wärmetauscher 31 beispielsweise in Form eines Luftkühlers sind, wobei letzterer zur Durchführung einer Zwangsbelüftung einen Ventilator aufweisen kann. Ferner ist eine in sechs Stufen unterteilte Temperaturskala von heiß bis kalt wiedergegeben, wobei die einzelnen Stufen durch unterschiedliche Schraffuren gekennzeichnet sind. Die entsprechenden Schraffuren sind auch in den Verbindungsleitungen zwischen den drei durch Blöcke schematisierten Teilen 1 bis 3 eingetragen.In 1 is a schematic representation of a conventional cooling system reproduced, the essential parts of a consumer 1 , a pump 2 and an external heat exchanger 3 1 For example, in the form of an air cooler, the latter may have a fan to perform a forced ventilation. Furthermore, a temperature scale divided into six stages from hot to cold is shown, wherein the individual stages are characterized by different hatchings. The corresponding hatches are also in the connecting lines between the three parts schematized by blocks 1 to 3 entered.

Der Verbraucher 1 weist einen Kühlmitteleingang 10 für kalt und einen Kühlmittelausgang 11 für warm auf. Ebenso weist der Wärmeaustauscher 31 auch einen durch den linken Pfeil angedeuteten Lufteinlass für kühle Luft auf. Hiermit kann eine Zwangsbelüftung mittels des bereits erwähnten Ventilators oder auch durch Stauluft am Flugzeug erreicht werden. Mit dem vom Wärmetauscher 31 rechts weggehenden Pfeil ist ein Auslass für Luft angedeutet.The consumer 1 has a coolant inlet 10 for cold and a coolant outlet 11 for warm up. Likewise, the heat exchanger 3 1 Also, an indicated by the left arrow air intake for cool air. Hereby, a forced ventilation by means of the aforementioned fan or by ram air on the aircraft can be achieved. With the heat exchanger 3 1 right-going arrow indicates an outlet for air.

In der schematischen Darstellung in 2 ist zwischen den Teilen 1, 2 und 3 eine zusätzliche Kühleinheit in Form eines Kühlmoduls 4 mit den entsprechenden Schnittstellen angegeben. In 3 ist ebenfalls in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform des Kühlmoduls 4 im einzelnen wiedergegeben.In the schematic representation in 2 is between the parts 1 . 2 and 3 an extra coolness in the form of a cooling module 4 indicated with the appropriate interfaces. In 3 is also a schematic representation of an embodiment of the cooling module 4 reproduced in detail.

In dem Kühlmodul 4 ist ein weiterer Wärmtauscher 33 vorgesehen, der in direktem Kontakt mit einem Verbrauchskühlmittel 5 in Form von CO2-Trockeneis steht. In dessen Abgasstrom mit einer Temperatur von etwa –70°C ist noch ein Wärmetauscher 32 vorgesehen, durch den der CO2-Abgasstrom auf eine Temperatur in der Größenordnung von 0°C oder höher erwärmt wird. Ein wichtiger Aspekt dieses Kühlvorgangs besteht auch darin, dass das Gas beispielsweise ein Flugzeug mit einer so hohen Temperatur verlässt, dass Vereisungsprobleme an einem im Flugzeug vorgesehenen Auslass nicht auftreten können.In the cooling module 4 is another heat exchanger 3 3 provided, in direct contact with a consumer coolant 5 in the form of CO 2 dry ice. In the exhaust gas stream at a temperature of about -70 ° C is still a heat exchanger 3 2 provided by which the CO 2 exhaust gas stream is heated to a temperature in the order of 0 ° C or higher. An important aspect of this cooling process is also that the gas leaves, for example, an aircraft with such a high temperature that icing problems at an outlet provided in the aircraft can not occur.

Über den Wärmetauscher 33 wird der größte Teil der Kühlleistung realisiert. Über den Wärmetauscher 33 kann auch nur ein Teil der von der Pumpe 2 zum Verbraucher geförderten Kühlflüssigkeit geleitet werden. Durch ein Ventil V2 wird der Anteil des am Verbrauchskühlmittel 5 gekühlten Kühlmittelstroms geregelt. Zur Steuerung des Ventils V2 ist im Kühlmittelstrom eine Temperaturmesseinheit T2 vorgesehen.About the heat exchanger 3 3 the greatest part of the cooling capacity is realized. About the heat exchanger 3 3 It may also be just part of the pump 2 directed to the consumer funded coolant. Through a valve V 2 , the proportion of the consumption of coolant 5 cooled coolant flow regulated. For controlling the valve V 2 , a temperature measuring unit T 2 is provided in the coolant flow.

Mittels eines zweiten Ventils V1 kann der Wärmetauscher 31 in Form eines Luftkühlers überbrückt werden, wenn eine hohe Lufttemperatur eine Kühlung nicht zulässt. Das Ventil V1 wird über eine im Lufteinlassstrom des Wärmetauschers 31 vorgesehenen Messeinheit T1 gesteuert.By means of a second valve V 1 , the heat exchanger 3 1 be bridged in the form of an air cooler, if a high air temperature does not allow cooling. The valve V 1 is via a in the air inlet flow of the heat exchanger 3 1 provided measuring unit T 1 is controlled.

Die Verwendung von Trockeneis ist aus mehreren Gründen vorteilhaft:

  • • Trockeneis hat eine hohe Verdampfungswärme
  • • Trockeneis ist ein Festkörper, welcher sublimiert und damit unmittelbar in eine gasförmige Phase übergeht. Da durch ist die Handhabung sowie Lagerung in einem Flugzeug einfacher als beispielsweise die Handhabung und Unterbringung von flüssigem Stickstoff.
  • • Trockeneis ist obendrein als Standardkühlmittel im Luftfahrtbereich gut verfügbar, leicht zu transportieren und gut zu lagern.
The use of dry ice is advantageous for several reasons:
  • • Dry ice has a high heat of vaporization
  • • Dry ice is a solid that sublimes and thus immediately goes into a gaseous phase. As a result, handling and storage in an aircraft is easier than, for example, the handling and storage of liquid nitrogen.
  • • Dry ice is also readily available as a standard aerospace coolant, easy to transport and store well.

Die wesentlichen Materialeigenschaften von CO2-Trockeneis sind nachstehend aufgeführt: Energiebilanz für Trockeneis: Verdampfungswärme: 573 kJ/kg Dichte: 1566 kg/m3 Temperatur: –78,3°C CO2 spezifische Wärme: 0,64 kJ/(kg·K) The essential material properties of CO 2 dry ice are listed below: Energy balance for dry ice: Heat of vaporization: 573 kJ / kg Density: 1566 kg / m 3 Temperature: -78.3 ° C CO 2 specific heat: 0.64 kJ / (kg · K)

Eine Verdampfung und Erwärmung des Gases auf 0°C ergibt eine Kühlleistung von 0,16kW/(h·kg). Eine Kühlleistung von 10kW bedingt somit einen Trockeneisverbrauch von 62kg/h (= 40l/h)A Evaporation and heating of the gas at 0 ° C gives a cooling performance of 0.16kW / (h · kg). A cooling capacity of 10kW thus requires a dry ice consumption of 62kg / h (= 40l / h)

Der Verbrauch von einigen 10kg Trockeneis pro Stunde bedeutet, dass die zusätzliche Kühlung Platz- und Gewichtsressourcen auf Kosten der Nutzlast blockiert. Für ein Messinstrument mit einer Leistungsaufnahme von 1kW und einer Flugdauer von 5h ergibt sich beispielsweise im ungünstigsten Fall ein Bedarf von ca. 31kg. Reduziert wird dieser Bedarf allerdings dadurch, dass eine vollständige Trockeneiskühlung nur unter den schlechtesten Bedingungen erfolgt. (Siehe beispielsweise 4c). Ansonsten wird immer die vorhandene Luftkühlung so weit wie möglich genutzt.Consumption of a few 10 kg of dry ice per hour means that the additional cooling blocks space and weight resources at the expense of the payload. For a measuring instrument with a power consumption of 1kW and a flight time of 5h, for example, in the worst case, a requirement of about 31kg. However, this requirement is reduced by the fact that a complete dry ice cooling takes place only under the worst conditions. (See, for example 4c ). Otherwise, always the existing air cooling is used as much as possible.

Ein solches Kühlmodul kann in einem Flugzeugmessgestell untergebracht werden, dessen Kapazität je nach Flugzeug zwischen 100 bis 180kg liegt. Eine solche Installation ist somit problemlos zu realisieren und in dieser Größenordnung durchaus vertretbar. Wichtig hierbei ist allerdings, dass das Innenleben des Kühlmoduls druckdicht und thermisch isoliert ist und das verbrauchte Gas durch einen Auspuff nach außen geleitet werden kann. (Siehe hierzu beispielsweise 6)Such a cooling module can be accommodated in an aircraft measuring rack whose capacity is between 100 and 180 kg, depending on the aircraft. Such an installation is thus easy to implement and on this scale quite acceptable. It is important, however, that the interior of the cooling module is pressure-tight and thermally insulated and the spent gas can be passed through an exhaust to the outside. (See for example 6 )

Wie ein Vergleich mit 1 zeigt, ist das Kühlmodul 4 nur über wenige Schnittstellen in einem bestehenden Kühlkreislauf zu integrieren. Hieraus ergeben sich unmittelbar die nachstehend aufgeführten Vorteile:

  • • Wegen der einfachen bzw. schnellen Montage/Demontage auf Grund des modularen Charakters des Kühlmoduls 4 kann dieses fallweise für entsprechende Missionsszenarien integriert werden.
  • • Im Hinblick auf die Skalierbarkeit eines solchen Systems können problemlos auch mehrere Module hintereinander verwendet werden, um dadurch die Gesamtkühlleistung zu erhöhen. In einem solchen Fall steuert nur das erste Modul den externen als Kühler dienenden Wärmetauscher 31 an. Die weiteren Module dienen nur noch zur Vorkühlung am Wärmetauscher 32 und zur geregelten Kühlung am Wärmetauscher 33 . Das Ventil 1 überbrückt bzw. die Anschlüsse zum externen Wärmetauscher 31 sind kurzgeschlossen.
  • • Auch ist eine universelle Einsatzmöglichkeit bei nahezu jedem Flüssigkeitskühler gegeben, da lediglich die entsprechenden Arbeitspunkte (Messstellen) für die Tempera turmesseinheiten T1 bzw. T2 in jedem einzelnen Fall festgelegt werden müssen.
Like a comparison with 1 shows is the cooling module 4 to integrate only a few interfaces in an existing cooling circuit. This results directly in the following advantages:
  • • Because of the quick and easy assembly / disassembly due to the modular nature of the cooling module 4 this can be integrated case by case for appropriate mission scenarios.
  • • In view of the scalability of such a system, it is also easy to use several modules one behind the other to increase overall cooling performance. In such a case, only the first module controls the external radiator serving as a radiator 3 1 at. The other modules are only used for pre-cooling on the heat exchanger 3 2 and for controlled cooling at the heat exchanger 3 3 , The valve 1 bridged or the connections to the external heat exchanger 3 1 are shorted.
  • • Also, a universal application is possible in almost every liquid cooler, since only the corresponding operating points (measuring points) for the tempera ture meter units T 1 and T 2 must be set in each case.

Auf Grund der Verwendung eines sich verbrauchenden Kühlmittels ist die Kühlkapazität endlich; über einen integrierten Regel- bzw. Steuerkreis kann die Kühlleistung jedoch optimal genutzt werden.On The reason of using a consuming refrigerant is the cooling capacity finite; over one integrated rule or Control circuit can control the cooling capacity however, be used optimally.

Für ein in der vorstehend beschriebenen Weise erweitertes System ergeben sich die in 4a bis 4c schematisch angedeuteten Betriebsszenarien.For a system expanded in the manner described above, the in 4a to 4c schematically indicated operating scenarios.

In 4a ist bei Vorliegen einer ausreichenden Luftkühlung lediglich der Wärmetauscher 31 in Betrieb und das Überbrückungsventil V1 ist in die der 4a entnehmbaren Stellung gebracht. Das Ventil V2, über welches Kühlmittel eingespeist werden kann, ist geschlossen, so dass keine Beimischung von Kühlmittel aus dem Trockeneis-Kreislauf erfolgt.In 4a is in the presence of sufficient air cooling, only the heat exchanger 3 1 in operation and the lock-up valve V 1 is in the 4a brought removable position. The valve V 2 , via which coolant can be fed, is closed, so that no mixing of coolant from the dry ice cycle takes place.

In 4b wird die über den Wärmetauscher 1 erfolgende Luftkühlung unterstützt. Das Überbrückungsventil V1 befindet sich in derselben Stellung wie in dem anhand von 4a beschriebenen Fall. Allerdings folgt über das Ventil V2 eine geregelte Beimischung von Kühlmittel aus dem Trockeneis-Kreislauf. Hierbei erfolgt die Aktivierung des Ventils V2 über die im Regelkreis untergebrachte Temperaturmesseinheit T2.In 4b is the over the heat exchanger 1 supporting air cooling. The bypass valve V 1 is located in the same position as in the based on 4a described case. However, via the valve V 2 follows a regulated admixture of coolant from the dry ice cycle. Here, the activation of the valve V 2 takes place via the temperature measuring unit T 2 accommodated in the control circuit.

In dem in 4c dargestellten Fall handelt es sich um eine reine Trockeneiskühlung. Wie durch die Stellung des Überbrückungsventils V1 angedeutet ist, ist der Wärmetauscher 31 nicht in Betrieb. In diesem Fall erfolgt über das Ventil V2 wiederum eine geregelte Beimischung von Kühlmittel aus dem Trockeneis- Kreislauf. Beide Ventile V1 und V2 sind über die ihnen zugeordneten Temperaturmesseinheiten T1 bzw. T2 aktiviert.In the in 4c The case shown is a pure dry ice cooling. As indicated by the position of the lock-up valve V 1 , the heat exchanger is 3 1 not in use. In this case, a controlled admixture of coolant from the dry ice cycle takes place via the valve V 2 again. Both valves V 1 and V 2 are connected via their associated temperature sensing units T 1 and T 2 is activated.

Die Vorteile einer Kühlung mittels eines Verbrauchskühlmittels in Form von CO2-Trockeneis gegenüber einer selbst durch eine Klimaanlage unterstützten Luftkühlung sind folgende:

  • • Durch die Einbindung eines gemäß 3 ausgeführten Kühlmoduls kann eine ausreichende Kühlung sowohl bei einem Tiefflug in warmer Umgebungsluft als auch beim Rollen eines Flugzeugs problemlos durchgeführt werden, während bei derartigen Umgebungsbedingungen eine herkömmliche Kühlung nicht durchgeführt werden könnte.
  • • Ein weiterer großer Vorteil bei Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, dass am Boden und somit beim Rollen eines Flugzeugs oder auch beim Einsatz eines Messcontainers im Feld keine zusätzliche Infrastruktur benötigt wird.
  • • Ein gemäß 3 ausgeführtes System benötigt praktisch keine zusätzliche elektrische Energie.
  • • Das System kann fallweise integriert werden, so dass bei anderen Anwendungsszenarien keine Platz- und Gewichtsressourcen verbraucht werden.
  • • Zusätzlich ist das System skalierbar; es kann also, so angepasst, um die benötigte Kühlleistung entsprechend erweitert werden.
The advantages of CO 2 dry ice cooling versus CO air-assisted air cooling are as follows:
  • • By incorporating one according to 3 Cooling module is executed, a sufficient cooling both in a low-altitude flight in warm ambient air and when rolling an aircraft can be easily performed, while in such environmental conditions conventional cooling could not be performed.
  • • Another great advantage of using the device according to the invention is that no additional infrastructure is needed on the ground and thus when rolling an aircraft or even when using a measuring container in the field.
  • • One according to 3 executed system requires virtually no additional electrical energy.
  • • The system can be integrated on a case-by-case basis so that no space and weight resources are consumed in other application scenarios.
  • • In addition, the system is scalable; So it can be adapted to be expanded to the required cooling capacity accordingly.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht somit eine effiziente und ausreichend dimensionierte Kühlung unter Bedingungen, unter welchen sonst ein Betrieb mit den herkömmlichen Kühlmethoden bisher nicht möglich war. Auf Grund der einfachen Schnittstelle ist auch eine universelle Verwendung für ver schiedene Geräte, aber auch auf verschiedenen Plattformen wie unterschiedlichen Flugzeugen ohne nennenswerte größere Modifikationen möglich. Zusätzlich bietet sich eine modulare Konstruktion an, da zur Vergrößerung der Gesamtkühlleistung mehrere Einzelsysteme zu einem großen System zusammengesetzt werden können. Selbst eine Kühlung von Großgeräten beispielsweise auf einem Flugzeug unter hinsichtlich der Kühlung extrem ungünstigen Umweltbedingungen, kann ohne Verbrauch elektrischer Ressourcen und, wie bereits ausgeführt, ohne Einsatz einer bodengebundenen Infrastruktur durchgeführt werden.The inventive device allows thus an efficient and sufficiently dimensioned cooling under Conditions under which else an operation with the conventional cooling methods not possible yet was. Due to the simple interface is also a universal Use for different devices, but also on different platforms like different planes without significant major modifications possible. additionally offers a modular design, since to increase the overall cooling capacity several individual systems combined to form a large system can be. Even a cooling of large equipment, for example on an airplane under extremely unfavorable cooling conditions Environmental conditions, without consumption of electrical resources and, as already stated, be carried out without the use of a ground-based infrastructure.

Die vorstehend angesprochenen Szenarien für besondere Missionen sind aus dem Betrieb von Forschungsflugzeugen bekannt und konnten bislang nicht befriedigend gelöst werden.The mentioned above are scenarios for special missions known from the operation of research aircraft and have been able to date not solved satisfactorily become.

In 5 ist ein prinzipieller Aufbau in einem Flugzeug wiedergegeben das über einen Wärmetauscher 31 Kontakt mit der Außenluft hat. Bei dem in 5 dargestellten Fall handelt es sich um einen effizienten Wärmetauscher in Form eines Kühlers mit Lufteinlass, der allerdings konstruktionsbedingt, wie ebenfalls eingangs erwähnt, schon eine gewisse Erwärmung wegen des adiabatischer Prozesses aufgrund des Staudruckes erfährt.In 5 is a basic structure in an aircraft reproduced that via a heat exchanger 3 1 Contact with the outside air has. At the in 5 It is an efficient heat exchanger in the form of a cooler with air inlet, which, however, by design, as already mentioned, already undergoes some warming due to the adiabatic process due to the back pressure.

In 5 sind zwei Wärme produzierende Verbraucher mit jeweils einem Kühlmitteleinlass 10 (kalt) und einem Kühlmittelauslass 11 (warm) aufweisen. Die Ausführung des Kühlmoduls 4 entspricht im wesentlichen demjenigen der 3 In 5 are two heat-producing consumers, each with a coolant inlet 10 (cold) and a coolant outlet 11 (warm). The execution of the cooling module 4 corresponds essentially to that of 3

In 6 ist die Integration eines derartigen Kühlsystems in einem typischen Flugzeug-Messgestell wiedergegeben. Sind in dem Gestell 6 beispielsweise 150kg Kühlmittel untergebracht, so steht eine Kühlleistung von etwa 24kWh zur Verfügung, dies wiederum ist ein Wert, der für aktuelle Flugzeugmissions-Szenarien, beispielsweise im Bereich der Klimaforschung ausreichend ist. Wie der schematischen Darstellung in 6 zu entnehmen ist, ist der Aufbau des Kühlsystems sehr kompakt und einfach zu integrieren, da die Anzahl der durchzuführenden hydraulischen sowie elektrischen Verbindungen überschaubar ist.In 6 is the integration of such a cooling system reproduced in a typical aircraft measuring rack. Are in the frame 6 For example, 150 kg of coolant housed, so is a cooling capacity of about 24kWh available, this in turn is a value that is sufficient for current aircraft mission scenarios, for example in the field of climate research. As the schematic representation in 6 can be seen, the structure of the cooling system is very compact and easy to integrate, since the number of hydraulic and electrical connections to be performed manageable.

Für einen Betrieb von Messgeräten mit großem Energiebedarf auf Flugzeugen, wie Forschungsflugzeugen, sowie beispielsweise bei militärischen Anwendungen, sind sowohl für Betreiber existierender Infrastrukturen als auch für Hersteller und Ausrüster von Spezialflugzeugen durch ein oder mehrere Kühlmodule ergänzte herkömmliche Kühlsysteme in vorteilhafter Weise einsetzbar. Ferner ist ein Betrieb von Messgeräten unter extremen Bedingungen ermöglicht, wo labormäßige Infrastruktur nicht zur Verfügung steht, beispielsweise für Fahrzeuge oder Messcontainer im Feldeinsatz.For one Operation of measuring instruments with big Energy needs on aircraft, such as research aircraft, as well as for example in military Applications are both for Operators of existing infrastructures as well as manufacturers and outfitters Special purpose aircraft supplemented by one or more cooling modules conventional cooling systems used in an advantageous manner. Furthermore, an operation of measuring instruments is under allows extreme conditions where laboratory-like infrastructure not available stands, for example Vehicles or measuring containers in field use.

11
Verbraucherconsumer
1010
Einlassinlet
1111
Auslassoutlet
22
Pumpepump
31, 32, 33 3 1 , 3 2 , 3 3
Wärmetauscherheat exchangers
44
Kühlmodulcooling module
55
VerbrauchskühlmittelConsumption coolant
66
Flugzeug-MessgestellAircraft measurement frame
V1 V 1
Überbrückungsventilbypass valve
V2 V 2
VentilValve
T1, T2 T 1 , T 2
Temperatur-MesseinheitTemperature measuring unit

Claims (8)

Kühleinrichtung zum Kühlen von in weitgehend geschlossenen Bereichen von beweglichen und/oder stationären Vehikeln, wie Flugzeugen, Fahrzeugen, Containern u.ä. untergebrachten Mess- und anderen Spezialgeräten mit Wärmetauscher und Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlmittel-Kreislauf zwischen Wärmetauscher (1) und Pumpe (2) ein zusätzliches auf einem Verbrauchskühlmittel (5) basierendes Kühlmodul (4) eingebunden ist.Cooling device for cooling in largely closed areas of mobile and / or stationary vehicles, such as aircraft, vehicles, containers, etc. accommodated measuring and other special equipment with heat exchanger and pump, characterized in that in the coolant circuit between the heat exchanger ( 1 ) and pump ( 2 ) an additional on a consumption coolant ( 5 ) based cooling module ( 4 ) is involved. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrauchskühlmittel (5) Trockeneis ist.Cooling device according to claim 1, characterized in that the consumption coolant ( 5 ) Is dry ice. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Kühlmodul (4) mindestens einen weiteren Wärmetauscher (32 ; 33 ) aufweist.Cooling device according to claim 1, characterized in that the additional cooling module ( 4 ) at least one further heat exchanger ( 3 2 ; 3 3 ) having. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (4) einen in direktem Kontakt mit dem Verbrauchskühlmittel (5) stehenden Wärmetauscher (33 ) aufweist, welchem zum Regulieren des mittels des Verbrauchskühlmittels (5) gekühlten Kühlmittelstroms ein Ventil (V2) nachgeordnet ist.Cooling device according to claim 1, characterized in that the cooling module ( 4 ) one in direct contact with the consumable coolant ( 5 ) standing heat exchanger ( 3 3 ), which is used to regulate by means of the consumption coolant ( 5 ) downstream of a cooled coolant flow is a valve (V 2 ). Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (4) eine Temperaturmesseinheit (T2) zum Steuern des im Kühlmittelstrom vorgesehenen Ventils (V2) aufweist.Cooling device according to claim 4, characterized in that the cooling module ( 4 ) has a temperature measuring unit (T 2 ) for controlling the valve provided in the coolant flow (V 2 ). Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (4) einen weiteren Wärmetauscher (32 ) im kalten Abgasstrom des Verbrauchskühlmittels (5) aufweist.Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling module ( 4 ) a further heat exchanger ( 3 2 ) in the cold exhaust gas stream of the consumer coolant ( 5 ) having. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überbrücken des herkömmlichen Wärmetauschers (31 ) des Kühlsystems in Form eines Luftkühlers ein mittels einer Temperaturmesseinheit (T1) gesteuertes Ventil (V1) vorgesehen ist.Cooling device according to claim 1, characterized in that for bridging the conventional heat exchanger ( 3 1 ) of the cooling system in the form of an air cooler by means of a temperature measuring unit (T 1 ) controlled valve (V 1 ) is provided. Einrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Erhöhung einer Kühlleistung mehrere Kühlmodule (4) hintereinander schaltbar sind.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that to further increase a cooling capacity, a plurality of cooling modules ( 4 ) are switchable in a row.
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