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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung
mit mindestens zwei voneinander unabhängigen Kälteträgerkreisläufen.
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In
der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird mit dem Begriff „Kälteträger" ein Medium bezeichnet,
dass bei seiner Verwendung in einem Kühlsystem im Wesentlichen ohne Phasenänderung
Kälte bzw.
Wärme zwischen
Orten unterschiedlicher Temperatur transportiert (kurzfristige lokale
Phasenänderungen
im Kälteträgermedium können allerdings
auftreten). Dies gilt selbstverständlich für die Betriebsbedingungen,
für die
das betreffende System ausgelegt ist, da sich unter hinreichend extremen
Bedingungen immer eine Phasenänderung hervorrufen
lässt.
Kälteträger liegen
im Allgemeinen in flüssigem
Zustand vor. Als Kälteträger kann
beispielsweise mit Alkohol oder anderem Gefrierschutzmittel versetztes
Wasser zum Einsatz kommen.
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Der
Begriff „Kältemittel" hingegen bezeichnet vorliegend
ein Medium, dass beim Kältetransport bzw.
Wärmetransport
seinen Aggregatszustand ändert.
In der Regel wird gasförmiges
Kältemittel
in einem Kondensator abgekühlt
und geht dabei in den flüssigen
Zustand über.
Durch Wärmeaustausch
mit einem zu kühlenden
Medium – beispielsweise
dem Kälteträger – kann das
flüssige
Kältemittel
verdampfen und das zu kühlende
Medium abkühlen,
indem es ihm die zur Verdampfung des Kältemittels notwendige Energie
(Verdampfungsenthalpie) entzieht. Auch diese Definition bezieht
sich auf die Bedingungen, für die
das System ausgelegt ist, in dem das Kältemittel verwendet wird. Als
Kältemittel
finden häufig
CO2 oder Kohlenwasserstoffverbindungen Verwendung.
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Moderne
Verkehrsflugzeuge sind zumeist mit Kühlanlagen ausgestattet, um
beispielsweise für Bordküchen Kühlfunktionen
bereitzustellen. Die Kühlanlagen
sind nicht mit den ebenfalls vorhandenen Klimaanlagen zur Regelung
der Lufttemperatur und des Luftzustands in der Kabine zu verwechseln, und
sind in aller Regel unabhängig
von diesen. Insbesondere größere Flugzeuge
verfügen
häufig über mehr
als einen Verbraucher mit Kühlbedarf,
beispielsweise können
mehrere Bordküchen
vorhanden sein.
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Bisher
wurde diese Mehrzahl an Verbrauchern häufig dezentral versorgt. Jeder
Verbraucher verfügte über eine
eigene, ihm zugeordnete Kühlanlage
bzw. Kältemaschine.
Eine solche Kühlanlage wird
in der Regel im Flug mit kühler
Stauluft aus einem Staulufteinlass versorgt. Die Stauluft strömt durch
einen Kondensator und kühlt
dabei ein Kältemittel.
Das Kältemittel
wird über
einen üblichen
Kältemittelkreislauf
einer Verdampfungseinrichtung oder einem Verdampfer zugeführt, in
dem ein Kälteträger durch
Wärmeaustausch
mit dem Kältemittel
gekühlt wird.
Daher sind in herkömmlichen
Systemen eine Vielzahl von unterschiedlichen Kältemaschinen beziehungsweise
Verdampfungseinrichtungen nötig, die
auf den relativ geringen Kühlbedarf
der einzelnen Verbraucher abgestimmt sind. Bei derartigen herkömmlichen
Systemen wird Abwärme
in den Flugzeugrumpf abgegeben, was die Klimaanlage zusätzlich belastet.
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In
modernen Verkehrsflugzeugen werden allerdings zunehmend zentrale
Flugzeugkühlanlagen verwendet.
Die verschiedenen Verbraucher werden mit gekühltem Kälteträger versorgt, wobei jeweils
ein oder mehrere zentrale Verdampfungseinrichtungen zur Kühlung des
Kälteträgers für mehrere
Verbraucher vorgesehen sind. Das Kältemittel, mit dem der Kälteträger gekühlt wird,
wird in derartigen Systemen durch Stauluft gekühlt, ähnlich wie oben beschrieben.
Allerdings sind bei zentralen Systemen weniger, aber dafür größere Staulufteinlasse
vorgesehen, um für
genügend
Kühlung
zu sorgen.
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In
der Regel werden bei derartigen zentralen Kühlsystemen zwei unabhängige Kreisläufe für Kälteträger von
zwei Kältemaschinen
mit Kältemittelkreisläufen gekühlt, um
eine Redundanz sicherzustellen. Häufig sind dabei die Verdampfungseinrichtungen
in einem Kältemittelkreislauf
nacheinander in Serie angeordnet.
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Bei
starker (Kühl-)Belastung
der Kälteträgerkreisläufe, insbesondere
bei unterschiedlich starker Belastung der Kälteträgerkreisläufe, kann das Problem auftreten,
dass einer der Kälteträgerkreisläufe so viel
Kühlung
benötigt,
dass das Kältemittel
schon zu so großen
Teilen in die Gasphase übergegangen ist,
dass eine ausreichende Kühlung
des nachfolgenden Kälteträgerkreislaufes
nicht mehr möglich
ist. Es kann sogar vorkommen, dass ein stark belasteter erster Kälteträgerkreislauf
das Kältemittel
in einem ersten Verdampfer vollständig verdampft, so dass nahezu
keine Kühlung
des zweiten Kreislaufes mehr möglich
ist. Eine Messung und Steuerung des Kältemittelstromes an verschiedenen
Stellen mit mehreren Sensoren und Ventilen, die solche Zustände verhindern
helfen soll, ist aufwendig, teuer und komplex.
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Es
besteht daher Bedarf an einer Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung,
die diese Probleme umgeht und dabei einfach und preisgünstig in
der Herstellung ist.
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Abriss der Erfindung
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Zur
Lösung
des oben genannten Problems sieht die vorliegende Erfindung eine
Fluglugzeugkühlanlagenverdampferanordnung
mit einer Verdampfungseinrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem
Kältemittel
und einem Kälteträger vor, wobei
die Verdampfungseinrichtung mindestens vier Verdampfer aufweist,
die bezüglich
Kälteträgerflusses
hydraulisch voneinander getrennt sind. Die Anordnung umfasst ferner
mindestens eine Speiseleitung zur Zufuhr von Kältemittel zu der Verdampfungseinrichtung,
wobei die Verdampfer so angeordnet sind, dass sie von durch die
Speiseleitung der Verdampfungseinrichtung zugeführtem Kältemittel paarweise parallel
durchströmt
werden. Weiterhin sind zwei voneinander unabhängige Kälteträgerkreisläufe vorgesehen, wobei jeder
Kälteträgerkreislauf
mindestens zwei hydraulisch voneinander getrennt angeordnete Zufuhrleitungen
zur Zufuhr von Kälteträger zu jeweils
einem der Verdampfer aufweist und wobei von wenigstens zwei paarweise
parallel von Kältemittel
durchströmten
Verdampfern jeder mit einer Kälteträgerzufuhrleitung
eines anderen Kälteträgerkreislaufes
verbunden ist. Dadurch lässt
sich erreichen, dass im Falle einer übergroßen Kühlbelastung eines Kälteträgerkreislaufes
dieser nicht einen Großteil
oder gar alles Kältemittel
in der Verdampfungseinrichtung in die Gasphase übergehen lässt, ohne dass ein anderer
Kälteträgerkreislauf
zumindest teilweise gekühlt
werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden auf jeden
Fall zwei parallel von Kältemittel
durchströmten
Verdampfern zugeordnete Zweige verschiedener Kälteträgerkreisläufe gleichermaßen mit
Kältemittel
versorgt. Daher ist für
zumindest für
den Teil des Kälteträgers eines
Kälteträgerkreislaufes,
der in diesen Zweigen strömt,
eine Kühlung
durch Kältemittel
mit genügend
hohem Sättigungsgrad
an flüssigem
Kältemittel
verfügbar.
Vorzugsweise ist die Verdampfungseinrichtung integral ausgebildet.
Sie kann genau vier Verdampfer aufweisen, wodurch sich eine effiziente Verteilung
von Kühlfläche an die
Kälteträgerkreisläufe innerhalb
der Verdampfungseinrichtung herstellen lässt, ohne die Verdampfungseinrichtung
unnötig komplex
und schwer aufbauen zu müssen.
Weiterhin können
die wenigstens zwei hydraulisch getrennt angeordneten Zufuhrleitungen
eines Kälteträgerkreislaufes
bezüglich
Kälteträgerflusses
hydraulisch parallel angeordnet sein.
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Es
kann ferner vorgesehen sein, dass die Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung
für jeden
Kälteträgerkreislauf
mindestens zwei hydraulisch voneinander getrennt angeordnete Abfuhrleitungen
zur Abfuhr von Kälteträger aus
jeweils mindestens einem der Verdampfer aufweist, wobei von wenigstens
zwei paarweise parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern
jeder mit einer Kälteträgerabfuhrleitung
eines anderen Kälteträgerkreislaufes
verbunden ist. Durch die Abfuhrleitungen lassen sich die Kälteträgerkreisläufe weiterführen und schließlich zu
geschlossenen Kreisläufen
zusammenführen.
Dabei können
die wenigstens zwei hydraulisch getrennt angeordneten Abfuhrleitungen
eines Kälteträgerkreislaufes
bezüglich
Kälteträgerflusses
hydraulisch parallel angeordnet sein.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei parallel von Kältemittel
durchströmte
Verdampfer für
zueinander gegenläufig
erfolgende Kälteträgerdurchströmung ausgelegt.
Dadurch lässt
sich eine Gegenströmung
von Kälteträger in parallel
von Kältemittel
durchströmten
Verdampfern erreichen. Dies führt
zu einem Ausgleich von durch die Kälteträgerströme auf die Verdampfungseinrichtung
ausgeübten
Kräfte
und verbessert den Wärmeaustausch. Dabei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass jeweils zwei parallel von
Kältemittel
durchströmte
Verdampfer für
gegenläufiges
Durchströmen
durch Kälteträger ausgelegt
sind. So lassen sich die Strömungs-
und Wärmetauschbedingungen
für den
gesamten Verdampfungseinrichtung verbessern.
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Vorzugsweise
sind wenigstens zwei Gruppen jeweils paarweise parallel von Kältemittel
durchströmter
Verdampfer bezüglich
Kältemittelflusses
hydraulisch in Serie angeordnet. Es ergibt sich also eine Hintereinanderschaltung
von paarweise parallel von Kältemittel
durchströmten
Verdampfern. Somit lässt
sich durch eine einfache konstruktive Maßnahme eine günstige Kühlflächenverteilung
innerhalb der Verdampfungseinrichtung herstellen, die zur einfachen
Versorgung mehrerer unabhängiger
Kälteträgerkreisläufe mit
Kühlung
beiträgt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind zum aufeinanderfolgenden Durchströmen mit
Kältemittel
vorgesehene Verdampfer unterschiedlichen Kälteträgerkreisläufen zugeordnet. Es findet
also bezüglich
eines Kältemittelstromes durch
mehrere nacheinander durchströmte
Verdampfer Wärmeaustausch
mit verschiedenen Kälteträgerkreisläufen statt,
wodurch eine Verteilung der Kühlleistung
eines Kältemittelstromes
auf verschiedene Kälteträgerkreisläufe ermöglicht wird.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass die Verdampferanordnung mindestens eine
Ablassleitung zur Abfuhr von Kältemittel
aus der Verdampfungseinrichtung umfasst. Von besonderem Vorteil
ist es dabei, wenn ein Kältemittelsensor
in der Ablassleitung angeordnet ist. Eine solche Anordnung ermöglicht es,
den Zustand des Kältemittel
stromabwärts
der Verdampfungseinrichtung zu überwachen
und beispielsweise zu regeln. Insbesondere ist ein solcher Sensor
von Vorteil, um festzustellen, ob genügend Kältemittel durch die Verdampfungseinrichtung
geleitet wird, um die Kühlerfordernisse
zu erfüllen,
oder ob die Kühllast
so hoch ist, dass das Kältemittel
vollständig
verdampft. Ein solches vollständiges
Verdampfen lässt
darauf schließen,
dass nicht ausreichend Kältemittel
durch die Verdampfungseinrichtung strömt.
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Vorzugsweise
ist der Kältemittelsensor
als Temperatursensor ausgebildet. Durch Bestimmen der Temperatur
des Kältemittels
stromabwärts
der Verdampfungseinrichtung lassen sich zuverlässig Rückschlüsse auf den Zustand des Kältemittels
ziehen, insbesondere ist es möglich
festzustellen, ob das Kältemittel
vollständig
verdampft ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Kältemittelsensor auch
als Drucksensor oder Dichtesensor ausgebildet sein. Auch andere
Arten von Sensoren sind möglich, solange
sie es gestatten, zuverlässig
einen zu hohen Dampf- oder Gasanteil im Kältemittel stromabwärts der
Verdampfungseinrichtung festzustellen. Es sei darauf hingewiesen,
dass die erfindungsgemäße Anordnung
nur einen Sensor erfordert, um das Kältemittel für die Kühlung mehrerer voneinander
unabhängiger
Kälteträgerkreisläufe zu überwachen.
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Vorteilhafterweise
vermag der Sensor elektrische Sensorsignale zu erzeugen. Derartige
Signale lassen sich besonders leicht weiterleiten und weiterverarbeiten.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Expansionsventil zur Steuerung
einer Zufuhr von Kältemittel
zur Verdampfungseinrichtung vorgesehen. Bevorzugt ist dabei das
Expansionsventil in der Speiseleitung angeordnet. So lässt sich
der Kältemittelstrom
durch die Verdampfungseinrichtung zur Kühlung der Kälteträgerkreisläufe auf einfache Weise durch
ein einziges Expansionsventil steuern.
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Das
Expansionsventil kann ein elektrisch ansteuerbares Ventil sein,
um ein zuverlässiges
Steuern des durch das Ventil strömenden
Kältemittels auch
durch räumlich
entfernte Steuervorrichtungen zu ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch eine Kühlanlage eines Flugzeugs, die
eine oben beschriebene Verdampferanordnung aufweist.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Flugzeug, das eine solche Kühlanlage
oder eine oben beschriebene Verdampferanordnung aufweist.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt
schematisch eine Flugzeugkühlanlage.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Verdampferanordnung.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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In 1 ist
schematisch eine Flugzeugkühlanlage 2 dargestellt.
Die Flugzeugkühlanlage 2 hat einen
Staulufteinlass 3, durch den kalte Luft aus der Außenumgebung
des Flugzeugs zugeführt
wird. Diese kalte Luft wird zu einem Kondensator 4 geführt, der
Teil eines Kältemittelkreislaufs 5 ist. Über einen Luftauslass 8 kann
die Stauluft, nachdem sie ihre Kühlfunktion
erfüllt
hat, wieder in die Außenumgebung
des Flugzeugs abgelassen werden.
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Der
Kältemittelkreislauf 5 weist
ferner eine Verdampfungseinrichtung 20 auf. Im Kältemittelkreislauf 5 wird
ein Kältemittel
geführt,
das im Betrieb zwei Phasen annehmen kann, üblicherweise flüssig und gasförmig. In
dieser vereinfachten Darstellung sind weitere, übliche Komponenten des Kältemittelkreislaufes
wie Kompressor, Filter, usw. nicht gezeigt, um die Übersichtlichkeit
der Figur zu erhalten; derartige Komponenten wird der Fachmann nach
Bedarf hinzufügen.
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Die
Verdampfungseinrichtung 20 ist außerdem Teil eines Kreislauf 12 für einen
Kälteträger und dient
dem Wärmeaustausch
zwischen Kältemittel und
Kälteträger. Der
Kälteträgerkreislauf 12 bringt
einen Kälteträger zum
Beispiel zu mehreren, insgesamt mit 14 bezeichneten, Verbrauchern
z. B. Kühlschränken von
Bordküchen.
Die genaue Dimensionierung und der Verlauf des Kälteträgerkreislaufes 12 ist
durch die Erfordernisse und Anordnung der Verbraucher eines speziellen
Flugzeugs gegeben.
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Der
Einfachheit halber ist hier nur ein Kälteträgerkreislauf 12 dargestellt,
in der Regel sind allerdings zwei oder mehr Kälteträgerkreisläufe vorhanden, die an der Verdampfungseinrichtung 20 angeschlossen
sind. Diese mehreren Kälteträgerkreisläufe versorgen
dann verschiedene Gruppen von Verbrauchern. Dadurch ergibt sich
eine Redundanz, so dass beim Ausfall eines Kälteträgerkreislaufes immer noch eine
Kühlfähigkeit
vorhanden ist.
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Im
Betrieb kühlt
eintretende kalte Stauluft (die bei üblichen Flughöhen eine
Temperatur von etwa –55°C hat) gasförmiges Kältemittel
im Kondensator 4 ab, so dass das Kältemittel kondensiert. Auf der
anderen Seite des Kältemittelkreislaufes 5 wird das
Kältemittel
in der Verdampfungseinrichtung 20 in Wärmeaustausch mit dem Kälteträger im Kälteträgerkreislauf 12 gebracht.
Das Kältemittel
verdampft und entnimmt die dazu nötige Verdampfungsenergie dem
Kälteträger, der
dadurch abgekühlt
wird. Der Kälteträger wird
dann über
den Kälteträgerkreislauf 12 den
Verbrauchern 14 zugeführt.
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In 2 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Verdampferanordnung 10 dargestellt.
Die Verdampferanordnung 10 umfasst in dieser Ausführungsform
eine Verdampfungseinrichtung 20, die in vier Verdampfer 24a, 24b, 24c und 24d unterteilt
und integral ausgebildet ist. Die Unterteilungen der Verdampfungseinrichtung 20 sind
durch nicht bezeichnete gepunktete Linien angedeutet. Als Verdampfungseinrichtung 20 kann
jede geeignete herkömmliche
Verdampfungseinrichtung verwendet werden, z. B. eine Plattenverdampfungseinrichtung.
In den Verdampfern 24a–d
werden Kältemittel
und Kälteträger zum
Wärmeaustausch
gebracht. Dabei verdampft ein mehr oder weniger großer Teil
des Kältemittels.
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Die
vier Verdampfer 24a, 24b, 24c, 24d sind bezüglich eines
Strömens
von Kälteträger hydraulisch
voneinander getrennt. Das bedeutet, dass sich in jedem Verdampfer 24a–d ein eigener
Kälteträgerstrom
ausbilden kann. Diese hydraulische Trennung bezüglich des Kälteträgers kann beispielsweise durch
geeignetes Einbauen von Trennplatten in die Verdampfungseinrichtung 20 erreicht
werden. Bezüglich
eines Kältemittelstroms
ist hingegen vorgesehen, dass die Verdampfer 24b, 24c und 24a, 24d jeweils
paarweise parallel von Kältemittel
durchströmt werden.
Ferner kann Kältemittel
jeweils vom Verdampfer 24c zum Verdampfer 24d und
vom Verdampfer 24b zum Verdampfer 24a strömen. Nicht
gezeigt ist eine Einrichtung zur Verteilung von Kältemittel
auf parallele Strömungen
innerhalb der Verdampfungseinrichtung 20. Eine solche Einrichtung
ist in diesem Bereich der Technik gut bekannt und ihre Form hängt von
der speziellen Bauart der Verdampfungseinrichtung 20 ab.
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An
die Verdampfungseinrichtung 20 ist eine Speiseleitung 26 für Kältemittel
angeschlossen, die mit einem Expansionsventil 28 versehen
ist. Das Expansionsventil 28 ist dazu ausgelegt, einen
Kältemittelstrom
durch die Speiseleitung 26 zu steuern. Die Speiseleitung 26 führt Kältemittel
zur Verdampfungseinrichtung 20 derart zu, dass die unteren
Verdampfer 24b, 24c parallel von Kältemittel
durchströmt
sind. Gleichermaßen
ergibt sich ein paralleles Strömen von
Kältemittel
durch die Verdampfer 24a und 24d, die bezüglich der
Kältemittelströmung jeweils
nach den Verdampfern 24b, 24c angeordnet sind.
Man kann also sagen, dass jeweils ein Paar von Verdamp fern 24b, 24c bzw. 24a, 24d parallel
von Kältemittel durchströmt wird
und zwei Paare bezüglich
eines Kältemittelstroms
jeweils in Serie angeordnet sind.
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Eine
Ablassleitung 30 dient dazu, Kältemittel aus der Verdampfungseinrichtung 20 abzuführen. In die
Ablassleitung 30 ist ein Kältemittelsensor 32 eingebaut.
Bei diesem handelt es sich in diesem Fall um einen Temperatursensor,
der die Temperatur des Kältemittels
in der Ablassleitung 30 misst. Der Kältemittelsensor 32 vermag
es in dieser Ausführungsform, elektrische
Sensorsignale zu versenden. Über
eine elektrische Steuerleitung (in 2 als Strich-Punkt-Linie
dargestellt) ist der Sensor 32 mit dem Expansionsventil 28 verbunden.
Das Expansionsventil 28 ist zur elektrischen Ansteuerung
nach Maßgabe
der Sensorsignale ausgelegt. Alternativ kann auch eine andere geeignete
Verbindung zwischen Sensor 32 und Expansionsventil 30 vorgesehen
sein, beispielsweise eine mechanische Verbindung oder über eine
zwischengeschaltete Steuereinrichtung geführt. Wichtig ist, dass eine
Ansteuerung des Expansionsventils 28 nach Maßgabe des
Kältemittelsensors 32 erfolgen
kann. In 2 nicht gezeigt ist der vollständige Kältemittelkreislauf,
in dem die Speiseleitung 26 und die Ablassleitung 30 derart miteinander
verbunden sind, dass sich ein geschlossener Kältemittelkreislauf ergibt.
Im Kältemittelkreislauf
können
ferner nicht gezeigte zusätzliche
Komponenten wie z. B. ein Kondensator, ein Kompressor und/oder ein
Filter vorgesehen sein.
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Hauptkälteträgerzuleitungen 34, 36 gehören jeweils
zu unterschiedlichen unabhängigen
Kälteträgerkreisläufen 16, 17.
Die Kälteträgerkreisläufe 16, 17 sind
hier nicht vollständig
gezeigt. Ein Fachmann wird leicht einsehen, dass die Kreisläufe geschlossen sind
und noch weitere Komponenten zu ihnen hinzugefügt werden können, zum Beispiel Verbraucher, Wärmetauscher
oder Filter.
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Die
Hauptkälteträgerzuleitung 34 verzweigt sich
in zwei hydraulisch parallel zueinander angeordnete Kälteträgerzufuhrleitungen 34a, 34c.
Es ist vorgesehen, dass die Kälteträgerzufuhrleitung 34a zur Zufuhr
von Kälteträger mit
dem Verdampfer 24a verbunden ist und dass die Kälteträgerzufuhrleitung 34c zur
Zufuhr von Kälteträger mit
dem Verdampfer 24c verbunden ist. Die Hauptkälteträgerzuleitung 36 wiederum
verzweigt sich in zwei Kälteträgerzufuhrleitungen 36b, 36d,
wobei die Kälteträgerzufuhrleitung 36b mit
dem Verdampfer 24b und die Kälteträgerzufuhrleitung 36d mit
dem Verdampfer 24d verbunden ist, ebenfalls jeweils zur
Zufuhr von Kälteträger zu den Verdampfern 24b, 24d.
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Kälteträgerabfuhrleitungen 38a und 38c sind jeweils
zur Abfuhr von Kälteträger mit
den Verdampfern 24a und 24c verbunden. Die Kälteträgerabfuhrleitungen 38a und 38c sind
stromabwärts
der Verdampfungseinrichtung 20 zu einer Hauptkälteträgerableitung 38 des
Kälteträgerkreislaufs 16 zusammengeführt. Analog
sind Kälteträgerabfuhrleitungen 40b und 40d jeweils
mit den Verdampfern 24b und 24d zur Abfuhr von
Kälteträger aus
diesen verbunden. Die Kälteträgerabfuhrleitungen 40b und 40d sind
zu einer Hauptkälteträgerableitung 40 des
Kälteträgerkreislaufs 17 zusammengeführt. In
der Zeichnung sind Teile der Zufuhr- und Abfuhrleitungen zu den
Verdampfern, die in dieser Skizze perspektivisch verdeckt sind,
durch gestrichelte Linien dargestellt.
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Die
Verdampfer 24a–d
der Verdampfungseinrichtung 20 sind hydraulisch bezüglich des
Strömens
von Kälteträger voneinander
getrennt. Dadurch ergeben sich bezüglich des Kälteträgers vier hydraulisch voneinander
unabhängige
Quadranten in der Verdampfungseinrichtung 20. In dieser
Ausführungsform
wird davon ausgegangen, dass die Kälteträgerkreisläufe jeweils für eine gleiche
nominale Belastung ausgelegt sind, sollte dies nicht der Fall sein, kann
es zweckmäßig sein,
die Querschnitte der Verdampfer 24a–d nicht identisch auszubilden,
wie es in dieser Ausführungsform
der Fall ist, sondern von unterschiedlicher Größe. Desgleichen wird hier angenommen,
dass die Zufuhrleitungen 34a, 34c, 36b, 36d (wie
auch die Abfuhrleitungen) dahingehend ausgelegt sind, dass Kälteträgerströme vergleichbarer
Größe durch
sie hindurchgehen. Je nach Bedarf kann dies selbstverständlich aus
anders ausgelegt sein, beispielsweise könnte es zweckmäßig sein,
jeweils die Zufuhrleitungen 34c und 36b für einen
größeren Kälteträgerstrom
auszubilden als die Zufuhrleitungen 34a, 36d.
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In
der hier beschriebenen Ausführungsform sind
die Zufuhrleitungen 34a, c und 36b, d im Uhrzeigersinn
jeweils abwechselnd nach zugeordnetem Kälteträgerkreislauf 16, 17 mit
der Verdampfungseinrichtung 20 verbunden. Wie zu erkennen
ist, sind die Zufuhrleitungen 34a, c und 36b,
d in 2 derart angeordnet, dass von jeweils zwei paarweise
parallel von Kältemittel
durchströmten
Verdampfern (z. B. 24b, 24c) jeder einer Zufuhrleitung
für Kälteträger (z. B. 36b, 34c)
aus unterschiedlichen Kälteträgerkreisläufen 16, 17 zugeordnet
ist. Des Weiteren sind die Kälteträgerzufuhrleitungen 34a, 36b, 34c, 36d derart angeordnet,
dass die Strömungsrichtung
des Kälteträgers innerhalb
parallel von Kältemittel
durchströmter
Verdampfer 24a, 24d und 24b, 24c für verschiedene
zugeordnete Kälteträgerkreisläufe 16, 17 antiparallel
verläuft.
Die Verdampfer 24b, 24c bzw. 24a, 24d werden
also jeweils gegenläufig
von Kälteträger durchströmt.
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Im
Betrieb wird der Verdampfungseinrichtung 20 über die
Speiseleitung 26 Kältemittel
zugeführt.
Der Kältemittelstrom
wird dabei vom Expansionsventil 28 gesteuert. Das Kältemittel
strömt
parallel durch die Verdampfer 24b, 24c und nachfolgend ebenfalls
parallel durch die Verdampfer 24a, 24d. Stromabwärts der
Verdampfungseinrichtung 20 wird das Kältemittel in der Ablassleitung 30 zusammengeführt. Der
Kältemittelsensor 32 überwacht
in dieser Ausführungsform
die Temperatur des Kältemittels. Die
Temperatur des Kältemittels
dient als ein Maß für seinen
Grad an Sättigung
mit Kältemittel
in flüssiger Phase.
Befindet sich die Temperatur über
einem kritischen Wert, der von den genauen Bedingungen des Kühlsystems
und dem verwendeten Kühlmittel
abhängt,
ist der Anteil an flüssigem
Kühlmittel
zu gering oder gar nicht mehr vorhanden. Die kritische Temperatur
kann für
jedes System nach Bedarf festgelegt werden. Es gibt selbstverständlich auch
weitere Parameter, anhand derer der Sättigungszustand des Kältemittels
durch einen Sensor überwacht
werden kann, beispielsweise Dichte oder Druck.
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Über die
elektrische Verbindung mit dem Expansionsventil 28 versendet
der Kältemittelsensor 32 elektrische
Sensorsignale. Das Expansionsventil 28 wird nach Maßgabe dieser
Signale angesteuert. Stellt der Kältesensor 32 eine
zu hohe Temperatur des Kältemittels
fest, die auf einen zu niedrigen Anteil von flüssigem Kältemittel und damit nicht ausreichende
Kühlung
der Kälteträgerkreisläufe schließen lässt, öffnet sich
das Expansionsventil 28 weiter, um den Kältemittelstrom
zur Verdampfungseinrichtung 20 zu vergrößern, um einen ausreichenden
Kältemittelstrom
einzustellen. Umgekehrt kann in dem Fall, dass ein sehr hoher Anteil
an flüssigem
Kältemittel
im Kältemittelstrom
gemessen wird (niedrige Temperatur), das Expansionsventil 28 ein
Stück weit
geschlossen werden, um den Kältemittelstrom
zur Verdampfungseinrichtung 20 zu verringern.
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Dass
beschriebene System zeichnet sich durch eine sehr zuverlässige Kühlung aller
Kälteträgerkreisläufe aus.
Benötigt
beispielsweise ein Kälteträgerkreislauf 16 keine
Kühlung
(etwa, weil er ausgefallen ist oder die von ihm versorgten Verbraucher nicht
benötigt
werden), wird dennoch der andere Kälteträgerkreislauf 17 vollständig gekühlt, da
ein Wärmeaustausch
zwischen dem im Kreislauf 17 geführten Kälteträger mit Kältemittel in den Verdampfern 24b,
d erfolgt. Dabei strömt
ebenfalls Kältemittel durch
die Verdampfer 24a, d; in diesen erfolgt bei keiner Belastung
des Kälteträgerkreislaufes 16 jedoch kein
nennenswerter Wärmeaustausch
und damit tritt auch fast oder gar keine Verdampfung von Kältemittel
auf. Der Sensor 32 wird das Expansionsventil 28 derart
ansteuern, dass sich ein auf den Kühlbedarf des Kreislaufes 17 eingestellter
Kältemittelstrom
ergibt.
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In
dem Fall jedoch, dass beide Kreisläufe 16, 17 unter
Belastung stehen und einer davon, beispielsweise der Kreislauf 16,
unter einer Überbelastung,
ist im Betrieb immer noch zumindest eine Teilkühlung des geringer belasteten
Kreislaufes 17 sichergestellt. In diesem Fall strömt Kältemittel
parallel durch die Verdampfer 24b, c, so dass jeweils der durch
die Zufuhrleitungen 36b, 34c zugeführte Teil von
Kälteträger der
Kreisläufe 16, 17 Wärme mit
flüssigem
durch die Verdampfer 24b, 24c strömenden Kältemittel
austauschen kann. Es ist anzunehmen, dass der Kreislauf 16 mit
erhöhter
Belastung das ihm in dem Verdampfer 24c zum Wärmeaustausch
zur Verfügung
stehende Kältemittel
vollständig
verdampft (da er unter Überlast
steht). Es strömt
also gasförmiges
Kältemittel
von dem Verdampfer 24c weiter zum Verdampfer 24d,
wo es in Kontakt mit bisher ungekühltem Kälteträger aus dem Kreislauf 17 kommt.
Das gasförmige
Kältemittel
ist wenig effizient zur Kühlung,
so dass dieser Zweig des Kälteträgerkreislaufs 17 ungekühlt oder
sehr schlecht gekühlt bleibt.
Im anderen Zweig jedoch wird in dem Verdampfer 24b bei
der Kühlung
des dort hindurchgeführten
Teilstroms des Kreislaufes 17 nicht das gesamte Kältemittel
verdampft. Daher strömt
teilweise flüssiges
Kältemittel
(wobei der Anteil an flüssigem Kältemittel
von der Kühlbelastung
des Kreislaufes 17 abhängt)
zum Verdampfer 24a. In dieser findet ein Wärmeaustausch
zwischen Kälteträger aus
dem überlasteten
Kreislauf 16 und dem Kältemittel
statt, das hier noch kühleffiziente
flüssige
Bestandteile aufweist. Demnach wird dieser Zweig des überlasteten Kälteträgerkreislaufs
ebenfalls zumindest einer Teilkühlung
unterzogen. Insgesamt ergibt sich also eine Kühlung beider Kreisläufe, ohne
dass der überlastete Kreislauf
eine Kühlung
des anderen Kreislauf mit geringerer Last vollständig verhindern würde.
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In
Betriebszuständen
zwischen den hier beschriebenen Extremfällen lässt sich durch das Zusammenspiel
von Sensor 32 und Ventil 28 leicht ein geeigneter
Kältemittelstrom
einstellen.
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Die
oben beschriebene Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie
nur einen Sensor und nur ein Expansionsventil benötigt, um
auch in Extremfällen
zumindest eine Teilkühlung
aller Kreisläufe
bereitzustellen. Dies wird durch rein konstruktive Maßnahmen
erreicht. Dadurch wird die Anordnung besonders robust, zuverlässig und
wartungsarm. Außerdem
spart sie Gewicht, was bei einem Flugzeug von besonders großer Bedeutung
für die
Kosteneffizienz ist. Selbstverständlich
gibt es für
einen Fachmann zahlreiche Möglichkeiten,
innerhalb des Rahmens der erfinderischen Idee die oben beschriebene
Ausführungsform
abzuwandeln. Zum Beispiel ist es nicht notwendig, nur vier Verdampfer
zu verwenden, sondern eine andere Anzahl als vier kann zweckmäßig sein.