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Geschlossenes Dampfkreislaufsystem für mit großer Geschwindigkeit
fliegende Höhenflugzeuge Die Erfindung betrifft Klimaanlagen für Flugzeuge, insbesondere
für solche Flugzeuge, die in großen Höhen mit Überschallgeschwindigkeit fliegen.
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Es ist bekannt, Umhüllung und Zubehör von Überschallflugzeugen durch
Verwendung von einem flüssigen Kraftstoff und einem flüssigen Oxidant von niedriger
Temperatur zu kühlen, um die in das Flugzeug eingesaugte und durch die geteilte
Umhüllung des Flugzeuges umgewälzte atmosphärische Luft zu kühlen. Es ist ferner
bekannt, verschiedene Ausrüstungsteile von Überschallflugzeugen durch Nutzbarmachung
der latenten Wärme der Kraftstoffverdampfung von dem durch Senkung der Temperatur
zu kühlen, um damit in Wärmeaustauschbeziehung angeordnete Teile zu kühlen. Ein
Kühlsystem für schnell fliegende Flugzeuge, welches die niedrige Temperatur der
umgebenden freien Luft zum Senken der Wärme verwendet, ist fernerhin vorgeschlagen
worden. Diese bekannten Anlagen stehen aber mit der Erfindung in keiner Beziehung.
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Es ist ferner bei einer Ausführungsform von Wärmeaustauscher für ein
Kühlsystem für schnell fliegende Flugzeuge eine Vorrichtung bekannt, bei der Luft
nach Abkühlung bei Durchlauf durch eine erste Wärmeaustauschvorrichtung in eine
Kabine eines Flugzeuges nach Betätigung einer Turbine ausströmt, welche einen Windflügel
zum Umwälzen von Luft innerhalb der Kabine antreibt.
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Keine der bekannten Ausführungen trifft die durch die Erfindung gelöste
Aufgabe, welche sich auf ein geschlossenes Dampfkreislaufkühlsystem mit Kompression,
Kondensation und Verdampfung bei einem Flugzeug bezieht, das in großen Höhen und
mit Überschallgeschwindigkeit fliegt. Obgleich unter diesen Verhältnissen Stauluft
die notwendige Kühlung für den Verdichter vorsehen würde, ist dieses unzweckmäßig,
da eine übermäßig hohe Kraft erforderlich und weiterhin die Temperatur des Kühlmittels
unerwünscht hoch wäre und zu einer Zersetzung führen würde. Demgegenüber besteht
das geeigneteste, zur Verfügung stehende Verdichtungsmedium aus Kraftstoff, welcher
bei einem Überschallflugzeug sehr gut oberhalb der Staulufttemperatur liegen kann,
die in mit Unterschallgeschwindigkeit fliegenden Flugzeugen verwendet wird, und
der Kraftverbrauch und die Kühlmitteltemperatur sind in einem geringeren Grad übermäßig.
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Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine Klimaanlage für ein Flugzeug
mit überschA-P Cr schwindigkeit zu schaffen, welches ein geschlossenes Dampfkreislaufkühlsystem
enthält, in welchem frische Stauluft durch Wärmeaustauscher vor dem Durchlauf durch
die Verdampfer des Kühlsystems vorgekühlt wird, und damit arbeitet das System bei
einer tieferen Temperatur, als es sonst der Fall möglich wäre. Der Verdichter braucht
deshalb nicht auf solch eine niedrige Temperatur für ein wirksames Arbeiten des
Systems gekühlt zu werden, wie es sonst erforderlich gewesen wäre.
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Das Wesen der Erfindung besteht bei einem geschlossenen Dampfkreislaufsystem
für mit großer Geschwindigkeit fliegende Höhenflugzeuge mit einem mehrstufigen Kühlmittelkompressor,
Kondensator. Expansionsventilen und Verdampfern darin, daß durch den Durchgang durch
den Verdampfer gekühlte frische Luft eine Turbine antreibt, die einen Kompressor
vor dem Ausfließen in eine Flugzeugumhüllung antreibt, und eine von dem Luftstrom
durch eine Abzweigleitung angetriebene weitere Turbine einen Ventilator zum Rückführen
der Luft aus der Umhüllung über dem Verdampfer vor dem Ausfließen in die Umhüllung
antreibt.
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Ein weiteres und wichtiges Merkmal besteht in der Anordnung von zusätzlichen
Verdampfern zum Vorkühlen der Fischluft, bevor sie zu den Verdampfern der Anlage
gelangt, so daß damit die Anlage bei einer niedrigeren Temperatur arbeiten kann,
als es sonst derFall wäre, wodurch es nicht mehr notwendig ist, den Verdichter übermäßig
zu kühlen.
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Der Kompressor besteht vorzugsweise aus einem Mehrstufenkompressor
von gleichbleibender oder
veränderlicher Geschwindigkeit und die
Anordnung ist so getroffen, daß die entsprechenden Stufen des Kompressors automatisch
die Druck- und Temperaturhöhe der Verdampfer bestimmen. Bei einem Kompressor mit
gleichbleibender Geschwindigkeit ist eine Vorrichtung vorgesehen, welche die Temperatur
des Kühlmittels am Einlaß steuert.
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Gemäß weiterer Erfindung soll jedes Expansionsventil mit einer Abtastvorrichtung
versehen sein, welche die Temperatur stromabwärts von jedem Verdampfer abtastet
und dadurch den Kühlmittelstrom dorthin steuert und somit das Kühlen von jedem Verdampfer
verändert.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise dargestellt.
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Fig. 1 zeigt ein Dampfkreislaufkühlsystem für eine Luftzustands- oder
Klimavorrichtung für Flugzeuge; Fig. 2 und 3 zeigen abgeänderte Ausführungsformen.
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Bei Fig. 1 ist eine Luftzustands- oder Klimavorrichtung für Flugzeuge
mit einem geschlossenen Dampfkreislaufkühlsystem vorgesehen, welches ein zum stufenweisen
Kühlen frischer Stauluft bekanntes Kühlmittel enthält.
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Die Kühlvorrichtung enthält einen mehrstufigen Kühlmittelkompressor
1 mit gleichbleibender Geschwindigkeit, der über eine Leitung 2 mit einem Kühlapparat
oder Verdichter 3 in Verbindung steht. An den Auslaß des Kühlers 3 ist eine Leitung
4 angeschlossen, die über Abzweigleitungen 5 und 6 zu einem Verdampfer 7 führt,
wobei die Zweigleitung 5 mit der ersten Stufe des Kompressors 1 über eine Leitung
8 und die Zweigleitung 6 mit dem Einlaß des Kompressors über eine Leitung 9 verbunden
sind. Entspannungsventile 10 und 11 sind in den Abzweigleitungen 5 und 6 stromaufwärts
von dem Einlaß des mehrstufigen Verdampfers 7 vorgesehen. Jedes Entspannungsventil
10 und 11 wird von Temperaturen gesteuert, die stromabwärts von dem Verdampfer 7
durch auf Temperatur ansprechende Leitungen 12 und 13 abgetastet sind. Eine in der
Leitung 9 stromaufwärts von dem Einlaß des Kompressors 1 vorgesehene Leistungssteuerungsvorrichtung
14 regelt die Verdampfertemperatur und ändert damit die Temperatur des Kühlmittels
am Einlaß zu dem Kompressor.
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Bei der weiteren Ausführungsform nach Fig. 2 enthält die Anlage grundsätzlich
die gleichen Teile und die Kreislaufanordnung, wie sie bei Fig. 1 beschrieben worden
ist. Die einzige Abänderung besteht darin, daß die Leitung 8 so angeschlossen ist,
daß das Kühlmittel zu der zweiten Stufe des Kühlmittelkompressors 1 zurückfließt,
und die Leitung 9 so angeschlossen ist, daß das Kühlmittel zu der ersten Stufe zurückfließt.
Ein dritter Verdampfer 15 ist in die Leitung 16 eingeschaltet, die stromabwärts
von der Verbindungsstelle zwischen der Zweigleitung 6 und der Leitung 4 liegt. Sie
führt das Kühlmittel zu dem Einlaß des Kompressors 1 durch die Leistungssteuerungsvorrichtung
14 zurück.
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Der Verdampfer 15 ist in einer solchen Weise angeordnet, daß frische
Stauluft nach Durchfließen des mehrstufigen Verdampfers 7 durch die Leitung 20 hindurchfließen
kann. Ein Entspannungsventil 17 ist stromaufwärts von dem Einlaß des Verdampfers
15 angeordnet und wird durch die stromabwärts von dem Verdampfer durch die auf Temperatur
ansprechende Leitung 18 abgetastete Temperatur gesteuert. Die Leitung 20 ermöglicht
ein Zurückströmen der Luft von der Umhüllung des Flugzeuges zur Vermischung mit
Frischluft, die durch die Leitung 21 fließt, bevor sie über den Verdampfer 15 strömt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist eine Anlage vorgesehen, die
die gleichen grundlegenden Teile der Fig. 1 und 2 enthält. Die einzige Abänderung
besteht darin, daß ein turbinenangetriebener Kompressor mit veränderlicher Geschwindigkeit
für den Kompressor mit gleichbleibender Geschwindigkeit nach den früheren Ausführungsbeispielen
genommen und ferner der Kühlmittelfluß aufgespalten wird, wobei der eine Zweig die
frische Luft und der andere Zweig die aus der Flugzeugkabine zurückgeführte Luft
kühlt. Die Art und Weise, in welcher die Anordnung ausgeführt ist, soll insbesondere
bei Fig. 3 beschrieben werden, wo die Bezugszeichen der Fig. 1 und 2 nach Möglichkeit
verwendet worden sind. Der mehrstufige Kühlmittelkompressor wird von einer Turbine
30 angetrieben, die ihrerseits durch einen Stauluftstrom angetrieben wird, der durch
die Leitung 21 und die Leitung mit einer Abzweigleitung 31 fließt, die stromaufwärts
von der Turbine 30 angeordnet ist und den Stau zur Leitung 21 stromabwärts von der
Turbine 30 zurückführt. Innerhalb der Abzweigleitung 31. ist eine Turbine 32 vorgesehen,
die einen Ventilator 33 antreibt. Der Ventilator 33 zieht die von der Flugzeugumhüllung
zurückfließende Luft durch eine Leitung 34, die dann an die Leitung 21 zum Ausströmen
von Luft in die Flugzeugumhüllung nach Durchfließen des Verdampfers 15 angeschlossen
ist. Die grundlegende Anlage zum Kühlen der frischen Stauluft ist weiter oben mit
der Ausnahme beschrieben worden, daß bei dieser Ausführungsform die Luft durch einen
Stauluftwärmeaustauscher 40 und einen Kraftstoff-Luftwärmeaustauscher 41 vor dem
Durchfließen des Verdampfers 7 des Kühlsystems geschickt wird. Stromabwärts von
dem Kühler 3 fließt das Kühlmittel durch ein Entspannungsventil 17 und einen
Verdampfer 15,
die in die Leitung 16 vor dem Rückfluß zur ersten Stufe des
Kompressors 1 eingeschaltet sind. Auf diese Weise fließt die rückgeführte Luft durch
den Verdampfer 15, während bei der Ausführungsform nach Fig.2 sowohl die rückgeführte
Luft als auch die frische Stauluft durch den Verdampfer 15 fließen können. Beim
Betrieb verläßt das Kühlmittel den Kompressor 1 in gasförmigem Zustand bei einer
im wesentlichen hohen Temperatur und einem hohen Druck und fließt zu dem Kühler
3 durch die Leitung 2, wo Wärme durch den Fluß von Kraftstoffluft oder Stauluft
abgeführt wird. Das Kühlmittel verläßt den Kühler in flüssigem Zustand durch die
Leitung 3, wo sie zu den Entspannungsventilen 10 und 11 (Fig. 1); 10, 11 und 17
(Fig. 2) und 10 und 17 (Fig. 3) fließt und zu einem nassen Dampf bei niedriger Temperatur
und niedrigem Druck expandiert. Das Kühlmittel wird dann durch den Kompressor 1
nach Durchfließen der Verdampfer 7 (Fig. 1), 7 und 15 (Fig. 2) und 7 und 15 (Fig.
3) zurückgeführt. Frische Stauluft kühlt sich dabei beim Fließen über die Verdampfer
ab und wird in die Flugzeugumhüllung mit der rückgeführten, ebenfalls gekühlten
Luft entladen, wie bei den Fig. 2 und 3 beschrieben worden ist. Die Kühlung wird
in getrennten Stufen entsprechend den Stufen des Kompressors durchgeführt, welcher
selbsttätig die Druck-und Temperaturhöhe bestimmt, bei welcher die Verdampfer
arbeiten.
Gemäß Fig. 1 wird Stauluft beim Durchgang durch den Verdampfer 7 auf eine Zwischenstufe
abgekühlt, der durch den Kühlmittelfluß durch die Leitung 5 gekühlt wird, wobei
die Stauluft weiterhin auf eine niedrigere Temperatur beim Durchfluß einer weiteren
Stufe eines Verdampfers 7 gekühlt wird, der durch den Kühlmittelfluß durch die Leitung
6 gekühlt wird.
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Die Entspannungsventile werden durch Temperaturen gesteuert, die stromabwärts
von jedem Verdampfer durch Temperatur abtastende Leitungen abgetastet werden. Dadurch
wird jedes Entspannungsventil so betätigt, daß es das hindurchfließende Kühlmittel
steuert und dadurch weiterhin die Kühlung der Verdampfer entsprechend den Temperaturen
an den Verdampferauslässen verändert.