DE2519371A1

DE2519371A1 - Vorrichtung zum klimatisieren

Info

Publication number: DE2519371A1
Application number: DE19752519371
Authority: DE
Inventors: Thomas C Edwards
Original assignee: Rovac Corp
Current assignee: Rovac Corp
Priority date: 1974-05-01
Filing date: 1975-04-30
Publication date: 1975-11-13
Also published as: FR2269686A1; GB1513254A; CA1007862A; IT1037790B; JPS5426018B2; JPS50152347A; US3967466A; DE2519371C2; FR2269686B1

Description

_D».,N· OI^L.-ΙΝβ. M.eC. D.fl. -I»HVI. OK. DIKL.-PHYi.

HÖGER - STELLRECHT - GRIcSSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTSABT

25. April 1975
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A 41 200 m

The Rovac Corporation

109 Building, Candace Drive

Maitland, Florida 32751 /USA

Vorrichtung zum Klimatisieren

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Klimatisieren, bei der zwischen dem Auslaß einer Kompressions- und dem Einlaß einer Expansionseinheit ein erster Wärmetauscher angeordnet und mit dem Auslaß der Expansionseinheit ein zweiter, vom ersten isolierter Wärmetauscher verbunden ist sowie an den Einlaß der Kompressionseinheit eine Zuleitung für ein bei den während des Betriebes der Vorrichtung auftretenden Temperaturen und Drücken nicht kondensierendes Gas anschließt, welches in der Kompressionseinheit komprimier- und erwärmbar ist, im ersten Wärmetauscher Wärme abgibt, in der Expansionseinheit expandier- und kühlbar ist sowie im zweiten Wärmetauscher Wärme absorbiert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Nutzeffekt oder Wirkungsgrad

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einer gattungsgemäßen Vorrichtung zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Mittel am Einlaß der Eompressionseinheit zum Einbringen eines fein verteilten Ziisatzmediums von hoher Wärmekapazität und Verdampfungswärme in das durch den Einlaß strömende GaS₁. wobei dieses Susatsmedium zur Steigerung des Nutzeffektes der Vorrichtung aero Gas in der Kompressionseinheit Wärme entzieht and in der Expansionseinheit eiiie Phasenänderung vom dampf- in den nicht dampfförmigen Zustand erfährt.

Es wird erfindungsgemäß eine Klimaanlage mit !Compressions- und Expansionseinheiten vorgeschic-gen, denen eine Sprüheinrichtung zugeordnet ist, um am Kompressoreinlaß Tröpfchen eines Zusatzmediums in das Gas einzusprühen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die für die Kompression erforderliche Energie reduziert and die Expansionsenergie erhöht, so daß insgesamt die Äatriebsenergie für die Kompressions- und Ejqpansionseinheiten verringert wird, überschüssiges Eusatzmedium wird in flüssiger Form in dem zwischen Kompressions- und Expansionseinheit angeordneten Wärmetauscher gesammelt. In diesem Wärmetauscher ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Sumpf mit Rückströmleitung vorgesehen, um das Zusatzmedium zum Kompressoreinlaß zurückzirkulieren zu lassen^ wo es wieder in das einströmende Gas versprüht wird, Dabei wird zum Transport des Zusatzmediums die Druckdifferenz ausgenutzt, die zwischen dem Wärmetauscher und dem Einlaß der Komprsssxonsexnheit herrscht.

Wenn erfindungsgemäß fein verteilte Tröpfehen in das in den Einlaß der Kompressionseinheit einströmende Gas gesprüht werden, kann man die Zustandsänderung des Zusatzmediums, die sowohl

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in der !Compressions- als auch in der Expansionseinheit auftritt, ausnutzen, um die Antriebsenergie eines Rotors in einer kombinierten Kompressions- und Expansionsexnheit erheblich zu reduzieren. Hierdurch läßt sich eine merkliche Steigerung des Wirkungsgrades oder des Nutzeffektes der Anlage erzielen. Durch das Einsprühen der fein verteilten Tropfen des Zusatzmediums wird eine starke Übersättigung des Gases erzielt, überschüssiges Medium wird durch Aufsammlung und Kondensation im Wärmetauscher entfernt. Hieran schließt sich eine Kondensation in der Expansionseinheit an, wo das Zusatzmedium im Dampfzustand vorliegt.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, in dem Gas der Klimaanlage ein Zusatzmedium von hoher Wärmekapazität zu verwenden und einen Überschuß dieses Mediums zur Kompressionseinheit zurückzirkulieren zu lassen. Die im Wärmetauscher auftretende Kondensation und die Anwesenheit des Zusatzmediums, welches in flüssiger Form durch die Kompressionseinheit hindurchgeführt wird, verbessert die Geschwindigkeit des Wärmeaustausches.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung, wenn in der vorgeschlagenen Klimatisiervorrichtung Luft als ihr eigenes Kühlmittel verwendet wird, wobei die gekühlte Luft in einen geschlossenen Raum eingespeist wird, in dem absichtlich Wasser in die eintretende Luft gesprüht wird, um auf diese Weise den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen. Das Wasser wird jedoch, nachdem es seinen Zweck erfüllt hat, bei niederer Temperatur wieder entfernt, um ab da relativ trockene Luft in den geschlossenen Raum einzuspeisen. In Gebieten geringer Luftfeuchtigkeit kann die Kaltluft direkt und ohne Entfernung der zugegebenen Feuchtigkeit eingespeist werden, weil dies komfortabler ist.

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Erfindungsgemäße Vorrichtungen lassen sich mit geringeren Kosten als herkömmliche Klimaanlagen herstellen. Sie besitzen trotzdem einen wesentlich höheren Nutzeffekt als herkömmliche Systeme, sie weisen eine hohe Kühlleistung auf, können automatisch betrieben werden, sind von kompaktem Aufbau und eignen sich insbesondere für eine Anwendung in Automobilen u.dgl.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht, teilweise entlang der Linie 1-1 in Fig. la, einer erfindungsgemäßen Klimatisiervorrichtung in "offener Bauweise", wobei Luft als Kühlgas und Wasser als Zusatzmedium verwendet werden und Mittel vorgesehen sind, um die in einen geschlossenen Raum eingespeiste Luft zu entfeuchten und zu temperieren;

Fig.la eine horizontale Teilschnittansicht entlang der Linie Ia-Ia in Fig. 1;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Filters entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Ansicht vereinfacht dargestellter Mittel, die gewährleisten, daß Flüssigkeit in der Rückstromleitung vorhanden und die kondensierte Flüssigkeit im Sumpf automatisch eine maximale Höhe nicht übersteigt;

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Fig. 4 eine alternative Ausführungsform von Sprühmitteln zum Einbringen eines Überschusses an fein verteilten Tröpfchen, wobei diese Sprühmittel insbesondere bei Abwesenheit von Rezirkulationsorganen Anwendung finden können;

Fig. 5 eine Teilschnittansicht eines Sumpfes mit kondensierter Flüssigkeit und einer zusammen mit der Anordnung gemäß Fig. 4 verwendbaren Überfluß steuerung;

Fig. 5a eine Verschließeinrxchtung für eine Rückstromleitung;

Fig. 6 eine schematische Ansicht ähnlich Fig. 1 einer einfacheren Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher dem Wärmetauscher kondensierte Feuchtigkeit durch die Saugwirkung der Expansionseinheit entnommen wird;

Fig. 7 die Einsprühung von Wasser in den Auslaß der Expansionseinheit;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht einer weiteren Aus-.führungsform der Erfindung mit Kühlsystem in "geschlossener Bauweise", bei welcher ein Gas, überschüssiges Zusatzmedium und gegebenenfalls Schmiermittel gegenüber der Atmosphäre abgedichtet sind und kontinuierlich rezirkulieren und

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Fig. 9 eine schematische Darstellung von Mitteln zur Injizierung einer Wasserladung zur kräftigen und raschen Abkühlung und Anfeuchtung.

Fig» 1 seigt eine Kompressions-Expansions-Einheit 10 mit einem Maschinengestell 11, in deir. feine von einer Hand 12 umgebene Kammer ovalen Querschnitts ausgebildet ist, Die Kammer ist an ihren beiden Stirnseiten durch (nicht dargestellte) Endstücken verschlossen, wie dies in der üSA-Petentanraeldimg Ser.i-io. 400*965 vom 26. September 1973 beschrieben ist. In den Endstücken ist ein Rotor 20 gelagert mit radial gerichteten, gleitbaren Flügeln, z.B. zehn an der Zahl, die mit den Bezugszeichen 21 bis 30 bezeichnet sind. Eine Kelle 32 des Rotors ist von Lagern in den Endstücken gehalten, die »felle 32 selbst ist mit einer Antriebsquelie 33 verbunden, beispielsweise dem Motor eines Kraftfahrzeugs, und wird lait einer Drehzahl zwischen etwa 650 und 4000 U/min angetrieben. Die Flügel werden in den ihnen zugeordneten Schlitzen durch zentrifugale Kräfte insgesamt nach außen gedrückt und bilden auf diese Weise abgeschlossene Kammern 21' bis 30¹ , die beim Umlauf des Rotors Volumenveränderungen erfahren. Die Flügel können durch in Nockenlaufbahnen abrollende Rollen geführt sein. Ein endloses Federband 34, welches an den inneren Kanten jedes Flügeis angreift, kann eine zusätzliche Vorspannung vermitteln.

Unter der Annahme, daß der Rotor 20 in Pfeilrichtung umläuft, wirkt die linke Hälfte der Einheit IC als Kornpressionseinheit mit Einlaß 41 und Auslaß 42, während die rechte Seite als Expansionseinheit mit Einlaß 43 und Auslaß 44 arbeitete An den Auslaß 42 und den Einlaß 43 ist zwischen Kompressiorts- und Expansionseinheit ein erster Wärmetauscher 45 angeschlossen,

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welcher dazu dient, die Kompressionswärme abzuleiten. Dieser Wärmetauscher ist von dem zu kühlenden Raum isoliert. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers 45 läßt sich durch ein motorgetriebenes Gebläse 46 (Fig. la) verbessern.

An den Auslaß 44 der Expansionseinheit ist zur Aufnahme der erzeugten Kaltluft eine Auslaßeinrichtung 50 angeschlossen, die eine Reihe verschiedener Funktionen ausübt. Sie dient in erster Linie als Wärmetauscher, um der Umgebungsluft, bevor diese in den zu klimatisierenden Raum eingespeist wird, Wärme zu entziehen,um so die eingespeiste Luft entsprechend zu temperieren. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung erfolgt dies durch Vermischung der Umgebungsluft mit der aus der Expansionseinheit ausströmenden Luft. Die vermischte Luft wird durch Auslaßöffnungen 51, 52 in den zu klimatisierenden Raum überführt. Zu diesem Zweck hat die Auslaßvorrichtung eine Mischkammer 53 mit einem offenen Einlaßende 54 und einem Gebläse 55, das von einem Motor 56 getrieben ist. Das Gebläse

55 weist vorzugsweise eine Gebläsewalze auf, während der Motor

56 als Kurzschlußankermotor ausgebildet ist. Die vom Gebläse abgegebene Luft gelangt durch einen Verbindungskanal in eine Kammer 57, aus welcher sie durch die Auslaßöffnungen 51, 52, austritt.

Im Weg der Kaltluft von der Expansionseinheit zur Mischkammer 53 ist ein poröser Feuchtigkeitsabscheider 60 angeordnet, der beispielsweise aus gesintertem Metall bestehen und eine Vielzahl von Poren aufweisen kann, durch die hindurch die Kaltluft strömt, wobei in letzterer enthaltene Eisstückchen oder Feuchtigkeit in flüssiger Form zurückgehalten werden. Der poröse Feuchtigkeitsabscheider 60 ist thermisch an die wärmere,

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.eintretende Umgebungsluft durch in Längsrichtung verlaufende Rippen 61 (Fig. 2) angekoppelt. Die Kaltluft aus der Expansionseinheit wird an das links gelegene Ende des Abscheiders durch eine Leitung 62 herangeführt. Das rechts gelegene Ende des Abscheiders 60 ist geschlossen. Wenn die Leitung 62 isoliert und/oder kurz ausgebildet ist, und wenn die von der Expansionseinheit abgegebene Kaltluft kälter als 0 C ist, werden Eisstückchen von der in den Abscheider 60 eintretenden Luft mitgeführt. Wegen der ständigen Erwärmung des Abscheiders 60 durch die einströmende ümgebungsluft werden die Eisstückchen jedoch geschmolzen und bilden ein Kondensat, welches zum Boden 63 des Abscheiders abfließt (Fig. 2).

Entsprechend dem allgemeinen Erfindungsgedanken sind Mittel vorgesehen, um in das Gas, vorzugsweise Luft, welches in den Einlaß der Kompressionseinheit eintritt, ein Zusatzmedium, vorzugsweise Wasser, in Form fein verteilter Tröpfchen zu injizieren, welches durch den Gas- oder Luftstrom mitgenommen wird. Vorzugsweise wird das Wasser im Überschuß zugegeben, unter "Überschuß" versteht man, daß die Gesamtmenge an Wasser in der einströmenden Luft diejenige Menge übersteigt, welche bei der vorliegenden Temperatur, z.B. 26,7° C, in-Dampfform gehalten werden kann. Das in der Luft pro Vulumeinheit enthaltene Wasser kann die Wassermenge, welche bei dieser Temperatur durch die Luft in Dampfform gehalten werden kann, bis zum zwei- oder mehrfachen übersteigen. Die Beschickung der einströmenden Luft mit mehr Feuchtigkeit, als sie in lorm voll gelösten Dampfes halten kann, wird im folgenden als Übersättigung bezeichnet. Es liegt im Bereich der Erfindung, Wasser selbst in so großem Überschuß einzusprühen, daß das Gewicht des Wassers gleich dem Gewicht der Luft ist.

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Wenn das Wasser in den Einlaß der Kompressoreinheit gesprüht wird, verdampft es zumindest teilweise. Wenn der Rotor 20 von der Antriebsquelle 33 angetrieben wird, wird die durch den Einlaß eintretende Luft zusammen mit dem in Tropfenform mitgeführten Wasser komprimiert, wobei die Kompression von einem Temperaturanstieg begleitet ist, der auf die erzeugte "Kompressionswärme" zurückgeht. Die Flüssigkeitsteilchen kühlen die Luft, wenn diese komprimiert wird. In dem Maße, in dem der Temperaturanstieg zu einem Abfall der relativen Feuchtigkeit führt, findet darüber hinaus weitere Verdampfung statt. Durch diesen Verdampfungsprozeß wird die Luft bei Maximaltemperatur und Maximaldruck in der Kompressionseinheit gesättigt, wobei die kleineren Tröpfchen vollständig in Dampfform übergehen und die größeren Tröpfchen zumindest teilweise aufgezehrt werden. Als Ergebnis dieser beiden Effekte wird der Luft eine erhebliche Wärmemenge entzogen, so daß die Luft, während sie beispielsweise im Verhältnis von 2 bis 4:1 komprimiert wird, bei einem Druck und einer Temperatur ist, die niedriger liegen als die normalerweise erreichten Werte. Auf diese Weise wird der Erwärmung teilweise entgegengewirkt. Die Temperatur steigt bei einer praktischen Ausführungsform lediglich auf beispielsweise 126,7 C anstatt auf z.B'. 154° C, wobei der Druck entsprechend vermindert ist. Aufgrund des zugefügten Wassers ist im Ergebnis die pro Volumeinheit erforderliche Arbeit zur Reduzierung des Luftvolumens erheblich kleiner. Eine Energieverringerung in der Größenordnung von etwa 15% läßt sich leicht erreichen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Wärmetauscher 45 einen Sumpf zur AufSammlung des Wassers auf, welches bei der Abkühlung der komprimierten Luft kondensiert. Der Sumpf ist mit einer Rückstromleitung versehen, die vorzugsweise in einer Sprühdüse am Einlaß 41 der Kompressionseinheit endet, so

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daß das aufgesammelte Kondensat, zum Einlaß der Kompressionseinheit zurückgeführt oder resirkuliert werden kann.

Der Wärmetauscher 45 (Fig. 1) weist ein Gehäuse 80 mit Einlaßleitung 81 und Auslaßleitung 82 auf. Obwohl der Wärmetauscher abgedichtet ist, ist er vorzugsweise von einer Reihe quer verlaufender Rohre 83 durchbrochen, welche Luftkanäle zur Erhöhung der wirksamen Wärmeaustauschfläche bilden. Um Luft durch die Rohre 83 hindurchzuleiten, ist eine Ummantelung 84 vorgesehen, die eine Kammer 85 ausbildet (Fig. la). In diese Kammer wird die Kühlluft durch ein motorgetriebenes Gebläse 46 hineingedrückt .

Am Boden des Wärmetauschergehäuses 80 ist der Sumpf 86 zum Aufsammeln des Kondensats 87 vorgesehen. Ein Schauglas 88 dient der ständigen Anzeige der Höhe des Kondensats im Sumpf.

Uni das Kondensat wieder verwend-n zu können, ist eine Abzugsanordnung 90 vorgesehen. Diese «ruf aßt eine Rückströmleitung 91, die in einer Sprühdüse 92 endet. Die Düse 92 liegt am oder im Einlaß 41 der Kompressionseinheit und versprüht eine Wolke von Tröpfchen.

Heben der Kondensierung der in der komprimierten Luft gelösten Feuchtigkeit, welche auskondensiert, wenn die komprimierte Luft abgekühlt wird, dient der Wärmetauscher 45 auch als Falle zum Auffangen ungelöster Feuchtigkeitströpfchen, welche noch im Luftstrom vorhanden sind. Diese Auffangwirkung wird bei der dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, daß die komprimierte Luft zu plötzlichen Richtungsänderungen bei 95 und 96 veranlaßt wird β

Im Betrieb wird das von der Düse 92 im Überschuß in den Luftstrom in Form von Tröpfchen eingesprühte Wasser während des

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Kompressionszyklus weitgehend verdampft, wobei die aus dem Auslaß 42 der Kompressionseinheit austretende, komprimierte Luft bei einer Temperatur ist, die niedriger als die normalerweise erreichte liegt. Die komprimierte Luft, welche durch den Wärmetauscher 45 fließt, erfährt einen Temperaturabfall bis nahe Umgebungstemperatur. Der Temperaturabfall wird begleitet von der Kondensation des gelösten Dampfes und Ansammlung der mitgeführten Tröpfchen auf den Innenflächen des Wärmetauschers. Wegen der Zustandsänderung von dampfförmig nach flüssig werden durch das Wasser erhebliche Wärmemengen direkt an der Oberfläche des Wärmetauschers freigesetzt, so daß der Wärmeaustauschvorgang beträchtlich wirksamer ist, als er es bei Abwesenheit von Wasser wäre. Selbst die Wassertröpfchen, die in den Wärmetauscher noch in Tropfenform eintreten und an den Oberflächen des Wärmetauschers aufgefangen werden, setzen ihre fühlbare Wärme frei. Diese Tröpfchen laufen zusammen mit dem kondensierten Wasser in den Sumpf 86.

Das aufgesammelte Kondensat 87 (Wasser) unterliegt der Wirkung der komprimierten, über ihm liegenden Luft und steht damit unter starkem Druck im Vergleich zu demjenigen Druck, der am Einlaß 41 der Kompressionseinheit herrscht. Der ausgeübte Druck kann beispielsweise in der Größenordnung von etwa

2,11 kg/cm sein. Infolgedessen wird das durch die Rückströmleitung 91 gedrückte Wasser der Düse 92 über das Ventil 93 bei ausreichend hohem Druck angeboten, so daß die Düse eine relativ feine Auslaßöffnung haben kann, die in der Lage ist, den Wasserstrom in feine Tröpfchen aufzubrechen, die ihrerseits so fein verteilt sein können, daß eine große Gesamtfläche für die Verdampfung während des Kompressionsschrittes verfügbar ist.

Es sind weiterhin Mittel vorgesehen, um einen Teil des Wassers

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iiii Sumpf abzuziehen, wenn der Wasserstand zu hoch wird. Dies kann insbesondere vorkommen, wenn die eintretende oder Umgebungsluft zusammen mit Wasser aus einer Hilfsquelle, wie noch beschrieben werden wird, angeliefert wird. Der Wasserabzug erfolgt durch die öffnung eines Abzugventils 94. Wenn umgekehrt bei ümgebungsbedingungen mit geringer relativer Feuchtigkeit gearbeitet wird, kann im Sumpf ein Wasserverlust auftreten, der es erforderlich macht, frisches Wasser von Zeit zu Zeit zuzugeben. Dieses Wasser kann durch ein Ventil 38 eingebracht werden, daß von einem Wassereinlaß 99 gespeist wird. Wenn es gewünscht wird, das Frischwasser dem unter Druck stehenden System zuzuführen, kann eine Pumpe 97 zwischengeschaltet werden.

Obwohl die komprimierte Luft, die den Wärmetauscher über die Äuslaßleitung 92 verläßt und in den Einlaß 93 der Expansionseinheit eintritt, einen Feuchtigkeitsverlust infolge Kondensation und Tröpfchenauffang erfahren hat, ist diese Luft in keiner Weise trocken, sondern im Gegenteil voll mit Feuchtigkeitsdampf gesättigt und beginnt den Expansionsprozeß im gesättigten Zustand. Der Sättigungsgrad überschreitet noch diejenige Sättigung, die erreichbar ist, wenn die eintretende Luft ihren Wassergehalt durch Verdampfung von ainem porösen Element erfährt, wie dies früher bereits vorgeschlagen wurde. Sine grobe Übersättigung der Luft bei ihrem Eintritt in das System vermindert nicht nur die Kompressxonsenergxe, sondern erhöht auch die bei der Expansion wieder gewonnene Energie.

Die gesättigte Luft expandiert allmählich, wenn sie nach oben zum Auslaß 44 der Expansionseinheit gelangt. Dabei erfüllt sie zwei Funktionen: Sie bringt nicht nur einen scharfen Temperaturabfall der Luft zum Zwecke der Kühlung hervor, sondern die von

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einem Druckabfall begleitete Expansionsenergie hat das Bestreben, den Rotor 20 im Gegenuhrzeigersinn anzutreiben/ und hierdurch die Antriebsquelle 33 zu unterstützen.

Wegen des Temperatur- und Druckabfalls wird die Luftfeuchtigkeit in Form mitgeführter Eisstückchen oder Tröpfchen kondensiert. Die Mischung aus Kaltluft und mitgeführter Feuchtigkeit gelangt in den porösen Abscheider 60, durch den die Luft hindurchtritt, während die Eisteilchen auf den porösen, inneren Wänden abgeschieden werden. Die Eisteilchen werden ständig durch die Wärme der eintretenden Umgebungsluft geschmolzen, so daß die Poren des Abscheiders offengehalten werden. Die Mischung aus trockener Kaltluft und eintretender Umgebungsluft, die durch die Kammer 57 strömt, wird in einem angenehm wirkenden, temperierten Zustand durch die Auslaßöffnungen 51, 52 in den zu klimatisierenden Raum eingespeist.

Die Sättigungsfeuchtigkeit hat aufgrund ihrer Kondensation in der Expansionseinheit das Bestreben, die Temperatur und den Druck der expandierenden Luft auf einen Wert anzuheben, der oberhalb des Wertes liegt, der bei Feuchtigkeitsabwesenheit erreichbar wäre. Mit anderen Worten, der Abkühlung und dem Druckabfall der-expandierenden Luft wird teilweise entgegengewirkt. Dieser entgegenwirkende Temperaturanstieg erhöht die auf die Flügel des Rotors 20 aufgebrachte Expansionsarbeit erheblich, wodurch die Anforderungen an die Antriebsquelle 33 weiter reduziert und letzten Endes ein Nettoanstieg des Nutzeffekts erreicht wird. Außerdem erhöht die Anwesenheit der zugefügten Feuchtigkeit in Form von Eis auf der Expansionsseite die Wärmekapazität der Luft-Wasser-Mischung, welche durch die Kompressions-Expansions-Einheit bei jedem Umlauf hindurchgelangt, indem eine größere Nutzanwendung der latenten Wärme der Eis-

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stückchen neben der fühlbaren Wärme der Wasserteilchen gemacht wird, wodurch ein noch größerer Kühleffekt pro Umdrehung erreicht wird.

Somit hat die durch die Düse 92 injizierte Feuchtigkeit wenigstens vier wichtige Wirkungen: In erster Linie verringert die Anwesenheit des Wassers in der Kompressionseinheit die Kompressionsarbeit. Zweitens erhöht die Kondensation und die Anwesenheit von Feuchtigkeit im Wärmetauscher 45 den Wärmeaustausch erheblich. Drittens steigert die Kondensation im Wärmetauscher die dort wiedergewonnene Energie. Schließlich wird die latente Wärme, nämlich die Schmelzwärme der Eisstückchen und die fühlbare Wärme jedes verbleibenden Wassertröpfchens zur Abkühlung am Auslaß der Expansionseinheit ausgenutzt. Das Ergebnis dieser kombinierten Wirkungen liegt darin, eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades oder des Nutzeffektes der Klimatisiervorrichtung zu erzielen, d.h. eine Verbesserung des Verhältnisses zwischen der Kühlkapazität in kcal pro Rotationszyklus zu der Energie, die während eines solchen Zyklus von den äußeren Antriebsmitteln geleistet wird. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sättigung der eintretenden Luft läßt sich ein Nutzeffekt in der Größenordnung von zwei oder drei erzielen. Durch das Einsprühen von Wassertröpfchen im Überschuß, um hierdurch die eintretende Luft zu übersättigen, kann erfindungsgemäß der Nutzeffekt auf drei bis vier gebracht werden. Bei einem üblichen Freon-System wird es im allgemeinen als ausreichend betrachtet, einen Nutzeffekt in der Größenordnung 1,5 bis 2 zu erreichen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, daß neben der Injizierung von Wasser, welches aus dem Sumpf des Wärmetauschers

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rezirkuliert wird, das sich beim Schmelzen des Eises im Abscheider 60 ergebende Wasser ebenfalls zu der einströmenden Luft zurückgeführt wird. Dies erfolgt durch eine zweite Rückströmleitung 100 (siehe Fig. 1 und 2), welche zu einem porösen, schwammähnlichen Injektions- oder Verdampfungselement 102 führt, das seinerseits im Weg der einströmenden Luft und vorzugsweise vor der Düse 92 angeordnet ist. Falls das Wasser im Abscheider 60 schneller entsteht, als es durch das poröse Element 102 verbraucht werden kann, fließt es unschädlich durch eine Abzuqsleitung 103 ab. Das poröse Element 102 wirkt aufgrund seiner Sättigung mit Wasser auf die relativ trockene, einströmende (Umgebungs-) Luft ein und hebt deren Feuchtigkeit bis in die Nähe des Sättigungspunktes. Die im Anschluß hieran durch die Düse 92 eingesprühten Tröpfchen schaffen den Zustand der Übersättigung, wodurch der Luftstrom mit Tröpfchen beladen wird, die durch die Bewegung und Turbulenz der Strömung in Suspension gehalten sind. Die Elemente 102 und 92 dienen somit gemeinsam als Injektionsmittel.

Die absichtliche Zugabe von Wasser zum Zwecke einer Übersättigung des Gases am Kompressoreinlaß bringt nicht nur einen höheren Nutzeffekt der Anlage als Ganzes hervor, sondern steigert auch beträchtlich die Kühlleistung in kcal pro Stunde. Eine Vorrichtung mit einer Nennleistung von 7560 kcal pro Stunde erhöht ihre Leistungsfähigkeit auf 12.600 kcal pro Stunde einfach dadurch, daß man Gebrauch von der thermischen Kapazität und der latenten Wärme des Wassers als Hilfskühlmittel Gebrauch macht.

Der Betrieb der Vorrichtung vollzieht sich automatisch. Um jedoch die Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser aus dem Sumpf 86 in den Kompressoreinlaß eingespeist wird, zu steuern, kann

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die Düse 92 mit einer einstellbaren Nadel 105 (Fig. 3) ausgestattet werden. Stattdessen kann auch in der Leitung 91 ein Drosselventil 93 vorgesehen werden. In ähnlicher Weise kann auch in die Leitung 100, welche zu dem porösen Element 102 führt, ein auf kleine Strömungsgeschwindigkeiten einjustierbares Ventil eingeschaltet werden.

Um zu gewährleisten, daß in der Rückströmleitung 91 jederzeit flüssiges Wasser zur Verfügung steht und kein Luftkurzschluß durch diese Leitung stattfindet, falls die Flüssigkeit 87 im Sumpf auf ein zu niedriges Niveau absinkt, kann eine Steuerventilanordnung 110 verwendet werden, wie sie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Die Anordnung umfaßt einen Schwimmer 111, der an einem im wesentlichen horizontal angeordneten Hebelarm 112 befestigt ist. Der Hebelarm ist bei 113 schwenkbar gelagert und steuert einen konischen Ventilstößel 114, der mit einem Ventilsitz 115 zusammenwirkt. Durch die Wirkung dieser Ventilanordnung wird die Leitung 91 automatisch verschlossen, sobald die Flüssigkeit aus dem Sumpf ausgelaufen ist. Durch die konische Ausbildung des Ventilstößels kann die Durchflußmenge automatisch in Abhängigkeit von der Höhe der im Sumpf verfügbaren Flüssigkeit eingestellt werden. Um es weiterhin unnötig zu machen, das Ablaßventil 94 manuell zu betätigen, wenn die Flüssigkeit im Sumpf eine zu große Standhöhe erreicht, kann eine Überflußventilanordnung 120 vorgesehen werden mit einem Schwimmer 121 an einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Hebelarm 122, der bei 123 schwenkbar gelagert ist und einen Stößel 124 steuert. Der Stößel 124 arbeitet mit einem Ventilsitz 125 zusammen, der zu einer Abflußleitung 126 führt. Solange die Flüssigkeit im Sumpf einer bestimmten Höhe bleibt, ist die Leitung 126 durch den Ventilstößel 124 versperrt. Sobald jedoch die Flüssigkeit eine vor-

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bestimmte Höhe überschreitet, öffnet der Stößel 124, und zwar so lange, bis der Flüssigkeitsspiegel wieder auf einen Punkt abgesunken ist, an dem die Ventilanordnung geschlossen ist. Der Stößel 124 kann die Form eines hin- und hergehenden, nadelähnlichen Elements mit kleinem Durchmesser haben, so daß die Wirkung des Schwimmers durch die an beiden Seiten des Ventilsitzes 125 wirkende Druckdifferenz nicht wesentlich beeinflußt wird. Als Alternative zum Ventilstößel 114 kann auch eine "pneumatische Sicherung" 127 mit einer von einer Feder 129 belasteten Kugel 128. in die Leitung 91 eingesetzt werden, um diese Leitung bei Abwesenheit von Flüssigkeit zu verschließen (vgl. Fig. 5a) .

Obwohl eine Rezirkulation der Feuchtigkeit, wie oben beschrieben, bevorzugt wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Es kann auch eine getrennte Quelle für unter Druck stehendes Wasser verwendet werden, wie in Fig. 4 gezeigt, wobei der Wasserdruck durch eine Pumpe so weit erhöht wird, daß Zerstäubung stattfindet. Die Düse 92 wird so eingestellt, wie es im Zusammenhang mit Fig. 3 erörtert wurde. Die Mehrheit der Tröpfchen soll vorzugsweise in den Bereich von 0,01 bis 2.000 Mikron fallen, so daß die Tropfen eine große Gesamtfläche bilden, die für die Verdampfung zur Verfügung steht. Die Düse 92 (Fig. 4) kann eine bei hohem Druck.betriebene, spezielle Zerstäuberdüse sein. Es kann jedoch auch bei niederem Druck gearbeitet werden, wobei dann die von der Düse produzierten Tröpfchen durch eine besondere Zerstäubervorrichtung fein verteilt werden. Eine solche Zerstäubervorrichtung kann beispielsweise die Gestalt eines mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Laufrades oder eines piezoelektrischen Elementes A haben, welches von einem Oszillator mit Schall- oder überschallfrequenz angetrieben ist. Wenn eine

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besondere Wasserquelle verwendet wird, reicht es aus, das sich im Sumpf des Wärmetauschers aufsammelnde Wasser durch eine einfache uberflußventilanordnung gemäß Fig. 5 zu steuern.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 ist die temperierte Luft, welche in den zu kühlenden Raum durch die Auslaßöffnung 51, eintritt, von relativ geringer Feuchtigkeit und angenehm trocken, obwohl der Luft am Kompressoreinlaß Feuchtigkeit bis zur starken Übersättigung zugegeben wurde. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Erzeugung einer kalten Mischung relativ trockener Luft beschränkt, sondern sie läßt sich auch bei solchen Räumen anwenden, bei denen ein hoher Feuchtigkeitsbedarf vorliegt. Eine beträchtliche Feuchtigkeitsmenge läßt sich dem Luftstrom dadurch zugeben, daß man eine steuerbare Nebenleitung an der Seite des Abscheiders 60 ausbildet. Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß sie auch zur absichtlichen Beschickung der Luft in einem gekühlten Raum mit Feuchtigkeit Anwendung finden kann, beispielsweise beis-i Transport und bei der Lagerung leicht verderblicher Früchte und Gemüsesorten. Dies kann bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 z.B. einfach dadurch erfolgen, daß man den porösen Abscheider oder Filter 60 wegläßt, so daß Eis und kondensierte Wasserteilchen nicht mehr zurückgehalten werden, sondern in einfacher Weise durch den Kaltluftstrom in den eintretenden Strom der Umgebungsluft, die aus dem gekühlten Raum stammen kann, eingeblasen werden. Hierdurch schmelzen die Eisstückchen während der überführung. Das Verhältnis der Umgebungsluft zur Kaltluft kann dadurch eingestellt werden, daß man die Leistung und die Geschwindigkeit des Gebläses 55 bzw. des Motors 56 entsprechend auswählt oder einstellt. Daneben kann auch frische Außenluft in einstellbaren Verhältnissen allen hier beschriebenen Vorrichtungen zugegeben werden, indem man am

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Einlaß 54 ein Regulierventil vorsieht, welches die Raum- oder Umgebungsluft und die frische Außenluft entsprechend proportioniert. Falls erwünscht, kann die Kühlluft und das mitgeführte Eis in den zu kühlenden Raum auch direkt aus dem Auslaß 54 eingeführt werden, ohne daß eine vorherige Mischung mit Umgebungsluft erfolgt.

Um wahlweise die Feuchtigkeit im Kaltluftstrom zu erhöhen, kann das im Wärmetauscher gesammelte und kondensierte Wasser auch wieder in die die Expansionseinheit durchlaufende Luft injiziert werden. Dies ist beispielsweise in Fig. 6 angegeben, in welcher die Bezugszeichen für bereits beschriebene Teile mit einem Strich versehen sind. Das im Sumpf 86' angesammelte Kondenswasser wird durch Ansaugung in einer vergaserähnlichen Düse 130 mit Eintauchrohr 131 injiziert. Die Feuchtigkeit wird in die Düse in Form von Tröpfchen eingeführt, welche ihre Identität beibehalten, wenn sie durch die Expansionseinheit hindurchpassieren. Dabei können die Tröpfchen aufgrund von weiterer Kondensation wachsen und sich in Eisstückchen verwandeln, wenn die Temperatur und der Druck abfallen. Ein ähnliches Ergebnis läßt sich auch ohne Ansaugdüse einfach dadurch erzielen, daß der Wärmetauscher 45 entsprechend hoch montiert wird, so daß das Kondensat aufgrund seiner Schwerkraft zum Einlaß 43' der Expansionseinheit gelangt und dort durch die vorbeilaufenden Flügel auseinander gerissen wird. Der Ausdruck "Ansaugung" sollte daher in einem so weiten Sinne verstanden werden, daß auch diese Möglichkeit mit eingeschlossen ist. Wenn eine maximale Feuchtigkeit erforderlich ist, kann die kalte, mit Eis beladene Luft einfach vom Auslaß 44' der Expansionseinheit direkt in den gekühlten Raum entlassen werden, wie dies in Fig. 6 durch den Pfeil angegeben ist. Die Luft kann jedoch auch durch eine Leitung 62" zum Abscheider 60' geführt werden, wo das Eis geschmolzen und das so gewonnene

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Wasser der Düse 92' über die Leitung 100' zugeführt werden kann. In beiden Fällen erreicht man, daß der Wärmeaustauscher im abgeschlossenen Zustand arbeiten kann.

Ein Vorteil der Aufgabe des im Wärmetauscher aufgesammelten Wassers durch Ansaugung o.dgl. in die Expansionseinheit liegt darin, daß die Luft künstlich befeuchtet wird, was in Gebieten, die besonders heiß und trocken sind, günstig ist. Bei einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung kann die im Wärmetauscher aufgesammelte Feuchtigkeit auch unter Druck zum Auslaß der Expansionseinheit und dort in die austretende Luft eingesprüht werden. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Die Bezugszeichen bereits beschriebener Bauteile sind dort mit zwei Strichen versehen. Eine Leitung 133 führt vom Sumpf 86" zu einer Düse 134 im Auslaß 44", Das Wasser wird an der Düse 134 aufgrund des im Wärmetauscher herrschenden Druckes zu kleinen Tröpfchen zerrissen. Die Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser aus der Düse 134 austritt, läßt sich durch ein in die Leitung 133 eingeschaltetes Drosselventil 135 steuern.

Im voranstehenden wurde die Erfindung im Zusammenhang mit in "offener Bauweise" vorliegenden Ausführungsformen beschrieben, bei denen das Arbeitsgas Luft und das 2usatzmedium Wasser war. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Mit zusätzlichen Vorteilen läßt sie sich auch auf Vorrichtungen in "geschlossener Bauweise" anwenden, bei denen der zweite Wärmetauscher in ähnlicher Weise wie der erste Wärmetauscher 45 direkt, wie in Fig. 8 gezeigt, an den Auslaß der Expansionseinheit und den Einlaß der Kompressionseinheit angeschlossen ist. Die Bezugszeichen bereits beschriebener Bauteile sind in

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Fig. 8 mit dem Buchstaben a versehen. Die "offene" und "geschlossene" Bauweise sind in mancher Hinsicht einander ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, daß die geschlossene Vorrichtung gemäß Fig. 8 permanent mit einem Zusatzmedium beschickt werden kann, so daß keine Notwendigkeit besteht, Zusatzmedium abzuziehen oder in frischer, flüssiger Form zuzuführen. Der Verteiler des Zusatzmediums kann aus zwei Teilen bestehen: Ein Ring 102a aus Schwamm oder anderem porösen Material ist kapillar mit einem Vorrat 104a von Zusatzmedium verbunden und ein Nadelventil 105a kann dazu dienen, die Düse 92a zu dem bereits erwähnten Zwecke zu steuern, d.h. das eine Zustandsänderung erfahrende Zusatzmedium bei einem Maximum und die Menge der nicht umgewandelten Tröpfchen auf einem vernünftigen Niveau zu halten.

Die Ähnlichkeiten beim Betrieb der beiden Ausführungsformen wird am besten dann sichtbar, wenn man annimmt, daß die Vorrichtung vor ihrem dichten Verschluß mit einer Mischung aus Luft und Wasser beschickt wird, wobei überschüssiges Wasser im Sumpf 86a und im Vorrat 104a vorhanden ist. Wenn daher der Rotor 20a umläuft, wird Luft in den Einlaß 41a hinter dem. wassergesättigten Ring 102a und der Düse 92a eingesaugt. Die jeweils zwischen benachbarten Rotorflügeln eingeschlossene Luft-Wasser-Mischung wird allmählich komprimiert und gelangt durch den Auslaß 42a in den ersten Wärmetauscher 45a, wo die Mischung bis nahezu auf Umgebungstemperatur abgekühlt und das meiste Wasser kondensiert wird. Die Luft, welche immer noch im gesättigten Zustand ist, fließt nun in die Expansionseinheit und wird dort in den durch die Rotorflügel bestimmten Abteilungen expandiert, wobei ein Temperaturabfall stattfindet, der von einer Kondensation der Feuchtigkeit in Form von Eisstückchen begleitet ist. Der Luftstrom mit dem mitgeführten Eis gelangt in den zweiten Wärmetauscher 50a, der in dem zu kühlenden Raum angeordnet und mit

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diesem Raum durch die dargestellten Rippen und das Gebläse 55a wärmemäßig verbunden ist. Innere Prallplatten 61a können dazu dienen, im Wärmetauscher die Eisteilchen oder kaltenTröpfchen aufzuhalten und somit den Wärmeübergang zu erleichtern. Die Prallplatten haben Abflußöffnungen 61b, die den Abfluß des Wassers nach abwärts in die Leitung 71a und in den Vorrat 104a ermöglichen. Falls erwünscht/ kann die gesamte Leitung 71a mit porösem Material ausgefüttert werden.

Da der Motor 56a, welcher das Gebläse 55a antreibt, eine Energie verbraucht_# die mit derjenigen des Motors 56 vergleichbar ist, durch welche bei der früheren Ausführungsform das Gebläse angetrieben wurde, sind im Hinblick auf die Energieerfordernis die beiden Systeme ziemlich dieselben. Der Hauptvorteil der geschlossenen Bauweise liegt darin, daß sie es ermöglicht, eine größere Vielfalt von Gasen und Zusatzmedien zu verwenden, da weder das Gas noch das Zusatzmedium in die offene Luft austritt und darüber hinaus die Vorrichtung auch mit Schmiermitteln beschickt werden kann, die im ZusatSEiedium löslich oder mit diesem mischbar sind, so daß die Möglichkeit einer konstanten Schmierung der Flügel 21a bis 30a vermittelt wird. Es lassen sich beispielsweise dieselben, emulgierten Schmiermittel wie auch bei Werkzeugmaschinen verwenden. Jedes Gas ist für den genannten Zweck geeignet, das bei den während des Betriebs der Vorrichtung auftretenden Temperaturen und Drücken nicht kondensiert! jedes Zusatzmedium eignet sich, welches eine hohe Verdampf ungswärme, vorzugsweise in der Nähe derjenigen von Wasser, hat und welches in der Lage ist, in der Kompressionseinheit rasch zu verdampfen und im Wärmetauscher und in der Expansionseinheit rasch zu kondensieren. Bei Verwendung von Luft kann das Zusatzmedium beispielsweise in Form von Alkohol oder eines Kohlenwasserstoffes, insbesondere Benzin, vorliegen. Beide Stoffe

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durchlaufen in praktisch anwendbaren Temperatur- und Druckbereichen die erforderlichen Zustandsänderungen. Anstelle von Luft läßt sich z.B. auch Kohlendioxyd anwenden oder jedes andere Gas, welches stabil, nichtkorrodierend ist sowie bei den auftretenden Temperaturen und Drücken nicht kondensiert. Auch jedes Schmiermittel kann Anwendung finden, das mit dem Zusatzstoff mischbar oder in diesem lösbar ist, beispielsweise gewöhnliches Schmieröl in gelöstem oder mischbarem Zustand. Erwünschtenfalls kann auch ein solches Zusatzmedium Anwendung finden, welches inhärente Schmiereigenschaften neben seinen Verdampfungs- und Kondensationseigenschaften besitzt. Dem Fachmann ist es verständlich, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung eines herkömmlichen oder existierenden Stoffes als Zusatzmedium beschränkt ist. Erhebliche Arbeit wurde bereits geleistet bei der Synthetisierung neuer Fluor-Kohlenwasserstoffverbindtmgen zu dem Zweck, bestimmte Kenndaten bei der Zustandsänderung zu erreichen. Im Falle einer geschlossenen Bauweise der vorliegenden Vorrichtung kann es beispielsweise günstig sein, ein Zusatzmedium zu

benutzen, welches zwischen etwa 37,8 und 93,3° C in einem Druck-

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bereich von etwa 0,98 bis 3,52 kg/cm verdampft und im gleichen

Druckbereich bei Temperaturen zwischen etwa 37,8 und -17,8° C kondensiert. Es ist natürlich günstig, eine handelsübliche Substanz mit diesen Eigenschaften zu verwenden. Alternativ kann jedoch ein Zusatzmedium auch als Einzelsubstanz oder als Kombination zweier Substanzen künstlich hergestellt werden, von denen jede einzeln entweder während der Kompression oder der Expansion die entsprechende Wirkung entfaltet. Die Synthetisierung solcher Substanzen liegt jedoch außerhalb der vorliegenden Erfindung.

Die hier beschriebene Erfindung ist in erster Linie dazu bestimmt, mit kontinuierlich eingesprühtem Wasser zu arbeiten, so

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daß man den Vorteil hoher Kühlleistung und eines hohen Nutzeffektes auf kontinuierlicher Basis erreicht. Die Erfindung läßt sich jedoch auch bei solchen Kompressions- und Expansionseinheiten einsetzen, die normalerweise im "Trockenzustand" arbeiten, um dort beim Start eine kräftige und rasche Kühlung und Befeuchtung hervorzurufen. In Fig. 9 sind bereits beschriebene Bauteile mit dem Buchstaben b versehen. Eine Kompressions-Expansionseinheit 10b arbeitet normalerweise mit trockener Luft und ist mit einer einfachen Form eines Wärmetauschers 45b versehen, um am Auslaß 44b kalte Luft auszustoßen. Am Einlaß 41b ist eine Düse 92b angeordnet, die so eingerichtet ist, daß mit ihrer Hilfe eine Ladung Wasser über einen manuell betätigten Injektor 140 eingebracht werden kann. Der Injektor umfaßt einen Zylinder 141 mit Kolben 142 sowie einen Betätigungsgriff 143 und eine kräftige Rückholfeder 144.

Nach dem Ziehen des Griffes 143 wird Wasser aus einem Reservoir 145 über ein erstes Rückschlagventil 146 angesaugt. Ein zweites Rückschlagventil 147 verhindert ein Rücksaugen von Luft durch die Düse während der Füllphase des Zyklus beim Ziehen des Griffes 143.

Wenn der Zylinder 141 mit Wasser vollgefüllt ist, beispielsweise mit etwa 60 bis 90 cm ,läßt man den Griff 143 los. Die Rückholfeder 144 treibt nun das Wasser durch das zweite Rückschlagventil 147, wo es in Tröpfchenform durch die Düse 92b in den Luftstrom gespritzt wird.

Bei praktischer Anwendung führt dies unmittelbar beinahe zu einer Verdopplung der Kühlleistung von z.B. 7.500 kcal pro Stunde auf 12.600 kcal pro Stunde. Es ergibt sich ein unmittelbarer und kräftiger Temperaturabfall in einem Automobil, welches

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z.B. in der Sonne gestanden hat und dessen Temperatur bis zu etwa 50° C oder mehr angestiegen ist. Die Düse 92b, der Kolben 142 und die Kraft der Feder 144 können so dimensioniert und aufeinander abgestimmt werden, daß die Wasserinjizierung sich über einen Zeitraum von beispielsweise 15 bis 30 see erstreckt. Aus Bequemlichkeitsgründen wird der Betätigungsgriff 143 so
montiert, daß er aus dem Armaturbrett des Automobils herausragt. Da die Rückschlagventile automatisch arbeiten, braucht lediglich der Griff 143 gezogen und wieder losgelassen zu
werden, worauf die Feder 144 alles weitere übernimmt. Das
Wasserreservoir 145 kann in ähnlicher Weise wie das Reservoir für eine Scheibenwaschanlage unter der Motorhaube angeordnet werden.

Bei Betrieb in trockenem Klima, beispielsweise im Südwesten der Vereinigten Staaten von Amerika, wird die Befeuchtung, welche den augenblicklichen Temperaturabfall begleitet, in gleicher Weise als angenehm empfunden. In diesen Gebieten kann ein Kippventil 148, welches in das Innere des Automobils öffnet und
direkt dem Auslaß 44b zugeordnet ist, vorgesehen werden. Das Ventil 148 ist vorzugsweise über eine mechanische Verbindung 150 an den Bed^Lenungsgriff 143 angekoppelt, so daß das Ventil automatisch schließt, wenn der Betätigungsgriff 143 in seine Normallage zurückkehrt und umgekehrt. Bei feuchterem Klima
können die entstehenden Wasser- und Eisteilchen durch einen
Abscheider 60 zurückgehalten und die entstehende Flüssigkeit abgelassen werden. Diese Ausführungsform der Erfindung erlaubt somit die Anwendung einer einfachen und billigen Kompressor-Expandereinheit, ohne besondere Vorkehrungen für Wasser, jedoch mit den erfindungsgemäß erzielbaren Vorteilen beim Start der Anlage. Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher 45b

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vorzugsweise so angeordnet, daß er automatisch durch Schwerkraft in den Einlaß 43 b der Expansionseinheit entwässert.

Der hier verwendete Ausdruck "Umgebung" ist so allgemein zu verstehen, daß er sowohl die Luft in dem abgeschlossenen, klimatisierten Raum, frische Außenluft sowie eine Mischung dieser beiden umfaßt. Der Ausdruck "Flügel", wie er hier verwendet wird, umfaßt in breitester Weise alle kammerähnlichen Abteilungen, die sich im Hinblick auf ihre Abmessungen allmählich komprimieren und wieder vergrößern lassen, um auf diese Weise die erforderlichen Kompressions- und Expansionsfunktionen auszuüben. Der Ausdruck "Sprühmittel" umfaßt alle Mittel, mit deren Hilfe eine Flüssigkeit in fein verteilter Form in Luft injiziert werden kann. Solche Mittel werden vorzugsweise durch eine Düse oder einen kraftgetriebenen Zerstäuber realisiert. Es fallen unter diesen Ausdruck jedoch auch passive Injektionsmittel, beispielsweise ein Schwamm oder andere poröse Elemente, die der Wirkung eines eintretenden Luftstroms unterliegen. Der Ausdruck "Sumpf" umfaßt jede Art von Behälter oder Bereiche, in die ein Kondensat abläuft und von denen aus es entnommen wird, sei es zum Zwecke der Rezirkulation oder des Ablassens.

Der Ausdruck "zweiter Wärmetauscher", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jede Art von Anordnung, die am Auslaß der Expansionseinheit angeordnet ist und einen Wärmeübergang zwischen der Luft in dem zu kühlenden Raum und der aus dem Auslaß austretenden Luft hervorbringt. Im Falle der "geschlossenen Bauweise" handelt es sich um einen Wärmetauscher, wie er in Fig. 8 mit dem Bezugszeichen 50a versehen ist. Bei "offener Bauweise" vermittelt die Mischkammer 53 und der poröse Abscheider 60 zusammen mit den Einrichtungen zur Induzierung eines durch

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sie hindurchgerichteten Luftstromes die Wärmetauscherfunktion; daher fallen diese Teile unter den Ausdruck "Wärmetauscher". Jedes Wärmetauschermittel, selbst ein direkter Ausstoß in die Umgebungsluft, erfüllt die hier geforderten Bedingungen.

Obwohl es vorgezogen wird, eine Kompressions-Expansionseinheit zu verwenden, bei der ein Rotor mit einem Stator von ovaler Querschnittsform zusammenwirkt, um auf diese Weise die Kompressions- und Expansionsbereiche zu bilden, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Falls erwünscht, kann die Erfindung auch ausgeübt werden unter Verwendung eines getrennten, mit Flügeln versehenen Kompressors und einer getrennten, mit Flügel versehenen Expansionseinheit, wobei jeweils entsprechende Einlasse und Auslässe vorgesehen sind. Jede Vorrichtung mit einer gemeinsamen Welle und daran angeordneten Mittel zur Komprimierung und anschließenden Expandierung eines Gases läßt sich bei Ausübung der Erfindung verwenden.

Der Ausdruck "Klimatisieren" bedeutet normalerweise "Kühlung". Dennoch läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dadurch als Wärmepumpe einsetzen, daß man den ersten Wärmetauscher 45a in dem zu klimatisierenden Raum anordnet und einen zweiten Wärmetauscher 45a in der äußeren Umgebung; daher umfaßt der Ausdruck "Klimatisierung" sowohl Erwärmung als auch Kühlung.

Obwohl die Erfindung in erster Linie im Zusammenhang mit derjenigen bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, bei der die Injizierung oder Einspritzung von Wasser oder eines anderen Zusatzmediums in solcher Menge und mit solcher Geschwindigkeit erfolgt, daß eine Übersättigung der einströmenden Luft stattfindet, ist die Erfindung auf eine solche Übersättigung nicht beschränkt. Die Vorteile der Erfindung ergeben sich

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dann - wenn auch in geringerem Maß -, wenn Wasser in solchem Umfang eingegeben wird, daß nur Sättigung oder Untersättigung erreicht wird.

Die Betriebsbeschreibung der Kompressions-Expansionseinheit wurde stark vereinfacht. In der praktischen Anwendung ist es vorteilhaft, die Kompressions- und Expansionsseiten der Einheit etwas unsymmetrisch auszubilden, so daß die Luftmasse, die sich zwischen einem Flügelpaar befindet, welches die Luft in den Wärmetauscher 45 auf der Kompressionsseite drückt, im wesentlichen gleich derjenigen Luftmasse zwischen einem Flügelpaar ist, welches die Luft auf der Expansionsseite aus dem Wärmetauscher absaugt, so daß die Luftmenge im Wärmetauscher 45, d.h. der Druck in diesem Wärmetauscher, im wesentlichen über eine bestimmte Zeitdauer hinweg konstant bleibt. Diese Bedingung läßt sich, wie in Fig. 1 gezeigt, leicht dadurch erfüllen, daß man die Größe oder Lage des Auslasses 42 und des Einlasses 43 an ihren Verbindungspunkten mit den Abteilungen 23" bzw. 24' voneinander verschieden ausbildet. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der linke Rand des Auslasses 52 gegenüber der Vertikalen einen größeren Winkel auf als der rechte Rand des Einlasses 43. Dieses Merkmal wird als Kompensation bezeichnet.

Die hier anhand einer Vorrichtung beschriebene Erfindung läßt sich auch als Verfahren auffassen und als solches darstellen.

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Claims

m - 150 25. April 1975 Patentansprüche;

1. !Vorrichtung zum Klimatisieren, bei der zwischen dem Auslaß ^v— einer Kompressions- und dem Einlaß einer Expansionseinheit ein erster Wärmetauscher angeordnet und mit dem Auslaß der Expansionseinheit ein zweiter, vom ersten isolierter Wärmetauscher verbunden ist sowie an den Einlaß der Kompressionseinheit eine Zuleitung für ein bei den während des Betriebes der Vorrichtung auftretenden Temperaturen und Drücken nicht kondensierendes Gas anschließt, welches in der Kompressionseinheit komprimier- und erwärmbar ist, im ersten Wärmetauscher Wärme abgibt, in der Expansionseinheit expandier- und kühlbar ist sowie im zweiten Wärmetauscher Wärme absorbiert, gekennzeichnet durch Mittel (92) am Einlaß (41) der Kompressionseinheit zum Einbringen eines fein verteilten Zusatzmediums von hoher Wärmekapazität und Verdampfungswärme in das durch den Einlaß (41) strömende Gas, wobei dieses Zusatzmedium zur Steigerung des Nutzeffektes der Vorrichtung dem Gas in der Kompressionseinhext Wärme entzieht und in der Expansionseinheit eine Phasenänderung vom dampf- in den nichtdampfförmigen Zustand erfährt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressions- und Expansionseinheiten einen von einer gemeinsamen Welle (32) getriebenen Rotor (20) aufweisen und daß am Rotor angeordnete Flügel (21 bis 30) Kammern (21' bis 30¹) begrenzen, die sich bei Rotation der Welle jeweils verkleinern und vergrößern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmedium in solcher Menge und mit solcher Ge-

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schwindigkeit einsprühbar ist, daß das in den Einlaß (41) der Kompressionsexnheit eintretende Gas in den Zustand der Übersättigung gelangt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Luft und das Zusatzmedium Wasser ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Wärmetauscher (45) ein Sumpf zur Ansammlung des kondensierten Zusatzmediums in flüssiger Form vorgesehen ist und vom Sumpf zu den Sprühmitteln (92) eine Rückströmleitung (91) verläuft, durch die das kondensierte Zusatzmedium unter Druck den Sprühmitteln wieder zuführbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückströmleitung (91) ein die Strömungsgeschwindigkeit regulierendes Ventil (93) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühmittel (92) das Zusatzmedium

mit solcher Geschwindigkeit versprühen, daß wenigstens ein Teil der gebildeten Tröpfchen in den ersten Wärmetauscher (45) gelangt und hierdurch eine maximale Verdampfung des Zusatzmediums in der Kompressionseinheit gewährleistet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vocanstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (130, 131) zur überführung von kondensiertem Zusatzmedium in den aus dem ersten Wärmetauscher (45) in die Expansionseinheit fließenden Gasstrom.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Leitung (133), welche den Sumpf (86")

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des ersten Wärmetauschers mit dem Auslaß (44") der Expansionseinheit verbindet.

10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühmittel (92) das Zusatzmedium zu Tröpfchen mit Durchmessern im Bereich von 0,01 bis 2.000 Mikrons zerreißen.

11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ventilanordnung (110) zum Absperren der vom Sumpf (86) des ersten Wärmetauschers (45) zur Einlaßöffnung (41) der Kompressionseinheit führenden Leitung (91) bei Absinken des Flüssigkeitsstandes im Sumpf unter ein vorbestimmtes Niveau.

12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ventilanordnung (120) zum Ablassen überschüssiger Flüssigkeit beim Ansteigen des Flüssigkeitsniveaus im Sumpf (86) über eine vorbestimmte Höhe.

13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sprühmittel (92) eine Wasserquelle angeschlossen ist.

14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Wärmetauscher (45) Tropfenauffangmittel (83) angeordnet sind, die plötzliche Richtungsänderungen (95, 96) des durchströmenden Gases hervorrufen.

15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des zweiten Wärmetauschers (50a) in geschlossener Bauweise mit dem Einlaß (41a) der Kompressoreinheit verbunden ist.

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16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (60) zum Auffangen und Schmelzen festen Zusatzmediums in dem die Expansionseinheit verlassenden Gasstrom.

17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (94, 103) zum Abführen des im Wärmetauscher (45) bzw. in dem die Expansionseinheit verlassenden Gasstrom enthaltenen Wassers.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeführte Wasser den Sprühmitteln (92) zuleitbar ist.

19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühmittel (92) als Düse ausgebildet und kraftgetriebene Zerstäubermittel (A, 0) vorgesehen sind, welche die aus der Düse austretenden Tröpfchen feiner verteilen.

20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmetauscher (50) Luft in einen zu kühlenden Raum abgibt und daß im Weg der Luft ein Abscheider (60) zum Ausfiltern von Wasser- und Eisteilchen angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Mittel (54) zum Heranführen von ümgebungswärme an den Abscheider (60) .

22. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmedium ein in ihm lösbares oder mit ihm mischbares Schmiermittel enthält.

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23. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (140) zum vorübergehenden, durch eine

von Hand betätigte Einrichtung ausgelösten überführen von Wasser aus einem Reservoir (145) zum Sprühmittel (92b).

24. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (60, 61a) zum Auffangen des in der Kühlluft enthaltenen Wassers und durch ein poröses Element (102, 102a) am Einlaß (41) der Kompressoreinheit sowie durch eine Leitung (100, 71a) zur überführung des aufgefangenen Wassers zu dem porösen Element.

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