DE2731961C2 - Klimaanlage - Google Patents

Description

— der Druckschalter (8) besteht aus einer mit der Druckgasquelle verbundenen Einlaßkammer (17), die zwischen einer Steuerkammer (16) und einer Auslaßkammer (18) liegt,

— die Einlaßkammer (17) ist von der Steuerkammer (16) und der Auslaßkammer (18) durch je eine Membran (13,14) getrennt,

— beide Membranen sind an ihren beweglichen Abschnitten mit einer an einem Ende geschlossenen Hohlstange (15) verbunden, deren Innenraum Verbindung mit der Einlaßkammer (17) hat,

— die Hohlstange (15) ragt mit ihrer Mündung (20) durch eine als Ringdüse (22) wirkende öffnung in der Auslaßkammer (18) und drückt auf eine federbeaufschlagte, die Auslaßkammer verschließende Absperrklappe (23), über die das entspannte und gekühlte Gas den Druckschalter (8) verlassen kann,

— das eine Ende des durch Druckpulsationen beaufschlagten Rohres (U) ist an die Auslaßkammer (18) und das andere Ende des Rohres (11) ist über eine Drossel (12) an die Steuerkammer (16) angeschossen,

— der Druck in der Struerkammer (16) wirkt im Sinne des Andrücken* der Hohlstangenmündung (20) an die Absperrklappe (23) und bewirkt dadurch beim Erreichen eines dem Druck in der Einlaßkammer (17) nahekommenden Wertes das Öffnen der Absperrklappe (23), wodurch gleichzeitig die Hohlstangenmündung (20) verschlossen und dadurch die Verbindung zwischen Einlaßkammer (17) und Auslaßkammer (18) über die Ringdüse (22) unterbrochen wird,

— das den Druckschalter (8) verlassende entspannte und gekühlte Gas durchströmt einen Wasserabscheider (9) und gelangt zum Verbraucher.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 mit folgenden kennzeichnenden Merkmalen:

— das durch Druckpulsationen beaufschlagte Rohr (11) liegt in einer ersten wärmeisolierten Kammer (6),

— die Zuleitung des Druckgases zur Einlaßkammer (17) ist als Wärmetauscherschlange (7) ausgebildet und liegt in einer zweiten Kammer (4).

— das aus dem Wasserabscheider (9) austretende entspannte und gekühlte Gas wird durch Ventile (10) in zwei Teilströme aufgeteilt, die jeweils die erste (6) bzw. zweite (4) wärmeisolierte Kammer durchströmen und anschließend wieder vereinigt werden,

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch I oder 2 mit folgenden kennzeichnenden Merkmalen:

an dem durch Druckpulsationen beaufschlagten Rohr (31) sitzen Radiatorplatten (32), deren Abstände sich vom an die Auslaßkammer (18) angeschlossenen Ende des Rohres ausgehend verringern,

der Wasserabscheider (9) hat Sprühdüsen (34), durch die kondensiertes Wasser auf die Radiatorplatten (32) gesprüht wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zur Verwendung in einer Klimaanlage mit einem an einem Ende durch Druckpulsationen beaufschlagten Rohr, sowie einem Druckschalter zum abwechselnden Anschluß des Rohres an eine Druckgasquelle und an einen Verbraucher. Eine solche Kühlvorrichtung ist aus derGB-PS 12 02 203 bekannt.
Bei dieser bekannten Ausbildung handelt es sich bei dem durch Druckpulsationen beaufschlagten Rohr um ein pulsierendes Rohr, dessen Wirkungsweise z. B. in der Zeitschrift »Transactions of the ASME«, August 1964, S. 264 bis 268 beschrieben ist, und das zur Anwendung in der Kryogentechnik gedacht ist

jo Bei der bekannten Ausführung dient als Druckschalter ein den Coanda-Effekt ausnutzender logischer Strömungsschalter, der deswegen mit großen Verlusten arbeitet, weil während der Expansion der Luft im pulsierenden Rohr die Speisedruckluft ungenutzt durch ein Auslaßrohr in die Atmosphäre entweicht

Vorliegend geht es um eine Kühlvorrichtung zur Verwendung in einer Klimaanlage, die vor allem dazu bestimmt ist, das Mikroklima im Raum unter einer Schutzbekleidung zu beeinflussen. Solche Schutzanzüge werden verwendet von Bergarbeitern, die in tiefen Schächten arbeiten, von Arbeitern, Ί:ζ in radioaktiver oder sonst aggressiver Umgebung arbeiten müssen, von Arbeitern in der Gießereiproduktion, aber auch von Fliegern und Weltraumfahrern. Es kann sich dabei um transportable Klimaanlagen zur Klimatisierung solcher Schutzanzüge handeln, aber auch um stationäre Anlagen, mit denen Kabinen, Weltraumkapseln oder derartige abgegrenzte Räume für den Aufenthalt von Menschen klimatisiert werden.

Eine Kühlvorrich'ung für einen derartigen Anwendungsfall ist beispielsweise in der DE-AS 12 80 681 beschrieben. Diese betrifft eine Klimaanlage, mit der gekühlte Luft unter die Schutzbekleidung eines Menschen eingeleitet wird, wobei hier als Kühlvorrichtung ein Wirbelrohr dient, dessen Wirkung auf dem Effekt der energetischen Teilung eines tangential zur Innenwandung des Rohres einströmenden Luftstroms in eine wärmere und eine kältere Komponente beruht.

Diese bekannte Kühlvorrichtung ist aber nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit des Wirbelstromes effektiv, was es notwendig macht, Druckstabilisatoren einzusetzen« und selbst mit diesen bleibt die Klimaregelung schwierig.
Vorliegend soll deswegen von einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art nach der GB-PS 12 02 203 ausgegangen werden, wobei aufgabengemäß die Druckluft restlos für den thermodynamischen Arbeitszyklus herangezogen werden soll, so daß sich geringere

Verluste und ein besserer Wirkungsgrad ergeben. Auch soll die Luft dadurch klimatisiert werden können, daß durch Hinzunahme einer Wasserabscheidungsvorriehtung eine wesentliche Verringerung des Feuchtigkeitsgehalts möglich wird. Dieser Aspekt ist deshalb von · wesentlicher Bedeutung, weil in einer reinen Kühlvorrichtung die Luft bei Abkühlung auf eine Temperatur, bei der sie dem Menschen zugeführt wird, ihre relative Feuchtigkeit auf 100% steigert und das Ausscheiden von Wassertröpfchen beginnt, so daß eine Schweißver- hi dampfung ausgeschlossen wäre und die natürliche Temperaturregelung des menschlichen Körpers unmöglich oder zumindest erschwert würde.

Zur "Lösung der gestellten Aufgabe werden folgende Konstruktionsmerkmale vorgeschlagen: , >

— der Druckschalter besteht aus einer mit der Druckgasquelle verbundenen Einlaßkammer, die zwischen einer Steuerkammer und einer Auslaßkammer liegt, .·'·

— die Einlaßkammer ist von der Steuerkammer und der Auslaßkammer durch je eine Membran getrennt,

— beide Membranen sind an ihren beweglichen Abschnitten mit einer an einem Ende ge£chlosse- y< nen Hohlstange verbunden, deren Innenraum Verbindung mit der Einlaßkammer hat,

— die Hohlstange ragt mit ihrer Mündung durch eine als Ringdüse wirkende Öffnung in der Auslaßkammer und drückt auf eine federbeaufschlagte, die s<· Auslaßkammer verschließende Absperrklappe, über die das entspannte und gekühlte Gas den Druckschalter verlassen kann,

— das eine Ende des durch Druckpulsationen beaufschlagten Rohres ist an die Auslaßkammer :> und das andere Ende des Rohres ist über eine Drossel an die Steuerkammer angeschlossen,

— der Druck in der Steuerkammer wirkt im Sinne des Andrückens der Hohlstangenmündung an die Absperrklappe und bewirkt dadurch beim Erreichen eines dem Druck in der Einlaßkammer nahekommenden Wertes das Öffnen der Absperrklappe, wodurch gleichzeitig die Hohlstangenmündung verschlossen und dadurch die Verbindung zwischen Einlaßkammer und Auslaßkammer über die Ringdüse unterbrochen wird,

— das den Druckschalter verlassende entspannte und gekühlte Gas durchströmt einen Wasserabscheider und gelangt zum Verbraucher.

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In einer zweckmäßigen Weiterbildung finden folgende Merkmale Anwendung:

— das durch Druckpulsationen beaufschlagte Rohr liegt in einer ersten wärmeisolierten Kammer,

— die Zuleitung des Druckgases zur Einlaßkammer ist als Wärmetauscherschlange ausgebildet und liegt in einer zweiten wärmeisolierten Kammer,

— das aus dem Wasserabscheider austretende entspannte und gekühlte Gas wird durch Ventile in zwei Teilströme aufgeteilt, die jeweils die erste bzw, zweite wärmeisolierte Kammer durchströmen und anschließend wieder vereinigt werden.

Bei einer solchen Ausbildung wird die dem Verbrau- bj eher, also z. B. ins Innere eines Schutzanzugs für Menschen, zugeführ'e Luft wieder auf die notwendige Temperatur gebracht.

Schließlich können folgende Merkmale zweckmäßig sein;

— an dem durch Druckpulsationen beaufschlagten Rohr sitzen Radiatorplatten, deren Abstände sich vom an die Auslaßkammer angeschlossenen Ende des Rohres ausgehend verringern,

— der Wasserabscheider hat Sprühdüsen, durch die kondensiertes Wasser auf die Radiatorplatten gesprüht wird.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung zweier Ausfüliirungsbeispiele anhand der Zeichnung weiter erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine vorschiagsgemäße Kühlvorrichtung;

F i g. 2 eine Abwandlung derselben.

Die Kühlvorrichtung sitzt in einem Gehäuse 1 aus einem wärmeisolierenden Stoff, das durch Trennwände 2 und 3 in drei hermetische Kammern 4, 5 und 6 unterteilt ist. In der wärmeisolierten Kammer 4 ist ein Wärmetauscher 7 in Form einer Roh- ichlange angeordnet. Durch diese Wärrnetauscherschlanfe tritt verdichtetes Gas, in erster Linie Luft, von einer Druckgasquelle in die Vorrichtung ein.

In der Kammer 5 sind ein Druckschalter 3, ein Wasserabscheider 9 und Ventile 10 angeordnet.

In der wärmeisolierten Kammer 6 sitzt ein Rohr 1J in Form einer Wärmetauscherschlange, das in nachfolgend beschriebener Weine durch Druckpulsationen beaufschlagt wird und in das eine Drossel 12 eingeschaltet ist.

Der Druckschalter 8 ist ein Druckluftrelais mit zwei kreisringförmigen Membran 13 und 14, die mit ihren Außenrändern im Gehäuse des Druckschalters eingespannt sind und deren Innenränder an einer hin and her beweglichen Hohlstange 15 befestigt sind. Die Membrane 13 hat eine effektive Fläche, die etwas größer ist als diejenige der Membrane 14.

Die Membranen 13 und 14 teilen den Raum des Druckschalters 8 in drei Kammern: eine Steuerksmmer 16, eine Einlaßkamrner 17 und eine Auslaßkammer 18. Der Kanal der Hohlstange 15 steht über in deren Wand au.¹ geführte Bohrungen 19 mit der Einlaßkammer 17 in Verbindung. Die Hohlstange 15 ist an einem Ende geschlossen und ihre am anderen Ende befindliche Mündung 20 liegt in der Auslaßkammer 18.

In der Steuerkammer 16 sitzt eine Feder 21, die auf das geschlossene Ende der Hohlstange 15 drückt und dabei entgegen dem Druck des komprimierten Gases in der Einlaßkammer 17 auf die Membrane 13 wirkt. Bei Überschreiten eines bestimmten Drucks in der Einlaßkammer 17 wird di« Feder 21 zusammengedrückt und die Hohlstange 15 bewegt sich nach oben.

Der Austritt des Druckschalters wird durch eine Düse 22 gebildet, die von einer Absperrklappe 23 überdeckt wird, die an die Düse 22 mittels einer Feder 24 angedrückt wird, pie Kraft der Feder ist So groß, daß der Druck des komprimierten Gases in der Auslaßkammer 18 die Absperrklappe 23 nicht von der Düsenöffnung 22 abheben kann. Auf diese Weise kommt es zu einer Öffnungsbewegung der Absperrklappe 23 nur dann, wenn diese von der Hohlstange 15 bei deren Abwärtsbewegung weggedrückt wird. Geschieht dies, so überdeckt die Absperrklappe 23 gleichzeitig die Mündung 20 der Hohlstange.

Die Düse 22 des Druckschalters 8 hat über eine Rohrleitung 25 Verbindung mit einem Wasserabscheider 9 beliebiger bekannter Konstruktion. Das aus

diesem austretende Gas verzweigt sich in zwei Rohrleitungen 10', in denen jeweils ein einstellbares Ventil 10 eingebaut ist. Die Rohrleitungen 10' münden jeweils in eine der wärnieisolierten Kammern 4 und 6. wobei das Gas nach Durchströmen derselben wieder vereinigt wird und durch eine gemeinsame Rohrleitung 30 dem Verbraucher zugeführt wird.

Die Wärmetauscherschlange 7 ist über eine Rohrleitung 26 mit der Quelle des komprimierten Gases und durch eine Rohrleitung 27 mit der Einlaßkammer 17 verbunden. Eine Rohrleitung 28 verbindet die Drossel 12. die am Ende des durch Druckpulsalionen beaufschlagten Rohres 11 angeordnet ist, mit der Steuerkammer 16. Das andere Ende des Rohres 11 ist durch eine Rohrleitung 29 mit der Auslaßkammer 18 verbunden.

Die beschriebene Kühlvorrichtung funktioniert wie folgt:

Das aus der Druckleitung eines Kompressors oder aus einer Druckflasche zugeführte komprimierte Gas tritt durch die Rohrleitung 26 in die Wärmetauscherschlange 7 ein. durchströmt diese und gelangt durch die Rohrleitung 27 in die Einlaßkammer 17 des Druckschalters 8. Dabei steigt der Druck in der Einlaßkammer 17.

Da die wirksame Fläche der Membrane 13 größer als die wirksame Fläche der Membrane 14 ist, überwiegt die durch die Membran 13 auf die Hohlstange 15 ausgeübte Kraft und verschiebt die Hohlstange in Richtung zur Steuerkammer 16 hin. Dabei wird die Feder 21 zusammengedrückt. Die Mündung 20 an der Stirnseite der Hohlstange hebt sich von der Absperrklappe 23 ab und das komprimierte Gas strömt aus der Einlaßkammer 17 über die Bohrungen 19 in der Hohlstange 15 in die Auslaßkammer 18. Der jetzt steigende Druck des Gases in der Auslaßkammer 18 beginnt auf die Membrane 14 von unten einzuwirken, wodurch die Hohlstange 15 noch mehr in Richtung zur Steuerkammer 16 verschoben wird.

Der steigende Druck in der Auslaßkammer 18 treibt das Gas auch durch die Rohrleitung 29 in das Rohr 11 und weiter durch die Drossel 12 und die Rohrleitung 28 in die Steuerkammer 16. Bei Erreichung eines gewissen Druckes in der Steuerkammer 16 wird die die Membrane 13 von oben beaufschlagende Druckkraft zusammen mit der Kraft der Feder 21 größer als die die Membrane 13 von unten her beaufschlagende Druckkraft, und die Hohlstange 15 beginnt, sich nach unten zu bewegen, und drückt mit ihrer Stirnseite auf die Absperrklappe 23, wodurch die Mündung 20 überdeckt und die Verbindung zwischen der Einlaßkammer 17 und der Auslaßkammer 18 unterbrochen wird.

Der Druck in der Steuerkammer 16 steigt zunächst weiter, weil weiter Gas aus dem Rohr 11 einströmt, so daß die nach unten drückende Kraft der Hohlstange 15 weiter steigt, bis bei Erreichung eines bestimmten Druckes in der Steuerkammer 16. der dem Druck in der Einlaßkammer 17 naheliegt, die Hohlstange 15 die Absperrklappe 23 von der Düsenöffnung 22 abhebt.

Jetzt beginnt der Druck in der Auslaßkammer 18 zu fallen, so daß die die Membrane 14 nach oben beaufschlagende Kraft entfällt und die Hohlstange 15 noch stärker nach unten gedrückt wird und die Düse 22 noch weiter öffnet Dadurch kommt die Auslaßkammer 18 über die Rohrleitung 25 mit dem Wasserabscheider 9 in Verbindung, von wo das Gas über die Kammern 4 und 6 und die Rohrleitung 30 zum Verbraucher gelangt.

Mit dem Abfallen des Drucks in der A-jslaBkamrner 18 strömt das Gas auch aus dem Rohr 11 zurück, und zwar aus der Steuerkammer 16 durch die Rohrleitung 28 und die Drossel 12 in das Rohr 11 und durch die Rohrleitung 29 in die Auslaßkammer 18.

Ab jetzt wiederholt sich der beschriebene Vorgang, und es stellt sich ein automatischer Schwingbetrieb ein, bei dem abwechselnd das Rohr 11 mit der Quelle des komprimierten Gases und mit dem Verbraucher in Verbindung kommt. Dabei erfolgt ein periodisches Einströmen und Ausströmen des Gases im Rohr 11, das auf diese Weise von Druckpulsationen beaufschlagt

■ wird. Die Temperatur der schwingenden Luftmasse verändert sich in Übereinstimmung mit dem Joule-Effekt. Beim Anfüllen des Rohres 11 kommt es zu einem Anstieg der Temperatur des komprimierten Gases, und ein Teil dieser Wärme wird vom Rohr 11 in den Raum der wärmeisolierten Kammer 6 abgegeben, wodurch sich die Endtemperatur des im Rohr 11 zusammengedrückten Gases etwas verringert. Bei der Rückexpansion des aus dem Rohr 11 austretenden Gases sinkt seine Temperatur und wird niedriger als die Temperatur des Gases, das von der Quelle des komprimierten Gases einströmt.

Im abgekühlten Gas kommt es zu einer Kondensation von Wasserdämpfen und die Tröpfchenfeuchtigkeit bleibt im Wasserabscheider 9 hängen und wird im Maße ihrer Anhäufung abgeführt.

Das abgekühlte und getrocknete Gas strömt durch die wärmeisolierte Kammer 6 und wird dabei vom Rohr 11 wieder erwärmt; seine relative Feuchtigkeit sinkt dabei. Da die im Rohr 11 entstehende und dem Gas hier entzogene Wärme anschließend dem Gas wieder zugeführt wird, ist der Kühleffekt auf das beschränkt, was für eine Klimaanlage zur Klimatisierung z. B. eines Schutzanzugs erforderlich und erwünscht ist. Gleichzeitig geschieht die gewünschte Entfeuchtung des Gases.

: Die Wiedererwärmung des aus dem Wasserabscheider 9 austretenden Gases erfolgt außer in der ersten wärmeisolierten Kammer 6 auch in der zweiten wärmeisolierten Kammer 4 im Wärmetausch mit dem einströmenden komprimierten Gas. Durch Einstellung

: ι des Verhältnisses zwischen den Gasströmen, die durch die Kammern 4 und 6 fließen, mittels der Ventile 10 ist es möglich, die Parameter des zum Verbraucher gelangenden Gases auf die gewünschten Werte einzustellen.
Der Durchsatz an Gas kann durch Ändern der

: i Frequenz der Druckpulsationen verändert werden. Dies geschieht durch Änderung der Einstellung der Drossel. In der Praxis sind Frequenzen bis etwa 17 Hz üblich.

Bei der in F i g. 2 gezeigten konstruktiven Ausführung der Kühlvorrichtung wird die im Abscheider kondensierte Flüssigkeit zur zusätzlichen Verdunstungskühlung des druckpulsationsbeaulschlagten Rohrs verwendet. Dabei entspricht die Ausbildnng gemäß F i g. 2 in ihren wesentlichen Teilen der Ausladung gemäß Fi g. 1, und die einander entsprechenden Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 bezeichnet Der Unterschied besteht darin, daß ein Teil des Rohres, der in Fig.2 mit 31 bezeichnet und im vergrößerten Maßstab gezeigt ist in die Kammer 5 verlegt und mit einer Reihe von Radiatorplatten 32 versehen ist die mit wärmeisolierenden Zwischenlagen 33 voneinander getrennt werden. Die Radiatorplatten sind in einem Abstand voneinander angeordnet der sich allmählich in Bewegungsrichtung des in das Rohr 11 einströmenden Gases verringert Eine Wand des Wasserabscheiders 9 weist Düsen 34 auf, die den Radiatorplatten 32 zugekehrt sind. In der Wandung der Kammer 5 ist eine Reihe von Luftnngsbohrungen 35 vorgesehea Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird die im

Wasserabscheider 9 kondensierte Flüssigkeit durch die Düsen 34 mit einem gewissen Überdruck des expandierten und abgekühlten Gases auf die Radiatorplatten 32 des Teils 31 des pulsierenden Rohres 11 gespritzt und auf demselben verdampft. Das sich in der Kammer 5 ansammelnde Dampf- und Gasgemisch wird durch die

Lüftungsbohrungen 35 in die Atmosphäre (Umgebung) abgeführt. Die wärmeisolierenden Zwischenlagen 33 verhindern die Ausstrahlung der Wärme von den heißeren Radiatorplatten zu den weniger heißen. Im übrigen funktioniert die in Fi g. 2 gezeigte Vorrichtung entsprechend der Ausbildung gemäß F i g. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche;

   U Kühlvorrichtung zur Verwendung in einer Klimaanlage mit einem an einem Ende durch Druckpulsationen beaufschlagten Rohr, sowie einem Druckschalter zum abwechselnden Anschluß des Rohres an eine Druckgasquelle und an einen Verbraucher, mit folgenden kennzeichnenden Merkmalen: