DE3445336C2

DE3445336C2 - Klimaanlage mit Luftumwälzung

Info

Publication number: DE3445336C2
Application number: DE3445336A
Authority: DE
Inventors: George C Rannenberg
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-12-12
Filing date: 1984-12-12
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2004-12-13
Also published as: IT8424014A0; JPS60138367A; NO844877L; ES538466A0; DK589284A; FR2556453A1; NO160740B; SE457826B; GB8430571D0; NO160740C; ES8507255A1; IT1177393B; SE8406252L; IL73716A0; FR2556453B1; US4550573A; BR8406292A; DK160332C; GB2153513A; GB2153513B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage mit Luftumwälzung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Klimaanlagen mit Luftumwälzung sind allgemein bekannt und werden gewöhnlich zum Kühlen und zur Druckregelung von Arbeitskörpern wie beispielsweise Passagierkabinen und Räumen für Ausrüstungsgegenstände in Zivil- und Militärflugzeugen verwendet. Ein Grund für die Beliebtheit derartiger Anlagen ist das beachtliche Kühlangebot, das von Klimaanlagen mit Luftumwälzung bei einer verhältnismäßig bescheidenen Größe zur Verfügung gestellt wird. Ein anderer Grund ist die Anpassungsfähigkeit derartiger Anlagen an Fahrzeuge, die von einer Gasturbinenanlage angetrieben werden. Beispiele für derartige Fahrzeuge sind Flugzeuge und neuerdings auch militärische Landfahrzeuge, wie Panzer. Das Austrittsende des Verdichters einer Gasturbinenanlage stellt eine angenehme Quelle einer zu Kühlzwecken verwendbaren Druckluft für die Klimaanlage dar.

Bei Zivil- und Militärflugzeugen wird gefordert, daß die Regelung der Temperatur und des Druckes in den Räumen für Passagiere (Mannschaften) und Ausrüstungsgegenstände von der mit Luftumwälzung arbeitenden Klimaanlage des Flugzeugs ausgeht. Um eine ausreichende Menge an Atemluft in den Räumen für die Passagiere aufrechtzuerhalten, ist es allgemein üblich, einen derartigen Arbeitskörper mit einer Klimaanlage mit einem offenen Luftkreislauf zu erwärmen oder abzukühlen und auf den richtigen Druck zu bringen. Bei einer derartigen Anlage wird die verbrauchte Luft fortlaufend aus dem Arbeitskörper abgezogen und über Bord gegeben. Der Druck und die Temperatur des Raumes werden fortlaufend durch die Zufuhr von frischer Umgebungsluft auf den gewünschten Werten gehalten, wobei die dem Raum zugeführte Luft je nach Bedarf erwärmt oder abgekühlt wird. Während eine Klimaanlage mit einem offenen Luftkreislauf für eine wirksame Regelung der Temperatur und des Druckes in Räumen für Passagiere sorgt, kann ein Raum für Ausrüstungsgegenstände, der gekühlt werden muß, eine Temperaturregelung mit einer wiederholt umgewälzten Luft ertragen. Eine derartige Temperaturregelung läßt sich wirtschaftlicher durchführen, da eine einmalige Zufuhr einer wiederholt umgewälzten Luft ausreicht.

Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades bei der Temperatur- und Druckregelung eines ersten Arbeitskörpers, dem kontinuierlich Frischluft zugeführt werden muß, und eines zweiten Arbeitskörpers, dessen Temperatur durch wiederholt umgewälzte Luft geregelt werden kann, ist es daher wünschenswert, zwei getrennte Klimaanlagen mit Luftumwälzung vorzusehen. Wenn jedoch eine derartige doppelte Temperatur- und Druckregelung in die Tat umgesetzt wird, können die Vorteile, die mit dem Kühlen des zweiten Arbeitskörpers durch wiederholt umgewälzte Luft verbunden sind, durch die Kosten und den Umfang von zwei verschiedenen Klimaanlagen mehr als ausgeglichen sein. Es scheint daher auf den ersten Blick, daß die Verwendung einer einzigen, bekannten Klimaanlage mit einem offenen Luftkreislauf mit einer ausreichenden Kapazität zur Befriedigung der beiden Arbeitskörper ein wirksamer Weg ist, um die verschiedenen, mit den beiden Arbeitskörpern verbundenen Anforderungen an die Temperatur- und Druckregelung in den Griff zu bekommen. Eine einzige Anlage bringt sicherlich weniger Aufwand mit sich und ist wahrscheinlich auch weniger kompliziert als zwei Anlagen. Eine einzige Anlage würde jedoch über eine vorgegebene Zeitspanne mehr Antriebsenergie verbrauchen als zwei Anlagen. Eine einzige Anlage mit einem offenen Kreislauf müßte bei Ausgangswerten arbeiten, die ausreichen, um den größten Wärme- und Kältebedarf eines Arbeitskörpers zu befriedigen, gleichgültig, ob eine derartige Ausgangsleistung von der Anlage verlangt wird oder nicht. Bei zwei Anlagen kann die Ausgangsleistung und damit auch der Energiebedarf an der Eintrittsseite einer jeden Anlage auf den betreffenden Arbeitskörper zugeschnitten werden.

Aus der DE 28 34 256 A1 ist bereits eine Klimaanlage mit Luftumwälzung bekannt, bei der ein erster Arbeitskörper, z. B eine Flugzeugkabine, durch einen zur Klimaanlage gehörenden offenen Luftkreislauf gekühlt wird, während ein zweiter Arbeitskörper, z. B. ein Raum oder mehrere Räume für Ausrüstungsgegenstände, von einem zur Klimaanlage gehörenden geschlossenen Kühlmittelkreislauf gekühlt wird. Hierbei wird der Verdichter des geschlossenen Kühlmittelkreislaufs von der Turbine des offenen Luftkreislaufes angetrieben, die ihrerseits von der Druckluftquelle, also etwa der Gasturbine, angetrieben wird. Der Antrieb des Verdichters des geschlossenen Kühlmittelkreislaufs durch die Turbine des offenen Luftkreislaufs erfolgt über eine Welle. Es ist ersichtlich, daß die gesamte Energie, die aus der Druckluftquelle stammt, die die Anlage speist und antreibt, zum Kühlen oder Erwärmen und zum Regeln des Drucks der beiden Arbeitskörper verwendet wird. Auf diese Weise wird sowohl eine Regelung der Temperatur und des Drucks mit Frischluft als auch eine Regelung der Temperatur mit wiederholt umgewälztem Kühlmittel von zwei zu klimatisierenden Arbeitskörpern mit einer einzigen, einer Luft- und Kühlmittelumwälzung aufweisenden Klimaanlage erreicht, die durch einen wirtschaftlichen Aufbau und einen minimalen Bedarf an Eingangsenergie gekennzeichnet ist.

Die einzelnen Merkmale der aus der DE 28 34 256 A1 bekannten Klimaanlage sind dem Oberbegriff des Hauptanspruches zu entnehmen.

Bei der bekannten Klimaanlage ist der geschlossene Kühlmittelkreis völlig unabhängig vom offenen Luftkreis und von der Druckluftquelle. Hierdurch muß der geschlossene Kühlmittelkreis vollständig abgedichtet sein, da bereits das geringste Leck zu einem Kühlmittelverlust führen würde. Dies bedingt eine aufwendige und komplizierte Bauweise des geschlossenen Kühlmittelkreises und damit der Klimaanlage.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil des konstruktiven und baulichen Aufwands zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei einer Klimaanlage mit diesen Merkmalen ist es nicht notwendig, einen besonders abgedichteten geschlossenen Kühlmittelkreislauf wie bei der bekannten Klimaanlage vorzusehen. Wenn der Luftvorrat des geschlossenen Kreises aufgrund eines üblichen Lecks eine Auffüllung benötigt, wird das Einlaßregelventil geöffnet und der geschlossene Kreis mit Druckluft aufgefüllt. Die Klimaanlage kann daher einfacher aufgebaut sein.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimaanlage mit Luftumwälzung, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung zum Steuern der Klimaanlage gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Klimaanlage 10 mit Luftumwälzung gezeigt. Die Klimaanlage 10 weist einen ersten, mit offenem Kreislauf 12 arbeitenden Teil auf, welcher einen ersten Arbeitskörper 14 erwärmt oder abkühlt und auf den richtigen Druck bringt. Der Arbeitskörper 14 kann beispielsweise eine Kabine eines Zivil- oder Militärflugzeugs sein. Die Klimaanlage 10 weist ferner einen zweiten, mit geschlossenem Kreislauf 16 arbeitenden Teil auf, welcher einen zweiten Arbeitskörper 20 erwärmt oder abkühlt. Der zweite Arbeitskörper 20 weist einen Raum 25 auf, der beispielsweise ein Raum für elektrische Ausrüstungsgegenstände sein kann. Die Temperatur des zweiten Arbeitskörpers 20 wird durch eine verhältnismäßig konstante Zuführmenge eines geeigneten, wiederholt umgewälzten Kühlmediums geregelt.

Die Luft, mit welcher eine geeignete Zufuhr an Kühlluft aufrechterhalten und die Klimaanlage 10 angetrieben werden soll, kommt von einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise von einer nicht dargestellten Verdichterstufe einer Gasturbinenanlage. Die von der Verdichterstufe kommende Luft wird der Klimaanlage 10 über das in Fig. 1 gezeigte linke Ende einer Haupteinlaßleitung 30 zugeführt. Die Haupteinlaßleitung 30 weist einen primären Wärmetauscher 35 und einen sekundären Wärmetauscher 40 auf. Die Luft wird in diesen Wärmetauschern 35 und 40 durch einen Strom eines geeigneten Kühlmittels, wie beispielsweise der Umgebungsluft gekühlt. Ein Teil der Luft wird über eine Leitung 45 und ein erstes Umwegventil 50 einer zum ersten Arbeitskörper führenden Einlaßleitung 60 zugeführt. Das erste Umwegventil 50 führt an der dem offenen Kreislauf 12 zugeordneten ersten Turbine 75 vorbei und wird von einer Betätigungseinrichtung 55 eingestellt. Der Rest der zugeführten Luft wird durch eine zur ersten Turbine 75 führende Einlaßleitung 65 geführt, die einen regenerativen Wärmetauscher 70 aufweist. Die Luft wird dann durch die erste Turbine 75 hindurchgeführt und der zum 1. Arbeitskörper führenden Einlaßleitung 60 zugeführt. Die erste Turbine 75 weist einen Einlaß 80 mit einem veränderlichen Querschnitt auf. Der Einlaß 80 kann eine Vielzahl von verstellbaren Blättern 85 aufweisen, die von einer Betätigungseinrichtung 90 eingestellt werden, die mit den Blättern 85 verbunden ist. Wenn die Druckluft durch die erste Turbine 75 hindurchfließt, gibt die Luft an die erste Turbine 75 Arbeit ab, wodurch das Laufrad der ersten Turbine 75 angetrieben und die Luft entspannt wird. Hierdurch werden die Temperatur und der Druck der Luft beträchtlich abgesenkt. Ein Teil der aus der ersten Turbine 75 austretenden Kühlluft wird mit der ungekühlten Luft gemischt, die aus der Leitung 45 in die Einlaßleitung 60 fließt. Die Mischung fließt durch einen Wasserabscheider 80A, in welchem der Luftstrom getrocknet wird, worauf der Luftstrom schließlich dem 1. Arbeitskörper 14 zugeführt wird. Die verbrauchte Luft wird kontinuierlich aus dem 1. Arbeitskörper 14 abgezogen und über ein Auslaßventil 85A über Bord gegeben, welches den Druck im 1. Arbeitskörper 14 regelt. Die aus dem 1. Arbeitskörper 14 abgezogene, verbrauchte Luft wird durch Frischluft ersetzt, die der Kabine über die Einlaßleitung 60 kontinuierlich zugeführt wird. Der Rest der aus der ersten Turbine 75 austretenden Luft wird durch eine Leitung 90A hindurchgeführt, wobei die Luft durch ein Steuerventil 95 und den regenerativen Wärmetauscher 70 hindurchfließt. Die durch die Leitung 90A hindurchfließende Luft zieht über den regenerativen Wärmetauscher 70 Wärme von der Luft ab, welche durch die Leitung 65 zur ersten Turbine 75 fließt, um das Kühlangebot am Ausgang der ersten Turbine 75 zu vergrößern. Das Steuerventil 95, welches den Luftstrom durch die Leitung 90A regelt, ist mit dem 1. Umwegventil 50 mechanisch verbunden. Das Steuerventil 95 und das erste Umwegventil 50 werden von der Betätigungseinrichtung 55 nacheinander betätigt. Wenn die durch die Leitung 90A hindurchfließende Luft durch den regenerativen Wärmetauscher 70 hindurchgetreten ist, wird die Luft über Bord abgegeben.

Das Erwärmen und Abkühlen sowie die Druckregelung des 1. Arbeitskörpers 14 können dadurch gesteuert werden, daß der Strom der durch die erste Turbine 75 hindurchfließenden, entspannten und gekühlten Luft und der Strom der durch die Leitung 45 fließenden, verhältnismäßig wärmeren, ungekühlten Luft geregelt werden. Wenn beispielsweise eine maximale Erwärmung des ersten Arbeitskörpers 14 erforderlich ist, wie dies beispielsweise bei hohen Flughöhen eines Flugzeuges der Fall ist, wird die Einlaßdüse der ersten Turbine 75 von der Betätigungseinrichtung 90 geschlossen. Die Betätigungseinrichtung 55 schließt daraufhin das Steuerventil 95, um den Strom der durch den regenerativen Wärmetauscher 70 hindurchfließenden Kühlluft zu verringern und schließlich abzusperren und anschließend das 1. Umwegventil 50 allmählich bis zu seinem maximalen Durchtrittsquerschnitt zu öffnen, um die Menge an Warmluft möglichst groß zu machen, welche aus der Haupteinlaßleitung 30 zum 1. Arbeitskörper 14 fließt. Wenn der 1. Arbeitskörper 14 gekühlt werden soll, verstellt die Betätigungseinrichtung 90 die verstellbaren Blätter 85 im Einlaß 80, um die Menge der zur ersten Turbine 75 fließenden Luft und damit die Menge der aus der ersten Turbine 75 austretenden Kühlluft zu erhöhen. Die Betätigungseinrichtung 55 schließt daraufhin das erste Umwegventil 50, um den Strom der ungekühlten Zuführluft zu der von der ersten Turbine 75 kommenden Leitung 60 abzusperren. Die Betätigungseinrichtung 55 öffnet daraufhin das Steuerventil 95, um die zur ersten Turbine 75 fließenden Luft im regenerativen Wärmetauscher 70 einer verstärkten Vorkühlung zu unterziehen und damit die Kühlung des 1. Arbeitskörpers 14 über die Leitung 60 zu erhöhen.

Es liegt auf der Hand, daß genügend Druckluft der Klimaanlage 10 zugeführt werden muß, um den Heiz- und Kühlbedarf des ersten Arbeitskörpers 14 und des Raumes 25 zu befriedigen. Es ist offensichtlich, daß die Energie, die in der aus dem 1. Arbeitskörper 14 über Bord ausgeblasenen Kühlluft enthalten ist, einer weiteren Verwendung nicht mehr zugeführt wird. Die Menge der über Bord geblasenen Kühlluft sollte daher möglichst gering gehalten werden. Wenn einer der Arbeitskörper Ausrüstungsteile enthält, die durch eine wiederholte Umwälzung einer in einem geschlossenen Kreislauf geführten Kühlluft gekühlt werden können, läßt sich ein derartiger Arbeitskörper mit der Klimaanlage 10 dadurch wirksam kühlen, daß in dem mit geschlossenem Kreislauf arbeitenden Teil 16 die kinetische Energie verwendet wird, die dem Laufrad der dem offenen Kreislauf zugeordneten ersten Turbine 75 von dem durch die erste Turbine 75 hindurchfließenden Luftstrom erteilt wird. Zu diesem Zweck ist das Laufrad der ersten Turbine 75 über eine Welle 105 mit dem Laufrad eines dem geschlossenen Kreislauf 16 zugeordneten Verdichters 100 verbunden, wobei die Drehbewegung des Laufrades der ersten Turbine 70 das Laufrad des Verdichters 100 antreibt, um die durch eine Leitung 110 fließende Luft vorzuverdichten. Die Leitung 110 wird mit Luft aus der Luftquelle über ein Steuerventil 115 in der Haupteinlaßleitung 30 gespeist. Das Steuerventil 115 regelt die Luftzufuhr zur Leitung 110. Der Durchflußquerschnitt des Steuerventils 115 wird von einer Betätigungseinrichtung 120 eingestellt. Die Betätigungseinrichtung 120 öffnet das Steuerventil 115, wenn die Kühlluft, die in dem mit geschlossenem Kreislauf 16 arbeitenden Teil der Klimaanlage 10 umgewälzt wird, beispielsweise aufgrund einer Leckströmung aufgefüllt werden muß.

Die Druckluft aus dem Verdichter 100 wird einem Verdichter 125 zugeführt, in welchem der Druck der Luft weiter gesteigert wird. Der Verdichter 125 wird vom Laufrad einer zweiten Turbine 130 angetrieben, das über eine Welle 135 mit dem Laufrad des zweiten Verdichters 125 verbunden ist. Die aus dem zweiten Verdichter 125 austretende Luft wird über eine Leitung 137 einem die Wärme abführenden Wärmetauscher 140 zugeführt, in welchem die Luft durch Wärmeabgabe an ein geeignetes Kühlmittel, wie Umgebungsluft, gekühlt wird. Die Luft wird von dem die Wärme abführenden Wärmetauscher 140 über eine Leitung 145 dem auf der Hochdruckseite der zweiten Turbine 130 liegenden Strang eines regenerativen Wärmetauschers 150 zugeführt. Die Luft wird im regenerativen Wärmetauscher 150 durch Wärmeabgabe an die von der zweiten Turbine 130 kommende Luft gekühlt, die über eine Leitung 155 dem auf der Niederdruckseite der zweiten Turbine 130 liegenden Strang des regenerativen Wärmetauschers 150 zugeführt wird. Die verdichtete Luft wird von dem auf der Hochdruckseite der zweiten Turbine 130 liegenden Strang des Wärmetauschers 150 über eine Leitung 160 der dem geschlossenen Kreislauf zugeordneten zweiten Turbine 130 zugeführt. Ein Teil der verdichteten Luft wird über eine Leitung 165 an der zweiten Turbine 130 vorbeigeführt. Die Leitung 165 weist ein zweites Umwegventil 170 auf, das von einer Betätigungseinrichtung 175 eingestellt wird. Die Luft, die nicht an der zweiten Turbine 130 über die Zweigleitung 165 vorbeigeführt wird, tritt durch die zweite Turbine 130 hindurch. Die durch die zweite Turbine 130 durchfließende Luft wird entspannt und abgekühlt und treibt das Laufrad der zweiten Turbine 130 und damit den Verdichter 125 an.

Die aus der zweiten Turbine 130 austretende Kühlluft wird über eine Auslaßleitung 180 dem zweiten Arbeitskörper 20 zugeführt. Der zweite Arbeitskörper 20 weist einen Wärmetauscher 185, den Raum 25 für Ausrüstungsgegenstände und eine dazwischenliegende Ringleitung 190 auf. Die Ringleitung 190 enthält ein flüssiges Wärmetauschmittel. Das flüssige Wärmetauschmittel wird in Richtung der Pfeile mit Hilfe einer Pumpe 195 umgewälzt, die in der Ringleitung 190 angeordnet ist. Die Luft, die von der zweiten Turbine 130 zum Wärmetauscher 185 geführt wird, kühlt die in der Ringleitung 190 umlaufende Flüssigkeit, die dann zum Raum 25 mit den Ausrüstungsgegenständen gepumpt wird. Die Flüssigkeit entzieht dem Raum 25 Wärme und wird zum Wärmetauscher 185 zurückgepumpt, in welchem die Flüssigkeit wieder gekühlt wird. Die von der zweiten Turbine 130 kommende und nunmehr leicht angewärmte Luft wird vom Wärmetauscher 185 über die Leitung 155 dem regenerativen Wärmetauscher 150 zugeführt, um die zur zweiten Turbine 130 fließende Luft vorzukühlen. Wenn der Raum 25 für die Ausrüstungsgegenstände weniger gekühlt oder erwärmt werden soll, öffnet die Betätigungseinrichtung 175 das zweite Umwegventil 170, wodurch die vom Verdichter 125 über die Leitungen 137, 145 und 160 kommende Luft an der zweiten Turbine 130 vorbeigeführt wird. Die an der zweiten Turbine 130 vorbeigeführte Luft wird dann über die Auslaßleitung 180 der zweiten Turbine 130 dem Wärmetauscher 185 des zweiten Arbeitskörpers 20 zugeführt.

Die Klimaanlage 10 kann durch jede geeignete Steuereinrichtung, wie Analog- oder Digitalrechner für allgemeine oder besondere Zwecke gesteuert werden. Ein Beispiel einer typischen Steuerschaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Signal T_{Ausrüstung Soll} entspricht einer Temperatur (gewöhnlich eine konstante Temperatur), die im Raum 25 für die Ausrüstungsgegenstände aufrechterhalten werden soll. Das Signal T_{Ausrüstung Soll} wird über eine Leitung 200 einer ersten summierenden Knotenstelle oder Differenzschaltung 205 zugeführt. Ein Signal T_{Ausrüstung Ist} wird über eine Leitung 210 der summierenden Knotenstelle 205 von einem geeigneten Wandler, wie Thermoelement 215 zugeführt, das im Raum 25 angeordnet ist. Die Knotenstelle 205 stellt die Differenz zwischen diesen beiden Signalen fest und gibt die Differenz in Form eines Fehlersignals T_{Ausrüstung Fehler} über eine Leitung 220 an einen analogen Funktionsgenerator oder digitalen Datensuchspeicher 225 weiter. Der Speicher 225 gibt ein Ausgangssignal ab, das dem Fehlersignal für die Temperatur des Raumes 25 entspricht und entweder eine angepaßte Einstellung des Einlaßquerschnittes 80 der dem offenen Kreislauf 12 zugeordneten ersten Turbine 75 oder eine angepaßte Einstellung des Durchflußquerschnittes des dem geschlossenen Kreislauf 16 zugeführten zweiten Umwegventils 170 anzeigt.

Wenn das Fehlersignal entsprechend der Darstellung in Fig. 2 einem Betriebszustand entspricht, in welchem der Raum 25 zu warm ist, sorgt das Ausgangssignal des Speichers 225 dafür, daß zunächst das zweite Umwegventil 170 geschlossen und anschließend der Einlaßquerschnitt 80 der ersten Turbine 75 geöffnet wird. Wenn dagegen das Fehlersignal einem Betriebszustand entspricht, in welchem die Temperatur des Raumes 25 zu niedrig ist, sorgt das Ausgangssignal des Speichers 225 dafür, daß zuerst der Einlaßquerschnitt 80 der ersten Turbine 75 geschlossen und anschließend das zweite Umwegventil 170 geöffnet wird. Wenn das Ausgangssignal des Speichers 225 einem Betriebszustand entspricht, in welchem der Durchflußquerschnitt des zweiten Umwegventils 170 einzustellen ist, wird das Ausgangssignal des Speichers 225 über eine Leitung 230 der Betätigungseinrichtung 175 zugeführt. Die Betätigungseinrichtung 175 stellt den Querschnitt des zweiten Umwegventils 170 nach, um den Fehler zwischen der tatsächlichen und gewünschten Temperatur im Raum 25 auf ein Minimum herabzusetzen. Wenn das Ausgangssignal des Speichers 225 einem Signal entspricht, das ein Nachstellen des Durchflußquerschnittes des Einlaßquerschnittes 80 der ersten Turbine 75 verlangt, wird das Ausgangssignal des Speichers 225 über eine Leitung 235 einem Schaltkreis 240 zugeführt, der einen maximalen Wert auswählt. Der Schaltkreis 240 weist einen weiteren Eingang auf, der über eine Leitung 245 gespeist wird und ein Ausgangssignal von einem Funktionsgenerator oder Speicher 250 empfängt. Das Ausgangssignal des Speichers 250 gibt den Einlaßquerschnitt 80 der ersten Turbine 75 an, der erforderlich ist, um den Luftstrom durch den 1. Arbeitskörper 14 zu erzielen, der notwendig ist, um eine gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten. Um ein Überhitzen des 1. Arbeitskörpers 14 oder des Raumes 25 zu verhindern, wählt der Schaltkreis 240 das Eingangssignal mit dem größten Wert aus und gibt dieses Signal an die Betätigungseinrichtung 90 weiter. Die Betätigungseinrichtung 90 stellt den Einlaßquerschnitt 80 der ersten Turbine 75 in Abhängigkeit von diesem Signal ein, um den größten Kühlbedarf des 1. Arbeitskörpers 14 und des Raumes 25 zu befriedigen.

Der Ausgang des Funktionsgenerators oder Speichers 250 gibt den Luftstrom durch den 1. Arbeitskörper 14 an, der erforderlich ist, um eine gewünschte Temperatur im 1. Arbeitskörper 14 aufrechtzuerhalten. Der Eingang zum Speicher 250 über eine Leitung 255 entspricht einem Signal, das einen Fehler zwischen dem tatsächlichen Luftstrom durch den 1. Arbeitskörper und dem Luftstrom durch den 1. Arbeitskörper 14 angibt, der erforderlich ist, um dort die gewünschte Temperatur zu erzielen. Dieses Signal entspricht der Differenz, die von einer summierenden Knotenstelle 260 aus einem Signal W_Soll (erforderlicher Luftstrom) und einem Signal W_Ist (tatsächlicher Luftstrom) festgestellt wird. Das Signal W_Soll kommt über eine Leitung 265 von einem Funktionsgenerator 270. Das Signal W_Ist kommt über eine Leitung 275 von einem Wandler, wie einem Strömungsmesser 280 am Einlaß der Kabine.

Der Funktionsgenerator oder Speicher 270 gibt ein Signal ab, welches dem erforderlichen Luftstrom von der ersten Turbine 75 zum 1. Arbeitskörper 14 entspricht. Der Speicher 270 gibt daneben ein Ausgangssignal über eine Leitung 285 an die Betätigungseinrichtung 55 ab. Das durch die Leitung 285 fließende Ausgangssignal entspricht dem Einstellwert des ersten Umwegventils 50, der erforderlich ist, um die gewünschte Temperatur im ersten Arbeitskörper 14 zu erreichen. Der Eingang des Speichers 270 empfängt über eine Leitung 290A ein Fehlersignal T_{Kabine Fehler}. Das dem Speicher 270 über die Leitung 290A zugeführte Eingangssignal ist das Ausgangssignal aus einer summierenden Knotenstelle 290 und stellt die Differenz zwischen einem Signal T_{Kabine Ist} und einem Signal T_{Kabine Soll} dar. Das Signal T_{Kabine Ist} entspricht der tatsächlichen Temperatur im ersten Arbeitskörper 14 und wird von einem Thermoelement 295 im 1. Arbeitskörper 14 über eine Leitung 300 an die Knotenstelle 290 abgegeben. Das Signal T_{Kabine Soll} entspricht der gewünschten Temperatur im ersten Arbeitskörper 14 und wird über eine Leitung 305 der Knotenstelle 290 zugeführt. Wenn das Fehlersignal entsprechend der Darstellung in der Zeichnung einem Betriebszustand entspricht, in welchem der erste Arbeitskörper 14 zu warm ist, entsprechen die Ausgangssignale des Speichers 270 zuerst dem ersten Umwegventil 50, das vollständig geöffnet ist, während der Bedarf an Durchsatz durch den ersten Arbeitskörper 14 herabgesetzt ist. Der Querschnitt des ersten Umwegventils 50 nimmt dann zu, während der Bedarf an Durchsatz durch den 1. Arbeitskörper 14 konstant bleibt. Schließlich nimmt der Bedarf an Durchsatz durch den ersten Arbeitskörper 14 zu, während das erste Umwegventil 50 geschlossen gehalten wird. Wenn das Fehlersignal einem Betriebszustand entspricht, in welchem der erste Arbeitskörper 14 zu kühl ist, entsprechen die Ausgangssignale des Speichers 270 zuerst dem ersten Umwegventil 50, das geschlossen gehalten wird, während der Bedarf an Durchsatz durch den 1. Arbeitskörper 14 auf einen konstanten Wert abnimmt, bei welchem die Ausgangssignale einem abnehmenden Querschnitt des ersten Umwegventils 50 bei einem konstanten Bedarf an Durchsatz durch den ersten Arbeitskörper 14 entsprechen. Ein zunehmender Bedarf an Durchsatz durch den ersten Arbeitskörper 14 wird befriedigt, wenn das erste Umwegventil 50 vollständig geöffnet ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß eine gewünschte Temperatur im 1. Arbeitskörper 14 durch eine Steuerung des Luftstroms aufrechterhalten werden kann. Die Steuerung des Luftstrom wird dadurch erreicht, daß der Einlaßquerschnitt 80 der ersten Turbine 75 sowie der Strom der ungekühlten Luft zum 1. Arbeitskörper 14 über das erste Umwegventil 50 gesteuert werden. Die gewünschte Temperatur des Raumes 25 wird in ähnlicher Weise durch die Regelung des Stromes der ungekühlten, durch das zweite Umwegventil 170 fließenden Luft sowie durch die Regelung des gesamten Luftstromes erreicht, der vom Verdichter 100 in dem mit geschlossenem Kreislauf 16 arbeitenden Teil der Klimaanlage 10 umgewälzt wird. Die Regelung des Verdichters 100 wird dadurch erreicht, daß die Eingangsenergie mit Hilfe der Regelung des Luftstromes durch die dem offenen Kreislauf 12 zugeordnete erste Turbine 75 gesteuert wird, die den Verdichter 100 antreibt.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage 10 mit Luftumwälzung macht es möglich, daß verschiedene Arbeitskörper 14, 20, 25 mit einem maximalen Wirkungsgrad und einer minimalen Anzahl an Bauteilen gekühlt und auf den richtigen Druck gebracht werden können. Die Verbindung zwischen den Laufrädern der ersten Turbine 75 und des Verdichters 100 macht es möglich, daß die erste Turbine 75 beide Arbeitskörper 14, 20 kühlen kann. Der 1. Arbeitskörper 14 wird durch die Zufuhr von Frischluft gekühlt, während der Raum 20 durch das Antreiben des Verdichters 100 und damit durch das Antreiben des Verdichters 125 und der zweiten Turbine 130 gekühlt wird.

Während beispielsweise bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei in Reihe geschaltete Verdichter 100 und 125 zum Erwärmen und Kühlen des Raumes 25 verwendet werden, sei festgestellt, daß auch ein einziger Verdichter verwendet werden kann, der von beiden Turbinen 75 und 130 über eine einzige Welle angetrieben werden kann. Während bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel regenerative Wärmetauscher 70 und 150 zum Kühlen der beiden Arbeitskörper 14 und 20 verwendet werden, können diese regenerativen Wärmetauscher 70 und 150 aus Gründen eines wirtschaftlichen Aufbaus auch weggelassen werden, wenn die Anforderungen an das Erwärmen und Kühlen der Arbeitskörper 14, 20, 25 auch ohne die regenerativen Wärmetauscher 70 und 150 erfüllt werden.

Claims

1. Klimaanlage mit Luftumwälzung,
mit einem offenen Luftkreislauf (12) zu kontinuierlichen Zufuhr von frischer Druckluft von einer Druckluftquelle zu einem ersten Arbeitskörper (14), dessen Temperatur und Druck gehalten werden sollen, und nachfolgender Luftabfuhr aus dem ersten Arbeitskörper (14), wobei der offene Luftkreislauf (12) über
eine erste Turbine (75), die einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, mit der Druckluftquelle in Verbindung steht, wobei die Turbine (75) dieser Druckluftquelle angetrieben wird und zur Entspannung und Kühlung der Druckluft und zur Abgabe der entspannten und gekühlten Luft an den ersten Arbeitskörper (14) vorgesehen ist;
mit einer ersten Luftleitungseinrichtung (65), die eine Verbindung zwischen dem Eingang der ersten Turbine (75) und der Druckluftquelle herstellt;
und mit einem geschlossenen Luftkreislauf (16) zur Umwälzung gekühlter Luft durch einen zweiten Arbeitskörper (20), dessen Temperatur durch die gekühlte Luft aufrechterhalten wird, und der von der von der ersten Turbine (75) entspannten, gekühlten und an den ersten Arbeitskörper (14) abgegebenen Luft isoliert ist, wobei der geschlossene Luftkreislauf (16) mit
einer Verdichtereinrichtung (Verdichter 100, 125) mit einem Einlaß und einem Auslaß, die mit der ersten Turbine (75) verbunden ist und von dieser angetrieben wird, zur Verdichtung der durch sie strömenden Luft;
einer zweiten Turbine (130) mit einem Einlaß und einem Auslaß, die auch mit der Verdichtereinrichtung (Verdichter 100, 125) verbunden ist,
einer zweiten Luftleitungseinrichtung (Leitungen 137, 145, 160) zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Auslaß der Verdichtereinrichtung (Verdichter 100, 125) und dem Einlaß der zweiten Turbine (130), wobei die zweite Turbine (130) durch die vom Verdichter 100, 125 an sie gelieferte Luft angetrieben wird und diese entspannt und kühlt;
einer dritten Luftleitungseinrichtung (Auslaßleitung 180) zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Auslaß der zweiten Turbine (130) und einem Einlaß des zweiten Arbeitskörpers (20); und
einer vierten Luftleitungseinrichtung (Leitungen 155, 110) zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Auslaß des zweiten Arbeitskörpers (20) mit dem Einlaß der Verdichtereinrichtung (Verdichter 100, 125) ausgerüstet ist;
gekennzeichnet durch eine fünfte Luftleitungseinrichtung (Haupteinlaßleitung 30) zur Herstellung einer Verbindung zwischen der vierten Luftleitungseinrichtung (Leitung 110) und der Druckluftquelle und durch ein normalerweise geschlossenes Einlaßregelventil (Steuerventil 115) in der fünften Luftleitungseinrichtung (Haupteinlaßleitung 30).

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinrichtung (Verdichter 100, 125) aus einem ersten, von der ersten Turbine (75) angetriebenen Verdichter (100) und einem zweiten, von der zweiten Turbine (130) angetriebenen Verdichter (125) besteht.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinrichtung aus einem einzigen Verdichter besteht, der von der ersten und der zweiten Turbine (75, 130) angetrieben wird.

4. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Luftleitungseinrichtung (Haupteinlaßleitung 30) mit der ersten Luftleitungseinrichtung (65) zur Luftversorgung von der Druckluftquelle zum geschlossenen Luftkreislauf in Verbindung steht.

5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Turbine (75) mit einem veränderlichen Einlaßquerschnitt (80) ausgestattet ist, wobei der Einlaßquerschnitt (80) in Abhängigkeit von größten Kühlbedarf des ersten und zweiten Arbeitskörpers (14, 20) einstellbar ist.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine sechste Luftleitungseinrichtung (Leitung 165) eine Strömungsverbindung zwischen der dritten Luftleitungseinrichtung (Leitung 160) und dem Auslaß der zweiten Turbine (130) herstellt, wobei die sechste Luftleitungseinrichtung (Leitung 165) ein Turbinenumgehungsventil (zweites Umwegventil 170) aufweist und der Durchflußquerschnitt des Turbinenumgehungsventils (2. Umwegventil 170) und damit die Menge an ungekühlter Verdichterluft, die von der Verdichtereinrichtung (Verdichter 100, 125) durch das Turbinenumgehungsventil (2. Umgehungsventil 170) zum Auslaß der zweiten Turbine (130) geleitet wird, in Abhängigkeit vom Wärmebedarf des zweiten Arbeitskörpers (20) einstellbar ist.

7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine siebte Luftleitungseinrichtung (Leitung 45) eine Strömungsverbindung zwischen der ersten Luftleitungseinrichtung (65) und dem Auslaß der ersten Turbine (75) herstellt, wobei die siebte Luftleitungseinrichtung (Leitung 45) ein Turbinenumgehungsventil (erstes Umwegventil 50) aufweist und der Durchflußquerschnitt des Turbinenumgehungsventils (erstes Umwegventil 50) und damit die Menge an ungekühlter Druckluft, die von der Druckluftquelle durch das Turbinenumgehungsventil (erstes Umgehungsventil (50) zum Auslaß der ersten Turbine (75) geleitet wird, in Abhängigkeit vom Wärmebedarf des ersten Arbeitskörpers (14) einstellbar ist.

8. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Arbeitskörper (20) mit einem Wärmetauscher (185) ausgerüstet ist, daß ein Arbeitsraum (25) und der Wärmetauscher (185) durch einen Flüssigkeitskreislauf miteinander verbunden sind, wobei eine von Flüssigkeit durchströmte Ringleitung (190) sowohl durch den Ausrüstungsraum (25) als auch durch den Wärmetauscher (185) führt, und wobei die Flüssigkeit durch eine in der Ringleitung (190) angeordnete Pumpe (195) umgewälzt wird, und daß der Wärmetauscher (185) von der von der zweiten Turbine (130) entspannten und gekühlten Luft zur Kühlung der Flüssigkeit und damit des Arbeitsraums (25) durchströmt wird.