DE4309119C2 - Anordnung zur Erzeugung von Kühlluft - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von Kühlluft, insbesondere bestimmt für eine Kältemaschine.

Um geschlossene Räume oder feste, flüssige oder gasförmige Körper auf eine vorgegebene Temperatur unter derjenigen der Umgebung abzukühlen und auf dieser Temperatur zu halten, werden heutzutage eine Vielzahl von Kältemaschinen benutzt, die nach dem Absorptions- oder Kompressionsverfahren arbeiten können. Auch gibt es Dampfstrahlkältemaschinen. Ferner kann der Peltier-Effekt zur Erzeugung niedriger Temperaturen genutzt werden.

All diese Verfahren und Vorrichtungen arbeiten jedoch mit einem relativ geringen Wirkungs­ grad mit vielen Bauteilen. Ferner ist insbesondere bei Kühlschränken, die nach dem Absorp­ tions- oder Kompressionsverfahren betrieben werden, der Nachteil gegeben, daß aufgrund der erforderlichen Kühlschlange Eis abgeschieden wird.

In der Literaturstelle DE-Z "Die Kälte- und Klimatechnik", 11/1991, S. 846-857, ist eine Vorrichtung beschrieben, die einen an einer Seite eines Elektromotors angeordneten und von diesem antreibbaren ein- oder mehrstufigen Verdichter für Luft aufweist. Die verdichtete Luft wird über einen Wärmetauscher in eine Expansionsmaschine eingespeist.

Aus der US 4 209 998 ist ein Kühlsystem mit einem geschlossenen Kreislauf bekannt, in dem ein Kühlmedium teils in kondensierter und teils in Dampfform vorhanden ist. Die bekannte Vorrichtung enthält einen Elektromotor, der direkt mit einem ersten Schraubenver­ dichter und über eine Kupplung mit einem zweiten gleichartigen Schraubenverdichter verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Anordnung zur Erzeugung von Kühlluft, insbesondere bestimmt für eine Kältemaschine, derart weiterzubil­ den, daß mit konstruktiv einfachen Mitteln ein hoher Wirkungsgrad gegeben werden kann. Gleichzeitig soll die Möglichkeit gegeben sein, mit einfachen Maßnahmen die Anordnung derart umzufunktionieren, daß anstelle von Kühlluft Druckluft erzeugt wird.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beiderseits eines mittig liegenden Mittelfrequenzmotors Anbauaggregate vorgesehen sind, von denen eines zumindest aus einem Verdichter besteht, daß das andere Anbauaggregat eine Turbine, die über einen Wärme­ tauscher mit dem Verdichter druckluftmäßig verbunden ist und vom Mittelfrequenzmotor angetrieben wird oder ein weiterer Verdichter ist, und daß die Lagerstellen des Mittelfre­ quenzmotors die aus den Anbauaggregaten resultierenden Kräfte aufnehmen. Dabei können der Verdichter, der Wärmetauscher, die Turbine und der Verbraucher in einem Luftkreislauf angeordnet sein.

Um eine entsprechende Drehzahl und möglichst kleine Baugröße bei maximaler Energiedich­ te zu erzielen, handelt es sich um einen Elektromotor mit einer Drehzahl von vorzugsweise 20.000 bis 50.000 Upm. Dabei kann die Drehzahl über einen Frequenzumrichter/Wechselrich­ ter in Abhängigkeit von dem Bedarf eingestellt werden. Der Elektromotor kann beispiels­ weise bei 50.000 Upm 300 kW leisten.

Ferner kann vorgesehen sein, daß der Verdichter mehrstufig ausgebildet ist. Unabhängig davon kann der Verdichter ein Axial-, Radial- oder Schraubenverdichter, insbesondere ein Verdichter hohen Wirkungsgrades sein, der ölfreie Luft weitgehend pulsationsfrei liefert. Andere Verdichter sind auch denkbar.

Erfindungsgemäß ist das System so konstruiert, daß selbst ein Radialverdichter direkt ohne Zwischengetriebe, ohne weitere Lagerstellen, ohne weitere Befestigungen angetrieben werden kann. Die hohe Drehzahl des Elektromotors ermöglicht weiterhin das effektive Arbeiten eines Turbinenläufers, welcher daher ebenso wie der Verdichter ohne weitere Lagerstellen, Zwischengetriebe und Befestigungen auskommt.

Die aus dem Verdichtungsprozess stammende kinetische und thermische Energie wird daher direkt mittels des Turbinenläufers an den Elektromotor zurückgeführt, wobei das gewünschte Temperaturgefälle entsteht.

Um mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausschließlich Druckluft zu erzeugen, sieht eine Weiterbildung vor, daß die Turbine von dem Elektromotor abkuppelbar ist, so daß die Anordnung als Drucklufterzeuger dient.

Alternativ besteht die Möglichkeit, das Turbinenrad durch einen weiteren z. B. 2-stufige Ver­ dichtung zu ersetzen, so daß durch die Anordnung ausschließlich Druckluft erzeugt wird. Eine solche Anordnung ist insbesondere als mobiles Aggregat für die Luft- und Raumfahrt geeignet. So kann die Anordnung in einem Bodenaggregat für die Versorgung von Flugzeu­ gen angeordnet werden. Die zum Betreiben des Elektromotors erforderliche Energie kann der zum Starten notwendigen Batterie entnommen werden, die z. B. fortwährend über einen Generator geladen wird, der seinerseits von dem Motor des Fahrzeuges betrieben wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung von Kühl- oder Druck­ luft,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung von Kühl- oder Druckluft und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung von Druckluft.

In den Figuren, in denen grundsätzlich gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, sind verschiedene Ausführungsformen von Anordnungen dargestellt, mit denen Kühlluft und/oder Druckluft erzeugt werden kann.

Die Anordnung nach Fig. 1 umfaßt als wesentliche Bestandteile einen Elektromotor 10 der einerseits einen Verdichter 12 antreibt und andererseits von einem Turbinenrad 14 ange­ trieben wird. Dabei kann zwischen dem Turbinenrad 14 und der Antriebswelle 16 des Elek­ tromotors 10 eine Kupplung wie Lastschaltkupplung 18 angeordnet sein.

Der Ausgang 20 des Verdichters 12, der im Ausführungsbeispiel zweistufig ausgebildet ist und aus den Verdichtern 22 und 24 besteht, ist über eine Leitung 26 mit dem Eingang 28 des Turbinenrades 14 verbunden. In der Leitung 26 ist ferner ein Wärmetauscher 30 angeordnet.

Von Ausgang 32 des Turbinenrades 14 geht eine Leitung 34 aus, die in eine Leitung 36 übergeht, die zu einem Verbraucher 38 wie Kühlschrank führt. In der Leitung 34, und zwar vor der Abzweigung zur Leitung 36 kann ein Abscheider wie Wasserabscheider 40 angeord­ net sein.

Von dem Verbraucher 38 führt eine Leitung 42 zum Eingang 44 des Verdichters 12 zurück (geschlossener Kreislauf). Bei dem offenen Prozeß saugt der Verdichter 12 die ihn umge­ bende Atmosphäre über den Eintritt 44 an. Die Luft, der thermische Energie durch den Wärmetauscher und das Trubinenrad entzogen wird, wird anschließend über die Leitung 34 dem Verbraucher zugeführt.

Um die Drehzahl des schnelldrehenden Elektromotors 10 variieren zu können, ist dieser über einen Frequenzumrichter 48 regelbar.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird über den Verdichter 12 Luft komprimiert, im Wärmetauscher 30 abgekühlt und sodann beim Durchströmen des Turbinenrades 14 ent­ spannt, um als Kühlluft wahlweise über die Leitung 34 einem nicht dargestellten Verbraucher oder dem in Fig. 1 rein prinzipiell angeordneten Kühlschrank 38 zugeführt zu werden. Die Temperatur der Kühlluft kann dabei unter anderem durch die Drehzahl des Elektromotors 10 eingestellt werden. Die Drehfrequenz des Elektromotors 10 kann dabei vorzugsweise zwi­ schen 20 . 10³ und 30 . 10³ Hz liegen. Ein so ausgestatteter Kühlraum wird so viel schneller und gleichmäßiger auf die gewünschte Temperatur gebracht, als nur mit einer Kühlschlange.

Dadurch, daß die von dem Turbinenrad 14 kommende entspannte Luft den Abscheider 40 durchströmt, ist sichergestellt, daß die über die Leitung 36 strömende Kühlluft trocken ist. Ein dynamischer Abscheider ist bei diesem Konzept möglich.

Sofern mit der Anordnung gemäß Fig. 1 keine Kühlluft, sondern nur Druckluft erzeugt werden soll, ist es nur erforderlich, daß das Turbinenrad 14 mittels einer Kupplung wie Lastschaltkupplung 18 von dem Elektromotor abgekoppelt wird, so daß der Leitung 34 Druckluft entnommen werden kann.

Die der Fig. 2 zu entnehmende Anordnung unterscheidet sich im wesentlichen von der der Fig. 1 dadurch, daß anstelle der dargestellten Axial- bzw. Radialdichter 22 und 24 kon­ ventionelle Schraubenverdichter 48 zum Einsatz gelangen. Ferner ist ein Abscheider nicht vorgesehen, der jedoch ohne weiteres in die Leitung 34 eingebaut werden könnte.

Um die Drehzahl des Turbinenrades 14 variieren zu können, muß nicht die Frequenz des Elektromotors 10 über einen Frequenzumrichter variiert werden. Vielmehr ist zwischen dem Elektromotor 10 und dem Turbinenrad 14 ein Getriebe 52 vorgesehen.

Mit der Anordnung gemäß Fig. 3 wird ausschließlich Druckluft erzeugt. Hierzu werden von dem Elektromotor 10 Verdichter 12 und 54 angetrieben, die über eine Leitung 56 miteinander verbunden sind. Vom Ausgang 58 des Verdichters 54 kann sodann Druckluft im gewünschten Umfang entnommen werden. Die erforderliche Zuluft wird dem Verdichter 12 über die Leitung 46 zugeführt.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 treibt ein Elektromotor direkt ohne Zwischengetriebe einen Schraubenverdichter an. Die übliche Drehzahl für solche Verdichter liegt je nach Größe bei ca. 8.000-15.000 Upm. Damit das Turbinenrad effektiv arbeiten kann - ohne daß der äußerste Durchmesser sehr groß ausfällt -, wird ein Getriebe vorgesehen, welches aber nicht zwingend ist. Es ist auch denkbar - allerdings nicht unbedingt sinnvoll -, daß bei dieser Kombination auf den Frequenzumrichter verzichtet werden kann. Deshalb wurde diese zeichnungsmäßig nicht erfaßt.

Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bleibt der mechanische Kreislauf des Kraftflusses geschlossen.

Die der Fig. 3 zu entnehmende Anordnung kann mobil ausgebildet und z. B. auf einem auf Flughäfen als Druckluftlieferant dienenden Fahrzeug montiert sein. Dabei wird die zum Antrieb des schnellaufenden Elektromotors 10 erforderliche elektrische Energie einer Batterie 60 entnommen, die für das Starten von Flugzeugen erforderlich ist und die fortwährend über einen Generator 72 gespeist werden kann, der seinerseits von dem Motor des Fahrzeuges selbst angetrieben werden kann. Zwischen der Batterie 60 und dem Elektromotor 10 ist ein Wechselrichter 64 angeordnet. Hierdurch können die für den Verdichter notwendigen hohen Drehzahlen ohne Zwischengetriebe stufenlos erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich aber auch in weiteren Varianten realisieren, d. h. in der einfachsten Kombination Netz-/Batterie-Frequenzumrichter(Wechselrichter)-Elektromotor- Verdichter. Dieses System kann für handgezogene Startluftgeräte vorgesehen sein, so wie diese z. B. in Flugzeughangern benötigt werden. Das Volumen und das Gewicht einer solchen Anlage entspricht etwa 10% der bekannten auf dem Markt befindlichen Anlagen.

Auch zur Installation in Fluggastbrücken ist eine der erfindungsgemäßen Lehre gehorchende Anlage geeignet. Ferner ist ein Einsatz als Klimaanlage für Autos, Züge, Kühlcontainer etc. möglich.

Claims (13)

1. Anordnung zur Erzeugung von Kühlluft, insbesondere bestimmt für eine Kältemaschine, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits eines mittig liegenden Mittelfrequenzmotors (10) Anbauaggregate vorgesehen sind, von denen eines zumindest aus einem Verdichter (12, 22, 24, 48) besteht, daß das andere Anbauaggregat eine Turbine (14), die über einen Wärmetauscher (30) mit dem Verdichter druckluftmäßig verbunden ist und vom Mittelfrequenzmotor (10) angetrieben wird oder ein weiterer Verdichter (54) ist, und daß die Lagerstellen des Mittelfrequenzmotors die aus den Anbauaggregaten resultierenden Kräfte aufnehmen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (12, 22, 24), der Wärmetauscher (30), die Turbine (14) und der Verbraucher (38) in einem Luftkreislauf angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (10) ein Motor mit einer Drehzahl von vorzugsweise 20.000 bis 50.000 Upm ist.

4. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (12, 22, 24) mehrstufig ausgebildet ist.

5. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (12, 48) ein Axial-, Schrauben- oder Radial-Verdichter ist, insbesondere ein Verdichter hohen Wirkungsgrades ist, der ölfreie Luft weitgehend pulsationsfrei liefert.

6. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (32) der Turbine (14) und dem Verbraucher (38) ein Abscheider (40) wie Wasserabscheider angeordnet ist.

7. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Turbine (14) und dem Elektromotor (10) eine Kupplung angeordnet ist.

8. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Verdichter (12, 22, 24, 48) erzeugte kinetische und thermische Energie mittels der Turbine (14) unmittelbar dem Elektromotor (10) zugeführt ist.

9. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Montage auf einem Fahrzeug.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug einen Antriebsmotor aufweist, mit dem ein Generator (72) verbunden ist, an den eine Batterie (60) anschließbar ist, an die über einen Wechselrichter (64) der Elektromotor (10) angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug für das Ziehen von Hand ausgebildet ist und eine von einem Netzgerät aufladbare Batterie aufweist, die über einen Wechselrichter mit dem Elektromotor verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Bodenaggregat für die Versorgung von Flugzeugen.

13. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anordnung in einer Fluggastbrücke als Bodenaggregat für die Versorgung von Flugzeugen.