DE4339255A1 - Luftzyklus-Luftkonditioniersysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Luftzyklus-Luftkonditionier­ systeme und insbesondere auf solche Systeme, die in einer Betriebsphase einen Luftstrom niedriger Temperatur zu Konditionierzwecken bzw. zur Klimatisierung liefern.

Luftzyklus-Konditioniersysteme bzw. Klimaanlagen sind für Flugzeuge zur Erzeugung eines Luftstromes niedriger Tempera­ tur bekannt. Bei derartigen Anwendungsfällen wird die Luft niedriger Temperatur zum Konditionieren bzw. Klimatisieren einer Flugzeugkabine verwendet, indem die Luft direkt in die Kabine eingespeist wird, oder, was üblicher ist, mit warmer, ungewälzter Kabinenluft zur Verringerung der Temperatur gemischt wird. Bei einem anderen Anwendungsfall wird Luft niedriger Temperatur als das System konditionierende Luft an eine Seite eines Lastwärmetauschers abgegeben, damit Wärme aus dem Fluid extrahiert werden kann, das in einer geschlos­ senen Schleife in Umlauf gesetzt wird, in der eine Wärmelast, z. B. elektronische Geräte für das Flugzeug, angeordnet sind. Bei einer abgeänderten Ausführung des letzteren Anwendungs­ falls ist die Wärmelast ein geschlossenes Gehäuse, z. B. ein Passagierraum, und das Fluid ist von dem Raum in Umlauf gesetzte Luft.

Ein derartiges Luftzyklus-Luftkonditioniersystem verwendet üblicherweise eine sogenannte Luftzyklus-Maschine, in der Luft durch ein Kompressorrad komprimiert und dann an einem Turbinenrad entspannt wird, so daß die das Turbinenrad verlassende Luft eine Temperatur hat, die wesentlich niedri­ ger als Umgebungsluft ist, wie sie für Konditionierzwecke erforderlich ist. Bei einer Anwendung auf Flugzeuge, bei der eine Quelle mit Speiseluft hohen Druckes dadurch verfügbar ist, daß Luft aus einer Kompressorstufe eines das Flugzeug antreibenden Gasturbinenmotors angezapft wird, kann die Energie bei einer solchen Luft hohen Druckes zweckmäßigerwei­ se zum Antrieb der Luftzyklusmaschine verwendet werden, so daß eine externe Leistungsquelle nicht erforderlich ist. Bei solchen Anwendungsfällen, bei denen eine Quelle mit Luft hohen Druckes nicht verfügbar ist, und bei manchen Systemen für Bereitschafts- oder Notfälle ist es bekannt, die Luft­ zyklusmaschine durch einen herkömmlichen Wechselstrom- oder Gleichstrom-Motor anzutreiben.

Bei bodengebundenen Transportfahrzeugen ist es im allgemeinen üblich, Dampfzyklus-Kühlsysteme einzusetzen; derartige Systeme sind jedoch in zunehmendem Maße unakzeptabel, weil sie die Verwendung von Kühlmitteln erforderlich machen, die im Falle des Austretens dieser Kühlmittel die Umwelt bela­ sten.

Es besteht deshalb ein Bedarf an einem Luftzyklus-Luftkondi­ tioniersystem, das sowohl in der Herstellung als im Betrieb kostengünstig, umweltfreundlich, und insbesondere für den Einsatz in bodengebundenen Transportfahrzeugen geeignet sind.

Bei einer derartigen Anwendung ist eine geeignete Quelle von Luft hohen Druckes im allgemeinen nicht verfügbar, so daß die Luftzyklusmaschine durch einen Elektromotor angetrieben werden muß. Ein herkömmlicher Wechselstrom- oder Gleichstrom- Motor, der auf einen derartigen Bedarf ausgelegt ist, ist jedoch teuer und macht die regelmäßige Wartung der Bürsten­ kontakte erforderlich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Elektromotors erheblich fällt, wenn er ohne Last arbeitet, wie dies erforderlich ist, wenn die Wärmelast in einem Gehäuse, z. B. einem Passagierraum, aufgrund einer geringeren Anzahl von Insassen oder einer niedrigeren Temperatur der umgebenden Atmosphäre reduziert ist.

Bei manchen bodengebundenen Transportfahrzeugen ist es ferner erforderlich, getrennte Räume mit unterschiedlicher Volumen­ kapazität zu konditionieren, beispielsweise eine Mannschafts­ kabine und einen oder mehrere Passagierräume. Die Wärmelast in der Mannschaftskabine ist im allgemeinen geringer als die in einem Passagierraum, so daß die Dimensionierung von Systemkomponenten, insbesondere des Kompressorrades, für die beiden Systeme schwierig ist. Der Leistungsbedarf für den Motor im Passagierkammersystem wird deshalb höher sein als der für den Motor im Mannschaftskabinensystem. Dies macht zwei unterschiedliche Größen von herkömmlichen Elektromotoren erforderlich, was sowohl in Hinblick auf die Kosten für die Auslegung und die Herstellung der Motoren für originale Systeme als auch das Bereitstellen von Ersatzmotoren für Reparatur und Überholung schwierig macht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Luftzyklus-Luftkonditio­ niersystem (Klimaanlage) zu schaffen, die insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für die Verwendung bei der Konditionierung von Bodentransportfahrzeugen geeignet ist. Des weiteren soll mit vorliegender Erfindung ein Luftzyklus- Luftkonditioniersystem mit einem Kompressorrad vorgeschlagen werden, das von einer Leistungsquelle angetrieben ist, die die Nachteile herkömmlicher Wechselstrom- und Gleichstrom- Motoren weitgehend überwindet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Luftzyklus-Luftkonditioniersystem mit einem von einer Leistungsquelle angetriebenen Kompressorrad vorgesehen wird, bei dem die Leistungsquelle einen geschalteten Reluktanzmotor bzw. Magnetmotor (switched reductance motor) aufweist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kompressor­ rad so angetrieben werden, daß es einen niedrigen Absolut­ druck in den Systemkonditionier-Luftkanälen eines Lastwärme­ tauschers, der als Teil einer Systemkonditionier-Luftschleife vorgesehen ist, erzeugt.

Bei dieser Ausführungsform ist ein Einlaß in die Systemkon­ ditionier-Luftkanäle vorzugsweise so geschaltet, daß expan­ dierte Systemkonditionierluft aus einem Turbinenrad aufge­ nommen wird.

Ein Einlaß in das Turbinenrad kann zum Aufnehmen von Luft aus der umgebenden Atmosphäre zur Verwendung als Systemkonditio­ nierluft, und ein Auslaß aus dem Kompressorrad zum Abgeben von Systemkonditionierluft zurück an die umgebende Atmosphäre in einer offenen Systemkonditionier-Luftschleife ausgelegt sein.

Alternativ kann der Einlaß in das Turbinenrad über einen Wärmeaustauscher zum Aufnehmen von Systemkonditionierluft aus dem Kompressorrad-Auslaß in einer im wesentlichen geschlosse­ nen Systemkonditionier- Luftschleife geschaltet sein.

Zur Erzielung einer erhöhten thermischen Kapazität in der Systemkonditionier-Luftschleife kann der Kompressorrad-Auslaß zur Abgabe von Systemkonditionierluft mit einem Einlaß in ein zweites Kompressorrad verbunden sein, das einen Auslaß besitzt, der zur Abgabe von Systemkonditionierluft mit dem Turbinenrad-Einlaß über den Wärmetauscher verbunden ist.

Der Lastwärmetauscher kann ferner Lastauslaßkanäle in Wärmeaustauschverbindung mit dem Systemkonditionier-Luftka­ nälen aufweisen, wobei ein Auslaß aus den Lastluftkanälen mit einem Einlaß in eine Kammer verbunden sein kann, die eine zu konditionierende Wärmelast besitzt.

Ein Einlaß in die Lastluftkanäle kann mit einem Auslaß aus dem Raum verbunden sein, wobei in Umlauf gesetzte Lastluft von dem Raum in die Lastluftkanäle strömen kann.

Vorzugsweise ist der Einlaß in die Lastluftkanäle ferner zur Aufnahme frischer Umgebungsluft ausgebildet.

Während bei manchen Systemen ein Motor mit konstanter Drehzahl verwendet werden kann, ist der Motor mit geschalte­ ter Reluktanz vorzugsweise ein Motor mit variabler Drehzahl, wobei die Drehgeschwindigkeit des Kompressorrades so verän­ dert werden kann, daß der Druckabfall am Turbinenrad verän­ dert wird, wodurch die thermische Kapazität der Systemkondi­ tionier-Luftschleife nach der gesteuert wird, die zum Extrahieren von Wärme aus der Lastluft erforderlich ist.

Bei Ausführungsformen nach der Erfindung mit einem Motor mit veränderlicher Drehzahl ist eine elektronische Steuerung zur Aufnahme von Signalen aus Sensoren geschaltet, die die Temperatur in dem Raum bzw. Gehäuse feststellen, und ferner zur Abgabe von Steuersignalen an den Motor geschaltet, um die Motordrehzahl zu verändern.

Die elektronische Steuerung kann ferner so geschaltet sein, daß sie Signale aus einem oder mehreren Sensoren aufnimmt, die die Temperatur der Systemkonditionier-Luftschleife feststellen.

Die Systemkonditionier-Luftschleife kann ferner einen Lufteinlaß zum Einführen von Zusatzluft in die Schleife aufweisen; der Lufteinlaß besitzt ein elektronisch gesteuer­ tes Ventil zur Steuerung der Luftmenge in der Schleife, wobei die thermische Kapazität der Schleife verändert werden kann.

Die thermische Kapazität der Systemkonditionier-Luftschleife kann ferner dadurch vergrößert werden, daß eine Vorrichtung zum Injizieren von Wasser in die Systemkonditionierluft vorgesehen ist, bevor sie in die Systemkonditionier-Luftka­ näle des Lastwärmetauschers eintritt.

Bei einem eine derartige Wasserinjektionsvorrichtung aufwei­ senden System können Sensoren für die Wassersättigung an der Auslaßseite der Systemkonditionier-Luftkanäle vorgesehen sein, um die Signale an eine die Wasserinjektion steuernde Vorrichtung abgeben, wodurch eine Sättigung der Systemkondi­ tionierluft verändert werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich­ nung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Luftzyklus-Luft­ konditioniersystems nach einer Ausführungsform der Erfindung, bei dem eine Seite der Systemkonditionier­ luft des Systems als eine im wesentlichen trockene, geschlossene Schleife arbeitet,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Luftzyklus-Luft­ konditioniersystems nach einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung, bei der eine Systemkonditionier- Luftseite des Systems als nasse geschlossene Schleife arbeitet,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Luftzyklus-Luft­ konditioniersystems nach einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung, bei der eine Systemkonditionier- Luftseite des Systems als eine nasse, offene Schleife arbeitet,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Luftzyklus-Luft­ konditioniersystems nach einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung, bei der eine Systemkonditionier- Luftseite des Systems als eine nasse, geschlossene Schleife arbeitet, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung zweier Kurven der Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der Geschwindig­ keit für einen mit veränderlicher Drehzahl arbeiten­ den geschalteten Reluktanzmotor, der in Verbindung mit den Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird.

Ein Luftzyklus-Luftkonditioniersystem 10 nach Fig. 1 gibt in einer Betriebsphase einen Luftstrom niedriger Temperatur zum Extrahieren von Wärme aus einer Wärmelast in einem Gehäuse, z. B. einer Passagierkammer 11 eines Fahrzeuges (nicht dargestellt) ab. In vorliegender Beschreibung bedeutet der Ausdruck "Luft niedriger Temperatur" Luft bei einer Tempera­ tur unterhalb der von Luft der atmosphärischen Umgebung außerhalb eines Gehäuses mit einer Wärmelast, die konditio­ niert werden soll.

Das System 10 weist einen Lastwärmetauscher 12 mit System­ konditionierluftkanälen (nicht dargestellt) in Querströmungs- Wärmeaustauschbeziehung zu den Lastluftkanälen (nicht dargestellt) auf. Ein Systemkonditionierlufteinlaß 13 des Wärmetauschers 12 ist über eine Wärmeleitung 14 zur Aufnahme eines Stromes von Systemkonditionierluft geschaltet, nachdem die Luft an einem Turbinenrad 15 entspannt worden ist. Ein Systemkonditionierluftauslaß 16 des Wärmetauschers 12 ist über eine Leitung 17 zur Abgabe von Systemkonditionierluft mit einer Einlaßseite eines Kompressorrades 18 verbunden, das von einem geschalteten Reluktanzmotor 19 veränderlicher Drehzahl angetrieben ist. Eine Auslaßseite des Kompressorra­ des 18 ist über eine Leitung 20 mit einem zweiten Kompressor­ rad 21 verbunden, das auf einer gemeinsamen Welle 21a mit dem Turbinenrad 15 befestigt ist. Eine Auslaßseite des Kompres­ sorrades 18 ist über eine Leitung 22, den Wärmetauscher 23 und eine Leitung 24 mit einer Einlaßseite des Turbinenrades 15 verbunden. Die Systemkonditionierluft strömt somit in einer geschlossenen Schleife mit dem Kompressorrad 21, dem Wärmetauscher 23 und dem Turbinenrad 15, das in einer sog. "Bootstrap"-Anordnung vorgesehen ist. Kühlluft für den Wärmetauscher 23 weist Luft der umgebenden Atmosphäre auf, die Stauluft oder - insbesondere bei einem ruhenden Fahrzeug - ein von einem elektrisch angetriebenen Gebläse (nicht dargestellt) erzeugter Luftstrom sein kann.

Der Wärmetauscher 12 weist ferner einen Lastlufteinlaß 25 auf, der über eine Leitung 26 zur Aufnahme warmer Lastluft geschaltet ist, die aus der Kammer 11 in Umlauf gesetzt wird. Ein motorgetriebenes Gebläse 27 ist in einem Luftauslaß 28 der Kammer angeordnet; der Auslaß steht mit einem Ende der Leitung 26 in Verbindung; im Betrieb erzeugt das motorgetrie­ bene Gebläse einen Luftstrom aus der Kammer in den Ladeluft­ einlaß 25. Eine Einlaßleitung 29 für Umgebungsluft ist mit der Leitung 26 verbunden, und ein motorgetriebenes Gebläse 30 ist in einem Einlaßende der Leitung 29 für Umgebungsluft angeordnet, wobei frische Luft mit Druck der umgebenden Atmosphäre in die in Umlauf gesetzte Lastluft eingeführt werden kann. Ein Lastluftauslaß 31 ist über eine Leitung 32 mit einem Kammerlufteinlaß 33 verbunden, wobei konditionier­ te, in Umlauf gesetzte Lastluft von dem Wärmetauscher 12 zur Kammer 11 strömt.

Ein oder mehrere Temperatursensoren, von denen nur der Sensor 34 dargestellt ist, sind innerhalb der Kammer 11 vorgesehen. Der Temperatursensor 34 ist über eine Leitung 35 zur Eingabe von die Temperatur in der Kammer 11 darstellenden Signalen mit einer elektrischen Steuereinheit (ECU) 36 verbunden, die ein Systemcomputer an Bord eines Fahrzeuges sein kann. Ein Temperatursensor 37, der in der Leitung 32 angeordnet ist, ist über eine Leitung 38 zum Einführen von Signalen in die ECU 36 geschaltet, die die Temperatur der Luft darstellen, welche von dem Lastwärmetauscher 12 in die Kammer 11 strömt. Ein weiterer Temperatursensor 39, der in der Leitung 14 angeordnet ist, ist mit der ECU 36 über eine Leitung 40 verbunden, um Signale, die die Temperatur der von dem Turbinenrad 15 zum Lastwärmetauscher 11 strömenden Luft darstellen, einzuführen. Die ECU ist über eine Leitung 41 zur Abgabe von Signalen mit einer elektronischen Steuerschaltung 42 des geschalteten Reluktanzmotors 19 verbunden, wobei die Motordrehzahl und damit die Drehgeschwindigkeit des Kompres­ sorrades 18 gesteuert wird.

Ein Lufteinlaß 43 steht mit der Leitung 17 zwischen dem Systemluftauslaß 16 des Lastwärmetauschers 12 und dem Kompressorrad 18 in Verbindung, wobei Zusatzluft in die Systemkonditionierluftschleife eingeführt werden kann. Ein elektrisch gesteuertes Ventil 44 ist im Lufteinlaß 43 angeordnet und über eine Leitung 45 zur Aufnahme von Signalen aus der ECU 36 verbunden, wobei die Zuluft gesteuert werden kann. Um sicherzustellen, daß diese Luft weitgehend trocken ist, wird sie über einen Trockner, z. B. einen Wasservereini­ ger (water coalescer) (nicht dargestellt) eingespeist, und es ist ferner, wenn die Luft nicht aus einer Quelle hohen Druckes eingespeist wird, eine Druckvorrichtung, z. B. eine Luftpumpe (nicht dargestellt) vorgesehen. Ein Drucksensor 46 ist in der Leitung 17 zwischen der Verbindungsstelle des Lufteinlasses 43 und des Kompressorrades 18 vorgesehen. Der Sensor 46 ist über eine Leitung 47 zur Eingabe von Drucksig­ nalen in die ECU 36 geschaltet, wodurch die Luftmenge in der Systemkonditionierluftschleife gesteuert werden kann.

Zweckmäßigerweise ist ein Temperatursensor 48 vorgesehen, der die Lufttemperatur der Umgebung der Kammer abfühlt und der Signale in die ECU über eine Verbindungsleitung 49 einführt, wodurch die Temperatur im Inneren der Kammer in bezug auf die außen herrschenden Temperaturbedingungen gesteuert werden kann.

Im Betrieb des Systems werden Temperatursignale aus den Sensoren 34, 37, 39 und 48 in die ECU 36 eingegeben. Diese Signale werden verarbeitet und es werden Signale an die elektronische Steuerschaltung 40 des geschalteten Reluktanz­ motors 19 und/oder an das elektrisch gesteuerte Ventil 44 abgegeben, um die thermische Kapazität der Systemkonditio­ nierluftschleife in der Weise zu steuern, daß die Abgabe konditionierter Lastluft an die Kammer zur Erzielung einer für die herrschenden Temperaturbedingungen der Umgebungsluft geeigneten Kammertemperatur erreicht wird.

Wenn beispielsweise festgestellt wird, daß die Temperatur in der Kammer 11 über einem gewünschten Wert liegt, und die Temperatur der Luft, die von dem Lastwärmetauscher 12 in die Kammer über die Leitung 32 strömt, von dem Sensor 37 höher festgestellt wird als notwendig ist, um die Kammerlufttempe­ ratur auf den gewünschten Wert zu reduzieren, gibt die ECU dem Motor das Signal, die Drehgeschwindigkeit des Kompressor­ rades 18 so zu erhöhen, daß der Druckabfall am Turbinenrad 15 erhöht und die Temperatur der Systemkonditionierluft in der Leitung 14 verringert wird. Diese Luft niedrigerer Temperatur ist in der Lage, zusätzliche Wärme aus der in Umlauf gesetz­ ten warmen Ladeluft im Wärmetauscher 12 zu extrahieren, so daß konditionierte Ladeluft bei der gewünschten Temperatur in die Kammer 11 strömt.

Wenn gleichzeitig die Temperatur der Systemkonditionierluft, die in der Leitung 14 von der Turbine 15 zum Lastwärme­ tauscher 12 strömt, von dem Sensor 39 als unterhalb eines vorbestimmten Wertes, z. B. -5°C festgestellt wird, was zu einer Vereisung im Einlaß 13 des Wärmetauschers aufgrund von Restwasserdampf in der Systemkonditionierluft, oder zum Vereisen in den Lastluftkanälen führen kann, wird dem elektrisch gesteuerten Ventil 44, das im Lufteinlaß 43 angeordnet ist, signalisiert, daß es öffnet, damit Zusatzluft in die Systemkonditionierluftschleife einströmen kann. Auf diese Weise wird die Luftmenge in der Systemkonditionier­ luftschleife und damit die Konditionierkapazität der Schleife erhöht, ohne daß die Geschwindigkeit des Kompressorrades 18 auf einen Wert erhöht wird, der bewirkt, daß der Druckabfall am Turbinenrad 15 so wird, daß die Temperatur der Systemkon­ ditionierluft in der Leitung 14 unter den vorbestimmten Wert fällt.

Geschaltete Reluktanzmotoren sind bekannt, z. B. aus EP-A-0074239. Solche Motoren verwenden Phasenwicklungen auf den Statorpolen, die in Reihe mit Thyristoren an eine Gleich­ stromspeisequelle verbunden sind, wobei die Thyristoren synchron mit der Bewegung des Rotors in bezug auf den Stator angeschaltet werden, damit ein Antriebsdrehmoment erzeugt wird. Die Thyristoren werden in entsprechenden Zeitpunkten während der Rotordrehung abgeschaltet oder kommutiert, und nach der Kommutierung kann der Strom in den Wicklungen frei laufen oder kann in die Speisequelle zurückgeführt werden, je nach der Schaltung und der Methode der Steuerung.

Der von dem System 10 geforderte Energiebedarf ändert sich in Abhängigkeit von den Bedingungen der umgebenden Atmosphäre, die von einem warmen wolkigen Tag bis zu einem sehr heißen sonnigen Tag reichen, ferner von der Anzahl von Passagieren im Abteil 11. Während der Kompressor und die Turbinenräder in der Lage sein müssen, den maximal möglichen Kühlbedarf, der von dem System verlangt wird, zu erfüllen, können sie in idealer Weise eine minimale Größe haben. Diese Ausführungs­ form der Erfindung trägt dazu bei, diese Aufgabe zu lösen, indem ein mit veränderlicher Geschwindigkeit arbeitender geschalteter Reluktanzmotor das Kompressorrad 18 über einen Drehzahlbereich antreibt. Durch Veränderung der Drehzahl des Kompressorrades 18 wird der Druckabfall am Turbinenrad geändert und die Kühlkapazität der Systemkonditionierluft, die in die Systemkonditionierluftkanäle des Lastwärmetau­ schers strömt, wird so gesteuert, daß sie den Bedarf zum Extrahieren von Wärme aus der Lastluft steuert, die durch die Lastluftkanäle des Wärmetauschers strömt. Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines geschalteten Reluktanzmotors zum Antrieb des Kompressorrades besteht darin, daß sein Wirkungs­ grad über den gewünschten Leistungs-Drehzahlbereich, insbe­ sondere am unteren Ende des Bereiches, wesentlich besser ist als der eines herkömmlichen Elektromotors, wie nachstehend in Verbindung mit Fig. 5 erläutert wird.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 arbeitet die Systemkonditionierluftschleife des Luftzyklus- Luftkonditioniersystems als nasse Schleife. Das System ist im allgemeinen ähnlich dem in Verbindung mit Fig. 1 beschriebe­ nen System ausgebildet, so daß gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen erhalten und nicht nochmals im einzelnen beschrieben werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 weist das System einen Wasserspeichertank 50 und eine Wasserpumpe 51 zum Einsprühen von Wasser in den Systemkonditionierluft­ einlaß 13 des Lastwärmetauschers 12 über eine oder mehrere Sprühdüsen 52 auf, die mit der Pumpe 51 verbunden sind. Ein Wasservereiniger 53 (Wasser-Coalescer) ist in der Leitung 32 vorgesehen; er sammelt Wasser in der Lastluft, die in die Kammer 11 strömt; ein ähnlicher Wasservereiniger 54 ist in der Leitung 17 vorgesehen, der Wasser sammelt, das in der Systemkonditionierluft verblieben ist, nachdem die Luft die Systemkonditionierluftkanäle des Lastwärmetauschers passiert hat. Die Wasservereiniger 53 und 54 sind mit Leitungen 55 und 56 verbunden, durch die extrahiertes Wasser an den Speicher­ tank 15 abgeführt wird. Ein Taupunktsensor 57 ist in dem Systemkonditionier-Luftauslaß 16 des Lastwärmetauschers angeordnet und über eine Leitung 58 zum Eingeben von Signalen in die ECU 36 verbunden. Die ECU ist ferner über eine Leitung 59 zur Steuerung des Betriebes der Pumpe 51 geschaltet.

Im Betrieb eines Luftzyklus-Luftkonditioniersystems nach dieser Ausführungsform der Erfindung kann das Kompressorrad 18 durch einen geschalteten Reluktanzmotor 19 mit einer Drehzahl betrieben werden, die einen niedrigen Absolutdruck, der vorzugsweise Unteratmosphärendruck ist, in den System­ konditionierluftkanälen und Einlaß 13 des Lastwärmetauschers erzeugt. Der Sättigungspunkt der Konditionierluft wird damit erhöht und es ist möglich, eine größere Menge an Wasser aufzunehmen, als dies sonst der Fall wäre, und bei gleicher Temperatur ist die Luft in der Lage, mehr Wärme aus der Lastluft zu extrahieren. Der Taupunktsensor 57 überwacht die Sättigung der Luft, die von den Systemkonditionierluftkanälen zum Kompressor 18 über den Auslaß 16 und die Leitung 17 strömt und der ECU 36 signalisiert, die ihrerseits den Betrieb der Wasserpumpe 51 steuert, damit sichergestellt ist, daß ausreichend Wasser in den Einlaß 13 gesprüht wird, um die Systemkonditionierluft während des Durchströmens des Wärme­ tauschers vollständig zu sättigen, so daß die zusätzliche Kühlkapazität, die aufgrund der latenten Verdampfungswärme des Wassers in den Systemkonditionierluftkanälen des Wärme­ tauschers verfügbar ist, ein Maximum wird.

Ein Luftzyklus-Luftkonditioniersystem 110 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 ist insbesondere zum Konditionieren eines geschlossenen Raumes, z. B. einer Mannschaftskabine 111 eines Fahrzeuges (nicht dargestellt) geeignet.

Das System 110 weist einen Lastwärmetauscher 112 mit System­ konditionier-Luftkanälen (nicht dargestellt) in Querström- Wärmeaustauschbeziehung mit den Lastluftkanälen (nicht dargestellt) auf. Ein Systemkonditionierlufteinlaß 113 des Wärmetauschers 112 ist über eine Leitung 114 zur Aufnahme eines Stromes von umgebender Luft aus einem Umgebungsluftein­ laß 115 angeschlossen. Ein Systemkonditionierluftauslaß 116 des Wärmetauschers 112 ist über eine Leitung 117 mit einem Umgebungsluftauslaß 118 verbunden. Ein Luftexpansionsturbi­ nenrad 119, das im Umgebungslufteinlaß 115 angeordnet ist, und ein Luftkompressorrad 120, das im Umgebungsluftauslaß 118 vorgesehen ist, sind auf Wellen 121 und 122 an entgegenge­ setzten Enden eines mit variabler Geschwindigkeit arbeitenden geschalteten Reluktanzmotors 123 befestigt.

Der Wärmetauscher 112 weist ferner einen Lastlufteinlaß 124 auf, der über eine Leitung 125 zur Aufnahme von warmer Lastluft aus-der Kabine 111 verbunden ist. Im Betrieb erzeugt ein motorgetriebenes Gebläse 126 einen Luftstrom aus der Kabine 111 in den Ladelufteinlaß 124. Eine Umgebungsluftein­ laßleitung 127 ist mit der Leitung 125 verbunden, ein motorgetriebenes Gebläse 128 ist an einem Umgebungsluftein­ laßende der Leitung 127 angeordnet, wodurch frische Luft der umgebenden Atmosphäre in die Lastluft eingeführt werden kann. Ein Lastluftauslaß 129 ist über eine Leitung 130 mit einem Kabinenlufteinlaß 131 verbunden, wobei konditionierte Lastluft von dem Wärmetauscher 112 zur Kabine 111 strömt.

Wasservereiniger 132 und 133 sind im Konditionierluftauslaß 116 und Lastluftauslaß 129 vorgesehen, um Wasser zu sammeln, das in der Systemkonditionierluft und der konditionierten Lastluft nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher 112 verblieben ist. Dieses Wasser wird aus den Wasservereinigern 132 und 133 über Leitungen 134, 135 an einen Speichertank 136 geführt. Sprühdüsen 137, die im Systemkonditionierlufteinlaß 113 angeordnet sind, sind über Leitungen 138 mit dem Wasser­ speichertank 136 verbunden.

Ein oder mehrere Temperatursensoren, von denen nur der Sensor 139 gezeigt ist, sind innerhalb der Kabine 111 angeordnet. Der Temperatursensor ist über eine Leitung 140 zum Eingeben von Signalen, die der Temperatur in der Kabine 111 entspre­ chen, mit einer ECU 141 verbunden, die ein Systemcomputer an Bord eines Fahrzeuges sein kann. Ein Temperatursensor 142, der die Temperatur der umgebenden Atmosphäre außerhalb der Kabine abfühlt, gibt Temperatursignale an die ECU über eine Leitung 143, und ein Sensor 144, der die Temperatur in der Leitung 130, die konditionierte Lastluft in die Kabine einführt, ist mit der ECU über eine Leitung 145 verbunden. Die ECU ist über eine Leitung 146 zur Abgabe von Signalen an eine elektronische Steuerschaltung 147 des geschalteten Reluktanzmotors 123 gelegt, wobei die Motordrehzahl und die Drehgeschwindigkeit des Turbinenrades 119 sowie des Kompres­ sorrades 120 gesteuert werden können.

Im Kühlbetrieb des Systems 110 wird warme Lastluft aus der Kabine 111 durch das Gebläse 126 extrahiert und über die Leitung 125 und den Lastlufteinlaß 124 an die Lastluftkanäle (nicht dargestellt) des Wärmetauschers 112 geführt, wo sie Wärme abgibt. Ein Anteil der frischen Umgebungsluft wird in die warme Lastluft über die Umgebungslufteinlaßleitung 127 eingeführt, bevor die Lastluft zum Lastlufteinlaß 124 gelangt. Lastluft bei reduzierter Temperatur wird in die Kabine 111 über den Lastluftauslaß 129, die Leitung 130 und den Lufteinlaß 131 rückgeführt.

Umgebende Atmosphärenluft zur Verwendung als Systemkonditio­ nierluft tritt in den Umgebungslufteinlaß 115 ein, wo sie expandiert und bei reduzierter Temperatur durch das Turbinen­ rad 119 geführt wird. Die expandierte Luft strömt durch die Leitung 114 und den Systemkonditionierlufteinlaß 113 in die Systemkonditionierluftkanäle des Wärmetauschers 112, wo sie Wärme aus der warmen Ladeluft extrahiert. Die Systemkonditio­ nierluft strömt dann mit erhöhter Temperatur über den Systemkonditionierauslaß 116 und die Leitung 117 in das Kompressorrad 120, durch das es komprimiert wird, bevor es in die umgebende Atmosphäre abgegeben wird. Somit wirkt die Systemkonditionierluftseite des Systems als eine offene Schleife. Die Systemkonditionierluft wird an die umgebende Atmosphäre durch das Kompressorrad abgegeben, so daß ein niedriger Absolutdruck, der vorzugsweise Unteratmosphären­ druck ist, in den Systemkonditionierluftkanälen und dem Einlaß 113 des Wärmetauschers erzeugt wird. Der Sättigungs­ punkt der Systemkonditionierluft wird dadurch erhöht und ist in der Lage, eine größere Menge an Wasser aufzunehmen, als es sonst der Fall wäre, und für die Luft gleicher Temperatur mehr Wärme zu extrahieren.

Durch Steuerung der Drehzahl des geschalteten Reluktanzmotors und damit der Drehgeschwindigkeit der Turbinen- und Kompres­ sorräder kann die thermische Kapazität der offenen System­ konditionierluftschleife so eingestellt werden, daß die gewünschte Wärmemenge aus der Lastluft, die durch die Lastluftkanäle des Lastwärmetauschers strömt, extrahiert wird. Die Temperatur dieser Lastluft wird durch den Sensor 144 abgefühlt und auf die ECU 141 zum Vergleich mit der Kabinentemperatur und der Umgebungstemperatur, die durch die Sensoren 139 und 142 festgestellt wird, übertragen damit sichergestellt ist, daß die Temperatur der Lastluft, die in die Kabine abgegeben wird, geeignet ist, sie auf die ge­ wünschte Temperatur zu konditionieren.

Ein Luftzyklus-Luftkonditioniersystem 115 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Anordnung des Lastwärmetau­ schers 112 einschließlich der Zirkulation von Lastluft durch den Wärmetauscher, Extraktion von Wasser aus der Systemkondi­ tionierluft und Lastluft, und Injektion von Wasser in die Systemkonditionierluft ähnlich der der Ausführungsform nach Fig. 3 und wird nicht nochmals im Detail beschrieben; gleiche Bezugszeichen werden für gleiche Bauteile verwendet. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Auslaßseite des Kompressorrades über eine Leitung 151, einen Wärmetauscher 152 und eine Leitung 153 mit der Einlaßseite des Turbinenra­ des verbunden. Somit ist die Systemkonditionierluftseite des Systems bei dieser Ausführungsform der Erfindung als eine geschlossene Schleife ausgebildet, bei der das Kompressorrad 118, das Turbinenrad 119 und der Wärmetauscher 152 die Form einer sog. "Bootstrap"-Anordnung haben, wie sie in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform nach Fig. 4 jedoch wird eine kraftbetriebene Bootstrap-Anordnung verwendet, bei der das Kompressorrad 118 und das Turbinenrad 119 durch den geschal­ teten Reluktanz-Motor 123 angetrieben sind.

Kühlluft für den Wärmetauscher 152 weist Luft der umgebenden Atmosphäre auf, die Stauluft oder ein Luftstrom sein kann, der durch ein elektrisch angetriebenes Gebläse (nicht dargestellt) geliefert wird.

In gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die Drehzahl des geschalteten Reluktanz-Motors 123 durch die ECU 141 gesteuert; bei der Ausführungsform nach Fig. 4 jedoch nimmt die ECU ein zusätzliches Temperatursignal aus einem Sensor 154 auf, der in der Leitung 114 angeordnet und mit der ECU über eine Leitung 155 verbunden ist. Eine geeignet dimensionierte Öffnung 156 in der Leitung 153 ergibt einen Druck am Turbinenradeinlaß, der auf die Umgebung bezogen ist, wobei im Betrieb des Systems der Druckabfall am Turbinenrad als ein Bezugswert mit dem Druck der umgebenden Atmosphäre abgeglichen ist.

Ein wesentlicher Vorteil vorliegender Erfindung ergibt sich durch Verwendung eines geschalteten Reluktanz-Motors, mit dem das Kompressorrad und, falls erwünscht, das Turbinenrad angetrieben wird, da dies ermöglicht, daß ein Motor gleicher Spezifizierung für jedes der Ausführungsbeispiele des Konditioniersystems nach den Fig. 1, 2, 3 und 4 verwendet werden kann. Durch Steuerung der Schaltung der Thyristoren, die einen- Teil der Motorantriebsschaltung bilden, können Motorleistungsabgabe und -drehzahl so gesteuert werden, daß der für ein bestimmtes Konditioniersystem erforderliche Bereich abgedeckt wird, und daß ferner die Antriebsdrehmomen­ te erzielt werden, die für die verschiedenen Größen unter­ schiedlicher Kompressorräder erforderlich sind.

Betrachtet man beispielsweise das Konditioniersystem nach den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2, wenn sie zur Abgabe eines Stromes konditionierter Ladeluft in ein Passagierabteil verwendet werden, so verändert die in dem Abteil erzeugte Wärmelast sich mit den Bedingungen der umgebenden Atmosphäre, insbesondere der Temperatur, und ferner mit der Anzahl von Passagieren, die das Abteil einnehmen. Die maximale erwartete Wärmelast für eine bestimmte Größe eines Passagierabteils bestimmt die maximale Kühlkapazität, die von dem System gefordert wird, d. h. den Massenstrom und die Temperatur der Luft, die von dem System in das Abteil einzuspeisen ist. Die maximale Wärmelast im Abteil wird an einem heißen, sonnigen Tag bei vollständig besetztem Abteil erzielt. Systembauteile, wie z. B. der Lastwärmetauscher 112, die Kompressorräder 18 und 21 und das Turbinenrad 15 müssen, während sie im Ideal­ fall eine minimale Größenabmessung haben, in der Lage sein, die von dem System geforderten maximalen Bedürfnisse zu erfüllen.

Die maximale Kühlkapazität, die für das Konditioniersystem nach Fig. 3 benötigt wird, wenn es zur Abgabe eines Stromes konditionierter Lastluft an eine Mannschaftskabine verwendet wird, ist wesentlich kleiner, weil das umschlossene Volumen kleiner und die Anzahl von Insassen geringer ist. Deshalb können die Systembauteile, insbesondere das Kompressorrad und das Turbinenrad, kleinere Abmessungen haben.

Die maximale Drehmoment- und damit Leistungsabgabe des Motors hängt von der Größe des Kompressorrades und, falls erwünscht, des Turbinenrades, das angetrieben werden soll, ab. Wie bereits weiter oben erörtert, hängt dies von der maximalen Kühlkapazität ab, die von dem System benötigt wird.

Nach Fig. 5 ist in der Kurve A die Leistung in Abhängigkeit von der Drehzahl für einen geschalteten Reluktanz-Motor mit veränderlicher Drehzahl aufgetragen; der Motor treibt das Kompressorrad eines Luftkonditioniersystems nach Fig. 2 für ein bestimmtes Passagierabteil eines Fahrzeuges an. Die maximale Leistungsabgabe, die von dem Motor zum Antrieb des Kompressorrades mit einer Drehzahl von 30 000 U/min für maximale Systemleistung benötigt wird, liegt in der Größen­ ordnung von 45 kW. Zum unteren Ende der Kurve A hin, also dann, wenn nur eine geringe oder keine Kühlung erforderlich ist und der Motor ohne Belastung läuft, beträgt die Leist­ ungsabgabe, die von dem Motor benötigt wird, um das Kompres­ sorrad mit 8000 U/min zu treiben, nur in der Größenordnung von 0,45 kW. In Kurve B ist analog der Verlauf für den gleichen geschalteten Reluktanzmotor mit veränderlicher Drehzahl dargestellt, der zum Antrieb des Kompressorrades eines Luftkonditioniersystems für eine bestimmte Mannschafts­ kabine des gleichen Fahrzeuges benötigt wird. Die maximale Leistungsabgabe, die vom Motor benötigt wird, um das Kompres­ sorrad bei 30 000 U/min über eine maximale Leistung des Systems anzutreiben, liegt in der Größenordnung von 15 kW, während am unteren Ende der Kurve die erforderliche Leist­ ungsabgabe in der Größenordnung von 0,25 kW liegt, um das Kompressorrad mit 8000 U/min anzutreiben. Der geschaltete Reluktanzmotor hat bei einer Ausgangsleistung von 45 kW bei 30 000 U/min einen Wirkungsgrad von etwa 92%, bei einer Leistung von 15 kW bei 30 000 U/min einen Wirkungsgrad von etwa 91%, bei einer Leistung von 0,75 kW bei 8000 U/min einen Wirkungsgrad von etwa 90%, und bei einer Leistung von 0,25 kW bei 8000 U/min einen Wirkungsgrad von etwa 76%. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber einem herkömmlichen Elektromotor dar, der am oberen Ende des Leistungsdrehzahl­ bereiches wesentlich weniger effizient ist, und dessen Wirkungsgrad bis auf 40% am Ende des Drehzahlbereiches fallen kann. Ferner ist es unwahrscheinlich, daß der unterschiedli­ che Bedarf der beiden Systeme 10 und 50 durch den gleichen herkömmlichen Elektromotor erreicht werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungs­ beispiele nach den Fig. 1-4 beschränkt. Beispielsweise können die Gebläse 27 und 30 in den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 und die entsprechenden Gebläse 126 und 128 in den Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 durch ein einziges motorgetriebenes Gebläse ersetzt werden, das in der Leitung angeordnet ist, die mit dem Lastlufteinlaß des Lastwärmetauschers verbunden ist.

Bei einer modifizierten Ausführungsform des Systems 150 nach Fig. 4 ist nur das Kompressorrad 120 durch den Motor 123 angetrieben, während das Turbinenrad durch die Energie in der komprimierten Luft angetrieben wird.

Eine nicht dargestellte Ausführungsform der Erfindung, die eine modifizierte Form des Systems 10 nach Fig. 2 ist weist drei Kompressionsstufen auf. Der geschaltete Reluktanz-Motor ist in der Lage, zwei Kompressorräder anzutreiben, die am einem und am anderen Ende des Motors befestigt sind. Die Konditionsluft wird zuerst durch das Rad am einen Ende des Motors komprimiert, bevor sie in das Rad am entgegengesetzten Ende des Motors für eine zweite Stufe der Kompression eingeführt wird, bevor sie in das Kompressorrad der Boot­ stap-Anordnung für eine dritte Kompressionsstufe eingeführt wird. Die Anordnung erzeugt einen niedrigeren Absolutdruck in den Konditionierluftkanälen, so daß die Kühlkapazität des Systems erhöht wird.

Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen nach der Erfindung die Systeme so arbeiten, daß sie einen Luftstrom niedriger Temperatur für Kühlzwecke liefern, kann jedes dieser Systeme auch in einer Anordnung eingesetzt werden, die bei einer anderen Betriebsart einen Luftstrom hoher Temperatur für Heizzwecke liefert. Bei einem solchen System können viele der Systembauteile eine Doppelfunktion haben. Insbesondere kann der geschaltete Reluktanz-Motor den Kompressor mit einer ersten Drehzahl antreiben, wenn ein solches System in der Weise arbeitet, daß es einen Ladeluft­ strom niedriger Temperatur liefert, und ferner mit einer zweiten Drehzahl, wenn das System so arbeitet, daß es einen Ladeluftstrom hoher Temperatur liefert, d. h., Luft mit einer Temperatur über der der umgebenden Atmosphäre.

Claims (15)

1. Luftzyklus-Luftkonditioniersystem (Klimaanlage) mit einem Kompressorrad, das von einer Kraftquelle angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftquelle einen geschalteten Reluktanz-(Magnet )-Motor (19) aufweist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressorrad (18) so antreibbar ist, daß es einen niedrigen Absolutdruck in den Systemkonditionier-Luft­ kanälen eines Lastwärmetauschers (12) erzeugt, der als Teil einer Konditionierluftschleife ausgebildet ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaß in die Systemkonditionierluftkanäle zur Aufnahme von expandierter Systemkonditionierluft aus einem Turbinenrad (18) geschaltet ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaß in das Turbinenrad (15) so angeordnet ist, daß er Luft der umgebenden Atmosphäre zur Verwendung als Systemkonditionierluft aufnimmt, und daß ein Auslaß des Kompressorrades (18) so verbunden ist, daß er System­ konditionierluft in die umgebende Atmosphäre in einer offenen Systemkonditionierluftschleife abgibt.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaß in das Turbinenrad (15) über einen Wärmetauscher (12) so geschaltet ist, daß er Systemkonditionierluft von einem Auslaß des Kompressorrades (21) in einer im wesentlichen geschlossenen Konditionierluftschleife aufnimmt.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Kompressorrades (18) so geschaltet ist, daß er Systemkonditionierluft an einen Einlaß zu einem zweiten Kompressorrad (21) liefert, dessen Auslaß zur Abgabe von Klimaluft an den Turbinenradeinlaß über den Wärmetauscher (12) geschaltet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmetauscher (20) Lastluftkanäle in Wärmeaustauschbeziehung zu den Systemkonditionierluft­ kanälen aufweist, wobei ein Auslaß aus den Lastluft­ kanälen mit einem Einlaß eines Gehäuses oder einer Kammer (11) verbindbar ist, das eine zu konditionierende Wärmelast besitzt.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaß in die Lastluftkanäle mit einem Auslaß aus dem Gehäuse (11) verbindbar ist, wobei wieder in Umlauf gebrachte Lastluft von dem Gehäuse zu den Lastluftkanälen strömt.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß in die Lastluftkanäle zur Aufnahme von frischer Umgebungsluft geschaltet ist.

10. System nach einem der Ansprüche 3-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der geschaltete Reluktanz-Motor (19) ein mit variabler Drehzahl arbeitender Motor ist.

11. System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuerschaltung (36), die Signale aus Sensoren (32, 39) aufnimmt, die die Temperatur in einem zu konditionierenden Gehäuse bzw. Raum (11) abfühlen, und die zur Abgabe von Steuersignalen an den Motor (19) für die Änderung der Motordrehzahl geschaltet sind.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerschaltung (36) zur Aufnahme von Signalen aus einem oder mehreren Sensoren (34) geschaltet ist, die die Temperatur in der Systemkonditionierluft­ schleife abführen.

13. System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemkonditionierluftschleife einen Lufteinlaß zum Einführen von Zusatzluft in die Schleife aufweist, wobei der Lufteinlaß ein elektronisch gesteuertes Ventil zur Steuerung der Luftmenge in der Schleife enthält, wodurch die thermische Kapazität der Schleife veränderbar ist.

14. System nach einem der Ansprüche 2-13, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Injizieren von Wasser in die Systemkonditionierluft, bevor sie in die Systemkonditio­ nierluftkanäle des Lastwärmetauschers (12) eintritt.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wassersättigungs-Sensorvorrichtung an der Auslaßseite der Systemkonditionierluftkanäle vorgesehen ist, um Signale an die die Wasserinjektionsvorrichtung steuernde Vorrich­ tung abzugeben, wodurch eine Sättigung der Systemkondi­ tionierluft verändert werden kann.