DE4339255C2 - Luftzyklus-Klimaanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Luftzyklus-Klimaanlagen und insbes. auf solche Anlagen, die in einer Betriebsphase einen Luftstrom niedriger Temperatur zu Luftkonditionier­ zwecken bzw. zur Klimatisierung liefern.

Luftzyklus-Klimaanlagen sind für Flugzeuge zur Erzeugung eines Luftstromes niedriger Temperatur bekannt. Bei derartigen Anwendungsfällen wird die Luft niedriger Tempera­ tur zum Konditionieren bzw. Klimatisieren einer Flugzeugkabine verwendet, indem die Luft direkt in die Kabine eingespeist wird oder, was üblicher ist, mit warmer umgewälz­ ter Kabinenluft zur Herabsetzung der Temperatur gemischt wird. Bei einem anderen Anwendungsfall wird Luft niedriger Temperatur als klimatisierende Luft an eine Seite eines Lastwärmetauschers abgegeben, damit Wärme aus dem Fluid extrahiert werden kann, das in einem geschlossenen Kreis in Urlauf gesetzt wird, in dem eine Wärmelast, z. B. elektronische Geräte für das Flugzeug, angeordnet sind. Bei einer abgeänderten Ausführung des letzteren Anwendungsfalls ist die Wärmelast ein geschlossener Raum, z. B. eine Passagierraum, und das Fluid ist aus dem Raum in Umlauf gesetzte Luft.

Eine derartige Luftzyklus-Klimaanlage verwendet üblicherweise eine sogenannte Luftzy­ klus-Maschine, in der Luft durch ein Kompressorrad komprimiert und dann an einem Turbinenrad entspannt wird, so daß die das Turbinenrad verlassende Luft eine Tempera­ tur hat, die wesentlich niedriger 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 zweckmäßigerweise zum Antrieb der Luftzyklus-Maschine verwendet werden, so daß eine externe Leistungsquelle nicht erforderlich ist. Bei sol­ chen 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 zyklus-Maschine durch einen herkömmlichen Wechselstrom- oder Gleichstrommotor anzutreiben.

Bei bodengebundenen Transportfahrzeugen ist es im allgemeinen üblich, Dampfzyklus- Kühlsysteme einzusetzen; derartige Systeme sind jedoch zu vermeiden, weil sie Kühl­ mittel verwenden, die die Umwelt belasten.

Es besteht deshalb ein Bedarf an einer Luftzyklus-Klimaanlage, die sowohl in der Her­ stellung als im Betrieb kostengünstig, umweltfreundlich und insbesondere für den Ein­ satz in bodengebundenen Transportfahrzeugen geeignet sind.

Bei einer derartigen Anwendung ist eine geeignete Quelle mit Luft hohen Druckes im allgemeinen nicht verfügbar, so daß die Luftzyklus-Maschine durch einen Elektromotor angetrieben werden muß. Ein herkömmlicher Wechselstrom- oder Gleichstrommotor, der auf einen derartigen Bedarf ausgelegt ist, ist jedoch teuer und macht eine regelmä­ ßige Wartung der Bürstenkontakte 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. ei­ nem Passagierraum, aufgrund einer geringen Anzahl von Insassen oder einer niedrige­ ren Temperatur der umgebenden Atmosphäre reduziert ist.

Bei manchen bodengebundenen Transportfahrzeugen ist es ferner erforderlich, getrenn­ te Räume mit unterschiedlicher Volumenkapazität zu klimatisieren, beispielsweise eine Mannschaftskabine 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 Passagierraum­ system wird deshalb höher sein als der für den Motor im Mannschaftskabinensystem. Dies macht zwei unterschiedliche Größen von herkömmlichen Elektromotoren erforder­ lich, was sowohl in Hinblick auf die Kosten für die Auslegung und die Herstellung der Motoren für die Erstausstattung als auch das Bereitstellen von Ersatzmotoren für Repara­ tur und Überholung schwierig macht.

Aus der DE 31 26 061 C2 ist eine Luftzyklus-Klimaanlage bekannt, die auf die Patentin­ haberin zurückgeht, und bei der für Klimanlagen in Flugzeugkabinen eine Quelle für Versorgungsluft hohen Druckes aus einer Kompressurstufe einer Gasturbine vorhanden ist. Derartige Luftzyklus-Klimaanlagen sind jedoch für Bodentransportfahrzeuge nicht übertragbar, da sie einen extrem schlechten Wirkungsgrad besitzen und eine Energie­ quelle, z. B. eine Hochdruckeinspeisung von Luft, nicht zur Verfügung steht. Zwar war die Verwendung von Elektromotoren in Flugzeugkabinen für Bereitschafts- oder Notfälle bekannt, die dort verwendeten Elektromotoren hatten jedoch eine fest vorgegebene Drehgeschwindigkeit und eine fest vorgegebene Ausgangsleistung.

Des weiteren sind geschaltete Reluktanz-Motoren bekannt, z. B. aus EP 0 074 239 A1. Sol­ che Motoren verwenden Phasenwicklungen auf den Statorpolen, die in Reihe mit Thyri­ storen mit einer Gleichstromspeisequelle verbunden sind, wobei die Thyristoren syn­ chron mit der Bewegung des Rotors in bezug auf den Stator angeschaltet werden, damit ein Antriebsdrehmoment erzeugt wird. Die Thyristoren werden in entsprechenden Zeit­ punkten während der Rotordrehung abgeschaltet oder kommutiert, und nach der Kom­ mutierung kann der Strom in den Wicklungen frei fließen oder kann in die Speisequelle zurückgeführt werden, je nach Schaltung und Art der Steuerung.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Luftzyklus-Klimaanlage vorzuschlagen, die insbesondere für die Verwendung zur Klimatisierung von Bodentransportfahrzeugen geeignet ist. Des weiteren soll mit der Erfindung eine Luftzyklus-Klimaanlage mit einem Kompressorrad vorgeschlagen werden, die von einer Leistungsquelle angetrieben ist, die die Nachteile herkömmlicher Wechselstrom- und Gleichstrommotoren weitgehend überwindet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kompressorrad so angetrieben wer­ den, daß es einen niedrigen Absolutdruck in den Luftkanälen eines Lastwärmetauschers, der Teil eines Luftkreises der Klimaanlage ist, erzeugt.

Bei dieser Ausführungsform ist ein Einlaß in die Luftkanäle der Klimaanlage vorzugswei­ se so ausgebildet, daß expandierte Konditionierluft von einem Turbinenrad aufgenom­ men wird.

Ein Einlaß in das Turbinenrad kann zum Aufnehmen von Luft aus der umgebenden At­ mosphäre zur Verwendung als Konditionierluft, und ein Auslaß aus dem Kompressorrad zum Abgeben von Konditionierluft zurück in die umgebende Atmosphäre in einem of­ fenen Kreis der Klimaanlage ausgelegt sein.

Alternativ kann der Einlaß in das Turbinenrad über einen Wärmeaustauscher zum Auf­ nehmen von Konditionierluft aus dem Kompressorrad-Auslaß in einem im wesentlichen geschlossenen Luftkreis der Klimaanlage geschaltet sein.

Zur Erzielung einer erhöhten thermischen Kapazität im SystemKonditionierluftkreis der Klimaanlage kann der Kompressorrad-Auslaß zur Abgabe von Konditionierluft mit einem Einlaß in ein zweites Kompressorrad verbunden sein, das einen Auslaß besitzt, der zur Abgabe von Konditionierluft mit dem Turbinenrad-Einlaß über den Wärmetauscher ver­ bunden ist.

Der Lastwärmetauscher kann ferner Lastauslaßkanäle in Wärmeaustauschverbindung mit den Luftkanälen der Klimaanlage 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 Umge­ bungsluft ausgebildet.

Während bei manchen Systemen ein Motor mit konstanter Drehzahl verwendet werden kann, ist der geschaltete Reluktanz-Motor vorzugsweise ein Motor mit variabler Dreh­ zahl, wobei die Drehzahl des Kompressorrades so veränderbar ist, daß der Druckabfall am Turbinenrad verändert wird, wodurch die thermische Kapazität des Luftkreises der Klimaanlage entsprechend der gesteuert wird, die zum Extrahieren von Wärme aus der Lastluft erforderlich ist.

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

Die elektronische Steuerung kann ferner so ausgelegt sein, daß sie Signale aus einem oder mehreren Sensoren aufnimmt, die die Temperatur des Luftkreises der Klimaanlage feststellen.

Der Luftkreis der Klimaanlage kann ferner einen Lufteinlaß zum Einführen von Zusatz­ luft in den Kreis aufweisen, der ein elektronisch gesteuertes Ventil zur Steuerung der Luftmenge in der Schleife aufweist, wobei die thermische Kapazität des Kreises verän­ dert werden kann.

Die thermische Kapazität des Luftkreises kann ferner dadurch vergrößert werden, daß eine Vorrichtung zum Injizieren von Wasser in die Konditionierluft vorgesehen ist, be­ vor sie in die Luftkanäle des Lastwärmetauschers eintritt.

Bei einem eine derartige Wasserinjektionsvorrichtung aufweisenden System können Sensoren für die Wassersättigung an der Auslaßseite der Luftkanäle vorgesehen sein, um die Signale an eine die Wasserinjektion steuernde Vorrichtung abzugeben, wodurch eine Sättigung der Konditionierluft verändert werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Luftzyklus-Klimaanlage nach einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung, bei der eine Konditionierluftseite der Anlage als ein im wesentlichen trockener, geschlossener Kreis arbeitet,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Luftzyklus-Klimaanlage nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Konditionierluftseite der Anlage als nasser geschlossener Kreis arbeitet,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Luftzyklus-Klimaanlage nach einer weite­ ren Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Konditionierluftseite der Anla­ ge als ein nasser, offener Kreis arbeitet,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Luftzyklus-Klimaanlage nach einer weite­ ren Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Konditionierluftseite der Anla­ ge als ein nasser, geschlossener Kreis arbeitet, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung zweier Kurven der Leistungsabgabe in Abhängig­ keit von der Drehzahl eines mit veränderlicher Drehzahl arbeitenden geschalte­ ten Reluktanz-Motors, der in Verbindung mit den Ausführungsformen der Er­ findung verwendet wird.

Eine Luftzyklus-Klimaanlage 10 nach Fig. 1 gibt in einer Betriebsphase einen Luftstrom niedriger Temperatur zum Extrahieren von Wärme aus einer Wärmelast in einer Kabine, z. B. einem Fahrgastraum 11 eines Fahrzeuges (nicht dargestellt) ab. In vorliegender Be­ schreibung bedeutet der Ausdruck "Luft niedriger Temperatur" Luft mit einer Tempera­ tur unterhalb der von Luft der atmosphärischen Umgebung außerhalb eines Gehäuses bzw. Raumes mit einer Wärmelast, die konditioniert werden soll.

Die Anlage 10 weist einen Lastwärmetauscher 12 mit Konditionierluftkanälen (nicht dargestellt) in Querström-Wärmeaustauschbeziehung zu den Lastluftkanälen (nicht dar­ gestellt) auf. Ein Konditionierlufteinlaß 13 des Wärmetauschers 12 nimmt über eine Lei­ tung 14 einen Konditionierluftstrom auf, nachdem die Luft an einem Turbinenrad 15 entspannt worden ist. Ein Konditionierluftauslaß 16 des Wärmetauschers 12 ist über eine Leitung 17 zur Abgabe von Konditionierluft mit einer Einlaßseite eines Kompres­ sorrades 18 verbunden, das von einem geschalteten Reluktanz-Motor 19 veränderlicher Drehzahl angetrieben ist. Eine Auslaßseite des Kompressorrades 18 ist über eine Leitung 20 mit einem zweiten Kompressorrad 21 verbunden, das auf einer gemeinsamen Welle 21a mit dem Turbinenrad 15 befestigt ist. Eine Auslaßseite des Kompressorrades 18 ist über eine Leitung 22, den Wärmetauscher 23 und eine Leitung 24 mit einer Einlaßseite des Turbinenrades 15 verbunden. Die Konditionierluft strömt somit in einem geschlos­ senen Kreislauf mit dem Kompressorrad 21, dem Wärmetauscher 23 und dem Turbinen­ rad 15 in einer sog. "Bootstrap"-Anordnung. Die Kaltluft für den Wärmetauscher 23 ist Luft aus der umgebenden Atmosphäre, die Stauluft oder - insbes. 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 ge­ setzt wird. Ein motorgetriebenes Gebläse 27 ist in einem Luftauslaß 28 der Kabine an­ geordnet; der Auslaß steht mit einem Ende der Leitung 26 in Verbindung; im Betrieb erzeugt das motorgetriebene Gebläse einen Luftstrom aus der Kabine in den Ladeluftein­ laß 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 Umge­ bungsluft 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 Kabinenlufteinlaß 33 verbunden, wobei konditionierte, in Umlauf gesetzte Lastluft von dem Wärmetauscher 12 zur Kabine 11 strömt.

Ein oder mehrere Temperatursensoren, von denen nur der Sensor 34 dargestellt ist, sind innerhalb der Kabine 11 vorgesehen. Der Temperatursensor 34 ist über eine Leitung 35 zur Eingabe von die Temperatur in der Kabine 11 darstellenden Signalen mit einer elek­ tronischen Steuereinheit (ECU) 36 verbunden, die ein Computer an Bord eines Fahrzeu­ ges 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 Tempera­ tur der Luft darstellen, welche von dem Lastwärmetauscher 12 in die Kabine 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 Tur­ binenrad 15 zum Lastwärmetauscher 11 strömenden Luft darstellen, einzuführen. Die ECU ist über eine Leitung 41 zur Abgabe von Signalen mit einer elektronischen Steuer­ schaltung 42 des geschalteten Reluktanz-Motors 19 verbunden, wodurch die Motor­ drehzahl und damit die Drehzahl des Kompressorrades 18 gesteuert wird.

Ein Lufteinlaß 43 steht mit der Leitung 17 zwischen dem Luftauslaß 16 des Lastwärme­ tauschers 12 und dem Kompressorrad 18 in Verbindung, wobei Zusatzluft in den Kondi­ tionierluftkreis 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 Wassercoa­ lescer (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 die Leitung 17 zwischen der Verbindungsstelle des Lufteinlasses 43 und des Kompressorrades 18 eingeschaltet. Der Sensor 46 ist über eine Leitung 47 zur Eingabe von Drucksignalen in die ECU 36 ge­ schaltet, wodurch die Luftmenge im Konditionierluftkreis gesteuert werden kann.

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

Im Betrieb der Anlage 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 42 des geschalteten Reluktanz-Motors 19 und/oder an das elektrisch gesteuerte Ventil 44 abgegeben, um die thermische Kapazität des Konditionierluftkreises in der Weise zu steuern, daß die Abgabe konditionierter Lastluft an die Kabine zur Erzielung einer für die herrschenden Temperaturbedingungen der Umgebungsluft geeigneten Kabinentemperatur erreicht wird.

Wenn beispielsweise festgestellt wird, daß die Temperatur in der Kabine 11 über einem gewünschten Wert liegt, und die Temperatur der Luft, die von dem Lastwärmetauscher 12 in die Kabine über die Leitung 32 strömt, von dem Sensor 37 höher festgestellt wird als notwendig ist, um die Kabinenlufttemperatur auf den gewünschten Wert zu reduzie­ ren, gibt die ECU dem Motor das Signal, die Drehzahl des Kompressorrades 18 so zu erhöhen, daß der Druckabfall am Turbinenrad 15 erhöht und die Temperatur der Kondi­ tionierluft in der Leitung 14 verringert wird. Diese Luft niedrigerer Temperatur ist in der Lage, zusätzliche Wärme aus der in Umlauf gesetzten warmen Ladeluft im Wärmetau­ scher 12 zu extrahieren, so daß konditionierte Ladeluft mit der gewünschten Temperatur in die Kabine 11 strömt.

Wenn gleichzeitig die Temperatur der Konditionierluft, die in der Leitung 14 von der Turbine 15 zum Lastwärmetauscher 12 strömt, von dem Sensor 39 als unter einem vor­ bestimmten Wert, z. B. -5°C, festgestellt wird, was zu einer Vereisung im Einlaß 13 des Wärmetauschers aufgrund von Restwasserdampf in der Konditionierluft oder zum Verei­ sen in den Lastluftkanälen führen kann, wird dem elektrisch gesteuerten Ventil 44, das im Lufteinlaß 43 angeordnet ist, signalisiert, daß es öffnet, damit Zusatzluft in den Kon­ ditionierluftkreis einströmen kann. Auf diese Weise wird die Luftmenge in dem Kondi­ tionierluftkreis und damit die Konditionierkapazität des Kreises erhöht, ohne daß die Drehgeschwindigkeit des Kompressorrades 18 auf einen Wert erhöht wird, der bewirkt, daß der Druckabfall am Turbinenrad 15 so wird, daß die Temperatur der Konditionier­ luft in der Leitung 14 unter den vorbestimmten Wert fällt.

Der von der Anlage 10 benötigte 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 in der Kabine 11. Während der Kompressor und die Turbinenräder in der Lage sein müs­ sen, den maximalen Kühlbedarf, der von der Anlage benötigt wird, zu erfüllen, können sie im Idealfall eine minimale Größe haben. Diese Ausführungsform der Erfindung trägt dazu bei, diese Aufgabe zu lösen, indem ein mit veränderlicher Geschwindigkeit arbei­ tender geschalteter Reluktanz-Motor das Kompressorrad 18 über einen Drehzahlbereich antreibt. Durch Veränderung der Drehzahl des Kompressorrades 18 wird der Druckab­ fall am Turbinenrad geändert und die Kühlkapazität der Konditionierluft, die in die Konditionierluftkanäle des Lastwärmetauschers 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 Reluktanz-Motors zum Antrieb des Kompressorrades besteht darin, daß sein Wirkungs­ grad über den gewünschten Leistungs/Drehzahl-Bereich, insbesondere 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 der Konditionier­ luftkreis der Luftzyklus-Klimaanlage als nasse Schleife. Die Anlage ist ähnlich der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen ausgebildet, so daß gleiche Bauteile gleiche Be­ zugszeichen erhalten und nicht nochmals im einzelnen beschrieben werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 weist die Anlage einen Wasserspeichertank 50 und eine Wasserpumpe 51 zum Einsprühen von Wasser in den Konditionierlufteinlaß 13 des Lastwärmetauschers 12 über eine oder mehrere Sprühdüsen 52 auf, die mit der Pumpe 51 verbunden sind. Ein Wassercoalescer 53 ist in der Leitung 32 vorgesehen; er sam­ melt Wasser in der Lastluft, die in die Kabine 11 strömt; ein ähnlicher Wassercoalescer 54 ist in der Leitung 17 vorgesehen, der Wasser sammelt, das in der Konditionierluft verblieben ist, nachdem die Luft die Konditionierluftkanäle des Lastwärmetauschers pas­ siert hat. Die Wassercoalescer 53 und 54 sind mit Leitungen 55 und 56 verbunden, durch die extrahiertes Wasser an den Speichertank 15 abgeführt wird. Ein Taupunktsen­ sor 57 ist in dem Konditionierluftauslaß 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 der Luftzyklus-Klimaanlage nach dieser Ausführungsform der Erfindung kann das Kompressorrad 18 durch einen geschalteten Reluktanz-Motor 19 mit einer Dreh­ zahl betrieben werden, die einen niedrigen Absolutdruck, der vorzugsweise unter At­ mosphärendruck liegt, in den Konditionierluftkanälen und am Einlaß 13 des Lastwärme­ tauschers erzeugt. Der Sättigungspunkt der Konditionierluft wird somit erhöht und es ist möglich, eine größere Menge an Wasser aufzunehmen, als dies sonst der Fall wäre; bei gleicher Temperatur ist die Luft in der Lage, mehr Wärme aus der Lastluft zu extrahie­ ren. Der Taupunktsensor 57 überwacht die Sättigung der Luft, die von den Konditionier­ luftkanälen 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 si­ chergestellt ist, daß ausreichend Wasser in den Einlaß 13 gesprüht wird, um die Kondi­ tionierluft während des Durchströmens des Wärmetauschers vollständig zu sättigen, so daß die zusätzliche Kühlkapazität, die aufgrund der latenten Verdampfungswärme des Wassers in den Konditionierluftkanälen des Wärmetauschers verfügbar ist, ein Maxi­ mum wird.

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

Die Anlage 110 weist einen Lastwärmespeicher 112 mit Konditionierluftkanälen (nicht dargestellt) in Querström-Wärmeaustauschbeziehung mit den Lastluftkanälen (nicht dar­ gestellt) auf. Ein Konditionierlufteinlaß 113 des Wärmetauschers 112 ist über eine Lei­ tung 114 zur Aufnahme eines Stromes von Umgebungsluft aus einem Umgebungs­ lufteinlaß 115 angeschlossen. Ein Konditionierluftauslaß 116 des Wärmetauschers 112 ist über eine Leitung 117 mit einem Umgebungsluftauslaß 118 verbunden. Ein Luftex­ pansionsturbinenrad 119, das im Umgebungslufteinlaß 115 angeordnet ist, und ein Luftkompressorrad 120, das im Umgebungsluftauslaß 118 vorgesehen ist, sind auf Wel­ len 121 und 122 an entgegengesetzten Enden eines mit variabler Drehzahl arbeitenden geschalteten Reluktanz-Motors 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 Umgebungslufteinlaßleitung 127 ist mit der Leitung 125 ver­ bunden, und ein motorgetriebenes Gebläse 128 ist an einem Umgebungslufteinlaßende der Leitung 127 angeordnet, wodurch frische Luft der umgebenden Atmosphäre in die Lastluft eingeführt werden kan. Ein Lastluftauslaß 129 ist über eine Leitung 130 mit ei­ nem Kabinenlufteinlaß 131 verbunden, wobei konditionierte Lastluft von dem Wärme­ tauscher 112 zur Kabine 111 strömt.

Wassercoalescer 132 und 133 sind im Konditionierluftauslaß 116 und Lastluftauslaß 129 vorgesehen, um Wasser zu sammeln, das in der Konditionierluft und der konditio­ nierten Lastluft nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher 112 zurückgeblieben ist. Dieses Wasser wird aus den Wassercoalescern 132 und 133 über Leitungen 134, 135 an einen Speichertank 136 geführt. Sprühdüsen 137, die im Konditionierlufteinlaß 113 angeordnet sind, sind über Leitungen 138 mit dem Speichertank 136 verbunden.

Ein oder mehrere Temperatursensoren, von denen nur der Sensor 139 gezeigt ist, sind innerhalb der Kabine 111 angeordnet. Der Temperatursensor 139 ist über eine Leitung 140 zum Eingeben von Signalen, die der Temperatur in der Kabine 111 entsprechen, mit einer ECU 141 verbunden, die ein Computer 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 Sen­ sor 144, der die Temperatur in der Leitung 130 abfühlt, 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 Reluktanz-Motors 123 gelegt, wobei die Motordrehzahl und die Dreh­ zahl des Turbinenrades 119 sowie des Kompressorrades 120 gesteuert werden können.

Im Kühlbetrieb der Anlage 110 wird warme Lastluft aus der Kabine 111 durch das Ge­ bläse 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 Teil der frischen Umgebungsluft wird in die warme Lastluft über die Umgebungs­ lufteinlaßleitung 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 zurückgeführt.

Umgebende Atmosphärenluft zur Verwendung als Konditionierluft tritt in den Umge­ bungslufteinlaß 115 ein, wo sie expandiert und bei reduzierter Temperatur das Turbi­ nenrad 119 durchströmt. Die expandierte Luft strömt durch die Leitung 114 und den Konditionierlufteinlaß 113 in die Konditionierluftkanäle des Wärmetauschers 112, wo sie Wärme aus der warmen Ladeluft extrahiert. Die Konditionierluft strömt dann mit erhöhter Temperatur über den Konditionierauslaß 116 und die Leitung 117 in das Kom­ pressorrad 120, durch das es komprimiert wird, bevor es in die umgebende Atmosphäre abgegeben wird. Somit wirkt die Konditionierluftseite der Anlage als ein offener Kreis. Die Konditionierluft wird an die umgebende Atmosphäre durch das Kompressorrad ab­ gegeben, so daß ein niedriger Absolutdruck, der vorzugsweise unter Atmosphärendruck liegt, in den Konditionierluftkanälen und dem Einlaß 113 des Wärmetauschers erzeugt wird. Der Sättigungspunkt der Konditionierluft 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 Reluktanz-Motors und damit der Dreh­ geschwindigkeit der Turbinen- und Kompressorräder kann die thermische Kapazität des offenen Konditionierluftkreises so eingestellt werden, daß die gewünschte Wärmemenge aus der Lastluft, die durch die Lastluftkanäle des Lastwärmetauscher 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 gewünschte Temperatur zu konditionieren.

Eine Luftzyklus-Klimaanlage 150 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Anordnung des Lastwärmetauschers 112 einschließlich der Zirkulation von Lastluft durch den Wärmetauscher, Extraktion von Wasser aus der Konditionierluft und Lastluft, und Injektion von Wasser in die Kon­ ditionierluft 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 120 über eine Leitung 151, einen Wärmetauscher 152 und eine Leitung 153 mit der Einlaßseite des Turbinenrades 119 verbunden. Somit ist die Konditionierluftseite der Anlage bei dieser Ausführungsform der Erfindung als ein geschlossener Kreis ausgebildet, bei dem das Kompressorrad 120, 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 ei­ ne kraftbetriebene Bootstrap-Anordnung verwendet, bei der das Kompressorrad 120 und das Turbinenrad 119 durch den geschalteten 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 ge­ schalteten Reluktanz-Motors 123 durch die ECU 141 gesteuert; bei der Ausführungs­ form 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 Be­ trieb der Anlage 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 Spezifizie­ rung für jedes der Ausführungsbeispiele der Konditionieranlage nach den Fig. 1, 2, 3 und 4 verwendet werden kann. Durch Steuerung der Schaltung der Thyristoren, die ei­ nen Teil der Motorantriebsschaltung bilden, können Motorleistungsabgabe und Motor­ drehzahl so gesteuert werden, daß der für eine bestimmte Konditionieranlage erforderli­ che Bereich abgedeckt wird, und daß ferner die Antriebsdrehmomente erzielt werden, die für die verschiedenen Größen unterschiedlicher Kompressorräder erforderlich sind.

Betrachtet man beispielsweise die Konditionieranlage nach den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2, wenn sie zur Abgabe eines Stromes konditionierter Ladeluft in eine Passagierkabine verwendet werden, so verändert die in der Kabine erzeugte Wärmelast sich mit den Bedingungen der umgebenden Atmosphäre, insbesondere der Temperatur, und ferner mit der Anzahl von Passagieren, die sich in der Kabine aufhalten. Die maxi­ mal erwartete Wärmelast für eine bestimmte Größe einer Passagierkabine bestimmt die maximale Kühlkapazität, die von der Anlage gefordert wird, d. h. den Massenstrom und die Temperatur der Luft, die von dem System in der Kabine einzuspeisen ist. Die maxi­ male Wärmelast in der Kabine wird an einem heißen, sonnigen Tag bei vollständig be­ setzter Kabine erzielt. Bauteile der Anlage, wie z. B. der Lastwärmetauscher 112, die Kompressorräder 18 und 21 und das Turbinenrad 15 müssen, während sie im Idealfall eine minimale Größenabmessung haben, in der Lage sein, die von der Anlage geforder­ ten maximalen Bedürfnisse zu erfüllen.

Die maximale Kühlkapazität, die für die Klimaanlage 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 Bauteile, insbesondere das Kompressor­ rad 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 Kühl­ kapazität ab, die von der Anlage 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 einer Klimaanlage nach Fig. 2 für eine bestimmte Passagierka­ bine eines Fahrzeuges an. Die maximale Leistungsabgabe, die von dem Motor zum An­ trieb des Kompressorrades mit einer Drehzahl von 30 000 U/min für maximale Leistung benötigt wird, liegt in der Größenordnung von 45 kW. Zum unteren Ende der Kurve A hin, also dann, wenn nur eine geringe oder keine Kühlung erforderlich ist, und der Mo­ tor ohne Belastung läuft, beträgt die Leistungsabgabe, die von dem Motor benötigt wird, um das Kompressorrad 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 Reluktanz-Motor mit veränderlicher Drehzahl dargestellt, der zum Antrieb des Kompressorrades eines Luftkonditioniersystems für eine bestimmte Mannschaftskabine des gleichen Fahrzeuges benötigt wird. Die maximale Leistungsabgabe, die vom Motor benötigt wird, um das Kompressorrad bei 30 000 U/min mit maximaler Leistung der Anlage zu betreiben, liegt in der Größenordnung von 15 kW, während am unteren Ende der Kurve die erforderli­ che Leistungsabgabe in der Größenordnung von 0,25 kW liegt, um das Kompressorrad mit 8000 U/min anzutreiben. Der geschaltete Reluktanz-Motor hat bei einer Ausgangs­ leistung 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 Leistungsdrehzahlbereiches wesentlich weniger effizient ist, und dessen Wirkungsgrad bis auf 40% am Ende des Drehzahlbereiches fallen kann. Ferner ist es unwahrscheinlich, daß der unterschiedliche Bedarf der beiden Anlagen 10 und 50 durch den gleichen herkömmlichen Elektromotor erreicht werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1-4 beschränkt. Beispielsweise können die Gebläse 27 und 30 in den Ausführungsfor­ men 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 Ge­ bläse ersetzt werden, das in der Leitung angeordnet ist, die mit dem Lastlufteinlaß des Lastwärmetauschers verbunden ist.

Bei einer modifizierten Ausführungsform der Anlage 150 nach Fig. 4 ist nur das Kom­ pressorrad 120 durch den Motor 123 angetrieben, während das Turbinenrad 119 durch die Energie der komprimierten Luft angetrieben wird.

Eine nicht dargestellte Ausführungsform der Erfindung, die eine modifizierte Form der Anlage 10 nach Fig. 2 ist, weist drei Kompressionsstufen auf. Der geschaltete Reluk­ tanz-Motor ist in der Lage, zwei Kompressorräder anzutreiben, die am einen und am anderen Ende des Motors befestigt sind. Die Konditionierluft 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 Bootstrap-Anordnung für eine dritte Kompressionsstufe eingeführt wird. Die Anordnung erzeugt einen niedrigeren Absolutdruck in den Konditionierluft­ kanälen, so daß die Kühlkapazität der Anlage erhöht wird.

Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen nach der Erfindung die Anlagen so arbeiten, daß sie einen Luftstrom niedriger Temperatur für Kühlzwecke lie­ fern, kann jede dieser Anlagen auch in einer Anordnung eingesetzt werden, die bei ei­ ner anderen Betreibsart einen Luftstrom hoher Temperatur für Heizzwecke liefert. Dabei können viele der Bauteile eine Doppelfunktion haben. Insbesondere kann der geschalte­ te Reluktanz-Motor den Kompressor mit einer ersten Drehzahl antreiben, wenn eine solche Anlage in der Weise arbeitet, daß sie einen Ladeluftstrom niedriger Temperatur liefert, und ferner mit einer zweiten Drehzahl, wenn die Anlage so arbeitet, daß sie ei­ nen Ladeluftstrom hoher Temperatur liefert, d. h. Luft mit einer Temperatur über der der umgebenden Atmosphäre.

Claims (15)

1. Luftzyklus-Klimaanlage mit einem Last-Wärmetauscher, der Last-Luftkanäle in Wärmeaustauschbeziehung zu Klimaanlage-Luftkanälen aufweist, einem Einlaß zum Einspeisen von Luft in die Last-Luftkanäle, einem Auslaß zur Abgabe von Luft aus den Last-Luftkanälen in eine Kabine (11), die eine zu klimatisierende Wärme­ last aufweist, und einem Klimaanlage-Luftkreis, der die Klimaanlage-Luftkanäle und ein Kompressorrad (18) enthält, das durch einen geschalteten Reluktanz-Motor (19) angetrieben wird.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressorrad (18) so angetrieben ist, daß es einen niedrigen Absolutdruck in den Konditionier­ luftkanälen (14) eines Lastwärmetauschers (12) erzeugt, der als Teil eines Konditio­ nierluftkreises ausgebildet ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaß in die Kon­ ditionierluftkanäle (14) zur Aufnahme von expandierter Konditionierluft aus einem Turbinenrad (15) vorgesehen ist.

4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß in das Tur­ binenrad (15) so ausgebildet ist, daß Umgebungsluft zur Verwendung als Konditio­ nierluft aufgenommen wird, und daß ein Auslaß des Kompressorrades (18) so aus­ gebildet ist, daß Konditionierluft in die Umgebungsluft in einem offenen Konditio­ nierluftkreis abgegeben wird.

5. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaß in das Tur­ binenrad (15) über einen Wärmetauscher (23) so ausgebildet ist, daß er Konditio­ nierluft von einem Auslaß des Kompressorrades (21) in einem im wesentlichen ge­ schlossenen Konditionierluftkreis aufnimmt.

6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Kom­ pressorrades (18) so ausgebildet ist, daß er Konditionierluft an einen Einlaß in ein zweites Kompressorrad (21) liefert, dessen Auslaß zur Abgabe von Klimaluft an den Turbinenradeinlaß über den Wärmetauscher (23) geschaltet ist.

7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (12) Lastluftkanäle (26) in Wärmeaustauschbeziehung zu den Kon­ ditionierluftkanälen (14) aufweist, wobei ein Auslaß (31) aus den Lastluftkanälen mit einem Einlaß (13) einer Kabine (11) verbindbar ist, die eine zu konditionierende Wärmelast darstellt.

8. Klimaanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaß (25) in die Lastluftkanäle (26) mit einem Auslaß aus der Kabine (11) verbindbar ist, wobei wie­ der in Umlauf gebrachte Lastluft von der Kabine zu den Lastluftkanälen strömt.

9. Klimaanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (25) in die Lastluftkanäle (26) zur Aufnahme von frischer Umgebungsluft geschaltet ist.

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

11. Klimaanlage nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuer­ schaltung (36), die Signale aus Sensoren (34, 48, 37) aufnimmt, die die Temperatur in einer zu konditionierenden Kabine (11) abfühlen, und die zur Abgabe von Steu­ ersignalen an den Motor (19) zur Änderung der Motordrehzahl geschaltet sind.

12. Klimaanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerschaltung (36) zur Aufnahme von Signalen aus einem oder mehreren Senso­ ren (39) geschaltet ist, die die Temperatur im Konditionierluftkreis abfühlen.

13. Klimaanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konditio­ nierluftkreis einen Lufteinlaß (43) zum Einführen von Zusatzluft in den Kreis (20) aufweist, wobei der Lufteinlaß ein elektronisch gesteuertes Ventil (44) zur Steue­ rung der Luftmenge im Kreis enthält, um die thermische Kapazität des Kreises zu verändern.

14. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 2-13, gekennzeichnet durch eine Vorrich­ tung (52) zum Injizieren von Wasser in die Konditionierluft (13), bevor sie in die Konditionierluftkanäle des Lastwärmetauschers (12) eintritt.

15. Klimaanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wassersätti­ gungs-Sensor (57) an der Auslaßseite (16) der Konditionierluftkanäle vorgesehen ist, um Signale an die die Wasserinjektionsvorrichtung (52) steuernde Vorrichtung (51) abzugeben, wodurch der Sättigungsgrad der Konditionierluft verändert werden kann.