DE4339255C2 - Luftzyklus-Klimaanlage - Google Patents
Luftzyklus-KlimaanlageInfo
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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.
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