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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage und mehr
im einzelnen auf eine derartige Anlage für ein Luftfahrzeug.
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Es
ist ein Erfordernis in einem Luftfahrzeug, kühle Luft in eine unter Druck
stehende Kabine davon zuzuführen.
Normalerweise wird die Kabinenluft rezirkuliert, wobei ein Teil
der Luft aufgefrischt wird mittels Luft, die von außerhalb
des Luftfahrzeugs erhalten wird.
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In
typischer Weise wird solche Außenluft
von einer Maschine des Luftfahrzeugs abgezweigt und wird auf diese
Weise unter Druck gesetzt. Solche Luft muß gefiltert und gekühlt werden,
bevor sie mit zirkulierender Luft gemischt werden kann, um sie in
die Kabine des Luftfahrzeugs zum Atmen und für die Aufrechterhaltung eines
angenehmen Zustands einzuleiten.
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Es
ist bekannt, die Luft dadurch abzukühlen, daß Wärme in der heißen, unter
Druck stehenden Luft mit kühlerer
Umgebungsluft ausgetauscht wird. Dies kann in wirksamer Weise dadurch
erreicht werden, daß die
abgezweigte Luft zunächst
komprimiert wird, um ihre Temperatur und ihren Druck zu erhöhen, bevor
die Luft abgekühlt
wird. Außerdem
ist es bekannt, die Luft weiter abzukühlen, dadurch daß die Luft über eine
Expansionsturbine entspannt wird, was ebenfalls zu einem gewissen
Druckverlust bei der komprimierten Luft führt. Ein solches System ist bspw.
aus der
US 4,262,495 bekannt.
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Bei
herkömmlichen
Systemen wird warme Kabinenluft aus der Klimaanlage ausgestoßen, und der
Verlust an Volumen wird durch die abgekühlte klimatisierte abgezweigte
Luft ausgeglichen. Auf diese Weise wird die Wärmeenergie der warmen Kabinenluft,
die ausgestoßen
wird, als Abwärme
behandelt bzw. verschwendet.
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Insbesondere
dann, wenn ein Luftfahrzeug auf dem Boden unter heißen klimatischen
Bedingungen geparkt ist, kann die Kabinenluft sehr heiß werden,
und es kann bei Verwendung einer herkömmlichen Klimatisierungsanlage
einige Zeit benötigen, nachdem
die Klimaanlage gestartet worden ist, d.h. wenn der Motor oder die
Motoren des Luftfahrzeugs gestartet worden sind, oder wenn eine
bodenbasierte Unterstützungseinheit
verwendet wird, um Luft für
die Klimaanlage bereitzustellen, bis die Kabinenluft auf eine wünschenswerte
Temperatur abgekühlt
worden ist. Auf diese Weise kann es sein, daß eine beträchtliche Menge an Wärmeenergie
verschwendet wird.
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Luftfahrtsysteme
wie etwa elektronische, hydraulische und andere Systeme erzeugen
im Gebrauch Wärme,
und zumindest manche derartige Systeme, insbesondere elektronische
Systeme, benötigen
eine Kühlung,
um die Systemkomponenten vor einer Beschädigung durch Wärme zu schützen. Wiederum
wird Wärmeenergie
durch herkömmliche, in
der Luftfahrt verwendete Kühlsysteme
als Abfall behandelt und auf diese Weise verschwendet.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Klimasystem bzw. eine
Klimaanlage für
ein Luftfahrzeug gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Auf
diese Weise wird mit Hilfe einer Expansionsturbine, die effizienter
arbeitet, um Luft abzukühlen,
während
sie den Verlust an Luftdruck minimiert, die in der Kabinenluft enthaltene
Abwärme
in nutzbringender Weise verwendet, um Energie bereitzustellen, um
den Kühlungswirkungsgrad
der Expansionsturbine zu verbessern.
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Das
System kann einen Wärmetauscher
aufweisen, in dem eine Wärmelast
von einem heißen Luffahrtsystem
mit der warmen, unter Druck stehenden Luft ausgetauscht wird, bevor
die unter Druck stehende Luft durch die Entspannungsturbine entspannt
wird, so daß die
Abwärme,
die durch das Luftfahrtsystem erzeugt wird, in nutzbringender Weise verwendet
wird, um Energie bereitzustellen, um den Kühlungswirkungsgrad der Entspannungsturbine
zu verbessern.
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In
einer ersten Betriebsart kann die Wärmelast von der warmen Kabinenluft
mit der warmen, unter Druck stehenden Luft ausgetauscht werden,
bevor die unter Druck stehende Luft durch die Entspannungsturbine
entspannt wird, und in einer zweiten Betriebsart kann die Wärmelast
von einem heißen Luftfahrtsystem
mit der warmen, unter Druck stehenden Luft ausgetauscht werden,
bevor die unter Druck stehende Luft durch die Entspannungsturbine
entspannt wird.
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Es
sei darauf verwiesen, daß beim
Start des Motors des Luftfahrzeugs, wenn die Kabinenluft wesentlich
wärmer
sein kann als gewünscht,
die Klimaanlage in der ersten Betriebsart betrieben werden kann,
während
dann, wenn die Kabinenluft in Richtung auf eine gewünschte Temperatur
abgekühlt
worden ist, die Klimaanlage in der zweiten Betriebsart betrieben
werden kann. Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Betreiben einer Klimaanlage nach Anspruch 3 bereitgestellt.
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Wenn
das System mit einem Wärmetauscher
versehen ist, in dem eine Wärmelast
mit der warmen, unter Druck stehenden Luft ausgetauscht wird, bevor
die unter Druck stehende Luft in der Entspannungsturbine entspannt
wird, umfaßt
das Verfahren in einer ersten Betriebsart, daß die Wärmelast, bei der es sich um
die heiße
Kabinenluft handelt, an den Wärmetauscher
geliefert wird, und in einer zweiten Betriebsart, daß die Wärmelast
von dem heißen
Luftfahrtsystem an den Wärmetauscher
geliefert wird.
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Auf
diese Weise stellt die Erfindung eine Klimaanlage bereit, bei der
die Kontrolle des Kabinenluftstroms und der Wärmelasten eines Luftfahrtsystems
integriert sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
erläuternde
Darstellung einer Klimaanlage gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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2 eine
erläuternde
Darstellung eines Teils des Systems zeigt, das in 1 dargestellt
ist, aber modifiziert und im Betrieb in einer ersten Betriebsart;
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3 eine
erläuternde
Darstellung eines Teils des Systems zeigt, das in 2 dargestellt
ist, aber modifiziert und im Betrieb in einer zweiten Betriebsart;
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4 eine
erläuternde
Darstellung eines Teils des Systems zeigt, das in 2 und 3 dargestellt
ist, allerdings modifiziert und im Betrieb in einer alternativen
zweiten Betriebsart;
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5 eine
erläuternde
Darstellung eines Teils eines Systems gemäß der Erfindung zeigt, in alternativer
Weise modifiziert und mit einer einstufigen Kompression und Kühlung;
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6 zeigt
das System nach 1, das in einer alternativen
Betriebsart arbeitet;
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7 eine
erläuternde
Darstellung einer weiteren Modifikation des Systems nach 1 zeigt; Unter
Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen umfaßt eine
Klimaanlage 10 für
ein Luftfahrzeug einen Staudruck-Lufteinlaß 11, durch den umgebende
Luft in das System eingeleitet wird, wenn sich das Luftfahrzeug
im Flug befindet, wobei die Stauluft im wesentlichen aufgrund der
Bewegung des Luftfahrzeugs durch die Luft in das System 10 gedrückt wird.
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Das
System weist weiterhin einen anderen Lufteinlaß 12 für Luft auf,
die von dem Motor abgezweigt wird. Solche abgezweigte Luft ist wärmer als die
Stauluft, und sie steht unter Druck. Die wärmere abgezweigte Luft von
dem Einlaß 12 wird
an einen primären
Wärmetauscher 16 geleitet,
in dem die Wärme
mit der kühleren
Stauluft von dem Staulufteinlaß 11 ausgetauscht
wird. Die kühlere
Stauluft von dem Staulufteinlaß 12 wird
weiterhin dazu verwendet, um heiße Luft in einem sekundären Wärmetauscher 18 zu
kühlen,
wie nachfolgend noch beschrieben wird. Die auf diese Weise aufgewärmte Stauluft geht
dann an die Umgebung zurück,
mit der Unterstützung
von Gebläsen 19, 20,
wie nachfolgend noch beschrieben wird.
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Die
Gebläse 19, 20 bilden
eine Unterstützung,
um Stauluft durch den Staulufteinlaß 12 einzuziehen,
insbesondere dann, wenn sich das Luftfahrzeug auf dem Boden befindet,
bspw. wenn das Luftfahrzeug eine Taxifahrt ausführt.
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Die
Klimaanlage 10 ist mit einer zweistufigen Kompressor- und
Turbinenanordnung versehen. In einen Kompressionsabschnitt der Anlage 10 wird
die gekühlte
abgezweigte Luft zunächst über eine
Leitung 22 von dem primären
Wärmetauscher 16 an
einen Niederdruckkompressor 23 geleitet, der die abgezweigte
Luft auf diese Weise unter Druck setzt und eine Erwärmung davon
bewirkt. Von dem Niederdruckkompressor 23 wird die unter
Druck gesetzte und erwärmte
Luft entlang einer Leitung 24 an einen Hochdruckkompressor 25 geleitet,
wo die Luft weiterhin unter Druck gesetzt und erwärmt wird.
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Die
hieraus resultierende, unter hohem Druck stehende und heiße Luft
wird entlang einer Leitung 27 an den sekundären Wärmetauscher 18 geleitet,
und von dem sekundären
Wärmetauscher 18 gelangt
die abgekühlte,
nunmehr warme, unter hohem Druck stehende Luft entlang einer Leitung 29 an
einen Kühlabschnitt
der Anlage 10. Die warme, unter Druck stehende Luft wird
von der Leitung 29 an einen Hochdruck-Wasserabscheider 31 geleitet, über einen erneut
aufwärmenden
Wärmetauscher,
der mit 30 bezeichnet ist, indem die warme, unter Druck
stehende Luft geringfügig
abgekühlt
wird, zu einem Zweck, der nachfolgend noch erläutert wird.
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Die
warme, unter Druck stehende Luft wird dann über eine Leitung 32 zu
einer ersten, hochdruckseitigen Entspannungsturbine 34 geleitet,
in der die warme, unter Druck stehende Luft entspannt wird und abgekühlt wird.
Von der Hochdruckturbine 34 wird die abgekühlte, aber
immer noch warme, unter einem niedrigeren Druck stehende Luft entlang
einer Leitung 35 an einen Mitteldruck-Wasserabscheider 36 geleitet,
um die Luft weiter zu trocknen, und die unter mittlerem Druck stehende,
getrocknete Luft gelangt dann über
einen Lastwärmetauscher 38,
in dem die Luft aufgewärmt
wird, und über
den erneut aufwärmenden
Wärmetauscher 30,
in dem sie weiterhin aufgewärmt
wird, über
eine Leitung 40 zu einer zweiten, niederdruckseitigen Entspannungsturbine,
in dem die Luft weiterhin und erheblich abgekühlt wird und ihr Druck reduziert
wird. Die kalte Luft gelangt von der zweiten Entspannungsturbine 41 über eine Leitung 42 zu
einer Mischbox 43, von der die Luft zu einer Kabine 44, 45 des
Luftfahrzeugs zugeführt
wird. Zwei Leitungen sind dargestellt, die von der Mischbox zu entsprechenden
Teilen der Kabine 44, 45 führen, bspw. zu einem Hauptteil
der Kabine und zu dem Flugdeck des Luftfahrzeugs. Luft, die von
der Kabine 44, 45 des Luftfahrzeugs über eine
Rezirkulationsschleife 46 mit dem Gebläse 60 rezirkuliert
wird, wird mit der kalten Luft von der Leitung 42 in der
Mischbox 43 gemischt. Ein Auslaß für verbrauchte Luft von der Kabine 44, 45 an
die umgebende Atmosphäre
ist mit 47 bezeichnet, einschließlich eines Ventils zum Steuern
eines solchen Auslasses.
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In
diesem Beispiel sind der niederdruckseitige Kompressor 23 und
die zweite niederdruckseitige Turbine 41 auf einer gemeinsamen
Welle 51 getragen, so daß die komprimierte Luft, die über die
Turbine 41 entspannt wird, den niederdruckseitigen Kompressor 23 antreibt.
Weiterhin ist ebenfalls eines (20) der Gebläse 19, 20,
welches so wirkt, daß es
aufgewärmte
Stauluft von der Anlage 10 ausstößt, ebenfalls auf der Welle 51 angeordnet
und wird auf diese Weise durch die sich entspannende komprimierte Luft
angetrieben.
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Die
erste hochdruckseitige Entspannungsturbine 34 ist auf einer
Welle 50 getragen, auf der der hochdruckseitige Kompressor 25 und
das andere Gebläse 19 getragen
sind, so daß der
hochdruckseitige Kompressor 25 und das Gebläse 19 durch
die unter Druck stehende Luft angetrieben werden, die über die
erste Turbine 34 entspannt wird.
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Es
ist anhand der Zeichnungen ersichtlich, daß sich in dem Kompressorabschnitt
der Anlage 10 ein von einem Ventil gesteuerter Bypaß 53 von
der Leitung 22 zu dem ersten Kompressor 23 zu
der Leitung 24 zwischen dem niederdruckseitigen Kompressor 23 und
dem hochdruckseitigen Kompressor 25 befindet, und ein weiterer
von einem Ventil gesteuerter Bypaß 54 von der Leitung 24 zu
der Leitung 27 von dem hochdruckseitigen Kompressor 25,
so daß der
hochdruckseitige Kompressor 25 umgangen werden kann, je
nachdem wie das Ventil dies zuläßt. Außerdem befindet
sich ein von einem Ventil gesteuerter Bypaß 55 von der Leitung 27 zu
der Leitung 29 von dem zweiten Wärmetauscher 18.
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In
dem Kühlabschnitt
der Anlage 10 befindet sich ein von einem Ventil gesteuerter
Bypaß 56 von der
Leitung 32 zu der ersten Turbine 34 zum dem Auslaß der Turbine 34,
ein von einem Ventil gesteuerter Bypaß 57 von der Leitung 29 von
dem zweiten Wärmetauscher 18 zu
der Auslaßleitung 35 von
der ersten Turbine 34, und ein von einem Ventil gesteuerter
Bypaß 58 von
der Leitung 40 zu der zweiten Entspannungsturbine 41 zu
der Kaltluftleitung 42 von der zweiten Entspannungsturbine 41.
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Die
Ventile der Bypässe 53, 54, 55, 56, 57 und 58 können durch
eine Systemsteuerung, die in 1 nicht
dargestellt ist, gesteuert werden, um die Anlage 10 in
unterschiedlichen Betriebszuständen auszugleichen,
und um sicherzustellen, daß die
kalte Luft, die in die Mischbox 43 eintritt, eine gewünschte Temperatur
und einen gewünschten
Druck aufweist. Wenn gewünscht,
kann es sich bei den Ventilen in den Bypässen 53, 54 um
einfache Rückschlagventile handeln.
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Es
sei darauf verwiesen, daß dann,
wenn sich das Luftfahrzeug auf dem Boden befindet, insbesondere
in heißen
Klimazonen, die Kabinentemperatur erheblich ansteigen kann, bspw.
auf 55°C.
In herkömmlicher
Weise ist beim Hochfahren des Systems solche heiße Kabinenluft einfach rezirkuliert
worden, bis die Luft dadurch abgekühlt worden ist, daß sie mit kalter
Luft in der Mischbox 43 gemischt worden ist, bis auf eine
gewünschte
Kabinentemperatur. Auf diese Weise geht die Wärme der Kabinenluft aus der
Anlage 10 verloren. Ein Teil der Luft in der Kabine 44, 45 kann
an die Umgebung abgegeben werden, wie angegeben ist, durch den Auslaß 47,
so daß ein
Teil der Kabinenluft 44 durch die Luft von der Klimaanlage 10 aufgefrischt
wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt die Anlage 10 ein Mittel zur Wiedergewinnung
von Wärmeenergie
von warmer Kabinenluft bereit.
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Kabinenluft
wird aus der Kabine 44 mit der Unterstützung des Gebläses 60 rezirkuliert,
und ein Teil der heißen
Kabinenluft kann auf diese Weise durch ein Ventil 64 über eine
Leitung 62 zu dem Lastwärmetauscher 38 abgezweigt
werden, durch den die unter mittlerem Druck stehende Luft von der
ersten Entspannungsturbine 34 hindurchgeht. Auf diese Weise
wird die Wärme
von der warmen Kabinenluft dazu verwendet, um die abgekühlte, unter
mittlerem Druck stehende Luft aufzuwärmen, bevor diese an die zweite
Entspannungsturbine 41 gelangt.
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Dies
ist zweckmäßig, weil
eine Entspannungsturbine mit größtem Wirkungsgrad
dann arbeitet, wenn heißere
Luft abgekühlt
wird, ohne daß Druck
verloren geht. Auf diese Weise wird die unter mittlerem Druck stehende
abgekühlte
Luft von der ersten Entspannungsturbine 34 durch die warme
Kabinenluft in dem Lastwärmetauscher 38 aufgeheizt, so
daß die
zweite Entspannungsturbine 41 bei größtem Wirkungsgrad arbeiten
kann, beim Erzeugen von kalter Luft zum Mischen mit rezirkulierter
Kabinenluft in der Mischbox 43. Wärme, die von dem Lastwärmetauscher 38 und/oder
dem erneut aufheizenden Wärmetauscher 30 zurückgewonnen
wird, kann von der ersten Turbine 34 dazu eingesetzt werden,
ihre Drehzahl zu erhöhen,
ihr Druckverhältnis
zu vergrößern und
die Entspannung von Luft über
die Turbine hinweg zu verstärken.
Dies bietet mehr Kühlung
bei einem gegebenen Massenstrom.
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Es
ist aus dem gleichen Grunde, daß der
erneut aufwärmende
Wärmetauscher 30 vorgesehen ist,
um die warme Luft von dem sekundären
Wärmetauscher 18 aufzuwärmen, bevor
diese Luft an die erste Entspannungsturbine 34 geleitet
wird.
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Wenn
sich die Kabine 44 des Luftfahrzeugs in Richtung auf eine
gewünschte
Temperatur abgekühlt
hat, kann es sein, daß die
Kabinenluft nicht mehr in die Leitung 62 abgeleitet wird.
Die Menge von Kabinenluft, wenn überhaupt
vorhanden, die in die Leitung 62 abgezweigt wird, kann
durch das Ventil 64 unter der Steuerung der Systemsteuerung
gesteuert werden.
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Allerdings
können
dann, wenn das Luftfahrzeug verwendet wird, andere Luftfahrtsysteme 68 des
Luftfahrzeugs Wärme
erzeugen. Bei diesen Systemen 68 kann es sich bspw. um
Navigations- oder andere instrumentelle Systeme, hydraulische, elektronische
oder jegliche andere Systeme handeln, die Wärme erzeugen. Zumindest einige
dieser Systeme, insbesondere elektronische Systeme, erfordern eine Kühlung.
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Während in
herkömmlicher
Weise diese Wärme,
die durch ein Luftfahrtsystem 68 erzeugt wird, nach dem
Kühlen
verloren ist, kann bei der vorliegenden Erfindung zumindest ein
Teil von dieser Wärmeenergie
in nutzbringender Weise verwendet werden, dadurch daß ein Kühlmittel
wie etwa Luft in einer wärmetauschenden
Beziehung mit dem Luftfahrtsystem 68, das gekühlt werden
soll, entlang einer Leitung 70, einschließlich eines
Rückschlagventils 75,
zu dem Lastwärmetauscher 38 geleitet
wird. Ein Gebläse 72 in
der Leitung 70 wird betrieben, um die Menge der Kühlung des
Luftfahrtsystems 68 zu regulieren, in Abhängigkeit
von der Temperatur des Systems 68 und davon, ob Kabinenluft
ebenfalls an den Lastwärmetauscher 38 geleitet
wird. Die Rückleitung
von dem Lastwärmetauscher 38 ist
mit einer Leitung 66 versehen, die von dieser abzweigt,
um zu einem Ventil 65 zu führen, wo sie an die Rezirkulationsschleife 46 angeschlossen
ist.
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Bei
normalem Flug, wenn die Kabine 44 auf eine gewünschte Temperatur
abgekühlt
worden ist, kann diese Temperatur ohne weiteres aufrechterhalten
werden, ohne daß Kabinenluft
an den Luftwärmetauscher 38 abgeleitet
wird, und auf diese Weise kann im Flug, wenn die Luftfahrtsysteme 68 die
meiste Wärme
erzeugen, der Lastwärmetauscher 68 diese
Wärmeenergie
zurückgewinnen,
wie beschrieben worden ist.
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Zahlreiche
Modifikationen können
vorgenommen werden, ohne daß der
Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Insbesondere weist
das System 10, das beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt
worden ist, eine Niederdruck-Klimatisierungsmaschine auf, die durch
die Welle 51 und den ersten Kompressor 23 und
die zweite Entspannungsturbine 41 gebildet werden, und eine
Hochdruck-Klimatisierungsmaschine, die durch die Welle 50,
den zweiten Kompressor 25 und die erste Entspannungsturbine 34 gebildet
wird, wobei jede Maschine auf einer gemeinsamen Welle 51, 51 ein
entsprechendes Gebläse 20, 19 aufweist.
Bei einer anderen Anordnung kann es sein, daß lediglich ein Gebläse 19, 20 vorgesehen
ist, wobei die Kompressoren 23, 25 und die Entspannungsturbinen 34, 41 in
anderer Weise als auf jeweiligen gemeinsamen Wellen 50, 51 vorgesehen
sind, oder die Kompressoren 23, 25 und die Entspannungsturbinen 34, 41 können alle
auf einer einzigen Welle vorgesehen sein.
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Obwohl
der erneut erwärmende
Wärmetauscher 30 in
bevorzugter Weise vorgesehen ist, ist dies nicht wesentlich, wie
durch die Ausführungsform erläutert wird,
die unter Bezugnahme auf 5 nachstehend beschrieben wird.
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Ein
Teil der Kabinenluft 44 kann abgeleitet werden, um eine
Auffrischung der Luft auf andere Weise zu ermöglichen als über den
Auslaß 47,
wie vorstehend beschrieben.
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Wie
oben beschrieben worden ist, wird entweder die warme Kabinenluft
an den Lastwärmetauscher 38 abgezweigt,
wenn sich die Kabinenluft oberhalb eines gewünschten oder vorbestimmten
Temperaturbereichs befindet, in einer ersten Betriebsart, oder die Wärmelast
von dem heißen
Luftfahrtsystem 68 wird in einer zweiten Betriebsart an
den Lastwärmetauscher 38 bereitgestellt.
Wenn gewünscht,
kann die Wärmelast
von der Kabinenluft und dem Luftfahrtsystem 68 an den Lastwärmetauscher 38 bereitgestellt
werden, während
einer Übergangsphase,
bevor sich die Kabinenluft auf einen Wert unterhalb des vorbestimmten
Temperaturbereichs abgekühlt
hat und während
das Luftfahrtsystem 68 heißer ist als eine andere vorbestimmte
Temperatur.
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Die
Ventile 64, 65, die in dem obigen System dargestellt
sind, können
modulierende Ventile einer geeigneten Bauart sein, und sie können in
Bezug auf ihren Betrieb gesteuert sein, damit sie in einer vorbestimmten
Beziehung zueinander arbeiten.
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Wenn
dies gewünscht
wird, kann eine zusätzliche
Kühlung
für die
Kabinenluft 44, 45 und/oder für das bzw. die Luftfahrtsystem(e) 68 bereitgestellt werden,
so daß lediglich
ein Teil der Wärme
der Kabinenluft bzw. des Luftfahrtsystems oder der Luftfahrtsysteme
dazu verwendet wird, um die warme, unter Druck stehende Luft in
dem Lastwärmetauscher 38 aufzuwärmen.
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Nunmehr
sei auf 2 und 3 Bezug
genommen, in denen ein Teil der Klimaanlage nach 1 dargestellt
ist, wobei die Anlage allerdings modifiziert ist. Allerdings sind ähnliche
Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 zum
Zwecke der Erleichterung des Verständnisses bezeichnet.
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In 2 wird
die Anlage 10 in einer ersten Betriebsart betrieben, wobei
sich das Luftfahrzeug üblicherweise
auf dem Boden befindet, während
die Anlage 10 in 3 in einer
zweiten Betriebsart arbeitet, wobei sich das Fahrzeug im Flug befindet.
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Unter
Bezugnahme auf 2 sind das Abzweigventil 64,
welches einen Teil der Kabinenluft 44, 45 an die
Leitung 62 des Lastwärmetauschers 38 abzweigt,
und das Ventil 65, welches ermöglicht, daß abgekühlte, abgezweigte Luft an die
Mischbox 43 zurückgeführt wird,
entfallen. Außerdem
ist anstelle eines eine einzige Stufe aufweisenden Lastwärmetauschers 38 ein
zweistufiger Lastwärmetauscher 38a, 38b vorgesehen,
durch den unter Druck stehende, warme Luft aus der Leitung 35 bereitgestellt
wird, und von dem die weitere erwärmte Luft über einen weiteren Wärmetauscher 30 an
die Entspannungsturbine 41 zugeführt wird, wie in 1 dargestellt
ist.
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Anstelle
der Abzweig- und Rückführventile 64, 65 ist
eine Leitung 62a von der Kabine 44, 45 in einen
Kühlkreis 100 vorgesehen,
in dem der zweistufige Lastwärmetauscher 38a, 38b vorgesehen
ist. Ein Ventil 101 in der Leitung 62a, welches
in dieser Betriebsart geöffnet
ist, kann unter der Kontrolle der Systemsteuerung C geöffnet oder
geschlossen werden.
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Kabinenluft,
die in dem Kühlkreis 100 durch den
zweistufigen Lastwärmetauscher 38a, 38b abgekühlt wird,
kann über
eine Einlaßleitung 103 zu
der Kabine 44, 45 zurückgeführt werden, wobei in der Einlaßleitung 103 ein
Ventil 104 vorhanden ist, welches durch die Systemsteuerung
C gesteuert wird, so daß es
in dieser Betriebsart geöffnet
ist.
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Es
sei darauf verwiesen, daß die
Ventile 101 und 104 einfache zu öffnende
und zu schließende Ventile
sein können,
daß es
sich hierbei allerdings in bevorzugter Weise um modulierende oder
proportionale Ventile handelt, so daß der Anteil an Kabinenluft, der
an den Kühlkreis 100 bereitgestellt
wird, in Abhängigkeit
von der Temperatur der Kabinenluft oder anderen Kriterien der Anlage 10 eingestellt
werden kann.
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Außerdem kann
das Gebläse 60,
welches vorgesehen ist, um warme Luft aus der Kabine 44, 45 abzuziehen
und um die Luft an die Mischbox 43 zu liefern, zur Mischung
mit kalter Luft aus der Entspannungsturbine 41 durch die
Systemsteuerung C gesteuert werden, um eine gewünschte Rate des Luftabzugs
für die
Parameter des Systems 10 bereitzustellen.
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Es
wird deutlich, daß kein
abschottendes Ventil oder ähnliches
vorgesehen ist, um die Strömung
von Luft zu und von dem Luftfahrtsystem 68 in diesem Beispiel
zu verhindern, sondern daß jegliche derartige
Luftströmung
nur geringe Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Anlage 10 haben
wird, die Kabinenluft 44, 45 schnell abzukühlen, da
die Wärmelast
des Luftfahrtsystems 68, die bspw. durch ein oder mehrere
Luftfahrtsysteme des Luftfahrzeugs erzeugt wird, beim anfänglichen
Hochfahren gering ist. Die Positionierung des Rückschlagventils 71a in
dem Kühlkreis
in dem Strom von dem zweistufigen Lastwärmetauscher 38a, 38b trägt dazu
bei, daß sichergestellt
wird, daß jeglicher
Luftstrom zu dem Luftfahrtsystem 68 der allgemeinen Richtung
des Luftstroms in dem Kühlkreis 100 folgen
wird.
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Das
Gebläse 72,
welches vorgesehen ist, um den Luftstrom um den Kühlkreis
herum zu erzeugen bzw. zu erleichtern, wird durch die Systemsteuerung C
gesteuert.
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Ausgehend
von der Mischbox 43 ist weiterhin eine Leitung 105 vorgesehen,
in der sich ein Steuerventil 106 befindet, wobei sich die
Leitung 105 zu dem Kühlkreis 100 erstreckt.
In der ersten Betriebsart, die in 2 dargestellt
ist, ist das Ventil 106 geschlossen, und auf diese Weise
strömt
sämtliche Luft
von der Mischbox 43 zu der Kabine 44, 45.
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Nunmehr
sei auf 3 der modifizierten Anlage 10 gemäß 2 Bezug
genommen, in der diese in einer zweiten Betriebsart arbeitend dargestellt
ist, in der sich das Luftfahrzeug normalerweise im Flug befindet
und wobei die Kabine 44, 45 auf einen gewünschten
Temperaturbereich abgekühlt
wird. In dieser Weise sind die Ventile 101 und 104 zu
und von dem Kühlkreis 100 durch
die Systemsteuerung C geschlossen worden, so daß die Kabinenluft innerhalb des
gewünschten
Temperaturbereichs gehalten wird, dadurch daß die Kabinenluft in der Mischbox 43 mit kalter
Luft aus der Leitung 42 von der Entspannungsturbine 41 gemischt
wird, wobei das Gebläse 60 durch
die Systemsteuerung C so betrieben wird, daß eine zweckentsprechende Luftströmung zu
der Mischbox 43 erfolgt. So wie dies bei der Anordnung nach 1 der
Fall ist, muß ein
Teil der Kabinenluft in beiden Betriebsarten, die in 2 und 3 dargestellt
sind, aus der Kabine 44, 45 abgezogen werden und
an die umgebende Atmosphäre
geleitet werden, über
einen durch ein Ventil gesteuerten Auslaß, der in 1 und 2 oder 3 nicht
dargestellt ist.
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In
der Betriebsart, die in 3 dargestellt ist, erzeugt das
Luftfahrtsystem bzw. die Luftfahrtsysteme 68 eine Wärmelast,
die eine Kühlung
erfordert. Auf diese Weise wird warme Luft von der Wärmelast des
Luftfahrtsystems oder der Luftfahrtsysteme 68 um den Kühlkreis 100 mittels
des Gebläses 72 herum zirkuliert,
durch die zweistufigen Lastwärmetauscher 38a, 38b,
wobei die heiße
Luft die warme, unter einem mittleren Druck stehende Luft aufwärmt, bevor diese
Luft an die Entspannungsturbine 41 geliefert wird.
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Wiederum
wird bei dieser zweiten Betriebsart das Ventil 106 der
Leitung 105 von der Mischbox 43 zu dem Kühlkreis 100 geschlossen,
so daß sämtliche
kalte Luft aus der Entspannungsturbine 41, die mit der
Kabinenluft gemischt wird, der Kabine 44, 45 zugeführt wird.
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Es
sei darauf verwiesen, daß,
wie dies bei der Ausführungsform
nach 1 der Fall ist, die Anlage 10, die wie
in 2 und 3 dargestellt modifiziert ist,
in einer Übergangsphase
betrieben werden kann, wobei sowohl ein Teil der Kabinenluft und
ein Teil der heißen
Luft von dem Luftfahrtsystem bzw. den Luftfahrtsystemen 68 in
dem Kühlkreis 100 verwendet
wird, um die warme, unter einem mittleren Druck stehende Luft in
den Wärmetauschern 38a, 38b aufzuwärmen, wobei
die Steuerung hierfür
durch die Systemsteuerung C erfolgt.
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In
den beschriebenen Ausführungsformen nach 1 bis 3 wird
die Kabine 44, 45 entweder dadurch unter Druck
gesetzt, daß sie
sich auf Bodenniveau befindet, oder die Kabine 44, 45 wird
während
des Flugs unter Druck gesetzt. Auf diese Weise wird die Luft innerhalb
der gesamten Anlage 10 durch den Kompressor oder die Kompressoren 23, 25 so unter
Druck gesetzt, daß die
Luft nach der Entspannung und Abkühlung über die Entspannungsturbine oder
Entspannungsturbinen 34, 41 hinweg immer noch
einen Druck oberhalb des niedrigen Umgebungsdrucks aufweist. Auf
diese Weise steht die Luft, die in die Kabine 44, 45 eingeleitet
wird, in einem angemessenen Maße
unter Druck, um bspw. in der Kabine eingeatmet zu werden.
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Allerdings
kann die Anlage 10 in einer alternativen zweiten Betriebsart
betrieben werden, d.h. wobei sich das Luftfahrzeug im Flug (in großer Höhe) befindet.
Eine solche Betriebsart ist in 4 erläutert.
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Bei
dieser Anordnung steht die Kabine 44, 45 nicht
unter Druck oder steht zumindest unter einem niedrigeren Druck als
in den vorstehend beschriebenen Betriebsarten. Als Beispiel kann
die Kabine 44, 45 zur Atmosphäre hin geöffnet werden, so daß es sein
kann, daß sie
keine Kühlung
benötigt.
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Dies
kann wünschenswert
sein, um das Abwerfen von Gegenständen, Fallschirmspringern usw. aus
der Kabine 44, 45 zu ermöglichen.
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Die
Besatzung des Luftfahrzeugs und möglicherweise vorhandene Passagiere
können
in großen Höhen eine
Atmungsvorrichtung benötigen,
aber die Kabine 44, 45 wird keine Kühlung benötigen.
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Unter
solchen Umständen
kann die Anlage 10 mit einem in Ruhe befindlichen Gebläse 60 betrieben
werden, so daß die
Kabinenluft nicht zu und von der Mischbox 43 zirkuliert
wird, und während
sich das Ventil 106 in der Leitung 105 zwischen
der Mischbox 43 und dem Kühlkreis 100 in offener
Stellung befindet, aber das Ventil 101 zwischen der Kabine 44, 45 und
dem Kühlkreis 100 geschlossen
ist, was auch für das
Ventil 104 in der Leitung 103 gilt.
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Auf
diese Weise kann kalte Luft von der Mischbox 43 unmittelbar
in den Kühlkreis 100 gespeist
werden, und die kalte Luft kann zirkuliert werden, um das bzw. die
Luftfahrtsystem(e) 68 zu kühlen.
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Bei
dieser Betriebsart ist der Kühlkreis 100 offen,
und die Luft, die die Wärmelast 68 des
Luftfahrtsystems kühlt,
wird zur Umgebung zurückgeführt, bspw.
wie mit V angegeben ist, nach dem Wärmetausch mit der Wärmelast
des Luftfahrtsystems 68.
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Bei
derart niedrigen Drücken
wäre das
Gebläse 72 nicht
in der Lage, zu arbeiten, um die Luft in wirksamer Weise zu bewegen,
und daher sind die Lastwärmetauscher 68a, 38b unwirksam,
wenn die kalte Luft von der Mischbox 43 zu der Wärmelast 68 und
somit von dem Kühlkreis
strömt.
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Wiederum
können
unterschiedliche Modifikationen vorgenommen werden, ohne daß der Bereich
der Erfindung verlassen wird.
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Als
Beispiel können
die Ventile 101, 104, 106 motorisch angetriebene
Drosselklappenventile sein, wobei es sich hierbei allerdings auch
um andere Arten von Ventilen handeln kann.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist ein modifiziertes System 10 dargestellt,
bei dem kein erneut aufheizender Wärmetauscher vorhanden ist,
wie er in 1 mit 30 bezeichnet
ist. Ansonsten sind ähnliche
Komponenten wie die, die in 1 vorhanden sind,
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Obwohl
kein erneut aufheizender Wärmetauscher
(30) vorhanden ist, ist in der Leitung 29 von dem
Kompressor 23, 25 ein Kondensator 29a vorgesehen,
um Wasser aus der komprimierten Luft zu entfernen, die durch die
Stauluft in dem Wärmetauscher 18 abgekühlt worden
ist, wobei der Kondensator 29a kalte, entspannte Luft aus
der Leitung 42 zwischen der niederdruckseitigen Entspannungsturbine 41 und der
Mischbox 43 erhält,
um die Kondensation zu unterstützen.
Die leicht aufgewärmte
Luft von dem Kondensator 29a wird dann an die Leitung 42 zurückgeführt, von
wo aus sie zu der Mischbox 43 geht. Wenn gewünscht, können abschottende
Ventile 42a, 42b oder modulierende Ventile vorgesehen
werden, um den Anteil an kalter, entspannter Luft, der unmittelbar von
der Entspannungsturbine 41 zu der Mischbox 43 gelangt,
zu verhindern oder zu verändern.
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Insbesondere,
allerdings nicht ausschließlich bei
der Konfiguration nach 5 kann die Anlage 10 betrieben
werden, ohne daß der
hochdruckseitige Kompressor 25 und die Entspannungsturbine 34 arbeiten,
aufgrund von, lediglich als Beispiel, speziellen Betriebsanforderungen
oder einem Ausfall einer Komponente. Um dies zu erreichen kann der
hochdruckseitige Kompressor 25 umgangen werden, indem das
Ventil in dem Bypaß 54 und
das Ventil in dem Bypaß 56 geöffnet werden.
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Alternativ
kann die Anlage 10 betrieben werden, wobei der hochdruckseitige
Kompressor 25 und die Entspannungsturbine 34 arbeiten,
wobei aber der niederdruckseitige Kompressor 23 und die
Entspannungsturbine 41 nicht arbeiten, dadurch daß die Bypaßventile
in den Leitungen 53 und 58 geöffnet werden.
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Unter
Bezugnahme auf 6 ist die Anlage 10 im
Betrieb dargestellt, wobei sowohl die hochdruckseitigen und niederdruckseitigen
Kompressoren 25 und 23 als auch die Entspannungsturbinen 41 und 34 arbeiten,
wiederum aufgrund von bestimmten Betriebsanforderungen oder wegen
eines Komponentenausfalls.
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Der
Luftweg von dem Abzweiglufteinlaß ist mit dicken Strichen dargestellt.
Bei dieser Betriebsart wird die abgezweigte Luft am Einlaß 12 durch
die Stauluft in den Wärmetauschern 16 und 18 gekühlt und
wird dann zu der Kabine 44/45 zugeführt, nachdem
sie durch den Wärmelasttauscher 38 hindurchgegangen
ist, wo die stauluftgekühlte abgezweigte Luft
eine gewisse Kühlung
für die
Wärmelast
des Luffahrtsystems 68 bereitstellt.
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In
allen Ausführungsformen
und Betriebsarten, die beschrieben worden sind, stellt die Anlage eine
Kühlung
für die
Wärmelast
des Luftfahrtsystems 68 und der Kabine 44/45 bereit,
soweit dies benötigt wird,
in einer integrierten Anlage 10.
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Nunmehr
sei auf 7 der Zeichnungen Bezug genommen,
wobei diese noch eine weitere Modifikation der Klimaanlage zeigt,
die in 1 dargestellt ist. In dem System nach 1 kann
Abwärme von
der warmen Kabinenluft und Abwärme,
die durch ein Luftfahrtsystem erzeugt wird, in nutzbringender Weise
verwendet werden, um den Kühlungswirkungsgrad
einer Entspannungsturbine in einer Klimatisierungsvorrichtung zu
verbessern. Die schnelle Abkühlung
der Kabinenluft, die sehr heiß werden kann,
wenn ein Luftfahrzeug unter heißen
klimatischen Bedingungen auf dem Boden geparkt ist, wird unterstützt, während dann,
wenn sich das Luftfahrzeug im Gebrauch befindet, Wärmeenergie,
die ansonsten durch ein herkömmliches
Luftfahrtkühlungssystem
als Abwärme
behandelt würde,
dazu verwendet wird, den Wirkungsgrad der Klimatisierungsvorrichtung
zu verbessern. Allerdings ist herausgefunden worden, daß eine nutzbringende
Verbesserung des Wirkungsgrads der Klimatisierung dadurch erhalten
werden kann, daß die
Abwärme
von der Kabinenluft genutzt wird, ohne daß die Wärme, die von Luftfahrtsystemen
stammt, verwendet wird, womit eine gewisse Vereinfachung des gesamten
Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung verbunden ist. In 7 sind die
gleichen Bezugszeichen verwendet, wie sie in Bezug auf 1 verwendet
sind, und der größte Teil
der Beschreibung, die sich auf 1 bezieht,
bezieht sich ebenfalls auf 7. 7 unterscheidet
sich von 1 darin, daß das Luftfahrtsystem 68 zusammen
mit der zugehörigen
Leitung 70, dem Ventil 71 und dem Gebläse 72 weggelassen
ist. Die Rezirkulationsleitung 46 ist weggelassen, was auch
für die
Ventile 64, 65 gilt, so daß die gesamte Luft, die von
der Kabine mit Unterstützung
durch das Gebläse 60 rezirkuliert
wird, vor der Rezirkulation an den Lastwärmetauscher 38 geleitet
wird.
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7 unterscheidet
sich auch darin von 1, daß der Mitteldruck-Wasserabscheider 36 stromab
von dem Lastwärmetauscher 38 angeordnet ist,
anstelle stromauf von diesem angeordnet zu sein. Wenn diese Modifikation
vorgenommen wird, besteht die Wirkung darin, daß dann, wenn die Luft, die über die
Leitung 35 an den Wärmetauscher 38 geleitet wird,
eine gewisse Menge Wasser enthält,
dieses Wasser verdunstet, als Ergebnis des Wärmeübergangs an die Luft in dem
Wärmetauscher 38.
Jegliche solche Verdunstung von Wasser in dem Wärmetauscher 38 verbessert
den Wirkungsgrad der Entfernung von Wärme aus der Kabinenluft durch
den Wärmetauscher:
der Wärmetauscher 38 kann
dann als Folge davon kleiner gemacht werden. Jegliches verbleibende
Wasser in der Luft nach dem Lastwärmetauscher 38 wird
durch den Wasserabscheider 36 nach dem Wärmetauscher
entfernt.
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Eine
weitere mögliche
Modifikation in einem System gemäß der vorliegenden
Erfindung, das in 7 dargestellt ist, besteht darin,
daß ein
Ventil 80 in der Leitung zwischen dem Wasserabscheider 36 und
dem Wärmetauscher 30 angeordnet
sein kann, wobei dieses Ventil 80 so arbeiten kann, daß ein Luftstrom
abgezweigt wird, so daß er
den Wärmetauscher 30 umgeht,
im Wege einer Bypaßleitung 81. Die
Leitung 81 ist an die Leitung 40 stromauf des
Bypasses 58 der zweiten Entspannungsturbine 41 angeschlossen.
Wenn irgendein Versagen der Turbine 41 und damit der Verlust
der Kühlwirkung
der Turbine aufgrund der Entspannung der Luft, während diese durch sie hindurchgeht,
auftritt, ermöglicht
der Bypaß 81 die
Rückführung der
Luft zu der Mischbox 43 und von dort zu der Kabine des
Luftfahrzeugs, ohne daß sie
durch einen Durchgang durch den Wärmetauscher 30 erwärmt worden
ist.
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Die
vorstehende Beschreibung von Anlagen gemäß der vorliegenden Erfindung
war bezogen auf die Situation, in der die Notwendigkeit besteht,
die Temperatur der Kabinenluft so schnell wie möglich zu reduzieren, bspw.
dann, wenn ein Luftfahrzeug in einem heißen Klima geparkt worden ist.
Hierbei handelt es sich um die sogenannte "Pulldown"- oder Absenk-Betriebsart. Allerdings ist das System,
wie es bspw. in 7 dargestellt ist, auch in der
Lage, in einer alternativen Betriebsart zu arbeiten, bei der die Notwendigkeit
besteht, die Kabinentemperatur ausgehend von einer niedrigen Starttemperatur
anzuheben. Dies könnte
der Fall sein, wenn ein Luftfahrzeug außer Gebrauch in einem kalten
Klima geparkt worden ist. In dieser Betriebsart ist die Stauluft,
die in den Staulufteinlaß 11 eintritt,
geschlossen oder im wesentlichen geschlossen, möglicherweise während die Gebläse 19 und/oder 20 nicht
arbeiten. Auf diese Weise wird abgezweigte Luft, die von der Maschine abgeleitet
wird und in den Einlaß 12 eintritt,
in den Wärmetauschern 16, 18 nicht
gekühlt.
Tatsächlich kann
die Luft, die die Leitung 29 erreicht, durch die Kompressoren 23, 25 aufgeheizt
werden. Derartige Luft geht durch den Wärmetauscher 30 hindurch,
auf den der Abscheider 31 folgt, aber der größte Teil
dieser Luft hat die Möglichkeit,
durch den Bypaß 56 zu der
Leitung 35 zu gelangen, anstelle daß er in der Turbine 34 entspannt
und abgekühlt
wird. Diese Luft ist bei ihrem Eintritt in den Wärmetauscher 38 immer noch
relativ warm, so daß die
Kabinenluft, die mit Hilfe der Leitungen 62, 66 und
des Wärmetauschers 38 rezirkuliert
wird, erwärmt
wird. Nach dem Wasserabscheider 36 ist die Luft aus der
Leitung 35 kälter
als sie war, als sie durch den Wärmetauscher 30 ausgehend
von der Leitung 29 hindurchging, und wird daher in dem
Wärmetauscher 30 aufgewärmt, bevor
sie die Leitung 40 und den Bypaß 58, der zu der Mischbox 43 führt, erreicht.
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Während des
Betriebs in dieser Betriebsart besteht die Wirkung darin, daß die Temperatur
der Kabinenluft ausgehend von einem niedrigen Wert schnell nach
oben gebracht wird.