EP2183157A1 - Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung für zwei voneinander unabhängige kälteträgerkreisläufe - Google Patents

Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung für zwei voneinander unabhängige kälteträgerkreisläufe

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Publication number
EP2183157A1
EP2183157A1 EP08785780A EP08785780A EP2183157A1 EP 2183157 A1 EP2183157 A1 EP 2183157A1 EP 08785780 A EP08785780 A EP 08785780A EP 08785780 A EP08785780 A EP 08785780A EP 2183157 A1 EP2183157 A1 EP 2183157A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
evaporator
aircraft
evaporators
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08785780A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Ebigt
Wilson Willy Casas Noriega
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Operations GmbH
Original Assignee
Airbus Operations GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Operations GmbH filed Critical Airbus Operations GmbH
Publication of EP2183157A1 publication Critical patent/EP2183157A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D11/00—Passenger or crew accommodation; Flight-deck installations not otherwise provided for
    • B64D11/04—Galleys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B5/00—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity
    • F25B5/02—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space
    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space the air being conditioned
    • B64D2013/0603—Environmental Control Systems
    • B64D2013/0629—Environmental Control Systems with subsystems for cooling food, catering or special loads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space
    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space the air being conditioned
    • B64D2013/0603—Environmental Control Systems
    • B64D2013/0674—Environmental Control Systems comprising liquid subsystems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/40—Weight reduction

Definitions

  • the present invention relates to a USAk ⁇ hlanlagenverdampferan extract with at least two independent refrigerant circuits.
  • the term “brine” refers to a medium that, when used in a cooling system, transports cold or heat between locations of different temperatures substantially without phase change (however, short-term local phase changes in the brine may occur This applies, of course, to the operating conditions for which the system in question is designed, since under extreme conditions, a phase change can always be caused: Refrigerants are generally in a liquid state, such as water mixed with alcohol or other antifreeze Use come.
  • the term "refrigerant” designates a medium which changes its state of aggregation during the transport of cold or heat transport, as a rule, gaseous refrigerant is cooled in a condenser and becomes liquid, by heat exchange with a medium to be cooled, for example the Brine - allows the liquid refrigerant to evaporate and cool the medium to be cooled by extracting from it the energy needed to evaporate the refrigerant (enthalpy of vaporization)
  • This definition also refers to the conditions for which the system in which the refrigerant is used is designed CO 2 or hydrocarbon compounds are frequently used as refrigerants.
  • Modern commercial aircraft are usually equipped with cooling systems to provide, for example, galley cooling functions.
  • the cooling systems are not to be confused with the existing air conditioning systems for regulating the air temperature and the air condition in the cabin, and are usually independent of these.
  • larger aircraft often have more than one consumer with cooling needs, for example, several galleys may be present. So far, this majority of consumers has often been supplied decentrally.
  • Each consumer had its own, its associated cooling system or chiller.
  • Such a cooling system is usually supplied in flight with cool ram air from a ram air inlet. The ram air flows through a condenser and cools a refrigerant.
  • the refrigerant is supplied via a conventional refrigerant circuit to an evaporator or an evaporator, in which a refrigerant is cooled by heat exchange with the refrigerant. Therefore, in conventional systems, a large number of different refrigerating machines or evaporation devices are necessary, which are adapted to the relatively low cooling requirement of the individual consumers. In such conventional systems, waste heat is released into the fuselage, which additionally stresses the air conditioning.
  • WO 2005/030579 A1 describes an evaporator arrangement for an aircraft galley refrigeration system in which four evaporators are used. One pair of evaporators flows through a flow of refrigerant. The two
  • the present invention provides an aircraft cooling-machine evaporator arrangement according to claim 1 having an evaporator for exchanging heat between a refrigerant and a refrigerant, wherein the evaporator has at least four evaporators hydraulically separated from each other with respect to refrigerant flow.
  • the arrangement further comprises at least one feed line for the supply of refrigerant to the evaporation device, wherein the evaporators are arranged so that they are flowed through in pairs by the refrigerant supplied through the feed line of the evaporation device in parallel.
  • each refrigerant circuit having at least two hydraulically separate supply lines for supplying refrigerant to each one of the evaporator and wherein at least two pairs of parallel refrigerant flowed through evaporators each is connected to a brine supply line of another refrigerant circuit.
  • two branches of different coolant circuits which are assigned to evaporators in parallel flowed through by refrigerant, are likewise supplied with refrigerant by the arrangement according to the invention. Therefore, for at least the portion of the refrigerant of a brine circuit flowing in these branches, cooling by means of refrigerant having a sufficiently high degree of saturation of liquid refrigerant is available.
  • the evaporation device is integrally formed. It can have exactly four evaporators, s whereby an efficient distribution of cooling surface can be made to the refrigerant circuits within the evaporator, without having to build the evaporation unnecessarily complex and difficult.
  • the at least two hydraulically separated supply lines of a refrigerant circuit with respect to the refrigerant flow can be arranged hydraulically parallel.
  • At least two groups are each hydraulically arranged in series in pairs in parallel with refrigerant flow through the evaporator with respect to refrigerant flow, and vaporizers arranged in succession with refrigerant are assigned to different refrigerant circuits.
  • the aircraft cooling system evaporator arrangement 25 has at least two discharge pipes for each refrigerant circuit separated from each at least one of the evaporators for each refrigerant circuit, wherein each of at least two evaporators through which the refrigerant flows in pairs connects to a refrigerant discharge line of another refrigerant circuit is.
  • the discharge lines allow the refrigerant circuits to continue and finally merge into closed circuits.
  • the at least two hydraulically separated discharge lines of a refrigerant circuit with respect to the refrigerant flow can be arranged hydraulically parallel.
  • at least two vaporizers through which refrigerant flows in parallel are designed for a counterflow of refrigerant flowing in opposite directions.
  • the evaporator arrangement comprises at least one discharge line for the removal of refrigerant from the evaporation device. It is particularly advantageous if a refrigerant sensor is arranged in the discharge line. Such an arrangement makes it possible to monitor and, for example, regulate the state of the refrigerant downstream of the evaporator. In particular, such a sensor is advantageous for determining whether enough refrigerant is passed through the evaporator to meet the chiller requirements, or whether the refrigeration load is so high that the refrigerant completely evaporates. Such complete vaporization suggests that insufficient refrigerant flows through the vaporization direction.
  • the refrigerant sensor is designed as a temperature sensor. By determining the temperature of the refrigerant downstream of the evaporator, conclusions can be drawn reliably on the state of the refrigerant, in particular it is possible to determine whether the refrigerant has completely evaporated.
  • the refrigerant sensor may also be designed as a pressure sensor or density sensor. Other types of sensors are also possible, as long as they allow to reliably detect an excessive amount of vapor or gas in the refrigerant downstream of the evaporator. It should be noted that the arrangement according to the invention requires only one sensor in order to monitor the refrigerant for the cooling of a plurality of independent refrigerant circuits.
  • the senor is capable of generating electrical sensor signals. Such signals are particularly easy to forward and process.
  • an expansion valve for controlling a supply of refrigerant to the evaporation device.
  • the expansion valve is arranged in the feed line. This allows the refrigeration Control telstrom through the evaporator for cooling the refrigerant circuits in a simple manner by a single expansion valve.
  • the expansion valve may be an electrically controllable valve to allow reliable control of the refrigerant flowing through the valve also by remote control devices.
  • the present invention also relates to a refrigeration system of an aircraft having an evaporator arrangement as described above.
  • the invention relates to an aircraft which has such a cooling system or an evaporator arrangement described above.
  • FIG. 1 shows schematically an aircraft cooling system.
  • FIG. 2 shows an evaporator arrangement according to the invention.
  • an aircraft cooling system 2 is shown schematically.
  • the aircraft cooling system 2 has a ram air inlet 3 through which cold air is supplied from the outside environment of the aircraft. This cold air is led to a condenser 4, which is part of a refrigerant circuit 5. Via an air outlet 8, the ram air, after it has fulfilled its cooling function, be discharged back into the outside of the aircraft.
  • the refrigerant circuit 5 also has an evaporation device 20.
  • a refrigerant is passed, which can assume two phases during operation, usually liquid and gaseous.
  • further typical components of the refrigerant circuit such as compressor, filter, etc. are not shown in order to obtain the clarity of the figure; Such components will be added by those skilled in the art as needed.
  • the evaporation device 20 is also part of a circuit 12 for a refrigerant and is used for heat exchange between the refrigerant and the refrigerant.
  • a circuit 12 for a refrigerant for a refrigerant and is used for heat exchange between the refrigerant and the refrigerant.
  • Brine circuit 12 brings a brine, for example, to several, designated as a total of 14, consumers eg refrigerators of galleys.
  • the exact dimensioning and the course of the refrigerant circuit 12 is given by the requirements and arrangement of the consumer of a particular aircraft.
  • brine circuit 12 For the sake of simplicity, only one brine circuit 12 is shown here, but as a rule two or more brine circulations are present, which are connected to the evaporation device 20. These multiple brine circuits then serve different groups of consumers. This results in a redundancy, so that in case of failure of a brine circuit still a cooling capability is present.
  • incoming cold ram air (which at normal altitudes has a temperature of about -55 ° C.) cools down gaseous refrigerant in the condenser 4, so that the refrigerant condenses.
  • the refrigerant in the evaporator 20 is brought into heat exchange with the refrigerant in the refrigerant circuit 12.
  • the refrigerant vaporizes and removes the necessary evaporation energy to the brine, which is thereby cooled.
  • the brine is then fed via the brine circuit 12 to the consumers 14.
  • FIG. 2 schematically shows an evaporator arrangement 10 according to the invention.
  • the evaporator assembly 10 in this embodiment includes an evaporator 20 which is divided into four evaporators 24a, 24b, 24c and 24d and integrally formed. The subdivisions of the evaporation device 20 are indicated by non-designated dotted lines.
  • any suitable conventional evaporator may be used, e.g. a plate evaporator.
  • refrigerant and brine are exchanged for heat. This evaporates a more or less large part of the refrigerant.
  • the four evaporators 24a, 24b, 24c, 24d are hydraulically separated from each other with respect to a flow of refrigerant. This means that a separate stream of refrigerant can form in each evaporator 24a-d. This hydraulic separation with respect to the coolant can be achieved, for example, by suitable incorporation of separating plates into the evaporation device 20.
  • a refrigerant flow it is provided that the evaporators 24b, 24c and 24a, 24d to be flowed through in pairs in parallel by refrigerant.
  • refrigerant can each flow from the evaporator 24c to the evaporator 24d and from the evaporator 24b to the evaporator 24a.
  • a means for distributing refrigerant to parallel flows within the evaporator 20 Such means are well known in the art and their shape depends on the particular type of evaporator 20.
  • a feed line 26 is connected to refrigerant, which is provided with an expansion valve 28.
  • the expansion valve 28 lo is configured to control a flow of refrigerant through the feed line 26.
  • the feed line 26 supplies refrigerant to the evaporation device 20 in such a way that the lower evaporators 24b, 24c are flowed through in parallel by refrigerant.
  • there is a parallel flow of refrigerant through the evaporators 24a and 24d which are arranged with respect to the refrigerant flow after each of the evaporators i5 24b, 24c. It can therefore be said that each of a pair of evaporators 24b, 24c and 24a, 24d is flowed through in parallel by refrigerant and two pairs are arranged in series with respect to a refrigerant flow.
  • a drain line 30 serves to refrigerant from the evaporation device 20th
  • a refrigerant sensor 32 is installed in the discharge line 30 in the discharge line 30, .
  • the refrigerant sensor 32 is able to send electrical sensor signals in this embodiment.
  • the sensor 32 is connected to the expansion valve 28 via an electrical control line (shown in FIG. 2 as a dot-dash line).
  • the expansion valve 28 is designed for electrical control in accordance with the sensor signals.
  • another suitable connection between sensor 32 and expansion valve 30 may be provided, for example a mechanical connection or guided via an intermediate control device. It is important that a control of the o expansion valve 28 in accordance with the refrigerant sensor 32 can be carried out.
  • FIG. 2 does not show the complete refrigerant circuit in which the feed line 26 and the discharge line 30 are connected to one another in such a way that a closed refrigerant circuit results.
  • additional components not shown, such as, for example, a condenser, a compressor 5 and / or a filter may be provided in the refrigerant circuit.
  • Main refrigerant carrier supply lines 34, 36 belong to different independent refrigerant circuits 16, 17, respectively.
  • the refrigerant carrier circuits 16, 17 are not completely shown here.
  • the circuits are closed and still other components can be added to them, for example, consumers, heat exchangers or filters.
  • the main refrigerant supply line 34 branches into two hydraulically arranged parallel to each other brine supply lines 34 a, 34 c. It is provided that the brine supply line 34a for supplying brine is connected to the evaporator 24a, and that the brine supply line 34c for supplying brine is connected to the evaporator 24c.
  • the main refrigerant feed line 36 in turn branches into two brine feed lines 36b, 36d, wherein the brine feed line 36b is connected to the evaporator 24b and the brine feed line 36d to the evaporator 24d, also for supplying refrigerant to the evaporators 24b, 24d respectively.
  • Brine discharge lines 38a and 38c are connected to the evaporators 24a and 24c for discharging refrigerant, respectively.
  • the brine discharge lines 38a and 38c are merged downstream of the evaporation device 20 to form a main refrigerant carrier discharge line 38 of the refrigerant circuit 16.
  • brine discharge lines 40b and 40d are respectively connected to the evaporators 24b and 24d for discharging brine therefrom.
  • the brine discharge lines 40b and 40d are combined to form a main refrigerant discharge 40 of the brine circuit 17.
  • parts of the supply and discharge lines to the evaporators which are hidden in perspective in this sketch, are shown by dashed lines.
  • the evaporators 24a-d of the evaporator 20 are hydraulically separated from each other with respect to the flow of refrigerant. This results in respect to the refrigerant four hydraulically independent quadrants in the evaporation device 20.
  • the refrigerant circuits are each designed for a same nominal load, this should not be the case, it may be appropriate, the cross sections of Evaporator 24a-d not identical form, as is the case in this embodiment, but of different sizes.
  • the supply lines 34a, 34c, 36b, 36d (as well as the discharge lines) are designed such that streams of coolant of comparable size pass through them. hen.
  • this can be designed differently depending on requirements, for example it could be expedient to design respectively the supply lines 34c and 36b for a larger flow of refrigerant than the supply lines 34a, 36d.
  • the supply lines 34a, c and 36b, d are connected in the clockwise direction in each case alternately to the associated refrigerant circuit 16, 17 with the evaporation device 20.
  • the supply lines 34a, c and 36b, d are arranged in FIG. 2 in such a way that each of a pair of evaporators (eg, 24b, 24c) through which each refrigerant flows in parallel couples each of a supply line for refrigerants (eg, 36b, 34c) Refrigerant circuits 16, 17 is assigned.
  • brine supply lines 34a, 36b, 34c, 36d are arranged such that the flow direction of the brine within parallel refrigerant-flowed evaporators 24a, 24d and 24b, 24c for various associated refrigerant circuits 16, 17 is anti-parallel.
  • the evaporators 24b, 24c and 24a, 24d are thus each flowed through in opposite directions by the refrigerant.
  • the evaporator 20 is supplied via the feed line 26 refrigerant.
  • the refrigerant flow is controlled by the expansion valve 28.
  • the refrigerant flows in parallel through the evaporators 24b, 24c and subsequently also parallel through the evaporators 24a, 24d. Downstream of the evaporation device 20, the refrigerant in the discharge line 30 is brought together.
  • the refrigerant sensor 32 monitors the temperature of the refrigerant in this embodiment.
  • the temperature of the refrigerant serves as a measure of its degree of saturation with liquid phase refrigerant. If the temperature is above a critical value, which depends on the exact conditions of the cooling system and the coolant used, the proportion of liquid coolant is too low or no longer present.
  • the critical temperature can be set for each system as needed. Of course, there are also other parameters by means of which the saturation state of the refrigerant can be monitored by a sensor, for example density or pressure.
  • the refrigerant sensor 32 Via the electrical connection with the expansion valve 28, the refrigerant sensor 32 sends electrical sensor signals.
  • the expansion valve 28 is driven in accordance with these signals. If the cold sensor 32 determines that the temperature of the refrigerant is too high, which results in a too low proportion of liquid refrigerant and thus insufficient cooling of the refrigerant circuits, this opens the expansion valve 28 continues to increase the refrigerant flow to the evaporator 20 to adjust a sufficient flow of refrigerant. Conversely, in the case that a very high proportion of liquid refrigerant in the refrigerant flow is measured (low temperature), the expansion valve 28 may be closed a little way to reduce the refrigerant flow to the evaporator 20.
  • the described system is characterized by a very reliable cooling of all refrigerant circuits. If, for example, a coolant circuit 16 does not require cooling (for example, because it has failed or the consumers supplied by it are not needed), the other coolant circuit 17 is completely cooled, since heat exchange between the coolant carried in the circuit 17 and refrigerant in the evaporators 24b , d takes place. At the same time, refrigerant also flows through the evaporators 24a, d; In these, however, there is no appreciable heat exchange at any load of the refrigerant circuit 16, and thus almost or no evaporation of refrigerant occurs.
  • the sensor 32 will control the expansion valve 28 in such a way that a refrigerant flow adjusted to the cooling requirement of the circuit 17 results.
  • both circuits 16, 17 are under load and one of them, for example the circuit 16, under an overload, during operation at least a partial cooling of the less loaded circuit 17 is still ensured.
  • refrigerant flows in parallel through the evaporators 24b, c, so that in each case the part of refrigerants of the circuits 16, 17 supplied by the supply lines 36b, 34c can exchange heat with liquid refrigerant flowing through the evaporators 24b, 24c. It is believed that the increased load circuit 16 completely vaporizes the refrigerant available to it in the evaporator 24c for heat exchange (since it is under overload).
  • the arrangement described above is characterized in that it requires only one sensor and only one expansion valve in order to provide at least partial cooling of all circuits even in extreme cases. This is achieved by purely constructive measures. As a result, the arrangement is particularly robust, reliable and low maintenance. It also saves weight, which is particularly important for cost efficiency in an aircraft.
  • it is not necessary to use only four evaporators, but a number other than four may be appropriate.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung (10) mit einer Verdampfungseinrichtung (20) zum Wärmeaustausch zwischen einem Kältemittel und einem Kälteträger, wobei die Verdampfungseinrichtung (20) mindestens vier Verdampfer (24a, 24b, 24c, 24d) aufweist, die bezüglich Kälteträgerflusses hydraulisch voneinander getrennt sind. Die Verdampferanordnung (10) umfasst ferner mindestens eine Speiseleitung (26) zur Zufuhr von Kältemittel zu der Verdampfungseinrichtung (20). Die Verdampfer (24a, 24b, 24c, 24d) sind derart angeordnet, dass die Verdampfer (24a, 24d; 24b, 24c) von durch die Speiseleitung (26) dem Verdampfer (22) zugeführtem Kältemittel paarweise parallel durchströmt werden. Weiterhin sind zwei voneinander unabhängige Kreisläufe (16, 17) für einen Kälteträger vorgesehen, wobei jeder Kälteträgerkreislauf mindestens zwei hydraulisch voneinander getrennt angeordnete Zufuhrleitungen (34a, 34c; 36b, 36d) zur Zufuhr von Kälteträger zu jeweils einem der Verdampfer (24a, 24b, 24c, 24d) aufweist. Dabei ist von wenigstens zwei paarweise parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern (24a, 24d; 24b, 24c) jeder mit einer Kälteträgerzufuhrleitung (34a, 36d; 36b, 34c) eines anderen Kälteträgerkreislaufes (16, 17) verbunden.

Description

Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung für zwei voneinander unabhängige Kälteträgerkreisläufe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flugzeugkϋhlanlagenverdampferanordnung mit mindestens zwei voneinander unabhängigen Kälteträgerkreisläufen.
In der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird mit dem Begriff „Kälteträger" ein Medium bezeichnet, dass bei seiner Verwendung in einem Kühl- System im Wesentlichen ohne Phasenänderung Kälte bzw. Wärme zwischen Orten unterschiedlicher Temperatur transportiert (kurzfristige lokale Phasenänderungen im Kälteträgermedium können allerdings auftreten). Dies gilt selbstverständlich für die Betriebsbedingungen, für die das betreffende System ausgelegt ist, da sich unter hinreichend extremen Bedingungen immer eine Phasenänderung hervorrufen lässt. Kälteträger liegen im Allgemeinen in flüssigem Zustand vor. Als Kälteträger kann beispielsweise mit Alkohol oder anderem Gefrierschutzmittel versetztes Wasser zum Einsatz kommen.
Der Begriff „Kältemittel" hingegen bezeichnet vorliegend ein Medium, dass beim Kältetransport bzw. Wärmetransport seinen Aggregatszustand ändert. In der Regel wird gasförmiges Kältemittel in einem Kondensator abgekühlt und geht dabei in den flüssigen Zustand über. Durch Wärmeaustausch mit einem zu kühlenden Medium - beispielsweise dem Kälteträger - kann das flüssige Kältemittel verdampfen und das zu kühlende Medium abkühlen, indem es ihm die zur Verdampfung des Kältemittels notwendige Energie (Verdampfungsenthalpie) entzieht. Auch diese Definition bezieht sich auf die Bedingungen, für die das System ausgelegt ist, in dem das Kältemittel verwendet wird. Als Kältemittel finden häufig CO2 oder Kohlenwasserstoffverbindungen Verwendung.
Moderne Verkehrsflugzeuge sind zumeist mit Kühlanlagen ausgestattet, um beispielsweise für Bordküchen Kühlfunktionen bereitzustellen. Die Kühlanlagen sind nicht mit den ebenfalls vorhandenen Klimaanlagen zur Regelung der Lufttemperatur und des Luftzustands in der Kabine zu verwechseln, und sind in aller Regel unabhängig von diesen. Insbesondere größere Flugzeuge verfügen häufig über mehr als einen Verbraucher mit Kühlbedarf, beispielsweise können mehrere Bordküchen vorhanden sein. Bisher wurde diese Mehrzahl an Verbrauchern häufig dezentral versorgt. Jeder Verbraucher verfügte über eine eigene, ihm zugeordnete Kühlanlage bzw. Kältemaschine. Eine solche Kühlanlage wird in der Regel im Flug mit kühler Stauluft aus einem Staulufteinlass versorgt. Die Stauluft strömt durch einen Kondensator und kühlt dabei ein Kältemittel. Das Kältemittel wird über einen üblichen Kältemittelkreislauf einer Verdampfungseinrichtung oder einem Verdampfer zugeführt, in dem ein Kälteträger durch Wärmeaustausch mit dem Kältemittel gekühlt wird. Daher sind in herkömmlichen Systemen eine Vielzahl von unterschiedlichen Kältemaschinen beziehungsweise Verdampfungseinrichtungen nötig, die auf den relativ geringen Kühlbe- darf der einzelnen Verbraucher abgestimmt sind. Bei derartigen herkömmlichen Systemen wird Abwärme in den Flugzeugrumpf abgegeben, was die Klimaanlage zusätzlich belastet.
In modernen Verkehrsflugzeugen werden allerdings zunehmend zentrale Flugzeug- kühlanlagen verwendet. Die verschiedenen Verbraucher werden mit gekühltem Kälteträger versorgt, wobei jeweils ein oder mehrere zentrale Verdampfungseinrichtungen zur Kühlung des Kälteträgers für mehrere Verbraucher vorgesehen sind. Das Kältemittel, mit dem der Kälteträger gekühlt wird, wird in derartigen Systemen durch Stauluft gekühlt, ähnlich wie oben beschrieben. Allerdings sind bei zentralen Syste- men weniger, aber dafür größere Staulufteinlasse vorgesehen, um für genügend Kühlung zu sorgen.
In der Regel werden bei derartigen zentralen Kühlsystemen zwei unabhängige Kreisläufe für Kälteträger von zwei Kältemaschinen mit Kältemittelkreisläufen gekühlt, um eine Redundanz sicherzustellen. Häufig sind dabei die Verdampfungseinrichtungen in einem Kältemittelkreislauf nacheinander in Serie angeordnet.
WO 2005/030579 Al beschreibt eine Verdampferanordnung für eine Flugzeugbordküchenkühlanlage, bei der vier Verdampfer zum Einsatz kommen. Jeweils ein Ver- dampferpaar wird von einem Kältemittelstrom durchströmt. Die beiden
Parallelanordnungen sind voneinander getrennt, und jeder Verdampfer kühlt einen separaten Kälteträgerstrom.
DE 10 2006 022 557 Al beschreibt eine Ejektorpumpenkreisvorrichtung. Gemäß diesem Dokument wird ein Kältemittelstrom durch Durchlaufen verschiedener Drosseleinrichtungen und einer Injektorpumpe in verschiedenen Druckzuständen in unterschiedliche Verdampfer eingespeist. Bei starker (Kühl-) Belastung der Kälteträgerkreisläufe, insbesondere bei unterschiedlich starker Belastung der Kälteträgerkreisläufe, kann das Problem auftreten, dass einer der Kälteträgerkreisläufe so viel Kühlung benötigt, dass das Kältemittel schon zu so großen Teilen in die Gasphase übergegangen ist, dass eine ausreichende Kühlung des nachfolgenden Kälteträgerkreislaufes nicht mehr möglich ist. Es kann sogar vorkommen, dass ein stark belasteter erster Kälteträgerkreislauf das Kältemittel in einem ersten Verdampfer vollständig verdampft, so dass nahezu keine Kühlung des zweiten Kreislaufes mehr möglich ist. Eine Messung und Steuerung des Kältemittel- Stromes an verschiedenen Stellen mit mehreren Sensoren und Ventilen, die solche Zustände verhindern helfen soll, ist aufwendig, teuer und komplex.
Es besteht daher Bedarf an einer Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung, die diese Probleme umgeht und dabei einfach und preisgünstig in der Herstellung ist.
Abriss der Erfindung
Zur Lösung des oben genannten Problems sieht die vorliegende Erfindung eine Flug- lugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 1 mit einer Verdampfungs- einrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem Kältemittel und einem Kälteträger vor, wobei die Verdampfungseinrichtung mindestens vier Verdampfer aufweist, die bezüglich Kälteträgerflusses hydraulisch voneinander getrennt sind. Die Anordnung umfasst ferner mindestens eine Speiseleitung zur Zufuhr von Kältemittel zu der Verdampfungseinrichtung, wobei die Verdampfer so angeordnet sind, dass sie von durch die Speiseleitung der Verdampfungseinrichtung zugeführtem Kältemittel paarweise parallel durchströmt werden. Weiterhin sind zwei voneinander unabhängige Kälteträgerkreisläufe vorgesehen, wobei jeder Kälteträgerkreislauf mindestens zwei hydraulisch voneinander getrennt angeordnete Zufuhrleitungen zur Zufuhr von Kälteträger zu jeweils einem der Verdampfer aufweist und wobei von wenigstens zwei paarweise parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern jeder mit einer Kälteträgerzufuhrleitung eines anderen Kälteträgerkreislaufes verbunden ist. Dadurch lässt sich erreichen, dass im Falle einer übergroßen Kühlbelastung eines Kälteträgerkreislaufes dieser nicht einen Großteil oder gar alles Kältemittel in der Verdampfungseinrichtung in die Gasphase übergehen lässt, ohne dass ein anderer Kälteträgerkreislauf zumin- dest teilweise gekühlt werden kann. Durch die erfmdungsgemäße Anordnung werden auf jeden Fall zwei parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern zugeordnete Zweige verschiedener Kälteträgerkreisläufe gleichermaßen mit Kältemittel versorgt. Daher ist für zumindest für den Teil des Kälteträgers eines Kälteträgerkreislaufes, der in diesen Zweigen strömt, eine Kühlung durch Kältemittel mit genügend hohem Sättigungsgrad an flüssigem Kältemittel verfügbar. Vorzugsweise ist die Verdampfungseinrichtung integral ausgebildet. Sie kann genau vier Verdampfer aufweisen, s wodurch sich eine effiziente Verteilung von Kühlfläche an die Kälteträgerkreisläufe innerhalb der Verdampfungseinrichtung herstellen lässt, ohne die Verdampfungseinrichtung unnötig komplex und schwer aufbauen zu müssen. Weiterhin können die wenigstens zwei hydraulisch getrennt angeordneten Zufuhrleitungen eines Kälteträgerkreislaufes bezüglich Kälteträgerflusses hydraulisch parallel angeordnet sein.
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Dabei sind wenigstens zwei Gruppen jeweils paarweise parallel von Kältemittel durch- strömter Verdampfer bezüglich Kältemittelflusses hydraulisch in Serie angeordnet und zum aufeinanderfolgenden Durchströmen mit Kältemittel vorgesehene Verdampfer sind unterschiedlichen Kälteträgerkreisläufen zugeordnet. Es ergibt sich also eine i5 Hintereinanderschaltung von paarweise parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern. Somit lässt sich durch eine einfache konstruktive Maßnahme eine günstige Kühlflächenverteilung innerhalb der Verdampfungseinrichtung herstellen, die zur einfachen Versorgung mehrerer unabhängiger Kälteträgerkreisläufe mit Kühlung beiträgt. Es findet also bezüglich eines Kältemittelstromes durch mehrere nacheinan-
20 der durchströmte Verdampfer Wärmeaustausch mit verschiedenen Kälteträgerkreisläufen statt, wodurch eine Verteilung der Kühlleistung eines Kältemittelstromes auf verschiedene Kälteträgerkreisläufe ermöglicht wird.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung 25 für jeden Kälteträgerkreislauf mindestens zwei hydraulisch voneinander getrennt angeordnete Abfuhrleitungen zur Abfuhr von Kälteträger aus jeweils mindestens einem der Verdampfer aufweist, wobei von wenigstens zwei paarweise parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern jeder mit einer Kälteträgerabfuhrleitung eines anderen Kälteträgerkreislaufes verbunden ist. Durch die Abfuhrleitungen lassen 0 sich die Kälteträgerkreisläufe weiterführen und schließlich zu geschlossenen Kreisläufen zusammenführen. Dabei können die wenigstens zwei hydraulisch getrennt angeordneten Abfuhrleitungen eines Kälteträgerkreislaufes bezüglich Kälteträgerflusses hydraulisch parallel angeordnet sein. 5 In Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei parallel von Kältemittel durchströmte Verdampfer für zueinander gegenläufig erfolgende Kälteträgerdurchströ- mung ausgelegt. Dadurch lässt sich eine Gegenströmung von Kälteträger in parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern erreichen. Dies führt zu einem Ausgleich von durch die Kälteträgerströme auf die Verdampfungseinrichtung ausgeübten Kräfte und verbessert den Wärmeaustausch. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass jeweils zwei parallel von Kältemittel durchströmte Verdampfer für gegenläufiges Durchströmen durch Kälteträger ausgelegt sind. So lassen sich die Strömungs- und Wärmetauschbedingungen für den gesamten Verdampfungseinrichtung verbessern.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Verdampferanordnung mindestens eine Ablassleitung zur Abfuhr von Kältemittel aus der Verdampfungseinrichtung umfasst. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn ein Kältemittelsensor in der Ablassleitung angeordnet ist. Eine solche Anordnung ermöglicht es, den Zustand des Kältemittel stromabwärts der Verdampfungseinrichtung zu überwachen und beispielsweise zu regeln. Insbesondere ist ein solcher Sensor von Vorteil, um festzustellen, ob genügend Kältemittel durch die Verdampfungseinrichtung geleitet wird, um die Kühlerfor- dernisse zu erfüllen, oder ob die Kühllast so hoch ist, dass das Kältemittel vollständig verdampft. Ein solches vollständiges Verdampfen lässt darauf schließen, dass nicht ausreichend Kältemittel durch die Verdampfungseiπrichtung strömt.
Vorzugsweise ist der Kältemittelsensor als Temperatursensor ausgebildet. Durch Bestimmen der Temperatur des Kältemittels stromabwärts der Verdampfungseinrichtung lassen sich zuverlässig Rückschlüsse auf den Zustand des Kältemittels ziehen, insbesondere ist es möglich festzustellen, ob das Kältemittel vollständig verdampft ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Kältemittelsensor auch als Drucksensor oder Dichtesensor ausgebildet sein. Auch andere Arten von Sensoren sind möglich, solange sie es gestatten, zuverlässig einen zu hohen Dampf- oder Gasanteil im Kältemittel stromabwärts der Verdampfungseinrichtung festzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Anordnung nur einen Sensor erfordert, um das Kältemittel für die Kühlung mehrerer voneinander unabhängiger Kälteträgerkreisläufe zu überwachen.
Vorteilhafterweise vermag der Sensor elektrische Sensorsignale zu erzeugen. Derartige Signale lassen sich besonders leicht weiterleiten und weiterverarbeiten.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Expansionsventil zur Steuerung einer Zufuhr von Kältemittel zur Verdampfungseinrichtung vorgesehen. Bevorzugt ist dabei das Expansionsventil in der Speiseleitung angeordnet. So lässt sich der Kältemit- telstrom durch die Verdampfungseinrichtung zur Kühlung der Kälteträgerkreisläufe auf einfache Weise durch ein einziges Expansionsventil steuern.
Das EExpansionsventil kann ein elektrisch ansteuerbares Ventil sein, um ein zuverläs- siges Steuern des durch das Ventil strömenden Kältemittels auch durch räumlich entfernte Steuervorrichtungen zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Kühlanlage eines Flugzeugs, die eine oben beschriebene Verdampferanordnung aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Flugzeug, das eine solche Kühlanlage oder eine oben beschriebene Verdampferanordnung aufweist.
Kurze Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt schematisch eine Flugzeugkühlanlage.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Verdampferanordnung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
In Figur 1 ist schematisch eine Flugzeugkühlanlage 2 dargestellt. Die Flugzeugkühlanlage 2 hat einen Staulufteinlass 3, durch den kalte Luft aus der Außenumgebung des Flugzeugs zugeführt wird. Diese kalte Luft wird zu einem Kondensator 4 geführt, der Teil eines Kältemittelkreislaufs 5 ist. Über einen Luftauslass 8 kann die Stauluft, nachdem sie ihre Kühlfunktion erfüllt hat, wieder in die Außenumgebung des Flugzeugs abgelassen werden.
Der Kältemittelkreislauf 5 weist ferner eine Verdampfungseinrichtung 20 auf. Im Kältemittelkreislauf 5 wird ein Kältemittel geführt, das im Betrieb zwei Phasen annehmen kann, üblicherweise flüssig und gasförmig. In dieser vereinfachten Darstellung sind weitere, übliche Komponenten des Kältemittelkreislaufes wie Kompressor, Filter, usw. nicht gezeigt, um die Übersichtlichkeit der Figur zu erhalten; derartige Komponenten wird der Fachmann nach Bedarf hinzufügen.
Die Verdampfungseinrichtung 20 ist außerdem Teil eines Kreislauf 12 für einen Kälteträger und dient dem Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und Kälteträger. Der Kälteträgerkreislauf 12 bringt einen Kälteträger zum Beispiel zu mehreren, insgesamt mit 14 bezeichneten, Verbrauchern z.B. Kühlschränken von Bordküchen. Die genaue Dimensionierung und der Verlauf des Kälteträgerkreislaufes 12 ist durch die Erfordernisse und Anordnung der Verbraucher eines speziellen Flugzeugs gegeben.
Der Einfachheit halber ist hier nur ein Kälteträgerkreislauf 12 dargestellt, in der Regel sind allerdings zwei oder mehr Kälteträgerkreisläufe vorhanden, die an der Verdampfungseinrichtung 20 angeschlossen sind. Diese mehreren Kälteträgerkreisläufe versorgen dann verschiedene Gruppen von Verbrauchern. Dadurch ergibt sich eine Redundanz, so dass beim Ausfall eines Kälteträgerkreislaufes immer noch eine Kühlfähigkeit vorhanden ist.
Im Betrieb kühlt eintretende kalte Stauluft (die bei üblichen Flughöhen eine Temperatur von etwa -55° C hat) gasförmiges Kältemittel im Kondensator 4 ab, so dass das Kältemittel kondensiert. Auf der anderen Seite des Kältemittelkreislaufes 5 wird das Kältemittel in der Verdampfungseinrichtung 20 in Wärmeaustausch mit dem Kälteträger im Kälteträgerkreislauf 12 gebracht. Das Kältemittel verdampft und entnimmt die dazu nötige Verdampfungsenergie dem Kälteträger, der dadurch abgekühlt wird. Der Kälteträger wird dann über den Kälteträgerkreislauf 12 den Verbrauchern 14 zuge- führt.
In Figur 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Verdampferanordnung 10 dargestellt. Die Verdampferanordnung 10 umfasst in dieser Ausführungsform eine Verdampfungseinrichtung 20, die in vier Verdampfer 24a, 24b, 24c und 24d unterteilt und integral ausgebildet ist. Die Unterteilungen der Verdampfungseinrichtung 20 sind durch nicht bezeichnete gepunktete Linien angedeutet. Als Verdampfungseinrichtung 20 kann jede geeignete herkömmliche Verdampfungseinrichtung verwendet werden, z.B. eine Plattenverdampfungseinrichtung. In den Verdampfern 24a-d werden Kältemittel und Kälteträger zum Wärmeaustausch gebracht. Dabei verdampft ein mehr oder weniger großer Teil des Kältemittels.
Die vier Verdampfer 24a, 24b, 24c, 24d sind bezüglich eines Strömens von Kälteträger hydraulisch voneinander getrennt. Das bedeutet, dass sich in jedem Verdampfer 24a-d ein eigener Kälteträgerstrom ausbilden kann. Diese hydraulische Trennung bezüglich des Kälteträgers kann beispielsweise durch geeignetes Einbauen von Trennplatten in die Verdampfungseinrichtung 20 erreicht werden. Bezüglich eines Kältemittelstroms ist hingegen vorgesehen, dass die Verdampfer 24b, 24c und 24a, 24d jeweils paarweise parallel von Kältemittel durchströmt werden. Ferner kann Kältemittel jeweils vom Verdampfer 24c zum Verdampfer 24d und vom Verdampfer 24b zum Verdampfer 24a strömen. Nicht gezeigt ist eine Einrichtung zur Verteilung von Kältemittel auf parallele Strömungen innerhalb der Verdampfungseinrichtung 20. Eine 5 solche Einrichtung ist in diesem Bereich der Technik gut bekannt und ihre Form hängt von der speziellen Bauart der Verdampfungseinrichtung 20 ab.
An die Verdampfungseinrichtung 20 ist eine Speiseleitung 26 für Kältemittel angeschlossen, die mit einem Expansionsventil 28 versehen ist. Das Expansionsventil 28 lo ist dazu ausgelegt, einen Kältemittelstrom durch die Speiseleitung 26 zu steuern. Die Speiseleitung 26 führt Kältemittel zur Verdampfungseinrichtung 20 derart zu, dass die unteren Verdampfer 24b, 24c parallel von Kältemittel durchströmt sind. Gleichermaßen ergibt sich ein paralleles Strömen von Kältemittel durch die Verdampfer 24a und 24d, die bezüglich der Kältemittelströmung jeweils nach den Verdampfern i5 24b, 24c angeordnet sind. Man kann also sagen, dass jeweils ein Paar von Verdampfern 24b, 24c bzw. 24a, 24d parallel von Kältemittel durchströmt wird und zwei Paare bezüglich eines Kältemittelstroms jeweils in Serie angeordnet sind.
Eine Ablassleitung 30 dient dazu, Kältemittel aus der Verdampfungseinrichtung 20
20 abzuführen. In die Ablassleitung 30 ist ein Kältemittelsensor 32 eingebaut. Bei diesem handelt es sich in diesem Fall um einen Temperatursensor, der die Temperatur des Kältemittels in der Ablassleitung 30 misst. Der Kältemittelsensor 32 vermag es in dieser Ausführungsform, elektrische Sensorsignale zu versenden. Über eine elektrische Steuerleitung (in Figur 2 als Strich-Punkt-Linie dargestellt) ist der Sensor 32 mit 5 dem Expansionsventil 28 verbunden. Das Expansionsventil 28 ist zur elektrischen Ansteuerung nach Maßgabe der Sensorsignale ausgelegt. Alternativ kann auch eine andere geeignete Verbindung zwischen Sensor 32 und Expansionsventil 30 vorgesehen sein, beispielsweise eine mechanische Verbindung oder über eine zwischengeschaltete Steuereinrichtung geführt. Wichtig ist, dass eine Ansteuerung des o Expansionsventils 28 nach Maßgabe des Kältemittelsensors 32 erfolgen kann. In
Figur 2 nicht gezeigt ist der vollständige Kältemittelkreislauf, in dem die Speiseleitung 26 und die Ablassleitung 30 derart miteinander verbunden sind, dass sich ein geschlossener Kältemittelkreislauf ergibt. Im Kältemittelkreislauf können ferner nicht gezeigte zusätzliche Komponenten wie z.B. ein Kondensator, ein Kompressor 5 und/oder ein Filter vorgesehen sein. Hauptkälteträgerzuleitungen 34, 36 gehören jeweils zu unterschiedlichen unabhängigen Kälteträgerkreisläufen 16, 17. Die Kälteträgerkreisläufe 16, 17 sind hier nicht vollständig gezeigt. Ein Fachmann wird leicht einsehen, dass die Kreisläufe geschlossen sind und noch weitere Komponenten zu ihnen hinzugefügt werden können, zum Beispiel Verbraucher, Wärmetauscher oder Filter.
Die Hauptkälteträgerzuleitung 34 verzweigt sich in zwei hydraulisch parallel zueinander angeordnete Kälteträgerzufuhrleitungen 34a, 34c. Es ist vorgesehen, dass die Kälteträgerzufuhrleitung 34a zur Zufuhr von Kälteträger mit dem Verdampfer 24a verbunden ist und dass die Kälteträgerzufuhrleitung 34c zur Zufuhr von Kälteträger mit dem Verdampfer 24c verbunden ist. Die Hauptkälteträgerzuleitung 36 wiederum verzweigt sich in zwei Kälteträgerzufuhrleitungen 36b, 36d, wobei die Kälteträgerzufuhrleitung 36b mit dem Verdampfer 24b und die Kälteträgerzufuhrleitung 36d mit dem Verdampfer 24d verbunden ist, ebenfalls jeweils zur Zufuhr von Kälteträger zu den Verdampfern 24b, 24d.
Kälteträgerabfuhrleitungen 38a und 38c sind jeweils zur Abfuhr von Kälteträger mit den Verdampfern 24a und 24c verbunden. Die Kälteträgerabfuhrleitungen 38a und 38c sind stromabwärts der Verdampfungseinrichtung 20 zu einer Hauptkälteträgerab- leitung 38 des Kälteträgerkreislaufs 16 zusammengeführt. Analog sind Kälteträgerabfuhrleitungen 40b und 4Od jeweils mit den Verdampfern 24b und 24d zur Abfuhr von Kälteträger aus diesen verbunden. Die Kälteträgerabfuhrleitungen 40b und 4Od sind zu einer Hauptkälteträgerableitung 40 des Kälteträgerkreislaufs 17 zusammengeführt. In der Zeichnung sind Teile der Zufuhr- und Abfuhrleitungen zu den Verdamp- fern, die in dieser Skizze perspektivisch verdeckt sind, durch gestrichelte Linien dargestellt.
Die Verdampfer 24a-d der Verdampfungseinrichtung 20 sind hydraulisch bezüglich des Strömens von Kälteträger voneinander getrennt. Dadurch ergeben sich bezüglich des Kälteträgers vier hydraulisch voneinander unabhängige Quadranten in der Verdampfungseinrichtung 20. In dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Kälteträgerkreisläufe jeweils für eine gleiche nominale Belastung ausgelegt sind, sollte dies nicht der Fall sein, kann es zweckmäßig sein, die Querschnitte der Verdampfer 24a-d nicht identisch auszubilden, wie es in dieser Ausführungsform der Fall ist, sondern von unterschiedlicher Größe. Desgleichen wird hier angenommen, dass die Zufuhrleitungen 34a, 34c, 36b, 36d (wie auch die Abfuhrleitungen) dahingehend ausgelegt sind, dass Kälteträgerströme vergleichbarer Größe durch sie hindurchge- hen. Je nach Bedarf kann dies selbstverständlich aus anders ausgelegt sein, beispielsweise könnte es zweckmäßig sein, jeweils die Zufuhrleitungen 34c und 36b für einen größeren Kälteträgerstrom auszubilden als die Zufuhrleitungen 34a, 36d.
In der hier beschriebenen Ausführungsform sind die Zufuhrleitungen 34a,c und 36b,d im Uhrzeigersinn jeweils abwechselnd nach zugeordnetem Kälteträgerkreislauf 16, 17 mit der Verdampfungseinrichtung 20 verbunden. Wie zu erkennen ist, sind die Zufuhrleitungen 34a,c und 36b,d in Figur 2 derart angeordnet, dass von jeweils zwei paarweise parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern (z.B. 24b, 24c) jeder einer Zufuhrleitung für Kälteträger (z.B. 36b, 34c) aus unterschiedlichen Kälteträgerkreisläufen 16, 17 zugeordnet ist. Des Weiteren sind die Kälteträgerzufuhrleitungen 34a, 36b, 34c, 36d derart angeordnet, dass die Strömungsrichtung des Kälteträgers innerhalb parallel von Kältemittel durchströmter Verdampfer 24a, 24d und 24b, 24c für verschiedene zugeordnete Kälteträgerkreisläufe 16, 17 antiparallel verläuft. Die Verdampfer 24b, 24c bzw. 24a, 24d werden also jeweils gegenläufig von Kälteträger durchströmt.
Im Betrieb wird der Verdampfungseinrichtung 20 über die Speiseleitung 26 Kältemittel zugeführt. Der Kältemittelstrom wird dabei vom Expansionsventil 28 gesteuert. Das Kältemittel strömt parallel durch die Verdampfer 24b, 24c und nachfolgend e- benfalls parallel durch die Verdampfer 24a, 24d. Stromabwärts der Verdampfungseinrichtung 20 wird das Kältemittel in der Ablassleitung 30 zusammengeführt. Der Kältemittelsensor 32 überwacht in dieser Ausführungsform die Temperatur des Kältemittels. Die Temperatur des Kältemittels dient als ein Maß für seinen Grad an Sätti- gung mit Kältemittel in flüssiger Phase. Befindet sich die Temperatur über einem kritischen Wert, der von den genauen Bedingungen des Kühlsystems und dem verwendeten Kühlmittel abhängt, ist der Anteil an flüssigem Kühlmittel zu gering oder gar nicht mehr vorhanden. Die kritische Temperatur kann für jedes System nach Bedarf festgelegt werden. Es gibt selbstverständlich auch weitere Parameter, anhand derer der Sättigungszustand des Kältemittels durch einen Sensor überwacht werden kann, beispielsweise Dichte oder Druck.
Über die elektrische Verbindung mit dem Expansionsventil 28 versendet der Kältemittelsensor 32 elektrische Sensorsignale. Das Expansionsventil 28 wird nach Maßgabe dieser Signale angesteuert. Stellt der Kältesensor 32 eine zu hohe Temperatur des Kältemittels fest, die auf einen zu niedrigen Anteil von flüssigem Kältemittel und damit nicht ausreichende Kühlung der Kälteträgerkreisläufe schließen lässt, öffnet sich das Expansionsventil 28 weiter, um den Kältemittelstrom zur Verdampfungseinrichtung 20 zu vergrößern, um einen ausreichenden Kältemittelstrom einzustellen. Umgekehrt kann in dem Fall, dass ein sehr hoher Anteil an flüssigem Kältemittel im Kältemittelstrom gemessen wird (niedrige Temperatur), das Expansionsventil 28 ein Stück weit geschlossen werden, um den Kältemittelstrom zur Verdampfungseinrichtung 20 zu verringern.
Dass beschriebene System zeichnet sich durch eine sehr zuverlässige Kühlung aller Kälteträgerkreisläufe aus. Benötigt beispielsweise ein Kälteträgerkreislauf 16 keine Kühlung (etwa, weil er ausgefallen ist oder die von ihm versorgten Verbraucher nicht benötigt werden), wird dennoch der andere Kälteträgerkreislauf 17 vollständig gekühlt, da ein Wärmeaustausch zwischen dem im Kreislauf 17 geführten Kälteträger mit Kältemittel in den Verdampfern 24b, d erfolgt. Dabei strömt ebenfalls Kältemittel durch die Verdampfer 24a, d; in diesen erfolgt bei keiner Belastung des Kälteträger- kreislaufes 16 jedoch kein nennenswerter Wärmeaustausch und damit tritt auch fast oder gar keine Verdampfung von Kältemittel auf. Der Sensor 32 wird das Expansionsventil 28 derart ansteuern, dass sich ein auf den Kühlbedarf des Kreislaufes 17 eingestellter Kältemittelstrom ergibt.
In dem Fall jedoch, dass beide Kreisläufe 16, 17 unter Belastung stehen und einer davon, beispielsweise der Kreislauf 16, unter einer Überbelastung, ist im Betrieb immer noch zumindest eine Teilkühlung des geringer belasteten Kreislaufes 17 sichergestellt. In diesem Fall strömt Kältemittel parallel durch die Verdampfer 24b, c, so dass jeweils der durch die Zufuhrleitungen 36b, 34c zugeführte Teil von Kälteträ- ger der Kreisläufe 16, 17 Wärme mit flüssigem durch die Verdampfer 24b, 24c strömenden Kältemittel austauschen kann. Es ist anzunehmen, dass der Kreislauf 16 mit erhöhter Belastung das ihm in dem Verdampfer 24c zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Kältemittel vollständig verdampft (da er unter Überlast steht). Es strömt also gasförmiges Kältemittel von dem Verdampfer 24c weiter zum Verdampfer 24d, wo es in Kontakt mit bisher ungekühltem Kälteträger aus dem Kreislauf 17 kommt. Das gasförmige Kältemittel ist wenig effizient zur Kühlung, so dass dieser Zweig des Kälteträgerkreislaufs 17 ungekühlt oder sehr schlecht gekühlt bleibt. Im anderen Zweig jedoch wird in dem Verdampfer 24b bei der Kühlung des dort hindurchgeführten Teilstroms des Kreislaufes 17 nicht das gesamte Kältemittel ver- dampft. Daher strömt teilweise flüssiges Kältemittel (wobei der Anteil an flüssigem Kältemittel von der Kühlbelastung des Kreislaufes 17 abhängt) zum Verdampfer 24a. In dieser findet ein Wärmeaustausch zwischen Kälteträger aus dem überlasteten Kreislauf 16 und dem Kältemittel statt, das hier noch kühleffiziente flüssige Bestandteile aufweist. Demnach wird dieser Zweig des überlasteten Kälteträgerkreislaufs ebenfalls zumindest einer Teilkühlung unterzogen. Insgesamt ergibt sich also eine Kühlung beider Kreisläufe, ohne dass der überlastete Kreislauf eine Kühlung des anderen Kreislauf mit geringerer Last vollständig verhindern würde.
In Betriebszuständen zwischen den hier beschriebenen Extremfällen lässt sich durch das Zusammenspiel von Sensor 32 und Ventil 28 leicht ein geeigneter Kältemittelstrom einstellen.
Die oben beschriebene Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie nur einen Sensor und nur ein Expansionsventil benötigt, um auch in Extremfällen zumindest eine Teilkühlung aller Kreisläufe bereitzustellen. Dies wird durch rein konstruktive Maßnahmen erreicht. Dadurch wird die Anordnung besonders robust, zuverlässig und wartungsarm. Außerdem spart sie Gewicht, was bei einem Flugzeug von besonders großer Bedeutung für die Kosteneffizienz ist. Selbstverständlich gibt es für einen Fachmann zahlreiche Möglichkeiten, innerhalb des Rahmens der erfinderischen Idee die oben beschriebene Ausführungsform abzuwandeln. Zum Beispiel ist es nicht notwendig, nur vier Verdampfer zu verwenden, sondern eine andere Anzahl als vier kann zweckmäßig sein.

Claims

Patentansprüche
1. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung (10) mit:
- einer Verdampfungseinrichtung (20) zum Wärmeaustausch zwischen einem Kältemittel und einem Kälteträger; wobei die Verdampfungseinrichtung (20) mindestens vier Verdampfer (24a, 24b, 24c, 24d) aufweist, die bezüglich des Kälteträgerflusses hydraulisch voneinander getrennt sind;
- mindestens einer Speiseleitung (26) zur Zufuhr von Kältemittel zu der Verdampfungseinrichtung (20); wobei die Verdampfer (24a, 24b, 24c, 24d) so angeordnet sind, dass sie von durch die Speiseleitung (26) der Verdampfungseinrichtung (20) zugeführtem Kältemittel paarweise parallel durchströmt werden;
- zwei voneinander unabhängigen Kälteträgerkreisläufen (16, 17); wobei jeder Kälteträgerkreislauf (16, 17) mindestens zwei hydraulisch getrennt voneinander angeordnete Zufuhrleitungen (34a, 34c; 36b, 36d) zur Zufuhr von Kälteträger zu jeweils einem der Verdampfer (24a, 24b, 24c, 24d) aufweist; und wobei von wenigstens zwei paarweise parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern (24a, 24d; 24b, 24c) jeder mit einer Kälteträgerzufuhrleitung (34a, 36d; 36b, 34c) eines anderen Kälteträgerkreislaufes (16, 17) verbunden ist und bei der wenigstens zwei Gruppen jeweils paarweise parallel von Kältemittel durchströmter Verdampfer (24a, 24d; 24b, 24c) bezüglich Kältemittelflusses hydraulisch in Serie angeordnet sind und zum aufeinanderfolgenden Durchströmen mit Kältemittel vorgesehene Verdampfer (24b, 24a; 24c, 24d) unterschiedlichen Kälteträgerkreisläufen (16, 17) zugeordnet sind.
2. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 1, bei der jeder Kälteträgerkreislauf (16, 17) ferner mindestens zwei hydraulisch voneinander getrennt angeordnete Abfuhrleitungen (38 a, 38c; 40b, 40d) zur Abfuhr von Kälteträger aus jeweils mindestens einem der Verdampfer (24a, 24b, 24c, 24d) aufweist, wobei von wenigstens zwei paarweise parallel von Kältemittel durchströmten Verdampfern (24a, 24d; 24b, 24c) jeder mit einer Kälteträgerabfuhrleitung (38a, 40d;40b, 38c) eines anderen Kälteträgerkreislaufes (16, 17) verbunden ist.
3. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 1, bei der wenigstens zwei parallel von Kältemittel durchströmte Verdampfer (24a, 24d; 24b, 24c) für ein gegenläufig zueinander erfolgendes Kälteträgerdurchströmen ausgelegt sind.
5 4. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 1, die ferner mindestens eine Ablassleitung (30) zur Abfuhr von Kältemittel aus der Verdampfungseinrichtung (20) umfasst.
5. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 4, bei der ferner ein lo Kältemittelsensor (32) in der Ablassleitung (30) angeordnet ist.
6. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 5, bei der der Kältemittelsensor (32) ein Temperatursensor ist.
i5 7. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 5, bei der der Kältemittelsensor (32) ein Drucksensor ist.
8. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 5, bei der der Kältemittelsensor (32) ein Dichtesensor ist.
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9. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der Kältemittelsensor (32) elektrische Sensorsignale zu erzeugen vermag.
10. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 1, die ferner ein 5 Expansionsventil (28) zur Steuerung einer Kältemittelzufuhr zur Verdampfungseinrichtung (20) umfasst.
11. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 10, bei der das Expansionsventil (28) in der Speiseleitung (26) angeordnet ist. 0
12. Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung nach Anspruch 10 oder 11, bei der das Expansionsventil (28) ein elektrisch ansteuerbares Ventil ist.
13. Kühlanlage eines Flugzeugs, die eine Verdampferanordnung (10) nach einem 5 der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
14. Flugzeug, das eine Kühlanlage nach Anspruch 13 aufweist.
15. Flugzeug, das eine Verdampferanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
EP08785780A 2007-08-31 2008-09-01 Flugzeugkühlanlagenverdampferanordnung für zwei voneinander unabhängige kälteträgerkreisläufe Withdrawn EP2183157A1 (de)

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