SE510794C2 - Sätt och anordning för styrning av kyleffekt i kalluftssystem - Google Patents

Description

510 794 15 20 25 30 2 Systemet enligt kalluftsprincipen har lägre kylkapacitet ijämförelse med ett konventionellt kylsystem med en sluten krets innehållande ett primärt kylme- dium såsom en freon. Därför måste komponenterna i systemet enligt kallufts- principen vara relativt stora och är i förhållande till kylkapaciteten dyra.

Om en kylcykel enligt kalluftsprincipen används i ett system, där beskaf- fenheten hos de föremål, som äri behov av kylning, är sådan, att man erhåller ett relativt stort tryckfall, blir kraven på komponenterna som ingår i kylutrust- ningen högre, eftersom trycket från kylutrustningen måste vara påtagligt högre än omgivande tryck. På grund av det erforderliga övertrycket kommer tempera- turen vid expanderns utlopp bli högre än om expanderns utloppstryck hade le- gat nära kylutrustningens inloppstryck. Denna temperaturskillnad måste kom- penseras genom motsvarande högre kompression i kompressorn för uppnåen- de av en tillfredsställande låg expanderutloppstemperatur. En situation, där detta problem uppstår är, när den kylda luften användes för att kyla elektronisk utrustning, exempelvis i ett flygplan. Eftersom luften vid en sådan tillämpning måste passera genom ett stort antal mycket trånga kanaler, får den luft, som lämnar expandern, ett påtagligt övertryck på grund av strömningsmotståndet i kanalerna.

Kylsystem enligt kalluftsprincipen för alstring av kyld luft för kylning av fö- remål i behov av kylning, till exempel elektroniska komponenter i flygplan eller även flygplanskabiner, är kända. Sålunda beskriver exempelvis den svenska patentskriften 9403966-6 med publiceringsnummer 504967 ett sådant kyl- system. Detta i den svenska patentskriften beskrivna system innefattar två pa- rallellt anordnade kompressorer med inlopps- och utloppsorgan, en värmeväxla- re, en expander med inlopps- och utloppsorgan, inloppsledningar till kompresso- rerna, förbindelseledningar från kompressorerna till ett gemensamt inlopp till värmeväxlaren, samt en ledning från expanderns utloppsorgan till föremålet i behov av kylning, exempelvis elektroniska komponenter.

Detta beskrivna kända system är alltjämt dyrt eftersom detta erfordrar två kompressorer. Med två kompressorer uppnås ett sätt att reglera gastillförseln till expandern, eftersom åtminstone en av kompressorerna drivs en separat driv- anordning och dess komprimerade gasvolym kan varieras över tiden. Ett annat 20 25 30 _.»..¿ 510 794 beskrivet sätt att reglera flödet till föremålet i behov av kyla är att via en ventil i en grenledning släppa ut expanderad kyld luft till omgivningen, eventuellt i vår- meväxlande kontakt med systemets värrneväxlare.

Ett ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma ett reglerbart system för alstring av en kyld luftström, vilkens temperatur är regler- bar i beroende av kylbehov.

Ett annat ändamål är att åstadkomma ett reglerbart system som innefat- tar endast en kompressor och en skruvrotorexpander samt ett sätt för styrning av angivna system.

Detta har enligt uppfinningen uppnåtts med en anordning för alstring av kyld luft för kylning av föremål i behov av kylning innefattande en kompressor med inlopps- och utloppsorgan, en värrneväxlare, en skruvrotorexpander med inlopps- och utloppsorgan och en-första ledning, som förbinder kompressoms utloppsorgan med värrneväxlaren, en andra ledning, som förbinder värmeväxla- ren med expanderns inloppsorgan, och en tredje ledning från expanderns ut- loppsorgan till föremålet i behov av kylning. Kompressorn liksom skruvrotorex- pandern arbetar med i huvudsak konstant volymflöde. Kompressorn kan före- trädesvis vara en skruvrotorkompressor. Föreliggande anordning utmärkes av en temperatursensor i expandems utloppsorgan eller i den tredje ledningen och av ett av temperatursensorn påverkbart organ, som reglerar flödet till expan- derns inloppsorgan i beroende av den avkända temperaturen.

Sättet att styra föreliggande anordning innefattar att man avkänner tem- peratur av luft utgående från expandern i en position i eller efter expanderns utlopp och att man reglerar flöde av luft till expandern i beroende av den avkän- da temperaturen.

En ändring av Iuftflöde till expandern leder till en ändring av trycksänk- ningen iexpandern och därmed även till en ändring av den utgående utgående luftens temperatur. En minskning av Iuftflöde till expanderns utlopp innebär ett lägre inloppstryck i expandern och därmed en lägre tryckminskning under ex- panderingsfasen. Denna lägre tryckminskning leder till en lägre tempera- tursänkning, dvs en högre temperatur i den utgående luften. 510 794 15 20 25 30 4 Fördelen med föreliggande uppfinning är att systemtrycket, det vill säga trycket mellan kompressorns utloppsorgan och skruvrotorexpanderns inloppsor- gan, kan reduceras när kylbehovet minskar. Eftersom kompressionen i ett kal- luftssystem erfordrar den största mekaniska effekten minskar det erforderliga effektbehovet när systemtrycket kan reduceras.

Föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning framgår av de be- roende patentkraven.

Uppfinningen förklaras närmare i den följande detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer under hänvisning av ritningen, på vilken figur 1 visar schematiskt en första utföringsform av ett kalluftssystem en- ligt föreliggande uppfinning; figur 2 visar schematiskt en andra utföringsform av ett kalluftssystem en- ligt föreliggande uppfinning; figur 3 visar schematiskt en tredje utföringsform av ett kalluftssystem en- ligt föreliggande uppfinning; och figur 4 visar schematiskt en fjärde utföringsform av ett kalluftssystem en- ligt föreliggande uppfinning.

Figur 1 visar schematiskt en utföringsform av föreliggande anordning, som innefattar i serie en med ett i huvudsak konstant volymflöde arbetande kompressor 1, en värmeväxlare 2, som är i värmeväxlande kontakt med en om- givande atmosfär, och en skruvrotorexpander 3. Även expandern 3 arbetar med i huvudsak konstant volymflöde. En första ledning 4 förbinder kompressorns 1 utloppsorgan med värmeväxlarens inloppsorgan, en andra ledning 5 är anord- nad mellan värmeväxlarens 2 utloppsorgan och skruvrotorexpanderns 3 inlopp- sorgan. En tredje ledning 6 går från expanderns 3 utloppsorgan till ett ej visat föremål, som är i behov av kylning, till exempel ett på marken stående flygplans elektroniska komponenter. Föremålet i behov av kylning kan ingå som en del av ledningen 6. Till kompressorns 1 inloppsorgan kan en inloppsledning 15 vara ansluten. Kompressorn 1 är drives av en ej visad drivanordning.

En grenledning 10, som kortsluter expanderns inloppsorgan och utlopps- organ, är anordnad mellan den andra ledningen 5 och den tredje ledningen 6. I 10 15 20 25 30 5 1 Û 7 9 4 s grenledningen 10 är en reglerventil 9 anordnad. Reglerventilen 9 är inställbar mellan stängt läge till fullt öppet läge.

En temperatursensor 11 är anordnad i den tredje ledningen 6 men kan . även vara anordnad i expanderns 3 utloppsorgan. Denna sensor 11 är elektriskt förbunden med processor 7, som i sin tur är ansluten till ett styrdon 8. Styrdonet 8 påverkar reglerventilens 9 genomströmningsarea i beroende av den av tem- peratursensorn 11 avkända temperaturen.

Vid igångsättning av anordningen tillföres luft till inloppsorganet av komp- ressorn 1 via inloppsledningen 15. Den tillförda luften komprimeras i kompres- sorn 1 till ett tryck av upp till exempelvis 3 bar. Denna komprimering medför, att temperaturen av den luft, som lämnar kompressorns 1 utloppsorgan, är mycket högre än den som tillfördes kompressorn 1. Den komprimerade luften tillföres värmeväxlaren 2 via ledningen 4, i vilken värmeväxlare luften under ringa tryckförlust värmeväxlas mot den omgivande atomsfären och därvid kyles. Den kylda komprimerad luften tillföres expandern 3 via ledningen 5. Ventilen 9 är stängd, så att ingen luft kan strömma genom grenledningen 10. I skruvrotorex- pandern 3 reduceras luftens tryck, varvid temperaturen sjunker kraftigt till en temperatur, som ligger under den temperatur med vilken luften tillfördes komp- ressorn. Luften, som lämnar expandern 3 har ett högre tryck än den omgivande atmosfären, till exempel 0,11 - 0,15 MPa.

När den av temperatursensorn 11 avkända temperaturen är lägre än en förbestämd lägsta temperatur, ger processorn 7 en signal till styrdonet 8, som då öppnar ventilen 9. Därefter kan luft strömma genom grenledningen 10 till ledningen 6. När luft börjar strömma genom ventilen 9, sjunker trycket efter kompressorn 1. Detta medför, att effektbehovet för att driva kompressorn 1 minskar. Dessutom minskar trycksänkningen över skruvrotorexpandern 3, vilket ger en lägre temperatursänkning.

Den genom grenledningen 10 strömmande luften har högre temperatur än den luft som har expanderats i expandern 3. Temperaturen av luften i led- ningen 6 efter sammanslagningen av luftströmmarna från expandern 3 och grenledningen 10 stiger således. Denna temperaturändring i ledningen 6 leder till en minskning av ventilens 9 genomströmningsarea. 510 794 20 25 6 Figur 2 visar schematiskt en utföringsforrn av anordningen i figur 1. På samma sätt som enligt figur 1 innefattar anordningen en kompressor 1, en vär- meväxlare 2, som är i värrneväxlande kontakt med en omgivande atmosfär, och en skruvrotorexpander 3, vilka är kopplade i serie. Grenledningen 10 i figur 1 är i figur 2 ersatt med en grenledning 12. Även grenledningen 12 är försedd med en reglerventil 9, som är påverkbar av styrdonet 8. Grenledningen 12 utgår från ledningen 5 och mynnar i en sluten arbetskammare av skruvrotorexpandern 3. I en skruvrotorexpander har en arbetskammare vid stängning mot inloppsorganet sin minsta volym. Under den fortsatta rotationen ökar volymen av den slutna ar- betskammaren tills den kommer i kontakt med expanderns 3 utloppsorgan.

Grenledningen 12 mynnar i en arbetskammare när dess volym är större än den minsta volymen i tillslutningsögonblicket.

Anordningen, som är schematiskt visad i Figur 3, skiljer sig från de som är visade i de föregående figurerna därigenom, att kompressorn är en skruvro- torkompressor 14 och att grenledningen 10 i figur 1 är ersatt med en grenled- ning 16. Övriga komponenter är identiska med de som är visade i figur 1. Även denna grenledning 16 innefattar en reglerventil 9, som är påverkbar av styrdo- net 8. Ledningen 16 förbinder tilloppsledningen 15 med kompressorns 14 ut- loppsorgan eller med den första ledningen 4.

Vid igångsättning av anordningen enligt figur 3 tillföres luft till in- loppsorganet av kompressorn 14 via inloppsledningen 15. Den tillförda luften komprimeras i kompressorn 1 till ett tryck av upp till exempelvis 3 bar. Denna komprimering medför, att temperaturen av den luft, som lämnar kompressorns 14 utloppsorgan, är mycket högre än den som tillfördes kompressorn 14. Venti- len 9 är stängd, så att ingen luft kan strömma genom grenledningen 10. Den komprimerade luften tillföres värmeväxlaren 2 via ledningen 4, i vilken värme- växlare luften under ringa tryckförlust värmeväxlas mot den omgivande atomsfä- ren och därvid kyles. Den kylda komprimerad luften tillföres expandern 3 via ledningen 5. I skruvrotorexpandern 3 reduceras luftens tryck, varvid temperatu- ren sjunker kraftigt till en temperatur, som ligger under den temperatur med vil- ken luften tillfördes kompressorn. Luften, som lämnar expandern 3 har ett högre tryck än den omgivande atmosfären, till exempel 0,11-0,15 MPa. 10 20 25 5110 794 7 När den av temperatursensorn 11 avkända temperaturen är lägre än en förbestämd lägsta temperatur, ger processorn 7 en signal till styrdonet 8, som då öppnar ventilen 9. Därefter kan luft strömma tillbaka genom grenledningen 16 till inloppsledningen 15. När luft börjar strömma genom ventilen 9, sjunker trycket efter kompressorn 14. Detta medför, att effektbehovet för att driva komp- ressorn 14 minskar.

Den genom grenledningen 16 strömmande luften har mycket högre tem- peratur än omgivningsluften, som tillföres kompressorn 14. Detta medför att den till kompressorn 14 ingående luften får högre temperatur än omgivningstempe- raturen och att därigenom den utgående temperaturen blir högre. Samtidigt minskar mängden luft, som tillföres värmeväxlaren och skruvrotorexpandern 3, och minskar trycket före expandern 3. Nettoresultatet blir att den luften från ex- pandern 3 får en högre temperatur, vilket leder till reglering av reglerventilens genomströmningsarea.

En utföringsform, som liknar den i figur 3 visade, är illustrerad i figur 4.

Denna utföringsform skiljer sig genom att grenledningen 16 i figur 3 är ersatt med en grenledning 17 i figur 4. l stället för att förbinda den första ledningen 4 men inloppsledningen 15 förbinder den en sluten arbetskammare i kompressorn 14 med inloppsledningen 15. l en skruvrotorkompressor har en arbetskammare vid stängning mot in- loppsorganet sin största volym. Under den fortsatta rotationen minskar volymen av den slutna arbetskammaren tills arbetskammarens andra ände etablerar fluidförbindelse med utloppsorganet av kompressorn 14. Grenledningen 17 är så anordnad i kompressorn 14, att en arbetskammare kommer i kontakt med grenledningens öppning före fluidförbindelse med utloppsorganet är etablerad och efter det att fluidförbindelsen med inloppsorganet har skett.

Anordningen enligt denna utföringsform arbetar på motsvarande sätt som anordningen enligt den utföringsform som är visad i figur 3.

Claims (11)

510 794 20 25 30 Patentkrav

1. Sätt att styra en anordning för alstring av kyld luft för kylning av föremål i behov av kylning, vilken anordning innefattar i serie en kompressor (1; 14) med inlopps- och utloppsorgan for komprimering av luft vid omgivningstryck, en vär- meväxlare (2) med inlopps- och utloppsorgan för luft, en skruvrotorexpander (3) med inlopp- och utloppsorgan, varvid en första ledning (4) förbinder kompres- sorns (1; 14) utloppsorgan med värmeväxlarens (2) inloppsorgan, en andra led- ning (5) förbinder värmeväxlarens (2) utloppsorgan med skruvrotorexpanderns (3) inloppsorgan och en tredje ledning (6), som förbinder skruvrotorexpanderns (3) utloppsorgan med föremålet i behov av kylning, kännetecknat därav, att man avkänner temperatur av luft utgående från skruvrotorexpandern (3) i en position i eller efter expanderns (3) utloppsorgan och att man reglerar flöde av luft till expanderns (3) inloppsorgan i beroende av den avkända temperaturen.

2. Sätt enligt krav 1, kännetecknat därav, att man reglerar luftflödet till ex- panderns (3) inloppsorgan genom att man minskar det från kompressorn (1; 14) till värrneväxlaren (2) matade flödet.

3. Sätt enligt krav 2, kännetecknat därav, att man återför en del av den i kompressorn (1; 14) partiellt eller helt komprimerade luften till kompressorns inloppsorgan.

4. Sätt enligt krav 1, kännetecknat därav, att man reglerar luftflödet till ex- panderns (3) inloppsorgan genom att man mellan värmeväxlaren (2) och expan- derns (2) inloppsorgan uttar en delström, som ledes förbi expandern (3).

5. Sätt enligt krav 1, kännetecknat därav, att man reglerar luftflödet till ex- panderns inloppsorgan genom att man mellan värmeväxlaren och expanderns inloppsorgan uttar en delström, som leds till en slutan arbetskammare i expan- dern.

6. Anordning för alstring av kyld luft för kylning av föremål i behov av kyl- ning innefattande i serie en kompressor (1; 14) med inlopps- och utloppsorgan, en värrneväxlare (2) med inlopps- och utloppsorgan, en skruvrotorexpander (3) med inlopps- och utloppsorgan och en första ledning (4), som förbinder komp- ressorns (1; 14) utloppsorgan med värmeväxlarens (2) inloppsorgan, en andra ledning (5), som förbinder värmeväxlarens (2) utloppsorgan med expanderns (3) inloppsorgan, och en tredje ledning (6) från expanderns (3) utloppsorgan till fö- 20 510 794 remålet i behov av kylning, kännetecknad av en temperatursensor (11) i ex- panderns (3) ut|oppsorgan eller i den tredje ledningen (6) och av ett av tempe- ratursensorn (11) påverkbart organ ([7, 8, 9; 10], 12, 16, 17), som reglerar flödet till expanderns (3) inloppsorgan i beroende av den avkända temperaturen.

7. Anordning enligt krav 6, kännetecknad därav, att det av temperatursen- som (11) påverkbara organet ([7, 8, 9; 10], 12, 16, 17) innefattar en reglerventil (9) i en ledning (10), som förbinder den andra ledningen (5) med expanderns (3) ut|oppsorgan eller med den tredje ledningen (6).

8. Anordning enligt krav 6, kännetecknad därav, att det av temperatursen- sorn (11) påverkbara organet ([7, 8, 9; 10], 12, 16, 17) innefattar en reglerventil (9) ien ledning (12), som förbinder den andra ledningen (5) med en sluten ar- betskammare i skruvrotorexpandern (3).

9. Anordning enligt krav 6, kännetecknad därav, att det av temperatursen- sorn (11) påverkbara organet ([7, 8, 9; 10], 12, 16, 17) innefattar en reglerventil (9) i en ledning (16), som förbinder kompressorns (1; 14) ut|oppsorgan eller den första ledningen (4) med kompressorns (1; 14) inloppsorgan eller inloppsledning (15).

10. Anordning enligt ett eller flera av kraven 6-9, kännetecknad därav, att kompressorn (1; 14) är en skruvrotorkompressor (14).

11. Anordning enligt krav 10, kännetecknad därav, att det av temperatur- sensorn (11) påverkbara organet ([7, 8, 9; 10], 12, 16, 17) är en reglerventil (9) i en ledning (17), som förbinder en sluten arbetskammare i kompressorn (14) med kompressorns inloppsorgan eller inloppsledning (15).