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Diese
Erfindung betrifft eine Klimaanlage mit geschlossenem Kühlkreislauf
für ein
Flugzeug. Mit "geschlossenem
Kühlkreislauf
meinen wir, daß ein Arbeitsfluid
aufbereitet und zurückgeführt wird
und verwendet wird, um eine Wärmelast,
wie beispielsweise die Luft in einer Flugzeugkabine oder die Luft in
einer Umgebung mit einer Wärmelast,
wie beispielsweise einem Avioniksystem des Flugzeugs oder sonstigem
zu kühlen.
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In
GB-A-2273349 wird
eine Kühlturbinen-Klimaanlage
mit geschlossenem Kühlkreislauf
für ein Bodenfahrzeug
offenbart, wobei ein motorbetriebener Kompressor und eine Expansionsturbine
einen Strom von Anlagenluft zum Aufbereiten eines Gemischs aus Umluft
und Umgebungsluft für
ein Gehäuse
bereitstellen.
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Bisher
wurde heiße
komprimierte Luft von einem Gasturbinenmotor aus dem Motor entnommen und
als Quelle von Luft für
eine Flugzeugklimaanlage verwendet, normalerweise in einer Klimaanlage
mit offenem Kühlkreislauf,
wobei mindestens ein Anteil der abgelassenen Luft nach dem Aufbereiten
beispielsweise an die Flugzeugkabine oder an eine Avionik-Wärmelast
zugeführt
wurde, um direkte Kühlung zu
bewirken und wobei nach dem Gebrauch mindestens ein Teil davon verworfen
wird. Die Verwendung von Turbomaschinen in einer derartigen Anlage
ist eine ausgereifte und zuverlässige
Technik.
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Bei
moderneren Flugzeugmotoren ist es jedoch unerwünscht, Luft zu entnehmen, da
dies zu unzulässigen
Verlusten des Wirkungsgrads führt.
Daher wurde für
modernere Flugzeugkonstruktionen mehr Gewicht auf die Nutzung des
Flugzeugmotors bzw. der Flugzeugmotoren zum Erzeugen von Elektrizität gelegt,
die zum Antreiben von Flugzeugsystemen verwendet werden kann.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung stellen wir eine Klimaanlage mit geschlossenem Kühlkreislauf
für ein
Flugzeug gemäß Anspruch
1 bereit.
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Die
Erfindung ermöglicht,
daß eine
Anlage mit geschlossenem Kühlkreislauf,
bei der der motorbetriebene Kompressor elektrisch von einem Motor angetrieben
werden kann, vorteilhaft in einem Flugzeug eingesetzt werden kann.
Durch Vorsehen eines geschlossenen Kühlkreislaufs statt einer Anlage
mit offenem Kühlkreislauf
kann das Arbeitsfluid von Luft, die möglicherweise eingeatmet wird,
getrennt gehalten werden, so daß die
Verschmutzung derartiger Atemluft durch Fremdstoffe oder Bakterien,
die in Anlagenleitungen vorhanden sein können, vermieden wird.
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Bei
der Kompressorstufe kann es sich um einen einzigen Kompressor oder
um mehrere Kompressoren handeln, im Fall von mehreren Kompressoren
kann jedoch einer der Kompressoren durch die Drehung der ersten
Expansionsturbine oder der zweiten Expansionsturbine angetrieben
werden.
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Wünschenswerterweise
ist ein Zwischenkühler
zum Kühlen
von komprimiertem Arbeitsfluid vor dessen Expansion vorgesehen.
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Der
Zwischenkühler
kann einen Wärmetauscher
umfassen, durch den Umgebungsluft hindurchgezwungen wird, um das
heiße
komprimierte Arbeitsfluid zu kühlen.
Bei der Umgebungsluft kann es sich um Stauluft handeln, d. h. Luft,
die als Folge der Bewegung des Flugzeugs durch die Luft durch den
Wärmetauscher
strömt
oder der Zwischenkühler
kann einen Lüfter
umfassen, der angetrieben wird, um Luft durch den Zwischenkühler des
Wärmetauschers
zu saugen oder zu drücken,
um das heiße
komprimierte Arbeitsfluid zu kühlen,
so daß die
Umgebungsluft zum Strömen
durch den Wärmetauscher
gezwungen werden kann, während
das Flugzeug am Boden ist.
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Ein
derartiger Lüfter,
sofern vorgesehen, kann elektrisch angetrieben werden oder kann
auf einer Welle getragen werden, mit der die erste Expansionsturbine, über die
das komprimierte Arbeitsfluid expandiert und gekühlt wird, dreht.
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Falls
erwünscht,
kann die Anlage eine Bypassventilanordnung umfassen, die wirksam
ist, mindestens einen Anteil des heißen komprimierten Arbeitsfluids
von der Kompressorstufe den ersten Wärmetauscher umgehen zu lassen
und nach Bedarf direkt zur zweiten Expansionsturbine zu strömen. Die Bereitstellung
einer derartigen Ventilanordnung ermöglicht, daß die Anlage von einer Steuerung
gemäß einem
Steueralgorithmus für
einen maximalen Wirkungsgrad und/oder zum Sicherstellen der bevorzugten
Kühlung
beispielsweise der zweiten Wärmelast betrieben
werden kann.
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Wenn
die Kompressorstufe mindestens zwei Kompressoren umfaßt, kann
die Anlage einen Zwischenwärmetauscher
zwischen zwei Kompressoren umfassen, um komprimiertes Arbeitsfluid
in der Kompressorstufe vor seiner endgültigen Komprimierung zu kühlen. In
diesem Fall wird der bzw. ein stromaufwärtiger Kompressor vorzugsweise
auf einer Welle getragen, mit der die zweite Arbeitsturbine, über die das
komprimierte Arbeitsfluid expandiert und gekühlt wird, dreht und der bzw.
ein stromabwärtiger
Kompressor ist der motorbetriebene Kompressor.
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Beim
Kühlmittel
für den
Zwischenwärmetauscher,
mit dem Wärme
vom komprimierten Arbeitsfluid ausgetauscht wird, kann es sich um
Arbeitsfluid handeln, das von der ersten Expansionsturbine expandiert
und gekühlt
wurde. In diesem Fall kühlt
das Arbeitsfluid von der ersten Expansionsturbine vorzugsweise zuerst
die erste Wärmelast
im ersten Wärmelast-Wärmetauscher, bevor es als Kühlmittel
im Zwischenwärmetauscher
verwendet wird. Das Kühlmittel
vom Zwischenwärmetauscher
kann dann zur weiteren Expansion und Kühlung zur zweiten Expansionsturbine
geleitet werden.
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In
einer alternativen Anordnung kann es sich beim Kühlmittel für den Zwischenwärmetauscher,
mit dem Wärme
vom komprimierten Arbeitsfluid ausgetauscht wird, um mit Wärme beladene
Luft, z. B. Flugzeugkabinenluft oder Luft von einer Avionikumgebung
handeln, vorzugsweise, nachdem sie im ersten Wärmetauscher gekühlt wurde,
so daß die
mit Wärme
beladene Luft kühler
ist als das komprimierte Arbeitsfluid. Nach der Verwendung als Kühlmittel
im Zwischenwärmetauscher
kann die mit Wärme
beladene Luft, falls gewünscht,
zur Flugzeugkabine oder Avionikumgebung zurückgeführt werden, nachdem sie stromabwärts von
der zweiten Expansionsturbine als zweite Wärmelast im zweiten Wärmelast-Wärmetauscher
gekühlt
wurde.
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In
einer weiteren Anordnung kann es sich bei dem Kühlmittel für den Zwischenwärmetauscher,
mit dem Wärme
vom komprimierten Arbeitsfluid ausgetauscht wird, um Umgebungsluft
handeln, die im ersten Wärmetauscher
gekühlt
wurde, wobei das Umgebungsluft-Kühlmittel
aus dem Flugzeug abgelassen oder anderweitig verwendet werden kann,
nachdem es die warme komprimierte Luft im Zwischenwärmetauscher
gekühlt
hat.
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Die
Anlage kann in Reihe mit dem Zwischenkühler einen regenerativen Wärmetauscher
umfassen, an den ein Kühlmittel
von der ersten Expansionsturbine zugeführt wird, um das komprimierte
Arbeitsfluid weiter zu kühlen,
das im Zwischenkühler gekühlt wurde,
bevor das Arbeitsfluid zur zweiten Expansionsturbine zum weiteren
Expandieren und Kühlen
geht. Bevor es als Kühlmittel
im regenerativen Wärmetauscher
verwendet wird, kann das Arbeitsfluid von der ersten Expansionsturbine
als Kühlmittel
im ersten Wärmelast-Wärmetauscher verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung, die auf eine Klimaanlage zum Kühlen von Kabinenluft in einem
Flugzeug angewandt wird und wobei es wünschenswert ist, einen Anteil frischer
Zuluft mit rezirkulierter Kabinenluft zu mischen, kann es sich bei
der Zuluft um die erste Wärmelast
handeln, die im ersten Wärmelast-Wärmetauscher
gekühlt
wird und die dann mit rezirkulierender Kabinenluft gemischt wird, wobei
es sich bei der Kabinenluft vor dem Mischen mit der Zuluft um eine
zweite Wärmelast
handelt, die im zweiten Wärmelast-Wärmetauscher vom Arbeitsfluid
von der zweiten Expansionsturbine gekühlt wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Flugzeug mit einer
Klimaanlage gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung bereit.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun unter Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines Teils der Anlage von 1 ist,
jedoch Abwandlungen zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung eines anderen Teils der Anlage von 1 ist,
jedoch eine andere Abwandlung zeigt;
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4 eine
schematische Darstellung eines Teils der Anlage von 1 ist,
jedoch noch eine weitere Abwandlung zeigt;
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5 eine
veranschaulichende Ansicht eines Flugzeugs mit einer Klimaanlage
ist.
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1 zeigt
eine Klimaanlage 10 für
ein Flugzeug, wobei die Anlage 10 von der Art mit geschlossenem
Kühlkreislauf
ist, wobei ein Arbeitsfluid kontinuierlich umgewälzt wird und verwendet wird,
um eine Wärmelast,
wie beispielsweise die Luft in einer Flugzeugkabine oder die Luft
in einer Umgebung mit einer Wärmelast,
wie beispielsweise einem Avioniksystem des Flugzeugs oder sonstigem
zu kühlen.
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5 zeigt
ein Flugzeug mit der Klimaanlage von 1.
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Gemäß der Erfindung
wird eine erste Wärmelast
in einem ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12 gekühlt, während eine
zweite Wärmelast
in einem zweiten Wärmelast-Wärmetauscher 14 gekühlt wird. Bei
einer oder beiden der Wärmelasten
kann es sich beispielsweise um Flugzeugkabinenluft, um Luft aus einer
Umgebung, in der ein Flugzeugavioniksystem bereitgestellt ist, oder
um ein Kühlmittel
handeln, das bereitgestellt wird, um eine Flugzeuganlage, wie beispielsweise
ein Avioniksystem zu kühlen.
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Das
umgewälzte
bzw. rezirkulierte Arbeitsfluid der Anlage 10, bei dem
es sich praktischerweise um Luft handelt, bei dem es sich aber um
ein anderes Fluid handeln kann, wird in einer Kompressorstufe 15 der
Anlage 10 komprimiert, die im Beispiel von 1 einen
ersten Kompressor 16 umfaßt, der von einem Motorantrieb,
wie beispielsweise einem Elektromotor 18 über eine
Welle 17 angetrieben wird und einen zweiten Kompressor 19 umfaßt, der
auf einer Welle 20 getragen wird, die elektrisch oder anderweitig
motorisch angetrieben werden kann, z. B. von einem Motor, wie unter 21 gestrichelt
in der Figur angedeutet oder wie durch die durchgezogenen Linien
im Beispiel von 1 angedeutet und der von einer
Turbine 30, auf die nachfolgend verwiesen wird, auf der
Welle 20 angetrieben wird.
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Die
Kompressorstufe 15 umfaßt weiter einen dritten Kompressor 22,
der auf einer anderen Welle 23 getragen wird, auf der eine
andere Turbine 29 angetrieben wird.
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Das
Arbeitsfluid wird damit von den drei Kompressoren 16, 19 und 22 in
Stufen komprimiert und wird, wenn das Fluid zunehmend komprimiert wird,
auf diese Weise heiß.
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Das
heiße
komprimierte Arbeitsfluid wird in einem Zwischenkühler 24 gekühlt, bei
dem es sich in diesem Beispiel um einen Wärmetauscher handelt, durch
den (kühlere)
Umgebungsluft hindurchgezwungen wird, wobei das heißere komprimierte
Arbeitsfluid dadurch Wärme
mit der Umgebungsluft austauscht. Bei der Umgebungsluft kann es
sich, wenn sich das Flugzeug im normalen Flug befindet, um sogenannte
Stauluft handeln, die als Folge der Bewegung des Flugzeugs durch
die Luft durch den Zwischenkühler 24 strömt, aber
dieser Luftstrom kann unterstützt
oder, wenn das Flugzeug nicht fliegt, beispielsweise am Boden, durch
einen Lüfter 26 bewirkt
werden.
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Praktischerweise
kann ein derartiger Lüfter 26 von
einem Elektromotor angetrieben werden, alternativ kann, wie gestrichelt
in 1 dargestellt, der Lüfter 26 in einer alternativen
Anordnung auch auf der Welle 23 getragen werden, auf der
die Turbine 29 bereitgestellt wird, wobei in diesem Fall
der dritte Kompressor 22 motorbetrieben sein kann.
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Das
komprimierte Arbeitsfluid, das im Zwischenkühler 24 gekühlt wurde,
strömt
so zu einer ersten Turbine, d. h. der Turbine 29, die auf
der Welle 23 getragen wird, auf der der dritte Kompressor 22 oder der
Lüfter 26 getragen
wird und so wird das komprimierte Arbeitsfluid über der ersten Turbine 29 expandiert
und gekühlt,
bevor es zum ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12 strömt. Im ersten
Wärmelast-Wärmetauscher 12 wirkt
das Arbeitsfluid als Kühlmittel
zum Kühlen
der ersten Wärmelast,
bei der es sich in diesem Beispiel um Kabinenluft handeln kann,
die nach dem Kühlen
zur Kabine zurückgeführt wird.
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Das
erwärmte
Arbeitsfluid vom ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12 strömt dann
zu einer zweiten Turbine 30, d. h. der Turbine 30,
die auf der Welle 20 getragen wird, auf der der zweite
Kompressor 19 getragen wird, wobei das Arbeitsfluid so
weiter expandiert und gekühlt
wird. Das weiter expandierte und gekühlte Arbeitsfluid strömt dann
zum zweiten Wärmelast- Wärmetauscher 14, wo
das Arbeitsfluid als Kühlmittel
zum Kühlen
einer zweiten Wärmelast wie
beispielsweise Luft oder ein anderes Kühlmittel von einem Avioniksystem
des Flugzeugs dient, die allgemein mehr Wärme erzeugt als die erste Wärmelast.
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Das
Arbeitsfluid wird dann zum ersten Kompressor 16 zurückgeführt und
immer so weiter, während
die Anlage 10 in Gebrauch ist.
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Wie
gewünscht,
kann die Anlage 10 mehr als die zwei Wärmelast-Wärmetauscher im geschlossenen
Kühlkreislauf
des Arbeitsfluids umfassen, um weitere Wärmelasten zu kühlen, wobei
das Arbeitsfluid zum Bereitstellen von Kühlung in jedem weiteren derartigen
Wärmelast-Wärmetauscher
von einer jeweiligen Expansionsturbine gekühlt wird, die einen Kompressor
als Gegenstück
haben kann, der motorbetrieben oder von einer Turbine über eine
Antriebswelle angetrieben ist.
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Wünschenswerterweise
können
der zweite Wärmelast-Wärmetauscher 14 und
der erste und der zweite Kompressor 16, 19 in
der Ausführungsform von 1 durch
eine Ventilanordnung, wie beispielsweise unter 33, 34 gezeigt,
in der Anlage 10 abgetrennt werden, um für einen
maximalen Wirkungsgrad zu sorgen. Wenn das Ventil 33 geschlossen
ist, kann kein Arbeitsfluid vom zweiten Kompressor 19 zum
dritten Kompressor 22 strömen, während bei offenem Ventil 34 komprimiertes
Arbeitsfluid vom zweiten Kompressor 19 direkt zur zweiten
Expansionsturbine 30 und damit zum zweiten Wärmelast-Wärmetauascher 14 strömen kann,
wobei es so den ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12,
den Zwischenkühler 24 und
die erste Expansionsturbine 29 umgeht.
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So
kann beispielsweise, wenn keine Kühlung der ersten Wärmelast
erforderlich ist, der Wärmelast-Wärmetauscher 12 umgangen
werden. Außerdem
wird der Zwischenkühler
umgangen und so ist die Luft, selbst nach Expansion über der
Turbine 30 noch ausreichend warm, um für Erwärmen statt Kühlen der
Wärmelast
im Wärmelast-Wärmetauscher 14 zu
sorgen, wo dies benötigt
wird.
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Obwohl
die Anlage 10 eine Anlage 10 mit geschlossenem
Kühlkreislauf
ist, kann Arbeitsfluid aus der Anlage verloren werden, wobei dieser
Verlust ausgeglichen werden kann, indem Arbeitsfluid von einem unter
A angedeuteten Einlaß eingeführt werden
kann, obwohl dies an einem anderen Ort in der Anlage 10 vorgesehen
werden kann.
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Wie
in 2 zu sehen, wurde die Anlage in 1 durch
die Bereitstellung eines Zwischenwärmetauschers 40 in
der Kompressorstufe 15 der Anlage 10 zwischen
dem zweiten und dem dritten Kompressor 19, 22 abgewandelt.
Das Arbeitsfluid, das durch den zweiten Kompressor 19 komprimiert
und damit erwärmt
wurde, wird im Zwischenwärmetauscher 40 gekühlt, bevor
es zum dritten Kompressor 22 geleitet wird (der wie bei 42 angedeutet,
von einem Motor elektrisch angetrieben werden kann).
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Kühlmittel
für den
Zwischenwärmetauscher 40 wird
durch Arbeitsfluid bereitgestellt, das über der ersten Expansionsturbine 29 expandiert
und gekühlt wurde
und bereits als Kühlmittel
im ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12 verwendet
wurde. Nach dem Kühlen
des heißen
komprimierten Arbeitsfluids im Zwischen-Wärmelast-Wärmetauscher 40 kann
das Arbeitsfluid direkt zur zweiten Expansionsturbine 14 und
damit zum zweiten Wärmelast-Wärmetauscher 14 geleitet
und danach zurückgeführt werden.
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Alternativ
kann das Kühlmittel
für den
Zwischenwärmetauscher 40 durch
Lastluft, z. B. aus der Flugzeugkabine oder der Umgebung eines Avioniksystems,
wie gestrichelt in der Figur angedeutet, bereitgestellt werden,
wobei die Lastluft im ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12 durch
das gekühlte
und expandierte Arbeitsfluid von der ersten Expansionsturbine 29 gekühlt wurde.
In diesem Fall kann die Lastluft nach dem Kühlen des heißen komprimierten Arbeitsfluids
im Zwischenwärmetauscher 40 zur
Kabine oder der Avionikumgebung zurückgeführt werden und zwar direkt
oder vorzugsweise über
den zweiten Wärmelast-Wärmetauscher 14, wie
gewünscht
und ebenfalls wie gestrichelt in der Figur angedeutet.
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Da
das Arbeitsfluid zwischen den Kompressoren 19, 22 der
Kompressorstufe 15 gekühlt
wird, wird in der Ausführungsform
von 2 der Zwischenkühler 24 möglicherweise
nicht benötigt.
Falls gewünscht,
kann sich der Zwischenwärmetauscher 40 selbstverständlich auch
anderswo in der Kompressorstufe 15 befinden, beispielsweise
um das Arbeitsfluid zwischen dem ersten 16 und dem zweiten 19 Kompressor
zu kühlen.
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In 3 ist
eine weitere Abwandlung der Anlage 10 von 1 dargestellt.
In diesem Beispiel ist ein regenerativer Wärmetauscher 48 in
Reihe mit dem Zwischenkühler 24 vorgesehen,
um das heiße komprimierte
Arbeitsfluid vor der Expansion und Kühlung zu kühlen. Kühlmittel für den regenerativen Wärmetauscher 48 wird
durch Arbeitsfluid von der ersten Expansionsturbine 29 bereitgestellt,
nachdem das Kühlmittel
als solches im ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12 gewirkt
hat. Nach dem Kühlen
des heißen
komprimierten Arbeitsfluids im regenerativen Wärmetauscher 48 wird
das Kühlmittel-Arbeitsfluid an
die zweite Expansionsturbine 30 zugeführt und damit zum zweiten Wärmelast-Wärmetauscher 14 und
dann zur Rückführung.
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In
der abgewandelten Ausführungsform
von 3 wird der dritte Kompressor 22 oder
mindestens der letzte Kompressor der Kompressorstufe 15 von einem
Motor 42 elektrisch angetrieben und die Welle 23,
auf der die erste Expansionsturbine 29 bereitgestellt ist,
treibt einen Lüfter 26 an,
wodurch ein Luftstrom in den Zwischenkühler 24 geleitet wird.
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Wie
in 4 zu sehen, kühlt
der erste Wärmelast-Wärmetauscher 12,
statt zum Kühlen
von Lastluft vorgesehen zu sein, frische Zuluft, die von einem Einlaß 49 zugeführt wird.
Dies wird erreicht, da expandierte und gekühlte Arbeitsluft von der ersten Expansionsturbine 29 als
Kühlmittel
im ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12 wirkt,
bevor sie zur zweiten Expansionsturbine 30 strömt und damit
zum zweiten Wärmelast-Wärmetauscher 14 und
dann zur Rückführung. Die
zweite Wärmelast,
die im zweiten Wärmelast-Wärmetauscher 14 gekühlt wird,
ist umgewälzte
bzw. rezirkulierende Kabinenluft von einer Flugzeugkabine 50.
Die umgewälzte
und daher gekühlte
Kabinenluft wird an einen Mischkasten 51 zugeführt, wo sie
mit Zuluft vermischt wird, die durch den ersten Wärmelast-Wärmetauscher 12 geleitet wurde,
und wird die derart gemischte Luft dann, wie angedeutet, in die
Flugzeugkabine 50 geleitet.
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Die
Verhältnisse,
in denen die Ströme
von frischer Zuluft und umgewälzter
Kabinenluft gemischt werden, können
nach Wunsch verändert
werden, um eine gewünschte
Temperatur der Kabine 50 zu erreichen und um die Bereitstellung
eines Mindestvolumens von Frischluft sicherzustellen. Überschüssige Luft
muß verworfen
bzw. abgelassen werden, beispielsweise an die Atmosphäre.
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Dank
der vorliegenden Erfindung kann eine Klimaanlage mit geschlossenem
Kühlkreislauf
bereitgestellt werden, die etablierte Turbomaschinentechnik nutzt,
die jedoch von den Vorteilen einer elektrisch angetriebenen Anlage
profitieren kann.
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Selbstverständlich kann
eine beliebige gewünschte
Anordnung von Steuerventilen und Bypaßkanälen vorgesehen werden, um die
genaue Steuerung der Anlage durch eine geeignete Steuerung zu ermöglichen,
z. B. gemäß einem
Steueralgorithmus, um eine Anlage zu erreichen, die effizient betrieben wird
und ein wünschenswertes
Maß an
Klimatisierung passend zu verschiedenen Umgebungsbedingungen, z.
B. mit zu- und abnehmender Höhe
des Flugzeugs bereitstellen kann. Beispielsweise ist in 4 ein
Ventil 35 gezeigt, das geöffnet werden kann, damit Kabinenluft
direkt zum Mischkasten 51 strömen kann, um mit gekühlter frischer
Zuluft gemischt zu werden, statt durch den zweiten Wärmelast-Wärmetauscher 14 zu
strömen.