DE69514936T2

DE69514936T2 - Kühlsystem und verfahren

Info

Publication number: DE69514936T2
Application number: DE69514936T
Authority: DE
Inventors: Henrik Oehman; Erik Thuresson
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Priority date: 1994-11-17
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2015-11-18
Also published as: US5732560A; JPH10508937A; SE9403966D0; WO1996016302A1; EP0792434A1; DE69514936D1; SE504967C2; EP0792434B1; SE9403966L

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Kühlanlage, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist, und mit einem Verfahren zum Betreiben einer solchen Anlage, wie es im Oberbegriff von Anspruch 8 beschrieben ist. Eine Anlage entsprechend den in beiden Oberbegriffen ausgeführten Merkmalen ist in der DE 42 18 299 A1 beschrieben.
Kühlanlagen machen üblicherweise von einem Zweiphasenzyklus mit einem Kältemittel Gebrauch, das zwischen gasförmigen und flüssigen Zuständen wechselt. Solche Anlagen haben eine große Kühlleistung infolge der Wärmemenge, die aufgenommen werden kann, wenn das Kältemittel verdampft, und sind daher bei den meisten Anwendungen jeglichen Alternativen überlegen, normalerweise auch bei der Klimatisierung, jedoch ist die Ausrüstung bei einer solchen Anlage aufwendig und teuer und erfordert einen geschlossenen Röhrenkreislauf, um das normalerweise umweltschädliche Kältemittel von der Umgebung zu isolieren. Da ferner Kühlanlagen letzten Endes die Kälte durch Luft oder ein anderes Gas übertragen, umfassen diese konventionellen Anlagen sowohl ein primäres Kühlmedium, d. h. das Kältemittel in dem geschlossenen Kreislauf, als auch ein sekundäres Kühlmedium, d. h. die Luft, welche die Kälte auf das zu kühlende Objekt überträgt.
Es ist seit langem bekannt, daß eine Kühlung auch durch eine Luftzyklus-Kühlanlage erreicht werden kann, auch offener umgekehrter Braytonzyklus genannt. Bei einer solchen Anlage stellt die Luft (oder ein anderes Gas) selbst das Arbeitsmedium in dem Kühlzyklus dar. Es besteht daher kein Bedarf an einem besonderen Kältemittel, das zyklisch kondensiert und verdampft wird, und es ist nicht erforderlich, die Kälte von einem Kältemittel auf die Luft zu übertragen, da sie ein und dasselbe sind. Solche Anlagen beseitigen daher auch das Risiko einer Verschmutzung. Bei einer Kühlanlage nach diesem Prinzip wird das Gas -normalerweise Luft -zunächst verdichtet, wodurch der Druck und die Temperatur ansteigen. Das warme verdichtete Gas wird dann in einem Wärmetauscher gekühlt und anschließend mit im wesentlichen dem des Verdichter entsprechenden Druckverhältnis expandiert. Die den Entspanner verlassende Luft ist kühler als die in den Verdichter eintretende Luft und kann ihre Kühlaufgabe erfüllen, z. B. eine Klimatisierung, die gewöhnlich bei Atmosphärendruck stattfindet, d. h. dem gleichen Druck wie dem Verdichtereinlassdruck, falls dieser auf Meeresniveau angeordnet ist.
Jedoch besitzt die Kühlanlage nach dem Luftzyklusprinzip nur eine sehr kleine Kühlleistung im Vergleich mit herkömmlichen Kälteanlagen. Daher müssen die die Anlage bildeten Teile verhältnismäßig groß und im Verhältnis zur Kälteleistung teuer sein, insbesondere weil normalerweise Kolbenmaschinen und/ oder dynamische Maschinen für die Verdichtung und Entspannung verwendet werden. Derartige Anlagen stellen daher in den meisten Situationen keine praktische Alternative zu herkömmlichen Kälteanlagen dar und haben als Folge sehr selten Verwendung gefunden.
Sollte ein solcher Kühlzyklus in einer Anlage Anwendung finden, wo die Natur der Kühlung erfordernden Mittel so ist, daß ein wesentlicher Überdruck in der Austrittsleitung vorherrscht, sind die Anforderungen an die Bauteile des Zyklus noch kritischer. Aufgrund des Überdruckes liegt die Tempera tur am Auslaß des Entspanners höher, als wenn der Auslaßdruck des Entspanners nahe dem Einlaßdruck der Anlage liegen würde. Es ist notwendig, dies durch ein entsprechend höheres Verdichtungsverhältnis des Verdichters zu kompensieren, um eine ausreichend niedrige Temperatur am Entspannerauslaß zu erreichen. Eine Situation, bei welcher dieses Problem auftritt, ist die Verwendung der Kaltluft zum Kühlen elektronischer Ausrüstung, z. B. in Flugzeugen. Da die Luft bei einer solchen Anwendung durch eine große Anzahl von sehr engen Kanälen strömen muß, verleiht man der den Entspanner verlassenden Luft einen wesentlichen Überdruck wegen des Strömungswiderstandes der engeren Kanäle bei dieser Ausführung.
In der Beschreibung und den Ansprüchen sollen die folgenden Ausdrücke wie dargelegt verstanden werden:
Überdruck:
Tatsächlicher Druck minus im wesentlichen Atmosphärendruck.
Verdichtungsverhältnis des Verdichters:
Das Verhältnis zwischen den Drücken an den Auslaß-, und Einlaßmitteln eines Verdichters.
Inneres Verdichtungsverhältnis des Verdichters:
Das Verhältnis zwischen dem Enddruck und dem Fülldruck eines Rotationsschraubenverdichters.
Druckverhältins des Entspanners:
Das Verhältnis zwischen Drücken an den Einlaß- und Auslaßmitteln eines Entspanners.
Inneres Druckverhältnis des Entspanners:
Das Verhältnis zwischen dem Fülldruck und dem Enddruck eines Rotationsschraubenentspanners.
Es ist bereits bekannt, Maschinen des Flügeltyps für die Verdichtung und Entspannung bei Luftzyklus-Kühlanlagen zu verwenden, wie in der US 3 686 893 beschrieben. Ferner wird in der US 3 965 697 beschrieben, eine andere Art von Kreiskolbenverdichter bei einem solchen Zyklus zu verwenden. Die bei diesen Offenbarungen verwendeten Maschinen haben jedoch keine ausreichend große Volumenkapazität, um eine praktische Alternative bei dieser Art des Kühlzyklus zu sein, insbesondere dann nicht, wenn sie einen Teil einer Anlage der eingangs beschriebenen Art bilden.
Die US 4 291 547 beschreibt die Verwendung von Rotationsschraubenmaschinen zur Verdichtung und zur Entspannung in einem Braytonzyklus. Die Vorrichtung dieser Beschreibung bezieht sich jedoch auf eine Tieftemperaturanlage, die Stickstoff oder ein ähnliches Gas als Arbeitsmedium verwendet, das mit dem Hochdruckniveau bei Atmosphärendruck arbeitet.
Die US 3 045 447 beschreibt eine Luftzyklus-Kühlanlage die eine Schaubenrotormaschine zum Entspannen der Luft verwendet. Die Anlage umfaßt keinen besonderen Verdichter mit der alleinigen Aufgabe, den Entspanner mit verdichteter Luft zu versorgen, sondern die verdichtete Luft wird dem Verdichter im Triebwerk eines Flugzeuges entnommen. Da der Verdichter ein Kreiselverdichter ist und nicht dem Zweck, Bestandteil einer Kühlanlage zu sein, angepaßt ist, ist die Anlage aufwendig und hat einen schlechten Wirkungsgrad.
In dem Handbuch "Kylteknikern" von Matts Bäckström, Almquist & Wiksells Boktryckeri AB, 1970, wird auf Seite 768 der dritten Ausgabe angemerkt, daß Maschinen nach dem Rotationsschraubenprinzip sehr geeignet zur Verwendung bei Luftzyklus- Kühlanlagen sind und die DE 42 18 299 beschreibt eine solche Anlage, die mit Rotationsschraubenmaschinen zum Verdichten und Entspannen der Luft arbeitet.
Bei all den zuvor erwähnten Offenbarungen werden die Vorrichtungen verwendet, um die Kühlluft von dem Entspanner bei einem Druck abzugeben, der ungefähr dem Verdichtereinlaßdruck entspricht, oder in denjenigen Fällen, in denen nichts gesagt ist, versteht sich dies von selbst, weil es normalerweise der Fall ist. Ein bestimmter Strömungswiderstand ist jedoch in allen Fällen vorhanden, wenn die Kühlluft abgegeben wird und ihre Kühlung durchführt. Ungefähr Verdichtereinlaßdruck bedeutet daher geringfügig mehr, in der Größenordnung von einem Prozent oder weniger. Dies bedeutet, daß der Überdruck normalerweise ungefähr bei dem gleichen kleinen Prozentsatz auch des Druckzuwachses über den Verdichter liegt. Da keine dieser bekannten Vorrichtungen in besonderer Weise zum Abgeben der Kühlluft bei einem wesentlichen Überdruck gedacht ist, befaßt sich keine von ihnen mit denen mit einer solchen Anwendung verbundenen Problemen, die vorstehend kurz diskutiert worden sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, eine Anlage und ein Verfahren der in Rede stehenden Art zu schaffen, die bei unkomplizierter Struktur und Steuerung dazu geeignet ist, dort verwendet zu werden, wo die Luft einen wesentlichen Überdruck beim Ausüben ihres Kühlens besitzt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine Anlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches ausgeführten Merkmale umfaßt, und daß ein Verfahren, wie es im Oberbegriff von Anspruch 8 beschrieben ist, die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches dargelegten Schritte umfaßt.
Eine Maschine nach dem Rotationsschraubenprinzip ist im Verhältnis zu ihrer Größe geeignet, ein großes Gasvolumen zu verdichten oder zu entspannen und ist daher besonders geeignet bei einem Verfahren, nach dem die Kaltluftzyklusanlage arbeitet. Eine solche Anlage schließt eine Schraubenrotormaschine für die Entspannung und vorzugsweise auch für die Verdichtung ein und ist daher im Verhältnis zu ihrem Gewicht wirkungsvoll und reduziert einige der solchen Anlagen normalerweise anhaftenden Nachteile erheblich.
Wie erwähnt, ist die Verwendung von Rotationsschraubenmaschinen bei einer gewöhnlichen Kaltluftzyklusanlage als solches bekannt, z. B. aus dem Handbuch "Kylteknikern" und der DE 42 18 299, und einige der dadurch allgemeinen Vorzüge werden erkannt.
Untersuchungen und Berechnungen haben zusätzliche Vorzüge bei einer Rotationsschraubenmaschine erwiesen, wenn eine Kaltluftzyklusanlage mit einem wesentlichen Überdruck der abgegebenen Luft arbeitet. Die höhere Temperatur der Auslaßtluft des Entspanners muß infolge des Überdruckes normalerweise durch erhebliches Steigern des Druckanstieges in dem Verdichter kompensiert werden.
Es wurde jedoch beim Verwenden einer Rotationsschraubenmaschine festgestellt, daß ein akzeptabel niedriges Temperaturniveau mit nur einer kleineren Steigerung des Druckanstiegs in dem Verdichter erreicht werden kann. Eine ausreichend niedrige Temperatur wird daher mit einem Druckanstieg in dem Verdichter um weniger als das Zehnfaches des Überdruckes erreicht. Bei einer gewöhnlichen Kaltluftzyklusanlage liegt dieses Verhältnis in der Größenordnung von 100 : 1. Durch die Erfindung wird aus den konstruktiven Besonderheiten einer Schraubenrotormaschine bei einer besonderen Anwendung Nutzen gezogen, bei welcher diese Vorteile besonders auffallend sind. Das moderate Dichtungsverhältnis, das für den Verdichter gebilligt werden kann, trägt dazu bei, die Kosten der Bauteile vergleichsweise niedrig zu halten.
Die Erfindung eignet sich zur Verwendung bei der Klimatisierung und ist insbesondere zum Kühlen der elektronischen Ausrüstung von Flugzeugen gedacht, wenn diese auf dem Boden sind, eine Anwendung, bei welcher die zuvor erwähnten Vorzüge von großer Bedeutung sind.
Erfindungsgemäß umfassen die Verdichtermittel mehr Schraubenrotormaschinen als die Entspannermittel, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Rotationsschraubenmaschinen der Verdichtermittel haben ein größeres inneres Volumenverhältnis als die Rotationsschraubenmaschinen der Entspannermittel und ein modulares System kann dadurch geschaffen werden, daß die Rotationsschraubenmaschinen Bauteile sind, die in einigen Punkten gleich sind. Dadurch werden die Herstellungskosten reduziert und man erreicht eine größere Flexibilität.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Regelsystem zum Regeln der Temperatur und des abgegebenen Gasmassenstromes vorgesehen.
Diese und weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Nachfolgend wird die Erfindung durch die genaue Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein die erfundene Anlage darstellenden Schema;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Rotationsschraubenverdichter;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische, abgewickelte Ansicht eines Rotationsschraubenverdichters;
Fig. 5 Mittel zum Regeln des inneren Volumenverhältnisses eines Rotationsschraubenverdichters.
In Fig. 1 ist die Anlage schematisch für eine Anwendung dargestellt, bei welcher Kaltluft zum Kühlen einer elektronischen Ausrüstung 41 eines Flugzeuges verwendet wird, wenn dieses sich auf dem Boden befin det. Die Hauptkomponenten der Anlage sind zwei Rotationsschraubenverdichter 12, 16, ein Rotationsschraubenentspanner 22, ein Hauptwärmetauscher 24 und die elektronische Ausrüstung 41. die Einlaßöffnungen 11, 15 der Verdichter 12, 16 sind mit der Umgebungsluft durch eine erste Leitung 10 und die Auslaßöffnungen 13, 17 der Verdichter sind mit der Einlaßöffnung 21 des Entspanners 22 durch eine zweite Leitung 20 verbunden. Der Hauptwärmetauscher 24 steht in Wärme austauschendem Bezug mit der zweiten Leitung 20. Die Auslaßöffnung 23 des Entspanners ist durch eine dritte Leitung 30 mit einer Einlaßöffnung 31 des Raumes 40 verbunden, der die elektronische Ausrüstung 41 enthält.
Einer der Verdichter wird durch eine Verbindungswelle 14 von dem Entspanner 22 und der andere Verdichter 16 durch eine Antriebswelle 18 von einen elektrischen Motor 10 angetrieben. Das innere Volumenverhältnis jedes Verdichters liegt höher als das innere Volumenverhältnis des Entspanners, was dazu führt, daß das innere Verdichtungsverhältnis in jedem Verdichter höher als das innere Druckverhältnis in dem Entspanner ist. Wie das innere Volumenverhältnis für eine Schraubenrotormaschine definiert ist, wird später mit Bezug auf Fig. 4 erläutert.
Die durch die Luft zu kühlende elektronische Ausrüstung 41 besitzt eine große Anzahl dicht gepackter Bauteile mit engen Zwischenräumen zwischen sich. Diese Zwischenräume bilden ein komplexes Netz oder Labyrinth von Strömungskanälen mit hohem Strömungswieder stand, so daß sich eine beträchtliche Druckdifferenz entlang der elektronischen Ausrüstung entwickelt, wenn die Luft durch diese mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömt.
Die Einlaßluft mit Atmosphärendruck strömt durch die erste Leitung 10 zu den Verdichtern 12, 16, in welchen sie verdichtet wird, wodurch auch ihre Temperatur ansteigt. Die verdichtete Luft wird anschließend in dem Hauptwärmetauscher 24 gekühlt und tritt daher mit einer erheblich niedrigeren Temperatur als die die Verdichter verlassende Luft in den Entspanner 22 ein, während der Druck nahezu der gleiche ist. In dem Entspanner 22 wird die Luft wieder auf einen niedrigeren Druck zurück entspannt, jedoch höher als der Einlaßdruck des Verdichters, und infolge der Expansion wird die Luft weiter abgekühlt. Daher verläßt Kaltluft mit Überdruck die Auslaßöffnung 23 des Entspanners und wird durch die dritte Leitung 30 zu der Einlaßöffnung 21 des Raumes 40 geliefert, welcher die elektronische Ausrüstung 41 enthält, von welchem sie durch eine Öffnung 42 nach außen strömt.
Der niedrigere Druck an dem Entspannerauslaß 23 liegt wegen des großen Strömungswiderstandes der elektronischen Ausrüstung 41 auf einem wesentlichen Überdruck. Im Vergleich zu dem Strömungswiderstand in der elektronischen Ausrüstung 41 ist der Druckabfall in den dritten Leitungsmitteln 30 nahezu vernachlässigbar und der Beitrag letzterer am Erzeugen des Überdruckes an dem Entspannerauslaß 23 liegt deutlich unter 20%.
Da die Temperatur an dem Entspannerauslaß 23 niedrig genug sein muß, um das Kühlen der elektronischen Ausrüstung zu bewerkstelligen, und weil ein höherer Auslaßdruck des Entspanners zu einer höheren Auslaßtemperatur des Entspanners führt, muß der Überdruck an dem Entspannerauslaß 23 durch einen höheren Entspannereinlaßdruck kompensiert werden. Jedoch kann durch die Verwendung einer Rotationsschraubenmaschine in dem Entspanner die Anforderung an einen gesteigerten Einlaßdruck des Entspanners auf einem Minimum gehalten werden. Es ist daher möglich, einen Verdichter mit einem Verdichtungsverhältnis zu verwenden, das relativ moderat ist. Die Verdichtermittel 12, 16 der Anlage besitzen ein Verdichtungverhältnis, das einem Druckanstieg um weniger als das Zehnfache des Überdruckes an dem Entspannerauslaß 23 entspricht, was ausreichend ist, um die Auslaßtemperatur des Entspanners auf einem akzeptabel niedrigen Niveau zu halten. Dies bedeutet, daß das Druckverhältnis des Entspanners weniger als 90% des Verdichtungsverhältnisses des Verdichters beträgt. Durch das niedrigere innere Volumenverhältnis des Entspanners 22 im Vergleich zu den Verdichtern 12, 16 wird eine Überentspannung vermieden.
Während des Vorgangs fällt beim Kühlen der Luft die Temperatur in Teilen der Anlage unter ihre Sättigungstemperatur, so daß Wassertröpfchen erzeugt werden. Deshalb ist ein Wasserabscheider 25, 32 in der zweiten Leitung 20 bzw. in der dritten Leitung 30 vorgesehen, um dieses Wasser abzuziehen, so daß die zu der elek tronischen Ausrüstung abgegebene Luft im wesentlichen trocken ist. Um das Risiko zu vermeiden, daß Wasser infolge des Druckabfalls in der elektronischen Ausrüstung ensteht, ist die Leitung 30 mit Heizmitteln 37 für ein geringfügiges Anheben der Temperatur der Luft versehen, bevor diese an die elektronische Ausrüstung abgegeben wird.
Die Kühlleistung des Hauptwärmetauschers 24 kann verändert werden, um die Anlage an verschiedene Betriebsbedingungen anzupassen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, daß der Elektromotor 28 eines Lüfters 27, der Luft über den Hauptwärmetauscher 24 bläst, mit Mitteln 29 zur Drehzahlregelung versehen ist, die über einen Signalschaltkreis 50 durch einen Temperatursensor 35 gesteuert werden, der die Lufttemperatur in der dritten Leitung 30 erfaßt.
Es sind auch Mittel zum Regeln des Massenstromes der durch die dritte Leitung 30 gelieferten Luft vorgesehen. Diese Mittel umfassen einen Drucksensor 36, der den Druck in der dritten Leitung 30 erfaßt und über einen Signalschaltkreis 51 einen Drehzahlregler 38 des Elektromotors 19 steuert, der einen der Verdichter 16 antreibt, welcher als Folge eine kleinere oder größere Menge an Luft liefert. Es ist auch möglich, die Regulierung des Massenstromes durch Drosseln der durch die ersten Leitung 10 strömenden Luft zu erreichen.
Die Abbildung zeigt auch einen alternativen Weg zum Regulieren des Massenstromes an abgegebener Luft dadurch, daß eine Zweigleitung 33 mit der dritte Leitung 30 zum Abziehen von Luft aus dieser verbunden wird, wobei die Menge an abgezogener Luft durch ein Ventil 34 in der Zweigleitung 33 reguliert wird. Um aus der Kälte der aus der dritten Leitung 30 abgezogenen Luft Nutzen zu ziehen, kann die Luft der ersten Leitung 10 zugeführt werden und die einströmende Luft durch Vermischen mit dieser oder alternativ, wie in der Abbildung dargestellt, die Luft in der zweiten Leitung 20 durch einen Nebenwärmetauscher 26 kühlen, der stromabwärts des Hauptwärmetauschers 24 angeordnet ist. Hinter dem Nebenwärmetauscher 26 durchläuft die Zweigleitung 33 den Luftstrom von dem Lüfter 27, um diesen Luftstrom zu kühlen, wodurch der Wärmeaustausch in dem Hauptwärmetauscher 24 gesteigert wird.
In der nachstehenden Tabelle sind typische Werte für Temperatur und Druck der Luft in verschiedenen Teilen der Anlage angegeben:
Bei der dargestellten Ausführungsform sind sowohl die Verdichter 12, 16 als auch der Entspanner nach dem Rotationsschraubenprinzip ausgebildet, um möglichst viele der Vorteile zu erlangen, die man durch das Merkmal der Verwendung solcher Maschinen in der Anlage erreicht. Einen sehr ökonomischen Modulaufbau erreicht man dadurch, daß die beiden Verdichter 12, 16 und der Entspanner 22 die gleichen Hauptabmessungen, die gleichen theoretisch maximalen Verdrängungsvolumen und im wesentlichen gleiche Schraubenrotoren haben. Weil der Verdichter 12 direkt durch den Entspanner 22 angetrieben wird, ist das Verhältnis zwischen ihren Drehzahlen konstant. Durch Verbinden des männlichen Rotors des Verdichters 12 mit dem weiblichen Rotor des Entspanners 22 beträgt dieses Verhältnis 1 : 1,5 ohne ein Zwischengetriebe, wenn die männlichen Rotoren vier Flügel und die weiblichen Rotoren sechs Flügel haben. Der Entspanner 22 ist mit einer Vorrichtung zum Regulieren seines inneren Volumenverhältnisses auf eine auf dem Gebiet der Rotationsschraubentechnologie bekannte Art und Weise versehen, beispielsweise durch einen Schieber 52, der in Fig. 1 symbolisch angedeutet ist und dessen Funktion mit Bezug auf Fig. 5 kurz erläutert wird.
Es versteht sich, daß mit einer Schraubenrotormaschine in dieser Anmeldung entweder eine einstufige oder eine mehrstufige Maschine gemeint ist. Auch wenn eine mehrstufige Maschine in der Praxis als eine Vielzahl von in Serie geschalteten Maschinen betrachtet werden kann, ist eine solche Maschine in der Anmeldung in ihrem funktionalen Zusammenhang daher als eine einzige Maschine angesehen worden.
Eine kurze Beschreibung des Aufbaus und Arbeitsprinzips eines Rotationsschraubenverdichters wird mit Bezug auf Fig. 2 bis 5 gegeben. Die Hauptelemente sind das Paar kämmender Schraubenrotoren 101, 102, die in einem Arbeitsraum arbeiten, der durch zwei Stirnwände 103, 104 und eine sich zwischen diesen erstreckende Zylinderwandung 105 begrenzt ist, wobei die Zylinderwandung 105 eine Form besitzt, die im wesentlichen der zwei sich schneidender Zylinder entspricht, wie aus Fig. 3 zu ersehen ist. Jeder Rotor 101, 102 besitzt eine Mehrzahl von Flügeln 106 bzw. 107 und Zwischennuten 111 bzw. 112, die sich schraubenförmig entlang des Rotors erstrecken. Ein Rotor 101 ist vom männlichen Rotortyp mit dem größeren Teil jedes Flügels 106 außerhalb des Teilkreises liegend und der andere Rotor 102 ist vom weiblichen Rotortyp mit dem größeren Teil jedes Flügels 107 innerhalb des Teilkreises liegend. Der weibliche Rotor 102 besitzt normalerweise mehr Flügel als der männliche Rotor 101 und eine übliche Flügelkombination ist 4+6. Luft mit niedrigem Druck wird durch eine Einlaßöffnung 108 in den Arbeitsraum des Verdichters eingelassen und wird dann in winkelförmigen Arbeitskammern verdichtet, die zwischen den Rotoren und den Wänden des Arbeitsraumes ausgebildet werden. Jede Kammer bewegt sich im Sinne von Fig. 2 nach rechts, wenn die Rotoren sich drehen, und das Volumen einer Arbeitskammer verringert sich kontinuierlich während der späteren Phase ihres Zyklus, nachdem die Verbindung mit der Einlaßöffnung 108 abgeschnitten worden ist. Dadurch wird die Luft verdichtet und die verdichtete Luft verläßt den Verdichter durch eine Auslaßöffnung 109. Das innere Verdichtungsverhältnis bestimmt sich durch das innere Volumenverhältnis, d. h. das Verhältnis zwischen dem Volumen einer Arbeitskammer unmittelbar nachdem ihre Verbindung mit der Einlaßöffnung 108 abgeschnitten worden ist und dem Volumen einer Arbeitskammer, wenn diese beginnt, mit der Auslaßöffnung 109 in Verbindung zu stehen.
Bei einem Rotationschraubenverdichter oder -entspanner wird ein theoretisch maximales Verdrängungsvolumen VDp als VDp = = (AM + AF) · ZM · L definiert und wird ausgedrückt als Volumen pro Umdrehung des männlichen Rotors. AM und AF sind die Querschnittsflächen einer männlichen 111 bzw. weiblichen Rotornut 112 in einem Schnitt senkrecht zu den Rotorachsen und sind durch schraffierte Bereiche in Fig. 3 angedeutet. L ist die Rotorlänge und ZM die Anzahl von Flügeln 106 des männlichen Rotors.
Der Verdichtungszyklus ist in Fig. 4 schematisch dargestellt, die die Zylinderwandung in eine Ebene abgewickelt zeigt, wobei die Vertikallinien die beiden Spitzen darstellen, d. h. die Linien, längs derer sich die den Arbeitsraum bildeten Zylinder schneiden, und die horizontalen Linien stellen die beiden Stirnflächen des Arbeitsraumes dar. Die geneigten Linien stehen für die zwischen den Flügelspitzen und der Zylinderwandung geschaffenen Dichtlinien, die sich in der Richtung des Pfeiles C bewegen, wenn sich die Rotoren drehen. Der schraffierte Bereich A stellt eine Arbeitskammer dar, kurz nachdem sie von der Einlaßöffnung 108 abgeschnitten worden ist, und der schraffierte Bereich B stellt eine Arbeitskammer dar, die begonnen hat, sich zu der Auslassöffnung 109 zu öffnen. Wie zu ersehen ist, nimmt das Volumen jeder Kammer während der Füllphase zu, wenn die Kammer mit der Einlaßöffnung 108 in Verbindung steht, und nimmt anschließend ab.
Wie aus der vorstehenden Erläuterung des Arbeitsprinzips des Rototationsschraubenverdichters verständlich wird, bestimmt die Lage der Auslaßöffnung den Moment, in welchem eine Arbeitskammer beginnt, mit dieser in Verbindung zu stehen, und als Folge davon das innere Volumenverhältnis des Verdichters. Je später die Öffnungskante der Auslaßöffnung angeordnet ist, desto höher ist das innere Volumenverhältnis und damit das innere Verdichtungsverhältnis.
Es ist üblich, einen Schraubenrotorverdichter mit Mitteln zum Verändern des inneren Volumenverhältnisses durch Einstellung der Lage der Öffnungskante der Auslaßöffnung zu versehen. Wie dies bewerkstelligt werden kann, ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Ein Teil der Zylinderwandung, normalerweise entlang der Spitze, ist nahe der Auslaßöffnung axial beweglich angeordnet und bildet einen Schieber 113. Durch axiales Bewegen des Schiebers wird die Lage der Öffnungskante 110 der Auslaßöffnung 109 und damit das innere Volumenverhältnis des Verdichters eingestellt.
Bei einem Entspanner nach dem Rotationsschraubenprinzip wird das Arbeitsprinzip mit Bezug auf die vorstehende Beschreibung umgekehrt, d. h. die Luft tritt in eine Arbeitskammer mit kleinem Volumen ein und, wenn sich die Kammer bewegt, nimmt das Volumen zu, bis der Auslaß des Entspanners erreicht ist. Das innere Volumenverhältnis wird durch Einstellen der Lage der Schließkante der Einlaßöffnung reguliert.

Claims

1. Kühlanlage mit

- ersten Leitungsmitteln (10), die mit Luft mit im wesentlichen atmosphärischem Druck verbunden sind,

- Verdichtermitteln (12, 16) zum Verdichten der Luft mit Einlaßmitteln (11, 15), die mit den ersten Leitungsmitteln (10) verbunden sind, wobei die Verdichtermittel (12, 16) wenigstens eine Rotationsschraubenmaschine aufweisen,

- zweiten Leitungsmitteln (20), die mit den Auslaßmitteln (13, 17) der Verdichtermittel (12, 16) verbunden sind;

- Entspannungsmitteln (22) zum Entspannen der Luft mit Einlaßmitteln (21), die mit den zweiten Leitungsmitteln (20) verbunden sind, wobei die Entspannungsmittel (22) wenigstens eine Rotationsschraubenmaschine aufweisen,

- dritten Leitungsmitteln (30), die an die Anschlußmittel (23) der Entspannungsmittel (22) angeschlossen sind,

- Wärmelastmitteln (41) mit Einlaßmitteln (31), die an die dritten Leitungsmitteln (30) und Auslaßmittel (42) angeschlossen sind, die mit im wesentlichen atmosphärischem Druck verbunden sind,

- und Hauptwärmetauschermitteln (24), die in wärmetauschendem Bezug zu der verdichteten Luft irgendwo zwischen den Einlaßmitteln (11, 15) der Verdichtermittel (12, 16) und den Auslaßmitteln (23) der Entspannungsmittel (22) liegen und der Luft Wärme entziehen,

dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Leitungsmittel (30) und die Wärmelastmittel (41) einen Strömungswiderstand besitzen, der einen wesentlichen Druckabfall zwischen den Auslaßmitteln (23) der Entspannungsmittel und den Auslaßmitteln (42) der Wärmelastmittel (41) erzeugt, die Verdichtermittel (12, 16) mehr Schraubenrotormaschinen als die Entspannungsmittel (22) aufweisen, wobei die Schraubenrotormaschinen der Verdichtermittel (12, 16) parallel angeordnet sind und ein größeres inneres Volumenverhältnis als jede Rotationsschraubenmaschine der Entspannungsmittel (22) besitzen, so daß im Betrieb die entspannte Luft mit einem wesentlichen Überdruck geliefert wird, und wenigstens ein Paar von Schraubenrotormaschinen bestehend aus einer Schraubenrotormaschine (12) der Verdichtermittel und einer Schraubenrotormaschine (22) der Entspannungsmittel ein konstantes Verhältnis zwischen ihren Drehzahlen hat, das durch eine Antriebsverbindung (14) geschaffen ist, die alleine diese Schraubenrotormaschine (12) der Verdichtermittel betätigt, wobei außerdem wenigstens eine weitere Schraubenrotormaschine (16) der Verdichtermittel antriebsbezogen von den Entspannungsmitteln (22) getrennt ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmelastmittel (41) elektronische Ausrüstung eines Flugzeuges umfassen, wenigstens die zweiten (20) und dritten (30) Leitungsmittel mit wasserabscheidenden Mitteln (25, 32) zum Abziehen von Wasser aus der Luft in den zweiten (20) bzw. dritten (30) Leitungsmitteln versehen sind und die dritten Leitungsmittel (30) mit Heizmitteln (37) zum Erwärmen der Luft in den dritten Leitungsmitteln (30) ausgestattet sind.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Regelsystem versehen ist, das erste und/oder zweite Regelmittel aufweist, wobei die ersten Regelmittel Mittel zum Steuern des Luftmassenstromes durch die dritten Leitungsmittel (30) und die zweiten Regelmittel Mittel zum Regeln der Lufttemperatur in den dritten Leitungsmitteln (30) sind und Steuermittel (29), welche die Wärmetauscherkapazität der Hauptwärmetauschermittel (24) steuern und temperaturerfassende Mittel (35) aufweisen, welche die Temperatur in den dritten Leitungsmitteln (30) erfassen und die Steuermittel (29) steuern.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwärmetauschermittel (24) in wärmetauschendem Bezug zu der verdichteten Luft in den zweiten Leitungsmitteln (20) liegen und Mittel (27) zur Erzeugung einer Luftströmung aufweisen, wobei die Steuermittel (29) den Massenfluß des Luftstromes (27)steuern.

5. Anlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regelmittel Mittel (38) zum Regeln der Verdichterdrehzahl und druckerfassende Mittel (36) besitzen, die den Druck in den dritten Leitungsmitteln (30) erfassen und die Mittel (38) zum Regeln der Verdichterdrehzahl steuern.

6. Anlage nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regelmittel Zweigleitungsmittel (33), die an die dritten Leitungsmittel (30) angeschlossen sind, und Ventilmittel (34) in den Zweigleitungsmitteln (33) aufweisen, wobei die Ventilmittel (34) den Luftstrom durch die Zweigleitungsmittel (33) regeln.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Leitungsmittel (20) mit Nebenwärmetauschermitteln (26) versehen sind, wobei die Zweigleitungsmittel (3 : 3) in wärmetauschendem Bezug zu den zweiten Leitungsmitteln (20) durch die Nebenwärmetauschermittel (26) zum Abziehen von Wärme aus der Luft in den zweiten Leitungsmitteln (20) liegen.

8. Kühlverfahren, bei welchem

- Luft mit im wesentlichen atmosphärischem Druck in Rotationsschraubenmaschinen (12, 16) verdichtet wird,

- die verdichtete Luft in wenigstens einer Rotationsschraubenmaschine (22) entspannt wird,

- die Luft gekühlt wird, nachdem die Verdichtung begonnen hat, jedoch bevor die Entspannung beendet worden ist,

- die entspannte Luft zu Wärmelastmitteln (41) geleitet wird,

- die Wärmelastmittel (41) mit der zugeleiteten Luft gekühlt werden,

- die Luft aus den Wärmelastmitteln (41) zu im wesentlichen atmosphärischem Druck hin ausgelassen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdichtung mehr Rotationsschraubenmaschinen als für das Entspannen verwendet werden, die für das Verdichten verwendeten Rotationsschraubenmaschinen parallel angeordnet werden, zum Verdichten Rotationsschraubenmaschinen mit größerem inneren Volumenverhältnis als für das Entspannen verwendet werden, um dadurch einen Luftstrom zu erzeugen und die Kühlluft zu den Wärmelastmitteln (41) mit einem wesentlichen Überdruck zu liefern, und wenigstens ein Paar von Schraubenrotormaschinen, das aus einer Schraubenrotormaschine (12) der Verdichtermittel und einer Schraubenrotormaschine (22) der Entspannungsmittel besteht, mit einem konstanten Verhältnis zwischen ihren Drehzahlen mittels einer Antriebsverbindung (14) betrieben wird, die alleine diese Schraubenrotormaschine (12) der Verdichtermittel beeinflußt, und wenigstens eine weitere Schraubenrotormaschine (16) der Verdichtermittel antriebsbezogen von den Entspannungsmitteln (22) getrennt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmelastmittel (41) elektronische Ausrüstung eines Flugzeuges umfassen und das Wasser von dem Luftstrom getrennt und abgezogen wird und die Luft während des Weiterleitens erwärmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem der Massenfluß und/oder die Temperatur der den Wärmelastmitteln (41) zugeleiteten Luft geregelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Massenfluß durch Regeln der Verdichtungsgeschwindigkeit geregelt wird, der Luftdruck während des Zuleitens erfaßt wird und die Geschwindigkeitsregelung in Abhängigkeit von dem erfaßten Druck durch Drehzahlregulierung der Schraubenrotormaschine (16) gesteuert wird, die antriebsbezogen von den Entspannungsmitteln (22) getrennt ist, und dadurch - über die Entspannungsmittel - auch eine Drehzahlregulierung der an die Entspannungsmittel (22) angeschlossenen Schraubenrotormaschine (12) gesteuert wird, und die Temperatur durch Steuern des Kühlens der Luft geregelt, die Temperatur der Luft während des Zuleitens erfaßt und das Steuern in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur kontrolliert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Massenfluß durch Abziehen von Luft während des Zulieferns geregelt und die Menge der abgezogenen Luft geregelt wird, und die Temperatur durch Steuern des Kühlens der Luft geregelt, die Temperatur der Luft während des Zulieferns erfaßt und das Steuern in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur kontrolliert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die abgezogene Luft nach dem Verdichten, jedoch vor dem Entspannen in wärmetauschenden Bezug zu dem Luftstrom gebracht wird.