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DE102006040191A1 - Kühlsystem zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs sowie Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems - Google Patents

Kühlsystem zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs sowie Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems Download PDF

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DE102006040191A1
DE102006040191A1 DE102006040191A DE102006040191A DE102006040191A1 DE 102006040191 A1 DE102006040191 A1 DE 102006040191A1 DE 102006040191 A DE102006040191 A DE 102006040191A DE 102006040191 A DE102006040191 A DE 102006040191A DE 102006040191 A1 DE102006040191 A1 DE 102006040191A1
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DE
Germany
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fluid circuit
heat
refrigerant
refrigerant fluid
carrier fluid
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Withdrawn
Application number
DE102006040191A
Other languages
English (en)
Inventor
Wolfgang Dipl.-Ing. Ebigt
Wilson Willy Dr.-Ing. Casas Noriega
Andreas Dipl.-Ing. Frey
Dirk Dr.-Ing. Kastell
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
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Priority to EP07801737A priority patent/EP2057070B1/de
Priority to RU2009109837/11A priority patent/RU2429992C2/ru
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Priority to AT07801737T priority patent/ATE515435T1/de
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Priority to PCT/EP2007/007295 priority patent/WO2008025462A1/en
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Priority to JP2009525952A priority patent/JP2010501404A/ja
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Abstract

Ein Kühlsystem (10) zur Kühlung von Wärmelasten (28, 34) an Bord eines Flugzeugs umfasst eine Kälteerzeugungseinrichtung (12), einen thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung (12) gekoppelten ersten Kälteträgerfluidkreislauf (24), der mit einer ersten Wärmelast (28) verbunden ist, um Wärme von der erste Wärmelast (28) abzuführen, und einen zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30), der mit einer zweiten Wärmelast (34) verbunden ist, um Wärme von der zweiten Wärmelast abzuführen. Ein Kopplungssystem des Kühlsystems (10) ist dazu eingerichtet, den ersten Kälteträgerfluidkreislauf (24) wahlweise thermisch mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) zu koppeln oder thermisch von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) zu entkoppeln. Bei einem Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems (10) zur Kühlung von Wärmelasten (28, 34) an Bord eines Flugzeugs wird der ersten Kälteträgerfluidkreislauf (24) mittels des Kopplungssystems wahlweise thermisch mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) gekoppelt oder thermisch von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) entkoppelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs, das eine Kälteerzeugungseinrichtung, einen thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten ersten Kälteträgerfluidkreislauf, der mit einer ersten Wärmelast verbunden ist, um Wärme von der ersten Wärmelast abzuführen, und einen zweiten Kältefluidkreislauf umfasst, der mit einer zweiten Wärmelast verbunden ist, um Wärme von der zweiten Wärmelast abzuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems.
  • Ein bekanntes für den Einsatz an Bord eines Flugzeugs geeignetes Kühlsystem umfasst eine zentrale Kälteerzeugungseinrichtung, die thermisch mit einem Kälteträgerfluidkreislauf gekoppelt ist, um Wärme von mehreren parallel an den Kälteträgerfluidkreislauf angeschlossenen Wärmelasten abzuführen. Die Wärmelasten können sich, je nach Betriebszustand, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden, so dass die Wärmeübertragung von den Wärmelasten auf den Kälteträgerfluidkreislauf auf unterschiedlichen Temperaturniveaus erfolgen muss. Um eine ordnungsgemäße Funktion des Gesamtsystems zu gewährleisten, muss das Betriebstemperaturniveau der Kälteerzeugungseinrichtung daher stets so gewählt sein, dass auch Wärmelasten, die sich auf einem niedrigen Temperaturniveau befinden, ausreichend gekühlt werden. Infolgedessen muss die Kälteerzeugungseinrichtung auf einem energetisch ungünstigen niedrigen Betriebstemperaturniveau und daher mit einem vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad betrieben werden.
  • Ein weiteres bekanntes Kühlsystem zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs umfasst einen ersten Kälteträgerfluidkreislauf, der Wärme von sich auf einem niedrigen Temperaturniveau befindenden Wärmelasten an eine Kälteerzeugungseinrichtung abführt. Die Kälteerzeugungseinrichtung überträgt die von dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf abgeführte Wärme auf einen zweiten Kälteträgerfluidkreislauf, der dazu dient, Wärme von Wärmelasten abzuführen, die sich auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau befinden. In dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf ist ein Wärmetauscher angeordnet, der die aus dem Gesamtsystem abzuführende Wärme an die Umgebung abgibt. Um auch bei hohen Umgebungstemperaturen eine ordnungsgemäße Funktion des Gesamtsystems sicherzustellen, muss der zweite Kälteträgerfluidkreislauf auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau gehalten werden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Kälteerzeugungsein richtung auf einem energetisch ungünstigen hohen Betriebstemperaturniveau auf der wärmeabgebenden Seite und somit mit einem vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad zu betreiben. Durch eine technisch bedingte Begrenzung der maximalen Betriebstemperatur der Kälteerzeugungseinrichtung und weiterer in den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf gekoppelter Wärmelasten lässt sich der ordnungsgemäße Betrieb des Gesamtsystems bei sehr hohen Umgebungstemperaturen nicht mehr gewährleisten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs bereitzustellen, das es ermöglicht, Wärmelasten, die sich auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden, auf energieeffiziente Art und Weise zu kühlen.
  • Zur Lösung der oben genannten Aufgabe umfasst ein erfindungsgemäßes Kühlsystem zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs mit einer Kälteerzeugungseinrichtung, einem thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten ersten Kälteträgerfluidkreislauf, der mit einer ersten Wärmelast verbunden ist, um Wärme von der ersten Wärmelast abzuführen, und einem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf, der mit einer zweiten Wärmelast verbunden ist, um Wärme von der zweiten Wärmelast abzuführen, ein Kopplungssystem, das dazu eingerichtet ist, den ersten Kälteträgerfluidkreislauf wahlweise thermisch mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf zu koppeln oder thermisch von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf zu entkoppeln. Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem dient das Kopplungssystem dazu, je nach Bedarf, eine thermische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf herzustellen oder zu unterbrechen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem, das eine selektive thermische Kopplung bzw. Entkopplung der ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe ermöglicht, kann bei hohen Umgebungstemperaturen die mit dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf gekoppelte Kälteerzeugungseinrichtung auch zur Kühlung des zweiten Kälteträgerfluidkreislaufs verwendet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn aufgrund der hohen Umgebungstemperaturen eine ausreichende Wärmeabfuhr von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf an die Umgebung nicht möglich ist. Bei mittleren Umgebungstemperaturen kann dagegen durch eine Entkopplung der ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe lediglich die mit dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf verbundene erste Wärmelast über die Kälteerzeugungseinrichtung gekühlt werden. Die mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf verbundene zweite Wärmelast kann dagegen beispielsweise durch Wärmeabfuhr an die Umgebung gekühlt werden.
  • Bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann schließlich durch eine Kopplung der ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe der zweite Kälteträgerfluidkreislauf zur Kühlung des ersten Kälteträgerfluidkreislaufs verwendet werden. Dadurch kann die mit dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf verbundene Kälteerzeugungseinrichtung abgeschaltet oder zumindest entlastet werden. Für das erfindungsgemäße Gesamtsystem ergibt sich dadurch eine Steigerung der Energieeffizienz mit fallenden Umgebungstemperaturen. Darüber hinaus wird auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen die Kühlfunktion für beide Kälteträgerfluidkreisläufe gewährleistet.
  • Als Kälteerzeugungseinrichtung kann in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem eine Kaltdampfprozess-Kältemaschine zum Einsatz kommen. Eine derartige Vorrichtung umfasst üblicherweise einen Kältemittelkreislauf, in dem ein Expansionsventil sowie ein Kompressor angeordnet sind. Vorzugsweise umfasst die Kälteerzeugungseinrichtung einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Kondensator zur Abfuhr von Wärme an die Umgebung. Zur thermischen Kopplung der Kälteerzeugungseinrichtung mit dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf weist die Kälteerzeugungseinrichtung vorzugsweise einen Verdampfer auf, der mit dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf verbunden ist. Beispielsweise wird das den ersten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmende Kälteträgerfluid durch den Verdampfer der Kälteerzeugungseinrichtung geleitet, um Wärme von dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf und somit von der ersten Wärmelast abzuführen.
  • Als Kälteträgerfluid wird in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem vorzugsweise eine Kälteträgerflüssigkeit eingesetzt. Alternativ dazu ist jedoch auch die Verwendung eines zweiphasen oder eines gasförmigen Kälteträgerfluids denkbar. Zur Zirkulation des Kälteträgerfluids durch den ersten Kälteträgerfluidkreislauf kann im ersten Kälteträgerfluidkreislauf eine beispielsweise in Form einer Pumpe ausgebildete Fördereinrichtung angeordnet sein. Das den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmende Kälteträgerfluid wird vorzugsweise ebenfalls mittels einer beispielsweise in Form einer Pumpe ausgebildeten Fördereinrichtung im Kreislauf geführt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems umfasst das Kopplungssystem ein in dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf angeordnetes erstes Ventil. Das erste Ventil ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den ersten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmendes Kälteträgerfluid wahlweise durch eine erste Bypassleitung zu leiten oder in Wärmekontakt mit den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmendem Kälteträgerfluid zu bringen. Alternativ dazu kann das Kopp lungssystem auch ein in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf angeordnetes erstes Ventil umfassen, das dazu eingerichtet ist, den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmendes Kälteträgerfluid wahlweise durch eine ersten Bypassleitung zu leiten oder in Wärmekontakt mit den ersten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmendem Kälteträgerfluid zu bringen.
  • Das in dem ersten oder dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf angeordnete erste Ventil ist vorzugsweise in Form eines Dreiwegeventils ausgebildet, so dass es das den ersten oder den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmende Kälteträgerfluid auch teilweise durch die erste Bypassleitung leiten und teilweise in Wärmekontakt mit dem Kälteträgerfluid bringen kann, das den jeweils anderen Kälteträgerfluidkreislauf durchströmt. Vorzugsweise weist das erste Ventil darüber hinaus einen variablen Strömungsquerschnitt auf, so dass ein durch die erste Bypassleitung geleiteter Volumenstromanteil des den ersten oder den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmenden Kälteträgerfluids bzw. ein Volumenstromanteil des den ersten oder den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmenden Kälteträgerfluids, der mit dem Kälteträgerfluid in dem jeweils anderen Kälteträgerfluidkreislauf in Wärmekontakt gebracht wird, wie gewünscht gesteuert werden kann.
  • Das Kopplungssystem des erfindungsgemäßen Kühlsystems umfasst ferner vorzugsweise einen mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf verbundenen ersten Wärmetauscher, der durch das erste Ventil wahlweise mit dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf verbindbar oder von diesem trennbar ist. Alternativ dazu kann das Kopplungssystem des erfindungsgemäßen Kühlsystems auch einen mit dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf verbundenen ersten Wärmetauscher umfassen, der durch das erste Ventil wahlweise mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf verbindbar oder von diesem trennbar ist.
  • Der erste Wärmetauscher stellt eine indirekte thermische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf her. Eine derartige Anordnung ermöglicht es beispielsweise, den ersten und den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf bei Bedarf mit unterschiedlichen Kälteträgerfluiden zu betreiben. Darüber hinaus sind die ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe hydraulisch voneinander entkoppelt, was im Fall einer Leckage in einem Kälteträgerfluidkreislauf aufgrund der davon unabhängigen Verfügbarkeit des anderen Kälteträgerfluidkreislaufs eine erhöhte Sicherheit gewährleistet.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems wird auf den ersten Wärmetauscher zur Herstellung einer thermischen Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf verzichtet. Stattdessen weist das Kopplungssystem bei der alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems eine mit dem ersten Ventil verbundene erste Verbindungsleitung sowie eine mit einem zweiten Ventil verbundene zweite Verbindungsleitung auf. Durch die ersten und zweiten Verbindungsleitungen, die selektiv durch das erste bzw. das zweite Ventil freigegebenen oder unterbrochen werden können, können der erste und der zweite Kälteträgerfluidkreislauf miteinander verbunden werden. Auf diese Art und Weise wird eine direkte Kopplung der ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe ermöglicht, so dass die ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe zu einem einzigen Kälteträgerfluidkreislauf verbunden werden können.
  • Im Vergleich zu einem einen ersten Wärmetauscher umfassenden Kopplungssystem weist ein lediglich eine erste und eine zweite Verbindungsleitung sowie ein erstes und ein zweites Ventil umfassendes Kopplungssystem einen einfachen und leichtgewichtigen Aufbau auf, so dass im Vergleich zu dem einen ersten Wärmetauscher umfassenden Kopplungssystem eine Gewichtseinsparung möglich ist. Ein Kopplungssystem, das eine direkte hydraulische Kopplung der ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe bewirkt, ist jedoch nur dann einsetzbar, wenn der erste und der zweite Kälteträgerfluidkreislauf mit dem gleichen Kälteträgerfluid betrieben werden.
  • Die ersten und zweiten Ventile sind vorzugsweise in Form von Dreiwegeventilen mit einem variablen Strömungsquerschnitt ausgebildet. Den ersten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmendes Kälteträgerfluid kann dann beispielsweise teilweise über die erste Bypassleitung und teilweise über die erste Verbindungsleitung in den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf geleitet werden, wobei die in die ersten Bypassleitung bzw. den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf geleiteten Volumenströme gezielt eingestellt werden können.
  • In dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf ist vorzugsweise ein drittes Ventil angeordnet, das dazu eingerichtet ist, den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmendes Kälteträgerfluid selektiv durch einen zweiten Wärmetauscher und/oder eine zweite Bypassleitung zu leiten. Das dritte Ventil ist vorzugsweise ebenfalls in Form eines Dreiwegeventils mit einem variablen Strömungsquerschnitt ausgebildet, so dass das den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmende Kälteträgerfluid auch teilweise durch den zweiten Wärmetauscher und teilweise durch die zweite Bypassleitung geleitet werden kann. Der zweite Wärmetauscher ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Wärme von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf an die Umgebung abzuführen. Das dritte Ventil wird daher vorzugsweise in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur sowie in Abhängigkeit der von der in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf angeordneten Wärmelast erzeugten Wärmemenge gesteuert.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines oben beschriebenen Kühlsystems zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs wird der erste Kälteträgerfluidkreislauf mittels des Kopplungssystems wahlweise thermisch mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf gekoppelt oder thermisch von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf entkoppelt.
  • Vorzugsweise wird das den ersten oder zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmende Kälteträgerfluid mittels eines in dem ersten oder dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf angeordneten ersten Ventils wahlweise durch eine erste Bypassleitung geleitet oder in Wärmekontakt mit dem zweiten oder dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmendem Kälteträgerfluid gebracht.
  • Ein mit dem ersten oder dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf verbundener erster Wärmetauscher wird durch das erste Ventil wahlweise mit dem zweiten oder dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf verbunden oder von dem zweiten oder dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf getrennt.
  • Alternativ dazu kann der erste Kälteträgerfluidkreislauf auch durch das mit einer ersten Verbindungsleitung verbundene erste Ventil sowie ein mit einer zweiten Verbindungsleitung verbundenes zweites Ventil wahlweise mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf verbunden oder von diesem getrennt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kühlsystems zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs wird den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmendes Kälteträgerfluid mittels eines in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf angeordneten dritten Ventils selektiv durch einen zweiten Wärmetauscher und/oder eine zweite Bypassleitung geleitet.
  • Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kühlsystems zur Kühlung von Wärmelasten an Bord eines Flugzeugs werden nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen:
  • 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlsystems zeigt und
  • 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlsystems zeigt.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines zum Einsatz an Bord eines Flugzeugs geeigneten Kühlsystems 10. Das Kühlsystem 10 umfasst eine in Form einer Kaltdampfprozess-Kältemaschine ausgebildete Kälteerzeugungseinrichtung 12 mit einem Kältemittelkreislauf 14, in dem ein Expansionsventil 16 sowie ein Kompressor 18 angeordnet sind. In dem Kältemittelkreislauf 14 der Kälteerzeugungseinrichtung 12 ist ferner ein Kondensator 20 angeordnet, der dazu dient, Wärme an die Umgebung abzuführen.
  • Ein Verdampfer 22 der Kälteerzeugungseinrichtung 12 ist mit einem ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 verbunden, wobei den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 durchströmendes Kälteträgerfluid durch den Verdampfer 22 geleitet wird, um Wärme von dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 auf die Kälteerzeugungseinrichtung 12 zu übertragen. Das den ersten Kälteträgerfluidkreislauf durchströmende Kälteträgerfluid wird mittels einer ersten Pumpe 26 durch den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 gefördert, um Wärme von einer in dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 angeordneten ersten Wärmelast 28 abzuführen.
  • Das Kühlsystem 10 umfasst ferner einen zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30, in dem ein Kälteträgerfluid mittels einer zweite Pumpe 32 im Kreislauf geführt wird, um Wärme von einer zweiten Wärmelast 34 abzuführen. Das Temperaturniveau der zweiten Wärmelast 34 ist höher als das Temperaturniveau der ersten Wärmelast 28.
  • Das in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 zirkulierende Kälteträgerfluid wird durch einen ersten Wärmetauscher 36 geleitet. Der mit der Kälteerzeugungseinrichtung 12 verbundene erste Kälteträgerfluidkreislauf 24 ist dagegen selektiv mit dem ersten Wärmetauscher 36 verbindbar oder von diesem trennbar. Zu diesem Zweck ist in dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 stromabwärts der ersten Pumpe 26 ein erstes Dreiwegeventil 38 angeordnet. Das erste Dreiwegeventil 38 dient dazu, das den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 durchströmende Kälteträgerfluid wahlweise durch den ersten Wärmetauscher 36 oder durch eine erste Bypassleitung 40 zu leiten.
  • Der erste Wärmetauscher 36, das erste Dreiwegeventil 38 und die erste Bypassleitung 40 bilden somit ein Kopplungssystem, das den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 wahlweise thermisch mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 koppelt oder thermisch von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 entkoppelt. Das erste Dreiwegeventil 38 weist einen variablen Strömungsquerschnitt auf, so dass es möglich ist, das den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 durchströmende Kälteträgerfluid teilweise durch den ersten Wärmetauscher 36 und teilweise durch die erste Bypassleitung 40 zu leiten, wobei der Anteil der durch den ersten Wärmetauscher 36 bzw. die erste Bypassleitung 40 geleiteten Volumenströme des den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 durchströmenden Kälteträgerfluids je nach Bedarf eingestellt werden kann.
  • In dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 ist stromabwärts der zweiten Pumpe 32 ein weiteres Dreiwegeventil 42 angeordnet, das das den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 durchströmende Kälteträgerfluid wahlweise durch einen zweiten Wärmetauscher 44 oder durch eine zweite Bypassleitung 46 leitet. Der zweite Wärmetauscher 44 dient dazu, Wärme von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 und somit von der zweiten Wärmelast 34 an die Umgebung abzuführen. Das weitere Dreiwegeventil 42 weist ebenfalls einen variablen Strömungsquerschnitt auf, so dass das den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 durchströmende Kälteträgerfluid teilweise durch den zweiten Wärmetauscher 44 und teilweise durch die zweite Bypassleitung 46 geleitet werden kann, wobei durch eine entsprechende Steuerung des weiteren Dreiwegeventils 42 wiederum der Anteil der in den zweiten Wärmetauscher 44 bzw. die zweite Bypassleitung 46 geleiteten Volumenströme des durch den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 fließenden Kälteträgerfluids wie gewünscht eingestellt werden kann.
  • Im Folgenden wird die Funktionsweise des in 1 gezeigten Kühlsystems erläutert. Wenn die Umgebungstemperatur ausreichend niedrig ist, kann durch eine entsprechende Steuerung des weiteren Dreiwegeventils 42 die von der zweiten Wärmelast 34 erzeugte Wärme über den zweiten Wärmetauscher 44 an die Umgebung abgeführt werden. Dabei stellt sich in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 eine bestimmte Vorlauftemperatur ein.
  • Während dieser Betriebsphase des Kühlsystems 10 ist der erste Kälteträgerfluidkreislauf 24 durch eine entsprechende Steuerung des ersten Dreiwegeventils 38 von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 getrennt. Mit anderen Worten, das in dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 zirkulierende Kälteträgerfluid wird ausschließlich durch die erste Bypassleitung 40 geleitet. Die Betriebstemperatur der Kälteerzeugungseinrichtung 12 kann während dieser Betriebsphase des Kühlsystems 10 an das vergleichsweise niedrige Temperaturniveau der ersten Wärmelast 28 angepasst werden. Dadurch wird ein besonders energieeffizienter Betrieb der Kälteerzeugungseinrichtung 12 möglich.
  • Bei einer höheren Umgebungstemperatur kann gegebenenfalls nicht mehr genügend Wärme über den zweiten Wärmetauscher 44 aus dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 abgeführt werden. Infolgedessen steigt die Vorlauftemperatur in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 an. Wenn infolge einer erhöhten Vorlauftemperatur in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 eine ordnungsgemäße Wärmeabfuhr von der zweiten Wärmelast 34 nicht länger gewährleistet ist, kann der zweite Kälteträgerfluidkreislauf 30 über den ersten Wärmetauscher 36 thermisch mit dem sich auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindenden ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 gekoppelt werden.
  • Zu diesem Zweck wird das erste Dreiwegeventil 38 derart angesteuert, dass die erste Bypassleitung 40 teilweise oder vollständig geschlossen und das in dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 zirkulierende Kälteträgerfluid durch den ersten Wärmetauscher 36 geleitet wird. Dadurch kann über den ersten Wärmetauscher 36 überschüssige Wärme aus dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 auf den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 übertragen werden. Ein vollständiges Absperren der ersten Bypassleitung 40 durch das erste Dreiwegeventil 38 ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Umgebungstemperatur höher ist als die Eintrittstemperatur des den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 40 durchströmenden Kälteträgerfluids in den zweiten Wärmetauscher 44.
  • Bei ausreichend niedriger Umgebungstemperatur kann das Temperaturniveau in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 dagegen unter das Temperaturniveau in dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 abgesenkt werden. Zu diesem Zweck wird das weitere Dreiwegeventil 42 so gesteuert, dass das den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 durchströmende Kälteträgerfluid überwiegend oder vollständig durch den zweiten Wärmetauscher 44 geleitet wird. Wenn das Temperaturniveau in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 unter dem Temperaturniveau in dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 liegt, kann durch eine entsprechende thermische Kopplung der ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe 24, 30 über den ersten Wärmetauscher 36 auch Wärme von der ersten Wärmelast 28 über den zweiten Kälteträgerfluidkreis lauf 30 und den zweiten Wärmetauscher 44 an die Umgebung abgeführt werden. Dadurch kann die Kälteerzeugungseinrichtung 12 entlastet werden.
  • Das in 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems 10 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Anordnung im Wesentlichen dadurch, dass auf einen Wärmetauscher zur Herstellung einer thermischen Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 24, 30 verzichtet wurde. Stattdessen umfasst das Kopplungssystem des Kühlsystems 10 neben dem ersten Dreiwegeventil 38 und der ersten Bypassleitung 40 eine mit dem ersten Dreiwegeventil 38 verbundene erste Verbindungsleitung 48, ein zweites Dreiwegeventil 50 sowie eine mit einem zweiten Dreiwegeventil 50 verbundene zweite Verbindungsleitung 52.
  • Die ersten und zweiten Dreiwegeventile 42, 50 weisen jeweils variable Strömungsquerschnitte auf. Den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 durchströmendes Kälteträgerfluid kann somit durch entsprechende Ansteuerung des ersten Dreiwegeventils 38 teilweise in die erste Bypassleitung 40 und teilweise über die erste Verbindungsleitung 48 in den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 geleitet werden, wobei der Volumenstromanteile des in die erste Bypassleitung 40 bzw. über die erste Verbindungsleitung 48 in den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 geleiteten Kälteträgerfluids je nach Bedarf eingestellt werden können. In ähnlicher Weise kann das den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 durchströmende Kälteträgerfluid durch entsprechende Ansteuerung des zweiten Dreiwegeventils 50 teilweise weiter in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf 30 zirkuliert und teilweise über die zweite Verbindungsleitung 52 in den ersten Kälteträgerfluidkreislauf 24 geleitet werden.
  • Durch eine entsprechende Ansteuerung der ersten und zweiten Dreiwegeventile 38, 50 ist somit eine direkte hydraulische Kopplung der ersten und zweiten Kälteträgerfluidkreisläufe 24, 30 möglich. Im Übrigen entspricht der Aufbau und die Funktionsweise des in 2 gezeigten Kühlsystems 10 dem Aufbau und der Funktionsweise der in 1 dargestellten Anordnung.

Claims (11)

  1. Kühlsystem (10) zur Kühlung von Wärmelasten (28, 34) an Bord eines Flugzeugs mit – einer Kälteerzeugungseinrichtung (12), – einem thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung (12) gekoppelten ersten Kälteträgerfluidkreislauf (24), der mit einer ersten Wärmelast (28) verbunden ist, um Wärme von der ersten Wärmelast (28) abzuführen, und – einem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30), der mit einer zweiten Wärmelast (34) verbunden ist, um Wärme von der zweiten Wärmelast (34) abzuführen, gekennzeichnet durch ein Kopplungssystem, das dazu eingerichtet ist, den ersten Kälteträgerfluidkreislauf (24) wahlweise thermisch mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) zu koppeln oder thermisch von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) zu entkoppeln.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Wärmelast (28) auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindet als die zweite Wärmelast (34).
  3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungssystem ein in dem ersten oder dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (24, 30) angeordnetes erstes Ventil (38) umfasst, das dazu eingerichtet ist, den ersten oder zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (24, 30) durchströmendes Kälteträgerfluid wahlweise durch eine erste Bypassleitung (40) zu leiten oder in Wärmekontakt mit den zweiten oder den ersten Kälteträgerfluidkreislauf (30, 24) durchströmendem Kälteträgerfluid zu bringen.
  4. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungssystem einen mit dem ersten oder dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (24, 30) verbundenen ersten Wärmetauscher (36) umfasst der durch das erste Ventil (38) wahlweise mit dem zweiten oder dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf (30, 24) verbindbar oder von diesem trennbar ist.
  5. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungssystem eine mit dem ersten Ventil (38) verbundene erste Verbindungsleitung (48) sowie eine mit einem zweiten Ventil (50) verbundene zweite Verbindungsleitung (52) zur Verbindung des ersten und des zweiten Kälteträgerfluidkreislaufs (24, 30) umfasst.
  6. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) ein drittes Ventil (42) angeordnet ist, das dazu eingerichtet ist, den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) durchströmendes Kälteträgerfluid selektiv durch einen zweiten Wärmetauscher (44) und/oder eine zweite Bypassleitung (46) zu leiten.
  7. Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems (10) zur Kühlung von Wärmelasten (28, 34) an Bord eines Flugzeugs mit – einer Kälteerzeugungseinrichtung (12), – einem thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung (12) gekoppelten ersten Kälteträgerfluidkreislauf (24), der mit einer ersten Wärmelast (28) verbunden ist, um Wärme von der ersten Wärmelast (28) abzuführen, und – einem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30), der mit einer zweiten Wärmelast (34) verbunden ist, um Wärme von der zweiten Wärmelast (34) abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kälteträgerfluidkreislauf (24) mittels eines Kopplungssystems wahlweise thermisch mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) gekoppelt oder thermisch von dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) entkoppelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das den ersten oder zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (24, 30) durchströmende Kälteträgerfluid mittels eines in dem ersten oder dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (24, 30) angeordneten ersten Ventils (38) wahlweise durch eine erste Bypassleitung (40) geleitet oder in Wärmekontakt mit den zweiten oder den ersten Kälteträgerfluidkreislauf (30, 24) durchströmendem Kälteträgerfluid gebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem ersten oder dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (24, 30) verbundener erster Wärmetauscher (36) durch das erste Ventil (38) wahlweise mit dem zweiten oder dem ersten Kälteträgerfluidkreislauf (30, 24) verbunden oder von diesem getrennt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kälteträgerfluidkreislauf (24) durch das mit einer ersten Verbindungsleitung (48) verbundene erste Ventil (38) sowie ein mit einer zweiten Verbindungsleitung (52) verbundenes zweites Ventil (50) wahlweise mit dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) verbunden oder von diesem getrennt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass den zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) durchströmendes Kälteträgerfluid mittels eines in dem zweiten Kälteträgerfluidkreislauf (30) angeordneten dritten Ventils (42) selektiv durch einen zweiten Wärmetauscher (44) und/oder eine zweite Bypassleitung (46) geleitet wird.
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