DE10027925A1 - Einrichtung zur Verbesserung des thermischen Komforts in Passagierflugzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verbesserung des thermischen Komforts in Passagierflugzeugen. Gemäß der Erfindung sind an den Innenoberflächen der Flugzeug-Kabinenwandung Beschichtungen mit niedrigem thermischen Emissionskoeffizienten vorhanden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verbesserung des thermischen Komforts in Passagierflugzeugen.

Aus der Klimamesstechnik ist bekannt, dass thermische Behaglichkeit, also die Ge­ währleistung einer Zufriedenheit mit der klimatischen Umgebung, eine ausgeglichene Wärmebilanz des Menschen mit seiner thermischen Umgebung voraussetzt. Die vom Menschen produzierte Wärme muss gleich der an die Umgebung abgeführten Wär­ me sein. Abweichungen führen zu physiologischen Reaktionen, die, innerhalb indivi­ dueller Toleranzbereiche, zunehmend als unangenehm empfunden werden. Thermi­ sche Unbehaglichkeit durch zu viel Wärme ist z. B. mit Schwitzen verbunden, woge­ gen Unbehaglichkeit durch Kälte zu einer Erhöhung des Stoffwechsels und verstärk­ ter Muskelaktivität z. B. Zittern führt.

Neben dem Aktivitätsgrad des betreffenden Menschen und dem Wärmeisolations­ grad der Bekleidung sind die zwei wichtigsten äußeren Einflussgrössen auf die ther­ mische Behaglichkeit von der unmittelbaren thermischen Umgebung bestimmt:

• - Geschwindigkeit, Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebungsluft sowie
• - Temperatur der Umschliessungsflächen, mit der ein Mensch im Strahlungsaus­ tausch steht.

Das Zusammenwirken von Lufttemperatur und Strahlungstemperatur der den Men­ schen umgebenden Umschliessungsflächen beeinflusst in hohem Masse das thermi­ sche Empfinden. So kann in gewissem Umfang bei niedrigen Lufttemperaturen eine erhöhte Strahlungstemperatur zu einem hohen thermischen Komfort des Raumklimas beitragen. Andererseits müssen niedrige Strahlungstemperaturen durch eine Erhöhung der Lufttemperatur kompensiert werden. Die Raumklimamesstechnik zeigt, dass zur Bewertung einer thermischen Umgebung diese Zusammenhänge berück­ sichtigt werden müssen [1, 2].

Bei Passagierflugzeugen weisen diese Umschliessungsflächen in der Reiseflughöhe wegen der niedrigen Außentemperatur, typischerweise weniger als -50°C, und der eingeschränkten Möglichkeit der Isolation niedrige Oberflächentemperaturen auf. Dies führt bei den üblicherweise verwendeten Werkstoffen der Umschliessungsflä­ chen zu niedrigen Strahlungstemperaturen. Bei Passagieren, die sich auf den Sitz­ plätzen in unmittelbarer Nähe dieser kalten Flächen befinden, tritt eine Strahlungs­ auskühlung ein, die besonders bei Langstreckenflügen als unangenehm empfunden wird.

Zusätzlich zu den sehr unterschiedlichen Klimabedingungen je nach Abstand des Sitzplatzes zu den Umschliessungsflächen ist die Klimasituation am Sitzplatz stark unterschiedlich. Die großen Temperaturunterschiede der Strahlungstemperaturen führen zu einer unsymmetrischen Klimaumgebung für die jeweils linke oder rechte Körperhälfte, die als besonders unangenehm empfunden wird ("Kalte Schulter- Effekt"). Eine Kompensation des sehr ungünstigen Strahlungsklimas durch erhöhte lokale Lufttemperatur ist klimatechnisch nur sehr schwer zu realisieren.

Bei der Innenbeschichtung in Wärmeschutzverglasungen werden Beschichtungen mit niedrig emittierenden Eigenschaften zur Verbesserung der Isolationswirkung einge­ setzt. Durch Hemmung des Strahlungsaustauschs zwischen innerer und äußerer Scheibe wird der Wärmeleitwert der Gesamtanordnung erniedrigt, wobei es zu einer Erhöhung der tatsächlichen Oberflächentemperatur der inneren Scheibe kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die ungünstige Klimasituation und damit den thermi­ schen Komfort der Passagiere in Passagierflugzeugen zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand weitere Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung wird eine Beschichtung mit einem niedrigen thermischen Emis­ sionskoeffizienten auf die Innenoberflächen der Flugzeug-Kabinenwandung aufge­ tragen.

Die Wärmestrahlung Q(T) eines Körpers mit der Oberflächentemperatur T_O setzt sich im wesentlichen aus der Eigenstrahlung des Körpers (1. Summend) und aus der re­ flektierten Umgebungsstrahlung mit einer Temperatur T_U (2. Summend) nach folgen­ der Gleichung zusammen:

Q(T) ~ ε . T_O ⁴ + (1 - ε) . T_U ⁴ (1)

Hierbei bedeutet ε der thermische Emissionskoeffizient der Oberfläche des Körpers, wobei sich die Temperaturen jeweils auf die absolute Temperaturskala beziehen. Der thermische Emissionskoeffizient ε ist eine Eigenschaft der Werkstoffoberfläche und gibt die Intensität an, mit der ein Körper Wärmestrahlung absorbiert und emittiert. Beim sogenannten "Schwarzen Strahler" ist der thermische Emissionskoeffizient ma­ ximal und beträgt 1. Bei den meisten Werkstoffoberflächen, z. B. dekorativen Oberflä­ chen, handelt es sich um "Graue Strahler" mit einem Emissionswert nahe 1.

Aus der Gleichung (1) wird deutlich, dass eine Erniedrigung des thermischen Emissi­ onskoeffizienten eine Verringerung der thermischen Abstrahlung der Oberfläche des Körpers zugunsten einer erhöhten Reflexion der Umgebungsstrahlung bewirkt. Bei zunehmender Reduzierung des thermischen Emissionskoeffizienten einer Ober­ fläche wird die Wärmestrahlung Q(T) immer weniger von der Oberflächentemperatur T_O des Körpers, sondern zunehmend von den Temperaturen T_U der von den Umge­ bungsflächen reflektierten Umgebungsstrahlung bestimmt.

Der thermische Emissionskoeffizient ist temperaturabhängig sowie wellenlängenab­ hängig. Bei üblichen Raumtemperaturen liegt das Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge von ca. 10 µm. Für die Verbesserung des thermischen Komforts in Pas­ sagierflugzeugen ist somit der thermische Emissionskoeffizient bei ca. 10 µm von Bedeutung.

Durch die erfindungsgemäße Beschichtung mit niedrigem thermischen Emissionsko­ effizienten wird, im Gegensatz zu der Innenbeschichtung in Wärmeschutzverglasun­ gen, nicht die tatsächliche Oberflächentemperatur, sondern die Strahlungstemperatur der Flugzeug-Kabinenwandung erhöht. Diese Erhöhung der Strahlungstemperatur, im weiteren als Umschliessungsflächentemperatur bezeichnet, resultiert aus einer Reflexion in Form einer Spiegelung der Oberflächentemperaturen von Objekten aus dem Kabineninnenraum (z. B. Passagiere, Sitze, Hatracks, etc.). Da die Oberflä­ chentemperaturen dieser Objekte typischerweise mindestens Lufttemperatur aufwei­ sen, wird eine deutliche Erhöhung der Umschliessungsflächentemperatur erreicht und die Strahlungsauskühlung der Passagiere verringert.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein für den Passagier behagliches Strahlungs­ klima auf rein passivem Weg erreicht wird, ohne dass hierfür Klimatisierungsenergie benötigt wird, wodurch weitere Kosten eingespart werden können.

Es ergibt sich für den Passagier ein physiologischer Effekt, der darauf beruht, dass der Passagier selbst den Strahlungsaustausch zwischen sich und den Umschlies­ sungsflächen reguliert.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die bisher verwendeten Materialien in dem Flugzeug- Innenraum weiter verwendbar sind, es muss lediglich die erfindungsgemäße niedrig emittierende Beschichtung aufgebracht werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Beschichtung mit dem niedrigen thermischen Emissionekoeffizienten transparent leitfähig sein. Somit kann die Beschichtung auch auf transparente Materialien der Flugzeug-Kabinenwandung, z. B. Fenster, oder als unauffällige Beschichtung auf Seitenverkleidungsteilen der Flugzeug-Kabinenwandung aufgetragen werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Beschichtung ein leitfähiger Metalloxid, z. B. Indium-Zinn-Oxid.

Die Dicke der Metalloxidschicht beträgt vorteilhaft weniger als 1 µm, insbesondere zwischen 200 nm und 500 nm. Durch die Dicke der Metalloxidschicht kann die Leitfä­ higkeit und somit der thermische Emissionskoeffizient der Schicht variiert werden.

In einer vorteilhaften Ausführung ist der thermische Emissionskoeffizient kleiner als 0,5, insbesondere liegt der thermische Emissionskoeffizient im Bereich zwischen 0,1 und 0,3. Dadurch wird mindestens 50% der Wärmestrahlung aus dem Innern der Flugzeugkabine an der Flugzeug-Kabinenwandung reflektiert.

Insbesondere wird in der Flugzeugkabine die Beschichtung auf den Seitenverklei­ dungsteilen und den Fenstern, die aufgrund der sehr niedrigen Temperaturen beson­ ders zur Strahlungsauskühlung beitragen, angebracht.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann auf die Fenster, welche übli­ cherwerweise ein transparenter Kunststoff z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat sind, eine erfindungsgemäße Beschichtung mit einem niedrigen thermi­ schen Emissionskoeffizienten aufgebracht werden. Es ist auch möglich, auf die Fenster eine Folie eines transparenten Kunststoffs, welcher mit der erfindungsgemä­ ßen niedrig emittierenden Beschichtung beschichtet ist, aufzubringen.

Für die Seitenverkleidungsteile kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung die Beschichtung mit dem niedrigen thermischen Emissionskoeffizienten auf die in Flugzeugen üblicherweise zum Einsatz kommenden Kunstoffdekorfolien, Polyvinylfluorid (PVF) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF), aufgebracht werden.

Durch die niedrig emittierenden Schichten wird eine Regulation des Strahlungsaus­ tauschs des Passagiers gegenüber den Umschliessungsflächen bewirkt, wobei die Umschliessungsflächen entweder heiss oder kalt sein können. Dadurch wird eine neutrale Wärmebilanz, also weder eine übermässige Wärmeaufnahme noch Wärme­ abgabe an die Umgebung, gewährleistet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeich­ nungen zeigen in:

Fig. 1: die Strahlungsverhältnisse zwischen der Innenoberfläche des Flugzeuges und dem Passagier ohne die erfindungsgemäße Beschichtung und

Fig. 2: die Strahlungsverhältnisse zwischen der Innenoberfläche des Flugzeuges und dem Passagier mit der erfindungsgemäßen Beschichtung.

In Fig. 1 sind die Strahlungsverhältnisse zwischen der Innenoberfläche 1 des Flug­ zeuges und dem Passagier 2 ohne eine Beschichtung mit niedrig emittierenden Ei­ genschaften dargestellt. Der Passagier 2 strahlt gemäß seiner Körpertemperatur Wärme ab. Die Innenoberfläche 1 strahlt gemäß ihrer Oberflächentemperatur Wärme ab. Da die Innenoberflächen 1 in Passagierflugzeugen aufgrund der niedrigen Au­ ßentemperaturen niedrige Oberflächentemperaturen aufweisen, führt dies zu niedri­ gen Strahlungstemperaturen. Dadurch kommt es zur Strahlungsauskühlung der Pas­ sagiere.

In Fig. 2 sind die Strahlungsverhältnisse zwischen der Innenoberfläche 1 des Flug­ zeuges und dem Passagier 2 mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung mit niedri­ gem thermischen Emissionskoeffizienten dargestellt. Der Passagier 2 strahlt gemäß seiner Körpertemperatur Wärme ab. Die Wärmeabstrahlung der Innenoberfläche 1 wird durch die erfindungsgemäße Beschichtung nicht von der tatsächlichen Oberflä­ chentemperatur der Innenoberfläche 1 bestimmt, sondern von der Körpertemperatur des Passagiers 2. Somit wird eine Strahlungsauskühlung des Passagiers 2 verhin­ dert.

Literatur

[1] Mayer E.; "Thermische Behaglichkeit in Räumen, neue Beurteilungs- und Meß­ möglichkeiten"; Gesundheits-Ingenieur 110 (

1987

), Heft 1, S. 35-43.
[2] Benzinger T. H.; "Rating of Environment for Human Thermal Comfort by Resul­ tant Surface Temperature"; Symposiumsbeitrag zu Thermal Analysis-Human Comfort-Indoor Environments; National Bureu of Standrd; Gaitersburg; MD 20760; 11. Februar 1977.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Verbesserung des thermischen Komforts in Passagierflugzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass an den Innenoberflächen (2) der Flugzeug- Kabinenwandung eine Beschichtung mit einem niedrigen thermischen Emissions­ koeffizienten vorhanden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine transparent leitfähige Beschichtung ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein leitfähiges Metalloxid, z. B. Indium-Zinn-Oxid, ist.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung weniger als 1 µm beträgt.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einen transparenten Kunststoff, z. B. auf PMMA oder Polycarbonat aufgebracht ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einer Kunststoffdekorfolie, z. B. auf PVF oder PVDF aufgebracht ist.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Emissionsfaktor der Beschichtung kleiner als 0,5 ist, und insbesondere zwischen 0,1 und 0,3 liegt.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf den Seitenverkleidungsteilen und/oder der Flugzeug­ verglasung der Flugzeugkabine, aufgebracht ist.