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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Ver- und Entsorgung eines Luftfahrzeugs.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wasser-Abwassermodul zur Entsorgung
von Fäkalien
und Abwässern,
zur Bereitstellung von Frischwasser und zur Bereitstellung von einem
Vakuum zum Transport von Fäkalien
in einem Flugzeug, die Verwendung eines entsprechenden Wasser-Abwassermoduls
in einem Flugzeug, sowie ein Flugzeug, umfassend ein entsprechendes
Wasser-Abwassermodul.
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Bei
heutigen Vakuum-Abwassersystemen und Frischwasserlagertanks in Passagierflugzeugen werden
die Fäkalien
aus der WC-Schüssel über Rohrleitungen
mittels eines Luftstroms, der im Flugzeug aus dem Differenzdruck
zwischen Außenluft und
Kabinenluft resultiert, transportiert. Diese Fäkalien werden dann in den sog.
Vakuumtanks (Abwasser-Sammeltanks) zumeist im Heck des Luftfahrzeugs
gesammelt und nach der Landung am Boden über das sog. „Drain
Valve" entsorgt.
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Da
bei niedrigen Flughöhen
oder Standzeiten am Boden der Differenzdruck zwischen Außenluft und
Kabinenluft für
einen Förderstrom
zu gering bzw. gar nicht vorhanden ist, wird zum Aufbau dieses Differenzdrucks
der Abwasser-Sammeltank mittels eines Vakuumerzeugers, dem „Blower", evakuiert. Die so
erzielbaren Differenzdrücke
liegen etwa zwischen 270 Millibar (Vakuumgenerator) bis 570 Millibar
(Reiseflughöhe).
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Derzeitige
Abwasser-Sammeltanks bestehen aus einem oder mehreren separaten
Behältern, die
im Druckbereich der Kabine an die Struktur montiert sind. Diese
Tanks besitzen auf ihrer Oberseite die Anschlüsse für die Vakuum-Rohrleitungen
von den Toiletten, die Anschlüsse
für den
Vakuumgenerator und die Außenluftleitung
mit einer Filtervorrichtung zur Trennung von Luft und Flüssigkeit.
An der Unterseite befindet sich in der Regel pro Tank ein Auslaufstutzen
für die
Drainage der Tanks. Diese Drainagestutzen aller vorhandenen Tanks
werden über
Ventile abgesperrt und dann zusammengefasst zu einem Drainagestutzen,
der an der Unterseite des Rumpfes zusätzlich mit einem Ventil abgesichert
ist.
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Zusätzlich sind
noch Anbauten für
die Füllstandsmessung
und zur Verhinderung eines Einfrierens der sich in den Tanks befindenden
Wasseranteile (z. B. in Fäkalien)
vorhanden sowie Vorrichtungen zum Spülen bzw. Reinigen der Tanks.
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Frischwasser
wird in Luftfahrzeugen in einem oder mehreren Frischwassertanks
mitgeführt und über ein
Leitungsnetz an die entsprechenden Zapfstellen, wie sie sich z.
B. in Bordküchen
oder Waschräumen
befinden, mit Hilfe einer Pumpe oder durch eine Druckbeaufschlagung
des Frischwassertanks mit Druckluft im Flugzeug verteilt.
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Das
hierfür
benötigte
Frischwasser wird von außen über einen
Tankwagen oder einen Bodenanschluss über eine Befüllvorrichtung
an der Außenhaut
des Luftfahrzeugs, dem sog. „Service
Panel" in die Tanks
verbracht. Hierbei ist die Wasserqualität jeweils von der Lieferqualität des jeweiligen
Standortes des Luftfahrzeugs abhängig
sowie die Menge durch die Tankgröße limitiert.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wasserversorgung
und Abwasserentsorgung für
Luftfahrzeuge bereitzustellen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Wasser-Abwassermodul zur Entsorgung
von Fäkalien
und Abwässern,
zur Bereitstellung von Frischwasser und zur Bereitstellung von einem
Vakuum zum Transport von Fäkalien
in einem Flugzeug angegeben, das Modul umfassend einen ersten Tank
und einen zweiten Tank, wobei der erste Tank ein vakuumfester Druckbehälter zum Transport
von Fäkalien
oder Abwässern
ist, wobei der zweite Tank ein drucklos betriebener Lagerbehälter ist,
und wobei der zweite Tank unterhalb des ersten Tanks angeordnet
ist und mit dem ersten Tank zum Ablassen eines Inhalts des ersten
Tanks in den zweiten Tank verbunden ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Fäkalien-
und Abwasserentsorgung und der Frischwasserbereitstellung als Modul
können
eine Verkürzung
von Einbauzeiten bei der Ausrüstungsmontage,
eine Platzeinsparung für
Systeme im Kabinenbereich, insbesondere im Frachtraum, sowie eine bessere
Zugänglichkeit
im Wartungsfall im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen aus Flugzeugrumpf, Abwasser-Sammeltanks
und Wasserversorgung erreicht werden. Hierfür sind die Ver- und Entsorgungseinrichtung
als integriertes Bauteil zusammengefasst, welches beispielsweise
in Form eines selbsttragenden Moduls von unten oder seitlich oder
von einer beliebigen anderen Richtung in den Rumpf eingesetzt werden
kann. Dieses Modul kann je nach Einbauort z. B. in den Druckbereich
des Rumpfes eingeschoben werden und diesen dann nach der Montage
abdichten. Bei Einbau in den drucklosen Bereich kann das Modul die
Isolations- und Heizfunktionen für
die Wasser- und
Abwasserkomponenten übernehmen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst das Wasser-Abwassermodul weiterhin
eine Rohrleitung zur Verbindung des ersten Tanks mit dem zweiten
Tank und ein zwischengeschaltetes Ventil zum Öffnen der Verbindung, wobei
das Modul in einem drucklosen Bereich des Flugzeugs angeordnet ist.
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Durch
Anordnung des Moduls in einem drucklosen Bereich des Flugzeugs kann
der bestehende Unterdruck dazu verwendet werden, die Fäkalien oder
die Abwässer
aus dem Druckbereich des Flugzeugs hinaus in den ersten Tank zu
saugen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst das Wasser-Abwassermodul weiterhin
einen Druckzylinder, der zum Öffnen
des Ventils in einer ersten Seite des Druckzylinders mit Kabinendruck
und an einer zweiten Seite des Druckzylinders mit Umgebungsdruck
beaufschlagt ist, wobei die Beaufschlagung der ersten und zweiten
Seiten des Druckzylinders so gestaltet ist, dass der Druckzylinder
bei einem Absenken des Umgebungsdrucks unterhalb des Kabinendrucks
das Ventil öffnet.
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Somit
erfolgt also die Ansteuerung des Ventils über einen Druckzylinder, der
den Differenzdruck zwischen Kabine und Außenbereich als Stellenergie verwendet.
Beispielsweise arbeitet der Lagerbehälter (zweiter Tank) bei dieser
Anordnung in Reiseflughöhe
ebenfalls als Vakuumbehälter.
Dadurch ist es möglich,
einen formangepassten Behälter
mit relativ geringen Wandstärken
zu realisieren, da zwischen Behälter-Außenbereich
und -Innenbereich keinerlei Druckdifferenzen auftreten.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst das Wasser-Abwassermodul weiterhin
eine Rohrleitung zur Verbindung des ersten Tanks mit dem zweiten
Tank und eine zwischengeschaltete Pumpe zum Umpumpen des Inhalts
des ersten Tanks in den zweiten Tank, wobei das Modul in einem druckbeaufschlagten
Bereich des Flugzeugs angeordnet ist.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung weist das Wasser-Abwassermodul einen integrierten
Frischwasser-Puffertank zur Bereitstellung von Frischwasser auf.
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Somit
ist es möglich,
innerhalb des Moduls ausreichend Frischwasser zwischenzupuffern,
um stets eine ausreichende Versorgung der Fluggäste sicherzustellen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst das Wasser-Abwassermodul weiterhin
ein Brennstoffzellenmodul mit zumindest einer Brennstoffzelle zur
Erzeugung von Wasser, Sauerstoff und elektrischer Energie, wobei
das Brennstoffzellenmodul mit dem integrierten Frischwasser-Puffertank
verbunden ist, um dem integrierten Frischwasser-Puffertank das erzeugte
Wasser zuzuführen.
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Somit
kann Frischwasser direkt an Bord des Flugzeugs innerhalb des Wasser-Abwassermoduls erzeugt
werden. Hierdurch wird die mitzuführende Wassermenge verringert.
Bei entsprechender Dimensionierung des Brennstoffzellenmoduls kann sämtliches
in der Luft verbrauchtes Wasser direkt an Bord erzeugt werden, so
dass kein Frischwasser am Boden getankt werden muss.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffzellenmodul mit einem Passagierbereich
verbunden, um den Fluggästen
den erzeugten Sauerstoff zuzuführen.
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In
anderen Worten wird von dem Modul die komplette Wasserversorgung,
Abwasser- bzw. Fäkalienentsorgung,
die Sauerstoffversorgung und die Wasserstoffversorgung bereitgestellt.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellenmodul eine thermische
Anbindung zur Beheizung einer wasserführenden Komponente des Wasser-Abwassermoduls
mit einer Abwärme
des Brennstoffzellenmoduls auf.
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Auf
diese Weise können
strukturnahe Tanks, welche sich in der Nähe des Moduls befinden, vom Modul
aus beheizt werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung weist das Wasser-Abwassermodul ein thermisches
Managementsystem auf, welches eine Abwärme des Brennstoffzellenmoduls
zur Beheizung einer wasserführenden
Komponente des Wasser-Abwassermoduls weiterleitet und steuert.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
den Wärmehaushalt
von dem Brennstoffzellenmodul und den wasserführenden Komponenten des Wasser-Abwassermoduls
derart zu regeln, dass beispielsweise stets ausreichend warmes Wasser
bereitsteht bzw. eine Vereisung der wasserführenden Komponenten verhindert
wird.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst das Modul einen Wasserstoffspeicher
zum Speichern von Wasserstoff, wobei der Wasserstoffspeicher ein
integraler Bestandteil des Moduls ist.
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Somit
ist eine externe Wasserstoffversorgung nicht erforderlich.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist der Wasserstoffspeicher in Form eines
Drucktanks, eines Metallhydridspeichers oder eines Kühltanks
zur Speicherung von flüssigem
Wasserstoff ausgeführt.
Weiterhin ist neben der Speicherung das Wasserstoffs in Flüssig-, Gas,
oder Hydridspeichern auch eine Speicherung in teilverfestigter Form
oder ein Speichern in Kohlenstoff-Nanotubes oder Nano-Cubes möglich. Auch sind
andere Wasserstoffspeicherungen möglich.
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Weiterhin
kann, gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, das Wasser-Abwassermodul
zum Einbau in eine Rumpföffnung
des Flugzeugs ausgebildet sein. Das Modul umfasst hierfür einen
Schalenabschnitt, der eine Außenfläche des
Moduls bildet und bei dem es sich beispielsweise um einen Abschnitt
einer Wandung des zweiten Tanks handeln kann. Damit das erfindungsgemäße Modul
nicht bereits während
der Struktur- und Ausrüstungsmontage
in das Innere des Flugzeugrumpfs eingebaut werden muss, weist der
Schalenabschnitt beispielsweise eine Kontur auf, die mit der Kontur
der Rumpföffnung
des Flugzeugrumpfs korrespondiert, damit das Modul mit seinem Schalenabschnitt
in den Flugzeugrumpf zu beliebigen Zeiten eingepasst werden kann.
In diesem Fall kommen dann der erste Tank und der zweite Tank im
Innenraum des Flugzeugs zum Liegen und die Rumpföffnung wird vollständig durch
den Schalenabschnitt verschlossen, so dass von außen keine
Diskontinuität
in dem Flugzeugrumpf ausgemacht werden kann.
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Somit
ist es möglich,
das Modul getrennt von dem Flugzeugrumpf zu fertigen, so dass dadurch
die Struktur- und Ausrüstungsmontage
des Flugzeugrumpfs beschleunigt werden kann, da die Integration
des erfindungsgemäßen Moduls
beispielsweise erst bei der Endmontage des Flugzeugrumpfs vorgemerkt
werden muss.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung weist das Modul eine mit einer Rumpföffnung korrespondierende
Kontur auf, in welche das Modul so einpassbar ist, dass das Modul
das Innere des Flugzeugrumpfs nach außen hin abdichtet.
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Wie
aus den vorangegangenen Ausführungen
deutlich hervorgeht, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Modul
die Stillstand- und Wartungszeiten des Flugzeugs erheblich verringern,
so dass vorliegende Erfindung direkten Einfluss auf das Flugzeug
als solches hat. Insofern betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem
weiteren Aspekt ein Flugzeug, das zumindest ein Wasser-Abwassermodul
zur Entsorgung von Fäkalien
und Abwässern,
zur Bereitstellung von Frischwasser und zur Bereitstellung von einem
Vakuum zum Transport von Fäkalien
entsprechend dem oben beschriebenen Wasser-Abwassermodul aufweist.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
dem nebengeordneten Verwendungsanspruch.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Fließbild-Darstellung
eines Wasser-Abwassermoduls im Druckbereich des Rumpfes gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Fließbild-Darstellung
eines Moduls im drucklosen Bereich des Rumpfes gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine schematische Fließbild-Darstellung
eines Moduls im Druckbereich des Rumpfes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt
eine schematische Fließbild-Darstellung
eines Moduls im drucklosen Bereich des Rumpfes gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines Heckbereichs eines Flugzeugs
mit eingebautem Modul gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
eine schematische Fließbild-Darstellung
eines Moduls, eingebaut im Heckbereich eines Flugzeugs, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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In
der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen
Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Die
Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt
eine schematische Fließbild-Darstellung
eines Wasser-Abwassermoduls im Druckbereich des Rumpfes mit Standardwasser-
und Abwassertanks ausgerüstet.
Wie in 1 zu erkennen, besteht das Modul 100 (welches
grau hinterlegt ist) im Wesentlichen aus einem Vakuumabwassertank 2,
einem Wassertank 5 und verschiedenen Leitungszu- und Abführungen 111, 112, 113, 115 und
weiterer Komponente 116. Die Bestandteile des Moduls sind hierbei
im Druckbereich 102 des Rumpfes angeordnet, welcher durch
Hülle 103 vom
Außenbereich 101 abgetrennt
ist. Im Außenbereich 101 herrschen
Umgebungsbedingungen.
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Das
Modul 100 ist mit seinem Wassertank 5 über Leitung 111 an
ein Wassersystem 106 angeschlossen. Weiterhin ist der Wassertank 5 über Zuleitung 112 wahlweise
mit einer Wasserserviceeinheit verbindbar, um den Tank 5 zu
befüllen.
Der Abwassertank 2 ist über Leitung 113 mit
dem Vakuumsystem 108 verbunden und kann über Leitung 114 mit
einer Abwasser-Serviceeinheit zum Ablassen des Tanks 2 verbunden
werden. Weiterhin kann der Abwassertank 2 über Leitung 115 und
Vakuumerzeuger (Blower) 116 nach außen belüftet werden. Der Kabinenbereich 105 ist über Leitung 110 mit
der Außenluft 101 verbunden.
Die Energieversorgung der Verbraucher 107 erfolgt über Energie,
welche über
Leitung 109 von den Flugzeuggeneratoren bereitgestellt wird.
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2 zeigt
eine schematische Fließbild-Darstellung
eines Wasser-Abwassermoduls 100 im drucklosen Bereich 101 des
Rumpfes, und welches mit Standardwasser- und Abwassertanks ausgerüstet ist.
Das Modul 100, welches dunkel gefärbt ist (wie hier auch in 1, 3 und 4)
umfasst hierbei neben dem Wassertank 5, dem Abwassertank 2, dem
Anschluss an das Wassersystem 106, dem Anschluss an das
Vakuumsystem 108 und den entsprechenden Leitungen im Wesentlichen
elektrische Heizeinrichtungen 117, 118, 119,
welche mit einem thermischen Managementsystem 121 verbunden
sind. Die Verbindung zwischen den elektrischen Heizern 117, 118, 119 und
dem thermischen Managementsystem 121 erfolgt hierbei über Verbindungen 124, 125, 126 und 127.
Der elektrische Heizer 117 ist hierbei zur Beheizung der
Leitung 111 vorgesehen, welche vom Wassertank 5 zum
im Druckbereich 102 angeordneten Wassersystem 106 führt. Der
elektrische Heizer 118 ist zur Beheizung des Wassertanks 5 vorgesehen.
Der elektrische Heizer 119 dient der Beheizung von Leitung 113,
welche vom Vakuumsystem 108 zum Abwassertank 2 führt. Weiterhin
ist ein elektrisches Heizelement 120 zur Beheizung des
Abwassertanks 2 vorgesehen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Lösung dar, mit deren Hilfe die
Anforderungen eines Modulaufbaus für die Wasserversorgung und
für die
Abwasserentsorgung im Druckbereich sowie im drucklosen Bereich eines
Luftfahrzeugs erfüllt
werden und welche ebenfalls die Anforderungen einer Beheizung strukturnaher
Tanks erfüllt.
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Für eine Verkürzung von
Einbauzeiten bei der Ausrüstungsmontage,
Platzeinsparung für
Systeme im Kabinenbereich (insbesondere im Frachtraum) sowie für eine bessere
Zugänglichkeit
im Wartungsfall wird die herkömmliche
Anordnung aus Flugzeugrumpf, Abwasser-Sammeltanks und Wasserversorgung
erfindungsgemäß in einem
integrierten Bauteil zusammengefasst, welches in Form eines selbsttragenden
Moduls 100 vorzugsweise von unten oder seitlich oder von
einer beliebigen anderen Richtung im Rumpf eingesetzt werden kann.
Dieses Modul kann je nach Einbauort beispielsweise in den Druckbereich
des Rumpfes eingeschoben werden und diesen dann nach erfolgter Montage
abdichten. Bei Einbau in den drucklosen Bereich des Rumpfes kann das
Modul Isolations- und Heizfunktionen für die Wasser- und Abwasserkomponenten übernehmen.
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Die
Abwasser-Sammeltanks sind gemäß einem
Aspekt der Erfindung ähnlich
den Treibstofftanks eines Flugzeugs in die Struktur des Moduls 100 integriert.
Ebenfalls ist die Drainagevorrichtung integraler Bestandteil dieses
Moduls, wie auch die Vakuumgeneratoren, Füllstandssensoren, Frischwassertanks
bzw. ein Wassergenerierungssystem und die Beheizung, so dass bei
der Montage des Moduls lediglich die elektrischen Verbindungen,
die Wasserverbindungen und die Anschlüsse an die Vakuumförderleitungen
und, beim Einbau in den drucklosen Bereich, eine Verbindung zur
Kabinenluft hergestellt werden müssen.
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Vorteilhafterweise
können
das Modul und der Rumpf getrennt voneinander gefertigt werden und
müssen
erst bei der Endmontage des Luftfahrzeugs zusammengeführt werden.
Zusätzliche
Gewichte durch Strukturverstärkungen
und des Rumpfausschnitts für
das Modul werden weitgehend durch den Wegfall von Befestigungselementen
für die
Abwasser-Sammeltanks und die dafür
vorhandenen Strukturverstärkungen
kompensiert.
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Es
ist zu beachten, dass die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
beliebig miteinander kombiniert werden können.
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Die
Möglichkeit
der Integration des erfindungsgemäßen Wasser-Abwassermoduls in
den drucklosen Bereich eines Luftfahrzeugrumpfes erfordert die Erfüllung verschiedener
spezifischer Anforderungen, so dass sich insgesamt ein komplexes
Gesamtsystem ergibt. Im Wesentlichen wird durch die Verlagerung
im Kabinenbereich zusätzlicher
Raum geschaffen, der für
Passagiere oder Fracht zur Verfügung
gestellt werden kann.
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3 zeigt
eine schematische Fließbild-Darstellung
eines Wasser-Abwassermoduls 100 (dunkel eingefärbt), welches
im Druckbereich des Rumpfes angeordnet ist und eine Wassergenerierungseinrichtung 3 und
strukturintegrierter Abwassertanks 1, 2 aufweist.
Wesentliche Bestandteile des Moduls 100 werden von dem
ersten Abwassertank 1, dem zweiten Abwassertank 2,
der Wassergenerierungseinheit 3 und dem Wasserstoffspeicher 4 gebildet.
Der Tank 2 ist ein Vakuum-Abwassertank, welcher über Leitung 113 und
das Vakuumsystem 108 angeschlossen ist. Bei dem Tank 1 handelt
es sich um einen in seiner Form der Rumpfkontur angepassten Abwasser-Lagertank,
welcher über
Leitung 149 belüftet
werden kann. Zwischen den beiden Tanks 1, 2 ist
eine Pumpe 104 geschaltet, um Abwässer vom Vakuumtank 2 in
den Lagertank 1 zu pumpen.
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Die
Wassergenerierung erfolgt über
ein Brennstoffzellenmodul, welches eine Brennstoffzelle 3 umfasst.
Das Modul ist hierbei über
die Leitung 110 mit der Kabinenluft 105 verbunden.
Weiterhin ist das Brennstoffzellensystem 3 über eine
Leitung 150 mit den Energieverbrauchern (wie beispielsweise
den Toiletten, der Küche
oder diversen Pumpen oder dergleichen) 107 angeschlossen.
Das in der Brennstoffzelle 3 erzeugte Wasser kann über Kondensator 122 und
Wasserseparator 123 abgeschieden und separiert werden.
Danach wird es dem Frischwasser-Puffertank 5 zugeführt, welcher über Leitung 111 an
das Wassersystem 106 angeschlossen ist. Im Wasserseparator
vom Wasser isolierte Gase oder dergleichen können über Leitung 151 nach
außen
abgegeben werden.
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Der
Wasserstofftank 4, bei dem es sich beispielsweise um einen
Metallhydridspeicher, um einen Drucktank oder einen Kühltank handeln
kann, kann über
Leitung 141 an eine Füllstation
angeschlossen werden. Weiterhin sind Leitungen 142, 143 vorgesehen,
welche den Tank mit einem Wasserstoffverdampfer 129 verbinden.
Der gasförmige
Wasserstoff kann dann über
Leitung 144 dem Brennstoffzellensystem 3 zugeführt werden.
Weiterhin ist ein thermisches Managementsystem 121 vorgesehen,
welches über
Leitungen 131, 132 an ein Kühlsystem 130 angeschlossen
ist. Weiterhin sind Leitungen 137, 138 vorgesehen,
welche das thermische Managementsystem 121 mit dem Wasserstoffverdampfer 129 verbinden,
um den Wasserstoffverdampfer beispielsweise Wärmeenergie zuzuführen. Weiterhin
sind Leitungen 133 und 134 vorgesehen, um den
Kondensator 122 Wärme
zuzuführen
oder von ihnen Wärme
abzuführen.
Weiterhin sind Wärmeleitungen 135, 136 vorgesehen,
welche das thermische Managementsystem 121 mit dem Brennstoffzellenmodul 3 verbinden, um
die vom Brennstoffzellenmodul erzeugte Wärme abzuführen oder aber auch dem Modul
Wärme zuzuführen.
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Sowohl
der Wasserstoffspeicher 4, als auch der Kondensator 122 sind
mit thermischen Isolierungen 160 gegen die Umgebung abgeschirmt.
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4 zeigt
ein erfindungsgemäßes Wasser-Abwassermodul 100,
angeordnet im drucklosen Bereich des Rumpfes, mit Wassergenerierung
und strukturintegrierten Abwassertanks ausgerüstet. Insbesondere sind in
diesem Ausführungsbeispiel
Heizelemente 148, 130 vorgesehen, welche über entsprechende
Zu- bzw. Ableitungen 131, 132 und 139, 140 mit
dem thermischen Managementsystem 121 verbunden sind. Das
Heizelement 148 dient hierbei zum Heizen des Frischwasser-Puffertanks 5,
welcher ja im drucklosen Bereich 101 des Rumpfes angeordnet
ist. Weiterhin dient das Heiz/Kühlelement 130 zum
Heizen bzw. Kühlen
des Abwasser-Lagertanks 1. Zwischen dem Abwasser-Lagertank 1 und
dem Vakuum-Abwassertank 2 ist ein Vakuumventil 9 vorgesehen.
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Das
Frischwassersystem 3, 122, 123, 5 dient der
Generierung von Frischwasser aus Brennstoffzellen 3. Das
Frischwassersystem 3, 122, 123, 5 wird als
komplexes Bauteil dem Modul 100 hinzugefügt, wobei
die für
eine derartige Komponente erforderlichen Kühlvorrichtungen und Anschlüsse integrale Bestandteile
des Moduls sind. Beispielsweise handelt es sich hierbei um die Leitungen 135, 136, 134, 133 und 139, 140.
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Im
Falle einer Verwendung des Moduls 100 im drucklosen Bereich
wird die Abwärme
der Brennstoffzellen 3 dazu benutzt, alle wasserführenden Komponenten
derart zu beheizen, dass ein Einfrieren unter den in großer Höhe herrschenden
Temperaturbedingungen von etwa –55°C oder unter
polaren Frostbedingungen mit Windeinfluss (von etwa –70°C) verhindert
werden kann. Hierzu werden die Kühler des
Brennstoffzellensystems 3 über ein Ventilsystem derart
mit erwärmter
Kühlflüssigkeit
versorgt, dass die im Abwassertank 1 und im Frischwasser-Puffertank 5 enthaltenen
Wassermengen zu jedem Zeitpunkt den Gefrierpunkt (0°C) deutlich überschreiten. Ventile
und Rohrleitungen, die ebenfalls unter den beschriebenen Bedingungen
vom Einfrieren bedroht sind, werden durch das Brennstoffzellensystem 3 elektrisch
beheizt.
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Da
das Brennstoffzellensystem neben Luftsauerstoff, der im vorliegenden
Fall aus der Kabinenluft entnommen wird, mit Wasserstoff versorgt werden
muss, besteht die Notwendigkeit, diesen Wasserstoff entweder aus
Kohlenwasserstoffen zu reformieren oder im flüssigen oder gasförmigen Zustand
mitzuführen
(siehe Wasserstofftank 4).
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Bei
der Verwendung von flüssigem
Wasserstoff wird dieser zunächst
verdampft und auf eine den Brennstoffzellen angemessene Temperatur
erwärmt (ca.
10 bis 50°C).
Für diesen
Verdampfungs- und Erwärmungsvorgang
wird ebenfalls die Abwärme
der Brennstoffzellen eingesetzt.
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Vor
Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems (Startvorgang
des Systems) wird der flüssige
Wasserstoff mittels elektrischer Energie aus dem Bordnetz des Luftfahrzeugs (Batterien,
Bodenversorgung, Triebwerksgeneratoren oder APU als Stromlieferanten)
verdampft und vorgewärmt.
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Der
Speichertank für
Wasserstoff 4 ist entweder integraler Bestandteil des Moduls 100 oder
befindet sich an einem anderen Ort des Luftfahrzeugs mit Zuleitung
zum Modul. Da es bei langen Speicherzeiten von flüssigem Wasserstoff
zum Abdampfen von Wasserstoff kommt, wird dieser bei Überschreiten
eines bestimmten Behälterinnendrucks
in den Außenbereich
an der Luftfahrzeugoberseite geleitet (nicht dargestellt in den
Figuren).
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Abweichend
von herkömmlichen
Vakuum-Abwassersystemen, die lediglich mit einem Druckbehälter arbeiten,
der über
einen Vakuumerzeuger oder über
den Differenzdruck zwischen Kabinenbereich und Außenbereich
die Transportenergie für
Fäkalien
im Vakuumsystem zur Verfügung
stellt, werden erfindungsgemäß zwei Behälter pro
System eingesetzt, wobei der erste Behälter 2 ein kleinerer Druckbehälter ist,
welcher die Transportenergie mit Hilfe eines Vakuumerzeugers oder
mit Hilfe des Differenzdruckes zwischen Kabinen- und Außenbereich des
Luftfahrzeugs zur Verfügung
stellt. Weiterhin ist ein zweiter, größerer Behälter 1 vorgesehen,
welcher der Form des Rumpfes angepasst ist und als drucklos betriebener
Lagerbehälter
für Fäkalien dient. Druckbehälter 2 und
Lagerbehälter 1 sind
bei einem Modul für
den druckbeaufschlagten Bereich über eine
Rohrleitung mit Pumpe 104 für den Fäkalientransport verbunden.
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Bei
einem Modul für
den drucklosen Bereich sind diese beiden Behälter 1, 2 lediglich über ein
Ventil 9 verbunden. Die Ansteuerung dieses Ventils erfolgt über einen
Druckzylinder, der den Differenzdruck zwischen Kabine und Außenbereich
als Stellenergie verwendet. Vorteilhafterweise arbeitet der Lagerbehälter 1 bei
dieser Anordnung in Reiseflughöhe ebenfalls
als Vakuumbehälter.
Dadurch ist es möglich,
einen formangepassten Behälter 2 mit relativ
geringen Wandstärken
zu realisieren, da zwischen Behälter-Außenbereich
und -Innenbereich keinerlei Druckdifferenzen auftreten.
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Weiterhin
sind thermische Isolierungen 160 vorgesehen, um eine Isolation
der entsprechenden Leitungen, Tanks und anderen Einrichtungen gegenüber der
Umgebung zu erreichen.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines Heckbereichs eines Flugzeugs
mit eingebautem Modul gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Modul 100 umfasst hierbei
eine Wasserbereitstellungseinheit, welche beispielsweise ein Brennstoffzellenmodul 3 umfasst, und
einen Abwasser-Lagertank 1 und einen Vakuum-Abwassertank 2.
Wasserversorgung 3 und Abwassertanks 1, 2 und
Wasserstoffspeicher 4 sind hierbei in Form eines Wasser-Abwassermoduls 100 integral
zusammengefasst. Das komplette Modul wird dann in eine entsprechende Öffnung des
Rumpfes 200 eingeführt
und ist der Rumpfkontur angeglichen, wie durch Bezugsziffer 154 verdeutlicht.
Weiterhin ist ein Luftbefeuchtermodul 149 vorgesehen, welches
am Ort 155 im Rumpf angebracht werden kann. Zusätzlich ist
in dem Rumpf ein verbessertes Toiletten- und Vakuumsystem 152 am
Ort 153 angebracht, welches über entsprechende Leitungen 156 mit
dem Modul verbunden ist.
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6 zeigt
eine schematische Flussbild-Darstellung eines erfindungsgemäßen beispielhaften
Moduls, eingeschoben in eine Öffnung
im Heck eines Flugzeugrumpfes 200 und angeschlossen an
entsprechende Versorgungsleitungen 22, 23. Insbesondere
ist ein Wärmetauscher 6 vorgesehen, welcher
mit dem Brennstoffzellensystem 3 verbunden ist. Weiterhin
ist ein Vakuumerzeuger 7 vorgesehen, welcher an eine Außenbelüftung 11 und
ein Rückschlagventil 21 verbunden
ist. Rückschlagventil 21 und
Vakuumerzeuger 7 sind an den Vakuum-Abwassertank 2 angeschlossen,
um darin ein Vakuum zu erzeugen, wenn der Außendruck zu hoch ist (beispielsweise
wenn sich das Flugzeug am Boden befindet).
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Weiterhin
sind Rückschlagventil 21 und
Vakuumerzeuger 7 an das Abwasserventil 9 mit der Druckzylinderansteuerung
angeschlossen.
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Auch
ist eine Belüftung 10 vorgesehen.
Auch der Abwasser-Lagertank ist an eine Belüftung 11 nach außen angeschlossen.
Auch der Wasserstoffspeicher 4 ist an eine solche Belüftung 11 nach
außen
angeschlossen.
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Das
Brennstoffzellensystem 3 ist an einen Einlass 12 für Kabinenluft
und an den Wasser-Puffertank 5 angeschlossen. Weiterhin
ist eine Wasserpumpe 8 vorgesehen, um Wasser aus dem Puffertank 5 über Verbindungselement 20 zum
Wassersystem 22 abzuführen.
Abwasser-Lagertank 1 weist weiterhin eine Isolation 24 und
ein Abwasserentleerungsventil 13 auf.
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Der
Wasserstoffbehälter 4 weist
ebenfalls eine Isolation 25 (für Flüssigwasserstoffbetrieb) und ein
Füllventil
für Wasserstoff 14 auf.
Weiterhin ist ein Ventil 16 vorgesehen, welches die Brennstoffzellenanordnung 3 mit
dem Wasserstoffspeicher 4 verbindet.
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Der
Vakuum-Abwassertank 2 ist über Verbindung 19 an
das Vakuumsystem 23 angeschlossen.
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Das
gesamte Modul ist in dem Modulkörper 17 integriert
und über
Dichtungen und Befestigungen 18 in dem Rumpfausschnitt 156 integriert.
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Das
Brennstoffzellensystem 3 weist weiterhin eine Ventilation 15 auf.
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Ergänzend ist
darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente
oder Schritte ausschließt
und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis
auf eines der obigen Ausführungsbeispiele
beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen
oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden
können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen
sind nicht als Einschränkung
anzusehen.