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Die
Erfindung befasst sich insbesondere mit der Klimatisierung von Flugzeuginnenräumen, sie
ist jedoch auch auf die Klimatisierung an sich beliebiger anderer
Räumlichkeiten übertragbar.
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Bei
modernen Verkehrsflugzeugen ist der Flugzeuginnenraum in der Regel
in mehrere Klimazonen unterteilt, die jeweils gesondert für sich temperaturregelbar
sind. Nicht nur kann so die Temperatur in einem bestimmten Innenraumbereich
besser konstant gehalten werden, weil die Temperaturregelung eines
kleineren Raumbereichs stets leichter ist als die Temperaturregelung
eines größeren Raumbereichs.
Es können
so auch unterschiedliche Temperaturen in unterschiedlichen Raumbereichen
eingestellt werden, so dass in den einzelnen Klimazonen individuell
auf die Komforterwartungen von Bordpersonal oder/und Fluggästen eingegangen
werden kann.
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Gängige Klimatisierungsanordnungen
umfassen ein Versorgungsluft-Zufuhrwegesystem
mit einem eine Mischkammer umfassenden Hauptstrangsystem und mehreren
von der Mischkammer abzweigenden, zu jeweils einer der Klimazonen
führenden
Zweigstrangsystemen. Im Hauptstrangsystem sind dabei ein oder mehrere
für eine
Grundtemperierung sorgende Klimatisierungsaggregate (in der Fachwelt
oft als Klima-Packs bezeichnet) angeordnet, mittels denen herangeschaffte heiße Versorgungsluft
(von Triebwerkszapfluft stammend) gekühlt und auf einen bestimmten
Grundtemperaturwert eingestellt wird. Dieser Grundtemperaturwert
wird gemäß einer
aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise abhängig von
den Temperaturanforderungen aller Klimazonen ermittelt, wobei die
niedrigste (kälteste)
Temperaturanforderung maßgebend
ist und die Klimatisierungsaggregate die Versorgungsluft auf ein
solches Grundtemperaturniveau einstellen, das sich in der Klimazone
mit der niedrigsten Temperaturanforderung unmittelbar die gewünschte Temperatur
einstellt, ohne dass es hierzu einer weiteren gezielten individuellen
Temperierung der von den Klimatisierungsaggregaten grundtemperierten
Versorgungsluft bedarf.
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Am
Ende des Hauptstrangsystems befindet sich die Mischkammer, von der
die Zweigstrangsysteme abgehen. Die Klimazonen mit höherer Temperaturanforderung
als derjenigen, die für
die Grundtemperierung der Versorgungsluft maßgeblich ist, bedürfen dann
einer individuellen Erwärmung
der in den betreffenden Zweigstrangsystemen geführten Luft, und zwar abhängig vom
jeweiligen Sollwert der Einblaslufttemperatur der betreffenden Klimazone.
Diese Erwärmung
wird herkömmlich
durch gezielte Einleitung von heißer Zapfluft in das Zweigstrangsystem oder/und
mittels elektrischer Heizaggregate bewirkt.
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Die
Temperaturanforderung einer Klimazone hängt von der Differenz zwischen
gemessener Raumtemperatur in der Klimazone und dem Sollwert der
Raumtemperatur ab. Zeigt die Temperaturmessung in einer Klimazone
fälschlicherweise
eine zu hohe Ist-Raumtemperatur an, bedeutet dies für die betreffende
Klimazone eine (fälschlicherweise)
zu niedrige Temperaturanforderung. Wird für alle anderen Klimazonen eine
höhere
Temperaturanforderung erfasst, heißt dies, dass die Klimazone
mit der falsch gemessenen Raumtemperatur die Grundtemperierung der
Versorgungsluft in der Mischkammer festlegt. Fehler bei der Temperaturmessung
können
in jeder Klimazone vorkommen, ungeachtet der Zonengröße. Wenn
aber eine solche Falschmessung in einer vergleichsweise kleinen
oder/und unbedeutenden Klimazone vorkommt, beispielsweise einem
Ruheraum für
das Bordpersonal, bedeutet dies, dass die Temperaturanforderung
eines sehr kleinen Teils des gesamten zu klimatisierenden Innenraumbereichs
des Flugzeugs die Grundtemperierung der Versorgungsluft in der Mischkammer
bestimmt und der große
restliche Teil eine individuelle Erwärmung der Versorgungsluft in
den entsprechenden Zweigstrangsystemen benötigt. Dies ist verständlicherweise
nicht sehr ökonomisch.
Außerdem
kann dann der große
Heizbedarf der verbleibenden Klimazonen die Heizkapazität der verfügbaren Wärmequellen übersteigen,
mit der möglichen
Folge, dass in als wichtig erachteten Klimazonen, wie beispielsweise
in einem Erste-Klasse-Abteil, die Luftzufuhr mit zu niedriger Temperatur
erfolgt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Klimatisierung
eines mehrzonigen Innenraums, insbesondere eines Flugzeugs, insgesamt ökonomischer
gestaltet werden kann und verfügbare
Wärmequellen
zur Individualtemperierung der Versorgungsluft besser im Rahmen
ihrer Heizkapazität
gehalten werden können.
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Bei
der Lösung
dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Klimatisierungsanordnung
für ein
Flugzeug oder andere Räumlichkeiten
mit mehreren individuell temperaturregelbaren Klimazonen, umfassend
- – ein
Versorgungsluft-Zufuhrwegesystem mit einer Mischkammer und mehreren
von der Mischkammer abzweigenden, zu jeweils einer der Klimazonen
führenden
Zweigstrangsystemen,
- – Grundtemperierungsmittel
zur Temperierung der Versorgungsluft in der Mischkammer abhängig von
mindestens einem Temperatursollwert sowie
- – Individualtemperierungsmittel
zur individuellen Temperierung der Versorgungsluft in jedem der Zweigstrangsysteme
abhängig
von einem Temperatursollwert der jeweiligen Klimazone.
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Erfindungsgemäß ist dabei
vorgesehen, dass die Individualtemperierungsmittel in Zuordnung zu
mindestens einer der Klimazonen mindestens eine nach einem thermodynamischen
Kreisprozess arbeitende Kraft-Wärme-Maschine
umfassen. Die Kraft-Wärme-Maschine
ist eine Maschine, welche zugeführte
mechanische Energie in Wärmeenergie umwandelt.
Im Rahmen des thermodynamischen Kreisprozess erzeugt bzw. verstärkt die
Maschine dabei einen Temperaturunterschied zwischen zwei Wärmeaustauschflächen, deren
eine als Nutz-Wärmeaustauschfläche zur
Temperierung eines Luftstroms genutzt werden kann und deren andere
als freie Wärmeaustauschfläche dienen
kann, über
welche Wärmeenergie
von der Umgebung aufgenommen oder an sie abgegeben werden kann.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die Kraft-Wärme-Maschine
eine Stirling-Maschine. Der ideale Stirling-Kreisprozess mit zwei
isochoren und zwei isothermen Zustandsänderungen kommt dem Carnot-Kreisprozess
sehr nahe, weswegen sein erzielbarer Wirkungsgrad vergleichsweise
hoch ist. Es versteht sich, dass eine praktische Stirling-Maschine keinen
idealen Stirling-Prozess ausführt,
sondern nur eine unter den Bedingungen der Realität machbare Annäherung.
Stirling-Maschinen sind als solche marktgängig erhältlich; sie werden im Stand
der Technik sowohl für
den motorischen Einsatz, als auch für den Einsatz als Wärmepumpe
oder Kältepumpe beschrieben.
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Eine
Beschränkung
auf Stirling-Maschinen ist im Rahmen der Erfindung jedoch keinesfalls
beabsichtigt. Es können
grundsätzlich
auch Kraft-Wärme-Maschine
zur Anwendung kommen, die nach anderen reversiblen thermodynamischen
Kreisprozessen arbeiten, beispielsweise dem Carnot-Prozess, dem
Claudius-Rankine-Prozess oder dem Ericsson-Prozess.
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Kraft-Wärme-Maschinen
wie insbesondere die Stirling-Maschine ermöglichen nicht nur die Erwärmung eines
Luftstroms sondern auch dessen Kühlung.
Diese Eigenschaft ermöglicht
es, für
die Grundtemperierung der Versorgungsluft die Temperaturanforderung
einzelner, insbesondere vergleichsweise kleiner Klimazonen unberücksichtigt
zu lassen und damit die Grundtemperatur der Versorgungsluft auf
ein Niveau einzustellen, das möglicherweise über dem
benötigten
Temperaturniveau für
die unberücksichtigten
Klimazonen liegt. Durch Zuordnung jeweils mindestens einer Kraft-Wärme-Maschine
zu dem Zweigstrangsystem jeder unberücksichtigten Klimazone kann
dann je nach Bedarf eine Kühlung
oder Erwärmung
der Versorgungsluft in diesen Zweigstrangsystemen unter bzw. über das
Grundniveau bewirkt werden. Die für die Ermittlung der notwendigen Grundtemperatur
der Versorgungsluft berücksichtigten
Klimazonen können
auf jene beschränkt
werden, die beispielsweise wegen ihrer Ausdehnung oder/und ihrer
Nutzung von vorrangiger Bedeutung sind. Insbesondere können beispielsweise
der Cockpit-Bereich und solche Kabinenbereiche berücksichtigt
werden, in denen sich Fluggäste
aufhalten. Durch solche Beschränkung
auf vorrangige Klimazonen ist es möglich, die Grundtemperierung
der Versorgungsluft besser an den Temperaturanforderungen der maßgeblichen
Bereiche des Flugzeuginnenraums auszurichten. Auf diese Weise lässt sich
der Betrieb der Klimatisierungsanordnung insgesamt ökonomischer
gestalten, da vermieden werden kann, dass eine (möglicherweise
auf einem Fehler beruhende) sehr niedrige Temperaturanforderung
einer vergleichsweise unbedeutenden Klimazone zu einem insgesamt
relativ niedrigen Grundniveau der Versorgungslufttemperatur führt, mit
der Folge, dass die Versorgungsluft für einen Großteil der zu klimatisierenden
Innenraumbereiche unnötig
zusätzlich
individuell erwärmt
werden muss. Hierdurch lässt
sich eine Überforderung
der verfügbaren
Wärmequellen
besser vermeiden.
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Vorteilhaft
an den hier betrachteten reversibel arbeitenden Kraft-Wärme-Maschinen
ist, dass sie ausgesprochen wartungsarm sein können, da es sich um geschlossene
Systeme handelt, in denen keine Verbrennungsvorgänge stattfinden. Auch ihre
Geräuschentwicklung
ist gering und sie sind in der Regel hinreichend vibrationsarm.
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Um
die Kraft-Wärme-Maschine
wahlweise zur Kühlung
oder zur Erwärmung
nutzen zu können, sieht
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung vor, dass die Maschine in Antriebsverbindung mit einem
zum Betrieb in entgegengesetzten Drehrichtungen ausgelegten Antriebsmotor
steht oder bringbar ist, welcher von einer zur Drehrichtungsumsteuerung
des Antriebsmotors eingerichteten Steueranordnung gesteuert ist.
Die Kraft-Wärme-Maschine ist
dabei mit einer Nutz-Wärmeaustauschfläche in einem
Luftleitungssystem angeordnet, welches in entgegengesetzten Strömungsrichtungen
einen Temperierluftstrom über
die Nutz-Wärme-Austauschfläche hin
zu dem Zweigstrangsystem der betreffenden Klimazone gestattet. Es
soll im Rahmen der Erfindung freilich nicht grundsätzlich ausgeschlossen
sein, die Kraft-Wärme-Maschine
ausschließlich
zur Kühlung oder
ausschließlich
zur Erwärmung
eines in ein Zweigstrangsystem einzuleitenden Luftstroms zu nutzen.
In diesem Fall genügt
es, die Nutz-Wärmeaustauschfläche der
Kraft-Wärme-Maschine
in einem Luftleitungssystem anzuordnen, welches nur eine Strömungsrichtung
des zu temperieren den Luftstroms über diese Wärmeaustauschfläche gestattet. Auch
die Steueranordnung muss in diesem Fall nicht zur Drehrichtungsumsteuerbarkeit
des Antriebsmotors ausgelegt sein.
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Zweckmäßigerweise
ist der Kraft-Wärme-Maschine
eine Ventilatoranordnung zugeordnet, welche einen über eine
Nutz-Wärmeaustauschfläche der
Maschine geführten,
in das zugehörige Zweigstrangsystem
der betreffenden Klimazone einzuleitenden Temperierluftstrom erzeugt
oder unterstützt.
Die Ventilatoranordnung kann in Strömungsrichtung des Temperierluftstroms
beidseits der Kraft-Wärme-Maschine
jeweils mindestens einen Ventilator umfassen. Alternativ kann in
Strömungsrichtung
des Temperierluftstroms auch nur auf einer Seite der Kraft-Wärme-Maschine
ein Ventilator vorgesehen sein.
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Für einen
Einsatz der Kraft-Wärme-Maschine
sowohl zu Kühl-
als auch Heizzwecken ist vorzugsweise vorgesehen, dass mindestens
ein Ventilator der Ventilatoranordnung in Antriebsverbindung mit
einem zum Betrieb in entgegengesetzten Drehrichtungen ausgelegten
Antriebsmotor steht oder bringbar ist, welcher von einer zur Drehrichtungsumsteuerung
des Antriebsmotors eingerichteten Steueranordnung gesteuert ist.
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Der über die
Nutz-Wärmeaustauschfläche der
Kraft-Wärme-Maschine
geführte
Temperierluftstrom, der zur individuellen Anhebung oder Absenkung
der Versorgungslufttemperatur in das Zweigstrangsystem einer Klimazone
eingeleitet wird, kann direkt aus der in diesem Zweigstrangsystem
geführten
Versorgungsluft gespeist sein. Bei einer abgewandelten Ausführungsform
wird der Temperierluftstrom oder zumindest dessen thermische Energie dagegen
aus einem Abluftbereich des Flugzeugs entnommen. Als Abluftbereich
wird hier ein solcher Bereich innerhalb des Flugzeugs verstanden,
in dem die Luft nicht mehr zur Klimatisierung benötigt wird.
In modernen Verkehrsflugzeugen befindet sich unter der die Fluggäste und
das Bordpersonal aufnehmenden Kabine ein Unterflurbereich, der unter
anderem zur Frachtaufnahme genutzt wird, wobei sich unter dem Unterflurbereich
die sogenannte Bilge befindet. Die Versorgungsluft wird bei solchen
Verkehrsflugzeugen üblicherweise
von oben in die Kabine eingeleitet; sie gelangt seitlich an der
Rumpfwand vorbei von der Kabine in den Unterflurbereich und von
dort in die Bilge. Der über
die Kraft-Wärme-Maschine geführte Luftstrom
kann beispielsweise aus der Abluft in der Bilge entnommen werden.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung umfassen die Individualtemperierungsmittel nur in Zuordnung
zu einer Teilanzahl der Klimazonen jeweils mindestens eine Kraft- Wärme-Maschine. Insbesondere
ist nur solchen Klimazonen jeweils eine Kraft-Wärme-Maschine
zugeordnet, deren Temperaturanforderung bei der Grundtemperierung
der Versorgungsluft unberücksichtigt
bleibt. Dementsprechend können
die Grundtemperierungsmittel dazu eingerichtet sein, die Versorgungsluft
in der Mischkammer abhängig
von einem Temperatursollwert mindestens einer, insbesondere jeder
Klimazone ohne zugeordnete Kraft-Wärme-Maschine, jedoch unabhängig von
einem Temperatursollwert mindestens einer, insbesondere jeder Klimazone
mit zugeordneter Kraft-Wärme-Maschine
zu temperieren. Bei den Klimazonen ohne zugeordnete Kraft-Wärme-Maschine
kann die Individualtemperierung der in den jeweiligen Zweigstrangsystemen
geführten
Versorgungsluft beispielsweise wie im Stand der Technik mittels
elektrischer Heizaggregate oder/und durch Einleitung von heißer Triebswerkszapfluft
erfolgen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen
weiter erläutert.
Es stellen dar:
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1 eine
Gesamtübersicht über eine
Flugzeug-Klimatisierungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
erste Einbauvariante einer Kraft-Wärme-Maschine der Klimatisierungsanordnung
der 1 und
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3 eine
zweite Einbauvariante einer solchen Kraft-Wärme-Maschine.
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In 1 sind
im Innenraum eines stark schematisiert angedeuteten Flugzeugs 10 mehrere
individuell temperaturregelbare Klimazonen 12, 14, 16, 18, 20 gebildet.
Im Beispielfall der 1 sind insgesamt fünf solcher
Klimazonen gebildet. Die Klimazone 12 umfasst dabei das
Cockpit des Flugzeugs, während die
Klimazonen 14, 16, 18 verschiedene Passagierbereiche
der Flugzeugkabine enthalten. Die Klimazone 20 ist ein
Kabinenbereich, der nur dem vorübergehenden
Aufenthalt von Personen dient, insbesondere ein Ruheraum für das Bordpersonal.
Es versteht sich, dass diese Nutzungsaufteilung der verschiedenen Klimazonen
nur beispielhaft ist und jederzeit eine andere Konfiguration der
Klimazonen gewählt
werden kann. Es versteht sich ferner, dass die zeichnerische Anordnung
der Klimazonen in 1 nur auf einer schematischen
Darstellungsweise beruht und nicht notwendig realitätsgetreu
ist.
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Zur
Klimatisierung der Klimazonen 12–20 dient eine Klimatisierungsanordnung 22,
welche über ein
Versorgungsluft-Zufuhrwegesystem 24 die Klimazonen mit
tempe rierter Versorgungsluft versorgt. Das Zufuhrwegesystem 24 umfasst
ein Hauptstrangsystem 26 mit einer Mischkammer 28 sowie
mehrere von der Mischkammer 28 abzweigende, jeweils einer
der Klimazonen 12–20 zugeordnete
Zweigstrangsysteme 30. Jedes der Zweigstrangsysteme 30 führt die darin
transportierte frische Versorgungsluft zu einem oder mehreren Luftauslässen, an
denen die Versorgungsluft in die betreffende Klimazone eingeblasen wird.
Die verbrauchte Luft wird in nicht näher dargestellter Weise in
eine im unteren Rumpfbereich des Flugzeugs gebildete Bilge geleitet
und von dort wenigstens teilweise über ein Auslassventil an die
Außenumgebung abgegeben. Ein Teil der verbrauchten Versorgungsluft
kann auch rezirkuliert und in die Mischkammer 28 zurückgeleitet
werden.
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Die
Klimatisierungsanordnung 22 umfasst einen Grundtemperierungsteil,
welcher eine Grundtemperierung zumindest der Versorgungsluft in
der Mischkammer 28 bewirkt, so dass die Versorgungsluft
in der Mischkammer 28 ein bestimmtes Grundtemperaturniveau
besitzt. Der Grundtemperierungsteil umfasst insbesondere ein oder
mehrere Klimatisierungsaggregate 32, welche über das
Hauptstrangsystem 26 zugeführte, aus Triebwerkszapfluft
stammende Heißluft
auf das gewünschte
Grundtemperaturniveau herabkühlen.
Es versteht sich, dass zwischen der Stelle, an der die Triebwerkszapfluft
von dem Triebwerk oder den Triebwerken des Flugszeugs 10 entnommen
wird, und den Klimaaggregaten 32 eine Anzahl nicht näher dargestellter
Komponenten zur Durchflusskontrolle oder/und Vortemperierung oder/und
Befeuchtung im Hauptstrangsystem 26 angeordnet sein können.
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Die
Klimaaggregate 32 werden von einer in 1 schematisch
als ein einziger Block dargestellten elektronischen Klimasteueranordnung 34 abhängig von
Temperaturanforderungen wenigstens eines Teils der Klimazonen 12–20 gesteuert.
Insbesondere steuert die Klimasteueranordnung 34 die Klimaaggregate 32 abhängig von
Temperaturanforderungen der Klimazonen 12, 14, 16, 18,
jedoch unabhängig von
einer Temperaturanforderung der Klimazone 20.
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Für die Ermittlung
der Temperaturanforderungen der Klimazonen 12–20 sind
in an sich bekannter und deshalb nicht näher dargestellter Weise in
jeder Klimazone jeweils ein oder mehrere Temperatursensoren vorgesehen,
deren Messsignale von der Klimasteueranordnung 34 zur Bestimmung
eines Raumtemperatur-Istwerts jeder Klimazone ausgewertet werden.
In ebenfalls nicht näher
dargestellter Weise ist für
jede der Klimazonen 12–20 ein
Raumtemperatur-Sollwert vorgebbar, beispielsweise an einer Bedientafel
im Cockpit oder im Passagierbereich des Flugzeugs 10. Das
Bordpersonal kann an einer solchen Bedientafel für jede Klimazone individuell
einen jeweils gewünschten
Raumtemperatur-Sollwert einstellen. Aus den Raumtemperatur-Istwerten und den
Raumtemperatur-Sollwerten ermittelt die Klimasteueranordnung 34,
die in der Praxis nicht als ein einziges Modul ausgebildet sein
muss, sondern auf verschiedene, ggf. wenigstens teilweise unabhängig voneinander
arbeitende Teilmodule aufgeteilt sein kann, für jede der Klimazonen 12–20 jeweils
eine Raumtemperatur-Regelabweichung. Aus den Raumtemperatur-Regelabweichungen
der Klimazonen berechnet die Klimasteueranordnung 34 ferner
jeweils einen Einblastemperatur-Sollwert
für jede
Klimazone. In 1 nicht näher dargestellte weitere Temperatursensoren
messen die Temperatur der Versorgungsluft in den Zweigstrangsystemen 30,
insbesondere nahe bei den Luftauslässen in die Klimazonen 12–20.
Die hierbei gewonnenen Messwerte werden von der Klimasteueranordnung 34 als
Einblastemperatur-Istwerte mit den Einblastemperatur-Sollwerten der
Klimazonen verglichen, um so eine Einblastemperatur-Regelabweichung
für jede
Klimazone zu berechnen.
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Für die Grundtemperierung
der Versorgungsluft in der Mischkammer 28 zieht die Klimasteueranordnung 34 die
in oben erläuterter
Weise ermittelten Einblastemperatur-Sollwerte der Klimazonen 12, 14, 16, 18 heran,
nicht jedoch den Einblastemperatur-Sollwert der Klimazone 20.
Der kälteste
Einblastemperatur-Sollwert der Klimazonen 12–18 legt
das Grundtemperaturniveau der Versorgungsluft fest, das die Klimasteueranordnung 34 durch
entsprechende Steuerung der Klimaaggregate 32 herbeiführt. Die
Temperatur der Versorgungsluft in der Mischkammer 28 wird
dementsprechend so niedrig eingestellt, dass für keine der Klimazonen 12–18 eine anschließende Zwangskühlung im
jeweiligen Zweigstrangsystem 30 erforderlich ist. Zumindest
für diejenigen
der Klimazonen 12–18,
deren Temperaturanforderung (repräsentiert durch den jeweiligen
Einblastemperatur-Sollwert) höher
als die für
die Grundtemperierung der Versorgungsluft in der Mischkammer 28 maßgebliche
niedrigste Temperaturanforderung der Klimazonen 12–18 ist,
ist anschließend
im jeweiligen Zweigstrangsystem 30 eine Temperaturanhebung
erforderlich, um das gewünschte
Soll-Niveau der Einblastemperatur zu erreichen.
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Neben
dem Grundtemperierungsteil mit den Klimatisierungsaggregaten 32 umfasst
die Klimatisierungsanordnung 22 noch einen Individualtemperierungsteil,
der eine individuelle Temperierung der in den Zweigstrangsystemen 30 der
Klimazonen 12–20 geführten frischen
Versorgungsluft gestattet. Für
die Klimazonen 12–18 sieht
dieser Individualtemperierungsteil die Einleitung von Heißluft in
das jeweilige Zweigstrangsystem 30 vor, wobei diese Heißluft von Triebwerkszapfluft
stammt. Die Heißluft
wird über
ein mit dem Hauptstrangsystem 26 des Versorgungsluft-Zufuhrwegesystems 24 stromaufwärts der
Klimatisierungsaggregate 32 verbundenes Individualtemperie rungs-Heißluftleitungssystem 36 herangeführt und
ist jeweils über
ein Individualeinstellventil 38 gezielt dosiert in das
zugehörige
Zweigstrangsystem 30 jeder der Klimazonen 12–18 einleitbar.
Die Individualeinstellventile 38 sind ebenso wie ein die
Heißluftzufuhr
in das Individualtemperierungs-Heißluftleitungssystem 26 regulierendes
Globaleinstellventil 40 von der Klimasteueranordnung 34 steuerbar.
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Für die Klimazone 20,
deren Zweigstrangsystem 30 nicht an das Individualtemperierungs-Heißluftleitungssystem 36 angeschlossen
ist, sieht der Individualtemperierungsteil der Klimatisierungsanordnung 22 dagegen
eine nach einem reversiblen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere
dem Stirling-Prozess, arbeitende Kraft-Wärme-Wandleranordnung 42 vor,
welche einen nicht aus Triebwerkszapfluft stammenden Luftstrom auf ein
gewünschtes
Temperaturniveau anheben oder absenken kann und den so temperierten
Luftstrom in das Zweigstrangsystem 30 der Klimazone 20 einspeist.
Auch die Kraft-Wärme-Wandleranordnung 42 kann
von der Klimasteueranordnung 34 gesteuert sein.
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Während die
Grundtemperierung der Versorgungsluft in der Mischkammer 28 in
oben beschriebener Weise nach Maßgabe der kältesten Temperaturanforderung
der Klimazonen 12–18 erfolgt,
werden die Individualeinstellventile 38 sowie die Kraft-Wärme-Wandleranordnung 42 abhängig von der
Einblastemperatur-Regelabweichung der Klimazonen gesteuert. Auf
diese Weise wird individuell für jede
der Klimazone 12–20 die
Temperatur der dort jeweils eingeblasenen Versorgungsluft auf den
jeweiligen Einblastemperatur-Sollwert eingeregelt. Weil die Klimazone 20 keinen
Einfluss auf die Grundtemperierung der Versorgungsluft in der Mischkammer 28 hat, kann
es sein, dass das von der Klimasteueranordnung 34 in der
Mischkammer 28 bewirkte Grundtemperaturniveau der Versorgungsluft über der
Temperaturanforderung der Klimazone 20 liegt. Da die thermodynamische
Kraft-Wärme-Wandleranordnung 42 nicht
nur eine Erwärmung
des zugeführten
Luftstroms gestattet, sondern nach Bedarf auch eine wirksame Kühlung, kann
auch in der Klimazone 20 jederzeit das gewünschte Klima
erzielt werden.
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Es
versteht sich, dass die in 1 gezeigt Konfiguration
nur beispielhaft ist und jederzeit Abwandlungen vorgenommen werden
können.
Insbesondere kann mehr als eine Klimazone vorgesehen sein, die von
dem Individualtemperierungs-Heißluftleitungssystem 36 entkoppelt
ist, wobei entsprechend die Grundtemperierung der Versorgungsluft
in der Mischkammer 28 unabhängig von den Temperaturanforderungen
dieser mehreren Klimazonen erfolgt. Es sei jedoch ausdrücklich darauf
hingewiesen, dass die Erfindung keineswegs auf Konfigurationen beschränkt ist,
bei denen die Grundtemperierung der Versorgungsluft unabhängig von
der Temperaturanforderung einer oder mehren Klimazonen mit zugeordneter
thermodynamischer Kraft-Wärme-Wandleranordnung
ist. Es ist durchaus vorstellbar, auch solche Klimazonen bei der
Grundtemperierung der Versorgungsluft zu berücksichtigen, die mittels einer thermodynamischen
Kraft-Wärme-Wandleranordnung
individuell temperierbar sind.
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Es
wird nun auf 2 verwiesen. Dort sind weitere
Einzelheiten der thermodynamischen Kraft-Wärme-Wandleranordnung 42 gezeigt.
Die Wandleranordnung 42 umfasst als wesentlichen Bestandteil
eine wahlweise als Wärmepumpe
oder Kältemaschine
betreibbare Kraft-Wärme-Maschine 44, insbesondere
eine Stirling-Maschine,
die im gezeigten Beispielfall als Kolben-Zylinder-Aggregat in sogenannter α-Konfiguration
ausgebildet ist. Es versteht sich, dass statt einer Kolben-Zylinder-Ausgestaltung der
Kraft-Wärme-Maschine 44 andere
Ausgestaltungen möglich
sind, beispielsweise solche mit Taumelscheiben oder mit einem Wankel-Rotor.
Es versteht sich ferner, dass die gezeigte α-Konfiguration der Kolben-Zylinder-Maschine 44 ebenfalls
durch andere Konfigurationen ersetzt werden kann, beispielsweise eine β-Konfiguration
oder eine γ-Konfiguration.
Eine Beschränkung
auf bestimmte Konstruktionsformen der Kraft-Wärme-Maschine 44 ist
im Rahmen der Erfindung keineswegs beabsichtigt.
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Die
Kraft-Wärme-Maschine 44 ist
mit einer elektromotorischen Antriebseinheit 46 gekoppelt
und durch diese antreibbar. Aufgrund der schematischen Darstellungsweise
ist die Antriebskopplung zwischen der Antriebseinheit 46 und
der Maschine 44 in 2 nicht
im Detail gezeigt. Die konkrete Ausgestaltung dieser Antriebskopplung
ist jedoch im Rahmen der Erfindung nicht von Bedeutung, weswegen
hierauf nicht näher
eingegangen werden muss. Handelsüblich
erhältliche
Stirling-Maschinen und andere Kraft-Wärme-Maschinen sind jedoch mit
geeigneten mechanischen Schnittstellen zur Anbindung einer elektrischen
Maschine ausgerüstet,
weswegen der Fachmann jederzeit eine geeignete mechanische Kopplung
zwischen der Antriebseinheit 46 und der Maschine 44 herstellen
kann.
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Im
betrachteten Beispielfall der Verwendung einer Stirling-Maschine
in α-Konfiguration
weist die Maschine 44 zwei von der Antriebeinheit 46 angetriebene
Kolben 47, 48 auf, die in einem Zylinder 50 axial beweglich
geführt
sind. Die beiden Kolben schließen zwischen
sich ein Arbeitsgas ein. Außerdem
ist in dem Raum zwischen den beiden Kolben 47, 48 ein Regenerator 52 vorgesehen.
Die Arbeitsweise einer solchen Stirling-Maschine ist an sich bekannt.
Es genügt
an dieser Stelle der Hinweis, dass sie im Rahmen des von ihr ausgeführten thermodynamischen Kreisprozesses
zwei isochore Zustandsänderungen sowie
zwei – bei
praktischen Maschinen – polytrope Zustandsänderungen
durchläuft.
In der einschlägigen
Literatur finden sich detaillierte Erläuterungen zur Funktionsweise
realer Stirling-Maschinen.
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Die
Kraft-Wärme-Maschine 44 besitzt
zwei Wärmeaustauschflächen 54, 56,
zwischen denen sich im Betrieb der Maschine 44 ein Temperaturgradient
einstellt. Die Kraft-Wärme-Maschine 44 ist
so eingebaut, dass eine ihrer Wärmeaustauschflächen, nämlich im
Beispielfall der 2 die Wärmeaustauschfläche 56,
im Strömungsweg
des für
die Temperierung der Luft in dem betreffenden Zweigstrangsystem 30 dienenden
Luftstroms liegt. Die andere Wärmeaustauschfläche, hier
die Fläche 54,
ist dagegen außerhalb
dieses Strömungswegs
angeordnet und dient als freie Wärmeaustauschfläche, über die je
nach Betriebsmodus der Maschine 44 Wärmeenergie von der Umgebung
aufgenommen oder an diese abgegeben wird.
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Konkret
ist im Beispielfall der 2 die Kraft-Wärme-Maschine 44 mit
ihrer Nutz-Wärmeaustauschfläche 56 in
einem in das betreffende Zweigstrangsystem 30 einmündenden
Luftleitungssystem 58 angeordnet, welches zwei parallele
Leitungszweige 60, 62 mit jeweils einem Lufteinlass 64 bzw. 66,
einen zwischen den beiden parallelen Leitungszweigen 60, 62 verlaufenden
Brückenzweig 68 sowie
einen gemeinsamen Leitungszweig 70 aufweist, welcher zwischen
einer Zusammenflussstelle der beiden Leitungszweige 60, 62 und
dem betreffenden Zweigstrangsystem 30 ver-läuft. In jedem der beiden parallelen
Leitungszweige 60, 62 ist jeweils ein Rückschlagventil 72 bzw. 74 angeordnet.
Außerdem
ist in den beiden Lufteinlässen 64, 66 je
ein Rückschlagventil 76 bzw. 78 angeordnet.
Die Kraft-Wärme-Maschine 44 ist
so eingebaut, dass die Nutz-Wärmeaustauschfläche 56 in
dem Brückenzweig 68 des
Luftleitungssystems 58 angeordnet ist und in diesem Brückenzweig 68 strömende Luft über die
Nutz-Wärmeaustauschfläche 56 hinwegstreichen
kann, um dabei Wärmeenergie
von der Fläche 56 aufzunehmen
oder an diese abzugeben.
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Neben
der Kraft-Wärme-Maschine 44 ist über eine
Antriebswellenanordnung 80, die bei Bedarf eine Kupplung 82 enthalten
kann, mit der Antriebseinheit 46 ferner eine Anordnung
von zwei Ventilatoren 84, 86 antriebsmäßig gekoppelt
oder koppelbar, welche in dem Brückenzweig 68 des
Luftleitungssystems 58 angeordnet sind und sich in Strömungsrichtung
der in diesem Zweig 68 strömenden Luft beidseits der Nutz-Wärmeaustauschfläche 56 befinden,
d. h. stromabwärts
und stromaufwärts.
Die Ventilatoren 84, 86 erzeugen bzw. unterstützen bei Rotation
einen Luftstrom in dem Brückenzweig 68. Es
versteht sich, dass die Anzahl der Ventilatoren und deren Ein bauort
(nur auf einer Seite der Wärmeaustauschfläche 56 oder
beidseitig) variieren kann, beispielsweise abhängig von der ungesetzten Leistung
oder/und der Größe der Wärmeaustauschfläche 56 oder/und
dem Strömungsquerschnitt
des Zweigs 68.
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Die
Klimasteueranordnung 34 (oder ein allein für die Steuerung
der Individualtemperierung der betreffenden Klimazone dienendes
Teilmodul der Steueranordnung 34) ist dazu eingerichtet,
sowohl die Drehrichtung der Antriebseinheit 46 als auch
deren Drehzahl abhängig
von der Einblastemperatur-Regelabweichung der betreffenden Klimazone, also
beispielsweise der Klimazone 20 der 1, zu steuern.
Je nach Drehrichtung der Antriebseinheit 46 ist die Nutz-Wärmeaustauschfläche 56 der
mit der Antriebseinheit 46 gekoppelten Kraft-Wärme-Maschine 44 die
heißere
oder die kältere
der beiden Wärmeaustauschflächen 54, 56.
Entsprechend wird je nach Drehrichtung der Antriebseinheit 46 die
in dem Brückenzweig 68 strömende Luft
entweder erwärmt
oder gekühlt.
Das Temperaturniveau der Nutz-Wärmeaustauschfläche 56 hängt dabei
von der Drehzahl der Antriebseinheit 46 ab, weswegen je nach
Drehzahl der Antriebseinheit 46 eine unterschiedlich starke
Erwärmung
oder Abkühlung
der in dem Brückenzweig 68 strömenden Luft
bewirkt wird.
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Bei
Antrieb der Antriebseinheit in einer Drehrichtung bewirken die rotierenden
Ventilatoren 84, 86 einen Sog in dem Brückenzweig 68,
der zum Öffnen des
Rückschlagventils 76 führt, so
dass Luft durch den Einlass 64 einströmt und in den Brückenzweig 68 gelangt.
Die einströmenden
Luft drückt
das Rückschlagventil 74 in
dem Leitungszweig 62 auf und gelangt schließlich über den
gemeinsamen Leitungszweig 70 in das Zweigstrangsystem 30.
Bei Antrieb in entgegengesetzter Drehrichtung hingegen wird von den
Ventilatoren 84, 86 ein Sog in entgegengesetzter Richtung
in dem Brückenzweig 68 erzeugt,
so dass Luft durch den Einlass 66 in den Brückenzweig 68 einströmt. Diese
einströmende
Luft drückt
dann das Rückschlagventil 72 im
Leitungszweig 60 auf und strömt durch den Leitungszweig 60 und
den gemeinsamen Leitungszweig 70 in das Zweigstrangsystem 30.
Die Lufteinlässe 64, 66 können beispielsweise
in der Bilge des Flugzeugs liegen. Die Einbaulage der Kraft-Wärme-Maschine 44 im
Flugzeug ist bevorzugt so, dass auch die freie Wärmeaustauschfläche 54 im Abluftbereich
des Flugzeugs liegt, so dass der für die Erwärmung oder Kühlung des
Luftstroms im Brückenzweig 68 benötigte positive
oder negative Wärmeenergieeintrag
aus der Abluft des Flugzeugs stammt. Es ist alternativ denkbar,
die positive oder negative Abwärme
der freien Wärmeaustauschfläche 54 zur
gezielten entgegengesetzten Temperierung eines anderen Flugzeugbereichs
zu nutzen.
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Eingezeichnet
sind in 2 noch ein Temperatursensor 88,
der die Ist-Raumtemperatur
in der von dem Zweigstrangsystem 30 versorgten Klimazone
misst, sowie ein weiterer Temperatursensor 90, der die
Ist-Temperatur der in dem Zweigstrangsystem 30 transportierten
frischen Versorgungsluft misst. Letzterer Messwert ist repräsentativ
für den vorstehend
erwähnten
Einblastemperatur-Istwert. Wie weiter oben erläutert, ermittelt die Klimasteueranordnung 34 aus
den von den Sensoren 88, 90 gelieferten Messwerten
und einem an einem Bedienpult 92 vom Bordpersonal vorgebbaren
Raumtemperatur-Sollwert für
die betreffende Klimazone eine Einblastemperatur-Regelabweichung
und steuert die Antriebseinheit 46 im Sinne einer Eliminierung
dieser Regelabweichung.
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In 3 sind
gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit gleichem Bezugszeichen
wie zuvor bezeichnet, jedoch ergänzt
durch einen Kleinbuchstaben. Die in dieser Figur gezeigten Variante unterscheidet
sich von derjenigen nach 2 dadurch, dass der über die
Nutz-Wärmeaustauschfläche 56a der
Kraft-Wärme-Maschine 44a geführte Luftstrom
unmittelbar aus der in dem Zweigstrangsystem 30a transportierten
frischen Versorgungsluft entnommen wird. Hierzu sind die Lufteinlässe 64a, 66a zu
parallelen Leitungszweigen weitergebildet, welche über einen
weiteren gemeinsamen Leitungszweig 94a stromaufwärts des
Leitungszweigs 70a mit dem Zweigstrangsystem 30a verbunden
sind. Je nach erzeugter Sogrichtung in dem Brückenzweig 68a strömt Luft
aus dem Zweigstrangsystem 30a somit entweder durch den
Einlasszweig 64a oder den Einlasszweig 66a.