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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. Eine derartige Klimatisierungsanordnung ist beispielsweise in der
DE 103 61 709 A1 beschrieben.
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Die
JP 2005-349912 A offenbart ein Klimatisierungssystem für ein Flugzeug, das eine Wärmepumpe mit einem Kompressor, einem Elektromotor und einem Expansionsventil umfasst. In Abhängigkeit eines Steuersignals von einer Steuereinheit wird die Wärmepumpe in einem Kühlmodus oder einem Heizmodus betrieben, um einer Flugzeugkabine kühle oder warme Luft zuzuführen.
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Das US-Patent
US 4 984 432 A beschreibt eine Vorrichtung, die einen Ericsson-Arbeitszyklus mittels zweier Arbeitsmedien realisiert. Zur Kühlung einer Flugzeugkabine wird ein linksläufiger Brayton-Kreisprozess (auch als Joule-Kreisprozess bekannt) erwähnt.
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Die europäische Patentschrift
EP 0 683 744 B1 beschreibt eine Klimaanlage zum druckbeaufschlagten Klimatisieren mehrerer Bereiche eines halbgeschlossenen Raums. Die Anlage umfasst einen Verteilerkreis, dessen Verteilerenden zu jedem der Bereiche führen. Zur Kühlung der zugeführten Luft wird diese in einer Turbinenstufe entspannt.
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Das US-Patent
US 5 545 084 A beschreibt eine Technik zur Klimatisierung von zwei Passagierdecks in einem Flugzeug. Bei der Abkühlung des Luftstroms wird rückgeführte Luft von der unteren Kabine zugemischt und dann in lokalen Mischkammern mit rückgeführter Luft von der oberen Kabine gemischt. Während die Luft des oberen Decks im Wesentlichen vollständig rückgeführt wird, dient die Luft des unteren Decks nur teilweise der Rückführung.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 103 61 392 A1 beschreibt ein Luftverteilungssystem für eine homogene Temperaturverteilung innerhalb einer Temperaturzone eines Flugzeugs. Das Luftverteilungssystem umfasst Hauptversorgungsleitungen, über die eine Gruppe von Luftauslässen mit Luft versorgt wird. Heizelemente sind entweder an Nebenversorgungsleitungen oder unmittelbar an einem Luftauslass angeordnet.
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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. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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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. Die Grundtemperierungsmittel der erfindungsgemäßen Klimatisierungsanordnung sind dazu eingerichtet, die Versorgungsluft unabhängig von einem Temperatursollwert mindestens einer, insbesondere jeder Klimazone mit zugeordneter Kraft-Wärme-Maschine zu temperieren.
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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 Kreisprozessenarbeiten, 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 temperierenden 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 Temperierluftsstrom 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 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 temperierter 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 Individualtemperierungs-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 aller 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 verläuft. 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 Einbauort (nur auf einer Seite der Wärmeaustauschfläche 56 oder beidseitig) variieren kann, beispielsweise abhängig von der umgesetzten 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.