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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Wärmekörpers für ein Luftfahrzeug sowie ein Luftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Bisher sind in Luftfahrzeugen Kühlsysteme bekannt, deren Kühler in Stauluftkanälen untergebracht sind, um einen Wärmeaustausch zwischen einer innenliegenden Wärmequelle und der Umgebung des Luftfahrzeuges zu erreichen. Diese Stauluftkanäle sind derart ausgebildet, dass die Öffnungen gegen die Strömungsrichtung des Flugzeuges ausgerichtet sind, um ausreichend Kühlluft bereitzustellen. Diese Stauluftkanäle sind aus Effizienzgründen konstruktiv möglichst klein zu halten, so dass kein unnötiger Luftwiderstand entsteht.
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Damit ausreichend Kühlluft aus der Umgebung bereitgestellt werden kann, ist es ebenfalls bekannt bedruckte Luft aus einem Bleed-Air System einer Turbine eines Luftfahrzeugs zu erhalten. Dabei wird bedruckte Luft aus einem Flugzeugtriebwerk entnommen, womit sich der Luftmassenstrom im Triebwerk reduziert.
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Mittels dieser Stauluftkanäle können Flugzeugkomponenten, wie beispielsweise Brennstoffzellensysteme, gekühlt werden. Daher werden diese Brennstoffzellensysteme, welche vorzugsweise PEM-Brennstoffzellensysteme (Polymermembran-Brennstoffzellensysteme) zur Gewinnung von elektrischer Energie sind, mit einer solchen Luftkühlung ausgestattet. Weiterhin ist bekannt diese Flugzeugkomponenten bzw. Brennstoffzellensysteme mit Flüssigkeit-Kühlsystemen zu kühlen, wobei die Kühlflüssigkeit mittels von außen zugeführter Stauluft gekühlt wird.
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Aufgrund der Kühlung der Brennstoffzellen ist ebenfalls bekannt aus der Kathodenabluft des Brennstoffzellensystems Wasser zu generieren. Dabei wird die Kathodenabluft derart gekühlt, dass das darin enthaltende Wasser auskondensierbar ist. Die Kondensation wird dabei durch einen Wärmetauscher erreicht, der an ein Kühlsystem, sei es ein Flüssigkeitskühlsystem oder ein Luftkühlsystem, angeschlossen ist. Diese Flüssigkeitskühlsysteme oder ein Luftkühlsysteme können mit von außen zugeführten Kühlmedien gekühlt werden.
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JP 2001 183 026 A beschreibt eine Kühlvorrichtung, welche an einer äußeren Platte eines elektronischen Gerätes eines Flugzeuges angebracht wird. Wärme des elektronischen Gerätes wird von einem Wärmetauscher der Kühlvorrichtung an die Flugzeugaußenhaut unter Verwendung eines Peltierelements weitergeleitet.
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EP 1 331 838 A2 beschreibt eine thermische Vorrichtung mit einem Energiespeicherelement, welches an ein thermoelektrisches Regelungselement zum Handhaben der vom elektronischen Gerät erzeugten thermischen Energie angeschlossen ist.
DE 691 15 982 T2 beschreibt ein Verfahren zur Klimatisierung elektronischer Einrichtungen eines Flugzeuges mit Hilfe mehrerer drehender Maschinen, wobei ein dynamischer Luftstrom angesaugt wird, der an eine erste drehende Maschine gelangt.
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DE 1 580 634 beschreibt eine Einrichtung mit thermoelektrischen Elementen, die den Peltiereffekt ausnützen zur Klimatisierung von Kraftfahrzeugen, wobei die thermoelektrischen Elemente in der Fläche einer Rohrleitung angebracht sind und wobei die Innenseite dieser Elemente mit mindestens einem Kühler wärmeleitend verbunden ist.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kühlanordnung zur Kühlung eines Wärmekörpers für ein Luftfahrzeug zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Wärmekörpers für ein Luftfahrzeug sowie ein Luftfahrzeug mit einer Kühlanordnung zur Kühlung eines Wärmekörpers gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Wärmekörpers für ein Luftfahrzeug geschaffen. Die Kühlanordnung weist ein Peltierelement mit einer Warmseite und einer Kaltseite auf. Ferner weist die Kühlanordnung einen Wärmekörper auf. Der Wärmekörper ist in wärmeleitenden Kontakt mit der Kaltseite des Peltierelements angeordnet. Die Warmseite des Peltierelements ist eingerichtet, Wärmeenergie an eine Luftfahrzeugstruktur abzugeben, so dass der Wärmekörper kühlbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Luftfahrzeug mit einer der oben beschriebenen Kühlanordnung bereitgestellt.
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Unter dem Begriff Peltierelement werden Halbleiterelemente verstanden, bei denen durch Anlegen einer Spannung sich eine Seite erwärmt und die andere abkühlt. Bei Einleiten einer Wärmelast auf die kühle Seite bzw. der Kaltseite und durch Regeln der angelegten Spannung kann die Wärmesenke bzw. die Wärmedifferenz zwischen Warmseite und Kaltseite genau bestimmt werden. Die Wärme auf der warmen Seite des Peltierelements muss dabei abgeführt werden. Ein Peltierelement dient also als regelbarer Mittler zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, ahne den Einsatz von Flüssigkeiten oder Gasen zum Wärmetransport zu benötigen. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, desto geringer ist die elektrische Leistung, die zum Betrieb des Peltierelements benötigt wird. Grundlage für den Peltiereffekt ist der Kontakt von zwei Metallen, die eine unterschiedliche Höhe der Leitungsbänder besitzen. Leitet man einen Strom durch zwei hintereinander liegende Kontaktstellen, so wird auf der einen Kontaktstelle, d. h. der Kaltseite, Wärmeenergie aufgenommen, damit das Elektron in das höhere Leitungsband des benachbarten Metalls gelangt. Auf der anderen Kontaktstelle, d. h. der Warmseite des Peltierelements, fällt das Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, so dass hier Wärmeenergie abgegeben wird. Kann auf der Warmseite des Peltierelements die Wärmeenergie der Wärmeseite nicht ausreichend abtransportiert werden, so muss die elektrische Energie erhöht werden und die Temperatur der Kaltseite aufrecht zu erhalten.
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Unter dem Begriff „wärmeleitender Kontakt” wird eine Verbindung zweier Elemente verstanden, durch welche Wärmeenergie transportiert werden kann. Ein wärmeleitender Kontakt kann beispielsweise durch eine Kontaktfläche mittels Berührung zweier Elemente bereitgestellt werden. Geeignet sind Materialien mit einem hohen Wärmeleitwert.
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Unter dem Begriff „kalte Umgebung” wird beispielsweise die Umgebung eines Luftfahrzeuges bzw. die Außenseite eines Luftfahrzeugrumpfes verstanden, welche auf einer Reiseflughöhe des Luftfahrzeuges ca. –80°C––60°C betragen kann. Ferner kann eine Temperaturdifferenz zwischen der kalten Umgebung von 80°C bis 120°C vorherrschen. Die Kühlvorrichtung kann dabei derart im wärmeleitenden Kontakt innerhalb der Luftfahrzeugstruktur eingerichtet sein, dass ferner ein Wirkbereich der kalten Umgebung herrscht, d. h. indem noch Temperaturen von unter 0°C herrschen.
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Unter dem Begriff „Luftfahrzeugstruktur” werden im Folgenden alle Komponenten eines Luftfahrzeugs verstanden, welche mit der kalten Umgebung in Kontakt sind. Dies bedeutet, dass die Luftfahrzeugstruktur die Temperatur der kalten Umgebung aufweist. Ferner kann die Luftfahrzeugstruktur Wärmeenergie von dem Innenraum eines Luftfahrzeugs aufnehmen und an die kalte Umgebung befördern. Die Luftfahrzeugstruktur kann beispielsweise aus dem Luftfahrzeugrumpf, der Luftfahrzeughaut, aus Spanten oder aus Stringern bestehen.
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Mit der Erfindung wird eine Möglichkeit geschaffen, Flugzeugkomponenten bzw. Luftfahrzeugeinrichtungen zu kühlen, ohne zur Kühlung einen verlustbehafteten Stauluftkanal oder sonstige außenliegende Kühlelemente zu benötigen. Die Kühlanordnung kann vollständig innenliegend in einem Luftfahrzeug ausgebildet sein. Von einem Wärmekörper kann eine Wärmeenergie über das Peltierelement an die kalte Umgebung abgegeben werden, ohne kalte Umgebungsluft in das Luftfahrzeug einbringen zu müssen. Aufgrund des Peltierelements ist die Kühlleistung der Kühlanordnung regelbar, ohne komplexe Steuereinrichtungen zu verwenden. Mittels elektrischer Energie kann die Temperatur der Kaltseite des Peltierelements konstant gehalten werden, so dass der Wärmekörper permanent gekühlt werden kann.
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In einer kalten Umgebung eines Luftfahrzeugs kann beispielsweise im Vergleich zum Innenraum eines Luftfahrzeugs eine Temperaturdifferenz von 100°C bis 120°C bestehen. Mit der Kühlanordnung kann die Temperaturdifferenz zwischen der kalten Umgebung des Luftfahrzeugs und der Abwärme von Wärmekörpern ausgenutzt werden, um Wärmeenergie zu transportieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlanordnung ferner eine Kühlvorrichtung auf. Die Kühlvorrichtung ist derart zwischen dem Wärmekörper und der Luftfahrzeugstruktur gehaltert, dass mittels der Kühlvorrichtung die Wärmeenergie von dem Peltierelement an die Luftfahrzeugstruktur abgebbar ist. Mittels der Kühlvorrichtung können zwischen dem Peltierelement und der Luftfahrzeugstruktur weitere Kühlelemente eingesetzt werden, die den Wärmetransport der Wärmeenergie verbessern. Der Wärmetransport wird verbessert, indem die Wärmeenergie der Warmseite des Peltierelements verbessert abgegeben werden kann. Beispielsweise kann die Kühlvorrichtung mittels Kühlmitteln oder Luftströmen die Wärmeenergie der Warmseite aufnehmen. Somit wird die Kühlleistung des Peltierelements verbessert. Durch den besseren Wärmeabtransport von der Warmseite des Peltierelements, kann mit geringerem Stromverbrauch die Temperaturdifferenz zwischen der Warmseite und der Kaltseite bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet die Kühlvorrichtung einen geschlossenen Luftkanal aus. Ferner weist die Kühlvorrichtung einen Ventilator zur Erzeugung eines Luftstroms in dem Luftkanal auf. Die Kühlvorrichtung ist eingerichtet, mittels des Luftstroms Wärmeenergie von der Warmseite des Peltierelements aufzunehmen und an die Luftfahrzeugstruktur abzugeben. Aufgrund der Erzeugung eines Luftstromes kann mehr Wärmeenergie von der Warmseite des Peltierelements aufgenommen und abtransportiert werden. Dadurch erwärmt sich die Warmseite weniger, so dass eine kleinere Temperaturdifferenz zwischen der Warmseite und der Kaltseite des Peltierelements vorherrscht. Somit ist weniger Strom zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur der Kaltseite des Peltierelements notwendig.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlanordnung ferner eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, den Ventilator zu steuern Der Ventilator kann einen Luftstrom variabel erzeugen, so dass eine Kühlleistung der Kühlanordnung einstellbar ist. Bei niedriger Umdrehung des Ventilators wird ein langsamer Luftstrom erzeugt, so dass weniger Wärmeenergie von der Warmseite des Peltierelements aufgenommen werden kann. Bei höherer Kühlleistung wird die Umdrehung des Ventilators erhöht, so dass ein schnellerer Luftstrom erzeugt wird, welcher mehr Wärmeenergie von der Warmseite des Peltierelements aufnehmen kann. Der Luftstrom kann wiederum die Wärmeenergie an die Kühlvorrichtung abgeben. Somit ist die Kühlanordnung in ihrer Leistung auf eine einfache Art und Weise steuerbar. Aufgrund des geschlossenen Kühlluftkanals müssen keine komplexen Einrichtungen zur Abführung verbrauchter bzw. warmer Kühlluft installiert werden, so dass Kosten und Gewicht eingespart werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung zumindest ein erstes Kühlelement mit einer ersten Anströmfläche auf, wobei die erste Anströmfläche von dem Luftstrom derart anströmbar ist, dass Wärmeenergie mittels des ersten Kühlelements aufnehmbar ist. Das erste Kühlelement ist eingerichtet, Wärmeenergie an die Kühlvorrichtung abzugeben. Damit stellt das erste Kühlelement einer größere Anströmfläche für den Luftstrom bereit, so dass mehr Wärmeenergie an die Luftfahrzeugstruktur abgegeben werden kann. Die Kühlleistung kann somit insgesamt verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlanordnung zumindest ein zweites Kühlelement mit einer zweiten Anströmfläche auf, wobei das zweite Kühlelement eingerichtet ist, Wärmeenergie der Warmseite des Peltierelements aufzunehmen. Die zweite Anströmfläche ist von dem Luftstrom derart anströmbar, dass Wärmeenergie an den Luftstrom abgebbar ist. Das zweite Kühlelement vergrößert somit die Anströmfläche der Warmseite des Peltierelement, so dass mehr Wärmeenergie von der Warmseite an den Luftstrom abgegeben werden kann. Die Kühlleistung kann somit insgesamt verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung Luftleitbleche zur Steuerung des Luftstroms auf. Somit kann der Luftstrom gezielt beispielsweise an der Warmseite des Peltierelements oder an dem ersten oder zweiten Kühlelement vorbeigesteuert werden, so dass eine verbesserte Kühlleistung erhalten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmekörper eine Luftfahrzeugeinrichtung. Somit kann die Kühlvorrichtung mit dem Peltierelement direkt an zu kühlende Luftfahrzeugeinrichtungen angeordnet werden, ohne Wärmeleitsysteme zu verwenden. Damit kann ein guter Wirkungsgrad der Kühlanordnungen erreicht werden, da Wärmeleitsysteme oftmals verlustbehaftet sind.
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Unter dem Begriff „Luftfahrzeugeinrichtung” werden alle wärmeerzeugenden Verbraucher bzw. Geräte eines Luftfahrzeugs verstanden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlanordnung ferner ein Zuführrohr und einen Abführrohr auf. Der Wärmekörper weist einen Fluidkanal auf Das Zuführrohr ist eingerichtet, ein Fluid mit einer ersten Temperatur aus der Luftfahrzeugeinrichtung dem Fluidkanal bereitzustellen. Der Fluidkanal ist eingerichtet, die Wärmeenergie des Fluids an den Wärmekörper abzugeben, wobei dem Abführrohr das Fluid mit einer zweiten Temperatur bereitstellbar ist. Somit kann einer entfernt angeordneten Luftfahrzeugeinrichtung gekühlt werden, in dem ein kaltes Fluid mit einer zweiten Temperatur die Wärme der Luftfahrzeugeinrichtung aufnimmt und abtransportiert. Somit können sämtliche Luftfahrzeugeinrichtung eines Luftfahrzeugs mit der Kühlanordnung gekühlt werden.
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Unter dem Begriff „Fluid” werden alle flüssigen oder gasförmigen Medien verstanden, welche eine Wärmeenergie aufnehmen, abgeben, oder transportieren können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlanordnung ferner einen Kondensatabscheider auf, wobei der Kondensatabscheider mit dem ersten Abführrohr verbunden ist. Das Fluid besteht dabei aus einer Kathodenabluft eines Brennstoffzellensystems. Die Kathodenabluft ist mittels des ersten Abführrohres dem Kondensatabscheider zuführbar, wobei der Kondensatabscheider eingerichtet ist, einen Kondenswasseranteil der Kathodenabluft abzuscheiden. Brennstoffzellensysteme, wie beispielsweise PEM-Brennstoffzellensysteme (Polymemembran-Brennstoffzellensysteme), produzieren als Produkt eine heiße Kathodenabluft. In der Kathodenabluft befindet sich ein hoher Anteil verdampften Wassers. Die Kathodenabluft kann mittels des Zuführrohres zu dem Wärmekörper befördert werden, wobei die Kathodenabluft abkühlbar ist und der Wasseranteil der Kathodenabluft auskondensiert. Der Kondensatabscheider entnimmt den Kondenswasseranteil, welche weiter verarbeitet werden kann. Somit kann Wasser aus der Kathodenabluft gewonnen und weiterverarbeitet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlanordnung ferner einen Kondensatspeichertank auf, wobei dem Kondensatspeichertank der Kondenswasseranteil zuführbar ist. Der Wasseranteil ist einem Trinkwassersystem zuführbar. Somit kann der Kondenswasseranteil als Trinkwasser weiterverwendet werden. Damit kann die mitgeführte Trinkwassermenge reduziert werden, sodass Gewicht und Kosten eingespart werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Abführrohr eingerichtet, das Fluid mit der zweiten Temperatur der Luftfahrzeugeinrichtung bereitzustellen, wobei das Fluid Wärmeenergie der Luftfahrzeugeinrichtung aufnimmt und mit der ersten Temperatur dem Zuführrohr bereitstellbar ist. Das Fluid kann somit Wärmeenergie von der Luftfahrzeugeinrichtung abtransportieren und an dem Wärmekörper abgeben. Somit kann ein Kühlmittelkreislauf bereitgestellt werden, ohne das Fluid zur Kühlung nachgefüllt werden muss.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Luftfahrzeugeinrichtung ein Brennstoffzellensystem. Aufgrund der exothermen Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem entsteht Wärmeenergie, welche abgeführt werden muss. Mittels des Fluidkanals kann somit eine Kühlung des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden, wobei die Kühlanordnung vollständig innenliegend in einem Luftfahrzeug ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kühlvorrichtung und der Wärmekörper integral ausgebildet. Somit kann auf Verbindungsmittel zwischen der Kühlvorrichtung und dem Wärmekörper verzichtet werden. Bei der integralen bzw. einstückigen Ausbildung der Kühlvorrichtung und des Wärmekörpers, und der damit verbundenen Einsparung der Verbindungselemente, kann Einbauplatz und Gewicht eingespart werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung eine Vielzahl an Peltierelementen auf. Aufgrund der Anzahl der eingebauten Peltierelemente kann eine Kühlleistung eingestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kühlanordnung zumindest eines der Vielzahl an ersten Kühlelementen, an zweiten Kühlelementen und an Kühlvorrichtungen auf. Somit kann die Kühlanordnung auf eine erforderliche Kühlleistung genau eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Luftfahrzeugstruktur aus der Gruppe bestehend aus zylinderförmigen Luftfahrzeugrümpfen, Stringern und Spanten ausgewählt. Die Kühlvorrichtung kann somit platzsparend entlang von den Luftfahrzeugstrukturen angebracht werden.
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Die Ausgestaltungen der Kühlanordnung gelten auch für das Luftfahrzeug.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden werden zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Kühlanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Warmluft kühlbar ist;
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Kühlanordnung, mit der ein Kühlmittel kühlbar ist;
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3 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Warmluftkühlung und einer Kühlmittelkühlung.
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Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in 1 schematisch dargestellt. 1 zeigt eine Ausführungsform der Kühlanordnung zur Kühlung eines Wärmekörpers für ein Luftfahrzeug. Die Kühlanordnung weist ein Peltierelement 4 mit einer Warmseite und einer Kaltseite auf. Ferner weist die Kühlanordnung den Wärmekörper 3 auf. Der Wärmekörper 3 ist in wärmeleitenden Kontakt mit der Kaltseite des Peltierelements 4 angeordnet, wobei die Warmseite des Peltierelements 4 eingerichtet ist, Wärmeenergie Q an eine Luftfahrzeugstruktur 6, 7, 18 abzugeben, so dass der Wärmekörper 3 kühlbar ist.
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1 zeigt zudem eine Kühlvorrichtung 13 mit einer Kühlfläche 23 auf. An der Kühlfläche 23 ist der Wärmekörper 3 eingerichtet. Das Peltierelement 4 weist eine Warmseite und eine Kaltseite auf, wobei die Kaltseite des Peltierelements 4 in wärmeleitenden Kontakt mit der Kühlfläche 23 der Kühlvorrichtung 13 eingerichtet ist. Das Peltierelement 4 ist dabei eingerichtet mit der Kaltseite Wärmeenergie Q des Wärmekörpers 3 aufzunehmen und mit der Warmseite Wärmeenergie Q an die Kühlvorrichtung 13 abzugeben. Die Kühlvorrichtung 13 ist in wärmeleitenden Kontakt innerhalb einer Luftfahrzeugstruktur 6, 7, 18 eingerichtet, so dass die Wärmeenergie Q an eine kalte Umgebung 24 des Luftfahrzeugs abgebbar ist. Durch den Wärmeenergietransport ist der Wärmekörper 3 kühlbar.
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Die Kühlanordnung kann dabei auf einer Innenseite eines Luftfahrzeugrumpfs 6 angeordnet sein, ohne dass zur Kühlung Öffnungen nach außen bzw. Stauluftkanäle notwendig sind. 1 zeigt, dass die Kühlvorrichtung 13 an der Innenseite der Luftfahrzeughaut 6 oder an Querträgern bzw. den Stringern 7 eines Luftfahrzeuges angeordnet sein kann. Die Kühlvorrichtung 13 ist dabei im wärmeleitenden Kontakt innerhalb dieser Luftfahrzeugstrukturen 6, 7 eingerichtet, so dass die Wärmeenergie an die Luftfahrzeugstrukturen 6, 7 abgegeben werden kann. Die Kühlvorrichtung 13 kann ferner tangential entlang des Luftfahrzeugrumpfs 6 angeordnet sein oder axial entlang der Flugzeuglängsachse verlaufen. Die Kühlvorrichtung 13 kann ferner einen geschlossenen Luftkanal bilden. In der Kühlvorrichtung 13 sind Ventilatoren 12 zur Erzeugung eines Luftstroms eingerichtet. Dadurch kann eine Luftzirkulation bzw. ein Luftstrom erreicht werden, welcher von Warmseite der Peltierelemente 4 Wärmeenergie besser aufnehmen kann. Der Luftkanal kann ferner geschlossen ausgeführt sein, so dass im Inneren mittels des Ventilators 12 der Luftstrom erzeugt wird, ohne einen Luftmassenaustausch bereitstellen zu müssen. Andere Einbauelemente werden somit von einem austretenden Luftstrom der Kühlanordnung nicht gestört.
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Ferner können in der Kühlvorrichtung 13 erste und zweite Kühlelemente 5, 5' angeordnet werden, welche eine erste und eine zweite Anströmfläche aufweisen. Die Anströmfläche kann von dem Luftstrom angeströmt werden, so dass diese die Wärmeenergie Q von dem ersten Kühlelement 5 besser aufgenommen und von dem zweiten Kühlelement besser abgegeben werden kann. Das erste Kühlelement ist dabei in wärmeleitenden Kontakt mit der Luftfahrzeugstruktur eingerichtet, so dass die Wärmeenergie Q verbessert abgegeben werden kann. Die zweiten Kühlelemente 5' sind in wärmeleitenden Kontakt mit der Warmseite des Peltierelements 4 angeordnet, um somit die Wärmeenergie verbessert an den Luftstrom abzugeben. 1 zeigt, dass die ersten und zweiten Kühlelement 5, 5' in die Kühlvorrichtung 13 hineinragen um somit die Anströmfläche und somit den Wärmeaustausch zu vergrößern. Ferner kann der Kühlluftkanal Luftleitbleche aufweisen, so dass der Luftstrom gezielt gesteuert werden kann, um somit verbessert Wärmeenergie Q abzugeben.
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Ferner kann der Wärmekörper 3 einen Fluidkanal 14 zum Befördern eines Fluids aufweisen. Das Fluid wird dem Fluidkanal mittels eines Zuführrohres 2 zugeführt. Dabei weist das Fluid eine erste warme Temperatur auf. In dem Fluidkanal 14 kann die Wärmeenergie Q des Fluids an den Wärmekörper 3 abgegeben werden, so dass das Fluid gekühlt werden kann. Das Fluid kann dann mit einer kälteren zweiten Temperatur einer Abführleitung 8 bereitgestellt werden. Das Fluid kann beispielsweise aus einer Kathodenabluft eines Brennstoffzellensystems 1 bestehen. Die Kathodenabluft weist einen hohen Wasseranteil auf, welcher durch die Abkühlung in dem Wärmekörper 3 auskondensierbar ist. Die kalte Kathodenabluft 8 kann einem Kondensatabscheider zugeführt werden, wobei dieser den Kondenswasseranteil der gekühlten Kathodenabluft 8 abscheidet. Der Kondenswasseranteil kann einem Kondensatspeichertank 17 zugeführt und anschließend weiterverarbeitet werden.
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Ferner kann die Kühlvorrichtung von einer Isolierung 16 umgeben sein, um somit einen Wärmeenergieaustausch mit dem Innenraum des Luftfahrzeugs, wie beispielsweise der Kabine, zu vermeiden.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Kühlanordnung, bei der mit dem Wärmekörper 3 ein Kühlkreislauf des Fluids bereitgestellt, um eine Luftfahrzeugeinrichtung 1 zu kühlen. Über einen ersten Zuführkanal 16 wird ein warmes Fluid mit einer ersten Temperatur aus einer Luftfahrzeugeinrichtung 1 zu dem Fluidkanal 14 befördert, wobei das Fluid durch Abgabe von Wärmeenergie Q gekühlt wird. Anschließend wird das kalte Fluid mittels des zweiten Abführrohres 8 zurück zu der Luftfahrzeugeinrichtung 1 befördert, um wiederum Wärmeenergie der Luftfahrzeugeinrichtung 1 aufzunehmen und diese somit zu kühlen. Diese Luftfahrzeugeinrichtung 1 kann beispielsweise aus einem Brennstoffzellensystem bestehen.
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Ferner kann in dem Kühlmittelkreislauf, d. h. in dem Zuführrohr 2 oder dem Abführohre eine Kühlmittelpumpe 15 eingerichtet sein. Ferner sind auch hier Heat-Pipe Röhrchen denkbar, unter welchem die Kühlflüssigkeit bei Wärme verdampft und an einer kalten Stelle wieder auskondensiert.
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3 zeigt eine Kombination der Ausführungsformen aus den 1 und 2, bei dem die Kathodenabluft eines Brennstoffzellensystems 1 mittels der Kühlvorrichtung gekühlt und auskondensierbar ist und gleichzeitig ein Kühlmittelkreislauf umgesetzt werden kann, welcher die Brennstoffzelle 1 bei Betrieb kühlt. Eine Steuereinheit steuert dabei den Betrieb der Brennstoffzelle und des Kühlsystems sowie die Energieversorgung der Peltierelemente 4. Insbesondere kann die Steuereinheit die Ventilatoren 12 steuern, um somit den Luftstrom bzw. die Kühlleistung der Kühlanordnung zu steuern. Steigt die Temperatur der Brennstoffzelle 1 an, kann die Steuereinheit die Kühlleistung der Kühlanordnung mittels der Ventilatoren 12 variieren.
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An einer Luftzufuhr 20 und an einer Brennstoffzufuhr 21 können die Edukte des Brennstoffzellensystems 1 eingebracht werden. Der Kühlmittelkreislauf kann beispielsweise das Fluid bzw. das Kühlmittel befördern und/oder eine Kathodenabluft zu den Wärmekörper 3 befördern. Das gekühlte Kühlmittel nach den Kühleinrichtungen kann wieder der Brennstoffzelle 1 zugeführt werden. Die Kathodenabluft wird mittels dem Wärmekörper 3 gekühlt, so dass in dem Kondensatabscheider 9 der Wasseranteil der Kathodenabluft auskondensierbar ist. Aus der Kathodenabluft kann ein inertartiges Gas und Kondenswasser gewonnen werden. Das Inertgas entsteht durch den Brennstoffzellenprozess und besteht sauerstoffabgereicherter Luft mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 10% Prozent bis 13% Prozent. Das Inertgas wird an der Inertgasableitung 22 abgeführt und das auskondensierte Wasser über den Kondensatableiter 10 über die Kondensatweiterleitung 11 zu dem Kondensatspeichertank 17 befördert. Das gesammelte Wasserkondensat kann beispielsweise an ein Trinkwassersystem weitergeleitet werden. Das Inertgas kann zum Inertisieren von beispielsweise Räumen, wie Kerosintanks, verwendet werden, so dass dort eine Entflammbarkeit oder ein Explosionsrisiko verringert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfahrzeugeinrichtung, Brennstoffzellensystem
- 2
- Zuführrohr
- 3
- Wärmekörper
- 4
- Peltierelement
- 5
- Kühlelement
- 6
- Luftfahrzeugrumpf
- 7
- Stringer
- 8
- Abführrohr
- 9
- Kondensatabscheider
- 10
- Kondensatableiter
- 11
- Kondensat Weiterleitung
- 12
- Ventilator
- 13
- Kühlvorrichtung
- 14
- Fluidkanal
- 15
- Kühlmittelpumpe
- 16
- Isolierung
- 17
- Kondensatspeichertank
- 18
- Spant
- 20
- Zufuhr Luft
- 21
- Zufuhr Brennstoff
- 22
- Ableitung Inertgas
- 23
- Kühlfläche
- 24
- Kalte Umgebung
- Q
- Wärmeenergie
