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Die
Erfindung betrifft ein stauluftbasiertes Kühlsystem für
ein Luftfahrzeug, mit dem ein Wärmetauscher einer Kabinenklimaanlage
und zumindest eine weitere Komponente des Luftfahrzeuges mit Kühlluft
versorgt und/oder der Einbauraum der Komponente ventiliert werden
kann. Diese Komponente kann eine Komponente der Kabinenklimaanlage sein.
Ferner betrifft die Erfindung eine ein derartiges Kühlsystem
umfassende Kabinenklimaanlage.
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In
einem Luftfahrzeug dient die Kabinenklimaanlage dazu, die Kabine
und das Cockpit mit Frischluft und rezirkulierter Luft zu versorgen.
Ferner muss die Kabinenklimaanlage sicherstellen, dass auch während
eines Fluges in großer Höhe in der Kabine und
im Cockpit ein Druck herrscht, der im Wesentlichen dem Luftdruck
am Boden entspricht. Die Kabinenklimaanlage verwendet als Luftquelle Zapfluft
von den Triebwerken oder einem Hilfstriebwerk (APU: Auxiliary Power
Unit), das beispielsweise am Heck eines Luftfahrzeuges angeordnet
sein kann. Die Temperatur der Zapfluft beträgt in der Regel
von etwa 150°C bis etwa 200°C. Sie wird in einem Wärmetauscher
(dem so genannten Main Heat Exchanger bzw. Primary Heat Exchanger)
gekühlt. Dem Wärmetauscher wird Außenluft
zugeführt, die im Flug als Stauluft in einem Stauluftkanal
zur Verfügung steht. Am Boden erzeugt ein Ventilator einen
Luftstrom durch den Wärmetauscher, um die Zapfluft zu kühlen.
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Der
Stauluftkanal umfasst üblicherweise einen sogenannten NACH-Staulufteinlasskanal (NACH:
National Advisory Committee for Aeronautics), einen Diffusor, optional
ein Stauluftkanalplenum und einen Stauluftauslasskanal. Zwischen
dem Diffusor und dem Stauluftauslasskanal ist der eingangs beschriebene
Wärmetauscher der Kabinenklimaanlage angeordnet. Ferner
kann in dem Stauluftkanal ein Ventilator angeordnet sein, der am
Boden für eine Luftströmung durch den Wärmetauscher
der Kabinenklimaanlage sorgt.
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Während
des Fluges tritt Außenluft über den Staulufteinlasskanal
in den Stauluftkanal ein. Der dynamische Anteil des Druckes wandelt
sich im Diffusor teilweise in einen statischen Druck um, da sich
die Strömung verlangsamt. Folglich entsteht gegenüber dem
Umgebungsdruck ein statischer Überdruck, der auch als Staudruck
bezeichnet wird. Der Staudruck bewirkt eine Strömung von
Außenluft durch den Wärmetauscher der Kabinenklimaanlage.
Die Strömung von Außenluft durch den Stauluftkanal
wird durch eine Staulufteinlasskanalklappe geregelt. Auch der Stauluftauslasskanal
ist üblicherweise mit einer Klappe versehen. Die relativ
weit geöffnete Klappe des Stauluftauslasskanals erzeugt
einen Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck, da sie von
Außenluft umströmt wird. Somit ergibt sich aus
dem eingangsseitig am Wärmetauscher anliegenden Überdruck
und ausgangsseitig vorhandenen Unterdruck ein Differenzdruck, der
einen Luftmassenstrom durch den Wärmetauscher bestimmt.
Die Klappen am Staulufteinlasskanal und am Stauluftauslasskanal werden
durch Aktuatoren betätigt.
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Befindet
sich das Luftfahrzeug am Boden, ist keine Strömung von
Außenluft vorhanden. Ein Ventilator, beispielsweise der
Ventilator der ACM (Air Cycle Machine), bewirkt eine Strömung
im Stauluftkanal, so dass dem Wärmetauscher der Kabinenklimaanlage
Außenluft zum Kühlen der heißen Zapfluft
zur Verfügung gestellt wird.
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Ein
Luftfahrzeug kann zumindest einen weiteren Stauluftkanal umfassen,
mit dem zumindest eine weitere wärmebelastete Komponente
der Kabinenklimaanlage gekühlt und/oder der Einbauraum der
wärmebelasteten Komponente ventiliert werden kann. Die
Funktionsweise dieses Stauluftkanals entspricht im Wesentlichen
der des zuvor beschriebenen Stauluftkanals mit der Ausnahme, dass
in dem Stauluftkanal kein Wärmetauscher und kein Stauluftauslasskanal
vorgesehen sind, sondern der Stauluftkanal in eine Verteilungsleitung
mündet, die einer wärmebelasteten Komponente der
Kabinenklimaanlage Kühlluft zuführt und/oder Luft
in einen Einbauraum leitet, wo die wärmebelastete Komponente
der Kabinenklimaanlage angeordnet ist.
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In
dem Einbauraum können sich aufgrund von Leckagen Treibstoff
und/oder Treibstoffdämpfe sammeln oder bilden. Der Treibstoff
und/oder der Treibstoffdampf kann vom Tank in den Einbauraum gelangen.
Daher muss der Einbauraum der wärmebelasteten Komponente
ventiliert, d. h. belüftet, werden. Die Ventilierung des
Einbauraumes soll verhindern, dass sich ein zündfähiges
Gemisch im Einbauraum bilden kann. Falls die Kabinenklimaanlage
mit der wärmebelasteten Komponente eingeschaltet werden
soll, ist zuvor der Einbauraum der wärmebelasteten Komponente
zu ventilieren, da sich auch bei ausgeschalteter Klimaanlage Treibstoff
und/oder Treibstoffdämpfe in dem Einbauraum sammeln können.
Die Kühlung der wärmebelasteten Komponente kann
auch ein Schutz der Struktur gegen Überhitzung sein.
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Der
von einem Ventilator erzeugte Luftstrom im Stauluftkanal muss überwacht
werden. Fällt der Ventilator aus, muss die Kabinenklimaanlage
abgeschaltet werden, da sich im Einbauraum der wärmebelasteten
Komponente ein zündfähiges Gemisch bilden kann.
Diese Überwachung kann von einer Klimaanlagenabschalteinrichtung,
auf der eine Software läuft, durchgeführt werden.
Die Klimaanlagenabschalteinrichtung wertet beispielsweise aus, ob
sich die Drehzahl des Ventilators innerhalb eines Sollbereichs befindet.
Diese Klimaanlagenabschalteinrichtung ist eine zusätzliche
Einrichtung, die eine zusätzliche Fehlerquelle darstellt,
die vermieden werden soll.
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Dieses
System zum Ventilieren eines Einbauraumes der wärmebelasteten
Komponente sowie zum Kühlen der wärmebelasteten
Komponente wird auch als UBV (Unpressurized Bay Ventilation) bezeichnet.
Es soll gewährleistet werden, dass trotz der potentiellen
Gegenwart von Treibstoffdämpfen, beispielsweise durch Leckagen,
kein entzündbares Gemisch im Einbauraum der Kabinenklimaanlage
entsteht. Die Oberflächen von einigen Geräten
der Kabinenklimaanlage haben heiße Oberflächen,
wodurch eine Zündung herbeigeführt werden könnte.
Zudem dient das Ventilationssystem zum Abkühlen der Luft im
Einbauraum der Kabinenklimaanlage.
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In
einem Luftfahrzeug werden wichtige Einrichtungen stets redundant
ausgelegt. Somit sind in einem Luftfahrzeug zwei Stauluftkanäle
zum Kühlen des Wärmetauschers der Kabinenklimaanlage
und zwei Stauluftkanäle mit einer Verteilungsleitung zum Kühlen
zumindest einer wärmebelasteten Komponente sowie zum Ventilieren
des Einbauraumes der wärmebelasteten Komponente vorhanden.
Ferner sind vier Ventilatoren zum Erzeugen eines Luftstroms am Boden
vorhanden. Die Kanäle und die Ventilatoren benötigen
Platz, müssen gewartet werden und erhöhen die
Masse des Luftfahrzeuges.
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Die
DE 103 61 657 A1 offenbart
ein Kühlluftversorgungssystem für die Kühlung
verschiedener Kühlluft benötigender Systeme in
einem Flugzeug. Das System umfasst einen Stauluftkanal mit zwei
parallel durchströmbaren Leitungszweigen. In einem Leitungszweig
des Stauluftkanals ist ein Turboverdichter angeordnet. Beide Leitungszweige
des Stauluftkanals münden in eine Kühlluft-Sammelkammer, an
die drei Kühlluftversorgungsleitungen angeschlossen sind.
Eine erste Kühlluftversorgungsleitung führt einem
zu ventilierenden Flugzeugbereich Luft zu. In einer zweiten und
einer dritten Kühlluftversorgungsleitung ist dagegen jeweils
ein Wärmetauscher angeordnet, der dazu dient, einer wärmebelasteten
Einrichtung Kühlenergie zuzuführen.
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Die
EP 1 695 910 A2 beschreibt
ein Inertgaserzeugungssystem zur Verwendung an Bord eines Flugzeugs,
bei dem Kabinenabluft zunächst durch einen Zwischenkühler und
anschließend durch einen Wärmetauscher geleitet
wird. Der Wärmetauscher ist in einem Stauluftkanal angeordnet,
so dass den Stauluftkanal durchströmende Kaltluft die Kühlenergie
zur Kühlung der Kabinenabluft in dem Wärmetauscher
bereitstellt.
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Aus
der
DE 101 19 433
C1 ist ein Stauluftkanal für eine Flugzeugklimaanlage
mit einem Lufteinlass sowie einem Luftauslass bekannt. Der Lufteinlass
und der Luftauslass sind jeweils mit einer verstellbaren Klappe
verschließbar.
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Die
DE 10 2004 039 667
A1 betrifft eine Luftversorgungsanlage für ein
System zur Erzeugung von Inertgas in einem Flugzeug, die einen Stauluftkanal
sowie einen in dem Stauluftkanal angeordneten Wärmetauscher
umfasst. Der Wärmetauscher dient dazu, Triebwerkszapfluft
auf eine gewünschte tiefe Temperatur abzukühlen.
Die Temperatur der den Wärmetauscher durchströmenden
Triebwerkszapfluft wird mittels eines stromabwärts des
Wärmetauschers in einer Zapfluftleitung positionierten
Temperatursensors überwacht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässig arbeitendes,
einfach aufgebautes und einbauraumsparendes Kühlsystem
und eine mit einem derartigen Kühlsystem ausgestattete
Kabinenklimaanlage bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kühlsystem mit den im Anspruch 1
angegebenen Merkmalen sowie eine Kabinenklimaanlage mit den im Anspruch
11 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes Kühlsystem umfasst einen
Stauluftkanal, einen in dem Stauluftkanal angeordneten Wärmetauscher,
der dazu eingerichtet ist, einer wärmebelasteten Komponente
des Luftfahrzeugs durch die den Stauluftkanal durchströmende Luft
bereitgestellte Kühlenergie zuzuführen, und eine in
Fluidkommunikation mit dem Stauluftkanal angeordnete Ventilationseinrichtung,
wobei von dem Stauluftkanal stromaufwärts des Wärmetauschers eine
Verteilungsleitung abzweigt, die dazu eingerichtet ist, einem Einbauraum
der wärmebelasteten Komponente des Luftfahrzeuges Ventilationsluft
zuzuführen. Die Ventilationsleitung steht stromaufwärts
der Verteilungsleitung mit dem Stauluftkanal in Fluidkommunikation.
Durch einen Lufteinlass tritt Luft aus der Umgebung des Luftfahrzeuges
in den Stauluftkanal ein. Die Luft tritt durch einen Luftauslass
aus dem Stauluftkanal aus. Der Wärmetauscher kann ein Wärmetauscher,
beispielsweise der Hauptwärmetauscher (Main Heat Exchanger) und/oder
der primäre Wärmetauscher (Primary Heat Exchanger),
der eingangs beschriebenen Kabinenklimaanlage sein. Der Wärmetauscher
kühlt beispielsweise heiße Zapfluft. Die wärmebelastete
Komponente ist eine beliebige Komponente des Luftfahrzeuges, die
sich im Betrieb erwärmen kann. Die wärmebelastete
Komponente kann eine Komponente der Kabinenklimaanlage sein. Es
ist ein Vorteil der Erfindung, dass das Gewicht des Luftfahrzeuges
reduziert wird und dessen Effizienz erhöht wird.
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Da
die Verteilungsleitung an den Stauluftkanal angeschlossen ist, in
dem der Wärmetauscher der Kabinenklimaanlage angeordnet
ist, sind selbst bei einer redundanten Auslegung des Kühlsystems nur
noch zwei Stauluftkanäle und zwei Ventilationseinrichtungen
für das gesamte Luftfahrzeug erforderlich.
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Der
Lufteinlass kann die NACH-Form aufweisen. Der dynamische Anteil
der in den Lufteinlass einströmenden Luft aus der Umgebung
wird in einem Diffusor in einen statischen Überdruck gewandelt. Dieser Überdruck
steht am Eingang des Wärmetauschers und am Eingang der
Verteilungsleitung zur Verfügung, so dass der Wärmetauscher
und die zumindest eine wärmebelastete Komponente eines Luftfahrzeuges
mit Kühlluft versorgt werden können.
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Die
Ventilationseinrichtung kann ein Gebläse sein. Das Gebläse
kann elektrisch oder durch Druckluft, beispielsweise Triebwerkszapfluft,
angetrieben werden. Die Ventilationseinrichtung kann auch eine Luftinjektionseinrichtung
sein, die Luft in den Stauluftkanal injiziert. Die in den Stauluftkanal
injizierte Luft kann einen höheren Druck aufweisen als
die Luft in dem Stauluftkanal. Die in den Stauluftkanal injizierte
Luft kann Zapfluft sein, die, falls erforderlich, zuvor gekühlt
wurde. Die Ventilationseinrichtung wird verwendet, um am Boden und/oder
bei einer niedrigen Geschwindigkeit des Luftfahrzeuges eine Luftströmung
durch den Stauluftkanal sicherzustellen, damit der Wärmetauscher
und die zumindest eine wärmebelastete Komponente mit Kühlluft
versorgt werden und/oder der Einbauraum der wärmebelasteten Komponente
ventiliert wird. Ferner stellt die Ventilationseinrichtung sicher,
dass der Einbauraum der wärmebelasteten Komponente ventiliert
wird, damit sich keine zündfähigen Treibstoffdämpfe
bilden können. Die Ventilationseinrichtung kann auch während
des Fluges aktiviert sein.
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In
dem Stauluftkanal kann ein Einwegventil angeordnet sein, das bewirkt,
dass die Luft im Stauluftkanal lediglich vom Lufteinlass zum Luftauslass strömen
kann. Insbesondere wenn die Ventilationseinrichtung eingeschaltet
ist, besteht die Gefahr, dass die von der Ventilationseinrichtung
erzeugte Luftströmung in Richtung Lufteinlass abgelenkt
wird, so dass ein strömungstechnischer Kurzschluss entsteht.
Das Einwegventil verhindert, dass Luft in Richtung Lufteinlass strömen
kann.
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Der
Stauluftkanal kann in zwei parallel durchströmte Zweige
geteilt sein, wobei im ersten Zweig das Einwegventil angeordnet
ist und im zweiten Zweig die Ventilationseinrichtung angeordnet
ist. Wie zuvor erwähnt wurde, sorgt die Ventilationseinrichtung
dafür, dass die Verteilungsleitung zur Kühlung zumindest
einer Komponente des Luftfahrzeuges und/oder zur Ventilation deren
Einbauraumes sowie der Wärmetauscher der Kabinenklimaanlage
mit einer Luftströmung versorgt werden, falls sich das
Luftfahrzeug am Boden befindet und/oder mit einer niedrigen Geschwindigkeit
fliegt. Das Einwegventil verhindert eine Strömung in Richtung
Lufteinlass.
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Das
Kühlsystem ist derart ausgebildet, dass die Verteilungsleitung
stromaufwärts des Wärmetauschers vom den Stauluftkanal
abzweigt. Die Begriffe "stromaufwärts" und "stromabwärts"
beziehen sich auf eine Strömung vom Lufteinlass zum Luftauslass. Die
Ventilationseinrichtung und das Einwegventil sind stromaufwärts
der Verteilungseinrichtung angeordnet. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung erzeugt die Ventilationseinrichtung einen Überdruck, der
eine Strömung in die Verteilungsleitung und in den Wärmetauscher
bewirkt.
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Das
Einwegventil kann stromaufwärts der Verteilungsleitung
angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden, dass eine Luftströmung
aus der Verteilungsleitung austritt und in Richtung Lufteinlass des
Stauluftkanals strömt.
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Das
Gebläse kann in dem Stauluftkanal so angeordnet sein, dass
es von Luft umströmt werden kann. Das Gebläse
kann in einem Gebläsekanal angeordnet sein, der einen kleineren
Querschnitt als der Stauluftkanal aufweist. Bei dieser Ausführungsform
muss kein Einwegventil vorgesehen sein. Das Gebläse kann
am Boden und/oder bei niedriger Fluggeschwindigkeit eine Strömung
durch den Stauluftkanal erzeugen. Im Flug kann die durch den Lufteinlass
eintretende Luft am Gebläse bzw. Gebläsekanal vorbei
durch den Stauluftkanal strömen.
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Ein
Auslass des Gebläses oder des Gebläsekanals kann
eine Auslassfläche aufweisen, die mit der verbleibenden
Fläche des Stauluftkanals am Auslass des Gebläses
oder des Gebläsekanals in einer solchen Beziehung steht,
dass, falls das Gebläse Luft fördert, der statische
Druck an der Auslassfläche kleiner oder gleich dem statischen
Druck an der verbleibenden Fläche des Stauluftkanals ist.
Dadurch kann verhindert werden, dass die vom Gebläse erzeugte
Strömung in Richtung Lufteinlass strömt. Während
des Fluges strömt die durch den Lufteinlass eintretende
Luft durch die verbleibende Fläche des Stauluftkanals am
Gebläse bzw. Gebläsekanal vorbei.
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Der
Lufteinlass des Stauluftkanals und/oder der Luftauslass des Stauluftkanals
können je eine betätigbare Klappe aufweisen. Durch
die Klappe am Lufteinlass kann der im Stauluftkanal eingangsseitig herrschende Überdruck
eingestellt werden. Durch die am Luftauslass des Stauluftkanals
angeordnete Klappe kann der ausgangsseitige Unterdruck des Stauluftkanals
eingestellt werden. Es versteht sich, dass die Lufteinlassklappe
und die Luftauslassklappe durch eine beliebige Einrichtung ersetzt
werden können, die den Durchfluss durch den Lufteinlass
bzw. den Luftauslass verändern können.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Kabinenklimaanlage mit dem zuvor beschriebenen
Kühlsystem, einer Temperaturerfassungseinrichtung, die
die Temperatur der aus dem Wärmetauscher strömenden Luft
erfasst, die in die Kabine geleitet wird und die von der Stauluft
zu kühlen ist, und einer Steuerungseinrichtung, die die
Funktionsweise der Kabinenklimaanlage steuert. Die Steuerungseinrichtung
ist derart ausgebildet, dass die Kabinenklimaanlage abgeschaltet
wird, falls die aus dem Wärmetauscher austretende Luft,
die in die Kabine geleitet wird und die von der Stauluft zu kühlen
ist, einen Schwellenwert überschreitet. Diese Kabinenklimaanlage hat
den Vorteil, dass mit Hilfe der Erfassung der Temperatur der aus
dem Wärmetauscher austretenden Luft, die in die Kabine
geleitet wird und von der Stauluft zu kühlen ist, die Funktion
der Ventilationseinrichtung überwacht werden kann, ohne
dass eine separate Klimaanlagenabschalteinrichtung zur Überwachung der
Funktion der Ventilationseinrichtung erforderlich ist. Die im Wärmetauscher
von der Stauluft zu kühlende Luft kann Triebwerkszapfluft
sein. Die gekühlte, aus dem Wärmetauscher austretende
Luft kann weiter konditioniert werden, bevor sie in die Kabine geleitet
wird.
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Die
Temperatur der aus dem Wärmetauscher austretenden Luft,
die in die Kabine geleitet wird und von der Stauluft zu kühlen
ist, kann von der Temperaturerfassungseinrichtung am Auslass des Wärmetauschers
und/oder an einem beliebigen Ort in der Klimaanlage erfasst werden.
Die aus dem Wärmetauscher austretenden Luft, die in die
Kabine geleitet wird und von der Stauluft zu kühlen ist,
kann mit einem anderen Luftstrom gemischt werden und/oder weiter
konditioniert werden, bevor deren Temperatur erfasst wird. Beispielsweise
kann die Temperatur der Luft am Mischer und/oder am Einlass in die
Kabine erfasst werden.
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Die
Klimaanlage wird abgeschaltet, falls die Temperatur der aus dem
Wärmetauscher austretenden Luft, die in die Kabine geleitet
wird und von der Stauluft zu kühlen ist, einen Schwellenwert überschreitet.
Liefert die Ventilationseinrichtung am Boden einen zu kleinen oder
keinen Luftstrom, um den Einbauraum ausreichend zu ventilieren,
dann liefert die Ventilationseinrichtung folglich auch zu wenig Luft,
um die Zapfluft im Wärmetauscher der Klimaanlage zu kühlen.
Dies führt zu einem Überschreiten des Schwellenwertes
der aus dem Wärmetauscher bzw. der Klimaanlage austretenden
Luft führt, was folglich zu einem Abschalten der Klimaanlage
führt. Aus diesem Grund kann die separate Abschalteeinrichtung
der Klimaanlage des Standes der Technik zum Abschalten der Klimaanlage
im Falle einer ausgefallenen Ventilationseinrichtung entfallen.
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Die
Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren detaillierter beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 einen
Stauluftkanal, in dem eine Ventilationseinrichtung angeordnet ist,
wobei die Ventilationseinrichtung durch einen By-Pass mit einem
Einwegventil überbrückt wird;
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2 eine
Ausführungsform, bei der in dem Stauluftkanal ein Einwegventil
angeordnet ist, wobei das Einwegventil durch einen By-Pass überbrückt wird,
in dem eine Ventilationseinrichtung angeordnet ist;
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3 eine
Ausführungsform ohne By-Pass und Einwegventil, bei der
die Ventilationseinrichtung stromaufwärts der Verteilungsleitung
und des Wärmetauschers angeordnet ist;
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4 eine
Ausführungsform ohne By-Pass und Einwegventil, bei der
die Ventilationseinrichtung stromabwärts der Verteilungsleitung
und des Wärmetauschers angeordnet und die nicht Gegenstand
der Erfindung ist;
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5 eine
Ausführungsform, bei der ein Gebläse in einem
Gebläsekanal angeordnet ist, wobei sich der Gebläsekanal
innerhalb des Stauluftkanals befindet; und
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6 eine
Ausführungsform mit einer Luftinjektionseinrichtung.
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1 zeigt
einen Stauluftkanal 2 mit einem Lufteinlass 4 und
einem Luftauslass 6. Der Lufteinlass 4 umfasst
eine Lufteinlassklappe (nicht gezeigt), mit der die Menge der in
den Lufteinlass 4 eintretenden Luft gesteuert werden kann.
Der Lufteinlass 4 weist vorzugsweise eine NACH-Form auf.
Der Luftauslass 6 umfasst eine Luftauslassklappe 18.
Im Stauluftkanal 2 ist ein Wärmetauscher 10 einer
Kabinenklimaanlage angeordnet. Wie zuvor erwähnt wurde,
temperiert die Kabinenklimaanlage die Kabine und das Cockpit und
setzt im Flug das Cockpit und die Kabine unter einen Druck, der
im Wesentlichen dem Luftdruck am Boden entspricht. Der Wärmetauscher 10 kann
den Hauptwärmetauscher (Main Heat Exchanger) und/oder den
primären Wärmetauscher (Primary Heat Exchanger)
der Kabinenklimaanlage umfassen. Der Wärmetauscher 10 kühlt
beispielsweise heiße Triebwerkszapfluft. Die von dem Wärmetauscher
gekühlte Luft kann nach einer weiteren Konditionierung
in die Kabine geleitet werden.
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An
den Stauluftkanal 2 ist eine Verteilungsleitung 12 zum
Kühlen zumindest einer wärmebelasteten Komponente
des Luftfahrzeuges und/oder zur Ventilation des Einbauraumes der
zumindest einen wärmebelasteten Komponente angeschlossen.
Die Verteilungsleitung führt die Kühlluft aus
dem Stauluftkanal 2 dem Einbauraum der wärmebelasteten
Komponente zu, um diesen zu ventilieren, d. h. belüften, damit
sich im Einbauraum kein zündfähiges Gemisch bilden
kann. Es muss vermieden werden, dass sich Treibstoffdämpfe
oder Treibstoff an der zumindest einen wärmebelasteten
Komponente entzünden kann. Die Verteilungsleitung führt
die Kühlluft aus dem Stauluftkanal 2 auch Komponenten
der Kabinenklimaanlage (den so genannten Packs) zu, um beispielsweise
eine Strukturerwärmung zu vermeiden. Die Verteilungsleitung
kann in eine Mehrzahl von Verteilungsleitungen verzweigen. Die Verteilungsleitung umfasst
eine Mehrzahl von Öffnungen, um die Kühlluft aus
dem Stauluftkanal 2 in einem Einbauraum der Klimaanlagenkomponenten
zu verteilen. Dieser Einbauraum weist ferner im Rumpfbereich Öffnungen nach
außen auf, damit die Luft wieder aus dem Einbauraum abströmen
kann.
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Der
Stauluftkanal verzweigt in einen Hauptzweig, in dem die Ventilationseinrichtung 8 angeordnet
ist, und einen By-Pass-Zweig 16, in dem ein Einwegventil 14 angeordnet
ist. Die Ventilationseinrichtung 8 ist vorzugsweise ein
Gebläse. Vorzugsweise befindet sich stromaufwärts
des By-Pass ein Diffusor.
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Im
Flug tritt die Strömung der Außenluft über den
Lufteinlass 4 in den Stauluftkanal 2 ein, der üblicherweise
eine NACH-Form aufweist. Der dynamische Anteil der in den Lufteinlass
einströmenden Luft wandelt sich im Diffusor teilweise in
einen statischen Druck um. Folglich entsteht ein statischer Überdruck am
Eingang des Wärmetauschers 10 und am Anschluss
der Verteilungsleitung 12. Die Lufteinlassklappe (nicht
gezeigt) steuert die Strömung der Luft in den Stauluftkanal 2 und
somit den Überdruck im Stauluftkanal 2.
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Üblicherweise
weist der Luftauslass 6 eine Luftauslassklappe 18 auf.
Die relativ weit geöffnete Luftauslassklappe 18 wird
von der Außenluft umströmt und erzeugt somit einen
Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck im Luftauslass 6.
Der Unterdruck kann mittels der Luftauslassklappe 18 eingestellt
werden. Dieser Unterdruck unterstützt die Strömung
durch den Wärmetauscher 10.
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Die
Lufteinlassklappe (nicht gezeigt) des Lufteinlasses 4 kann
so geöffnet werden, dass der Überdruck im Stauluftkanal 2 einen
Volumenstrom in der Verteilungsleitung 12 sicherstellt,
der zum Kühlen der zumindest einen Komponente des Luftfahrzeuges
und/oder zum Ventilieren deren Einbauraumes ausreicht. Die Luftauslassklappe 18 am
Luftauslass 6 kann die durch den Wärmetauscher 10 strömende Luftmenge
steuern. Die durch den Wärmetauscher 10 strömende
Luftmenge kann beispielsweise reduziert werden, falls die Kabine
beheizt werden soll.
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Die
Lufteinlassklappe (nicht gezeigt) und die Luftauslassklappe 18 können
durch Aktuatoren eingestellt werden. Der Aktuator kann beispielsweise ein
Rotationsmotor mit einer Schnecke sein, die eine Drehbewegung in
eine Linearbewegung umsetzt. Es versteht sich, dass die Lufteinlassklappe
und die Luftauslassklappe 18 durch eine beliebige Einrichtung ersetzt
werden können, die den Durchfluss durch den Lufteinlass
bzw. den Luftauslass verändern kann.
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Befindet
sich das Luftfahrzeug am Boden, saugt die Ventilationseinrichtung 8 Luft
durch den Lufteinlass 4 an. Das Einwegventil 14 im
By-Pass verhindert, dass die von der Ventilationseinrichtung 8 geförderte
Luft wieder in Richtung Ansaugseite der Ventilationseinrichtung 8 strömt.
Die von der Ventilationseinrichtung 8 geförderte
Luft tritt in die Verteilungsleitung 12 ein, wo Komponenten
des Luftfahrzeuges, insbesondere Komponenten der Klimaanlage, gekühlt
werden und/oder deren Einbauraum ventiliert wird. Ferner tritt die
Luft in den Wärmetauscher 10 der Kabinenklimaanlage
ein und verlässt den Stauluftkanal 2 über
den Luftauslass 6.
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Die
Ventilationseinrichtung 8 kann von der ACM unabhängig
sein, so dass die Energie, die zum Antrieb des ACM-Ventilators benutzt
wurde, zur Erhöhung der Leistung der Kabinenklimaanlage
verwendet werden kann oder die Kabinenklimaanlage kann mit Zapfluft
mit einem niedrigeren Eingangsdruck bei einer gleich bleibenden
Kühlleistung betrieben werden. Die Ventilationseinrichtung
wird üblicherweise nur betrieben, falls sich das Luftfahrzeug am
Boden befindet. Sie kann aber je nach Bedarf auch im Flug eingeschaltet
werden. Die Ventilationseinrichtung 8 muss so ausgelegt
sein, dass sie auch während des gesamten Fluges betrieben
werden kann. Die Ventilationseinrichtung kann ein Gebläse
sein, das elektrisch oder von Druckluft, beispielsweise von Zapfluft,
betrieben wird. Im Flug strömt die Luft vom Lufteinlass 4 durch
das Einwegventil 14 in Richtung Verteilungsleitung 12 und
Wärmetauscher 10. Die Luft kann aber auch vom
Lufteinlass 4 durch die Ventilationseinrichtung 8 strömen.
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Wie
zuvor erwähnt wurde, können sich in dem Einbauraum
der zumindest einen wärmebelasteten Komponente aufgrund
von Leckagen Treibstoff und/oder Treibstoffdämpfe sammeln
oder bilden. Der Treibstoff und/oder der Treibstoffdampf kann vom Tank
in den Einbauraum gelangen. Daher muss der Einbauraum der wärmebelasteten
Komponente ventiliert, d. h. belüftet, werden, bevor das
System mit der wärmebelasteten Komponente eingeschaltet wird.
Die Ventilierung des Einbauraumes soll verhindern, dass sich ein
zündfähiges Gemisch im Einbauraum bilden kann.
Die Kabinenklimaanlage kann ferner nur dann weiter betrieben werden,
wenn gewähr leistet ist, dass sich in dem Einbauraum kein
zündfähiges Gemisch bilden kann. Somit ist bei
einer ausgefallenen oder einer zu schwachen Ventilierung des Einbauraums
die Klimaanlage abzuschalten, da sich im Einbauraum entzündbare
Dämpfe bilden können.
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Wie
zuvor erwähnt wurde, ist im Stand der Technik eine Klimaanlagenabschalteinrichtung
erforderlich, die den Luftstrom durch den Stauluftkanal überwacht.
Diese Klimaanlagenabschalteinrichtung ist bei der Erfindung nicht
erforderlich, sobald die Kabinenklimaanlage eingeschaltet ist. Fällt
der Luftstrom durch den Stauluftkanal aus, ist kein Luftstrom vorhanden,
der den Wärmetauscher kühlen kann. Folglich wird
die durch den Wärmetauscher zu kühlende Triebwerkszapfluft
nicht gekühlt. Somit behält die Triebwerkszapfluft
ihre hohe Temperatur, die von einem Sensor der Kabinenklimaanlage
erfasst wird. Da Luft mit einer hohen Temperatur nicht in die Kabine
strömen darf, muss die Kabinenklimaanlage abgeschaltet
werden. Dies wird von der Steuerung der Kabinenklimaanlage durchgeführt.
Somit ist, sobald die Kabinenklimaanlage eingeschaltet ist, keine
zusätzliche Klimaanlagenabschalteinrichtung erforderlich,
die die Funktion der Ventilationseinrichtung bzw. den Luftstrom
im Stauluftkanal überwacht und sicherstellt, dass sich
kein zündfähiges Gemisch im Einbauraum der zumindest
einen wärmebelasteten Komponente bildet. Dadurch wird die
Sicherheit und die Zuverlässigkeit des Luftfahrzeuges erhöht.
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Im
Flug kann dieser Fehlerfall nicht eintreten, da die Lufteinlassklappe
(nicht gezeigt) ein passives Mittel, beispielsweise einen Anschlag,
aufweist, wodurch sichergestellt wird, dass die Lufteinlassklappe nicht
vollständig geschlossen werden kann. Dadurch wird sichergestellt,
dass der Einbauraum der zumindest einen Komponente der Kabinenklimaanlage und/oder
die Komponenten der Kabinenklimaanlage durch die Verteilungsleitung 12 ausreichend
mit Kühlluft versorgt werden.
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Eine
Kabinenklimaanlage, die die Lehren der Erfindung verwendet, umfasst
das beschriebene erfindungsgemäße Kühlsystem,
eine Temperaturerfassungseinrichtung (nicht gezeigt), die die Temperatur der
aus dem Wärmetauscher 10 strömenden Luft
erfasst, die in die Kabine geleitet wird und die von der Stauluft
zu kühlen ist, und eine Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt),
die die Funktionsweise der Kabinenklimaanlage steuert. Die Steuerungseinrichtung ist
derart ausgebildet, dass die Kabinenklimaanlage abgeschaltet wird,
falls die aus dem Wärmetauscher austretende Luft, die in
die Kabine geleitet wird und die von der Stauluft zu kühlen
ist, einen Schwellenwert überschreitet. Die im Wärmetauscher
von der Stauluft zu kühlende Luft kann Triebwerkszapfluft sein.
Bei dieser Kabinenklimaanlage ist, wie zuvor erwähnt, keine
zusätzliche Klimaanlagenabschalteinrichtung erforderlich,
die die Funktionsweise der Ventilationseinrichtung überwacht
und/oder das Vorhandensein eines Luftstromes in dem Stauluftkanal überwacht,
sobald die Klimaanlage eingeschaltet ist. Bei dieser Kabinenklimaanlage
wird das Vorhandensein eines Luftstromes im Stauluftkanal und somit
auch die Funktion der Ventilationseinrichtung indirekt überwacht,
nämlich über die Temperatur der aus dem Wärmetauscher 10 ausströmenden
Luft, die von der Stauluft zu kühlen ist.
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Die
Temperatur der aus dem Wärmetauscher 10 austretenden
Luft, die in die Kabine geleitet wird und von der Stauluft zu kühlen
ist, kann von der Temperaturerfassungseinrichtung am Auslass des Wärmetauschers
und/oder an einem beliebigen Ort in der Klimaanlage erfasst werden.
Wie zuvor erwähnt wurde, kann die aus dem Wärmetauscher
austretenden Luft, die in die Kabine geleitet wird und von der Stauluft
zu kühlen ist, mit einem anderen Luftstrom gemischt werden
und/oder weiter konditioniert werden, bevor deren Temperatur erfasst
wird. Beispielsweise kann die Temperatur der Luft am Mischer und/oder
am Einlass in die Kabine erfasst werden.
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Wie
zuvor erwähnt wurde, muss vor dem Einschalten der Klimaanlage
der Einbauraum ventiliert werden. Diese Ventilation ist erforderlich,
da sich auch bei abgeschalteter Kabinenklimaanlage Treibstoff und/oder
Treibstoffdämpfe im Einbauraum der zumindest einen wärmebelasteten
Komponente sammeln bzw. bilden können. Dazu kann beispielsweise überwacht
werden, ob sich die Ist-Drehzahl des Gebläses 8 vor
dem Einschalten der Kabinenklimaanlage über einen ausreichend
langen Zeitraum innerhalb eines Sollbereichs befindet. Diese Überwachung
kann abschaltet werden, sobald die Klimaanlage eingeschaltet ist.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform weist der
By-Pass 16 einen kleineren Querschnitt als der Stauluftkanal 2 auf,
was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 2 ist das
Einwegventil 14 im Stauluftkanal 2 angeordnet und
die Ventilationseinrichtung 8 im By-Pass 16 angeordnet.
Ansonsten entspricht die Funktionsweise der Ausführungsform
gemäß 2 derjenigen der Ausführungsform
gemäß 1. Der By-Pass 16 kann
einen kleineren Querschnitt als der Stauluftkanal 2 aufweisen.
Es ist aber auch möglich, dass der By-Pass 16 den
gleichen Querschnitt oder einen größeren Querschnitt
als der Stauluftkanal 2 aufweist. Der By-Pass 16 und
der von diesem überbrückte Bereich des Stauluftkanals
können auch als parallele Zweige des Stauluftkanals 2 angesehen
werden.
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Es
ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass das Kühlsystem
einen By-Pass aufweist. 3 zeigt eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der kein By-Pass und kein Einwegventil vorhanden
ist. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform den Ausführungsformen
gemäß 1 und 2. Bei dieser
Ausführungsform muss sichergestellt werden, dass die im
Flug durch den Stauluftkanal 2 strömende Luft
die Ventilationseinrichtung 8 nicht beschädigt. Ferner
darf die Ventilationseinrichtung für die durch den Stauluftkanal 2 strömende
Luft keinen wesentlichen Widerstand darstellen.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die
Ventilationseinrichtung 8 stromaufwärts der Verteilungsleitung 12 und
des Wärmetauschers 10 angeordnet. Folglich erzeugt
die Ventilationseinrichtung 8 einen Überdruck,
der sicherstellt, dass der Einbauraum der Komponenten ventiliert
wird und die Komponenten des Luftfahrzeuges, insbesondere der Kabinenklimaanlage,
durch die Verteilungsleitung 12 mit Kühlluft versorgt
werden. Ferner bewirkt der Überdruck, dass der Wärmetauscher 10 von
Kühlluft durchströmt wird, die die Ventilationseinrichtung 8 ausschließlich
aus dem Lufteinlass 4 ansaugt. Die Steuerung und die Überwachung
der Ventilationseinrichtung 8 entspricht im Wesentlichen
derjenigen der Ausführungsform von 1.
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4 zeigt
ein nicht erfindungsgemäßes Kühlsystem
bei der die Ventilationseinrichtung 8 stromabwärts
der Verteilungsleitung 12 und des Wärmetauschers 10 angeordnet
ist. Die Ventilationseinrichtung 8 kann in der Nähe
des Luftauslasses 6 angeordnet sein. In diesem Fall saugt
die Ventilationseinrichtung 8 einen ersten Teil der Luft
aus der Verteilungsleitung 12 und einen zweiten Teil der
Luft über den Lufteinlass 4 an. Da der erste Teil
der Luft durch die gekühlten Komponenten erwärmt
wird, sollte der erste Teil kleiner als der zweite Teil sein, damit die
angesaugte Luft beim Eintritt in den Wärmetauscher 10 keine
zu hohe Temperatur aufweist. Auch bei dieser Ausführungsform
muss sichergestellt werden, dass die im Flug durch den Stauluftkanal 2 strömende
Luft die Ventilationseinrichtung 8 nicht beschädigt.
Es versteht sich, dass die Ventilationseinrichtung 8 für
die durch den Stauluftkanal 2 strömende Luft keinen
wesentlichen Widerstand darstellen darf. Die Steuerung und die Überwachung
der Ventilationseinrichtung 8 entspricht auch im Wesentlichen derjenigen
der Ausführungsform von 1.
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5 zeigt
eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Gebläse 8 in
einem Gebläsekanal 22 angeordnet ist. Der Gebläsekanal 22 weist
einen kleineren Querschnitt als der Stauluftkanal 2 auf
und ist in dem Stauluftkanal angeordnet. Der Ge bläsekanal 22 weist
eine Austrittsfläche A1 auf. Der verbleibende Teil des
Stauluftkanals 2 weist am Austritt des Gebläsekanals 22 eine
Fläche A2 auf. Während des Fluges strömt
die Luft durch den Stauluftkanal 2 durch einen By-Pass-Bereich 20 an
dem Gebläse 8 vorbei, wobei der By-Pass-Bereich 20 um
den Gebläsekanal 22 ausgebildet ist.
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Das
Gebläse 8 erzeugt einen Überdruck, der den
Wärmetauscher 10 mit Kühlluft und die
Verteilungsleitung 12 mit Luft zum Ventilieren des Einbauraumes
und/oder zum Kühlen der zumindest einen Komponente versorgt.
Es muss verhindert werden, dass die vom Gebläse 8 geförderte
Luft durch den By-Pass-Bereich 20 zum Ansaugbereich des
Gebläses 8 strömt. Dies wird dadurch
erreicht, dass die Fläche A2 des By-Pass-Bereichs 20 ein
solches Verhältnis zur Fläche A1 des Gebläsekanals 22 aufweist, dass,
falls das Gebläse 8 Luft fördert, der
statische Druck am Gebläsekanalaustritt kleiner oder gleich dem
statischen Druck am Ende des By-Pass-Bereichs 20 ist. In
diesem Fall befindet sich die gesamte Strömungsenergie,
die durch das Gebläse erzeugt wird, im dynamischen Anteil
der Strömung durch die Luftaustrittsfläche A1
des Gebläsekanals 22.
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Es
ist auch möglich, in dem By-Pass-Bereich ein Einwegventil
vorzusehen.
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In 5 sind
das Gebläse 8, der Gebläsekanal 22 und
der By-Pass-Bereich 20 stromaufwärts der Verteilungsleitung 12 und
des Wärmetauschers 10 angeordnet. Das Gebläse 8,
der Gebläsekanal 22 und der By-Pass-Bereich 20 können
auch stromabwärts der Verteilungsleitung 12 oder
des Wärmetauschers 10 angeordnet sein. Die Steuerung
und die Überwachung des Gebläses 8 entspricht
im Wesentlichen derjenigen der Ausführungsform von 1.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die
Ventilationseinrichtung als Luftinjektionseinrichtung 24 ausgebildet
ist. Die Luftinjektionseinrichtung 24 injiziert Druckluft,
beispielsweise Zapfluft, in den Stauluftkanal 2. Dadurch
kann in dem Stauluftkanal 2 eine Luftströmung
erzeugt werden, die bewirkt, dass Luft vom Lufteinlass 4 angesaugt
wird, die in die Verteilungsleitung 12 eintritt und den
Wärmetauscher 10 durchströmt. Im Flug strömt
die Luft an der Luftinjektionseinrichtung 24 vorbei. Es
ist auch möglich, dass die Luftinjektionseinrichtung 24 während
des Fluges Luft in den Stauluftkanal 2 injiziert. Die Zapfluft
kann gekühlt werden, bevor sie in den Stauluftkanal 2 injizert
wird. Ansonsten entspricht die Funktionsweise und die Überwachung
dieser Ausführungsform im Wesentlichen derjenigen der Ausführungsform
gemäß 3.
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In 6 ist
die Luftinjektionseinrichtung 24 stromaufwärts
der Verteilungsleitung 12 und des Wärmetauschers 10 angeordnet.
Die Luftinjektionseinrichtung 24 kann auch stromabwärts
der Verteilungsleitung 12 oder des Wärmetauschers 10 angeordnet
sein.
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Es
ist ein Vorteil der Erfindung, dass kein zusätzlicher Stauluftkanal
erforderlich ist, um eine wärmebelastete Komponente des
Luftfahrzeuges, insbesondere der Kabinenklimaanlage, zu kühlen und/oder
deren Einbauraum zu ventilieren. Dadurch wird Raum und Masse eingespart.
Zusätzlich vereinfacht sich die Installation des Kühlsystems.
Ferner ist am Boden keine zusätzliche Ventilationseinrichtung erforderlich,
um die zuvor erwähnte wärmebelastete Komponente
des Luftfahrzeuges bzw. der Kabinenklimaanlage zu kühlen
und/oder deren Einbauraum zu ventilieren. Dadurch wird zusätzlich
Platz und Masse eingespart und ferner wird die Verfügbarkeit erhöht.
Ferner reduziert sich der Luftwiderstand des Luftfahrzeuges, da
weniger Stauluftkanäle erforderlich sind. Ferner wurde,
wie zuvor erwähnt wurde, die Überwachung des Luftstromes
im Stauluftkanal vereinfacht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10361657
A1 [0011]
- - EP 1695910 A2 [0012]
- - DE 10119433 C1 [0013]
- - DE 102004039667 A1 [0014]