DE102012024345B4

DE102012024345B4 - Luftfiltervorrichtung, Kabinenbelüftungsvorrichtung und Luftfahrzeug mit einer solchen Luftfiltervorrichtung, sowie ein Verfahren zum Reduzieren von Schadstoffen in einer Zapfluft eines Luftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102012024345B4
Application number: DE102012024345.6A
Authority: DE
Inventors: Helmut Oberpriller; Christian Wolff
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: WO2013087063A2; DE102012024345A1; WO2013087063A3

Abstract

Luftfiltervorrichtung zum Reduzieren von gasförmigen Schadstoffen in einer Zapfluft aus einem Luftfahrzeugtriebwerk (106), miteinem Leitungsbereich (32) zum Hindurchleiten der Zapfluft,einem benachbart zu dem Leitungsbereich (32) angeordneten Schadstoffaufnahmebereich (34) zur Aufnahme von Schadstoffen aus der Zapfluft, wobei die Schadstoffe gasförmige, anorganische bzw. organische Verunreinigungen aus Triebwerksschmierölen sind,einer Trenneinrichtung (14), die den Schadstoffaufnahmebereich (34) von dem Leitungsbereich (32) trennt, wobei der Leitungsbereich (32) derart ausgebildet ist, dass die Zapfluft an der Trenneinrichtung (14) vorbeiströmt, und wobei die Trenneinrichtung (14) eine Diffusionseinrichtung (24) zum Hindurchdiffundieren von Schadstoffen durch die Trenneinrichtung (14) aufweist,einer Schadstoffverringerungseinrichtung (16) zum Reduzieren der Schadstoffkonzentration in dem Schadstoffaufnahmebereich (34);wobei die Zapfluft als schadstoffhaltige Luft (38) in einem Einlassbereich (30) in den Leitungsbereich (32) einströmt,wobei die Zapfluft durch den Leitungsbereich (32) an der Diffusionseinrichtung (24), mit dieser in Kontakt, vorbeiströmt, undwobei die Zapfluft als schadstoffarme Luft (40) über einen Auslassbereich (36) in eine Kabine (108) für Passagiere einströmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftfiltervorrichtung zum Reduzieren von gasförmigen Schadstoffen in einer Zapfluft aus einem Luftfahrzeugstriebwerk. Ferner betrifft die Erfindung eine Kabinenbelüftungsvorrichtung und ein Luftfahrzeug, die eine solche Luftfiltervorrichtung aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, das die Prinzipien der Luftfiltervorrichtung verwendet.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Luftfahrt, insbesondere der zivilen Luftfahrt, und befasst sich im Speziellen mit der Reinigung der Luft von Schadstoffen, die einer Kabine eines Luftfahrzeugs zur Belüftung zugeführt wird.
Bei Flügen in Reiseflughöhen, wie sie in der zivilen Luftfahrt üblich sind, kann zur Belüftung der Kabine die Außenluft nicht direkt in die Kabine geleitet werden, da die Außenluft sehr kalt (ca. - 50°C) ist und nur sehr geringe Drücke (ca. 0,2 bar) aufweist. Daher haben Flugzeuge meist eine Belüftungsanlage, die die Kabine mit Luft mit Raumtemperatur und mit Drücken auf Meeresniveau versorgt. Dazu wird Luft aus dem Mantelstrom eines Triebwerks abgezapft und diese sogenannte Zapfluft der Kabine zugeführt. Die Zapfluft kann jedoch gasförmige, anorganische bzw. organische Verunreinigungen enthalten. Die Verunreinigungen resultieren beispielsweise aus der Kontamination der angesaugten Luft oder durch Triebwerksschmieröle, die aufgrund von Triebwerksundichtigkeiten in die Zapfluft gelangen können. Die abgezapfte Luft aus dem Triebwerk hat eine Temperatur zwischen 400 und 500°C und kann von einem Precooler, der sich z.B. im Pylon, die Befestigung des Triebwerks, befindet, auf ca. 200°C abgekühlt werden. Die Zapfluft wird auch Bleed Air genannt. Die Bleed Air wird dann über den Flügel in den Rumpf des Flugzeugs geleitet und hat nun einen Druck von ca. 2 bar, ehe sie von Schadstoffen befreit wird und mit Hilfe eines Druckreglers auf Atmosphärendruck gebracht wird.
Die hohen Temperaturen der Zapfluft können zum Abbau vor allem der organischen Luftverunreinigungen führen. Dadurch können geruchsaktive sowie gesundheitsgefährliche Stoffe in die Kabine gelangen. Wiederkehrende Berichte über die gesundheitlichen Folgen dieser Schadstoffe zeugen von der akuten Problematik der Schadstoffe in der Kabinenluft.
Es gibt Versuche, die abgezapfte Luft durch Wasser bzw. Brennstoffzellen zu reinigen, die allerdings nicht die gewünschte Effektivität aufweisen. Eine chemische Reinigung der Luft wäre aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit schwierig. Zudem sind derzeit keine effektiven Luftaufbereitungsverfahren bekannt, die in dem Temperaturbereich von 200°C effektiv arbeiten.
Beispielsweise beschreibt die Druckschrift GB 2 397 821 A eine Anreicherung von Sauerstoff in Luft einerseits und Stickstoff in Luft andererseits für einen Innenraum eines Flugzeugs. Die Druckschrift US 2003 / 0 154 856 A1 beschreibt ein Modul mit einer selektiv gasdurchlässigen Membran zum Trennen von Komponenten eines Gasgemisches mit gasförmigen Verunreinigungen, die die Trennleistung der Membran beeinträchtigen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die eine effektive Reinigung der Luft von gasförmigen Schadstoffen erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch die Luftfiltervorrichtung nach Anspruch 1 und durch das Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Eine Kabinenbelüftungsvorrichtung und ein Luftfahrzeug mit einer solchen Luftfiltervorrichtung sind Gegenstand der weiteren Nebenansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit der Erfindung wird eine Luftfiltervorrichtung zum Reduzieren von gasförmigen Schadstoffen in einer Zapfluft aus einem Luftfahrzeugtriebwerk geschaffen, die einen Leitungsbereich zum Hindurchleiten der Zapfluft, einen Schadstoffaufnahmebereich zur Aufnahme von Schadstoffen aus der Zapfluft, eine Trenneinrichtung und eine Schadstoffverringerungseinrichtung zum Reduzieren der Schadstoffkonstellation in dem Schadstoffaufnahmebereich aufweist. Die Schadstoffe sind gasförmige, anorganische bzw. organische Verunreinigungen aus Triebwerksschmierölen. Der Schadstoffaufnahmebereich ist dabei benachbart zu dem Leitungsbereich angeordnet. Die Trenneinrichtung trennt den Schadstoffaufnahmebereich von dem Trennbereich, wobei der Leitungsbereich derart ausgebildet ist, dass die Zapfluft an der Trenneinrichtung vorbeiströmt, und wobei die Trenneinrichtung eine Diffusionseinrichtung zum Hindurchdiffundieren von Schadstoffen durch die Trenneinrichtung aufweist.
Gemäß der Erfindung wird im Betrieb der Luftfiltervorrichtung die Zapfluft durch einen Leitungsbereich an der Diffusionseinrichtung, mit dieser in Kontakt, vorbeigeleitet. Die Schadstoffkonzentration in dem Leitungsbereich ist höher als in dem Schadstoffaufnahmebereich, da die Schadstoffverringerungseinrichtung die Schadstoffkonzentration in dem Schadstoffaufnahmebereich reduziert. Dadurch entsteht ein Schadstoffkonzentrationsgefälle zwischen dem Leitungsbereich und dem Schadstoffaufnahmebereich, wodurch die Schadstoffe durch die Diffusionseinrichtung in den Schadstoffaufnahmebereich hindurchdiffundieren. Im Schadstoffaufnahmebereich wird die Schadstoffkonzentration durch die Schadstoffverringerungseinrichtung, wie erwähnt, reduziert. Eine Sättigung der Schadstoffkonzentration in dem Schadstoffaufnahmebereich kann somit nicht entstehen, wodurch der Filter vorzugsweise zeitlich unbegrenzt funktionsfähig ist. Erfindungsgemäß strömt die Zapfluft als schadstoffhaltige Luft in einem Einlassbereich in den Leitungsbereich ein, wobei die Zapfluft durch den Leitungsbereich an der Diffusionseinrichtung, mit dieser in Kontakt, vorbeiströmt, und wobei die Zapfluft als schadstoffarme Luft über einen Auslassbereich in eine Kabine für Passagiere einströmt.
Die Luftfiltervorrichtung in ihrer bevorzugten Ausführungsform reinigt die Zapfluft, auch über einen längeren Zeitraum, effektiv von unterschiedlichen gasförmigen Schadstoffen. Die Schadstoffe in der Kabinenluft sind somit wesentlich verringert, so dass die Gesundheitsverträglichkeit der Kabinenluft aufgrund von Schadstoffen sowie der Komfort für die Passagiere aufgrund fehlender störender Geruchsstoffe in Vergleich zu herkömmlichen Filtern erhöht ist.
Ein weiterer bevorzugter Vorteil der Luftfiltervorrichtung ist, dass geringe Wartungskosten für die Luftfiltervorrichtung anfallen, da ein passives Wirkprinzip zur Reduktion von Schadstoffen in der Zapfluft verwendet wird. Das heißt, bevorzugt werden keine bewegten Teile und keine Verbrauchsmaterialien in der Luftfiltervorrichtung verwendet, die in Wartungsarbeiten gereinigt bzw. ersetzt werden müssten. Daher weist die Luftfiltervorrichtung vorteilhafterweise eine quasi unbegrenzte Lebensdauer auf. Zusätzlich fallen für einen bevorzugten Gebrauch der Luftfiltervorrichtung wenig zusätzliche Betriebskosten an, da vorzugsweise nur wenig Verschleißteile vorhanden sind, die routinemäßig ersetzt werden müssten.
Vorzugsweise ist die Luftfiltervorrichtung ein passives System, d.h. es werden keine Komponenten benötigt, die mit Energie versorgt werden müssten. Die bevorzugte Luftfiltervorrichtung ist somit besonders energiesparend, womit der Gesamtenergieverbrauch des Luftfahrzeugs und damit dessen Treibstoffverbrauch gesenkt werden kann.
Es ist bevorzugt, dass die Schadstoffverringerungseinrichtung eine Schadstoffabführeinrichtung zum Abführen von Schadstoffen zwecks Verringerung der Schadstoffkonzentration in dem Schadstoffaufnahmebereich aufweist.
Durch Abführen der Schadstoffe aus dem Schadstoffaufnahmebereich lässt sich einfach und zuverlässig die Schadstoffkonzentration in dem Schadstoffbereich unter der Schadstoffkonzentration in dem Leitungsbereich halten.
Dazu weist die Schadstoffabführeinrichtung der Luftfiltervorrichtung vorzugsweise wenigstens einen Durchgang auf, der mit der Außenluft verbunden ist, die frei von gasförmigen Schadstoffen ist.
Unter Außenluft soll die Luft um das Luftfahrzeug verstanden werden, die nicht mit dem Triebwerk in Berührung kommt, zum Beispiel Luft, die am Rumpf des Luftfahrzeugs vorbeiströmt.
Durch einen Durchgang, der mit der Außenluft verbunden ist, wird vorzugsweise eine einfache sowie zuverlässige Vorrichtung geschaffen, die die Schadstoffkonzentration in dem Schadstoffaufnahmebereiche reduziert. Dazu sollte lediglich der Durchgang in einem Bereich des Flugzeugs mit der Außenluft verbunden sein, der keine Schadstoffe, die in der Nähe des Triebwerks entstehen, aufweist. Die Schadstoffe in dem Schadstoffaufnahmebereich werden dann vorzugsweise durch Diffusion der Schadstoffe in die Außenluft oder durch Konvektion der Luft in dem Schadstoffaufnahmebereich abgeführt. Dies hätte den Vorteil, dass keine zusätzlichen Einrichtungen, wie beispielsweise ein Gebläse zum Betrieb der Luftfiltervorrichtung, nötig wäre. Dadurch würde der Energieverbrauch der Luftfiltervorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Luftfiltervorrichtungen sowie deren Betriebskosten gesenkt.
Weiter vorzugsweise weist der Durchgang der Schadstoffabführeinrichtung eine Verschlusseinrichtung zum gasdichten Verschließen des Durchgangs auf.
Die Verschlusseinrichtung dient in einer bevorzugten Ausführungsform zum Verschließen des Durchgangs im Falle eines Fehlers in der Luftfiltervorrichtung, wie beispielsweise Undichtigkeiten in der Diffusionseinrichtung, d.h. eine direkte Verbindung des Leitungsbereichs mit dem Schadstoffaufnahmebereich. Das gasdichte Verschließen der Verschlusseinrichtung würde somit verhindern, dass Luft aus dem Leitungsbereich in den Schadstoffaufnahmebereich strömen könnte, wodurch potentiell der Druck in der Kabine abfallen könnte. Die Verschlusseinrichtung wäre somit ein Mittel, mit dem im Schadensfall der Luftfiltervorrichtung Auswirkungen auf die Kabine verhindert werden könnten.
Es ist bevorzugt, dass die Diffusionseinrichtung wenigstens ein Röhrchen mit einer Wandung aufweist, durch die die Schadstoffe diffundieren und vorzugsweise eine Vielzahl von Röhrchen aufweist.
Die Röhrchen können je nach Material, aus dem sie hergestellt sind, flexibel oder starr sein. Die flexible Ausgestaltung der Röhrchen, beispielsweise als Schlauch, wäre besonders robust gegen Vibrationen und könnte einfach an die Form der Luftfiltervorrichtung angepasst werden. Eine gute Anpassung an Luftfiltervorrichtung an die Einbausituation im Luftfahrzeug wäre damit besonders einfach möglich. Eine starre Ausgestaltung böte hiergegenüber den Vorteil, dass die Röhrchen einfacher montiert werden könnten, ohne dass die Gefahr eines gegenseitigen Verwickelns der Röhrchen bestünde. Dies würde die dem Aufnahmebereich zugängliche Oberfläche verringern, die zur Diffusion genutzt werden könnte.
Durch eine bevorzugte Ausgestaltung der Diffusionseinrichtung als Röhrchen und vor allem als einer Vielzahl von Röhrchen wird die Fläche, durch die die Schadstoffe hindurchdiffundieren können, erhöht, wodurch die Effektivität der Luftfiltervorrichtung gesteigert werden kann. Zudem sind Röhrchen technisch einfach herzustellen, so dass die Herstellungskosten der Luftfiltervorrichtung gering gehalten werden könnten.
Vorzugsweise hat das Röhrchen einen Innendurchmesser zwischen 0,1 mm und 10 mm.
Ein geringer Innendurchmesser der Röhrchen ermöglicht es, sehr viele Röhrchen in eine Luftfiltervorrichtung einer begrenzten Größe einzubauen, wodurch sich die Fläche der Diffusionseinrichtung erhöhen ließe, wodurch wiederum die Effektivität der Luftfiltervorrichtung gesteigert werden könnte.
Weiter vorzugsweise weist die Diffusionseinrichtung eine Wandung aus einem porösen Material auf, wobei vorzugsweise Poren der Wandung der Diffusionseinrichtung einen mittleren Durchmesser aufweisen, so dass die Poren für die gasförmigen Schadstoffe zugänglich sind.
Wenn die Diffusionseinrichtung eine Wandung aus einem porösen Material hat, wird ermöglicht, dass die Schadstoffe durch die Wandung hindurchdiffundieren können. Die Größe der Poren des porösen Materials wird dabei vorzugsweise auf die zu erwartenden Schadstoffe in der Zapfluft abgestimmt. Sind die Poren zu klein, können die Schadstoffe nicht mehr durch die Diffusionseinrichtung hindurchdiffundieren. Ist dagegen der mittlere Durchmesser der Poren zu groß, diffundieren zwar sehr viele Schadstoffe durch die Diffusionseinrichtung, aber auch große Anteile der Zapfluft, wie beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff, die in der Kabine zur Belüftung benötigt werden. Dadurch wird die Effizienz der Luftfiltervorrichtung gesenkt, d.h. weniger gereinigte Luft erreicht die Kabine des Luftfahrzeugs.
Zudem weist das poröse Material der Diffusionseinrichtung vorzugsweise eine hohe Absorptionsrate, d.h. eine hohe Kapillarität gegenüber den Schadstoffen auf. Dies bedeutet, dass die Wechselwirkung zwischen dem porösen Material und den Schadstoffen weder zu gering noch zu hoch ist. Wäre die Wechselwirkung zu gering, würde die Absorptionsrate gesenkt, d.h. wenig Schadstoffe diffundieren in das poröse Material der Diffusionseinrichtung hineien, so dass die Effizienz der Luftfiltervorrichtung gesenkt würde. Wäre die Wechselwirkung zwischen dem porösen Material der Diffusionseinrichtung und den Schadstoffen jedoch zu groß, d.h. es träte eine starke Bindung zwischen den Schadstoffen und dem porösen Material auf, würde die Diffusion (Permeation) der Schadstoffe in der Diffusionseinrichtung aufgrund der längeren Bindungsdauer zwischen Schadstoff und porösem Material verlangsamt. Dies hätte zur Folge, dass sich die Schadstoffe in dem porösen Material der Diffusionseinrichtung „stauen“, so dass weniger Schadstoffe durch das poröse Material hindurchdiffundieren. Dies würde wiederum die Effizienz der Luftfiltervorrichtung senken.
Es ist bevorzugt, dass die Diffusionseinrichtung aus Silikon, einer Keramik, einem Polymer und/oder aus einem porösen Metall gefertigt ist.
Die genannten Materialien weisen die oben beschriebenen Eigenschaften hinsichtlich dem strukturellen Aufbau des porösen Materials der Diffusionseinrichtung auf.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Luftfiltervorrichtung weiter einen Einlassbereich und einen Auslassbereich aufweist, wobei die Zapfluft von dem Einlassbereich durch den Leitungsbereich in den Auslassbereich strömt.
Vorzugsweise weist die Trenneinrichtung weiter ein erstes Haltemittel und ein zweites Haltemittel auf, die die Diffusionseinrichtung stützen, wobei vorzugsweise das erste Haltemittel den Einlassbereich von dem Schadstoffaufnahmebereich abteilt, und das zweite Haltemittel den Auslassbereich von dem Schadstoffaufnahmebereich abteilt.
Durch diesen bevorzugten einfachen Aufbau der Luftfiltervorrichtung wird ein effektiver Betrieb der Luftfiltervorrichtung bereitgestellt.
Weiter vorzugsweise sind das erste und das zweite Haltemittel aus einem Material gefertigt, das Druck, Temperaturgefälle und Vibrationen widerstehen kann und vorzugsweise aus Epoxidharz oder Metall gefertigt ist.
Die genannten Eigenschaften des ersten und zweiten Haltemittels sind bevorzugt, damit die Luftfiltervorrichtung dem Temperatur- und Druckgefälle zwischen dem Einlassbereich dem Leitungsbereich und dem Auslassbereich auf der einen Seite und dem Schadstoffaufnahmebereich auf der anderen Seite Stand halten kann. Die in der Luftfiltervorrichtung auftretenden Vibrationen, die beispielsweise von dem Triebwerk des Luftfahrzeugs verursacht werden, sollten vorteilhafterweise von dem ersten und zweiten Haltemittel toleriert werden können.
Es ist bevorzugt, dass die Luftfiltervorrichtung in einem Temperaturbereich von 50°C bis 600°C und in einem bevorzugten Temperaturebereich von 150°C bis 250°C funktionsfähig ist.
In der bevorzugten Ausführungsform der Luftfiltervorrichtung liegt der Arbeitsbereich der Luftfiltervorrichtung zwischen 50°C und 600°C. Dies bedeutet, dass die Luftfiltervorrichtung vorzugsweise so aufgebaut ist, dass sie in diesem Temperaturbereich funktionsfähig ist. Dies bedeutet allerdings nicht, dass die Luftfiltervorrichtung in Temperaturen unter 50°C oder über 600°C nicht funktionsfähig wäre. Da die Funktionsweise der bevorzugten Luftfiltervorrichtung auf Diffusion beruht, steht der Funktionsfähigkeit der Luftfiltervorrichtung auch unterhalb von 50°C und über 600°C im Prinzip nichts entgegen; allerdings müssten in einem solchen Fall die verwendeten Materialien der Luftfiltervorrichtung den auftretenden Temperaturen, besonders oberhalb von 600°C, Stand halten können.
Die Temperatur, bei der die bevorzugte Luftfiltervorrichtung arbeitet, wird durch die Temperatur der Zapfluft festgelegt.
Vorteil der bevorzugten Luftfiltervorrichtung ist es daher, dass die Luft nicht weiter gekühlt werden muss, um von Schadstoffen gereinigt zu werden. Zudem funktioniert das Hindurchdiffundieren der Schadstoffe durch die Diffusionseinrichtung (Permeation) bei ca. 200°C am besten, so dass die Zapfluft zur Reduktion von Schadstoffen vorzugsweise nicht gekühlt werden muss.
Die Erfindung betrifft weiter eine Kabinenbelüftungsvorrichtung zur Belüftung einer Kabine eines Luftfahrzeugs, die eine Luftfiltervorrichtung, wie oben beschrieben, umfasst.
Eine solche Kabinenbelüftungsvorrichtung ist aufgrund der oben genannten Vorteile der Luftfiltervorrichtung besonders günstig in der Wartung und besonders energiesparsam im Betrieb.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, das eine Kabine, ein Triebwerk und entweder eine Luftfiltervorrichtung oder eine Kabinenbelüftungsvorrichtung, wie sie oben beschrieben werden, umfasst, um eine Schadstoffkonzentration einer Zapfluft, die während des Flugs dem Triebwerk durch Belüftung der Kabine entnehmbar ist, zu reduzieren.
Die Zapfluft wird bevorzugt aus einem Mantelstrom des Triebwerks entnommen. Der Mantelstrom wird bei einem Triebwerk an der „eigentlichen“ Gasturbine, das heißt an dem Verdichter, der Brennkammer und der Turbine, vorbeigeleitet und nach der Gasturbine dem Luftstrom, der durch die Gastrubine strömt, wieder zugeführt.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren von gasförmigen Schadstoffen in einer Zapfluft aus einem Luftfahrzeugtriebwerk, das folgende Schritte umfasst: Einströmen der Zapfluft als schadstoffhaltige Luft in einen Leitungsbereich, wobei die Schadstoffe gasförmige, anorganische bzw. organische Verunreinigungen aus Triebwerksschmierölen sind, Vorbeileiten der Zapfluft in einem Leitungsbereich an einer Trenneinrichtung mit einer Diffusionseinrichtung aus porösem Material, Verringern der Konzentration der gasförmigen Schadstoffe in einem Schadstoffaufnahmebereich, der benachbart zu dem Leitungsbereich angeordnet ist und der durch die Trenneinrichtung von dem Leitungsbereich getrennt ist mittels einer Schadstoffverringerungseinrichtung, Hindurchdiffundieren der Schadstoffe durch Diffusionseinrichtung von dem Leitungsbereich in den Schadstoffaufnahmebereich, und Einströmen der Zapfluft als schadstoffarme Luft über einen Auslassbereich in eine Kabine für Passagiere.
Das Verfahren nutzt die Prinzipien der oben beschriebenen Luftfiltervorrichtung, wodurch das Verfahren die oben beschriebenen Vorteile der Luftfiltervorrichtung aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt einer Luftfiltervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 einen Querschnitt durch zwei Röhrchen der Luftfiltervorrichtung aus 1 und
3 einen Querschnitt durch ein Luftfahrzeug mit der Luftfiltervorrichtung aus 1.

In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Luftfiltervorrichtung 10 zum Reduzieren von Schadstoffen in einer Zapfluft aus einem Triebwerk dargestellt. Die Luftfiltervorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 und eine Trenneinrichtung 14 auf. Das Gehäuse 12 weist eine Schadstoffverringerungseinrichtung 16, z.B. in Form einer Schadstoffabführeinrichtung 18 auf. Die Schadstoffabführeinrichtung 18 ist in der gezeigten Ausführungsform der Luftfiltervorrichtung 10 ein Durchgang 20 zur Außenluft. Der Durchgang 20 kann einstückig mit dem Gehäuse 12 ausgebildet sein oder durch Befestigungsmittel, wie beispielsweise Nieten, um ein Loch im Gehäuse 12 befestigt sein.
Der Durchgang 20 weist eine Verschlusseinrichtung 19 auf, womit der Durchgang 20 gasdicht verschlossen werden kann. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Verschlusseinrichtung 19 eine Klappe 21, die mechanisch oder elektrisch geöffnet oder geschlossen werden kann.
Die Trenneinrichtung 14 umfasst ein erstes Haltemittel 22, eine Diffusionseinrichtung 24 und ein zweites Haltemittel 26. Das erste 22 und das zweite Haltemittel 26 sind vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das Druck-Temperaturgefälle und Vibrationen widerstehen kann. Weiter vorzugsweise sind das erste 22 und das zweite Haltemittel 26 aus Epoxidharz oder Metall gefertigt.
Die Diffusionseinrichtung 24 weist in der in 1 gezeigten Ausführungsform der Luftfiltervorrichtung 10 drei Röhrchen 28 in der gezeigten Schnittebene auf. Außerhalb der gezeigten Schnittebene sind vorzugsweise noch weitere Röhrchen 28 angebracht. Die Röhrchen 28 sind in der in 1 gezeigten Ausführungsform starr und vorzugsweise aus Silikon, einer Keramik, einem Polymer oder aus einem porösen Material gefertigt.
Das Gehäuse 12 und die Trenneinrichtung 14 teilen die Luftfiltervorrichtung 10 in einen Einlassbereich 30, einen Leitungsbereich 32, einen Schadstoffaufnahmebereich 34 und einen Auslassbereich 36. In dem Einlassbereich 30 strömt schadstoffhaltige Luft 38, die Zapfluft, von einem nicht gezeigten Precooler in den Leitungsbereich 32. In dem Leitungsbereich 32 diffundieren die Schadstoffe durch eine Wandung 44 der Röhrchen 28 in den Schadstoffaufnahmebereich 34. Die Luft, die im Leitungsbereich 32 zurückbleibt, weist dann eine geringere Schadstoffkonzentration als die schadstoffhaltige Luft 38 auf und wird nun als schadstoffarme Luft 40 bezeichnet. Die schadstoffarme Luft 40 strömt von dem Leitungsbereich 32 über den Auslassbereich 36 in eine in 1 nicht gezeigte Kabine 108. Der Schadstoffaufnahmebereich 34 weist in 1 vier Schadstoffaufnahmeunterbereiche 42 auf, die zwar durch die Querschnittsansicht von 1 als voneinander getrennt dargestellt sind, aber miteinander in Fluidverbindung stehen. Die in dem Schadstoffaufnahmebereich 34 aufgenommenen Schadstoffe werden vorzugsweise durch Diffusion der Schadstoffe oder durch Konvektion der in dem Schadstoffaufnahmebereich 34 enthaltenen Luft durch den Durchgang 20 an die Außenluft abgeführt.
Das erste Haltemittel 22 stützt die Röhrchen 28 auf der Seite des Einlassbereichs 30, während das zweite Haltemittel 26 die Röhrchen 28 auf der Seite des Auslassbereichs 36 stützt. Zugleich trennt das erste Haltemittel 22 den Einlassbereich 30 von dem Schadstoffaufnahmebereich 34. Das zweite Haltemittel 26 trennt den Schadstoffaufnahmebereich 34 von dem Auslassbereich 36.
Die Röhrchen 28 werden nun anhand von 2, die exemplarisch zwei Röhrchen darstellt, näher erläutert. Die Röhrchen haben eine Wandung 44, die das Innere des Röhrchens, der Leitungsbereich 32, von dem Äußeren des Röhrchens, der Schadstoffaufnahmebereich 34, trennt. Die Wandung 44 ist aus einem porösen Material, vorzugsweise Silikon, einer Keramik, einem Polymer und/oder einem porösen Metall gefertigt. Das Röhrchen 28 hat einen Innendurchmesser DU, der zwischen 0,1 mm und 10 mm liegt. Die Wanddicke DI richtet sich nach dem verwendeten Material und der damit verbundenen Diffusionsgeschwindigkeit der Schadstoffe durch die Wandung 44.
Die Röhrchen 28 sind in der bevorzugten, in 1 dargestellten Ausführungsform benachbart zueinander angeordnet, wobei deren relative Lage je nach Form der Luftfilteranordnung 10 oder der Anzahl der Röhrchen 28 der Luftfiltervorrichtung 10 gewählt werden kann. Es ist zu beachten, dass eine Vielzahl von Röhrchen 28, die sehr eng aneinander angeordnet sind, zwar die Gesamtoberfläche der Diffusionseinrichtung 24 aufgrund der möglichen hohen Anzahl von Röhrchen 28 in der Luftfiltervorrichtung 10 und damit die Effizienz der Luftfiltervorrichtung 10 erhöhen, aber auch die Diffusion bzw. Konvektion in dem Schadstoffaufnahmebereich 34 verlangsamen. Dies würde die Effizienz der Luftfiltervorrichtung 10 beeinflussen, da durch die enge Anordnung der Röhrchen 28 zum einen weniger Volumen zur Aufnahme der Schadstoffe im Schadstoffaufnahmebereich 34 zur Verfügung steht und zum anderen das Abführen der Schadstoffe verlangsamt wird. Die reduzierte Diffusion bzw. Konvektion im Schadstoffaufnahmebereich 34 könnte durch eine aktive Belüftung mit Außenluft durch beispielsweise ein Gebläse behoben werden.
Die Funktionsweise der Luftfiltervorrichtung ist wie folgt. Die schadstoffbelastete Luft 38 wird von dem Einlassbereich 30 durch den Leitungsbereich 32 geleitet. Die Schadstoffkonzentration der Zapfluft 38 ist dabei höher als die Luft in dem Schadstoffaufnahmebereich 34, da die Schadstoffe in dem Schadstoffaufnahmebereich 34 durch den Durchgang 20 abgeführt werden. Es besteht daher ein Konzentrationsgefälle zwischen dem Leitungsbereich 32 und dem Schadstoffaufnahmebereich 34, wodurch die Schadstoffe von dem Leitungsbereich 32 durch das Röhrchen 28 in den Schadstoffaufnahmebereich 34 diffundieren. Die in den Schadstoffaufnahmebereich 34 diffundierten Schadstoffe werden über den Ausgang 20 an die Außenluft abgeführt. Die schadstoffarme Luft 40 strömt in den Auslassbereich 36 und von dort in eine in den 1 und 2 nicht gezeigte Kabine 108.
Ein Luftfahrzeug 100 wird nun mit Bezug auf 3 beschrieben. Das Luftfahrzeug 100 weist einen Rumpf 102, einen Flügel 104 und ein Triebwerk 106 auf. In dem Rumpf 102 befindet sich eine Kabine 108, in der beispielsweise die Passagiere des Luftfahrzeugs Platz finden. Die Kabine 108 wird von einer Kabinenbelüftungsvorrichtung 110 mit Luft versorgt. Die Kabinenbelüftungsvorrichtung befindet sich beispielsweise im Flügel 104 des Luftfahrzeugs 100. Die Kabinenbelüftungsvorrichtung 110 weist eine Temperaturreduktionseinrichtung 111, die Luftfiltervorrichtung 10 und eine Druckeinstelleinrichtung 112 auf.
Das Triebwerk 106 ist über ein Pylon 113 an dem Flügel 104 befestig tund weist einen Mantelstrombereich 114 sowie einen Turbinenbereich 116 auf. Der Turbinenbereich 116 ist die „eigentliche“ Turbine des Triebwerks 106, d.h. darin befinden sich ein Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der genaue Aufbau eines Triebwerks 106 ist dem Fachmann bekannt und soll nicht im Detail beschrieben werden. Es wird hier lediglich erwähnt, dass die Luft, die durch den Mantelstrombereich 114 strömt, Mantelstrom heißt und in Stromrichtung hinter der Turbine der Luft, die durch den Turbinenbereich strömt, zugeführt wird. Dies bedeutet, dass die Luft im Mantelstrombereich 114 von der Luft im Turbinenbereich 116 getrennt ist.
Die Kabinenbelüftungsvorrichtung 110 ist über eine Leitung mit der Kabine 108 und dem Mantelstrombereich 114 des Triebwerks 106 verbunden. Außerdem weist die Luftfiltervorrichtung 10 der Kabinenbelüftungsvorrichtung 110 einen Durchgang 20 auf, der mit der Außenluft des Luftfahrzeugs verbunden ist.
Die Funktionsweise der Belüftungsvorrichtung 110 bzw. des Luftfahrzeugs 100 mit einer Luftfiltervorrichtung 10 ist wie folgt. Schadstoffhaltige Luft 38, die Zapfluft, wird aus dem Mantelstrombereich 114 des Triebwerks 106 über die Leitung 118 an die Temperaturreduktionseinrichtung 111 geleitet. Die Temperaturreduktionseinrichtung 111 reduziert die Temperatur der Zapfluft, die üblicherweise zwischen 500°C und 600°C beträgt, vorzugsweise auf einen Bereich zwischen 150°C und 250°C. Anschließend wird die abgekühlte Zapfluft über die Leitung 118 and die Luftfiltervorrichtung 10 geleitet. Die Luftfiltervorrichtung 10 reduziert, wie oben beschrieben, die Schadstoffkonzentration in der Zapfluft und führt die Schadstoffe über den Durchgang 20 an die Außenluft ab. Die so erzeugte schadstoffarme Luft 40 wird anschließend an die Druckeinstelleinrichtung geleitet, die die schadstoffarme Luft 40 auf einen Atmosphärendruck einstellt, so dass die so erzeugte schadstoffarme Luft 40 auf Atmosphärendruck der Kabine 108 zugeleitet werden kann. Somit kann vorzugsweise sichergestellt werden, dass in der Kabine 108 sich schadstoffarme Luft 40 mit für Menschen übliche Atmosphärendrücke befindet.
Bezugszeichenliste

10: Luftfiltervorrichtung
12: Gehäuse
14: Trenneinrichtung
16: Schadstoffverringerungseinrichtung
18: Schadstoffabführeinrichtung
19: Verschlusseinrichtung
20: Durchgang
21: Klappe
22: erstes Haltemittel
24: Diffusionseinrichtung
26: zweites Haltemittel
28: Röhrchen
30: Einlassbereich
32: Leitungsbereich
34: Schadstoffaufnahmebereich
36: Auslassbereich
38: schadstoffhaltige Luft
40: schadstoffarme Luft
42: Schadstoffaufnahmeunterbereiche
44: Wandung
100: Luftfahrzeug
102: Rumpf
104: Flügel
106: Triebwerk
108: Kabine
110: Kabinenbelüftungsvorrichtung
111: Temperaturreduktionseinrichtung
112: Druckeinstelleinrichtung
113: Pylon
114: Mantelstrombereich
116: Turbinenbereich
118: Leitung

Claims

Luftfiltervorrichtung zum Reduzieren von gasförmigen Schadstoffen in einer Zapfluft aus einem Luftfahrzeugtriebwerk (106), mit einem Leitungsbereich (32) zum Hindurchleiten der Zapfluft, einem benachbart zu dem Leitungsbereich (32) angeordneten Schadstoffaufnahmebereich (34) zur Aufnahme von Schadstoffen aus der Zapfluft, wobei die Schadstoffe gasförmige, anorganische bzw. organische Verunreinigungen aus Triebwerksschmierölen sind, einer Trenneinrichtung (14), die den Schadstoffaufnahmebereich (34) von dem Leitungsbereich (32) trennt, wobei der Leitungsbereich (32) derart ausgebildet ist, dass die Zapfluft an der Trenneinrichtung (14) vorbeiströmt, und wobei die Trenneinrichtung (14) eine Diffusionseinrichtung (24) zum Hindurchdiffundieren von Schadstoffen durch die Trenneinrichtung (14) aufweist, einer Schadstoffverringerungseinrichtung (16) zum Reduzieren der Schadstoffkonzentration in dem Schadstoffaufnahmebereich (34); wobei die Zapfluft als schadstoffhaltige Luft (38) in einem Einlassbereich (30) in den Leitungsbereich (32) einströmt, wobei die Zapfluft durch den Leitungsbereich (32) an der Diffusionseinrichtung (24), mit dieser in Kontakt, vorbeiströmt, und wobei die Zapfluft als schadstoffarme Luft (40) über einen Auslassbereich (36) in eine Kabine (108) für Passagiere einströmt.
Luftfiltervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schadstoffverringerungseinrichtung (16) eine Schadstoffabführeinrichtung (18) zum Abführen von Schadstoffen zwecks Verringerung der Schadstoffkonzentration in dem Schadstoffaufnahmebereich (34) aufweist.
Luftfiltervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schadstoffabführeinrichtung (18) wenigstens einen Durchgang (20) aufweist, der mit einer Außenluft verbunden ist, die frei von den gasförmigen Schadstoffen ist.
Luftfiltervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (20) der Schadstoffabführeinrichtung (18) eine Verschlusseinrichtung (19) zum gasdichten Verschließen des Durchgangs (20) aufweist.
Luftfiltervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionseinrichtung (24) wenigstens ein Röhrchen (28) mit einer Wandung (44) aufweist, durch die die Schadstoffe diffundieren, und vorzugsweise eine Vielzahl von Röhrchen (28) aufweist.
Luftfiltervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrchen (28) einen Innendurchmesser zwischen 0,1 mm und 10 mm hat.
Luftfiltervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionseinrichtung (24) eine Wandung (44) aus einem porösen Material aufweist, wobei vorzugsweise Poren der Wandung (44) der Diffusionseinrichtung (24) einen mittleren Durchmesser aufweisen, so dass die Poren für die gasförmigen Schadstoffe zugänglich sind.
Luftfiltervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionseinrichtung (24) aus Silikon, einer Keramik, einem Polymer und/oder aus einem porösem Metall gefertigt ist.
Luftfiltervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfiltervorrichtung (10) weiter einen Einlassbereich (30) und einen Auslassbereich (36) aufweist, wobei die Zapfluft von dem Einlassbereich (30) durch den Leitungsbereich (32) in den Auslassbereich (36) strömt.
Luftfiltervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (14) weiter ein erstes Haltemittel (22) und ein zweites Haltemittel (26) aufweist, die die Diffusionseinrichtung (24) stützen, wobei vorzugsweise das erste Haltemittel (22) den Einlassbereich (30) von dem Schadstoffaufnahmebereich (34) abteilt und das zweite Haltemittel (26) den Auslassbereich (36) von dem Schadstoffaufnahmebereich (34) abteilt.
Luftfiltervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (22) und zweite Haltemittel (26) aus einem Material gefertigt sind, das Druck, Temperaturgefälle und Vibrationen widerstehen kann, und vorzugsweise aus Epoxidharz oder Metall gefertigt sind.
Luftfiltervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfiltervorrichtung (10) in einem Temperaturbereich von 50°C bis 600°C und in einem bevorzugten Temperaturbereich von 150°C bis 250°C funktionsfähig ist.
Kabinenbelüftungsvorrichtung zur Belüftung einer Kabine (108) eines Luftfahrzeuges (100), umfassend einer Luftfiltervorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Luftfahrzeug, umfassend eine Kabine (108), ein Triebwerk (106) und eine Luftfiltervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder eine Kabinenbelüftungsvorrichtung (110) nach Anspruch 13, um eine Schadstoffkonzentration einer Zapfluft, die während des Flugs dem Triebwerk (106) zur Belüftung der Kabine (108) entnehmbar ist und die gasförmige Schadstoffe enthält, zu reduzieren.
Verfahren zum Reduzieren von gasförmigen Schadstoffen in einer Zapfluft aus einem Luftfahrzeugtriebwerk (106), mit den Schritten Einströmen der Zapfluft als schadstoffhaltige Luft (38) in einen Leitungsbereich (32), wobei die Schadstoffe gasförmige, anorganische bzw. organische Verunreinigungen aus Triebwerksschmierölen sind, Vorbeileiten der Zapfluft in dem Leitungsbereich (32) an einer Trenneinrichtung (14) mit einer Diffusionseinrichtung (24) aus einem porösem Material, wobei die Zapfluft beim Vorbeileiten an der Diffusionseinrichtung (24) mit dieser in Kontakt steht, Verringern der Konzentration der gasförmigen Schadstoffe in einem Schadstoffaufnahmebereich (34), der benachbart zu dem Leitungsbereich (32) angeordnet ist und der durch die Trenneinrichtung (14) von dem Leitungsbereich (32) getrennt ist, mittels einer Schadstoffverringerungseinrichtung (16), Hindurchdiffundieren der Schadstoffe durch die Diffusionseinrichtung (24) von dem Leitungsbereich (32) in den Schadstoffaufnahmebereich (34), Einströmen der Zapfluft als schadstoffarme Luft (40) über einen Auslassbereich (36) in eine Kabine (108) für Passagiere.