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Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Flugzeugheckbereich, in dem ein Kühlsystem zur Kühlung einer insbesondere als Brennstoffzellensystem ausgebildeten warmeerzeugenden Vorrichtung an Bord eines Flugzeugs angeordnet ist, ein Flugzeug mit einem derartigen Flugzeugheckbereich sowie ein Verfahren zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Vorrichtung.
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Brennstoffzellensysteme ermöglichen es, emissionsarm und mit einem hohen Wirkungsgrad elektrischen Strom zu erzeugen. Daher gibt es gegenwärtig Bestrebungen, Brennstoffzellensysteme in verschiedenen mobilen Anwendungen, wie z. B. in der Automobiltechnik oder in der Luftfahrt, zur Erzeugung elektrischer Energie heranzuziehen. Beispielsweise ist es denkbar, in einem Flugzeug die derzeit zur Bordstromversorgung eingesetzten, von den Haupttriebwerken oder dem Hilfstriebwerk (Auxiliary Power Unit, APU) angetriebenen Generatoren durch ein Brennstoffzellensystem zu ersetzen. Alternativ könnte ein Brennstoffzellensystem auch zur Notstromversorgung des Flugzeugs verwendet werden und die bisher als Notstromaggregat eingesetzte Ram Air Turbine (RAT) ersetzen. Das Brennstoffzellensystem kann aber auch mehrere Funktionen, z. B. alle vorgenannten Funktionen erfüllen, und damit ein multifunktionales Brennstoffzellensystem darstellen.
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Neben elektrischer Energie erzeugt ein Brennstoffzellensystem im Betrieb thermische Energie, die mit Hilfe eines Kühlsystems von dem Brennstoffzellensystem abgeführt werden muss, um eine Überhitzung des Brennstoffzellensystems zu verhindern. Ein in einem Flugzeug, beispielsweise zur Bordstromversorgung, eingesetztes Brennstoffzellensystem muss so ausgelegt sein, dass es dazu in der Lage ist, einen hohen Bedarf an elektrischer Energie zu decken. Ein hinsichtlich der Erzeugung elektrischer Energie leistungsstarkes Brennstoffzellensystem generiert jedoch auch eine große Menge thermischer Energie und hat daher einen hohen Kühlbedarf. Darüber hinaus ist an Bord eines Flugzeugs eine Vielzahl weiterer wärmeerzeugender Vorrichtungen vorhanden, die zur Gewährleistung einer sicheren Funktionsweise gekühlt werden müssen. Zu diesen weiteren wärmeerzeugenden Vorrichtungen gehören beispielsweise die Klimaaggregate oder die elektronischen Steuerkomponenten des Flugzeugs.
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Aus der
WO 2010/105744 A2 ist bekannt, zur Abfuhr von Wärmeenergie einer wärmeerzeugenden Vorrichtung einen Kühler mit einem Matrixkörper einzusetzen, der einen Abschnitt der Flugzeugaußenhaut bildet, welcher einen an einen Heckspiegel des Flugzeugs angrenzenden Basisabschnitt definiert.
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Aus der
WO 2012/130418 A1 ist ein Flugzeugheckbereich mit einem Kühlsystem bekannt, bei dem ein Luftstrom durch einen im Bereich eines Heckspiegels des Flugzeugs angeordneten Luftauslass aus dem Flugzeugheckbereich ausgelassen wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flugzeugheckbereich, anzugeben, in dem ein Kühlsystem zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Vorrichtung an Bord eines Flugzeugs angeordnet ist, welches eine effiziente Kühlung der wärmeerzeugenden Vorrichtung ermöglicht. Ferner ist die Erfindung auf die Aufgabe gerichtet, ein Verfahren zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Vorrichtung an Bord eines Flugzeugs anzugeben, das eine effiziente Kühlung der wärmeerzeugenden Vorrichtung erlaubt. Diese Aufgabe wird durch einen Flugzeugheckbereich nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
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Ein Flugzeugheckbereich, in dem ein Kühlsystem zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Vorrichtung an Bord eines Flugzeugs angeordnet ist, umfasst einen Heckspiegel, einen an den Heckspiegel angrenzenden Basisabschnitt und einen an den Basisabschnitt angrenzenden, insbesondere aber nicht an den Heckspiegel angrenzenden Rumpfabschnitt. Der Basisabschnitt kann also zwischen dem Heckspiegel und dem Rumpfabschnitt angeordnet sein und insbesondere den Heckspiegel mit dem Rumpfabschnitt verbinden.
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Um die Geometrie des Flugzeugheckbereichs vereinfacht zu beschreiben, kann man sich den Flugzeugheckbereich beispielsweise als eine doppel-kegelstumpfförmige Geometrie vorstellen, bei der zwei Kegelstümpfe aneinander angrenzen, indem die Deckfläche des ersten Kegelstumpfs identisch ist mit der Grundfläche des zweiten Kegelstumpfs, und bei der die Grundfläche des ersten Kegelstumpfs größer als die Deckfläche des ersten Kegelstumpfs und die Deckfläche des ersten Kegelstumpfs wiederum größer als die Deckfläche des zweiten Kegelstumpfs ist. In diesem Bild kann man die Mantelfläche des ersten Kegelstumpfs dem Rumpfabschnitt, die Mantelfläche des zweiten Kegelstumpfs dem Basisabschnitt und die Deckfläche des zweiten Kegelstumpfs dem Heckspiegel zuordnen.
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Die Unterteilung des Flugzeugheckbereichs in Heckspiegel, Basisabschnitt und Rumpfabschnitt hat die Wirkung und den Vorteil, dass dadurch auch eine Unterteilung des Flugzeugheckbereichs in Bereiche unterschiedlicher Luftdrücke, unterschiedlicher Temperaturen und/oder unterschiedlicher Luftströmungsgeschwindigkeiten möglich ist. So kann zum Beispiel der Luftdruck im Basisabschnitt ein anderer sein als der Luftdruck im Rumpfabschnitt.
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Der Flugzeugheckbereich umfasst außerdem einen in dem Heckspiegel angeordneten Lufteinlass zum Einlass eines Luftstroms in den Flugzeugheckbereich, einen in dem Rumpfabschnitt angeordneten Wärmetauscher zur Abfuhr von Wärme der wärmeerzeugenden Vorrichtung, wobei der Wärmetauscher einen Luftauslass zum Auslass des Luftstroms aus dem Flugzeugheckbereich aufweist, und eine in Strömungsrichtung des Luftstroms zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass angeordnete Gebläseeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Luftstrom durch den Lufteinlass einzusaugen. Die Gebläseeinrichtung kann insbesondere im Basisabschnitt oder zwischen dem Basisabschnitt und dem Rumpfabschnitt angeordnet sein, um somit insbesondere einen Übergang von Basisabschnitt zum Rumpfabschnitt zu definieren.
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Ein derartiger Flugzeugheckbereich ermöglicht es in vorteilhafter Weise, dass die Gebläseeinrichtung Luft durch den Heckspiegel, also von einem hinteren, weithin freiliegenden und damit von etwaigen wärmeabstrahlenden Flugzeugteilen beabstandeten Ende des Flugzeugs ansaugen kann. Damit gelangt ein kalter (Frisch-)Luftstrom ins Innere des Flugzeugheckbereichs, was die Kühlung der wärmeerzeugenden Vorrichtung hinsichtlich der Effizienz verbessert. Dies ist insbesondere im Vergleich zu einem Betrieb von Vorteil, bei dem der Luftstrom nicht durch den Heckspiegel, sondern durch den Wärmetauscher ins Innere des Flugzeugheckbereichs angesaugt wird, weil dann die eingesaugte Luft beim Durchgang durch den Wärmetauscher aufgeheizt wird, somit bereits bei Eintritt in den Flugzeugheckbereich Wärmeenergie aufgenommen hat und deshalb im Inneren des Flugzeugheckbereichs nur noch eingeschränkt zur weiteren Kühlung der wärmeerzeugenden Vorrichtung eingesetzt werden kann.
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Die Gebläseeinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, anhand ihres Betriebs durch Einsaugen des Luftstroms durch den Lufteinlass einen Luftdruck im Flugzeugheckbereich, insbesondere im Basisabschnitt und/oder im Rumpfabschnitt, gegenüber einem Luftdruck in diesem Bereich/Abschnitt bei Nicht-Betrieb der Gebläseeinrichtung zu erhöhen. Zu diesem Zweck kann die Gebläseeinrichtung einen Diffusor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, einen dynamischen Luftdruck in einen statischen Luftdruck umzuwandeln. Dies hat die Wirkung und den Vorteil, dass im Flugzeugheckbereich, also auch insbesondere im Bereich des Wärmetauschers, ein gleichmäßiger Überdruck erzeugt und somit der Flugzeugheckbereich quasi aufgepumpt werden kann. Dies ermöglicht einen gleichmäßigen Luftdurchfluss über oder durch die wärmeerzeugende Vorrichtung. Insbesondere kann dies aber auch für einen effizienteren Luftdurchfluss durch den Wärmetauscher genutzt werden, um die Kühlung noch effizienter zu gestalten.
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Die Gebläseeinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, den Luftstrom im Wesentlichen entlang einer Ansaugrichtung anzusaugen und anschließend im Wesentlichen entlang der Ansaugrichtung weiterzuleiten. Zu diesem Zweck kann die Gebläseeinrichtung einen Diagonallüfter umfassen. Dies hat die Wirkung und den Vorteil, dass im Betrieb der Gebläseeinrichtung zur Erhöhung des Luftdrucks im Flugzeugheckbereich, insbesondere im Basisabschnitt und/oder im Rumpfabschnitt, ein noch gleichmäßigeres Aufpumpen des entsprechenden Bereichs/Abschnitts und damit eine noch effizientere Kühlung möglich ist.
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Der Flugzeugheckbereich kann ferner ein in Strömungsrichtung des Luftstroms zwischen dem Lufteinlass und der Gebläseeinrichtung angeordnetes Isolationsventil umfassen, das zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung derart verstellbar ist, dass der Lufteinlass in der Schließstellung des Isolationsventils luftdicht verschlossen und in der Offenstellung des Isolationsventils von Luft durchströmbar ist. Zudem kann der Flugzeugheckbereich eine Steuereinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, in einer (vor-)bestimmten Betriebssituation das Isolationsventil in die Schließstellung zu stellen. Die (vor-) bestimmte Betriebssituation kann einem Flugbetrieb und/oder einer Situation entsprechen, in der ein Betrieb der Gebläseeinrichtung nicht erwünscht oder nicht erforderlich ist. Die Steuereinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, die Gebläseeinrichtung zum Einsaugen des Luftstroms in Betrieb zu nehmen oder in ihrem Nicht-Betriebszustand zu halten. Dies hat die Wirkung und den Vorteil, dass in der (vor-)bestimmten Betriebssituation das Isolationsventil in seine Schließstellung gestellt werden kann und somit kein Luftstrom (mehr) aus der Umgebung des Flugzeugs zur Gebläseeinrichtung gelangt. Damit kann bei Nicht-Betrieb der Gebläseeinrichtung ein unkontrolliertes oder ungewolltes Drehen (ein sogenanntes ”windmilling”) eines Rotorelements der Gebläseeinrichtung verhindert werden, was zu einem unnötigen und unkontrollierten Verschleiß der Gebläseeinrichtung führen würde.
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Der Luftauslass kann eine von dem Luftstrom durchströmbare Durchgangsfläche aufweisen, die größer ist als eine von dem Luftstrom durchströmbare Durchgangsfläche des Lufteinlasses. Dies hat die Wirkung und den Vorteil, dass der Flugzeugheckbereich eine sich vom Lufteinlass zum Luftauslass hin vergrößernde vom Luftstrom durchströmbare Durchgangsfläche aufweist, der Luftstrom also über den verjüngten Lufteinlass im Heckspiegel eintritt und über den eine größere Durchgangsfläche aufweisenden Luftauslass wieder austritt. Daher wirkt der Flugzeugheckbereich in akustischer Hinsicht daher als Schalldämpfer, was zu einer Verringerung der Lärmbelastung beitragen kann.
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Der Wärmetauscher kann einen Abschnitt der Außenhaut des Flugzeugheckbereichs, insbesondere der Außenhaut des Rumpfabschnitts bilden. Dies hat die Wirkung und den Vorteil, dass der Wärmetauscher nicht im Inneren des Flugzeugheckbereichs angeordnet werden muss und dort somit mehr Freiraum für andere Gerätschaften zur Verfügung steht. Außerdem kann dadurch der durch den Luftauslass des Wärmetauschers hindurchtretende, aufgeheizte Luftstrom schnell und auf direktem Wege in die Umgebung des Flugzeugs zurückgeleitet werden, was die Effizienz der Kühlung weiter verbessert.
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Die wärmeerzeugende Vorrichtung ist beispielsweise ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein multifunktionales Brennstoffzellensystem.
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Ein Verfahren zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Vorrichtung an Bord eines Flugzeugs umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen eines Kühlsystems in einem Flugzeugheckbereich, der einen Heckspiegel, einen an den Heckspiegel angrenzenden Basisabschnitt und einen an den Basisabschnitt angrenzenden Rumpfabschnitt umfasst, wobei in dem Heckspiegel ein Lufteinlass zum Einlass eines Luftstroms in den Flugzeugheckbereich angeordnet ist und wobei in dem Rumpfabschnitt ein Wärmetauscher zur Abfuhr von Wärme der wärmeerzeugenden Vorrichtung angeordnet ist, der einen Luftauslass zum Auslass des Luftstroms aus dem Flugzeugheckbereich aufweist,
- – Einsaugen des Luftstroms durch den Lufteinlass in den Flugzeugheckbereich anhand einer in Strömungsrichtung des Luftstroms zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass angeordneten Gebläseeinrichtung, und
- – Auslassen des Luftstroms durch den Luftauslass aus dem Flugzeugheckbereich.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei
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1 schematische Querschnittsdarstellung eines Flugzeugheckbereichs mit einem Kühlsystem zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Vorrichtung an Bord eines Flugzeugs zeigt.
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In 1 ist ein Flugzeugheckbereich 10 eines Flugzeugs dargestellt. In dem Flugzeugheckbereich 10 ist ein Kühlsystem 12 zur Kühlung einer nicht näher dargestellten wärmeerzeugenden Vorrichtung an Bord des Flugzeugs angeordnet. Die wärmeerzeugende Vorrichtung ist ein multifunktionales Brennstoffzellensystem.
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Der Flugzeugheckbereich 10 umfasst einen Heckspiegel 14, einen an den Heckspiegel 14 angrenzenden Basisabschnitt 16 und einen an den Basisabschnitt 16 angrenzenden, aber nicht an den Heckspiegel 14 angrenzenden Rumpfabschnitt 18. In 1 ist der Basisabschnitt und der Rumpfabschnitt 18 schematisch durch eine gestrichelte Linie 20 getrennt. Der Basisabschnitt 16 ist also zwischen dem Heckspiegel 14 und dem Rumpfabschnitt 18 angeordnet und verbindet dabei den Heckspiegel 14 mit dem Rumpfabschnitt 18.
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Wie in 1 dargestellt, ähnelt die Geometrie des Flugzeugheckbereichs 10 der Querschnittsdarstellung einer doppel-kegelstumpfförmigen Geometrie mit zwei aneinander angrenzenden Kegelstümpfen, wobei die (der gestrichelten Linie 20 entsprechende) Deckfläche des ersten Kegelstumpfs identisch ist mit der (ebenfalls der gestrichelten Linie 20 entsprechenden) Grundfläche des zweiten Kegelstumpfs, so dass die Mantelfläche des ersten Kegelstumpfs dem Rumpfabschnitt 18, die Mantelfläche des zweiten Kegelstumpfs dem Basisabschnitt 16 und die Deckfläche des zweiten Kegelstumpfs dem Heckspiegel 14 zugeordnet werden kann. In diesem Beispiel ist die mit der Bezugsziffer 22 bezeichnete Grundfläche des ersten Kegelstumpfs größer als die mit der Bezugsziffer 20 bezeichnete Deckfläche des ersten Kegelstumpfs, die wiederum größer ist als die mit der Bezugsziffer 14 bezeichnete Deckfläche des zweiten Kegelstumpfs.
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Der Flugzeugheckbereich 10 umfasst außerdem einen in dem Heckspiegel 14 angeordneten Lufteinlass 24 zum Einlass eines Luftstroms 26 in den Flugzeugheckbereich 10, einen in dem Rumpfabschnitt 18 angeordneten Wärmetauscher 28 zur Abfuhr von Wärme der wärmeerzeugenden Vorrichtung, wobei der Wärmetauscher 28 einen Luftauslass 30 zum Auslass des Luftstroms 26 aus dem Flugzeugheckbereich 10 aufweist, und eine in (als Pfeile dargestellte) Strömungsrichtung des Luftstroms 26 zwischen dem Lufteinlass 24 und dem Luftauslass 30 im Basisabschnitt 16 angeordnete Gebläseeinrichtung 32, die dazu eingerichtet ist, den Luftstrom 26 durch den Lufteinlass 24 einzusaugen. Der Flugzeugheckbereich 10 ermöglicht es somit in vorteilhafter Weise, dass die Gebläseeinrichtung 32 Luft durch den Heckspiegel 14, also von einem hinteren, weithin freiliegenden und damit von etwaigen wärmeabstrahlenden Flugzeugteilen beabstandeten Ende des Flugzeugs ansaugen kann. Damit gelangt ein kalter (Frisch-)Luftstrom 26 ins Innere des Flugzeugheckbereichs 10, was die Kühlung der wärmeerzeugenden Vorrichtung hinsichtlich der Effizienz verbessert.
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Die Gebläseeinrichtung 32 ist ferner dazu eingerichtet, anhand ihres Betriebs durch Einsaugen des Luftstroms 26 durch den Lufteinlass 24 einen Luftdruck im Rumpfabschnitt 18 gegenüber einem Luftdruck im Rumpfabschnitt 18 bei Nicht-Betrieb der Gebläseeinrichtung 32 zu erhöhen. Hierzu weist die Gebläseeinrichtung 32 einen nicht näher dargestellten Diffusor auf, der dazu eingerichtet ist, einen dynamischen Luftdruck in einen statischen Luftdruck umzuwandeln. Dadurch kann in dem Flugzeugheckbereich 10, insbesondere im Bereich des Wärmetauschers 28, ein gleichmäßiger Überdruck erzeugt und damit der Rumpfbereich 18 des Flugzeugheckbereichs 10 quasi aufgepumpt wird, was einen gleichmäßigen Durchfluss des Luftstroms 26 durch den Wärmetauscher 28 ermöglicht.
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Die Gebläseeinrichtung 32 ist ferner dazu eingerichtet, den Luftstrom 26 im Wesentlichen entlang einer Ansaugrichtung 34 anzusaugen und anschließend im Wesentlichen entlang der Ansaugrichtung 34 weiterzuleiten, siehe 1. Hierzu umfasst die Gebläseeinrichtung 32 einen Diagonallüfter, wodurch im Betrieb der Gebläseeinrichtung 32 zur Erhöhung des Luftdrucks im Rumpfabschnitt 18 ein noch gleichmäßigeres Aufpumpen des Rumpfabschnitts 18 möglich ist.
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Der Flugzeugheckbereich 10 umfasst ferner ein in Strömungsrichtung des Luftstroms 26 zwischen dem Lufteinlass 14 und der Gebläseeinrichtung 32 angeordnetes Isolationsventil 36, das zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung derart verstellbar ist, dass der Lufteinlass 24 in der Schließstellung des Isolationsventils 36 luftdicht verschlossen und in der Offenstellung des Isolationsventils 36 von Luft durchströmbar ist. Zudem umfasst der Flugzeugheckbereich 10 eine nicht näher dargestellte Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, in einer (vor-)bestimmten Betriebssituation, die einem Flugbetrieb und/oder einer Situation entspricht, in der ein Betrieb der Gebläseeinrichtung 32 nicht erwünscht oder nicht erforderlich ist, das Isolationsventil 36 in die Schließstellung zu stellen. Dies hat die Wirkung und den Vorteil, dass in der (vor-)bestimmten Betriebssituation das Isolationsventil 36 in seine Schließstellung gestellte werden kann und somit kein Luftstrom (mehr) aus der Umgebung des Flugzeugs zur Gebläseeinrichtung 32 gelangen kann. Damit kann bei Nicht-Betrieb der Gebläseeinrichtung 32 ein unkontrolliertes oder ungewolltes Drehen (ein sogenanntes ”windmilling”) eines Rotorelements der Gebläseeinrichtung 32 verhindert werden, was zu einem unnötigen und unkontrollierten Verschleiß der Gebläseeinrichtung 32 führen würde.
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Der Luftauslass 30 weist eine von dem Luftstrom 26 durchströmbare Durchgangsfläche auf, die größer ist als eine von dem Luftstrom 26 durchströmbare Durchgangsfläche des Lufteinlasses 24. Dies hat die Wirkung und den Vorteil, dass der Flugzeugheckbereich 10 eine sich vom Lufteinlass 24 zum Luftauslass 26 hin vergrößernde, vom Luftstrom 26 durchströmbare Durchgangsfläche aufweist, der Luftstrom 26 also über den verjüngten Lufteinlass 24 im Heckspiegel 14 eintritt und über den eine größere Durchgangsfläche aufweisenden Luftauslass 30 wieder austritt. Der Flugzeugheckbereich 10 wirkt in akustischer Hinsicht daher als Schalldämpfer, was zu einer Verringerung der Lärmbelastung beitragen kann.
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Der Wärmetauscher 28 definiert einen Abschnitt der Außenhaut 38 des Rumpfabschnitts 18, siehe 1. Dies hat die Wirkung und den Vorteil, dass der Wärmetauscher 28 nicht im Inneren des Flugzeugheckbereichs 10 angeordnet werden muss und dort somit mehr Freiraum für andere Gerätschaften zur Verfügung steht. Außerdem kann dadurch der durch den Luftauslass 30 des Wärmetauschers 28 hindurchtretende, aufgeheizte Luftstrom 26 schnell und auf direktem Wege in die Umgebung des Flugzeugs zurückgeleitet werden, was die Effizienz der Kühlung weiter verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/105744 A2 [0004]
- WO 2012/130418 A1 [0005]
