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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem für ein Luftfahrzeug sowie ein Luftfahrzeug mit einem derartigen Klimatisierungssystem.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Flugzeuge und insbesondere Verkehrsflugzeuge, welche in größeren Höhen fliegen, weisen üblicherweise einen druckbeaufschlagten Rumpf auf. Durch kontrollierte Zufuhr von frischer Luft und kontrollierter Abfuhr von verbrauchter Luft kann innerhalb der Kabine ein Druck realisiert werden, welcher über dem in der jeweiligen Flughöhe liegenden Umgebungsdruck liegt. Die Frischluft kann Staulufteinlässen oder den Triebwerken in Form von Zapfluft entnommen werden. Die Qualität der Luft im Innern der Kabine hängt folglich auch von der Qualität der Luft ab, die einer Umgebung des Flugzeugs entnommen und in die Kabine eingeleitet wird.
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In Umgebungen von Flughäfen oder anderen Einrichtungen, bei denen Abgase entstehen, können lokal tendenziell verunreinigte Luftschichten entstehen. Durchfliegt ein Flugzeug diese, wird verunreinigte Luft auch in die Passagierkabine eingeleitet. Dies kann temporär zu unerwünschten Gerüchen in der Kabine führen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es kann folglich der Bedarf entstehen, Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität insbesondere in bodennahen Flugzuständen vorzusehen. Die Aufgabe der Erfindung liegt dementsprechend darin, ein Klimatisierungssystem für ein Luftfahrzeug vorzuschlagen, das dazu in der Lage ist, außerhalb des Luftfahrzeugs vorliegende Luftverschmutzung nicht in eine Kabine des Luftfahrzeugs zu leiten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Klimatisierungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Klimatisierungssystem für ein Luftfahrzeug vorgeschlagen, das eine Frischluftleitung, eine Rezirkulationseinrichtung mit einem Kabinenlufteinlass und einem Rezirkulationsauslass zum Rückführen von Kabinenluft, eine Luftmischeinrichtung, ein Luftverteilungssystem mit mehreren Kabinenluftauslässen und eine Steuereinheit aufweist. Die Luftmischeinrichtung ist mit dem Rezirkulationsauslass und der Frischluftleitung koppelbar und weist einen Mischluftauslass auf, der mit dem Luftverteilungssystem gekoppelt ist. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, flugspezifische Parameter zu ermitteln oder zu empfangen, die den Flugzustand des Luftfahrzeugs charakterisieren, sowie umgebungsspezifische Parameter zu ermitteln oder zu empfangen, die eine Luftqualität in der Umgebung des Luftfahrzeugs charakterisieren. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, während eines ersten außerhalb eines Reiseflugs liegenden Flugzustands und bei Überschreitung eines vordefinierten Grenzwertes mindestens eines umgebungsspezifischen Parameters einen ersten Betriebszustand und während eines außerhalb des ersten Flugzustands liegenden zweiten Flugzustands einen zweiten Betriebszustand des Klimatisierungssystems zu veranlassen. In dem zweiten Betriebszustand steht die Frischluftleitung mit der Luftmischeinrichtung in Fluidverbindung und in dem ersten Betriebszustand ist die Frischluftleitung von der Luftmischeinrichtung getrennt.
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Die strukturellen Hauptkomponenten des Klimatisierungssystems können im Wesentlichen den Hauptkomponenten eines üblichen Klimatisierungssystems für ein Luftfahrzeug entsprechen. Das Grundprinzip des Klimatisierungssystems liegt in der geregelten Zufuhr von Frischluft und der Bereitstellung eines Gemischs aus Frischluft und verbrauchter Luft in einer Kabine des Luftfahrzeugs. Handelt es sich bei dem Luftfahrzeug um ein Verkehrsflugzeug, ist ebenso eine Druckbeaufschlagung und Druckregelung durchzuführen.
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Die Luftmischeinrichtung ist als eine Art Mischkammer zu verstehen, die ein unter anderem von der Kabinengröße abhängiges Volumen und mehrere Luftanschlüsse besitzt. In der Luftmischeinrichtung treffen mehrere Luftströme aufeinander und werden vermischt. Diese Luftströme können insbesondere aufbereitete Frischluft und der Kabine vorher entnommene verbrauchte Luft enthalten. Ziel ist, hieraus einen homogenen Mischluftstrom zu generieren, der zur Klimatisierung in die Kabine des Luftfahrzeugs geleitet werden kann.
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Das Luftverteilungssystem ist eine Anordnung von Haupt-und Zweigleitungen, die sich im Wesentlichen über die gesamte Kabine des Luftfahrzeugs erstrecken und in Kabinenluftauslässen münden. Die Luftleitungen sind derart miteinander gekoppelt und über entsprechende Blenden und andere Einrichtungen justiert, dass eine homogene Luftzufuhr in die Kabine des Luftfahrzeugs ermöglicht wird.
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Die Rezirkulationseinrichtung ist als eine Einrichtung zu verstehen, die einer Kabine des Luftfahrzeugs verbrauchte Luft entnimmt und diese durch Einleiten in die Luftmischeinrichtung der in die Kabine strömenden Frischluft wieder beimischt. Der Anteil der verbrauchten Luft an der gesamten Zuluft in die Kabine kann ungefähr 50% entsprechen. Durch die Beimischung von verbrauchter Luft kann trotz gewünschter Strömungsverhältnisse in der Kabine die notwendige Menge an Frischluft und damit der Leistungsbedarf zum Aufbereiten der Frischluft begrenzt werden.
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Bei konventionellen Klimatisierungssystemen, bei denen eine Ausströmung von Kabinenzuluft in einem oberen Teil der Kabine erfolgt, können Rezirkulationslufteinlässe in einem unteren, lateral außenliegenden Bereich der Kabine angeordnet sein. Hierfür können in einem Sockelbereich einer Seitenverkleidung entsprechende Strömungsquerschnitte vorliegen, die das Absaugen von verbrauchter Kabinenluft erlauben.
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Im Allgemeinen ist für die erfindungsgemäße Ausführung des Klimatisierungssystems die Art der Frischluftquelle unerheblich. Neben zapfluftbasierten Einrichtungen sind auch stauluftbasierte Einrichtungen denkbar. Sämtliche dieser Frischluftquellen entnehmen der direkten Umgebung des Luftfahrzeugs Luft.
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Wie aus diesem Aufbau deutlich wird, können Verunreinigungen in der Frischluft, die über die Frischluftleitung zu dem Klimatisierungssystem geleitet wird, über die Kabinenluftauslässe in der gesamten Kabine verteilt werden. Durch das Vorsehen der Steuereinheit gemäß der vorangehenden Definition kann allerdings in bestimmten Flugzuständen das Einleiten von Frischluft in die Kabine unterbunden werden. Dies ist selbstverständlich nur als eine kurzzeitige, temporäre Maßnahme zu interpretieren, die lediglich in bestimmten Situationen eingesetzt werden soll.
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Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, flugspezifische Parameter und umgebungsspezifische Parameter zu ermitteln oder zu empfangen. Flugspezifische Parameter sollen als solche Parameter verstanden werden, die der Steuereinheit erlauben, eine Kenntnis über den aktuellen Flugzustand zu erlangen. Der Flugzustand kann sowohl eine entsprechende Flugphase oder auch ein momentaner Ort oder eine Fluglage des Flugzeugs sein. Flugspezifische Parameter können unter anderem die barometrische Flughöhe, ein Umgebungsdruck, aktuelle Koordinaten in allen Raumrichtungen sowie eine Entfernung zu einem gewünschten Ziel umfassen. Es ist auch denkbar, insbesondere Landeanflugphasen durch Fahrwerksparameter (ausgeklappt oder eingeklappt) zu erkennen. Diese Parameter können insbesondere von einem übergeordneten System des Luftfahrzeugs stammen, in Verkehrsflugzeugen beispielsweise von einem FMS (Flight Management System). Eine barometrische Flughöhe bzw. ein Umgebungsdruck könnten mitunter von der Steuereinheit eigenständig ermittelt werden, indem ein entsprechender, mit der Umgebung des Luftfahrzeugs in Verbindung stehender Sensor mit der Steuereinheit gekoppelt wird. Durch das Ermitteln oder Empfangen der flugspezifischen Parameter kann die Steuereinheit demnach Kenntnis über den derzeitigen Flugzustand erhalten. Dieser Zustand kann insbesondere in Kategorien unterteilt werden, wie etwa Reiseflug, Abstieg, Aufstieg und dergleichen.
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Umgebungsspezifische Parameter können ebenso ermittelt oder empfangen werden, um Kenntnis über den Zustand der Umgebung des Luftfahrzeugs zu erlangen. Der Steuereinheit soll es damit ermöglicht werden, bestimmte Indikatoren für eine übermäßige Luftverschmutzung außerhalb des Luftfahrzeugs zu erkennen und, in Abhängigkeit von dem Flugzustand, eine Unterbrechung der Frischluftzufuhr zu veranlassen.
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Desweiteren ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, in allen anderen Flugzuständen, die nicht dem ersten Flugzustand entsprechen, eine herkömmliche Frischluftzufuhr in dem zweiten Betriebszustand zu veranlassen. Das Entscheidungsfenster für die Steuereinheit ist folglich auf einen begrenzten Abschnitt eines Flugs des Luftfahrzeugs beschränkt. Ist in diesem Abschnitt mit einer übermäßigen Luftverschmutzung zu rechnen, kann auch nur in diesem kurzen Abschnitt eine Unterbrechung der Frischluftzufuhr erfolgen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Belüftung bzw. Ventilation der Kabine auf der Rezirkulation basiert, sodass eine ausreichende Durchmischung der Kabinenluft bestehen bleibt und der Komfort für die Passagiere nicht eingeschränkt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die flugspezifischen Parameter aus einer Gruppe von Parametern ausgewählt, die Gruppe aufweisend barometrische Höhe, momentane Position, Fluglage, Geschwindigkeit, Luftdaten, Systeminformationen anderer Komponenten in dem Luftfahrzeug, und einen Fahrwerksstatus. Andere Komponenten in dem Luftfahrzeug können etwa eine Druckregeleinrichtung, Haupt- oder Hilfstriebwerke sein.
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Es kann weiterhin als Alternative oder zusätzlich hierzu eine Inertialmesseinrichtung in der Steuereinheit vorgesehen sein, die selbsttätig einen Fluglageverlauf ermittelt und hieraus den jeweiligen Flugzustand ableiten kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die umgebungsspezifischen Parameter aus einer Gruppe von Parametern ausgewählt, die Gruppe aufweisend Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Stickoxide, Ozon und Feinstaub. Es sind weitere Parameter denkbar und die vorangehende Aufzählung ist nicht als abschließend anzusehen. Basis für die Auswahl der Parameter können nationale und internationale Schadstoffemissionsregister sein, in denen unter anderem Luftschadstoffe erfasst sind. Diese können weiterhin Grenzwerte für bestimmte Stoffe und Stoffgruppen definieren, welche wiederum Basis für den vorangehend genannten vordefinierten Grenzwert sein können. Lediglich beispielhaft werden das European Pollutant Emission Register (EPER) der Europäischen Gemeinschaft, das Pollutant Release and Transfer Register (PRTR) von Deutschland und das Toxic Release Inventory (TRI) der Vereinigten Staaten genannt. Desweiteren ist denkbar, Luftverunreinigungen mithilfe einer optischen Erfassungseinrichtung zu detektieren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Klimatisierungssystem eine mit der Frischluftleitung verbundene Luftaufbereitungseinrichtung mit einem Frischluftauslass auf, wobei die Luftaufbereitungseinrichtung mit der Frischluftleitung verbunden ist und dazu ausgebildet ist, Frischluft mit einer vorbestimmten Temperatur an dem Frischluftauslass bereitzustellen, und wobei der Frischluftauslass mit der Luftmischeinrichtung verbindbar ist. Die Kernfunktion der Luftaufbereitungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist folglich das Bereitstellen von aufbereiteter Luft an den Frischluftauslass durch Aufbereiten von Luft, die aus einem mit der Frischluftleitung verbundenen Frischlufteingang stammt.
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Die Luftaufbereitungseinrichtung kann praktisch einen beliebigen Aufbau aufweisen, der es erlaubt, Frischluft auf gewünschte Weise aufzubereiten. Neben pneumatischen, zapfluftabhängigen Klimaaggregaten, welche insbesondere auf der Verwendung von Luftkreislaufmaschinen basieren, sind auch andere Vorrichtungen denkbar. Die Art und Ausführung der Luftaufbereitungseinrichtung kann dabei auch von dem Typ des Luftfahrzeugs abhängen. Neben der Bereitstellung von Luft mit einer bestimmten Temperatur kann eine Aufgabe der Luftaufbereitungseinrichtung auch die Druckbeaufschlagung einer Kabine des Luftfahrzeugs beinhalten. Es sind weiterhin Luftaufbereitungseinrichtungen bekannt, bei denen die Funktionen des Temperierens von Luft von der Druckbeaufschlagung unabhängig ist. Die konkrete Ausführung der Luftaufbereitungseinrichtung ist für den Kerngedanken der Erfindung allerdings unerheblich. Erfindungsgemäß kann folglich eine Verbindung zwischen dem Frischluftauslass und der Luftmischeinrichtung unterbrochen werden, sobald der erste Betriebszustand eingenommen wird.
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Die Steuereinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, den Betrieb der Luftaufbereitungseinrichtung in dem ersten Betriebszustand zu unterbrechen. Dadurch kann zumindest in der temporären Phase des ersten Betriebszustands der Leistungsbedarf innerhalb des Luftfahrzeugs reduziert werden. Als Alternative zu der gänzlichen Unterbrechung des Betriebs kann auch eine Reduktion der Zufuhr elektrischer oder pneumatischer Leistung in Erwägung gezogen werden. Da die Phase des ersten Betriebszustands lediglich kurzzeitig vorliegen sollte, könnte eine gänzliche Abschaltung und die relativ kurzzeitig darauffolgende Wiederaufnahme des Betriebs abhängig von der Ausführung der Luftaufbereitungseinrichtung nicht sinnvoll sein.
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Die Steuereinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, in dem ersten Betriebszustand den Kabinendruck zu überwachen. Dies kann durch Kopplung mit einer Kabinendruckregeleinrichtung, welches eine Information über den aktuellen Kabinendruck liefern kann, realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Steuereinheit auch mit einem separaten Drucksensor verbunden sein, der in der Lage ist, den Kabinendruck zu erfassen. Die Steuereinheit ist bevorzugt dazu ausgebildet, in dem ersten Betriebszustand einen Druckabfall zu erkennen, der einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Die Steuereinheit kann ein Warnsignal generieren und beispielsweise zu einer Anzeigeeinheit in einem Cockpit übertragen. Andererseits kann die Steuereinheit auch dazu ausgebildet sein, bei Überschreiten eines derartigen Grenzwerts das Klimatisierungssystem wieder in den zweiten Betriebszustand umzuschalten. Diese Funktion der Steuereinheit kann auch in einem Kabinendruckregelsystem enthalten sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform weist ferner mindestens ein mit der Steuereinheit gekoppeltes Auslassventil auf, das dazu ausgebildet ist, Luft aus einer Kabine des Luftfahrzeugs abzulassen. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausgebildet, das mindestens eine Auslassventil in dem ersten Betriebszustand zu schließen und in dem zweiten Betriebszustand zum Regeln eines von der Flughöhe abhängigen Drucks in einer Kabine des Luftfahrzeugs zu öffnen. Die Druckregelung eines druckbeaufschlagten Rumpfs, beispielsweise eines Verkehrsflugzeugs, erfolgt durch eine aufeinander abgestimmte Luftzufuhr und Luftabfuhr in den Rumpf. Durch einen Luftüberschuss, der etwaige Leckagen übersteigt, kann der Druck im Innern der Kabine erhöht werden. Strömt mehr Luft aus dem Luftauslass aus als in den Rumpf hineinströmt, wird indes der Kabinendruck gesenkt. Auch hierbei sind eventuelle Leckagen zu berücksichtigen. Wird in dem ersten Betriebszustand folglich das mindestens eine Auslassventil geschlossen, wird das Klimatisierungssystem bei fehlender Frischluftzufuhr in einem reinen Umluftbetrieb betrieben. Luft kann ausschließlich durch Leckagen aus dem Rumpf entweichen oder einströmen.
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Bei Landeanflugphasen kann der Druck innerhalb der Kabine eines durch das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem klimatisierten Flugzeugs folglich nur sehr langsam und nur aufgrund von etwaigen Leckagen steigen. Die damit erreichbare Geschwindigkeit des Druckanstiegs kann deutlich unter der liegen, die bei herkömmlicher Druckregelung erwartet wird. Durch Einnahme des zweiten Betriebszustandes noch vor der Landung kann dies allerdings wieder ausgeglichen werden. In einer Aufstiegsphase wird der Druck in der Kabine langsam und nur aufgrund von Leckagen sinken, wobei die Geschwindigkeit des Druckabfalls ebenfalls deutlich unter der liegen kann, die bei herkömmlicher Druckregelung erwartet wird. Durch das Umschalten auf den zweiten Betriebszustand wird dies jedoch ebenfalls wieder ausgeglichen.
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Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, vor dem Einnehmen des ersten Betriebszustands das mindestens eine Ausflussventil so anzusteuern, dass unmittelbar vor dem ersten Betriebszustand der Druck in der Kabine im Wesentlichen einem Enddruck der Kabine nach Durchlaufen des zweiten Betriebszustandes statt des ersten Betriebszustands entspricht. Die Druckänderung zur Erreichung des genannten Enddrucks kann vor der Einnahme des ersten Betriebszustands sanft erfolgen und nach Durchlaufen des ersten Betriebszustands ist lediglich eine relativ geringe Druckänderung zum Ausgleichen etwaiger Leckageeffekte erforderlich. Dies bezieht sich insbesondere auf den ersten Betriebszustand bei sinkender Kabinenhöhe, d.h. in einer Landeanflugphase.
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Bevorzugt kann der erste Flugzustand eine Landeanflugphase, die zwischen einem Reiseflug und einer Landung liegt, oder eine Aufstiegsphase, die zwischen dem Start und dem Erreichen einer Reiseflughöhe liegt, umfassen. In diesen Flugphasen kann das Luftfahrzeug mit bodennaher Luftverschmutzung insbesondere in einem Bereich in der Nähe eines Flughafens in Kontakt geraten. Durch die Analyse der umgebungsspezifischen Parameter in diesen Flugzuständen kann der wesentlichste Eintrag von Luftverschmutzungen in die Kabine vermieden werden.
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Die Steuereinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, die Kabinendruckregelung zu steuern. Dies kann insbesondere in dem ersten Betriebszustand sein. Die Steuereinheit kann dabei eine Komponente der Kabinendruckregeleinrichtung sein oder damit verbunden sein. Die Kabinendruckregeleinrichtung kann weiterhin dabei eine Komponente des Klimatisierungssystems sein. Das Klimatisierungssystem ist folglich in der Lage, eine adaptive Kabinendruckregelung in dem ersten Betriebszustand durchzuführen. Dies bedeutet, dass in dem ersten Betriebszustand ein aktives Eingreifen in die Druckregelung unterbrochen wird. Weiterhin wird bei der adaptiven Kabinendruckregelung die Kabinendruckregelung derart angepasst, dass bei insgesamt steigender Kabinenhöhe der Kabinendruck in einem zweiten Betriebszustand ausgehend von einem Enddruck eines durchlaufenen ersten Betriebszustands geregelt wird. Damit können abrupte Druckänderungen nach Durchlaufen des ersten Betriebszustands vermieden werden. Bei einer insgesamt sinkenden Kabinenhöhe kann die Kabinendruckregelung derart erfolgen, dass unmittelbar vor dem ersten Betriebszustand der Druck in der Kabine auf einen Wert angepasst wird, der im Wesentlichen einem Enddruck der Kabine nach Durchlaufen des zweiten Betriebszustandes statt des ersten Betriebszustands entspricht.
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Wie unter anderem anhand atmosphärischer Ausbreitungsmodelle beobachtet werden kann, sinkt die Konzentration von Luftschadstoffen mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der erste Flugzustand höchstens ein unteres Drittel der Landeanflugphase bzw. der Aufstiegsphase umfassen. Damit wird der zeitliche Rahmen einer etwaigen Umschaltung in den ersten Betriebszustand noch weiter eingeschränkt. Ein Umluftbetrieb kann folglich für die Passagiere kaum merkbar realisiert werden.
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Zusätzlich kann das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem ferner eine Warneinrichtung sowie ein mit der Steuereinheit gekoppeltes Deaktivierungsmittel aufweisen, wobei die Warneinrichtung dazu ausgebildet ist, die Einnahme des ersten Betriebszustands in einem Cockpit des Luftfahrzeugs anzuzeigen und wobei das Deaktivierungsmittel dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal an die Steuereinheit zu senden, so dass die Steuereinheit den ersten Betriebszustand aufhebt. Einem Piloten kann der bestehende Umluftbetrieb angezeigt werden. Durch das Deaktivierungsmittel besteht die Möglichkeit, diesen Umluftbetrieb manuell zu deaktivieren.
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Wie vorangehend ausgeführt kann das Klimatisierungssystem ferner eine optische Erfassungseinrichtung zum Erfassen umgebungsspezifischer Parameter aufweisen, wobei die optische Erfassungseinrichtung mit der Steuereinheit gekoppelt ist. Dies kann eine Kamera, eine Infrarotkamera, ein LIDAR oder andere Erfassungseinrichtungen sein, die eine optische Erfassung insbesondere partikulärer Bestandteile in der Luft durchführen können.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Luftfahrzeug, aufweisend einen Rumpf mit einer darin ausgebildeten Kabine sowie mindestens einem Klimatisierungssystem nach der vorhergehenden Beschreibung.
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Die Steuereinheit kann mit einer Recheneinheit an Bord des Luftfahrzeugs verbindbar sein, die die umgebungsspezifischen und/oder flugspezifischen Parameter bereitstellt. Beispielsweise ist dies ein Flight Management System (FMS).
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Die Recheneinheit kann weiterhin dazu ausgebildet sein, mindestens einen Datensatz zu umgebungsspezifischen Parametern von einer außerhalb des Luftfahrzeugs liegenden Einrichtung zu empfangen und in einer Datenbank in dem Luftfahrzeug von der Steuereinheit abrufbar bereitzustellen. Der Datensatz kann mindestens für einen vorgesehenen Start- oder Landeplatz höhenaufgelöste Daten zu umgebungsspezifischen Parametern enthalten.
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Ferner kann das Luftfahrzeug ein Verkehrsflugzeug sein.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Klimatisierungssystems.
- 2 zeigt ein Höhendiagramm mit einem darin qualitativ dargestellten Umluftbetrieb.
- 3 zeigt ein Luftfahrzeug mit einem derartigen Klimatisierungssystem.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine schematische Ausführung eines Klimatisierungssystems 2 in einer blockbasierten Darstellung. Eine gestrichelt dargestellte Passagierkabine 4 wird exemplarisch durch das Klimatisierungssystem 2 mit aufbereiteter Luft versorgt und einem gewünschten Druck beaufschlagt.
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Das Klimatisierungssystem 2 weist eine Frischluftleitung 6 auf, mit der Frischluft bereitgestellt wird. Die Quelle für Frischluft ist der Darstellung nicht zu entnehmen und kann durch Zapfluft, Stauluft oder andere Luftquellen bereitgestellt werden. Eine Luftaufbereitungseinrichtung 8 empfängt Frischluft und kann diese auf gewünschte Weise aufbereiten. Dies bezieht sich insbesondere auf das Bereitstellen einer gewünschten Temperatur und einen gewünschten Druck an einem Frischluftauslass 9. Die Luftaufbereitungseinrichtung 8 kann etwa als eine zapfluftbetriebene Luftkreislaufmaschine, und/oder mit insbesondere elektrisch betriebenen Verdichtern und einer Verdampfungskühlanlage, und/oder anderen denkbaren Kühleinrichtungen ausgeführt sein. Selbstverständlich sind auch hybride Varianten sämtlicher dieser Ausführungen denkbar.
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Der Luftaufbereitungseinrichtung 8 nachgeschaltet ist exemplarisch ein Frischluftventil 10 gezeigt, welches in dieser Darstellung vollständig geöffnet ist. Frischluft aus der Frischluftleitung 6 kann folglich in aufbereiteter Form durch das Frischluftventil 10 geleitet werden. Diese erreicht dann eine Mischeinrichtung 12, welche hierfür einen Frischlufteinlass 14 aufweist.
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Die Mischeinrichtung 12 weist außerdem einen Rezirkulationslufteinlass 16 auf, der mit einer Rezirkulationseinrichtung 18 verbunden ist. Diese ist dazu eingerichtet, verbrauchte Luft aus der Kabine 4 über einen schematisch angedeuteten Kabinenlufteinlass 21 aufzunehmen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass üblicherweise kein diskreter Kabinenlufteinlass 21 vorhanden ist, sondern eine Reihe von vielen Auslassöffnungen, durch die Luft aus der Kabine in einen oder mehrere unterhalb der Kabine liegende Räume strömt und von dort abgesagt wird. Der Kabinenlufteinlass 21 kann also eine Einlassöffnung der Rezirkulationseinrichtung 18 sein. Die Rezirkulationseinrichtung 18 führt die verbrauchte Luft über einen Rezirkulationsluftauslass 20 in die Mischeinrichtung 12.
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Die Mischeinrichtung 12 ist dazu ausgebildet, aus den eingehenden Luftströmen an einem Mischluftauslass 22 Mischluft bereitzustellen, welche einem Luftverteilungssystem 24 zugeleitet wird. Das Luftverteilsystem 24 kann Hauptleitungen 26 und 28 aufweisen, die mit mehreren Kabinenluftauslässen 30 verbunden sind. Mischluft, die in das Luftverteilungssystem 24 einströmt, wird folglich den Kabinenluftauslässen 30 zugeleitet, die wiederum die Luft in die Kabine 4 ausleiten.
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Zum Abführen eines Teils verbrauchter Kabinenluft werden Auslassventile 32 eingesetzt, die in einem unteren Bereich eines Flugzeugrumpfes angeordnet sein können. Durch Regelung des Öffnungsgrades der Auslassventile 32 wird der Druck im Innern der Kabine 4 direkt beeinflusst, wenn kontinuierlich Luft durch die Kabinenluftauslässe 30 in die Kabine 4 einströmt. Zum Regeln des Kabinendrucks kann eine Kabinendruckregeleinrichtung 34 vorgesehen sein, die insbesondere mit den Auslassventilen 32 und den anderen Komponenten des Klimatisierungssystems 2 in Verbindung steht. Die Kabinendruckregeleinrichtung 34 weist, wie bei Verkehrsflugzeugen üblich, einen oder mehrere eigene Sensoren 35 auf, die den Druck der Kabine unabhängig von anderen Einrichtungen erfassen können.
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Wie eingangs ausgeführt ist denkbar, dass beim Durchfliegen von Luftschichten mit Verunreinigungen diese in die Kabine 4 eingeleitet werden. Eine solche Situation kann insbesondere in bodennahen Bereichen auftreten, die bei einem unmittelbaren Landeanflug oder nach dem Start und dem beginnenden Steigflug auftreten. Daten über eventuell vorliegende Luftverschmutzungen können in einer Recheneinheit 36 gespeichert sein. Beispielhaft könnte dies ein Flight Management System (FMS) sein, eine hierfür vorgesehene separate Computereinheit oder lediglich als Funktion in einer anderen Einrichtung an Bord des Flugzeugs realisiert sein. Die Recheneinheit 36 kann von extern mit Daten 38 versorgt werden, welche Informationen über Luftqualität in Form von umgebungsspezifischen Parametern enthält.
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Eine Steuereinheit 40 ist vorgesehen, flugspezifische Parameter zu ermitteln oder zu empfangen, welche den Flugzustand des Luftfahrzeugs charakterisieren. Die Steuereinheit 40 könnte etwa durch eine Verbindung mit der Recheneinheit 36, die als FMS ausgeführt sein könnte, Informationen über den aktuellen Flugzustand erhalten. Ein Flugzustand kann eine Angabe über Fluglagewinkel, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Flughöhe, Ort auf einer geplanten Flugbahn oder dergleichen umfassen. Dadurch kann die Steuereinheit 40 feststellen, ob das Luftfahrzeug in einem bodennahen Bereich ist, in dem etwaige Verunreinigungen in der Luft auftreten könnten.
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Eine genaue Definition eines bodennahen Bereiches sollte einen gewissen Spielraum beinhalten, der nach Höhenlage eines Startflughafens, eines Landeflughafens, einer geographischen Lage oder dergleichen angepasst sein könnte. Der bodennahe Bereich kann weiterhin auch für alle angeflogenen Ziele gleich sein. Es könnte sich anbieten, den bodennahen Bereich bis zu einem Drittel oder der Hälfte einer (ersten) Reiseflughöhe zu definieren.
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Es ist vorgesehen, dass die Steuereinheit 40 des Weiteren Daten ermitteln oder empfangen kann, die die Luftqualität in einer Umgebung des Luftfahrzeugs charakterisieren. Die Computereinrichtung 36 kann diese Daten bereitstellen. Die Steuereinheit 40 könnte beispielsweise während des Flugs permanent diese Daten erhalten. Es ist auch denkbar, dass die Steuereinheit 40 lediglich beim Vorliegen des ersten Flugzustandes diese Daten anfordert, um sie anschließend auszuwerten.
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Die Steuereinheit 40 ist dazu ausgebildet, aus umgebungsspezifischen Parametern zu ermitteln, ob eine tolerierbare Luftverschmutzung überschritten wird. Dies kann anhand von verschiedenen Messwerten durchgeführt werden, welche vorangehend ausgeführt sind. Kann die Steuereinheit 40 tatsächlich eine Überschreitung eines vordefinierten Grenzwertes mindestens eines umgebungsspezifischen Parameters detektieren, kann die Steuereinheit 40 einen ersten Betriebszustand des Klimatisierungssystems 2 veranlassen. Dies betrifft insbesondere das Verschließen des Frischluftventils 10 und optional das Deaktivieren der Luftaufbereitungseinrichtung 8. Zum Verhindern eines Druckabfalls können weiterhin die Auslassventile 32 verschlossen werden. Die Kabine 4 weist in dem ersten Betriebszustand folglich keine Frischluftzufuhr auf, sondern wird in einem reinen Umluftbetrieb betrieben. Wird eine Luftschicht mit einer nicht tolerierten Luftverschmutzung verlassen, kann die Steuereinheit 40 das Einnehmen des ersten Betriebszustandes veranlassen. Dieser wird in 1 gezeigt, indem das Frischluftventil 10 und die Auslassventile 32 geöffnet sind, ebenso wird die Luftaufbereitungseinrichtung 8 betrieben. Die Steuereinheit 40 kann ferner mit einer Warneinrichtung 42 verbunden sein, die beispielsweise in einem Cockpit des Flugzeugs (nicht gezeigt) positioniert ist. Die Warneinrichtung kann ein Deaktivierungsmittel 44 aufweisen, mit dem der erste Betriebszustand manuell wieder verlassen werden kann.
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In 2 wird anhand eines Höhendiagramms gezeigt, welche Auswirkungen der Betrieb der Steuereinheit 40 auf den Kabinendruck bzw. die Kabinendruckregelung hat. Hier wird der Kabinendruck als sogenannte Kabinenhöhe dargestellt, d.h. der Höhe, bei der ein mit dem Kabinendruck identischer barometrischer Druck vorliegt.
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Die momentane Flughöhe des Luftfahrzeugs wird mit der (durchgezogenen) Höhenkurve 46 dargestellt. Nach einer vereinfacht gezeigten Steigphase fliegt das Flugzeug auf einer konstanten Reiseflughöhe, um anschließend einen Sink- und Landeanflug durchzuführen. Exemplarisch wird ein bodennaher Bereich 48 markiert, der eine Verschmutzung aufweisen könnte. Befindet sich das Flugzeug in diesem Bereich 48, ist der erste Flugzustand anzunehmen. Ein darüber befindlicher Bereich 50 wird als ausreichend sauber angesehen. Befindet sich das Flugzeug darin, wird der zweite Flugzustand angenommen.
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Wird in dem ersten Flugzustand eine übermäßige Luftverschmutzung in direkter Umgebung des Flugzeugs erkannt, veranlasst die Steuereinheit 40 das Einnehmen eines ersten Betriebszustands 52, der entlang der X-Achse (Zeitverlauf) mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet ist. In diesem ersten Betriebszustand 52 wird die Frischluftzufuhr durch Schließen des Frischluftventils 10 und das optionale Deaktivieren der Luftaufbereitungseinrichtung 8 sowie das Schließen der Auslassventile 32 eingenommen. Die Kabine 4 wird dann ausschließlich in einem Umluftbetrieb klimatisiert. Das Erkennen der übermäßigen Luftverschmutzung kann durch Auswerten der umgebungsspezifischen Daten erfolgen. Hierbei werden bestimmte Parameter mit voreingestellten Grenzwerten verglichen. Bei Überschreitung eines Grenzwertes kann eine nicht tolerierte Luftverschmutzung angenommen werden.
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Anschließend, d.h. in dem oberen Höhenbereich 50, in dem der zweite Flugzustand angenommen ist, wird die Frischluftzufuhr durch Öffnen des Frischluftventils 10 und die Inbetriebnahme der Luftaufbereitungseinrichtung 8 wieder aufgenommen. Zusätzlich werden die Ausflussventile 32 wieder geöffnet. Die Kabinenhöhe steigt dann stärker bis zu einer maximalen Kabinenhöhe 60 an.
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Durch den Vergleich mit einer strichpunktierten Linie, die einen herkömmlichen Betrieb ausschließlich in einem zweiten Betriebszustand 53 ohne Umschaltung in den Umluftbetrieb darstellt, wird deutlich, dass die Kabinenhöhe in dem ersten Betriebszustand 52 nur vergleichsweise langsam bis zu einem Enddruck 58 ansteigt. Dies erfolgt hier beispielhaft ausschließlich durch eventuelle Leckagen in dem Rumpf, die zu einem Leckageluftstrom und damit einem langsamen Druckabfall führen. Nach dem Umschalten des Klimatisierungssystems 2 in einen zweiten Betriebszustand 55 steigt die Kabinenhöhe anschließend bis auf eine maximale Kabinenhöhe 60 an. Nach Einleiten des Sinkfluges wird zu einem gewissen Zeitpunkt wieder der bodennahe Bereich 48 erreicht, in dem der erste Flugzustand vorliegt und bei dem in dem gezeigten Fall erneut übermäßige Verunreinigungen in der das Flugzeug umgebenden Luft angenommen werden. Es erfolgt erneut das Schließen der Auslassventile 32 und das Deaktivieren der Frischluftzufuhr durch Schließen des Frischluftventils 10 und die Aktivierung der Luftaufbereitungseinrichtung 8.
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Eine Besonderheit ist in 2 weiterhin dahingehend zu erkennen, dass bei diesem Beginn eines erneuten ersten Betriebszustandes 54 am Ende einer Flugmission, d.h. in einer Sinkphase bzw. Landeanflugphase beim Eintritt in den betreffenden bodennahen Bereich 48, wenn dort eine Luftverunreinigung besteht, exemplarisch eine negative Kabinenhöhe 56 vorliegt. Die Steuereinheit 40 kann bereits deutlich vor diesem weiteren ersten Betriebszustand 54 aufgrund der Daten zu einer vorliegenden Verunreinigung in der Luft vorausschauend den Kabinendruck in der Kabine 4 regeln. Nach Beendigung des ersten Betriebszustands 54 liegt aufgrund eventueller Leckagen ein Enddruck bzw. eine damit korrespondierende Endkabinenhöhe 62 vor, der dem Enddruck entsprechen würde, welcher bei ausschließlicher Verwendung eines zweiten Betriebszustandes 55 zu erwarten ist.
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Die strichpunktierte Linie zeigt den Verlauf der Kabinenhöhe in einem herkömmlichen Betrieb, d.h. ohne eine Umschaltung in den Umluftbetrieb.
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Schließlich zeigt 3 ein Flugzeug 64, welches ein vorangehend erwähntes Klimatisierungssystem 2 aufweist.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
