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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Isoliervorrichtung zur thermischen Isolierung einer Komponente in einem Luftfahrzeug, eine Kabine in einem Luftfahrzeug und ein Luftfahrzeug.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Kabine eines Luftfahrzeugs wird üblicherweise sowohl im Flugbetrieb als auch im Bodenbetrieb des Flugzeugs mittels eines integrierten Klimatisierungssystems klimatisiert. Diesem wird beispielsweise Zapfluft zugeführt, die Verdichtern von Triebwerken oder Hilfstriebwerken entnommen wird. Klimaaggregate kühlen diese auf eine gewünschte Temperatur und führen diese einer Mischereinheit zu, in der sie mit der Kabine entnommener Rezirkulationsluft vermischt wird. Die daraus entstehende Mischluft wird über ein Luftverteilungssystem mit einer Vielzahl von Luftauslässen innerhalb der Kabine zugeführt.
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Da die Mischereinheit typischerweise im Unterdeckbereich, insbesondere im Bereich des Flügelkastens angeordnet ist, wird Mischluft zunächst über entlang der Längsachse verlaufende Leitungen nach vorne und hinten geleitet und gelangt über Steigleitungen in die Kabine im Oberdeck des Luftfahrzeugs, wo sie in den Luftauslässen münden. Typischerweise befinden sich Luftauslassöffnungen oberhalb von Sitzpositionen von Passagieren und sind daher z.B. an Deckenverkleidungspaneelen der Kabine ausgebildet.
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Es ist bekannt, über Steigleitungen jeweils eine Paarung aus einem seitlichen und einem oberen Luftauslass zu versorgen. Sowohl die Steigleitungen als auch die Luftauslässe sind üblicherweise aus einem festen Material gefertigt, in der Regel aus Verbundwerkstoffen. Es sind Luftverteiler bekannt, welche aus einem textilen Gewebe hergestellt und isoliert sind. Die Luftleitungen weisen üblicherweise einen gewissen Abstand zu anderen Installationen und der Rumpfstruktur des Flugzeugs auf. Hierzu sind Haltevorrichtungen mit der Struktur verbunden. Die Querschnitte der Luftleitungen sind hinsichtlich des vorhandenen Bauraums, einer Lärmentwicklung und eines erforderlichen Luftstroms ausgelegt und dabei üblicherweise kreisförmig, elliptisch oder abgeflacht ausgebildet. Sie korrespondieren dabei nicht immer mit den verfügbaren Querschnitten zwischen der Struktur und einer Kabinenverkleidung. Die Luftleitungen sind üblicherweise mit Lagen aus einem Schaumstoff isoliert. Weiterhin ist die Struktur des Luftfahrzeugs mit einer Primärisolierung isoliert, die mit einer an Verkleidungselementen angeordneten Matten einer Sekundärisolierung ergänzt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Da sich die Anforderungen an eine thermische Isolierung in verschiedenen Zuständen des Flugzeugs voneinander unterscheiden, die Isolierung aber stets gleichbleibend ist, kann eine Anpassung an sämtliche Zustände gleichzeitig nicht erfolgen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Luftleitungsvorrichtung vorzuschlagen, die eine verbesserte Anpassung einer Isolierung an mehrere Zustände des Flugzeugs erlaubt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Isoliervorrichtung zur thermischen Isolierung einer Komponente in einem Luftfahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird eine Isoliervorrichtung zur thermischen Isolierung einer Komponente in einem Luftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Isolierkammer, die an der Komponente positionierbar ist und eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist, und eine Luftzufuhreinheit, die mit der Einlassöffnung und/oder der Auslassöffnung zum Einleiten oder Ausleiten von Luft in die mindestens eine Isolierkammer koppelbar ist, wobei die mindestens eine Isolierkammer aus einem biegeweichen, weitgehend luftdichten Stoff ausgebildet ist, sodass sie durch Einleiten von Luft expandierbar und durch Ausleiten von Luft kontrahierbar ist, und wobei die Luftzufuhreinheit dazu ausgebildet ist, selektiv Luft in die mindestens eine Isolierkammer einzuleiten und darin zu halten, sodass die mindestens eine Isolierkammer expandiert und die Komponente thermisch isoliert, und selektiv Luft aus der mindestens einen Isolierkammer auszuleiten, sodass die mindestens eine Isolierkammer kontrahiert und die thermische Isolierung der Komponente reduziert.
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Die Komponente könnte eine Primärstruktur, ein Verkleidungselement, eine Luftleitung, eine Sekundärstruktur oder beliebige technische Einrichtungen des Luftfahrzeugs umfassen. Die betreffende Komponente könnte jede Komponente sein, die in dem Luftfahrzeug angeordnet ist und üblicherweise mit einer Isolierung versehen wird. Es ist denkbar, jede thermische Isolierung in dem Luftfahrzeug durch die erfindungsgemäße Isoliervorrichtung zu ersetzen.
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Die mindestens eine Isolierkammer kann auch eine Anordnung aus mehreren Isolierkammern sein. Die Form der mindestens einen Isolierkammer kann an die betreffende, zu isolierende Komponente angepasst werden. Es können mehrere voneinander getrennte Isolierkammern oder Anordnungen von Isolierkammern kombiniert werden, um die betreffende Komponente thermisch zu isolieren. Sowohl eine Matten- als auch eine Röhren- oder Stabform kann realisiert werden.
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Der biegeweiche und weitgehend luftdichte Stoff kann aus einem nicht luftdichten Stoff mit einer entsprechenden Beschichtung bestehen. Die Isolierkammer ist dazu gedacht, selektiv mit Luft befüllt zu werden um zu expandieren, sodass dann die Isolierkammer im Vergleich zum unbefüllten Zustand einen vergrößerten Querschnitt aufweist. Durch das Befüllen der Isolierkammer weist diese eine stärkere Isolierwirkung auf als im unbefüllten Zustand. Selektiv kann die Luft wieder aus der Isolierkammer entfernt werden, um die thermische Isolierwirkung zu reduzieren.
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Die Luftquelle zum Befüllen der mindestens einen Isolierkammer könnte durch separate Luftleitungen mit geringer Querschnittsfläche realisiert werden, die sich zu der betreffenden Komponente hin erstrecken. Es ist weiterhin denkbar, dass die mindestens eine Isolierkammer dort angeordnet wird, wo bereits Luftleitungen angeordnet sind. Diese könnten sich über entsprechende Flansche oder Anschlussstutzen mit der mindestens einen Isolierkammer verbinden lassen.
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Ziel ist, durch die Einlassöffnung Luft zum Expandieren der Isolierkammer einzuleiten und durch Verschließen der Einlassöffnung die Luft darin zu halten. Es ist auch denkbar, dass zum Aufrechterhalten einer gewünschten Befüllung gelegentlich, kontinuierlich, wiederholt oder auf andere Weise Luft nachströmen kann, um eine eventuelle Leckage der Isolierkammer auszugleichen. Durch die erfindungsgemäße Luftleitungsvorrichtung kann die thermische Isolierung der betreffenden Komponente direkt beeinflusst werden. Während des Reiseflugs des Luftfahrzeugs könnte eine thermische Isolierwirkung verringert werden, um den Kühlbedarf für Zuluft in die Kabine zu reduzieren. Befindet sich das Flugzeug indes am Boden an einem heißen Tag ist denkbar, die thermische Isolierwirkung zu erhöhen, sodass der Wärmeeintrag von außen begrenzt wird, was ebenso zu einer optimierten Kühlleistung führt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Komponente ein Luftkanal und die mindestens eine Isolierkammer umschließt den Luftkanal zumindest teilweise. Der Luftkanal kann insbesondere aus einem steifen oder zumindest formstabilen Material bestehen. Er kann einen beliebigen Querschnitt aufweisen, der zum Durchströmen von Luft geeignet ist. Außerdem kann er sich entlang einer beliebigen Strecke erstrecken und sowohl geradlinig, als auch ein- oder mehrfach gebogen sein. Er wird zumindest teilweise von der mindestens einen Isolierkammer umschlossen. Um die erfindungsgemäßen Vorteile möglichst gut auszunutzen, ist der Luftkanal möglichst weitgehend von der mindestens einen Isolierkammer umschlossen. Die mindestens einen Isolierkammer könnte sich entlang eines wesentlichen Teils der Länge des Luftkanals erstrecken. Es ist allerdings auch denkbar, dass sich mehrere Isolierkammern entlang der Länge des Luftkanals aneinander anschließen. Weiterhin ist denkbar, dass sich mehrere Isolierkammern in Umfangsrichtung um den Luftkanal herum aneinander anschließend erstrecken.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Luftzufuhreinheit ein Einlassventil auf, das an der Einlassöffnung angeordnet ist, sowie ein Auslassventil, das an der Auslassöffnung angeordnet ist. Das Einlassventil und das Auslassventil können mit einer Steuereinheit verbunden sein. Die Steuereinheit kann eine dedizierte Steuereinheit oder ein Teil einer in dem Flugzeug bereits vorhandenen Steuereinheit sein. Es ist denkbar, die Ventile durch Ansteuern zu öffnen oder zu schließen, um die Befüllung der mindestens einen Isolierkammer zu steuern. Ist die Isolierkammer zu befüllen kann das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet werden. Nach dem Einströmen von Luft in die Isolierkammer kann das Einlassventil wieder geschlossen werden. Zum Entleeren der Isolierkammer kann die Einlassöffnung geschlossen gehalten werden und das Auslassventil geöffnet werden. Durch Ausströmen oder Extrahieren der Luft wird die Isolierkammer entleert. Es ist weiterhin vorstellbar, dass zum Halten eines befüllten Zustand stets eine sehr geringe Menge an Luft kontinuierlich in die Isolierkammer strömt und das Auslassventil oder eine Wandung der mindestens einen Isolierkammer das Ausströmen unter Bewältigung eines hohen Strömungswiderstandes aufweist und hierbei einen kontinuierlichen Druck in der mindestens einen Isolierkammer hervorruft. Besonders bevorzugt kann die Ansteuerung der Ventile von einem Zustand des Flugzeugs abhängig gemacht werden. Das Einlassventil muss nicht zwangsläufig direkt an der Einlassöffnung angeordnet sein. Es ist denkbar, das Einlassventil über einen Stutzen oder einen Flansch mit der Einlassöffnung zu verbinden. Analog gilt dies für das Auslassventil, das über einen Stutzen oder einen Flansch mit der Auslassöffnung verbunden sein kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Einlassventil mit dem Luftkanal verbindbar. Die Luftzufuhreinheit könnte demnach durch den Luftkanal selbst realisiert werden und durch Öffnen des Einlassventils wird ein Teil der Luftströmung in die betreffende Isolierkammer geleitet, sodass diese expandiert. Gleichermaßen könnte das Auslassventil mit dem Luftkanal verbindbar sein. Es wäre dann sinnvoll, eine auf dem Venturi-Prinzip wirkende Saugdüse an dem Auslassventil anzuordnen, sodass die Luftströmung in dem Luftkanal aktiv die in der Isolierkammer befindliche Luft heraussaugt.
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Es ist denkbar, dass der Luftkanal einen seitlichen Ausschnitt aufweist, der mit dem Einlassventil verbindbar ist. Eine Strömungsrichtung der Luft, die aus dem Luftkanal durch das Einlassventil strömt, kann einen rechten Winkel zu der lokalen Längsachse des Luftkanals einschließen. Allerdings könnte die Strömungsrichtung auch mehr in Richtung der Luftströmung des Luftkanals verlaufen, sodass sich an dem Luftkanal eine Art Y-Abzweigung zu der lokalen Achse des Luftkanals ergibt.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Isolierkammern in Umfangsrichtung um den Luftkanal herum verteilt. Es ist vorstellbar, dass drei, vier, fünf oder mehr einzelne, in Längsrichtung des Luftkanals verlaufende Isolierkammern um den Luftkanal herum verteilt sind. Durch die Aufteilung in mehrere einzelne Isolierkammern in Umfangsrichtung kann die Isolationswirkung weiter verbessert werden. Durch örtliche Temperaturunterschiede innerhalb jeder einzelnen Kammer können dort freie konvektive Ströme entstehen, die die Isolationswirkung begrenzen. Eine Aufteilung in mehrere kleine Kammern kann dies vermeiden. Dies ist ein Effekt bei der nachträglichen Gebäudeisolierung, bei der in einen Luftspalt einer zweischaligen Wand hohle Glasperlen oder Styroporkugeln eingebracht, um eine bessere Isolationswirkung zu erzielen als mit dem Luftspalt zuvor.
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Analog gilt dies für jegliche andere Komponenten. Die mindestens eine Isolierkammer kann eine Anordnung aus mehreren, nebeneinander angeordneten Isolierkammern aufweisen. Diese können bevorzugt gemeinsam, alternativ dazu aber auch getrennt voneinander expandiert oder kontrahiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die mindestens eine Isolierkammer mit einem Extraktionsgebläse verbindbar ist. Das Extraktionsgebläse kann die betreffende Isolierkammer aktiv entleeren. Dabei könnte das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil geöffnet sein. Das Extraktionsgebläse könnte mit der weiter vorangehend genannten Steuereinheit verbunden sein.
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Die mindestens eine Isolierkammer könnte einen im expandierten Zustand runden und insbesondere kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt der Isolierkammer kann durch entsprechenden Zuschnitt oder Halterung der Isolierkammer beeinflusst werden. Es ist außerdem denkbar, dass der Stoff mit Verstärkungsfäden oder dergleichen ausgestattet ist, die die expandierte Form der Isolierkammer steuern.
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Weiterhin kann die mindestens eine Isolierkammer eine Stützstruktur aufweisen, die dazu ausgebildet ist, in einem kontrahierten Zustand der Isolierkammer eine Mindestdicke der Isolierkammer zu definieren. Die Isolierkammer kann demnach nicht unterhalb einer bestimmten Mindestdicke kontrahiert werden. Hierdurch kann ein übermäßiges Erschlaffen verhindert werden, durch das sich Falten bilden könnten, die eine zuverlässige Wiederbefüllung verhindern. Die Isoliervorrichtung weist folglich im kontrahierten Zustand eine definierte Mindestisolierwirkung auf, d.h. einen definierten Mindestwärmeleitkoeffizienten. Die Stützstruktur kann unterschiedliche Materialien aufweisen, die ein möglichst geringes Gewicht und eine möglichst hohe Steifigkeit aufweisen. Beispielhaft kann dies ein Aerogel sein. Es könnten indes auch eine Gitterstruktur sein, die aus mit einem Kunststoff imprägnierten Fasern besteht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die mindestens eine Isolierkammer eine Anordnung aus mehreren über einen Querschnitt der mindestens einen Isolierkammer verlaufenden Stränge eines elektroaktiven Polymers aufweisen, wobei die Stränge mit einer elektrischen Spannung versorgbar sind, um eine Kontraktion durchzuführen und den Querschnitt der mindestens einen Isolierkammer zu verringern. Die Kontraktion kann aktiv die Luft aus der Isolierkammer ausleiten.
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Besonders bevorzugt besteht die mindestens eine Isolierkammer aus einem textilen Gewebe. Dadurch kann eine biegeweiche Struktur realisiert werden, die durch entsprechende Materialwahl auch luftdicht ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Kabine für ein Luftfahrzeug, aufweisend mindestens eine Komponente, die mit einer Isoliervorrichtung gemäß der vorhergehenden Beschreibung isoliert ist. Dies kann ein Teil einer Primärstruktur sein, ein Verkleidungselement, eine Luftleitung bzw. ein Luftkanal, eine Sekundärstruktur oder beliebige technische Einrichtungen des Luftfahrzeugs.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Kabine ein Luftverteilungssystem auf, das die mindestens eine Komponente umfasst. Wie vorangehend dargestellt kann ein Luftverteilungssystem üblicherweise in Längsrichtung verlaufende Leitungen sowie Steigleitungen aufweisen. Beide Arten von Leitungen sowie Auslässe oder Verteiler können nach den erfindungsgemäßen Prinzipien isoliert sein.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, aufweisend mindestens eine Kabine wie vorangehend erwähnt.
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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 eine Schnittdarstellung einer Kabine mit einem Luftverteilungssystem.
- 2 und 3 zeigen einen Längsschnitt einer Luftleitungsvorrichtung.
- 4 bis 5d zeigen Isolierkammern in einer Schnittdarstellung.
- 6 a und 6b zeigen einen Längsschnitt einer Isolierkammer mit Strängen elektroaktiver Polymere.
- 7 zeigt ein Flugzeug.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Kabine 2 eines Luftfahrzeugs. Die Kabine 2 weist einen Kabinenfußboden 4 auf, unter dem die wesentlichen Komponenten eines Klimatisierungssystems angeordnet sind. Diese umfassen eine Mischereinheit 6, mit der Mischereinheit 6 gekoppelte Klimaaggregate 8 und Rezirkulationsgebläse 10 sowie stromaufwärts der Rezirkulationsgebläse 10 angeordnete Filter 12. In die Mischereinheit 6 wird aufbereitete Frischluft und der Kabine 2 entnommene Rezirkulationsluft geleitet und strömt von dort als Zuluft in ein Luftverteilungssystem 14. Dieses weist Luftleitungen 16 auf, wobei ein in einer Luftleitung 16 angeordneter Luftkanal 18 als thermisch zu isolierende Komponente in 2 in einem Detailschnitt gezeigt ist.
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Der in 2 gezeigte Luftkanal 18 ist von einer Isolierkammer 20 teilweise umschlossen. Eine Einlassöffnung 22 ist in der Isolierkammer 20 vorgesehen, um Luft beispielhaft aus dem Luftkanal 18 in die Isolierkammer 20 zu leiten. Dadurch kann die Isolierkammer 20, welche aus einem biegeweichen, weitgehend luftdichten Stoff ausgebildet ist, expandieren. Folglich vergrößert sich der Querschnitt der Isolierkammer 20, sodass der Luftkanal 18 von einem definierten Luftvolumen umschlossen ist und dadurch thermisch isoliert ist.
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Wie in 3 dargestellt, kann die Isolierkammer 20 mit einem Einlassventil 24 und einem Auslassventil 26 an einer Auslassöffnung 25 gekoppelt sein, um sie selektiv mit Luft zu befüllen oder zu entleeren. Das Einlassventil 24 steht in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Luftkanal 18 in Verbindung. Das Auslassventil 26 ist mit einem Extraktionsgebläse 28 verbunden, welches Luft aus der Isolierkammer 20 ausleitet.
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4 zeigt eine Anordnung aus mehreren, parallel zueinander verlaufenden Luftkanälen 18. Diese Anordnung wird von mehreren Isolierkammern 20 umgeben, die erfindungsgemäß expandierbar oder und kontrahierbar sind. Die Isolierkammern 20 sind in Umfangsrichtung um die Luftkanäle 18 verteilt.
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Wie weiter schematisch in den 5a, 5b, 5c und 5d dargestellt kann auch ein Strukturbauteil 30 als zu isolierende Komponente durch eine Anordnung aus Isolierkammern 20 thermisch isoliert werden. Die Isolierkammern 20 sind nebeneinander angeordnet und bilden so eine mattenartige Struktur. Sie können unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Während in den 5a und 5b weitgehend kreisförmige Isolierkammern 20 gezeigt sind, sind in den 5c und 5d die Isolierkammern 20 mit einem eher eckigen Querschnitt dargestellt. 5b und 5d zeigt die Isolierkammern 20 jeweils im kontrahierten Zustand, während sie in 5a und 5c expandiert gezeigt sind.
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6a und 6b zeigen eine Isolierkammer 32, in der eine Anordnung 34 aus mehreren über einen Querschnitt der Isolierkammer 32 verlaufenden Stränge 36 eines elektroaktiven Polymers aufweisen, wobei die Stränge 36 mit einer elektrischen Spannung versorgbar sind, um eine Kontraktion durchzuführen und den Querschnitt der Isolierkammer zu verringern 32. In 6b sind die Stränge in einem Neutralzustand, in dem sie entspannt sind. In 6a sind die Stränge 36 kontrahiert, sodass der Querschnitt verringert wird. Diese Kontraktion leitet aktiv die Luft aus der Isolierkammer 32 aus und erhöht den Wärmeleitkoeffizient im Vergleich zu dem Zustand in 6a.
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Schließlich zeigt 7 ein Luftfahrzeug 38 mit einer darin angeordneten Kabine 2.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kabine
- 4
- Kabinenfußboden
- 6
- Mischereinheit
- 8
- Klimaaggregat
- 10
- Rezirkulationsgebläse
- 12
- Filter
- 14
- Luftverteilungssystem
- 16
- Luftleitung
- 18
- Luftkanal / Komponente
- 20
- Isolierkammer
- 22
- Einlassöffnung
- 24
- Einlassventil
- 25
- Auslassöffnung
- 26
- Auslassventil
- 28
- Extraktionsgebläse
- 30
- Strukturbauteil / Komponente
- 32
- Isolierkammer
- 34
- Anordnung
- 36
- Strang
- 38
- Luftfahrzeug
