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Die Erfindung betrifft ein insbesondere zur Kühlung von Lebensmitteln, aber auch wärmeerzeugenden Einrichtungen, wie zum Beispiel elektronischen Komponenten, an Bord eines Flugzeugs geeignetes Kühlsystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems.
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Flugzeugkühlsysteme, die zur Kühlung von Lebensmitteln, aber auch wärmeerzeugenden Einrichtungen, wie zum Beispiel elektronischen Komponenten, an Bord eines Flugzeugs geeignet sind, sind beispielsweise aus der
DE 43 403 17 C2 bzw. der
US 5,513,500 , der
DE 10 2006 005 035 B3 bzw. der
WO 2007/088012 A1 oder der
DE 10 2009 011 797 A1 bzw. der
US 2010/251737 A1 bekannt. Diese Flugzeugkühlsysteme sind mit einer zentralen Kälteerzeugungseinrichtung ausgestattet, die einem in einem Kälteträgerkreislauf zirkulierenden, flüssigen oder zweiphasigen Kälteträgermedium Kühlenergie zuführt. Über das Kälteträgermedium wird die von der Kälteerzeugungseinrichtung erzeugte Kühlenergie zu den an Bord des Flugzeugs vorhandenen Kühlenergieverbrauchern geleitet.
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Von der Kälteerzeugungseinrichtung erzeugte Abwärme wird üblicherweise mittels eines Wärmetauschers, der in einem beispielsweise in der
DE 10 2009 017 040 A1 bzw. der
US 8,262,018 B2 beschriebenen Stauluftkanal angeordnet ist, an die Flugzeugumgebung abgeführt. Im Flugbetrieb des Flugzeugs wird der Stauluftkanal von Stauluft durchströmt. Im Bodenbetrieb des Flugzeugs sorgt dagegen ein in dem Stauluftkanal vorgesehener Ventilator dafür, dass ausreichend Umgebungsluft zur Kühlung des Wärmtauschers durch den Stauluftkanal gefördert wird. Sowohl die Kälteerzeugungseinrichtung als auch der Wärmtauscher zur Abfuhr der von der Kälteerzeugungseinrichtung im Betrieb erzeugten Abwärme sind üblicherweise so ausgelegt und dimensioniert, dass die zu kühlenden Einrichtungen an Bord des Flugzeugs auch unter extremen Bedingungen, wie z. B. im Bodenbetrieb des Flugzeugs bei sehr heißen Außentemperaturen, mit ausreichend Kühlenergie versorgt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich seines Gewichts und seines Einbauraumbedarfs optimiertes Flugzeugkühlsystem bereitzustellen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Betreiben eines derartigen Flugzeugkühlsystems anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Flugzeugkühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeugkühlsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Ein Flugzeugkühlsystem umfasst eine Kälteerzeugungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, im Betrieb Kühlenergie zu erzeugen. Die Kälteerzeugungseinrichtung kann beispielsweise in Form einer Kompressionskältemaschine ausgebildet und dazu eingerichtet sein, die von ihr erzeugte Kühlenergie an ein in einem Kälteträgerkreislauf zirkulierendes Kälteträgermedium abzugeben. Bei dem in dem Kälteträgerkreislauf zirkulierenden Kälteträgermedium kann es sich um ein flüssiges oder ein zweiphasiges Kälteträgermedium handeln. Über den Kälteträgerkreislauf kann die von der Kälteerzeugungseinrichtung erzeugte Kühlenergie verschiedenen Verbrauchern an Bord eines Flugzeugs zugeführt werden. Kühlenergieverbraucher, die mithilfe des Flugzeugkühlsystems mit Kühlenergie versorgt werden, können beispielsweise an Bord des Flugzeugs im Bereich der Galleys gelagerte Lebensmittel, aber auch wärmeerzeugende Einrichtungen, wie z. B. Elektronikkomponenten, oder auch zu kühlende Räume sein.
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Das Flugzeugkühlsystem umfasst ferner einen thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauscher. Der Wärmetauscher kann beispielsweise in Form eines Kondensators ausgeführt sein und dazu dienen, die von der Kälteerzeugungseinrichtung im Betrieb erzeugte Abwärme von der Kälteerzeugungseinrichtung abzuführen. Falls das Flugzeugkühlsystem mehrere Kälteerzeugungseinrichtungen umfasst, kann jeder Kälteerzeugungseinrichtung ein separater Wärmetauscher zur Abwärmeabfuhr zugeordnet sein. Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, die Abwärme mehrerer Kälteerzeugungseinrichtungen über lediglich einen entsprechend dimensionierten Wärmetauscher von den Kälteerzeugungseinrichtungen abzuführen.
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Ein Stauluftkanal des Flugzeugkühlsystems ist dazu eingerichtet, dem thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauscher Kühlluft zuzuführen, um im Betrieb der Kälteerzeugungseinrichtung erzeugte Abwärme von dem Wärmetauscher an die Flugzeugumgebung abzuführen. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher in dem Stauluftkanal angeordnet, sodass den Stauluftkanal durchströmende Umgebungsluft direkt durch den Wärmetauscher geleitet und dadurch ein besonders effizienter Wärmetransfer auf die den Stauluftkanal durchströmende Umgebungsluft realisiert werden kann. In dem Stauluftkanal kann ferner eine beispielsweise in Form eines Ventilators ausgebildete Fördereinrichtung zur Förderung von Umgebungsluft durch den Stauluftkanal angeordnet sein. Beispielsweise kann die Fördereinrichtung stromabwärts des Wärmetauschers in dem Stauluftkanal positioniert sein. Der Begriff ”stromabwärts” bezieht sich hier auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch den Stauluftkanal.
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Im Flugbetrieb des Flugzeugs wird der Stauluftkanal von Stauluft durchströmt, wobei der Stauluftstrom durch den Stauluftkanal durch eine entsprechende Steuerung einer im Bereich eines Stauluftkanaleinlasses vorgesehenen Stauluftkanaleinlassklappe und/oder einer im Bereich eines Stauluftkanalauslasses vorgesehenen Stauluftkanalauslassklappe oder Auslassdüse gesteuert werden kann. Durch Öffnen der Stauluftkanaleinlassklappe und/oder der Stauluftkanalauslassklappe kann der Umgebungsluftvolumenstrom durch den Stauluftkanal und damit die Menge der zur Kühlung des Wärmetauschers zu Verfügung stehenden Kühlenergie gesteigert werden. Das Öffnen der Stauluftkanaleinlassklappe und/oder der Stauluftkanalauslassklappe erhöht jedoch den durch den Stauluftkanal verursachten aerodynamischen Verlust und folglich den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs. Im Bodenbetrieb des Flugzeugs kann die in dem Stauluftkanal angeordnete Fördereinrichtung dafür sorgen, dass der Stauluftkanal von ausreichend Umgebungsluft durchströmt wird, um eine ordnungsgemäße Wärmeabfuhr von dem thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauscher zu gewährleisten.
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Das Flugzeugkühlsystem ist mit einem Verbindungselement ausgestattet, das ein mit dem Stauluftkanal verbundenes erstes Ende sowie ein mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft verbindbares zweites Ende umfasst. Das Verbindungselement ist dazu eingerichtet, dem Stauluftkanal zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems konditionierte, d. h. aufbereitete gekühlte Luft zuzuführen. Wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird, kann die dem Stauluftkanal zuzuführende konditionierte Luft von verschiedenen flugzeuginternen und/oder flugzeugexternen Vorrichtungen bereitgestellt werden. Wesentlich ist lediglich, dass bei Bedarf konditionierte Luft in den Stauluftkanal eingeleitet und dazu genutzt werden kann, den thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauscher zu kühlen. Grundsätzlich ist es denkbar, dem Stauluftkanal in allen Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems konditionierte Luft zuzuführen. Vorzugsweise wird die Zuführung konditionierter Luft in den Stauluftkanal jedoch auf bestimmte Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems beschränkt. Beispielsweise kann dem Stauluftkanal im Bodenbetrieb eines mit dem Flugzeugkühlsystem ausgestatteten Flugzeugs, insbesondere bei hohen Außentemperaturen, oder im Flug- oder Bodenbetrieb des Flugzeugs, wenn die Kälteerzeugungseinrichtung unter hoher Last betrieben wird, konditionierte Luft zugeführt werden.
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Dadurch ist es nicht länger erforderlich, den Stauluftkanal, den Wärmetauscher sowie eine in dem Stauluftkanal angeordnete Fördereinrichtung, die im Bodenbetrieb eines mit dem Flugzeugkühlsystem ausgestatteten Flugzeugs Umgebungsluft durch den Stauluftkanal fördert, so auszulegen, dass auch unter extremen Bedingungen, beispielsweise bei sehr heißen Außentemperaturen und/oder bei einem Betrieb der Kälteerzeugungseinrichtung unter Volllast, allein durch die den Stauluftkanal durchströmende Umgebungslust eine ausreichende Abwärmeabfuhr von der Kälteerzeugungseinrichtung gewährleistet ist. Der Stauluftkanal, der Wärmetauscher und die Fördereinrichtung können folglich leichtgewichtiger und kleinvolumiger ausgelegt werden. Gegebenenfalls kann auf die Fördereinrichtung sogar ganz verzichtet werden.
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Eine Verringerung der Maximaltemperatur der zur Kühlung des thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauschers genutzten Kühlluft kann ferner eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Kälteerzeugungseinrichtung zur Folge haben. Folglich kann auch die Kälteerzeugungseinrichtung kleiner und leichter gestaltet werden. Darüber hinaus wird die Bandbreite zwischen erforderlicher Maximalleistung und Minimalleistung der Kälteerzeugungseinrichtung geringer, wodurch die Betriebseffizienz und die Robustheit der Kälteerzeugungseinrichtung verbessert werden können. Schließlich ermöglicht die Ausgestaltung des Flugzeugkühlsystems mit einem Verbindungselement, über das dem Stauluftkanal zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems konditionierte Luft zugeführt werden kann, den Betrieb der Kälteerzeugungseinrichtung mit einer größeren Bandbreite von Kälteträgermedien, da nun auch Kälteträgermedien eingesetzt werden können, die bei höheren Kühllufttemperaturen nicht oder nur eingeschränkt einsetzbar sind. Ein derartiges Kälteträgermedium ist beispielsweise CO2 (R744).
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Das Verbindungselement kann ein erstes Ende aufweisen, das mit einem in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Stauluftkanaleinlass des Stauluftkanals verbunden sein kann. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Verbindungselements kann dem Stauluftkanal über den Stauluftkanaleinlass konditionierte Luft zugeführt werden. Auf die Ausbildung zusätzlicher Öffnungen in dem Stauluftkanal zur Zufuhr von konditionierter Luft in den Stauluftkanal kann dann verzichtet werden. Vielmehr kann der Stauluftkanaleinlass dann in einfacher und komfortabler Weise über das Verbindungselement mit der Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft verbunden werden. Eine derartige Ausgestaltung des Flugzeugkühlsystems ist insbesondere dann sinnvoll, wenn dem Stauluftkanal lediglich im Bodenbetrieb eines mit dem Flugzeugkühlsystem ausgestatteten Flugzeugs konditionierte Luft zugeführt werden soll.
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Alternativ dazu kann das erste Ende des Verbindungselements jedoch auch mit einem stromabwärts des Stauluftkanaleinlasses gelegenen Bereich des Stauluftkanals verbunden sein Der Begriff ”stromabwärts” bezieht sich in diesem Kontext auf die Strömungsrichtung der Luft, d. h. der Umgebungsluft und/oder der konditionierten Luft durch den Stauluftkanal. Bei einer derartigen Konfiguration muss der Stauluftkanal mit einer zusätzlichen Öffnung zur Verbindung des Stauluftkanals mit dem Verbindungselement versehen sein. Über ein Verbindungselement, dessen erstes Ende mit einem stromabwärts des Stauluftkanaleinlasses gelegenen Bereich des Stauluftkanals verbunden ist, kann dem Stauluftkanal jedoch auch im Flugbetrieb eines mit dem Flugzeugkühlsystem ausgestatteten Flugzeugs konditionierte Luft zugeführt werden. Ferner kann dem Stauluftkanal gleichzeitig durch den Stauluftkanaleinlass Umgebungsluft und über die die mit dem Verbindungselement verbundene zusätzliche Öffnung konditionierte Luft zugeführt werden.
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Schließlich ist es auch denkbar, das Flugzeugkühlsystem mit einer Mehrzahl von Verbindungselementen auszustatten, wobei ein erstes Ende mindestens eines Verbindungselements mit einem in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Stauluftkanaleinlass des Stauluftkanals und ein erstes Ende mindestens eines weiteren Verbindungselements mit einem stromabwärts des Stauluftkanaleinlasses gelegenen Bereich des Stauluftkanals verbunden sein kann. Die Verbindungselemente können den Stauluftkanal mit lediglich einer Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft verbinden. Es ist jedoch auch denkbar, den Stauluftkanal über mehrere Verbindungselemente mit mehreren Vorrichtungen zur Bereitstellung konditionierter Luft zu verbinden.
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Das Verbindungselement kann in Form eines Schlauchs oder eines Rohrs ausgestaltet sein. Insbesondere dann, wenn das Verbindungselement dazu vorgesehen ist, an seinem ersten Ende mit einem in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Stauluftkanaleinlass des Stauluftkanals verbunden zu werden, kann das Verbindungselement auch so gestaltet und dimensioniert sein, dass es aufgrund des im Bereich des Stauluftkanaleinlasses bei der Zufuhr der konditionierten Luft in den Stauluftkanal entstehenden Unterdrucks an dem Stauluftkanaleinlass haftet. Eine derartige Gestaltung des Verbindungselements ermöglicht es, auf die Ausrüstung eines mit dem Flugzeugkühlsystem ausgestatteten Flugzeugs mit einer Befestigungseinrichtung zur Befestigung des Verbindungselements am Flugzeug zu verzichten.
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Ein zweites Ende des Verbindungselements kann dazu eingerichtet sein, mit einem flugzeugexternen Klimaaggregat, einem flugzeuginternen Klimaaggregat einer Flugzeugklimaanlage, einer Zufuhrleitung der Flugzeugklimaanlage, die dazu eingerichtet ist, der Flugzeugkabine konditionierte Luft zuzuführen, und/oder einer Kabinenabluftleitung zur Abfuhr von Abluft aus der Flugzeugkabine verbunden zu werden. Mit anderen Worten, die Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft kann ein flugzeugexternes Klimaaggregat, eine flugzeuginternes Klimaaggregat einer Flugzeugklimaanlage, eine Zufuhrleitung der Flugzeugklimaanlage, die dazu eingerichtet ist, der Flugzeugkabine konditionierte Luft zuzuführen, und/oder eine Kabinenabluftleitung zur Abfuhr von Abluft aus der Flugzeugkabine umfassen oder durch diese Komponenten gebildet werden.
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Ein flugzeugexternes Klimaaggregat, das zum Einsatz als Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft in einem Flugzeugkühlsystem geeignet ist, ist beispielsweise in der
EP 2 307 274 B1 bzw. der
US 2011/0177771 A1 oder der
EP 2 401 201 B1 bzw. der
US 2012/0064816 A1 beschrieben. Es versteht sich, dass eine ein flugzeugexternes Klimaaggregat umfassende Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft lediglich im Bodenbetrieb eines mit dem Flugzeugkühlsystem ausgestatteten Flugzeugs dazu eingesetzt werden kann, konditionierte Luft in den Stauluftkanal einzuleiten. Falls gewünscht, kann ein in dem Flugzeugkühlsystem als Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft genutztes flugzeugexternes Klimaaggregat auch dazu genutzt werden, der Kabine des Flugzeugs konditionierte Luft zuzuführen. Dadurch kann nicht nur das Flugzeugkühlsystem, sondern auch die Klimaanlage des Flugzeugs im Bodenbetrieb des Flugzeugs entlastet werden.
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Wenn dem Stauluftkanal unmittelbar von einem flugzeuginternen Klimaaggregat einer Flugzeugklimaanlage erzeugte oder aus einer konditionierte Luft führenden Zufuhrleitung der Flugzeugklimaanlage abgezweigte konditionierte Luft zugeführt wird, kann der thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelte Wärmetauscher nicht nur im Bodenbetrieb, sondern auch im Flugbetrieb des Flugzeugs durch konditionierte Luft gekühlt werden. Insbesondere in Betriebsphasen, in denen die Flugzeugklimaanlage nicht voll ausgelastet ist, kann dies vorteilhaft sein, da die Stauluftströmung durch den Stauluftkanal dann verringert oder sogar gestoppt werden kann. Folglich können die durch den Stauluftkanal verursachten aerodynamischen Verluste verringert und der Treibstoffverbrauch des Flugzeugs gesenkt werden.
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Wenn Abluft aus der Flugzeugkabine dazu genutzt wird, den thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauscher zu kühlen, kann der Wärmetauscher ebenfalls nicht nur im Bodenbetrieb, sondern auch im Flugbetrieb des Flugzeugs mit Kühlluft einer entsprechenden Temperatur versorgt werden. Üblicherweise liegt die Kabinenablufttemperatur bei 20 bis 24°C, maximal bei 30°C. Damit ist die aus der Flugzeugkabine abgeführte Abluft zwar in der Regel warmer als von einem flugzeuginternen Klimaaggregat einer Flugzeugklimaanlage erzeugte Luft, bei der Nutzung von Kabinenabluft zur Kühlung des thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauschers wird die Flugzeugklimaanlage jedoch nicht zusätzlich belastet. Vielmehr wird Luft, die ansonsten ungenutzt in die Flugzeugumgebung abgeführt werden würde, in besonders energieeffizienter Weise zur Kühlung des thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauschers eingesetzt.
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Die Kabinenabluft kann einen beliebigen bedruckten Bereich des Flugzeugs, also beispielsweise einer Passagierkabine, einem Frachtraum oder einer Bilge entnommen werden. Ähnlich wie die Nutzung von konditionierter Luft, die einem flugzeuginternen Klimaaggregat einer Flugzeugklimaanlage oder einer konditionierte Luft führenden Zufuhrleitung der Flugzeugklimaanlage entnommen wird, ermöglicht auch der Einsatz von Kabinenabluft zur Kühlung des thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauschers im Flugbetrieb des Flugzeugs eine Verringerung des Stauluftstroms durch den Stauluftkanal. Dies ermöglicht wiederum eine Verringerung der durch den Stauluftkanal erzeugten aerodynamischen Verluste des Flugzeugs sowie eine daraus resultierende Verringerung des Treibstoffverbrauchs des Flugzeugs.
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Insbesondere dann, wenn der thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelte Wärmetauscher des Flugzeugkühlsystems durch aus der Flugzeugkabine abgeführte Abluft gekühlt werden soll, kann das zweite Ende des Verbindungselements mit einem in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Kabinenabluftauslass verbunden sein. Eine derartige Konfiguration bietet sich insbesondere im Bodenbetrieb des Flugzeugs an, da dann keine zusätzlichen flugzeuginternen Leitungen erforderlich sind, um die aus der Flugzeugkabine abgeführte Abluft in den Stauluftkanal zu leiten. Vielmehr ist es lediglich erforderlich, ein beispielsweise in Form eines Schlauchs oder dergleichen ausgebildetes Verbindungselement an seinem ersten Ende mit dem Stauluftkanaleinlass des Stauluftkanals und an seinem zweiten Ende mit dem in der Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Kabinenabluftauslass zu verbinden.
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Alternativ dazu kann das zweite Ende des Verbindungselements jedoch auch mit einem stromaufwärts des Kabinenabluftauslasses gelegenen Bereich der Kabinenabluftleitung verbunden sein. Der Begriff ”stromaufwärts” bezieht sich hier auf die Strömungsrichtung der Kabinenabluft durch die Kabinenabluftleitung. Eine derartige Ausgestaltung des Verbindungselements ermöglicht es, auch im Flugbetrieb des Flugzeugs aus der Flugzeugkabine abgeführte Abluft in den Stauluftkanal zu leiten.
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Schließlich ist es denkbar, in einem mehrere Verbindungselemente umfassenden Flugzeugkühlsystem ein zweites Ende mindestens eines Verbindungselements mit einem in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Kabinenabluftauslass und ein zweites Ende mindestens eines weiteren Verbindungselements mit einem stromaufwärts des Kabinenabluftauslasses gelegenen Bereich der Kabinenabluftleitung zu verbinden. Mindestens ein Verbindungselement kann dann dazu dienen, dem Stauluftkanal im Flugbetrieb des Flugzeugs Kabinenabluft zuzuführen, während im Bodenbetrieb des Flugzeugs alternativ oder zusätzlich mindestens ein weiteres Verbindungselement dazu genutzt werden kann, dem Stauluftkanal über den Kabinenabluftauslass aus der Flugzeugkabine abgeführte Abluft zuzuleiten.
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Das Flugzeugkühlsystem kann ferner eine Vorrichtung zur pneumatischen Entkopplung umfassen, die dazu eingerichtet ist, einen dem Verbindungselement zugeführten Volumenstrom an konditionierter Luft pneumatisch von einem aus dem Verbindungselement austretenden Volumenstrom an konditionierter Luft zu entkoppeln. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die konditionierte Luft dem Verbindungselement mit einem Druck und/oder einem Volumenstrom zugeführt wird, der sich von dem Druck und/oder dem Volumenstrom unterscheidet, mit der die konditionierte Luft in den Stauluftkanal geleitet werden soll. Beispielsweise kann eine Vorrichtung zur pneumatischen Entkopplung dazu eingesetzt werden, einen Kabinenabluftstrom, der einem in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Kabinenabluftauslass entnommen wird, von einem dem Stauluftkanal über einen Stauluftkanaleinlass zugeführten Luftstrom zu entkoppeln.
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Das Flugzeugkühlsystem kann ferner eine Steuereinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb eines Ventils des Verbindungselements, einer Stauluftkanaleinlassklappe und/oder einer Stauluftkanalauslassklappe derart zu steuern, dass ein Volumenstrom der dem Stauluftkanal zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems zugeführten konditionierten Luft einem Soll-Volumenstrom entspricht. Das Ventil des Verbindungselements kann beispielsweise in Form einer Klappe ausgebildet und im Bereich des ersten Endes des Verbindungselements, im Bereich des zweiten Endes des Verbindungselements oder an anderer Stelle in dem Verbindungselement angeordnet sein. Durch das Ventil kann die Zufuhr von konditionierter Luft in den Stauluftkanal wie gewünscht gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu ermöglicht eine entsprechende Steuerung der Stauluftkanaleinlassklappe und/oder der Stauluftkanalauslassklappe durch die daraus resultierende Steuerung der Druckverhältnisse in dem Stauluftkanal eine Steuerung des Volumenstroms an konditionierter Luft durch den Stauluftkanal. Die Steuereinheit kann jedoch auch dazu eingerichtet sein, durch eine entsprechende Steuerung der Stauluftkanaleinlassklappe und/oder der Stauluftkanalauslassklappe dem durch den Stauluftkanal geleiteten Volumenstrom an konditionierter Luft einen gewünschten Volumenstrom an Umgebungsluft zuzumischen, so dass der Stauluftkanal von einem konditionierte Luft und Umgebungsluft enthaltenden Mischluftvolumenstrom durchströmt wird.
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Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, den Soll-Volumenstrom der dem Stauluftkanal zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems zugeführten konditionierten Luft in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur, der an das Flugzeugkühlsystem gestellten Kühlleistungsanforderung und/oder der aktuellen Kapazität der Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft zu bestimmen. Hierzu können der Steuereinheit beispielsweise von entsprechenden Sensoren Signale übermittelt werden, die der Steuereinheit Informationen betreffend die Umgebungsbedingungen, insbesondere die Umgebungstemperatur, den Betriebszustand des Flugzeugkühlsystems, insbesondere die an das Flugzeugkühlsystem gestellte Kühlleistungsanforderung und/oder die Kapazität der Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft liefern.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Flugzeugkühlsystems wird mittels einer Kälteerzeugungseinrichtung Kühlenergie erzeugt. Mittels eines Stauluftkanals wird einem thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung gekoppelten Wärmetauscher Kühlluft zugeführt, um im Betrieb der Kälteerzeugungseinrichtung erzeugte Abwärme von dem Wärmetauscher an die Flugzeugumgebung abzuführen. Zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems wird dem Stauluftkanal von einer Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft bereitgestellte konditionierte Luft zugeführt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Flugzeugkühlsystems wird einem in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Stauluftkanaleinlass von der Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft bereitgestellte konditionierte Luft zugeführt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch einem stromabwärts des Stauluftkanaleinlasses gelegenen Bereich des Stauluftkanals von der Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft bereitgestellte konditionierte Luft zugeführt werden.
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Der Stauluftkanal kann von einem flugzeugexternen Klimaaggregat, einem flugzeuginternen Klimaaggregat einer Flugzeugklimaanlage, einer Zufuhrleitung der Flugzeugklimaanlage, die dazu eingerichtet ist, der Flugzeugkabine konditionierte Luft zuzuführen, und/oder einer Kabinenabluftleitung zur Abfuhr von Abluft aus der Flugzeugkabine konditionierte Luft zugeführt werden.
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Dem Stauluftkanal kann aus einem in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Kabinenabluftauslass konditionierte Luft zugeführt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann dem Stauluftkanal auch aus einem stromaufwärts des Kabinenabluftauslasses gelegenen Bereich der Kabinenabluftleitung konditionierte Luft zugeführt werden.
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Ein aus der Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft austretender Volumenstrom an konditionierter Luft kann pneumatisch von einem dem Stauluftkanal zugeführten Volumenstrom an konditionierter Luft entkoppelt werden.
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Der Betrieb eines Ventils eines Verbindungselements, das ein mit dem Stauluftkanal verbundenes erstes Ende sowie ein mit der Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft verbindbares zweites Ende umfasst, kann mittels einer Steuereinheit derart gesteuert werden, dass ein Volumenstrom der dem Stauluftkanal zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems zugeführten konditionierten Luft einem Soll-Volumenstrom entspricht. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Betrieb einer Stauluftkanaleinlassklappe und/oder der Betrieb einer Stauluftkanalauslassklappe mittels einer Steuereinheit derart gesteuert werden, dass ein Volumenstrom der dem Stauluftkanal zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems zugeführten konditionierten Luft einem Soll-Volumenstrom entspricht.
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Die Steuereinheit kann den Soll-Volumenstrom der dem Stauluftkanal zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems zugeführten konditionierten Luft in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungstemperatur, in Abhängigkeit des Betriebszustands des Flugzeugkühlsystems, insbesondere in Abhängigkeit der an das Flugzeugkühlsystem gestellten Kühlleistungsanforderung, und/oder in Abhängigkeit der aktuellen Kapazität der Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft bestimmen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen
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1 eine erste Ausführungsform eines Flugzeugkühlsystems zeigt,
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2 eine zweite Ausführungsform eines Flugzeugkühlsystems zeigt,
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3 eine dritte Ausführungsform eines Flugzeugkühlsystems zeigt, und
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4 eine vierte Ausführungsform eines Flugzeugkühlsystems zeigt.
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1 zeigt ein Flugzeugkühlsystem 10, das eine in Form einer Kompressionskältemaschine ausgebildete Kälteerzeugungseinrichtung 12 umfasst. Von der Kälteerzeugungseinrichtung 12 erzeugte Kühlenergie wird über ein Kälteträgermedium, das in einem nicht veranschaulichten Kälteträgerkreislauf zirkuliert, verschiedenen Kühlenergieverbrauchern an Bord des Flugzeugs zugeführt. Von der Kälteerzeugungseinrichtung 12 im Betrieb erzeugte Abwärme wird mittels eines Wärmetauschers 14 von der Kälteerzeugungseinrichtung 12 abgeführt.
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Der in Form eines Kondensators ausgebildete Wärmetauscher 14 ist in einem Stauluftkanal 16 angeordnet. Der Stauluftkanal 16 umfasst einen Stauluftkanaleinlass 18 sowie einen Stauluftkanalauslass 20. Der Stauluftkanaleinlass 18 ist mittels einer Stauluftkanaleinlassklappe 22 verschließbar. Die Stauluftkanaleinlassklappe 22 wird von einem Aktuator 24 betätigt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Flugzeugkühlsystems 10 ist der Stauluftkanal 16 nicht mit einer Stauluftkanalauslassklappe ausgestattet. Falls gewünscht, ist es jedoch möglich, auch im Bereich des Stauluftkanalauslasses 20 eine mittels eines Aktuators betätigbare Klappe vorzusehen.
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Im Flugbetrieb des Flugzeugs wird der Stauluftkanal 16 aufgrund des sich im Flugbetrieb des Flugzeugs im Bereich des Stauluftkanaleinlasses 18 aufbauenden Staudrucks von Umgebungsluft durchströmt. Im Bodenbetrieb des Flugzeugs dient dagegen eine in Form eines Ventilators ausgebildete Fördereinrichtung 26 der Förderung von Umgebungsluft durch den Stauluftkanal 16.
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Das Flugzeugkühlsystem 10 umfasst ferner ein Verbindungselement 28. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Flugzeugkühlsystems 10 ist das Verbindungselement 28 in Form eines Schlauchs ausgebildet und weist ein mit dem Stauluftkanaleinlass 18 des Stauluftkanals 16 verbundenes erstes Ende 30 auf. Ein zweites Ende 32 des Verbindungselements 28 ist dagegen mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft verbunden, die in der in 1 gezeigten Variante eines Flugzeugkühlsystems 10 durch ein flugzeugexternes Klimaaggregat 34 gebildet wird.
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Über das Verbindungselement 20 kann dem Stauluftkanal 16 von dem flugzeugexternen Klimaaggregat 34 erzeugte konditionierte, d. h. gekühlte Luft zugeführt werden. Die Zufuhr von konditionierter Luft in den Stauluftkanal 16 kann dabei mittels der Stauluftkanaleinlassklappe 22 gesteuert werden, wobei der Betrieb der Stauluftkanaleinlassklappe 22 bzw. der Betrieb des Aktuators 24 zur Betätigung der Stauluftkanaleinlassklappe 22 von einer elektronischen Steuereinheit 36 gesteuert wird. Insbesondere steuert die Steuereinheit 36 den Betrieb der Stauluftkanaleinlassklappe 22 bzw. den Betrieb des Aktuators 24 derart, dass ein Volumenstrom der dem Stauluftkanal 16 von dem flugzeugexternen Klimaaggregat 34 zugeführten konditionierten Luft derart, dass er einem Soll-Volumenstrom entspricht. Den Soll-Volumenstrom ermittelt die Steuereinheit 36 auf der Grundlage von Signalen, die der Steuereinheit 36 von entsprechenden Sensoren zugeführt werden und die für die Umgebungstemperatur außerhalb des Flugzeugs, die an das Flugzeugkühlsystem 10 gestellte Kühlleistungsanforderung und die aktuelle Kapazität des flugzeugexternen Klimaaggregats 34 charakteristisch sind.
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Darüber hinaus steuert die Steuereinheit 36 den Betrieb der in dem Stauluftkanal 16 angeordneten Fördereinrichtung 26 in Abhängigkeit des dem Stauluftkanal 16 über das Verbindungselement 28 zugeführten Volumenstroms an konditionierter Luft. Beispielsweise kann die Steuereinheit 36 die Fördereinrichtung 26 abschalten, wenn der der Stauluftkanal 16 über das Verbindungselement 28 mit dem flugzeugexternen Klimaaggregat 34 verbunden ist, da es dann nicht erforderlich ist, Umgebungsluft zur Kühlung des Wärmetauschers 14 durch den Stauluftkanal 16 zu fördern. Alternativ dazu kann der Betrieb der Fördereinrichtung 26 von der Steuereinheit 36 jedoch auch so gesteuert werden, dass die Fördereinrichtung 26 dazu genutzt wird, von dem flugzeugexternen Klimaaggregat 34 erzeugte konditionierte Luft durch den Stauluftkanal 16 zu fördern.
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Neben dem Stauluftkanal 16 versorgt das flugzeugexterne Klimaaggregat 34 auch eine Flugzeugkabine direkt mit konditionierter Luft. Dadurch kann im Bodenbetrieb eines mit dem Flugzeugkühlsystem 10 ausgestatteten Flugzeugs nicht nur eine ausreichende Kühlung des thermisch mit der Kälteerzeugungseinrichtung 12 gekoppelten Wärmetauschers 14 gewährleistet, sondern auch ein flugzeuginternes Klimaaggregat 37 einer Flugzeugklimaanlage entlastet werden. Hierzu ist das flugzeugexterne Klimaaggregat 34 über einen Anschlussschlauch 38 mit einer Zufuhrleitung 39 der Flugzeugklimaanlage verbunden, die auch mit dem internen Klimaaggregat 37 in Verbindung steht und dazu dient, der Flugzeugkabine von dem internen Klimaaggregat 37 oder dem flugzeugexternen Klimaaggregat 34 erzeugte konditionierte Luft zuzuleiten.
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Aus der Flugzeugkabine abzuführende Kabinenabluft wird über eine Kabinenabluftleitung 40, die einen in einer Flugzeugaußenhaut ausgebildeten Kabinenabluftauslass 42 umfasst, aus dem Flugzeug in die Flugzeugumgebung abgeführt. Der Kabinenabluftstrom, der über den Kabinenabluftauslass 42 in die Flugzeugumgebung abgeführt wird, kann durch ein in Form einer Klappe ausgebildeten Kabinenabluftauslassventil 44 gesteuert werden.
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Ein in 2 gezeigtes Flugzeugkühlsystem 10 unterscheidet sich von der Anordnung gemäß 1 dadurch, dass dem Stauluftkanal 16, bei Bedarf, d. h. zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems 10, konditionierte Luft durch ein Verbindungselement 28 zugeführt wird, dessen erstes Ende mit einem stromabwärts des Stauluftkanaleinlasses 18 gelegenen Bereich des Stauluftkanals 16 verbunden ist. Das zweite Ende des Verbindungselements 28 ist mit der Zufuhrleitung 39 der Flugzeugklimaanlage verbunden, die dazu eingerichtet ist, der Flugzeugkabine konditionierte Luft zuzuführen.
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Im Bodenbetrieb eines mit dem Flugzeugkühlsystem 10 ausgestatteten Flugzeugs kann von dem flugzeugexternen Klimaaggregat 34 und/oder dem flugzeuginternen Klimaaggregat 37 erzeugte konditionierte Luft in die Zufuhrleitung 39 der Flugzeugklimaanlage geleitet werden. Im Flugbetrieb des Flugzeugs wird der Zufuhrleitung 39 dagegen ausschließlich von dem flugzeuginternen Klimaaggregat 37 erzeugte konditionierte Luft zugeführt. In der Anordnung gemäß 2 wird die Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft folglich durch die Zufuhrleitung 39 der Flugzeugklimaanlage gebildet.
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Zur Steuerung des Volumenstroms an konditionierter Luft, der aus der Zufuhrleitung 39 der Flugzeugklimaanlage abgezweigt und über das Verbindungselement 28 in den Stauluftkanal 16 geleitet wird, dient ein in Form einer Klappe ausgebildetes und in dem Verbindungselement 28 vorgesehenes Ventil 46. Der Betrieb des Ventils 46 wird von der Steuereinheit 36 derart gesteuert, dass der das Verbindungselement 28 durchströmende Volumenstrom an konditionierter Luft einem Soll-Volumenstrom entspricht.
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Darüber hinaus steuert die Steuereinheit 36 auch den Betrieb der Stauluftkanaleinlassklappe 22, d. h. den Betrieb des die Stauluftkanaleinlassklappe 22 betätigenden Aktuators 24 sowie den Betrieb der in dem Stauluftkanal 16 angeordneten Fördereinrichtung 26. Insbesondere steuert die Steuereinheit 36 den Betrieb dieser Komponenten in Abhängigkeit des dem Stauluftkanal 16 über das Verbindungselement 28 aus der Zufuhrleitung 39 der Flugzeugklimaanlage zugeführten Volumenstroms an konditionierter Luft. Beispielsweise kann die Steuereinheit 36 die Stauluftkanaleinlassklappe 22 in ihre geschlossene Stellung steuern und/oder eine Drehzahl der Fördereinrichtung 26 reduzieren bzw. die Fördereinrichtung 26 abschalten, wenn der dem Stauluftkanal 16 über das Verbindungselement 28 zugeführte Volumenstrom an konditionierter Luft ausreicht, um für eine ordnungsgemäße Kühlung des Wärmetauschers 14 zu sorgen.
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Anders als bei dem Flugzeugkühlsystem 10 gemäß 1 kann bei der in 2 veranschaulichten Anordnung auch im Flugbetrieb des Flugzeugs konditionierte Luft in den Stauluftkanal 16 geleitet werden. Dadurch kann der Umgebungsluftvolumenstrom, der dem Stauluftkanal 16 im Flugbetrieb des Flugzeugs zugeführt werden muss, um eine ausreichende Kühlung des Wärmetauschers 14 zu gewährleisten, reduziert werden. Folglich können der durch den Stauluftkanal 16 verursachte aerodynamische Verlust und damit der Treibstoffverbrauch des Flugzeugs gesenkt werden.
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Im Übrigen entsprechen die Struktur und die Funktion des Flugzeugkühlsystems 10 gemäß 2 der Struktur und der Funktion der in 1 veranschaulichten Anordnung.
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Ein in 3 veranschaulichtes Flugzeugkühlsystem 10 unterscheidet sich von dem System gemäß 2 dadurch, dass das Verbindungselement 28, das dazu dient, dem Stauluftkanal 16 zumindest in bestimmten Betriebsphasen des Flugzeugkühlsystems 10 konditionierte Luft zuzuführen, an seinem zweiten Ende nicht länger mit der Zufuhrleitung 39 der Flugzeugklimaanlage, die dazu dient, der Flugzeugkabine konditionierte Luft zuzuführen, verbunden ist. Vielmehr ist das zweite Ende 32 des Verbindungselements 28 mit der Kabinenabluftleitung 40 verbunden, über die Abluft aus der Flugzeugkabine in die Flugzeugumgebung abgeführt wird. Bei dem Flugzeugkühlsystem 10 gemäß 3 wird somit Abluft, die sonst ungenutzt an die Flugzeugumgebung abgeführt werden würde, zur Kühlung des in dem Stauluftkanal 16 angeordneten Wärmetauschers 14 verwendet. Üblicherweise hat aus einer Flugzeugkabine abgeführte Abluft eine Temperatur von ca. 20 bis 24°C und ist damit ausreichend kühl, um für eine ausreichende Kühlung des Wärmetauschers 14 zu sorgen. In dem Flugzeugkühlsystem 10 gemäß 3 wird die Vorrichtung zur Bereitstellung konditionierter Luft folglich von der Kabinenabluftleitung 40 gebildet.
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Wiederum dient ein in Form einer Klappe ausgebildetes, in dem Verbindungselement 28 angeordnetes Ventil 46 der Steuerung des Volumenstroms an konditionierter Luft durch das Verbindungselement 28. Darüber hinaus ist eine Stauluftkanalauslassklappe und/oder Auslassdüse 48 vorgesehen. Der Betrieb der Stauluftkanalauslassklappe 48 bzw. der Betrieb eines Aktuators 50 zur Betätigung der Stauluftkanalauslassklappe 48 wird von der Steuereinheit 36, ebenso wie der Betrieb der Stauluftkanaleinlassklappe 22 bzw. des Aktuators 24 und der Betrieb der Fördereinrichtung 26 derart gesteuert, dass der Stauluftkanal 16 von ausreichend Luft durchströmt wird, um für eine ordnungsgemäße Kühlung des in dem Stauluftkanal 16 angeordneten Wärmetauschers 14 zu sorgen. Die den Stauluftkanal 16 durchströmende Luft kann ausschließlich aus der Kabinenabluftleitung 40 abgezweigte Kabinenabluft sein. Die Stauluftkanaleinlassklappe 22, die Stauluftkanalauslassklappe 48 und die Fördereinrichtung 26 können dann dazu genutzt werden, den Volumenstrom an konditionierter Luft durch den Stauluftkanal 16 wie gewünscht zu steuern.
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Alternativ dazu kann zusätzlich jedoch auch Umgebungsluft in den Stauluftkanal 16 geleitet werden, so dass der Stauluftkanal 16 von einem konditionierte Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung 40 sowie Umgebungsluft enthaltenden Mischluftstrom durchströmt wird. Die Umgebungsluftzufuhr in den Stauluftkanal 16 wird im Flugbetrieb eines mit dem Flugzeugkühlsystem 10 ausgestatteten Flugzeugs durch eine entsprechende Steuerung der Positionen der Stauluftkanaleinlassklappe 22 und der Stauluftkanalauslassklappe 48 gesteuert. Im Bodenbetrieb des Flugzeugs wird die Umgebungsluftzufuhr in den Stauluftkanal 16 dagegen durch entsprechende Steuerung der Fördereinrichtung 26 gesteuert.
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Im Übrigen entsprechen die Struktur und die Funktion des Flugzeugkühlsystems 10 gemäß 3 der Struktur und der Funktion der Anordnung gemäß 2.
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Ein in 4 veranschaulichtes Flugzeugkühlsystem 10 unterscheidet sich von dem System gemäß 3 dadurch, dass das Verbindungselement 28, das die Kabinenabluftleitung 40 mit dem Stauluftkanal 16 verbindet, nicht länger durch eine flugzeuginterne Luftleitung gebildet wird. Vielmehr ist das Verbindungselement 28 in Form eines flugzeugexternen Schlauchs ausgebildet, dessen erstes Ende 30, ähnlich wie das erste Ende 30 des Verbindungselements 28 des in 1 gezeigten Flugzeugkühlsystems 10, mit dem Staulufteinlass 18 des Stauluftkanals 16 verbunden ist. Das zweite Ende des Verbindungselements 28 ist dagegen an dem Kabinenabluftauslass 42 angeschlossen.
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Um den Volumenstrom der dem Stauluftkanal 16 über das Verbindungselement 28 zugeführten konditionierten Luft wie gewünscht zu steuern, steuert die Steuereinheit 36 in dem Kühlsystem 10 gemäß 4 den Betrieb des Kabinenabluftauslassventils 44 sowie den Betrieb der Stauluftkanaleinlassklappe 22, d. h. den Betrieb des die Stauluftkanaleinlassklappe 22 betätigenden Aktuators 24. Ferner kann bei Bedarf die Fördereinrichtung 26 zur Förderung von konditionierter Luft in den Stauluftkanal 16 genutzt und von der Steuereinheit 36 entsprechend gesteuert werden.
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In dem Verbindungselement 28 ist eine Vorrichtung 52 vorgesehen, die dazu dient, für eine pneumatische Entkopplung des dem Verbindungselement 28 über die Kabinenabluftleitung 40 zugeführten Volumenstroms an konditionierter Luft von dem dem Stauluftkanal 16 zugeführten Volumenstrom an konditionierter Luft zu sorgen. Dadurch können Differenzen zwischen dem dem Verbindungselement 28 zugeführten Volumenstrom an konditionierter Luft und dem aus dem Verbindungselement 28 in den Stauluftkanal 16 geleiteten Volumenstrom an konditionierter Luft ausgeglichen werden.
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Im Übrigen entsprechen die Struktur und die Funktion des Flugzeugkühlsystems 10 gemäß 4 der Struktur und der Funktion der Anordnung gemäß 3.
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Hier im Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsformen eines Flugzeugkühlsystems 10 beschriebene Merkmale können beliebig miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4340317 C2 [0002]
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- EP 2401201 B1 [0018]
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