AL-ALI, Baker (Focksweg 89, Hamburg, 21129, DE)
| PATENTANSPRÜCHE 1. Fahrzeug, aufweisend mindestens einen Rumpf (2) mit mindestens einer Passagierkabine (6) und mindestens einen davon außerhalb liegenden Rumpfbereich (8), mindestens ein Wärme abgebendes Gerät (20), - mindestens einen Wärmetauscher (10) zum Übertragen von Wärme des Wärme abgebendes Geräts (20) an Luft und - mindestens eine Luftfördereinrichtung (12) zum Fördern von Luft an den Wärmetauscher (10), wobei die Passagierkabine (6) und der davon außerhalb liegende Rumpfbereich (8) pneumatisch miteinander in Verbindung stehen, wobei die Luftfördereinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, Luft aus der Passagierkabine (6) durch den Wärmetauscher (10) zu fördern, der dazu eingerichtet ist, die einströmende Luft mit Wärme des Wärme abgebenden Geräts (20) zu beaufschlagen und in den von der Passagierkabine (6) außenliegenden Rumpfbereich (8) wieder abzugeben und dadurch eine Durchmischung der mit Wärme beaufschlagten Luft mit der in dem außenliegenden Rumpfbereich befindlichen Luft und eine Rückströmung von dem außenliegenden Rumpfbereich (8) in die Passagierkabine (6) über deren pneumatische Verbindung zu induzieren. 2. Fahrzeug nach Anspruch 1 , wobei die Passagierkabine (6) und der davon außerhalb liegende Rumpfbereich (8) durch einen Kabinenfußboden (4) voneinander separiert sind. 3. Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei der Wärmetauscher (10) an dem Kabinenfußboden angeordnet ist. 4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Luftfördereinrichtung (12) ein Rezirkulationsgebläse ist. 5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die pneumatische Verbindung mindestens ein Sockelpaneel (16) zum Verkleiden eines Kabinenfußboden- Wand-Übergangs ist. 6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gerät (20) eine Brennstoffzelle zum Bereitstellen elektrischer Energie ist. 7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fahrzeug ein Flugzeug ist. 8. Verfahren zum Kühlen eines Wärme abgebenden Geräts (20) in einem Fahrzeug, aufweisend die Schritte - Abgeben von Wärme von dem Gerät (20) an einen Wärmetauscher (10), - Fördern von Luft aus einer Passagierkabine (6) des Fahrzeugs durch den Wärmetauscher (10) in einen außerhalb der Passagierkabine (6) liegenden Rumpfbereich (8) und - gleichzeitig Induzieren des Nachströmens von Luft aus dem außerhalb der Passagierkabine (6) angeordneten Rumpfbereich (20) zurück in die Passagierkabine (6) aus einer Druckdifferenz zwischen der Passagierkabine (6) und dem außerhalb liegenden Rumpfbereich (8). |
BEZUG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional
Patentanmeldung Nr. 61/223,153, eingereicht am 6. Juli 2009 und der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2009 031 880.1, eingereicht am 6. Juli 2009, deren Inhalte hierin durch Referenz inkorporiert werden.
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Kühlen eines Geräts in einem Fahrzeug, eine Verwendung eines derartigen Systems in einem Flugzeug sowie ein Flugzeug mit mindestens einem derartigen System.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In modernen Fahrzeugen jeglicher Art sind häufig Geräte für verschiedenste Zwecke integriert, die Wärme produzieren und dementsprechend gekühlt werden müssen.
Durch Ausblasen von Luft durch einen Kühler in die Umgebung des Fahrzeugs wird diese Aufgabe üblicherweise recht bequem und einfach bewerkstelligt. Bei besonderen Anwendungsfällen, die etwa zu kühlende Geräte in einem Flugzeug betreffen, ist ein derartiger Austausch mit Umgebungsluft nicht jederzeit möglich. Es sind Fälle denkbar, bei denen ein Flugzeug durch ein Gebiet mit aufgewirbelter bzw. schwebender vulkanischer Asche fliegt, die mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Ausfall der Triebwerke führt und infolgedessen die gängigen von Triebwerken abhängigen Systeme zum Bereitstellen eines Kabinendrucks funktionslos bleiben. Die gängige Maßnahme, diesem auch„TEFO" („Total Engine Flame Out") genannten Fall zu begegnen, liegt beim Flug in Reiseflughöhe darin, die Kabine des Flugzeugs gegenüber der Umgebung zu verschließen, um ein Absinken des
Kabinendrucks zu vermeiden. Die zur Druckregelung dienenden Luftauslassventile („Outflow Valve") werden hierbei komplett verschlossen. Die Unterbrechung des geregelten Luftflusses aus der Kabine nach außen wäre demnach in Folge dafür verantwortlich, dass eine Kommunikation mit der Umgebungsluft zum Wahrnehmen von Kühlungsaufgaben nicht mehr möglich ist.
Beim Beispiel des Flugzeugs bleibend könnte zur Kühlung auch ein Wärmetauscher an der Außenseite des Flugzeugs angeordnet werden und mit Umgebungsluft durchströmt werden. Beim Durchflug eines mit vulkanischer Asche durchsetzten Gebiets könnte allerdings der Kühler vollständig verstopft werden und damit im Wesentlichen funktionslos bleiben. Alternativ zu einer Kühlung mittels Außenluft könnten Wärme produzierende Geräte mit der vorhandenen Luft innerhalb der Kabine des Fahrzeugs gekühlt werden, was sich allerdings bei relativ stark Wärme erzeugenden Geräten zu einer deutlichen Zunahme der Temperatur in der Passagierkabine führt. Mangels Luftaustausch in der Kabine eines Flugzeugs bei Ausfall der Triebwerke würde sich allmählich, auch aufgrund der ausgeprägten Isolierung gegenüber der Außenhaut des Flugzeugs, eine unbequeme oder unerträgliche Temperatur innerhalb der Kabine bilden.
Als stark Wärme erzeugende Geräte könnten beispielsweise Brennstoffzellen angesehen werden, die im beispielhaften Falle eines Triebwerkausfalls eines Flugzeugs dazu eingesetzt werden könnten, wesentliche Systeme innerhalb des
Flugzeugs mit Strom zu versorgen, so dass eine Notlandung gewährleistet werden kann. Dieser Fall bedeutet, dass erst bei vollständigem Verlust einer mit der
Umgebungsluft kommunizierenden Kühlvorrichtung ein stark Wärme erzeugendes Gerät in Betrieb genommen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Als Aufgabe der Erfindung könnte demnach angesehen werden, ein System zum Kühlen eines Geräts in einem Fahrzeug vorzuschlagen, das nicht über die oben geschilderten Nachteile verfügt. Insbesondere soll das vorzuschlagende System eine ausreichende Kühlung bereitstellen können, die nicht mit einer deutlichen Erhöhung der Temperatur innerhalb der Passagierkabine einhergeht und gleichzeitig auch keinen Luftaustausch mit der Umgebung erfordert. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System nach dem unabhängigen Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein erfindungswesentlicher Aspekt liegt darin, dass ein Wärmetauscher zum Kühlen eines Geräts in einem Fahrzeug derart angeordnet ist, dass er über eine
Luftfördereinrichtung von Luft aus einer Passagierkabine des Fahrzeugs durchströmt werden kann, die über einen Lufteingang in den Wärmetauscher gelangt und über einen Luftausgang in einen außerhalb der Passagierkabine angeordneten Bereich des Fahrzeugs ausströmen kann. Dieser Bereich könnte bei Flugzeugen beispielsweise ein sogenannter„Unterflurbereich" sein. Die durch den Wärmetauscher erwärmte Luft verteilt sich in diesem Bereich und gibt ihre Wärme gleichmäßig an die in diesem Bereich befindlichen Luftmassen ab, die wiederum über die Außenhaut des Fahrzeugs Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs abgeben.
Häufig ist in Fahrzeugen die Passagierkabine mit einer stärkeren thermischen Isolierung versehen als außerhalb der Passagierkabine liegende Bereiche. Demnach könnte die Wärme in einem außerhalb der Passagierkabine liegenden Bereich des Fahrzeugs leichter an die Umgebung abgegeben werden, als von der Passagierkabine aus. Hierbei ist generell anzumerken, dass sich der außerhalb der Passagierkabine liegende Bereich dennoch innerhalb des Fahrzeugrumpfs befindet.
Dadurch, dass aus der Passagierkabine Luft entnommen und in einen außerhalb dazu liegenden Bereich geleitet wird, entsteht eine Druckdifferenz, die zum Nachströmen von Luft in die Passagierkabine hinein führt. Beim Beispiel des Flugzeugs bleibend könnte sich demnach eine Luftströmung von einem Unterflurbereich über
Durchströmöffnungen in Sockelpaneelen (auch„Dado Panels" genannt) in die darüber liegende Passagierkabine ergeben. Da sich die erwärmte Luft in dem
Unterflurbereich mit der dort vorhandenen Luft vermischt hat und stets eine gewisse Wärmeabgabe an die Umgebung stattfindet, ist die in die Passagierkabine nachströmende Luft bereits vorgekühlt. Die verbleibende Wärme wird über eine Durchmischung an die Luft in der Passagierkabine abgeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass aus der Passagierkabine auch trotz der stärkeren Wärmeisolierung dennoch ein gewisser Wärmeübergang zur Umgebung des Fahrzeugs zu beobachten ist, wenn ein Temperaturgefälle zur Umgebung herrscht. Es ist demnach damit zu rechnen, dass trotz des Wärmeeintrags zu kühlender Geräte der resultierende Anstieg der Lufttemperatur innerhalb der Passagierkabine relativ gering ist.
Zum Leiten von Luft aus der Kabine durch den Wärmetauscher wird eine
Luftfördereinrichtung eingesetzt, die aktiv Luft aus der Passagierkabine durch den Wärmetauscher fördert. Dies könnte etwa ein Gebläse oder ein Lüfter sein.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems befindet sich der Wärmetauscher in einem Bereich unterhalb des Kabinenfußbodens, so dass die von der geförderten Luft zurückzulegende Strecke möglichst kurz ist.
Alternativ dazu wäre es auch möglich, den Wärmetauscher direkt innerhalb des Kabinenfußbodens anzuordnen, so dass eine direkt an dem Wärmetauscher an einer von der Passagierkabine abgewandten Seite angeordnete Luftfördereinrichtung ein direktes Durchströmen des Wärmetauschers verursacht. Hierzu könnte eine entsprechende luftdurchlässige Abdeckung auf der Oberseite des Wärmetauschers im Bereich der Oberseite des Kabinenfußbodens angeordnet sein, die etwa als
Lochplatte oder dergleichen ausgeführt wird. Die Integration des Wärmetauschers innerhalb des Kabinenfußbodens sollte deshalb in einem Bereich erfolgen, der möglichst wenig betreten wird. Die Luftfördereinrichtung kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems als herkömmliches Rezirkulationsgebläse ausgeführt sein, das sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Systems in einem
Passagierflugzeug bereits ohnehin dort befindet. Dadurch wäre ein Anordnen des Wärmetauschers in der Nähe des Rezirkulationsgebläses von Vorteil, was zu einer Gewichtsersparnis und zu einer generellen Vereinfachung des erfindungsgemäßen Systems führt. Die Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Kühlen eines Geräts in einem
Fahrzeug gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch gelöst. Kernmerkmal dieses erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, Luft aus einer Passagierkabine des Fahrzeugs durch einen Wärmetauscher in einen außerhalb der Passagierkabine angeordneten Bereich zu fördern und dadurch ein Nachströmen von teilerwärmter Luft aus einem außerhalb der Passagierkabine angeordneten Bereich zurück in die Passagierkabine zu erzwingen.
Weiterhin wird die Aufgabe auch durch eine Verwendung eines erfmdungsgemäßen Systems in einem Flugzeug gelöst sowie durch ein Notstromversorgungssystem in einem Flugzeug.
Schließlich löst auch ein Flugzeug gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch die obige Aufgabe. Das Flugzeug weist mindestens ein Luft atmendes Triebwerk, mindestens ein elektrische Energie benötigendes elektrisches Gerät und mindestens ein Auslassventil auf, wobei das Auslassventil bei Ausfall des Triebwerks geschlossen wird und eine Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Energie verwendet wird, wobei die Brennstoffzelle einen Wärmetauscher aufweist, der mittels einer Luftfördereinrichtung von Luft aus der Passagierkabine durchströmt wird, die sich in einem Unterflurbereich mit bereits vorhandener Luft vermischt, ihre Wärme über die Flugzeugaußenhaut zumindest teilweise abgibt und zum
Druckausgleich in die Passagierkabine nachströmt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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 Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Systems.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems. Fig. 3 zeigt eine Kabine eines Flugzeugs im seitlichen Schnitt mit Anwendung des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 4 zeigt ein Flugzeug mit mindestens einem erfindungsgemäßen System. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In Fig. 1 und Fig, 2 wird ein Teil eines Fahrzeugrumpfs 2 gezeigt, in dem ein Fußboden 4 angeordnet ist, der eine Passagierkabine 6 und einen Unterflurbereich 8 voneinander trennt. Im Bereich des Kabinenfußbodens 4 ist ein Wärmetauscher 10 angeordnet, an dessen Unterseite, die zum Unterflurbereich 8 gewandt ist, eine Luftfördereinrichtung 12 zum Fördern von Luft aus der Kabine 6 durch den
Wärmetauscher 10 in den Unterflurbereich 8 angeordnet ist. Der Unterflurbereich 8 erstreckt sich zumindest bei einem Flugzeug über einen wesentlichen Anteil der Länge des Rumpfs 2 und wird nach außen überwiegend durch eine Primärisolierung 14 isoliert. Dies bedeutet, dass aus dem Wärmetauscher 10 strömende Luft mit der bereits in dem Unterflurbereich 8 befindlichen Luft vermischt wird, wodurch die im Unterflurbereich 8 befindliche Luft leicht erwärmt wird. Ein Teil dieser Wärme wird bei Vorliegen einer Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung und dem Unterflurbereich 8 allerdings wieder über die
Primärisolierung 14 in die Umgebung des Fahrzeugrumpfs 2 abgegeben.
In Fig. 1 wird eine Konfiguration gezeigt, in der eine Rezirkulation über
Rezirkulationsgebläse oder dergleichen durchgeführt wird, bei der die in die
Passagierkabine 6 strömende Luft über die herkömmlichen Luftauslässe eingeleitet wird.
In Fig. 2 wird dagegen ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei der die Rezirkulation im Wesentlichen deaktiviert ist und durch das Ausströmen von Luft aus der
Passagierkabine 6 innerhalb der Passagierkabine 6 ein leichter Unterdruck bzw. in dem Unterflurbereich 8 ein gewisser Überdruck entsteht, so dass ein Nachströmen von Luft aus dem Unterflurbereich 8 in die Passagierkabine 6 hinein induziert wird. Dies könnte durch eine Reihe von in dem Fahrzeugrumpf entlang dessen Längsachse angeordnete Sockelpaneele 16 erfolgen (auch als„Dado-Panel" bekannt), die neben der Verwendung zur Verkleidung eines Fußboden- Wand-Übergangs in einer Passagierkabine 6 dazu dienen, eine plötzlich auftretende hohe Druckdifferenz zwischen der Passagierkabine 6 und dem Unterflurbereich 8 zu verhindern, indem sie einen stets vorhandenen Durchströmquerschnitt schlagartig vergrößern. Die pneumatische Verbindung zwischen dem Unterflurbereich 8 und der Passagierkabine 6 stellt beim regulären Betrieb der Klimaanlage eines Flugzeugs eine Luftströmung von der Passagierkabine 6 in den Unterflurbereich 8 sicher, wohingegen diese Verbindung bei Einsatz des erfindungsgemäßen Systems in umgekehrter Weise verwendet wird.
Die in die Passagierkabine 6 strömende Luft ist aufgrund der Vermischung erwärmter Abluft aus dem Wärmetauscher 10 mit der im Unterflurbereich 8 befindlichen Luft deutlich kühler als die Abluft aus dem Wärmetauscher 10 an sich. Die einströmende Luft vermischt sich mit der bereits in der Passagierkabine 6 befindlichen Luft, wodurch sich diese nur schwach erwärmt. Trotz der im Vergleich zum Unterflurbereich 8 relativ starken Wärmedämmung mit einer Primärisolierung 14 und üblicherweise einer Sekundärisolierung 18 wird bei Bestehen einer
Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung des Fahrzeugs und der
Passagierkabine 6 ebenfalls eine gewisse Wärme über den Fahrzeugrumpf 2 nach außen geleitet und trägt somit zur stetigen Wärmeabfuhr aus der Passagierkabine 6 bei. Die Luft aus der Passagierkabine 6 wird anschließend wieder zur Kühlung durch den Wärmetauscher 10 geleitet.
Nach diesem Konzept kann lokal entstehende Wärme von einem Gerät mit Hilfe von innerhalb des gesamten Flugzeugrumpfs 2 befindlicher Luft als Wärmesenke effizient an die Umgebung abgeführt werden, ohne dass ein direkter Luftaustausch mit der Umgebung notwendig ist. Als besonderes Beispiel für ein zu kühlendes Gerät kann, wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, eine Brennstoffzelle 20 angesehen werden, die an einem beliebigen Ort innerhalb des Flugzeugrumpfs 2 angeordnet sein könnte. Exemplarisch wird hier eine Brennstoffzelle 20 dargestellt, die sich in der Nähe des Kabinenfußbodens 4 befindet und dementsprechend eine direkte Verbindung mit dem Wärmetauscher 10 aufweisen kann.
Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die Brennstoffzelle 20 oder ein anderes Wärme erzeugendes Gerät auch von dem Wärmetauscher 10 beabstandet sein und über eine geeignete Verbindung Wärme an den Wärmetauscher abgibt. Es könnte sich beispielsweise anbieten, die Brennstoffzelle außerhalb des mit Druck beaufschlagten bzw. klimatisierten Bereichs des Flugzeugrumpfs 2 anzuordnen und über eine Flüssigkeits- oder Luftleitung mit dem Wärmetauscher 10 zu verbinden.
In Fig. 3 wird das Wirkungsprinzip des erfindungsgemäßen Systems weiter verdeutlicht. Die Durchmischung in einem Unterflurbereich 8 kann in einem relativ großen Volumen erfolgen, in dem auch eine relativ große Wandfläche 22 zur Wärmeübertragung in die Umgebung des Flugzeugrumpfs 2 vorhanden ist. Gleiches gilt für die Passagierkabine 6. Erfindungsgemäß wird ein größtmögliches Volumen des Fahrzeugrumpfs 2 als Wärmesenke verwendet, um die Wärme effektiv und gleichmäßig an die Umgebung abzugeben. Dies könnte dazu führen, eine Vielzahl von Sockelpaneelen 16 mit einer umgekehrten Rückströmung von Luft aus dem Unterflurbereich 8 in die Passagierkabine 6 hinein zu beaufschlagen.
Schließlich zeigt Fig. 4 ein Flugzeug 24, mit mehreren Teilschnitten und gestrichelt dargestellten nicht sichtbaren Kanten, das mehrere Luft atmende Triebwerke 26, mindestens ein elektrische Energie benötigendes elektrisches Gerät 28 und mindestens ein Auslassventil 30 aufweist, wobei das Auslassventil 30 bei Ausfall der Triebwerke 26 geschlossen wird und eine Brennstoffzelle 20 zum Erzeugen elektrischer Energie verwendet wird, wobei die Brennstoffzelle 20 einen
Wärmetauscher 10 aufweist, der mittels einer Luftfördereinrichtung 12 von Luft aus der Passagierkabine 6 durchströmt wird, die sich in einem Unterflurbereich 8 mit bereits vorhandener Luft vermischt, ihre Wärme über die Flugzeugaußenhaut 22 zumindest teilweise abgibt und zum Druckausgleich in die Passagierkabine 6 nachströmt.
Es ist daraufhinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung in einem Flugzeug beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung auch in solchen Fahrzeugen Anwendung finden, wo ein Luftaustausch mit der Umgebung des Fahrzeugs nicht möglich ist.
Ergänzend ist daraufhinzuweisen, dass„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei daraufhingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als
Einschränkung anzusehen.
BEZUGSZEICHEN
2 Fahrzeugrumpf
4 Kabinenfußboden
6 Passagierkabine
8 außerhalb der Passagierkabine liegender Unterflurbereich
10 Wärmetauscher
12 Luftfördereinrichtung
14 Primärisolierung
16 Sockelpaneel
18 Sekundärisolierung
20 Brennstoffzelle
22 Wandfläche
24 Flugzeug
26 Triebwerk
28 Gerät
30 Auslassventil