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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Umgebungssteuereinheit
für ein
Flugzeug und insbesondere eine energiesparende Steuereinheit für die Umgebungsverhältnisse,
wie beispielsweise die Temperatur, den Druck oder den Sauerstoffpartialdruck,
in einem Flugzeug, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben
ist. Eine derartige Einheit ist beispielsweise aus der US-A-5 069
692 bekannt.
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Stand der
Technik
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Ein Flugzeug ist im Allgemeinen mit
einer Umgebungssteuereinheit für
das Flugzeug ausgerüstet.
Die Umgebungssteuereinheit dient dazu, Druckluft auf hoher Temperatur
und hohem Druck von einem Triebwerk oder einer Hilfsturbine abzuziehen,
um die Temperatur und den Druck in einem Klimaanlageteil einzustellen
und die in dieser Weise eingestellte Luft einer Druckkammer, wie
beispielsweise der Kabine oder dem Cockpit, zu liefern. Die Umgebungssteuereinheit
erfüllt
verschiedene Funktionen, wie beispielsweise die Steuerung des Druckes in
einer Druckkammer, die für
einen Menschen ausreichende Sauerstoffversorgung in der Druckkammer,
die Einstellung der Feuchtigkeit in der Druckkammer und die Steuerung
der Klimatisierung in der Druckkammer.
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Als oben erwähnten Klimaanlageteil gibt
es beispielsweise denjenigen, der eine Luftkreisprozessmaschine
umfasst, und denjenigen, der keine Luftkreisprozessmaschine umfasst,
wobei Ersterer, der eine Luftkreisprozessmaschine umfasst, so ausgebildet
ist, dass Luft, die von einem Triebwerk abgezogen wird, in ihrer
Temperatur und ihrem Druck eingestellt wird, und die in dieser Weise
eingestellt Luft einer Druckkammer unter Verwendung der Luftkreisprozessmaschine
zugeführt
wird, bei der ein Kompressor uniaxial mit einer Turbine verbunden
ist, während
der Letztere, der keine Luftkreisprozessmaschine umfasst, so ausgebildet
ist, dass die von einem Triebwerk abgezogene Luft mit einem Wärmetauscher
vorgekühlt
und einer Druckkammer zugeführt
wird, und die Luft in der Druckkammer weiter unter Verwendung einer
Dampfkreisprozessmaschine gekühlt
wird, die im Wesentlichen einen Kühlmittelkreislauf umfasst,
um mit der maximalen Klimatisierungslast umgehen zu können.
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Die Luftmenge, die von einem Triebwerk
abgezogen und durch die oben erwähnte
Umgebungssteuereinheit verbraucht wird, beläuft sich jedoch auf etwa 3%
des üblichen
Luftdurchsatzes des Triebwerkes, was als ein ernster Nachteil anzusehen
ist. Ein Flugzeug für
100 Passagiere benötigt
insbesondere etwa 45,4 kg/min (100 lb./min) an maximaler Luftmenge
während
der maximalen Klimatisierungslast. Etwa 1% des Luftdurchsatzes des
Triebwerkes wird darüber
hinaus vom Triebwerk abgezogen, um eine Explosion durch einen Spannungsüberschlag
oder einen Kurzschluss zu vermeiden, wenn Treibstoffdampf an einem
entzündbaren
Teil, wie beispielsweise dem Treibstofftank, vorhanden ist. Dieser
nachteilige Abzug von Luft steht in einer direkten Verbindung mit
einer sich daraus ergebenden Beeinträchtigung in der Antriebskraft
oder dem Wirkungsgrad des Treibstoffes.
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Bei einer herkömmlichen Umgebungssteuereinheit
ist es schwierig, die Druckkammer mit ausreichender Feuchtigkeit
zu versehen, was für
die Passagiere unangenehm ist, sie beispielsweise durstig macht.
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Die jüngste Entwicklung geht weiterhin
dahin, ein Strahltriebwerk mit starkem Bypass zu versehen, was es
schwierig macht, eine große
Luftmenge von dem Triebwerk abzuziehen.
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Um das obige Problem zu lösen, soll
durch die im Vorliegenden beanspruchte Erfindung eine Umgebungssteuereinheit
für ein
Flugzeug geschaffen werden, die die Luftmenge verringern kann, die abzuziehen
ist, um den Treibstoffwirkungsgrad zu verbessern, und die die erforderliche
Kühlkapazität mit einer
einfachen Anordnung liefern kann.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die Umgebungssteuereinheit für ein Flugzeug
gemäß der vorliegenden
beanspruchten Erfindung ist so ausgebildet, dass Luft auf hoher
Temperatur und hohem Druck von einem Triebwerk oder einem Hilfsturbinenteil
eines Flugzeuges abgezogen wird, die abgezogene Luft in ihrer Temperatur
und ihrem Druck durch einen Klimaanlageteil eingestellt wird und
die in dieser Weise eingestellte Luft dann einer Druckkammer zugeführt wird,
welche Einheit dadurch gekennzeichnet ist, dass die von der Druckkammer
abgegebene Luft oder die Luft, die von der Druckkammer abgezogen
wird, in eine mit Stickstoff angereicherte Luft und in eine mit
Sauerstoff angereicherte Luft aufgeteilt wird, die mit Sauerstoff
angereicherte Luft der Druckkammer wieder zugeführt wird, und die mit Stickstoff
angereicherte Luft einem entzündbaren
Teil, wie beispielsweise einem Treibstofftank, zugeführt wird.
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Gemäß dieser Ausbildung wird nur
der Sauerstoff der Luft, die von der Druckkammer abgezogen wird,
der Druckkammer wieder zugeführt.
Das macht es möglich,
die Sauerstoffkonzentration auf einem für die Passagiere in der Druckkammer
ausreichenden Wert zu halten, der angenehm ist, obwohl die abzuziehende Luftmenge
zur Versorgung mit Frischluft auf maximal 30% reduziert ist. Es
ist darüber
hinaus möglich,
eine Explosion in einem entzündbaren
Teil, wie beispielsweise einem Treibstofftank zu verhindern, ohne
dass es notwendig ist, dass die abzuziehende Luftmenge die Menge überschreitet,
die für
die Klimaanlage notwendig ist, d. h., indem weder die Antriebskraft
noch der Treibstoffwirkungsgrad beeinträchtigt wird. Das verbessert
die Sicherheit des Flugzeuges insofern, als mit Stickstoff angereicherte
Luft dem entzündbaren
Teil zugeführt
wird. Das hat zur Folge, dass es möglich ist, die abzuziehende
Luftmenge stark zu reduzieren, ohne dass die Zuverlässigkeit
des Flugzeugs oder die Bequemlichkeit für die Passagiere beeinträchtigt wird,
wodurch der Treibstoffwirkungsgrad und die Antriebskraft verbessert werden.
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Die Tatsache, dass die Luft in der
Druckkammer, deren Temperatur und Druck einmal eingestellt wurden,
ausgenutzt wird, macht es möglich,
die Belastung für
den Klimaanlageteil verglichen mit dem Fall stark herabzusetzen,
in dem Luft auf hoher Temperatur und hohem Druck von Anfang an reguliert wird.
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Wenn die Umgebungssteuereinheit mit
einem Hilfsklimaanlageteil versehen ist, der die von der Druckkammer
in eine Zirkulationsleitung abgezogene Luft kühlt und die Luft durch die
Zirkulationsleitung der Druckkammer wieder zuführt, ist es zweckmäßig, wenn
die mit Sauerstoff angereicherte Luft der Druckkammer dadurch zugeführt wird,
dass von der Zirkulationsleitung des Hilfsklimaanlageteils Gebrauch
gemacht wird. Wenn die von der Druckkammer zur Zirkulationsleitung
abgezogene Luft durch ein Dampfkreisprozesssystem gekühlt wird,
ist es möglich,
die von dem Triebwerk abgezogene Luftmenge weiter zu reduzieren.
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Eine konkrete Ausgestaltung des dargestellten
Ausführungsbeispiels
besteht darin, dass die von der Druckkammer abgegebene Luft oder
die von der Druckkammer abgezogene Luft in mit Stickstoff angereicherte
Luft und in mit Sauerstoff und Wasserdampf angereicherte Luft unter
Verwendung einer permeablen Membran aufgeteilt wird, die selektiv Moleküle durchlässt, indem
die Luft unter Druck gesetzt wird. In diesem Fall ist es möglich, die
Feuchtigkeit in der Druckkammer auf einem geeigneten Wert zu halten,
der verhindert, dass es für
die Passagiere unangenehm wird, und die Passagiere beispielsweise
durstig werden.
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Eine andere konkrete Ausgestaltung
besteht darin, dass die von der Druckkammer abgegebene Luft oder
die von der Druckkammer abgezogene Luft in mit Stickstoff angereicherte
Luft und mit Sauerstoff und Wasserdampf angereicherte Luft unter
Verwendung eines Materials aufgeteilt wird, das selektiv Moleküle adsorbieren
kann.
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In diesem Fall ist es bevorzugt,
dass eine Vielzahl von Materialien vorgesehen ist, die selektiv Moleküle adsorbieren
und die nacheinander eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
in einem Systemdiagramm ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden beanspruchten Erfindung.
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Bestes Ausführungsbeispiel
der Erfindung
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
im Einzelnen beschrieben, das in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt
ist.
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Eine Umgebungssteuereinheit für ein Flugzeug
gemäß dieses
Ausführungsbeispiels
umfasst einen Klimaanlageteil 3 und einen Hilfsklimaanlageteil 31,
wobei der Klimaanlageteil 3 Luft auf hoher Temperatur und
hohem Druck von einem Triebwerk 1 ab zieht, die abgezogene
Luft vorkühlt
und die vorgekühlte
Luft einer Kabine 2 als Druckkammer zuführt, während der Hilfsklimaanlageteil 31 Luft
von der Kabine 2 wieder abzieht und kühlt. Der Klimaanlageteil 3 und
der Hilfsklimaanlageteil 31 werden im Folgenden genauer
beschrieben.
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Der Klimaanlageteil 3 stellt
zunächst
den Druck der vom Triebwerk 1 abgezogenen Luft unter Verwendung
eines Druckeinstellventils 7 ein und unterwirft dann die
eingestellte Luft einem Wärmeaustausch
mit der Freiluft unter Verwendung eines Wärmetauschers 5, um
sie vorzukühlen,
wonach er die Temperatur der wärmeausgetauschten
Luft unter Verwendung einer adiabatischen Expansion mittels einer
Turbine 8 herabsetzt und schließlich die Luft der Kabine 2 zuführt. Wasser
wird unter Verwendung eines Wasserabscheiders, der nicht in der
Zeichnung dargestellt ist, abgetrennt, wenn das Flugzeug auf geringer
Höhe während des
Sommers bei viel Feuchtigkeit fliegt. Das ist der Grund dafür, dass
Wasser aufgrund einer Kondensation erzeugt wird, wenn die Luft durch
den Wärmetauscher 5 vorgekühlt wird.
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Der Hilfsklimaanlageteil 31 kühlt die
Luft in der Kabine 2, die in eine Zirkulationsleitung 15 durch ein
Zirkulationsgebläse 14 abgezogen
wurde, unter Verwendung eines Dampfkreisprozesssystems 6 und führt die
gekühlte
Luft der Kabine 2 über
die Zirkulationsleitung 15 wieder zu. Das heißt genauer,
dass das Dampfkreisprozesssystem 6 hauptsächlich einen
Kühlmittelkreislauf 13 umfasst,
der so ausgebildet ist, dass die Luft nacheinander durch einen Zentrifugalkompressor 9,
einen Kondensator 10, ein Expansionsventil 11 und
einen Verdampfer 12 geht.
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Als Alternative ist ein Chlorfluorkohlenstoffwasserstoff,
der für
einen Wärmezyklus
unter Verwendung der Phasenänderung
sorgen kann, als Kühlmittel 16 dicht
im Kühlmittelkreislauf 13 eingeschlossen.
Die Luft in der Kabine 2 wird in den Verdampfer 12 über die
Zirkulationsleitung 15 eingeführt und unter Verwendung der
Verdampfung des Kühlmittels 16 gekühlt, die
Wärme in
der Luft in der Kabine 2 verbraucht. Das Kühlmittel 16,
das den Verdampfer 12 verlässt, wird durch den Zentrifugalkompressor 9 für das Kühlmittel 16 auf
einen hohen Druck und eine hohe Temperatur gebracht, der mit einer
Turbine 8 über
eine Magnetkupplung 17 verbunden ist. Das auf hohem Druck
und hoher Temperatur befindliche Kühlmittel 16 wird in
den Kondensator 10 eingeführt und dann aufgrund der Wärmeabführung infolge
des Wärmetausches
mit der Freiluft verflüssigt.
Das verflüssigte
Kühlmittel 16 wird
in den Verdampfer 12 über
das Expansionsventil 11 erneut eingeführt und dann verdampft, da
Wärme der
Atmosphäre
infolge der Expansion entzogen wird. Der Zentrifugalkompressor 9 arbeitet
mit Energie, die dann erzeugt wird, wenn die abgezogene Luft sich
in der Turbine 8 ausdehnt, welche Energie als Antriebsenergie übertragen
wird.
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Die Umgebungssteuereinheit für ein Flugzeug
umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel
weiterhin einen Sauerstoffabzugsteil 19, der Luft von der Kabine
abzieht, nur Sauerstoff und Wassermoleküe aus der von der Kabine 2 abgezogenen
Luft nimmt und die Sauerstoff- und Wassermoleküle der Kabine 2 wieder
zuführt.
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Der Sauerstoffabzugsteil 19 zieht
einen Teil der Luft von der Kabine 2 ab, komprimiert diese
mit einem Kompressionsverhältnis
von etwa 3,5 unter Verwendung eines elektrischen Kompressors 20, trennt
sie in mit Stickstoff angereicherte Luft (N2-reich)
und mit Sauerstoff und Wasserdampf angereicherte Luft (O2H2O-reich) unter
Verwendung einer selektiv permeablen Membran 21, die Sauerstoffmoleküle und Wassermoleküle durchlässt, und
liefert die mit Sauerstoff und Wasserdampf angereicherte Luft erneut
in die Kabine 2, indem die Zirkula tionsleitung 15 benutzt
wird. Das heißt
genauer, dass die mit Sauerstoff und Wasserdampf angereicherte Luft,
die in die Zirkulationsleitung 15 eingeführt wird,
mit der Luft in der Kabine 2 gemischt und dann durch den Verdampfer 12 gekühlt wird.
Der Stickstoff, der nicht durch die selektiv permeable Membran 21 hindurchgeht,
wird als mit Stickstoff angereicherte Luft in den Treibstofftank 41 eingeführt, und
der Überschuß an mit
Stickstoff angereicherter Luft wird zur Außenseite des Flugzeugs abgegeben.
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Der Ausbildung der Umgebungssteuereinheit
für ein
Flugzeug entsprechend wird nur der Sauerstoff aus der von der Kabine 2 abgezogenen
Luft der Kabine 2 wieder zugeführt. Das macht es möglich, die
Sauerstoffkonzentration auf einem Wert zu halten, der ausreicht,
damit sich Passagiere in der Kabine 2 wohlfühlen, obwohl
die abgezogene Luftmenge zur Frischluftversorgung auf maximal 30%
reduziert ist. Es ist darüber
hinaus möglich,
eine Explosion im Treibstofftank 41 zu vermeiden, ohne
dass es notwendig ist, dass die abgezogene Luftmenge die Menge überschreitet,
die für
die Klimatisierung notwendig ist, d. h., ohne dass die Antriebskraft
oder der Treibstoffwirkungsgrad beeinträchtigt wird. Dass mit Stickstoff
angereicherte Luft einem entzündbaren
Teil zugeführt
wird, verbessert die Sicherheit des Flugzeuges. Das hat zur Folge,
dass es möglich
ist, die abgezogene Luftmenge stark herabzusetzen, ohne die Zuverlässigkeit
des Flugzeuges oder die Bequemlichkeit für die Passagiere zu beeinträchtigen, wodurch
der Treibstoffwirkungsgrad und die Antriebskraft verbessert werden.
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Insbesondere dadurch, dass die Luft
in der Kabine 2, deren Temperatur und Druck einmal eingestellt
wurden, ausgenutzt wird, wird es möglich, die Last für den Klimaanlageteil 3 stark
herabzusetzen, verglichen mit dem Fall, in dem Luft auf hoher Temperatur
und hohem Druck von vornherein reguliert wird.
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Da darüber hinaus der Sauerstoffabzugsteil 19 gemäß des Ausführungsbeispiels
von der Zirkulationsleitung 15 zum Kühlen der Luft in der Kabine 2 Gebrauch
macht, ist es möglich,
andere Anordnungen zum Zuführen
von mit Sauerstoff und Dampf angereicherter Luft zur Kabine 2 wegzulassen,
was den Platzbedarf und die Kosten herabsetzt. Das macht es weiterhin
möglich,
den Sauerstoffabzugsteil 19 ohne einen komplizierten Arbeitsaufwand
mit einer bestehenden Klimatisierung zu versehen.
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Wenn das Flugzeug auf einer großen Höhe fliegt,
steigt die Temperatur der Flugzeugoberfläche aufgrund der durch die
Passagiere oder die elektronische Ausrüstung erzeugten Wärme an,
was dazu führt,
dass die Klimatisierung zu einer leichten Kühlung wird, obwohl die Temperatur
der Atmosphäre
extrem niedrig ist (annähernd –60°C). In diesem
Fall besteht keine Notwendigkeit, die Luft mit dem Dampfkreisprozesssystem 6 abzukühlen. Die
Luft, die durch den Wärmetauscher 5 gekühlt wurde,
und die abgezogene Luft, deren Temperatur durch ein Temperatursteuerventil 23 gesteuert
wurde, werden mit einem Bypass gemischt, wie es durch eine gestrichelte
Linie in 1 dargestellt
ist, und der Kabine 2 zugeführt. Es versteht sich, dass
der oben erwähnte Effekt
auch mit dieser Ausbildung erzielt werden kann.
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Die konkrete Ausgestaltung jedes
Bauteils ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Bei einer abgewandelten Form des Sauerstoffabzugsteils kann beispielsweise
die Luft in mit Stickstoff angereicherte Luft und mit Sauerstoff angereicherte
Luft unter Verwendung eines Materials, wie beispielsweise Zeolith
aufgeteilt werden, das Moleküle
selektiv adsorbiert. Insbesondere können mehrere Zeolithteile vorgesehen
sein. Nur Sauerstoffmoleküle
werden aus der abgezogenen Luft unter Verwendung eines Zeolithteils
adsorbiert, bis dieser Zeolith mit Sauerstoffmolekülen gesättigt ist,
worauf anschließend
nur Sauerstoffmoleküle
aus der abgezogenen Luft unter Verwendung eines anderen wartenden
Zeoliths adsorbiert werden, bis dieser Zeolith mit Sauerstoffmolekülen gesättigt ist.
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Während
der zuletzt genannte Zeolith Sauerstoffmoleküle adsorbiert, werden die Sauerstoffmoleküle vom zuerst
genannten gesättigten
Zeolith abgezogen und der Kabine 2 zugeführt, woraufhin
der zuerst genannte Zeolith wartet, bis der zuletzt genannte Zeolith
mit Sauerstoffmolekülen
gesättigt
ist. Bei dieser Ausbildung, bei der mehrere Zeolithteile abwechselnd
benutzt werden, ergeben sich nicht nur die oben beschriebenen Wirkungen,
sondern kann auch Energie beim Komprimieren der Luft in der Kabine 2 vor
der Trennung in mit Stickstoff angereicherte Luft und mit Sauerstoff
angereicherte Luft eingespart werden, was die Anordnung einfach
macht.
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Mit Sauerstoff und Wasserdampf angereicherte
Luft kann aus der von der Kabine abgezogenen Luft und darüber hinaus
weiterhin aus der vom Hilfsturbinenteil abgezogenen Luft gebildet
werden. Die Druckkammer kann neben der Kabine eine Kammer für die elektronische
Ausrüstung
oder ein Cockpit sein.
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Der Klimaanlageteil kann weiterhin
eine Luftkreisprozessmaschine umfassen. Beispielsweise kann die
von einem Triebwerk abgezogene Luft unter Verwendung eines Wärmetauschers
abgekühlt
und dann durch einen Kompressor der Luftkreisprozessmaschine komprimiert
und erneut gekühlt
werden, woraufhin die Luft durch eine Turbine der Luftkreisprozessmaschine
expandiert wird, um gekühlte
Luft zu erhalten, die der Druckkammer zugeführt wird. Auch in diesem Fall
kann der oben erwähnte
Effekt erzielt werden.
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Das Kühlmittel ist weiterhin nicht
auf den alternativen Chlorfluorkohlenstoffwasserstoff beschränkt, sondern
kann auch ein Kohlenwasserstoff oder Ammoniak sein.
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Die übrige Ausbildung des Bauteils
kann in verschiedener Weise abgewandelt werden, ohne den Bereich
der Erfindung zu verlassen.
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Mögliche industrielle
Anwendungsformen
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Wie es oben erwähnt wurde, ist es gemäß der vorliegenden
beanspruchten Erfindung möglich, die
abgezogene Luftmenge zu reduzieren, die für die Frischluftversorgung
benötigt
wird, während
der Druckkammer ausreichend Sauerstoff zugeführt wird, und ist es möglich, eine
Explosion an einem entzündbaren
Teil infolge eines Spannungsüberschlags zu
verhindern, ohne mehr Luft als notwendig abzuziehen. Wie es erwähnt wurde,
ist es möglich,
nicht nur die abzuziehende Luftmenge herabzusetzen, ohne die Zuverlässigkeit
des Flugzeuges oder die Bequemlichkeit für die Passagiere zu beeinträchtigen,
sondern kann auch die Last am Klimaanlageteil herabgesetzt werden,
da dieser Luft in der Druckkammer nutzt, die bereits eingestellt
wurde, was den Treibstoffwirkungsgrad und die Antriebskraft verbessert
und die Leistung des Flugzeuges gewaltig erhöht.
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Es ist weiterhin möglich, bei
einem Flugzeug, das ein Hochleistungstriebwerk aufweist oder bei
einem Geschäftsflugzeug,
das von Haus aus eine geringere Ventilation benötigt, die vom Triebwerk abgezogene
Luftmenge weiter herabzusetzen, wenn ein Dampfkreisprozesssystem
gemeinschaftlich benutzt wird.
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Wenn die von der Druckkammer abgegebene
Luft oder die von der Druckkammer abgezogene Luft in mit Stickstoff
angereicherte Luft und in mit Sauerstoff und Wasserdampf angereicherte Luft
unter Verwendung einer permeablen Membran getrennt wird, die selektiv
Moleküle
durchlässt,
indem die Luft komprimiert wird, ist es möglich, für eine geeignete Feuchtigkeit
in der Druckkammer zu sorgen, so dass zusätzlich zu dem oben beschriebenen
Effekt für
die Bequemlichkeit der Passagiere gesorgt ist.
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Wenn die von der Druckkammer abgegebene
Luft oder die von der Druckkammer abgezogene Luft in mit Stickstoff
angereicherte Luft und in mit Sauerstoff und Wasserdampf angereicherte
Luft unter Verwendung eines Materials getrennt wird, das selektiv
Moleküle
adsorbiert, ist kein Kompressor notwendig, so dass sich eine Umgebungssteuereinheit
für ein
Flugzeug ergibt, die den oben beschriebenen Effekt mit einem einfachen
Aufbau und einem geringeren Platzbedarf liefert.