專利名稱：使用循環空氣進行貨艙空氣調節的系統和方法
技術領域：
本發明總體涉及飛行器中的環境控制系統，尤其涉及向飛行器機搶的選 定部分提供經調節空氣的系統和方法。
背景技術：
現代運輸乘客的飛行器一般在升高的高度下操作從而避免天氣的影響 并且獲得通常與高空飛行關聯的其他明顯優勢。因此，這種飛行器裝配有環 境控制系統，該系統向飛行器機艙中的乘客提供加壓的并且溫度受控制的空 氣。簡單地大體來說，環境控制系統一般從飛行器的一個或多個發動機的壓 縮機部分抽出處于高溫和高壓的空氣，適當地調節所抽出的空氣并且將經調 節的空氣分配至機艙從而為飛行器內的機組人員和乘客提供舒適的環境。經適當調節的空氣通過空氣分配系統連續地供給至飛行器機艙的各個 部分。
一般地，飛行器機艙包括由機組人員占用的飛行曱板區域、由乘客占 用的客艙以及由貨物諸如乘客的行李、貨運物品等占用的一個或多個貨艙。 通常，環境控制系統根據預定的空氣分配計劃向飛行器機搶的各個部分提供 空氣。例如，可向飛行曱板區域供給基本上外部的空氣，而乘客艙接收減小 量的外部空氣，這些外部空氣與先前在乘客艙中的循環和過濾空氣相混合， 使得所得的空氣混合物包括外部空氣和高度過濾空氣的部分。
一般地，客般 中的混合物連續地保持為外部空氣體積的大概一半。貨艙從各種源頭接收空 氣，這些源頭可包括外部空氣或循環空氣。在一些情況下，貨艙不通風，使 得其不接收空氣。在任何情況下，貨艙內的選定量的空氣被釋放至下部凸片頰板(lobe cheek)區域并且通過可由環境控制系統控制的外流閥從飛行器 排出和/或通過其他裝置排出，諸如通過機艙和/或貨物門泄漏出。人員和乘客所需的舒適程度。因此，飛行器曱板和客艙通常包括各種溫度檢 測裝置，它們位于飛行曱板和客艙中，可在需要額外的冷卻時控制該系統獲
得額外的冷卻空氣，在需要額外的加熱時對應地增加額外的更高溫度的空 氣。貨艙內的空氣溫度通常可控制在更寬的溫度范圍內，使得貨艙可容納多 種不同的貨物。例如，當在貨艙中裝入易腐爛貨物時，通常優選采用低空氣 溫度，而當鮮活貨物裝入貨艙運輸時，優選有點溫暖的空氣溫度。當前的環境控制系統所具有的 一個缺點就是，它們僅可通過連續地將空 氣移入貨艙或者從凸片頰板移入貨艙而對貨艙提供額外的熱量。可選擇地， 貨艙內的空氣可移動通過一個或多個電阻加熱器以向貨艙提供額外的熱量。 在另一方法中， 一個或多個發動機的壓縮機部分的熱外部空氣可引入搶內。 因此，將熱量從貨艙空氣中移除僅可通過被動裝置實現(例如，通過將熱量 導引過飛行器的外部蒙皮)。為了獲得更好的溫度控制，經調節的空氣可從 機艙和/或飛行器甲板供給系統供給至貨艙。由于這種方法通常會增加外部空 氣的需求，所以會不利地增加燃料的消耗。現有技術所需要的是一種環境控制系統，該系統允許選定艙諸如貨艙內 的空氣溫度以節能的方式受到控制，避免額外地增加飛行器的重量并且最小 化外部空氣需求。發明內容本發明包括將經調節空氣供給至飛行器機艙的選定部分的系統和方法在一個方面， 一種用于飛行器機艙的環境控制系統，包括貨艙空氣系統，該系統流體連接至空氣源和貨艙并且具有空氣移動裝置，該裝置用于將空氣 從貨艙中抽出并且將空氣輸送至流體連通至貨艙的空氣加熱裝置和空氣冷 卻裝置。溫度控制系統操作連接至至少空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置，該控 制系統用于響應于檢測到的艙溫以保持艙內的預定空氣溫度。在另一方面， 一種用于飛行器的貨艙循環系統，包括空氣移動裝置， 該裝置流體連接至貨艙并且用于從貨艙移動一體積的空氣；流體連接至貨艙 的空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置。循環導管流體連接至空氣移動裝置并且用 于選擇性地將空氣體積的至少 一部分導引至空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置， 以及機外部分。溫度控制系統操作連接至空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置以及 循環導管，該系統保持艙內的預定空氣溫度。在另一方面， 一種用于控制飛行器貨艙內空氣溫度的方法，包括選擇 設定點溫度；測量艙內溫度并且將測得溫度與設定點溫度比較以產生誤差
值。如果所產生的誤差值是正的并且大于預定的誤差標準，那么激活流體連 接至貨艙的循環系統的冷卻部分以冷卻從貨艙抽出的空氣體積。如果所產生 的誤差值是負的，那么激活流體連接至貨艙的空氣循環系統的加熱部分以加 熱從貨艙抽出的空氣體積。在另一方面， 一種航空航天工具，包括封裝飛行器機艙的機身，具有 至少一個貨艙；以及位于機身內的貨艙空氣循環系統。該系統還包括空氣 移動裝置，該裝置流體連接至貨艙并且用于從貨搶抽出空氣并且將空氣輸送 至流體連接至貨艙的空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置。溫度控制系統操作連接 至至少空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置，該溫度控制系統用于響應于檢測到的 艙溫以保持艙內的預定空氣溫度。
本發明的優選和備選實施例將在下文參照附圖進行詳細地說明。圖1是根據本發明實施例的用于飛行器的環境控制系統的示意性框圖；圖2是根據本發明另 一 實施例的貨艙循環系統3 0的局部示意圖；圖3是根據本發明另一實施例的控制飛行器艙內空氣溫度的方法的框圖；圖4是具有本發明的公開實施例的 一個或多個的飛行器的側視圖。
具體實施方式
本發明涉及用于向飛行器機艙的選定部分諸如貨艙提供經調節空氣的 系統和方法。本發明的特定實施例的許多具體細節闡述在隨后的說明書和圖 1至4中從而提供這些實施例的完整理解。但是，本領域:技術人員可知，本發明可具有其他的實施例或者本發明可在不采用下述說明書中記載的若干 細節的情況下實現。圖1是根據本發明實施例的用于飛行器的環境控制系統10的示意性框 圖。環境控制系統10包括連接至飛行器的外部空氣源12。 一個空氣源可以 是從推進單元的壓縮機部分抽出高溫和高壓空氣的引氣系統。可選擇地，外 部空氣可由其他空氣源提供。例如，外部空氣可通過輔助動力單元(APU) 供給，或者位于飛行器內的其他壓縮裝置，或者從其他空氣源，諸如外部壓 縮空氣供給。外部空氣系統12可包括換熱器，該換熱器至少局部地將壓縮
的熱量傳輸至環繞飛行器的空氣流或者其他適當的廢熱移除介質。外部空氣系統12流體連接至空氣調節(A/C)充填系統14，該系統從外部空氣系統 12接收經抽出的空氣(或外部空氣)并且適當地調節外部空氣以產生具有所 需的可由飛行曱板和客搶16接受的溫度和壓力的空氣。因此，A/C充填系 統14總體包括一個或多個空氣循環機(未在圖1中示出)，其可用于通過外 部空氣的一系列受控壓縮和膨脹而向機艙16提供空氣。A/C充填系統14可 包括各種從外部空氣移除濕氣的其他公知裝置，并且進一步用于控制空氣循 環機的操作使得機艙16內的溫度和壓力適當地受到控制。雖然圖1示出連 接至外部空氣系統12的A/C充填系統14,但是應該理解，A/C充填系統14 可從輔助動力單元(APU)接收具有高溫和高壓的空氣，該單元一般在飛行 器處于地面時向飛行器提供壓縮空氣和電力。再次參照圖1,飛行器機艙16可再次分為多個分離的溫度區域，諸如飛 行曱板和客艙。可將溫度傳感器(同樣未在圖1中示出)定位在飛行曱板和 客艙中，其與A/C充填系統連通從而提供反饋閉環控制。機艙16流體連接 至循環系統28,該系統用于以預定的速率移除空氣并且使所移除的空氣經受 高效空氣過濾過程。經過濾的空氣然后返回至機艙16并且與從A/C充填系 統14獲得的預定量外部空氣結合。飛行器機艙16流體連接至下部凸片頰板 區域18和貨艙24。貨艙24可以是單一的貨艙或者進一步分為兩個或多個相 互隔離的搶，其通常用于容納乘客的行李或者其他貨物。貨艙24接收從機 艙16和下部凸片頰板區域18排出的空氣。與貨艙24流體連通的 一個或多 個機艙外流閥24選擇性地從貨艙24釋放空氣從而彌補供給至貨艙24的空 氣以確保貨艙氣味不會進入機艙或者循環系統。因此，釋放率通常大于供給 率。系統10也包括貨物溫度控制系統22,其可通過選擇性地加熱和/或冷卻 貨艙空氣來控制貨艙24中的溫度。因此，可選擇性地將空氣導引至熱源和 冷卻槽23。由此導引的空氣可由各種方法加熱，包括采用絕緣加熱器加熱空 氣，通過從外部空氣系統12獲得一定量的相對高溫空氣("trimair"),或者 通過導引所移除的空氣通過換熱器的 一側，并且導引更高溫度的流體通過換 熱器的相對側。在一項實施例中，更高溫度的流體是從裝置冷卻系統獲得的 相對高溫流體。可選擇地，希望冷卻貨物供給空氣時，空氣可選擇性地導引 至系統32的冷卻部分。因此，空氣可導引通過換熱器的一側，同時換熱器 的相對側接收相對低溫的流體，諸如從空氣循環機的膨脹階段獲得的或者從 專用液體冷卻劑回路(或者致冷劑回路)獲得的低溫空氣，該回路可從換熱 器中移除的空氣接收熱量并且將熱量排出至相對低溫槽，諸如飛行器外部的 低溫空氣流。在另一具體實施例中，專用冷卻劑回路是使用公知致冷劑流體 的致冷劑循環。貨艙溫度控制系統22也包括溫度控制系統，該系統通過測量貨艙24中 的溫度并且將所測得的溫度與反應貨艙24的所需溫度的設定點值相比較來 可控制地調整貨艙24中的溫度。溫度控制系統通過控制選擇性地將移除空 氣導向至系統22的加熱和冷卻部分的值來可控制地調整溫度。因此通過加 熱槽和/或熱源的控制與進氣閥52上游的貨物循環和供給的控制的結合來實 現控制。圖2是根據本發明另一實施例的貨艙循環系統30的局部示意圖。空氣 通過空氣移動裝置32從貨艙24移除并且導引至循環導管34,該導管包括循 環閥36和排放閥38。循環閥36和排放閥38由溫度控制系統40控制從而分 別獲得所需的空氣循環率和空氣排放率。溫度控制系統40將在下文進行更 詳細的討論。如果空氣由系統30排出，那么循環導管34將空氣導引至飛行 器的外部(或頰板)區域42,由此空氣然后可由機艙出流閥26排放通過飛 行器的機身蒙皮44。可選擇地，如果空氣由系統30進行循環，那么循環導 管34將空氣導引至空氣加熱器46從而選擇性地向循環空氣提供熱量，進一 步向空氣冷卻器38提供熱量以選擇性地將熱量從循環空氣移除。空氣加熱 器46和空氣冷卻器48連接至溫度控制系統40使得加熱和冷卻過程可受到 控制。因此，溫度控制系統40可中斷地向電阻加熱元件提供電流，或其可 選擇地通過整氣閥(trim air valve)獲得高溫空氣，或者提供至換熱器，如 前文所述。當希望冷卻循環空氣時，溫度控制系統40可通過選擇性地向換 熱器供給相對的低溫流體來控制空氣冷卻器48的操作，如前文所述。循環 空氣然后通過分配導管50返回至貨艙24，該分配導管通過一個或多個延伸 穿過貨艙24壁部的出口或者通過允許循環空氣返回至貨艙24的其他裝置與 貨搶24流體連通。貨艙循環系統30也包括入口閥52，該閥連接至溫度控制系統40并且用 于從頰板區域42接收空氣，或者其他飛行器系統，諸如A/C充填系統14(圖 1 ), E/E冷卻系統14 (圖1 )或其他系統。在具體實施例中，入口閥52用于 接收從飛行器中的電工/電子(E/E)艙排出的空氣。從(E/E)艙排出的空氣 因此由位于艙中的裝置加熱，其有利地用于在需要時向貨艙24提供額外的 加熱。可選擇地，當不需要額外的加熱時，入口閥52可至少部分地位于閉 合位置，使得供給至閥52的進氣可通過排出導管54排放入頰板區域42,而 不是進入至艙24中。溫度控制系統40還連接至一個或多個熱傳感器56，其用于檢測貨艙24 中的空氣溫度。因此，傳感器56可包括任何公知的溫度檢測裝置，諸如熱 電偶、溫差電堆或者其他適當的溫度檢測裝置。溫度控制系統40因此測量的所需設定點溫度比較。系統40因此產生誤差信號，該信號與貨艙24內的 測得空氣溫度與設定點溫度之間的差值成比例，并且控制空氣加熱器46、空 氣冷卻器48的操作以及循環閥36、排放閥38以及入口閥52的位置以最小 化誤差信號的大小。溫度控制器40因此可采用比例控制算法。可選擇地， 在其他實施例中，溫度控制系統40可采用比例-積分(P-I)或者比例-積分-微分(P - I - D )控制算法。圖3是根據本發明另一實施例的控制飛行器艙中溫度的方法60的方框 度。在方框62,選擇設定點的溫度。例如，飛行機組人員可選4奪設定點溫度 從而為機搶設定適當的機論溫度。如前文所述，當易腐爛貨物裝在貨艙中時 需要保持低的貨艙溫度，而當鮮活貨物裝在貨艙中時，需要高的貨搶溫度。 在方框64，測量貨艙溫度。溫度可在貨艙內的單一選定位置處進行測量，或 者可從位于艙內選定地點的多個溫度傳感器獲得適當的平均溫度。在方框 66,測得溫度與設定點值比較，誤差值s根據測得溫度與設定點之間的差值 進行計算得到。在方框68,如果所得誤差值的絕對值小于預定的誤差標準s,, 那么方法60終止，因為艙已經達到選定的設定點溫度。如果所產生誤差值 的絕對值不小于預定的誤差標準。，那么在方框70，方法60確定所產生的 誤差值是否小于設定點。如果所產生的誤差值為正，如方框70所示，那么 溫度大于設定點溫度，并且搶需要額外的冷卻。因此，系統28的冷卻部分 (圖1 )在方框74處被激活以向搶^是供額外的冷卻。方法60然后遞歸地返 回至方框64并且繼續冷卻直到計算的誤差匯聚至預定的誤差標準。另外， 誤差值f為負并且貨艙溫度小于設定點值，使得系統28的加熱部分(圖1 ) 在方框72處激活。方框72然后遞歸地返回至方框64，繼續加熱直到誤差匯
聚至誤差標準。本領域技術人員也可容易地得知，前述實施例可應用至很大范圍內的不 同系統。現在具體參照圖4,示出具有一個或多個本發明公開實施例的飛行器300的側視圖。除了根據本發明的實施例，飛行器300包括相關技術中公 知的部件和子系統。例如，飛行器300通常包括連接至機翼組件304的一個 或多個推進單元302，或者可選擇地，連接至機身306或者甚至飛行器30 的其他部分。另外，飛行器300也包括連接至機身306的尾部組件308和著 陸組件310。飛行器300還包括飛行控制系統312 (未在圖4中示出)以及 多個其他電子、機械和電動機械系統，這些系統配合地^l行飛行器300操作 所需的各種任務。因此，飛行器300通常表示商用客機，其可包括例如IL., 芝加哥的波音公司售賣的737、 747、 757、 767和777商業客機。雖然圖4 所示的飛行器300通常示出商用客機，但是可理解，本發明的各種實施例也 可結合入其他類型的飛行裝置。這種飛行器的實例可包括人工的或甚至非人 工的軍用飛行器，旋翼飛行器或者甚至轟炸戰斗機，如各種文獻更加完整記 載的那樣,諸如UK , Surrey, Coulsdon的Janes，s Information Group, Ltd.售賣 的Jane's All The World's Aircraft另夕卜，本發明的各種實施例也可結合入其 他運輸車輛，包括各種類型的乘客鐵路車、乘客公交車或者其他類似的路面 車輛。再次參照圖4,飛行器300可包括根據本發明的環境控制系統314的一 個或多個實施例，其可與飛行器300的各種系統和子系統關聯操作。環境控 制系統314可用于控制飛行器300貨艙內的空氣溫度，如前文詳細說明。但 是，系統314可用于可控制地調節其他選定艙中的空氣溫度，諸如運貨飛行 器中的主貨物曱板，或者以組合結構操作的飛行器的貨物部分。雖然已經如上所述示出和描述了本發明的優選和備選實施例，但是可在 不脫離本發明的精髓和范圍的情況下進行許多改變。因此，發明的范圍由這 些優選和備選實施例的公開內容限定。替代地，本發明應該參照隨后的權利 要求完整地確定。
權利要求
1、一種用于飛行器貨艙的環境控制系統，包括貨艙空氣系統，該系統流體連接至空氣源和貨艙并且具有空氣移動裝置，該裝置用于將空氣從貨艙中抽出并且將空氣輸送至流體連通至貨艙的空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置；以及操作連接至至少空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置的溫度控制系統，該溫度控制系統用于響應于檢測到的艙溫以大概保持艙內的預定空氣溫度。
2、 根據權利要求1所述的系統，其中，貨艙空氣系統還包括連接至空 氣源的循環導管，該系統流體連接空氣移動裝置以及空氣加熱和空氣冷卻裝 置，其中，循環導管用于從溫度控制系統接收信號從而控制在空氣移動裝置 與空氣加熱和冷卻裝置之間移動的抽出空氣的體積。
3、 根據權利要求2所述的系統，其中，循環導管還包括排放導管，該 導管用于將至少 一部分抽出空氣排放至機外排放位置，排放率大于或等于從 空氣源供給的空氣的量。
4、 根據權利要求1所述的系統，其中，貨搶空氣系統還包括在空氣加 熱裝置與空氣冷卻裝置之間延伸的分配導管，其將這些裝置流體連接至貨 艙，分配導管具有多于一個的排放出口，該排放出口從貨艙的襯套伸出。
5、 根據權利要求1所述的系統，其中，溫度控制系統還包括至少一個 溫度傳感器，該傳感器位于貨艙內并且操作連接至溫度控制系統。
6、 一種用于飛行器的貨艙循環系統，包括空氣移動裝置，該裝置流體連接至貨艙并且用于移動一體積的空氣；流體連接至貨艙的空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置；循環導管，該導管流體連接至空氣移動裝置并且用于選擇性地將空氣體 積的至少一部分導引至空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置；以及溫度控制系統，該系統操作連接至空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置，該系 統響應于檢測到的貨搶溫度以保持艙內的預定空氣溫度。
7、 根據權利要求6所述的系統，還包括空氣分配導管，該導管將空氣 加熱裝置和空氣冷卻裝置流體連接至貨艙，分配導管具有延伸穿過貨艙壁部 的多個間隔開的排放位置。
8、 根據權利要求6所述的系統，其中，循環導管還包括流體連接至機 外排放位置的排放導管部分。
9、 根據權利要求8所述的系統，其中，循環導管還包括延伸穿過飛行 器機身部分的出流閥。
10、 根據權利要求8所述的系統，其中，循環導管還包括流體連接至排放導管部分和空氣移動裝置的排放閥，以及流體連接至空氣移動裝置以及空 氣加熱裝置和空氣冷卻裝置的循環閥。
11、 根據權利要求6所述的系統，還包括入口閥，該入口閥連接至經調 節的空氣源并且流體連接至空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置，還流體連接至循 環導管。
12、 根據權利要求11所述的系統，其中，經調節的空氣源包括從飛行 器內的電工/電子(E/E)艙排放的空氣。
13、 根據權利要求6所述的系統，其中，溫度控制系統連接至與貨艙熱 連通的至少一個溫度傳感器。
14、 根據權利要求6所述的系統，其中，空氣加熱裝置是電絕緣加熱裝 置，溫度控制系統用于控制供給至電絕緣加熱裝置的電流。
15、 根據權利要求6所述的系統，其中，空氣冷卻裝置包括連接至流體 冷卻回路的換熱器、吸熱器、冷空氣源和致冷劑回路的至少一個，溫度控制 系統用于控制流體冷卻回路中的流體流動。
16、 一種用于控制飛行器貨艙內空氣溫度的方法，包括 選擇設定點溫度；測量艙內溫度并且將測得溫度與設定點溫度比較以產生誤差值； 如果所產生的誤差值是正的并且大于預定的誤差標準，那么激活流體連接至貨艙的循環系統的冷卻部分以冷卻從貨艙抽出的空氣體積；并且如果所產生的誤差值是負的，那么激活流體連接至貨艙的空氣循環系統的加熱部分以加熱從貨艙抽出的空氣體積。
17、 根據權利要求16所述的方法，其中，測量艙內溫度還包括從位于 艙內的間隔開的傳感器獲得多個溫度并且適當地取這些溫度的平均值以得 到測得溫度。
18、 根據權利要求16所述的方法，其中，激活冷卻部分還包括將流體 冷卻回路連接至用于接收所抽出空氣體積的換熱器。
19、 根據權利要求16所述的方法，其中，激活加熱部分還包括將電流 連接至用于接收所抽出空氣體積的電阻加熱裝置。
20、 一種用于控制飛行器貨艙中空氣溫度的方法，包括 從空氣源獲得一體積的空氣；從連接至貨艙的空氣循環系統接收一體積的空氣； 測量艙內空氣體積的溫度并且將該溫度與預選擇的設定點溫度比較以 產生誤差值；將該誤差值與預定誤差標準進行比較；并且 根據所進行的比較改變貨艙溫度。
21、 根據權利要求20所述的方法，其中，比較誤差值還包括確定該誤 差值是否為正并且大于誤差標準，改變貨艙溫度進一步包括激活流體連接至 貨艙的空氣循環系統的冷卻部分從而冷卻從貨艙抽出的 一體積的空氣。
22、 根據權利要求20所述的方法，其中，比較誤差值還包括確定該誤 差值是否為負，改變貨艙溫度還包括激活流體連接至貨艙的空氣循環系統的 加熱部分從而加熱從貨餘抽出的空氣體積。
23、 根據權利要求21所述的方法，其中，激活冷卻部分還包括將流體 冷卻回路連接至用于接收所抽出體積空氣的換熱器。
24、 根據權利要求22所述的方法，其中，激活加熱部分還包括將電流 連接至用于接收所抽出體積的空氣的電阻加熱裝置。
25、 一種航空航天工具，包括 封裝飛行器機艙的機身，具有至少一個貨艙；以及 位于機身內的貨艙空氣循環系統，該系統還包括空氣移動裝置，該裝置流體連接至貨艙并且用于從貨艙抽出空氣并 且將空氣輸送至流體連接至貨艙的空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置；以及操作連接至至少空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置的溫度控制系統，該 溫度控制系統用于響應于檢測到的艙溫以大概保持搶內的預定空氣溫度。
全文摘要
本發明包括用于向飛行器機艙的選定部分提供經調節空氣的系統和方法。在一項實施例中，系統包括貨艙空氣循環系統，該系統流體連接至貨艙(24)并且具有空氣移動裝置(32)，該裝置用于從貨艙抽出空氣并且將空氣運送至流體連接至貨艙的空氣加熱裝置(46)和空氣冷卻裝置(48)。空氣可從空氣源供給。抽出的空氣可以排出到機外。溫度控制系統(40)操作連接至空氣加熱裝置和空氣冷卻裝置，控制系統用于響應于檢測到的艙溫保持艙內的預定空氣溫度。
文檔編號B64D13/08GK101155728SQ200680010224
公開日2008年4月2日 申請日期2006年3月24日 優先權日2005年3月31日
發明者悉尼·D·謝爾, 沃倫·A·阿特基, 邁克爾·L·特倫特 申請人:波音公司