專利名稱：用于飛機座艙的空調系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于飛機座艙的空調系統，該空調系統具有至少一個用于向座艙供應
空氣的空氣入口和至少一個用于排放座艙空氣的空氣出口。
背景技術：
由于在高海拔處，外部溫度低且外部壓力低，因此空調系統是現代商用飛機不可或缺的部件。僅通過采用這種系統，就可利用商用飛機長距離運輸乘客，并節省燃料。
現在，在大多數情況下，在飛行期間空調系統被供應從引擎的熱空氣流獲取的泄放空氣。根據飛行情況，泄放空氣通常在引擎的兩個不同點之一處分叉，即中壓端口 IP和高壓端口HP。使用泄放空氣對于空調是有利的，因為高壓且很熱(通常在約40(TC和2巴)的空氣可被調節到期望的溫度和壓力(座艙中的壓力在約2(TC通常約為0.8巴)，而無需利用可觀的額外數量的能量。關于這一點，泄放空氣也可用于其它用電設備，例如用于為機翼除冰的系統(機翼冰防護系統，WIPS)。由于泄放空氣的壓力高，在使用泄放空氣時的另一重大優勢在于泄放空氣可被容易地路由通過相對較長的管路系統這一事實。這可作為使用泄放空氣的重要論據，特別是對于現代大型飛機。 通過向座艙提供新鮮空氣(通常具有高比例的泄放空氣)并去除存在的座艙空氣，飛機座艙的空氣被持續地交換。通常，從座艙中去除的空氣的大比例(典型地，約50%的數量級)通過與路由到座艙的新鮮空氣流混合而被再利用。座艙空氣的剩余部分被排放到周圍大氣中。 公開US 4， 419， 926提出路由將待經動力恢復渦輪機PRT去除到周圍大氣中的空氣，該動力恢復渦輪機利用座艙空氣與外部空氣(在約-55t:和o.2巴的高海拔處)的熱態
差別來進行能量恢復。 除了泄放空氣之外，飛機還經常使用所謂的沖壓空氣，即通過飛機運動被強制進入沖壓空氣入口的空氣。除了泄放空氣，這可被壓縮機用作熱的加壓空氣，或不經壓縮被用作冷卻空氣。在飛行期間，通常沖壓空氣系統和泄放空氣系統都被采用。
在地面上，座艙的空氣經常由驅動壓縮機的輔助動力單元APU提供。
文獻CA 2546714、DE 10234968、W0 99/12810和US 4， 684， 081描述了用于飛機座艙的空調系統，其中沖壓空氣壓縮機、泄放空氣源和APU的不同設置用于向飛機座艙供應新鮮空氣。文獻US 2007/0113579A1和US5， 442， 905也涉及用于飛機座艙的空調系統。
現代飛機引擎具有引擎中的空氣流的旁通率、BPR相對較高的趨勢，由此從引擎核心獲取的泄放空氣對飛機的燃料消耗具有特別負面的影響。此外，被打算用在座艙中的泄放空氣必須通過多個步驟被冷卻，以將其帶入被供應給座艙時可接受的熱態。在該過程中會不可避免地損失能量，因為泄放空氣的熱量通過冷卻損失了 。 通常的規則是使用于飛機座艙的空調系統盡可能有效和輕，以降低燃料消耗。降低的燃料消耗一般還可通過降低飛機的重量來實現。 因此，在用于飛機座艙的空調系統的領域中，需要呈現有利的能量均衡并降低飛
4機的燃料消耗的特別有效的系統。
發明內容
為了實現該目的，本發明提供一種根據權利要求1所述的用于飛機座艙的空調系統。該空調系統包括至少一個空氣入口，用于向所述座艙供應空氣；至少一個空氣出口，用于從所述座艙排放空氣；至少一個壓縮空氣源，適于提供加壓新鮮空氣，以經所述至少一個空氣入口供應給所述座艙；以及熱交換器，被供應來自沖壓空氣入口的沖壓空氣，以冷卻來自所述至少一個壓縮空氣源的空氣。所述熱交換器布置在所述座艙的空氣入口的上游。根據本發明的空調系統還包括座艙空氣熱交換器，該座艙空氣熱交換器被設計成被經至少一個空氣出口供應從所述座艙排放的并被打算再次供應給所述座艙的空氣(所謂的再循環空氣)。所述座艙空氣熱交換器布置在所述至少一個空氣出口的下游和一點的上游，在該點處，來自所述至少一個壓力源的新鮮空氣與被打算再次供應給所述座艙的空氣混合。
根據本發明的該系統使來自座艙的再循環空氣流能夠與來自壓縮空氣源的新鮮空氣流分開，并被所述座艙空氣熱交換器處理。這樣使得各個流的溫度能夠得到更精準的控制，并由此也使得融合流的溫度能夠得到更精準的控制。具體來說，可根據飛行情況的需求非常準確地進行空氣流冷卻。此外，可使用多個小尺寸的熱交換器代替一個大尺寸的熱交換器。這些小熱交換器在設計飛機時提供相當大的自由度，并帶來了關于飛機中的重量分布的優勢。同時，該系統具有冗余，以便在用于新鮮空氣的熱交換器發生故障的情況下，其某些功能可容易地轉移到座艙空氣熱交換器。 將用于冷卻來自座艙的空氣的座艙空氣熱交換器設計成與用于被供應來自沖壓
空氣入口的沖壓空氣的熱交換器相同，是有利的結果。結果，冷空氣可采用簡單且能量有效
的方式供應給座艙空氣熱交換器，使得座艙空氣可被冷卻到期望的溫度。 在本發明的一個實施例中，用于冷卻新鮮空氣的熱交換器布置在所述混合點的上
游。這使得再循環座艙空氣流與新鮮空氣流的熱交換器完全分離，并使得熱交換器能夠具
有特別小的結構。 可在混合點處布置一混合設備，新鮮空氣流與座艙空氣流在該混合設備中融合。
這促進了空氣流的受控融合(特別是在流的熱態呈現出相對較大的差別時)。 混合點的下游和至少一個座艙空氣入口的上游提供了混合設備，該混合設備被設
計成將來自泄放空氣源的泄放空氣與流經混合點的空氣進行混合。將泄放空氣直接供應給
混合設備提供一種簡單且有效的在空氣流被供應給座艙之前對其加熱(如果需要的話)的
可行方案。 在一個優選實施例中，空調系統包括壓縮空氣源、泄放空氣源、壓縮沖壓空氣的源以及由輔助動力單元壓縮的空氣的源。源的這種組合允許根據飛行情況以高度靈活的方式向空調系統供應新鮮空氣。 根據本發明的另一方面(可由其自身采用或與上述方面相結合)，提供一種用于飛機座艙的空調系統，包括至少一個空氣入口，用于向座艙供應空氣；和至少一個空氣出口 ，用于排放座艙空氣，其中該空調系統還包括位于所述座艙的至少一個空氣出口的下游的動力恢復設備，用于恢復來自所排放的座艙空氣的能量。本發明的這個方面還包括加熱設備的設置，該加熱設備連接至外部貯熱器，用于加熱從所述座艙排放的空氣，位于所述座艙的下游。在該連接外部裝置中，有問題的貯熱器沒有連接到空調系統的空氣入口或空氣
出口之一以路由空氣。該加熱設備可優選地布置在該動力恢復設備的上游。 通過使用這種加熱設備，座艙排出空氣可在被供應給動力恢復設備之前被加熱，
以便可特別有效地操控動力恢復設備。同時，通過利用這種系統的廢熱來加熱被供應給動
力恢復設備的座艙空氣，可緩解除其它因素外由于增加的電氣化設備而引起的分布于現代
飛機中相連的熱源(例如電子系統)數目增加的問題。 將熱交換器布置在具有外部貯熱器的加熱設備的上游和空氣出口的下游是有利的。這種布置在座艙與加熱設備之間的熱交換器實現了對所排放的座艙空氣的額外預加熱，從而致使動力恢復設備所恢復的能量進一步增加。 該熱交換器可被設計成用于在從座艙排放的空氣與來自于一個或多個壓縮空氣源的新鮮空氣之間進行熱交換。以這種方式可冷卻熱的新鮮空氣，并且同時從中帶走的熱量可用于增加動力恢復設備的效率。 在一個特別優選的實施例中，至少一個外部貯熱器包括機油。該機油表示飛機上最熱的熱源之一，并且因此可特別地與外部熱源一起使用。由于與之相鏈接的油溫降低，因此機油的潤滑功效同時提高。 此外，在一個實施例中，可提供輔助動力單元。關于這一點，將動力恢復設備設計成用于驅動輔助動力單元是特別有利的。動力恢復設備所恢復的能量由此可直接用于操控飛機。輔助動力單元(APU)，特別是在現代飛機中，經常被用于在飛行期間或引擎發生故障的情況下提供支持，接管供應能量或壓縮空氣的一部分。當采用APU時，通過從動力恢復設備供應動力，可避免其它能源過載。 可替代地，空調系統還可包括連接到沖壓空氣壓縮機的發動機，該動力恢復設備連接至該發動機和沖壓空氣壓縮機，使得在動力恢復設備由所排放的座艙空氣驅動的工作模式下，動力恢復設備可驅動沖壓空氣壓縮機和具有發電機功能的發動機。這種設置使得被供應給空調系統的沖壓空氣能夠像不需要另一能源就提供的新鮮空氣一樣，并且同時，通過用作發電機的發動機，電能變得可用于飛機系統，例如用于空調系統的控制設備或其它設備， 在一個優選實施例中，動力恢復設備由渦輪機實施。這提供了一種有效和健壯的從空氣流中提取能量的可行方案。 根據本發明的又一方面(可被其本身采用，或與以上提及的方面中的一個或多個方面一起采用)，提供一種用于飛機座艙的空調系統，包括至少一個空氣入口 ，用于向座艙供應空氣；和至少一個空氣出口，用于排放座艙空氣。至少一個水分離器布置在所述座艙的空氣出口的下游。所提供的水分離器用于待排放到飛機的周圍大氣中的空氣的通流。水分離器被設計成將流經座艙的空氣中的水分離出來，并將其保留在飛機中。而后可使用所恢復的水例如來潤濕座艙空氣、為廁所系統供水以及類似的目的。結果，降低了在飛機起飛時要攜帶的水的量，這樣相應地節省了起飛重量。特別是在座艙容量大且有好幾百個乘客的現代大型飛機的情況下，起飛重量的節省和相應的燃料節省和/或有效載荷增加可能是相當可觀的。 在座艙的空氣出口的下游提供至少一個動力恢復設備是特別有利的。這可由以上描述的那樣來實施，并且可用上述配置中的一種來采用。動力恢復設備和水分離器在座艙
6下游的組合允許最大程度地利用能量和所排放的座艙空氣的水含量。 在本發明的一個優選實施例中，所述至少一個水分離器布置在所述至少一個動力恢復設備的下游。在該配置中，在動力恢復設備通過能量恢復已冷卻和減慢空氣之后，水從座艙空氣分離。因此，優選地，空氣在水分離器中在接近冰點的溫度下，使得空氣中的水可幾乎完全地冷凝，這促進了幾乎所有水含量的分離。 在可替代的實施例中，所述至少一個水分離器布置在所述至少一個動力恢復設備的上游。因為在空氣流入動力恢復設備之前將水從空氣中分離出來可能是有利的。因此，可防止動力恢復設備通過冷凝水而結冰，冷凝水可能通過去除能量和冷凍而被冷卻到o°c以下。 在本發明的一優選實施例中，至少一個水分離器布置在座艙的上游，而至少一個水分離器布置在座艙的下游。第一水分離器被打算用于將水從待供應給座艙的空氣中分離出來，以防止空調系統的部分在通常的若干個冷卻步驟之一中由于空氣中所含的水而冷凍。根據本發明的空調系統的水平衡很大程度上可通過組合上述兩個水分離器來調節和控制。 根據本發明的又一方面(可被其本身采用，或與以上提及的方面結合起來采用)，提供一種用于飛機座艙的空調系統，包括至少一個空氣入口，用于向座艙供應空氣；和至少一個空氣出口，用于排放座艙空氣。該空調系統還包括至少一個壓縮空氣的源，用于經所述至少一個入口向所述座艙提供加壓新鮮空氣。出于冷卻的目的，所述至少一個壓縮空氣的源連接到新鮮空氣冷卻系統，該新鮮空氣冷卻系統優選地適于使用沖壓空氣來冷卻由所述至少一個壓縮空氣的源提供的新鮮空氣流。該空調系統還包括冷卻設備，該冷卻設備適于獨立于沖壓空氣提供冷卻，并且可設置為與壓縮空氣冷卻系統分離。因此，用于冷卻待提供給座艙的空氣流的冷卻設備沒有與提供冷沖壓空氣的沖壓空氣源相連。優選地，冷卻設備適于被電驅動。這提供一種可與通常的空調系統部件分開且獨立地操控的冷卻設備。因此，增加了空調系統的靈活性和冗余。具體來說，當飛機在地面時，周圍具有相當溫暖的空氣，周圍無冷的沖壓空氣可用，因此使用普通的飛機空調系統通常是效率非常低的，并且在這種環境下，分立冷卻設備使用起來可能要有效得多。冷卻設備可以是適于利用中間相改變的冷卻設備，具體來說，它可以是蒸發冷卻設備。 具體來說，該冷卻設備可被連接成冷卻來自于周圍大氣的空氣流。這樣當飛機在地面上時，該冷卻設備能夠冷卻空氣。作為替代或作為補充，該冷卻設備可被連接成冷卻來自新鮮空氣源或來自若干個新鮮空氣源的空氣流。因此，該冷卻設備提供了冷卻新鮮空氣的另一可行方案。該冷卻設備可適于冷卻來自座艙的再循環空氣，無論僅僅是再循環空氣自身還是既包括再循環空氣又包括來自一個或更多新鮮空氣源的新鮮空氣的空氣流。
優選地，該冷卻設備可被選擇性地用于冷卻空氣流。為此，可提供旁通閥。該旁通閥可被控制為引導空氣流進入冷卻設備，或引導要被冷卻的空氣流直接進入壓縮空氣冷卻系統。在后者的情況下，若壓縮空氣冷卻系統包括可按照以上關于本發明的其它方面所述的那樣設置的一個或更多個熱交換器，則是有利的。 該空調系統還可適于使得僅冷卻設備、僅壓縮空氣冷卻系統或兩者的組合都可用于冷卻空氣流。 在一個優選實施例中，該冷卻設備設有或連接到水分離器以直接通過該冷卻設備
7從空氣流中提取水。這能夠防止具有不期望有的高濕度的空氣被提供給座艙。從而可向座
艙的乘客提供舒適的環境(特別是當飛機著陸時，在濕度很高的很熱的國家)。 若壓縮空氣冷卻系統具有連接到座艙的至少一個空氣入口的熱交換器，則是有利
的。優選地，空氣流可從冷卻設備被引導至熱交換器。因此，壓縮空氣冷卻系統的熱交換器
和冷卻設備可結合使用。壓縮空氣冷卻系統的熱交換器可被提供沖壓空氣以冷卻待引導至
座艙的空氣流。從而可有效地使用來自飛機的周圍大氣的冷沖壓空氣(特別是在高海拔處
飛行期間)。 根據又一方面，本發明還包括一種飛機，該飛機具有根據上述本發明的變體之一所述的空調系統。
圖1示出根據本發明的空調系統的一個實施例。
圖2示出根據本發明的空調系統的另一實施例。
具體實施例方式
在下圖中，為了使圖保持清楚，在線條不具有自身的附圖標記的情況下，對空氣流的導引用實線表示。同樣，為了清楚起見，未表示出電流的線條。本領域技術人員從附圖及相關說明中即明白用于電力供應和電信號的線條應當布置在哪里。此外，關于說明書中提到的混合設備或混合器，它們適于融合多個空氣流，特別是具有不同的熱態和動態的空氣流。當然，混合器也可根據流量狀況而作為一個或多個空氣流的分支和分配設備。還應當注意到，這里所述的大多數部件在飛機中至少有兩個，以提供冗余。另外，飛機中通常至少有兩個提供泄放空氣的引擎，在很多情況下有四個或者甚至更多個引擎。為了提高說明書和附圖的易懂性，這些都已被省略。 圖1中表示出根據本發明優選實施例的空調系統(環境控制系統，ECS) 10。飛機座艙12包括空氣入口 14和空氣出口 16。當然，可替代地，座艙12包括多個空氣入口 14和/或空氣出口 16也是可能的。盡管本領域技術人員很清楚座艙12的空氣分配系統可能非常復雜，但是通常僅表示出座艙12的空氣入口 14和空氣出口 16。當座艙被劃分成氣候不同的區域時，這特別適用，而現代飛機中通常就是這種情況。 空調系統包括從飛機的引擎或發動機(未示出)提供泄放空氣的第一壓縮空氣源52。該泄放空氣通常在約40(TC的溫度和2巴的壓力下。 空氣出口 16連接到空氣分配器60。空氣分配器60可將從座艙12排放到入口空氣流中以進行再利用的空氣路由到座艙(再循環空氣)。另外，所排放的空氣可經分配器60路由到座艙熱交換器62 (CHX)(廢氣)。 座艙熱交換器經管路連接到動力恢復設備22。優選地，動力恢復設備22由渦輪機實施。動力恢復設備22可由從熱交換器22流入的空氣驅動。 在該實施例中，動力恢復設備22連接到發動機64。發送機64可用于驅動動力恢復設備22 ;可替代地，若這是由從座艙12排放的空氣操控的話，發動機64還可被動力恢復設備22驅動成用于發電的發電機。 在所排放的座艙空氣已流經動力恢復設備22并將能量傳遞到后者之后，空氣流
8向水分離器28。優選地，水分離器28由旋流器實施，在旋流器中，流入的空氣開始旋轉，并 且其中包含的空氣在旋流器的側壁冷凝。還可設想到其它已知類型的水分離器。可替代地， 權宜之計是將水分離器28布置在動力恢復設備22的上游。結果，空氣在進入動力恢復設 備22之前就變干，從而使得設備22在能量恢復期間不會由于水冷凝和凝固而結冰。
在穿過水分離器28和動力恢復設備22之后，在該流支路中從座艙排放的空氣已 失去其大部分能量，并且幾乎其所有水含量已與其分離。提供了飛機空氣出口 66以將該 干、冷的空氣排放到飛機的周圍大氣中。 座艙熱交換器62和動力恢復設備22之間提供了旁通閥68，以便在需要的時候將 所排放的空氣直接路由到飛機空氣出口 66。若考慮到外部壓力狀況，動力恢復設備22的工 作效率不高，例如若飛機飛得很低或在地面上飛行，就是這種情況。因此，空氣出口 66可與 水分離器28連接到的空氣出口相同。可替代地，也可根據飛機的需求提供另一空氣出口 。
本發明的這個實施例中還提供了從引擎提供泄放空氣的泄放空氣源52。泄放空氣 源52連接到泄放空氣分配器70，以便空氣可從泄放空氣源52流向泄放空氣分配器70。泄 放空氣分配器70經管路和閥71連接到布置在座艙12上游的混合設備34。由此可通過混 合直接將泄放空氣用于加熱空氣流，該空氣流被打算供應給座艙12并流經混合器34連接 到座艙空氣入口 14。 分配器70還經泄放空氣閥72連接到另一混合設備36。用電設備閥74被并入從 分配器70到諸如機翼除冰系統之類的其它用電設備76的連接中，以便這種用電設備76可 被供應泄放空氣。 另一壓縮空氣源56經另一閥78連接在泄放空氣閥72與混合器36之間，該源提 供來自輔助動力單元18(APU)和由后者驅動的壓縮機(未示出)的壓縮空氣。閥68、71、72 和78由可被控制設備20啟動的控制閥實施。當然，閥78也可由只讓空氣沿從輔助動力單 元18到混合器36的方向流動的止回閥實施，以防止泄放空氣流入輔助動力單元18。
另一壓縮空氣源54經止回閥80連接到混合設備36。止回閥80可被連接成被控制 設備20控制。提供了沖壓空氣入口 82以將空氣從飛機的周圍大氣供應到空氣壓縮機84。 因此，空氣入口 82和壓縮機84表示壓縮空氣源54，該壓縮空氣源54從飛機的周圍大氣提 供壓縮沖壓空氣。在該實施例中，壓縮機84連接至動力恢復設備22和發動機64。由此在 采用動力恢復設備22來從所排放的座艙空氣中恢復能量時，壓縮機84可被動力恢復設備 22操控。可替代地，在動力恢復設備22不作用時，壓縮機84還可由發動機64驅動。例如， 在低海拔處，當所排放的座艙空氣與外部空氣之間的溫差和壓差沒有大到足以有效操控動 力恢復設備22時，可能就是這種情況。 總體上，空調系統因此被設計成使得空氣流可從泄放空氣源52和/或沖壓空氣源 54和/或輔助動力單元源56通過受控制設備20控制的閥72、78以及閥80路由到混合設 備36。混合器36連接到座艙熱交換器62，以便在混合器36中被混合的空氣流可被傳送到 座艙熱交換器62。 熱量在所排放的座艙空氣與由座艙熱交換器62中的壓縮空氣源52、54、56供應的 新鮮空氣之間交換。具體來說，可對所排放的座艙空氣進行加熱，這是因為來自混合器36 的空氣流通常比座艙空氣熱得多。 熱交換器62還在其出口側的一側上連接到分配器86，來自熱交換器62的新鮮空氣被路由到該分配器86。分配器86包括一方面到另一混合設備38的連接，并且另一方面 連接到冷卻設備24。優選地，冷卻設備24由電驅動的冷卻設備實施。經分配器86，空氣流 由此可被路由到電冷卻設備24以進行冷卻，或被傳送到混合設備38。當然，也可能從分配 器86分出分別到冷卻設備24和到混合器38的部分流。 電冷卻設備24連接至水分離器26，水分離器26可采用與上述水分配器28類似的 方式實施。優選地，水分離器26、28填充公共貯水器(在圖中用水分離器26和28的連接 表示)。被水分離器26、28分離的水可例如用于潤濕座艙空氣、為廁所供水或類似。在先過 濾以去除污染物和雜質后可有利地用作飲用水。 此外，冷卻設備24連接到加熱設備30以輸送熱量。因此，可利用冷卻設備24的廢 熱。加熱設備30還連接到一個或多個外部貯熱器，這些外部貯熱器總的由32指代。由此，
飛機上所有不正常地連接到空調系統的貯熱器，特別是那些與空調系統的空氣入口或空氣 出口之一非流體相連接的貯熱器，可被視為外部貯熱器32。具體來說，權宜之計是提供引擎 的熱機油作為貯熱器32。還可設想到將飛機中的熱電子部件和其它任何熱源作為外部貯熱 器。 分配器86可引導空氣流，使得它被引導繞開冷卻設備24。為了這個目的，可在分 配器86中提供旁通閥。可替代地，旁通閥可被設置在將待冷卻的空氣引導到冷卻設備24 的管路中。冷卻設備24并不依賴于冷卻的沖壓空氣而執行冷卻。它獨立于壓縮空氣冷卻 系統利用提供有沖壓空氣的熱交換器，例如熱交換器42來運行，具體來說，當飛機在地面 上或處于低海拔處時，即無冷沖壓空氣可用時，可被高效地使用。另外，還可能并且甚至期 望將冷卻設備24設置得與剩余部件分離以冷卻空氣流，因為它不需要直接連接到沖壓空 氣的源以進行冷卻。盡管如此，它適于冷卻來自類似于泄放空氣源52和/或沖壓空氣源54 和/或輔助動力單元源56的壓縮空氣的源的空氣流。然而，它也可用于冷卻來自可能未經 有效壓縮就提供的，例如在地平面的周圍大氣的空氣。優選地，冷卻設備24適于利用蒸發 冷卻來冷卻被引導穿過該冷卻設備24的空氣流。 加熱設備30還連接到熱交換器62后面的排氣管路，以便從座艙12排放的空氣可 被進一步加熱。由此，加熱后的座艙空氣與外部空氣之間的溫差和壓差變得更大，并且可特 別有效地操控動力恢復設備22。 在圖1所示的系統中，冷卻系統24連接到混合器40，混合器40由與混合器38相 連接。 混合器40還連接至熱交換器42。熱交換器42經沖壓空氣入口 92被供應冷沖壓 空氣，但是沖壓空氣入口 92不必連接到上面提到的壓縮空氣源54的入口 82。熱交換器42 中的熱交換之后，來自沖壓空氣入口 92的沖壓空氣經空氣出口 94被排放到飛機的周圍大 氣中。當然，該出口94也可以是獨立的，或連接至其它出口 (例如66)，或甚至與它們相同。 沖壓空氣的流入和流過熱交換器42可由熱交換器入口閥88和熱交換器出口閥90調節，熱 交換器入口閥88和熱交換器出口閥90分別布置在入口 92與熱交換器42之間和熱交換器 42與出口 94之間。與不依賴于沖壓空氣的獨立冷卻設備24對比，熱交換器42可被視為提 供有沖壓空氣以冷卻空氣流的空調系統的子系統的部件。 在相對于來自混合器40的空氣流位于下游的熱交換器42的側部提供了與混合器 34的連接。除了連接到分配器60之外，還存在該混合器34與混合器30之間的經另一分配
10器96的連接。因此，可經混合器34上游的分配器96在混合點M將待再利用的座艙空氣送 入空氣流。在該點，從熱交換器42流出的空氣流的熱特性與座艙空氣的熱特性在正常情況 下已經足夠地相似，因此不需要特殊的混合設備。當然，可替代地，可在混合點M處提供這 種混合設備。 提供了控制設備20以通過控制空調系統10的各個部件按照需要控制控制空氣 流。為了清楚起見，控制單元20的表示沒有使用控制線、電源線、傳感器、計算單元和與之 相關聯的其它部件。控制設備20被特別設計成根據需求控制空調系統的各種閥、混合器、 分配器、熱交換器、壓縮空氣源、單元、加熱和冷卻設備以及其它設備，以便獲得期望的空氣流。 圖1所示的系統使得來自三個不同的壓縮空氣源52、54、56的新鮮空氣能夠根據 需求并根據環境狀況被送入空調系統10并在混合器36中被融合。在該混合器36中被混 合的空氣流而后可經座艙熱交換器62和熱交換器42被冷卻。然而，也可對空氣流進行控 制，以便空氣流經電冷卻設備24而失去熱量，電冷卻設備24特別適合無冷沖壓空氣可用， 例如在地平面上的情況。另外，來自泄放空氣源的泄放空氣可被經閥71直接路由到混合器 34。 經分配器60和96，從座艙排放的某些空氣可被添加到新鮮空氣中并被再利用。經 分配器96可將來自座艙的空氣添加到被打算供應給熱交換器42下游和熱交換器42上游 的座艙12的新鮮空氣流。 空調系統10的控制設備20分別具有至少兩種工作模式。第一工作模式被特別地 打算供具有低外部壓力和低外部溫度的高海拔之用。在該第一工作模式下，來自泄放空氣 源52和壓縮沖壓空氣源54的空氣用于空調系統10 ;不需要被輔助動力單元18壓縮的空 氣。新鮮空氣流在混合器36中被融合，并在熱交換器62中通過與通過出口 16從座艙12 排放的空氣交互而被冷卻。之后，經冷卻的新鮮空氣的空氣流被經分配器86路由到混合器 38，以繞開冷卻設備24。座艙排出空氣中待再利用的部分同樣地被經分配器60和96路由 到混合器38，在該混合器38處與新鮮空氣混合。合成的空氣流被經混合器40路由到熱交 換器42。入口閥88和出口閥90被設置為使得該熱交換器42被供應冷沖壓空氣，并進一步 冷卻來自混合器40的空氣流。空氣流通過空氣入口 14流經混合器34進入座艙。根據工 作狀態和主要需求，在這種工作模式下，僅來自座艙12的空氣在其穿過熱交換器42之后被 添加到新鮮空氣流中也是可能的。 在這種工作模式下，座艙空氣中被打算排放到飛機的周圍大氣中的部分被經熱交 換器62路由到動力恢復設備22。所排放的空氣而后在熱交換器62中被進一步加熱；加熱 設備30也為額外的加熱做出貢獻。由于座艙空氣的狀態(在熱交換器62中加熱之前約為 20°C，、0.8巴)與外部空氣的狀態(在高海拔下約為-55t:、0.2巴)之間的差別很大，因此 動力恢復設備22被特別有效地操控。結果，連接到動力恢復設備22的發動機64可作為發 電機被操控，并且沖壓空氣壓縮機84也可由動力恢復設備22驅動。旁通閥68在這種工作 狀態下保持關閉。 通過在動力恢復設備22中輸送動力，空氣流變慢并被冷卻。而后該空氣流中水含 量的主要部分在水分離器28中與空氣流分離。優選地，分離器28中空氣的溫度約為Ot:， 因此所包含的水會完全冷凝而不凍結。通過為被打算從飛機中排放出去的座艙空氣使用水分離器28，可降低要攜帶的水的量，由此降低了飛機的起飛重量，這樣就節約了能量。如果
水被完全去除(這在分離器28中的溫度由于幾乎完全冷凝而在ot:左右的情況下是可能
的)，假設一個典型的中型飛機，座艙12中的空氣濕度為10_15%，飛行7個小時，那么水分 離器28可產生約275kg的水。這種水的某些被空調系統的傳統空氣加濕裝置(未示出) 引入座艙12的空氣中，而某些來自于乘客的呼吸和汗液。如先前的情況那樣，這種水沒有 隨這里表示的系統被損耗，而是被再利用。 第二工作模式特別適合于低海拔或在地面上。在這種情況下，輔助動力單元 18(APU)用于產生壓縮空氣。由此產生的壓縮空氣同樣被經熱交換器62路由。新鮮空氣通 過分配器86被路由到以電操控的方式冷卻空氣的冷卻設備24。經冷卻的空氣被路由到混 合器40。根據需求，來自于座艙12的空氣可被經混合點M之前的分配器60、96和混合器 38、40或更下游供應給新鮮空氣流。從混合器40起，空氣流無論與座艙空氣混合與否，都被 路由到熱交換器42。因此，在正常情況下，沒有必要設置閥88和90以便為熱交換器42供 應沖壓空氣。然而，外部空氣溫度高時，熱交換器42也可用于對穿過的空氣進行加熱。而 后空氣流被路由到混合器34，有可能在混合點M處發生座艙空氣的首次或再次混合。而后 空氣流被從混合器34路由到座艙12。在這種工作模式下，在空氣出口 16的流動分支下游 中，旁通閥68開啟，而動力恢復設備22和水分離器28保持不作用的狀態。
所描述的兩種工作模式僅表示兩種可能的工作模式。控制設備20被設計成根據 需求控制空調系統IO以便能夠采用任何期望的中間模式。例如，在中間模式下，可經系統 的不同支路路由部分流，并且/或者可既使用電冷卻設備24又使用兩個熱交換器62和42。
在所描述的系統，特別可能的是，以特別簡單的方式繞開或替換故障部件，這為系 統提供內在冗余。 圖2中表示出與圖1所表示的系統類似的空調系統10。差別涉及利用沖壓空氣冷 卻空氣流的方式。對于在圖2所示的系統中，新鮮空氣和排放的被再循環到座艙12的空氣 在分離的沖壓空氣熱交換器中被冷卻。為此，分配器96沒有像圖1中那樣連接到混合器38， 而是連接到二次熱交換器100。類似于熱交換器42，二次熱交換器100連接到與沖壓空氣 入口 108相連接的入口閥104。熱交換器100在沖壓空氣的出口側連接到出口閥106，出口 閥106又與沖壓空氣出口 110相通。在這種情況下，權宜之計可能是將熱交換器42和100 的沖壓空氣入口 92和104以及出口 94和108連在一起。作為另一替代，也可以讓入口 92 和104以及出口 94和108分別成為同一個。 作為圖1那樣的混合器38布置在分配器86與混合器40之間的代替，用于新鮮空 氣的分配器86直接連接到混合器40。新鮮空氣流中直接來自于分配器86的部分和新鮮空 氣流中經冷卻設備24路由的部分可在混合器40中被混合到一起，如圖1所示的系統那樣。 類似于圖1中的系統，混合器40到熱交換器42之間有一連接。混合器102設在熱交換器 42的下游，在該混合器中，來自熱交換器42的新鮮空氣流可與再循環的座艙空氣的流進行 混合。為此，混合器102還連接到二次熱交換器IOO，經冷卻的座艙空氣可流經該二次熱交 換器IOO。為了使熱交換器100可被繞開，在分配器96和混合點N之間提供了連接。這里， 未經熱交換器IOO路由的座艙空氣可被送入到達混合器102的管路。因此，作為變體，混合 設備也可布置在混合點N處。 被供應沖壓空氣的熱交換器100用于在已從座艙12排放出來的再循環空氣與來
12自壓力源52、54和56中的一個或多個壓力源的新鮮空氣融合之前對其進行冷卻。因此，新 鮮空氣和再利用的座艙空氣可被分開冷卻。結果，各個熱交換器可更小且更輕，并且空氣流 的控制和冷卻達到了更高的靈活度和準確度。 本領域普通技術人員很容易就能認識到，根據本發明的空調系統提供了大量將新 鮮空氣與座艙空氣混合并供應給飛機座艙的可行方案。這為對飛機外部狀況和飛機上的需 求作出反應提供了高度的靈活性。通過特別有效地使用座艙排出空氣來恢復水和恢復能 量，飛機座艙的空調同時能夠以特別有效和節能的方式實施。這特別涉及以下事實能夠節 約泄放空氣，這導致可觀的燃料節約。負荷可根據需求分布于不同的部件，例如不同的壓縮 空氣源，這降低了每個部件的總負荷。這使得服務壽命更長，故障概率更低。另外，因為系 統由于其靈活性而加入了冗余，因此在空調系統的一個部件失效的情況下，還可容易地維 持整個系統的至少部分功能。
權利要求
一種用于飛機座艙(12)的空調系統(10)，具有至少一個空氣入口(14)，用于向所述座艙(12)供應空氣；至少一個空氣出口(16)，用于從所述座艙(12)排放空氣；至少一個壓縮空氣源(52，54，56)，適于提供加壓新鮮空氣，以經所述至少一個空氣入口(14)供應給所述座艙(12)；熱交換器(42)，被供應來自沖壓空氣入口(92)的沖壓空氣，以冷卻來自所述至少一個壓縮空氣源(52，54，56)的空氣，其中所述熱交換器(42)布置在所述座艙(12)的空氣入口(14)的上游；其中所述空調系統(10)包括座艙空氣熱交換器(100)，該座艙空氣熱交換器(100)被設計成被經所述至少一個空氣出口(16)供應從所述座艙(12)排放的并被打算再次供應給所述座艙(12)的空氣，其中所述座艙空氣熱交換器(100)布置在所述至少一個空氣出口(16)的下游和點(N)的上游，在該點(N)處，來自所述至少一個壓力源(52，54，56)的新鮮空氣與來自所述座艙(12)的被打算再次供應給所述座艙的空氣混合；其中在所述混合點(N)的下游和所述至少一個座艙空氣入口(14)的上游進一步提供混合設備(34)，該設備適于將來自泄放空氣源(52)的泄放空氣與流經所述混合點(N)的空氣進行混合。
2. 根據權利要求1所述的空調系統，其中用于冷卻從所述座艙(12)排放的空氣的所述座艙空氣熱交換器(100)也被設計 成被供應來自沖壓空氣入口 (108)的沖壓空氣。
3. 根據權利要求1或2所述的空調系統，其中用于冷卻新鮮空氣的所述熱交換器(42)布置在所述混合點(N)的上游。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的空調系統，其中在所述混合點(N)處提供適于融合新鮮空氣流和座艙空氣流的混合設備。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的空調系統，其中所述空調系統(10)包括壓縮空氣源、泄放空氣源(52)、壓縮沖壓空氣(54)的源和 由輔助動力單元(18)壓縮的空氣的源。
6. —種用于飛機座艙(12)的空調系統(IO)，具有 至少一個空氣入口 (14)，用于向所述座艙(12)供應空氣；至少一個空氣出口 (16)，用于排放座艙空氣；其中所述空調系統進一步包括動力恢復 設備(22)，該動力恢復設備(22)位于所述座艙(12)的至少一個空氣出口 (16)的下游，用 于恢復來自所排放的座艙空氣的能量；其特征在于，連接至外部貯熱器(32)的加熱設備(30)，用于加熱從所述座艙(12)排放 的空氣，布置在所述座艙(12)的下游。
7. 根據權利要求6所述的空調系統，其中所述加熱設備(30)與外部貯熱器(32)布置在所述動力恢復設備(22)的上游。
8. 根據權利要求6或7所述的空調系統，其中熱交換器(62)布置在所述加熱設備(30)與外部貯熱器(32)的上游和所述空氣 出口 (16)的下游。
9. 根據權利要求9所述的空調系統，其中所述熱交換器(62)適于促進從所述座艙(12)排放的空氣與來自于一個或多個壓 縮空氣源(52， 54， 56)的新鮮空氣之間的熱交換。
10. 根據權利要求6-9中任一項所述的空調系統， 其中所述至少一個貯熱器(32)包括熱機油。
11. 根據權利要求6-10中任一項所述的空調系統， 其中所述空調系統(10)進一步包括輔助動力單元(18)。
12. 根據權利要求ll所述的空調系統，其中所述動力恢復設備(22)適于驅動所述輔助動力單元(18)。
13. 根據權利要求6-11中任一項所述的空調系統，其中所述空調系統(10)進一步包括連接至沖壓空氣壓縮機(84)的發動機(64)， 其中所述動力恢復設備(22)連接至所述發動機(64)和所述沖壓空氣壓縮機(64)，使 得在所述動力恢復設備(22)由所排放的座艙空氣驅動的工作模式下，所述動力恢復設備 (22)適于驅動所述沖壓空氣壓縮機(84)和具有發電機功能的所述發動機(64)。
14. 根據權利要求6-13中任一項所述的空調系統， 其中所述動力恢復設備(22)由渦輪機實施。
15. —種用于飛機座艙(12)的空調系統(IO)，具有 至少一個空氣入口 (14)，用于向所述座艙(12)供應空氣； 至少一個空氣出口 (16)，用于排放座艙空氣；至少一個水分離器(28)，布置在所述座艙(12)的空氣出口 (16)的下游； 其中所提供的至少一個水分離器(28)用于被打算排放到所述飛機的周圍大氣中的空 氣的通流。
16. 根據權利要求15所述的空調系統，其中所述空調系統(10)包括布置在所述座艙(12)的空氣出口 (16)的下游的至少一 個動力恢復設備(22)。
17. 根據權利要求16所述的空調系統，其中所述至少一個水分離器(28)布置在所述至少一個動力恢復設備(22)的下游。
18. 根據權利要求16所述的空調系統，所述至少一個水分離器(28)布置在所述至少一個動力恢復設備(22)的上游。
19. 根據權利要求15所述的空調系統，其中至少一個水分離器(26)布置在所述座艙(12)的上游，至少一個水分離器(28)布 置在所述座艙(12)的下游。
20. —種飛機，具有根據權利要求1-19中任一項所述的空調系統(10)。
全文摘要
本發明涉及一種用于飛機座艙(12)的空調系統(10)，具有至少一個空氣入口(14)，用于向所述座艙(12)供應空氣；至少一個空氣出口(16)，用于從所述座艙(12)排放空氣；以及至少一個壓縮空氣源(52，54，56)，適于提供加壓新鮮空氣，以經所述至少一個空氣入口(14)供應給所述座艙(12)。所述空調系統(10)進一步包括熱交換器(42)，被供應來自沖壓空氣入口(92)的沖壓空氣，以冷卻來自所述壓縮空氣源(52，54，56)的空氣，其中所述熱交換器(42)布置在所述座艙(12)的空氣入口(14)的上游。意圖是所述空調系統(10)包括座艙空氣熱交換器(100)，該座艙空氣熱交換器(100)被設計成被供應從所述座艙(12)排放的空氣，其中所述座艙空氣熱交換器(100)布置在所述至少一個空氣出口(16)的下游和點(N)的下游，在該點(N)處，新鮮空氣與來自所述座艙(12)的空氣混合。
文檔編號B64D41/00GK101743166SQ200880024212
公開日2010年6月16日 申請日期2008年7月8日 優先權日2007年7月11日
發明者亨里克·德林, 克勞斯·迪特·克里克, 卡特婭·瑪麗亞·維爾克, 約爾格·克雷默斯 申請人:空中客車作業有限公司