用于飞机座舱的空调系统的制作方法

专利名称：用于飞机座舱的空调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于飞机座舱的空调系统，该空调系统具有至少一个用于向座舱供应
空气的空气入口和至少一个用于排放座舱空气的空气出口。
背景技术：
由于在高海拔处，外部温度低且外部压力低，因此空调系统是现代商用飞机不可或缺的部件。仅通过采用这种系统，就可利用商用飞机长距离运输乘客，并节省燃料。
现在，在大多数情况下，在飞行期间空调系统被供应从引擎的热空气流获取的泄放空气。根据飞行情况，泄放空气通常在引擎的两个不同点之一处分叉，即中压端口 IP和高压端口HP。使用泄放空气对于空调是有利的，因为高压且很热(通常在约40(TC和2巴)的空气可被调节到期望的温度和压力(座舱中的压力在约2(TC通常约为0.8巴)，而无需利用可观的额外数量的能量。关于这一点，泄放空气也可用于其它用电设备，例如用于为机翼除冰的系统(机翼冰防护系统，WIPS)。由于泄放空气的压力高，在使用泄放空气时的另一重大优势在于泄放空气可被容易地路由通过相对较长的管路系统这一事实。这可作为使用泄放空气的重要论据，特别是对于现代大型飞机。 通过向座舱提供新鲜空气(通常具有高比例的泄放空气)并去除存在的座舱空气，飞机座舱的空气被持续地交换。通常，从座舱中去除的空气的大比例(典型地，约50%的数量级)通过与路由到座舱的新鲜空气流混合而被再利用。座舱空气的剩余部分被排放到周围大气中。 公开US 4， 419， 926提出路由将待经动力恢复涡轮机PRT去除到周围大气中的空气，该动力恢复涡轮机利用座舱空气与外部空气(在约-55t:和o.2巴的高海拔处)的热态
差别来进行能量恢复。 除了泄放空气之外，飞机还经常使用所谓的冲压空气，即通过飞机运动被强制进入冲压空气入口的空气。除了泄放空气，这可被压縮机用作热的加压空气，或不经压縮被用作冷却空气。在飞行期间，通常冲压空气系统和泄放空气系统都被采用。
在地面上，座舱的空气经常由驱动压縮机的辅助动力单元APU提供。
文献CA 2546714、DE 10234968、W0 99/12810和US 4， 684， 081描述了用于飞机座舱的空调系统，其中冲压空气压縮机、泄放空气源和APU的不同设置用于向飞机座舱供应新鲜空气。文献US 2007/0113579A1和US5， 442， 905也涉及用于飞机座舱的空调系统。
现代飞机引擎具有引擎中的空气流的旁通率、BPR相对较高的趋势，由此从引擎核心获取的泄放空气对飞机的燃料消耗具有特别负面的影响。此外，被打算用在座舱中的泄放空气必须通过多个步骤被冷却，以将其带入被供应给座舱时可接受的热态。在该过程中会不可避免地损失能量，因为泄放空气的热量通过冷却损失了 。 通常的规则是使用于飞机座舱的空调系统尽可能有效和轻，以降低燃料消耗。降低的燃料消耗一般还可通过降低飞机的重量来实现。 因此，在用于飞机座舱的空调系统的领域中，需要呈现有利的能量均衡并降低飞
4机的燃料消耗的特别有效的系统。

发明内容
为了实现该目的，本发明提供一种根据权利要求1所述的用于飞机座舱的空调系统。该空调系统包括至少一个空气入口，用于向所述座舱供应空气；至少一个空气出口，用于从所述座舱排放空气；至少一个压縮空气源，适于提供加压新鲜空气，以经所述至少一个空气入口供应给所述座舱；以及热交换器，被供应来自冲压空气入口的冲压空气，以冷却来自所述至少一个压縮空气源的空气。所述热交换器布置在所述座舱的空气入口的上游。根据本发明的空调系统还包括座舱空气热交换器，该座舱空气热交换器被设计成被经至少一个空气出口供应从所述座舱排放的并被打算再次供应给所述座舱的空气(所谓的再循环空气)。所述座舱空气热交换器布置在所述至少一个空气出口的下游和一点的上游，在该点处，来自所述至少一个压力源的新鲜空气与被打算再次供应给所述座舱的空气混合。
根据本发明的该系统使来自座舱的再循环空气流能够与来自压縮空气源的新鲜空气流分开，并被所述座舱空气热交换器处理。这样使得各个流的温度能够得到更精准的控制，并由此也使得融合流的温度能够得到更精准的控制。具体来说，可根据飞行情况的需求非常准确地进行空气流冷却。此外，可使用多个小尺寸的热交换器代替一个大尺寸的热交换器。这些小热交换器在设计飞机时提供相当大的自由度，并带来了关于飞机中的重量分布的优势。同时，该系统具有冗余，以便在用于新鲜空气的热交换器发生故障的情况下，其某些功能可容易地转移到座舱空气热交换器。 将用于冷却来自座舱的空气的座舱空气热交换器设计成与用于被供应来自冲压
空气入口的冲压空气的热交换器相同，是有利的结果。结果，冷空气可采用简单且能量有效
的方式供应给座舱空气热交换器，使得座舱空气可被冷却到期望的温度。 在本发明的一个实施例中，用于冷却新鲜空气的热交换器布置在所述混合点的上
游。这使得再循环座舱空气流与新鲜空气流的热交换器完全分离，并使得热交换器能够具
有特别小的结构。 可在混合点处布置一混合设备，新鲜空气流与座舱空气流在该混合设备中融合。
这促进了空气流的受控融合(特别是在流的热态呈现出相对较大的差别时)。 混合点的下游和至少一个座舱空气入口的上游提供了混合设备，该混合设备被设
计成将来自泄放空气源的泄放空气与流经混合点的空气进行混合。将泄放空气直接供应给
混合设备提供一种简单且有效的在空气流被供应给座舱之前对其加热(如果需要的话)的
可行方案。 在一个优选实施例中，空调系统包括压縮空气源、泄放空气源、压縮冲压空气的源以及由辅助动力单元压縮的空气的源。源的这种组合允许根据飞行情况以高度灵活的方式向空调系统供应新鲜空气。 根据本发明的另一方面(可由其自身采用或与上述方面相结合)，提供一种用于飞机座舱的空调系统，包括至少一个空气入口，用于向座舱供应空气；和至少一个空气出口 ，用于排放座舱空气，其中该空调系统还包括位于所述座舱的至少一个空气出口的下游的动力恢复设备，用于恢复来自所排放的座舱空气的能量。本发明的这个方面还包括加热设备的设置，该加热设备连接至外部贮热器，用于加热从所述座舱排放的空气，位于所述座舱的下游。在该连接外部装置中，有问题的贮热器没有连接到空调系统的空气入口或空气
出口之一以路由空气。该加热设备可优选地布置在该动力恢复设备的上游。 通过使用这种加热设备，座舱排出空气可在被供应给动力恢复设备之前被加热，
以便可特别有效地操控动力恢复设备。同时，通过利用这种系统的废热来加热被供应给动
力恢复设备的座舱空气，可缓解除其它因素外由于增加的电气化设备而引起的分布于现代
飞机中相连的热源(例如电子系统)数目增加的问题。 将热交换器布置在具有外部贮热器的加热设备的上游和空气出口的下游是有利的。这种布置在座舱与加热设备之间的热交换器实现了对所排放的座舱空气的额外预加热，从而致使动力恢复设备所恢复的能量进一步增加。 该热交换器可被设计成用于在从座舱排放的空气与来自于一个或多个压縮空气源的新鲜空气之间进行热交换。以这种方式可冷却热的新鲜空气，并且同时从中带走的热量可用于增加动力恢复设备的效率。 在一个特别优选的实施例中，至少一个外部贮热器包括机油。该机油表示飞机上最热的热源之一，并且因此可特别地与外部热源一起使用。由于与之相链接的油温降低，因此机油的润滑功效同时提高。 此外，在一个实施例中，可提供辅助动力单元。关于这一点，将动力恢复设备设计成用于驱动辅助动力单元是特别有利的。动力恢复设备所恢复的能量由此可直接用于操控飞机。辅助动力单元(APU)，特别是在现代飞机中，经常被用于在飞行期间或引擎发生故障的情况下提供支持，接管供应能量或压縮空气的一部分。当采用APU时，通过从动力恢复设备供应动力，可避免其它能源过载。 可替代地，空调系统还可包括连接到冲压空气压縮机的发动机，该动力恢复设备连接至该发动机和冲压空气压縮机，使得在动力恢复设备由所排放的座舱空气驱动的工作模式下，动力恢复设备可驱动冲压空气压縮机和具有发电机功能的发动机。这种设置使得被供应给空调系统的冲压空气能够像不需要另一能源就提供的新鲜空气一样，并且同时，通过用作发电机的发动机，电能变得可用于飞机系统，例如用于空调系统的控制设备或其它设备， 在一个优选实施例中，动力恢复设备由涡轮机实施。这提供了一种有效和健壮的从空气流中提取能量的可行方案。 根据本发明的又一方面(可被其本身采用，或与以上提及的方面中的一个或多个方面一起采用)，提供一种用于飞机座舱的空调系统，包括至少一个空气入口 ，用于向座舱供应空气；和至少一个空气出口，用于排放座舱空气。至少一个水分离器布置在所述座舱的空气出口的下游。所提供的水分离器用于待排放到飞机的周围大气中的空气的通流。水分离器被设计成将流经座舱的空气中的水分离出来，并将其保留在飞机中。而后可使用所恢复的水例如来润湿座舱空气、为厕所系统供水以及类似的目的。结果，降低了在飞机起飞时要携带的水的量，这样相应地节省了起飞重量。特别是在座舱容量大且有好几百个乘客的现代大型飞机的情况下，起飞重量的节省和相应的燃料节省和/或有效载荷增加可能是相当可观的。 在座舱的空气出口的下游提供至少一个动力恢复设备是特别有利的。这可由以上描述的那样来实施，并且可用上述配置中的一种来采用。动力恢复设备和水分离器在座舱
6下游的组合允许最大程度地利用能量和所排放的座舱空气的水含量。 在本发明的一个优选实施例中，所述至少一个水分离器布置在所述至少一个动力恢复设备的下游。在该配置中，在动力恢复设备通过能量恢复已冷却和减慢空气之后，水从座舱空气分离。因此，优选地，空气在水分离器中在接近冰点的温度下，使得空气中的水可几乎完全地冷凝，这促进了几乎所有水含量的分离。 在可替代的实施例中，所述至少一个水分离器布置在所述至少一个动力恢复设备的上游。因为在空气流入动力恢复设备之前将水从空气中分离出来可能是有利的。因此，可防止动力恢复设备通过冷凝水而结冰，冷凝水可能通过去除能量和冷冻而被冷却到o°c以下。 在本发明的一优选实施例中，至少一个水分离器布置在座舱的上游，而至少一个水分离器布置在座舱的下游。第一水分离器被打算用于将水从待供应给座舱的空气中分离出来，以防止空调系统的部分在通常的若干个冷却步骤之一中由于空气中所含的水而冷冻。根据本发明的空调系统的水平衡很大程度上可通过组合上述两个水分离器来调节和控制。 根据本发明的又一方面(可被其本身采用，或与以上提及的方面结合起来采用)，提供一种用于飞机座舱的空调系统，包括至少一个空气入口，用于向座舱供应空气；和至少一个空气出口，用于排放座舱空气。该空调系统还包括至少一个压縮空气的源，用于经所述至少一个入口向所述座舱提供加压新鲜空气。出于冷却的目的，所述至少一个压縮空气的源连接到新鲜空气冷却系统，该新鲜空气冷却系统优选地适于使用冲压空气来冷却由所述至少一个压縮空气的源提供的新鲜空气流。该空调系统还包括冷却设备，该冷却设备适于独立于冲压空气提供冷却，并且可设置为与压縮空气冷却系统分离。因此，用于冷却待提供给座舱的空气流的冷却设备没有与提供冷冲压空气的冲压空气源相连。优选地，冷却设备适于被电驱动。这提供一种可与通常的空调系统部件分开且独立地操控的冷却设备。因此，增加了空调系统的灵活性和冗余。具体来说，当飞机在地面时，周围具有相当温暖的空气，周围无冷的冲压空气可用，因此使用普通的飞机空调系统通常是效率非常低的，并且在这种环境下，分立冷却设备使用起来可能要有效得多。冷却设备可以是适于利用中间相改变的冷却设备，具体来说，它可以是蒸发冷却设备。 具体来说，该冷却设备可被连接成冷却来自于周围大气的空气流。这样当飞机在地面上时，该冷却设备能够冷却空气。作为替代或作为补充，该冷却设备可被连接成冷却来自新鲜空气源或来自若干个新鲜空气源的空气流。因此，该冷却设备提供了冷却新鲜空气的另一可行方案。该冷却设备可适于冷却来自座舱的再循环空气，无论仅仅是再循环空气自身还是既包括再循环空气又包括来自一个或更多新鲜空气源的新鲜空气的空气流。
优选地，该冷却设备可被选择性地用于冷却空气流。为此，可提供旁通阀。该旁通阀可被控制为引导空气流进入冷却设备，或引导要被冷却的空气流直接进入压縮空气冷却系统。在后者的情况下，若压縮空气冷却系统包括可按照以上关于本发明的其它方面所述的那样设置的一个或更多个热交换器，则是有利的。 该空调系统还可适于使得仅冷却设备、仅压縮空气冷却系统或两者的组合都可用于冷却空气流。 在一个优选实施例中，该冷却设备设有或连接到水分离器以直接通过该冷却设备
7从空气流中提取水。这能够防止具有不期望有的高湿度的空气被提供给座舱。从而可向座
舱的乘客提供舒适的环境(特别是当飞机着陆时，在湿度很高的很热的国家)。 若压縮空气冷却系统具有连接到座舱的至少一个空气入口的热交换器，则是有利
的。优选地，空气流可从冷却设备被引导至热交换器。因此，压縮空气冷却系统的热交换器
和冷却设备可结合使用。压縮空气冷却系统的热交换器可被提供冲压空气以冷却待引导至
座舱的空气流。从而可有效地使用来自飞机的周围大气的冷冲压空气(特别是在高海拔处
飞行期间)。 根据又一方面，本发明还包括一种飞机，该飞机具有根据上述本发明的变体之一所述的空调系统。


图1示出根据本发明的空调系统的一个实施例。
图2示出根据本发明的空调系统的另一实施例。
具体实施例方式
在下图中，为了使图保持清楚，在线条不具有自身的附图标记的情况下，对空气流的导引用实线表示。同样，为了清楚起见，未表示出电流的线条。本领域技术人员从附图及相关说明中即明白用于电力供应和电信号的线条应当布置在哪里。此外，关于说明书中提到的混合设备或混合器，它们适于融合多个空气流，特别是具有不同的热态和动态的空气流。当然，混合器也可根据流量状况而作为一个或多个空气流的分支和分配设备。还应当注意到，这里所述的大多数部件在飞机中至少有两个，以提供冗余。另外，飞机中通常至少有两个提供泄放空气的引擎，在很多情况下有四个或者甚至更多个引擎。为了提高说明书和附图的易懂性，这些都已被省略。 图1中表示出根据本发明优选实施例的空调系统(环境控制系统，ECS) 10。飞机座舱12包括空气入口 14和空气出口 16。当然，可替代地，座舱12包括多个空气入口 14和/或空气出口 16也是可能的。尽管本领域技术人员很清楚座舱12的空气分配系统可能非常复杂，但是通常仅表示出座舱12的空气入口 14和空气出口 16。当座舱被划分成气候不同的区域时，这特别适用，而现代飞机中通常就是这种情况。 空调系统包括从飞机的引擎或发动机(未示出)提供泄放空气的第一压縮空气源52。该泄放空气通常在约40(TC的温度和2巴的压力下。 空气出口 16连接到空气分配器60。空气分配器60可将从座舱12排放到入口空气流中以进行再利用的空气路由到座舱(再循环空气)。另外，所排放的空气可经分配器60路由到座舱热交换器62 (CHX)(废气)。 座舱热交换器经管路连接到动力恢复设备22。优选地，动力恢复设备22由涡轮机实施。动力恢复设备22可由从热交换器22流入的空气驱动。 在该实施例中，动力恢复设备22连接到发动机64。发送机64可用于驱动动力恢复设备22 ;可替代地，若这是由从座舱12排放的空气操控的话，发动机64还可被动力恢复设备22驱动成用于发电的发电机。 在所排放的座舱空气已流经动力恢复设备22并将能量传递到后者之后，空气流
8向水分离器28。优选地，水分离器28由旋流器实施，在旋流器中，流入的空气开始旋转，并 且其中包含的空气在旋流器的侧壁冷凝。还可设想到其它已知类型的水分离器。可替代地， 权宜之计是将水分离器28布置在动力恢复设备22的上游。结果，空气在进入动力恢复设 备22之前就变干，从而使得设备22在能量恢复期间不会由于水冷凝和凝固而结冰。
在穿过水分离器28和动力恢复设备22之后，在该流支路中从座舱排放的空气已 失去其大部分能量，并且几乎其所有水含量已与其分离。提供了飞机空气出口 66以将该 干、冷的空气排放到飞机的周围大气中。 座舱热交换器62和动力恢复设备22之间提供了旁通阀68，以便在需要的时候将 所排放的空气直接路由到飞机空气出口 66。若考虑到外部压力状况，动力恢复设备22的工 作效率不高，例如若飞机飞得很低或在地面上飞行，就是这种情况。因此，空气出口 66可与 水分离器28连接到的空气出口相同。可替代地，也可根据飞机的需求提供另一空气出口 。
本发明的这个实施例中还提供了从引擎提供泄放空气的泄放空气源52。泄放空气 源52连接到泄放空气分配器70，以便空气可从泄放空气源52流向泄放空气分配器70。泄 放空气分配器70经管路和阀71连接到布置在座舱12上游的混合设备34。由此可通过混 合直接将泄放空气用于加热空气流，该空气流被打算供应给座舱12并流经混合器34连接 到座舱空气入口 14。 分配器70还经泄放空气阀72连接到另一混合设备36。用电设备阀74被并入从 分配器70到诸如机翼除冰系统之类的其它用电设备76的连接中，以便这种用电设备76可 被供应泄放空气。 另一压縮空气源56经另一阀78连接在泄放空气阀72与混合器36之间，该源提 供来自辅助动力单元18(APU)和由后者驱动的压縮机(未示出)的压縮空气。阀68、71、72 和78由可被控制设备20启动的控制阀实施。当然，阀78也可由只让空气沿从辅助动力单 元18到混合器36的方向流动的止回阀实施，以防止泄放空气流入辅助动力单元18。
另一压縮空气源54经止回阀80连接到混合设备36。止回阀80可被连接成被控制 设备20控制。提供了冲压空气入口 82以将空气从飞机的周围大气供应到空气压縮机84。 因此，空气入口 82和压縮机84表示压縮空气源54，该压縮空气源54从飞机的周围大气提 供压縮冲压空气。在该实施例中，压縮机84连接至动力恢复设备22和发动机64。由此在 采用动力恢复设备22来从所排放的座舱空气中恢复能量时，压縮机84可被动力恢复设备 22操控。可替代地，在动力恢复设备22不作用时，压縮机84还可由发动机64驱动。例如， 在低海拔处，当所排放的座舱空气与外部空气之间的温差和压差没有大到足以有效操控动 力恢复设备22时，可能就是这种情况。 总体上，空调系统因此被设计成使得空气流可从泄放空气源52和/或冲压空气源 54和/或辅助动力单元源56通过受控制设备20控制的阀72、78以及阀80路由到混合设 备36。混合器36连接到座舱热交换器62，以便在混合器36中被混合的空气流可被传送到 座舱热交换器62。 热量在所排放的座舱空气与由座舱热交换器62中的压縮空气源52、54、56供应的 新鲜空气之间交换。具体来说，可对所排放的座舱空气进行加热，这是因为来自混合器36 的空气流通常比座舱空气热得多。 热交换器62还在其出口侧的一侧上连接到分配器86，来自热交换器62的新鲜空气被路由到该分配器86。分配器86包括一方面到另一混合设备38的连接，并且另一方面 连接到冷却设备24。优选地，冷却设备24由电驱动的冷却设备实施。经分配器86，空气流 由此可被路由到电冷却设备24以进行冷却，或被传送到混合设备38。当然，也可能从分配 器86分出分别到冷却设备24和到混合器38的部分流。 电冷却设备24连接至水分离器26，水分离器26可采用与上述水分配器28类似的 方式实施。优选地，水分离器26、28填充公共贮水器(在图中用水分离器26和28的连接 表示)。被水分离器26、28分离的水可例如用于润湿座舱空气、为厕所供水或类似。在先过 滤以去除污染物和杂质后可有利地用作饮用水。 此外，冷却设备24连接到加热设备30以输送热量。因此，可利用冷却设备24的废 热。加热设备30还连接到一个或多个外部贮热器，这些外部贮热器总的由32指代。由此，
飞机上所有不正常地连接到空调系统的贮热器，特别是那些与空调系统的空气入口或空气 出口之一非流体相连接的贮热器，可被视为外部贮热器32。具体来说，权宜之计是提供引擎 的热机油作为贮热器32。还可设想到将飞机中的热电子部件和其它任何热源作为外部贮热 器。 分配器86可引导空气流，使得它被引导绕开冷却设备24。为了这个目的，可在分 配器86中提供旁通阀。可替代地，旁通阀可被设置在将待冷却的空气引导到冷却设备24 的管路中。冷却设备24并不依赖于冷却的冲压空气而执行冷却。它独立于压縮空气冷却 系统利用提供有冲压空气的热交换器，例如热交换器42来运行，具体来说，当飞机在地面 上或处于低海拔处时，即无冷冲压空气可用时，可被高效地使用。另外，还可能并且甚至期 望将冷却设备24设置得与剩余部件分离以冷却空气流，因为它不需要直接连接到冲压空 气的源以进行冷却。尽管如此，它适于冷却来自类似于泄放空气源52和/或冲压空气源54 和/或辅助动力单元源56的压縮空气的源的空气流。然而，它也可用于冷却来自可能未经 有效压縮就提供的，例如在地平面的周围大气的空气。优选地，冷却设备24适于利用蒸发 冷却来冷却被引导穿过该冷却设备24的空气流。 加热设备30还连接到热交换器62后面的排气管路，以便从座舱12排放的空气可 被进一步加热。由此，加热后的座舱空气与外部空气之间的温差和压差变得更大，并且可特 别有效地操控动力恢复设备22。 在图1所示的系统中，冷却系统24连接到混合器40，混合器40由与混合器38相 连接。 混合器40还连接至热交换器42。热交换器42经冲压空气入口 92被供应冷冲压 空气，但是冲压空气入口 92不必连接到上面提到的压縮空气源54的入口 82。热交换器42 中的热交换之后，来自冲压空气入口 92的冲压空气经空气出口 94被排放到飞机的周围大 气中。当然，该出口94也可以是独立的，或连接至其它出口 (例如66)，或甚至与它们相同。 冲压空气的流入和流过热交换器42可由热交换器入口阀88和热交换器出口阀90调节，热 交换器入口阀88和热交换器出口阀90分别布置在入口 92与热交换器42之间和热交换器 42与出口 94之间。与不依赖于冲压空气的独立冷却设备24对比，热交换器42可被视为提 供有冲压空气以冷却空气流的空调系统的子系统的部件。 在相对于来自混合器40的空气流位于下游的热交换器42的侧部提供了与混合器 34的连接。除了连接到分配器60之外，还存在该混合器34与混合器30之间的经另一分配
10器96的连接。因此，可经混合器34上游的分配器96在混合点M将待再利用的座舱空气送 入空气流。在该点，从热交换器42流出的空气流的热特性与座舱空气的热特性在正常情况 下已经足够地相似，因此不需要特殊的混合设备。当然，可替代地，可在混合点M处提供这 种混合设备。 提供了控制设备20以通过控制空调系统10的各个部件按照需要控制控制空气 流。为了清楚起见，控制单元20的表示没有使用控制线、电源线、传感器、计算单元和与之 相关联的其它部件。控制设备20被特别设计成根据需求控制空调系统的各种阀、混合器、 分配器、热交换器、压縮空气源、单元、加热和冷却设备以及其它设备，以便获得期望的空气流。 图1所示的系统使得来自三个不同的压縮空气源52、54、56的新鲜空气能够根据 需求并根据环境状况被送入空调系统10并在混合器36中被融合。在该混合器36中被混 合的空气流而后可经座舱热交换器62和热交换器42被冷却。然而，也可对空气流进行控 制，以便空气流经电冷却设备24而失去热量，电冷却设备24特别适合无冷冲压空气可用， 例如在地平面上的情况。另外，来自泄放空气源的泄放空气可被经阀71直接路由到混合器 34。 经分配器60和96，从座舱排放的某些空气可被添加到新鲜空气中并被再利用。经 分配器96可将来自座舱的空气添加到被打算供应给热交换器42下游和热交换器42上游 的座舱12的新鲜空气流。 空调系统10的控制设备20分别具有至少两种工作模式。第一工作模式被特别地 打算供具有低外部压力和低外部温度的高海拔之用。在该第一工作模式下，来自泄放空气 源52和压縮冲压空气源54的空气用于空调系统10 ;不需要被辅助动力单元18压縮的空 气。新鲜空气流在混合器36中被融合，并在热交换器62中通过与通过出口 16从座舱12 排放的空气交互而被冷却。之后，经冷却的新鲜空气的空气流被经分配器86路由到混合器 38，以绕开冷却设备24。座舱排出空气中待再利用的部分同样地被经分配器60和96路由 到混合器38，在该混合器38处与新鲜空气混合。合成的空气流被经混合器40路由到热交 换器42。入口阀88和出口阀90被设置为使得该热交换器42被供应冷冲压空气，并进一步 冷却来自混合器40的空气流。空气流通过空气入口 14流经混合器34进入座舱。根据工 作状态和主要需求，在这种工作模式下，仅来自座舱12的空气在其穿过热交换器42之后被 添加到新鲜空气流中也是可能的。 在这种工作模式下，座舱空气中被打算排放到飞机的周围大气中的部分被经热交 换器62路由到动力恢复设备22。所排放的空气而后在热交换器62中被进一步加热；加热 设备30也为额外的加热做出贡献。由于座舱空气的状态(在热交换器62中加热之前约为 20°C，、0.8巴)与外部空气的状态(在高海拔下约为-55t:、0.2巴)之间的差别很大，因此 动力恢复设备22被特别有效地操控。结果，连接到动力恢复设备22的发动机64可作为发 电机被操控，并且冲压空气压縮机84也可由动力恢复设备22驱动。旁通阀68在这种工作 状态下保持关闭。 通过在动力恢复设备22中输送动力，空气流变慢并被冷却。而后该空气流中水含 量的主要部分在水分离器28中与空气流分离。优选地，分离器28中空气的温度约为Ot:， 因此所包含的水会完全冷凝而不冻结。通过为被打算从飞机中排放出去的座舱空气使用水分离器28，可降低要携带的水的量，由此降低了飞机的起飞重量，这样就节约了能量。如果
水被完全去除(这在分离器28中的温度由于几乎完全冷凝而在ot:左右的情况下是可能
的)，假设一个典型的中型飞机，座舱12中的空气湿度为10_15%，飞行7个小时，那么水分 离器28可产生约275kg的水。这种水的某些被空调系统的传统空气加湿装置(未示出) 引入座舱12的空气中，而某些来自于乘客的呼吸和汗液。如先前的情况那样，这种水没有 随这里表示的系统被损耗，而是被再利用。 第二工作模式特别适合于低海拔或在地面上。在这种情况下，辅助动力单元 18(APU)用于产生压縮空气。由此产生的压縮空气同样被经热交换器62路由。新鲜空气通 过分配器86被路由到以电操控的方式冷却空气的冷却设备24。经冷却的空气被路由到混 合器40。根据需求，来自于座舱12的空气可被经混合点M之前的分配器60、96和混合器 38、40或更下游供应给新鲜空气流。从混合器40起，空气流无论与座舱空气混合与否，都被 路由到热交换器42。因此，在正常情况下，没有必要设置阀88和90以便为热交换器42供 应冲压空气。然而，外部空气温度高时，热交换器42也可用于对穿过的空气进行加热。而 后空气流被路由到混合器34，有可能在混合点M处发生座舱空气的首次或再次混合。而后 空气流被从混合器34路由到座舱12。在这种工作模式下，在空气出口 16的流动分支下游 中，旁通阀68开启，而动力恢复设备22和水分离器28保持不作用的状态。
所描述的两种工作模式仅表示两种可能的工作模式。控制设备20被设计成根据 需求控制空调系统IO以便能够采用任何期望的中间模式。例如，在中间模式下，可经系统 的不同支路路由部分流，并且/或者可既使用电冷却设备24又使用两个热交换器62和42。
在所描述的系统，特别可能的是，以特别简单的方式绕开或替换故障部件，这为系 统提供内在冗余。 图2中表示出与图1所表示的系统类似的空调系统10。差别涉及利用冲压空气冷 却空气流的方式。对于在图2所示的系统中，新鲜空气和排放的被再循环到座舱12的空气 在分离的冲压空气热交换器中被冷却。为此，分配器96没有像图1中那样连接到混合器38， 而是连接到二次热交换器100。类似于热交换器42，二次热交换器100连接到与冲压空气 入口 108相连接的入口阀104。热交换器100在冲压空气的出口侧连接到出口阀106，出口 阀106又与冲压空气出口 110相通。在这种情况下，权宜之计可能是将热交换器42和100 的冲压空气入口 92和104以及出口 94和108连在一起。作为另一替代，也可以让入口 92 和104以及出口 94和108分别成为同一个。 作为图1那样的混合器38布置在分配器86与混合器40之间的代替，用于新鲜空 气的分配器86直接连接到混合器40。新鲜空气流中直接来自于分配器86的部分和新鲜空 气流中经冷却设备24路由的部分可在混合器40中被混合到一起，如图1所示的系统那样。 类似于图1中的系统，混合器40到热交换器42之间有一连接。混合器102设在热交换器 42的下游，在该混合器中，来自热交换器42的新鲜空气流可与再循环的座舱空气的流进行 混合。为此，混合器102还连接到二次热交换器IOO，经冷却的座舱空气可流经该二次热交 换器IOO。为了使热交换器100可被绕开，在分配器96和混合点N之间提供了连接。这里， 未经热交换器IOO路由的座舱空气可被送入到达混合器102的管路。因此，作为变体，混合 设备也可布置在混合点N处。 被供应冲压空气的热交换器100用于在已从座舱12排放出来的再循环空气与来
12自压力源52、54和56中的一个或多个压力源的新鲜空气融合之前对其进行冷却。因此，新 鲜空气和再利用的座舱空气可被分开冷却。结果，各个热交换器可更小且更轻，并且空气流 的控制和冷却达到了更高的灵活度和准确度。 本领域普通技术人员很容易就能认识到，根据本发明的空调系统提供了大量将新 鲜空气与座舱空气混合并供应给飞机座舱的可行方案。这为对飞机外部状况和飞机上的需 求作出反应提供了高度的灵活性。通过特别有效地使用座舱排出空气来恢复水和恢复能 量，飞机座舱的空调同时能够以特别有效和节能的方式实施。这特别涉及以下事实能够节 约泄放空气，这导致可观的燃料节约。负荷可根据需求分布于不同的部件，例如不同的压縮 空气源，这降低了每个部件的总负荷。这使得服务寿命更长，故障概率更低。另外，因为系 统由于其灵活性而加入了冗余，因此在空调系统的一个部件失效的情况下，还可容易地维 持整个系统的至少部分功能。
权利要求
一种用于飞机座舱(12)的空调系统(10)，具有至少一个空气入口(14)，用于向所述座舱(12)供应空气；至少一个空气出口(16)，用于从所述座舱(12)排放空气；至少一个压缩空气源(52，54，56)，适于提供加压新鲜空气，以经所述至少一个空气入口(14)供应给所述座舱(12)；热交换器(42)，被供应来自冲压空气入口(92)的冲压空气，以冷却来自所述至少一个压缩空气源(52，54，56)的空气，其中所述热交换器(42)布置在所述座舱(12)的空气入口(14)的上游；其中所述空调系统(10)包括座舱空气热交换器(100)，该座舱空气热交换器(100)被设计成被经所述至少一个空气出口(16)供应从所述座舱(12)排放的并被打算再次供应给所述座舱(12)的空气，其中所述座舱空气热交换器(100)布置在所述至少一个空气出口(16)的下游和点(N)的上游，在该点(N)处，来自所述至少一个压力源(52，54，56)的新鲜空气与来自所述座舱(12)的被打算再次供应给所述座舱的空气混合；其中在所述混合点(N)的下游和所述至少一个座舱空气入口(14)的上游进一步提供混合设备(34)，该设备适于将来自泄放空气源(52)的泄放空气与流经所述混合点(N)的空气进行混合。
2. 根据权利要求1所述的空调系统，其中用于冷却从所述座舱(12)排放的空气的所述座舱空气热交换器(100)也被设计 成被供应来自冲压空气入口 (108)的冲压空气。
3. 根据权利要求1或2所述的空调系统，其中用于冷却新鲜空气的所述热交换器(42)布置在所述混合点(N)的上游。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的空调系统，其中在所述混合点(N)处提供适于融合新鲜空气流和座舱空气流的混合设备。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的空调系统，其中所述空调系统(10)包括压縮空气源、泄放空气源(52)、压縮冲压空气(54)的源和 由辅助动力单元(18)压縮的空气的源。
6. —种用于飞机座舱(12)的空调系统(IO)，具有 至少一个空气入口 (14)，用于向所述座舱(12)供应空气；至少一个空气出口 (16)，用于排放座舱空气；其中所述空调系统进一步包括动力恢复 设备(22)，该动力恢复设备(22)位于所述座舱(12)的至少一个空气出口 (16)的下游，用 于恢复来自所排放的座舱空气的能量；其特征在于，连接至外部贮热器(32)的加热设备(30)，用于加热从所述座舱(12)排放 的空气，布置在所述座舱(12)的下游。
7. 根据权利要求6所述的空调系统，其中所述加热设备(30)与外部贮热器(32)布置在所述动力恢复设备(22)的上游。
8. 根据权利要求6或7所述的空调系统，其中热交换器(62)布置在所述加热设备(30)与外部贮热器(32)的上游和所述空气 出口 (16)的下游。
9. 根据权利要求9所述的空调系统，其中所述热交换器(62)适于促进从所述座舱(12)排放的空气与来自于一个或多个压 縮空气源(52， 54， 56)的新鲜空气之间的热交换。
10. 根据权利要求6-9中任一项所述的空调系统， 其中所述至少一个贮热器(32)包括热机油。
11. 根据权利要求6-10中任一项所述的空调系统， 其中所述空调系统(10)进一步包括辅助动力单元(18)。
12. 根据权利要求ll所述的空调系统，其中所述动力恢复设备(22)适于驱动所述辅助动力单元(18)。
13. 根据权利要求6-11中任一项所述的空调系统，其中所述空调系统(10)进一步包括连接至冲压空气压縮机(84)的发动机(64)， 其中所述动力恢复设备(22)连接至所述发动机(64)和所述冲压空气压縮机(64)，使 得在所述动力恢复设备(22)由所排放的座舱空气驱动的工作模式下，所述动力恢复设备 (22)适于驱动所述冲压空气压縮机(84)和具有发电机功能的所述发动机(64)。
14. 根据权利要求6-13中任一项所述的空调系统， 其中所述动力恢复设备(22)由涡轮机实施。
15. —种用于飞机座舱(12)的空调系统(IO)，具有 至少一个空气入口 (14)，用于向所述座舱(12)供应空气； 至少一个空气出口 (16)，用于排放座舱空气；至少一个水分离器(28)，布置在所述座舱(12)的空气出口 (16)的下游； 其中所提供的至少一个水分离器(28)用于被打算排放到所述飞机的周围大气中的空 气的通流。
16. 根据权利要求15所述的空调系统，其中所述空调系统(10)包括布置在所述座舱(12)的空气出口 (16)的下游的至少一 个动力恢复设备(22)。
17. 根据权利要求16所述的空调系统，其中所述至少一个水分离器(28)布置在所述至少一个动力恢复设备(22)的下游。
18. 根据权利要求16所述的空调系统，所述至少一个水分离器(28)布置在所述至少一个动力恢复设备(22)的上游。
19. 根据权利要求15所述的空调系统，其中至少一个水分离器(26)布置在所述座舱(12)的上游，至少一个水分离器(28)布 置在所述座舱(12)的下游。
20. —种飞机，具有根据权利要求1-19中任一项所述的空调系统(10)。
全文摘要
本发明涉及一种用于飞机座舱(12)的空调系统(10)，具有至少一个空气入口(14)，用于向所述座舱(12)供应空气；至少一个空气出口(16)，用于从所述座舱(12)排放空气；以及至少一个压缩空气源(52，54，56)，适于提供加压新鲜空气，以经所述至少一个空气入口(14)供应给所述座舱(12)。所述空调系统(10)进一步包括热交换器(42)，被供应来自冲压空气入口(92)的冲压空气，以冷却来自所述压缩空气源(52，54，56)的空气，其中所述热交换器(42)布置在所述座舱(12)的空气入口(14)的上游。意图是所述空调系统(10)包括座舱空气热交换器(100)，该座舱空气热交换器(100)被设计成被供应从所述座舱(12)排放的空气，其中所述座舱空气热交换器(100)布置在所述至少一个空气出口(16)的下游和点(N)的下游，在该点(N)处，新鲜空气与来自所述座舱(12)的空气混合。
文档编号B64D41/00GK101743166SQ200880024212
公开日2010年6月16日 申请日期2008年7月8日 优先权日2007年7月11日
发明者亨里克·德林, 克劳斯·迪特·克里克, 卡特娅·玛丽亚·维尔克, 约尔格·克雷默斯 申请人:空中客车作业有限公司