本发明涉及飞机空调系统和用于操作飞机空调系统的方法。
背景技术：
飞机空调系统用以冷却或者加热飞机机舱，并且充分地将新鲜空气供应到飞机机舱中以保证在飞机机舱中存在规定的最小比例的氧气。如例如在DE 10 2008 053 320 B4和US 8,333,078 B2或者DE 10 2010 054 448 Al和US 2013/269374 Al中描述的所谓的基于空气的空调系统，典型地包括例如布置在飞机的翼根中且被供应压缩的过程空气的空调单元。压缩的过程空气由过程空气源提供，过程空气源可以是飞机的发动机或者辅助动力装置(APU)或者是独立于发动机或者辅助动力装置设计的压缩机。在飞机的飞行操作中，通常发动机引气被使用以为飞机空调系统的空调单元供应压缩的过程空气。然而，在飞机的地面操作期间，飞机空调系统的空调单元典型地被供应来自飞机的辅助动力装置的压缩的过程空气。
技术实现要素：
本发明的目的旨在详细说明一种飞机空调系统，具有可以以降低的压缩过程空气需求操作的空调单元。另外，本发明的目的旨在提供一种用于操作这种飞机空调系统的方法。
该目的通过具有下述特征的飞机空调系统和具有下述特征的用于操作飞机空调系统的方法实现。
飞机空调系统包括适于被供应压缩的过程空气的空调单元。该压缩的过程空气可以借助过程空气源被提供到所述空调单元，所述过程空气源可以是飞机的发动机或辅助动力装置(APU)或者是独立于所述发动机或所述辅助动力装置设计的压缩机。所述空调单元可以经由过程空气管线被连接到所述过程空气源。在所述空调单元中，所述过程空气在流过至少一个热交换器以及各种压缩和膨胀单元时可被冷却和膨胀。所述空调单元由此适合于产生冷新鲜空气。
所述飞机空调系统进一步包括适合于将由所述空调单元产生的冷新鲜空气与从待空气调节的飞机区域再循环的再循环空气混合的混合器。所述再循环空气可以借助合适的传送装置从待空气调节的所述飞机区域传送到所述混合器，所述传送装置例如是鼓风机，其可被布置在将待空气调节的所述飞机区域连接到所述混合器的再循环空气管线中。所述混合器和所述空调单元之间的连接可借助新鲜空气管线建立。待空气调节的所述飞机区域可以是飞机客舱、飞行员座舱、货舱或者任何其它飞机区域，并且可以被分成多个空调区域。
进一步，所述飞机空调系统包括适于将混合空气从所述混合器引导到待空气调节的所述飞机区域中的出风口。所述出风口例如可以被布置在待空气调节的飞机机舱的天花板区域中。所述出风口可以借助混合空气管线被连接到所述混合器。所述飞机空调系统也可以包括多个出风口，该多个出风口可以按照需要分布在待空气调节的所述飞机区域中。
所述飞机空调系统的第一传感器被提供，其适于检测待空气调节的所述飞机区域中的实际温度。如果需要或有必要，则可以提供多个第一传感器，该多个第一传感器可以分布在待空气调节的所述飞机区域中。由所述多个第一传感器检测的实际温度于是可以为通过将由各个第一传感器检测的各个实际温度值平均而获得的平均实际温度。第二传感器用以检测经由所述出风口引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度。
最后，所述飞机空调系统包括控制单元，该控制单元适于根据引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的差控制所述空调单元的操作。因此，同常规空调系统相比，在常规空调系统中，空调单元的操作主要基于待空气调节的飞机区域中的期望温度和待空气调节的飞机区域中的实际温度的比较而被控制，而不考虑待空气调节的飞机区域的热动态特性，在本文所述的飞机空调系统中，在控制所述空调单元的操作时，考虑引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的差。由此，能够避免引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的不期望地大或者不期望地小的差。
例如，在所述飞机空调系统在高环境温度并且由此在待空气调节的所述飞机区域中的高实际温度下启动时，通过在控制所述空调单元的操作时考虑引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的差，能够避免将不合理地大体积流量的非常冷的混合空气供应到待空气调节的所述飞机区域。类似地，在所述飞机空调系统在低环境温度并且由此在待空气调节的所述飞机区域中的低实际温度下启动时，在控制所述空调单元的操作时考虑引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的差，防止将不合理地大体积流量的非常暖的混合空气供应到待空气调节的所述飞机区域。
结果，所述空调单元的过程空气需求能够降低，而实际上不影响所述飞机空调系统的冷却或加热性能，所述空调单元的过程空气需求在空调单元下述操作状况下特别高，即在该操作状况中需要空调单元提供大体积流量的非常冷或者非常暖的新鲜空气。替代地，所述空调单元的操作能够被调节至待空气调节的所述飞机区域的实际冷却和加热要求。
这允许减少所述过程空气源的燃料消耗。此外，在所述过程空气源中产生的热应力能够降低，这增大了所述过程空气源的使用寿命。在这方面，应当注意到，在所述过程空气源中产生的热应力与所述空调单元的过程空气需求之间的相关性是高度非线性的。因此，即使压缩的过程空气需求的小的降低也可引起作用于所述过程空气源的热应力的明显减小。
在所述飞机空调系统的优选实施例中，所述控制单元适于以使引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的差不超过阈值的方式控制所述空调单元的操作。所述阈值可以例如基于所述过程空气源的类型和性能确定，以便有效地减少所述过程空气源的燃料消耗和由热应力引起的磨损。此外，所述阈值可以设定成这样的值，即使得特别在将待空气调节的所述飞机区域从高温冷却时以及在将待空气调节的所述飞机区域从低温加热时，所述飞机空调系统的冷却或加热性能在期望范围内。
优选地，所述飞机空调系统的所述控制单元进一步适于根据待空气调节的所述飞机区域中的实际温度的变化率控制所述空调单元的操作。这允许控制待空气调节的所述飞机区域在冷却和加热时的瞬时特性，其目的同样在于避免所述空调单元的下述操作状况，即在该操作状况中需要所述空调单元提供大体积流量的非常冷或非常暖的新鲜空气。
具体地，所述控制单元可以适于以使待空气调节的所述飞机区域中的实际温度的变化率不超过阈值的方式控制所述空调单元的操作。类似于引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的差的阈值，待空气调节的所述飞机区域中的实际温度的变化率的阈值也可以例如基于所述过程空气源的类型和性能被确定，以便有效地减少所述过程空气源的燃料消耗和由热应力引起的磨损。此外，该阈值可以被设定成这样的值，即使得冷却或者加热待空气调节的所述飞机区域所需的时间在期望范围内。
在优选实施例中，所述飞机空调系统可以进一步包括输入装置，该输入装置适于输入待空气调节的所述飞机区域中的期望温度。所述输入装置可以是自动地确定待空气调节的所述飞机区域中的期望温度的装置。然而，优选地，所述输入装置包括用户接口，用户可以经由该用户接口输入待空气调节的所述飞机区域中的期望温度。所述控制单元可以适于根据所述飞机区域中的期望温度控制所述空调单元的操作。因此，类似于在常规的飞机空调系统中那样，在本文所述的飞机空调系统中，待空气调节的所述飞机区域中的期望温度也用作用于控制所述空调单元的操作的控制参数，以便确保待空气调节的所述飞机区域按照需要被加热或冷却。
基本上，用于检测引导到所述飞机区域中的混合空气的温度的所述第二传感器可以被提供在所述出风口的区域中或者被提供在将所述混合器连接到所述出风口的混合空气管线的区域中。然而，优选地，所述第二传感器被布置在所述飞机空调系统的混合器中。
在用于操作飞机空调系统的方法中，压缩的过程空气被供应到空调单元。冷新鲜空气借助所述空调单元被产生。由所述空调单元产生的冷新鲜空气借助混合器与从待空气调节的飞机区域再循环的再循环空气混合。混合空气从所述混合器被引导到待空气调节的所述飞机区域中。待空气调节的所述飞机区域中的实际温度借助第一传感器被检测。另外，引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度借助第二传感器被检测。所述空调单元的操作根据引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的差被控制。
可以以使引导到待空气调节的所述飞机区域中的混合空气的温度和待空气调节的所述飞机区域中的实际温度之间的差不超过阈值的方式来控制所述空调单元的操作。
在用于操作飞机空调系统的方法中，所述空调单元的操作可以进一步根据待空气调节的所述飞机区域中的实际温度的变化率被控制。
优选地，以使待空气调节的所述飞机区域中的实际温度的变化率不超过阈值的方式来控制所述空调单元的操作。
用于操作飞机空调系统的方法优选地进一步包括输入待空气调节的所述飞机区域中的期望温度的步骤。可以根据待空气调节的所述飞机区域中的期望温度来控制所述空调单元的操作。
用于检测引导到所述飞机区域中的混合空气的温度的所述第二传感器可以被布置在所述飞机空调系统的混合器中。
附图说明
下面将参考所附示意图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出根据本发明的飞机空调系统。
具体实施方式
图1示出飞机空调系统10，出于冗余度原因，其包括两个相同的空调单元12。空调单元12被连接到过程空气源14。在图1描绘的飞机空调系统10的实施例中，过程空气源14被设计为配备有飞机空调系统10的飞机的辅助动力装置的形式。然而，也可想到使用飞机的发动机或者独立于飞机的辅助动力装置和发动机设计的压缩机作为将压缩的过程空气提供到空调单元12的过程空气源。空调单元12和过程空气源14之间的连接经由相应的过程空气管线16建立。过程空气源14的操作借助过程空气源控制单元18控制。
在空调单元12中，压缩的过程空气冷却和膨胀。每个空调单元12由此适合于产生冷新鲜空气，该冷新鲜空气经由将空调单元12连接到混合器22的新鲜空气管线20离开空调单元12。混合器22进一步被连接到再循环空气管线24。例如，从待空气调节的飞机区域26(诸如飞机机舱)排出的再循环空气经由再循环空气管线24被供应到混合器22。为将再循环空气从待空气调节的飞机区域26传送通过再循环空气管线24并最后传送到混合器22中，可被设计为鼓风机形式的合适传送装置28被布置在再循环空气管线24中。在混合器22内，由空调单元12提供的冷新鲜空气与经由再循环空气管线24供应到混合器22的再循环空气混合，以产生混合空气。
如从图1变得明显的，混合空气经由相应的混合空气管线30从混合器22排出。混合空气管线30将混合器22连接到相应的出风口32，在附图所示的飞机空调系统10的实施例中，出风口32被布置在待空气调节的飞机区域26的天花板区域中。由混合器22提供的混合空气经由出风口32被供应到待空气调节的飞机区域26中。
飞机空调系统10进一步包括布置在待空气调节的飞机区域26的天花板区域中的第一传感器34。第一传感器34用以检测待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact。第二传感器36用以检测经由出风口32引导到待空气调节的飞机区域26中的混合空气的温度Tmix。如图中所示，第二传感器36可以被布置在飞机空调系统10的混合器22中。然而，优选地，第二传感器36被布置在混合空气管线30中。
飞机空调系统10进一步包括输入装置38，其适合于输入待空气调节的飞机区域26中的期望温度Tdes。基本上，输入装置38可以适于自动地确定待空气调节的飞机区域26中的期望温度Tdes。然而，优选地，输入装置38包括用户接口，用户可以通过该用户接口手动输入待空气调节的飞机区域26中的期望温度Tdes。
由第一传感器34、第二传感器36和输入装置38提供的信号被提供到控制单元40。在图中所示的飞机空调系统10的实施例中，第一传感器34和输入装置38被直接连接到控制单元40。然而，也可想到将第一传感器34和输入装置38的信号输送到单独的温度控制单元，该温度控制单元又与控制单元40通信。控制单元40适于控制飞机空调系统10的操作并且特别地控制空调单元12的操作。另外，控制单元40被连接到过程空气源控制单元18。过程空气源控制单元18根据由控制单元40提供的控制信号控制过程空气源14的操作。具体地，过程空气源控制单元18根据由控制单元40确定的过程空气需求控制过程空气源14的操作。
在下文中，将描述飞机空调系统10的操作。在飞机空调系统10操作期间，控制单元40根据从第一传感器34和第二传感器36以及输入装置38提供到控制单元40的各种信号控制空调单元12的操作。首先，在比较待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact与由输入装置38提供的期望温度Tdes时，控制单元40确定待空气调节的飞机区域26是否需要加热或者冷却。此外，控制单元40计算所需要的过程空气需求，即待由过程空气源14提供到空调单元12的过程空气的体积流量。指示所需要的过程空气需求的相应控制信号从控制单元40被提供到过程空气源控制单元18。过程空气源控制单元18然后根据所述控制信号控制过程空气源14的操作。
然而，不同于其中空调单元12和过程空气源14的操作典型地被控制以便以最大的可用性能冷却或加热飞机区域26的常规的飞机空调系统10，在控制空调单元12的操作以及在计算用于过程空气源控制单元18的控制信号时，除了待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact和待空气调节的飞机区域26中的期望温度Tdes之间的差之外，控制单元40还考虑经由出风口32引导到待空气调节的飞机区域26中的混合空气的温度Tmix和待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact之间的差。
因此，在飞机空调系统10操作期间，能够避免引导到待空气调节的飞机区域26中的混合空气的温度Tmix与待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact之间的不期望地大或不期望地小的差。例如，在飞机空调系统10在高环境温度并且由此待空气调节的飞机区域26中的高实际温度Tact下启动时，能够避免将不合理地大体积流量的非常冷的混合空气供应到待空气调节的飞机区域26。类似地，在飞机空调系统10在低环境温度并且由此待空气调节的飞机区域26中的低实际温度Tact下启动时，防止将不合理地大体积流量的非常暖的混合空气供应到待空气调节的飞机区域26。
结果，空调单元12的过程空气需求可被降低而实际上不影响飞机空调系统10的冷却或加热性能，空调单元12的过程空气需求在空调单元12的下述操作状况下特别高，即在该操作状况中需要空调单元12提供大体积流量的非常冷或非常暖的新鲜空气。替代地，空调单元12的操作可被调节，以实现待空气调节的飞机区域的冷却或加热要求。这允许减少过程空气源14的燃料消耗并降低过程空气源14中产生的热应力。
具体地，控制单元14以使引导到待空气调节的飞机区域26中的混合空气的温度Tmix与待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact之间的差不超过阈值的方式控制空调单元12的操作并计算用于过程空气源控制单元18的控制信号。例如，可基于过程空气源14的类型和性能确定阈值，以便有效地减少过程空气源14的燃料消耗和由于热应力引起的磨损两者。此外，阈值可以被设定成这样的值，即使得特别地在将待空气调节的飞机区域26从高温冷却时以及当将待空气调节的飞机区域26从低温加热时飞机空调系统10的冷却或加热性能在期望范围内。
此外，控制单元40根据待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact的变化率控制空调单元12的操作并计算用于过程空气源控制单元18的控制信号。具体地，控制单元40控制空调单元12的操作并且计算用于过程空气源控制单元18的控制信号，以使待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact的变化率不超过阈值。这允许控制待空气调节的飞机区域26在冷却或者加热时的瞬时特性，其目的同样在于避免空调单元12的下述操作状况，即在该操作状况中，需要空调单元12提供大体积流量的非常冷或非常暖的新鲜空气。
类似于引导到待空气调节的飞机区域26中的混合空气的温度Tmix和待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact之间的差的阈值，待空气调节的飞机区域26中的实际温度Tact的阈值也可例如基于过程空气源14的类型和性能被确定，以便有效地减少过程空气源14的燃料消耗和由于热应力引起的磨损两者。此外，阈值可以设置成这样的值，即使得冷却或者加热待空气调节的飞机区域26所需的时间在期望范围内。