專利名稱：空氣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空氣系統(tǒng)，特別是一種對飛機(jī)駕駛搶和客艙進(jìn)行增 壓和空氣調(diào)節(jié)的具有集成的區(qū)域溫度控制器的無引氣空氣系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已知的用于具有噴氣發(fā)動機(jī)和增壓客艙的飛機(jī)上的空氣系統(tǒng)和/或 空調(diào)系統(tǒng)利用噴氣發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)的壓縮氣流形式的氣動能量，其驅(qū)動空 調(diào)系統(tǒng)，同時被空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)并作為新鮮空氣被供應(yīng)給客艙。
為了運轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，噴氣發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)要從適當(dāng)?shù)姆至鼽c (tapping point)連續(xù)抽取噴氣發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)的空氣流。根據(jù)動力機(jī)構(gòu) 的負(fù)載情況，引氣的分流情況也會變化，從而溫度可以在250。C到450。C 之間、壓力在1.8巴到5巴之間。所得到的氣流狀態(tài)不會直接被影響。
基本上，空調(diào)系統(tǒng)的一個目的是冷卻和釋放所排出的壓縮熱空氣， 以便達(dá)到舒適的客艙溫度。這種冷卻通常通過熱交換器來實現(xiàn)。這種能 量釋放是不可逆的，因此不能進(jìn)一步利用，因為其釋放到外部環(huán)境中了。 為了獲得客艙中足夠新鮮的氣流量，必須使用上游閥以通過節(jié)流降低壓 力，這也會不可逆地耗散能量。
如果通過熱交換器不足以冷卻，氣流壓力必須通過空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)壓 縮機(jī)段來增加，在通過熱交換器與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換降溫之后壓力要 在隨后的冷卻渦輪中降低到客搶壓力。伴隨壓力下降的溫度降低使得輸 出溫度低于客搶溫度，從而具有冷卻效果。
在現(xiàn)有技術(shù)中，空調(diào)系統(tǒng)的輸出溫度是通過將冷卻空氣流與空調(diào)系 統(tǒng)之前的熱空氣流相混合來獲得。飛機(jī)客搶里的溫度控制通常根據(jù)區(qū)域
概念來進(jìn)行，區(qū)域概念就是客艙被分成了不同的溫度區(qū)。相應(yīng)所需的區(qū) 域溫度通過噴射適當(dāng)?shù)谋犬?dāng)前區(qū)域溫度更高或更低溫度的空氣流來得 到的。這種噴射溫度通過混合熱空氣來達(dá)到。這個概念表示在混合器中 混合空氣的溫度必須滿足所有區(qū)域的最低溫度要求。因而，冷卻單元的 輸出溫度也必須要進(jìn)行控制，從而混合器溫度能滿足所有區(qū)域的最低溫 度要求。
上述的這種技術(shù)的一個主要缺點是氣動能量形式的用來增壓和空 氣調(diào)節(jié)所需的能量由噴氣發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)提供，但考慮到熱力學(xué)，這種氣 動能量的分流是不能有效控制的。大比例的分流能量通過熱傳遞和節(jié)流 操作耗散，因此不能進(jìn)一步利用。另一缺點是分流條件主要取決于動力 機(jī)構(gòu)的負(fù)栽條件，其主要由推力決定。另外，從動力機(jī)構(gòu)的核心流中分 流的氣流對于動力機(jī)構(gòu)性能具有負(fù)面影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是創(chuàng)造一種用于對飛機(jī)的駕駛艙和客艙進(jìn)行增 壓和空氣調(diào)節(jié)的空氣系統(tǒng)，其中其不必從發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)連續(xù)抽取空氣流 以便對客艙和駕駛艙進(jìn)行增壓和空氣調(diào)節(jié)，從而不會發(fā)生上述缺點。
該目的的解決方案從權(quán)利要求1可以明顯看出。本發(fā)明的發(fā)展在從 屬權(quán)利要求中進(jìn)行說明。
根據(jù)本發(fā)明，提供了 一種用于對飛機(jī)駕駛艙和客艙空間進(jìn)行增壓和 空氣調(diào)節(jié)的空氣系統(tǒng)，包括用于壓縮空氣流的壓縮機(jī)，其中要被壓縮的 空氣流是通過沖壓進(jìn)氣道從飛機(jī)的外部環(huán)境抽取的并且通過熱交換器 供應(yīng)給至少一個要進(jìn)行增壓和空氣調(diào)節(jié)的區(qū)域。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是通過壓縮機(jī)來提供所需空氣流，該壓縮機(jī)將空
氣壓縮到客艙壓力加上由于橫向流動(Durchstromung)和分配所產(chǎn)生 的壓力損失。該要被壓縮的空氣流通過沖壓進(jìn)氣道從外部環(huán)境抽取。
根據(jù)本發(fā)明，可以根據(jù)需要以電能以及從外部環(huán)境(吸熱時的外部 環(huán)境)獲取的沖壓空氣流的形式提供將要產(chǎn)生的用于所需新鮮空氣流進(jìn) 行熱調(diào)節(jié)的能量。從而降低損失，允許優(yōu)化發(fā)動機(jī)，因為沒有分流引氣。 總的來說，因此可以減少燃料需求。另外，因為完全省去了根據(jù)現(xiàn)有技 術(shù)的引氣系統(tǒng)，并且根據(jù)本發(fā)明的空氣系統(tǒng)能夠安裝成一個緊湊的系 統(tǒng)，所以在維修上獲得優(yōu)點。


下面，參考附圖介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖l示出了才艮據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的空氣系統(tǒng)的示意圖； 圖2示出了根據(jù)圖1的空氣系統(tǒng)具有加熱方案流程圖的示意圖； 圖3示出了根據(jù)圖1的空氣系統(tǒng)具有冷卻方案流程圖的示意圖。 在附圖中，相同的組件用相同的附圖標(biāo)記表示。
具體實施例方式
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的空氣系統(tǒng)l示意圖。該空氣系 統(tǒng)l包括用于驅(qū)動壓縮機(jī)3的電機(jī)2。壓縮機(jī)3將來自外部環(huán)境的空氣 壓縮到客搶壓力加上由于橫向流動和分配所產(chǎn)生的額外壓力損失。所需 氣流量根據(jù)取決于客艙布局的最大需求得到。例如，如果需要更大的制 冷能力和/或加熱能力，那么電機(jī)2能提供更大的動力，并增加空氣壓 力和/或空氣溫度。
圖1中的空氣系統(tǒng)1還包括渦輪4，通過其可以將壓縮空氣供給冷 凝器5。渦輪4的功能稍后將參考圖3進(jìn)行介紹。
空氣系統(tǒng)1還包括流量控制器6來控制壓縮機(jī)3輸送的壓縮空氣流 達(dá)到所需的值，其主要取決于客搶布局。設(shè)置在壓縮機(jī)3后面的流量控 制閥6用于控制客艙(區(qū)域10A-D)中的流量?？商娲?，該閥能夠 省略，能夠使用帶有可調(diào)幾何形狀的壓縮機(jī)3。
如圖1所示，在冷凝器5和渦輪4之間布置有中間熱交換器7。來 自熱交換器7的空氣流例如經(jīng)過壓力控制閥8和區(qū)域溫度控制閥9流入 到飛機(jī)客搶中的不同區(qū)域10A-D中。通過溫度控制閥9A-9D,可以 獨立地對各區(qū)域10A- 10D的溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)木_控制。
如圖l所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的空氣系統(tǒng)l還包括主溫度控
制閥11，其布置在冷凝器5和空氣混合器12之間，以便控制流入到空 氣混合器12中的空氣流達(dá)到預(yù)定溫度。
圖1還示出了沖壓進(jìn)氣道13,其中設(shè)有主熱交換器15，其例如將 空氣流通過主溫度控制岡ll輸送到空氣混合器12。在該沖壓進(jìn)氣道13 中，還設(shè)有可控沖壓空氣擋板16和電驅(qū)動沖壓通風(fēng)口 17用來操作主熱 交換器15。
根據(jù)該優(yōu)選實施例，例如，平行于沖壓進(jìn)氣道13布置有第二沖壓 進(jìn)氣道14,其中根據(jù)該優(yōu)選實施例設(shè)有四個區(qū)域熱交換器18A-18D, 它們被分配給相應(yīng)的區(qū)域10A-IOD。與沖壓進(jìn)氣道13類似，該沖壓進(jìn) 氣道14包括可控沖壓空氣擋板19和電驅(qū)動沖壓通風(fēng)口 20。
為了能相互獨立地控制區(qū)域10A-D中的溫度，空氣系統(tǒng)l包括區(qū) 域溫度控制閥21A-D，它們布置在空氣混合器12的下游。
根據(jù)本發(fā)明的空氣系統(tǒng)還包括臭氧轉(zhuǎn)換器22，其布置在流量控制岡 6的下游和中間熱交換器7的上游。
空氣系統(tǒng)l的回風(fēng)口 23布置在空氣混合器12的上游，將來自區(qū)域 10A-D的空氣輸送給空氣混合器12。
下面，參考圖2和3來介紹各種操作方案。
圖2示出了一種操作方案的流程圖(粗虛線)，其中駕駛艙和客艙 空間被加熱(也稱為加熱方案)。
當(dāng)飛機(jī)位于地面上時，壓縮機(jī)3被控制產(chǎn)生足夠流量。壓力增大和 /或溫度增加以下述方式估計，即能得到所有區(qū)域10A - 10D的最高溫度 需求以及補(bǔ)償流動損失。這種壓力增大是經(jīng)濟(jì)的，因為不會產(chǎn)生剩余壓 力能量，而只產(chǎn)生較低的熱能，其必須通過熱交換器排放到外部環(huán)境中。
由壓縮機(jī)3壓縮得到的補(bǔ)助空氣的過高溫度通過沖壓進(jìn)氣道13在 主熱交換器15處降低。在空氣混合器12中與來自客艙通過回風(fēng)口 23 的空氣相混合之后，混合空氣通過區(qū)域溫度控制閥21A-21D供應(yīng)給區(qū) 域熱交換器18A-D。通過將氣流引導(dǎo)到區(qū)域熱交換器18A-D，區(qū)域 溫度控制閥21A - D控制各單獨區(qū)域的溫度(在該例中有四組分開的氣
流用于四個區(qū)域10A-D)。在區(qū)域熱交換器18A-D內(nèi)，各區(qū)域的補(bǔ)助 空氣被沖壓進(jìn)氣道14的外部空氣冷卻到所需噴射溫度。這種控制是通 過電驅(qū)動沖壓通風(fēng)口 20和沖壓空氣擋板19以及通過區(qū)域溫度控制閥 21A-D來進(jìn)行的。在圖2中，壓力控制閥8在這種狀態(tài)下是閉合的。 如果區(qū)域10A-D需要進(jìn)一步的熱能，那么還可以通過壓力控制閥8和 溫度控制岡9A-D來輸送熱空氣。
下面，參考圖3，介紹第二種方案，其中飛機(jī)處于地面上，客搶空 間應(yīng)該被冷卻(也稱作冷卻方案)。在圖3中用粗虛線示出了相應(yīng)的流 程圖。
在該冷卻方案中，壓縮機(jī)3被控制產(chǎn)生足夠流量。壓力增大和/或溫 度增加至少以下述方式估計，即能得到所有區(qū)域10A- 10D的最低溫度 需求以及補(bǔ)償流動損失。這種壓力增大是經(jīng)濟(jì)的，因為只產(chǎn)生較低的剩 余熱能，其必須通過熱交換器排放。
盡可能地，主要通過熱交換器15和18A - 18D來進(jìn)行冷卻。主熱交 換器15在這種情況下控制達(dá)到最低所需區(qū)域溫度，假設(shè)這根據(jù)可利用 的外部環(huán)境溫度是可行的。在與通過回風(fēng)口 23來自客搶的再循環(huán)空氣 混合后，在空氣混合器12內(nèi)混合的空氣通過區(qū)域溫度控制閥21A-D 供應(yīng)給區(qū)域熱交換器18A-D。區(qū)域熱交換器18A-D允許通過區(qū)域溫 度控制閥21A-21D來進(jìn)一步冷卻這些區(qū)域。需要更高的噴射溫度的區(qū) 域由熱空氣來加熱。
如果通過沖壓空氣熱交換器無法得到最低區(qū)域溫度，則通過閉合主 溫度控制閥11產(chǎn)生穿過渦輪4的分支橫向流動，如圖3所示。在這種 情況下，壓縮機(jī)3通過電機(jī)2控制得到更高的壓縮最終壓力，從而在主 熱交換器15以及渦輪4的壓力釋放之后，可以得到足夠的制冷能力。
在這種情況下，區(qū)域熱交換器18A-D繼續(xù)工作，直到穿過區(qū)域溫 度控制閥21A-D的混合空氣進(jìn)一步冷卻。由于在壓力釋放時的機(jī)械做 功，橫向流動渦輪4減輕電機(jī)2的工作從而回收能量。
下面介紹另一種工作方案，來說明空氣系統(tǒng)l的操作模式。
當(dāng)飛機(jī)在空中并且客搶空間必須被加熱時，控制壓縮機(jī)3產(chǎn)生足夠
流量和滿足客艙壓力需求。壓力增大和/或溫度增加以下述方式估計， 首先達(dá)到客搶壓力需求，如果可以就達(dá)到區(qū)域最高溫度需求，以及吸收
流動損失。在主熱交換器15之后，與上述在地面上的加熱方案類似， 溫度被控制為區(qū)域最高溫度的需求。
和圖2—樣通過區(qū)域溫度控制閥21A-D和/或區(qū)域熱交換器18A-D進(jìn)行精確控制。 如果區(qū)域需要另外的熱能，這仍然可以通過壓力控制 閥8和溫度控制岡9A-D輸送熱空氣來實現(xiàn)。
在飛機(jī)在空中并且必須進(jìn)行冷卻客搶空間的情況下，控制壓縮機(jī)產(chǎn) 生足夠流量和客搶壓力需求。壓力增大和/或溫度增加以下述方式估計， 首先達(dá)到客搶壓力需求，如果可以就達(dá)到區(qū)域最低溫度需求，以及吸收 流動損失。
根據(jù)ISA標(biāo)準(zhǔn)，冷卻主要通過主熱交換器15和區(qū)域熱交換器18A - D利用沖壓空氣的制冷能力來方便地進(jìn)行。根據(jù)ISA標(biāo)準(zhǔn)外部環(huán)境溫 度例如從10000英尺-4°C降低到3卯00英尺的-56°C。這類控制對于 操作性能來說非常經(jīng)濟(jì)，因為只產(chǎn)生少量損失。如果不能進(jìn)行充分冷卻， 通過主溫度控制閥11用壓縮機(jī)3增加的同步壓力來驅(qū)動渦輪4,釋放空 氣到客搶壓力水平，直到獲得充分冷卻。區(qū)域熱交換器18A-D在這種 情況下也連續(xù)工作，直到通過區(qū)域溫度控制閥21A-21D完成混合空氣 的進(jìn)一步冷卻。
盡管本發(fā)明是參考了優(yōu)選實施例來進(jìn)行介紹的，但是顯而易見的是 在不超出本發(fā)明保護(hù)范圍的前提下可以作出修改和改變。
例如，能夠設(shè)置多于四個區(qū)域和/或區(qū)域熱交換器，其中區(qū)域熱交換 器的尺寸可以被設(shè)計成適于根據(jù)ISA標(biāo)準(zhǔn)的飛行方案。系統(tǒng)工作的操作 方案與飛行狀態(tài)有關(guān)。由于40000英尺的飛行高度下外部環(huán)境溫度非常 低為-56。C，因此即便是在相對較小的熱交換表面上也可以產(chǎn)生足夠的 熱交換。因此，如果可能，該i殳計可以為ISA + 23 (熱)，相當(dāng)于40000 英尺-33。C，以達(dá)到增加的制冷力需求。
參考優(yōu)選實施例介紹的系統(tǒng)可以通過另一步驟來進(jìn)一步完成，即集 成有在循環(huán)空氣流中附加的熱交換器。該熱交換器可以布置在循環(huán)出風(fēng)
口之前或之后。通過該熱交換器，可以從循環(huán)空氣中排出熱量，致使溫 度降低。該熱交換器例如可以實施為蒸發(fā)器，其是冷蒸汽壓縮制冷機(jī)的 一部分，可以布置在飛機(jī)壓力艙內(nèi)。由于這種集成結(jié)構(gòu)，混合器中循環(huán) 空氣的輸入溫度降低。從而，當(dāng)省略上述循環(huán)空氣流中控制熱交換器時， 混合器中新鮮空氣流溫度可以被增加以達(dá)到相同的混合溫度。因而，壓 縮機(jī)和/或沖壓空氣流所需的電能可以減少。同時，必須提供用于驅(qū)動 冷蒸汽壓縮制冷機(jī)的電能，其中壓縮制冷機(jī)的效率通常高于開放式冷空 氣制冷過程的效率。這意味著對于壓縮制冷機(jī)來說提供相同制冷力所需 的電能更小。
另外，例如參考優(yōu)選實施例介紹的系統(tǒng)可以用循環(huán)空氣流中的附加 熱交換器來完成，其是中央機(jī)載冷卻系統(tǒng)的一部分。這種配置結(jié)構(gòu)利用 飛機(jī)上已有的冷卻系統(tǒng)，從而可以獲得關(guān)于能量需求以及整個系統(tǒng)重量 的優(yōu)勢。用于冷卻食物和飲料的制冷能力的需求在巡航期間逐漸下降， 從而能夠?qū)⑹Ｓ嗟闹评淠芰τ糜诳照{(diào)系統(tǒng)。
另夕卜，需要注意"包含"、"包括"不排除其它元件或步驟，"一"或"一 個"不排除多個的情況。另外，應(yīng)當(dāng)指出參考上述實施例之一所述的特征 或步驟可以與其它所述實施例的特征或步糾目結(jié)合。權(quán)利要求的附圖標(biāo)記 不應(yīng)被理解成是一種限制。
附圖標(biāo)記
1 空氣系統(tǒng)
2 電機(jī)
3 壓縮機(jī)
4 渦輪
5 冷凝器
6 流量控制器
7 中間熱交換器
8 壓力控制閥
9 溫度控制閥
10 區(qū)域
11主溫度控制閥
12空氣混合器
13沖壓進(jìn)氣道
14沖壓進(jìn)氣道
15主熱交換器
16可控沖壓空氣擋板
17電動通風(fēng)口
18A-D 區(qū)域熱交換器
19可控沖壓空氣擋板
20 電動通風(fēng)口
21A-D區(qū)域溫度控制閥
22臭氧轉(zhuǎn)換器
23回風(fēng)口
權(quán)利要求
1.一種用于對飛機(jī)駕駛艙和客艙空間進(jìn)行增壓和空氣調(diào)節(jié)的空氣系統(tǒng)，包括用于壓縮空氣流的壓縮機(jī)(3)，其中要被壓縮的空氣流是通過沖壓進(jìn)氣道(13、14)從飛機(jī)的外部環(huán)境抽取的并且通過熱交換器(15、18)供應(yīng)給至少一個要進(jìn)行增壓和空氣調(diào)節(jié)的區(qū)域(10A-D)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的空氣系統(tǒng)，其中具有不同溫度需求的區(qū) 域(10A-D)被分別分配給一個區(qū)域熱交換器(18A-D)，以便對應(yīng) 于溫度需求輸出補(bǔ)助空氣到區(qū)域(10A-D)內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空氣系統(tǒng)，其中區(qū)域熱交換器(18A-D) 包含在沖壓進(jìn)氣道(14)內(nèi)，用來通過外部空氣將通向各個區(qū)域(10A -D)的補(bǔ)助空氣冷卻到所需的噴射溫度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的空氣系統(tǒng)，其中壓縮空氣流通過空氣 混合器(12)和區(qū)域溫度控制閥(21A-D)輸送給區(qū)域熱交換器(18A -D)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的空氣系統(tǒng)，其中該空氣混合器(12)將壓 縮空氣流與來自區(qū)域(10A-D)的回風(fēng)空氣流相混合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的空氣系統(tǒng)，其中在加熱方案中，控制 該空氣混合器(12)以達(dá)到所有區(qū)域(18A-D)的最高溫度需求。
7. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的空氣系統(tǒng)，其中沖壓進(jìn)氣道 (13、 14)包括可控沖壓空氣擋板(16、 19)和電驅(qū)動沖壓通風(fēng)口 (17、18)。
全文摘要
一種用于對飛機(jī)駕駛艙和客艙空間進(jìn)行增壓和空氣調(diào)節(jié)的空氣系統(tǒng)，包括用于壓縮空氣流的壓縮機(jī)(3)，其中要被壓縮的空氣流是通過沖壓進(jìn)氣道(13、14)從飛機(jī)外部環(huán)境抽取的并通過熱交換器(15、18)供應(yīng)給至少一個要進(jìn)行增壓和空氣調(diào)節(jié)的區(qū)域(10A-D)。
文檔編號B64D13/02GK101107166SQ200680002788
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月26日
發(fā)明者弗蘭克·克利姆佩爾, 托爾格·普法費羅特 申請人:空中客車德國有限公司