CN101384484B - 用于改善飞行器压力舱中的空气质量的*** - Google Patents
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Abstract
一种用于改善飞行器压力舱中的空气质量的***，其包括再循环空气回路，借助于所述再循环空气回路将部分机舱空气——称为再循环空气——从压力舱回收、进行过滤然后使之再次循环到压力舱中。为了增加供回压力舱中的空气的氧气分压，使再循环空气量全部或部分地通过氮气发生器(52)，氮气发生器(52)从所供应的再循环空气中产生氮气和含氧排气。氮气发生器(52)的含氧排气与未经氮气发生器(52)处理的再循环空气的全部剩余量一起再次循环到压力舱中。仅对其供应再循环空气的氮气发生器(52)利用在飞行中存在于压力舱和飞行器外部之间的压力梯度来产生氮气。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于改善飞行器压力舱中的空气质量的***。在所述***中，称为再循环空气的部分压力舱空气从压力舱被回收到再循环空气回路中、经过调节然后返回到压力舱。
背景技术
加压飞行器机舱已久为人知，从而，即使处于相对较高的飞行高度处，人们也能够在没有例如氧气罩等协助的情况下在这种飞行器机舱中度过。通常，利用从飞行器发动机的压缩机级分流出的所谓引气来给飞行器机舱加压。这种已经加压的引气在飞行器空调***中减压到所需的机舱压力、进行冷却并且另外在供应到飞行器机舱之前进行调节。从发动机分流空气增加了发动机的燃料消耗，因为分流部分的空气不能再由发动机用来产生推力，所以使得发动机的压缩机必须设计得大于实际上纯粹为了产生推力所需的尺寸。
对于飞行器机舱空调领域的技术人员已知，为了减少对于引气的需求量，可以在再循环空气回路中净化已经存在于压力舱中的一部分空气，然后将所述部分供回到压力舱，而并非不断地向压力舱供应从引气产生的外部空气。
为了减轻具有压力舱的飞行器的重量，机舱压力设定成使其大致对应于在2500米海拔处存在的空气压力。这样在飞行期间，在压力舱和环境大气之间产生的压差能够保持在较低水平，从而降低了强度要求并因此减少了飞行器机身结构的重量。然而上述方法的缺点在于，飞行器机舱中的氧气分压明显低于地面水平，这样不利于长途飞行期间的舒适性，尤其是对于老年乘客和有病的乘客。例如，地面水平处的氧气分压大约为200毫巴，而在高海拔飞行的商用飞机的压力舱中的氧气分压仅为175毫巴。为了解决这一问题，在德国专利19645764中提出在供应到飞行器压力舱的新鲜空气中增添氧气。提出一种将外部空气中所含的氧气部分分离出来的膜组件作为用来为新鲜空气增添氧气的装置。然而，由于借助于增氧装置仅向压力舱提供从(额外的)引气中所得到的氧气部分，而这些额外引气的剩余部分未经使用而流出，所以这种方法导致了引气消耗的增加。
在GB 2397821A中公开了增加飞行器压力舱中的氧气分压的另一种可行方式。在该文献中，根据一个实施方式，使再循环空气穿过膜组件以便产生富氧气流和富氮气流，将富氧气流供回到飞行器机舱中。
发明内容本发明的目的是在不额外消耗引气的情况下增加飞行器压力舱中的氧气分压，并以较大的总效率来完成压力舱中的氧气分压的提高。
该目的由根据本发明所述特征的***来实现。提供一种用于改善飞行器压力舱中的空气质量的***，在所述***中，称为再循环空气的部分机舱空气从所述压力舱被回收到再循环空气回路中、经过调节然后再次循环到所述压力舱中，其中
-再循环空气量全部或部分地穿过氮气发生器，所述氮气发生器从所供应的再循环空气中产生氮气和含氧排气；
-所述氮气发生器的含氧排气与未经所述氮气发生器处理的再循环空气的所有剩余量一起再次循环到所述压力舱中，
-仅再循环空气被供应到所述氮气发生器，并且其中
-所述氮气发生器利用在飞行中存在于所述压力舱和所述飞行器外部之间的压力梯度来产生氮气，
其特征在于，
-所述氮气发生器的含氧排气供回到氮气发生器上游的再循环空气回路。
根据该***，仅对氮气发生器供应再循环空气，而再循环空气量全部或部分地通过氮气发生器，氮气发生器从所供应的再循环空气产生氮气和含氧排气。来自氮气发生器的含氧排气与未经氮气发生器处理的再循环空气的所有剩余量一起再次循环到压力舱中。
为了从空气中产生氮气，每个氮气发生器都需要原动力以迫使空气通过例如分子筛或膜而进行处理，仅提及氮气分离的两种可行方法。通常，压缩机是氮气发生器的部件。在根据本发明的空气改善***中，氮气发生器利用了在飞行中存在于压力舱和飞行器外部之间的压力梯度。取决于飞行高度，该压力梯度可以为几百毫巴。优选地使用位于氮气发生器的氮气出口侧上并通向环境大气的文丘里阀来限制通过氮气发生器的最大流量。
替代地和/或附加地，由包含在再循环空气回路中的再循环风扇产生的压力梯度可以用于氮气发生器来产生氮气。利用压力梯度作为在氮气发生器中产生氮气的原动力，无论压力梯度是由这种再循环风扇单独产生还是与存在于压力舱和飞行器外部之间的压力梯度结合产生，优选地将氮气发生器的含氧排气引导至再循环风扇的吸入侧并使其在流经再循环风扇之后再次循环到压力舱中。这样氮气发生器能够利用再循环风扇的全部压差来进行氮气分离过程。
如上所述，根据本发明，如果利用已经存在的压力梯度来产生氮气，则上述氮气发生器的压缩机尺寸可以更小或者甚至完全省去，从而节省了费用、减轻了重量以及节省了安装空间。
仅在飞行器空调***的空气循环侧——即仅从再循环空气——进行氮气分离带来相当多的优点：根据本发明的用于增加压力舱中氧气分压的***完全不依赖于引气，并因此不会增加飞行器发动机的燃料消耗。因为根据本发明的***不依赖于引气，所以当发动机不运转时该***也能普遍操作。另外根据本发明，不必对供应到氮气发生器的空气给予适当的压力和温度值，而这在使用引气时是必需的。这是由于，从压力舱回收并供应到氮气发生器的空气已经具有适当的压力和温度。因此，所需的技术复杂性相应较小，而且对额外的管道的需求不大。因为再循环机舱空气在任何情况下都是经过高效过滤器并进行调节之后才被抽出，所以对于由氮气发生器产生的含氧排气不必进行额外过滤。如果必须补偿去掉的氮气量，则为了保持总的气流恒定可以简单地稍微增加再循环空气的总量。最后，因为仅使用再循环空气并导致进气参数的波动较小，所以氮气发生器能够针对期望的使用条件进行最优设计。
如果上述在飞行中存在的压力梯度用于产生氮气，则产生的氮气被排放到其压力小于压力舱中存在的压力的空间中。例如，产生的氮气能够简单地从飞行器机身排出。然而，根据本发明的***的优选实施方式，产生的氮气并非简单地释放到飞行器的外部环境中，而是例如被引导至飞行器的起落架舱中。起落架舱通常位于飞行器的油箱附近且可能容纳非常热的部件(制动盘、轮胎)，因此通过引入氮气而使起落架舱的空间惰性化具有减少危险的作用。
替代地和/或附加地，为了降低燃料蒸气着火的风险，尤其是当油箱相对较空时，可以将产生的氮气引导至飞行器的油箱中。
最后，无论氮气发生器是否利用在飞行中存在的压力梯度来产生氮气，对于已经提及的用法可替代地和/或另外地，产生的氮气可以作为冷却介质用于冷却飞行器部件。这些部件例如可以是迄今为止通常利用普通空气来冷却的航空电子部件。在此，借助于氮气使航空电子设备冷却“空气”惰性化同样是有利的。如果由氮气发生器产生的氮气的温度尚未低到用于制冷的目的，则产生的氮气能够穿过由外部空气冷却的热交换器进行进一步冷却，在现今的通常飞行高度上的外部空气是非常寒冷的。
再循环空气回路通常包括用于从压力舱回收的再循环空气的空调过滤器，循环空气通过再循环空气回路从压力舱回收并返回到压力舱。在这种情况下，根据本发明的***优选地构造成使得再循环空气量只有在穿过空调过滤器之后才抽取将要供应到氮气发生器的再循环空气量。因为那时就没有必要对通过氮气发生器处理以及返回到再循环空气回路的空气量进行任何进一步的过滤。
因此根据本发明的***能够尽可能灵活地进行操作，再循环空气回路优选地包括再循环空气量在重新进入压力舱之前所流经的混合室。在该混合室中，外部空气——即经过调节的引气——可以以期望比例混入而不会丧失根据本发明所获得的优点。
附图说明
下面将参照示意性附图更加详细地解释根据本发明的用于改善飞行器压力舱中的空气质量的***的实施方式，附图中：
图1是示出在根据本发明的***的第一实施方式中的飞行器空调***的基本布置以及与其它部件连接的框图；
图2是第二实施方式的类似于图1的框图；以及
图3是进一步修改的第三实施方式的框图。
具体实施方式
图1示出了第一实施方式，其涉及具有两个发动机12、14和辅助动力单元16的飞行器，显而易见，***的基本操作并不依赖于发动机的精确数量或辅助动力单元的存在。
为了给飞行器的机舱加压(不再进一步说明)，来自发动机12和/或发动机14和/或辅助动力单元16的引气经由管线18、19和20、21供应至两个空调单元22、24。其中配备有断流阀26的连接管线25用于将来自发动机12和/或辅助动力单元16的引气同时供应至两个空调单元22、24，或者将来自发动机14的空气同时供应至两个空调单元22、24。在断流阀26关闭的情况下，仅给空调单元22供应来自发动机12和/或辅助动力单元16的引气，同时仅给空调单元24供应来自发动机14的引气。
以本领域的技术人员已知的方式，空调单元22、24用于冷却和调节热的引气使得能够将其引导到飞行器机舱中。在每个空调单元22、24的下游连接有控制阀27、28，利用控制阀27、28能够调节从空调单元22、24流出的气流流量。
通过空调单元22、24调节的引气经由管线30、31被引到混合室32，在管线30、31中布置有控制阀27、28。该混合室32形成所谓的再循环空气回路的一部分，再循环空气回路用于从压力舱吸取容纳在飞行器的压力舱中的部分空气——称为再循环空气、对所述部分进行调节、然后使所述部分返回到压力舱。这种方法节省引气，因为无需用外部空气(为在供应到压力舱之前由空调单元22、24适当调节的引气)不断地对压力舱的整个容积进行换气，而是仅对其一部分进行换气。
管线33、34、35以及36、37、38从混合室32引到飞行器压力舱的不同通风区域。借助于各个再循环风扇44、46从位于40和42处的压力舱吸取机舱空气并使其穿过沿流动方向位于各个再循环风扇44、46上游的空调过滤器48、50，然后将其引导到混合室32中。在混合室32中可以混入期望比例的新鲜外部空气，之后使获得的混合空气经由管线33至38供回到飞行器的压力舱中。
在示出的实施方式中，全部再循环空气回路包括：左手侧的再循环空气回路，其由供应管线33、34、35、空调过滤器48、再循环风扇44和混合室32形成；以及右手侧的再循环空气回路，其由供应管线36、37、38、空调过滤器50、再循环风扇46和混合室32形成。
为了改善飞行器压力舱中的空气质量，在右手侧的再循环空气回路中设有氮气发生器52，来自右手侧的再循环空气回路的循环空气经由管线54供应到氮气发生器52。为了调节转移到再循环风扇46下游的氮气发生器52的空气量，在管线54中配备有控制阀56。氮气发生器52从对其供应的再循环空气产生氮气和含氧排气。为此目的可以使用例如分子筛或者诸如中空纤维组件形式的合适的膜。为了总体上或选择性地增加供应到压力舱的空气的氧气分压，与供应到氮气发生器52的再循环空气相比而言富含氧气的含氧排气从氮气发生器52经由管线58排出并供应到多路阀60，所述含氧排气能够从多路阀60经由管线62、64供应到混合室32和/或经由管线(在此仅作为示例示出通向管线38的管线66)直接供给到特定的通风区域。由氮气发生器52产生的氮气经由管线68流出，并且既能够经飞行器的外部未经使用而排出也能够在飞行器中使用以使特殊空间(起落架舱、油箱)惰性化和/或用于冷却例如航空电子部件。
图2示出的第二实施方式与上述第一实施方式的不同之处在于，来自氮气发生器52的含氧排气借助于管线69供回到再循环风扇46的吸入侧。这样，由再循环风扇46产生的全部压差能够作为原动力来驱动氮气发生器52。因此，在第一实施方式中所需作为氮气发生器52的部件的压缩机(未示出)能够被省略或明显被设计得更小，因而节省了能量、减轻了重量以及节省了费用。尽管在第二实施方式中示出，在含氧排气穿过再循环风扇46之后，仅将这些含氧排气供应到混合室32(或者为了进一步分离氮气而供回到氮气发生器52)，但是显而易见，根据在此未示出的另一替代方式，含氧排气在穿过再循环风扇46之后可以如第一实施方式中那样直接供应到管线33至38中的一个或多个，从而选择性地提高在飞行器机舱的特定通风区域中的氧气分压。
图3示出的第三实施方式基本与上述第二实施方式相似，但是在管线68的端部另外还包括文丘里阀70，文丘里阀70将由氮气发生器52产生的氮气排到飞行器的周围大气中。这样，除了由再循环风扇46产生的压差之外，另外还能够利用存在于压力舱和飞行器外部之间的压差来作为作用在氮气发生器52中的驱动压力梯度。根据替代方式(在此未示出)，不将氮气发生器52的含氧排气供回到再循环风扇46的吸入侧而是以在第一实施方式中示出的方式使其离开氮气发生器52。在这种替代方式中，作用在氮气发生器中的驱动压力梯度只是由存在于压力舱和飞行器外部之间的压差来提供，当压力舱和飞行器外表之间的压差较小或不存在时，可选择由在低飞行高度或在地面上使用的小型压缩机来补充驱动压力梯度。
文丘里阀70将通过氮气发生器52的流量限制在预定值，该预定值取决于文丘里阀70中的最狭窄的横截面。因为由于物理原因，在文丘里阀中不能出现超声速，所以超出经由文丘里阀提供的给定压差值后，压差进一步增加不会导致通过文丘里阀的质量流量的增加。
在所示和所述的所有实施方式中，优选地仅仅例如从大约2％到大约5％的相对较小部分的再循环空气穿过氮气发生器52，而该值极大地取决于预期增加的氧气分压。
由氮气发生器52产生的氮气优选地不是简单地排放到环境大气中而是被导入到例如飞行器的起落架舱和/或油箱中用于使它们惰性化。可替代地和/或另外地，产生的氮气可以作为制冷剂用于制冷的目的，尽管为此目的必需重新给所述氮气加压，但是可以通过小型压缩机(未示出)来实现这一目的。
Claims (10)
1.一种用于改善飞行器压力舱中的空气质量的***，在所述***中，称为再循环空气的部分机舱空气从所述压力舱被回收到再循环空气回路中、经过调节然后再次循环到所述压力舱中，其中
-再循环空气量全部或部分地穿过氮气发生器(52)，所述氮气发生器(52)从所供应的再循环空气中产生氮气和含氧排气；
-所述氮气发生器(52)的含氧排气与未经所述氮气发生器(52)处理的再循环空气的所有剩余量一起再次循环到所述压力舱中，
-仅再循环空气被供应到所述氮气发生器(52)，并且其中
-所述氮气发生器(52)利用在飞行中存在于所述压力舱和所述飞行器外部之间的压力梯度来产生氮气，
其特征在于，
-所述氮气发生器(52)的含氧排气供回到氮气发生器(52)上游的再循环空气回路。
2.如权利要求1所述的***，
其特征在于，位于所述氮气发生器(52)的氮气出口侧上并通向环境大气的文丘里阀(70)限制通过所述氮气发生器的最大流量。
3.如权利要求1或2所述的***，
其特征在于，所述再循环空气回路包括再循环风扇(46)，并且所述氮气发生器(52)利用由所述再循环风扇(46)产生的压力梯度来产生氮气。
4.如权利要求3所述的***，
其特征在于，所述氮气发生器(52)的含氧排气被引导到所述再循环风扇(46)的吸入侧并且在穿过所述再循环风扇(46)之后再次循环到所述压力舱中。
5.如前述权利要求中任一项所述的***，
其特征在于，所述再循环空气回路包括空调过滤器(50)，并且从所述空调过滤器(50)的下游抽取将要供应到所述氮气发生器(52)的再循环空气量。
6.如前述权利要求中任一项所述的***，
其特征在于，所述再循环空气回路包括混合室(32)，再循环空气量在重新进入所述压力舱之前穿过所述混合室(32)，并且在所述混合室(32)中混入外部空气。
7.如前述权利要求中任一项所述的***，
其特征在于，将产生的氮气引导至所述飞行器的起落架舱中。
8.如权利要求1至6的任一项所述的***，
其特征在于，将产生的氮气引导至所述飞行器的油箱中。
9.如权利要求1至6的任一项所述的***，
其特征在于，产生的氮气作为制冷剂用于冷却飞行器部件。
10.如权利要求9所述的***，
其特征在于，所述飞行器部件为航空电子部件。
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