CN102470925B - 用于燃料电池应急动力***的冷却设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于冷却交通工具中的发热设备(20)的***，该交通工具(20)具有机身(2)、客舱(6)以及位于客舱(6)的外部并与客舱(6)气体连通的区域(8)，该***包括用于将发热设备(20)的热传递至空气的至少一个热交换器(10)以及用于将空气输送通过热交换器(10)的至少一个空气输送设备(12)。该空气输送设备(12)设计成将空气从客舱(6)输送至热交换器(10)，其中，热交换器设计成使得流入的空气受到发热设备(20)的热并且将其分散至位于客舱(6)的外部的区域(8)中，并且由此导致受热的空气与存在于外部区域中的空气混合以及从外部区域(8)经由其气体连接部至客舱(6)中的回流。由此在不需要直接的空气交换的情况下，能够进行向交通工具、特别是飞行器的周围环境的有效散热。

Description

用于燃料电池应急动力***的冷却设计
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年7月6日提交的美国临时专利申请No.61/223,153和2009年7月6日提交的德国专利申请No.102009031880.1的优先权，上述申请的公开以引入的方式纳入本文。
技术领域
本发明涉及用于冷却交通工具中的设备的***和方法、这种***在飞行器中的应用以及包括至少一个这种***的飞行器。
背景技术
在所有类型的现代交通工具中，用于多种不同目的的设备经常集成在一起，这些设备产生热并且相应地需要进行冷却。通过吹动空气使其经过散热器并进入交通工具的周围环境中，通常能够以非常传统且容易的方式实现该任务。在特定的应用中，例如，关于飞行器中待冷却的设备，这种与环境空气的交换并非始终可行。可以想象如下情况：飞行器飞过具有涡旋的或漂浮的火山灰的区域，这样将很可能导致发动机的故障，并且因此用于提供舱室压力的取决于发动机的常见***会停止运行。在巡航高度飞行的情况下面对该情况――其也被称为TEFO(“发动机熄火”)――的通常的措施包括相对于周围环境关闭飞行器的舱室，以便防止舱室压力的任何降低。在该过程中，用于调节压力的排气阀完全关闭。中断了从舱室至外部的调节空气流动因此相应地将致使与用于执行冷却任务的环境空气的连通变得不再可能。
仍以飞行器的为例，为了冷却的目的也可以将热交换器布置在飞行器的外部并且使环境空气流经所述热交换器。然而，当飞行器飞过包括火山灰的区域时，散热器将变得完全阻塞并且因此基本上无法操作。
作为通过外部空气冷却的可替代方式，可以通过交通工具的舱室内的现有空气冷却产生热的设备，然而，这样在设备是相对较强力地放热的设备的情况下将导致客舱中的温度显著增加。由于在发动机故障的情况下飞行器的舱室中缺少空气交换，还由于关于飞行器的外蒙皮的良好的隔离性，因此舱室内的温度将逐渐地变得使人不舒服或不能忍受。
例如，燃料电池可以被认为是强力放热的设备，在飞行器发动机故障的示例性情况下可以使用燃料电池向飞行器内的主要的***供应电力，从而能够确保紧急着陆。这种情况意味着仅在与环境空气连通的冷却设备完全失效的情况下，强力放热的设备将被起动。
发明内容
因此应当认为，本发明的目的是提出用于冷却交通工具中的设备的***，该***不具有上述缺点。具体地，所提出的***将能够提供适当的冷却，其不与客舱内的温度的显著增加相关联并且同时也不需要与周围环境的任何空气交换。
该目的由根据本发明所述的***来实现。在下文中公开了有利的改进。
在本发明的上下文中的重要的一个方面包括用于冷却交通工具中的设备的热交换器以如下方式布置，即：通过空气输送设备，来自交通工具的客舱的空气能够流经所述热交换器，该空气经由空气入口到达热交换器，并且能够经由空气出口流出并进入交通工具的区域中，该区域布置在客舱的外部。在飞行器的情况下，例如，该区域可以是所谓的“地板下区域”。通过热交换器加热的空气散布在该区域中并且它的热均匀地分散至存在于该区域中的气团，该气团进而通过交通工具的外蒙皮将热分散至交通工具的周围环境。
通常在交通工具中，客舱与位于客舱外部的区域中的情况相比具有更好的隔热。相应地，在位于交通工具的客舱外部的区域中的热与客舱的情况相比能够更容易地分散至周围环境。
在上下文中，大体上应当注意，位于客舱外部的区域仍然位于交通工具本体或机身内。
由于将空气从客舱移除并引导至位于客舱的外部的区域，因此压力差导致引导空气流到客舱中。仍以飞行器为例，相应地导致来自地板下区域的空气流通过护壁板中的流通开口到达位于地板下区域上方的客舱。由于地板下区域中的加热的空气已经与存在于该区域中的空气混合并且由于始终发生一定程度的向周围环境的散热，因此流到客舱中的空气已经被预冷却。剩余的热通过混合而分散至客舱中的空气。应当指出，尽管客舱的隔热性较好，但是如果存在与周围环境的温度梯度，则就能够注意到从客舱至交通工具的周围环境的一定程度的热传递。因此可以预期，尽管待冷却的设备的热量输入，但是导致的客舱内的空气温度的增加相对较小。
为了将来自舱室的空气引导经过热交换器，使用能够主动地将来自客舱的空气输送通过热交换器的输送设备。例如，其可以是鼓风机或通风机。
在根据本发明的***的特别有利的改进中，热交换器位于舱室地板下面的区域中，从而使得输送空气需经过的距离尽可能地短。
可替代地，还可以将热交换器直接布置在舱室地板内，从而使得直接布置在热交换器的背离客舱的一侧上的空气输送设备致使空气直接流经热交换器。为此，可以在舱室地板的顶部区域中在热交换器的顶部处设置相应的可透气的覆盖件，例如，该覆盖件设计成穿孔板等。热交换器在舱室地板内的集成因此应当在通行尽可能少的区域中进行。
在根据本发明的***的另外有利的实施方式中，空气输送设备能够设计成传统的循环鼓风机，在根据本发明的***在客机中的应用中循环鼓风机至少存在于上述位置。相应地，将热交换器布置成紧邻循环鼓风机是有利的，这样使得根据本发明的***重量轻并且总体上简化。
本发明的目的还通过根据另外的用于冷却交通工具中的设备的方法来实现。根据本发明的该方法的核心特征包括将来自飞行器的客舱的空气经过热交换器输送至布置在客舱的外部的区域，并且因此迫使来自布置在客舱外部的区域的部分加热的空气流返回至客舱中。
此外，该目的还通过根据本发明的***在飞行器中的应用以及通过飞行器中的应急动力供应***来实现。
最后，上述目的还通过根据另外的飞行器来实现。该飞行器包括至少一个喷气式发动机、至少一个需要电能的电动设备以及至少一个排放阀，其中，在发动机故障的情况下关闭排放阀，并且使用燃料电池用于产生电能，其中，燃料电池包括热交换器，通过空气输送设备使来自客舱的空气流经热交换器，在地板下区域中该空气与已存在的空气混合，它的热至少部分地通过飞行器的外蒙皮分散，并且流到客舱中以带来压力平衡。
附图说明
在示例性实施方式以及附图的下面的说明中公开了本发明的另外的特征、优点和应用选择。所有描述的和/或图示的特征本身以及以任何组合形成本发明的主题，甚至无关于它们在单独的权利要求中的组成或它们的相互关系。此外，附图中同样的或类似的物体具有相同的附图标记。
图1示出了根据本发明的***的示例性实施方式的简图。
图2示出了根据本发明的***的另外的示例性实施方式的简图。
图3示出了应用根据本发明的***和根据本发明的方法的飞行器的舱室的横截面。
图4示出了包括根据本发明的至少一个***的飞行器。
具体实施方式
图1和图2示出交通工具本体或机身2的一部分，在交通工具本体或机身2中，地板4布置成将客舱6与地板下区域8分隔开。在舱室地板4的区域中，热交换器10布置在舱室地板4的面向地板下区域8的下侧上，设置用于将空气从舱室6经过热交换器10输送至地板下区域8中的空气输送设备12。
至少在飞行器中，地板下区域8沿机身2的大部分的长度延伸并且主要通过主隔离部14与外部隔离。这意味着，流自热交换器10的空气与地板下区域8中的已经存在的空气混合，因此，存在于地板下区域8中的空气稍微被加热。然而，在周围环境和地板下区域8之间存在温度差的情况下，该热的一部分通过主隔离部14分散至交通工具本体或机身2的外界环境。
图1示出了如下构造，在该构造中，通过循环鼓风机等进行循环，在该构造中，通过传统的空气出口引导流到客舱6中的空气。
与其形成对比，图2示出了示例性实施方式，在该示例性实施方式中，循环基本上停用并且由于空气从客舱6流出，因此客舱6内出现轻微负压力或者在地板下区域8中出现一定的正压力，从而导致了从地板下区域8至客舱6的空气流。这可以通过在交通工具本体或机身中沿其纵向轴线布置的多个护壁板16进行，所述护壁板16除了用于在客舱6中的镶衬地板与壁的过渡部的应用，还被用于防止客舱6与地板下区域8之间的任何突然出现的高压力差，因为所述护壁板16能够使始终存在的流动截面突然增加。在飞行器的空气调节单元的常规操作过程中，在地板下区域8与客舱6之间的气体连接部确保了从客舱6至地板下区域8的空气流，然而，在应用根据本发明的***的情况下，以相反的方式利用该连接部。
由于来自热交换器10的加热的排出空气与存在于地板下区域8中的空气混合，因此流到客舱6中的空气显著地冷于来自热交换器10的排出空气本身。进入的空气与已经存在于客舱6中的空气混合，并且相应地仅稍微地加热上述已经存在于客舱6中的空气。尽管隔热部包括主隔离部4以及通常的第二隔离部18，该隔热部在与地板下区域8的隔热部相比时相对坚实，但是如果交通工具的周围环境与客舱6之间存在温度差，则一些热也会通过交通工具本体或机身2朝向外部传导，因此有助于从客舱6连续散热。随后，为了冷却将来自客舱6的空气引导经过热交换器10。
根据该设计，通过将存在于整个飞行器机身中的空气用作热转移区，在无需与周围环境进行直接的空气交换的情况下，能够将由设备局部产生的热有效地移除至周围环境。如在引言中已经描述，燃料电池20可以被认为是待冷却的设备的特定示例，该燃料电池20可以布置在飞行器机身2内的任何期望的位置处。作为示例示出了燃料电池20，该燃料电池20位于紧邻舱室地板4并且相应地能够包括与热交换器10的直接连接部。
对于本领域的技术人员来说，显而易见，燃料电池20或一些其它放热设备也能够与热交换器10分隔开并且通过适当的连接部向热交换器散热。例如，可以将燃料电池布置在飞行器机身2的加压或空气调节的区域外部并且通过液体管道或空气管道将其连接于热交换器10。
图3另外阐明了根据本发明的***的操作原理。在地板下区域8中的混合能够在相对较大的体积中进行，在该体积中，还存在用于将热传递至飞行器机身2的周围环境的相对较大的壁表面22。这同样适用于客舱6。根据本发明，将交通工具机身2的最大可能的体积用作热转移区，以便将热有效地且均匀地分散至周围环境。这样可能导致许多护壁板16受到从地板下区域8至客舱6的相反空气回流。
最后，图4示出了包括多个部分区段和不可见的边缘(以虚线示出)的飞行器24，该飞行器24包括多个喷气式发动机26、至少一个需要电能的电动设备28以及至少一个排放阀30，其中，在发动机26故障的情况下该排放阀30关闭，并且燃料电池20用于产生电能，其中，该燃料电池20包括热交换器10，来自客舱6的空气通过空气输送设备12流经该热交换器10，该空气在地板下区域8中与已经存在的空气混合，它的热通过飞行器的外蒙皮22至少部分地分散，并且流到客舱6中以实现压力平衡。
应当指出，本发明并不限于其在飞行器中的应用。而是，本发明还可以应用在无法与交通工具的周围环境进行空气交换的这种交通工具中。
另外应当指出，“包括”并不排除其它元件或者步骤，并且“一个”或者“一种”不排除多个的情况。另外应当指出，参照上面的示例性实施方式中的一个描述的特征或者步骤也可以用于和上述其它的示例性实施方式中的其它特征或步骤进行结合。权利要求中的附图标记不应视作是对保护范围的限制。
附图标记
2交通工具本体或机身
4舱室地板
6客舱
8位于客舱外部的地板下区域
10热交换器
12空气输送设备
14主隔离部
16护壁板
18第二隔离部
20燃料电池
22壁区域
24飞行器
26发动机
28设备
30排放阀

Claims (5)

1.一种飞行器，其包括：
至少一个机身(2)，所述至少一个机身(2)具有至少一个客舱(6)和至少一个地板下区域(8)，所述客舱(6)具有舱室地板(4)，所述地板下区域(8)直接位于所述舱室地板(4)下面并通过所述舱室地板(4)与所述客舱(6)分隔开，
至少一个发热设备(20)，
至少一个热交换器(10)，所述至少一个热交换器(10)用于将所述发热设备(20)的热传递至空气，以及
至少一个空气输送设备(12)，所述至少一个空气输送设备(12)用于将空气输送至所述热交换器(10)，
其中，
所述客舱(6)和所述地板下区域(8)通过护壁板(16)中的流通开口气体连接，
所述空气输送设备(12)适于将来自所述客舱(6)的空气经由所述热交换器(10)输送到所述地板下区域(8)中，
所述热交换器(10)适于使从所述客舱(6)流入的空气受到所述发热设备(20)的热并且使其分散至所述地板下区域(8)，因此导致已受热的空气与存在于所述地板下区域(8)中的空气混合，并且导致从所述地板下区域(8)经由所述流通开口至所述客舱(6)的回流。
2.根据权利要求1所述的飞行器，
其中，所述热交换器(10)设置在所述舱室地板上。
3.根据权利要求1或2所述的飞行器，
其中，所述空气输送设备(12)是循环鼓风机。
4.根据权利要求1所述的飞行器，
其中，所述发热设备(20)是用于提供电能的燃料电池。
5.一种用于冷却飞行器中的发热设备(20)的方法，所述飞行器具有至少一个机身(2)，所述至少一个机身(2)具有至少一个客舱(6)和至少一个地板下区域(8)，所述客舱(6)具有舱室地板(4)，所述地板下区域(8)直接位于所述舱室地板(4)下面并通过所述舱室地板(4)与所述客舱(6)分隔开，所述方法包括如下步骤：
从所述发热设备(20)向热交换器(10)散热，
将来自所述飞行器的客舱(6)的空气经由所述热交换器(10)输送至所述地板下区域(8)，以及
同时由于在所述客舱(6)与所述地板下区域(8)之间的压力差导致从所述地板下区域(8)经由护壁板(16)中的流通开口返回至所述客舱(6)的空气流。
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