CN103562067A - 用于飞机客舱的空调*** - Google Patents
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Abstract
一种飞机客舱(1)的空调***，***包括供气管路和辅助动力装置(4)，供气管路将至少一个外部进气口(E)连接到至少一个通向客舱(1)的空气分配输出口(S)，辅助动力装置(4)安装在所述供气管路上，并布置成可对供气管路内的气流进行压缩；供气管路包括加热第一支路(B1)、冷却第二支路(B2)以及开关装置(81-86)；加热第一支路(B1)将辅助动力装置(4)连接到空气分配输出口(S)且安装有加热装置(6)，冷却第二支路(B2)将辅助动力装置(4)连接到空气分配输出口(S)，开关装置(81-86)用来在加热第一支路(B1)和冷却第二支路(B2)之间分配气流。
Description
技术领域
本发明涉及航空领域，特别涉及一种用于飞机客舱的空调***。
背景技术
为了确保飞机上乘客的舒适，人们已知，必须通过让新鲜空气在客舱内循环流动来对客舱（也称作客室）进行通风。通风用新鲜空气来自机外，通过供气管路送到客舱。对通风气流的温度进行调节，以便能够使得客舱温度保持在确保乘客舒适的范围内。为此，如果大多数时间都必须对通风气流进行冷却时，以便抵消客舱内乘客和设备（灯光等）所产生的热量，事实是在某些情况下，通风气流必须加热，尤其是在寒冷天气条件下，特别是在客舱加热的初始阶段。
客舱通风意味着能量的消耗，在飞机飞行过程中和当飞机停泊在机场及其发动机停车情况下，能量的消耗应该尽可能地降低。为了在飞机停泊时对飞机客舱进行通风，必须使用安装在飞机上的辅助动力装置(APU)向飞机提供动力，从而使得客舱得以通风。
例如，参照图1，该图示出了根据现有技术的空调***和客舱1，由供气管路向机上乘客所处的客舱1提供气体，所述供气管路设有：
-提供增压气流FAPU的辅助动力装置4；
-接收增压气流FAPU并调节其温度的空调组件2，所述空调组件2优选带有可冷却增压气流FAPU的冷却装置；
-接收来自空调组件2的温度调节气流和来自客舱1的再循环气流的空气混合器3，以便形成混合的气流FM，提供给客舱1，以及；
-热空气喷射阀9，其精确调整喷入客舱1各个区域内的热能，以便局部控制舱室温度，气流在对客舱循环之后自客舱1排出。
通常，辅助动力装置4不论工作方式如何（客舱1加热还是冷却），都会提供相同的气流FAPU。这就存在一个缺陷，假设为了有效地提供冷气流，空调组件2理想上需要高压气流，但为了提供热气流，空调组件2则要求压力适中的气流。
实际上，在所有情况下，辅助动力装置4只提供高压气流FAPU给空调组件2。为此，当必须对客舱1加热时，高压气流FAPU就会在空调组件2内膨胀，从而能以客舱压力被喷入客舱内。换句话说，与所要求的最低值相比，辅助动力装置4所压缩的相当一部分空气已经以过度压缩率进行了压缩，为的是能够作为热源来使用。压缩率越高，燃油消耗越高。该过度压缩率表示能量的额外消耗，而这正是本发明所试图解决的问题。
发明内容
本发明旨在优化使用辅助动力装置4所提供的压缩气流的用途，同时，限制与所述气流加热相关的能量成本。
为了解决至少部分所述缺陷，本发明涉及飞机客舱空调***，所述***包括：
-供气管路，将至少一个外部进气口连接到能够通向客舱的至少一个空气分配输出口；
-辅助动力装置，安装在所述供气管路上并布置成可对供气管路内的气流进行压缩；
供气管路包括：
-加热第一支路，将辅助动力装置连接到空气分配输出口上，气流加热装置就安装在该加热第一支路上；
-冷却第二支路，将辅助动力装置连接到空气分配输出口上，以及
-开关装置，用来在加热第一支路和冷却第二支路之间进行气流分配。
有利的是，开关装置可以按照两种不同工作方式来使用辅助动力装置所压缩的气流，这两种方式是最佳的加热方式或最佳的冷却方式。此外，加热装置可方便地为气流提供热量，并因此而避免辅助动力装置的过度能量消耗。
有利的是，热量的作用有助于降低辅助动力装置的压缩率，并因此而降低其燃油消耗。
优选地，冷却第二支路包括用于冷却供气管路的气流的装置。所述冷却装置可方便地对气流进行冷却，并从而增加***的冷却能力，例如，可限制飞机的阻力，改善关键区域的冷却，限制辅助动力装置的尺寸和重量等。
冷却装置优选采用热交换器形式，布置成可通过冷却气流循环对冷却管路气流进行冷却。冷却气流优选为来自飞机外部的气流。这样，辅助动力装置所压缩的气流就可在外部得到冷却，无需使用飞机本身的能量。
根据本发明的一个方面，开关装置布置成可在加热期间对辅助动力装置的工作点进行修正。有利的是，开关装置可在加热期间启动，以便限制辅助动力装置的功率，从而限制其燃油消耗。压缩的任何缺少都会引起增压气流温度的降低，而这可通过加热装置提供的热能而得到补偿。换句话说，动力装置可根据目标（加热或冷却）来确定最佳使用时机。
冷却装置优选采用热交换器形式，布置成通过来自辅助动力装置废气加热气流循环来向供气管路气流提供热量。有利地，便用辅助动力装置所提供的热量从而对所压缩的气流进行加热。
根据本发明的一个方面，冷却第二支路包括用于冷却供气管路的气流的装置，加热第一支路连接到冷却装置上游的冷却第二支路上，这样，就可使经过加热的气流在冷却装置内循环。这种供气管路的结构形式空间需求低，可方便安装到目前的飞机上。
优选地，开关装置布置成在经过加热的气流在冷却装置内循环时停止冷却装置。
根据本发明的另一个方面，向空气分配输出口供气的带有混合器的供气管路，连接辅助动力装置至混合器的加热第一支路，和连接辅助动力装置至混合器的冷却第二支路，都是分开的。这样，通过独立管理加热和冷却支路的气流，可方便地对客舱进行通风。
优选地，由于辅助动力装置包括低压排气口和高压排气口，加热第一支路可连接到低压排气口，冷却第二支路可连接到高压排气口。
这样，有利的是，低压支路可设置用来加热，而高压支路可设置用来冷却。根据需要，可准确确定最佳通风参数。
更优选地，供气管路包括与加热第一支路并行安装的分流支路，可向混合器提供低压气流，该气流不经加热装置加热。这样，来自辅助动力装置的气流就可很方便地通过加热装置来分流，以便提供给混合器未经加热的气流，于是，混合器接收到的气流的温度可以精确控制。
附图说明
阅读仅以示例并参照附图给出的如下说明，可更好地理解本发明，附图如下：
-图1为现有技术空调***的示意图；
-图2为本发明空调***在客舱加热期间第一个实施例的示意图；
-图3为在客舱加热期间图2所示第一个实施例的示意图；以及
-图4为本发明空调***第二个实施例的示意图。
具体实施方式
应该注意的是，附图详细介绍本发明，旨在实施本发明，当然，所述附图也在合适之处对本发明给予更确切的定义。
例如，参照附图2至4，这些附图示出了本发明空调***的两个实施例，该空调***布置成可对飞机客舱1进行通风调节，具体是飞机上乘客所处舱室1。
通过示例，如图2所示，根据本发明的空调***包括供气管路、空调组件2和混合器3；供气管路包括提供增压气流的辅助动力装置4，空调组件2通过调节气流温度来接收增压气流，混合器3接收来自空调组件2的气流以及来自客舱1的再循环气流以形成提供给客舱1的混合气流FM。为此，供气管路包括通往客舱1的空气分配输出口S。输出口气流G在客舱1循环后再排出。
根据本发明，每个供气管路包括加热第一支路B1、冷却第二支路B2和开关装置81-86；加热第一支路B1将辅助动力装置4连接到混合器3上，该支路内装有加热装置6；冷却第二支路B2将辅助动力装置4连接到混合器3上，该支路内装有冷却装置7；开关装置81-86用来在加热第一支路B1和冷却第二支路B2之间分配气流。
当供气管路对客舱1进行加热或是冷却时，开关装置81-86可以改变供气管路的运行。对供气管路的这种改变可调整辅助动力装置4的工作点，从而限制辅助动力装置的燃油消耗。根据本发明，空调***消耗的能量小于现有技术，加热装置6和冷却装置7提供的冷气或热量与空调组件2是分开的。
在下面所述的两个实施例中，辅助动力装置4（更知名的叫法是APU）包括负荷压缩机，可将来自供气管路进气口E区域的飞机外部的气流进行压缩。加热装置6采用热交换器6形式，布置成通过来自辅助动力装置4排出气体的加热气流FECH循环，向加热第一支路B1的气流提供热量，如图2至图4所示。加热装置6优选直接安装在辅助动力装置4的排气区域内，从而在辅助动力装置4使用过程中可获取其所产生的热量。同样，在两个实施例中，冷却装置7也采用热交换器7形式，布置成通过来自飞机外部的冷却气流FREF循环可对冷却第二支路B2的气流进行冷却，如图2至4所示。当然，加热装置6或冷却装置7都可采用多种形式，理想的是加热装置和冷却装置6、7能够提供通过能量回收而不增加消耗所获得的热量和冷气。
1.第一实施例
根据本发明第一个实施例，参照图2和图3，辅助动力装置4接收来自进气口E区域飞机外部的气流FEXT，并将其压缩，从而形成提供给供气管路的压缩的气流FAPU。
供气管路包括开关装置，在该示例中，开关装置采用第一阀门形式81和第二阀门82的形式，第一阀门形式81布置成可接收经压缩的气流并在加热第一支路B1和冷却第二支路B2之间分配所述压缩气流，第二阀门82布置成可调节冷却气流FREF流量，向在冷却第二支路B2冷却装置7内循环的压缩气流FAPU提供冷气。这样，第二阀门82就可调节冷却装置7的冷却程度。
为了限制所需空间和空调***的复杂性，加热第一支路B1连接到冷却装置7上游的冷却第二支路B2上，这样，可使经加热的气流在冷却装置7内循环。供气管路的这种结构形式对空间要求低，而且更容易集成到当前的飞机上。术语“上游”和“下游”是相对于气流在供气管路中从上游到下游循环而定义的。
在该第一实施例中，空调组件2包括并行的两个支路（图中未示），其中一个包括冷却装置，而另一个没有这个装置，分配阀布置成可对进入到两个支路之间的空调组件2的气流进行分配。在加热期间，控制空调组件的分配阀以便将气流引向没有冷却装置的分支上，这样，就可将供气管路内的压力大体上降低到客舱1的压力。然后，辅助动力装置4修改其工作点，从而以较低压力工作，消耗较少的燃油。空调组件2的分配阀属于空调***的开关装置，可很方便地对压缩机的工作点进行修正。
参照图2，开关装置81,82可方便控制，这样，当第一阀门81打开以便将气流全部或部分地引向加热第一支路B1时，而第二阀门82则是关闭的，从而防止来自机身外部的冷却气流FREF在冷却装置7内循环。空调***的任何部件，特别是空调组件2，可以发送控制指令。于是，当加热控制指令发送到空调***时，压缩的气流FAPU会相继地在加热第一支路B1的加热装置6和冷却第二支路B2的冷却装置7内循环，但假若第二阀门82关断冷却气流FREF时，压缩的气流FAPU则得不到冷却（在图2中，压缩气流FAPU用循环虚线表示）。为此，空调组件2收到排出气流FS1，该气流被加热到预期的温度，而其压力会更低，因为空调组件2所确定的热量需求更大。
从能量角度来讲，这是有利的，因为飞机能源得到保留。实际上，提供给排出气流FS1的热量在辅助动力装置4排气端得到回收。
参照图3，以相同的方式，开关装置81,82可方便控制，这样，当第一阀门81全部或部分地朝向冷却第二支路B2打开时，而第二阀门82则是打开的，从而可使来自机身外部的冷却气流FREF在冷却装置7内循环。于是，当冷却控制指令发送到空调***时，压缩的气流FAPU会优选被引向第二支路B2的冷却装置7，以便由冷却气流FREF给予冷却（在图3中，压缩气流FAPU的循环由虚线表示）。这样，空调组件2收到排出气流FS2，该气流基本上进行了预冷却。当通风气流在客舱1内分布时，该气流因此一方面通过冷却装置7进行冷却，另一方面通过空调组件2进行冷却。总之，冷却装置7有助于增加空调***的总的冷却功率。
根据各种不同的选择或结合方式，可以开发出其它冷却功能：
-降低辅助动力装置4负荷压缩机的压缩功（因此而在满足ISO冷却性能情况下，缩小了辅助动力装置4的尺寸、重量、庞大体积，或消耗）；
-减少空调组件2作为冷源使用的外部冷气流，从而减少了飞机飞行时所产生的阻力；
-在一些特定临界使用情况下，增加***的冷却性能。
在这个示例中，辅助动力装置4的负荷压缩机为可调离心压缩机，具有变速功能，能够根据辅助动力装置4下游固定的流量/压力条件变化以适应其工作点。当然，压缩机也可采用各种不同形式。
按类似于现有技术方式，供气管路包括喷气阀9，可精确调整喷入客舱1各个区域内的热能，以便局部控制舱室温度。在这个实施例中，喷气阀9安装在喷气支路上，该支路从空调组件2上游开始，通向空气分配输出口S区域内的客舱1，如图2和图3所示。
根据第一实施例的空调***的特点是结构紧凑，重量轻。在现有飞机上的集成该空调***容易实现。加热支路B1和冷却支路B2，以及开关装置，都优选采用独立的热调节模块形式组装，这些模块可在向空调组件2供气之前连接到辅助动力装置4上。
2.第二个实施例
根据本发明第二个实施例，参照图4，辅助动力装置4接收来自飞机外部的气流FEXT，并对其进行压缩，以形成压缩气流，提供给空调***。在第二个实施例中，辅助动力装置4可同时在两个独立的管路上（而不是选择在一个管路上）提供低压压缩热气流FAPU-BP，和以高压压缩的“冷”（或更确切地说“预冷却”）气流FAPU-HP。在这个示例中，辅助动力装置4采用具有低压级41和高压级42的压缩机形式，分别提供热低压压缩气流FAPU-BP和“冷”高压气流FAPU-HP。在该第二个实施例中，空调组件2仅包括一个带有冷却装置的支路。空调组件2通过减少低压气流FAPU-BP和高压气流FAPU-HP来调节喷入客舱1的气体温度。
供气管路包括采用第一低压阀83和第一高压阀85形式的开关装置，第一低压阀83布置成可接收低压压缩气流FAPU-BP和调节输送到混合器3的热气流量，第一高压阀85布置成可接收高压压缩气流FAPU-HP并调节输送到混合器3的冷空气流量。
如图4所示，在压缩机低压级41和第一低压阀83之间，供气管路包括的两个并行的供气支路：设有加热装置6的加热支路B1，和无这种加热装置6的分流支路B3。开关装置还包括第二低压阀84，从而在两个支路B1，B3之间分配来自辅动力装置4压缩机的低压压缩气流FAPU-BP，并控制或限制交换器3所接收到的低压压缩气流FAPU-BP的温度。
按照类似于第一个实施例的方式，开关装置还包括第二高压阀86（类似于第一个实施例的第二阀82），布置成限制来自飞机外部冷却气流的流量FREF，该气流供给第二冷却支路B2的冷却装置7。
开关装置的高压阀85和第一低压阀83可以使得空调***分别调节混合器3收到的低压热气流FAPU-BP和“冷”高压气流FAPU-HP的流量，从而以最佳方式对客舱1进行通风，而且这样也限制能量消耗。
开关装置的第二低压阀84和高压阀86分别调节混合器3收到的低压气流FAPU-BP和高压气流FAPU-HP流量的热量/冷气。有利的是，在辅助动力装置4排气口处很方便地回收热量。通风空气温度在客舱1内得到良好控制。
按照类似于第一个实施例的方式，开关装置83-86可方便控制的，这样，可调整辅助动力装置4压缩机的工作点，以便限制加热或冷却期间的消耗。
辅助动力装置4压缩机可以包括一根或多根轴。低压级的尺寸优选能够在飞机飞行期间提供向客舱1供给足够压力。
按照类似于现有技术的方式，供气管路包括喷气阀9，喷气阀9能够精确调整喷入客舱1各个区域内的热能，以便局部控制客舱温度。参照图4，喷射阀9安装在喷入支路上，这些支路始于加热支路B1和分流支路B3区域内，并在客舱1空气分配输出口S区域内通向客舱1。
按照第二个实施例的另一种方式，空调***包括两个辅助动力装置，为的是确保冗余，每个辅助动力装置能够向两个热和“冷”供气管路供气。
前面介绍了可提供热气流和冷气流的空调***，但是，当然，所述空调***也能够减缓所述热和冷气流。
此外，所介绍的冷却装置7布置成通过来自飞机外部冷气流FREF循环来对冷却第二支路B2气流进行冷却。当然，任何其它气流也可提供冷却。优选地，来自客舱G的输出气流可在冷却装置7内用来对冷却第二支路B2的气流进行冷却。
根据本发明的一个方面，来自客舱G的输出气流喷入回收涡轮(图中未示)，从而以其它某种方式（电动，气动等）产生机械能。优选地，在冷却装置7内，来自客舱G的输出气流循环后进行气流喷射。这样，来自客舱G的输出气流就会加热，并在其喷射期间具有较高的能量，这是有利的。
Claims (10)
1.用于飞机客舱(1)的空调***，该***包括：
-供气管路，其将至少一个外部进气口(E)连接到至少一个能够通向客舱(1)的空气分配输出口(S)，
-辅助动力装置(4)，其安装在所述供气管路上，并布置成可对供气管路内的气流进行压缩，
其特征在于，所述供气管路包括：
-加热第一支路(B1)，其将辅助动力装置(4)连接到空气分配输出口(S)，并安装有气流加热装置(6)，
-冷却第二支路(B2)，其将辅助动力装置(4)连接到空气分配输出口(S)，以及
-开关装置(81-86)，用来在加热第一支路(B1)和冷却第二支路(B2)之间分配气流。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，冷却第二支路(B2)包括对供气管路气流进行冷却的装置(7)。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，冷却装置(7)为热交换器形式，布置成通过冷却气流(FREF)循环对供气管路气流进行冷却。
4.根据权利要求1至3任一项所述的***，其特征在于，开关装置(81-86)布置成在加热期间对辅助动力装置(4)的工作点进行修正。
5.根据权利要求1至4任一项所述的***，其特征在于，加热装置(6)采用热交换器形式，布置成通过加热气流(FECH)循环来向供气管路气流提供热量，所述加热气流(FECH)来自辅助动力装置(4)排出的废气。
6.根据权利要求1至5任一项所述的***，其特征在于，由于冷却第二支路(B2)包括供气管路气流的冷却装置(7)，加热第一支路(B1)通过冷却装置(7)上游连接到冷却第二支路(B2)上，从而使得经过加热的气流可在冷却装置(7)内循环。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，开关装置(81-86)布置成当加热气流在冷却装置(6)内循环时停止冷却装置(7)。
8.根据权利要求1至7任一项所述的***，其特征在于，包括的混合器(3)的供气管路、将辅助动力装置(4)连接到混合器(3)上的加热第一支路(B1)、和将辅助动力装置(4)连接至混合器(3)上的冷却第二支路(B2)是分立的，所述混合器(3)提供空气分配输出口(S)。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，由于辅助动力装置(4)包括低压出气口(FAPU-BP)和高压出气口(FAPU-HP)，加热第一支路(B1)连接到低压出气口(FAPU-BP)和冷却第二支路(B2)连接到高压出气口(FAPU-HP).。
10.根据权利要求8至9任一项所述的***，其特征在于，供气管路包括与加热第一支路(B1)并行安装的分流支路(B3)，从而能够向混合器(3)提供未经加热装置(6)加热的低压气流(FAPU-BP)。
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