通过加热和蒸发冷却对飞机座舱区域单独进行温度控制的制作方法

专利名称：通过加热和蒸发冷却对飞机座舱区域单独进行温度控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过蒸发冷却和加热对飞机座舱的区域单独进行温度控制。
背景技术：
在飞机具有被划分为多个区域的座舱的情况下，通常期望能够将各个区域空气调 节为不同的温度。例如，经济舱可以具有不同于商务舱的温度。在头等舱套间中，温度可单 独设置。商务舱的温度通常是集中预设的。然而，乘客可单独设置他或她的座位的周围环 境温度，从而给该座位的周围环境供应比商务舱区域的其它部分冷或热的空气。通过对座 舱分区域单独进行的空气调节，可以考虑这些区域中不同的热载荷。图5示出用于对飞机的子区域进行空气调节的常规系统。中央空调单元102被供 应置于比座舱外部压力高的压力之下的空气流104。通常，该压力大致为700至SOOmbar，其 大致对应于2000m至3000m的海拔高度。向中央空调单元102供应的空气104可以是例如 从座舱再循环的空气136或者是发动机引气(bleed air)。中央空调单元102以预定温度 输送空气流106。空气流被分配给多条管线108、112、114和116，在这里空气流被供应给分 立的致热设备118、120、122和124。空气流128从座舱致热设备118供应给座舱126。空 气流130从第一致热设备120供应给第一座位138的周围环境。由第二致热设备122输送 的空气流132和由第三致热设备124输送的空气流134分别被供应给第二座位140和第三 座位142的周围环境。在座舱中提供温度传感器150，并且在座位138、140和142的周围环 境中分别布置温度传感器144、146和148。温度传感器150、144、146和148以及控制设备 (未示出)以给座舱126或座位138、140和142区域供应期望温度的空气的方式来控制所 分配的致热设备118、120、122和124。中央空调单元102必须提供温度与座舱126以及座位138、140和142区域中期望 的最低温度相对应的空气流106。如果在座位138、140和142区域之一中期望远低于座舱 126中期望的温度的温度，则座舱的致热设备118必须耗用大量的能量来使空气流108达到 期望的温度。如果致热设备118是电致热设备，则这需要耗用相对较大量的电能。在飞机 中，由于电能必须以相对较高的成本并且以相对较高的损耗从涡轮机的转动能来获得，因 此不期望有耗费大量电能的载荷。作为替代，致热设备118可以具有供应发动机引气的调 整阀(trim valve) 0然而，这需要相对较大的穿过座舱的引气管道。由于引气管道需要额 外的空间，并且增加了飞机的重量，因此这是不期望的。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种改进的对飞机座舱的区域单独进行空气调节的空调 系统。该目的通过用于飞机的空调系统来实现，所述空调系统用于对飞机座舱的区域单 独进行空气调节，该系统具有致冷设备，在该致冷设备中水蒸发到飞行时压力高于所述座 舱外部的气压的空气流中，以便冷却向所述座舱的区域供应的空气流。水蒸发到的空气流
5的温度可以高于座舱外部的温度。水可以蒸发到向区域供应的空气流中。水也可以蒸发到 不向飞机座舱的区域供应的空气流中。所述空调系统可以在任意高度和任意外部温度下使用。在典型飞机的巡航高度 下，大约-30°C到大约-50°C的外部温度占主导。现代飞机通常飞行在大约9000至大约 11000m的巡航高度。座舱的空气流的压力可以是大约700至大约800mbar，这对应于大约 2000m至3000m的海拔高度。然而，空气可以具有人在没有附加呼吸设备的情况下可以呼吸 的任意压力。由于基于蒸发致冷的致冷设备独立于座舱外部的环境温度，因此在这些巡航 高度下也可以使用基于蒸发致冷的致冷设备。在飞机中，空气相对较干燥。因此，空气可以吸收相对较大量的水，从而实现相对 较强的致冷。向座舱的区域供应的空气流可以由中央空调设备提供。供应给座舱的区域的空气 流还可以从该区域中排出，通过蒸发致冷在致冷设备中冷却，并接着再次供应给该座舱区 域。还可以提供致热设备，该致热设备在期望对空气流进行加热而不是冷却的情况下，加热 向座舱的区域供应的空气流。向座舱的区域供应的空气流可以通过风扇从该区域中排出， 并在进行温度控制之后再次供应给该区域。致冷设备可以针对致冷被设计为使得水蒸发到向座舱的区域供应的空气流中。该 实施例的优点在于，向座舱供应的空气流被增湿，这可以提高乘客的舒适度。该目的还通过用于飞机的空调系统来实现，所述空调系统对飞机座舱的区域单独 进行空气调节，该系统具有中央空调设备，中央空调设备提供飞行时具有高于座舱外部气 压的压力和实际温度Tgartual的空气流。所述空调系统包括被设计为给第一座舱区域供应所 述中央空气流的一部分的第一供应管线。所述空调系统的分支管线被设计为将所述中央空 气流的另一部分转向至少一个其它座舱区域。所述空调系统进一步包括以上所述的致冷设 备。所述致冷设备在所述至少一条分支管线中的空气流的实际温度Tgartual高于向相应的其 它区域供应的空气流的期望温度Tzldesired、Tz2desired, Tz3desired时，冷却所述分支管线中的空气 流。优选地，所述空调系统进一步包括致热设备。所述致热设备在所述至少一条分 支管线中的空气流的实际温度Tgartual低于向相应的其它区域供应的空气流的期望温度 Tzldesired> Tz2desired, Tz3desired时，加热所述分支管线中的空气流。所述分支管线可以给致冷设备供应中央空气流的一部分。可以有多条分配管线连 接至致冷设备，这多个分配管线用于分隔离开致冷设备的空气流，并将相应的空气流供应 给致热设备。可以有将分隔后的空气流供应给多个座舱区域中的相应座舱区域的管线连接 至致热设备。在这种情况下，中央空气流的一部分被供应给第一座舱区域。中央空气流的 另一部分被供应给致冷设备，并从致冷设备供应给多个致热设备。从致热设备中的每个致 热设备处，相应的空气流供应给其它座舱区域。多条分支管线可以将中央空气流的一部分从中央空调设备转向致热设备和致冷 设备的组合，并将相应的转向后的空气流供应给该致热设备和致冷设备的组合。多条座舱 区域供应管线之一将相应的空气流从致热设备和致冷设备的组合供应给座舱区域。该实施 例中，在每条用于座舱区域的供应管线中，致冷设备和致热设备可以串联布置或并联布置。第一座舱区域和其它座舱区域可以彼此分开。然而，其它座舱区域也可以至少部分位于第一座舱区域中。中央空调单元所输送的空气经常在不通过致冷设备和致热设备的 情况下以实际温度Tgartual被供应给第一座舱区域。致热设备可以具有调整阀，通过调整阀 供应发动机引气。致热设备也可以是电致热设备。中央空调设备可以至少部分地使用再循 环空气和/或引气。在具有涡轮机的飞机中，可以以尤其低的能量损失提供暖的发动机引 气。发动机引气是压缩的外部空气，外部空气在被压缩时加热到高于给座舱区域供应的空 气流的温度的温度。因此，发动机引气必须被冷却，这导致了能量损失。由于发动机引气通 常取自发动机压缩机，因此以推力形式存在的能量被损失。作为引气的替代，可以使用由电 压缩机压缩的空气，但这会导致更高的能量损失。当然也可以使用再循环空气，这产生尤其低的能量损失。以此方式，中央空调设备 可以以尤其低的能量损失提供暖的和/或加压的空气。如果从座舱外部供应的空气量不足 以实现座舱的稳定通风，则座舱空气还可以被再循环。所述空调系统可以进一步包括控制设备，所述控制设备以使所述中央空调设备 所输送的空气具有与需要最大空气体积流量的座舱区域的期望温度Tz。desired、Tzldesired, Tz2desired> Tz3desiral基本相对应的实际温度Tgartual的方式来控制所述中央空调设备。如以上 所述，中央空调设备可以以相对较低的能量损失提供暖空气。由于中央空调设备所输送的 空气流的实际温度Tgartual与需要最大空气体积流量的座舱区域的期望温度基本相对应，因 此空调系统作为一个整体可以以低的功率损失操作。如开始时所述，不期望将发动机引气 作为调整空气(trim air)供应给致热设备，因为为此需要具有较大横截面的独立管线以及 阀。附加的管线和阀增加了飞机的质量，因此是不期望的。此外，由于调整空气的局部加热 涉及由调整空气的高温引起的安全问题和隔离问题。由于电致热设备不需要引气供应管线，因此优选电致热设备。这样，可为飞机的其 它部件腾出更多的空间。电致热设备的缺点在于，为此所需的电能只能以相对较高的功率 损失产生。然而，由于电致热设备仅需要加热相对较小的空气体积流量，因此根据本发明的 空调系统的总能耗低于以上所述的现有技术的空调系统。电致热设备易于集成到例如座舱 的小型子区域中，并且不会涉及以上所述的热调整空气的安全风险。致热设备可以是燃料电池。从能量的角度来看，次优选的是以下列方式来控制和调节空调系统使得中央空 调设备以实际温度Tgartual输送空气流，该实际温度Tgartual基本上对应于需要最大空气体积 流量的座舱区域的期望温度。也就是说，在能量损失也被考虑在内的情况下，这种控制或调 节可能不会产生最低的总能耗。然而，由此获得了具有较轻重量、需要较小安装空间并且具 有较高可靠性的简化的系统架构。因而该系统架构在某些情形下是更加适合的设计。所述控制设备可以以使所述空调系统的总能耗最小的方式来控制所述中央空调 设备、所述至少一个致冷设备和所述至少一个致热设备。在总能耗中，在提供暖空气或对空 气进行加热期间产生的能量损失也被考虑在内。在本发明的该实施例中，可能需要每个空 气流都可以被冷却和加热，因此向第一区域供应的空气流也是这样。能量损失源自于例如 转动能到电能的转换。此外，能量损失还在将温度为大约150°C至大约200°C的发动机引气 冷却到适合于飞机座舱的空气调节的温度期间产生。空调系统不一定以座舱中空气的期望温度提供向座舱区域供应的空气流，而是以 达到或维持该区域的期望温度所需的温度提供向座舱区域供应的空气流。依赖于来自乘客
7和例如电子设备的技术设备的热载荷，向区域供应的空气处于比该区域的期望温度低大约 o°c到大约10°C之间。中央空调设备可以是所谓的空调主件(pack)。该空调主件被供应具有以上所述的 大约150°C到大约200°C温度的发动机引气。发动机引气可以由冲压空气冷却。发动机引 气还可以经过多个膨胀和/或压缩循环。发动机引气还可以在热交换器中由例如冲压空气 多次冷却。冲压空气的使用增加了飞机的阻力，即增加了对座舱区域进行空气调节的能量 损失。空调主件所提供的空气也用作再循环空气的散热器。空调主件所提供的空气流的温 度通常依赖于该空气流被供应给的座舱区域所需的冷却功率。此外，空调主件中的热交换 器增加了飞机的质量，并且由于例如摩擦而增加了冲压空气中和由空调主件进行温度控制 的空气流中的压力损失。调整空气是越过空调主件例如通过旁路阀而引入的发动机引气，因此调整空气没 有被冷却。由于没有能量损失源自于空调主件中的冷却，因此可以以较低的能量损失提供 调整空气，作为空调主件所提供的空气。然而，调整空气也增加了由涡轮机的压缩机提供的 引气量，因此也增加了推力的损失。待被最小化的能量例如一方面包括产生热的发动机引气所耗用的能量、冷却发动 机引气所耗用的能量和/或使座舱空气再循环所耗用的能量。这是中央空调设备提供暖空 气所需的能量。另一方面，待被最小化的能量包括蒸发致冷所需的能量，例如提供水所需的 能量。此外，待被最小化的能量还包括致热设备所需的能量。在电致热设备的情况下，致热 设备所消耗的电流以及产生期间导致的能量损失要被考虑在内。在具有调整阀的致热设备 的情况下，产生热的发动机引气或调整空气所耗用的能量要被考虑在内。产生热的发动机引气所耗用的能量会引起推力的损失。这是由于发动机的压缩机 吸入外部空气、将其压缩并提供给空调系统的事实所导致的。如上所述，热的发动机引气可 以被提供给空调主件和/或被用作调整空气。待被最小化的能量平衡还可以包括压缩外部 空气以提供引气所需的能量。由于热交换器和/或空调主件中的膨胀和压缩循环引起的空 调主件中的损失也要被考虑在内。此外，通过使用调整空气而增加的飞机阻力所引起的能 量损失可以被考虑在内。为冷却向座舱供应的空气流而携带的水的重量也可以被考虑在 内。总而言之，只能以相对较高的能量损失将冷空气提供为暖空气。在向座舱区域供应的空气流的期望温度低于中央空调设备所输送的空气流的实 际温度时，可以在致冷设备中冷却空气流。这通过蒸发发生，以便在致冷期间消耗尽可能少 的能量。传统的方法包括在热交换器中通过冷却剂来对空气进行冷却或者在本地混合器中 通过混合冷空气来对空气进行冷却。冷却剂和热交换器的使用成本相对较高。此外，这种 情况下会由于热交换器和致冷管路的效率而产生能量损失。由于在管路中传送冷却剂，因 此需要流入管线和流出管线。在本地混合器进行冷空气的混合需要附加的中央空调单元以 产生冷空气。此外，需要到本地混合器的冷空气供应管线，并且这些供应管线通常必须具有 相对较大的横截面。由于在致冷设备中水蒸发到空气流中，因此致冷设备不会引起能量损失，或者引 起相对较低的能量损失。由于据此也降低了包括能量损失的总能耗，因此由于致冷设备而 导致较高的技术支出也是合理的。如果需要最大空气体积流量的座舱区域例如在构造上是 基于其尺寸和/或其热载荷而预先确定的，则可以省掉用于该座舱区域的座舱区域空气供
8应管线中的致冷设备和致热设备。结果，降低了飞机的重量。致冷设备可以将水喷射到空气流中。致冷设备可以借助于超声将水喷洒到空气流 中。来自多孔材料的水可以在致冷设备中蒸发到空气流中。此外，水可以在致冷设备中的 膜上蒸发到空气流中。为了冷却给座舱区域供应的空气流，还可以在水中使用鼓泡塔。为 了蒸发，可以想象由压缩空气将水喷成雾状。为了产生蒸发的潜热，可以使用由水润湿并且 具有大表面的实体。为了润湿，实体可以在水浴中移动或旋转，或者可以使用水喷洒或湿润 实体。本发明还涉及用于对飞机座舱的区域单独进行空气调节的方法，该方法通过使水 蒸发到飞行时处于比座舱外部的气压高的压力之下的空气流中来冷却向座舱的区域供应 的空气流。水可以蒸发到向座舱的区域供应的空气流中。空气流的压力可以具有以上所述的在大约700至大约SOOmbar之间的值。该方法 以与上述空调系统相同的方式来开发。空气流可以在冷却之前从冷却之后被供应该空气流的座舱区域中排出。如果需 要，被排出的空气流可以在再次供应到座舱区域之前由致热设备加热。该方法可以包括以下步骤-提供飞行时被加压到压力高于所述座舱外部的气压的空气流；-将加压的空气流的温度控制为实际温度Tgartual；-向第一座舱区域供应温度被控制为实际温度Tgartual的空气流；-向至少一个其它座舱区域提供温度被控制为实际温度Tgartual的空气流；以及-在向至少一个其它座舱区域供应的空气流的期望温度T
zldesired、'^z2desiredΛ ^zSdesired
低于所述实际温度Tgartual的情况下，在所述空气流被供应给相应的其它座舱区域之前，通 过蒸发冷却提供给相应的其它座舱区域的空气流。该方法可以进一步包括在向至少一个其它座舱区域供应的空气流的期望温度 Tzldesired> Tz2desired, Tz3desired高于所述实际温度Tgartual的情况下，在所述空气流被供应给相应 的其它座舱区域之前，对提供给相应的其它座舱区域的空气流进行加热。在第一实施例中，该方法可以将向其它座舱区域供应的、温度被控制为实际温度 Tgactual的空气流的温度控制为其它区域的所有期望温度T
zldesired 、Tz2desired、Tz3desired 中的取 氐
期望温度Tdesiralmintj期望温度Tdesiralfflin下的空气流被分隔为多个空气流，这多个空气流被分 配给相应的其它座舱区域。在向相应的其它座舱区域供应的空气流的期望温度高于其它区 域的所有期望温度Tzldesired、Tz2desired, Tz3desired中的最低期望温度Tdesiredmin时，将分隔出的向 相应的其它座舱区域供应的空气流加热到相应的期望温度T
zldesired、'^z2desiredΛ ^zSdesired° 在该
实施例中，仅存在一个冷却其它区域的空气的致冷设备。在另一实施例中，将温度被控制的空气流分隔为向相应的其它座舱区域供应的多 个空气流。在向至少一个其它座舱区域供应的、温度被控制为实际温度Tgartual的至少一个 空气流的期望温度T—d、Tz2desired, Τ—d低于实际温度Tgartual时，将向相应的其它座 舱区域供应的空气流冷却到向相应的其它座舱区域供应的空气流的期望温度。在向至少 一个其它座舱区域供应的、温度被控制为实际温度Tgartual的至少一个空气流的期望温度 Tzldesired> Tz2desired, Tz3desired高于实际温度Tgartual时，将向相应的其它座舱区域供应的空气流 加热到向相应的其它座舱区域供应的空气流的期望温度。向其它区域供应的空气首先被分隔，然后如以上所述根据具体情况被冷却或被加热。在两个实施例中，其它区域可以位于与 所述第一座舱区域相分离的位置。其它区域也可以是所述第一座舱区域的子区域。加压的空气流的实际温度Tgartual可以基本上对应于需要最大空气体积流量的座 舱区域的期望温度T—d、T—d、Tz2desiral、Tz—。因此，如上所述，可以降低能耗，尤其 是降低能量损失。加压的空气流的实际温度Tgartual可以基本上被选择为使得总能耗最小。 在总能耗中，提供暖空气或对空气进行加热和冷却期间产生的能量损失被考虑在内。在本 发明的该实施例中，可能需要每个空气流都可以被冷却和加热，因此向第一区域供应的空 气流也是这样。本发明还涉及水的使用，水蒸发到向飞机的座舱供应的空气流中，用于冷却向所 述座舱供应的所述空气流。所述空气流可以由上述中央空调设备提供，并且具有高于所述 座舱外部的压力的压力。冷却的空气流可以被供应给座舱的一个或多个区域。冷却的空气 流可以被供应给只有一个区域的座舱。如以上所述，冷却的空气可以用于对飞机座舱的区 域进行空气调节。


现在将参考附图更详细地描述本发明，附图中图1示出空调系统的实施例，其中空气直接从中央空调设备供应给需要最大空气 体积流量的区域，并且到另一区域的每条供应管线具有致冷设备和致热设备；图2示出到座舱的区域的每条供应管线具有致冷设备和致热设备的实施例；图3示出供应到其它区域的空气流由公共致冷设备冷却的实施例；图4示出莫里尔h-χ图；并且图5示出现有技术的空调系统。
具体实施例方式飞机的座舱通常被划分为多个区域，这些区域被视为处于各自的期望温度的区。 每个区可以包括其自身的温度调节或温度控制。区域的期望温度通常仅有些许不同。然而， 区域中的热载荷可能会由于例如乘客密度和发出废热的装置数目而大大不同。向区域供应 的空气喷流的期望温度依赖于各个区域中的热载荷，因此会大不同。具有高热载荷的区域 相应地需要以较低的期望温度来供应空气。图1示出本发明的实施例，其中空气在不被附加致冷设备或致热设备冷却或加热 的情况下，直接从中央空调设备2供应给需要最大空气体积流量的座舱区域。可能包括发 动机引气和/或从座舱28再循环的空气50的空气流4被供应给中央空调设备2。在离开 中央空调设备2时，空气流6具有比座舱外部的空气高的空气压力。空气流6经由第一座 舱供应管线供应给座舱28。在座舱中，进一步存在需要单独进行空气调节的、构成各个座位 30,32和34的周围环境的区域。空气流6在进入第一座位30的周围环境作为单独进行空 气调节后的空气流36之前，通过第二供应管线10供应给第一致冷设备16和第一致热设备 22。单独进行空气调节后的空气同样经由相应的供应管线12和14、相应的致冷设备18和 20以及相应的致热设备24和26供应给第二座位32和第三座位34。分配给供应管线的致 热设备和致冷设备可以串联或并联布置。
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在致冷设备中，水蒸发到穿过致冷设备的空气流中。在致冷设备中，水可以通过喷 嘴喷射到空气流中。喷嘴可以是超声喷嘴。作为替代，可以由超声产生水雾。在这种情况 下，由超声在水面上产生雾，并且其水滴蒸发到空气流中。此外，多孔材料或填充物中所含 的水可以蒸发到空气流中。具有大表面的载体材料被水润湿，该水从该表面蒸发到空气流 中。蒸发也可以通过膜发生。在这种情况下，水从膜的一侧由液态蒸发到膜另一侧的空气流 中。为了对向座舱区域供应的空气流进行冷却，还可以在水中使用鼓泡塔(bubblecolumn)。 为了进行蒸发，可以想到，水可由压缩空气喷成雾状。为了产生蒸发的潜热，可以使用具有 大表面的被水润湿的实体(body)。为了润湿，实体可以在水浴中移动或旋转，或者可以使用 水喷洒或湿润实体。还可以想象，蒸发发生在传热表面上。这种情况下，在空气-空气热交 换器中，水在传热表面上蒸发到两个空气流中的第一空气流中。结果，该空气流被增湿，从 而被冷却。另外，由于传热表面的存在，可以在不增加第二空气流的水载荷的情况下从第二 空气流中提取出热。该第二空气流可以被供应给座舱区域。致冷设备16、18、20中蒸发所需的水可以存储在可被填充的罐中，和/或可以收集 来自飞机中任意空调设备的冷凝水。如果在飞机上无法获得或恢复用于冷却的水，则必须 携带水，这会增加重量且占用空间。这还会导致要考虑在内的能量损失。水也可以来自于 一个或多个燃料电池，例如在燃料电池排出的气体在飞机的冷外壳上冷凝之后。水还可以 通过空气，例如离开座舱的空气，在飞机的冷外壳上冷凝而获得。在该实施例中，座舱28需要最大空气体积流量。第一温度传感器48测量座舱 28中的实际温度T。a。tual。控制设备(未示出)将座舱28中的实际温度Teaetual与期望温度 T。—进行比较。据此，控制设备计算出经由第一供应管线8向座舱28供应的空气流的期 望温度Tz。desiral。以使由中央空调设备2输送的空气流的实际温度Tgartual基本上对应于向 座舱28供应的空气流的期望温度Tz。desired的方式来控制中央空调设备2。再循环空气50和/或发动机引气可以被供应给中央空调设备2。这些暖空气源可 以以特别低的能量损失提供暖空气。现有技术的空调系统在到需要最大空气体积流量的座 舱区域的管线中还具有电致热设备。在飞机中，电能只能以相对较高的能量损失产生。因 此，根据本发明的空调系统总体上需要比现有技术的空调系统少的能量。在根据图1的实施例中，第二座舱区域位于第一座位30的周围环境中，第三座舱 区域位于第二座位32的周围环境中，并且第四座舱区域位于第三座位34的周围环境中。然 而，第二、第三和第四座舱区域也可以位于与第一座舱区域28相分离的位置。在第一座位30的周围环境中，由第二温度传感器42检测实际温度Tlaetual,在第二 座位32的周围环境中，由第三温度传感器44检测实际温度T2aetual,并且在第三座位34的 周围环境中，由第四温度传感器46检测实际温度T3a。tual。第一座位30的周围环境被分配 期望温度Tldesired,第二座位32的周围环境被分配期望温度T2desiral,并且第三座位34的周围 环境被分配期望温度T3desired。座位30、32和34的周围环境中的期望温度可以集中预设或 例如由座位中安装的设置设备单独地针对每个座位预设。第一座位30的周围环境被分配第一致冷设备16和第一致热设备22。空气经由 第一分支管线10供应给致冷设备16和致热设备22，并且经由第二供应管线36进入第一 座位30的周围环境。根据第二温度传感器42检测出的第一座位30的周围环境的实际温 度Tlartual和期望温度Tldesired,控制设备(未示出)确定从第二供应管线36进入第一座位30的周围环境的空气流的期望温度Tzldesiral。第一分支管线10中的空气具有实际温度Tga。tual。 如果实际温度Tgartual高于第二供应管线36中空气流的期望温度Tzldesiral，则第一致冷设备 16将空气流冷却到期望温度Tzldesi,ed。如果实际温度Tgaetual低于第二供应管线36中空气流 的期望温度Tzldesired,则第一致热设备22将空气流加热到期望温度Tzldesired。基于中央空调 设备2所输送的空气流的实际温度Tga。tual、向第一座位30的周围环境供应的空气流的期望 温度Tzldesiral以及第一座位30的周围环境的实际温度Tlartual和期望温度Tldesiral而对第一 致冷设备16和第一致热设备22的控制，可以由非集中式控制设备来实现。尤其在大飞机 的情况下更是期望如此。然而，还可以想象，中央空调设备2、第一致冷设备16和第一致热 设备22由公共控制设备来控制。从第三供应管线38流到第二座位32的周围环境中的空气流的温度控制可以与以 上结合第一座位30的周围环境所述相同的方式来实现。为此，根据第三温度传感器44所 检测到的第二座位32的周围环境的实际温度T2artual和期望温度T2desiral,控制设备确定从第 三供应管线38进入第二座位32的周围环境的空气流的期望温度Tz2desired。控制设备以使 中央空调设备2以实际温度Tgactual输送的空气流的温度被控制为向第二座位32的周围环 境供应的空气流的期望温度Tz2desired的方式，控制第二致冷设备18和第二致热设备24。从第四供应管线40流到第三座位34的周围环境中的空气流的温度控制可以与以 上结合第一座位30和第二座位32的周围环境所述相同的方式来实现。根据第四温度传感 器46所检测到的第三座位34的周围环境的实际温度T3aetual和期望温度T3desired,控制设备 确定从第四供应管线40进入第三座位34的周围环境的空气流的期望温度Tz3desired。控制设 备以使中央空调设备2以实际温度Tgactual输送的空气流的温度被控制为向第三座位34的 周围环境供应的空气流的期望温度Tz3desired的方式，控制第三致冷设备20和第三致热设备 26。对第二致冷设备18和第二致热设备24的控制也可以自主实现或者以非集中的方 式实现。同样，对第三致冷设备20和第三致热设备26的控制可以自主实现或者以非集中 的方式实现。还可以想象，由一个控制设备控制多个或所有的致冷设备和致热设备。也可 以提供对中央空调设备2以及所有的致冷设备和致热设备进行控制的控制设备。在本申请的上下文中，控制还旨在包含使用闭合控制环路的调节。在每个区域中， 期望温度可能会受到局部影响。这种调节可以经由座舱中的传感器针对各个区域来实施。 对于局部的空气调节，例如对座位周围环境的空气调节来说，基于人的感觉进行的控制也 是合适的。在这种情况下，可以直接设置向该区域供应的空气流的温度的期望值，和/或直 接设置加热/冷却功率。图2示出本发明的第二实施例。第二实施例的结构和功能基本上对应于第一实施 例的结构和功能。相同或类似的部件由与图1中相同的附图标记表示。除了第一实施例所 包括的之外，第二实施例还包括座舱空气致冷设备54和座舱空气致热设备56。座舱空气 分支管线52以实际温度Tgaetual从中央空调设备2向座舱空气致冷设备54和座舱空气致热 设备56供应空气。如果中央空调设备2所输送的空气的实际温度Tgartual高于即将由第一 供应管线8’供应到座舱28中的空气流的期望温度Tz。desiral，则控制设备(未示出)以使座 舱空气致冷设备54将由中央空调设备2供应的空气流冷却到期望温度Tz。desiral的方式来控 制座舱空气致冷设备54。如果中央空调设备2所输送的空气的实际温度Tgartual低于向座
12舱28供应的空气流的期望温度Tzedesired,则座舱空气致热设备56将空气流加热到期望温度 Tzcdesiredo在这种情况下，可以选择中央空调设备所输送的空气的实际温度Tgartual，使得空调 系统的总体能耗被最小化。这在各个座舱区域需要相似的空气体积流量时尤其有用。在这 种情况下，控制设备对中央空调设备2、致冷设备16、18、20、座舱空气致冷设备54、致热设 备22、24、26和座舱空气致热设备56进行控制。被分配给供应管线的致热设备或座舱致热 设备以及致冷设备或座舱致冷设备可以串联或并联布置。如以上所述，待被最小化的能量一方面包括例如产生热的发动机引气所耗用的能 量、冷却发动机引气所耗用的能量和/或使座舱空气再循环所耗用的能量。这是中央空调 设备提供暖空气所需的能量。另一方面，待被最小化的能量包括蒸发致冷所需的能量，例 如提供水所需的能量。此外，待被最小化的能量还包括致热设备所需的能量。在电致热设 备的情况下，致热设备消耗的电流以及产生电流期间导致的能量损失要被考虑在内。在具 有调整阀的致热设备的情况下，产生热的发动机引气或调整空气所耗用的能量要被考虑在 内。如果排出的调整空气降低向空调主件供应的引气量，则由于空调主件中须冷却的引气 较少，因此可以考虑到空调主件中的能量损失降低。如上所述，产生热的发动机引气所耗用的能量会引起推力的损失。这是由发动机 的压缩机吸入外部空气、将其压缩并提供给空调系统的事实所导致的。如上所述，热的发动 机引气可以被提供给空调主件和/或被用作调整空气。待被最小化的能量平衡还可以包括 压缩外部空气以提供引气所需的能量。由热交换器和/或空调主件中的膨胀和压缩循环而 引起的空调主件中的损失也要考虑在内。此外，由使用冲压空气而增加的飞机阻力所引起 的能量损失可以考虑在内。为冷却向座舱供应的空气流而携带的水的重量也可以考虑在 内。总而言之，只能以相对较高的能量损失将冷空气提供为暖空气。由于根据本发明的空调系统可以在没有或实质上没有功率损失的情况下冷却空 气，并且致热设备(如果是电操作的话)会由于产生电流期间的能量损失而引起相对较高 的能量损失，因此将实际温度Tgartual设置为向座舱区域供应的空气流的最高期望温度是有 利的。这在一个座舱区域需要仅比其它座舱区域稍高的温度时尤其有利。向其它座舱区域 供应的空气可以通过蒸发致冷来冷却。如上所述，在例如使用再循环空气50或发动机引气 的情况下，中央空调设备2可以相对较低的能量损失提供暖空气。由中央空调设备2输送 的空气流的实际温度Tgartual可以被设置为位于向座舱区域供应的空气流的最低期望温度 与最高期望温度之间的任意温度。图3示出本发明的第三实施例。第三实施例与根据图1的第一实施例的不同之处 在于，从第一管线6转向公共分支管线58的空气流被供应给中央致冷设备60。空气流从 中央致冷设备60经由第一分配管线62被供应给第一致热设备22，从这里经由第二供应管 线被供应给第一座位30的周围环境。空气流的一部分从中央致冷设备60经由第二分配管 线64被供应给第二致热设备24，从这里经由第三供应管线38被供应给第二座位32的周围 环境。来自中央空调设备60的空气流的另一部分经由第三分配管线66被供应给第三致热 设备26，从这里经由第四供应管线40被供应给第三座位34的周围环境。对中央空调设备 2所输送的空气流的实际温度Tgartual的控制如针对根据图1的第一实施例所描述的那样实 现。因此，中央空调设备2所输送的空气流的实际温度Tgaetual对应于座舱28的期望温度Tz。desired。优选地，中央空调设备2所输送的空气流的实际温度Tgartual基本上对应于需要 最大空气体积流量的座舱区域的期望温度。第二温度传感器42检测第一座位30的周围环境中的实际温度Tlaetual,第三温度传 感器44检测第二座位32的周围环境中的实际温度T2aetual,并且第四温度传感器46检测第 三座位34的周围环境中的实际温度T3a。tual。控制设备(未示出)将实际温度Tla。tual、T2a。tual 和T3artual与座位30、32和34的周围环境的期望温度T
Idesired、 T2desired 禾口 T3desired 进4亍 t匕较，并
根据该比较计算向第一座位30的周围环境供应的空气流的期望温度Tzldesired、向第二座位 32的周围环境供应的空气流的期望温度Tz2desired和向第三座位34的周围环境供应的空气 流的期望温度T
z3desired°如果期望温度T—d、T—d、T—d低于中央空调设备2所输送的空气流的实 际温度Tga。tual，则中央空气致冷设备60将通过中央分支管线58输送的空气流冷却到向座 位30、32、34的周围环境供应的空气流的期望温度T
zldesired 、Tz2desired^Tz3desired 中的取 氐温度。
如果离开中央致冷设备60的空气流的实际温度对应于向座位的周围环境供应的空气流的 期望温度，则对应的致热设备不需要对空气流进行加热。如果例如中央致冷设备60所输送 的空气流的实际温度对应于向第一座位30的周围环境供应的空气流的期望温度Tzldesired， 则第一致热设备22因此不需要对空气流进行加热。如果向座位的周围环境供应的空气流的期望温度高于中央致冷设备60所输送的 空气流的实际温度，则分配给该空气流的致热设备不需要将空气流加热到相应空气流的期 望温度。如果例如向第二座位32的周围环境供应的空气流的期望温度Tz2-高于中央致 冷设备60所输送的空气流的实际温度，则第二致热设备24不需要将第二分配管线64所输
送的空气流加热到期望温度Tz2desired。该实施例尤其适用于须给例如座位周围环境的多个小区域供应冷却空气的飞机。图4示出在对应于7000英尺(大约2134m)海拔高度的约782hPa的气压下的莫 里尔h-x图。在该图中，点A表示空气以20°C和相对湿度5%供应给蒸发致冷设备。这大 致对应于巡航高度下飞机商务舱的可单独调节通风设备所需的需求。点B标记具有蒸发致 冷可达到的最低温度(即大约5°C )的点。从点A导向点C的线表示通过加热可达到的温 度以及相对空气湿度。当使用蒸发致冷方法时，无法达到最大相对空气湿度100%，原因在 于这会在冷却表面上产生大量的凝露，从而引起腐蚀。在空气出口处的现实最大湿度50% 下，这里给出的示例中空气流可以从大约20°C冷却到大约10°C。根据本发明的方法和根据本发明的空调系统提供对局部空气流的可控制或可调 节的冷却和加热。通过基于向各个座舱区域供应的空气流的期望温度对中央空调设备的控 制，在例如对空气加热或冷却期间发生的能量损失也被考虑在内时，空调系统的能量需求 可以被最小化。与通过循环冷却剂进行冷却的情况下必需的冷空气供应管线或前向和返回 管线相比，到使用蒸发致冷的致冷设备的水供应管线具有较小的空间需求。由于水会出现 在飞机上，因此不需要附加的冷却剂。优选地，由于可以收集例如用于冷却剂的蒸发器中或 飞机外壳上的冷表面的冷凝水，并且冷凝水基本上不含石灰、盐或其它溶解物，因此冷凝水 可以用于致冷设备中的蒸发。结果冷凝设备的空间需求较小。由于仅需提供水并将水喷成 雾状，因此减小了用于冷却空气流的能量需求。通过蒸发进行的冷却具有低的滞后时间或 时间常数。通过在局部增加空气湿度，提高了乘客的舒适度，尤其在远距离飞行时更是如
14此。针对座舱或座舱区域的空气调节都可以使用蒸发致冷。蒸发致冷还可以用于局部空气 调节，例如座位周围环境的空气调节。 本发明的其它优点在于，可以给每个区域供应新鲜空气，即在中央空调设备中调 节后的空气。结果，也提高了乘客的舒适度。
权利要求
一种用于飞机的空调系统，用于对飞机座舱(28)的区域(28，30，32，34)单独进行空气调节，所述空调系统具有致冷设备(16，18，20；60)，水在所述致冷设备(16，18，20；60)中蒸发到在飞行时具有高于所述座舱外部气压的压力的空气流中，用于冷却向所述座舱(28)的区域(28，30，32，34)供应的空气流。
2.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，所述致冷设备(16，18，20；60)针对 冷却被设计为将水蒸发到向所述座舱(28)的区域(28，30，32，34)供应的空气流中。
3.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，中央空调设备(2)，被设计为提供在飞行时具有高于所述座舱(28)外部气压的压力且 具有实际温度(Tgartual)的中央空气流；第一供应管线(8)，被设计向第一座舱区域(28)供应所述中央空气流的一部分，以及至少一条分支管线(10，12，14 ；58)，被设计为向至少一个其它座舱区域(30，32，34)供 应所述中央空气流的另一部分，所述致冷设备(16，18，20;60)在所述至少一条分支管线(10，12，14;58)中的空气 流的实际温度(Tgartual)高于向相应的其它区域(30，32，34)供应的空气流的期望温度 (TzIdesired' '^z2desired' Tz3desired)的情况下，冷却所述至少一条分支管线(10，12，14;58)中的空 气流。
4.根据权利要求3所述的空调系统，其特征在于致热设备(22，24，26)，其在所述至少 一条分支管线(10，12，14)中的空气流的实际温度低于向相应的其它区域(30，32，34)供 应的空气流的期望温度(Tzldesired, Tz2desired, Tz3desired)的情况下，加热所述至少一条分支管线 (10，12，14)中的空气流。
5.根据权利要求4所述的空调系统，其特征在于，所述分支管线(58)向所述致冷设备 (60)供应所述中央空气流的一部分，有多条分配管线(62，64，66)连接至所述致冷设备，所 述多条分配管线(62，64，66)分隔离开所述致冷设备(60)的空气流并将分隔后的相应空气 流供应给致热设备(22，24，26)，并且有至少一条相应的供应管线(36，38，40)连接至所述 致热设备(22，24，26)，所述至少一条相应的供应管线(36，38，40)向多个座舱区域(30，32， 34)中相应的座舱区域供应空气流。
6.根据权利要求4所述的空调系统，其特征在于，有多条分支管线(10，12，14)和多条 供应管线(36，38，40)，所述多条分支管线(10，12，14)将所述空气流的一部分从所述中央 空调设备(2)转向致热设备(22，24，26)与致冷设备(16，18，20)的组合，并将相应的转向 后的空气流供应给所述致热设备(22，24，26)与致冷设备(16，18，20)的组合，所述多条供 应管线(36，38，40)将相应的空气流从致热设备(16，18，20)与致冷设备(22，24，26)的组 合导向座舱区域(30，32，34)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的空调系统，其特征在于，所述中央空调设备(2)至少部分地使用再循环空气(50)和/或发动机引气。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的空调系统，其特征在于，所述控制设备将所述中央空调设备(2)控制为使所述中央空调设备(2) 所输送的空气具有基本上与需要最大空气体积流量的座舱区域(28，30，32，34)的期望温度(Tzdesired ，Tz1desired， Tz2desired，Tz3desired )相对应的实际温度(Tgartual)。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的空调系统，其特征在于，所述控制设备将所述中央空调设备(2)、所述至少一个致冷设备(16，18， 20 ；60)和所述至少一个致热设备(22，24，26)控制为使所述空调系统的总能耗最小。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的空调系统，其特征在于，所述致冷设备(16，18，20;60)将水喷射到所述空气流中、通过超声将水 喷洒到所述空气流中和/或通过压缩空气将水以雾状喷到所述空气流中。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的空调系统，其特征在于，所述致冷设备(16，18，20 ；60)被设计为使向所述座舱区域(28，30，32， 34)供应的空气流穿过鼓泡塔。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的空调系统，其特征在于，所述致冷设备(16，18，20;60)被设计为使多孔材料中所含的水和/或具 有大表面的实体上的水蒸发到所述空气流中。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的空调系统，其特征在于，所述致冷设备(16，18，20;60)被设计为使膜上的水蒸发到空气流中。
14.一种用于对飞机座舱(28)的区域(28，30，32，34)单独进行空气调节的方法，具有 以下步骤通过将水蒸发到在飞行时处于比所述座舱外部气压高的压力之下的空气流中，冷却向 所述座舱的区域(28，30，32，34)供应的空气流。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，将水蒸发到向所述座舱(28)的区域(28，30，32，34)供应的空气流中。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，从被供应空气流的座舱区域(28，30，32，34)中排出空气，所排出的空气流在被再次供 应给所述座舱区域(28，30，32，34)之前被冷却。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，提供在飞行时被加压到高于所述座舱外部气压的压力的空气流；将加压的空气流的温度控制为实际温度(Tgartual)；向第一座舱区域(28)供应温度被控制为实际温度(Tgartual)的空气流；向至少一个其它座舱区域(30，32，34)提供温度被控制为实际温度(Tgartual)的空气流；以及在向所述至少一个其它座舱区域(30，32，34)供应的空气流的期望温度(Tz1desired,Tz2desired^Tz3desired)低于所述实际温度(Tgartual)的情况下，在所述空气流被供应给相应的其它 座舱区域(30，32，34)之前，通过蒸发水来冷却提供给相应的其它座舱区域(30，32，34)的 空气流。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在向所述至少一个其它座舱区域(30，32，34)供应的空气流的期望温度(Tz1desired,Tz2desired,Tz3desired)高于所述实际温度(Tgartual)的情况下，在所述空气流被供应给相应的其它 座舱区域(30，32，34)之前，对提供给相应的其它座舱区域(30，32，34)的空气流进行加热。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将向其它座舱区域供应的温度被控制为实际温度(Tgartual)的空气流冷却到其它 座舱区域(30，32，34)的所有期望温度(Tzldesired, Tz2desired, Tz3desired)中的最低期望温度(Tdesiredmin) 将该期望温度(Tdesiredmin)的空气流分隔为多个空气流，这多个空气流被分配给相应的 其它座舱区域(30，32，34)；在向相应的其它座舱区域(30，32，34)供应的空气流的期望温度高于其它区的所有期 望温度(Tzldesired, Tz2desired，Tz3desired)中的最低期望温度(Tdesiredmin)的情况下，将分隔后的 向相应的座舱区域(30，32，34)供应的空气流加热到相应的期望温度(Tzldesired, Tz2desired, T )1z3desired^ °
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将温度被控制的空气流分隔为向相应的其它座舱区域(30，32，34)供应的多个空气流；在向至少一个其它座舱区域(30，32，34)供应的、温度被控制为实际温度(Tgartual)的至 少一个空气流的期望温度(Tzldesired，Tz2deSired，Tz3desired)低于实际温度(Tgactual)的‘倩况下，夺 向相应的其它座舱区域(30，32，34)供应的空气流冷却到向相应的其它座舱区域(30，32， 34)供应的空气流的期望温度(Tzldesired' '^z2desired' ^zSdesired^ 在向至少一个其它座舱区域(30，32，34)供应的、温度被控制为实际温度(Tgartual)的至 少一个空气流的期望温度(Τzldesired，Tz2deSired，Tz3desired)闻于实际 度(Tgactual)的 IW 况下，^Hf 向相应的其它座舱区域(30，32，34)供应的空气流加热到向相应的其它座舱区域(30，32， 34)供应的空气流的期望温度(Τzldesired' '^z2desired‘ ^zSdesired^ °
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述加压的空气流的实际温度(Tgartual)基本上对应于需要最大空气体积 流量的座舱区域(30，32，34)的期望温度(Tzcdesired‘ ^zldesired' '^z2desired‘ ^zSdesired^ °
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述加压的空气流的实际温度(Tgartual)基本上以总能耗最小的方式被选择。
23.水的使用，所述水蒸发到向飞机的座舱供应的空气流中，用于冷却向所述座舱供应 的所述空气流。
全文摘要
一种用于飞机的空调系统，用于对飞机座舱(28)的区域(28，30，32，34)单独进行空气调节，所述空调系统包括中央空调设备(2)，用于提供加压的且温度被控制的中央空气流。所述中央空气流(6)的一部分被供应给第一座舱区域(28)。所述中央空气流的另一部分在致热设备(16，18，20)中被加热或者在致冷设备(22，24，26)中被冷却，并被供应给另一座舱区域(30，32，34)。水在致冷设备(22，24，26)中蒸发，以便冷却向座舱区域(28，30，32，34)供应的空气流。
文档编号B64D13/08GK101918274SQ200980102358
公开日2010年12月15日 申请日期2009年1月12日 优先权日2008年1月16日
发明者克里斯蒂安·舒马赫, 贾恩·迪特马尔 申请人:空中客车作业有限公司