本发明涉及一种操作阶段相关的可控制的飞机空调系统和一种用于操作这种飞机空调系统的方法。
背景技术：
飞机空调系统用于在飞机机舱中设定并维持期望的压力、期望的温度和期望的大气湿度。此外，飞机空调系统向飞机机舱中供应足够的新鲜空气，以确保飞机机舱中存在规定的最小比例的新鲜空气。从ep2735510a1或us2014/0144163a1已知一种飞机空调系统，其中使用以两相制冷剂(two-phaserefrigerant)操作的制冷机来冷却由多级压缩机压缩的环境空气。制冷机包括制冷剂回路，其中布置有压缩机、液化器、膨胀阀和蒸发器，通过该制冷剂回路流动待冷却的环境空气。从飞机的发动机或辅助发动机抽出的排出空气被用于驱动制冷机的压缩机并驱动多级压缩机以压缩环境空气。
技术实现要素：
本发明所基于的目的是提供一种能够实现飞机机舱的节能空气调节的飞机空调系统。此外，本发明所基于的目的是详细说明用于操作这种飞机空调系统的方法。
该目的通过具有下述特征的飞机空调系统和具有下述特征的操作飞机空调系统的方法来实现。
一种飞机空调系统包括环境空气管线，所述环境空气管线适于以环境空气流过并且被连接到所述飞机空调系统的混合器，以便向所述混合器供应从飞机的周围环境抽取的环境空气。连接到所述环境空气管线的混合器可以是所述飞机空调系统的预混合器或主混合器，除了来自所述环境空气管线的环境空气之外，该混合器还被供应从待借助所述飞机空调系统进行空气调节的飞机机舱排出的再循环空气。在所述混合器中，来自所述环境空气管线的环境空气与从飞机机舱排出的所述再循环空气混合。混合器中产生的混合空气最终被用于所述飞机机舱的空气调节。
所述飞机空调系统的制冷机包括适于以制冷剂流过的制冷剂回路，该制冷剂回路被热联接到所述环境空气管线，以便在环境空气被供应到所述混合器中之前将热量从流过所述环境空气管线的环境空气传递至在所述制冷剂回路中循环的制冷剂。
所述飞机空调系统的控制设备适于控制通过所述环境空气管线的环境空气流，使得环境空气首先选择性地被引导通过所述环境空气管线的第一段或第一旁通管线。在所述环境空气管线的所述第一段中布置有例如速度调节的第一环境空气压缩机，用于压缩流过所述环境空气管线的所述第一段的环境空气。所述第一旁通管线平行于所述环境空气管线的所述第一段延伸。因此，流过所述第一旁通管线的环境空气被引导经过所述环境空气管线的所述第一段，并因此经过所述第一环境空气压缩机。
进一步，所述飞机空调系统的所述控制设备适于控制通过所述环境空气管线的环境空气流，使得环境空气随后选择性地被引导通过所述环境空气管线的第二段或第二旁通管线。参照通过所述环境空气管线的环境空气的流动方向，所述环境空气管线的所述第二段被特别布置在所述环境空气管线的所述第一段和所述第一旁通管线的下游。因此，供应到所述环境空气管线的所述第二段的环境空气可从所述环境空气管线的所述第一段或所述第一旁通管线被引导到所述环境空气管线的所述第二段中。
在所述环境空气管线的所述第二段中布置有例如速度调节的第二环境空气压缩机，用于压缩流过所述环境空气管线的所述第二段的环境空气，供应到所述第二环境空气压缩机的环境空气可以是在所述第一环境空气压缩机中被预压缩后的环境空气，或者是通过所述第一旁通管线未被处理而供应到所述第二环境空气压缩机的环境空气。所述第二旁通管线平行于所述环境空气管线的所述第二段延伸。因此，流过所述第二旁通管线的环境空气被引导经过所述环境空气管线的所述第二段，并因此经过第二环境空气压缩机。
所述飞机空调系统的所述控制设备还适于控制通过所述环境空气管线的环境空气流，使得环境空气随后被引导通过所述环境空气管线的所述第三段。参照通过所述环境空气管线的环境空气的流动方向，所述环境空气管线的所述第三段被特别布置在所述环境空气管线的所述第二段和所述第二旁通管线的下游。因此，供应到所述环境空气管线的所述第三段的环境空气可以从所述环境空气管线的所述第二段，或者从所述环境空气管线的所述第一段或第一旁通管线，经由绕过所述环境空气管线的所述第二段的所述第二旁通管线被引导到所述环境空气管线的所述第三段中。
所述环境空气管线的所述第三段热联接到所述制冷机的所述制冷剂回路，所述环境空气管线的所述第三段与所述制冷剂回路之间的热联接可以例如经由布置在所述制冷剂回路中的热交换器而建立。在环境空气流过所述环境空气管线的所述第三段时，通过向在所述制冷机的所述制冷剂回路中循环的制冷剂传递热量实现的所述环境空气管线中环境空气的冷却相应地发生。
最后，所述飞机空调系统的所述控制设备适于控制通过所述环境空气管线的环境空气流，使得环境空气随后选择性地被引导通过所述环境空气管线的第四段或第三旁通管线。参照通过所述环境空气管线的环境空气的流动方向，所述环境空气管线的所述第四段被特别布置在所述环境空气管线的所述第三段的下游。在所述环境空气管线的所述第四段中布置有用于使流过所述环境空气管线的所述第四段的环境空气膨胀的涡轮机。所述第三旁通管线平行于所述环境空气管线的所述第四段延伸。因此，流过所述第三旁通管线的环境空气被引导经过所述环境空气管线的所述第四段，并因此经过所述涡轮机。
通过与环境空气压缩机协同，布置在所述环境空气管线的所述第四段中的涡轮机能够实现冷空气过程(coldairprocess)，在该冷空气过程中，流过所述环境空气管线的环境空气在被供应到所述飞机空调系统的所述混合器中之前首先被压缩，并且随后再次被膨胀，并在这样做的过程中被冷却至期望的低温。所述涡轮机可与布置在所述环境空气管线的所述第二段中的所述第二环境空气压缩机一起布置在共用轴杆上。
因此，在所述飞机空调系统中，根据需要，仅在所述制冷机中发生的冷却过程，或者在所述制冷机中发生的冷却过程和由环境空气压缩机和涡轮机实现的冷空气过程两者都可被用于调节和冷却流过所述环境空气管线的环境空气。仅使用制冷机中发生的冷却过程的飞机空调系统的操作特别适于飞机空调系统的下述操作阶段，在该操作阶段，流过所述环境空气管线的环境空气仅具有低水分含量。这是例如当配备有所述飞机空调系统的飞机正在巡航的情况。此外，在环境空气通过向在所述制冷剂回路中循环的制冷剂的热传递被冷却至期望温度之前，通过由环境空气压缩机之一预压缩流过所述环境空气管线的环境空气，在所述制冷机中发生的冷却过程的效率可因此根据需要被控制。
如果流过所述环境空气管线的环境空气在其被供应到所述飞机空调系统的所述混合器中之前必须被除湿，使用在所述制冷机中发生的冷却过程和冷空气过程两者的所述飞机空调系统的操作是特别有利的。这是例如当配备有所述飞机空调系统的飞机处于地面上，以及正在爬升或下降时的情况。
最后，通过关闭所述制冷机，所述飞机空调系统仅使用冷空气过程的操作也是可能的。如果飞机机舱要通过所述飞机空调系统加热，这是有利的。如果所述制冷机发生故障，作为紧急操作，飞机空调系统仅使用冷空气过程的操作也是可能的。在这种紧急操作中，两个环境空气压缩机均可被用于压缩流过所述环境空气管线的环境空气，由此，即使在配备有两个空调单元的飞机空调系统中，一个空调单元完全失灵，而且第二个空调单元的制冷机也不再能起作用的情况下，也能够向飞机机舱供应以足够量的调节和冷却的环境空气。
因此，在所述飞机空调系统的不同操作阶段，所述飞机空调系统的操作可以最优地适合于所述飞机空调系统的空调要求。因此，所述飞机空调系统可以被灵活且节能地操作。
所述飞机空调系统的所述控制设备优选地适于控制所述第一环境空气压缩机，使得所述第一环境空气压缩机将流过所述环境空气管线的第一段的环境空气(当配备有所述飞机空调系统的飞机正在飞行时，其可能具有明显低于海平面大气压力的压力)压缩至大致仅对应于待空气调节的飞机机舱中的设定机舱压力的压力。因此，所述第一环境空气压缩机可以非常节能地被操作。
所述飞机空调系统的所述控制设备优选地进一步适于控制所述第二环境空气压缩机，使得第二环境空气压缩机将流过所述环境空气管线的第二段的环境空气压缩至大于待空气调节的飞机机舱中的设定机舱压力的压力。如果第二环境空气压缩机将流过所述环境空气管线的环境空气压缩至大于待空气调节的飞机机舱中的设定机舱压力的压力，则可以通过所述第二环境空气压缩机和布置在所述环境空气管线的第四段中的所述涡轮机实现有效且高效的冷空气过程。
此外，水分离设备，优选为高效高压水分离设备，可被布置在所述环境空气管线的第四段中。在所述第二环境空气压缩机中将环境空气压缩至高于设定机舱压力之上的压力，使布置在所述环境空气管线的第四段中的水分离设备中的过量水能够从环境空气流去除。
参照通过所述环境空气管线的环境空气的流动方向，优选布置在所述环境空气管线的第四段中的所述涡轮机的上游的所述水分离设备可包括水分离器。在流过水分离器时，环境空气被除湿到一定程度，以确保没有太多水分被供应到待空气调节的飞机机舱。水分离器中从流过所述环境空气管线的第四段的环境空气分离的水可以经由喷水部被注入冲压空气管道中。在那里部分蒸发的水冷却冲压空气，并提高所述飞机空调系统的节能性。
此外，水分离设备可包括参照通过所述环境空气管线的环境空气的流动方向布置在所述水分离器的下游的再热器，用于在环境空气被供应到所述涡轮机中之前加热流过所述环境空气管线的第四段的环境空气。所述再热器可以在所述环境空气管线的第四段和所述环境空气管线的第二段之间建立热联接。特别地，所述再热器可使在所述第二环境空气压缩器中压缩之后流过所述环境空气管线的第二段的热环境空气与在被供应至所述涡轮机中之前流过所述环境空气管线的第四段的环境空气热接触。在所述再热器中，在流过所述水分离器后残留在所述环境空气流中的水滴被蒸发，以保护所述涡轮机免受由于水滴碰撞或汽蚀(cavitation)引起的损坏。此外，所述再热器增加所述涡轮机的功率输出。
即使所述第二环境空气压缩机将流过所述环境空气管线的第二段的环境空气压缩至大于待空气调节的飞机机舱中的设定机舱压力的压力，然而，所述第一环境空气压缩机和所述第二环境空气压缩机的操作优选地被控制，使得压缩的环境空气的温度不超过例如160℃的最高温度。因此，可以省去在飞机中为所述飞机空调系统提供的安装空间的绝缘和通风。这能够实现重量和成本节省。
所述控制设备特别适合于控制通过所述环境空气管线的环境空气流，使得当配备有所述飞机空调系统的飞机处于地面上时，环境空气首先被引导通过所述第一旁通管线，随后通过所述环境空气管线的第二段，随后通过所述环境空气管线的第三段，并最终通过所述环境空气管线的第四段。因此，当配备有所述飞机空调系统的飞机处于地面上时，在流过布置在所述环境空气管线的第二段中的所述第二环境空气压缩机时，环境空气可被压缩至高于设定机舱压力的压力，这能够实现在提供在所述环境空气管线的第四段中的水分离设备中的环境空气除湿。相比之下，布置在所述环境空气管线的第一段中的第一环境空气压缩机被绕过。环境空气的冷却受向所述制冷机的所述制冷剂回路的热传递以及环境空气在布置于所述环境空气管线的第四段中的所述涡轮机中的膨胀两者影响。
所述控制设备优选地进一步适于控制通过所述环境空气管线的环境空气流，使得当配备有所述飞机空调系统的飞机正在爬升或下降时，环境空气首先被引导通过所述环境空气管线的第一段，随后通过所述环境空气管线的第二段，随后通过所述环境空气管线的第三段，并最终通过所述环境空气管线的第四段。因此，当配备有所述飞机空调系统的飞机正在爬升或下降时，布置在所述环境空气管线的第一段中的所述第一环境空气压缩机和布置在所述环境空气管线的第二段中的所述第二环境空气压缩机被串联连接，以将流过所述环境空气管线的环境空气压缩至即使所述水分离器的效率降低也能够在提供在所述环境空气管线的第四段中的所述水分离设备中实现环境空气的除湿的压力。
通过环境空气压缩机的串联连接，两个环境空气压缩机均可以其最佳映射范围内的高功率要求被操作。环境空气的冷却如在地面上那样受向所述制冷机的所述制冷剂回路的热传递以及环境空气在布置于所述环境空气管线的第四段中的所述涡轮机中的膨胀两者影响
最后，所述控制设备可适于控制通过所述环境空气管线的环境空气流，使得当配备有所述飞机空调系统的飞机正在巡航时，环境空气首先被引导通过所述环境空气管线的第一段，随后通过所述第二旁通管线，随后通过所述环境空气管线的第三段，并最终通过所述第三旁通管线。因此，当配备有所述飞机空调系统的飞机正在巡航时，流过所述环境空气管线的环境空气仅被布置在所述环境空气管线的第一段中的所述第一环境空气压缩机压缩至设定机舱压力，因为当飞机处于巡航高度时环境空气非常干燥，因而不需要除湿。因此，布置在所述环境空气管线的第二段中的所述第二环境空气压缩机与被提供在所述环境空气管线的第四段中的所述水分离设备以及也被提供在所述环境空气管线的第四段中的涡轮机一样被绕过。环境空气的冷却仅受向所述制冷机的所述制冷剂回路的热传递影响。
在优选实施例中，所述飞机空调系统包括用于驱动所述第一环境空气压缩机和/或所述第二环境空气压缩机和/或布置在所述制冷机的所述制冷剂回路中的制冷剂压缩机的至少一个电动机。例如，所述飞机空调系统可包括用于驱动所述制冷剂压缩机的第一电动机。所述第一环境空气压缩机优选地由第二电动机驱动。所述第二环境空气压缩机优选地由第三电动机驱动。在所述飞机空调系统中，不仅对于空气调节空气的提供，而且对于驱动至少一个环境空气压缩机和/或制冷剂压缩机，从飞机的发动机或辅助发动机抽出的排出空气被省却。因此，减少了发动机或辅助发动机的燃料消耗。此外，对于环境空气压缩机和/或制冷剂压缩机中的至少一个使用电驱动器以及使用环境空气来提供空调空气使得向所述飞机空调系统的能量供应和新鲜空气供应完全脱离。因此，能量供应和新鲜空气供应可以彼此独立地被优化，并且适于例如所述飞机空调系统的操作条件。所述飞机空调系统于是可以被特别节能地操作。
在所述制冷机的所述制冷剂回路中循环的制冷剂优选为两相制冷剂，该制冷剂在从流过所述环境空气管线的环境空气吸收热量时从液体转变为气态聚集体，并随后通过在所述制冷机的所述制冷剂回路中适当的压力和温度控制再次被转变回到液态的聚集体。例如，r134a(ch2f-cf3)，co2或r-245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)可以在所述制冷机的所述制冷剂回路中作为两相制冷剂循环。因此，用于冷却流过所述环境空气管线的环境空气的冷却过程优选实现为冷蒸汽过程，其因高能量效率而卓越。
在所述制冷机的所述制冷剂回路中，除了优选由第一电动机驱动的制冷剂压缩机之外，还可以布置有液化器、制冷剂收集器和膨胀阀。此外，所述制冷剂回路优选经由热交换器热联接到所述环境空气管线，以便在环境空气被供给到所述混合器中之前，将热量从流过所述环境空气管线的环境空气传递至在所述制冷剂回路中循环的制冷剂。因此，也可以在所述制冷机的所述制冷剂回路中布置用于在所述制冷机的所述制冷剂回路之间建立热联接的热交换器。用于在所述制冷机的所述制冷剂回路和所述环境空气管线之间建立热联接的热交换器优选地被设计为蒸发器的形式。
优选地，制冷机的制冷剂回路中的压力和温度控制以下述方式实现，即在所述制冷剂回路中发生的冷蒸气过程主要发生在两相制冷剂的两相区域中，由此，等温线和等压线重合。因此，冷蒸汽过程接近理论最优卡诺循环，从而能够实现流过所述环境空气管线的环境空气特别有效的冷却。
所述制冷机的所述制冷剂回路可进一步优选地被热联接到适于以再循环空气流过的再循环空气管线，以便将热量从流过所述再循环空气管线的再循环空气传递至流过所述制冷剂回路的制冷剂。所述再循环空气管线优选地连接到所述飞机空调系统的所述混合器，以向所述混合器供应再循环空气。如果所述制冷机不仅用于冷却流过所述环境空气管线的环境空气，而且还用于冷却从待空气调节的飞机机舱排出的再循环空气，则再循环空气可以在被供应到所述飞机空调系统的所述混合器中之前被冷却至与流过所述环境空气管线的环境空气相同的低温。
因此，可以省去通过向在所述制冷机的所述制冷剂回路中循环的制冷剂传递热量将环境空气冷却至低于期望的设定机舱供应空气温度以下的温度，结果是进一步提高所述飞机空调系统的操作效率。此外，可以实现制冷机在相对较高的最低制冷剂温度下的操作，以使布置在所述制冷机的所述制冷剂回路中的部件(例如热交换器或液化器)结冰的风险可被最小化。
所述制冷机的所述制冷剂回路可通过特别为另一蒸发器的另一热交换器热联接到所述再循环空气管路。所述另一热交换器优选地布置在连接管线中，该连接管线在将所述制冷剂回路热联接到所述环境空气管线的所述热交换器上游从所述制冷机的所述制冷剂回路分支出，并在将所述制冷剂回路热联接到所述环境空气管线的所述热交换器下游返回通向所述制冷机的所述制冷剂回路。这里的术语“上游”和“下游”是指制冷剂通过制冷剂回路的流动方向。具体地，连接管线从布置在所述制冷剂回路中的所述制冷剂收集器分支出。制冷剂回路的这种设计使得能够对用于冷却流过所述环境空气管线的环境空气的热交换器和用于冷却流过所述再循环空气管线的再循环空气的另一热交换器并行地提供制冷剂，并且能够彼此独立地调节它们。在这种情况下，所述制冷剂收集器被用作制冷剂缓冲器，这保证了向两个热交换器的充足制冷剂供应。
在连接管线中可布置有适于控制通过所述连接管线的制冷剂流的控制阀。通过对所述控制阀的适当控制，通过所述连接管线的制冷剂流可适应于待冷却的再循环空气的冷却要求。此外，通过对控制阀的适当控制，根据待冷却的再循环空气的冷却需要，在所述制冷机的所述制冷剂回路中循环的制冷剂可被分配到用于冷却环境空气的所述热交换器和用于冷却再循环空气的所述另一热交换器。如果需要，这能够在供应冷却剂时确定所述热交换器或所述另一热交换器的优先级。
此外，可以在所述连接管线中布置另一膨胀阀。参照通过所述制冷剂回路的制冷剂的流动方向，通过在所述另一热交换器上游布置在所述连接管路中的所述另一膨胀阀，在制冷剂被引导到所述另一热交换器中之前可以根据需要设定流过所述连接管线的制冷剂的压力和温度。
在所述环境空气管线的第一段中可布置有第一阀，其可适于控制通过所述环境空气管线的第一段的环境空气流。此外，可以在所述环境空气管线的第一段中布置有第一预冷器，用于预冷却由所述第一环境空气压缩机压缩的环境空气。所述第一预冷器优选地布置在冲压空气管道中，并且适于以被引导通过所述冲压空气管道的冲压空气流过。在所述第一预冷器中，在所述第一环境空气压缩机中已通过压缩被加热的环境空气再次被冷却到期望的较低温度。在所述第一旁通管线中，优选地布置有第二阀，其适于控制通过所述第一旁通管线的环境空气流。通过适当地控制布置在所述环境空气管线的第一段中的所述第一阀和布置在所述第一旁通管线中的所述第二阀，环境空气可以根据需要选择性地被引导通过所述环境空气管线的第一段或者所述第一旁通管线。
在所述环境空气管线的第二段中可布置有第三阀，其可适于控制通过所述环境空气管线的第二段的环境空气流。在所述第二旁通管线中优选地布置有第四阀，其适于控制通过所述第二旁通管线的环境空气流。通过适当控制布置在所述环境空气管线的第二段中的所述第三阀和布置在所述第二旁通管中的所述第四阀，环境空气可以根据需要被分配到所述环境空气管线的第二段和所述第二旁通管线，但是特别地选择性地被引导通过所述环境空气管线的第二段或者所述第二旁通管线。
在所述环境空气管线的第三段中优选地布置有第二预冷器，用于在所述环境空气管线的第三段和所述制冷机的所述制冷剂回路之间建立热联接之前预冷却环境空气。所述第二预冷器优选地布置在冲压空气管道中，并适于以被引导通过所述冲压空气管道的冲压空气流过。例如，所述第一预冷器和所述第二预冷器可被布置在共同的冲压空气管道中，参照通过所述冲压空气管道的冲压空气的流动方向，于是所述第一预冷器优选被定位在所述第二预冷器下游的冲压空气管道中。
所述制冷机的液化器也可布置在冲压空气管道中。优选地，所述制冷机的液化器、所述第一预冷器和所述第二预冷器被布置在共同的冲压空气管道中。所述飞机空调系统于是必须只有一个冲压空气管道。参照通过所述冲压空气管道的冲压空气的流动方向，所述制冷机的液化器优选被定位在所述第二预冷器上游的冲压空气管道中。因此，在所述飞机空调系统的所有操作阶段中都确保了由流过所述冲压空气管道的冲压空气对液化器的充分冷却。为了在配备有所述飞机空调系统的飞机处于地面上时同样确保通过所述冲压空气管道的冲压空气的适当通流(throughflow)，在所述冲压空气管道中可进一步布置有风扇，以将冲压空气输送通过所述冲压空气管道。所述风扇优选由第四电动机驱动。
优选地，配平空气管线从所述环境空气管线的所述第三段分支出。参照通过所述环境空气管线的环境空气的流动方向，配平空气管线从所述环境空气管线的第三段的分支优选位于所述环境空气管线的第三段与所述制冷机的所述制冷剂回路的热联接的上游，也优选位于所述第二预冷器的上游。因此，确保了在所述环境空气管线的第三段的一点处抽出配平空气环境，在该点，流过所述环境空气管线的第三段的环境空气具有最高温度。通过所述配平空气管线的配平空气流可由布置在所述配平空气管线中的配平空气阀来控制。
最后，在所述环境空气管线的第四段中可布置有第五阀，其可适于控制通过所述环境空气管线的第四段的环境空气流。在所述第三旁通管线中优选地布置有第六阀，其适于控制通过所述第三旁通管线的环境空气流。通过适当控制布置在所述环境空气管线的第四段中的所述第五阀和布置在所述第三旁通管线中的所述第六阀，环境空气可根据需要被分配到所述环境空气管线的第四段和所述第三旁通管线，但是特别地选择性地被引导通过所述环境空气管线的第四段或者所述第三旁通管线。
在一种用于操作飞机空调系统的方法中，环境空气被引导通过环境空气管线，该环境空气管线连接到所述飞机空调系统的混合器，以向所述混合器供应环境空气。制冷机的制冷剂回路热联接到所述环境空气管线，以便在环境空气被供应到所述混合器中之前将热量从流过所述环境空气管线的环境空气传递至在所述制冷剂回路中循环的制冷剂。通过所述环境空气管线的环境空气流被控制，使得所述环境空气首先选择性地被引导通过所述环境空气管线的第一段或者第一旁通管线，用于压缩流过所述环境空气管线的所述第一段的环境空气的第一环境空气压缩机被布置在所述环境空气管线的所述第一段中，所述环境空气随后选择性地被引导通过所述环境空气管线的第二段或者第二旁通管线，用于压缩流过所述环境空气管线的所述第二段的环境空气的第二环境空气压缩机被布置在所述环境空气管线的所述第二段中，所述环境空气随后被引导通过所述环境空气管线的第三段，该第三段热联接到所述制冷机的所述制冷剂回路，并且所述环境空气随后选择性地被引导通过所述环境空气管线的第四段或者第三旁通管线，用于使流过所述环境空气管线的所述第四段的环境空气膨胀的涡轮机被布置在所述环境空气管线的所述第四段中。
所述第一环境空气压缩机优选地被控制，使得其将流过所述环境空气管线的所述第一段的环境空气(当配备有所述飞机空调系统的飞机正在飞行时，流过所述环境空气管线的所述第一段的环境空气可具有明显低于海平面大气压力的压力)压缩至大致对应于待空气调节的飞机机舱中的设定机舱的压力。所述第二环境空气压缩机可被控制，使得其将流过所述环境空气管线的第二段的环境空气压缩至大于待空气调节的飞机机舱中的设定机舱压力的压力。此外，水可以从流过所述环境空气管线的所述第四段的环境空气分离。
特别地，通过所述环境空气管线的环境空气流可被控制，使得当配备有所述飞机空调系统的飞机处于地面上时，环境空气首先被引导通过所述第一旁通管线，随后通过所述环境空气管线的第二段，随后通过所述环境空气管线的第三段，并最终通过所述环境空气管线的第四段。当配备有所述飞机空调系统的飞机正在爬升或下降时，通过所述环境空气管线的环境空气流优选地被控制，使得环境空气首先被引导通过所述环境空气管线的第一段，随后通过所述环境空气管线的第二段，随后通过所述环境空气管线的第三段，并最终通过所述环境空气管线的第四段。当配备有所述飞机空调系统的飞机正在巡航时，通过所述环境空气管线的环境空气流优选地被控制，使得环境空气首先被引导通过所述环境空气管线的第一段，随后通过所述第二旁通管线，随后通过所述环境空气管线的第三段，并最终通过所述第三旁通管线。
通过所述环境空气管线的第一段的环境空气流优选地由布置在所述环境空气管线的第一段中的第一阀控制。所述第一环境空气压缩机压缩的环境空气可以由布置在所述环境空气管线的第一段中的第一预冷器预冷却。通过所述第一旁通管线的环境空气流可以由布置在所述第一旁通管线中的第二阀控制。通过所述环境空气管线的第二段的环境空气流可以由布置在所述环境空气管线的第二段中的第三阀控制。通过所述第二旁通管线的环境空气流可以由布置在所述第二旁通管道中的第四阀控制。在所述环境空气管线的第三段与所述制冷剂回路之间的热连接建立之前，环境空气可以由布置在所述环境空气管线的第三段中的第二预冷器预冷却。通过从所述环境空气管线的第三段分支出的配平空气管线，配平空气可从流过所述环境空气管线的第三段的环境空气分支出。通过所述环境空气管线的第四段的环境空气流可由布置在所述环境空气管线的第四段中的第五阀控制。通过所述第三旁通管线的环境空气流可由布置在所述第三旁通管线中的第六阀控制。
附图说明
现在将借助所附示意图更详细地解释本发明的优选实施例，其中
图1示出用于空气调节飞机机舱的空调系统。
具体实施方式
图1中例示的飞机空调系统10包括环境空气管线12，环境空气可流过环境空气管线12并且环境空气管线12被连接到飞机空调系统10的混合器14，以向混合器14供应从飞机的周围环境抽取的环境空气。来自环境空气管线12的环境空气在混合器14中与从飞机机舱排出的再循环空气混合。在混合器14中产生的混合空气最终用于飞机机舱的空气调节。
飞机空调系统10配备有制冷机16，制冷机16包括制冷剂回路18和布置在制冷剂回路18中的制冷剂压缩机20，例如r134a(ch2f-cf3)、co2或r245fa(1,1,1,3,3五氟丙烷)的两相制冷剂流过制冷剂回路18。制冷剂压缩机20由第一电动机22驱动。制冷剂回路18被热联接到环境空气管线，以便在环境空气被供应到混合器14中之前将热量从流过所述环境空气管线12的环境空气传递至在制冷剂回路18中循环的制冷剂。除了制冷剂压缩机20之外，在制冷剂回路18中布置有液化器24、制冷剂收集器26、膨胀阀28和热交换器30(具体为蒸发器)，热交换器30将制冷剂回路18热联接到环境空气管线12。
制冷机16的制冷剂回路18进一步被热联接到再循环空气管线32(再循环空气流过再循环空气管线32并且再循环空气管线32被连接到飞机空调系统10的混合器14)，以便将热量从流过再循环空气管线32的再循环空气传递至流过制冷剂回路18的制冷剂。制冷剂回路18和再循环空气管线32之间的热联接由特别为蒸发器的另一热交换器34实现，该另一热交换器34被布置在从设置在制冷剂回路18中的制冷剂收集器26分支出的连接管线36中。通过连接管线36的制冷剂流由布置在连接管线36中的控制阀38控制。此外，在连接管线36中，参照通过制冷剂回路18的制冷剂的流动方向，在另一热交换器34的上游布置有另一膨胀阀40。在制冷剂被引导至另一热交换器34中之前，可以通过另一膨胀阀40，根据需要设定流过连接管线36的制冷剂的压力和温度。
因此，在飞机空调系统10中，制冷机16不仅用于冷却流过环境空气管线12的环境空气，而且还用于冷却从待空气调节的飞机机舱排出的再循环空气。因此，再循环空气可在其被供应至飞机空调系统10的混合器14中之前被冷却至与流过环境空气管线12的环境空气相同的低温。所以，可无需通过将热量传递到在制冷机16的制冷剂回路18中循环的制冷剂而将环境空气冷却至处于期望的设定机舱供应空气温度之下的温度。此外，制冷机16在相对较高的最低制冷剂温度下的操作成为可能。
环境空气管线12包括第一段12a，其中布置有第一环境空气压缩机42，用于压缩流过环境空气管线12的第一段12a的环境空气。速度调节的第一环境空气压缩机42由第二电动机44驱动。第一环境空气压缩机由飞机空调系统10的控制设备46控制，使得其将流过环境空气管线12的第一段12a的环境空气压缩至待空气调节的飞机机舱中的设定机舱压力。在环境空气管线12的第一段12a中，进一步布置有用于控制通过环境空气管线12的第一段12a的环境空气流的第一阀48。
在环境空气管线12的第一段12a中，进一步布置有第一预冷器50，用于预冷却由第一环境空气压缩机42压缩的环境空气。第一预冷器50被布置在冲压空气管道52中，并且在飞机空调系统10的操作中，被引导通过冲压空气管道52的冲压空气流过第一预冷器50。在第一预冷器50中，已通过在第一环境空气压缩机42中的压缩被加热的环境空气再次被冷却至期望的较低温度。
第一旁通管线54平行于环境空气管线12的第一段12a延伸。布置在第一旁通管线54中的第二阀56用于控制通过第一旁通管线54的环境空气流。流过第一旁通管线54的环境空气被引导经过环境空气管线12的第一段12a，并因此越过第一环境空气压缩机42和第一预冷器50。
环境空气管线12进一步包括第二段12b，参照通过环境空气管线12的环境空气的流动方向，第二段12b布置在环境空气管线12的第一段12a和第一旁通管线54的下游。因此，供应到环境空气管线12的第二段12b的环境空气可从环境空气管线12的第一段12a或第一旁通管线54被引导到环境空气管线12的第二段12b中。在环境空气管线12的第二段12b中布置有第二环境空气压缩机58，用于压缩流过环境空气管线12的第二段12b的环境空气，由第一环境空气压缩机42预先压缩的环境空气或来自第一旁通管线54的未处理环境空气可被供应到第二环境空气压缩机58。速度调节的第二环境空气压缩机58由第三电动机60驱动。
第二环境空气压缩机58由飞机空调系统10的控制设备46控制，使得其将流过环境空气管线12的第二段12b的环境空气压缩至大于待空气调节的飞机机舱中的设定机舱压力的压力。然而，第一环境空气压缩机42和第二环境空气压缩机58的操作被控制为使得压缩后的环境空气的温度不超过例如160℃的最高温度。布置在环境空气管线12的第二段12b中的第三阀62用于控制通过环境空气管线12的第二段12b的环境空气流。
飞机空调系统10进一步包括与环境空气管线12的第二段12b平行延伸的第二旁通管线64。在第二旁通管线64中布置有第四阀66，其控制通过第二旁通管线64的环境空气流。流过第二旁通管线64的环境空气被引导经过环境空气管线12的第二段12b，并因此经过第二环境空气压缩机58。
环境空气管线12进一步包括第三段12c，参照通过环境空气管线12的环境空气的流动方向，第三段12c被布置在环境空气管线的第二段12b和第二旁通管线64的下游。因此，被供应到环境空气管线12的第三段12c的环境空气可从环境空气管线12的第二段12b，或者经由绕过环境空气管线12的第二段12b的第二旁通管线64，从环境空气管线12的第一段12a被引导至环境空气管线12的第三段12c中。环境空气管线12的第三段12c经由布置在制冷机16的制冷剂回路18中的热交换器30热联接到制冷剂回路18。在流过环境空气管线12的第三段12c时，环境空气管线12中的环境空气冷却通过向在制冷机16的制冷剂回路18中循环的制冷剂的热传递相应地发生。
在环境空气管线12的第三段12c中布置有第二预冷器68，用于在环境空气管线12的第三段12c和制冷机16的制冷剂回路18之间的热联接建立之前预冷却环境空气。参照通过冲压空气管道的冲压空气的流动方向，第二预冷器68被布置在第一预冷器50上游的冲压空气管道52中，并且类似于第一预冷器50，在飞机空调系统10的操作中，被引导通过冲压空气管道52的冲压空气流过第二预冷器68。
除了第一预冷器50和第二预冷器68之外，制冷机16的液化器24也被布置在冲压空气管道52中，参照通过冲压空气管道52的冲压空气的流动方向，液化器24位于第二预冷器68上游的冲压空气管道52中。为了在配备有飞机空调系统10的飞机处于地面上时同样确保通过冲压空气管道52的冲压空气的适当通流，在冲压空气管道52中进一步布置风扇70，以将冲压空气输送通过冲压空气管道52。风扇70由第四电动机72驱动。
参照通过环境空气管线12的环境空气的流动方向，配平空气管线74在第二预冷器68上游从环境空气管线12的第三段12c分支出。通过配平空气管线74的配平空气流由布置在配平空气管线74中的配平空气阀76控制。
飞机空调系统10的环境空气管线12进一步包括第四段12d，参照通过环境空气管线12的环境空气的流动方向，第四段12d被布置在环境空气管线12的第三段12c的下游。在环境空气管线12的第四段12d中布置有水分离设备78，其包括水分离器80和再热器82。在流过水分离器80时，环境空气被除湿至确保没有太多水分被供应到待空气调节的飞机机舱的程度。在水分离器80中从环境空气分离的水经由排水管线84被引导至冲压空气管道52中，并经由喷水嘴87被引导至冲压空气管道52中。这样做时，水部分地蒸发并冷却流过冲压空气管道52的冲压空气。
此外，在环境空气管线12的第四段12d中布置有涡轮机86，用于使流过环境空气管线12的第四段12d的环境空气膨胀。具有布置在环境空气管线12的第二段12b中的第二环境空气压缩机58的涡轮机86被布置在共用轴杆上。参照通过环流空气管线12的环境空气的流动方向，布置在水分离器80下游的再热器82用于在流过环境空气管线12的第四段12d的环境空气被供应到涡轮机86中之前将其加热，并且在环境空气管线12的第四段12d和环境空气管线12的第二段12b之间建立热联接。因此，再热器82使在第二环境空气压缩机58中的压缩之后流过环境空气管线12的第二段12b的热环境空气，与在被供应到涡轮机86中之前流过环境空气管线12的第四段12d的环境空气热接触。在再热器82中，在流过水分离器80之后残留在环境空气流中的水滴被蒸发，以保护涡轮机86免受因水滴碰撞或汽蚀引起的损坏。此外，再热器82增加涡轮机86的功率输出。
最后，在环境空气管线12的第四段12d中布置有第五阀88，用于控制通过环境空气管线12的第四段12d的环境空气流。
飞机空调系统10进一步包括与环境空气管线12的第四段12d平行延伸的第三旁通管线90。在第三旁通管线90中布置有第六阀92，用于控制通过第三旁通管线90的环境空气流。流过第三旁通管线90的环境空气被引导经过环境空气管线12的第四段12d，并因此经过水分离设备78和涡轮机86。
通过与环境空气压缩机42、58协同，特别是将流过环境空气管线12的第二段12b的环境空气压缩至大于待空气调节的飞机机舱中的设定机舱压力的压力的第二环境空气压缩机58协同，布置在环境空气管线12的第四段12d中的涡轮机86能够实现冷空气过程，在该冷空气过程中，流过环境空气管线12的环境空气首先被压缩，并随后再次被膨胀，并在这样做的过程中被冷却。将环境空气压缩至高于设定机舱压力的压力能够从环境空气流去除布置在环境空气管线12的第四段12d中的水分离设备78中的过量水分。由于环境空气在涡轮机86中的膨胀，环境空气在其被供应到飞机空调系统的混合器中之前被冷却至期望的低温。
因此，在飞机空调系统中，根据需要，仅在制冷机16中发生的冷蒸汽过程，或者冷蒸汽过程和冷空气过程两者都可被用于调节和冷却流过环境空气管线12的环境空气。仅使用冷蒸汽过程的飞机空调系统的操作特别适于飞机空调系统10的流过环境空气管线的环境空气仅具有低水分含量的操作阶段。如果流过环境空气管线12的环境空气在其被供应到飞机空调系统10的混合器14中之前必须被除湿，使用冷蒸汽过程和冷空气过程两者的飞机空调系统10的操作特别有利。
最后，通过关闭制冷机16，仅使用冷空气过程的飞机空调系统10的操作是可能的。如果飞机机舱将借助于飞机空调系统10加热，这是有利的。仅使用冷空气过程的飞机空调系统10的操作也可以作为在制冷机16发生故障的情况下的紧急操作。在这种紧急操作中，环境空气压缩机42、58均可被用于压缩流过环境空气管线12的环境空气，由此，即使在配备有两个空调单元的飞机空调系统10中，一个空调单元完全失灵，而且第二个空调单元的制冷机也不再能起作用的情况下，也能够向飞机机舱供应以足够量的调节和冷却的环境空气。
控制设备46适当地控制阀48、56、62、66、88、92来控制通过环境空气管线12的环境空气流，使得环境空气首先选择性地被引导通过环境空气管线12的第一段12a或者第一旁通管线54，环境空气随后选择性地被引导通过环境空气管线12的第二段12b或第二旁通管线64，环境空气随后被引导通过环境空气管线12的第三段12c，环境空气随后选择性地被引导通过环境空气管线12的第四段12d或第三旁通管线90。
具体地，控制设备46控制飞机空调系统10的操作和通过环境空气管线12的环境空气流，使得当配备有飞机空调系统10的飞机处于地面上时，环境空气首先被引导通过第一旁通管线54，随后通过环境空气管线12的第二段12b，随后通过环境空气管线12的第三段12c，最终通过环境空气管线12的第四段12d。当配备有飞机空调系统10的飞机处于地面上时，环境空气因此在流过第二环境空气压缩机58时被压缩至高于设定机舱压力的压力，这能够实现在水分离设备78中的环境空气的除湿。相反，第一环境空气压缩机42被绕过。环境空气的冷却受向制冷机16的制冷剂回路18的热传递以及环境空气在涡轮机86中的膨胀两者影响。
相比之下，当配备有飞机空调系统10的飞机正在爬升或下降时，控制设备46控制通过环境空气管线12的环境空气流，使得环境空气首先被引导通过环境空气管线12的第一段12a，随后通过环境空气管线12的第二段12b，随后通过环境空气管线12的第三段12c，并最终通过环境空气管线12的第四段12d。因此，当配备有飞机空调系统10的飞机正在爬升或下降时，第一环境空气压缩机42和第二环境空气压缩机58被串联连接，以将流过环境空气管线12的环境空气压缩至即使水分离器80的效率降低也能够在水分离设备78中实现环境空气的除湿的压力。通过环境空气压缩机42、58的串联连接，环境空气压缩机42、58均可以以其最佳映射范围内的高功率要求被操作。环境空气的冷却如在地面上那样受向制冷机16的制冷剂回路18的热传递以及环境空气在涡轮机86中的膨胀两者影响。
最后，当配备有飞机空调系统10的飞机正在巡航时，控制设备46控制通过环境空气管线12的环境空气流，使得环境空气首先被引导通过环境空气管线12的第一段12a，随后通过第二旁通管线64，随后通过环境空气管线12的第三段12c，并最终通过第三旁通管线90。因此，当配备有飞机空调系统10的飞机正在巡航时，流过环境空气管线12的环境空气仅由第一环境空气压缩机42压缩至设定机舱压力，因为当飞机处于巡航高度时环境空气非常干燥，因而不需要除湿。因此，第二环境空气压缩机58与水分离设备78和涡轮机86一样被绕过。环境空气的冷却仅受向制冷机16的制冷剂回路18的热传递影响。