CN101005987A - 飞行器中的空气冷却 - Google Patents

Abstract

现今，在飞行器中使用所谓的机载惰性气体产生系统(OBIGGS)产生惰性气体，发动机或辅助动力单元的冷却的放气供给至该OBIGGS。根据本发明的实施方式，提供一种用于飞行器中的OBIGGS的空气冷却装置，其包括放出位置(1)。可经由该放出位置(1)从飞行器机载空调单元(4)放出冷却空气，该冷却空气随后可用于冷却OBIGGS系统的供应空气(18)。因此，无需提供附加的冲压空气入口通道来冷却供应空气。由此减小了空气阻力和重量，进而增强了主体结构的稳定性。

Description

飞行器中的空气冷却

本申请要求2004年8月16日提交的美国临时专利申请No.60/602 444以及2004年8月16日提交的德国专利申请No.10 2004 039 669.8的优先权，这两篇申请公开的内容在此通过参引结合入本文。

技术领域

本申请涉及飞行器中的空气冷却。具体来说，本申请涉及一种飞行器中的冷却装置、一种在飞行器中冷却空气的方法、相应的空气冷却装置在飞行器中的应用，以及一种包括相应的空气冷却装置的飞行器。

背景技术

在飞行器中，使用所谓的机载惰性气体产生系统(OBIGGS)，即，用于在飞行器中产生惰性气体的系统。这些OBIGGS系统例如用于产生氮气，其用于从燃料箱置换氧气。发动机或辅助动力单元(APU)的冷却的放气用作用于产生惰性气体的空气源。必须将具有接近200℃的温度的热的放气冷却到特定温度并且减轻到特定压力。传统的解决方案提供气冷热交换器，在该热交换器中放气被冷却。放气量和压力通过使用断流阀而进行调节。为了冷却的目的，使用外部空气，当飞行器在飞行中时，通过冲压空气通道提供该外部空气作为冲压空气，而当飞行机在地面上时，通过附加装置(风扇、喷射泵)提供该外部空气。借助于旁通阀和温度传感器调节用于OBIGGS的放气的温度。

为了准备用于OBIGGS系统的放气，可以为地面操作提供气冷热交换器和单独的冲压空气通道以及风扇或喷射泵的附加设备。提供冲压空气通道必然伴有额外的飞行器重量。冲压空气通道安装在现有飞行器中，这可能会产生许多问题。此外，附加的冲压空气通道在飞行中产生相当大的飞行器阻力。两个附加的开口(冲压空气的入口和出口)弱化了结构且由此需要相应的加强件而产生额外重量。

发明内容

本发明的目的在于提供飞行器中的改进的空气冷却。

根据本发明的一种实施方式，如权利要求1所述的，上述目的借助于一种飞行器中的空气冷却装置解决，该空气冷却装置包括第一放出位置、第一管线和第二管线，其中，经由第一放出位置，能够从第一空调单元放出第一冷却空气。在完成放出之后，经由第一管线，能够供给第一冷却空气，用于冷却供应空气；且在完成冷却之后，经由第二管线，能够将该供应空气供应至惰性气体产生系统。

通过从空调单元放出冷却空气，在飞行中和在地面上时都能够确保向空气冷却装置的冷却空气供应。这样，单独的冲压空气入口通道不是必须的，由此，既有利地减轻了飞行器的总体重量，又可以增强飞行器机身的稳定性。此外，通过利用来自空调单元的冷却空气以及通过省去附加的冲压空气入口通道，由这样的冲压空气入口通道引起的额外的空气阻力得以避免。有利的是，根据本发明的空气冷却装置确保在飞行器中更为紧凑且更易于安装。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求2所述，第一放出位置设置在第一空调单元的冲压空气通道中或该冲压空气通道上，其中，供应空气的冷却发生在热交换器中。在放出发生之后且在冷却该供应空气之前，第一冷却空气具有第一温度。在冷却发生之前，供应空气具有第二温度，其中，第一温度低于第二温度。

通过将第一放出位置设置在空调单元的冲压空气通道中，有利的是，在空调单元中用于冷却的外部空气(冲压空气)可以用于冷却该供应空气。有利的是，供应空气的冷却借助于热交换器发生，由此，确保了有效的热传递。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求3所示，该空气冷却装置进一步包括出口通道，其中，在供应空气的冷却发生之后，第一冷却空气可经由出口通道排出，且其中，出口通道的通路是可控制的或可调节的。有利的是，由此，例如如果在飞行中发现所需的用于热交换器的冷却空气量超出冷却空气的供应，可以进一步打开出口通道的通路，从而冷却空气的通过量增加。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求4所述，所述空气冷却装置进一步包括第二放出位置，其中，经由该第二放出位置，能够从第二空调单元的第二冲压空气通道放出第二冷却空气。在放出发生之后且在冷却供应空气之前，第二冷却空气具有第三温度，其中，第三温度低于第二温度。此外，在放出发生之后，第一冷却空气与第二冷却空气相混合，且在混合发生之后，能够用于冷却供应空气。

有利的是，由此确保了与冷却空气的准备相关的冗余。即使如果两个放出位置之一(或相关联的管线或阀等)发生故障，经由相应的另一放出位置可向热交换器供应充分的冷却空气。这在相当大的程度上改进了机上操作的安全性。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求5所示，所述空气冷却装置进一步包括第一阀，其中，可通过该第一阀控制或调节供应空气的总量。

有利的是，可通过第一阀切断向OBIGGS系统的空气供应，从而，例如在热交换器的操作过程中，可以停止流向OBIGGS系统的非常热的空气(供应空气)。这显著增加了机上操作的安全性。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求6所述，所述空气冷却装置进一步包括温度传感器，通过该温度传感器可测量第四温度。第四温度对应冷却发生后的供应空气的温度。

在热交换器之后或冷却发生之后连续监控供应空气温度，这有利地确保了供应空气的温度中所不希望的变化可被考虑到，或确保了这样的温度变化能够通过对应的调节机构或控制机构抵消。例如，可以设计温度传感器使得其是冗余的。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求7所述，所述空气冷却装置进一步包括第二阀和热交换器的桥接件，其中，穿过该桥接件的通路可通过第二阀控制或调节。

例如，根据本发明的供应空气的桥接或旁通能够对应地通过第二阀调节，从而，以此方式，可以在热交换器之后调节供应空气的温度。以此方式，例如可以在不必直接介入热交换器的冷却回路的情况下实现温度调节。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求8所述，所述空气冷却装置进一步包括第一控制器，其中，该第一控制器控制或调节第一阀或第二阀，或通过第一温度传感器测量第五温度。

有利的是，对阀的电子控制或调节或对温度的电子监控使得可以有效、快速且精确地获取冷却回路的重要参数，诸如供应空气的通过量或通过热交换器而没有被其冷却的空气量。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求9所述，所述空气冷却装置包括至少一个选自以下部件中的部件：第二控制器、第二温度传感器以及第三阀。就此而言，第一控制器具有与第二控制器不同的设计，其中，如果第一控制器发生故障，则第二控制器接替第一控制器的功能。如果第一温度传感器发生故障，则第二温度传感器接替第一温度传感器的功能，且如果第一阀发生故障，则第三阀接替第一阀的功能。

这意味着即使在飞行器上的危急情况下，如可能发生例如如果一个或数个系统发生故障，基于控制器冗余——该冗余例如反映在结合了数个不同设计的控制器以及每个控制器处于不同位置，且由于温度传感器的控制阀或调节阀的冗余，确保了供应空气的可靠冷却以及向OBIGGS系统供应的供应空气的相应的调节或控制。

本发明的其他目的、实施方式以及优点在其他独立权利要求中提供。

根据本发明的另一实施方式，如权利要求12所述，提出了一种在飞行器中冷却空气的方法。该方法包括：经由第一放出位置从第一空调系统放出第一冷却空气；通过第一冷却空气冷却供应空气；以及，在冷却发生之后，将供应空气供给到惰性气体产生系统。有利的是，由此阐述一种方法，其提供在无需附加的冲压空气入口通道的情况下冷却用于OBIGGS系统的供应空气。以此方式，避免了额外的飞行器的空气阻力，防止了由附加的冲压空气入口通道导致的对飞行器结构的不利弱化。

本发明的其他优点在从属权利要求中阐述。

附图说明

以下参照附图详细描述本发明的优选实施方式。

图1示出空气冷却装置或空气供应装置的示意图。

图2示出空调单元的示意图。

图3示出根据本发明的一种实施方式的空气冷却系统的示意图。

具体实施方式

在以下对附图的描述中，相同或相似的元件使用相同的参考标号。

图1示出空气冷却装置的示意图。该空气冷却装置具体用于冷却OBIGGS系统(图1未示出)的放气26。该装置主要包括热交换器17，该热交换器冷却供给到所述系统的放气26。

放气26由发动机或辅助动力单元(APU)提供。典型地，放气或供应空气26的温度接近200摄氏度。为此，将放气26经由入口管线18供给到热交换器17、进行冷却且随后通过管线19作为空气流3供给到OBIGGS。热交换器17是气冷的。在此布置中，通过冷却经由冲压空气通道22和23传输的空气10而进行空气冷却。此外，对于地面操作来说，设置喷射泵或风扇24以确保对应的冷却空气通过量。接下来，将冷却空气25通向环境。

提供温度传感器12来监控在热交换器中冷却的放气26。此外，设置断流阀13作为安全装置，借助于该断流阀能够停止向OBIGGS的放出空气流3。此外，热交换器可通过管线21以及旁通阀20旁通，从而可以进行温度调节。

放气量和压力由阀13控制。单独的热交换器17以及冲压空气通道22和23的存在导致了飞行器的额外重量。单独的热交换器17和冲压空气通道22和23在现有飞行器中的安装会产生许多问题。附加的冲压空气通道22和23在飞行中产生了额外的飞行器阻力。两个附加开口(冲压空气通道的入口和出口)弱化了结构且可能需要对应的加强件，因而产生了额外重量。此外，附加的热交换器17带来了额外的维护工作。

图2是空调单元4的示意图，该空调单元可用于通过根据本发明的冷却装置放出冷却空气。如图2所示，飞行器空气产生系统(AGS)的空调单元4(组件)包括具有压缩机6、涡轮机201、冷凝器202、水分离器203、再加热器204、主热交换器7、热交换器205、所谓的空气循环机风扇206以及数个阀208、209、210的冷却回路。

飞行器中的空气产生系统用于产生新鲜空气，该新鲜空气用于对飞行机驾驶舱和乘客舱进行加压和空气调节。发动机或辅助动力单元的放气用作产生空气所用的空气源。温度接近200摄氏度的热的放气在空气产生系统中被冷却和减压。使用飞行期间作为来自冲压空气通道28的冲压空气10的外部空气以及在地面上时由空气循环机风扇206所提供的外部空气来进行冷却。空气产生系统AGS包括两个类似的空调单元4。

根据本发明的实施方式，在空调单元内设置可以放出冷却空气的位置。就此而言，放出的冷却空气的温度低于要由其冷却的供应空气的温度。例如，第一放出位置可以是空调单元4的冲压空气通道28。

图3是根据本发明实施方式的空气冷却装置的示意图。如图3所示，空气冷却装置主要包括第一放出位置1、第二放出位置2、供应管线18、19以及热交换器17。当然，可以例如在另外的冲压空气入口通道8、9上设置另外的放出位置。以此方式，进一步增加冗余，由此降低系统的故障概率。

就此而言，空气冷却装置的第一放出位置1设置在第一AGS热交换器或空调单元4的冲压空气通道8内或该冲压空气通道8上，冷却空气10流动通过该冲压空气通道8。冷却空气10为具有相应低温的外部空气。与此不同，第二放出位置2设置在第二AGS热交换器或空调单元5的第二冲压空气通道9中或该第二冲压空气通道9上，外部空气11流动通过冲压空气通道9。

放出位置1、2一起引入管线22中，使得放出的冷却空气能够供给到热交换器17。如果至少一个组件4、5打开并能够操作，即如果至少一个冲压空气入口通道8、9至少部分地打开，则在地面上和在飞行中都能够确保向OBIGGS热交换器供应冷却空气。这需要两个冲压空气通道8、9的冷却空气的平行分支1、2。如果冲压空气通道8、9在飞行中由于故障而保持关闭，则安装在分支管线22中的止回阀6、7防止冷却空气流回。可不调节冷却空气量。空调单元4、5的冲压空气入口通道8、9以及分支管线22的尺寸可设计为使得所需的用于OBIGGS热交换器17的冷却空气量在(OBIGGS和AGS的)所有飞行状况和操作状况下都是充足的。在此情况下可以不调节OBIGGS出口通道23。

如果不可能在所有飞行情况和操作情况下提供所需的用于OBIGGS热交换器17的冷却空气量，则可将OBIGGS出口通道23设计为可以进行调节。在此情况下，OBIGGS出口通道25包括挡板(或阀等)27，如果冷却空气量对于要实现的用于OBIGGS的放出空气的所需温度来说是充足的，则其处于最佳固定位置，而如果冷却空气量不充足，则所述挡板(或阀等)27延伸或打开。通过延伸，挡板27在OBIGGS出口通道23中产生更大的负压力，从而在OBIGGS上产生压差，且冷却空气的通过量增加。

借助于诸如风扇或喷射泵的附加装置24，可以确保在地面上向热交换器17供应充足的冷却空气10、11。

例如通过发动机或辅助动力单元提供的供应空气26经管线18供给到热交换器17。提供到OBIGGS系统的放气满足以下要求：取决于飞行器类型，必须提供至少0.01-0.12kg/s的量。温度大约76℃±6℃，且放出空气的最小压力大约1.7巴(其为相对压力)。此外，出于安全原因，整个OBIGGS系统(包括空气供应)的故障概率必须不超过10^-4。所谓的过热概率(箱供应温度超过200℃的概率)设置为10^-9的极限值。

根据本发明的实施方式，整个系统满足这些要求。

供给到OBIGGS系统的冷却供应空气16所需的温度通过热交换器17和旁通管线21以及对应的阀20提供。以此方式，可以通过旁通管线21向从热交换器17排出且位于管线19中的冷却供应空气混合入非冷却供应空气。例如，如果管线19中的供应空气的温度低于OBIGGS系统所需的温度，这可能是需要的。

通过温度传感器12测量管线19中的供应空气的温度。此外，提供阀13、36，该阀13、36控制或调节供给到OBIGGS系统的供应空气的总量。为此目的，两个阀13、36以及温度传感器12和旁通阀20通过管线28到35连接到对应的控制器14、15。就此而言，控制器14、15控制或调节阀13、20和36，并监控温度传感器12，并由此监控管线19中的供应空气的温度。

为了最小化空气冷却装置的故障概率，以及/或者为了最大化系统的有效性，提供各种冗余。例如，可提供多种空调单元4、5来供应冷却空气，或提供多种阀13、36用于安全切断向OBIGGS的空气供应。此外，除止回阀6、7之外，可提供另外的止回阀。而且，可以提供另外的旁通管线21和对应的另外的阀20，使得即使旁通管线之一或阀之一发生故障，也可使用另外的供应空气旁通管线。此外，可以提供数个温度传感器12，以进一步增强系统安全性。

借助于两个不同设计的控制器14、15进行温度调节和供应空气流调节。具体来说，控制器14、15可以容置在飞行器中的不同位置，以便最小化两个控制器同时均受到损坏的概率。如果两个控制器14、15之一发生故障，相应的另一控制器15、14可接替故障控制器的功能。

本发明提供的有利之处在于，提供了重量轻、更为紧凑的解决方案用于为OBIGGS热交换器供应冷却空气。这样不需要单独的冲压空气入口通道，从而，具体来说，减轻了重量。此外，根据本发明的解决方案在飞行器中形成更紧凑的安装。因为不需要附加冲压空气入口通道，避免了额外的飞行器阻力，不存在由于冲压空气入口通道而产生的与安装相关的飞行器结构的弱化。此外，无需与此相关的附加加强件和附加重量。

本发明的实施不限于图中所示的优选实施方式。而是，可以设想到使用所示解决方案和根据本发明的原则的多个变体，即使在基本不同的实施方式中也是如此。

除此之外，应该指出，“包括”不排除其他元件或步骤，且“一种”或“一个”不排除多个。此外，应该指出，参照上述实施方式之一描述的特征或步骤也可结合上述其他实施方式中的特征或步骤。权利要求中的参考标号不作为限制进行解释。

Claims (13)

1.一种用于飞行器的空气冷却装置，其包括：

第一放出位置；

第一管线；

第二管线；

其中所述第一放出位置设计为从第一空调单元放出第一冷却空气；

其中所述第一管线设计为在所述放出之后供应第一冷却空气，用于冷却供应空气；以及

其中所述第二管线设计为在所述冷却之后将供应空气供给到惰性气体产生系统。

2.如权利要求1所述的空气冷却装置，

其中所述第一放出位置设置在所述第一空调单元的冲压空气通道中；

其中所述供应空气的冷却发生在热交换器中；

其中在放出之后且在冷却所述供应空气之前，所述第一冷却空气具有第一温度；

其中在冷却之前，所述供应空气具有第二温度，且

其中所述第一温度低于所述第二温度。

3.如权利要求1或2所述的空气冷却装置，进一步包括：

出口通道；

其中在供应空气的冷却之后，所述第一冷却空气能够经由所述出口通道排出；且

其中所述出口通道的通路是可控制的或可调节的。

4.如上述权利要求中任一项所述的空气冷却装置，进一步包括：

第二放出位置；

其中经由该第二放出位置，能够从第二空调单元的第二冲压空气通道放出第二冷却空气；

其中在放出之后且在冷却供应空气之前，所述第二冷却空气具有第三温度；

其中所述第三温度低于所述第二温度；并且

其中在放出之后，所述第一冷却空气能与所述第二冷却空气混合，且在混合之后，能够用于冷却所述供应空气。

5.如上述权利要求中任一项所述的空气冷却装置，进一步包括：

第一阀；

其中通过该第一阀能控制或调节供应空气的总量。

6.如上述权利要求中任一项所述的空气冷却装置，进一步包括：

第一温度传感器：

其中通过所述第一温度传感器能测量第四温度；并且

其中所述第四温度是冷却后的供应空气的温度。

7.如上述权利要求中任一项所述的空气冷却装置，进一步包括：

第二阀；

热交换器的桥接件；

其中穿过该桥接件的通路能够通过该第二阀控制或调节。

8.如上述权利要求中任一项所述的空气冷却装置，进一步包括：

第一控制器；

其中该第一控制器控制或调节所述第一阀或所述第二阀，或通过所述第一温度传感器测量第五温度。

9.如上述权利要求中任一项所述的空气冷却装置，进一步包括至少一个选自以下部件中的部件：

第二控制器；

第二温度传感器；

第三阀；

其中所述第一控制器具有与所述第二控制器不同的设计；

其中如果所述第一控制器发生故障，则所述第二控制器接替第一控制器的功能；

其中如果所述第一温度传感器发生故障，则所述第二温度传感器接替第一温度传感器的功能；并且

其中如果所述第一阀发生故障，则所述第三阀接替第一阀的功能。

10.如权利要求1至9中任一项所述的空气冷却装置在飞行器中的应用。

11.一种包括如权利要求1至9中任一项所述的空气冷却装置的飞行器。

12.一种在飞行器中冷却空气的方法，包括以下步骤：

经由第一放出位置从第一空调系统放出第一冷却空气；

由第一冷却空气冷却供应空气；以及

在冷却之后，将供应空气供给到惰性气体产生系统。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤：

经由第二放出位置从第二空调系统放出第二冷却空气；

供给第一放出冷却空气和第二放出冷却空气，用于冷却供应空气；

在冷却供应空气之后，通过出口通道排出第一和第二冷却空气；

其中第一放出位置设置在第一空调单元的冲压空气通道中；

其中第二放出位置设置在第二空调单元的冲压空气通道中；以及

其中供应空气的冷却发生在热交换器中。

Images