CN101155728A - 使用循环空气进行货舱空气调节的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括用于向飞行器机舱的选定部分提供经调节空气的系统和方法。在一项实施例中，系统包括货舱空气循环系统，该系统流体连接至货舱(24)并且具有空气移动装置(32)，该装置用于从货舱抽出空气并且将空气运送至流体连接至货舱的空气加热装置(46)和空气冷却装置(48)。空气可从空气源供给。抽出的空气可以排出到机外。温度控制系统(40)操作连接至空气加热装置和空气冷却装置，控制系统用于响应于检测到的舱温保持舱内的预定空气温度。

Description

使用循环空气进行货舱空气调节的系统和方法

技术领域

本发明总体涉及飞行器中的环境控制系统，尤其涉及向飞行器机舱的选定部分提供经调节空气的系统和方法。

背景技术

现代运输乘客的飞行器一般在升高的高度下操作从而避免天气的影响并且获得通常与高空飞行关联的其他明显优势。因此，这种飞行器装配有环境控制系统，该系统向飞行器机舱中的乘客提供加压的并且温度受控制的空气。简单地大体来说，环境控制系统一般从飞行器的一个或多个发动机的压缩机部分抽出处于高温和高压的空气，适当地调节所抽出的空气并且将经调节的空气分配至机舱从而为飞行器内的机组人员和乘客提供舒适的环境。

经适当调节的空气通过空气分配系统连续地供给至飞行器机舱的各个部分。一般地，飞行器机舱包括由机组人员占用的飞行甲板区域、由乘客占用的客舱以及由货物诸如乘客的行李、货运物品等占用的一个或多个货舱。通常，环境控制系统根据预定的空气分配计划向飞行器机舱的各个部分提供空气。例如，可向飞行甲板区域供给基本上外部的空气，而乘客舱接收减小量的外部空气，这些外部空气与先前在乘客舱中的循环和过滤空气相混合，使得所得的空气混合物包括外部空气和高度过滤空气的部分。一般地，客舱中的混合物连续地保持为外部空气体积的大概一半。货舱从各种源头接收空气，这些源头可包括外部空气或循环空气。在一些情况下，货舱不通风，使得其不接收空气。在任何情况下，货舱内的选定量的空气被释放至下部凸片颊板(lobe cheek)区域并且通过可由环境控制系统控制的外流阀从飞行器排出和/或通过其他装置排出，诸如通过机舱和/或货物门泄漏出。

飞行甲板和客舱内的空气温度通常经过仔细地调节从而获得飞行机组人员和乘客所需的舒适程度。因此，飞行器甲板和客舱通常包括各种温度检测装置，它们位于飞行甲板和客舱中，可在需要额外的冷却时控制该系统获得额外的冷却空气，在需要额外的加热时对应地增加额外的更高温度的空气。货舱内的空气温度通常可控制在更宽的温度范围内，使得货舱可容纳多种不同的货物。例如，当在货舱中装入易腐烂货物时，通常优选采用低空气温度，而当鲜活货物装入货舱运输时，优选有点温暖的空气温度。

当前的环境控制系统所具有的一个缺点就是，它们仅可通过连续地将空气移入货舱或者从凸片颊板移入货舱而对货舱提供额外的热量。可选择地，货舱内的空气可移动通过一个或多个电阻加热器以向货舱提供额外的热量。在另一方法中，一个或多个发动机的压缩机部分的热外部空气可引入舱内。因此，将热量从货舱空气中移除仅可通过被动装置实现(例如，通过将热量导引过飞行器的外部蒙皮)。为了获得更好的温度控制，经调节的空气可从机舱和/或飞行器甲板供给系统供给至货舱。由于这种方法通常会增加外部空气的需求，所以会不利地增加燃料的消耗。

现有技术所需要的是一种环境控制系统，该系统允许选定舱诸如货舱内的空气温度以节能的方式受到控制，避免额外地增加飞行器的重量并且最小化外部空气需求。

发明内容

本发明包括将经调节空气供给至飞行器机舱的选定部分的系统和方法在一个方面，一种用于飞行器机舱的环境控制系统，包括：货舱空气系统，该系统流体连接至空气源和货舱并且具有空气移动装置，该装置用于将空气从货舱中抽出并且将空气输送至流体连通至货舱的空气加热装置和空气冷却装置。温度控制系统操作连接至至少空气加热装置和空气冷却装置，该控制系统用于响应于检测到的舱温以保持舱内的预定空气温度。

在另一方面，一种用于飞行器的货舱循环系统，包括：空气移动装置，该装置流体连接至货舱并且用于从货舱移动一体积的空气；流体连接至货舱的空气加热装置和空气冷却装置。循环导管流体连接至空气移动装置并且用于选择性地将空气体积的至少一部分导引至空气加热装置和空气冷却装置，以及机外部分。温度控制系统操作连接至空气加热装置和空气冷却装置以及循环导管，该系统保持舱内的预定空气温度。

在另一方面，一种用于控制飞行器货舱内空气温度的方法，包括：选择设定点温度；测量舱内温度并且将测得温度与设定点温度比较以产生误差值。如果所产生的误差值是正的并且大于预定的误差标准，那么激活流体连接至货舱的循环系统的冷却部分以冷却从货舱抽出的空气体积。如果所产生的误差值是负的，那么激活流体连接至货舱的空气循环系统的加热部分以加热从货舱抽出的空气体积。

在另一方面，一种航空航天工具，包括：封装飞行器机舱的机身，具有至少一个货舱；以及位于机身内的货舱空气循环系统。该系统还包括：空气移动装置，该装置流体连接至货舱并且用于从货舱抽出空气并且将空气输送至流体连接至货舱的空气加热装置和空气冷却装置。温度控制系统操作连接至至少空气加热装置和空气冷却装置，该温度控制系统用于响应于检测到的舱温以保持舱内的预定空气温度。

附图说明

本发明的优选和备选实施例将在下文参照附图进行详细地说明。

图1是根据本发明实施例的用于飞行器的环境控制系统的示意性框图；

图2是根据本发明另一实施例的货舱循环系统30的局部示意图；

图3是根据本发明另一实施例的控制飞行器舱内空气温度的方法的框图；

图4是具有本发明的公开实施例的一个或多个的飞行器的侧视图。

具体实施方式

本发明涉及用于向飞行器机舱的选定部分诸如货舱提供经调节空气的系统和方法。本发明的特定实施例的许多具体细节阐述在随后的说明书和图1至4中从而提供这些实施例的完整理解。但是，本领域技术人员可知，本发明可具有其他的实施例或者本发明可在不采用下述说明书中记载的若干细节的情况下实现。

图1是根据本发明实施例的用于飞行器的环境控制系统10的示意性框图。环境控制系统10包括连接至飞行器的外部空气源12。一个空气源可以是从推进单元的压缩机部分抽出高温和高压空气的引气系统。可选择地，外部空气可由其他空气源提供。例如，外部空气可通过辅助动力单元(APU)供给，或者位于飞行器内的其他压缩装置，或者从其他空气源，诸如外部压缩空气供给。外部空气系统12可包括换热器，该换热器至少局部地将压缩的热量传输至环绕飞行器的空气流或者其他适当的废热移除介质。外部空气系统12流体连接至空气调节(A/C)充填系统14，该系统从外部空气系统12接收经抽出的空气(或外部空气)并且适当地调节外部空气以产生具有所需的可由飞行甲板和客舱16接受的温度和压力的空气。因此，A/C充填系统14总体包括一个或多个空气循环机(未在图1中示出)，其可用于通过外部空气的一系列受控压缩和膨胀而向机舱16提供空气。A/C充填系统14可包括各种从外部空气移除湿气的其他公知装置，并且进一步用于控制空气循环机的操作使得机舱16内的温度和压力适当地受到控制。虽然图1示出连接至外部空气系统12的A/C充填系统14，但是应该理解，A/C充填系统14可从辅助动力单元(APU)接收具有高温和高压的空气，该单元一般在飞行器处于地面时向飞行器提供压缩空气和电力。

再次参照图1，飞行器机舱16可再次分为多个分离的温度区域，诸如飞行甲板和客舱。可将温度传感器(同样未在图1中示出)定位在飞行甲板和客舱中，其与A/C充填系统连通从而提供反馈闭环控制。机舱16流体连接至循环系统28，该系统用于以预定的速率移除空气并且使所移除的空气经受高效空气过滤过程。经过滤的空气然后返回至机舱16并且与从A/C充填系统14获得的预定量外部空气结合。飞行器机舱16流体连接至下部凸片颊板区域18和货舱24。货舱24可以是单一的货舱或者进一步分为两个或多个相互隔离的舱，其通常用于容纳乘客的行李或者其他货物。货舱24接收从机舱16和下部凸片颊板区域18排出的空气。与货舱24流体连通的一个或多个机舱外流阀24选择性地从货舱24释放空气从而弥补供给至货舱24的空气以确保货舱气味不会进入机舱或者循环系统。因此，释放率通常大于供给率。

系统10也包括货物温度控制系统22，其可通过选择性地加热和/或冷却货舱空气来控制货舱24中的温度。因此，可选择性地将空气导引至热源和冷却槽23。由此导引的空气可由各种方法加热，包括采用绝缘加热器加热空气，通过从外部空气系统12获得一定量的相对高温空气(“trim air”)，或者通过导引所移除的空气通过换热器的一侧，并且导引更高温度的流体通过换热器的相对侧。在一项实施例中，更高温度的流体是从装置冷却系统获得的相对高温流体。可选择地，希望冷却货物供给空气时，空气可选择性地导引至系统32的冷却部分。因此，空气可导引通过换热器的一侧，同时换热器的相对侧接收相对低温的流体，诸如从空气循环机的膨胀阶段获得的或者从专用液体冷却剂回路(或者致冷剂回路)获得的低温空气，该回路可从换热器中移除的空气接收热量并且将热量排出至相对低温槽，诸如飞行器外部的低温空气流。在另一具体实施例中，专用冷却剂回路是使用公知致冷剂流体的致冷剂循环。

货舱温度控制系统22也包括温度控制系统，该系统通过测量货舱24中的温度并且将所测得的温度与反应货舱24的所需温度的设定点值相比较来可控制地调整货舱24中的温度。温度控制系统通过控制选择性地将移除空气导向至系统22的加热和冷却部分的值来可控制地调整温度。因此通过加热槽和/或热源的控制与进气阀52上游的货物循环和供给的控制的结合来实现控制。

图2是根据本发明另一实施例的货舱循环系统30的局部示意图。空气通过空气移动装置32从货舱24移除并且导引至循环导管34，该导管包括循环阀36和排放阀38。循环阀36和排放阀38由温度控制系统40控制从而分别获得所需的空气循环率和空气排放率。温度控制系统40将在下文进行更详细的讨论。如果空气由系统30排出，那么循环导管34将空气导引至飞行器的外部(或颊板)区域42，由此空气然后可由机舱出流阀26排放通过飞行器的机身蒙皮44。可选择地，如果空气由系统30进行循环，那么循环导管34将空气导引至空气加热器46从而选择性地向循环空气提供热量，进一步向空气冷却器38提供热量以选择性地将热量从循环空气移除。空气加热器46和空气冷却器48连接至温度控制系统40使得加热和冷却过程可受到控制。因此，温度控制系统40可中断地向电阻加热元件提供电流，或其可选择地通过整气阀(trim air valve)获得高温空气，或者提供至换热器，如前文所述。当希望冷却循环空气时，温度控制系统40可通过选择性地向换热器供给相对的低温流体来控制空气冷却器48的操作，如前文所述。循环空气然后通过分配导管50返回至货舱24，该分配导管通过一个或多个延伸穿过货舱24壁部的出口或者通过允许循环空气返回至货舱24的其他装置与货舱24流体连通。

货舱循环系统30也包括入口阀52，该阀连接至温度控制系统40并且用于从颊板区域42接收空气，或者其他飞行器系统，诸如A/C充填系统14(图1)，E/E冷却系统14(图1)或其他系统。在具体实施例中，入口阀52用于接收从飞行器中的电工/电子(E/E)舱排出的空气。从(E/E)舱排出的空气因此由位于舱中的装置加热，其有利地用于在需要时向货舱24提供额外的加热。可选择地，当不需要额外的加热时，入口阀52可至少部分地位于闭合位置，使得供给至阀52的进气可通过排出导管54排放入颊板区域42，而不是进入至舱24中。

温度控制系统40还连接至一个或多个热传感器56，其用于检测货舱24中的空气温度。因此，传感器56可包括任何公知的温度检测装置，诸如热电偶、温差电堆或者其他适当的温度检测装置。温度控制系统40因此测量空气温度并且将空气温度与由飞行机组成员或者由其他方式提供给系统40的所需设定点温度比较。系统40因此产生误差信号，该信号与货舱24内的测得空气温度与设定点温度之间的差值成比例，并且控制空气加热器46、空气冷却器48的操作以及循环阀36、排放阀38以及入口阀52的位置以最小化误差信号的大小。温度控制器40因此可采用比例控制算法。可选择地，在其他实施例中，温度控制系统40可采用比例-积分(P-I)或者比例-积分-微分(P-I-D)控制算法。

图3是根据本发明另一实施例的控制飞行器舱中温度的方法60的方框度。在方框62，选择设定点的温度。例如，飞行机组人员可选择设定点温度从而为机舱设定适当的机舱温度。如前文所述，当易腐烂货物装在货舱中时需要保持低的货舱温度，而当鲜活货物装在货舱中时，需要高的货舱温度。在方框64，测量货舱温度。温度可在货舱内的单一选定位置处进行测量，或者可从位于舱内选定地点的多个温度传感器获得适当的平均温度。在方框66，测得温度与设定点值比较，误差值ε根据测得温度与设定点之间的差值进行计算得到。在方框68，如果所得误差值的绝对值小于预定的误差标准ε₁，那么方法60终止，因为舱已经达到选定的设定点温度。如果所产生误差值的绝对值不小于预定的误差标准ε₁，那么在方框70，方法60确定所产生的误差值是否小于设定点。如果所产生的误差值为正，如方框70所示，那么温度大于设定点温度，并且舱需要额外的冷却。因此，系统28的冷却部分(图1)在方框74处被激活以向舱提供额外的冷却。方法60然后递归地返回至方框64并且继续冷却直到计算的误差汇聚至预定的误差标准。另外，误差值ε为负并且货舱温度小于设定点值，使得系统28的加热部分(图1)在方框72处激活。方框72然后递归地返回至方框64，继续加热直到误差汇聚至误差标准。

本领域技术人员也可容易地得知，前述实施例可应用至很大范围内的不同系统。现在具体参照图4，示出具有一个或多个本发明公开实施例的飞行器300的侧视图。除了根据本发明的实施例，飞行器300包括相关技术中公知的部件和子系统。例如，飞行器300通常包括连接至机翼组件304的一个或多个推进单元302，或者可选择地，连接至机身306或者甚至飞行器30的其他部分。另外，飞行器300也包括连接至机身306的尾部组件308和着陆组件310。飞行器300还包括飞行控制系统312(未在图4中示出)以及多个其他电子、机械和电动机械系统，这些系统配合地执行飞行器300操作所需的各种任务。因此，飞行器300通常表示商用客机，其可包括例如IL.，芝加哥的波音公司售卖的737、747、757、767和777商业客机。虽然图4所示的飞行器300通常示出商用客机，但是可理解，本发明的各种实施例也可结合入其他类型的飞行装置。这种飞行器的实例可包括人工的或甚至非人工的军用飞行器，旋翼飞行器或者甚至轰炸战斗机，如各种文献更加完整记载的那样，诸如UK，Surrey，Coulsdon的Janes’s Information Group，Ltd.售卖的Jane’s All The World’s Aircraft。另外，本发明的各种实施例也可结合入其他运输车辆，包括各种类型的乘客铁路车、乘客公交车或者其他类似的路面车辆。

再次参照图4，飞行器300可包括根据本发明的环境控制系统314的一个或多个实施例，其可与飞行器300的各种系统和子系统关联操作。环境控制系统314可用于控制飞行器300货舱内的空气温度，如前文详细说明。但是，系统314可用于可控制地调节其他选定舱中的空气温度，诸如运货飞行器中的主货物甲板，或者以组合结构操作的飞行器的货物部分。

虽然已经如上所述示出和描述了本发明的优选和备选实施例，但是可在不脱离本发明的精髓和范围的情况下进行许多改变。因此，发明的范围由这些优选和备选实施例的公开内容限定。替代地，本发明应该参照随后的权利要求完整地确定。

Claims (25)

1.一种用于飞行器货舱的环境控制系统，包括：

货舱空气系统，该系统流体连接至空气源和货舱并且具有空气移动装置，该装置用于将空气从货舱中抽出并且将空气输送至流体连通至货舱的空气加热装置和空气冷却装置；以及

操作连接至至少空气加热装置和空气冷却装置的温度控制系统，该温度控制系统用于响应于检测到的舱温以大概保持舱内的预定空气温度。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，货舱空气系统还包括连接至空气源的循环导管，该系统流体连接空气移动装置以及空气加热和空气冷却装置，其中，循环导管用于从温度控制系统接收信号从而控制在空气移动装置与空气加热和冷却装置之间移动的抽出空气的体积。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，循环导管还包括排放导管，该导管用于将至少一部分抽出空气排放至机外排放位置，排放率大于或等于从空气源供给的空气的量。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，货舱空气系统还包括在空气加热装置与空气冷却装置之间延伸的分配导管，其将这些装置流体连接至货舱，分配导管具有多于一个的排放出口，该排放出口从货舱的衬套伸出。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，温度控制系统还包括至少一个温度传感器，该传感器位于货舱内并且操作连接至温度控制系统。

6.一种用于飞行器的货舱循环系统，包括：

空气移动装置，该装置流体连接至货舱并且用于移动一体积的空气；

流体连接至货舱的空气加热装置和空气冷却装置；

循环导管，该导管流体连接至空气移动装置并且用于选择性地将空气体积的至少一部分导引至空气加热装置和空气冷却装置；以及

温度控制系统，该系统操作连接至空气加热装置和空气冷却装置，该系统响应于检测到的货舱温度以保持舱内的预定空气温度。

7.根据权利要求6所述的系统，还包括空气分配导管，该导管将空气加热装置和空气冷却装置流体连接至货舱，分配导管具有延伸穿过货舱壁部的多个间隔开的排放位置。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，循环导管还包括流体连接至机外排放位置的排放导管部分。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，循环导管还包括延伸穿过飞行器机身部分的出流阀。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，循环导管还包括流体连接至排放导管部分和空气移动装置的排放阀，以及流体连接至空气移动装置以及空气加热装置和空气冷却装置的循环阀。

11.根据权利要求6所述的系统，还包括入口阀，该入口阀连接至经调节的空气源并且流体连接至空气加热装置和空气冷却装置，还流体连接至循环导管。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，经调节的空气源包括从飞行器内的电工/电子(E/E)舱排放的空气。

13.根据权利要求6所述的系统，其中，温度控制系统连接至与货舱热连通的至少一个温度传感器。

14.根据权利要求6所述的系统，其中，空气加热装置是电绝缘加热装置，温度控制系统用于控制供给至电绝缘加热装置的电流。

15.根据权利要求6所述的系统，其中，空气冷却装置包括连接至流体冷却回路的换热器、吸热器、冷空气源和致冷剂回路的至少一个，温度控制系统用于控制流体冷却回路中的流体流动。

16.一种用于控制飞行器货舱内空气温度的方法，包括：

选择设定点温度；

测量舱内温度并且将测得温度与设定点温度比较以产生误差值；

如果所产生的误差值是正的并且大于预定的误差标准，那么激活流体连接至货舱的循环系统的冷却部分以冷却从货舱抽出的空气体积；并且

如果所产生的误差值是负的，那么激活流体连接至货舱的空气循环系统的加热部分以加热从货舱抽出的空气体积。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，测量舱内温度还包括从位于舱内的间隔开的传感器获得多个温度并且适当地取这些温度的平均值以得到测得温度。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，激活冷却部分还包括将流体冷却回路连接至用于接收所抽出空气体积的换热器。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，激活加热部分还包括将电流连接至用于接收所抽出空气体积的电阻加热装置。

20.一种用于控制飞行器货舱中空气温度的方法，包括：

从空气源获得一体积的空气；

从连接至货舱的空气循环系统接收一体积的空气；

测量舱内空气体积的温度并且将该温度与预选择的设定点温度比较以产生误差值；

将该误差值与预定误差标准进行比较；并且

根据所进行的比较改变货舱温度。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，比较误差值还包括确定该误差值是否为正并且大于误差标准，改变货舱温度进一步包括激活流体连接至货舱的空气循环系统的冷却部分从而冷却从货舱抽出的一体积的空气。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，比较误差值还包括确定该误差值是否为负，改变货舱温度还包括激活流体连接至货舱的空气循环系统的加热部分从而加热从货舱抽出的空气体积。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，激活冷却部分还包括将流体冷却回路连接至用于接收所抽出体积空气的换热器。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，激活加热部分还包括将电流连接至用于接收所抽出体积的空气的电阻加热装置。

25.一种航空航天工具，包括：

封装飞行器机舱的机身，具有至少一个货舱；以及

位于机身内的货舱空气循环系统，该系统还包括：

空气移动装置，该装置流体连接至货舱并且用于从货舱抽出空气并且将空气输送至流体连接至货舱的空气加热装置和空气冷却装置；以及

操作连接至至少空气加热装置和空气冷却装置的温度控制系统，该温度控制系统用于响应于检测到的舱温以大概保持舱内的预定空气温度。

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