CN103373469B - 飞行器热控制系统、操作热控制系统的方法以及飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种飞行器热控制系统及操作飞行器热控制系统的方法。该飞行器热控制系统（10）包括包含内部回路（14）、蒸发器（16）和冷凝器（18）的热控制单元（12），蒸发器（16）和冷凝器（18）被设置在内部回路（14）中。飞行器热控制系统（10）进一步包括与热控制单元（12）的蒸发器（16）热耦接的冷却回路（26）和与热控制单元（12）的冷凝器（18）热耦接的加热回路（28）。

Description

飞行器热控制系统、操作热控制系统的方法以及飞行器
技术领域
本发明涉及飞行器热控制系统及操作飞行器热控制系统的方法。
背景技术
例如在DE102008053320A1或未公布的DE102010054448中记载的被称作基于空气的空调系统目前通常在商用飞行器中用来对飞行器舱进行空调。飞行器空调系统起到冷却飞行器舱的作用，否则飞行器舱会因热负荷(例如乘客的体热和来自飞行器上存在的装备的废热)而过热。
此外，DE102006005035B3、WO2007/088012A1、DE102009011797A1和US2010/0251737A1记载了使用二相制冷剂操作的冷却系统，该冷却系统可以例如用来冷却在客机上储存的并打算供应给乘客的食物。飞行器上的电气或电子部件(例如航空电子系统)可以通过飞行器空调系统来冷却或者通过例如在DE102006005035B3、WO2007/088012A1、DE102009011797A1和US2010/0251737A1中记载的冷却系统来冷却。
发明内容
本发明的目标在于提供一种可以以特别灵活的方式操作的飞行器热控制系统。本发明的另一目标在于提供一种操作这种飞行器热控制系统的方法。
这些目标是通过具有以下特征的飞行器热控制系统和具有以下特征的操作飞行器热控制系统的方法来实现的。
该飞行器热控制系统包括：热控制单元，包含内部回路、蒸发器和冷凝器，所述蒸发器和所述冷凝器被设置在所述内部回路中；冷却回路，热耦接至所述热控制单元的所述蒸发器；以及加热回路，热耦接至所述热控制单元的所述冷凝器，其特征在于：所述冷却回路的离开所述热控制单元的冷却剂供给管路包括热连接至第一冷却能量消耗者的第一管路分支和热连接至第二冷却能量消耗者的第二管路分支，其中第一控制阀适合于控制冷却剂从所述热控制单元往所述第一冷却能量消耗者和所述第二冷却能量消耗者的流动，并且所述加热回路的离开所述热控制单元的加热介质供给管路包括热连接至第一加热能量消耗者的第一管路分支和热连接至第二加热能量消耗者的第二管路分支，其中第二控制阀适合于控制加热介质从所述热控制单元往所述第一加热能量消耗者和所述第二加热能量消耗者的流动，其中所述第一冷却能量消耗者和所述第一加热能量消耗者是飞行器舱。
该操作飞行器热控制系统的方法包括下列步骤：提供热控制单元，所述热控制单元包含内部回路、蒸发器和冷凝器，所述蒸发器和所述冷凝器被设置在所述内部回路中；使冷却剂循环穿过冷却回路，所述冷却回路热耦接至所述热控制单元的所述蒸发器；以及使加热介质循环穿过加热回路，所述加热回路热耦接至所述热控制单元的所述冷凝器，其特征在于：将离开所述热控制单元的冷却剂引导穿过所述冷却回路的冷却剂供给管路，所述冷却剂供给管路包括热连接至第一冷却能量消耗者的第一管路分支和热连接至第二冷却能量消耗者的第二管路分支，其中第一控制阀控制冷却剂从所述热控制单元往所述第一冷却能量消耗者和所述第二冷却能量消耗者的流动，并且将离开所述热控制单元的加热介质引导穿过所述加热回路的加热介质供给管路，所述加热介质供给管路包括热连接至第一加热能量消耗者的第一管路分支和热连接至第二加热能量消耗者的第二管路分支，其中第二控制阀控制加热介质从所述热控制单元往所述第一加热能量消耗者和所述第二加热能量消耗者的流动，其中所述第一冷却能量消耗者和所述第一加热能量消耗者是飞行器舱。
根据本发明的飞行器热控制系统包括热控制单元，所述热控制单元包含内部回路、蒸发器和冷凝器。所述蒸发器和所述冷凝器被设置在所述内部回路中。在所述热控制单元的所述内部回路中还可以设置节流阀和压缩机。最后，在所述热控制单元的所述内部回路中可以提供蓄存器。从根本上说，所述热控制单元可以作为制冷器工作。然而，优选地，所述热控制单元被设计成作为热泵工作。这可以通过关于热控制单元的单独部件的性能、工作范围等适当地设计热控制单元的单独部件而以众所周知的方式实现。所述热控制单元可以被设计成使用穿过所述热控制单元的所述内部回路循环的两相制冷剂操作。在所述热控制单元的所述蒸发器中，穿过所述内部回路循环的制冷剂在吸热的热力学反应中从液体聚集态转变为气体聚集态。在所述热控制单元的所述冷凝器中，穿过所述内部回路循环的制冷剂在放热的热力学反应中从气体聚集态转变为液体聚集态。
冷却回路热耦接至所述热控制单元的所述蒸发器。因此，通过穿过所述热控制单元的所述内部回路循环的制冷剂在所述蒸发器中蒸发时释放的冷却能量的传递，可以冷却在所述冷却回路中循环的冷却剂。通过例如以热交换器的形式设计所述蒸发器，可以实现所述热控制单元的所述蒸发器和所述冷却回路之间的热耦接。
此外，加热回路热耦接至所述热控制单元的所述冷凝器。因此，通过穿过所述热控制单元的所述内部回路循环的制冷剂在所述冷凝器中冷凝时释放的加热能量的传递，可以加热在所述加热回路中循环的加热介质。通过例如以热交换器的形式设计所述冷凝器，可以实现所述热控制单元的所述冷凝器和所述加热回路之间的热耦接。
在飞行器上通常发生多个冷却任务和加热任务，多个冷却任务和加热任务可以随飞行器的操作状态和随环境温度而变化。飞行器上典型的冷却能量消耗者是例如发热的电气或电子部件、待供给乘客的食物或在高环境温度下的飞行器地面操作期间的飞行器舱。飞行器上典型的加热能量消耗者是例如温度敏感的电气或电子部件、水系统、机翼或者在低环境温度下的飞行器飞行操作或地面操作期间的飞行器舱。根据本发明的飞行器热控制系统采用单个热控制单元来用于冷却用途和加热用途。因此，所述飞行器热控制系统可以按需要以特别灵活的方式用于冷却用途或者加热用途。所述飞行器热控制系统甚至还允许同时进行冷却能量消耗者的冷却和加热能量消耗者的加热。因此，所述飞行器热控制系统可以以特别高能效的方式操作。
优选地，所述热控制单元适合于使用CO2作为在所述热控制单元的所述内部回路中循环的两相制冷剂来操作。与像例如R134a这样的传统两相制冷剂相反，CO2是环保的。如果需要，也可以采用CO2作为在所述冷却回路中循环的冷却剂和/或在所述加热回路中循环的加热介质。
所述冷却回路的离开所述热控制单元的冷却剂供给管路可以包括热连接至第一冷却能量消耗者的第一管路分支和热连接至第二冷却能量消耗者的第二管路分支。所述冷却回路和冷却能量消耗者之间的热连接可以通过例如合适的热交换器实现。如果需要，热交换器可以以蒸发器的形式设计，蒸发器允许在所述冷却回路中循环的冷却剂在将冷却能量释放给冷却能量消耗者时从液体聚集态转变成气体聚集态。如果需要，两个以上的冷却能量消耗者可以经由各自的管路分支热连接至所述冷却剂供给管路。
控制阀可以适合于控制冷却剂从所述热控制单元往所述第一冷却能量消耗者和所述第二冷却能量消耗者的流动。通过所述控制阀，可以关于由所述热控制单元提供的冷却能量的供给对冷却能量消耗者进行优先级区分。例如在飞行器的特定操作阶段期间或在特定的环境温度下没有冷却需求的冷却能量消耗者，也可以通过控制阀与所述冷却回路切断。优选地，对所述控制阀进行设计，以便允许冷却剂从所述热控制单元往所述第一冷却能量消耗者和所述第二冷却能量消耗者的分阶段可变的或连续可变的流动。如果两个以上的冷却能量消耗者热连接至所述冷却剂供给管路，则可以提供适合的阀门或多个阀门来控制冷却剂从所述热控制单元往所有冷却能量消耗者的流动。
所述加热回路的离开所述热控制单元的加热介质供给管路可以包括热连接至第一加热能量消耗者的第一管路分支和热连接至第二加热能量消耗者的第二管路分支。所述加热回路和加热能量消耗者之间的热连接可以通过例如合适的热交换器实现。如果需要，热交换器可以以冷凝器的形式设计，冷凝器允许在所述加热回路中循环的加热介质在将加热能量释放给加热能量消耗者时从气体聚集态转变成液体聚集态。如果需要，两个以上的加热能量消耗者可以经由各自的管路分支热连接至所述加热介质供给管路。
控制阀可以适合于控制加热介质从所述热控制单元往所述第一加热能量消耗者和所述第二加热能量消耗者的流动。通过所述控制阀，可以关于由所述热控制单元提供的加热能量的供给对加热能量消耗者进行优先级区分。例如在飞行器的特定操作阶段期间或在特定的环境温度下没有加热需求的加热能量消耗者，也可以通过控制阀与所述加热回路切断。优选地，对所述控制阀进行设计，以便允许加热介质从所述热控制单元往所述第一加热能量消耗者和所述第二加热能量消耗者的分阶段可变的或连续可变的流动。如果两个以上的加热能量消耗者热连接至所述加热介质供给管路，则可以提供适合的阀门或多个阀门来控制加热介质从所述热控制单元往所有加热能量消耗者的流动。
优选地，所述第一冷却能量消耗者或所述第二冷却能量消耗者是飞行器环境。由所述热控制单元提供的冷却能量可以通过适合的热交换器而传递给飞行器环境，适合的热交换器例如是外层热交换器或用环境空气流过的热交换器。使用飞行器环境作为被供给来自热控制单元的冷却能量的冷却能量消耗者之一允许例如在飞行器的特定操作阶段期间不能在飞行器上使用的过多冷却能量被耗散给环境。
可替代地或除此以外，优选地，所述第一加热能量消耗者或所述第二加热能量消耗者是飞行器环境。由所述热控制单元提供的加热能量可以通过适合的热交换器而传递给飞行器环境，适合的热交换器例如是外层热交换器或用环境空气流过的热交换器。使用飞行器环境作为被供给来自热控制单元的加热能量的加热能量消耗者之一允许例如在飞行器的特定操作阶段期间不能在飞行器上使用的过多加热能量被耗散给环境。
所述飞行器热控制系统的所述冷却回路可以热耦接至多个热控制单元的蒸发器。可替代地或除此以外，所述加热回路可以热耦接至多个热控制单元的冷凝器。在采用多个热控制单元的飞行器热控制系统中，可以容易地补偿单个热控制单元故障。单独的热控制单元还可以具有较小的冷却/加热容量，因此包括较少量的制冷剂。因此，单独的热控制单元的内部回路的泄露不会导致大量的制冷剂被释放给环境。最后，可以实现高的冷却和/或加热性能。结果，可以对循环穿过冷却回路的冷却剂和/或循环穿过加热回路的加热介质选择特定的设置温度，该特定的设置温度能够在飞行器热控制系统的全部操作阶段期间得到保持。
在根据本发明的操作飞行器热控制系统的方法中，提供包含内部回路、蒸发器和冷凝器的热控制单元。所述蒸发器和所述冷凝器被设置在所述内部回路中。使冷却剂循环穿过冷却回路，所述冷却回路热耦接至所述热控制单元的所述蒸发器。使加热介质循环穿过加热回路，所述加热回路热耦接至所述热控制单元的所述冷凝器。
可以使用CO2作为在所述热控制单元的所述内部回路中循环的制冷剂。
可以将离开所述热控制单元的冷却剂引导穿过所述冷却回路的冷却剂供给管路，所述冷却剂供给管路包括热连接至第一冷却能量消耗者的第一管路分支和热连接至第二冷却能量消耗者的第二管路分支。控制阀可以控制冷却剂从所述热控制单元往所述第一冷却能量消耗者和所述第二冷却能量消耗者的流动。
可以将离开所述热控制单元的加热介质引导穿过所述加热回路的加热介质供给管路，所述加热介质供给管路包括热连接至第一加热能量消耗者的第一管路分支和热连接至第二加热能量消耗者的第二管路分支。控制阀可以控制加热介质从所述热控制单元往所述第一加热能量消耗者和所述第二加热能量消耗者的流动。
所述第一冷却能量消耗者或所述第二冷却能量消耗者可以是飞行器环境。可替代地或除此以外，所述第一加热能量消耗者或所述第二加热能量消耗者可以是飞行器环境。
所述冷却回路可以热耦接至多个热控制单元的蒸发器。可替代地或除此以外，所述加热回路可以热耦接至多个热控制单元的冷凝器。
一种根据本发明的飞行器包括上面描述的飞行器热控制系统。在该飞行器中，可以采用多个独立的飞行器热控制系统。多个独立的飞行器热控制系统具有上面关于采用多个热控制单元的飞行器热控制系统介绍的优点。另外，可以根据各种需求专门地设计独立的飞行器热控制系统，并且如果需要，独立的飞行器热控制系统可以容易地被替换，而不会影响飞行器上的其它系统。
所述飞行器热控制系统的热控制单元可以被安装在飞行器的客舱、货舱、腹部整流罩和/或尾锥中。特别地，如果可能的话，那么可以选择所述热控制单元的安装位置，使得冷却回路和加热回路的管路长度保持较短。
所述飞行器热控制系统的热控制单元可以装备有消音壳，根据所述热控制单元的在所述飞行器中的安装位置来调节所述消音壳的消音特性。例如，在客舱中安装或邻近客舱安装的热控制单元可以装备有具有高消音性能的消音壳。与之相反，例如在飞行器的腹部整流罩或尾锥中的飞机次要结构后面安装的热控制单元可以完全没有消音壳或者具有仅有低消音性能的小尺寸、轻重量的消音壳。
附图说明
现在对照所附示意图更详细地介绍本发明的优选实施例，其中：
图1示出飞行器热控制系统；
图2示出在根据图1的飞行器热控制系统中采用的热控制单元；以及
图3示出根据图1的飞行器热控制系统在飞行器中的可能安装位置。
具体实施方式
图1描绘飞行器热控制系统10，飞行器热控制系统10包括热控制单元12。如从图2中变得清楚的，热控制单元12包括内部回路14、蒸发器16和冷凝器18，蒸发器16和冷凝器18被设置在内部回路14中。此外，在热控制单元12的内部回路14中设置节流阀20、压缩机22和蓄存器24。热控制单元12被设计成作为热泵工作并且被设计成使用环保的CO2操作，环保的CO2作为在热控制单元12的内部回路14中循环的两相制冷剂。在热控制单元12的蒸发器16中，循环穿过内部回路14的CO2在吸热的热力学反应中从液体聚集态转变成气体聚集态。在热控制单元12的冷凝器18中，循环穿过内部回路14的CO2在放热的热力学反应中从气体聚集态转变成液体聚集态。
热控制单元12的蒸发器16是以热交换器的形式设计的并且热耦接至冷却回路26。因此，通过循环穿过热控制单元12的内部回路14的CO2在蒸发器16中蒸发时释放的冷却能量的传递，可以冷却在冷却回路26中循环的冷却剂。热控制单元12的冷凝器18也是以热交换器的形式设计的并且热耦接至加热回路28。因此，通过循环穿过热控制单元12的内部回路14的CO2在冷凝器18中冷凝时释放的加热能量的传递，可以加热在加热回路28中循环的加热介质。
冷却回路26包括冷却剂供给管路30，冷却剂供给管路30离开热控制单元12。冷却剂供给管路30包括经由第一热交换器32热连接至第一冷却能量消耗者的第一管路分支30a和经由第二热交换器34热连接至第二冷却能量消耗者的第二管路分支30b。在冷却剂供给管路30中设置控制阀36，控制阀36用于控制冷却剂从热控制单元12往第一热交换器32和第二热交换器34的流动，因此用于控制冷却能量向第一冷却能量消耗者和第二冷却能量消耗者的供给。
类似地，加热回路28包括加热介质供给管路38，加热介质供给管路38离开热控制单元12。加热介质供给管路38包括经由第三热交换器40热连接至第一加热能量消耗者的第一管路分支38a和经由第四热交换器42热连接至第二加热能量消耗者的第二管路分支38b。在加热介质供给管路38中设置控制阀44，控制阀44用于控制加热介质从热控制单元12往第三热交换器40和第四热交换器42的流动，并且，因此用于控制加热能量向第一加热能量消耗者和第二加热能量消耗者的供给。
在根据图1的热控制系统10的示例性实施例中，第一冷却能量消耗者和第一加热能量消耗者是飞行器舱。因此，根据飞行器的操作状态，热控制单元12可以用来冷却飞行器舱或加热飞行器舱。例如，在高环境温度下，热控制系统10在控制单元46的控制下可以用于经由冷却回路26向飞行器舱供给冷却能量。与之相反，在低环境温度下，控制单元46可以控制热控制系统10，使得加热能量经由加热回路28被供给飞行器舱。
在可替代实施例中，第一冷却能量消耗者可以不同于第一加热能量消耗者。例如，第一冷却能量消耗者可以是飞行器的发热电气或电子部件，而第一加热能量消耗者可以是飞行器舱。于是可以例如控制热控制系统10，以同时冷却电气或电子部件和加热飞行器舱。
在图1的热控制系统10中，第二冷却能量消耗者和第二加热能量消耗者是飞行器环境。由热控制单元12提供的冷却能量可以通过第二热交换器34传递给飞行器环境，第二热交换器34可以被形成为外层热交换器或用环境空气流过的热交换器。由热控制单元12提供的加热能量可以通过第四热交换器42传递给飞行器环境，第四热交换器42也可以是外层热交换器或用环境空气流过的热交换器。使用飞行器环境作为冷却能量消耗者之一允许例如在飞行器的特定操作阶段期间不能在飞行器上使用的过多冷却能量被耗散给环境。类似地，使用飞行器环境作为加热能量消耗者之一允许例如在飞行器的特定操作阶段期间不能在飞行器上使用的过多加热能量被耗散给环境。
如从图3中变得清楚的，飞行器可以包括多个独立的飞行器热控制系统10。飞行器热控制系统10的热控制单元12可以被安装在飞行器的客舱、货舱、腹部整流罩和/或尾锥中。飞行器热控制系统10的热控制单元12装备有消音壳，根据热控制单元12在飞行器中的安装位置调节消音壳的消音特性。

Claims (11)

1.一种飞行器热控制系统(10)，包括：
热控制单元(12)，包含内部回路(14)、蒸发器(16)和冷凝器(18)，所述蒸发器(16)和所述冷凝器(18)被设置在所述内部回路(14)中；
冷却回路(26)，热耦接至所述热控制单元(12)的所述蒸发器(16)；以及
加热回路(28)，热耦接至所述热控制单元(12)的所述冷凝器(18)，
其特征在于：
所述冷却回路(26)的离开所述热控制单元(12)的冷却剂供给管路(30)包括热连接至第一冷却能量消耗者的第一管路分支(30a)和热连接至第二冷却能量消耗者的第二管路分支(30b)，其中第一控制阀(36)适合于控制冷却剂从所述热控制单元(12)往所述第一冷却能量消耗者和所述第二冷却能量消耗者的流动，并且
所述加热回路(28)的离开所述热控制单元(12)的加热介质供给管路(38)包括热连接至第一加热能量消耗者的第一管路分支(38a)和热连接至第二加热能量消耗者的第二管路分支(38b)，其中第二控制阀(44)适合于控制加热介质从所述热控制单元(12)往所述第一加热能量消耗者和所述第二加热能量消耗者的流动，
其中所述第一冷却能量消耗者和所述第一加热能量消耗者是飞行器舱。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述热控制单元(12)适合于使用CO2作为在所述内部回路(14)中循环的制冷剂来操作。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述第二冷却能量消耗者是飞行器环境，和/或
所述第二加热能量消耗者是飞行器环境。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于：
所述冷却回路(26)热耦接至多个热控制单元(12)的蒸发器(16)，和/或
所述加热回路(28)热耦接至多个热控制单元(12)的冷凝器(18)。
5.一种操作飞行器热控制系统(10)的方法，包括下列步骤：
提供热控制单元(12)，所述热控制单元(12)包含内部回路(14)、蒸发器(16)和冷凝器(18)，所述蒸发器(16)和所述冷凝器(18)被设置在所述内部回路(14)中；
使冷却剂循环穿过冷却回路(26)，所述冷却回路(26)热耦接至所述热控制单元(12)的所述蒸发器(16)；以及
使加热介质循环穿过加热回路(28)，所述加热回路(28)热耦接至所述热控制单元(12)的所述冷凝器(18)，
其特征在于：
将离开所述热控制单元(12)的冷却剂引导穿过所述冷却回路(26)的冷却剂供给管路(30)，所述冷却剂供给管路(30)包括热连接至第一冷却能量消耗者的第一管路分支(30a)和热连接至第二冷却能量消耗者的第二管路分支(30b)，其中第一控制阀(36)控制冷却剂从所述热控制单元(12)往所述第一冷却能量消耗者和所述第二冷却能量消耗者的流动，并且
将离开所述热控制单元(12)的加热介质引导穿过所述加热回路(28)的加热介质供给管路(38)，所述加热介质供给管路(38)包括热连接至第一加热能量消耗者的第一管路分支(38a)和热连接至第二加热能量消耗者的第二管路分支(38b)，其中第二控制阀(44)控制加热介质从所述热控制单元(12)往所述第一加热能量消耗者和所述第二加热能量消耗者的流动，
其中所述第一冷却能量消耗者和所述第一加热能量消耗者是飞行器舱。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
使用CO2作为在所述热控制单元(12)的所述内部回路(14)中循环的制冷剂。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述第二冷却能量消耗者是飞行器环境，和/或
所述第二加热能量消耗者是飞行器环境。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于：
所述冷却回路(26)热耦接至多个热控制单元(12)的蒸发器(16)，和/或
所述加热回路(28)热耦接至多个热控制单元(12)的冷凝器(18)。
9.一种飞行器，包括：
根据权利要求1至4中任一项所述的飞行器热控制系统(10)。
10.根据权利要求9所述的飞行器，其特征在于：
所述飞行器热控制系统(10)的热控制单元(12)被安装在所述飞行器的客舱、货舱、腹部整流罩和/或尾锥中。
11.根据权利要求10所述的飞行器，其特征在于：
所述飞行器热控制系统(10)的所述热控制单元(12)装备有消音壳，所述消音壳被配置为根据所述热控制单元(12)在所述飞行器中的安装位置来调节所述消音壳的消音特性。
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