CN108146638A - 飞机空调系统和用于运行飞机空调系统的方法 - Google Patents

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Abstract

飞机空调系统和用于运行飞机空调系统的方法，该系统包括：环境空气管线，适于供环境空气流过并连接至混合器以向混合器供应环境空气；客舱废气管线，连接至飞机客舱并供客舱废气流过；和引气管线，适于供从发动机排出的引气流过。在环境空气管线中布置有压缩环境空气的环境空气压缩机。制冷装置，包括供制冷剂流过的制冷剂回路和布置在制冷剂回路中的制冷剂压缩机，制冷剂回路热耦合至环形空气管线，以在环境空气被供应至混合器前将来自流过环境空气管线的环境空气的热量转移至在制冷剂回路中循环的制冷剂。涡轮机联接至环境空气压缩机并配置为驱动环境空气压缩机。控制设备控制飞机空调系统的运行，使得在第一运行状态中涡轮机被供应来自环境空气管线的环境空气，在第二运行状态中涡轮机被供应来自引气管线的引气与来自客舱废气管线的客舱废气的混合物。

Description

飞机空调系统和用于运行飞机空调系统的方法
技术领域
本发明涉及一种飞机空调系统和用于运行飞机空调系统的方法。
背景技术
飞机空调系统用于在飞机客舱中设定并保持期望的压力、期望的温度和期望的空气湿度。另外，飞机空调系统向飞机客舱供应充足的新鲜空气以确保规定的最小量新鲜空气在飞机客舱中可用。飞机空调系统从EP2 735 510A1和US2014/0144163A1中可知，其中使用两相制冷剂运行的制冷装置用于冷却由多阶压缩机压缩的环境空气。制冷装置包括制冷剂回路，其中布置有压缩机、液化器、膨胀阀和蒸发器，将被冷却的空气流动通过其中。从飞机的发动机或辅助动力单元排出的引气用于推动制冷装置的压缩机并推动用于压缩环境空气的多阶压缩机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞机空调系统，其有助于飞机客舱的节能的空气调节。本发明的目的还在于提出一种运行这种飞机空调系统的方法。
此目的通过具有权利要求1的特征的飞机空调系统和具有权利要求12的特征的用于运行飞机空调系统的方法实现。
一种飞机空调系统包括环境空气管线，适于供环境空气流动通过并连接至该飞机空调系统的混合器以向该混合器供应取自飞机环境的环境空气。环境空气向该环境空气管线的供应能够通过布置在该环境空气管线中的阀控制。连接至该环境空气管线的该混合器能够为该飞机空调系统的预混合器或主混合器，除了来自该环境空气管线的环境空气，经由再循环空气管线从将由该飞机空调系统空气调节的飞机客舱排放的再循环空气能够被供应至该混合器。在该混合器中，来自该环境空气管线的环境空气与从该飞机客舱排放的再循环空气混合。在该混合器中产生的混合空气最后用于空气调节该飞机客舱。
客舱废气管线可连接至将由该飞机空调系统空气调节的该飞机客舱，并如同该再循环空气管线一样适于供从该飞机客舱排放的空气客舱废气流动通过。该飞机空调系统进一步包括适于供引气流动通过的引气管线。流动通过该引气管线的该引气能够从装配有该飞机空调系统的飞机的发动机或辅助动力单元排出。为了控制引气流入该引气管线中，合适的控制阀能够布置在该引气管线中。该飞机空调系统进一步包括环境空气压缩机，布置在该环境空气管线中用于压缩流动通过该环境空气管线的环境空气。
该飞机空调系统的制冷装置包括适于供制冷剂流动通过的制冷剂回路和布置在该制冷剂回路中的制冷剂压缩机。该制冷剂回路优选例如通过构造为蒸发器形式的热交换器而热耦合至该环境空气管线，从而在环境空气向混合器的供应之前将热量从流动通过该环境空气管线的环境空气转移至在该制冷剂回路中循环的制冷剂。在该飞机空调系统中，空气调节过程随后发生，其中环境空气首先通过该环境空气压缩机压缩，然后通过热量向在该制冷装置的该制冷剂回路中循环的制冷剂的转移而冷却至期望的温度。此空气调节过程的效率能够通过环境空气在该环境空气压缩机中合适的预压缩而如需要地控制。
该飞机空调系统进一步装配有涡轮机，其联接至该环境空气压缩机并配置为驱动该环境空气压缩机。该飞机空调系统的控制设备配置为控制该飞机空调系统的运行，使得该涡轮机在该飞机空调系统的第一运行状态中被供应来自该环境空气管线的环境空气，并在该飞机空调系统的第二运行状态中被供应来自该引气管线的引气与来自该客舱废气管线的客舱废气的混合物。在该飞机空调系统的第一运行状态中，预压缩的环境空气的压力因此用于驱动该涡轮机，由此由于环境空气的压缩而使用的一部分能量能够被回收。在该飞机空调系统的第一运行状态中，该涡轮机被单独地供应环境空气，也就是引气和客舱废气向该涡轮机的供应在该飞机空调系统的第一运行状态中被阻止。
另一方面，在该飞机空调系统的第二运行状态中，在装配有该飞机空调系统的飞机的飞行模式中，在某飞行海拔高度以上超出飞机外部的环境压力的从飞机客舱排放的废气的压力用于能量回收。从预压缩的环境空气和客舱废气回收的能量用于驱动该环境空气压缩机。该空调系统的引气需求能够由此而降低。供应引气的发动机或辅助动力单元能够相应地以特别节能的方式运行。
该控制设备优选地配置为控制该飞机空调系统的运行，使得在装配该飞机空调系统的飞机的地面运行中，该涡轮机被供应来自该环境空气管线的环境空气，并且在装配该飞机空调系统的飞机的飞行模式中，其被供应来自该引气管线的引气与来自该客舱废气管线的客舱废气的混合物。在装配该飞机空调系统的飞机的地面运行中，环境空气在流动通过该环境空气压缩机时优选被压缩至高于目标客舱压力的压力，从而允许环境空气的除湿和随后的驱动该涡轮机的环境空气的使用。然后环境空气的冷却通过向该制冷装置的该制冷剂回路的热量的转移和通过该涡轮机中环境空气的膨胀而发生。
另一方面，在装配该飞机空调系统的飞机的飞行模式中，从该飞机客舱排放的废气的压力在某飞行海拔高度(大约6000m)以上超出飞机外部的环境压力。在装配该飞机空调系统的飞机的飞行模式中，特别在6000m的飞行海拔高度以上，除了引气，经由客舱废气管线从该飞机客舱排放的客舱废气能够由此用于驱动该涡轮机。能量回收潜在地能够因此在飞机的地面运行中和在飞行模式中均可选择性地利用。
该涡轮机优选地布置在连接至该涡轮机的入口的涡轮机空气供应管线中。具体地，该涡轮机能够在水分离器的下游和/或再热器的下游布置在该涡轮机空气供应管线中。术语“下游”这里是指在该飞机空调系统的第一运行状态中环境空气通过该环境空气供应管线的流动方向。在流动通过该水分离器时，将在该飞机空调系统的第一运行状态中供应至该涡轮机的环境空气能够被除湿，从而确保没有过多的湿气被供应至该混合器并随后被供应至将被空气调节的该飞机客舱。
布置在该涡轮机空气供应管线中的再热器具体地用于在供应至该涡轮机之前加热在该飞机空调系统的该第一运行状态中流动通过该涡轮机空气供应管线的环境空气，并具体地在该涡轮机空气供应管线和位于该环境空气压缩机下游的一段该环境空气管线之间建立热耦合。术语“下游”这里是指该环境空气通过该环境空气管线的流动方向。该再热器由此在流动通过该环境空气管线的热环境空气在该环境空气压缩机中压缩以后在其供应至该涡轮机之前使其与流动通过该涡轮机空气供应管线的环境空气热接触。在该再热器中，残留在环境空气中的水滴能够被蒸发以保护该涡轮机免受由于液滴撞击或气浊导致的破坏。进一步地，该再热器提高该涡轮机的功率输出。
在该飞机空调系统的优选实施例中，该环境空气管线接入该涡轮机空气供应管线，特别在该水分离器的上游。此布置确保流动通过该环境空气管线的环境空气在供应至该涡轮机之前在该水分离器中除湿。另一方面，该引气管线接入该涡轮机空气供应管线，优选地在该再热器的下游。流动通过该引气管线的引气更干燥并因此不需要被移送通过该水分离器。
该客舱废气管线能够在该引气管线与该涡轮机空气供应管线的接入点的上游接入该引气管线。这种构造使流动通过该客舱废气管线的客舱废气能够在其供应至该涡轮机之前与流动通过该引气管线的引气混合。该客舱废气也比在该飞机空调系统的第一运行状态中流动通过该涡轮机空气供应管线的环境空气更干燥，使得该客舱废气的除湿能够类似地被除去。
该飞机空调系统优选地进一步包括环境空气旁通管线，其可连接至该环境空气管线。该环境空气旁通管线能够配置为将流动通过该环境空气管线的环境空气越过该涡轮机而移送至该混合器中。例如，该环境空气旁通管线能够在该环境空气管线与该涡轮机空气供应管线的接入点的区域中可连接至该环境空气管线，使得流动通过该环境空气管线的环境空气能够可选地移送至该涡轮机空气供应管线中或该环境空气旁通管线中。
该飞机空调系统能够大致仅包括一个环境空气压缩机。但是，在该飞机空调系统的优选实施例中，环境空气压缩在两个阶段中发生，使得另一环境空气压缩机连接在该环境空气压缩机的上游。该另一环境空气压缩机能够联接至驱动该另一环境空气压缩机的另一涡轮机。为了推动该另一涡轮机，流动通过该引气管线的引气优选地供应至该另一涡轮机。该另一涡轮机的运行优选地由该飞机空调系统的该控制设备控制，使得流动通过该引气管线的引气在该飞机空调系统的第二运行状态中、也就是装配该飞机空调系统的飞机的飞行模式中流动通过该另一涡轮机时膨胀至客舱压力水平。该引气能够由此优化地在供应至该涡轮机之前与来自该客舱废气管线的客舱废气混合。
在装配该飞机空调系统的飞机的飞行模式、特别是巡航模式中，在飞机的巡航海拔高度非常干燥的环境空气的除湿在其供应至该飞机客舱之前是不必要的。该水分离器、该再热器和该涡轮机能够相应地被旁通，来自该环境空气管线的环境空气能够直接移送至该飞机空调系统的该混合器中。则环境空气的冷却单独地通过向该制冷装置的该制冷剂回路的热量的转移而发生。
在优选实施例中，该飞机空调系统进一步包括第一控制阀装置，用于控制来自该环境空气管线的环境空气向该涡轮机空气供应管线和该涡轮机空气旁通管线的供应。该第一控制阀装置能够包括布置在该涡轮机空气供应管线中的控制阀和布置在该旁通环境空气管线中的控制阀。但是，对此替代地，该第一控制阀装置也能够构造为三路阀装置的形式，其布置在该环境空气管线与该涡轮机空气供应管线和该环境空气旁通管线的连接点的区域中。该控制设备优选地配置为控制该第一控制阀装置的运行，使得流动通过该环境空气管线的环境空气在该飞机空调系统的第一运行状态中被移送至该涡轮机空气供应管线，并且在该飞机空调系统的第二运行状态中被移送至该环境空气旁通管线。
该飞机空调系统优选地进一步包括连接至该涡轮机的出口的涡轮机废气管线。在该空调系统的优选实施例中，该控制设备配置为控制该空调系统的运行，使得在该空调系统的第一运行状态中，流动通过该涡轮机废气管线的涡轮机废气被移送至该空调系统的该混合器中。相反，在该空调系统的第二运行状态中，该控制设备可控制该空调系统的运行，使得流动通过涡轮机废气管线的涡轮机废气、也就是所有的涡轮机废气，被移送至飞机环境。该涡轮机废气管线能够具有第一涡轮机废气管线分支和第二涡轮机废气管线分支。该涡轮机废气管线优选地在该涡轮机的下游分支为该第一涡轮机废气管线分支和该第二涡轮机废气管线分支。术语“下游”这里是指从该涡轮机的出口脱离的涡轮机废气通过该涡轮机废气管线的流动方向。该第一涡轮机废气管线分支优选地连接至该飞机空调系统的该混合器，并能够具体地直接通向该混合器中。
另一方面，该第二涡轮机废气管线分支能够连接至该飞机环境，使得涡轮机废气能够经由该第二涡轮机废气管线分支排放至飞机环境中。例如，该第二涡轮机废气管线分支能够通向冲压空气通道。该制冷装置的液化器和/或至少一个预冷器例如能够布置在该冲压空气通道中。移送至该冲压空气通道的涡轮机废气能够用于冷却该液化器和/或该至少一个预冷器。该飞机空调系统的冲压空气需求和相应地由冲压空气向该飞机空调系统的供应所导致的空气动力阻力能够由此降低。这有助于飞机的燃料消耗的降低。
该飞机空调系统优选地进一步包括第二控制阀装置，用于控制涡轮机废气向该第一涡轮机废气管线分支和该第二涡轮机废气管线分支的供应。该第二控制阀装置能够包括布置在该第一涡轮机废气管线分支中的控制阀和布置在该第二涡轮机废气管线分支中的控制阀。但是，对此替代地，该第二控制阀装置也能够构造为三路控制阀装置的形式，其在该涡轮机废气管线向该第一涡轮机废气管线分支和该第二涡轮机废气管线分支的分支点的区域中布置在该涡轮机废气管线中。
该控制设备优选地配置为控制该第二控制阀装置的运行，使得流动通过该涡轮机废气管线的涡轮机废气在该飞机空调系统的第一运行状态中经由该第一涡轮机废气管线分支被移送至该飞机空调系统的该混合器中，并在该飞机空调系统的第二运行状态中经由该第二涡轮机废气管线分支排放至飞机环境中。其相应地确保在该飞机空调系统的第一运行状态中用于驱动该涡轮机的环境空气能够在其在该涡轮机中膨胀以后被移送至该混合器中并从其进入该飞机客舱。另一方面，在该飞机空调系统的第二运行状态中用于驱动该涡轮机的引气与客舱废气的混合物优选地在其在该涡轮机中膨胀以后被排放至飞机环境中。
在优选实施例中，该飞机空调系统进一步包括可连接至该引气管线的引气旁通管线。该引气旁通管线优选地配置为将流动通过该引气管线的引气移送越过该涡轮机。例如，在流动通过例如用于驱动该环境空气压缩机的上游的另一环境空气压缩机的另一涡轮机以后，引气能够因此经由该引气旁通管线被移送越过该涡轮机。该引气旁通管线能够经由该第二涡轮机废气管线分支连接至飞机环境。
该飞机空调系统能够包括第三控制阀装置。该控制设备优选地配置为控制该第三控制阀装置的运行，使得在该飞机空调系统的其中该涡轮机由环境空气驱动的第一运行状态中，流动通过该引气管线的该引气经由该引气旁通管线被移送至飞机环境。另一方面，在该飞机空调系统的第二运行状态中，该控制设备优选地控制该第三控制阀装置的运行，使得流动通过该引气管线的引气被移送至该涡轮机空气供应管线中。该客舱废气管线优选地在该引气旁通管线从该引气管线的分支的下游接入该引气管线，其中术语“下游”这里是指引气通过该引气管线的流动方向。
在一种运行飞机空调系统的方法中，环境空气被移送通过连接至该飞机空调系统的混合器的环境空气管线，从而向该混合器供应环境空气。流动通过该环境空气管线的环境空气在布置在该环境空气管线中的环境空气压缩机中被压缩。制冷装置被提供，其包括适于供制冷剂流动通过的制冷剂回路和布置在该制冷剂回路中的制冷剂压缩机。该制冷装置的该制冷剂回路热耦合至该环境空气管线，从而在环境空气供应至该混合器之前，将热量从流动通过该环境空气管线的环境空气转移至在该制冷剂回路中循环的制冷剂。该飞机空调系统的运行被控制，使得联接至该环境空气压缩机并配置为驱动该环境空气压缩机的涡轮机在该飞机空调系统的第一运行状态中被供应来自该环境空气管线的环境空气，并且在该飞机空调系统的第二运行状态中被供应来自引气管线的从发动机或辅助动力单元排出的引气与来自可连接至飞机客舱的客舱废气管线的客舱废气的混合物。
该飞机空调系统的运行优选地被控制，使得该涡轮机在装配该飞机空调系统的飞机的地面运行中被供应来自该环境空气管线的环境空气，并在装配该飞机空调系统的该飞机的飞行模式中被供应来自该引气管线的引气与来自该客舱废气管线的客舱废气的混合物。
第一控制阀装置的运行能够被控制，使得流动通过该环境空气管线的环境空气在该飞机空调系统的第一运行状态中被移送至连接至该涡轮机的入口的涡轮机空气供应管线，并在该飞机空调系统的第二运行状态中被移送通过环境空气旁通管线越过该涡轮机至该混合器中。
第二控制阀装置的运行能够被控制，使得流动通过连接至该涡轮机的出口的涡轮机废气管线的涡轮机废气在该飞机空调系统的第一运行状态中经由第一涡轮机废气管线分支被移送至该飞机空调系统的混合器，并在该飞机空调系统的第二运行状态中经由第二涡轮机废气管线分支被移送至飞机环境。
第三控制阀装置的运行能够被控制，使得流动通过该引气管线的引气在该飞机空调系统的第一运行状态中经由引气旁通管线越过该涡轮机被移送至飞机环境，并在该飞机空调系统的第二运行状态中被移送至该涡轮机空气供应管线。
附图说明
本发明的优选实施例现在将参考所附示意性视图更详细地解释，其示出为：
图1用于飞机客舱的空气调节的空调系统。
具体实施方式
图1中图示的飞机空调系统10包括环境空气管线12，环境空气能够流动通过该环境空气管线12，并且环境空气管线12连接至飞机空调系统10的混合器14，以将取自飞机环境15的环境空气供应至混合器14。环境空气向环境空气管线12的供应的控制通过布置在环境空气管线中的阀13而发生。在混合器14中，来自环境空气管线12的环境空气与从飞机客舱16排放的再循环空气混合。在混合器14中产生的混合空气最后用于空气调节飞机客舱16。
飞机空调系统10装配有制冷装置17，其包括制冷剂回路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)的两相制冷剂流动通过制冷剂回路18。制冷剂压缩机20由第一电动马达22推动。制冷剂回路18热耦合至环境空气管线，从而在环境空气供应至混合器14之前，将来自流动通过环境空气管线12的环境空气的热量转移至在制冷剂回路18中循环的制冷剂。除了制冷剂压缩机之外，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和蒸发器30，蒸发器30将制冷剂回路18热耦合至环境空气管线12。
进一步，制冷装置17的制冷剂回路18热耦合至再循环空气管线32，再循环空气流动通过该再循环空气管线32并且再循环空气管线32连接至飞机空调系统10的混合器14，从而将来自流动通过再循环空气管线32的再循环空气的热量转移至流动通过制冷剂回路18的制冷剂。制冷剂回路18和再循环空气管线32之间的热耦合通过布置在连接管线36中的另一蒸发器34实现，该连接管线36从布置在制冷剂回路18中的制冷剂收集器26分支。制冷剂通过连接管线36的流动由布置在连接管线36中的控制阀38控制。另一膨胀阀40关于制冷剂通过制冷剂回路18的流动方向在另一蒸发器34的上游也布置在连接管线36中。流动通过连接管线36的制冷剂的压力和温度在制冷剂被移送至另一蒸发器34之前能够由另一膨胀阀40如期望地设定。
在飞机空调系统10中，制冷装置17因此不仅用于冷却流动通过环境空气管线12的环境空气，而且还用于冷却从将被空气调节的飞机客舱排放的再循环空气。在其供应至飞机空调系统10的混合器14之前，再循环空气能够因此被冷却至与流动通过环境空气管线12的环境空气相同的低温。通过热量转移至在制冷装置17的制冷剂回路18中循环的制冷剂使环境空气至低于期望的目标客舱空气供应温度以下的温度的冷却能够因此被消除。进一步，具有相对高的最小制冷剂温度的制冷装置17的运行被促进。
用于压缩流动通过环境空气管线12的环境空气的环境空气压缩机58布置在环境空气管线12中。速度控制式环境空气压缩机58由涡轮机60推动。在图1中示出的飞机空调系统10的实施例中，环境空气压缩机58和涡轮机60布置在公共轴62上。环境空气压缩机58由飞机空调系统10的控制设备46控制，使得其将流动通过环境空气管线12的环境空气压缩至大于被空气调节的飞机客舱16中的目标客舱压力的压力。进一步，环境空气压缩机58的运行由控制设备46控制，使得压缩的环境空气的温度不超过例如160℃的最大温度。
在环境空气压缩机58上游连接有另一环境空气压缩机64，即另一环境空气压缩机64关于环境空气通过环境空气管线12的流动方向在环境空气管线12中布置在环境空气压缩机58的上游。速度控制式的另一环境空气压缩机64由另一涡轮机66驱动。在图1中示出的飞机空调系统10的实施例中，另一环境空气压缩机64和另一涡轮机66布置在公共轴67上。
进一步，在环境空气管线12中在环境空气压缩机58下游布置有预冷器68，用于预冷却由环境空气压缩机58压缩的环境空气。术语“下游”在这里是指环境空气通过环境空气管线12的流动方向。预冷器68布置在冲压空气通道52中，移送通过冲压空气通道52的冲压空气在飞机空调系统10的运行中流动通过该预冷器68。冲压空气流动通过冲压空气通道52的控制通过仅在图中示意性地指示的入口和出口襟翼53的控制而发生。在预冷器68中，由环境空气压缩机58中的压缩而加热的环境空气再次冷却至期望的较低的温度。在预冷器68的下游，环境空气管线12经由布置在制冷装置17的制冷剂回路18中的蒸发器30热耦合至制冷剂回路18。
除了预冷器68，制冷装置17的液化器24也布置在冲压空气通道52中，其中液化器24在冲压空气通道52中关于冲压空气通过冲压空气通道52的流动方向定位在预冷器68的上游。为了确保即使在装配飞机空调系统10的飞机的地面运行中冲压空气通过冲压空气通道52的正确流动，风扇70也布置在冲压空气通道52中以将冲压空气输送通过冲压空气通道52。风扇70由第二电动马达72推动。
飞机空调系统10进一步包括引气能够流动通过的引气管线73。流动通过引气管线73的引气从装配有飞机空调系统的飞机的发动机74或者辅助动力单元排出。为了控制流入引气管线73的引气，合适的控制阀75提供在引气管线73中。另一涡轮机66布置在引气管线73中，使得另一涡轮机由流动通过引气管线73的引气驱动。
在另一涡轮机66的上游，配平空气管线76从引气管线73分支，其中术语“上游”在这里是指引气通过引气管线73的流动方向。流动通过配平空气管线76的配平空气由布置在配平空气管线76中的配平空气阀77和膨胀阀79控制。
环境空气管线12与制冷装置17的制冷剂回路18通过蒸发器73的热耦合的下游，环境空气管线12接入涡轮机空气供应管线78。涡轮机空气供应管线78连接至涡轮机60的入口。水分离器80布置在涡轮机空气供应管线78中。在流动通过水分离器80时，从环境空气管线12移送至涡轮机空气供应管线78的环境空气被除湿，从而确保没有过多的湿气供应至被空气调节的飞机客舱16。在水分离器80中，从环境空气分离的水经由排水管线82被移送至冲压空气通道52中并经由水喷射喷嘴87喷入冲压空气通道52中，该水喷射喷嘴87关于冲压空气通过冲压空气通道52的流动方向在冲压空气通道52中布置在制冷装置17的液化器24的上游。这里，水部分地蒸发并冷却流动通过冲压空气通道52的冲压空气。
再热器81也在客舱废气管线88进入涡轮机空气供应管线78的开口的下游布置在涡轮机空气供应管线78中。关于涡轮机空气供应通过涡轮机空气供应管线78的流动方向布置在水分离器80的下游和涡轮机60的上游的再热器81用于在其被供应至涡轮机60之前加热流动通过涡轮机供应管线78的环境空气，并在水分离器80的下游流动通过涡轮空气供应管线78的环境空气与环境空气压缩机58的下游流动通过环境空气管线12的热环境空气之间建立热耦合。保留在环境空气流中的水滴在流动通过水分离器80以后在再热器81中蒸发，从而保护涡轮机60免受由于液滴撞击或气浊导致的破坏。进一步，再热器81增加涡轮机60的功率输出。在再热器81的下游，也就是紧接着涡轮机60的上游，引气管线73接入涡轮机空气供应管线78。
飞机空调系统10进一步包括客舱废气管线88，其可连接至将通过飞机空调系统10空气调节的飞机客舱16，并且如同再循环空气管线32一样，从飞机客舱16排放的客舱废气能够流动通过该客舱废气管线88。客舱废气流动通过客舱废气管线88的控制通过设置在客舱废气管线88中的阀90而发生。关于引气通过引气管线73的流动方向在另一涡轮机66的下游和引气管线73与涡轮机空气供应管线78的接入点M的上游，客舱废气管线88接入引气管线73。
如果需要，飞机空调系统10的环境空气旁通管线92配置为将流动通过环境空气管线12的环境空气移送越过涡轮机60至混合器14中。在图1中示出的飞机空调系统10中，环境空气旁通管线92在环境空气管线12与涡轮机空气供应管线78的接入点P的区域中连接至环境空气管线12。第一控制阀装置93用于控制环境空气从环境空气管线12向涡轮机空气供应管线78和环境空气旁通管线92的供应。通过第一控制阀装置93，流动通过环境空气管线12的环境空气能够因此可选地被移送至涡轮机空气供应管线78或环境空气旁通管线92。第一控制阀装置93构造为三路阀装置的形式，其布置在环境空气管线12与涡轮机空气供应管线78和环境空气旁通管线92的连接点P的区域中。
涡轮机60的出口连接有涡轮机废气管线94。涡轮机废气管线94具有第一涡轮机废气管线分支94a和第二涡轮机废气管线分支94b。具体地，涡轮机废气管线94在涡轮机60的下游分支为第一涡轮机废气管线分支94a和第二涡轮机废气管线分支94b。术语“下游”这里是指从涡轮机60的出口脱离的涡轮机废气通过涡轮机废气管线94的流动方向。第一涡轮机废气管线分支94a通向飞机空调系统10的混合器14。
另一方面，第二涡轮机废气管线分支94b连接至飞机环境15，使得涡轮机废气能够经由第二涡轮机废气管线分支94b排放至飞机环境15中。在图1中示出的飞机空调系统10中，第二涡轮机废气管线分支94b通向冲压空气通道52，其中第二涡轮机废气管线分支94b在其接入冲压空气通道52之前分支为在制冷装置17的液化器24的上游接入冲压空气通道52的第一分支管线95a和在制冷装置17的液化器24的下游但是在预冷器68的上游接入冲压空气通道52的第二分支管线95b。术语“上游”和“下游”这里是指冲压空气通过冲压空气通道52的流动方向。阀96控制涡轮机废气流动通过第二涡轮机废气管线分支94b的第一和第二分支管线95a、95b。移送至冲压空气通道52的涡轮机废气能够用于冷却制冷装置17的液化器24和预冷器68。飞机空调系统10的冲压空气需求能够由此降低。
飞机空调系统10进一步包括第二控制阀装置97，用于控制涡轮机废气向第一涡轮机废气管线分支94a和第二涡轮机废气管线分支94b的供应。第二控制阀装置97构造为三路阀装置的形式，其在涡轮机废气管线94分支为第一涡轮机废气管线分支94a和第二涡轮机废气管线分支94b的分支点的区域中布置在涡轮机废气管线94中。
飞机空调系统10进一步装配引气旁通管线98，其关于引气通过引气管线73的流动方向在另一涡轮机66的下游从引气管线73分支。在流动通过另一涡轮机66用于驱动环境空气压缩机58上游的另一环境空气压缩机64以后，流动通过引气管线73的引气能够经由引气旁通管线98被移送越过涡轮机60。引气旁通管线98接入第二涡轮机废气管线分支94b并因此经由第二涡轮机废气管线分支94b和冲压空气通道52连接至飞机环境15。
最后，飞机空调系统10包括第三控制阀装置99。通过第三控制阀装置99，流动通过另一涡轮机66下游的引气管线73的引气能够可选地被移送至涡轮机空气供应管线78或引气旁通管线98。第三控制阀装置构造为三路阀装置的形式，其布置在引气旁通管线98从引气空气管线73的分支点A的区域中。
飞机空调系统10的控制设备46控制飞机空调系统10的运行，使得涡轮机60在飞机空调系统10的第一运行状态中被供应来自环境空气管线12的环境空气，并在飞机空调系统10的第二运行状态中被供应来自引气管线73的引气与来自客舱废气管线88的客舱废气的混合物。在飞机空调系统10的第一运行状态中，预压缩的环境空气的压力因此用于推动涡轮机60。另一方面，在飞机空调系统10的第二运行状态中，在装配飞机空调系统10的飞机的飞行模式中在某海拔高度以上超出飞机外部的环境压力的从飞机客舱排放的废气的压力用于能量回收。从预压缩的环境空气和客舱废气回收的能量用于驱动环境空气压缩机58。驱动环境空气压缩机58所需的引气流能够由此被减少，飞机空调系统的能效相应被提高。
具体地，控制设备46控制飞机空调系统10的运行，使得在装配飞机空调系统10的飞机的地面运行中，涡轮机60被供应来自环境空气管线12的环境空气。为此目的，控制设备46在装配飞机空调系统10的飞机的地面运行中、也就是在飞机空调系统10的第一运行状态中控制第一控制阀装置93，使得流动通过环境空气管线的环境空气被移送至涡轮机空气供应管线78。这实现在于第一三路控制阀装置93被控制进入其释放涡轮机空气供应管线78、同时其关闭环境空气旁通管线92的位置。布置在客舱废气管线88中的阀90关闭以制止客舱废气通过客舱废气管线88向引气管线73的供应。
控制设备46进一步在装配飞机空调系统10的飞机的地面运行中控制环境空气压缩机58，使得环境空气在流动通过环境空气压缩机58时被压缩至高于目标客舱压力的压力，其有助于环境空气的除湿和随后环境空气驱动涡轮机60的使用。然后环境空气的冷却通过热量向制冷装置17的制冷剂回路18的转移和通过环境空气在涡轮机60中的膨胀而发生。
另外，在装配飞机空调系统10的飞机的地面运行中、也就是在飞机空调系统10的第一运行状态中，第二控制阀装置97的运行由控制设备46控制为使得流动通过涡轮机废气管线94的涡轮机废气经由第一涡轮机废气管线分支94a被移送至飞机空调系统10的混合器14中并被用于空气调节飞机客舱16。这实现在于第二三路控制阀装置97被控制进入其释放第一涡轮机废气管线分支94a、同时其关闭第二涡轮机废气管线分支94b的位置。
最后，在装配飞机空调系统10的飞机的地面运行中，第三三路控制阀装置99被控制进入其释放引气旁通管线98、同时其关闭一段引气管线73的位置，该段引气管线关于引气通过引气管线73的流动方向位于引气旁通管线98从引气管线73的分支点A的下游。在飞机空调系统10的第一运行状态中，引气在流动通过另一涡轮机66以后相应地经由引气旁通管线98被移送至第二涡轮机废气管线分支94b中并经由冲压空气通道52被排放至飞机环境15中。
另一方面，在装配飞机空调系统10的飞机的飞行模式中，从飞机客舱排放的废气的压力在某飞行海拔高度(大约6000m)以上超出飞机外部的环境压力。控制设备46因此控制飞机空调系统10的运行，使得在装配飞机空调系统10的飞机的飞行模式中、也就是在飞机空调系统10的第二运行状态中，涡轮机60由来自引气管线73的引气与来自客舱废气管线88的客舱废气的混合物驱动。为此目的，控制设备46将飞机空调系统10的运行在其第二运行状态中控制为，使得在装配飞机空调系统10的飞机的飞行模式中，来自引气管线73的引气与来自客舱废气管线88的客舱废气的混合物被供应至涡轮机60。布置在客舱废气管线88中的阀90相应地打开，从而允许客舱废气通过客舱废气管线88向引气管线73的供应。
同时，控制设备46控制第三控制阀装置99的运行，使得流动通过引气管线73的引气在飞机空调系统10的第二运行状态中与来自客舱废气管线88的客舱废气一起被移送至涡轮机空气供应管线78中。另一方面，第一控制阀装置93的运行由控制设备46控制，使得流动通过环境空气管线12的环境空气经由环境空气旁通管线92被直接移送至混合器14中。这实现在于第一三路控制阀装置93被控制进入其关闭涡轮机空气供应管线78、同时其释放环境空气旁通管线92的位置。在装配飞机空调系统10的飞机的飞行模式中，特别是在巡航模式中，在飞机的巡航海拔高度下非常干燥的环境空气在其供应至飞机客舱16之前的除湿是不必要的。水分离器80、再热器81和涡轮机60能够相应地被旁通，并且来自环境空气管线12的环境空气能够被直接移送至飞机空调系统10的混合器14中。然后环境空气的冷却单独地通过向制冷装置17的制冷剂回路18的热量转移而发生。
最后，在飞机空调系统10的第二运行状态中，也就是在装配飞机空调系统10的飞机的飞行模式中，控制设备46控制第二控制阀装置97的运行，使得流动通过涡轮机废气管线94的涡轮机废气经由第二涡轮机废气管线分支94b排放至飞机环境中。其相应地确保在飞机空调系统10的第二运行状态中用于驱动涡轮机60的引气和客舱废气的混合物在其在涡轮机60中的膨胀以后被排放自飞机环境中。
通过环境空气压缩机58将流动通过环境空气管线12的环境空气压缩至大于将被空气调节的飞机客舱16的目标客舱压力的压力，涡轮机60也有助于冷空气过程(cold airprocess)的实现，其中流动通过环境空气管线12的环境空气最初被压缩、然后再次膨胀并由此冷却。在飞机空调系统10中，在制冷装置17中运行的蒸发压缩过程单独(例如，在装配飞机空调系统10的飞机在6000m以上的飞行海拔高度的飞行模式中)或者蒸发压缩过程和冷空气过程二者(例如在装配飞机空调系统10的飞机的地面运行中或在飞机上至6000m的飞行海拔高度的飞行模式中)能够相应地使用以调节和冷却流动通过环境空气管线12的环境空气。
最后，通过关闭制冷装置17，单独使用冷空气过程来运行飞机空调系统10也是可能的。例如，如果飞机客舱16将通过飞机空调系统10加热的话，这能够有意义。在如果制冷装置17故障的紧急模式时，单独使用冷空气过程来运行飞机空调系统10也是可能的。

Claims (15)

1.一种飞机空调系统(10)，具有：
环境空气管线(12)，适于供环境空气流动通过，并连接至该飞机空调系统(10)的混合器(14)，从而向该混合器(14)供应环境空气；
客舱废气管线(88)，能连接至飞机客舱(16)，并适于供客舱废气流动通过；
引气管线(93)，适于供从发动机(74)或者辅助动力单元排出的引气流动通过；
环境空气压缩机(58)，布置在该环境空气管线(12)中用于压缩流动通过该环境空气管线(12)的环境空气；
制冷装置(17)，包括适于供制冷剂流动通过的制冷剂回路(18)和布置在该制冷剂回路(18)中的制冷剂压缩机(20)，其中该制冷剂回路(18)热耦合至该环境空气管线(12)，从而在环境空气被供应至该混合器(14)之前，将热量从流动通过该环境空气管线(12)的环境空气转移至在该制冷剂回路(18)中循环的制冷剂；
涡轮机(60)，联接至该环境空气压缩机(58)，并配置为驱动该环境空气压缩机(58)；和
控制设备(46)，配置为控制该飞机空调系统(10)的运行，使得在该飞机空调系统(10)的第一运行状态中，该涡轮机(60)被供应来自该环境空气管线(12)的环境空气，并且在该飞机空调系统(10)的第二运行状态中，该涡轮机(60)被供应来自该引气管线(93)的引气与来自该客舱废气管线(88)的客舱废气的混合物。
2.根据权利要求1所述的飞机空调系统，
其中该控制设备(46)配置为控制该飞机空调系统(10)的运行，使得在装配有该飞机空调系统(10)的飞机的地面运行中，该涡轮机(60)被供应来自该环境空气管线(12)的环境空气，并且在装配有该飞机空调系统(10)的飞机的飞行模式中被供应来自该引气管线(93)的引气与来自该客舱废气管线(88)的客舱废气的混合物。
3.根据权利要求1所述的飞机空调系统，
其中该涡轮机(60)布置在连接至该涡轮机(60)的入口的涡轮机空气供应管线(78)中，特别在水分离器(80)的下游和/或再热器(81)的下游。
4.根据权利要求3所述的飞机空调系统，
其中该环境空气管线(12)接入该涡轮机空气供应管线(78)，特别在该水分离器(80)的上游，和/或其中该引气管线(93)接入该涡轮机空气供应管线(78)，特别在该再热器(81)的下游。
5.根据权利要求3所述的飞机空调系统，
其中该客舱废气管线(88)在该引气管线(93)与该涡轮机空气供应管线(78)的接入点(M)的上游接入该引气管线(93)。
6.根据权利要求1所述的飞机空调系统，
该飞机空调系统进一步包括环境空气旁通管线(92)，该环境空气旁通管线(92)能连接至该环境空气管线(12)并配置为将流动通过该环境空气管线(12)的环境空气移送越过该涡轮机(60)进入该混合器(14)中。
7.根据权利要求6所述的飞机空调系统，
该飞机空调系统进一步包括第一控制阀装置(93)，其中该控制设备(46)配置为控制该第一控制阀装置(93)的运行，使得在该飞机空调系统(10)的第一运行状态中，流动通过该环境空气管线(12)的环境空气被移送至该涡轮机空气供应管线(78)，并且在该飞机空调系统(10)的第二运行状态中，流动通过该环境空气管线(12)的环境空气被移送至该环境空气旁通管线(92)。
8.根据权利要求1所述的飞机空调系统，
该飞机空调系统进一步包括连接至该涡轮机(60)的出口的涡轮机废气管线(94)，该涡轮机废气管线(94)具有第一涡轮机废气管线分支(94a)和第二涡轮机废气管线分支(94b)，其中该第一涡轮机废气管线分支(94a)特别连接至该飞机空调系统(10)的该混合器(14)，并且其中该第二涡轮机废气管线分支(94b)特别连接至飞机环境(15)。
9.根据权利要求8所述的飞机空调系统，
该飞机空调系统进一步包括第二控制阀装置(97)，其中该控制设备(46)配置为控制该第二控制阀装置(97)的运行，使得在该飞机空调系统(10)的第一运行状态中，流动通过该涡轮机废气管线(94)的涡轮机废气经由该第一涡轮机废气管线分支(94a)被移送至该飞机空调系统(10)的该混合器(14)，并且在该飞机空调系统(10)的第二运行状态中，经由该第二涡轮机废气管线分支(94b)被移送至飞机环境(15)。
10.根据权利要求1所述的飞机空调系统，
该飞机空调系统进一步包括引气旁通管线(98)，该引气旁通管线(98)能连接至该引气管线(93)并配置为将流动通过该引气管线(93)的引气移送越过该涡轮机(60)，其中该引气旁通管线(98)特别经由该第二涡轮机废气管线分支(94b)连接至飞机环境(15)。
11.根据权利要求10所述的飞机空调系统，
该飞机空调系统进一步包括第三控制阀装置(99)，其中该控制设备(46)配置为控制该第三控制阀装置(99)的运行，使得流动通过该引气管线(93)的引气在该飞机空调系统(10)的第一运行状态中经由该引气旁通管线(98)被移送至飞机环境(15)中，并且在该飞机空调系统(10)的第二运行状态中被移送至该涡轮机空气供应管线(78)中。
12.一种用于运行飞机空调系统(10)的方法，具有以下步骤：
将环境空气移送通过连接至该飞机空调系统(10)的混合器(14)的环境空气管线(12)，从而向该混合器(14)供应环境空气；
在布置在该环境空气管线(12)中的环境空气压缩机(58)中压缩流动通过该环境空气管线(12)的环境空气；
提供制冷装置(17)，该制冷装置(17)包括适于供制冷剂流动通过的制冷剂回路(18)和布置在该制冷剂回路(18)中的制冷剂压缩机(20)；
将该制冷装置(17)的该制冷剂回路(18)热耦合至该环境空气管线(12)，从而在环境空气供应至该混合器(14)之前将来自流动通过该环境空气管线(12)的环境空气的热量转移至在该制冷剂回路(18)中循环的制冷剂；
控制该飞机空调系统(10)的运行，使得联接至该环境空气压缩机(58)并配置为驱动该环境空气压缩机(58)的涡轮机(60)，在该飞机空调系统(10)的第一运行状态中被供应来自该环境空气管线(12)的环境空气，并且在该飞机空调系统(10)的第二运行状态中被供应从发动机(74)或辅助动力单元排出的来自引气管线(93)的引气与来自能连接至飞机客舱(16)的客舱废气管线(88)的客舱废气的混合物。
13.如权利要求12所述的方法，
其中该飞机空调系统(10)的运行被控制，使得该涡轮机(60)在装配有该飞机空调系统(10)的飞机的地面运行中被供应来自该环境空气管线(12)的环境空气，并且在装配有该飞机空调系统(10)的飞机的飞行模式中被供应来自该引气管线(93)的引气与来自该客舱废气管线(88)的客舱废气的混合物。
14.根据权利要求12所述的方法，
其中第一控制阀装置(93)的运行被控制，使得流动通过该环境空气管线(12)的环境空气在该飞机空调系统(10)的第一运行状态中被移送至连接至该涡轮机(60)的入口的涡轮机空气供应管线(78)，并且在该飞机空调系统(10)的第二运行状态中被移送通过环境空气旁通管线(92)越过该涡轮机(60)至该混合器(14)。
15.根据权利要求12所述的方法，
其中第二控制阀装置(97)的运行被控制，使得流动通过连接至该涡轮机(60)的出口的涡轮机废气管线(94)的涡轮机废气在该飞机空调系统(10)的第一运行状态中经由第一涡轮机废气管线分支(94a)被移送至该飞机空调系统(10)的该混合器(14)，并且在该飞机空调系统(10)的第二运行状态中经由第二涡轮机废气管线分支(94b)被移送至飞机环境(15)，和/或
其中第三控制阀装置(99)的运行被控制，使得流动通过该引气管线(93)的引气在该飞机空调系统(10)的第一运行状态中经由引气旁通管线被移送越过该涡轮机至飞机环境(15)中，并且在该飞机空调系统(10)的第二运行状态中被移送至该涡轮机空气供应管线(78)。
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