CN116026102A - 使用液态氢为飞行器生成惰性气体的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成惰性流体的系统(10)，该系统机载于飞行器(1)，生成系统(10)包括多个装置，其各自依次构造以执行对最初以压缩热空气形式所收集的主流体的组分的分离，系统(10)包括至少一个热交换器(110)，热交换器构造成通过所述主流体的组分的相变来执行组分分离、使用液态氢执行对所述主流体的冷却、并被供以收集自飞行器的储罐(1000)的液态氢。有利地，由此可以生成惰性气体而不需要氮和氧的膜分离，同时使得更容易加热飞行器中作为能源所储存和使用的液态氢。

Description

使用液态氢为飞行器生成惰性气体的系统
技术领域
本发明涉及一种生成惰性气体以供飞行器中使用的方法，还涉及一种机载于飞行器并构造成实施该方法的系统。本发明更具体地涉及一种在使用液态氢作为能源的飞行器中生成惰性气体的方法，该方法执行飞行器中压缩空气的分馏以获得惰性气体，还涉及一种执行该方法并机载于飞行器的系统。
背景技术
液态氢(更准确而言是液态二氢，分子式H2)是一种低温流体，可以用作发电的能源。因此，例如，可以使用氢燃料电池为飞行器的所有飞行控制系统和通信系统供电、进行飞行器机上照明、并为飞行器中所使用的各种配件供电。也可以通过将液态氢供应给燃料电池或直接燃烧的方式将液态氢用作飞行器推进的动力源，这样做的好处是仅有水被排到大气中。以液态形式储存在飞行器储罐中的氢需要加热才能以这种方式使用。此外，当液态氢用作燃料时，使用惰性气体去除燃料系统某些部分中存在的气态氢，以避免起火和爆炸风险，特别是在启动或关闭飞行器发动机的阶段。惰性气体通常为氮，通过将其与飞行器外部收集的空气的其他组分隔离开而获得。在称为“惰性化”系统的系统中使用一个或多个膜执行氮与空气的其他组分的分离。因此，所使用的一个或多个膜可以从飞行器周围的空气中获取氮。然而，这些膜容易受到空气污染的影响。
这种情况有改进的余地。
发明内容
在本说明书中，根据一般用语，将二氢流体称为“氢”。
本发明的目的是提出一种惰化系统，该惰化系统不需要氮和氧的膜分离，同时使得更容易加热飞行器中所储存和使用的作为能源的液态氢。
为此，提出了一种用于生成惰性流体的方法，所述方法在飞行器中执行，通过连续分离最初以压缩热空气形式收集的主流体的组分获得惰性流体，该方法至少包括：使用热交换器通过主流体的一种组分的相变来分离各组分，该热交换器构造成使用液态氢执行主流体冷却，并被供以收集自飞行器的储罐的液态氢。
有利地，这样就可以对液态氢进行明智的加温，以便在飞行器机上使用，同时将其用作穿过一个或多个热交换器的冷却剂，以执行压缩空气的分馏，并最终产生惰性气体。
有利地，惰性气体随后可用于从飞行器燃料系统的某些部分去除气态氢。
根据本发明的生成惰性流体的方法还可以包括单独地或结合地考虑的以下特征：
－该方法包括适于从主流体提取水的通过冷却主流体来分离主流体的组分的第一步骤以及适于从主流体提取二氧化碳的通过冷却主流体来分离主流体的组分的第二步骤。
－该方法包括第三步骤，其在所述第一步骤和第二步骤之后通过冷却主流体来分离主流体，适于从主流体提取液态形式的二氧。
－该方法包括在分离组分的所述第一步骤、第二步骤和第三步骤之后液化主流体的步骤，并后随将主流体以液态氮形式泵送到储罐中的步骤。
－该方法还包括在所述第一步骤和第二步骤之后液化主流体的步骤，并后随适于从主流体提取气态形式的氮的加热主流体的步骤。
－通过冷却主流体来分离主流体的组分的连续步骤，每个步骤使用热交换器，经由机动阀从飞行器的液态氢罐并联馈送所使用的热交换器。
－通过冷却主流体来分离主流体的组分的连续步骤，每个步骤使用热交换器，这些热交换器串联布置，使得在组分分离步骤期间在热交换器的入口处使用以冷却主流体的液态氢至少部分地来自在分离主流体的组分的另一步骤中用于冷却主流体的另一热交换器的出口。
－分离主流体的组分的第一步骤包括在热交换器中使用环境空气冷却主流体，分离主流体的组分的第二步骤包括在热交换器中借助在第三步骤期间提取的液态形式的二氧来冷却主流体，而提取液态形式的二氧的第三步骤包括使用取自液态氮储罐的液态氮来冷却主流体。
－该方法还包括在第一步骤和第二步骤之后液化主流体的步骤，其中，分离主流体的组分的第一步骤和第二步骤各自包括在热交换器中借助液化的主流体来冷却主流体，并且其中，液化主流体的步骤包括在热交换器中借助液态氢来冷却主流体。
本发明的另一主题是一种用于生成惰性流体的系统，该系统机载于飞行器，该生成系统包括多个各自依次构造的装置，以执行最初以压缩热空气形式收集的主流体的组分分离，该系统包括至少一个热交换器，该热交换器构造成通过主流体的组分的相变来执行组分分离，该热交换器使用液态氢执行主流体的冷却，被供以收集自飞行器的储罐的液态氢。
本发明的另一主题是一种飞行器，其包括上述用于生成惰性流体的系统，或者包括构造成执行上述惰性气体生成方法的惰性流体生成系统。
附图说明
通过阅读以下对一个示例性实施例的描述，本发明的上述特征及其他特征将变得更加清楚，所述描述结合附图给出，附图中：
图1a是示出了根据一实施例的机载于飞行器的惰性气体生成系统的框图；
图1b是示出了在图1a中所描绘的系统中执行的惰性气体生成方法的示意图；
图2a是示出了图1a中描绘的机载于飞行器的惰性气体生成系统的第一变型的框图；
图2b是示出了在图2a中所描绘的系统中执行的惰性气体生成方法的示意图；
图3a是示出了图1a中描绘的机载于飞行器的惰性气体生成系统的第二变型的框图；
图3b是示出了在图3a中所描绘的系统中执行的惰性气体生成方法的示意图；
图4a是示出了图1a中描绘的机载于飞行器的惰性气体生成系统的第三变型的框图；
图4b是示出了在图4a中所描绘的系统中执行的惰性气体生成方法的示意图；
图5a是示出了图1a中描绘的机载于飞行器的惰性气体生成系统的第四变型的框图；
图5b是示出了在图5a中所描绘的系统中执行的惰性气体生成方法的示意图；以及
图6示出了飞行器，该飞行器包括已在图1a、图2a、图3a、图4a和图5a中的一个中示出的惰性气体生成系统。
具体实施方式
图1a示意性地描绘了称为惰性系统的惰性气体生成系统10，该系统构造成根据一实施例在使用液态氢作为动力源的飞行器中自压缩空气生成氮，其为惰性气体。系统10包括液态氢储罐1000，意在将液态氢分配到惰性气体生成系统10的各个点的储罐出口管线1001连接到该液态氢储罐。液态氢在系统10中用作制冷剂以冷却压缩空气，并对该压缩空气执行分馏以获得氮。在本说明书中，术语“下游”的使用指代一种相对位置，其中一个元件比另一元件离流体源更远，而与之相反，术语“上游”指代一个元件比其他元件更接近流体源的相对位置。因此，举例而言，在流体上运行的系统的入口构成系统的最“上游”元件，而该系统的出口构成入口的“下游”元件。类似地，相对于流体流动的路径，馈送处理或使用该流体的系统的流体储罐位于该系统的元件的“上游”，而流体所穿过的元件位于该储罐的“下游”。
惰性气体生成系统10包括压缩空气入口100，经由该入口引入压力大于或等于6巴的压缩空气。引入惰性气体生成系统10中的压缩空气来自载有惰性气体生成装置10的飞行器的一台或多台发动机。压缩空气入口100连接至入口过滤器101，该过滤器构造成阻挡取自一个或多个发动机的空气中的杂质，并防止这些杂质进入惰性气体生成系统10。入口过滤器101的出口连接到管线102，管线102连续穿过设备，以分离流经该管线的流体组分。在本说明书中，术语“主流体”是指穿过管线102的流体，最初是管线102的入口100处的压缩空气，术语“主管线”是指管线102或管线102的与其所穿过的各种设备相关联的部分。因此，当主流体逐渐沿管线102行进时，它会发生变化，因为当该流体逐渐穿过设备时，在分馏的连续步骤期间，会陆续从该流体中提取出流体组分。管线102在入口过滤器101与惰性气体出口139之间依次包括：第一热交换器110中的管线部分、第一净化(清洁)装置117中的管线部分、第二热交换器120中的管线部分、第二净化装置127中的管线部分、第三热交换器130中的管线部分和第三净化装置137中的管线部分。这些装置构造成对经由惰性气体生成系统10的入口100引入的压缩空气执行分馏。因此，管线102的布置方式如下：
－入口过滤器101的出口连接到管线102的与热交换器110相关联的部分的入口；
－管线102的与热交换器110相关联的部分的出口连接到净化装置117的入口，或者更具体地，连接到管线102的与净化装置117相关联的部分的入口；
－管线102的与净化装置117相关联的部分的出口连接到管线102的与热交换器120相关联的部分的入口；
－热交换器120的出口连接到净化装置127的入口，或者更精确地，连接到管线102的与净化装置127相关联的部分的入口；
－管线102的与净化装置127相关联的部分的出口连接到管线102的与热交换器130相关联的部分的入口；
－管线102的与热交换器130相关联的部分的出口连接到净化装置137的入口，或者更具体地，连接到管线102的与净化装置137相关联的部分的入口；
－净化装置137的出口连接到惰性气体生成系统10的出口139。
热交换器110、120和130中的每一个包括称为主管线的管线102的一部分，主流体穿过该管线，以及称为次管线(副管线)的另一管线的一部分，用于与管线102的穿过该管线的部分进行热交换。因此，热交换器110包括形式为一个或多个腔室的次管线，其所包括的管线102的部分穿过该腔室以执行热交换。热交换器120也是如此，其包括形式为一个或多个腔室的次管线，其所包括的管线102的部分穿过该腔室以期执行热交换。热交换器130同样包括形式为一个或多个腔室的次管线，其所包括的管线102的部分穿过该腔室以期执行热交换。
每个热交换器110、120和130的次管线入口连接到机动阀的出口，而这些机动阀中的每个的入口连接到用于分配来自液态氢储罐1000的液态氢的管线1001。液态氢在液态氢储罐1000中保持在20K左右的储存温度。因此，在管线1001与热交换器110的次管线入口之间有机动阀115，以控制取自储罐1000而至热交换器110的次管线的液态氢的分配，并冷却主管线102在热交换器110中的部分。类似地，在管线1001与热交换器120的次管线入口之间有机动阀125，以控制取自储罐1000而进入热交换器120的次管线的液态氢的分配，并冷却主管线102在热交换器120中的部分。仍类似地，在管线1001与热交换器130的次管线入口之间有机动阀135，以控制取自储罐1000而进入热交换器130的次管线的液态氢的分配，并冷却主管线102在热交换器130中的部分。主管线102与热交换器110、120和130中的一个热交换器相关联的部分的每个出口配备有用于测量该热交换器出口处的主流体温度的装置，以便测量主管线102与该热交换器相关联的部分的出口处的主流体温度，从而控制位于该同一热交换器的次管线的入口处的机动阀，以实现对在热交换器中使用储存在液态氢储罐1000中的液态氢执行的冷却的反馈控制。因此，主管线102的与热交换器110相关联的出口包括用于测量管线102中主流体温度的装置116，主管线102的与热交换器120相关联的出口包括用于测量管线102中主流体温度的装置126，以及主管线102的与热交换器130相关联的出口包括用于测量管线102中主流体温度的装置136。因此，机动阀115的打开控制成随由温度测量装置116测量的主流体温度而变化。机动阀125和135的打开也是如此，它们分别控制成随由温度测量装置126和136测量的温度而变化。根据一实施例，控制机动阀的控制单元(图1a中未描绘)控制所有机动阀。在一变型中，每个机动阀具有自己的控制单元来控制其打开。此处的阀打开是指打开的程度，因此控制阀的打开意味着使用联接到闭合元件的马达来打开或关闭阀门，该闭合元件闭合阀内部的管线(例如闸门)。热交换器110、120和130中的每一个包括次管线出口，液态氢离开热交换器的一个或多个次腔室时穿过该出口。因此，热交换器110包括次管线出口111，热交换器120包括次管线出口121，热交换器130包括次管线出口131。根据一实施例，交换器的次管线出口111、121和131连接到飞行器中的用氢装置，例如，一个或多个燃料电池。根据一实施例，控制机动阀115的控制单元构造成获得主流体温度测量装置116的测量点处的低于430K的温度，以便使用净化装置117将主流体中包含的水从主流体中分离出来，该净化装置117包括净化出口118；控制机动阀125的控制单元构造成获得主流体温度测量装置126的测量点处的195K至220K之间的温度，以便使用净化装置127将主流体中包含的二氧化碳(CO2)从主流体中分离出来，该净化装置127包括净化出口128；控制机动阀135的控制单元构造成获得主流体温度测量装置136的测量点处的77K至96K之间的温度，以便使用净化装置137将主流体中包含的液态氧(或更准确的二氧)(LO2)从主流体中分离出来，该净化装置137包括净化出口138。根据本实施例，随后在惰性气体生成系统的出口139处可得氮。有利地，这些氮的全部或部分被转移到一个或多个氢系统的可用空间，以便用惰性气体填充该一个或多个空间，从而降低该一个或多个系统的内容物的可燃性。因此，根据本实施例，热交换器110、120和130执行的三个连续冷却操作使得可以在惰性气体生成系统的出口139处获得氮。有利且明智地，在惰性气体生成系统10中使用液态氢来生成惰性气体，既使得可以满足加热液态氢的需要，从而使其可以进行飞行器机上使用，例如在燃料电池中使用，也可以满足冷却压缩热空气的需要，以便执行分馏，从而生成诸如氮之类的惰性气体。
图1b为示出用于在惰性气体生成系统10中生成氮的方法的示意图。
在步骤S0中，在系统10的入口100处接收取自载有惰性气体生成系统10的飞行器的一个或多个发动机的压力超过6巴的压缩空气。然后，由过滤器101过滤压缩空气。在热交换器110中的步骤S1期间执行此处称为主流体的该空气的第一冷却，该热交换器110的入口管线、即主管线102的一部分连接到过滤器101的出口。使用穿过热交换器110的次管线的液态氢来执行主流体的冷却。该次管线中的液态氢流速由机动阀115控制，以便在步骤S1期间，可由净化装置117执行水提取。通过将与热交换器110相关联的主管线102的出口温度保持在430K以下来冷凝水。经由净化装置117的出口118从主管线102提取冷凝水，然后，除去水的主流体被输送到与主管线102的热交换器120相关联的部分中。然后，在步骤S2期间再次使用液态氢作为冷却剂来对主流体进行第二冷却。在该热交换器中，现在除去水的主流体、也即被引入系统10中的压缩过滤空气被冷却以使其在主管线102的与热交换器120相关联的部分的出口处的温度介于195K至220K之间，从而使得可以以液态形式获得主流体中所含的二氧化碳。然后，仍在步骤S2期间，经由净化装置127的出口128从主流体提取液态二氧化碳。该阶段的主流体是在系统入口处引入的提取水和二氧化碳之后的其余压缩空气。它以这种形式被输送到热交换器130，在步骤S3期间经受使用液态氢的第三冷却，从而使其在主管线102的与热交换器130相关联的部分的出口处的温度介于77K至96K之间。在该温度下，氧(或更准确而言是二氧)以液态形式存在于主流体中，并且仍然在步骤S3中经由净化装置137的出口138被提取。然后，在步骤S4期间，在净化装置137的出口139处的主管线102中可用的主流体以气态氮的形式供应至惰性气体生成系统10的出口。有利地，这可以在载有惰性气体生成系统10的飞行器的一个或多个氢系统中用于其不燃性，或者可以在飞行器的其他地方使用其惰性气体特性，以发挥有益作用。
图2a示意性地描绘了如先前关于图1a所述的惰性气体生成系统10的第一变型。系统10该第一变型包括许多与图1a中描述的惰性气体生成系统相同的元件。因此，热交换器110、120、130，和机动阀115、125、135，以及温度控制装置116、126、136在该系统中的布置方式与结合图1a所描述的系统中的布置方式相同。入口100、入口过滤器101、管线102和液态氢储罐1000以及管线1001也是如此，管线1001用于分别经由机动阀115、125和135将液态氢分配至热交换器110、130和130。然而，在该变型中，系统的在热交换器130下游的部分以不同的方式布置，使得净化装置137被用于加热主流体的装置137’取代，该装置137’包括两个出口139和139’，使构造为调节主管线102的与热交换器130相关联的部分的出口处的主流体温度的机动阀135的控制调整成使得主流体在该点处具有介于63K至77K之间的温度、即使得其处于液态空气形式。加热装置137’的入口连接到主管线102的离开热交换器130的部分。由此获得的液态空气在加热装置137’内升温，允许氮在加热装置137’的出口139’处以气态形式被提取出来，这样就可以在惰性气体生成系统10的出口139处供应贫氮空气。
图2b是示出了用于在根据上文描述的第一变型实施例布置的惰性气体生成系统10中生成气态氮的方法的示意图。步骤S0、S1和S2与参考图1b描述的方法相比保持不变，即分离主流体的组分的分别旨在从主流体提取水和二氧化碳(也称为CO2气体)的前两个步骤以与结合图1b所述的方法相同的方式执行。然而，在该变型中，在提取二氧化碳的步骤之后，在热交换器130中执行的主流体的冷却设计成使得主流体的温度在63K至77K之间，以便在步骤S3b期间获得液态空气，并且在步骤S4b期间从主流体提取气态氮，以使在系统10的出口139’处可得该气态氮，而在步骤S5b中可以在系统10的出口139处得到贫氮空气。
图3a示意性地描绘了如已结合图1a所述的惰性气体生成系统10的第二变型实施例。在该变型中，所用的各种热交换器不经由管线1001并联连接到液态氢储罐1000，如结合图1a和图2a所述的实施例变型中的那样。在该第二变型中，热交换器110、120和130的次管线串联布置，用于冷却主流体的液态氢穿过这些次管线循环。此外，在主管线102上的热交换器130下游使用第四热交换器140，以液化在主管线102的与热交换器130相关联的部分的出口处所获得的氮。此时，构造成操作机动阀145的温度控制装置146允许调节主流体的温度。根据本实施例变型，主管线102的与热交换器140相关联的部分的出口连接到泵137’，泵137’的出口经由位于惰性气体生成系统10的出口139处的止回阀151连接到液态氮储罐150。
在该变型中，储存在液态氢储罐1000中的液态氢穿过次分配管线1002。次氢分配管线1002依次穿过机动阀145(用于调节热交换器140的主管线102出口处的主流体温度)和次管线1002的与热交换器140相关联的部分；然后穿过机动阀135(用于调节主管线102的与热交换器130相关联的出口处的主流体温度)、次管线1002的与热交换器130相关联的部分；然后穿过机动阀125(用于调节主管线102的与热交换器120相关联的出口处的主流体温度)和次管线102的与热交换器120相关联的部分；最后穿过机动阀115(用于调节主管线102的与热交换器110相关联的出口处的主流体温度)和次管线1002的与热交换器110相关联的部分。这些机动阀135、125和115中的每一个都与所谓的“旁通”管线相关联，当这些“旁通”管线所旁通的阀构造成仅允许氢以受限流速通过以期调节交换器的主管线出口处的温度时，些“旁通”管线允许次管线1002在其下游的一个或多个部分(以及因此布置在下游的次管线1002上的一个或多个阀)被馈送流体。因此，次管线的“旁通”部分1002a设计成在机动阀145构造成限制分配在次管线1002中的氢的流速时旁通热交换器140，次管线的“旁通”部分1002b设计成在机动阀135构造成限制分配在次管线1002中的氢的流速时旁通热交换器130，次管线的“旁通”部分1002c设计成在机动阀125构造成限制分配在次管线1002中的氢的流速时旁通热交换器120，以及次管线的“旁通”部分1002设计成在机动阀115构造成限制分配在次管线1002中的氢的流速时旁通热交换器110。
交换器140、130、120和110在氢分配管线1002上进行这种串联布置以使得在这些交换器中按序执行连续的冷却操作，这样的布置有利地允许最初储存在20K温度下的氢在连续穿过次管线1002的各个部分时逐步升温，以便稍后进行飞行器机上使用，例如在燃料电池中。有利地，位于分配管线1002上最上游的交换器是要求最低温度来执行主流体冷却的交换器，以此类推。
图3b是示出了用于在根据上文描述的第二变型实施例布置的惰性气体生成系统10中生成气态氮的方法的示意图。步骤S0、S1、S2和S3与先前根据关于图1a和图1b所述的实施例或变型所描述的类似。即，过滤操作，分离主流体的组分以期从主流体提取水、然后提取二氧化碳、然后提取液态氧的操作与前面描述的类似。因此，主管线102在温度测量装置116、126和136所定位的测量点处的部分的温度与本文关于图1a所述的方法中所描述的相同。然而，主流体的温度在主管线102的与热交换器140相关联的部分的出口处被调节，以便在步骤S4c中获得液态氮，然后在步骤S5c中由泵137’泵送该氮，随后将其储存在氮储罐150中。
图4a示意性地描绘了如已结合图1a所述的惰性气体生成系统的第三变型实施例。根据本实施例变型，次管线的与各种热交换器110、120、130和140相关联的部分连续用于参与压缩空气的分馏，即，待通过热交换来冷却存在于主管线102中的主流体的流体所穿过的管线的各个部分连接到不同的制冷剂源。根据该变型实施例，机动阀115的入口115b连接到环境空气入口(图4a中标识为“AIR”)，机动阀125的入口连接到净化装置137的出口138，净化装置137构造成从热交换器130下游的主流体提取液态氧(图4a中标识为“LO2”)，而机动阀165的构造成与热交换器160协作来调节从系统10的出口139所获的主流体的温度的入口通过分配管线1003连接到氢储罐1000(图4a中标识为“LH2”)。次管线的与热交换器120相关联的出口121允许在热交换器120中用作冷却剂的液态氧被引向前方，以期可能的后续使用，例如在机载于飞行器的燃料电池中。经由基于温度测量装置166控制的机动阀165来控制主管线102的与热交换器160相关联的出口处的温度。
此外，次管线的与热交换器130相关联的部分连接到泵167的出口168，该泵167构造成泵送液态氮(在图4a中标识为“LN2”)形式的主流体，沿主管线102在设计成控制取自出口139的主流体的温度的热交换器160下游的热交换器160出口处可得该主流体。因此，泵167允许将液态氮泵送入次管线的与热交换器130相关联的部分，以冷却主流体，然后允许借助包括止回阀的管线163将该液态氮存储在储罐169中。
机动受控双出口阀162允许在完全冷却之前仍处于气态的氮在系统启动时从次管线的与热交换器130相关联的部分的出口131引向出口164，然后，当系统在标称条件下运行时，允许液态氮被引向液态氮储罐169。定向阀162由图中未描述的控制器控制，该控制器适用于通过温度测量装置测得的温度来确定系统10各点处的主流体状态。因此，可以通过在主管线102的各个部分获得合适的温度来执行主流体的组分分离的连续操作，如果系统中的元件发生泄漏或破裂，这些液体的接近可能会对安全造成损害，因此应有利地保持其相互之间的距离。有利地，在净化装置137的出口138处提取的液态氧可用于操作飞行器上所用的一个或多个燃料电池。
图4b是示出了用于在根据上文描述的第三变型实施例布置的惰性气体生成系统10中生成液态形式的氮的方法的示意图。在根据该第三变型的惰性气体生成系统10中，过滤输送至系统10的入口的压缩空气的步骤S0与先前所述的各变型相比保持不变。然后，以与结合图1b所述的方法中所执行的类似的方式，在步骤S10期间执行主流体的冷却，以便从热交换器110下游的主流体提取水。在该方法的第三变型中，使用取自载有惰性气体生成系统10的飞行器的外部的环境空气来执行主流体的该第一冷却。为此目的，在环境空气穿过次管线的流速被机动阀115调节之后，将环境空气引入到该次管线的与热交换器110相关联的部分中。然后，经由与热交换器110相关联的次管线出口111回收环境空气，以便可能在飞行器的其他地方使用。然后在步骤S20期间，在热交换器120中使用从净化装置137的出口138所收集的液态氧对主流体执行第二冷却。因此，明智地，在用于生成惰性气体的分馏的一个步骤期间从主流体提取的流体被用作所述分馏的另一步骤中的制冷剂。然后，在步骤S30中，在热交换器130中使用从主流体的第四冷却所获的液态氮对主流体执行第三冷却，在步骤S40期间执行该第四冷却，目的在于液化出口管线139中气态可用的氮。使用来自氢储罐1000的液态氢执行主流体的该第四冷却，该液态氢在热交换器160中用作冷却剂。然后，在步骤S50期间，将由此获得的液态氮泵送入液态氮储罐169并存储在其中。
图5a示意性地描绘了如已在图1a中描绘的惰性气体生成系统10的第四变型实施例。在该第四变型中，在热交换器110中使用气态氮执行引入系统10的入口100以及随后在其进入主管线102时在过滤器101中过滤的主流体的第一冷却。通过从净化装置157中的主流体提取液态氧来获得用于该第一冷却的气态氮。经由管线159将除去液态氧的主流体输送至次管线的与交换器110相关联的部分。经由净化装置157的净化出口158提取液态氧，而经由管线159将残余气态氮从净化装置157输送至次管线的与交换器110相关联的部分。在热交换器110中用作冷却剂的气态氮随后可在热交换器110的出口111处作为惰性气体使用。再一次，液态氧可以用来操作机载于飞行器的燃料电池。
根据该变型实施例，次管线的与用于冷却主流体以期提取二氧化碳的热交换器120相关联的部分的入口连接到主管线的与热交换器130相关联的出口，热交换器130在此用于在连续提取水和二氧化碳后通过冷却主流体来获得液态空气，这些提取操作分别在净化装置117和127中执行。使用液态氢在交换器130中来执行该冷却，该液态氢经由管线1004随后经由进入次管线的与热交换器130相关联的部分的机动阀135取自液态氢储罐1000。基于布置在主管线102的与热交换器130相关联的部分的出口处的主流体温度测量装置136测得的温度来控制机动阀135，机动阀135调节次管线的与热交换器130相关联的部分中的液态氢流速。穿过管道139”在主管线的与热交换器130相关联的出口与次管线的与热交换器120相关联的入口之间传递液态空气流。
图5b是示出了用于在根据上文描述的第四变型实施例布置的惰性气体生成系统10中生成气态氮的方法的示意图。
在系统10中接收压缩空气并过滤该空气的步骤S0仍然与其他变型中执行的步骤S0相同。然后，在该变型中，在步骤S100中使用在步骤S400期间从液态空气提取液态氧所获得的气态氮执行主流体的第一冷却，液态空气在步骤S200中所执行的主流体的第二冷却中用作冷却剂。在步骤S300期间，在热交换器130中使用液态氮对主流体进行第三冷却后，就可以获得液态空气本身。提取水和二氧化碳后，便获得液态空气，并从主流体中提取出液态氧，然后在热交换器110的出口111处可得气态氮。
图6描绘了飞行器1，该飞行器1包括根据上述实施例变型之一的惰性气体生成系统10。飞行器机上使用这种惰性气体生成系统特别有利，因为为了能够在燃料电池中使用，存储于一个或多个储罐中的温度为20K的氢需要加热，其初始温度允许其连续冷却压缩热空气，以便执行分馏操作，并生成诸如氮之类的惰性气体，以降低氢分配系统的某些部分的内容物的可燃性。

Claims (9)

1.用于生成惰性流体的方法，所述方法在飞行器(1)的惰性气体生成系统(10)中执行，通过对最初以压缩热空气形式所收集的主流体的组分的连续分离(S1、S2、S3)获得所述惰性流体，所述方法至少包括：通过使用构造成用液态氢对所述主流体执行冷却的热交换器(110)所致所述主流体的一种组分的相变来进行的组分分离(S1)，用收集自所述飞行器(1)的储罐(1000)的液态氢馈送所述热交换器(110)，
其特征在于，所述方法包括：适于从所述主流体提取液态形式的水的通过冷却所述主流体来分离所述主流体的组分的第一步骤(S1)以及适于从所述主流体提取液态形式的二氧化碳的通过冷却所述主流体来分离所述主流体的组分的第二步骤(S2)。
2.根据权利要求1所述的用于生成惰性流体的方法，其特征在于，所述方法包括在所述第一步骤(S1)和所述第二步骤(S2)之后且适于从所述主流体提取液态形式的二氧的通过冷却所述主流体来分离所述主流体的组分的第三步骤(S3)。
3.根据权利要求2所述的用于生成惰性流体的方法，其特征在于，所述方法包括：在分离组分的所述第一步骤(S1)、所述第二步骤(S2)和所述第三步骤(S3)之后液化所述主流体的步骤(S4c)，且后随将液态氮形式的所述主流体泵送向储罐的步骤(S5c)。
4.根据权利要求1所述的用于生成惰性流体的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第一步骤(S1)和所述第二步骤(S2)之后液化所述主流体的步骤(S3b)，且后随适于提取气态形式的氮的加热液化的所述主流体的步骤(S4b)。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的用于生成惰性流体的方法，其特征在于，通过冷却所述主流体来分离所述主流体的组分的连续步骤(S1、S2、S3)各自使用热交换器(110、120、130)，所述热交换器各自经由机动阀(115、125、135)从所述飞行器(1)的液态氢储罐(1000)并联地受馈。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的用于生成惰性流体的方法，其特征在于，通过冷却所述主流体来分离所述主流体的组分的连续步骤(S1、S2、S3、S4c)各自使用热交换器(110、120、130、140)，所述热交换器串联布置，使得在组分分离的步骤(S2)期间在热交换器(120)的入口处用于冷却所述主流体的液态氢至少部分地来自在分离所述主流体的组分的另一步骤(S3)中用于冷却所述主流体的另一热交换器(130)的出口。
7.根据权利要求3所述的用于生成惰性流体的方法，其特征在于，分离所述主流体的组分的所述第一步骤(S10)包括：在热交换器(110)中使用环境空气冷却所述主流体，分离所述主流体的组分的所述第二步骤(S20)包括：在热交换器(120)中借助在第三分离步骤(S30)期间提取的所述液态形式的二氧来冷却所述主流体，并且提取液态形式的二氧的所述第三步骤(S30)包括：使用借助取自液态氢储罐(1000)的液态氢而从液化步骤(S4c、S40)获得的液态氮来冷却所述主流体。
8.根据权利要求1所述的用于生成惰性流体的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述第一步骤(S100)和所述第二步骤(S200)之后的液化所述主流体的步骤，其中，分离所述主流体的组分的所述第一步骤(S100)和所述第二步骤(S200)各自包括在热交换器(110、120)中借助液化的主流体来冷却所述主流体，并且其中，液化所述主流体的步骤(S300)包括在热交换器(130)中借助所述液态氢来冷却所述主流体。
9.用于生成惰性流体的系统(10)，所述系统机载于飞行器(1)，所述生成系统(10)包括多个装置，所述装置各自依次构造以执行最初以压缩热空气形式所收集的主流体的组分分离，所述系统包括至少一个热交换器(110)，所述热交换器构造成通过所述主流体的组分的相变来执行组分的分离，使用液态氢执行所述主流体的冷却，被供以收集自所述飞行器的储罐(1000)的液态氢，
其特征在于，所述多个装置包括意在分离所述主流体中所含的液态形式的水的第一净化装置(117)以及意在分离所述主流体中所含的液态形式的二氧化碳的第二净化装置(127)。
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