DE102015207447B4

DE102015207447B4 - Betriebsphasenabhängig steuerbare Flugzeugklimaanlage und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Flugzeugklimaanlage

Info

Publication number: DE102015207447B4
Application number: DE102015207447.1A
Authority: DE
Inventors: Steffen Golle; Ullrich Hesse; Enrico Klausner; Mario Raddatz; Frank Klimpel; Hans BRUNSWIG
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: DE102015207447A1

Abstract

Flugzeugklimaanlage (10) mit:- einer von Umgebungsluft durchströmbaren Umgebungsluftleitung (12), die mit einem Mischer (14) der Flugzeugklimaanlage (10) verbunden ist, um dem Mischer (14) Umgebungsluft zuzuführen, und- einer Kältemaschine (16), die einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf (18) umfasst, wobei der Kältemittelkreislauf (18) thermisch mit der Umgebungsluftleitung (12) gekoppelt ist, um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer (14) Wärme von der die Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf (18) zirkulierende Kältemittel zu übertragen, gekennzeichnet durch- eine Steuereinrichtung (46), die dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung (12) derart zu steuern, dass-- die Umgebungsluft zunächst wahlweise durch einen ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12), in dem ein erster Umgebungsluftkompressor (42) zum Verdichten der den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende erste Bypassleitung (54) geleitet wird,-- die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12), in dem ein zweiter Umgebungsluftkompressor (58) zum Verdichten der den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende zweite Bypassleitung (64) geleitet wird,-- die Umgebungsluft anschließend durch einen dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) geleitet wird, der thermisch mit dem Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) gekoppelt ist, und-- die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12), in dem eine Turbine (86) zum Entspannen der den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende dritte Bypassleitung (90) geleitet wird; und- einen ersten Elektromotor (22) zum Antreiben eines in dem Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) angeordneten Kältemittelkompressors (20), einen zweiten Elektromotor (44) zum Antreiben des ersten Umgebungsluftkompressors (42) und einen dritten Elektromotor (60) zum Antreiben des zweiten Umgebungsluftkompressors (58).

Description

Die Erfindung betrifft eine betriebsphasenabhängig steuerbare Flugzeugklimaanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Flugzeugklimaanlage.
Eine Flugzeugklimaanlage dient der Einstellung und Aufrechterhaltung eines gewünschten Drucks, einer gewünschten Temperatur und einer gewünschten Luftfeuchtigkeit in einer Flugzeugkabine. Darüber hinaus führt die Flugzeugklimaanlage ausreichend Frischluft in die Flugzeugkabine zu, um sicherzustellen, dass in der Flugzeugkabine ein vorgeschriebener Mindestanteil von Frischluft vorhanden ist. Aus der EP 2 735 510 A1 bzw. der US 2014 / 0 144 163 A1 ist eine Flugzeugklimaanlage bekannt, bei der eine mit einem zweiphasigen Kältemittel betriebene Kältemaschine dazu genutzt wird, von einem mehrstufigen Kompressor verdichtete Umgebungsluft zu kühlen. Die Kältemaschine umfasst einen Kältemittelkreislauf, in dem ein Kompressor, ein Verflüssiger, ein Expansionsventil und ein von zu kühlender Umgebungsluft durchströmter Verdampfer angeordnet sind. Einem Triebwerk oder einem Hilfstriebwerk des Flugzeugs entnommene Zapfluft wird zum Antreiben des Kompressors der Kältemaschine sowie zum Antreiben des mehrstufigen Kompressors zum Verdichten der Umgebungsluft genutzt.
Bei der in der EP 2 735 510 A1 beschriebenen Flugzeugklimaanlage wird eine Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft einem Umgebungsluftkompressor zugeführt, der eine erste Kompressorstufe sowie eine zweite Kompressorstufe umfasst. Die erste Kompressorstufe kann, bei Bedarf, mittels einer Bypassleitung umgangen werden. Eine Umgehung der zweiten Kompressorstufe ist jedoch nicht möglich. Aus dem Umgebungsluftkompressor austretende Luft kann entweder durch einen mit einem Stauluftkanal thermisch gekoppelten Vorkühler oder eine Bypassleitung geleitet werden. Danach wird die Umgebungsluft durch eine mit einem Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine thermisch gekoppelten Umgebungsluftkühleinrichtung geführt. Nach dem Durchströmen der Umgebungsluftkühleinrichtung wird die Umgebungsluft mittels einer Umgebungsluftabfuhrleitung zunächst über eine Umgebungsluftturbine geleitet und schließlich einer Flugzeugkabine zugeführt.
Die GB 773 248 A betrifft eine Flugzeugklimaanlage, der einem Triebwerk entnommene Zapfluft zugeführt und in ersten Luftkühlern sowie Dampfkühlern gekühlt wird. Aus den Dampfkühlern austretende Luft wird durch zweite Luftkühler und über Turbinen geleitet und schließlich durch Leitungen einer Flugzeugkabine zugeführt. Aus der Flugzeugkabine abgeführte Luft wird durch parallel zu den Leitungen verlaufende weitere Leitungen, in denen Absperrventile angeordnet sind, durch die zweiten Luftkühler geleitet und schließlich an die Außenumgebung abgeführt.
Bei der in der US 2010 / 0 064 701 A1 beschriebenen Flugzeugklimaanlage wird einem Kompressor Luft von einer Luftquelle, die Umgebungsluft oder Zapfluft sein kann, zugeführt. Von dem Kompressor komprimierte Luft wird einem Wärmetauscher zugeführt und anschließend durch einen Nachheizer, einen Verdampfer und eine Entfeuchtungseinrichtung geleitet.
US 5 899 085 A betrifft eine Klimaanlage mit einer Kältemaschine. Die Kältemaschine umfasst einen Kältemittelkreislauf, in dem ein Verdampfer sowie ein weiterer Verdampfer angeordnet sind. Der Verdampfer dient dazu, einer Flugzeugkabine zuzuführende Klimatisationsluft zu kühlen. Der weitere Verdampfer wird von Rezirkulationsluft durchströmt und dient dazu, die Rezirkulationsluft vor ihrer Zufuhr in die Flugzeugkabine zu kühlen.
Weitere Klimaanlagen sind aus US 5 934 083 A , EP 2 821 346 A1 , DE 10 2010 042 127 A1 , DE 10 2012 108 886 A1 und DE 10 2012 206 357 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flugzeugklimaanlage bereitzustellen, die eine energieeffiziente Klimatisierung einer Flugzeugkabine ermöglicht. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Flugzeugklimaanlage anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Flugzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Flugzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Eine Flugzeugklimaanlage umfasst eine von Umgebungsluft durchströmbare Umgebungsluftleitung, die mit einem Mischer der Flugzeugklimaanlage verbunden ist, um dem Mischer einer Flugzeugumgebung entnommene Umgebungsluft zuzuführen. Bei dem mit der Umgebungsluftleitung in Verbindung stehenden Mischer kann es sich um einen Vormischer oder einen Hauptmischer der Flugzeugklimaanlage handeln, dem neben der Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung aus einer mittels der Flugzeugklimaanlage zu klimatisierenden Flugzeugkabine abgeführte Rezirkulationsluft zugeführt wird. In dem Mischer wird die Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung mit der aus der Flugzeugkabine abgeführten Rezirkulationsluft gemischt. Die in dem Mischer erzeugte Mischluft wird schließlich zur Klimatisierung der Flugzeugkabine verwendet.
Eine Kältemaschine der Flugzeugklimaanlage umfasst einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf, der thermisch mit der Umgebungsluftleitung gekoppelt ist, um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer Wärme von der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel zu übertragen. Der Kältemittelkreislauf kann über einen zum Beispiel in Form eines Verdampfers ausgebildeten Wärmetauscher thermisch mit der Umgebungsluftleitung gekoppelt sein.
Eine Steuereinrichtung der Flugzeugklimaanlage ist dazu eingerichtet, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung derart zu steuern, dass die Umgebungsluft zunächst wahlweise durch einen ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder eine erste Bypassleitung geleitet wird. In dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung ist ein beispielsweise drehzahlgeregelter erster Umgebungsluftkompressor zum Verdichten der den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft angeordnet. Die erste Bypassleitung verläuft parallel zu dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung. Umgebungsluft, die die erste Bypassleitung durchströmt, wird somit an dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und folglich dem ersten Umgebungsluftkompressor vorbeigeleitet.
Ferner ist die Steuereinrichtung der Flugzeugklimaanlage dazu eingerichtet, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung derart zu steuern, dass die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder eine zweite Bypassleitung geleitet wird. Der zweite Abschnitt der Umgebungsluftleitung ist, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung, insbesondere stromabwärts des ersten Abschnitts der Umgebungsluftleitung und der ersten Bypassleitung angeordnet. Die dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung zugeführte Umgebungsluft kann folglich aus dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder der ersten Bypassleitung in den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung geleitet werden.
In dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung ist ein beispielsweise drehzahlgeregelter zweiter Umgebungsluftkompressor zum Verdichten der den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft angeordnet, wobei es sich bei der dem zweiten Umgebungsluftkompressor zuführten Umgebungsluft um in dem ersten Umgebungsluftkompressor vorverdichtete Umgebungsluft oder dem zweiten Umgebungsluftkompressor unbehandelt durch die erste Bypassleitung zugeleitete Umgebungsluft handeln kann. Die zweite Bypassleitung verläuft parallel zu dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung. Umgebungsluft, die die zweite Bypassleitung durchströmt, wird somit an dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und folglich dem zweiten Umgebungsluftkompressor vorbeigeleitet.
Die Steuereinrichtung der Flugzeugklimaanlage ist ferner dazu eingerichtet, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung derart zu steuern, dass die Umgebungsluft anschließend durch einen dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung geleitet wird. Der dritte Abschnitt der Umgebungsluftleitung ist, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung, insbesondere stromabwärts des zweiten Abschnitts der Umgebungsluftleitung und der zweiten Bypassleitung angeordnet. Die dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung zugeführte Umgebungsluft kann folglich aus dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder über die zweite Bypassleitung unter Umgehung des zweiten Abschnitts der Umgebungsluftleitung aus dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder der ersten Bypassleitung in den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung geleitet werden.
Der dritte Abschnitt der Umgebungsluftleitung ist thermisch mit dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine gekoppelt, wobei die thermische Kopplung zwischen dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und dem Kältemittelkreislauf beispielsweise über den in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Verdampfer hergestellt werden kann. Die Kühlung der Umgebungsluft in der Umgebungsluftleitung durch Wärmeübertragung auf das in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine zirkulierende Kältemittel findet demnach beim Durchströmen des dritten Abschnitts der Umgebungsluftleitung statt.
Schließlich ist die Steuereinrichtung der Flugzeugklimaanlage dazu eingerichtet, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung derart zu steuern, dass die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder eine dritte Bypassleitung geleitet wird. Der vierte Abschnitt der Umgebungsluftleitung ist, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung, insbesondere stromabwärts des dritten Abschnitts der Umgebungsluftleitung angeordnet. In dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung ist eine Turbine zum Entspannen der den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft angeordnet. Die dritte Bypassleitung verläuft parallel zu dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung. Umgebungsluft, die die dritte Bypassleitung durchströmt, wird somit an dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und folglich der Turbine vorbeigeleitet.
Im Zusammenwirken mit einem Umgebungsluftkompressor ermöglicht die in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnete Turbine die Realisierung eines Kaltluftprozesses, bei dem die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft zunächst verdichtet und anschließend wieder entspannt und dabei vor ihrer Zufuhr in den Mischer der Flugzeugklimaanlage auf eine gewünschte tiefe Temperatur abgekühlt wird. Die Turbine kann mit dem in dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten zweiten Umgebungsluftkompressor auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein.
In der Flugzeugklimaanlage kann demnach, je nach Bedarf, entweder ausschließlich der in der Kältemaschine ablaufende Kühlprozess oder sowohl der in der Kältemaschine ablaufende Kühlprozess als auch der durch einen Umgebungsluftkompressor und die Turbine realisierte Kaltluftprozess zur Aufbereitung und Kühlung der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft genutzt werden. Ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage unter ausschließlicher Nutzung des in der Kältemaschine ablaufenden Kühlprozesses bietet sich insbesondere in Betriebsphasen der Flugzeuglimaanlage an, in denen die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft einen lediglich geringen Feuchtigkeitsgehalt hat. Dies ist beispielsweise im Reiseflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs der Fall. Durch eine Vorverdichtung der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft durch einen der Umgebungsluftkompressoren, bevor sie durch die Übertragung von Wärme an das in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine zirkulierende Kältemittel auf eine gewünschte Temperatur gekühlt wird, kann dann die Effizienz des in der Kältemaschine ablaufenden Kühlprozess überdies je nach Bedarf gesteuert werden.
Ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage unter Nutzung sowohl des in der Kältemaschine ablaufenden Kühlprozesses als auch des Kaltluftprozesses ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft vor ihrer Zufuhr in den Mischer der Flugzeugklimaanlage entfeuchtet werden muss. Dies ist z.B. im Bodenbetrieb und im Steig- bzw. Sinkflug eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs der Fall.
Schließlich ist durch eine Abschaltung der Kältemaschine auch ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage unter ausschließlicher Nutzung des Kaltluftprozesses möglich. Dies ist dann sinnvoll, wenn die Flugzeugkabine mittels der Flugzeugklimaanlage beheizt werden soll. Ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage unter ausschließlicher Nutzung des Kaltluftprozesses ist auch als Notfallbetrieb bei einem Ausfall der Kältemaschine möglich. In einem derartigen Notfallbetrieb können beide Umgebungsluftkompressoren zur Verdichtung der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft werden, wodurch es möglich wird, die Flugzeugkabine selbst dann mit einer ausreichenden Menge an aufbereiteter und gekühlter Umgebungsluft zu versorgen, wenn in einer mit zwei Klimaaggregaten ausgestatten Flugzeugklimaanlage ein Klimaaggregat vollständig ausfällt und zusätzlich die Kältemaschine des zweiten Klimaaggregats nicht mehr funktionsfähig ist.
Der Betrieb der Flugzeugklimaanlage kann somit in verschiedenen Betriebsphasen der Flugzeugklimaanlage optimal an die in den verschiedenen Betriebsphasen an die Flugzeugklimaanlage gestellten Klimatisationsanforderungen anpasst werden. Die Flugzeugklimaanlage ist daher besonders flexibel und energieeffizient betreibbar.
Die Steuereinrichtung der Flugzeugklimaanlage ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den ersten Umgebungsluftkompressor derart zu steuern, dass er die den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft, die im Flugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs einen deutlich unter dem Atmosphärendruck auf Meereshöhe liegenden Druck aufweisen kann, auf einen Druck verdichtet, der im Wesentlichen lediglich einem Soll-Kabinendruck in einer zu klimatisierenden Flugzeugkabine entspricht. Der erste Umgebungsluftkompressor ist daher sehr energieeffizient betreibbar.
Die Steuereinrichtung der Flugzeugklimaanlage ist vorzugsweise ferner dazu eingerichtet, den zweiten Umgebungsluftkompressor derart zu steuern, dass er die den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine. Wenn der zweite Umgebungsluftkompressor die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine, kann durch den zweiten Umgebungsluftkompressor und die in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnete Turbine ein effektiver und effizienter Kaltluftprozess realisiert werden.
Ferner kann in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung eine Wasserabscheidevorrichtung, vorzugsweise eine effiziente Hochdruck-Wasserabscheidevorrichtung, angeordnet sein. Durch die Verdichtung der Umgebungsluft auf einen über dem Soll-Kabinendruck liegenden Druck in dem zweiten Umgebungsluftkompressor wird es ermöglicht, in der in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten Wasserabscheidevorrichtung überschüssiges Wasser aus dem Umgebungsluftstrom zu entfernen.
Die, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung, vorzugsweise stromaufwärts der Turbine in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnete Wasserabscheidevorrichtung kann einen Wasserabscheider umfassen. Beim Durchströmen des Wasserabscheiders wird die Umgebungsluft so weit entfeuchtet, dass sichergestellt ist, dass der zu klimatisierenden Flugzeugkabine nicht zu viel Feuchtigkeit zugeführt wird. In dem Wasserabscheider aus der den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft abgeschiedenes Wasser kann über eine Wassereinspritzung in einen Stauluftkanal eingespritzt werden. Das dort zum Teil verdampfende Wasser kühlt die Stauluft und erhöht die Energieeffizienz der Flugzeugklimaanlage.
Ferner kann die Wasserabscheidevorrichtung einen, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung, stromabwärts des Wasserabscheiders angeordneten Rückheizer zum Beheizen der den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft vor deren Zufuhr in die Turbine umfassen. Der Rückheizer kann eine thermische Kopplung zwischen dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung herstellen. Insbesondere kann der Rückheizer den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmende warme Umgebungsluft nach deren Verdichtung in dem zweiten Umgebungsluftkompressor in Wärmekontakt mit der den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft vor deren Zufuhr in die Turbine bringen. In dem Rückheizer werden nach dem Durchströmen des Wasserabscheiders in dem Umgebungsluftstrom verbliebene Wassertropfen verdampft, um die Turbine vor Beschädigungen durch Tropfenschlag oder Kavitation zu schützen. Weiterhin erhöht der Rückheizer die Leistungsabgabe der Turbine.
Selbst wenn der zweite Umgebungsluftkompressor die den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine, werden der Betrieb des ersten und des zweiten Umgebungsluftkompressors jedoch vorzugsweise so gesteuert, dass die Temperatur der verdichteten Umgebungsluft eine Maximaltemperatur von beispielsweise 160 °C nicht überschreitet. Dadurch kann auf eine Isolation und Belüftung eines in einem Flugzeug für die Flugzeugklimaanlage vorgesehenen Installationsraums verzichtet werden. Dies ermöglicht Gewichts- und Kosteneinsparungen.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung derart zu steuern, dass im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch die erste Bypassleitung, anschließend durch den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, anschließend durch den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und schließlich durch den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung geleitet wird. Im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs kann die Umgebungsluft somit beim Durchströmen des in dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten zweiten Umgebungsluftkompressors auf einen über dem Soll-Kabinendruck liegenden Druck verdichtet werden, der eine Entfeuchtung der Umgebungsluft in der in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung vorgesehenen Wasserabscheidevorrichtung ermöglicht. Der in dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnete erste Umgebungsluftkompressor wird dagegen umgangen. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt sowohl durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf der Kältemaschine als auch durch die Entspannung der Umgebungsluft in der in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten Turbine.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ferner dazu eingerichtet, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung derart zu steuern, dass im Steig- oder Sinkflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, anschließend durch den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, anschließend durch den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und schließlich durch den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung geleitet wird. Im Steig- oder Sinkflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs werden somit der in dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnete erste Umgebungsluftkompressor und der in dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnete zweite Umgebungsluftkompressor in Reihe geschaltet, um die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck zu verdichten, der eine Entfeuchtung der Umgebungsluft in der in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung vorgesehenen Wasserabscheidevorrichtung selbst dann ermöglicht, wenn der Wirkungsgrad des Wasserabscheiders abnimmt.
Durch die Reihenschaltung der Umgebungsluftkompressoren können beide Umgebungsluftkompressoren auch bei hohen Leistungsanforderungen in ihrem optimalen Kennfeldbereich betrieben werden. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt, wie im Bodenbetrieb, sowohl durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf der Kältemaschine als auch durch die Entspannung der Umgebungsluft in der in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten Turbine.
Schließlich kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung derart zu steuern, dass im Reiseflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, anschließend durch die zweite Bypassleitung, anschließend durch den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und schließlich durch die dritte Bypassleitung geleitet wird. Im Reiseflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs wird die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft somit ausschließlich durch den in dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten ersten Umgebungsluftkompressor auf den Soll-Kabinendruck verdichtet, da eine Entfeuchtung der in Reiseflughöhe eines Flugzeugs sehr trockenen Umgebungsluft nicht erforderlich ist. Der in dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnete zweite Umgebungsluftkompressor wird demnach ebenso umgangen wie die in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung vorgesehene Wasserabscheidevorrichtung und die ebenfalls in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung vorgesehene Turbine. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt ausschließlich durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf der Kältemaschine.
Gemäß der Erfindung umfasst die Flugzeugklimaanlage einen jeweiligen Elektromotor zum Antreiben des ersten und des zweiten Umgebungsluftkompressors und eines in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine angeordneten Kältemittelkompressors. Die Flugzeugklimaanlage umfasst einen ersten Elektromotor zum Antreiben des Kältemittelkompressors. Der erste Umgebungsluftkompressor wird von einem zweiten Elektromotor angetrieben. Der zweite Umgebungsluftkompressor wird von einem dritten Elektromotor angetrieben. Bei der Flugzeugklimaanlage wird dann nicht nur bei der Bereitstellung von Klimatisationsluft, sondern auch beim Antrieb mindestens eines Umgebungsluftkompressors und/oder des Kältemittelkompressors auf einem Triebwerk oder einem Hilfstriebwerk des Flugzeugs entnommene Zapfluft verzichtet. Dadurch wird der Treibstoffverbrauch des Triebwerks oder Hilfstriebwerks reduziert. Ferner ermöglichen die Nutzung eines elektrischen Antriebs für mindesten einen der Umgebungsluftkompressoren und/oder den Kältemittelkompressor und die Verwendung von Umgebungsluft zur Bereitstellung von Klimatisationsluft eine vollständige Entkopplung der Energie- und Frischluftzufuhr zu der Flugzeugklimaanlage. Dadurch können die Energie- und die Frischluftzufuhr unabhängig voneinander optimiert und beispielsweise an die Betriebsbedingungen der Flugzeugklimaanlage angepasst werden. Die Flugzeugklimaanlage ist dann besonders energieeffizient betreibbar.
Das in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine zirkulierende Kältemittel ist vorzugsweise ein zweiphasiges Kältemittel, das bei der Aufnahme von Wärme von der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand überführt und anschließend durch entsprechende Druck- und Temperatursteuerung in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine wieder in den flüssigen Aggregatszustand zurück versetzt wird. Beispielsweise kann R134A (CH₂F-CF₃), CO₂ oder R-245fa (1,1,1,3,3-Pentafuoropropan) als zweiphasiges Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine zirkuliert werden. Der zur Kühlung der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft eingesetzte Kühlprozess ist folglich vorzugsweise als Kaltdampfprozess realisiert, der sich durch eine hohe Energieeffizienz auszeichnet.
In dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine kann/können neben dem von einem ersten Elektromotor angetriebenen Kältemittelkompressor ferner ein Verflüssiger, ein Kältemittelsammler, ein Expansionsventil und/oder ein Verdampfer, der den Kältemittelkreislauf thermisch mit der Umgebungsluftleitung koppelt, angeordnet sein. Vorzugsweise erfolgt die Druck- und Temperatursteuerung in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine derart, dass der in dem Kältemittelkreislauf ablaufende Kaltdampfprozess vorwiegend im Zweiphasengebiet des zweiphasigen Kältemittels abläuft, wodurch Isothermen und Isobaren zusammenfallen. Folglich nähert sich der Kaltdampfprozess dem theoretischen optimalen Carnot-Prozess an, wodurch eine besonders effiziente Kühlung der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft ermöglicht wird.
Der Kältemittelkreislauf der Kältemaschine kann ferner vorzugsweise über einen zum Beispiel in Form eines weiteren Verdampfers ausgebildeten Wärmetauscher thermisch mit einer von Rezirkulationsluft durchströmbaren Rezirkulationsluftleitung gekoppelt sein, um Wärme von der die Rezirkulationsluftleitung durchströmenden Rezirkulationsluft an das den Kältemittelkreislauf durchströmende Kältemittel zu übertragen. Die Rezirkulationsluftleitung ist vorzugsweise mit dem Mischer der Flugzeugklimaanlage verbunden, um dem Mischer Rezirkulationsluft zuzuführen. Wenn die Kältemaschine nicht nur zur Kühlung der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft, sondern auch zur Kühlung von aus der zu klimatisierenden Flugzeugkabine abgeführten Rezirkulationsluft genutzt wird, kann die Rezirkulationsluft vor ihrer Zufuhr in den Mischer der Flugzeugklimaanlage auf dieselbe tiefe Temperatur gekühlt werden, wie die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft.
Folglich kann darauf verzichtet werden, die Umgebungsluft durch Wärmeübertragung auf das in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine zirkulierende Kältemittel auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb einer gewünschten Soll-Kabinenzulufttemperatur liegt, wodurch die Betriebseffizienz der Flugzeugklimaanlage weiter verbessert wird. Ferner wird ein Betrieb der Kältemaschine mit relativ hohen minimalen Kältemitteltemperaturen ermöglicht, so dass das Vereisungsrisiko für in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine angeordnete Komponenten, insbesondere den Verdampfer, den weiteren Verdampfer und den Verflüssiger minimiert werden kann.
Der Kältemittelkreislauf der Kältemaschine kann über einen weiteren Verdampfer thermisch mit der Rezirkulationsluftleitung gekoppelt sein. Der weitere Verdampfer ist vorzugsweise in einer Verbindungsleitung angeordnet, die von dem in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Kältemittelsammler abzweigt. Ein derartiges Design des Kältemittelkreislaufs ermöglicht es, den zur Kühlung der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft genutzten Verdampfer und den zur Kühlung der die Rezirkulationsluftleitung durchströmenden Rezirkulationsluft genutzten weiteren Verdampfer parallel mit Kältemittel zu versorgen und unabhängig voneinander zu regeln. Der Kältemittelsammler dient dabei als Kältemittelpuffer, der eine ausreichende Versorgung beider Verdampfer mit Kältemittel gewährleistet.
In der Verbindungsleitung kann ein Steuerventil angeordnet sein, das dazu eingerichtet ist, die Kältemittelströmung durch die Verbindungsleitung zu steuern. Durch entsprechende Steuerung des Steuerventils kann die Kältemittelströmung durch die Verbindungsleitung an den Kühlbedarf der zu kühlenden Rezirkulationsluft angepasst werden. Ferner kann durch entsprechende Steuerung des Steuerventils das in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine zirkulierende Kältemittel in Abhängigkeit des Kühlbedarfs der zu kühlenden Umgebungsluft und in Abhängigkeit des Kühlbedarfs der zu kühlenden Rezirkulationsluft auf den Verdampfer zur Kühlung der Umgbungsluft und den weiteren Verdampfer zur Kühlung der Rezirkulationsluft verteilt werden. Dies ermöglicht bei Bedarf eine Priorisierung des Verdampfers oder des weiteren Verdampfers bei der Versorgung mit Kältemittel.
Ferner kann in der Verbindungsleitung ein weiteres Expansionsventil angeordnet sein. Durch das in der Verbindungsleitung, bezogen auf die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Kältemittelkreislauf, stromaufwärts des weiteren Verdampfers angeordnete weitere Expansionsventil können der Druck und die Temperatur des die Verbindungsleitung durchströmenden Kältemittels wie gewünscht eingestellt werden, bevor das Kältemittel in den weiteren Verdampfer geleitet wird.
In dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung kann ein erstes Ventil angeordnet sein, das dazu eingerichtet sein kann, die Umgebungsluftströmung durch den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung steuern. Ferner kann in dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung ein erster Vorkühler zum Vorkühlen von von dem ersten Umgebungsluftkompressor verdichteter Umgebungsluft angeordnet sein. Der erste Vorkühler ist vorzugsweise in einem Stauluftkanal angeordnet und von durch den Stauluftkanal geleiteter Stauluft durchströmbar. In dem ersten Vorkühler wird die Umgebungsluft, die durch die Verdichtung in dem ersten Umgebungsluftkompressor erwärmt wurde, wieder auf eine gewünschte tiefere Temperatur abgekühlt. In der ersten Bypassleitung ist vorzugsweise ein zweites Ventil angeordnet, das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die erste Bypassleitung zu steuern. Durch entsprechende Steuerung des in dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten ersten Ventils und des in der ersten Bypassleitung angeordneten zweiten Ventils kann die Umgebungsluft, je nach Bedarf, wahlweise entweder durch den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder die erste Bypassleitung geführt werden.
In dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung kann ein drittes Ventil angeordnet sein, das dazu eingerichtet sein kann, die Umgebungsluftströmung durch den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung steuern. In der zweiten Bypassleitung ist vorzugsweise ein viertes Ventil angeordnet, das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die zweite Bypassleitung zu steuern. Durch entsprechende Steuerung des in dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten dritten Ventils und des in der zweiten Bypassleitung angeordneten vierten Ventils kann die Umgebungsluft, je nach Bedarf, auf den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und die zweite Bypassleitung verteilt, insbesondere aber wahlweise entweder durch den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder die zweite Bypassleitung geführt werden.
In dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung ist vorzugweise ein zweiter Vorkühler zum Vorkühlen von Umgebungsluft vor der Herstellung der thermischen Kopplung zwischen dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine angeordnet. Der zweite Vorkühler ist vorzugsweise in einem Stauluftkanal angeordnet und von durch den Stauluftkanal geleiteter Stauluft durchströmbar. Beispielsweise können der erste Vorkühler und der zweite Vorkühler in einem gemeinsamen Stauluftkanal angeordnet sein, wobei der erste Vorkühler dann, bezogen auf die Strömungsrichtung der Stauluft durch den Stauluftkanal, vorzugsweise stromabwärts des zweiten Vorkühlers in dem Stauluftkanal positioniert ist.
Auch der Verflüssiger der Kältemaschine kann in einem Stauluftkanal angeordnet sein. Vorzugsweise sind der Verflüssiger der Kältemaschine, der erste Vorkühler und der zweite Vorkühler in einem gemeinsamen Stauluftkanal angeordnet. Die Flugzeugklimaanlage muss dann lediglich einen Stauluftkanal aufweisen. Der Verflüssiger der Kältemaschine ist, bezogen auf die Strömungsrichtung der Stauluft durch den Stauluftkanal, vorzugsweise stromaufwärts des zweiten Vorkühlers in dem Stauluftkanal positioniert. Dadurch wird in allen Betriebsphasen der Flugzeugklimaanlage eine ausreichende Kühlung des Verflüssigers durch die den Stauluftkanal durchströmende Stauluft gewährleistet. Um auch im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs für eine ordnungsgemäße Durchströmung des Stauluftkanals mit Stauluft zu sorgen, kann in dem Stauluftkanal ferner ein Gebläse zur Förderung von Stauluft durch den Stauluftkanal angeordnet sein. Das Gebläse wird vorzugsweise von einem vierten Elektromotor angetrieben.
Von dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung zweigt vorzugweise eine Trimluftleitung ab. Der Abzweig der Trimluftleitung von dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung liegt, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung, vorzugsweise stromaufwärts der thermischen Kopplung des dritten Abschnitts der Umgebungsluftleitung mit dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine und vorzugweise auch stromaufwärts des zweiten Vorkühlers. Dadurch wird sichergestellt, dass die Trimluft an einem Punkt des dritten Abschnitts der Umgebungsluftleitung entnommen wird, an dem die den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft die maximale Temperatur hat. Die Trimluftströmung durch die Trimluftleitung kann durch ein in der Trimluftleitung angeordnetes Trimluftventil gesteuert werden.
Schließlich kann in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung kann ein fünftes Ventil angeordnet sein, das dazu eingerichtet sein kann, die Umgebungsluftströmung durch den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung steuern. In der dritten Bypassleitung ist vorzugsweise ein sechstes Ventil angeordnet, das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die dritte Bypassleitung zu steuern. Durch entsprechende Steuerung des in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten fünften Ventils und des in der dritten Bypassleitung angeordneten sechsten Ventils kann die Umgebungsluft, je nach Bedarf, auf den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und die dritte Bypassleitung verteilt, insbesondere aber wahlweise entweder durch den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung oder die dritte Bypassleitung geführt werden.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Flugzeugklimaanlage wird Umgebungsluft durch eine Umgebungsluftleitung geleitet, die mit einem Mischer der Flugzeugklimaanlage verbunden ist, um dem Mischer Umgebungsluft zuzuführen. Ein Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine wird thermisch mit der Umgebungsluftleitung gekoppelt, um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer Wärme von der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel zu übertragen. Die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung wird derart gesteuert, dass die Umgebungsluft zunächst wahlweise durch einen ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, in dem ein erster Umgebungsluftkompressor zum Verdichten der den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine erste Bypassleitung geleitet wird, die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, in dem ein zweiter Umgebungsluftkompressor zum Verdichten der den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine zweite Bypassleitung geleitet wird, die Umgebungsluft anschließend durch einen dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, der thermisch mit dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine gekoppelt ist, geleitet wird, und die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, in dem eine Turbine zum Entspannen der den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine dritte Bypassleitung geleitet wird.
Der erste Umgebungsluftkompressor wird vorzugsweise derart gesteuert, dass er die den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft, die im Flugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs einen deutlich unter dem Atmosphärendruck auf Meereshöhe liegenden Druck aufweisen kann, auf einen Druck verdichtet, der im Wesentlichen einem Soll-Kabinendruck in einer zu klimatisierenden Flugzeugkabine entspricht. Der zweite Umgebungsluftkompressor kann derart gesteuert werden, dass er die den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine. Ferner kann Wasser aus der den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft abgeschieden werden.
Insbesondere kann die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung derart gesteuert werden, dass im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch die erste Bypassleitung, anschließend durch den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, anschließend durch den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und schließlich durch den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung geleitet wird. Im Steig- oder Sinkflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs wird die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung vorzugsweise derart gesteuert, dass die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, anschließend durch den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, anschließend durch den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und schließlich durch den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung geleitet wird. Im Reiseflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs wird die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung vorzugsweise derart gesteuert, dass die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung, anschließend durch die zweite Bypassleitung, anschließend durch den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und schließlich durch die dritte Bypassleitung geleitet wird.
Die Umgebungsluftströmung durch den ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung wird vorzugsweise durch ein in dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnetes erstes Ventil gesteuert. Von dem ersten Umgebungsluftkompressor verdichtete Umgebungsluft kann von einem in dem ersten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten ersten Vorkühler vorgekühlt werden. Die Umgebungsluftströmung durch die erste Bypassleitung kann durch ein in der ersten Bypassleitung angeordnetes zweites Ventil gesteuert werden. Die Umgebungsluftströmung durch den zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung kann durch ein in dem zweiten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnetes drittes Ventil gesteuert werden. Die Umgebungsluftströmung durch die zweite Bypassleitung kann durch ein in der zweiten Bypassleitung angeordnetes viertes Ventil gesteuert werden. Die Umgebungsluft kann vor der Herstellung der thermischen Kopplung zwischen dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung und dem Kältemittelkreislauf von einem in dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordneten zweiten Vorkühler vorgekühlt werden. Trimluft kann durch eine von dem dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung abzweigende Trimluftleitung von der den dritten Abschnitt der Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft abgezweigt werden. Die Umgebungsluftströmung durch den vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung kann durch ein in dem vierten Abschnitt der Umgebungsluftleitung angeordnetes fünftes Ventil gesteuert werden. Die Umgebungsluftströmung durch die dritte Bypassleitung kann durch ein in der dritten Bypassleitung angeordnetes sechstes Ventil gesteuert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert, die in

1 eine Klimaanlage zur Klimatisierung einer Flugzeugkabine zeigt.

Eine in 1 veranschaulichte Flugzeugklimaanlage 10 umfasst eine von Umgebungsluft durchströmbare Umgebungsluftleitung 12, die mit einem Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 verbunden ist, um dem Mischer 14 die einer Flugzeugumgebung 15 entnommene Umgebungsluft zuzuführen. In dem Mischer 14 wird die Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung 12 mit aus einer Flugzeugkabine abgeführter Rezirkulationsluft gemischt. Die in dem Mischer 14 erzeugte Mischluft wird schließlich zur Klimatisierung der Flugzeugkabine verwendet.
Die Flugzeugklimaanlage 10 ist mit einer Kältemaschine 16 ausgestattet, die einen von einem zweiphasigen Kältemittel, beispielsweise R134A (CH₂F-CF₃), CO₂ oder R-245fa (1,1,1,3,3-Pentafuoropropan), durchströmten Kältemittelkreislauf 18 sowie einen in dem Kältemittelkreislauf 18 angeordneten Kältemittelkompressor 20 umfasst. Der Kältemittelkompressor 20 wird von einem ersten Elektromotor 22 angetrieben. Der Kältemittelkreislauf 18 ist thermisch mit der Umgebungsluftleitung gekoppelt, um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer 14 Wärme von der die Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf 18 zirkulierende Kältemittel zu übertragen. Neben dem Kältemittelkompressor 20 sind in dem Kältemittelkreislauf 18 ein Verflüssiger 24, ein Kältemittelsammler 26, ein Expansionsventil 28 und ein Verdampfer 30, der den Kältemittelkreislauf 18 thermisch mit der Umgebungsluftleitung 12 koppelt, angeordnet.
Der Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 16 ist ferner thermisch mit einer von Rezirkulationsluft durchströmten und mit dem Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 verbundenen Rezirkulationsluftleitung 32 gekoppelt, um Wärme von der die Rezirkulationsluftleitung 32 durchströmenden Rezirkulationsluft an das den Kältemittelkreislauf 18 durchströmende Kältemittel zu übertragen. Die thermische Kopplung zwischen dem Kältemittelkreislauf 18 und der Rezirkulationsluftleitung 32 ist durch einen weiteren Verdampfer 34 realisiert, der in einer von dem in dem Kältemittelkreislauf 18 angeordneten Kältemittelsammler 26 abzweigenden Verbindungsleitung 36 angeordnet ist. Die Kältemittelströmung durch die Verbindungsleitung 36 wird durch ein in der Verbindungsleitung 36 angeordnetes Steuerventil 38 gesteuert. Ferner ist in der Verbindungsleitung 36, bezogen auf die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Kältemittelkreislauf 18, stromaufwärts des weiteren Verdampfers 34 ein weiteres Expansionsventil 40 angeordnet sein. Durch das weitere Expansionsventil 40 können der Druck und die Temperatur des die Verbindungsleitung 36 durchströmenden Kältemittels wie gewünscht eingestellt werden, bevor das Kältemittel in den weiteren Verdampfer 34 geleitet wird.
In der Flugzeugklimaanlage 10 wird die Kältemaschine 16 somit nicht nur zur Kühlung der die Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft, sondern auch zur Kühlung von aus der zu klimatisierenden Flugzeugkabine abgeführten Rezirkulationsluft genutzt. Die Rezirkulationsluft kann daher vor ihrer Zufuhr in den Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 auf dieselbe tiefe Temperatur gekühlt werden, wie die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft. Folglich kann darauf verzichtet werden, die Umgebungsluft durch Wärmeübertragung auf das in dem Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 16 zirkulierende Kältemittel auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb einer gewünschten Soll-Kabinenzulufttemperatur liegt. Ferner wird ein Betrieb der Kältemaschine 16 mit relativ hohen minimalen Kältemitteltemperaturen ermöglicht.
Die Umgebungsluftleitung 12 umfasst einen ersten Abschnitt 12a, in dem ein erster Umgebungsluftkompressor 42 zum Verdichten der den ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist. Der drehzahlgeregelte erste Umgebungsluftkompressor 42 wird von einem zweiten Elektromotor 44 angetrieben. Der erste Umgebungsluftkompressor wird von einer Steuereinrichtung 46 der Flugzeugklimaanlage 10 derart gesteuert, dass er die den ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft auf den Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine verdichtet. In dem ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 ist ferner ein erstes Ventil 48 zur Steuerung der Umgebungsluftströmung durch den ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 angeordnet.
In dem ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 ist ferner ein erster Vorkühler 50 zum Vorkühlen von von dem ersten Umgebungsluftkompressor 42 verdichteter Umgebungsluft angeordnet. Der erste Vorkühler 50 ist in einem Stauluftkanal 52 angeordnet und wird im Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 von durch den Stauluftkanal 52 geleiteter Stauluft durchströmt. In dem ersten Vorkühler 50 wird die Umgebungsluft, die durch die Verdichtung in dem ersten Umgebungsluftkompressor 42 erwärmt wurde, wieder auf eine gewünschte tiefere Temperatur abgekühlt.
Eine erste Bypassleitung 54 verläuft parallel zu dem ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12. Ein in der ersten Bypassleitung 54 angeordnetes zweites Ventil 56 dient der Steuerung der Umgebungsluftströmung durch die erste Bypassleitung 54. Umgebungsluft, die die erste Bypassleitung 54 durchströmt, wird an dem ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 und folglich dem ersten Umgebungsluftkompressor 45 und dem ersten Vorkühler 50 vorbeigeleitet.
Die Umgebungsluftleitung 12 umfasst ferner einen zweiten Abschnitt 12b, der, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung 10, stromabwärts des ersten Abschnitts 12a der Umgebungsluftleitung 12 und der ersten Bypassleitung 54 angeordnet ist. Die dem zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 zugeführte Umgebungsluft kann folglich aus dem ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 oder der ersten Bypassleitung 54 in den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 geleitet werden. In dem zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 ist ein zweiter Umgebungsluftkompressor 58 zum Verdichten der den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft angeordnet, wobei dem zweiten Umgebungsluftkompressor 58 von dem ersten Umgebungsluftkompressor 42 vorverdichtete Umgebungsluft oder unbehandelte Umgebungsluft aus der ersten Bypassleitung 54 zugeführt werden kann. Der drehzahlgeregelte zweite Umgebungsluftkompressor 58 wird von einem dritten Elektromotor 60 angetrieben.
Der zweite Umgebungsluftkompressor 58 wird von der Steuereinrichtung 46 der Flugzeugklimaanlage 10 derart gesteuert, dass er die den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine. Allerdings werden der Betrieb des ersten und des zweiten Umgebungsluftkompressors 42, 58 so gesteuert, dass die Temperatur der verdichteten Umgebungsluft eine Maximaltemperatur von beispielsweise 160°C nicht überschreitet. Ein in dem zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 angeordnetes drittes Ventil 62 dient der Steuerung der Umgebungsluftströmung durch den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12.
Die Flugzeugklimaanlage 10 umfasst ferner eine zweite Bypassleitung 64, die parallel zu dem zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 verläuft. In der zweiten Bypassleitung 64 ist ein viertes Ventil 66 angeordnet, das die Umgebungsluftströmung durch die zweite Bypassleitung 64 steuert. Umgebungsluft, die die zweite Bypassleitung 64 durchströmt, wird an dem zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 und folglich dem zweiten Umgebungsluftkompressor 58 vorbeigeleitet.
Die Umgebungsluftleitung 12 umfasst ferner einen dritten Abschnitt 12c, der, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung 12, stromabwärts des zweiten Abschnitts 12b der Umgebungsluftleitung und der zweiten Bypassleitung 64 angeordnet ist. Die dem dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 zugeführte Umgebungsluft kann folglich aus dem zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 oder über die zweite Bypassleitung 64 unter Umgehung des zweiten Abschnitts 12b der Umgebungsluftleitung 12 aus dem ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 in den dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 geleitet werden. Der dritte Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 ist über den in dem Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 16 angeordneten Verdampfer 30 thermisch mit dem Kältemittelkreislauf 18 gekoppelt. Die Kühlung der Umgebungsluft in der Umgebungsluftleitung 12 durch Wärmeübertragung auf das in dem Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 16 zirkulierende Kältemittel findet demnach beim Durchströmen des dritte Abschnitts 12c der Umgebungsluftleitung 12 statt.
In dem dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 ist ein zweiter Vorkühler 68 zum Vorkühlen von Umgebungsluft vor der Herstellung der thermischen Kopplung zwischen dem dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 und dem Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 16 angeordnet. Der zweite Vorkühler 68 ist in dem Stauluftkanal 52, bezogen auf die Strömungsrichtung der Stauluft durch den Stauluftkanal, stromaufwärts des ersten Vorkühlers 50 angeordnet und wird, ähnlich wie der erste Vorkühler 50, im Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 von durch den Stauluftkanal 52 geleiteter Stauluft durchströmt.
Neben dem ersten und dem zweiten Vorkühler 50, 68 ist in dem Stauluftkanal 52 auch der Verflüssiger 24 der Kältemaschine 16 angeordnet sein, wobei der Verflüssiger 24, bezogen auf die Strömungsrichtung der Stauluft durch den Stauluftkanal 52, stromaufwärts des zweiten Vorkühlers 68 in dem Stauluftkanal 52 positioniert ist. Um auch im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs für eine ordnungsgemäße Durchströmung des Stauluftkanals 52 mit Stauluft zu sorgen, ist in dem Stauluftkanal 52 ferner ein Gebläse 70 zur Förderung von Stauluft durch den Stauluftkanal 52 angeordnet. Das Gebläse 70 wird von einem vierten Elektromotor 72 angetrieben.
Von dem dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 zweigt, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung 12, stromaufwärts des zweiten Vorkühlers 68 eine Trimluftleitung 74 ab. Die Trimluftströmung durch die Trimluftleitung 74 wird durch ein in der Trimluftleitung 74 angeordnetes Trimluftventil 76 gesteuert werden.
Die Umgebungsluftleitung 12 der Flugzeugklimaanlage 10 umfasst ferner einen vierten Abschnitt 12d, der, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung 12, stromabwärts des dritten Abschnitts 12c der Umgebungsluftleitung 12 angeordnet ist. In dem vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 ist eine Wasserabscheidevorrichtung 78 angeordnet, die einen Wasserabscheider 80 sowie einen Rückheizer 82 umfasst. Beim Durchströmen des Wasserabscheiders 80 wird die Umgebungsluft so weit entfeuchtet, dass sichergestellt ist, dass der zu klimatisierenden Flugzeugkabine nicht zu viel Feuchtigkeit zugeführt wird. In dem Wasserabscheider 80 aus der Umgebungsluft abgeschiedenes Wasser wird über eine Drainageleitung 84 in den Stauluftkanal 52 geleitet und über eine Wassereinspritzdüse 87 in den Stauluftkanal 52 eingespritzt. Dabei verdampft das Wasser zum Teil und kühlt die den Stauluftkanal 52 durchströmende Stauluft.
Ferner ist in dem vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 eine Turbine 86 zum Entspannen der den vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft angeordnet. Die Turbine 86 mit dem in dem zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 angeordneten zweiten Umgebungsluftkompressor 58 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung 12, stromabwärts des Wasserabscheiders 80 angeordneten Rückheizer 82 dient dazu, den vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft vor deren Zufuhr in die Turbine 86 zu beheizen und stellt eine thermische Kopplung zwischen dem vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 und dem zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 her. Dadurch bringt der Rückheizer 82 den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 durchströmende warme Umgebungsluft nach deren Verdichtung in dem zweiten Umgebungsluftkompressor 58 in Wärmekontakt mit der den vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft vor deren Zufuhr in die Turbine 86. In dem Rückheizer 82 werden nach dem Durchströmen des Wasserabscheiders 80 in dem Umgebungsluftstrom verbliebene Wassertropfen verdampft, um die Turbine 86 vor Beschädigungen durch Tropfenschlag oder Kavitation zu schützen. Weiterhin erhöht der Rückheizer 82 die Leistungsabgabe der Turbine 86.
Schließlich ist in dem vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 ein fünftes Ventil 88 zur Steuerung der Umgebungsluftströmung durch den vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 angeordnet.
Die Flugzeugklimaanlage 10 umfasst ferner eine dritte Bypassleitung 90, die parallel zu dem vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 verläuft. In der dritten Bypassleitung 90 ist ein sechstes Ventil 92 zur Steuerung der Umgebungsluftströmung durch die dritte Bypassleitung 90 angeordnet. Umgebungsluft, die die dritte Bypassleitung 90 durchströmt, wird an dem vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 und folglich der Wasserabscheidevorrichtung 78 und der Turbine 86 vorbeigeleitet.
Im Zusammenwirken mit einem Umgebungsluftkompressor 42, 58, insbesondere dem zweiten Umgebungsluftkompressor 58, der die den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine, ermöglicht die in dem vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 angeordnete Turbine 86 die Realisierung eines Kaltluftprozesses, bei dem die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft zunächst verdichtet und anschließend wieder entspannt und dabei abgekühlt wird. Durch die Verdichtung der Umgebungsluft auf einen über dem Soll-Kabinendruck liegenden Druck wird es ermöglicht, in der in dem vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 angeordneten Wasserabscheidevorrichtung 78 überschüssiges Wasser aus dem Umgebungsluftstrom zu entfernen. Durch die Entspannung der Umgebungsluft in der Turbine 86 wird die Umgebungsluft vor ihrer Zufuhr in den Mischer der Flugzeugklimaanlage auf eine gewünschte tiefe Temperatur abgekühlt.
In der Flugzeugklimaanlage kann demnach, je nach Bedarf, entweder ausschließlich der in der Kältemaschine 16 ablaufende Kaltdampfprozess oder sowohl der Kaltdampfprozess als auch der Kaltluftprozess zur Aufbereitung und Kühlung der die Umgebungsluftleitung 10 durchströmende Umgebungsluft genutzt werden. Ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage unter ausschließlicher Nutzung des Kaltdampfprozesses bietet sich insbesondere in Betriebsphasen der Flugzeuglimaanlage 10 an, in denen die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft einen lediglich geringen Feuchtigkeitsgehalt hat. Ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 unter Nutzung sowohl des Kaltdampfprozesses als auch des Kaltluftprozesses ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die die Umgebungsluftleitung 10 durchströmende Umgebungsluft vor ihrer Zufuhr in den Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 entfeuchtet werden muss.
Schließlich ist durch eine Abschaltung der Kältemaschine 16 auch ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 unter ausschließlicher Nutzung des Kaltluftprozesses möglich. Dies ist dann sinnvoll, wenn die Flugzeugkabine mittels der Flugzeugklimaanlage 10 beheizt werden soll. Ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 unter ausschließlicher Nutzung des Kaltluftprozesses ist auch als Notfallbetrieb bei einem Ausfall der Kältemaschine 16 möglich. In einem derartigen Notfallbetrieb können beide Umgebungsluftkompressoren 42, 58 zur Verdichtung der die Umgebungsluftleitung 10 durchströmenden Umgebungsluft werden, wodurch es möglich wird, die Flugzeugkabine selbst dann mit einer ausreichendem Menge an aufbereiteter und gekühlter Umgebungsluft zu versorgen, wenn in einer mit zwei Klimaaggregaten ausgestatten Flugzeugklimaanlage 10 ein Klimaaggregat vollständig ausfällt und zusätzlich die Kältemaschine des zweiten Klimaaggregats nicht mehr funktionsfähig ist.
Die Steuereinrichtung 46 steuert die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung 12 durch entsprechende Steuerung der Ventile 48, 56, 62, 66, 88, 92
derart, dass die Umgebungsluft zunächst wahlweise durch den ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12 oder die erste Bypassleitung 54 geleitet wird, die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12 oder die zweite Bypassleitung 64 geleitet wird, die Umgebungsluft anschließend durch einen dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 geleitet wird und die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch den vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 oder die dritte Bypassleitung 90 geleitet wird.
Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 46 steuert den Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 und die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung 12 derart, dass im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch die erste Bypassleitung 54, anschließend durch den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung12, anschließend durch den dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 und schließlich durch den vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 geleitet wird. Im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs wird die Umgebungsluft somit beim Durchströmen des zweiten Umgebungsluftkompressors 58 auf einen über dem Soll-Kabinendruck liegenden Druck verdichtet, der eine Entfeuchtung der Umgebungsluft in der Wasserabscheidevorrichtung 78 ermöglicht. Der erste Umgebungsluftkompressor 42 wird dagegen umgangen. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt sowohl durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 16 als auch durch die Entspannung der Umgebungsluft in der Turbine 86.
Im Steig- oder Sinkflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs steuert die Steuereinrichtung 46 die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung 12 dagegen derart, dass die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung12, anschließend durch den zweiten Abschnitt 12b der Umgebungsluftleitung 12, anschließend durch den dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 und schließlich durch den vierten Abschnitt 12d der Umgebungsluftleitung 12 geleitet wird. Im Steig- oder Sinkflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs werden somit der erste Umgebungsluftkompressor 42 und der zweite Umgebungsluftkompressor 58 in Reihe geschaltet, um die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck zu verdichten, der eine Entfeuchtung der Umgebungsluft in der Wasserabscheidevorrichtung 78 selbst dann ermöglicht, wenn der Wirkungsgrad des Wasserabscheiders 80 abnimmt. Durch die Reihenschaltung der Umgebungsluftkompressoren 42, 58 können beide Umgebungsluftkompressoren 42, 58 auch bei hohen Leistungsanforderungen in ihrem optimalen Kennfeldbereich betrieben werden. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt, wie im Bodenbetrieb, sowohl durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 16 als auch durch die Entspannung der Umgebungsluft in der Turbine 86.
Im Reiseflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs steuert die Steuereinrichtung 46 die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung 12 schließlich derart, dass die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt 12a der Umgebungsluftleitung 12, anschließend durch die zweite Bypassleitung 64, anschließend durch den dritten Abschnitt 12c der Umgebungsluftleitung 12 und schließlich durch die dritte Bypassleitung 90 geleitet wird. Im Reiseflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs wird die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft somit ausschließlich durch den ersten Umgebungsluftkompressor 42 auf den Soll-Kabinendruck verdichtet, da eine Entfeuchtung der in Reiseflughöhe eines Flugzeugs sehr trockenen Umgebungsluft nicht erforderlich ist. Der zweite Umgebungsluftkompressor 58 wird demnach ebenso umgangen wie die Wasserabscheidevorrichtung 78 und die Turbine 86. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt ausschließlich durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 16.

Claims

Flugzeugklimaanlage (10) mit: - einer von Umgebungsluft durchströmbaren Umgebungsluftleitung (12), die mit einem Mischer (14) der Flugzeugklimaanlage (10) verbunden ist, um dem Mischer (14) Umgebungsluft zuzuführen, und - einer Kältemaschine (16), die einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf (18) umfasst, wobei der Kältemittelkreislauf (18) thermisch mit der Umgebungsluftleitung (12) gekoppelt ist, um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer (14) Wärme von der die Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf (18) zirkulierende Kältemittel zu übertragen, gekennzeichnet durch - eine Steuereinrichtung (46), die dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung (12) derart zu steuern, dass -- die Umgebungsluft zunächst wahlweise durch einen ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12), in dem ein erster Umgebungsluftkompressor (42) zum Verdichten der den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende erste Bypassleitung (54) geleitet wird, -- die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12), in dem ein zweiter Umgebungsluftkompressor (58) zum Verdichten der den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende zweite Bypassleitung (64) geleitet wird, -- die Umgebungsluft anschließend durch einen dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) geleitet wird, der thermisch mit dem Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) gekoppelt ist, und -- die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12), in dem eine Turbine (86) zum Entspannen der den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende dritte Bypassleitung (90) geleitet wird; und - einen ersten Elektromotor (22) zum Antreiben eines in dem Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) angeordneten Kältemittelkompressors (20), einen zweiten Elektromotor (44) zum Antreiben des ersten Umgebungsluftkompressors (42) und einen dritten Elektromotor (60) zum Antreiben des zweiten Umgebungsluftkompressors (58).
Flugzeugklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, den ersten Umgebungsluftkompressor (42) derart zu steuern, dass er die den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der im Wesentlichen einem Soll-Kabinendruck in einer zu klimatisierenden Flugzeugkabine entspricht.
Flugzeugklimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, den zweiten Umgebungsluftkompressor (58) derart zu steuern, dass er die den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine, und/oder dass in dem vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) ist eine Wasserabscheidevorrichtung (78) angeordnet ist.
Flugzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung (12) derart zu steuern, dass im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage (10) ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch die erste Bypassleitung (54), anschließend durch den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12), anschließend durch den dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) und schließlich durch den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) geleitet wird.
Flugzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung (12) derart zu steuern, dass im Steig- oder Sinkflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage (10) ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12), anschließend durch den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12), anschließend durch den dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) und schließlich durch den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) geleitet wird.
Flugzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung (12) derart zu steuern, dass im Reiseflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage (10) ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12), anschließend durch die zweite Bypassleitung (64), anschließend durch den dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) und schließlich durch die dritte Bypassleitung (90) geleitet wird.
Flugzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) zirkulierende Kältemittel ein zweiphasiges Kältemittel ist und/oder dass in dem Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) neben dem Kältemittelkompressor (20) ferner ein Verflüssiger (24), ein Kältemittelsammler (26), ein Expansionsventil (28) und/oder ein Verdampfer (30), der den Kältemittelkreislauf (18) thermisch mit der Umgebungsluftleitung (12) koppelt, angeordnet sind.
Flugzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) thermisch mit einer von Rezirkulationsluft durchströmbaren Rezirkulationsluftleitung (32) gekoppelt ist, um Wärme von der die Rezirkulationsluftleitung (32) durchströmenden Rezirkulationsluft an das in dem Kältemittelkreislauf (18) zirkulierende Kältemittel zu übertragen.
Flugzeugklimaanlage nach den Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) über einen weiteren Verdampfer (34), der insbesondere in einer von dem in dem Kältemittelkreislauf (18) angeordneten Kältemittelsammler (26) abzweigenden Verbindungsleitung (36) angeordnet ist, thermisch mit der Rezirkulationsluftleitung (32) gekoppelt ist, wobei in der Verbindungsleitung (36) vorzugsweise ferner ein Steuerventil (38), das dazu eingerichtet ist, die Kältemittelströmung durch die Verbindungsleitung (36) zu steuern, und/oder ein weiteres Expansionsventil (40) angeordnet ist/sind.
Flugzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch: - ein in dem ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) angeordnetes erstes Ventil (48), das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) steuern, und/oder - einen in dem ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) angeordneten ersten Vorkühler (50) zum Vorkühlen von von dem ersten Umgebungsluftkompressor (42) verdichteter Umgebungsluft, und/oder - ein in der ersten Bypassleitung (54) angeordnetes zweites Ventil (56), das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die erste Bypassleitung (54) zu steuern, und/oder - ein in dem zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) angeordnetes drittes Ventil (62), das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) steuern, und/oder - ein in der zweiten Bypassleitung (64) angeordnetes viertes Ventil (66), das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die zweite Bypassleitung (64) zu steuern, und/oder - einen in dem dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) angeordneten zweiten Vorkühler (68) zum Vorkühlen von Umgebungsluft vor der Herstellung der thermischen Kopplung zwischen dem dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) und dem Kältemittelkreislauf (18), und/oder - eine von dem dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) abzweigende Trimluftleitung (74), und/oder - ein in dem vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) angeordnetes fünftes Ventil (88), das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) steuern, und/oder - ein in der dritten Bypassleitung (90) angeordnetes sechstes Ventil (92), das dazu eingerichtet ist, die Umgebungsluftströmung durch die dritte Bypassleitung (90) zu steuern.
Verfahren zum Betreiben einer Flugzeugklimaanlage - Leiten von Umgebungsluft durch eine Umgebungsluftleitung (12), die mit einem Mischer (14) der Flugzeugklimaanlage (10) verbunden ist, um dem Mischer (14) Umgebungsluft zuzuführen, - thermisches Koppeln eines Kältemittelkreislaufs (18) einer Kältemaschine (16) mit der Umgebungsluftleitung (12), um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer (14) Wärme von der die Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf (18) zirkulierende Kältemittel zu übertragen, - Steuern der Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung (12) derart, dass -- die Umgebungsluft zunächst wahlweise durch einen ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12), in dem ein erster Umgebungsluftkompressor (42) zum Verdichten der den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende erste Bypassleitung (54) geleitet wird, -- die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12), in dem ein zweiter Umgebungsluftkompressor (58) zum Verdichten der den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende zweite Bypassleitung (64) geleitet wird, -- die Umgebungsluft anschließend durch einen dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) geleitet wird, der thermisch mit dem Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) gekoppelt ist, und -- die Umgebungsluft anschließend wahlweise durch einen vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12), in dem eine Turbine (86) zum Entspannen der den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft angeordnet ist, oder eine parallel zu dem vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) verlaufende dritte Bypassleitung (90) geleitet wird; und - Antreiben eines in dem Kältemittelkreislauf (18) der Kältemaschine (16) angeordneten Kältemittelkompressors (20) mittels eines ersten Elektromotors (22), Antreiben des ersten Umgebungsluftkompressors (42) mittels eines zweiten Elektromotors (44) und Antreiben des zweiten Umgebungsluftkompressors (58) mittels eines dritten Elektromotors (60).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Umgebungsluftkompressor (42) derart gesteuert wird, dass er die den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der im Wesentlichen einem Soll-Kabinendruck in einer zu klimatisierenden Flugzeugkabine entspricht, und/oder dass - der zweite Umgebungsluftkompressor (58) derart gesteuert wird, dass er die den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine, wobei vorzugsweise Wasser aus der den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsluftströmung durch die Umgebungsluftleitung (12) derart gesteuert wird, dass - im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage (10) ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch die erste Bypassleitung (54), anschließend durch den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12), anschließend durch den dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) und schließlich durch den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) geleitet wird, und/oder - dass im Steig- oder Sinkflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage (10) ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12), anschließend durch den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12), anschließend durch den dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) und schließlich durch den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) geleitet wird, und/oder - dass im Reiseflugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage (10) ausgestatteten Flugzeugs die Umgebungsluft zunächst durch den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12), anschließend durch die zweite Bypassleitung (64), anschließend durch den dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) und schließlich durch die dritte Bypassleitung (90) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch: - die Umgebungsluftströmung durch den ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) durch ein in dem ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) angeordnetes erstes Ventil (48) gesteuert wird, und/oder - von dem ersten Umgebungsluftkompressor (42) verdichtete Umgebungsluft von einem in dem ersten Abschnitt (12a) der Umgebungsluftleitung (12) angeordneten ersten Vorkühler (50) vorgekühlt wird, und/oder - die Umgebungsluftströmung durch die erste Bypassleitung (54) durch ein in der ersten Bypassleitung (54) angeordnetes zweites Ventil (56) gesteuert wird, und/oder - die Umgebungsluftströmung durch den zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) durch ein in dem zweiten Abschnitt (12b) der Umgebungsluftleitung (12) angeordnetes drittes Ventil (62) gesteuert wird, und/oder - die Umgebungsluftströmung durch die zweite Bypassleitung (64) durch ein in der zweiten Bypassleitung (64) angeordnetes viertes Ventil (66) gesteuert wird, und/oder - Umgebungsluft vor der Herstellung der thermischen Kopplung zwischen dem dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) und dem Kältemittelkreislauf (18) von einem in dem dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) angeordneten zweiten Vorkühler (68) vorgekühlt wird, und/oder - Trimluft durch eine von dem dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) abzweigende Trimluftleitung (74) von der den dritten Abschnitt (12c) der Umgebungsluftleitung (12) durchströmenden Umgebungsluft abgezweigt wird, und/oder - die Umgebungsluftströmung durch den vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) durch ein in dem vierten Abschnitt (12d) der Umgebungsluftleitung (12) angeordnetes fünftes Ventil (88) gesteuert wird, und/oder - die Umgebungsluftströmung durch die dritte Bypassleitung (90) durch ein in der dritten Bypassleitung (90) angeordnetes sechstes Ventil (92) gesteuert wird.