DE60207788T2

DE60207788T2 - Flugzeug-Klimaanlage

Info

Publication number: DE60207788T2
Application number: DE60207788T
Authority: DE
Inventors: Hisashi Nakagyo-ku Mitani; Hidefumi Nakagyo-ku Saito
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: EP1273515A3; EP1273514B1; DE60207642T2; DE60207642D1; EP1273514A3; EP1273515A2; EP1273514A2; DE60207788D1; EP1273515B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klimaanlage, die die Innentemperatur, den inneren Sauerstoffpartialdruck und den Innendruck eines Flugzeuges einschließlich eines Starrflüglers und eines Drehflüglers steuert und Luft mit reduzierter Sauerstoffkonzentration dem Kraftstoffsystem liefert.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
In der US-A-5,069,692 ist ein Umgebungsluftsteuersystem beschrieben, das Luft einer Kabine zuführt. Bei diesem System ist ein Lufttrennteil vorgesehen, der Luft, die von dem Umgebungsluftsteuersystem genommen wird, dazu verwendet, diese in ein stickstoffreiches Gas, das einem Kraftstofftank zugeführt werden kann, und ein sauerstoffreiches Gas zu trennen, das in die Kabine geleitet werden kann.
Lufttrenneinrichtungen, die in Verbindung mit Kabinenluftrezirkulationssystemen verwandt werden, sind aus der US-A-6,093,238 bekannt.
In einem Flugzeug werden als Klimaanlagen üblicherweise in den meisten Fällen Luftumlaufkühleinrichtungen verwandt, in denen temperatur- und druckregulierte gekühlte Luft dadurch erhalten wird, dass ein Radialkompressor, um eine adiabatische Kompression der extrahierten Luft durchzuführen, die in einem Kompressionsteil der Maschine komprimiert wurde, nachdem die Luft einem Wärmeaustausch mit der Außenluft zur Kühlung unterworfen wurde, und eine Expansionsturbine verwandt wird, um eine adiabatische Expansion der Luft durchzuführen, nachdem die adiabatisch komprimierte Luft einem Wärmeaustausch mit der Außenluft zur Abkühlung unterworfen wurde.
Einige Militärflugzeuge sind mit einem so genannten OBIGGS System (bordeigenes Inertgaserzeugungssystem) versehen, wodurch Stickstoffgas oder Luft mit erhöhter Stickstoffkonzentration in den Kraftstofftank eingeblasen wird, um eine Explosion für den Fall zu vermeiden, dass der Kraftstofftank während eines Einsatzes getroffen wird. Unfalluntersuchungen von zivilen Flugzeugen in den letzten Jahren haben gleichfalls ergeben, dass Brände auftreten, wenn Funken, die von der an Bord befindlichen Verdrahtung usw. erzeugt werden, ein Gemisch aus Luft und Kraftstoffdampf zünden, das sich im Raum in den Kraftstofftanks ansammelt. Um derartige Brände zu vermeiden, ist die Verwendung des obigen OBIGGS-Systems in zivilen Flugzeugen untersucht worden.
Dieses OBIGGS-System umfasst einen Lufttrennteil mit der Funktion der Trennung der Bestandteile der Luft. Bei einer Art eines Lufttrennteils wird eine selektiv permeable Membran verwandt, deren Permeabilität für Stickstoff größer als die für Sauerstoff ist. Stickstoffreiches Gas wird dadurch erzeugt, dass Luft, die von der Maschine extrahiert wird, dieser selektiv permeablen Membran zugeführt wird.
Bei einer herkömmlichen Flugzeugklimaanlage, wie sie in 14 dargestellt ist, wird von der Maschine 101 extrahierte Luft durch einen Wärmetauscher, einen so genannten Vorkühler 102 abgekühlt, bevor sie praktisch adiabatisch durch einen Radialkompressor 103 komprimiert wird. Die Luft, deren Temperatur dadurch erhöht wurde, wird durch einen Wärmetauscher, einen so genannten Hauptkühler 104 abgekühlt und praktisch adiabatisch durch eine Expansionsturbine 105 expandiert. Dadurch wird gekühlte Luft erhalten. In dem Vorkühler 102 und in dem Hauptkühler 104 erfolgt die Abkühlung dadurch, dass Außenluft durch einen Staudruckluftströmungsweg 109 geleitet wird. Die Expansionsarbeit dieser Expansionsturbine 105 wird als Kompressionsenergie ausgenutzt, die über eine Welle 106 auf den Kompressor 103 übertragen wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn sich das Flugzeug am Boden befindet oder in niedriger Höhe fliegt, die Außenlufttemperatur hoch ist und der Feuchtigkeitsgehalt der Luft hoch ist, so dass dann, wenn in der Expansionsturbine 105 eine Expansion erfolgt, Feuchtigkeit in der Luft kondensiert und ein Nebel von Wassertropfen gebildet wird. Ein Wasserabscheider 107 ist daher stromabwärts von der Expansionsturbine 105 angeordnet, um die Feuchtigkeit aufzufangen. Die Kühlung der Kabine erfolgt dadurch, dass gekühlte Luft, die durch diesen Wasserabscheider 107 hindurchgegangen ist, dem Innenraum der Kabine 108 einschließlich des Cockpitraumes des Flugzeuges zugeführt wird. Es ist dafür gesorgt, dass dann, wenn die Maschine nicht läuft, während sich das Flugzeug am Boden befindet, extrahierte Luft von einer Hochdruckluftversorgungseinheit beispielsweise einer Hilfsmaschine, die Hilfsantriebseinheit genannt wird, statt von der Maschine 101 der Klimaanlage zugeführt werden kann.
Um die Kabine bei großer Höhe usw. zu heizen, ist ein Bypassluftströmungsweg 111 vorgesehen, um von der Maschine 101 extrahierte Luft in die Kabine 108 zu leiten. Dieser Bypassluftströmungsweg 111 wird mittels eines Heißluftmodulationsventils 112 geöffnet/geschlossen. Ein Teil der extrahierten Luft wird einer Mischleitung 113 zugeführt, die stromabwärts vom Wasserabscheider 107 angeordnet ist, statt durch die Luftumlaufkühleinrichtung abgekühlt zu werden, die aus dem Kompressor 103 und der Expansionsturbine 105 besteht, indem dieses Heißluftmodulationsventil 112 geöffnet wird. In dieser Mischleitung 113 werden extrahierte Luft, die durch die Luftumlaufkühleinrichtung gekühlt wurde, und extrahierte Luft, die nicht gekühlt wurde, vermischt. Luft auf geeigneter Temperatur wird in dieser Weise dadurch erhalten, dass das Maß an Öffnung des Heißluftmodulationsventils 112 eingestellt wird. Die Heizung der Kabine kann dadurch erfolgen, dass diese Luft mit geeigneter Temperatur in die Kabine 108 geleitet wird. Beim Flug in großer Höhe wird der Staudruckluftströmungsweg 109 gedrosselt, so dass Luft, die von der Maschine 101 extrahiert wird, auf einer mäßig hohen Temperatur gehalten wird, da sie nicht übermäßig im Vorkühler 102 oder im Hauptkühler 104 gekühlt wird. Die Luft in der Kabine 108 wird direkt in den Außenraum 114 des Flugzeugrumpfes über ein Druckreduzierventil 110 in einem Maß abgegeben, das dem Unterschied entspricht, der dadurch erhalten wird, dass die Menge an Luftverlusten vom Flugzeugrumpf von der Menge der Luft abgezogen wird, die von der Klimaanlage zugeführt wird.
Das herkömmliche OBBIGS-System ist mit einem Lufttrennteil 116 unabhängig von der Luftumlaufkühleinrichtung versehen, die aus dem Kompressor 103 und der Expansionsturbine 105 besteht. Es ist insbesondere ein Zweigluftströmungsweg 111a vorgesehen, so dass die extrahierte Luft, die durch den Vorkühler 102 geht, abgezweigt wird, bevor sie in die Luftumlaufkühleinrichtung geleitet wird, und es ist ein Lufttrennteil 116 in diesem Zweigluftströmungsweg 111a vorgesehen. Dieser Lufttrennteil 116 ist dadurch gebildet, dass eine selektiv permeable Membran 116a, die eine große Anzahl von hohlen Fasern umfasst, in ein Gehäuse 116b eingeschlossen ist. Die Permeabilität für Stickstoff (N₂) und Kohlendioxid (CO₂) in der Luft dieser selektiv permeablen Membran 116a ist größer als deren Permeabilität für Sauerstoff (O₂). Die von der Maschine 101 extrahierte Luft wird in stickstoffreiches Gas, das durch diese selektiv permeable Membran 116a hindurchgeht und die restliche sauerstoffkonzentrierte Luft aufgeteilt. Die Stickstofftrennfähigkeit dieser selektiv permeablen Membran 116a variiert nach Maßgabe des Druckes der extrahierten Luft. Das stickstoffreiche Gas wird in den kraftstoffperipheren Bereich 115 beispielsweise das Innere des Kraftstofftankes oder in den Bereich, in dem die Kraftstoffleitungen verlegt sind, geleitet während der Rest des Gases, der dem Bereich 115 im Überschuss zugeführt wird, zum Außenraum 114 des Flugzeugrumpfes über einen Abgabeströmungsweg abgegeben wird. Die sauerstoffkonzentrierte Luft, die nicht durch die selektiv permeable Membran 116a hindurch gegangen ist, wird in den Außenraum 114 des Flugzeugrumpfes von einem Druckreduzierventil 110a abgegeben.
Der herkömmliche Lufttrennteil 116 ist unabhängig von der Luftumlaufkühleinrichtung vorgesehen, die die Klimaanlage bildet. Die Luft mit erhöhter Sauerstoffkonzentration, die dadurch erhalten wird, dass der Stickstoff mittels des Lufttrennteils 116 abgetrennt wird, wird daher verschwendet, ohne wirksam ausgenutzt zu werden. Wenn weiterhin sowohl die Luftumlaufkühleinrichtung als auch der Lufttrennteil 116 parallel benutzt werden, nimmt die Maschinenlast aufgrund der Zunahme der Menge an Luft zu, die von der Maschine extrahiert wird.
Da die Ausgangsleistung der Maschine während des Sinkfluges des Flugzeuges gedrosselt ist, ist der Druck der von der Maschine extrahierten Luft verringert. Wenn der Druck der extrahierten Luft abfällt, fällt auch die Stickstofftrennfähigkeit der selektiv permeablen Membran 116a ab. Weiterhin wird Kraftstoff verbraucht und das Leervolumen im Kraftstofftank wird groß, wenn sich das Flugzeug nach einem Flug im Sinkflug befindet, so dass eine große Menge an stickstoffreichem Gas benötigt wird. Das hat zur Folge, dass die Versorgung mit dem erforderlichen stickstoffreichen Gas unzureichend wird.
Die der Kabine 108 durch die herkömmliche Klimaanlage zugeführte Luft wird weiterhin zur Außenseite des Flugzeugrumpfes abgegeben. Da der Innendruck der Kabine 108 größer als der Druck außerhalb des Flugzeugrumpfes in großer Höhe ist, heißt das, dass Luft mit diesem Druckunterschied verschwendet wird, ohne nutzbringend verwendet zu werden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Flugzeugklimaanlage zu schaffen, die diese Probleme lösen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Flugzeugklimaanlage gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der von einer Maschine extrahierte Luft durch eine Kühleinrichtung abgekühlt und in die Kabine des Flugzeuges eingeleitet wird, umfasst einen Lufttrennteil mit einer selektiv permeablen Membran, die an einer Stelle angeordnet ist, durch die im Luftströmungsweg der Klimaanlage strömende Luft geht, so dass er die Luft in stickstoffreiches Gas und sauerstoffkonzentrierte Luft trennt, wobei das stickstoffreiche Gas in einen kraftstoffperipheren Bereich des Flugzeuges geleitet werden kann und die sauerstoffkonzentrierte Luft in die Kabine geleitet wird. Es ist weiterhin ein Rezirkulationsluftströmungsweg vorgesehen, durch den die Luft, die aus der Kabine strömt, zur Kabine zurückgeführt wird, wobei der Rezirkulationsluftströmungsweg und der Luftströmungsweg der von der Maschine extrahierten Luft miteinander verbunden sind, so dass Rezirkulationsluft, die zur Kabine zurückgeführt wird, nachdem sie aus der Kabine herausgeströmt ist, mit der extrahierten Luft gemischt wird und das Gemisch aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft in den Lufttrennteil geleitet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die sauerstoffkonzentrierte Luft, von der der Stickstoff durch den Lufttrennteil abgetrennt wurde, wirksam dadurch ausgenutzt, das sie in die Kabine zurückgeführt wird. Wenn gleichzeitig sowohl die Kühleinrichtung als auch der Lufttrennteil verwandt werden, kann weiterhin die Maschinenlast dadurch reduziert werden, dass die Zunahme in der von der Maschine extrahierten Luft begrenzt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Kühleinrichtung einen Kompressor und eine Expansionsturbine und wird das Gemisch aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft in den Lufttrennteil eingelei tet, nachdem es durch den Kompressor der Kühleinrichtung komprimiert wurde.
Durch die Ausnutzung des Kompressors der Kühleinrichtung kann in dieser Weise der Druck des Gemisches aus der Rezirkulationsluft und der extrahierten Luft auf den Druck erhöht werden, der zum Trennen der Luftbestandteile durch die selektiv permeable Membran des Lufttrennteils benötigt wird.
In diesem Fall ist vorzugsweise ein normalerweise offener Luftströmungsweg vorgesehen, um Luft vom Kompressor der Expansionsturbine zuzuführen, wobei ein Teil der Luft, die durch den normalerweise offenen Luftströmungsweg strömt, in den Lufttrennteil über einen Zweigströmungsweg des normalerweise offenen Strömungsweges eingeleitet wird, die Permeabilität für Sauerstoff der selektiv permeablen Membran höher als die Permeabilität für Stickstoff ist und sauerstoffkonzentrierte Luft, die durch die selektiv permeablen Membranen hindurchgeht, in die Kabine eingeführt werden kann, ohne durch die Expansionsturbine zu gehen. In dieser Weise kann sauerstoffkonzentrierte Luft, deren Druck dadurch reduziert wurde, dass sie durch die selektiv permeable Membran gegangen ist, in die Kabine eingeleitet werden, ohne dass sie durch die Expansionsturbine geht, und reduziert die Luft, die durch den normalerweise offenen Strömungsweg gegangen ist, den Druckabfall zwischen dem Auslass des Kompressors und dem Einlass der Expansionsturbine, so dass eine Abnahme der Leistungsfähigkeit der Luftumlaufkühleinrichtung vermieden werden kann.
Vorzugsweise ist ein Kompressor zum Komprimieren vor dem Vermischen vorgesehen, durch den die Rezirkulationsluft vor der Vermischung mit der extrahierten Luft mit Druck beaufschlagt wird. In dieser Weise wird die Rezirkulationsluft auf den selben Druck wie den der extrahierten Luft gebracht, bevor sie mit der extrahierten Luft gemischt wird, so dass ein Rückstrom der Rezirkulationsluft vermieden wird und die Mischung gleichmäßig erfolgen kann. Es kann die selektiv permeable Membran verwandt werden, deren Permeabilität für Stickstoff größer als deren Permeabilität für Sauerstoff ist. In diesem Fall wird vorzugsweise die sauerstoffkonzentrierte Luft durch die Expansionsturbine expandiert und wird die Ausgangsleistung der Expansionsturbine als Antriebsleistung für den Kompressor der Kühleinrichtung und/oder den Kompressor zum Komprimieren vor der Vermischung verwandt. In dieser Weise kann die Expansionsarbeit der Expansionsturbine wirksam ausgenutzt werden.
Weiterhin ist vorzugsweise die Klimaanlage mit einem Hilfsluftströmungsweg für die extrahierte Luft versehen, durch den die extrahierte Luft strömt, und ist ein Umschaltventil, das mit diesem Hilfsluftströmungsweg und dem Rezirkulationsluftströmungsweg verbunden ist, stromaufwärts vom Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung vorgesehen, wobei das Umschaltventil so ausgebildet ist, dass es zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung umgeschaltet werden kann, wobei dann, wenn sich das Umschaltventil in der ersten Stellung befindet, die Rezirkulationsluft dem Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung zugeführt wird und der Strom der extrahierten Luft vom Hilfsluftströmungsweg zum Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung unterbrochen ist, und dann, wenn sich das Umschaltventil in der zweiten Stellung befindet, die extrahierte Luft vom Hilfsluftströmungsweg dem Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung zugeführt wird und der Strom der Rezirkulationsluft unterbrochen ist. Wenn sich das Umschaltventil in der zweiten Stellung befindet, wird die extrahierte Luft statt der Rezirkulationsluft durch den Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung komprimiert und ist der Hilfsluftströmungsweg mit dem Luftströmungsweg der extrahierten Luft über den Rezirkulationsluftströmungsweg verbunden. Wenn der Druck der extrahierten Luft extrem niedrig ist, kann in dieser Weise statt der Zuführung der extrahierten Luft direkt in die Kühleinrichtung die extrahierte Luft, die durch den Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung komprimiert wurde, in die Kühleinrichtung geleitet werden, ohne Zirkulationsluft, die durch den Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung komprimiert wurde, zuzuführen. Es ist in dieser Weise wünschenswert, das Umschaltventil in die zweite Stellung beispielsweise dann zu bringen, wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet. Wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet, wird insbesondere die Luftkapazität in den Kraftstofftanks aufgrund des verbrauchten Kraftstoffes groß und ist es notwendig, eine große Menge an stickstoffreichem Gas in den kraftstoffperipheren Bereich zu führen, da der Luftdruck außerhalb des Flugzeugrumpfes durch den Sinkflug zunimmt. Der Druck der Luft, die der Kühleinrichtung zugeführt wird, sollte daher einen derartigen Wert haben, dass ein ausreichender Durchsatz an stickstoffreichem Gas im Lufttrennteil erhalten wird.
Beim Sinkflug, bei dem der Druck der extrahierten Luft beträchtlich abfällt, da die Ausgangsleistung der Maschine gedrosselt wird, wird es folglich schwierig, die extrahierte Luft direkt der Kühleinrichtung zuzuführen. Beim Sinkflug ist weiterhin der Druck der extrahierten Luft oft höher als der Druck der Rezirkulationsluft. Indem folglich die extrahierte Luft statt der Rezirkulationsluft durch den Kompressor zum Komprimieren vor dem Vermischen komprimiert wird, kann die für den Betrieb des Kompressors zum Komprimieren vor der Mischung benötigte Energie in einem Maß herabgesetzt werden, das dem Unterschied im Druck der extrahierten Luft und der Rezirkulationsluft entspricht. Der Verbrauch an Antriebsleistung der Anlage als Ganzes, d. h. der Energieverbrauch kann dadurch weiter herabgesetzt werden.
Es ist weiterhin wünschenswert, dass der Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung eine Vielzahl von Kompressionsteilen aufweist und ein Mechanismus vorgesehen ist, der zwischen einem Zu stand, in dem wenigstens zwei oder mehr Kompressionsteile in Reihe geschaltet sind, und einem Zustand umschalten kann, in dem diese parallel geschaltet sind. In diesem Fall ist vorzugsweise die Vielzahl der Kompressionsteile in Reihe geschaltet, wenn das Umschaltventil sich in der ersten Stellung befindet, und parallel geschaltet, wenn sich das Umschaltventil in der zweiten Stellung befindet. Wenn in dieser Weise das Kompressionsverhältnis in jedem Kompressionsteil des Kompressors zum Komprimieren vor der Mischung praktisch gleich ist, wenn sich das Umschaltventil in der ersten Stellung befindet und wenn es sich in der zweiten Stellung befindet, kann der Durchsatz im Kompressor zum Komprimieren vor dem Mischen während der Zeit, während der sich das Umschaltventil in der zweiten Stellung befindet, um einen Faktor von etwa der Anzahl der Kompressionsteile größer als während der Zeit sein, während der sich das Umschaltventil in der ersten Stellung befindet. In dieser Weise kann eine Zunahme des Energieverbrauches vermieden werden, indem das Umschaltventil dann in die zweite Stellung gebracht wird, wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet. Es besteht somit keine Notwendigkeit, die Anzahl der Kompressoren zum Komprimieren vor der Mischung zu erhöhen, um den Luftdurchsatz zu garantieren, wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet. Wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet, ist im Übrigen eine hohe Vortriebskraft nicht nötig und nimmt die Kapazität der Luftmengenextraktion zu. Der zweite Zustand führt daher nicht zu einer höheren Last der Maschine.
Wenigstens der Kompressor der Kühleinrichtung und/oder der Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung wird vorzugsweise mit wenigstens einem Teil der für seinen Antrieb notwendigen Energie von einem Motor versorgt.
In dieser Weise kann der Unterschied, der dadurch erhalten wird, dass die Expansionsarbeit der Expansionsturbine von der Gesamtkompressionsarbeit des Kompressors der Kühleinrichtung und der Kompres sionsarbeit des Kompressors zum Komprimieren vor dem Mischen abgezogen wird, durch die Leistung des Motors ausgeglichen werden.
Vorzugsweise ist eine Dampfzykluswärmetauschereinheit mit hohem COP (Leistungskoeffizient) vorgesehen, die in der Lage ist, die Rezirkulationsluft zu kühlen, die von dem Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung komprimiert wurde.
In dieser Weise kann die Temperatur der der Kabine zugeführten Luft passend mit wenig Eingangsenergie reguliert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich eine Flugzeugklimaanlage, die dazu beitragen kann, das Auftreten von Kraftstoffbränden zu verhindern und den Komfort in der Kabine zu verbessern, indem ein OBIGGS System in einem zivilen Flugzeug so ausgeführt wird, dass die Größe und das Gewicht der Anlage verringert werden, wobei der Durchsatz und der Druck der Luft, die in die Lufttrenneinheit eingeführt wird, ohne Zunahme der Maschinenlast garantiert werden können.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer Flugzeugklimaanlage gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer Flugzeugklimaanlage gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
3 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer Flugzeugklimaanlage gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, während sich das Flugzeug am Boden befindet,
4 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer Flugzeugklimaanlage gemäß des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, während sich das Flugzeug im Steigflug befindet,
5 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer Flugzeugklimaanlage gemäß des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, während das Flugzeug in großer Höhe fliegt,
6 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer Flugzeugklimaanlage gemäß des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, während sich das Flugzeug im Sinkflug befindet,
7 zeigt in einem Diagramm den Bauplan eines Adsorptionsteils in einer Flugzeugklimaanlage gemäß eines modifizierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
8 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer Flugzeugklimaanlage gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
9 zeigt den Mechanismus zum Umschalten der Verbindung zum Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung, wenn sich das fünfte Umschaltventil in der ersten Stellung befindet, bei einem modifizierten Beispiel des vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
10 zeigt einen Mechanismus zum Umschalten der Verbindung zum Kompressor zum Komprimieren vor der Mischung, wenn sich das fünfte Umschaltventil in der zweiten Stellung befindet, bei einem modifizierten Beispiel des vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
11 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer Flugzeugklimaanlage gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
12 zeigt in einem Diagramm die Anordnung der Lufttrenneinheit in einer Klimaanlage gemäß des fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
13 zeigt in einem Diagramm den Bauplan der Lufttrenneinheit in einer Flugzeugklimaanlage gemäß des fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
14 zeigt in einem Diagramm den Bauplan einer bekannten Flugzeugklimaanlage.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In der Flugzeugklimaanlage des ersten Ausführungsbeispiels, das in 1 dargestellt ist, wird von einer Maschine 1 extrahierte Luft durch einen Wärmetauscher, einen so genannten Vorkühler 2 abgekühlt und in ihrem Durchsatz durch ein Durchsatzeinstellventil 39 eingestellt, bevor sie praktisch adiabatisch durch einen Radialkompressor 3 komprimiert wird. Das Maß an Öffnung des Durchsatzsteuerventils 39 kann nach Maßgabe eines Signals von einer Steuerung (nicht dargestellt) reguliert werden. Die Luft, deren Temperatur dadurch erhöht wurde, wird durch einen Wärmetauscher, einen so genannten Hauptkühler 4 abgekühlt, bevor sie in einem Regenerationswärmetauscher 4a abgekühlt wird, und dann einem Wasserabscheider 7 zum Auffangen der Feuchtigkeit zugeleitet. Die extrahierte Luft, die diesem Wasserabscheider 7 zugeführt wird, wird einem Öffnungs-/Schließventil 41 und einem Wassertrennteil 16 zugeleitet. Das Maß an Öffnung des Öffnungs-/Schließventil 41 wird über ein Signal von der Steuerung eingestellt. Die Luft, die nicht durch eine selektiv permeable Membran 16a des Lufttrennteils 16 hindurchgegangen ist, und die Luft, die aus dem Öffnungs-/Schließventil 41 herausströmt, werden praktisch adiabatisch in einer Expansionsturbine 5 expandiert, wodurch gekühlte Luft erhalten wird. Diese gekühlte Luft wird in eine Kabine 8 einschließlich des Cockpitraumes eines Flugzeugs über den Regenerationswärmetauscher 4a eingeleitet. Die Kühlung durch äußere Luft, die über einen Staudruckluftströmungsweg 9 geht, erfolgt im Vorkühler 2 und im Hauptkühler 4. Die Expansionsarbeit der Expansionsturbine 5 wird als Kompressionsenergie dadurch ausgenutzt, dass sie auf den Kompressor 3 über eine Welle 6 übertragen wird. Es ist dafür gesorgt, dass dann, wenn die Maschine nicht läuft und sich das Flugzeug am Boden befindet, extrahierte Luft von einer Hochdruckluftversorgungseinheit, wie beispielsweise einer APU, statt von der Maschine 1 der Klimaanlage zugeführt werden kann.
Um die Kabine 8 zu heizen, ist weiterhin ein Bypassluftströmungsweg 11 vorgesehen, um extrahierte Luft von der Maschine 1 der Kabine 8 zuzuleiten, ohne dass diese durch die Luftumlaufkühleinrichtung geht, die aus dem Kompressor 3 und der Expansionsturbine 5 besteht. Dieser Bypassluftströmungsweg 11 wird über ein Heißluftmodulationsventil 12 geöffnet/geschlossen. Der Durchsatz der Luft, die durch den Bypassluftströmungsweg 11 strömt, kann dadurch eingestellt werden, dass das Maß an Öffnung dieses Heißluftmodulationsventils 12 über ein Signal von der Steuerung einstellbar ist. Ein Teil der extrahierten Luft wird in den Bypassluftströmungsweg 11 durch Öffnen dieses Heißluftmodulationsventils 12 geleitet, ohne durch die Luftumlaufkühleinrichtung gekühlt zu werden, die aus dem Kompressor 3 und der Expansionsturbine 5 besteht. Die extrahierte Luft, die in den Bypassluftströmungsweg 11 geleitet wurde, wird in die Kabine 8 eingeführt. Die Luft in der Kabine 8 strömt durch einen Luftausstromströmungsweg 40 in einem Maß aus, das dem Unterschied entspricht, der dadurch erhalten wird, dass die Menge an Luft, die vom Luftströmungsweg zur Außenseite des Flugzeugrumpfes gegeben wird, und die Menge an Luft, die aufgrund von Undichtigkeiten vom Flugzeugrumpf ausströmt, von der Luftmenge abgezogen werden, die von der Klimaanlage zugeführt wird. Staub und Geruchsstoffe werden mittels eines Filters 42 im Luftausstromströmungsweg 40 entfernt.
Es ist ein Rezirkulationsluftströmungsweg vorgesehen, über den die aus der Kabine 8 ausströmende Luft zur Kabine 8 zurückgeführt wird. In dieser Weise wird die aus der Kabine 8 ausströmende Luft zur Rezirkulationsluft, die in die Kabine 8 zurückkehrt. Die Rezirkulationsluft, die von der Kabine 8 über den Luftausstromströmungsweg 40 ausströmt, wird in einen Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen geleitet, der von einem Motor 18 angetrieben wird. Der Rezirkulationsluftströmungsweg und der Strömungsweg für die extrahierte Luft von der Maschine 1 sind miteinander verbunden, so dass die Rezirkulationsluft, die zur Kabine 8 nach ihrem Ausströmen aus der Kabine 8 zurückgeführt wird, mit der extrahierten Luft vermischt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Rezirkulationsluft, deren Druck durch den Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen erhöht wurde, mit der extrahierten Luft vermischt, die über das Durchsatzsteuerventil 39 zugeführt wird, nachdem sie durch die Außenluft gekühlt wurde, die durch den Staudruckluftweg 9 im Wärmetauscher 35a geht. Dieses Gemisch aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft wird in den Lufttrennteil 16 nach Maßgabe des Maßes an Öffnung des Öffnungs-/Schließventils 41 eingeführt, nachdem es praktisch adiabatisch durch den Kompressor 3 der Luftumlaufkühleinrichtung komprimiert wurde.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass der Lufttrennteil 16 eine große Verarbeitungskapazität hat und sich für ein großes Flugzeug eignet. Dieser Lufttrennteil 16 ist dadurch gebildet, dass eine selektiv permeable Membran 16a, die eine große Anzahl von gebündelten hohlen Fasern umfasst, von einem Gehäuse 16b umschlossen ist, um stickstoffreiches Gas und sauerstoffkonzentrierte Luft zu erzeugen. Folglich ist die Permeabilität der selektiv permeablen Membran 16a für Stickstoff (N₂) und für Kohlendioxid (CO₂) in der Luft höher als für Sauerstoff (O₂). In dieser Weise kann die extrahierte Luft, die durch den Wasserabscheider 7 gegangen ist, nachdem sie durch den Regenerationswärmetauscher 4a abgekühlt wurde, in stickstoffreiches Gas (bei diesem Ausführungsbeispiel N₂ = 92 % oder mehr) umgewandelt werden, indem sie durch die selektiv permeable Membran 16a hindurchgeführt wird. Dieses stickstoffreiche Gas wird in den Raum 14 außerhalb des Flugzeugrumpfes dadurch abgegeben, dass es über einen Abgabeströmungsweg geführt wird, nachdem es dem kraftstoffperipheren Bereich 15, wie beispielsweise dem Inneren des Kraftstofftankes oder dem Bereich der Verlegung der Kraftstoffleitungen zugeführt worden ist. Die Sauerstoffkonzentration der Luft, die nicht durch die selektiv permeable Membran 16a gegangen ist, ist erhöht. Diese sauerstoffkonzentrierte Luft, deren Sauerstoffkonzentration erhöht wurde, wird der Expansionsturbine 5 zugeleitet. Der Durchsatz der Luft, die durch die selektiv permeable Membran 16a geht, kann dadurch eingestellt werden, dass das Maß an Öffnung des Öffnungs-/Schließventils 41 über ein Signal von der Steuerung einstellbar ist. Die Außenseite der selektiv permeablen Membran 16a liegt praktisch auf dem gleichen Druck wie dem Außendruck des Flugzeugrumpfes wie beispielsweise dem Druck des kraftstoffperipheren Bereiches 15.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die sauerstoffkonzentrierte Luft, von der der Stickstoff durch den Lufttrennteil 16 abgetrennt wurde, wirksam dadurch ausgenutzt, dass sie zur Kabine 8 zurückgeführt wird. Auch wenn sowohl die Luftumlaufkühleinrichtung als auch der Lufttrennteil 16 arbeiten, kann eine Zunahme der Menge an Luft, die von der Maschine 1 extrahiert wird, unterdrückt werden, so dass die Last an der Maschine 1 reduziert werden kann. Durch den Kompressor 3 dieser Luftumlaufkühleinrichtung kann der Druck des Gemisches aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft auf den Druck angehoben werden, der zum Trennen der Luftbestandteile durch die selektiv permeable Membran 16a des Lufttrennteils 16 benötigt wird. Auch die Rezirkulationsluft wird auf etwa den gleichen Druck wie dem der extrahierten Luft durch den Kompressor 17 vor der Mischung mit der extrahierten Luft gebracht, so dass ein Rückstrom der Rezirkulationsluft verhindert werden kann und die Mischung in gleichmäßiger Weise erfolgen kann. Die Ausgangsleistung des Expansionsturbine 5 wird als Antriebsleistung für den Kompressor 3 verwandt, wenn die sauerstoffkonzentrierte Luft durch die Expansionsturbine 5 expandiert wird. Die Expansionsarbeit der Expansionsturbine 5 kann dadurch wirksam ausgenutzt werden. Da der Kompressor 17 zum Komprimieren vor der Mischung mit der notwendigen Antriebsleistung vom Motor 18 versorgt wird, kann durch die Leistung dieses Motors der Unterschied ausgeglichen werden, der dadurch erhalten wird, dass die Expansionsarbeit der Expansionsturbine 5 von der gesamten Kompressionsarbeit des Kompressors 3 der Kühleinrichtung und der Kompressionsarbeit des Kompressors 17 abgezogen wird.
2 zeigt eine Flugzeugklimaanlage gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Es werden Bauteile beschrieben, die sich von denen des ersten Ausführungsbeispiels unterscheiden, und gleiche Bauteile wie beim ersten Ausführungsbeispiel haben die gleichen Bezugszeichen.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Kompressor 17 zum Komprimieren vor der Mischung, der durch den Motor 18 angetrieben wird, in einem Stück mit dem Kompressor 3 der Luftumlaufkühleinrichtung und der Expansionsturbine 5 gedreht. In dieser Weise wird dieser Motor 18 als Hilfsantriebsquelle verwandt. Statt des Wärmetauschers 35a ist weiterhin eine Dampfzykluswärmetauschereinheit 30 vorgesehen. Die Rezirkulationsluft, deren Druck durch den Kompressor 17 erhöht wurde, wird der Luftumlaufkühleinrichtung über ein Rückschlagventil 39a zugeführt, nachdem sie über einen Verdampfer 35 der Wärmetauschereinheit abgekühlt wurde, und dadurch mit der extrahierten Luft vermischt, die über das Durchsatzsteuerventil 39 zugeführt wird.
Dieses Rückschlagventil 39a verhindert, dass die extrahierte Luft von der Maschine 1 zurückströmt, bevor die Rezirkulationsluft durch den Kompressor 17 in ausreichendem Maße mit Druck beaufschlagt ist. Die Wärmetauschereinheit 30 besteht aus einem Kühlkreislauf, der ein Kältemittel, wie beispielsweise HFC134a, verwendet. Dieses Kältemittel wird insbesondere durch einen von einem Motor 31 angetriebenen Kompressor 32 komprimiert und in einem Kondensor 33 dadurch kondensiert, dass seine Wärme an die Außenluft des Flugzeugrumpfes abgegeben wird, indem sie durch den Staudruckluftströmungsweg 9 geführt wird. Die Temperatur dieses kondensierten Kältemittels wird durch Druckreduktion in einem Expansionsventil 34 herabgesetzt. Das in dieser Weise auf eine niedrige Temperatur gebrachte Kältemittel wird dadurch in dem Verdampfer 35 verdampft, dass die Wärme von der Luft absorbiert wird, wie es oben beschrieben wurde. Durch die Verwendung der Dampfzykluswärmetauschereinheit 30 kann ein hoher Energieverbrauchswirkungsgrad (oder COP) erzielt werden, so dass eine große Wärmemenge über eine kleine Energiemenge abgegeben werden kann. Weitere Einzelheiten sind die gleichen wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel können die gleichen Vorteile wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels erhalten werden. Durch Kühlen der Rezirkulationsluft mittels der Dampfzykluswärmetauschereinheit 30 kann weiterhin die Temperatur der Luft, die der Kabine 8 zugeführt wird, in passender Weise reguliert werden. Da die Ausgangsleistung der Expansionsturbine 5 als Antriebsleistung des Kompressors 3 und des Kompressors 17 zum Komprimieren vor der Mischung benutzt wird, kann die Expansionsarbeit der Expansionsturbine 5 wirksam ausgenutzt werden. Da die Energie, die zum Antreiben des Kompressors 3 und des Kompressors 17 zum Komprimieren vor dem Mischen benötigt wird, vom Motor 18 kommt, kann der Unterschied, der dadurch erhalten wird, dass die Expansionsarbeit der Expansionsturbine 5 von der Gesamtkompressionsarbeit des Kompressors 3 und des Kompressors 17 zum Komprimieren vor der Mischung abgezogen wird, durch die Leistung des Motors 18 ausgeglichen werden.
3 bis 6 zeigen eine Flugzeugklimaanlage gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bauteile wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und die Unterschiede werden beschrieben. 3 zeigt den Zustand, in dem sich das Flugzeug am Boden befindet, 4 zeigt den Zustand, in dem das Flugzeug sich nach dem Abheben im Steigflug befindet, 5 zeigt den Zustand des Flugzeuges bei großer Höhe und 6 zeigt den Zustand im Sinkflug.
Bei der Klimaanlage dieses Ausführungsbeispiels wird Luft, die von der Maschine 1 extrahiert wird, durch einen Wärmetauscher abgekühlt, der Vorkühler 2 genannt wird, und praktisch adiabatisch durch einen Radialkompressor 3 komprimiert, nachdem der Durchsatz durch ein Durchsatzsteuerventil 39 eingestellt wurde. Das Maß an Öffnung dieses Durchsatzsteuerventils 39 kann über ein Signal von einer Steuerung 25 eingestellt werden. Die Luft, die dadurch in ihrer Temperatur angehoben wurde, wird über einen Wärmetauscher abgekühlt, der Hauptkühler 4 genannt wird, anschließend über einen Regenerationswärmetauscher 4a abgekühlt und einem Wasserabscheider 7 zum Einfangen der Feuchtigkeit zugeleitet. Die diesem Wasserabscheider 7 zugeleitete extrahierte Luft wird einem Öffnungs-/Schließventil 41 und einem Lufttrennteil 16 zugeleitet. Das Maß an Öffnung dieses Öffnungs-/Schließventils 41 wird über ein Signal von der Steuerung 25 eingestellt. Die in diesem Lufttrennteil 16 verbleibende Luft, die nicht durch die selektiv permeable Membran 16a geht, und die Luft, die aus diesem Öffnungs-/Schließventil 41 strömt, werden praktisch adiabatisch über eine Expansionsturbine 5 expandiert, wodurch gekühlte Luft erhalten wird. Diese gekühlte Luft wird in eine Kabine 8 einschließlich des Cockpitraumes des Flugzeuges über einen Regenerationswärmetauscher 4a eingeleitet. Die Abkühlung über die Außenluft, die über einen Staudruckluftströmungsweg 9 geht, erfolgt im Vorkühler 2 und im Hauptkühler 4. Die Expansionsarbeit der Expansionsturbine 5 wird als Kompressionsenergie dadurch ausgenutzt, dass sie über eine Welle 6 auf den Kompressor 3 übertragen wird. Ein Motor 6a zum Ergänzen der notwendigen Antriebsenergie des Kompressors 3 ist auf der Welle 6 angebracht, die den Kompressor 3 mit der Turbine 5 verbindet. Wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet, ist der Druck der extrahierten Luft von der Maschine 1 niedrig, so dass eine Druckbeaufschlagung auf den Druck, der für den Lufttrennteil 16 angemessen ist, durch die Leistungsunterstützung bewirkt werden kann, die der Motor 6a liefert.
Es ist dafür gesorgt, dass dann, wenn die Maschine nicht läuft und sich das Flugzeug am Boden befindet, extrahierte Luft von einer Druckluftversorgungseinheit wie beispielsweise einer APU statt von der Maschine 1 der Klimaanlage zugeführt werden kann.
Ein Bypassluftströmungsweg 11 ist dazu vorgesehen, extrahierte Luft von der Maschine 1 zur Kabine 8 zu leiten, ohne dass diese durch die Luftumlaufkühleinrichtung geht. Dieser Bypassluftströmungsweg 11 wird über ein Heißluftmodulationsventil 12 geöffnet/geschlossen. Das Maß an Öffnung dieses Heißluftmodulationsventils 12 ist durch ein Signal von der Steuerung 25 einstellbar. In dieser Weise kann der Durchsatz der Luft eingestellt werden, die durch den Bypassluftströmungsweg 11 strömt. Ein Teil der extrahierten Luft wird in den Bypassluftströmungsweg 11 geleitet, in dem das Heißluftmodulationsventil 12 geöffnet wird, ohne dass er durch die Luftumlaufkühleinrichtung gekühlt wird, die aus dem Kompressor 3 und der Expansionsturbine 5 besteht. Die Luft in der Kabine 8 strömt durch einen Luftausstromströmungsweg 40 in einer Menge aus, die dem Unterschied entspricht, der dadurch erhal ten wird, dass die Luftmenge, die vom Luftströmungsweg zur Außenseite des Flugzeugrumpfes abgegeben wird, und die Menge, die aufgrund von Undichtigkeiten vom Flugzeugrumpf ausströmt, von der Luftmenge abgezogen werden, die von der Klimaanlage zugeführt wird. Im Luftausstromströmungsweg 40 werden Staub und Geruchsstoffe aus der Luft mittels eines Filters 42 entfernt.
Ein erster Adsorptionsabschnitt 23 und ein zweiter Adsorptionsabschnitt 24 sind mit dem Bypassluftströmungsweg 11 und dem Luftausstromströmungsweg 40 über einen Luftströmungswegumschaltmechanismus 50 verbunden. Der Luftströmungswegumschaltmechanismus 50 bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst ein erstes Umschaltventil 21 und ein zweites Umschaltventil 22. Jeder Adsorptionsabschnitt 23, 24 ist mit einem Adsorptionsmittel 23b, 24b versehen, das in einen Behälter 23a, 24a gepackt ist. Jedes Adsorptionsmittel 23b, 24b adsorbiert Moleküle, die in der Luft enthalten sind, und gibt die adsorbierten Moleküle frei, wenn seine Temperatur auf einen Wert über der Temperatur bei der Adsorption ansteigt. Die Adsorptionsabschnitte 23, 24 können beispielsweise aus einem Wassermoleküle adsorbierenden Stoff wie Silicagel und/oder einem Sauerstoffmoleküle adsorbierenden Stoff wie Zeolith bestehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Wassermoleküle adsorbierender Stoff als Adsorptionsmittel 23b, 24b verwandt.
Mittels des Luftströmungswegumschaltmechanismus 50 kann jeder der Adsorptionsabschnitte 23, 24 zwischen einem Zustand, in dem er mit dem Bypassluftströmungsweg 11 verbunden ist, und einem Zustand umgeschaltet werden, in dem er mit dem Luftausstromströmungsweg 40 verbunden ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Bypassluftströmungsweg 11 abwechselnd mit dem ersten Adsorptionsabschnitt 23 und dem zweiten Adsorptionsabschnitt 24 verbunden, so dass die extrahierte Luft, die durch den Bypassluftströ mungsweg 11 strömt, abwechselnd durch den ersten Adsorptionsabschnitt 23 und den zweiten Adsorptionsabschnitt 24 geht. Auch der Luftausstromströmungsweg 40 wird abwechselnd mit dem ersten Adsorptionsabschnitt 23 und dem zweiten Adsorptionsabschnitt 24 verbunden, so dass die Luft, die durch den Luftausstromströmungsweg 40 strömt, abwechselnd durch den ersten Adsorptionsabschnitt 23 und den zweiten Adsorptionsabschnitt 24 geht.
Das erste Umschaltventil 21 wird zwischen einer ersten Stellung, die durch unterbrochene Linien in der Figur dargestellt ist, und einer zweiten Stellung umgeschaltet, die durch ausgezogene Linien in der Figur dargestellt ist. In der ersten Stellung wird Luft, die dem Bypassluftströmungsweg 11 von der Maschine 1 zugeführt wird, dem ersten Adsorptionsabschnitt 23 zugeleitet und wird Luft, die aus dem zweiten Adsorptionsabschnitt 24 strömt, einem Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen zugeführt. In der zweiten Stellung wird Luft, die dem Bypassluftströmungsweg 11 von der Maschine 1 zugeführt wurde, dem zweiten Adsorptionsabschnitt 24 zugeleitet und wird Luft, die aus dem ersten Adsorptionsabschnitt 23 strömt, dem Kompressor 17 zugeführt.
Das zweite Umschaltventil 22 wird zwischen einer ersten Stellung, die in unterbrochenen Linien in der Figur dargestellt ist, und einer zweiten Stellung umgeschaltet, die durch ausgezogene Linien in der Figur dargestellt ist. In der ersten Stellung wird Luft, die aus dem ersten Adsorptionsabschnitt 23 strömt, einem dritten Umschaltventil 27 zugeführt und wird Luft, die aus der Kabine 8 strömt, dem zweiten Adsorptionsabschnitt 24 zugeführt. In der zweiten Stellung wird Luft, die aus dem zweiten Adsorptionsabschnitt 24 strömt, dem dritten Umschaltventil 27 zugeleitet und wird Luft, die aus der Kabine 8 strömt, dem ersten Adsorptionsabschnitt 23 zugeleitet.
Der Luftströmungswegumschaltmechanismus 50 wird durch die Steuerung 25 gesteuert, die am Flugzeug angebracht ist. Mittels dieser Steuerung wird jeder der Adsorptionsabschnitte 23 und 24 zwischen einem Zustand, in dem er mit dem Bypassluftströmungsweg 11 verbunden ist, und einem Zustand umgeschaltet, in dem er mit dem Luftausstromströmungsweg 40 verbunden ist. Das heißt, dass die beiden Umschaltventile 21 und 22 zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung mittels der Umschaltsignale umgeschaltet werden, die in gegebenen Zeitintervallen ausgesandt werden, die über ein in die Steuerung 25 eingebautes Zeitglied oder Ähnliches festgelegt werden. Wenn sich das erste Umschaltventil 21 in der ersten Stellung befindet, befindet sich das zweite Umschaltventil 22 in der ersten Stellung. Wenn sich das erste Umschaltventil 21 in der zweiten Stellung befindet, befindet sich das zweite Umschaltventil 22 in der zweiten Stellung. Der Luftströmungswegumschaltmechanismus 50 wird insbesondere so gesteuert, dass dann, wenn die extrahierte Luft, die im Bypassluftströmungsweg 11 strömt, durch einen der beiden Adsorptionsabschnitte 23, 24 geht, die Luft, die im Luftausstromströmungsweg 40 strömt, durch den jeweils anderen der beiden Adsorptionsabschnitte 23, 24 geht, während dann, wenn die extrahierte Luft, die im Bypassluftströmungsweg 11 strömt, durch den anderen der beiden Adsorptionsabschnitte 23, 24 geht, die Luft, die im Luftausstromströmungsweg 40 strömt, durch den oben genannten einen der beiden Adsorptionsabschnitte 23, 24 geht.
Nachdem die extrahierte Luft, die dem Bypassluftströmungsweg 11 durch Öffnen des Heißluftmodulationsventils 12 zugeleitet wurde, dem einen oder dem anderen der beiden Adsorptionsabschnitte 23, 24 durch das erste Umschaltventil 21 zugeleitet worden ist, wird sie in dieser Weise dem zweiten Umschaltventil 22 zugeleitet. Die Luft, die dem zweiten Umschaltventil 22 von den Adsorptionsabschnitten 23, 24 zugeführt wird, wird dem dritten Umschaltventil 27 zugeleitet. Das dritte Umschaltventil 27 kann unter der Steuerung eines Signals von der Steuerung 25 den Luftströmungsweg zwischen einem Zustand, in dem die zugeführte Luft zum Außenraum 14 des Flugzeugrumpfes abgegeben werden, und einem Zustand umgeschaltet werden, indem sie der Kabine 8 zugeführt wird.
Die Luft, die aus der Kabine 8 zum Luftausstromströmungsweg 40 strömt, wird dem einen oder dem anderen der beiden Adsorptionsabschnitte 23, 24 vom zweiten Umschaltventil 22 zugeleitet und dann dem Kompressor 17 zugeführt, der vom Motor 18 angetrieben wird. Die Luft, deren Druck durch den Kompressor 17 erhöht wurde, wird durch einen Verdampfer 35 einer Dampfzykluswärmetauschereinheit 30 abgekühlt, bevor sie einem vierten Umschaltventil 36 zugeführt wird. Das vierte Umschaltventil 36 kann unter der Steuerung eines Signals von der Steuerung 25 den Luftströmungsweg zwischen einem Zustand, in dem die zugeführte Luft der Kabine 8 zugeleitet wird, und einem Zustand umgeschaltet werden, in dem sie der Luftumlaufkühleinrichtung zugeführt wird. Die Wärmetauschereinheit 30 besteht aus einem Kühlkreislauf mit einem Kältemittel wie beispielsweise HFC134a. Das Kältemittel wird insbesondere durch einen Kompressor 32 komprimiert, der von einem Motor 31 angetrieben wird, und in einem Kondensor 33 durch die Abgabe seiner Wärme an die Außenluft des Flugzeugrumpfes über den Staudruckluftströmungsweg 9 kondensiert. Die Temperatur des komprimierten Kältemittels wird durch Druckreduzierung mit einem Expansionsventil 24 abgesenkt. Das Kältemittel, das so auf eine niedrige Temperatur gebracht wurde, wird durch Adsorption von Wärme aus der Luft in der oben beschriebenen Weise im Verdampfer 35 verdampft.
Ein Zirkulationsluftströmungsweg ist so vorgesehen, dass die Luft, die vom Luftausstromströmungsweg 40 von der Kabine 8 ausströmt, der Kabine 8 über das vierte Umschaltventil 36 rückgeführt wird. Das vierte Umschaltventil 36 bewirkt insbesondere eine Umschaltung zwischen dem Fall, in dem die aus der Kabine 8 ausströmende Luft direkt in die Kabine 8 zurückgeführt wird, und dem Fall, in dem die Luft zur Kabi ne 8 über die Luftumlaufkühleinrichtung rückgeführt wird. In dieser Weise wird die von der Kabine 8 ausströmende Luft zur Rezirkulationsluft, die zur Kabine 8 zurückkehrt. Dieser Rezirkulationsluftströmungsweg und der Luftströmungsweg der extrahierten Luft von der Maschine 1 sind miteinander verbunden, so dass die Rezirkulationsluft, die nach dem Ausströmen aus der Kabine 8 zur Kabine 8 zurückgeführt wird, mit der extrahierten Luft vermischt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Rezirkulationsluft, die der Luftumlaufkühleinrichtung über das vierte Umschaltventil 36 zugeleitet wird, mit der extrahierten Luft gemischt, die über das Durchsatzsteuerventil 39 kommt. Dieses Gemisch aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft wird in den Lufttrennteil 16 eingeleitet, nachdem es praktisch adiabatisch durch den Kompressor 3 der Luftumlaufkühleinrichtung komprimiert wurde.
Die Temperatur der extrahierten Luft, die in den Bypassluftströmungsweg 11 über den Vorkühler 2 von der Maschine 1 eingeleitet wird, beträgt 100°C bis 140°C und die Temperatur der Luft, die in den Luftausstromströmungsweg 40 von der Kabine 8 eingeleitet wird, beträgt 20°C bis 30°C. In dieser Weise adsorbiert das Adsorptionsmittel 23b, 24b die aktiven Bestandteile (in diesem Fall die Wassermoleküle), die in der Luft enthalten sind, die aus der Kabine 8 strömt, wenn seine Temperatur durch die Luft abgesenkt ist, die aus der Kabine 8 strömt und dort hindurchgeht. Das Adsorptionsmittel 23b, 24b gibt die Wassermoleküle, die von der Luft adsorbiert wurden, die aus der Kabine 8 strömt, an die extrahierte Luft ab und wird dadurch regeneriert, wenn seine Temperatur durch die extrahierte Luft erhöht wird, die aus der Maschine 1 strömt und dort hindurch geht. Wenn das Adsorptionsmittel 23b, 24b beispielsweise Silicagel ist, dann kann 1 kg Silicagel 0,25 kg oder mehr Wassermoleküle bei 20°C adsorbieren, wohingegen 1 kg Silicagel nur 0,02 kg oder weniger Wassermoleküle bei 100°C adsorbieren kann. In dieser Weise werden die Wassermoleküle in der Luft, die aus der Kabine 8 strömt, durch das Adsorptionsmittel 23b, 24b adsorbiert und zur Kabine 8 dadurch rückgeführt, dass sie an die Luft abgegeben werden, die von der Maschine 1 extrahiert wird, was den Komfort der Kabine 8 verbessert. Darüber hinaus wird das Adsorptionsmittel 23b, 24b regeneriert, so dass es wieder benutzt werden kann. Wenn Zeolith, das als ein Sauerstoffmoleküle adsorbierender Stoff arbeitet, als Adsorptionsmittel 23b, 24b verwandt wird, werden die Sauerstoffmoleküle in der Luft, die aus der Kabine 8 strömt, durch das Adsorptionsmittel 23b, 24b adsorbiert und zur Kabine 8 dadurch zurückgeführt, dass sie an die Luft abgegeben werden, die von der Maschine 1 extrahiert wird, wodurch der Komfort der Kabine 8 verbessert wird. Darüber hinaus wird das Adsorptionsmittel 23b, 24b regeneriert, so dass es wieder verwandt werden kann. Der Komfort der Kabine 8 kann gleichfalls noch weiter verbessert werden, indem die Adsorptionsabschnitte 23, 24 sowohl aus einem Adsorptionsmittel, das Wassermoleküle adsorbieren kann, als auch aus einem Adsorptionsmittel gebildet sind, das Sauerstoffmoleküle adsorbieren kann, was es möglich macht, sowohl Feuchtigkeit als auch Sauerstoff zu adsorbieren. In diesem Fall sind vorzugsweise Silicagel und Zeolith in abwechselnden Schichten angeordnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass der Lufttrennteil 16 eine große Verarbeitungskapazität hat und sich für ein großes Flugzeug eignet. Dieser Lufttrennteil 16 ist dadurch gebildet, dass eine selektiv permeable Membran 16a, die eine große Anzahl von gebündelten hohlen Fasern umfasst, von einem Gehäuse 16b umschlossen ist, um stickstoffreiches Gas und sauerstoffkonzentrierte Luft zu erzeugen. Folglich ist die Permeabilität der selektiv permeablen Membran 16a für Stickstoff (N₂) und für Kohlendioxid (CO₂) in der Luft höher als die für Sauerstoff (O₂). In dieser Weise kann die extrahierte Luft, die durch den Wasserabscheider 7 gegangen ist, nachdem sie durch den Regenerierungswärmetauscher 4a abgekühlt wurde, in stickstoffreiches Gas (bei diesem Ausführungsbeispiel N₂ = 92 % oder mehr) dadurch umgewandelt werden, dass sie durch die selektiv permeable Membran 16a geht. Dieses stickstoffreiche Gas wird an den Außenraum 14 des Flugzeugrumpfes dadurch abgegeben, dass es über einen Abgabeströmungsweg geht, nachdem es dem kraftstoffperipheren Bereich 15 wie beispielsweise dem Inneren des Kraftstofftankes oder dem Bereich der Verlegung der Kraftstoffleitungen zugeführt wurde. Die Sauerstoffkonzentration der Luft, die nicht durch die selektiv permeable Membran 16a gegangen ist, ist erhöht. Diese sauerstoffkonzentrierte Luft, deren Sauerstoffkonzentration erhöht wurde, wird der Expansionsturbine 5 zugeführt. Der Durchsatz der Luft, die durch die selektiv permeable Membran 16a geht, kann dadurch eingestellt werden, dass das Maß an Öffnung des Öffnungs-/Schließventils 41 über ein Signal von der Steuerung 25 einstellbar ist. Die Außenseite der selektiv permeablen Membran 16a liegt praktisch auf dem gleichen Druck wie dem an der Außenseite des Flugzeugrumpfes wie beispielsweise im kraftstoffperipheren Bereich 15.
Im Zustand der Kühlung am Boden, der in 3 dargestellt ist, kann die Luftumlaufkühleinrichtung, die aus dem Kompressor 3 und der Expansionsturbine 5 besteht, voll in Betrieb gesetzt werden, indem das Durchsatzströmungsventil 39 geöffnet wird.
In diesem Fall kann das Maß an Öffnung des Öffnungs-/Schließventils 41 in der erforderlichen Weise gewählt werden. Durch eine vollständige Öffnung des Öffnungs-/Schließventils 41 kann insbesondere dafür gesorgt werden, dass keine Luft in den Lufttrennteil 16 eingeführt wird. Das kann daher mit dem Fall in Verbindung gebracht werden, in dem die zusätzliche Zuführung von stickstoffreichem Gas zu dem kraftstoffperipheren Bereich 15 nicht notwendig ist, da das Leervolumen im Inneren des Kraftstofftankes klein ist, weil Kraftstoff am Boden getankt wurde, sich der atmosphärische Druck nicht ändert und der Kraftstoff verbrauch selbst bei einem langsamen Manövrieren am Boden minimal ist.
Durch ein Schließen des Öffnungs-/Schließventils 41 kann alternativ dazu Luft in den Lufttrennteil eingeführt werden. In dieser Weise kann die Sicherheit dadurch verbessert werden, dass das vom Kraftstofftank verdampfte Kraftstoffgas mit stickstoffreichem Gas verdünnt wird, das vom Lufttrennteil 16 kommt, während sich das Flugzeug im Flugbereitschaftszustand am Boden befindet.
Wenn am Boden eine hohe Temperatur und eine hohe Feuchtigkeit herrschen, kann die Feuchtigkeit in der Luft vom Flugzeugrumpf nach außen dadurch abgegeben werden, dass das Öffnungs-/Schließventil 41 geschlossen wird, da die Feuchtigkeitspermeabilität der selektiv permeablen Membran 16a hoch ist. In dieser Weise wird die Feuchtigkeit in der Luft, die in die Expansionsturbine 5 eingeleitet wird, herabgesetzt und wird die Erzeugung von Kondensationswärme verringert, so dass die Kühlkapazität erhöht werden kann und die Feuchtigkeit in der Kabine 8 herabgesetzt werden kann.
Bei einer Kühlung am Boden bei einer hohen Temperatur und hoher Feuchtigkeit kann gleichfalls eine Regeneration des Adsorptionsmittels 23b, 24b dadurch erfolgen, dass das Heißluftmodulationsventil 12 etwas geöffnet wird. Luft, die eine beträchtliche Menge an Feuchtigkeit enthält und für diese Regeneration verwandt wird, wird an den Außenraum 14 des Flugzeugrumpfes über das dritte Umschaltventil 27 abgegeben. Bei einer Kühlung am Boden wird in dieser Weise die Feuchtigkeit in der Kabine 8 eingefangen und durch die Adsorptionsabschnitte 23, 24 abgegeben, so dass der Komfort dadurch verbessert werden kann, dass ein Anstieg der Feuchtigkeit in der Kabine 8 unterdrückt wird, wobei weiterhin eine Herabsetzung der Kabinenkühlkapazität verhindert werden kann, indem eine Taubildung im Verdampfer 35 der Wärmetauschereinheit 30 vermieden wird. Es ist dadurch möglich, die Wärmetauschereinheit 30 voll arbeiten zu lassen, was in Kombination mit der Luftumlaufkühleinrichtung die Kühlkapazität der Kabine 8 erhöht. Es ist gleichfalls dafür gesorgt, dass die Luft, aus der die Feuchtigkeit entfernt wurde und die aus den Adsorptionsabschnitten 23, 24 strömt, nachdem sie aus der Kabine 8 gekommen ist, zur Kabine 8 vom vierten Umschaltventil 36 zurückströmt.
In dem Zustand, der in 4 dargestellt ist und in dem das Flugzeug abgehoben hat und sich im Steigflug befindet, nimmt die Ausgangsleistung der Maschine 1 zu, so dass der Druck der extrahierten Luft groß wird. Folglich wird das Expansionsverhältnis der Turbine 5 der Luftumlaufkühleinrichtung groß und wird daher Luft mit niedrigerer Temperatur geliefert. In diesem Fall ist es notwendig, eine zu starke Abnahme der Temperatur in der Kabine 8 durch die Luft zu vermeiden, die von der Luftumlaufkühleinrichtung kommt. In dem Zustand, in dem sich das Flugzeug im Steigflug befindet, fallen darüber hinaus die Temperatur der Außenluft und ihr Wasserdampfgehalt rapide ab, so dass es notwendig ist, einen zu starken Abfall der Feuchtigkeit in der Kabine 8 zu verhindern. Folglich wird warme extrahierte Luft, die Wasserdampf enthält und in den Adsorptionsabschnitten 23, 24 regeneriert wurde, der Kabine 8 über das dritte Umschaltventil 27 zugeführt. Indem weiterhin dafür gesorgt ist, dass sich die Wärmetauschereinheit 30 nach Maßgabe der Verhältnisse beim Steigflug des Flugzeuges verhält, wird auch dafür gesorgt, dass die Luft, aus der die Feuchtigkeit entfernt wurde und die aus den Adsorptionsabschnitten 23, 24 strömt, nachdem sie aus der Kabine 8 geströmt ist, zur Kabine 8 vom Umschaltventil 36 zurückströmt, so dass die Kabine 8 auf der passenden Temperatur und der passenden Feuchtigkeit gehalten wird.
Indem während des Steigflugs allmählich das Maß an Öffnung des Öffnungs-/Schließventils 41 gedrosselt wird, wird weiterhin die Luftmenge allmählich erhöht, die dem Lufttrennteil 16 zugeführt wird. In dieser Weise entspricht die Menge an stickstoffreichem Gas, das vom Lufttrennteil 16 dem kraftstoffperipheren Bereich 15 zugeführt wird, dem Kraftstoffverbrauch. Da weiterhin der Versorgungsdruck der extrahierten Luft hoch ist, wenn die Expansionsenergie der Expansionsturbine 5 beträchtlich höher als die Kompressionsarbeit des Kompressors 3 ist, ist auch eine Energierückgewinnung dadurch möglich, dass dafür gesorgt wird, dass der Motor 6a als Generator arbeitet.
In dem Zustand, in dem das Flugzeug in großer Höhe fliegt, wie es in 5 dargestellt ist, wird Luft, aus der die Feuchtigkeit entfernt wurde und die aus den Adsorptionsabschnitten 23, 24 strömt, nachdem sie aus der Kabine 8 geströmt ist, dem Kompressor 8 vom Umschaltventil 36 zugeführt, nachdem ihr Druck durch den Kompressor 17 erhöht wurde. In dieser Weise kann das Maß an Luft, die in die Luftumlaufkühleinrichtung und den Lufttrennteil 16 eingeführt wird, selbst dann garantiert werden, wenn das Maß an Luftextraktion von der Maschine 1 nach Abschluss des Steigfluges durch Drosselung der Ausgangsleistung der Maschine 1 abnimmt. An dieser Stelle wird das Öffnungs-/Schließventil 41 beträchtlich gedrosselt. Sauerstoffkonzentrierte Luft vom Lufttrennteil 16 wird der Expansionsturbine 5 zugeleitet. Darüber hinaus wird Luft, deren Feuchtigkeit in den Adsorptionsabschnitten 23, 24 erhöht wurde, vom dritten Umschaltventil 27 der Kabine 8 zugeführt. In dieser Weise kann das Maß an Luftversorgung zur Kabine 8 garantiert werden, so dass eine Abnahme des Sauerstoffpartialdruckes in der Kabine 8 vermieden werden kann und weiterhin der Komfort dadurch beibehalten werden kann, dass die Feuchtigkeit aufrechterhalten wird. Es wird weiterhin stickstoffreiches Gas vom Lufttrennteil 16 dem kraftstoffperipheren Bereich 15 zugeführt.
Da die Luft außerhalb des Flugzeugrumpfes eine niedrige Temperatur hat, wenn das Flugzeug in großer Höhe fliegt, ist im Staudruckluftweg vorzugsweise ein Ventil, das die Außenluft des Flugzeugrumpfes drosselt, die in die Wärmetauscher 2, 4 strömt, oder ein Strömungswegumschaltventil mit einem Bypassströmungsweg vorgesehen, damit die Außenluft des Flugzeugrumpfes die Wärmetauscher 2, 4 umgehen kann.
In dem Zustand, der in 6 dargestellt ist und in dem das Flugzeug sich im Sinkflug befindet wird das Leervolumen im Inneren des Kraftstofftankes als Folge des Kraftstoffverbrauches groß und nimmt der atmosphärische Druck durch den Sinkflug zu, so dass eine große Menge an stickstoffreichem Gas den kraftstoffperipheren Bereich 15 zugeführt werden muss. Da weiterhin die Ausgangsleistung der Maschine 1 stark beim Sinkflug gedrosselt ist, ist der Druck der extrahierten Luft, die der Luftumlaufkühleinrichtung geliefert wird, niedrig, was es schwierig macht, das Maß an Luftextraktion sicherzustellen. Dementsprechend wird das Absinken des Maßes an Luftextraktion in der Luftkühleinrichtung dadurch ausgeglichen, dass das Maß an Versorgung mit Rezirkulationsluft erhöht wird, indem Luft, die aus der Kabine 8 strömt, dem Kompressor 3 über das Umschaltventil 36 zugeleitet wird. Stickstoffreiches Gas wird vom Lufttrennteil 16 dem kraftstoffperipheren Bereich 15 dadurch zugeführt, dass das Öffnungs-/Schließventil 41 vollständig geschlossen wird. Darüber hinaus wird ein Abfall der Luftversorgung der Kabine 8 dadurch vermieden, dass Luft, die in den Adsorptionsabschnitten 23, 24 angefeuchtet wurde, vom dritten Umschaltventil 27 der Kabine 8 zugeführt wird. In diesem Fall wird die Temperatur der Kabine 8 dadurch reguliert, dass die Wärmetauschereinheit 30 so betrieben wird, dass keine zu starke Heizung an der Kabine 8 liegt.
Bei dem oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel können die notwendigen Molekülbestandteile in der Luft, die aus der Kabine 8 strömt, in die Kabine 8 zurückgeführt werden. Das Adsorptionsmittel 23b, 24b wird gleichfalls so regeneriert, dass diese Moleküle in der Luft wieder adsorbiert werden können. Die Adsorption und Abgabe der Was sermoleküle durch das Adsorptionsmittel 23b, 24b tragen dazu bei, die Feuchtigkeit in der Kabine 8 beizubehalten. Wenn Sauerstoffmoleküle durch das Adsorptionsmittel 23b, 24b adsorbiert und abgegeben werden, kann das dazu beitragen, die Sauerstoffkonzentration in der Kabine 8 beizubehalten. Es kann weiterhin eine Regeneration der Luft in der Kabine 8 durch einen einfachen Aufbau erzielt werden, der lediglich die zusätzliche Anordnung der Adsorptionsabschnitte 23, 24 und des Luftströmungswegumschaltmechanismus 50 mit sich bringt. Der Durchsatz der Luft, die durch den Bypassluftströmungsweg 11 strömt, ist einstellbar, so dass es möglich ist, eine geeignete Temperatur in der Kabine 8 dadurch beizubehalten, dass das Verhältnis des Maßes an Luftzuleitung in die Kabine 8 nach dem Abkühlen durch die Luftumlaufkühleinrichtung zum Maß an Luftzuführung in die Kabine 8 ohne eine derartige Kühlung eingestellt wird.
Es ist auch möglich, das Auftreten von Kraftstoffbränden durch das stickstoffreiche Gas zu verhindern, das durch die selektiv permeable Membran 16a abgetrennt wird. Die von der selektiv permeablen Membran 16a abgetrennte sauerstoffkonzentrierte Luft trägt dazu bei, die Sauerstoffkonzentration in der Kabine 8 aufrechtzuerhalten (d. h., dass der Sauerstoffpartialdruck auf dem Wert am Boden selbst dann gehalten wird, wenn der atmosphärische Druck im Flugzeug niedriger als am Boden ist). Wenigstens die Wassermoleküle in der Luft, die aus der Kabine 8 über den Luftausstromströmungsweg 40 strömt, werden durch das Adsorptionsmittel 23b, 24b adsorbiert. Nach dem Durchgang durch die Adsorptionsabschnitte 23, 24 wird die Luft, die aus der Kabine 8 geströmt ist, durch den Kompressor 17 komprimiert und durch den Kompressor 3 weiter in ihrem Druck erhöht, bevor sie der selektiv permeablen Membran 16a des Lufttrennteils 16 zugeführt wird. In dieser Weise kann die Luft, die aus der Kabine 8 strömt, wieder in die Kabine 8 als sauerstoffkonzentrierte Luft eingeleitet werden, so dass der zum Steu ern des Druckes in der Kabine 8 notwendige Luftdurchsatz sichergestellt werden kann, ohne das Maß an Luftextraktion von der Maschine 1 zu erhöhen. Das stickstoffreiche Gas kann wirksam dadurch erhalten werden, dass die Luft komprimiert wird, die der selektiv permeablen Membran 16a zugeführt wird. Wenn sich weiterhin das Maß an Luftextraktion von der Maschine, die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Sauerstoffkonzentration und/oder der Druck der Außenluft nach Maßgabe der Flugverhältnisse des Flugzeuges ändern, können die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Sauerstoffkonzentration und der Druck in der Kabine optimal beibehalten werden. Wenn darüber hinaus die extrahierte Luft, die Feuchtigkeit enthält, die von dem Adsorptionsmittel 23b, 24b abgegeben wurde, zu feucht ist, kann gleichfalls eine Taubildung der Luftumlaufkühleinrichtung dadurch vermieden werden, dass diese Luft zum Außenraum 14 des Flugzeugrumpfes abgegeben wird.
Bei dem oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel kann die sauerstoffkonzentrierte Luft, von der der Stickstoff durch den Lufttrennteil 16 abgetrennt wurde, wirksam dadurch ausgenutzt werden, dass sie zur Kabine 8 zurückgeführt wird. Wenn sowohl die Luftumlaufkühleinrichtung als auch der Lufttrennteil 16 arbeiten, kann gleichfalls die Last an der Maschine 1 dadurch verringert werden, dass eine Zunahme im Maß an Luftextraktion von der Maschine 1 unterdrückt wird. Durch die Verwendung des Kompressors 3 der Luftumlaufkühleinrichtung kann der Druck des Gemisches aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft bis auf den Druck erhöht werden, der zum Abtrennen der Luftbestandteile durch die selektiv permeable Membran 16a des Lufttrennteils 16 benötigt wird. Die Rezirkulationsluft wird gleichfalls auf etwa den gleichen Druck wie dem Druck der extrahierten Luft durch den Kompressor 17 vor der Vermischung mit der extrahierten Luft gebracht, so dass ein Rückstrom der Rezirkulationsluft vermieden werden kann und die Vermischung in gleichmäßiger Weise erfolgt. Wenn die sauerstoffkonzent rierte Luft durch die Expansionsturbine 5 expandiert wird, wird die Ausgangsleistung dieser Expansionsturbine 5 als Antriebsleistung für den Kompressor 3 verwandt. Die Expansionsarbeit der Expansionsturbine 5 kann dadurch wirksam ausgenutzt werden. Da der Kompressor 3 und der Kompressor 17 zum Komprimieren vor der Vermischung mit der notwendigen Antriebsenergie von den Motoren 6a und 18 versorgt werden, kann der Unterschied, der dadurch erhalten wird, dass die Expansionsarbeit der Expansionsturbine 5 von der Gesamtkompressionsarbeit des Kompressors 3 der Kühleinrichtung und des Kompressors 17 abgezogen wird, durch die Leistung dieser Motoren 6a, 18 ausgeglichen werden. Die Temperatur der Luft, die der Kabine 8 zugeführt wird, kann darüber hinaus in geeigneter Weise dadurch eingestellt werden, dass die Rezirkulationsluft durch die Dampfzykluswärmetauschereinheit 30 gekühlt wird.
7 zeigt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel der Adsorptionsabschnitte und des Luftströmungswegumschaltmechanismus. Bei diesem modifizierten Ausführungsbeispiel ist eine große Anzahl von Adsorptionsabschnitten 83, die in Richtung der Drehachse verlaufen, wabenförmig im Inneren einer Drehtrommel 80 vorgesehen. Ein Adsorptionsmittel wie beispielsweise Silicagel ist in die Adsorptionsabschnitte 83 gepackt. Trennteile 81 sind relativ drehbar über Dichtungselemente (nicht dargestellt) mit beiden Stirnflächen dieser Drehtrommel 80 verbunden. Jeder Trennteil 81 ist dadurch gebildet, dass ein äußerer Ring 81a mit einem inneren Ring 81b über zwei Arme 81c verbunden ist und an einem Rumpfelement des Flugzeuges befestigt ist. Die zentrale Achse 80a der Drehtrommel 80 ist drehbar über Lager (nicht dargestellt) durch den inneren Ring 81b jedes Trennteils 81 gehalten. Ein Motor 82 ist mit dieser zentralen Achse 88 verbunden und die Drehtrommel 80 wird durch diesen Motor 82 gedreht, der auf ein Signal von der Steuerung 85 angetrieben wird. Zwei Bereiche 81d, 81e sind von den beiden Armen 81c zwischen dem äußeren Ring 81a und dem inneren Ring 81b in jedem der Trennteile 81 begrenzt. Ein Bereich 81d in jedem der Trennteile 81 ist mit dem Bypassluftströmungsweg 11 über einen Rohranschluss 84 verbunden, während der andere Bereich 81e mit dem Luftausstromströmungsweg 40 über einen Rohranschluss 85 verbunden ist. In dieser Weise ist ein Luftströmungswegumschaltmechanismus gebildet, wobei die Umschaltung durch eine Drehung dieser Drehtrommel 80 zwischen einem Zustand, in dem die Adsorptionsabschnitte 83 mit dem Bypassluftströmungsweg 11 verbunden sind, und einem Zustand bewirkt wird, in dem sie mit dem Luftausstromströmungsweg 40 verbunden sind. Die übrigen Einzelheiten sind die gleichen wie im Fall der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
8 zeigt eine Flugzeugklimaanlage gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bauteile wie beim dritten Ausführungsbeispiel haben die gleichen Bezugszeichen und die Unterschiede werden beschrieben. Wenn bei diesem vierten Ausführungsbeispiel sich das Flugzeug am Boden befindet und die Maschine nicht läuft, wird Luft, die von einer Hochdruckluftversorgungseinheit 1' wie beispielsweise einer APU statt von der Maschine 1 extrahiert wird, der Klimaanlage zugeführt. Kalte Luft, die aus der Turbine 5 strömt, wird in die Kabine 8 einschließlich des Cockpitraumes des Flugzeuges über eine Mischkammer 13 von einem Regenerationswärmetauscher 4a eingeleitet. Ein Teil der Luft, die von der Maschine 1 extrahiert wird, wird der Kabine 8 über die Mischkammer 13 vom Bypassluftströmungsweg 11 zugeführt, indem das Heißluftmodulationsventil 12 geöffnet wird.
Ein Teil der Luft, die aus dem Luftausstromströmungsweg 40 von der Kabine 8 strömt, wird der Mischkammer 13 über ein Gebläse F1 zugeführt. Ein Hilfsluftströmungsweg 71 zweigt vom Luftausstromströmungsweg 40 ab und ist mit einem Regenerationswärmetauscher 72 verbunden. Ein Teil der Luft, die aus dem Luftausstromströmungsweg 40 von der Kabine 8 strömt, wird durch den Regerationswärmetauscher 72 erwärmt, nachdem er durch ein Gebläse F2 dem Hilfsluftströmungsweg 71 zugeführt wurde.
Der Adsorptionsabschnitt 83, der in 7 dargestellt ist, ist über einen Luftströmungswegumschaltmechanismus 50' mit dem Hilfsluftströmungsweg 71 und dem Luftausstromströmungsweg 40 verbunden. Insbesondere ist ein Bereich 81d jedes Trennteils 81 mit dem Hilfsluftströmungsweg 71 über den Rohranschluss 84 verbunden, während der andere Bereich 81e mit dem Luftausstromströmungsweg 40 über den Rohranschluss 85 verbunden ist. In dieser Weise wird der Luftströmungswegumschaltmechanismus 50', der zwischen einem Zustand, in dem die Adsorptionsabschnitte 83 jeweils mit dem Hilfsluftströmungsweg 71 verbunden sind, und einem Zustand umschaltet, in dem sie mit dem Luftausstromströmungsweg 40 verbunden sind, durch die Drehung der Drehtrommel 80 gebildet.
Die Luft, die dem Adsorptionsabschnitt 83 vom Hilfsluftströmungsweg 71 über den Regenerationswärmetauscher 72 zugeführt wird, wird dem dritten Umschaltventil 27 zugeleitet. Das dritte Umschaltventil 27 kann auf ein Signal von der Steuerung (nicht dargestellt) den Luftströmungsweg zwischen einem Zustand, in dem die zugeführte Luft an den Außenraum 14 des Flugzeugrumpfes abgegeben wird, und einem Zustand umschalten, in dem sie der Kabine 8 über die Mischkammer 13 zugeleitet wird. Die Luft, die in den Adsorptionsabschnitt 83 vom Luftausstromströmungsweg 40 geleitet wird, wird dem Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen, der vom Motor 18 angetrieben wird, über ein fünftes Umschaltventil 90 zugeleitet. Die Luft, deren Druck durch den Kompressor 17 erhöht wurde, wird einem Wärmeaustausch mit der Luft, die durch den Hilfsluftströmungsweg 71 strömt, im Regenerationswärmetauscher 72 unterworfen und durch die Luft, die über einen Staudruckluftweg 9 außerhalb des Flugzeugrumpfes geht, in einem Radiator 19 abgekühlt, der statt der Wärmetauschereinheit 30 des dritten Ausführungsbeispiels arbeitet. Sie wird dann einem vierten Umschaltventil 36 zugeführt. Das vierte Umschaltventil 36 kann auf ein Signal von der Steuerung den Luftströmungsweg zwischen einem Zustand, in dem die zugeführte Luft der Kabine 8 über die Mischkammer 13 zugeleitet wird, und einem Zustand umschalten, in dem sie der Luftumlaufkühleinrichtung zugeführt wird.
Die Temperatur der Luft, die durch den Hilfsluftströmungsweg 71 strömt, liegt beispielsweise bei etwa 100°C bis 140°C, da sie durch den Regerationswärmetauscher 72 erwärmt wird. Die Temperatur der Luft, die im Luftausstromströmungsweg 40 von der Kabine 8 strömt, liegt beispielsweise bei 20°C bis 30°C. Da sich das Adsorptionsmittel im Adsorptionsabschnitt 83 folglich auf einer niedrigen Temperatur befindet, wenn die Luft, die über den Luftausstromströmungsweg 40 von der Kabine 8 durchströmt, absorbiert sie die aktiven Bestandteile (in diesem Fall die Wassermoleküle), die in der Luft enthalten sind, die aus der Kabine 8 strömt. Da es sich im Gegensatz dazu auf einer hohen Temperatur befindet, wenn die Luft, die über den Hilfsluftströmungsweg 71 kommt, durchströmt, gibt das Adsorptionsmittel im Adsorptionsabschnitt 83 die Wassermoleküle, die es von der Luft absorbiert hat, die über den Luftausstromströmungsweg 40 eingeführt wurde, an die Luft ab, die über den Hilfsluftströmungsweg 71 kommt, so dass es regeneriert wird.
Es ist ein Hilfsluftströmungsweg 91 für die extrahierte Luft vorgesehen, über den die extrahierte Luft, die von der Maschine 1 kommt, über ein Durchsatzeinstellventil 89 strömt. Stromaufwärts vom Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen und stromabwärts vom Adsorptionsabschnitt 83 ist das fünfte Umschaltventil 90 mit dem Hilfsluftströmungsweg 91 für die extrahierte Luft und dem Luftausstrom strömungsweg 40 verbunden, über den die Rezirkulationsluft strömt. Das fünfte Umschaltventil 90 kann auf ein Signal von der Steuerung zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung umgeschaltet werden. Wenn sich das fünfte Umschaltventil 90 in der ersten Stellung befindet, wird die Rezirkulationsluft dem Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen zugeführt und ist der Strom der extrahierten Luft vom Hilfsluftströmungsweg 91 für die extrahierte Luft zum Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen unterbrochen. Wenn sich das fünfte Umschaltventil 90 in der zweiten Stellung befindet, wird die extrahierte Luft vom Hilfsluftströmungsweg 91 für die extrahierte Luft dem Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen zugeführt und ist der Strom der Rezirkulationsluft unterbrochen.
In dieser Weise wird die selbe Funktion und werden die selben Vorteile wie im Fall des dritten Ausführungsbeispiels erhalten, wenn sich das fünfte Umschaltventil 90 in der ersten Stellung befindet. Wenn sich das fünfte Umschaltventil 90 in der zweiten Stellung befindet, ist der Hilfsluftströmungsweg 91 für die extrahierte Luft mit dem Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen über einen Teil des Luftausstromströmungsweges 40 stromabwärts vom Durchsatzsteuerventil 89 verbunden. Statt der Rezirkulationsluft wird in dieser Weise die extrahierte Luft durch den Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen komprimiert und wird diese komprimierte extrahierte Luft dem Kompressor 13 der Luftumlaufkühleinrichtung zugeführt. Wenn sich das fünfte Umschaltventil 9 in der zweiten Stellung befindet, ist auch das Durchsatzsteuerventil 39 vollständig geschlossen. Statt der Rezirkulationsluft, die durch den Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen komprimiert wird, wird die Gesamtmenge an Luft, die dem Kompressor 3 der Luftumlaufkühleinrichtung zugeführt wird, aus extrahierter Luft gebildet, die durch den Kompressor 17 komprimiert wird. In dieser Weise kann eine Zunahme im Energieverbrauch vermieden wer den, indem das fünfte Umschaltventil 90 in die zweite Stellung gebracht wird, wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet. Das heißt, dass aufgrund der Tatsache, dass das Leervolumen im Kraftstofftank während des Sinkfluges des Flugzeuges größer wird, da Kraftstoff verbraucht worden ist, und da der atmosphärische Druck während des Sinkfluges ansteigt, eine große Menge an stickstoffreichem Gas dem kraftstoffperipheren Bereich 15 zugeführt werden sollte. Der Druck der extrahierten Luft ist weiterhin im Sinkflug höher als der Druck der Rezirkulationsluft. Durch Komprimieren der extrahierten Luft statt der Rezirkulationsluft durch den Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen kann folglich die zum Betreiben des Kompressors 17 erforderliche Energie um eine Menge reduziert werden, die dem Druckunterschied der extrahierten Luft und der Rezirkulationsluft entspricht. Das hat zur Folge, dass der Energieverbrauch der Anlage als Ganzes verringert werden kann.
Es lässt sich beispielsweise vorstellen, dass ein Flugzeug von 42.000 Fuß (12.800 m) an mit dem Sinkflug beginnt, dass der Innendruck der Kabine 8 11,3 psi (77,9 kPa) beträgt, dass der Druck der extrahierten Luft etwa 20 psi (138 kPa) beträgt und dass es notwendig ist, dass der Luftdruck am Einlass des Kompressors 3 bei etwa 30 psi (207 kPa) liegt, damit der Lufttrennteil 16 normal arbeitet. Wenn in diesem Fall der Luftdruck am Einlass des Kompressors 3 dadurch sichergestellt wird, dass die Rezirkulationsluft durch den Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen komprimiert wird, liegt das Kompressionsverhältnis des Kompressors 17 bei 2,65. Wenn im Gegensatz dazu der Luftdruck am Einlass des Kompressors 3 dadurch sichergestellt wird, dass die extrahierte Luft durch den Kompressor 17 komprimiert wird, liegt das Kompressionsverhältnis des Kompressors 17 bei 1,5. Das heißt, dass das Kompressionsverhältnis des Kompressors 17 niedriger ist, so dass der Energieverbrauch herabgesetzt werden kann. Im Übrigen ist der Aufbau der gleiche wie beim dritten Ausführungsbeispiel und sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie beim dritten Ausführungsbeispiel versehen.
9 und 10 zeigt einen Anschlussumschaltmechanismus und einen Kompressor 17' zum Komprimieren vor dem Mischen gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels. Dieser Kompressor 17' zum Komprimieren vor dem Mischen weist zwei Kompressionsteile 17a und 17b auf, die aus Zentrifugalflügelrädern bestehen. Der Einlass eines Kompressionsteils 17a ist mit dem fünften Umschaltventil 90 verbunden und der Auslass dieses Kompressionsteils 17a ist mit einem sechsten Umschaltventil 92 verbunden. Der Einlass des anderen Kompressionsteils 17b ist mit einem siebten Umschaltventil 93 verbunden und der Auslass dieses Kompressionsteils 17b ist mit dem Regenerationswärmetauscher 72 verbunden. Das sechste Umschaltventil 92 und das siebte Umschaltventil 93 bilden den Anschlussumschaltmechanismus. Wenn sich das fünfte Umschaltventil 90 in der ersten Stellung befindet, die in 9 dargestellt ist, verbinden das sechste Umschaltventil 92 und das siebte Umschaltventil 93 den Auslass des einen Kompressionsteils 17a mit dem Einlass des anderen Kompressionsteils 17b. Wenn sich das fünfte Umschaltventil 90 in der zweiten Stellung befindet, wie es in 10 dargestellt ist, verbindet das sechste Umschaltventil 92 den Auslass des einen Kompressionsteils 17a mit dem Regenerationswärmetauscher 72 und verbindet das siebte Umschaltventil 93 den Einlass des anderen Kompressionsteils 17b mit dem fünften Umschaltventil 90. Das heißt, dass dann, wenn sich das fünfte Umschaltventil 90 in der ersten Stellung befindet, die beiden Kompressionsteile 17a und 17b in Reihe geschaltet sind und sie dann, wenn sich das fünfte Umschaltventil 90 in der zweiten Stellung befindet, parallel geschaltet sind. Wenn in dieser Weise das Kompressionsverhältnis im Kompressor 17' zum Komprimieren vor dem Mischen so gestaltet ist, dass es etwa gleich ist, wenn das fünfte Umschaltventil 90 in der ersten Stellung ist und wenn es in der zweiten Stellung ist, ist der Durchsatz im Kompressor 17' dann, wenn das fünfte Umschaltventil 90 in der zweiten Stellung ist, etwa doppelt so groß als in dem Fall, in dem dieses Ventil 90 die erste Stellung hat. In dieser Weise kann eine Zunahme des Energieverbrauches dann, wenn sich das Flugzeug im Sinkflug befindet, dadurch vermieden werden, dass das fünfte Umschaltventil 90 in die zweite Stellung gebracht wird. Es besteht somit keine Notwendigkeit, die Anzahl der Kompressoren 17' zum Komprimieren vor dem Mischen zu erhöhen, um den Luftdurchsatz während des Sinkfluges des Flugzeuges sicherzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Kompressor 17' zum Komprimieren vor dem Mischen mit drei oder mehr Kompressionsteilen versehen sein kann. In diesem Fall werden wenigstens zwei Kompressionsteile zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung umgeschaltet.
Bei einem Sinkflug aus 42.000 Fuß (12.800 m) lässt sich beispielsweise vorstellen, dass das Kompressionsverhältnis an den Kompressionsteilen 17a, 17b gleich 1,6 bis 1,7 ist, dass ein Luftdruck von etwa 30 psi (207 kPa) und ein Durchsatz von etwa 120 LBS/min (54,4 kg/min) am Einlass des Kompressors 3 benötigt wird, dass der Druck der Rezirkulationsluft bei 11,3 psi (77,9 kPa) liegt, dass die Rezirkulationslufttemperatur bei 80°F (299,8 K) liegt, dass der Druck der extrahierten Luft bei 20 psi (138 kPa) liegt, dass die Temperatur der extrahierten Luft 200°F (366,5 K) beträgt und dass der Wirkungsgrad des Kompressors 17 zum Komprimieren vor dem Mischen bei 75 % liegt. Wenn in diesem Fall angenommen wird, dass die Rezirkulationsluft durch den Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen komprimiert wird, sind eine Leistung von 117 kW für die Kompressionsarbeit und eine zweistufige Kompression notwendig. Wenn im Gegensatz dazu die extrahierte Luft mit dem Kompressor 17 komprimiert wird, sind eine Leistung von 54,7 kW und eine einstufige Kompression ausreichend. Es sei darauf hingewiesen, dass die Arbeit des sechsten Umschaltventils 92 und des siebten Umschaltventils 93 nicht mit der des fünften Umschaltventils 90 verbunden sein muss. Wenn beispielsweise die Lufttemperatur am Boden nicht hoch ist, muss die Kabinenkühlkapazität nicht erhöht werden, so dass der Einlassdruck des Kompressors 3 nicht sehr hoch sein muss. Das Maß an Zuführung von stickstoffreichem Gas zum kraftstoffperipheren Bereich 15 kann auch niedrig sein, so dass der Druck, der auf die selektiv permeablen Membrane des Lufttrennteils wirkt, nicht hoch sein muss. In diesen Fällen können die beiden Kompressionsteile 17a, 17b parallel geschaltet sein, während sich das fünfte Umschaltventil 90 in der ersten Stellung befindet.
Die 11 bis 13 zeigen eine Flugzeugklimaanlage gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bauteile wie beim vierten Ausführungsbeispiel sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und die Unterschiede werden beschrieben. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel ist ein normalerweise offener Luftströmungsweg 75' zum Zuleiten von Luft vom Kompressor 3 zur Expansionsturbine 5 vorgesehen. Ein Teil der Luft, die durch diesen Luftströmungsweg 75' strömt, wird den Lufttrennteilen 16' zugeführt, die eine Vielzahl von Lufttrenneinheiten U' bilden, die zueinander parallel geschaltet sind. Jede dieser Trenneinheiten U' ist mit dem ersten bis dritten Steuerventil 41a, 41b und 41c verbunden. Das Maß an Öffnung jedes der Steuerventile 41a, 41b, 41c wird über Signale von der Steuerung eingestellt. Stickstoffreiches Gas und sauerstoffkonzentrierte Luft werden von den Lufttrenneinheiten U' abgegeben. Nachdem das stickstoffreiche Gas dem kraftstoffperipheren Bereich 15 über das erste Steuerventil 41a zugeführt wurde, wird es zum Außenraum 14 des Flugzeugrumpfes über einen Abgabeweg abgegeben. Die sauerstoffkonzentrierte Luft kann an den Außenraum 14 des Flugzeugrumpfes über das zweite Steuerventil 41b abgegeben werden und über das dritte Steuerventil 41c in die Kabine 8 eingeführt werden. Der Durchsatz der Luft, die durch die Lufttrenneinheiten U' geht, kann durch Einstellen des Maßes an Öffnung jedes der Steuerventile 41a, 41b, 41c eingestellt werden. Die Luft, die in den Luftströmungsweg 75' geleitet wird, wird praktisch adiabatisch durch die Expansionsturbine 5 expandiert.
Wie es in 12 dargestellt ist, hat die Vielzahl von Lufttrenneinheiten U' (im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels vier Einheiten) Lufteinlässe U1', die miteinander verbunden sind und auch mit dem Luftströmungsweg 75' verbunden sind, Auslässe U3' für stickstoffreiches Gas, die miteinander und mit dem kraftstoffperipheren Bereich 15 über das erste Steuerventil 41a verbunden sind, und Auslässe U2' für sauerstoffkonzentrierte Luft, die miteinander verbunden sind. Die Auslässe U2' für sauerstoffkonzentrierte Luft sind mit dem Außenraum 14 des Flugzeugrumpfes über das zweite Steuerventil 41b und mit der Kabine 8 über das dritte Steuerventil 41c verbunden.
Wie es in 13 dargestellt ist, ist die Permeabilität für Sauerstoff (O₂) in der Luft der selektiv permeablen Membran 16a', die den Lufttrennteil 16' bildet, höher als die Permeabilität für Stickstoff (N₂). In dieser Weise wird Luft, die durch den Wasserabscheider 7 gegangen ist, in stickstoffreiches Gas und sauerstoffkonzentrierte Luft durch den Lufttrennteil 16' aufgeteilt. Die selektiv permeable Membran 16a' besteht aus einer großen Anzahl von hohlen Fasern. Diese hohlen Fasern sind in einem Behälter 16c' enthalten und dadurch gebündelt, dass ihre beiden Enden in ein Harzbindemittel 16b' wie beispielsweise ein Epoxyharz eingebettet sind. Der Raum zwischen dem Innenumfang des Behälters 16c' und dem Außenumfang der beiden Enden der hohlen Fasern ist unter Verwendung des Bindemittels 16b' dicht abgeschlossen. Eine Endöffnung des Behälters 16c' ist mit einer Endöffnung jeder hohlen Faser und dem Lufteinlass U1' verbunden, so dass sie als Lufteinführungsöffnung 16d' dient, die mit dem Wasserabscheider 7 verbunden ist. Die andere Endöffnung des Behälters 16c' ist mit der anderen Endöffnung jeder hohlen Faser und dem Auslass U3' für stickstoffreiches Gas verbunden, so dass sie als Auslass 16f' für stickstoffreiches Gas dient. Das stickstoffreiche Gas, das vom Auslass 16f' für stickstoffreiches Gas ausgegeben wird, wird in den kraftstoffperipheren Bereiche 15 eingeführt. Die Öffnung, die zwischen den beiden Enden des Behälters 16c' gebildet ist, ist mit dem Außenumfang der hohlen Fasern und mit dem Auslass U2' für sauerstoffkonzentrierte Luft verbunden, so dass sie als Auslass 16e' für sauerstoffkonzentrierte Luft dient. Die sauerstoffkonzentrierte Luft, die vom Auslass 16e für sauerstoffkonzentrierte Luft abgegeben wird, kann in die Kabine 8 eingeführt werden, ohne durch die Expansionsturbine 5 zu gehen. Das heißt, dass sauerstoffkonzentrierte Luft, deren Druck durch den Durchgang durch die selektiv permeablen Membranen 16a' herabgesetzt ist, in die Kabine 8 eingeführt werden kann, ohne über die Expansionsturbine 5 zu gehen. In dieser Weise wird der Druckunterschied zwischen dem Auslass des Kompressors 3 und dem Einlass der Expansionsturbine 5 herabgesetzt, so dass ein Abfall in der Leistungsfähigkeit der Luftumlaufkühleinrichtung vermieden werden kann. Es ist ein Ventil 16g' vorgesehen, das die Lufteinführungsöffnung 16d' im Lufttrennteil 16' öffnet und schließt. Im Übrigen ist der Aufbau der gleiche wie beim vierten Ausführungsbeispiel und sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Beispielsweise kann die Anzahl der Adsorptionsabschnitte bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen drei oder mehr betragen und kann die Anzahl der Umschaltventile der Zunahme in der Anzahl der Adsorptionsabschnitte entsprechend höher sein. Wenn beispielsweise die Anzahl der Adsorptionsabschnitte drei oder mehr ist, kann irgendeiner oder können mehrere der Adsorptionsabschnitte mit dem Luftausstromströmungsweg verbunden sein, während die restlichen Adsorptionsab schnitte mit dem Bypassluftströmungsweg verbunden sind, wobei die Adsorptionsabschnitte, die mit dem Luftausstromströmungsweg verbunden sind, und die Adsorptionsabschnitte, die mit dem Bypassluftströmungsweg verbunden sind, in einer vorgegebenen Abfolge in gegebenen Zeitintervallen umgeschaltet werden. Die Adsorptionsmittel 23b, 24b, die die Adsorptionsabschnitte 23, 24 bilden, sind nicht auf Silicagel oder Zeolith beschränkt, es können auch andere Adsorptionsmittel verwandt werden, die andere Stoffe adsorbieren können, die in der Luft enthalten sind. Die Expansionsturbinen bei den obigen Ausführungsbeispielen können mehrstufig sein.
Die Steuerung 25 kann so ausgestaltet sein, dass sie Umschaltsignale auf der Grundlage von Signalen von Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, Sauerstoffsensoren usw. ausgibt, die in den Rohrleitungen usw. vorgesehen sind, die mit dem Inneren der Adsorptionsabschnitte 23, 24 und/oder ihren Einlässen/Auslässen verbunden sind. Wie es in den 4 bis 6 dargestellt ist, wird bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Zustand der Klimaanlage dadurch geändert, dass das Maß an Öffnung der Ventile 12, 39, 41 eingestellt wird oder die Umschaltventile 21, 22, 27, 36 umgeschaltet werden und zwar auf Signale von der Steuerung ansprechend, die auf die Betriebsverhältnisse des Flugzeugs anspricht, stattdessen ist es jedoch auch möglich, einen Temperatursensor und/oder einen Durchsatzsensors in den Luft- oder Kältemittelströmungswegen in der Klimaanlage vorzusehen, um das Maß an Öffnung der Ventile 12, 39, 41 einzustellen oder die Umschaltventile 21, 22, 27, 36 umzuschalten und zwar ansprechend auf Signale von diesen Sensoren.
Die extrahierte Luft von der Maschine 1 kann dem Adsorptionsmittel 23b, 24b vor dem Eintritt in den Vorkühler 2 zugeführt werden, wodurch das Adsorptionsmittel 23b, 24b mit der Zuführung nur einer geringen Menge an Luft regeneriert werden kann, da die Temperatur der Luft hoch ist. Bei den obigen Ausführungsbeispielen wurde die Rezirkulationsluft durch die Dampfzykluswärmetauschereinheit 30 vor der Vermischung mit der extrahierten Luft abgekühlt, es ist jedoch auch möglich, das Gemisch aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft abzukühlen.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die extrahierte Luft mit der Rezirkulationsluft vor der Kompression durch den Kompressor 3 gemischt, es ist jedoch auch möglich, die extrahierte Luft, die durch den Kompressor 3 komprimiert ist, mit der Rezirkulationsluft zu mischen, die durch den Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen komprimiert ist, und dann das Gemisch aus extrahierter Luft und Rezirkulationsluft durch den Hauptkühler 4 abzukühlen.
In der Dampfzykluswärmetauschereinheit 30 ist es weiterhin möglich, auf einen Kabinenheizbetrieb in Abhängigkeit von den Verhältnissen umzuschalten, bei dem die Rezirkulationsluft durch Wärme erwärmt wird, die von der Rumpfaußenseite kommt.
Es kann eine Vielzahl von Einheiten vorgesehen sein, von denen jede den Kompressor 17 zum Komprimieren vor dem Mischen und das fünfte Umschaltventil 90 aufweist, so dass ein Teil der fünften Umschaltventile 90 in die erste Stellung gebracht werden kann und der Rest der Umschaltventile 90 in die zweite Stellung gebracht werden kann.

Claims

Flugzeugklimaanlage, bei der von einer Maschine (1) oder einer Hochdruckluftversorgungseinheit (1') extrahierte Luft durch eine Kühleinrichtung gekühlt und in die Kabine (8) des Flugzeuges geleitet wird, mit: einem Lufttrennteil (16, 16'), der eine selektiv permeable Membran (16a, 16a') aufweist, die an einer Stelle angeordnet ist, durch die im Luftströmungsweg der Klimaanlage strömende Luft geht, so dass er die Luft in stickstoffreiches Gas und sauerstoffkonzentrierte Luft trennt, wobei das stickstoffreiche Gas in einen kraftstoffperipheren Bereich (15) des Flugzeuges geleitet werden kann und die sauerstoffkonzentrierte Luft in die Kabine (8) geleitet wird, und – einem Rezirkulationsluftströmungsweg, über den die aus der Kabine (8) strömende Luft zur Kabine (8) zurückgeführt wird, wobei der Rezirkulationsluftströmungsweg und der Luftströmungsweg für die von der Maschine (1) oder der Hochdruckluftversorgungseinheit (1') extrahierten Luft miteinander derart verbunden sind, dass Rezirkulationsluft, die zur Kabine (8) zurückgeführt wird, nachdem sie aus der Kabine (8) ausgeströmt ist, mit der extrahierten Luft gemischt wird und – das Gemisch aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft in den Lufttrennteil (16, 16') geleitet wird, und – die Kühleinrichtung einen Kompressor (3) und eine Expansionsturbine (5) umfasst und das Gemisch aus Rezirkulationsluft und extrahierter Luft in den Lufttrennteil (16, 16') geleitet wird, nachdem es durch den Kompressor (3) der Kühleinrichtung komprimiert ist.
Flugzeugklimaanlage nach Anspruch 1 mit einem weiteren Kompressor (17, 17') durch den die Rezirkulationsluft vor der Mischung mit der extrahierten Luft komprimiert wird.
Flugzeugklimaanlage nach Anspruch 2, bei der die sauerstoffkonzentrierte Luft durch die Expansionsturbine (5) expandiert wird und die Ausgangsleistung der Expansionsturbine (5) als Antriebsleistung für den Kompressor (3) der Kühleinrichtung und/oder den weiteren Kompressor (17, 17') zum Komprimieren vor der Mischung verwandt wird.
Flugzeugklimaanlage nach Anspruch 2 oder 3, bei der der Kompressor (3) der Kühleinrichtung und/oder der weitere Kompressor (17, 17') zum Komprimieren vor der Mischung mit wenigstens einem Teil der für den Antrieb notwendigen Energie von einem Motor (6a, 18) versorgt wird.
Flugzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, welche weiterhin eine Dampfzykluswärmetauschereinheit (30) umfasst, die die Rezirkulationsluft abkühlen kann, die durch den weiteren Kompressor (17, 17') komprimiert ist.
Flugzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5 mit: einem Hilfsluftströmungsweg (91), der vom Luftströmungsweg für die extrahierte Luft abzweigt, und einem Umschaltventil (90), das mit dem Hilfsluftströmungsweg (91) und dem Rezirkulationsluftströmungsweg stromaufwärts vom Kompressor (17, 17') zum Komprimieren vor der Mischung verbunden ist, wobei das Umschaltventil (90) so ausgebildet ist, dass es zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung umschalten kann, und – dann, wenn sich das Umschaltventil (90) in der ersten Stellung befindet, die Rezirkulationsluft dem weiteren Kompressor (17, 17') zum Komprimieren vor der Mischung zugeführt wird und der Strom der extrahierten Luft vom Hilfsluftströmungsweg (91) zum weiteren Kompressor (17, 17') zum Komprimieren vor der Mischung unterbrochen werden kann und – dann, wenn sich das Umschaltventil (90) in der zweiten Stellung befindet, die extrahierte Luft vom Hilfsluftströmungsweg (91) zum weiteren Kompressor (17, 17') zum Komprimieren vor der Mischung geleitet wird und der Strom der Rezirkulationsluft unterbrochen werden kann.
Flugzeugklimaanlage nach Anspruch 6, bei der der weitere Kompressor (17') zum Komprimieren vor der Mischung eine Vielzahl von Kompressionsteilen (17a, 17b) aufweist und ein Mechanismus (92, 93) vorgesehen ist, der zwischen einem Zustand, in dem wenigstens zwei oder mehr der Kompressionsteile (17a, 17b) in Reihe geschaltet sind, und einem Zustand umschalten kann, in dem diese parallel geschaltet sind.
Flugzeugklimaanlage nach Anspruch 7, bei der die Vielzahl von Kompressionsteilen (17a, 17b) in Reihe geschaltet ist, wenn sich das Umschaltventil (90) in der ersten Stellung befindet, und parallel geschaltet ist, wenn sich das Umschaltventil (90) in der zweiten Stellung befindet.
Flugzeugklimaanlage nach Anspruch 1, bei der in der Kühleinrichtung ein normalerweise offener Luftströmungsweg (75') zum Leiten von Luft von Kompressor (3) zur Expansionsturbine (5) vorgesehen ist, etwas von der Luft, die durch den normalerweise offenen Luftströmungsweg (75') strömt, zum Lufttrennteil (16') geleitet wird, die Durchlässigkeit für Sauerstoff der selektiv permeablen Membran (16a') höher als ihre Permeabilität für Stickstoff ist und die Ausbildung derart ist, dass die sauerstoffkonzentrierte Luft, die durch die selektiv permeable Membran geht, in die Kabine (8) eingeführt wird, ohne durch die Expansionsturbine (5) zu gehen.