JP4669481B2 - 発熱装置を冷却するとともに、閉鎖領域の温度を航空機内の機室温度よりも低く維持する冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、発熱装置を冷却するとともに、閉鎖領域の温度を航空機内の機室温度よりも低く維持する冷却システムに関するものである。

航空機の内部には、発熱する多数の異なる技術的な装置が設けられており、機能の安全性を保証するためにこれらの装置を冷却する必要がある。更に、航空機内には、機室温度よりも低い温度に維持する必要のある種々の閉鎖領域、いわゆる区画室が存在する。従って、航空機内には種々の冷却システムが設けられている。

航空機の搭載厨房内の冷却室を航空機の外皮の付近に配置し、この冷却室と航空機の外皮との間に冷気室を設けることは、例えば、ドイツ国特許DE 3812739C1から既知である。冷気室では、空気が航空機の外皮との熱交換により冷却剤として冷却され、冷気室が冷却された後に、例えば、冷却する必要のある飲み物又は食料を入れる業務用ワゴンを冷却するのに送給される。しかし、この従来技術には、冷気室を各冷却室に別々に配置する必要があるという欠点がある。このことにより、航空機内の空間配置の融通性を比較的少なくする。更に、航空機の飛行高度が極めて高く航空機の周囲が極めて冷却している場合のみしか、信頼性のある冷却機能が得られない。航空機が着陸後に地上にある場合、冷却機能は追加の冷気貯蔵所によってのみ保証しうるにすぎず、この冷気貯蔵所の冷却能力は制限されている。

航空機内で食料を冷却するための冷却システムは、ドイツ国特許DE 4340317C2から既知である。この冷却システムでは、航空機内に中央冷却装置が設けられており、この中央冷却装置により、パイプシステムを経て、冷却剤を個々の熱交換機ユニットに伝達させている。これらの熱交換機ユニットは、搭載厨房の貯蔵所の領域で冷却すべき輸送コンテナに、追加のパイプを介して結合されている。これらの輸送コンテナには冷却すべき食料がその都度入れられる。この冷却システムでは、種々のパイプシステムを配管する必要があり、従って、この冷却システムは構成するのに比較的費用が嵩む。

同様な冷却システムはUS2003/0042361A1から既知である。

本発明の１つの目的は、設置の点で融通性が大きく、現状の冷却要求に良好に適合し、構成が簡単な頭書に記載した種類の冷却システムを提供することにある。

この目的は、航空機内の発熱装置を冷却する冷却システムであって、冷却装置と、少なくとも１つの冷気消費体と、前記冷却装置を前記冷気消費体に連結する１つの冷気輸送システムとをもって構成され、前記冷却装置は、前記少なくとも１つの冷気消費体の最大冷却要求を満足する少なくとも１つの冷却機を有し、前記少なくとも１つの冷気消費体には、前記冷却装置内で発生された冷気が、前記冷気輸送システム内で循環する冷却剤により送給されるようになっている冷却システムにより達成される。

本発明によれば、冷却システムの冷却能力を、冷却装置の特定の動作により現状の要求に応じて設定しうる。従って、冷却システムの効率を高めることができる。その理由は、特に、冷却能力が低くて足りる場合に、冷却システムを低能力で動作させることもでき、一方、冷却能力を高くする必要がある場合には、冷却システムをこれに応じて高くした能力で動作させることができる為である。これにより、最終的に、冷却装置を動作させる電気エネルギーの消費量を最適にできるとともに、航空機の燃料消費量を低減させることができ、しかも冷却装置の寿命を増大させることができる。

本発明の例では、前記冷却装置が、互いに独立して動作する少なくとも２つの冷却機を有し、これら冷却機が互いに並列に前記冷気輸送システムに結合されているようにする。このようにすることにより、一方では、冷却装置の最大冷却能力が増大し、他方では、冷却システムの信頼度が高まる。その理由は、たとえ１つの冷却機が故障したとしても、少なくとも１つの他の冷却機により冷却システムが依然として最大の冷却能力を提供することができる為である。本発明の変形例によれば、高高度での飛行動作中よりも航空機の周囲の外部温度がかなり高い地上での動作中に、航空機の冷却要求が満足されるように、冷却装置の冷却機の個数を選択するようにするのが好ましい。

本発明の変形例では、少なくとも１つの冷却機が低温蒸気処理により冷却力を発生するようにする。低温蒸気処理によれば、比較的低い技術的な費用をもって適度に低い温度で冷気を発生させることができる。

前記少なくとも１つの冷気消費体と冷却装置との間で冷気輸送システムを介して冷却剤が信頼的に輸送されるのを保証するために、本発明の他の例では、冷気輸送システムが、冷却剤を循環させる少なくとも１つの冷却剤ポンプを有するようにする。

本発明によれば、冷気輸送システムが、冷却剤を中間で蓄積するための少なくとも１つの貯蔵所を有するようにしうる。この貯蔵所によれば、冷気輸送システムにおける、熱的に生じる冷却剤の体積変化や漏洩をある程度補償することができる。

本発明の他の例によれば、前記少なくとも１つの冷気消費体が補助的な冷気輸送システムを有し、この補助的な冷気輸送システム内で、前記冷却剤から、空気とするのが好ましい補助的な冷却剤により冷気を輸送するようにする。本発明の目的を達成するこの原理は例えば、航空機の搭載厨房に適用しうる。この場合、冷気を冷却剤から、補助的な冷却剤として用いる空気に伝達するのに厨房のエアークーラーが用いられ、例えば、この冷却された空気により食料及び飲み物を冷却する。

本発明の有利な他の例では、現状の冷却要求を表す少なくとも１つのパラメータに応じて冷却能力を制御する中央制御ユニットを設ける。この場合、本発明によれば、現状の冷却要求を表すパラメータにより、冷気輸送システム内の少なくとも１つの個所における冷却剤の温度、好ましくは冷却剤ポンプからの冷却剤の流出温度と、少なくとも１つの冷気消費体の冷却要求に関する情報と、冷気輸送システムにおける冷却剤の圧力との何れか又は任意の組み合わせを再生させるようにすることができる。

本発明の説明と関連して述べる用語“制御”には、一方では、冷却システムの個々の構成素子を、予め設定した特性曲線に応じて帰還なしに制御する場合を含め、他方では、構成素子を帰還として、すなわち、自動制御の意味で動作させる場合を含めるものである。

前述したように、本発明によれば、現状の要求に応じて冷却能力を設定することができる。従って、例えば、本発明の更なる例では、航空機内の現状の冷却要求に適合するように、冷却装置の個々の冷却機をスイッチオン及びスイッチオフすることにより、冷却能力が制御されうるようにする。換言すれば、小さな冷却能力を必要とする場合には、例えば、１つのみの冷却機を動作させ、冷却能力を一時的に増大させる必要がある場合には、更に少なくとも１つの冷却機を追加動作させる。冷却システムに用いられている全ての冷却機をほぼ等しく負荷状態にするために、本発明の他の実施例においては、冷却機が時間平均でほぼ同じ動作長を有するように、中央制御ユニットがこれら冷却機を動作させるようにする。

中央制御ユニットにより冷却機を動作させる代わりに、分散手順モードも可能である。例えば、航空機内に存在する全ての冷却機の状態を、データバスを介して取り出しうるようにする。予め決定した優先順位に応じて、冷却機を自動的に動作させることができる。この種類の優先順位は、例えば、時間に依存するものとすることができる。本発明のこの変形例では、例えば、個々の冷却機の動作順序を変えるようにすることもできる。例えば、先の動作サイクルでは、他の冷却機に比べて遅れて動作された冷却機を続く冷却サイクルにおいては早期に、例えば、最初にスイッチオンさせることができる。この手段によれば、負荷をも時間的な平均で個々の冷却機に対し等しく分布させる。

本発明の一変形例では、冷却剤が、スイッチオンした冷却機とスイッチオフした冷却機との双方を流れるようにすることができる。このようにすることにより、冷却剤の混合温度を送り管内で上昇させることができる。しかし、遮断弁を各冷却機に等しく配置することができる。このようにすることにより、冷却剤がスイッチオフされた冷却機を流れたり、冷却剤の混合温度が送り管内で上昇したりするのを防止することができる。

要求に応じて冷却機をスイッチオンさせる上述した場合に代えて、本発明の他の例では、前記少なくとも１つの冷却機が、前記中央制御ユニットにより、好ましくは連続的に制御されうるようにする。この場合、例えば、中央制御ユニットが、冷却機から流出される冷却剤の流出温度を検出し、この検出された流出温度に応じて冷却機を動作させるようにすることができる。本発明の他の例では、前記少なくとも１つの冷却機の冷却能力を、例えば、冷凍機に用いられているコンプレッサの速度を変えることにより、変えうるようにすることができる。

上述した冷却能力を制御する可能性に加え、又はこれに代え、本発明によれば、冷却システムの冷却能力を制御するために、中央制御ユニットが、冷気輸送システムで輸送される冷却剤の量を変えうるようにすることもできる。従って、必要とする冷却能力に応じて、冷却剤が多かれ少なかれ冷却装置から冷気輸送システムを経て前記少なくとも１つの冷気消費体に伝達される。このことは、例えば、冷却能力を制御するために、中央制御ユニットが、少なくとも１つの冷却剤ポンプの速度を変えうるようにすることにより達成することができる。

図１においては、本発明による冷却システムを符号１０で示してある。この冷却システムは、冷却装置１２と、冷気輸送システム１４と、冷気を消費する領域１６とを有する。

冷却装置１２は２つの冷却機１８及び２０を有し、これらの冷却機では、熱力学において一般に既知の低温蒸気処理により冷却剤が冷却され、２つの並置パイプ２２及び２４を経て冷気輸送システム１４内に導かれる。冷気輸送システム１４内では、２つの並置パイプ２２及び２４が点２６で交わっている。冷却剤は、単独で作動させることのできる遮断弁２９が設けられている随意の伝達用パイプを経てポンプユニット３０に伝達される。このポンプユニット３０は、互いに並列にスイッチングされる２つのポンプ３２及び３４を有し、これらのポンプには互いに別々に動作させうる遮断弁３６及び３８が配置されている。このポンプユニット３０におけるポンプ３２及び３４の並列回路の上流には冷却剤中間貯蔵所４０が連結されている。この中間貯蔵所は、熱膨張による影響及び漏洩による影響がある場合に冷却剤の量を補償する作用をする。

ポンプユニット３０の循環効果により、冷却された冷却剤は送給パイプ４２を経て種々の冷気消費体４４、４６及び４８に伝達される。これらの冷気消費体４４、４６及び４８は例えば、航空機搭載厨房において冷却する必要がある機能ユニットであり、これらの機能ユニットは例えば、食料及び飲料を入れる冷却室、又は動作中に冷却する必要があるコンピュータユニット、又は航空機のビデオシステム等である。

冷却された冷却剤は、送給パイプ４２からそれぞれ単一のパイプを介して冷気消費体４４、４６及び４８に送給される。冷気消費体４４、４６及び４８の各々では、冷却剤が加熱される、すなわち、冷却剤が冷気消費体から熱を吸収する。換言すると、冷却剤がその“冷気”を冷気消費体４４、４６及び４８に与える。従って、加熱された冷却剤は、その後、ポンプユニット３０により帰還パイプ５０を介して冷気輸送システム１４を通して冷却装置１２の冷却機１８及び２０に戻るように導かれる。加熱された冷却剤は、これらの冷却機において、再び冷却され、パイプ２２及び２４を介して再度冷却輸送システム１４に戻すように導かれるようにすることができる。

冷却システムは、航空機の大きさや航空機内の冷却要求に応じて、上述したのとは異なるように配置したり、作動させたりすることができる。従って、例えば、比較的大きな冷却要求を望む場合に、より多くの冷却機を設け、これらの冷却機を要求に応じて、すなわち、高冷却要求の動作状態でスイッチオンさせうるとともに、低冷却要求の動作状態でアイドル状態又は完全にスイッチオフ状態にスイッチングさせうるようにしうる。更に、例えば、冷却機に用いられているコンプレッサの速度を変えることにより、冷却機１８及び２０のうちの一方の冷却能力を連続的に制御することもできる。更に、又はこのことに代えて、高冷却要求の場合に、遮断弁２９を遮断固定位置に切り替えて、冷却された冷却剤の全てが送給パイプ４２を経て、冷気消費体４４、４６及び４８に送給されるようにしうる。一方、低冷却要求の動作状態では、遮断弁２９を開放させ、冷却された冷却剤の一部を早期に、ポンプユニット３０を経て冷却機１８及び２０に戻るように伝達させる。

冷却システム１０の冷却能力に影響を及ぼしうる他の可能性は、循環ポンプ３２及び３４を要求に応じて動作させることにある。従って、本発明の一変形例によれば、ポンプ３２及び３４の速度を連続的に変えうるようにし、従って、ポンプ３２及び３４の冷却剤伝達能力をもある制限範囲内で変えうるようにする。

本発明による冷却システム１０によれば、ポンプ３２及び３４に割り当てた遮断弁３６及び３８を、現状の冷却能力要求に応じて開いたり閉じたりすることができる。このことは、遮断弁３６及び３８の弁位置を、完全な開放位置と完全な閉成位置との間で連続的に変えうるということを意味する。これと同じことを遮断弁２９にも行う。これによっても、冷気輸送システムにより輸送される量を明確に設定する。

ポンプ３２及び３４と遮断弁２９、３６及び３８とは、例えば、冷気輸送システム１４内の種々の個所で、例えばパイプ４２内のセンサ５２により測定した圧力測定値に応じて動作させることができる。

更に、冷気消費体４４、４６及び４８の各々には温度センサを設け、冷却機１８及び２０や、ポンプ３２及び３４や、個々の遮断弁２９、３６及び３８のような、システムの種々に動作しうる構成素子を冷気消費体４４、４６及び４８内で測定された温度に応じて制御しうるようにできる。当業者にとっては言うまでもないが、温度、圧力、流速等のような冷却剤のパラメータは冷却システム１０の多数の他の点でも測定することができ、冷却システム１０の上述した種々に動作しうる構成素子を、これらの測定値を用いて制御しうるものである。

本発明は、特に、確実で信頼性のある動作を目的とした適切な強さに冷却した冷却剤をもって複数の異なる冷気消費体４４、４６及び４８を冷却しうる冷却システム１０であって、この冷却システム１０の冷却能力を現状の冷却要求に適合しうるようにした冷却システム１０を開示するものである。本発明によれば、部分負荷運転の場合の、すなわち、現状の冷却要求が比較的低い場合の効率を高めることができる。このようにすることにより、最終的に、航空機内の電気エネルギーの消費量を低くし、このことは必然的に航空機の燃料の消費の低減を伴う。更に、本発明の冷却システム１０によれば、採用する冷却機１８及び２０は連続的な動作状態にするばかりではなく、要求に応じて随意にスイッチオフさせることができる。これにより、冷却機の寿命をかなり長くすることができる。

図１は、本発明による冷却システムの一実施例を示す線図である。

Claims (16)

1. 航空機内の発熱装置（４４、４６、４８）を冷却するとともに、閉鎖領域の温度を航空機内の機室温度よりも低く維持する冷却システム（１０）において、この冷却システム（１０）は、
   冷却装置（１２）と、
   発熱装置として、又は機室温度よりも低い温度に維持すべき領域として構成した少なくとも１つの冷気消費体（４４、４６、４８）と、
   前記冷却装置（１２）及び前記冷気消費体（４４、４６、４８）を互いに連結する冷気輸送システム（１４）と
   を具え、前記冷却装置（１２）は少なくとも２つの冷却機（１８、２０）を有し、前記冷却機（１８、２０）の一方は前記少なくとも１つの冷気消費体（４４、４６、４８）の最大冷却要求を満足し、前記少なくとも２つの冷却機（１８、２０）は互いに独立して動作し、且つ互いに並列に前記冷気輸送システム（１４）に結合され、前記少なくとも１つの冷気消費体（４４、４６、４８）には、前記冷却装置（１２）内で発生された冷気が、前記冷気輸送システム（１４）内で循環する冷却剤により送給され、現状の冷却要求を表す少なくとも１つのパラメータに応じて冷却能力を制御する中央制御ユニットが設けられている冷却システム（１０）であって、
   前記中央制御ユニットが、現状の冷却要求に適合するように、そして前記冷却機（１８、２０）が時間平均でほぼ同じ動作長を有するように冷却装置（１２）の個々の冷却機（１８、２０）をスイッチオン及びスイッチオフすることにより、冷却能力が制御されることを特徴とする冷却システム。
2. 請求項１に記載の冷却システム（１０）において、前記冷却装置（１２）の冷却機（１８、２０）の個数は、冷却要求が地上での動作中に満足されるように選択されていることを特徴とする冷却システム。
3. 請求項１〜２のいずれか一項に記載の冷却システム（１０）において、少なくとも１つの冷却機（１８、２０）が、航空機の加圧機体内の空気を、放熱用のヒートシンクとして用いるようになっていることを特徴とする冷却システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却システム（１０）において、前記少なくとも１つの冷却機（１８、２０）が、ベーパサイクル冷却処理により冷気を発生するようになっていることを特徴とする冷却システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却システム（１０）において、前記冷気輸送システム（１４）が、冷却剤を循環させるための少なくとも１つの冷却剤ポンプ（３２、３４）を有していることを特徴とする冷却システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却システム（１０）において、前記冷気輸送システム（１４）が、冷却剤の熱膨張及び漏洩による損失を補償するための少なくとも１つの貯蔵所（４０）を有していることを特徴とする冷却システム。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却システム（１０）において、前記少なくとも１つの冷気消費体（４４、４６、４８）が、補助的な冷気輸送システムを有し、この補助的な冷気輸送システム内で、前記冷却剤から、空気とするのが好ましい補助的な冷却剤により冷気を輸送するようになっていることを特徴とする冷却システム。
8. 請求項１〜７に記載の冷却システム（１０）において、前記現状の冷却要求を表すパラメータにより、前記冷気輸送システム（１４）内の少なくとも１つの個所における冷却剤の温度と、前記少なくとも１つの冷気消費体（４４、４６、４８）の冷却要求に関する情報と、前記冷気輸送システム（１４）における冷却剤の圧力との何れか又は任意の組み合わせを再生させるようになっていることを特徴とする冷却システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却システム（１０）において、前記冷却機は、特に、全ての冷却機の現状をデータバスを介してモニタリングすることに基づいて自動的で時間に依存して動作させることにより、分散的に制御されるようになっていることを特徴とする冷却システム。
10. 請求項９に記載の冷却システムにおいて、前記冷却機は、優先順位付けに応じて、好ましくは、順序が変化するようにして動作しうるようにしたことを特徴とする冷却システム。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷却システム（１０）において、冷却剤は、スイッチオンした冷却機（１８、２０）とスイッチオフした冷却機との双方に流れるようにしたことを特徴とする冷却システム。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の冷却システム（１０）において、各冷却機に遮断弁が配置されていることを特徴とする冷却システム。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷却システムにおいて、前記中央制御ユニットが、前記冷却機（１８、２０）から流出される冷却剤の流出温度を検出し、この検出された流出温度に応じて冷却機（１８、２０）を動作させるようになっていることを特徴とする冷却システム。
14. 請求項１３に記載の冷却システムにおいて、前記少なくとも１つの冷却機（１８、２０）の冷却能力を、高温ガスバイパス弁により、又は冷凍機（１８、２０）に用いられているコンプレッサの速度を変えることにより、又はこれらの双方により変えうるようになっていることを特徴とする冷却システム。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の冷却システムにおいて、冷却システム（１０）の冷却能力を制御するために、前記中央制御ユニットが、前記冷気輸送システム（１４）で輸送される冷却剤の量を変えうるようになっていることを特徴とする冷却システム。
16. 請求項１５に記載の冷却システムにおいて、冷却能力を制御するために、前記中央制御ユニットが、前記少なくとも１つの冷却剤ポンプ（３２、３４）の速度を変えうるようになっていることを特徴とする冷却システム。

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