专利名称：飞行器空气调节单元以及用于操作飞行器空气调节单元的方法
技术领域：
本发明涉及一种包括压缩机以及驱动压缩机的电动机的飞行器空气调 节单元。此外，本发明涉及一种用于操作这种飞行器空气调节单元的方法。
背景技术：
在飞行器上设置的空气调节单元目前通常利用压缩空气进行操作， 其中压缩空气或者从与主驱动单元相关联的压缩机中作为引气被抽取， 或者由压缩机产生。如果使用电动压缩机来产生用于飞行器空气调节单 元的压缩空气，则所需用来供应压缩机的电能由发电M供，该发电机由
主驱动单元或者由辅助燃气轮机(辅助动力单元，APU)驱动。
目前，尝试使用燃料电池系统代替由主驱动单元或由辅助涡轮机驱 动的发电机来产生飞行器上所需的电能。为了使得由燃料电池系统产生 的取决于负载的直流电压可以应用于经由机上网络供以电能的大量不 同的电力消耗装置，必须借助于电力变压器(例如直流/交流变压器或 者直流/直流变压器)将由燃料电池系统所产生的电能进行转换并且经 由相应的总线系统(交流总线系统或者直流总线系统)将电能供给至各 个电力消耗装置。另外，所必需的电力变压器导致了由燃料电池系统供
应的电能中的扰动和干扰，这样便需要使用网络滤波器从而确保对这种 扰动和干扰敏感的部件的有序运作。然而，由燃料电池系统产生的电能
的每一次转换都会导致能量损失，负面地影响了整个系统的效率。另外， 变压器以及网络滤波器的使用需要额外的安装空间，并且导致了整个系 统的重量增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞行器空气调节单元，能够以高效及可靠 的方式对该飞行器空气调节单元供应电能。
为了实现该目的，根据本发明的空气调节单元包括压缩机以及驱动所 述压缩机的电动机。另外，根据本发明的飞行器空气调节单元包括燃料电 池系统，所述燃料电池系统直接连接到用于对驱动压缩机的电动机进行控
5制的控制单元，其中控制单元设计成将由燃料电池系统直接产生的电能转 换成用于对驱动压缩机的电动机进行控制的相应电控信号。在燃料电池系 统与用于对驱动压缩机的电动机进行控制的控制单元之间的"直接"连接
应理解成如下这种连接即意味着在不与单独的电力变压器和网络滤波器 相互连接的情况下的电连接。类似地，由燃料电池系统"直接"产生的电 能应理解为意味着既没有通过使用单独的电力变压器进行转换、也没有通 过网络滤波器进行过滤的电能。
换句话说，根据本发明的飞行器空气调节单元的控制单元设计成使其 能够直接利用由燃料电池系统产生的取决于负载的直流电压并且可以将 直流电压转换成用于对驱动压缩机的电动机进行控制的相应控制信号。优 选地，由控制单元发出的电控信号适应于驱动压缩机的电动机(交流电动 机或者直流电动机)的构造。因此，控制单元执行双功能，即 一方面如 期望的那样对驱动压缩机的电动机进行控制，并且同时确保对驱动压缩机 的电动机供以电能。
根据本发明的飞行器空气调节单元可以无需使用用于将由燃料电池系 统产生的取决于负载的直流电压进行转换的单独的电力变压器，以及无需 使用用于对燃料电池系统所提供的电能中的扰动和干扰进行过滤的网络 滤波器。因此，根据本发明的飞行器空气调节单元的电力消耗装置可以借 助于燃料电池系统以节能、环保、可靠的方式被供以电能。同时，因根据 本发明的空气调节单元无需单独的电力变压器和网络滤波器，所以根据本 发明的空气调节单元具有相对简单的设计和结构，并且还具有较小的安装 空间需求以及具有较小的重量。另 一优点在于燃料电池系统可以以特别节 能的方式进行^Mt。
未视作根据本发明的空气调节单元一部分的飞行器上的电力消耗装置 可以借助于另外的燃料电池系统被供以电能，但是也可以利用对飞行器空 气调节单元的电力消耗装置供应电能的燃料电池系统。对燃料电池系统所
供应的电能中的扰动和干扰敏感的结构部件通过与单独的电力变压器和 网络滤波器或者经由与具有集成网络滤波器的电力变压器的相互连接而 能够连接到燃料电池系统。但是，在根据本发明的空气调节单元外部的非 敏感消耗装置可以被直接供以由燃料电池系统产生的电能，即，不与电力 变压器和网络滤波器相互连接。可替代地，未视作根据本发明的空气调节 单元一部分的飞行器上的电力消耗装置也可以以传统的方式被供以由通 过飞机的主驱动单元或者辅助燃气轮机来驱动的发电机所产生的电能。优选地，压缩机的入口经由压缩机引入管线连接到飞行器空气调节单 元的空气管道。例如，环境空气流经飞行器空气调节单元的空气管道，从 而使环境空气从飞行器空气调节单元的空气管道经由压缩机引入管线供 给至压缩机入口。但是，也可以将环境空气和机J^废气的混合物供给至压
缩机入口，在这种情况下，例如机^r废气可以经由机^r废气管线引至飞行 器空气调节单元的空气管道中或者引至压缩机引入管线中。
另一方面，优选地，压缩机的出口连接到用于对飞;^抢供给空气的 空气供给管线。于是，在压缩机中压缩并因此被加热的空气通过空气供给 管线供给到飞;WL抢中。
热交换器可以布置在空气供给管线中，热交换器用来冷却由压缩机压 缩并流经空气供给管线的空气。优选地，热交换器布置在环境空气所流经 的飞行器空气调节单元的空气管道内，从而使流经空气供给管线的空气可 以以节能的方式得到冷却。另外，用于将流经空气供给管线的空气中的湿 气除去的冷凝器可以设置在空气供给管线中。最后，可以在空气供给管线 中布置涡轮机，由压缩机压缩并流经空气供给管线的空气在所述涡轮机中 膨胀并因此冷却至期望的低温。优选地，涡轮机与压缩机一起布置在共同 的轴上，从而除了电动机的驱动之外，在涡轮机的操作中所回收的能量也 可以用来驱动压缩机。
括阴极区以及阳极区，阳极区与阴极^通过电)^液间隔;。在i料电池的 操作中，将含氢的可燃气体供给到燃料电池的阳极侧，并将含氧的氧化剂 ——例如空气一一供给到燃料电池的阴极侧。在聚合物电解质膜(PEM) 燃料电池中，氢分子在阳极区中存在的阳极催化剂处发生反应，例如根据
公式H2 — 2.H++ 2'e-并因此在电极处释放电子，同时形成正价氢离子。
在其它类型的燃料电池中，例如氧化物陶瓷燃料电池(SOFC,固体 氧化物燃料电池)，另一方面，阳;feL^应例如为02_ + H2 —H20 + 2'e-。
在PEM燃料电池中，在阳极区域中形成的H+离子然后通过电解液扩 散至阴极，H+离子在阴极区域中存在的并典型地施加至碳载体的阴极催化 剂处发生反应，与供给到阴极的氧以及与经由外电5^给到阴极的电子根 据公式0.5'O2 + + 2'e — H20形成水。
另一方面，在SOFC中阴^A应例如为0.5'O2+ 2'e — O2-，其中O2-离子从阴极扩散至阳极。因此来自燃料电池系统的燃料电池的废气含水。因此优选地，燃料电池系统的废气出口连接至根据本发明的空气调节 单元的空气供给管线，以便利用在燃料电池的废气中含有的水，从而使待 供给至飞机机抢的空气增加湿度。因此，除了由燃料电池系统产生的电能 之外，在燃料电池系统的操作中产生的水也可以用于根据本发明的飞行器 空气调节单元的操作。
在根据本发明的飞行器空气调节单元的优选实施方式中，例如，压缩 机的出口经由空气引入管线连接到燃料电池系统的空气入口，从而将压缩 机压缩的空气供给到燃料电池系统，即，供给到在燃料电池系统中设置的 燃料电池的阴极侧。例如，燃料电池系统的空气引入管线可以从连接至压 缩机出口的空气供给管线分支。因此，根据本发明的飞行器空气调节单元 的压缩机不仅用来产生用于飞行器空气调节单元的压缩空气，而且也用来 为燃料电池系统提供压缩空气。正如借助于来自燃料电池系统的含水废气 来使待供给至飞积浙抢的空气增加湿度，通过利用压缩机来产生用于飞行 器空气调节单元以及用于燃料电池系统的压缩空气，从而实现了协同效 应。
燃料电池系统可以借助于飞行器空气调节单元的压缩机而被供以压缩 的环境空气。然而，附加地或者可替代地，可以将机抢废气供给到燃料电 池系统。为此，飞机机抢的废气管线可以连接到燃料电池系统的空气入口。 机艙废气可以直##给到燃料电池系统。因此，例如飞机机抢的废气管线 可以直接连接至燃料电池系统的空气入口或者空气引入管线。但是，也可 以将机抢废气引至飞行器空气调节单元的空气管道中或者引至压缩机引 入管线中，从而将环境空气以及由压缩机压缩的机枪废气的混合物供给至 燃料电池系统。
优选地，集成在根据本发明的飞行器空气调节单元中的燃料电池系统 的冷却系统包括布置在飞行器空气调节单元的空气管道内的热交换器。例 如，热交换器可以集成在燃料电池系统的冷却回路中，从而使流经冷却回 路的冷却流体在布置于飞行器空气调节单元的空气管道内的热交换器中 冷却至期望的低温。附加地或者可替代地，还可以以不同的方式将由燃料 电池系统产生的废热供给到根据本发明的飞行器空气调节单元中并且还
可以例如利用废热将待供给至飞积4^艙的空气进行加热。
在根据本发明的用于操作飞行器空气调节单元的方法中，所述飞行器 空气调节单元包括压缩机以及驱动所述压缩机的电动机，直接连接到燃料 电池系统的用于对驱动压缩机的电动机进行控制的控制单元将由燃料电池系统直接产生的电能转换成用于对驱动压缩机的电动机进行控制的相 应控制信号。
在燃料电池系统与用于对驱动压缩机的电动机进行控制的控制单元
之间的"直接，，连接同样应理解成如下这种连接即意味着在不与单独的 电力变压器和网络滤波器相互连接的情况下的电连接。类似地，由燃料电 池系统"直接，，产生的电能同样应理解为指的是既没有通过使用单独的电 力变压器进行转换、也没有通过网络滤波器进行过滤的电能。
在根据本发明的用于操作飞行器空气调节单元的方法的优选实施方式 中，流经飞行器空气调节单元的空气管道的环境空气经由压缩机引入管线 供给至压缩机的入口。
优选地，来自压缩机出口的空气经由空气供给管线供给至飞机机艙， 其中流经空气供给管线的空气在进入飞机机艙之前可以借助于布置在空 气供给管线中的热交换器进行冷却。例如，热交换器布置在飞行器空气调 节单元的空气管道内。另外，借助于布置在空气供给管线中的冷凝器，可 以从流经空气供给管线并由压缩机压缩的空气中除去湿气。最后，还可以 引导流经空气供给管线并由压缩机压缩的空气通过涡轮机，从而使空气膨 胀并因此冷却。优选地，除了电动机所提供的驱动能量之外，利用在涡轮 机的操作中所回收的能量来驱动压缩机。
为了使待供给到飞积水抢的空气增加湿度，优选地，将来自燃料电池 系统的含7jc废气从燃料电池系统的废气出口供给到空气供给管线。
在根据本发明的用于操作飞行器空气调节单元的方法的优选实施方式 中，由压缩机压缩的空气供给到燃料电池系统的空气入口，例如所述燃料 电池系统经由从空气供给管线上分支的空气引入管线连接到压缩机出口。
可替代地或者附加地，从飞枳4M^中抽取的机抢废气也可以用来为燃 料电池系统供应空气。于是，机抢废气经由连接至飞;M^抢废气管线的空 气入口供给到燃料电池系统。
优选地，引导燃料电池系统的冷却流体通过布置在飞行器空气调节单 元的空气管道内的热交换器，从而在该处以节能的方式将冷却流体冷却至 期望的低温。可替代地或者附加地，燃料电池系统所产生的废热也可以供 给到飞行器空气调节单元中，并且例如用来对待供给到飞^抢的空气进 行加热。
下面借助于附图更加详细地描述本发明的优选实施方式，附图概略 地示出了根据本发明的飞行器空气调节单元。
具体实施例方式
附图中示出的飞行器空气调节单元10包括空气管道12，环境空气 沿着箭头P的方向流经空气管道12。空气管道12经由压缩机引入管线14 连接到压缩机18的入口 16。因此，流经空气管道12的环境空气可以经由 压缩机引入管线14供给至压缩机18并且由压缩机18压缩。
飞行器空气调节单元10的压缩机18由直流电动机20驱动，该直流电 动机20借助于电控单元22进行控制。燃料电池系统24用来产生电能。电 控单元22通过电线26直接连接到燃料电池系统24—一即，不与单独的电 力变压器相互连接，并且该电控单元22构造成使其可以通过由燃料电池系 统24直接产生的取决于负载的直流电压来供应电能。通过排除导致干扰的 变压器，也不再需要在燃料电池系统24与电控单元22之间使用网络滤波 器。电控单元22将由燃料电池系统24对其供给的电能转换成相应的电控 信号，电控信号经由电线28传给压缩机驱动电动机20。
另夕卜,燃料电池系统24经由电线29直接连接到另一电力消耗装置30， 即不与电力变压器以及网络滤波器相互连接，该电力消耗装置30不视作空 气调节单元io的一部分。如同飞行器空气调节单元10的电控单元22 —样， 电力消耗装置30可以被直接供以由燃料电池系统24产生的取决于负载的 直流电压。
最后，燃料电池系统24将电能经由电线31供给到飞行器的电力网络 32中。为了使得由燃料电池系统24产生的取决于负载的直流电压可以应 用于空气调节单元10之外的图中未示出并经由网络32供以电能的各种电 力消耗装置，由燃料电池系统24产生的电能借助于集成的电力变压器/网 络滤波器33进行转换和过滤。
由电动机20驱动的压缩机18的出口 34连接到空气供给管线35，该 空气供给管线35用来为飞枳4M^36供给空气。位于空气管道12内的第一 热交换器37布置在空气供给管线35中，该第一热交换器通过将热量传递 至流经空气管道12的周围空气，而用于冷却由压缩机18压缩并因此# 热并且流经空气供给管线35的空气。用于从流经空气供给管线35的空气中除去湿气的冷凝器38设置在空气供给管线35中的第一热交换器37的下 游。
涡轮机40布置在空气供给管线35中的冷凝器38的下游。当引导由压 缩机18压缩并流经空气供给管线35的空气通过涡轮机40时，空气膨胀并 因此冷却。涡轮机40连同压缩机18—起布置在共同的轴42上，从而，除 了压缩机驱动电动机20的驱动能量之外，在涡轮机40的操作中所回收的 能量可以用来驱动压缩机18。
将空气供给管线35连接到燃料电池系统24的空气入口44的空气引入 管线46在第一热交换器37的上游从空气供给管线35分支。因此，由压缩 机18压缩的空气不仅供给到飞积4^抢36，而且也用来为燃料电池系统24 供应空气。另外，机抢废气经由飞积求艙36的废气管线47而供给到燃料 电池系统24的空气入口 44。
燃料电池系统24的冷却系统48包括第二热交换器50，冷却流体流经 冷却系统48，第二热交换器50如同第一热交换器37 —样布置在飞行器空 气调节单元io的空气管道12内。因此，流经空气管道12的环境空气可以 用来冷却流经燃料电池系统24的冷却系统48的冷却流体。
燃料电池系统24的废气出口 52经由涡lfe"机40下游的废气管线54连 接到空气供给管线35。由于在燃料电池系统24的操作过程中会产生水， 因此来自燃料电池系统的含7JC废气可以用来使待供给到飞M抢36的空 气增加湿度。
在如图所示的飞行器空气调节单元10中，只有流经空气管道12的环 境空气供给到压缩机入口 16。但是，还可以将从飞;MMfe36抽出的机艙 废气——可以与环境空气混合一一供给到压缩机入口 16。例如，可以将机 艙废气引至空气管道12中或者引至压缩机引入管线14中。
权利要求
1.一种飞行器空气调节单元(10)，包括压缩机(18)，和驱动所述压缩机(18)的电动机(20)，其特征在于直接连接到控制单元(22)的燃料电池系统(24)，所述控制单元(22)用于对驱动所述压缩机(18)的所述电动机(20)进行控制，其中所述控制单元(22)适于将由所述燃料电池系统(24)直接产生的电能转换成用于对驱动所述压缩机(18)的所述电动机(20)进行控制的相应电控信号。
2. 如权利要求l所述的飞行器空气调节单元，其特征在于，所i^ 缩机(18)的入口 (16)经由压缩机引入管线(14)连接到所述飞行器空 气调节单元(10)的空气管道(12),从而将流经所述空气调节单元(10) 的空气管道(12)的环境空气供给到所述压缩机(18)的入口 (16)。
3. 如权利要求1或2所述的飞行器空气调节单元，其特征在于，所 i^缩机(18)的出口 (34)连接到用于将空气供给到飞^i艙(36)中 的空气供给管线(35)。
4. 如权利要求3所述的飞行器空气调节单元，其特征在于，在所述 空气供给管线(35)中布置有第一热交换器(37)和/或冷凝器(38)和/ 或涡轮机(40)。
5. 如权利要求3或4所述的飞行器空气调节单元，其特征在于，所 述燃料电池系统(24)的废气出口 (52)连接到所述空气供给管线(35)。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的飞行器空气调节单元，其特征 在于，所^H缩机(18)的出口 (34)连接到所述燃料电池系统(24)的 空气入口 (44)，从而将由所述压缩机(18)压缩的空气供给到所述燃料电 池系统(24)。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的飞行器空气调节单元，其特征 在于，所述燃料电池系统(24)的空气入口 (44)连接到飞4a4lL抢(36) 的废气管线(47)。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的飞行器空气调节单元，其特征 在于，所述燃料电池系统(24)的冷却系统(48)包括布置在所述飞行器 空气调节单元(10)的空气管道(12)内的第二热交换器。
9. 一种用于^Mt飞行器空气调节单元(10)的方法，所述飞行器空气 调节单元(10)包括压缩机(18)以及驱动所述压缩机(18)的电动机(20)，其特征在于，直接连接到燃料电池系统(24)的用于对驱动所述 压缩机(18)的所述电动机(20)进行控制的控制单元(22)将由所述 燃料电池系统(24)直接产生的电能转换成用于对驱动所述压缩机(18) 的所述电动机(20)进行控制的相应电控信号。
10. 如权利要求9所述的用于操作飞行器空气调节单元的方法，其 特征在于，流经所述飞行器空气调节单元(10)的空气管道(12)的环境 空气经由压缩机引入管线(14)供给到所^缩机(18)的入口 (16)。
11. 如权利要求9或10所述的用于操作飞行器空气调节单元的方法， 其特征在于，来自所述压缩机(18)的出口 (34)的空气经由空气供给管 线(35 )供给到飞^4M^r (36 )。
12. 如权利要求11所述的用于操作飞行器空气调节单元的方法，其 特征在于，借助于布置在所述空气供给管线(35)中的第一热交换器(37) 对流经所述空气供给管线(35)的空气进行冷却，和/或借助于布置在所述 空气供给管线(35)中的冷凝器(38)从流经所述空气供给管线(35)的 空气中除去湿气，和/或借助于布置在所述空气供给管线(35)中的涡轮机(40)使流经所述空气供给管线(35)的空气膨胀并因此冷却。
13. 如权利要求11或12所述的用于操作飞行器空气调节单元的方法， 其特征在于，来自所述燃料电池系统(24 )的废气从所述燃料电池系统(24) 的废气出口 (52)供给到所述空气供给管线(35)。
14. 如权利要求9至13中任一项所述的用于操作飞行器空气调节单 元的方法，其特征在于，由所述压缩机(18)压缩的空气经由连接到所述 压缩机(18)的出口 ( 34 )的空气入口 ( 44 )供给到所述燃料电池系统(24 )。
15. 如权利要求9至14中任一项所述的用于操作飞行器空气调节单 元的方法，其特征在于，机抢废气经由连接至飞枳水抢(36)的废气管线(47)的空气入口 (44)供给到所述燃料电池系统(24)。
16. 如权利要求9至15中任一项所述的用于操作飞行器空气调节单 元的方法，其特征在于，所述燃料电池系统(24)的冷却流体被引导通过 布置在所述飞行器空气调节单元(10)的空气管道(12)内的第二热交换 器(50)。
全文摘要
一种飞行器空气调节单元(10)，包括压缩机(18)以及驱动所述压缩机(18)的电动机(20)。燃料电池系统(24)直接连接到控制单元(22)，控制单元(22)用于对驱动压缩机(18)的电动机(20)进行控制，其中控制单元(22)适于将由燃料电池系统(24)直接产生的电能转换成用于对驱动压缩机(18)的电动机(20)进行控制的相应电控信号。在一种用于操作包括压缩机(18)以及驱动所述压缩机(18)的电动机(20)的飞行器空气调节单元(10)的方法中，直接连接到燃料电池系统(24)的用于对驱动压缩机(18)的电动机(20)进行控制的控制单元(22)将由燃料电池系统(24)直接产生的电能转换成用于对驱动压缩机(18)的电动机(20)进行控制的相应电控信号。
文档编号B64D13/06GK101495372SQ200780028097
公开日2009年7月29日 申请日期2007年7月25日 优先权日2006年7月31日
发明者吉多·克勒韦尔 申请人:空中客车德国有限公司