JP2012500748A - 燃料電池の廃熱による航空機中のゾーン温度制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、空調管理される複数のゾーン（２０）を有する輸送手段のための空調管理システムに関し、このシステムは、個々のトリムエア管（２４）と組み合わされた処理された供給空気により可変に空調管理されてよく、ここで、この空調管理システムはさらに、燃料電池（３６）の排熱により供給空気を加熱し、かつその供給空気を、トリムエア管（２４）を供給するトリムエア分配器（２８）へと放出するための少なくとも１つの熱交換器（３２）を有する。
【選択図】図２

Description

（関連出願の参照）
本出願は２００８年８月２６日に出願の米国仮特許出願第６１／１９０，０８２号、および２００８年８月２６日に出願のドイツ国特許出願第１０ ２００８ ０３９ ７８２．２号の出願日の利益を主張し、それら出願の開示は本明細書において参照することにより援用される。

本発明は、輸送手段のための環境制御システム、輸送手段のキャビン内のゾーンの分化した空調のための方法、輸送手段における環境制御システムの使用、および少なくとも１つのそのような環境制御システムを備える航空機に関する。

個別の温度制御のために、輸送手段のキャビンは、しばしば複数のゾーンに分割され、各々のゾーンは好ましくは、個々に所定のパラメータ、例えば個々のゾーンへの温度などを用いて空気を運ぶそれ自体の空気供給ラインを備える。例えば、現在の民間航空機は、複数のゾーンにおいて、航空機のキャビン中の空気を異なるように調整する環境制御システムを備える。しかしながら、空調は、単一の中枢デバイスによって調整された空気が所定の温度で提供されるようにして行われる。このような方法により民間航空機のキャビン内の全てのゾーンが個々に空調管理されるので、空気は、ゾーンによって要求される最も低い温度を含むことが必要である。なぜならば、異なる領域においては、後に冷却することが不可能だからである。しかしながら、これは、より高い温度を要求する領域が、供給空気のさらなる加熱を利用しなければならない結果を生じる。通常、このさらなる加熱は、エンジンからの熱いブリード空気の形で提供され、このブリード空気は、環境制御システムから空気流へと供給される。これに替わるものとして、分散的な電気加熱デバイスもまた設置され、これは供給空気を暖めるために用いられる。

民間航空機の例において、付随するエネルギー消費と共に、環境制御システムによって既に冷却されかつ空調管理されている空気をその後に再加熱することは不都合である。現在、環境制御システムは広く普及しており、排他的にまたは大部分において、エンジンからのブリード空気により作動されており、その結果、多量の消費と共に冷却された空気を加熱するために、その後にブリード空気を除去する結果、比較的好ましくないエネルギーバランスを生じる。さらに、追加で、または上述のものの替わりに用いられる電気加熱デバイスもまた、多量の電流消費に関連付けられるものであり、このこともまた、さらに燃料を消費する結果となり、上述に記載されたような環境制御システムは最適な解決策を提示してはいない。

本発明の目的は、複数ゾーンの空調管理ができる限り最小の追加燃料消費にて可能である環境制御システムを提案することである。特に、熱いブリード空気のさらなる除去または単独の電気加熱が複数ゾーンの空調管理を提供するために要求される環境制御システムを提案することである。

この目的は、上述の特徴を有する輸送手段のための環境制御システムによって達成され、この環境制御システムは、第１および第２の流入口ならびに第１の排出口を有する少なくとも１つの熱交換器をさらに備え、第１の流入口は供給空気ラインに連結され、第２の流入口は燃料電池の排ガスラインに連結され、ならびに、第１の排出口は、トリムエア分配器に連結され、第１の排出口を介して、第１の流入口からトリムエア分配器へと流れる供給空気を加熱するために、燃料電池の熱交換器を介して流れる排ガスの熱から設計されている。このような環境制御システムは、現在の民間航空機にしばしばみられ、かつこのような現在の民間航空機のコンセプトに組み込まれている燃料電池の排熱が、単に周囲環境へと放出される代わりに、合理的な方法において活用可能であるという事実の結果として有利である。トリムエア・ラインから導かれる高温の空気が、トリムエア・バルブの個々の設定によって、ゾーンを個々に加熱するように整えられており、さらなる電気的な加熱またはさらなるブリード空気の除去が必要とされない。これは、航空機におけるエネルギー供給の効率性を著しく改善する。なぜならば、燃料電池が冷却可能であるのと同時に、個々のキャビンのゾーンへと供給される供給空気を加熱するためにさらなるエネルギーを利用することなく、この燃料電池から生じる熱が利用されるからである。

特に好ましい方法において、燃料電池の第１の流入口上の供給空気ラインは、キャビンからの空気が供給される。この空気は既に「使われて」おり（通常はその一部、例えば４０％）、かつそれが継続的に使われるキャビンへと戻されるゆえに、これは特に有利である。この戻ってくる（再循環される）空気は、次いで、熱交換器によって少なくとも部分的に加熱可能であり、トリムエア・ラインによってキャビンへと供給されることが可能である。この結果として、エネルギーの消費は、現行での燃料消費よりもさらに低減される。

さらに、燃料電池が中程度の温度の燃料電池である場合、特に好ましい。中程度の燃料電池は、低温の燃料電池よりも、設計上および動作上さらに簡素である。すなわち、中程度の温度の燃料電池は、非常に効率的であり、従って特に、限られた設置スペースしか利用できず、非常に限定された輸送重量が実現されなければならない輸送手段における稼働に非常に適している。中程度の温度の燃料電池は、９０℃から約２２０℃の動作温度を有する。中程度の温度の燃料電池は、不純物に対する感受性が低く、それらのより高温での動作温度の結果、低温の燃料電池の場合よりも、より容易に冷却する。同様に、２２０℃以上の動作温度を含む高温の燃料電池を提供することもまたさらに有利である。

他方で、しかしながら、燃料電池が低温の燃料電池で、その動作が、燃料の純度に関しておよび達成される出力に関して、最適ではない場合があり、しかしながら、期待される低温のために輸送手段における動作もまた考慮される場合は有利であり得る。しかしながら、低温の燃料電池を用いると、熱交換器を介したより大きな空気の体積流量が、ゾーン空気ライン中の空気温度を十分に上昇させることを実施するために提供されなければならない。低温の燃料電池の動作温度の範囲は６０℃から９０℃である。

本発明に係る環境制御システムの有利な改善において、ゾーン空気ラインにおいて、センサが、空気の体積流量を決定するために配置される。これにより、個々のゾーンにおいて必要とされる空気の体積流量を決定することが可能であり、この空気の体積流量に対して、トリムエア体積流量は、個々のゾーンにおける特定の目的の温度に達するように適合され得る。

その結果、本発明に係る環境制御システムは、センサおよびトリムエア・バルブに連結された少なくとも１つの制御デバイスをさらに備えることもまた有利である。このように、ゾーン空気ラインにおける空気の体積流量が決定可能であり、同時に、トリムエア流は、トリムエア・バルブにより前述のものに適合可能である。

さらに、本発明に係る環境制御システムは、トリムエア・ラインおよび／またはゾーン空気ライン中において運ばれる空気を加熱するための、少なくとも１つのさらなる加熱デバイスを備えることは有利である。輸送手段に一体化される燃料電池が基地での、または地上にある民間航空機における供給のための緊急供給デバイスとして単に用いられるそれらの場合において、特に、移動段階または飛行段階においては、対応する燃料電池の排熱が完全に不在である場合もある。これらの段階においては、そのような動作段階は、さらなる加熱デバイスにより克服することができ、ここで、全体のバランスにおいて、エネルギーの消費は従来技術よりも著しくさらに有利であり、ここで、空気の温度における一般的に言われる上昇は、さらなる加熱等によって達成される。

この目的は、輸送手段のキャビン内のゾーンを個々に空調管理するための方法によってさらに達成される。さらに、この目的は、輸送手段における上述の特徴を有する環境制御システムの利用、ならびに、上述の特徴を有する少なくとも１つの燃料電池および少なくとも１つの環境制御システムを備える航空機によって達成される。

本発明のさらなる特徴、利点、および用途選択は、以下の例示的な実施形態の記載および図面において開示される。全ての記載されたおよび／または示された特徴それ自体または任意の組合せは、特許請求の範囲の個々の請求項またはそれらの相互関係におけるそれらの構成にかかわりなく、本発明の主題を形成する。さらに、図面中の同一または類似の対象は同様の参照符号を有する。

図１は従来技術に係る環境制御システムの図である。 図２は本発明に係る環境制御システムの図である。 図３は本発明に係る方法の図である。

図１は従来技術に係る航空機２を示し、航空機２は、異なる方法において空調管理可能である異なる８つのゾーン４を含む。混合チャンバまたは混合ユニット８により空気が供給されるゾーン空気ライン６により個々のゾーン４へと空気が導かれる。混合ユニット８において、対応して空調管理された新鮮な空気は、個々のゾーン４からの利用されたキャビンの空気と混合され、かつゾーン４のさらなる空調管理のために用いられる。個々のゾーン４が個々に空調管理されることが可能となるために、異なるゾーン４によって要求された最も低い温度を有するように、混合ユニット８により提供される空気を設定することが必要である。これは、例えば１８℃であり得る。この空気の温度を上昇させるために、比較的暖かいブリード空気１０が用いられ、これは、１つまたは複数のトリムエア分配器１２により、各々の場合、トリムエア・バルブ１６により、複数のトリムエア・ライン１４に分配される。トリムエア・ライン１４は、ゾーン空気ライン６に連結され、個々のゾーン４に到着する空気の温度が所望の程度にまで上昇するように、関連するゾーン空気ライン６の各々の体積流量中の温かいブリード空気１０を混合するように整っている。個々のゾーン４中の温度の制御は、トリムバルブ１６により行われ、このバルブは、例えば、制御ユニット（図示せず）等により制御可能である制御バルブとして設計されてよい。

従来技術に係るこの環境制御システムは、混合ユニット８からの既に冷却された空気が、エンジンから取り除かれたブリード空気１０により、より高い温度レベルにまで戻される必要があるという点において不利が付随する。その結果、エネルギーは冷却の間およびその後の再加熱の間の両方において用いられ、その弱点は、図２を参照して以下に記載されるように、本発明に係る環境制御システムによって改善可能である。

この配置構成において、航空機１８はまた、８つの異なるゾーン２０を備え、これらは、各々の場合において、ゾーン空気ライン２２により空気が供給可能である。各々の場合において、トリムエア・ライン２４はゾーン空気ライン２２に付随し、トリムエア・バルブ２６により、トリムエア・ラインは、１つまたは複数のトリムエア・分配器２８から空気を得る。トリムエア分配器２８は、熱交換器３２から発生する加熱された空気３０が供給され、燃料電池３６の排ガス３４はこの熱交換器を介して流れる。熱交換器３２に流れる供給空気３８は、好ましくは、複数のゾーン２０を含んでいるキャビンから取り除かれたものである。なぜならば、この空気は、既に「利用された」ものであるからであり、混合ユニット４０に部分的にいずれにせよ供給され、かつそれによりゾーン２０へと戻される。

好ましくは、本発明に係る環境制御システムは、ゾーン空気ライン２２中のフローセンサ４４に連結された制御ユニット４２を備える。この結果、制御ユニット４２は、どの空気の体積流量がゾーン空気ライン２２に存在するのか決定でき、かつ、ゾーン２０中における所望の温度に依存して、個々のトリムバルブ２６をそれに応じて設定することができる。トリムバルブ２６を設定することによって、熱交換器３２からの温かい空気３０対混合ユニット４０からの空気の混合比が設定される。

中程度の温度の燃料電池を使用すると、低温の燃料電池を使用した場合よりも、熱交換器３２を介したより低いトリムエア体積流量が設定される。これは、低温の燃料電池における排ガス温度が、例えば、２００℃以上の温度に達することができる中程度の温度の燃料電池の温度よりも著しく低くなるためである。低温の燃料電池は、僅か９０℃までの温度を有する排ガスを生成する。

燃料電池が一部の作動段階において利用可能ではない場合、さらなる加熱デバイス４６が、トリムエア・ライン２４のために加熱された空気３０を提供するために利用可能である。例えば、任意の設計のさらなる電気加熱器が考慮可能である。

図３は、輸送手段のキャビン中のゾーンの個々の空調管理のための方法を概略的に示す。原則として、空気はゾーン空気ラインによりゾーンに搬送され（４８）、供給空気は燃料電池の排熱によって加熱され（５０）、個々のゾーン中の温度を上昇させるために、トリムエア・ラインおよびトリムバルブにより、必要に応じて、ゾーン空気ラインに搬送される（５２）。

要するに、本発明に係る環境制御システムは、輸送手段における複数ゾーンの空調管理を提供するものであり、エネルギー消費の観点から、複数ゾーンの空調管理が特に有利であり、この輸送手段において、エネルギーおよび／または燃料のさらなる消費が著しく低減されるか、または完全に取り除かれる。

さらに、「含む、備える、有する（「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」）」は他の要素または工程を排除せず、「１つ（「ａ」、「ｏｎｅ」）」は複数を排除しないことに留意するべきである。さらに、上述の例示的な実施形態のうちの１つを参照して記載されている特徴または工程は、上述で記載された他の例示的な実施形態の他の特徴または工程と組み合わせて利用可能であることが留意されるべきである。特許請求の範囲の請求項中の参照符号は限定として解釈されるべきではない。

２ 航空機
４ ゾーン
６ ゾーン空気ライン
８ 混合ユニット
１０ ブリード空気
１２ ブリード空気分配器
１４ トリムエア・ライン
１６ トリムバルブ
１８ 航空機
２０ ゾーン
２２ ゾーン空気ライン
２４ トリムエア・ライン
２６ トリムバルブ
２８ トリムエア分配器
３０ 第１の排出口燃料電池／加熱された空気
３２ 熱交換器
３４ 排ガス（ライン）燃料電池
３６ 燃料電池
３８ 供給空気（ライン）
４０ 混合ユニット
４２ 制御ユニット
４４ （体積流量）センサ
４６ 加熱デバイス
４８ ゾーンへの空気の搬送
５０ 燃料電池からの排熱による供給空気の加熱
５２ トリムエアの最適搬送

Claims (12)

1. 空調管理される１つまたは複数のゾーン（２０）を備える少なくとも１つのキャビンを有する輸送手段のための環境制御システムであって、
   空調管理された空気を前記ゾーンに搬送するための１つまたは複数のゾーン空気ライン（２２）と、
   １つまたは複数のトリムエア・ライン（２４）と、
   １つまたは複数のトリムエア・バルブ（２６）と、
   少なくとも１つのトリムエア分配器（２８）と
   を備え、
   各々の場合において、少なくとも１つのトリムエア・ライン（２４）は前記ゾーン空気ライン（２２）に付随し、前記トリムエア・ライン（２４）は、必要に応じて、トリムエア・バブル（２６）により、前記ゾーン空気ライン（２２）中の空気温度を上昇させるために、加熱されたトリムエアを前記付随したゾーン空気ライン（２２）に搬送し、前記トリムエア・ライン（２４）は、前記トリムエア分配器（２８）の少なくとも１つの空気排出口にさらに連結され、
   前記環境制御システムは、第１および第２の流入口ならびに第１の排出口を有する少なくとも１つの熱交換器（３２）をさらに備え、前記第１の流入口は供給空気ライン（３８）に連結され、前記第２の流入口は燃料電池（３６）の排ガスライン（３４）に連結され、ならびに、前記第１の排出口（３０）は、前記トリムエア分配器（２８）に連結され、前記第１の排出口（３０）を介して、前記第１の流入口から前記トリムエア分配器（２８）へと流れる供給空気を加熱するために、前記燃料電池（３６）の前記熱交換器（３２）を介して流れる前記排ガスの熱から設計されている、環境制御システム。
2. 前記燃料電池（３６）の前記第１の流入口上の前記供給空気ライン（３８）は、前記キャビンからの空気が供給される、請求項１に記載の環境制御システム。
3. 前記燃料電池（３６）は中程度の温度の燃料電池である、請求項１または請求項２に記載の環境制御システム。
4. 前記燃料電池（３６）は低温の燃料電池である、請求項１または請求項２に記載の環境制御システム。
5. 前記燃料電池（３６）は高温の燃料電池である、請求項１または請求項２に記載の環境制御システム。
6. 前記ゾーン空気ライン（２２）において、センサ（４４）が空気の体積流量を決定するために配置される、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の環境制御システム。
7. 前記環境制御システムは、前記センサ（４４）および前記トリムエア・バルブ（２６）に連結される少なくとも１つの制御デイバス（４２）をさらに含む、請求項６に記載の環境制御システム。
8. 前記環境制御システムは、前記トリムエア・ライン（２４）および／または前記ゾーン空気ライン（２２）において運ばれる空気を加熱するために、少なくとも１つのさらなる加熱デバイス（４６）を備える、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の環境制御システム。
9. 輸送手段のキャビン内における領域を各々、空調管理するための方法であって、本方法において、
   １つまたは複数のゾーン空気ライン（２２）は空気を前記ゾーン（２０）に搬送し（４８）、各々の場合において、少なくとも１つのトリムエア・ラインが前記ゾーン空気ライン（２２）に付随しており、
   前記トリムエア・ラインは、前記ゾーン空気ライン（２２）中の空気の温度を上昇させるために、トリムエア・バルブ（２６）によって、加熱されたトリムエアを必要に応じて搬送し（５２）、前記トリムエア・ライン（１４）は前記トリムエア分配器（２８）の少なくとも１つの空気排出口にさらに連結され、
   燃料電池（３６）の排ガスは、第２の流入口を介して熱交換器（３２）へと導かれ、個々の前記ゾーン（２０）によって要求された場合に、第１の流入口から、かつ第１の排出口を介して、熱交換器（３２）によって、前記トリムエア分配器（２８）に流れる供給空気を加熱する（５０）、方法。
10. 輸送手段における請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の環境制御システムの使用。
11. 前記輸送手段は航空機（１８）である、請求項９に記載の使用。
12. 少なくとも１つの燃料電池（３６）および請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの環境制御システムを備える航空機。

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