利用并聯(lián)沖壓式熱交換器的環(huán)境控制系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及利用并聯(lián)沖壓式熱交換器的環(huán)境控制系統(tǒng)，公開(kāi)了一種包括多個(gè)熱交換器和壓縮裝置的系統(tǒng)，其被配置來(lái)制備從發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓位置放出并以并行的方式穿過(guò)多個(gè)熱交換器而流入到艙室中的介質(zhì)。所述壓縮裝置與所述多個(gè)熱交換器連通，并且調(diào)節(jié)流過(guò)所述多個(gè)熱交換器的所述介質(zhì)的壓力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
利用并聯(lián)沖壓式熱交換器的環(huán)境控制系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0001]—般而言，針對(duì)飛機(jī)當(dāng)前的空調(diào)系統(tǒng)，機(jī)艙增壓和冷卻通過(guò)巡航時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)分供壓力來(lái)提供動(dòng)力。例如，來(lái)自飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮空氣通過(guò)改變壓縮空氣的溫度和壓力的一系列系統(tǒng)來(lái)提供給機(jī)艙。為了啟動(dòng)壓縮空氣的這種制備，唯一能源是空氣自身的壓力。因此，當(dāng)前的空調(diào)系統(tǒng)在巡航時(shí)始終要求相對(duì)較高的壓力。不幸的是，鑒于航天工業(yè)趨向于更有效的飛機(jī)的整體趨勢(shì)，相對(duì)較高的壓力相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒而言提供了有限的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，系統(tǒng)包括介質(zhì)，其從發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓位置流到艙室;多個(gè)熱交換器;定位在所述多個(gè)熱交換器上游的閥，所述閥被配置來(lái)使所述介質(zhì)以并行的方式分流穿過(guò)所述多個(gè)熱交換器中的至少第一熱交換器和第二熱交換器。
[0003]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，方法包括通過(guò)第一閥接收從發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓位置流到艙室的介質(zhì);通過(guò)定位在多個(gè)熱交換器上游的所述第一閥以并行的方式使所述介質(zhì)分流穿過(guò)所述多個(gè)熱交換器中的至少第一熱交換器和第二熱交換器；以及通過(guò)第二閥將離開(kāi)所述第二熱交換器的介質(zhì)流與離開(kāi)所述第一熱交換器的介質(zhì)流組合。
[0004]通過(guò)本發(fā)明中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的其他實(shí)施方案和方面在本文中進(jìn)行了詳細(xì)描述并且被認(rèn)為是所要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。為了更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)和特征，參考描述和附圖。
【附圖說(shuō)明】
[0005]在說(shuō)明書(shū)結(jié)尾的權(quán)利要求書(shū)中具體指出并明確要求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。通過(guò)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述可以清楚地了解本發(fā)明的上述以及其他特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中:
圖1為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的環(huán)境控制系統(tǒng)的示意圖；
圖2為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的環(huán)境控制系統(tǒng)的操作實(shí)例；
圖3為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的環(huán)境控制系統(tǒng)的流程的實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】
[0006]參考附圖，本文通過(guò)舉例而非限制的方式呈現(xiàn)所公開(kāi)的設(shè)備和方法的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的詳細(xì)描述。
[0007]如上文所指出，相對(duì)較高的壓力相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒提供有限的效率。因此，需要以下這樣的環(huán)境控制系統(tǒng):跨越多個(gè)熱交換器以并行的方式提供介質(zhì)，從而在高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒效率下提供機(jī)艙增壓和冷卻。
[0008]—般而言，本文公開(kāi)的本發(fā)明的實(shí)施方案可包括系統(tǒng)，其包括多個(gè)熱交換器；以及介質(zhì)，其流過(guò)所述多個(gè)熱交換器，其中所述介質(zhì)從發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓位置放出，穿過(guò)并聯(lián)的多個(gè)熱交換器而進(jìn)入艙室。發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓位置提供初始?jí)毫λ浇咏橘|(zhì)一旦處在艙室內(nèi)就呈現(xiàn)的壓力(例如，艙室壓力)的介質(zhì)。相比之下，常規(guī)系統(tǒng)利用比艙室壓力大得多的初始?jí)毫λ?。例如，如果所需艙室壓力? psia，常規(guī)系統(tǒng)將從發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓位置放出提供為所述艙室壓力三倍的初始?jí)毫λ?例如，15 psia)的空氣。另外，低壓位置上介質(zhì)的壓力可略微高于或略微低于艙室壓力(例如，當(dāng)艙室壓力是5 psia時(shí)沿著4至7 psia的范圍的任何值)。
[0009]在這種低壓下從低壓位置放出介質(zhì)引起比從高壓位置放出空氣更少的燃料燃燒。然而，由于介質(zhì)起始于這個(gè)相對(duì)較低的初始?jí)毫λ讲⑶矣捎谠诙鄠€(gè)熱交換器上會(huì)出現(xiàn)壓降，因此在介質(zhì)流過(guò)所述多個(gè)熱交換器時(shí)，所述介質(zhì)會(huì)下降到低于艙室壓力。當(dāng)介質(zhì)的壓力低于艙室的壓力時(shí)，所述介質(zhì)不會(huì)流到所述艙室中以提供增壓和溫度調(diào)節(jié)。因此，所述系統(tǒng)將介質(zhì)流分成多股分流，以使得所述介質(zhì)可以并行的方式進(jìn)入到至少兩個(gè)熱交換器中，從而允許連接到低壓位置。
[0010]圖1示出系統(tǒng)100，其中介質(zhì)(例如，空氣)從入口101穿過(guò)閥105、106，初級(jí)熱交換器110，二級(jí)熱交換器120以及壓縮裝置130而流到艙室102。
[0011]—般而言，系統(tǒng)100將介質(zhì)供應(yīng)給任何環(huán)境(例如，艙室102)，從而提供所述環(huán)境的調(diào)節(jié)和/或監(jiān)控。在一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)100是交通工具諸如飛機(jī)的任何環(huán)境控制系統(tǒng)，所述環(huán)境控制系統(tǒng)為飛機(jī)的機(jī)組人員和乘客提供空氣供應(yīng)、熱控制以及機(jī)艙增壓。環(huán)境控制系統(tǒng)還可包括航空電子設(shè)備冷卻、煙霧檢測(cè)和/或滅火。另外，針對(duì)飛機(jī)實(shí)例，為了舒適性和增壓兩者，系統(tǒng)100將壓縮空氣(例如，介質(zhì))供應(yīng)給飛機(jī)的駕駛艙(例如，艙室102)?？諝馔ㄟ^(guò)從飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)級(jí)和/或直接從外部空氣(例如，經(jīng)由沖壓波進(jìn)氣系統(tǒng))“放出”而在入口 101處供應(yīng)給系統(tǒng)100。這種“放出空氣”的溫度和壓力根據(jù)壓縮機(jī)級(jí)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)而廣泛地變化。為了實(shí)現(xiàn)所需溫度，放出空氣在其穿過(guò)熱交換器110、120時(shí)被冷卻。為了實(shí)現(xiàn)所需壓力，放出空氣在其穿過(guò)裝置130時(shí)被壓縮。應(yīng)注意，系統(tǒng)100與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的相互作用會(huì)影響執(zhí)行與所述相互作用相關(guān)的操作諸如供應(yīng)壓縮空氣對(duì)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃料燃燒的量。
[0012]閥諸如閥105、106是以下裝置:通過(guò)打開(kāi)、關(guān)閉或部分地阻礙系統(tǒng)100的管子、管道等內(nèi)的各種通道來(lái)調(diào)節(jié)、引導(dǎo)和/或控制介質(zhì)(例如，氣體、液體、流化固體、或漿料，諸如放出空氣)流。閥可通過(guò)致動(dòng)器來(lái)操作，以使得系統(tǒng)100的任何部分中的任何介質(zhì)的流速可被調(diào)節(jié)為所需值。例如，閥105使得介質(zhì)流能夠從入口 101分流穿過(guò)初級(jí)熱交換器110和二級(jí)熱交換器120。另外，閥106使得介質(zhì)流能夠從初級(jí)熱交換器110運(yùn)送到壓縮裝置130和/或艙室102。
[0013]熱交換器(例如，初級(jí)熱交換器110和二級(jí)熱交換器120)是為了一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)的高效的熱傳遞而構(gòu)造的設(shè)備。熱交換器的實(shí)例包括套管式、殼管式、板式、板殼式、轉(zhuǎn)輪式(adiabatic wheel)、板翅式、枕板式以及流體熱交換器。繼續(xù)以上飛機(jī)實(shí)例，由風(fēng)扇強(qiáng)迫(例如，經(jīng)由推或拉的方法)和/或飛行期間沖壓的空氣在可變冷卻氣流下吹過(guò)熱交換器以控制放出空氣的最終空氣溫度。
[0014]壓縮裝置130(例如，如下所述的空氣循環(huán)機(jī))是調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力(例如，增加氣體的壓力)的機(jī)械裝置。壓縮機(jī)的實(shí)例包括離心式、斜流式或混流式、軸流式、往復(fù)式、離子液體活塞式、旋轉(zhuǎn)螺旋式、旋葉式、渦旋式、膜片式、氣泡式壓縮機(jī)。另外，壓縮機(jī)通常由電機(jī)或蒸汽或燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)。
[0015]在一個(gè)操作中，系統(tǒng)100可通過(guò)激活閥106來(lái)繞過(guò)壓縮裝置130，以將所述介質(zhì)流從入口 101分流到初級(jí)熱交換器110和二級(jí)熱交換器120 (例如，箭頭A)。兩個(gè)熱交換器進(jìn)而冷卻其對(duì)應(yīng)的介質(zhì)部分。之后，離開(kāi)二級(jí)熱交換器120的介質(zhì)流通過(guò)閥106的激活而與離開(kāi)初級(jí)熱交換器110的介質(zhì)流組合(例如，箭頭B)。這個(gè)操作可稱(chēng)為使介質(zhì)的壓力降低接近艙室壓力的熱交換器冷卻模式。
[0016]根據(jù)以上飛機(jī)實(shí)例，現(xiàn)將參考圖2描述圖1的系統(tǒng)100。圖2示出環(huán)境控制系統(tǒng)200(例如，系統(tǒng)100的實(shí)施方案)，其除了圖1的先前描述的物品之外還包括外殼201，閥207、208、209，壓縮裝置130 (其包括壓縮機(jī)242、渦輪245、風(fēng)尚248以及軸249)，以及高壓水分離器260，它們各自經(jīng)由管子、管道、導(dǎo)管等等連接，以使得在入口 101 (例如，飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓位置或低壓位置)處接受放出空氣并且將所述放出空氣提供給艙室102 (例如，機(jī)艙、駕駛艙等)。
[0017]環(huán)境控制系統(tǒng)200是飛機(jī)中為飛機(jī)的機(jī)組人員和乘客提供空氣供應(yīng)、熱控制以及機(jī)艙增壓的環(huán)境控制系統(tǒng)的實(shí)例。外殼201是使用運(yùn)動(dòng)中的飛機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)空氣壓力來(lái)增加外殼內(nèi)的靜態(tài)空氣壓力的沖壓系統(tǒng)的沖壓室的實(shí)例。閥207、208、209是上述閥的實(shí)例。
[0018]壓縮裝置130可以是調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力(例如，增加放出空氣的壓力)的空氣循環(huán)機(jī)。渦輪245是經(jīng)由軸249驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)242和風(fēng)扇248的機(jī)械裝置。壓縮機(jī)242是壓縮從第一熱交換器(例如，初級(jí)熱交換器110)接收的放出空氣的機(jī)械裝置。風(fēng)扇248是經(jīng)由推或拉的方法迫使空氣通過(guò)外殼201，從而在可變冷卻氣流下穿過(guò)熱交換器的機(jī)械裝置。壓縮機(jī)242、渦輪245和風(fēng)扇248—起調(diào)節(jié)壓力，并且說(shuō)明例如空氣循環(huán)機(jī)(例如，壓縮裝置130)可作為三輪式空氣循環(huán)機(jī)操作。反過(guò)來(lái)，三輪式空氣循環(huán)機(jī)可包括部件的附加物，諸如動(dòng)力渦輪，所述動(dòng)力渦輪利用來(lái)自艙室102的廢氣來(lái)將另外的動(dòng)力提供給壓縮裝置130。
[0019]高壓水分離器260是暫時(shí)地或永久地執(zhí)行上述熱交換器的操作和/或從放出空氣去除水分的處理的機(jī)械裝置。
[0020]在一個(gè)操作中，在入口101處，以比最終流速、壓力(例如，12 psia)和溫度大得多的初始流速、壓力(例如，35 psia)和溫度從飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓位置接受放出空氣。使放出空氣穿過(guò)初級(jí)熱交換器110 (所述初級(jí)熱交換器110通過(guò)冷卻降低溫度)而饋送到壓縮機(jī)242 (所述壓縮機(jī)242之后提高壓力)。然后，由于關(guān)閉了閥208、209，使放出空氣穿過(guò)二級(jí)熱交換器120 (所述二級(jí)熱交換器120也通過(guò)冷卻降低溫度)而饋送到高壓水分離器260。
[0021 ]在另一個(gè)操作中，冷卻模式操作可由環(huán)境控制系統(tǒng)200來(lái)執(zhí)行?，F(xiàn)將針對(duì)圖3描述冷卻模式操作。圖3示出流程300，其起始于框310，其中在入口 101處，以接近最終流速、壓力和溫度的初始流速、壓力(例如，13 psia)和溫度從飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓位置接受放出空氣。之后，在框320處，由于激活了閥105、106，放出空氣分流穿過(guò)初級(jí)熱交換器110和二級(jí)熱交換器120 (例如，并聯(lián))兩者，以使得閥105處的放出空氣的第一溫度統(tǒng)一下降為可處于或接近艙室102的溫度的第二溫度。也就是說(shuō)，環(huán)境控制系統(tǒng)200可通過(guò)激活閥106來(lái)繞過(guò)壓縮裝置130，以將所述放出空氣流從入口 101分流到初級(jí)熱交換器110和二級(jí)熱交換器120 (例如，箭頭A)。兩個(gè)熱交換器進(jìn)而冷卻其對(duì)應(yīng)的放出空氣部分。之后，在框330處，離開(kāi)二級(jí)熱交換器120的放出空氣流通過(guò)閥106的激活而與離開(kāi)初級(jí)熱交換器110的放出空氣流組合(例如，箭頭B)。一般而言，冷卻模式操作可稱(chēng)為將放出空氣的溫度降低到艙室所要求的溫度的熱交換器冷卻模式。冷卻模式操作可在以下情況下利用:熱交換器110、120的沖壓空氣冷卻是充足的(例如，沖壓空氣將足夠的能量提供給熱交換器110、120以降低放出空氣的溫度)并且放出空氣的壓力是足夠高的以通過(guò)環(huán)境控制系統(tǒng)200來(lái)維持壓力，而不需要壓縮裝置 130。
[0022]本文參考根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)的流程圖圖解、示意圖和/或框圖來(lái)描述本發(fā)明的方面。此外，出于說(shuō)明目的已經(jīng)呈現(xiàn)了本發(fā)明的各種實(shí)施方案的描述，但是其并不意圖是窮盡的或者限于所公開(kāi)的實(shí)施方案。在不脫離所描述實(shí)施方案的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是明顯的。選擇本文所使用的術(shù)語(yǔ)來(lái)最好地解釋實(shí)施方案的原理、對(duì)在市場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用或技術(shù)改進(jìn)，或使本領(lǐng)域的其他普通技術(shù)人員能夠理解本文所公開(kāi)的實(shí)施方案。
[0023]本文中所使用的術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述具體實(shí)施方案，并且不意圖限制本發(fā)明。如本文所使用，單數(shù)形式“一個(gè)”、“一種”和“所述”也意圖包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外明確指出。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，術(shù)語(yǔ)“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)規(guī)定存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合。
[0024]本文所描繪的流程圖只是一個(gè)實(shí)例。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，本文所描述的這個(gè)圖或步驟(或操作)可以有許多變型。例如，可以按不同的順序執(zhí)行所述步驟，或可以增加、刪除或修改步驟。所有的這些變型被認(rèn)為是所要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。
[0025]雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但是將理解，現(xiàn)在和將來(lái)的本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出落入以下權(quán)利要求范圍內(nèi)的各種改進(jìn)和增強(qiáng)。這些權(quán)利要求應(yīng)被解釋為維持對(duì)首次描述的本發(fā)明的適當(dāng)保護(hù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種系統(tǒng)，其包括: 介質(zhì)，其從發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓位置流到艙室； 多個(gè)熱交換器； 定位在所述多個(gè)熱交換器上游的閥，所述閥被配置來(lái)使所述介質(zhì)以并行的方式分流穿過(guò)所述多個(gè)熱交換器中的至少第一熱交換器和第二熱交換器。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中離開(kāi)所述第二熱交換器的所述介質(zhì)的流通過(guò)激活第二閥而與離開(kāi)所述第一熱交換器的所述介質(zhì)的流組合。3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述閥處的所述介質(zhì)的第一溫度在所述介質(zhì)以并行的方式流過(guò)所述第一熱交換器和所述第二熱交換器時(shí)下降為第二溫度。4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中沖壓空氣冷卻將足夠的能量提供給所述多個(gè)熱交換器，以將所述第一溫度下降為所述第二溫度。5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的所述低壓位置處的所述介質(zhì)的壓力略微高于艙室壓力。6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括: 與所述多個(gè)熱交換器連通的壓縮裝置，其被配置來(lái)調(diào)節(jié)所述介質(zhì)的壓力， 其中所述介質(zhì)在所述閥使所述介質(zhì)以并行的方式分流穿過(guò)至少所述第一熱交換器和所述第二熱交換器時(shí)繞過(guò)所述壓縮裝置。7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)， 其中所述介質(zhì)是從所述飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)放出的空氣，以及 其中所述艙室是所述飛機(jī)的機(jī)艙。8.一種執(zhí)行熱交換器冷卻模式的方法，其包括: 通過(guò)第一閥接收從發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓位置流到艙室的介質(zhì)； 通過(guò)定位在多個(gè)熱交換器上游的所述第一閥使所述介質(zhì)以并行的方式分流穿過(guò)所述多個(gè)熱交換器中的至少第一熱交換器和第二熱交換器;以及 通過(guò)第二閥將離開(kāi)所述第二熱交換器的所述介質(zhì)的流與離開(kāi)所述第一熱交換器的所述介質(zhì)的流組合。9.如權(quán)利要求8所述的方法，其還包括: 根據(jù)通過(guò)所述第二閥進(jìn)行的離開(kāi)所述第二熱交換器的所述介質(zhì)的所述流與離開(kāi)所述第一熱交換器的所述介質(zhì)的所述流的所述組合而繞過(guò)與所述多個(gè)熱交換器連通的壓縮裝置。10.如權(quán)利要求8所述的方法，其還包括: 在所述介質(zhì)以并行的方式流過(guò)所述第一熱交換器和所述第二熱交換器時(shí)使所述第一閥處的所述介質(zhì)的第一溫度下降為第二溫度。11.如權(quán)利要求8所述的方法，其還包括: 將沖壓空氣冷卻提供給所述多個(gè)熱交換器，以將所述第一溫度下降為所述第二溫度。12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的所述低壓位置處的所述介質(zhì)的壓力略微高于艙室壓力。13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一閥、所述第二閥和所述多個(gè)熱交換器被包括在飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)中，其中所述介質(zhì)是從所述飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)放出的空氣，以及其中所述艙室是所述飛機(jī)的機(jī)艙。
【文檔編號(hào)】B64D13/04GK105857618SQ201610085767
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年2月15日
【發(fā)明人】L.J.布魯諾, D.E.小阿米, T.M.齊維亞克, E.G.克萊恩, C.W.米洛, H.W.希普斯基, P.M.德奧爾蘭多
【申請(qǐng)人】哈米爾頓森德斯特蘭德公司