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)，公開了一種包括多個熱交換器和壓縮裝置的系統(tǒng)，其被配置來制備從發(fā)動機的低壓位置放出并以并行的方式穿過多個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熱交換器連通，并且調(diào)節(jié)流過所述多個熱交換器的所述介質(zhì)的壓力。
【專利說明】
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，針對飛機當前的空調(diào)系統(tǒng)，機艙增壓和冷卻通過巡航時的發(fā)動機分供壓力來提供動力。例如，來自飛機的發(fā)動機的壓縮空氣通過改變壓縮空氣的溫度和壓力的一系列系統(tǒng)來提供給機艙。為了啟動壓縮空氣的這種制備，唯一能源是空氣自身的壓力。因此，當前的空調(diào)系統(tǒng)在巡航時始終要求相對較高的壓力。不幸的是，鑒于航天工業(yè)趨向于更有效的飛機的整體趨勢，相對較高的壓力相對于發(fā)動機燃料燃燒而言提供了有限的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]根據(jù)一個實施方案，系統(tǒng)包括介質(zhì)，其從發(fā)動機的低壓位置流到艙室;多個熱交換器;定位在所述多個熱交換器上游的閥，所述閥被配置來使所述介質(zhì)以并行的方式分流穿過所述多個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)另一個實施方案，方法包括通過第一閥接收從發(fā)動機的低壓位置流到艙室的介質(zhì);通過定位在多個熱交換器上游的所述第一閥以并行的方式使所述介質(zhì)分流穿過所述多個熱交換器中的至少第一熱交換器和第二熱交換器；以及通過第二閥將離開所述第二熱交換器的介質(zhì)流與離開所述第一熱交換器的介質(zhì)流組合。
[0004]通過本發(fā)明中的技術(shù)實現(xiàn)另外的特征和優(yōu)點。本發(fā)明的其他實施方案和方面在本文中進行了詳細描述并且被認為是所要求保護的發(fā)明的一部分。為了更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點和特征，參考描述和附圖。
【附圖說明】
[0005]在說明書結(jié)尾的權(quán)利要求書中具體指出并明確要求保護被認為是本發(fā)明的主題。通過以下結(jié)合附圖的詳細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，在附圖中:
圖1為根據(jù)一個實施方案的環(huán)境控制系統(tǒng)的示意圖；
圖2為根據(jù)一個實施方案的環(huán)境控制系統(tǒng)的操作實例；
圖3為根據(jù)一個實施方案的環(huán)境控制系統(tǒng)的流程的實例。
【具體實施方式】
[0006]參考附圖，本文通過舉例而非限制的方式呈現(xiàn)所公開的設(shè)備和方法的一個或多個實施方案的詳細描述。
[0007]如上文所指出，相對較高的壓力相對于發(fā)動機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):跨越多個熱交換器以并行的方式提供介質(zhì)，從而在高發(fā)動機燃料燃燒效率下提供機艙增壓和冷卻。
[0008]—般而言，本文公開的本發(fā)明的實施方案可包括系統(tǒng)，其包括多個熱交換器；以及介質(zhì)，其流過所述多個熱交換器，其中所述介質(zhì)從發(fā)動機的低壓位置放出，穿過并聯(lián)的多個熱交換器而進入艙室。發(fā)動機的低壓位置提供初始壓力水平接近介質(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壓力水平。例如，如果所需艙室壓力是5 psia，常規(guī)系統(tǒng)將從發(fā)動機的高壓位置放出提供為所述艙室壓力三倍的初始壓力水平(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，當艙室壓力是5 psia時沿著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)起始于這個相對較低的初始壓力水平并且由于在多個熱交換器上會出現(xiàn)壓降，因此在介質(zhì)流過所述多個熱交換器時，所述介質(zhì)會下降到低于艙室壓力。當介質(zhì)的壓力低于艙室的壓力時，所述介質(zhì)不會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)可以并行的方式進入到至少兩個熱交換器中，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穿過閥105、106，初級熱交換器110，二級熱交換器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。在一個實施方案中，系統(tǒng)100是交通工具諸如飛機的任何環(huán)境控制系統(tǒng)，所述環(huán)境控制系統(tǒng)為飛機的機組人員和乘客提供空氣供應(yīng)、熱控制以及機艙增壓。環(huán)境控制系統(tǒng)還可包括航空電子設(shè)備冷卻、煙霧檢測和/或滅火。另外，針對飛機實例，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)給飛機的駕駛艙(例如，艙室102)?？諝馔ㄟ^從飛機發(fā)動機的壓縮機級和/或直接從外部空氣(例如，經(jīng)由沖壓波進氣系統(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)壓縮機級和飛機發(fā)動機的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)而廣泛地變化。為了實現(xiàn)所需溫度，放出空氣在其穿過熱交換器110、120時被冷卻。為了實現(xiàn)所需壓力，放出空氣在其穿過裝置130時被壓縮。應(yīng)注意，系統(tǒng)100與飛機發(fā)動機的相互作用會影響執(zhí)行與所述相互作用相關(guān)的操作諸如供應(yīng)壓縮空氣對于飛機發(fā)動機所需的燃料燃燒的量。
[0012]閥諸如閥105、106是以下裝置:通過打開、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。閥可通過致動器來操作，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分流穿過初級熱交換器110和二級熱交換器120。另外，閥106使得介質(zhì)流能夠從初級熱交換器110運送到壓縮裝置130和/或艙室102。
[0013]熱交換器(例如，初級熱交換器110和二級熱交換器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)以上飛機實例，由風(fēng)扇強迫(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)是調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力(例如，增加氣體的壓力)的機械裝置。壓縮機的實例包括離心式、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。另外，壓縮機通常由電機或蒸汽或燃氣渦輪驅(qū)動。
[0015]在一個操作中，系統(tǒng)100可通過激活閥106來繞過壓縮裝置130，以將所述介質(zhì)流從入口 101分流到初級熱交換器110和二級熱交換器120 (例如，箭頭A)。兩個熱交換器進而冷卻其對應(yīng)的介質(zhì)部分。之后，離開二級熱交換器120的介質(zhì)流通過閥106的激活而與離開初級熱交換器110的介質(zhì)流組合(例如，箭頭B)。這個操作可稱為使介質(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)以上飛機實例，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，飛機的發(fā)動機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，機艙、駕駛艙等)。
[0017]環(huán)境控制系統(tǒng)200是飛機中為飛機的機組人員和乘客提供空氣供應(yīng)、熱控制以及機艙增壓的環(huán)境控制系統(tǒng)的實例。外殼201是使用運動中的飛機產(chǎn)生的動態(tài)空氣壓力來增加外殼內(nèi)的靜態(tài)空氣壓力的沖壓系統(tǒng)的沖壓室的實例。閥207、208、209是上述閥的實例。
[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。渦輪245是經(jīng)由軸249驅(qū)動壓縮機242和風(fēng)扇248的機械裝置。壓縮機242是壓縮從第一熱交換器(例如，初級熱交換器110)接收的放出空氣的機械裝置。風(fēng)扇248是經(jīng)由推或拉的方法迫使空氣通過外殼201，從而在可變冷卻氣流下穿過熱交換器的機械裝置。壓縮機242、渦輪245和風(fēng)扇248—起調(diào)節(jié)壓力，并且說明例如空氣循環(huán)機(例如，壓縮裝置130)可作為三輪式空氣循環(huán)機操作。反過來，三輪式空氣循環(huán)機可包括部件的附加物，諸如動力渦輪，所述動力渦輪利用來自艙室102的廢氣來將另外的動力提供給壓縮裝置130。
[0019]高壓水分離器260是暫時地或永久地執(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械裝置。
[0020]在一個操作中，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)和溫度從飛機的發(fā)動機的高壓位置接受放出空氣。使放出空氣穿過初級熱交換器110 (所述初級熱交換器110通過冷卻降低溫度)而饋送到壓縮機242 (所述壓縮機242之后提高壓力)。然后，由于關(guān)閉了閥208、209，使放出空氣穿過二級熱交換器120 (所述二級熱交換器120也通過冷卻降低溫度)而饋送到高壓水分離器260。
[0021 ]在另一個操作中，冷卻模式操作可由環(huán)境控制系統(tǒng)200來執(zhí)行?，F(xiàn)將針對圖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)和溫度從飛機的發(fā)動機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，放出空氣分流穿過初級熱交換器110和二級熱交換器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，環(huán)境控制系統(tǒng)200可通過激活閥106來繞過壓縮裝置130，以將所述放出空氣流從入口 101分流到初級熱交換器110和二級熱交換器120 (例如，箭頭A)。兩個熱交換器進而冷卻其對應(yīng)的放出空氣部分。之后，在框330處，離開二級熱交換器120的放出空氣流通過閥106的激活而與離開初級熱交換器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環(huán)境控制系統(tǒng)200來維持壓力，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/或框圖來描述本發(fā)明的方面。此外，出于說明目的已經(jīng)呈現(xiàn)了本發(fā)明的各種實施方案的描述，但是其并不意圖是窮盡的或者限于所公開的實施方案。在不脫離所描述實施方案的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說將是明顯的。選擇本文所使用的術(shù)語來最好地解釋實施方案的原理、對在市場中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)的實際應(yīng)用或技術(shù)改進，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的實施方案。
[0023]本文中所使用的術(shù)語僅僅是為了描述具體實施方案，并且不意圖限制本發(fā)明。如本文所使用，單數(shù)形式“一個”、“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)當進一步理解，術(shù)語“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本說明書中使用時規(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或多個其他特征、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實例。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，本文所描述的這個圖或步驟(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為是所要求保護的發(fā)明的一部分。
[0025]雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是將理解，現(xiàn)在和將來的本領(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)的各種改進和增強。這些權(quán)利要求應(yīng)被解釋為維持對首次描述的本發(fā)明的適當保護。
【主權(quán)項】
1.一種系統(tǒng)，其包括: 介質(zhì)，其從發(fā)動機的低壓位置流到艙室； 多個熱交換器； 定位在所述多個熱交換器上游的閥，所述閥被配置來使所述介質(zhì)以并行的方式分流穿過所述多個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)，其中離開所述第二熱交換器的所述介質(zhì)的流通過激活第二閥而與離開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)以并行的方式流過所述第一熱交換器和所述第二熱交換器時下降為第二溫度。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)動機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: 與所述多個熱交換器連通的壓縮裝置，其被配置來調(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至少所述第一熱交換器和所述第二熱交換器時繞過所述壓縮裝置。7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是飛機的環(huán)境控制系統(tǒng)， 其中所述介質(zhì)是從所述飛機的發(fā)動機放出的空氣，以及 其中所述艙室是所述飛機的機艙。8.一種執(zhí)行熱交換器冷卻模式的方法，其包括: 通過第一閥接收從發(fā)動機的低壓位置流到艙室的介質(zhì)； 通過定位在多個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所述多個熱交換器中的至少第一熱交換器和第二熱交換器;以及 通過第二閥將離開所述第二熱交換器的所述介質(zhì)的流與離開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)通過所述第二閥進行的離開所述第二熱交換器的所述介質(zhì)的所述流與離開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與所述多個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)以并行的方式流過所述第一熱交換器和所述第二熱交換器時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)動機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熱交換器被包括在飛機的環(huán)境控制系統(tǒng)中，其中所述介質(zhì)是從所述飛機的發(fā)動機放出的空氣，以及其中所述艙室是所述飛機的機艙。
【文檔編號】B64D13/04GK105857618SQ201610085767
【公開日】2016年8月17日
【申請日】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
【申請人】哈米爾頓森德斯特蘭德公司