利用并联冲压式热交换器的环境控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了利用并联冲压式热交换器的环境控制系统。一种包括多个热交换器和压缩装置的系统，其被配置来制备从发动机的低压位置放出并以并行的方式穿过多个热交换器而流入到舱室中的介质。所述压缩装置与所述多个热交换器连通，并且调节流过所述多个热交换器的所述介质的压力。所述压缩装置基于以并行的方式制备所述舱室的所述介质而被绕过，这反过来又使所述压缩装置发生风车旋转。因此，所述系统采用至少一个机构来防止所述压缩装置的部件发生风车旋转。
【专利说明】
利用并联冲压式热交换器的环境控制系统
【背景技术】
[0001]—般而言，针对飞机当前的空调系统，机舱增压和冷却通过巡航时的发动机分供压力来提供动力。例如，来自飞机的发动机的压缩空气通过改变压缩空气的温度和压力的一系列系统来提供给机舱。为了启动压缩空气的这种制备，唯一能源是空气自身的压力。因此，当前的空调系统在巡航时始终要求相对较高的压力。不幸的是，鉴于航天工业趋向于更有效的飞机的整体趋势，相对较高的压力相对于发动机燃料燃烧而言提供了有限的效率。
【发明内容】
[0002]根据一个实施方案，系统包括介质，其从发动机的低压位置流到舱室;多个热交换器，其被配置来通过以并行的方式接收穿过所述多个热交换器中的至少第一热交换器和第二交换器的所述介质来提供并行冷却；和与所述多个热交换器连通的压缩装置，其被配置来在所述并行冷却期间被绕过；以及机构，其用于防止所述压缩装置在所述并行冷却期间发生风车旋转。
[0003]通过本发明中的技术实现另外的特征和优点。本发明的其他实施方案和方面在本文中进行了详细描述，并且被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明及其优点和特征，参考描述和附图。
【附图说明】
[0004]在说明书结尾的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述可以清楚地了解本发明的上述以及其他特征和优点，在附图中:
[0005]图1为根据一个实施方案的环境控制系统的示意图；
[0006]图2为根据一个实施方案的环境控制系统的操作实例；
[0007]图3为根据一个实施方案的环境控制系统的流程的实例；以及
[0008]图4为根据一个实施方案的环境控制系统的另一个操作实例；
[0009]图5为根据一个实施方案的环境控制系统的另一个操作实例；
[0010]图6为根据一个实施方案的环境控制系统的另一个操作实例；
[0011]图7为根据一个实施方案的环境控制系统的另一个操作实例；
[0012]图8为根据一个实施方案的环境控制系统的另一个操作实例；以及
[0013]图9为根据一个实施方案的环境控制系统的另一个操作实例。
【具体实施方式】
[0014]参考附图，本文通过举例而非限制的方式呈现所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。
[0015]如上文所指出，相对较高的压力相对于发动机燃料燃烧提供有限的效率。因此，需要以下这样的环境控制系统:跨越多个热交换器以并行的方式提供介质，从而在高发动机燃料燃烧效率下提供机舱增压和冷却，同时防止所述系统的部件发生风车旋转。
[0016]—般而言，本文公开的本发明的实施方案可包括系统，其包括多个热交换器；以及介质，其流过所述多个热交换器，其中所述介质从发动机的低压位置放出，穿过并联的多个热交换器而进入舱室。发动机的低压位置提供初始压力水平接近介质一旦处在舱室内就呈现的压力(例如，舱室压力)的介质。相比之下，常规系统利用比舱室压力大得多的初始压力水平。例如，如果所需舱室压力是5psia，常规系统将从发动机的高压位置放出提供为所述舱室压力三倍的初始压力水平(例如，15psia)的空气。另外，低压位置上介质的压力可略微高于或略微低于舱室压力(例如，当舱室压力是5psia时沿着4至7psia的范围的任何值)。
[0017]在这种低压下从低压位置放出介质引起比从高压位置放出空气更少的燃料燃烧。然而，由于介质起始于这个相对较低的初始压力水平并且由于在多个热交换器上会出现压降，因此在介质流过并联的所述多个热交换器时，所述介质会下降到低于舱室压力。当介质的压力低于舱室的压力时，所述介质不会流到所述舱室中以提供例如增压和温度调节。因此，所述系统将介质流分成多股分流，以使得所述介质可以并行的方式进入到至少两个热交换器中，以减小所述介质穿过至少两个热交换器的总压降(例如，并行冷却提供最小压降)。在最小压力的情况下，所述系统可连接到低压位置并且从其放出介质。应注意，由于从低压位置放出的介质的温度显著低于从高压位置放出的介质的温度，所述系统在介质以并行的方式在至少两个热交换器上流动时需要更少的能量来降低所述介质的温度。
[0018]图1示出系统100，其中介质(例如，空气)从入口101穿过阀105、106，初级热交换器110，二级热交换器120以及压缩装置130而流到舱室102。
[0019]—般而言，系统100将介质供应给任何环境(例如，舱室102)，从而提供所述环境的调节和/或监控。在一个实施方案中，系统100是交通工具诸如飞机的任何环境控制系统，所述环境控制系统为飞机的机组人员和乘客提供空气供应、热控制以及机舱增压。环境控制系统还可包括航空电子设备冷却、烟雾检测和/或灭火。另外，针对飞机实例，为了舒适性和增压两者，系统100将压缩空气(例如，介质)供应给飞机的驾驶舱(例如，舱室102)。空气通过从飞机发动机的压缩机级和/或直接从外部空气(例如，经由冲压波进气系统)放出而在入口 101处供应给系统100。这种“放出空气”的温度和压力根据压缩机级和飞机发动机的每分钟转数而广泛地变化。为了实现所需温度，放出空气在其穿过热交换器110、120时被冷却。为了实现所需压力，放出空气在其穿过装置130时被压缩。应注意，系统100与飞机发动机的相互作用会影响执行与所述相互作用相关的操作诸如供应压缩空气对于飞机发动机所需的燃料燃烧的量。
[0020]阀诸如阀105、106是以下装置:通过打开、关闭或部分地阻碍系统100的管子、管道等内的各种通道来调节、引导和/或控制介质(例如，气体、液体、流化固体、或浆料，诸如放出空气)流。阀可通过致动器来操作，以使得系统100的任何部分中的任何介质的流速可被调节为所需值。例如，阀105使得介质流能够从入口 101分流穿过初级热交换器110和二级热交换器120。另外，阀106使得介质流能够从初级热交换器110运送到压缩装置130和/或舱室102。
[0021]热交换器(例如，初级热交换器110和二级热交换器120)是为了一种介质到另一种介质的高效的热传递而构造的设备。热交换器的实例包括套管式、壳管式、板式、板壳式、转轮式、板翅式、枕板式以及流体热交换器。继续以上飞机实例，由风扇强迫(例如，经由推或拉的方法)和/或飞行期间冲压的空气在可变冷却气流下吹过热交换器以控制放出空气的最终空气温度。
[0022]压缩装置130(例如，如下所述的空气循环机)是调节介质的压力(例如，增加气体的压力)的机械装置。压缩机的实例包括离心式、斜流式或混流式、轴流式、往复式、离子液体活塞式、旋转螺旋式、旋叶式、涡旋式、膜片式、气泡式压缩机。另外，压缩机通常由电动机或蒸汽或燃气涡轮驱动。
[0023]在一个操作中，系统100可通过激活阀106来绕过压缩装置130，以将所述介质流从入口 101分流到初级热交换器110和二级热交换器120(例如，箭头A)。两个热交换器进而冷却其对应的介质部分。之后，离开二级热交换器120的介质流通过阀106的激活而与离开初级热交换器110的介质流组合(例如，箭头B)。这个操作可称为使介质的压力降低接近舱室压力的热交换器冷却模式。
[0024]根据以上飞机实例，现将参考图2描述图1的系统100。图2示出环境控制系统200(例如，系统100的实施方案)，其除了图1的先前描述的物品之外还包括外壳201，阀207、208、209，压缩装置130(其包括压缩机242、涡轮245、风尚248以及轴249)，以及高压水分离器260，它们各自经由管子、管道、导管等等连接，以使得在入口 101(例如，飞机的发动机的高压位置或低压位置)处接受放出空气并且将所述放出空气提供给舱室102(例如，机舱、驾驶舱等)。
[0025]环境控制系统200是飞机中为飞机的机组人员和乘客提供空气供应、热控制以及机舱增压的环境控制系统的实例。外壳201是使用运动中的飞机产生的动态空气压力来增加外壳内的静态空气压力的冲压系统的冲压室的实例。阀207、208、209是上述阀的实例。
[0026]压缩装置130可以是调节介质的压力(例如，增加放出空气的压力)的空气循环机。涡轮245是经由轴249驱动压缩机242和风扇248的机械装置。压缩机242是压缩从第一热交换器(例如，初级热交换器110)接收的放出空气的机械装置。风扇248是经由推或拉的方法迫使空气通过外壳201，从而在可变冷却气流下穿过热交换器的机械装置。压缩机242、涡轮245和风扇248—起调节压力，并且说明例如空气循环机(例如，压缩装置130)可作为三轮式空气循环机操作。反过来，三轮式空气循环机可包括部件的附加物，诸如动力涡轮，所述动力涡轮利用来自舱室102的废气来将另外的动力提供给压缩装置130。
[0027]高压水分离器260是暂时地或永久地执行上述热交换器的操作和/或从放出空气去除水分的处理的机械装置。
[0028]在一个操作中，在入口101处，以比最终流速、压力(例如，12psia)和温度大得多的初始流速、压力(例如，35ps ia)和温度从飞机的发动机的高压位置接受放出空气。使放出空气穿过初级热交换器110(所述初级热交换器110通过冷却降低温度)而馈送到压缩机242(所述压缩机242之后提高压力)。然后，由于关闭了阀208、209，使放出空气穿过二级热交换器120(所述二级热交换器120也通过冷却降低温度)而馈送到高压水分离器260。应注意，在这个操作中，所述放出空气是顺序地先馈送穿过初级热交换器110后馈送穿过二级热交换器 120。
[0029]在另一个操作中，冷却模式操作可由环境控制系统200来执行。现将针对图3描述冷却模式操作。图3示出流程300，其起始于框310，其中在入口 101处，以接近最终流速、压力和温度的初始流速、压力(例如，13psia)和温度从飞机的发动机的低压位置接受放出空气。之后，在框320处，由于激活了阀105、106，放出空气分流穿过初级热交换器110和二级热交换器120(例如，并联)两者，以使得阀105处的放出空气的第一温度统一下降为可处于或接近舱室102的温度的第二温度。也就是说，环境控制系统200可通过激活阀106来绕过压缩装置130，以将所述放出空气流从入口 101分流到初级热交换器110和二级热交换器120(例如，箭头A)。两个热交换器进而冷却其对应的放出空气部分。应注意，通过以并行的方式使放出空气分流穿过热交换器110、120(其是损耗非常高的部件)，当与以上放出空气流顺序地流过热交换器110、120的一个操作进行比较时可将放出空气的压降减小一半。
[0030]之后，在框330处，离开二级热交换器120的放出空气流通过阀106的激活而与离开初级热交换器110的放出空气流组合(例如，箭头B)。一般而言，冷却模式操作可称为将放出空气的温度降低到舱室所要求的温度的热交换器冷却模式。冷却模式操作可在以下情况下利用:热交换器110、120的冲压空气冷却是充足的(例如，冲压空气将足够的能量提供给热交换器110、120以降低放出空气的温度)并且放出空气的压力是足够高的以通过环境控制系统200来维持压力，而不需要压缩装置130。
[0031]鉴于以上并行操作，针对冲压空气产生了另一个问题。即，由于压缩装置130被绕过并且没任何东西控制压缩装置130，因此冲压空气会使风扇248发生风车旋转。风车旋转是在冲压空气(或任何介质)引起压缩装置130的部件空转的风车旋转或空转，因此增加压缩装置130的损耗或磨损并且会损坏压缩装置130。例如，迫使风扇248转动的冲压空气会使压缩装置130以任何速度和变化率转动(例如，风车旋转或空转)，从而导致压缩装置130的滚珠轴承、陶瓷轴承、无摩擦轴承等的碎裂。进而，以下针对图4-9的实施方案说明了以下选项:维持压缩装置130的最小速度或关闭压缩装置130，以使得压缩装置130不发生风车旋转或空转。
[0032]图4根据一个实施方案示出了添加了机械装置的环境控制系统400(例如，系统100的实施方案)，所述机械装置用于阻止冲压空气流穿过风扇248并使其转动，或使压缩装置130的轴249停止转动。例如，环境控制系统400除了图2的先前描述的物品之外还包括作为这个机械装置的闸板431。闸板431是以下机构:在接合时，关闭冲压空气在风扇248上的通路，以使得冲压空气不会使压缩装置130发生风车旋转(例如，防止冲压空气流过压缩装置130，因为在不存在这个流的情况下不会发生风车旋转)。在另一个实施方案中，所述机械装置可被实现为制动器，所述制动器使轴249停止旋转，但冲压空气在风扇248上的通路保持开放(例如，所述制动器抓住压缩装置130的任何部分以防止旋转)。另外，一个实施方案可包括压缩装置130周围的旁路通道，所述旁路通道可具有固定的或变化的尺寸。旁路通道通常可成比例地大于压缩装置130的进气口，以使得在压缩装置130不操作(例如，通过上述并行冷却被绕过)时，冲压空气流过所述旁路通道，而不流过压缩装置130 ο此外，一个实施方案可包括闸板431、制动器和旁路通道的任何组合。
[0033]图5根据一个实施方案示出控制压缩装置130的轴249的速度的环境控制系统500(例如，系统100的实施方案)。环境控制系统500除了图2的先前描述的物品之外还包括电机532和任选地阀533(如由虚线示出)。电机532可供应另外的动力以使轴249保持以与冲压空气将引起的每分钟转数相同或比之更大的每分钟转数旋转。例如，继续以上飞机实例，当飞机在巡航时，电机532的每分钟转数可为3，000、3，500、4，000、4，500、5，000、5，500、6，000等或更大，以使得压缩装置130主动转得比风车旋转或空转更快。电机532可以是由任何能源供能以提供另外的动力的供应的任何机械装置(例如，以电池或其他电源操作的电动机、液压电机等)。在另一个实施方案中，环境控制系统500可包括高压水分离器260与涡轮245之间的另一个阀533，以使得放出空气的并行流路通过涡轮245来形成，所述并行流路将足够的动力或能量提供给所述涡轮以使压缩装置130保持转动。这个阀533还可结合向机外(例如，环境控制系统500的外部)排放(dumping)并行流路的这种放出空气一起起作用，这在下文中针对图6-9进行进一步描述。此外，一个实施方案可包括闸板431、制动器、旁路通道、阀533的任何组合，所述阀533引起并行流路并且向机外排放放出空气。
[0034]图6根据一个实施方案示出使用放气来使压缩装置130的现有涡轮245转动的环境控制系统600(例如，系统100的实施方案)ο也就是说，环境控制系统600除了图2的先前描述的物品之外还包括向机外602送出放出空气，反过来通过压缩装置130的涡轮245抽吸放气的阀654。例如，继续以上飞机实例，当飞机在巡航时，飞机外的环境压力可为3psia。在放出空气的压力接近舱室压力(例如，13psia)的情况下，基于阀654的激活而在整个涡轮245上产生压力比(例如，X: Y，其中X是放出空气的压力，而Y是环境压力)。可为13:3的这个压力比迫使放出空气穿过压缩装置130。以此方式，可通过环境控制系统600维持每分钟任何量的转数(例如，每分钟6,000转或更大)，以使得压缩装置130主动转得比风车旋转或空转更快。
[0035]在另一个实施方案中，如图7的环境控制系统700(例如，系统100的实施方案)中所示，舱室压力可被利用来产生压力比。环境控制系统700除了图6的先前描述的物品之外还包括阀755、756，所述阀755、756通过压缩装置130的涡轮245来从舱室102向机外602送出空气。也就是说，基于阀654、755、756的激活，在整个涡轮245上产生压力比(例如，Z:Y，其中Z是来自舱室102的空气的舱室压力，而Y是环境压力)。因此，当舱室压力是12psia而环境压力是3psia时，压力比是4:1。
[0036]图8-9根据其他实施方案示出包括阀806、906和涡轮842的环境控制系统800、900(例如，系统100的实施方案)。系统800、900利用空气的可替代来源，基于所述来源与处在机夕卜602的空气的环境压力之间的压力比来使压缩装置130的涡轮842转动。例如，环境控制系统800利用离开初级热交换器110(例如，来源)并通过阀806调节的放出空气，根据整个涡轮842上的压力比来使压缩装置130转动。另外，环境控制系统900利用离开舱室102(例如，来源)并通过阀906调节的放出空气，根据整个涡轮842上的压力比来使压缩装置130转动。此夕卜，一个实施方案可包括如上所述的机构(例如，闸板431，制动器，旁路通道，引起并行流路、向机外排放放出空气并在整个涡轮245和/或涡轮842上从任何来源产生压力比的阀533)的任何组合，以使得压缩装置130不发生风车旋转或空转。
[0037]本文参考根据本发明的实施方案的方法、设备和/或系统的流程图图解、示意图和/或框图来描述本发明的方面。此外，出于说明目的已经呈现了本发明的各种实施方案的描述，但是其并不意图是穷尽的或者限于所公开的实施方案。在不脱离所描述实施方案的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是明显的。选择本文所使用的术语来最好地解释实施方案的原理、对在市场中发现的技术的实际应用或技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方案。
[0038]在本文中使用的术语只用于描述具体实施方案的目的并且并非意图限制本发明。如本文所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。应当进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时规定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
[0039]本文所描绘的流程图只是一个实例。在不脱离本发明的精神的情况下，本文所描述的这个图或步骤(或操作)可以有许多变型。例如，可以按不同的顺序执行所述步骤，或可以增加、删除或修改步骤。所有的这些变型被认为是所要求保护的发明的一部分。
[0040]虽然已经描述了本发明的优选实施方案，但是将理解，现在和将来的本领域的技术人员可以作出落入以下权利要求范围内的各种改进和增强。这些权利要求应被解释为维持对首次描述的本发明的适当保护。
【主权项】
1.一种系统，其包括: 介质，其从发动机的低压位置流到舱室； 多个热交换器，所述多个热交换器被配置来通过以并行的方式接收穿过所述多个热交换器的至少第一热交换器和第二热交换器的所述介质来提供并行冷却；以及 与所述多个热交换器连通的压缩装置，其被配置来在所述并行冷却期间被绕过；以及 机构，其用于防止所述压缩装置在所述并行冷却期间发生风车旋转。2.如权利要求1所述的系统，其中冲压空气冷却将足够的能量提供给所述多个热交换器，以使所述介质的温度从第一温度下降为第二温度，并且引起所述压缩装置的风车旋转。3.如权利要求1所述的系统，其中所述机构通过使所述压缩装置的轴停止旋转来防止所述压缩装置在所述并行冷却期间发生风车旋转。4.如权利要求3所述的系统，其中所述机构是防止冲压空气流过所述压缩装置的闸板。5.如权利要求3所述的系统，其中所述机构是抓住所述压缩装置的任何部分以防止旋转的制动器。6.如权利要求3所述的系统，其中所述机构是所述压缩装置周围的大于所述压缩装置的进气口的旁路通道。7.如权利要求1所述的系统，其中所述机构是主动使所述压缩装置转得比所述风车旋转更快的来源。8.如权利要求7所述的系统，其中所述来源是被配置来将另外的动力供应给所述压缩装置的轴的电机，以及 其中所述另外的动力使所述压缩装置的所述轴以与所述风车旋转引起的速率相同或比之更大的速率旋转。9.如权利要求7所述的系统，其中所述来源是所述压缩装置的整个涡轮上的压力比。10.如权利要求9所述的系统，其中所述压力比是在所述介质的压力与所述系统之外的环境压力之间。11.如权利要求9所述的系统，其中所述压力比是在舱室压力与所述系统之外的环境压力之间。12.如权利要求9所述的系统，其中所述压力比通过所述压缩装置的所述涡轮的并行流路来产生。13.如权利要求1所述的系统，其中发动机的所述低压位置处的所述介质的压力略微高于舱室压力。14.如权利要求1所述的系统，其中所述系统是飞机的环境控制系统， 其中所述介质是从所述飞机的发动机放出的空气，以及 其中所述舱室是所述飞机的机舱。15.如权利要求1所述的系统，其中所述压缩装置是空气循环机。
【文档编号】B64D13/02GK105857617SQ201610086291
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月15日
【发明人】L.J.布鲁诺, T.M.齐维亚克, H.W.希普斯基, C.W.米洛, D.E.小阿米, P.M.德奥尔兰多, E.G.克莱恩
【申请人】哈米尔顿森德斯特兰德公司