组合式VOC-O₂-CO₂处理系统的制作方法

组合式VOC-O₂-CO₂处理系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及组合式VOC?O2?CO2处理系统，更具体地涉及一种环境控制系统（ECS），该系统包括接收外部空气的空气调节组件、再生处理子系统；其中该处理子系统包括：构造成在吸附阶段与解吸阶段之间循环的处理床、及接收来自环境的再循环空气并且使再循环空气移动到混合歧管的风扇。
【专利说明】
组合式V0C-02-C02处理系统
技术领域
[0001]本发明总体上涉及用于在环境控制系统(ECS)中对空气流进行处理以便调节空气成分的浓度的装置和方法。这些成分包括天然的空气化合物以及会导致气味的化合物。
【背景技术】
[0002]具有不同类型和复杂性的ECS被应用于军用和民用飞机、直升飞机、及航天器的用途。例如，由发动机或辅助动力单元(APU)引气系统、或者包括地面供给和电动压缩机的其它空气源从航空器外部所提供的空气流被流通至人员舱、货舱和电子设备舱。被输送至客舱和其它人员舱的空气通常是相似量的外部空气与再循环客舱空气的混合物。该空气的质量一般来说是非常好的，特别是在巡航高度上和在正常工作状态期间。
[0003]外部空气源是被压缩的发动机空气。该外部空气的成本与发动机用于将空气压缩且没有产生推力的益处的燃料有关。通常，在发动机中对外部空气的压缩及由ECS对外部空气的调节高达用于飞行的总燃料消耗的3%。在1970年代，NASA的研究得出了以下结论:使客舱空气再循环可以在不影响空气质量的情况下降低燃料消耗。从那以后，进入客舱的再循环空气的比率为大约50%，但仍然为每名乘客提供高流量的外部空气。当再循环比增加到超过50%时，存在导致气味的化合物(挥发性有机化合物，或V0C)或者来自乘客呼气的二氧化碳(CO2)的浓度会影响空气质量的可能性。另一个感兴趣的方面是客舱压力，该客舱压力部分地决定于压缩发动机空气的压力和流量。铝制航空器通常具有相当于在8，000英尺高度的客舱压力，而较新的复合材料航空器通常具有相当于在6，000英尺高度的客舱压力。随着等效高度的降低客舱增压的成本也增加，这不仅是由于外部空气的成本而且是由于容纳增大的压力所需的机身强度和重量所致。最后，外部空气可含有V0C，特别是在会导致客舱中气味(SIC)事件的地面操作期间，这会导致非预定的且得不到保证的维修、飞行中断和乘客不适。
[0004]因此，理想的是增加再循环流量，同时维持或者甚至改善当前的空气质量。

【发明内容】

[0005]在本发明的一个方面中，具有流入环境中的供给空气中的各成分的环境控制系统(ECS)(其中供给空气包括外部空气和离开该环境的再循环空气)包括:接收外部空气的空气调节组件;在环境上游的混合歧管;在环境与混合歧管中间的风扇；及位于在环境下游的第一位置或者在环境上游的第二位置中的一个位置的再生处理子系统。
[0006]在本发明的另一方面中，具有流入环境中的供给空气中的各成分的环境控制系统(ECS)(其中供给空气包括外部空气和离开环境的再循环空气)包括:接收外部空气的空气调节组件;在环境上游的混合歧管;在环境与混合歧管中间的风扇;及位于在风扇与环境中间的第一位置、在混合歧管与环境中间的第二位置和在风扇与混合歧管中间的第三位置中的一个位置的再生处理子系统。
[0007]在本发明的又一方面中，环境控制系统中的再生处理子系统包括具有第一组吸附剂区的第一处理床、和具有第二组吸附剂区的第二处理床;其中第一和第二处理床可以在吸附阶段与解吸阶段之间循环。
[0008]参考以下的附图、描述和权利要求，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
【附图说明】
[0009]图1是根据本发明的第一示例性实施例的环境控制系统的方框图；
图2是根据本发明的第二示例性实施例的环境控制系统的方框图；
图3是根据本发明的第三示例性实施例的环境控制系统的方框图；
图4是根据本发明的一个示例性实施例的组合式处理床的示意图；
图5A-图5E是根据本发明的各实施例的单一处理床的示意图。
【具体实施方式】
[0010]以下的详细说明是实施本发明的目前最佳方式。该详细说明不应被看作是限制性的，而仅仅是用于说明本发明一般原理的目的，因为本发明的范围是由所附权利要求最佳地限定。
[0011]下面描述了各种发明特征，这些发明特征可以相互独立地或者结合其它特征而被应用。然而，任何单个的发明特征可能不能解决一些上述问题或者只能够解决上述问题中的一个问题。此外，一个或多个上述问题可能不能通过一些下面所描述的特征而得到完全解决。
[0012]本发明总体上提供一种可以除去外部空气或再循环空气中的各种空气成分的环境控制系统(ECS)。外部空气可包含经过发动机或APU引气系统或者包括地面供给和电动压缩机的其它空气源而进入ECS的空气。
[0013]本文中所使用的、有关于在另一个系统部件的上游或下游的系统部件的术语“直接地”表示:在这两个系统部件之间，除了用于使流体在这两个系统部件之间流动的装置(例如，管)以外，不存在影响流体的第三系统部件。
[0014]第一实施例
如图1中所示，根据本发明的第一示例性实施例的ECS 100可接收外部空气101，该外部空气101可包含如氮气(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、挥发性有机化合物(VOC)和/或一氧化碳(CO)的各成分。在各实施例中，VOC可以以约O ppm至约10 ppm的含量而存在，02可以以约20%至约21%的含量而存在，CO2可以以O至5,000 ppm的含量而存在，CO可以以约O ppm至约50 ppm的含量而存在。空气调节组件102可接收外部空气101并使其冷却。空气调节组件102可以是常规的设计，例如美国专利6381969中所揭示的，该专利的全部内容以参考的方式并入本文中。
[0015]来自空气调节组件102的经调节空气103可流入直接地在组件102下游的混合歧管104。在混合歧管104中，经调节空气103可以与经处理再循环空气115混合，并且以混合空气105的形式被分配进入直接地在混合歧管104下游的客舱和/或驾驶舱环境106中。
[0016]在客舱和/或驾驶舱环境106中，可通过影响空气的组成使得客舱流出空气107可包含与外部空气101或者进入客舱或驾驶舱环境105的空气不同浓度的空气成分，例如V0C、02、C0和/或C02。在各实施例中，在流出空气107中，VOC可以以约O ppm至约10 ppm的含量而存在，O2可以以约20% ppm至约21%的含量而存在，CO2可以以约400 ppm至约5000 ppm的含量而存在。
[0017]离开环境106的空气107可以被排放到机外108并且/或者以再循环空气109的形式被再循环。
[0018]直接地在环境106下游的再生处理子系统110可以对再循环空气109进行处理。该子系统可包括两个或更多的处理床，每个处理床可以对(一种或多种)成分进行吸附和解吸。这可以允许第一处理床IlOA处于对成分进行吸附的吸附阶段，同时第二处理床IlOB处于对成分进行解吸的解吸阶段并因此将使自身再生以便对成分进行吸附。在一个或两个阶段结束之后，第一床可以转换到解吸阶段并且第二床可以转换到吸附阶段。由此，处理床可以继续在吸附阶段与解吸阶段之间循环。
[0019]例如，在图1中并且如下面参考图4进一步地描述，第一处理床IlOA可对一种或多种不同的空气成分进行吸附，例如V0C、N2、C0和/或C02。同时，第二处理床IlOB可对一种或多种空气成分进行解吸，例如V0C、N2、C0和/或C02。在各实施例中，在由第一处理床IlOA进行吸附并且/或者由第二处理床IlOB进行解吸之后，床可对阶段进行转换，因此第一处理床IlOA对成分进行解吸并且第二处理床I1B对成分进行吸附。
[0020]在图1中，将阶段的转换示意性地图示为:空气111离开床IlOA并且其一部分以空气112的形式进入床110B。通过这种转换，第二处理床IlOB可以对再循环空气109中的成分进行吸附，同时第一处理床IlOA可以将成分解吸到机外113。根据需要，第一和第二床110A-B可继续在吸附阶段与解吸阶段之间循环。
[0021]在各实施例中，再生处理子系统110可对VOC进行吸附，使得在离开子系统110的经处理空气111中的VOC可处在约O ppm至约I ppm、或者约O ppm至约0.1 ppm、或者约O ppm至约0.01 ppm的水平。在各实施例中，再生处理子系统110可对犯进行吸附，使得在离开系统110的经处理空气111中的O2可处在约21%至约24%、或者约22%至约26%、或者约22%至约28%的水平。
[0022]在各实施例中，再生处理子系统110可对CO2进行吸附，使得在离开子系统110的经处理空气111中的C02可处在约1000 ppm至约2000 ppm、或者约400 ppm至约1000 ppm、或者约O ppm至约400 ppm的水平。
[0023]来自再生处理子系统110的经处理空气111可以被直接地在子系统110下游的自适应再循环风扇114所拉动，该子系统110可接收并调节经处理再循环空气111的气流。风扇114可以是常规的设计，例如在美国专利5145124中所揭示，该专利的全部内容并入本文中。来自风扇114的空气115可返回至混合歧管104。
[0024]第二实施例
图2中示出了本发明的第二示例性实施例。根据第二示例性实施例，ECS 200类似于包括吸附阶段与解吸阶段的转换的图1中所示的ECS 100;然而，ECS 200可以包括在混合歧管的下游且在客舱和驾驶舱环境上游的再生处理子系统。
[0025]在图2中，外部空气201可以进入空气调节组件202。经调节空气203可以离开组件202并且可以进入直接地在组件202下游的混合歧管214。
[0026]来自混合歧管214的混合空气215可以进入直接地在混合歧管214下游的再生处理子系统205。来自子系统205的经处理空气207中的一部分可以转到机外204从而帮助一个处理床的解吸阶段，其余的经处理空气207可以以经处理空气208的形式而转到环境209中，例如航空器客舱和/或驾驶舱。
[0027]环境209中的空气可离开并且部分地或完全地转到机外210，或者部分地或完全地以再循环空气211的形式而流动。被排放到机外210的空气与再循环空气211之间的平衡可以由客舱压力控制排程所决定。再循环空气211可包含例如V0C、02和/或CO2的成分。在各实施例中，在实施处理之前，再循环空气211可含有以下初始浓度的各成分。VOC可以以约Oppm至约10 ppm的含量而存在，02可以以约20%至约21%的含量而存在，C02可以以约400 ppm至约5000 ppm的含量而存在。
[0028]再循环空气211可以流动经过直接地在环境209下游的自适应再循环风扇212，并且来自风扇212的空气213可以流入混合歧管214中，其中空气213可以以O至100%的变化的量与经调节空气203混合。
[0029]第三实施例
图3中示出了本发明的第三示例性实施例。在其中，ECS 300类似于图1中所示的ECS100;然而，ECS 300包括可以对再循环客舱空气进行处理的两个再生处理子系统。这两个再生处理子系统具有不同的构造(例如它们的物理设计)、它们所吸附成分或空气成分的类型、及它们所吸附成分或空气成分的含量。
[0030]在图3中，可以由ECS组件302对外部空气301进行调节。来自ECS组件302的经调节空气303可以进入直接地在组件302下游的混合歧管304。来自混合歧管304的混合空气305可以流入直接地在混合歧管304下游的客舱和/或驾驶舱环境306。
[0031]来自环境306的空气307可离开，然后部分地或完全地转到机外308。空气307也可以再循环空气309的形式而流动。再循环空气309可包含如VOC和/或CO2的成分。在各实施例中，基于乘客活动和客舱通风率，VOC可以以高达约10 ppm的含量而存在，CO2可以以约400ppm至约5000 ppm的含量而存在;并且氧气浓度可从约21%的环境空气含氧量仅略微地减小。这些浓度代表在实施处理之前各成分的示例性初始浓度。
[0032]再循环空气309可进入直接地在环境306下游的第一再生处理子系统310中，以便各自在组合式吸附床310A-B的一个独立阶段(下面参照图4进行描述)中除去湿气、挥发性有机化合物和二氧化碳。
[0033]来自第一再生处理子系统310的大部分(S卩，>50%)的再循环空气309可以以经处理空气311的形式而离开。经处理空气311中的一部分312可以用于清洁再生床(310A或B)并且离开至机外319。
[0034]经处理空气311可以通过直接地在子系统310下游的自适应再循环风扇314，并且部分地或完全地被分流阀315分配至第二再生处理子系统317或者被旁通经过导管316。
[0035]直接地在风扇314下游的第二再生处理子系统317可以从已被第一再生处理子系统310纯化的经处理空气311中除去氮气并因此产生富氧空气。
[0036]在各实施例中，第一再生处理子系统310可对VOC和CO2进行吸附，使得在离开子系统310的经处理空气311中的VOC可处于约O ppm至约I ppm、或者O ppm至约0.1 ppm、或者约O ppm至约0.01 ppm的水平。在离开子系统310的经处理空气311中的C02可处于约1000 ppm至约2000 ppm、或者约400 ppm至约1000 ppm、或者约O ppm至约400 ppm的水平。
[0037]在各实施例中，第二再生处理子系统317可除去氮气因此提供富氧空气，使得在离开子系统317的经处理空气318中的O2可处于约21%至约24%、或者约22%至约26%、或者约22%至约28%的水平。
[0038]来自第二再生处理子系统317的空气以经处理空气318的形式而存在。经处理空气318中的一部分320可以用于清洁再生床(317A或B)并且离开到机外321。然后，经处理空气318可流动至混合歧管304，其中经处理空气318可以以O至100%的变化量与来自ECS调节组件302的经调节空气303混合。
[0039]图4中示出了可以被应用于图1-图3中所示ECS的实施例的再生处理子系统400的一个示例性实施例。尽管图4被图示为在一个处理床中具有四个吸附剂区/级，但可以采用更少或更多的吸附剂区/级。
[0040]在图4中，可以利用颗粒过滤器402对供给空气流401进行过滤，从而防止下游装置受到机械损伤。可以利用能够检测如V0C、C02、⑶、O2或N2的成分的空气质量传感器403对空气流401的质量进行检测。基于由空气质量传感器403所检测的空气409的质量，阀404可使空气流经过导管409部分地或完全地绕过再生处理床405和406。可以利用由控制系统413所控制的双作用电磁阀407A和407B引导进入再生处理子系统400的空气流，使其进入组合式处理床405或406中的一个处理床。
[0041 ]图4中示出了引导空气流409使其只进入床405的阀407B的构造。空气可以通过组合式吸附床405的单独的段405A-D(参照图5的描述)(或者床406的段406A-D)。作为一个例子，第一段405A可以除去H20(如果存在于空气流中)从而保护下游段以便于除去如V0C、C02、0)或犯的成分或空气成分。处理床405、406的截面可以是圆形或类似的形状，从而使在吸附空气成分方面为低效的边缘和边界区最小化。止回阀410B可允许空气以经处理空气412的形式通过并离开再生处理子系统，但防止经处理空气经过再生床的反向流动和回流。
[0042]类似地，阀407A可以将空气409引导至床406，经过段406A-D、经过阀410A，以经处理空气412的形式而离开。
[0043]在图4中，基于被固定在用不同沸石材料所制成的多孔吸附剂床中的沸石晶体，可以利用一系列的多个吸附段而实现吸附阶段。存在着许多用于吸附特定空气成分的市售的沸石。在本发明中，可使用下列沸石:用于水吸附的硅胶或UOP的0xySivTM;U0P的用于CO2吸附的Oxy s i V 5A?;和UOP的用于N2吸附以便氧富集的MDX?。
[0044]上面所列出的沸石也可以吸附V0C。吸附剂床的饱和程度可决定于预计的空气组成和从吸附阶段活化开始所经过的时间、或者决定于在组合式处理床(未图示)下游的空气组成的传感器。
[0045]在图4中通过清洁孔口 411A(或411B)可以启动解吸阶段，从而允许一部分的经处理空气412反向地通过组合式处理床，从而支持单独段405A-D(或406A-D)的解吸其中被吸附的空气成分反向流动经过电磁阀并且以机外空气流408的形式而排出。另一个启动解吸阶段的方法是将该床加热，然后使其冷却而返回到准备吸附状态。
[0046]可利用允许空气流401通过的粗支撑网格将各吸附剂床与其它床物理地分开。
[0047]图5A-图5E中示出了用于再生处理子系统的一个处理床的替代实施例。通常，处理床可以构造成对一种或多种不同成分进行吸附/解吸。该处理床也可以构造成在不同成分之间改变吸附的时间和/或量。
[0048]图5A中示出了当空气流704通过床700时可以在不同的吸附剂区701、702、703吸附V0C、C02和N2(按该顺序)的示例性处理床700。用于吸附/解吸的时间可以在用于通过除去大量氮气而氧富集的数秒至用于除去V0C、C0和其它低浓度空气成分的数分钟或数小时的范围内。各吸附区中的(一种或多种)吸附剂的量可以根据从空气流704中被除去的空气成分的浓度、和在处理床700下游的目标空气成分而变化。
[0049]尽管在图5A中未不出，但(一种或多种)吸附剂可存在于例如金属支撑网格的(一种或多种)支撑材料上，(作为提高大型床的抗振性能的手段)。在本实施例中，(一种或多种)吸附剂可包括一种或多种沸石。尽管不同的区701、702、703被图示为分开的段，但本发明包括其中各区不分开并且可将在整个床中不同的沸石混合的实施例。
[0050]图5B中示出了类似于图5A中所示的处理床。然而，在图5B中，存在四个吸附剂区，其中各区具有大致相同的吸附时间和/或吸附剂量，并且各阶段是采用H20、V0C、C0dPN2的顺序。本实施例可以用于空气流的处理，其中大量的湿气将会对后继阶段的性能造成负面影响。
[0051 ]图5C中示出了用于H2O、VOC和N2 (按该顺序)的三个吸附剂区处理床，其中将CO2除去阶段省略，从而简化用于具有大约400 ppm低CO2浓度的外部空气流处理的处理床。
[0052 ]图中示出了用于VOC、CO2和N2 (按该顺序)的三个吸附剂区处理床，其中所有三个区在时间和/或吸附剂量上是不同的，这是为含有被除去的一种主要污染物或空气成分的空气流的处理而优化。
[0053]图5E中示出了混合式吸附剂处理床，其中物理分开的吸附剂区是不存在的并且在一个载体上将各吸附剂加以混合。
[0054]当然，应当理解的是前述内容与本发明的示例性实施例有关，并且在不背离所附权利要求中所陈述的本发明精神和范围的前提下可作出修改。
【主权项】
1.一种具有流入环境中的供给空气中的成分的环境控制系统，其中，所述供给空气包括外部空气和离开所述环境的再循环空气，所述系统包括: 接收所述外部空气的空气调节组件； 在所述环境上游的混合歧管； 在所述环境与所述混合歧管中间的风扇;和 位于在所述环境下游的第一位置和在所述环境上游的第二位置中的一个位置的再生处理子系统。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一位置正好位于所述环境的下游。3.如权利要求1至2中任一项所述的系统，其中，所述第一位置正好位于所述风扇的上游。4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述第二位置正好位于所述混合歧管的下游。5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述第二位置正好位于所述环境的上游。6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述混合歧管正好位于所述空气调节组件的下游。7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述环境正好位于所述混合歧管的下游。
【文档编号】F24F11/00GK106091229SQ201610272241
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年4月28日 公开号201610272241.0, CN 106091229 A, CN 106091229A, CN 201610272241, CN-A-106091229, CN106091229 A, CN106091229A, CN201610272241, CN201610272241.0
【发明人】J.路德维克, P.M.米查拉科斯
【申请人】霍尼韦尔国际公司