利用并聯沖壓式熱交換器的環境控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及利用并聯沖壓式熱交換器的環境控制系統，公開了一種包括多個熱交換器和壓縮裝置的系統，其被配置來制備從發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。所述壓縮裝置與所述多個熱交換器連通，并且調節流過所述多個熱交換器的所述介質的壓力。
【專利說明】
利用并聯沖壓式熱交換器的環境控制系統
【背景技術】
[0001]—般而言，針對飛機當前的空調系統，機艙增壓和冷卻通過巡航時的發動機分供壓力來提供動力。例如，來自飛機的發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，當前的空調系統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動機燃料燃燒而言提供了有限的效率。
【發明內容】
[0002]根據一個實施方案，系統包括介質，其從發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]根據另一個實施方案，方法包括通過第一閥接收從發動機的低壓位置流到艙室的介質;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流與離開所述第一熱交換器的介質流組合。
[0004]通過本發明中的技術實現另外的特征和優點。本發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明的一部分。為了更好地理解本發明及其優點和特征，參考描述和附圖。
【附圖說明】
[0005]在說明書結尾的權利要求書中具體指出并明確要求保護被認為是本發明的主題。通過以下結合附圖的詳細描述可以清楚地了解本發明的上述以及其他特征和優點，在附圖中:
圖1為根據一個實施方案的環境控制系統的示意圖；
圖2為根據一個實施方案的環境控制系統的操作實例；
圖3為根據一個實施方案的環境控制系統的流程的實例。
【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所公開的設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動機燃料燃燒提供有限的效率。因此，需要以下這樣的環境控制系統:跨越多個熱交換器以并行的方式提供介質，從而在高發動機燃料燃燒效率下提供機艙增壓和冷卻。
[0008]—般而言，本文公開的本發明的實施方案可包括系統，其包括多個熱交換器；以及介質，其流過所述多個熱交換器，其中所述介質從發動機的低壓位置放出，穿過并聯的多個熱交換器而進入艙室。發動機的低壓位置提供初始壓力水平接近介質一旦處在艙室內就呈現的壓力(例如，艙室壓力)的介質。相比之下，常規系統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，常規系統將從發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壓降，因此在介質流過所述多個熱交換器時，所述介質會下降到低于艙室壓力。當介質的壓力低于艙室的壓力時，所述介質不會流到所述艙室中以提供增壓和溫度調節。因此，所述系統將介質流分成多股分流，以使得所述介質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100，其中介質(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100將介質供應給任何環境(例如，艙室102)，從而提供所述環境的調節和/或監控。在一個實施方案中，系統100是交通工具諸如飛機的任何環境控制系統，所述環境控制系統為飛機的機組人員和乘客提供空氣供應、熱控制以及機艙增壓。環境控制系統還可包括航空電子設備冷卻、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100將壓縮空氣(例如，介質)供應給飛機的駕駛艙(例如，艙室102)。空氣通過從飛機發動機的壓縮機級和/或直接從外部空氣(例如，經由沖壓波進氣系統)“放出”而在入口 101處供應給系統100。這種“放出空氣”的溫度和壓力根據壓縮機級和飛機發動機的每分鐘轉數而廣泛地變化。為了實現所需溫度，放出空氣在其穿過熱交換器110、120時被冷卻。為了實現所需壓力，放出空氣在其穿過裝置130時被壓縮。應注意，系統100與飛機發動機的相互作用會影響執行與所述相互作用相關的操作諸如供應壓縮空氣對于飛機發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、關閉或部分地阻礙系統100的管子、管道等內的各種通道來調節、引導和/或控制介質(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100的任何部分中的任何介質的流速可被調節為所需值。例如，閥105使得介質流能夠從入口 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)是為了一種介質到另一種介質的高效的熱傳遞而構造的設備。熱交換器的實例包括套管式、殼管式、板式、板殼式、轉輪式(adiabatic wheel)、板翅式、枕板式以及流體熱交換器。繼續以上飛機實例，由風扇強迫(例如，經由推或拉的方法)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機)是調節介質的壓力(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、往復式、離子液體活塞式、旋轉螺旋式、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動。
[0015]在一個操作中，系統100可通過激活閥106來繞過壓縮裝置130，以將所述介質流從入口 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的介質部分。之后，離開二級熱交換器120的介質流通過閥106的激活而與離開初級熱交換器110的介質流組合(例如，箭頭B)。這個操作可稱為使介質的壓力降低接近艙室壓力的熱交換器冷卻模式。
[0016]根據以上飛機實例，現將參考圖2描述圖1的系統100。圖2示出環境控制系統200(例如，系統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、風尚248以及軸249)，以及高壓水分離器260，它們各自經由管子、管道、導管等等連接，以使得在入口 101 (例如，飛機的發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]環境控制系統200是飛機中為飛機的機組人員和乘客提供空氣供應、熱控制以及機艙增壓的環境控制系統的實例。外殼201是使用運動中的飛機產生的動態空氣壓力來增加外殼內的靜態空氣壓力的沖壓系統的沖壓室的實例。閥207、208、209是上述閥的實例。
[0018]壓縮裝置130可以是調節介質的壓力(例如，增加放出空氣的壓力)的空氣循環機。渦輪245是經由軸249驅動壓縮機242和風扇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。風扇248是經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和風扇248—起調節壓力，并且說明例如空氣循環機(例如，壓縮裝置130)可作為三輪式空氣循環機操作。反過來，三輪式空氣循環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境控制系統200來執行。現將針對圖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)兩者，以使得閥105處的放出空氣的第一溫度統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，環境控制系統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境控制系統200來維持壓力，而不需要壓縮裝置 130。
[0022]本文參考根據本發明的實施方案的方法、設備和/或系統的流程圖圖解、示意圖和/或框圖來描述本發明的方面。此外，出于說明目的已經呈現了本發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域普通技術人員來說將是明顯的。選擇本文所使用的術語來最好地解釋實施方案的原理、對在市場中發現的技術的實際應用或技術改進，或使本領域的其他普通技術人員能夠理解本文所公開的實施方案。
[0023]本文中所使用的術語僅僅是為了描述具體實施方案，并且不意圖限制本發明。如本文所使用，單數形式“一個”、“一種”和“所述”也意圖包括復數形式，除非上下文另外明確指出。應當進一步理解，術語“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本說明書中使用時規定存在所述特征、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明的一部分。
[0025]雖然已經描述了本發明的優選實施方案，但是將理解，現在和將來的本領域的技術人員可以作出落入以下權利要求范圍內的各種改進和增強。這些權利要求應被解釋為維持對首次描述的本發明的適當保護。
【主權項】
1.一種系統，其包括: 介質，其從發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.如權利要求1所述的系統，其中離開所述第二熱交換器的所述介質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的流組合。3.如權利要求1所述的系統，其中所述閥處的所述介質的第一溫度在所述介質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.如權利要求3所述的系統，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.如權利要求1所述的系統，其中發動機的所述低壓位置處的所述介質的壓力略微高于艙室壓力。6.如權利要求1所述的系統，其還包括: 與所述多個熱交換器連通的壓縮裝置，其被配置來調節所述介質的壓力， 其中所述介質在所述閥使所述介質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.如權利要求1所述的系統，其中所述系統是飛機的環境控制系統， 其中所述介質是從所述飛機的發動機放出的空氣，以及 其中所述艙室是所述飛機的機艙。8.一種執行熱交換器冷卻模式的方法，其包括: 通過第一閥接收從發動機的低壓位置流到艙室的介質； 通過定位在多個熱交換器上游的所述第一閥使所述介質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的流與離開所述第一熱交換器的所述介質的流組合。9.如權利要求8所述的方法，其還包括: 根據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的所述流與離開所述第一熱交換器的所述介質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.如權利要求8所述的方法，其還包括: 在所述介質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的第一溫度下降為第二溫度。11.如權利要求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.如權利要求8所述的方法，其中發動機的所述低壓位置處的所述介質的壓力略微高于艙室壓力。13.如權利要求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境控制系統中，其中所述介質是從所述飛機的發動機放出的空氣，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