循環期間將機艙排放空氣與放出空氣混合的環境控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了循環期間將機艙排放空氣與放出空氣混合的環境控制系統。提供了一種系統和方法，其包括空氣循環機、放出空氣流、至少一個熱交換器以及進氣口，所述進氣口被配置來供應所述放出空氣流。所述放出空氣根據高壓模式或再循環冷卻模式直接從源流出以與所述空氣循環機的壓縮機下游的再循環空氣混合。所述系統和方法還能夠根據以上模式利用從腔室流出的所述再循環空氣來驅動或維持所述空氣循環機。
【專利說明】
循環期間將機艙排放空氣與放出空氣混合的環境控制系統
【背景技術】
[0001]總的來說，航天工業存在趨向于飛機內更有效的系統的整體趨勢。相對于飛機的當前空調系統，能夠基于飛機周圍的環境條件利用適當的發動機分供壓力來得到效率。
[0002]例如，來自飛機的發動機的加壓空氣通過改變加壓空氣的溫濕度和壓力的一系列系統來提供給機艙。為了啟動加壓空氣的這種制備，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。遺憾地是，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】

[0003]根據一個實施方案，環境控制系統包括與放出空氣源匹配的壓縮機出氣口以及直接流入壓縮機中的再循環空氣，其中從所述壓縮機出氣口排放的所述再循環空氣處于與放出空氣源供應的放出空氣的相同壓力下，其中從所述壓縮機出氣口排放的所述再循環空氣與所述放出空氣源供應的所述放出空氣結合來產生混合空氣。
[0004]通過本發明中的技術可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]在所附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【具體實施方式】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:
[0006]圖1描繪根據實施方案的系統的示意圖；
[0007]圖2描繪根據實施方案的系統的另一個示意圖；
[0008]圖3描繪根據實施方案的系統飛機的高壓模式示意圖；
[0009]圖4描繪根據實施方案的系統飛機的再循環冷卻模式示意圖；并且
[0010]圖5描繪根據實施方案的系統飛機的增壓壓力模式示意圖。
【具體實施方式】
[0011]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【具體實施方式】。
[0012]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，需要的是環境控制系統，所述環境控制系統除去初級熱交換器并且使用機艙排放空氣來在高空啟動循環，從而提供在較高發動機燃料燃燒效率下的機艙加壓和冷卻。
[0013]總的來說，本文所公開的本發明的實施方案可以包括一種系統和/或方法(本文中為系統)，所述系統包括環境控制系統，所述環境控制系統排除位于發動機與空氣循環機之間的熱交換器以創造可能的最低壓降軌跡。環境控制系統提供機艙空調的新方法，所述機艙空調例如能夠在低到機艙壓力以下2.5psi的壓力下工作。
[0014]圖1示出流動通過系統100從進氣口101到腔室102的介質(例如，空氣)，如實線箭頭A，B指示。在系統100中，介質能夠從進氣口 101流動到壓縮裝置120、從壓縮裝置120流動到二級熱交換器130、并且從二級熱交換器130流動到腔室102。此外，介質從腔室102通過系統100再循環并且返回到腔室102(和/或系統100外部)，如點劃線箭頭D，E指示。
[0015]在一個實施方案中，系統100能夠是交通工具諸如飛機或船只的任何環境控制系統，所述環境控制系統為交通工具(例如，飛機的機艙空調系統)的機組人員和乘客提供空氣供應、熱控制和機艙加壓。所述系統還可以包括航空電子設備冷卻、煙霧檢測和滅火。例如，在飛機上，通過從渦輪發動機的壓縮機級“流出”來向環境控制系統供應空氣。這種“放出空氣”的溫度、濕度和壓力根據壓縮機級和渦輪發動機的每分鐘轉數而廣泛地變化。為了實現所需溫度，放出空氣在其通過至少一個熱交換器(例如，交換器130)時被冷卻。為了實現所需壓力，放出空氣在其通過壓縮裝置(例如，壓縮裝置120)時被壓縮。環境控制系統與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加壓空氣對于發動機所需的燃料燃燒的量。
[0016]熱交換器(例如，二級熱交換器130)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、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，通過推或拉的方法)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。
[0017]壓縮裝置120(例如，如下所述的空氣循環機)是控制/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，壓縮機通常由電動機或蒸汽或燃氣渦輪驅動。
[0018]應注意，圖1的系統100與包括傳統的機艙三輪空調系統的常規機艙空調系統相對照。在常規機艙空調系統中，例如來自發動機的高壓空氣順序地通過第一沖壓空氣熱交換器、空氣循環機、第二沖壓空氣熱交換器以及空氣在其中冷卻和除濕的高壓水分離器，使得生成的干燥冷空氣被用來冷卻機艙、飛行甲板以及其他飛機系統。在工作中，那么來自任一發動機的高壓高溫空氣進入第一熱交換器并且由沖壓空氣冷卻。這種高壓暖空氣接著進入ACM壓縮機中。所述壓縮機還加壓空氣并且在過程中加熱空氣。空氣接著進入第二熱交換器并且由沖壓空氣冷卻到近似周圍溫度。這種高壓冷空氣進入高壓水分離器，其中空氣流過再熱器，其中空氣被冷卻;冷凝器，其中空氣由來自ACM渦輪的空氣冷卻；除濕器，其中空氣中的濕氣被去除；以及再熱器，其中空氣被加熱回幾乎其在當進入高壓水分離器時開始的相同的溫度。高壓并且現在干燥的暖空氣進入渦輪，空氣在其中膨脹并且做功。來自渦輪的功驅動上述壓縮機以及用來通過第一和第二熱交換器拉動沖壓空氣流的風扇。在離開渦輪之后，冷空氣(通常低于冰點)冷卻冷凝器中的暖濕空氣并且接著被發送來適應機艙和飛行甲板。
[0019]根據以上飛機實例，現將參考圖2-5描述圖1的系統100。圖2描繪如能夠被安裝在飛機上的系統200(例如，系統100的實施方案)的示意圖。系統200示出在進氣口 201處流動(例如，在初始流速、壓力、溫度和濕度下切斷飛機的發動機)的放出空氣，這進而在最終流速、壓力、溫度和濕度下被提供給腔室202(例如，機艙、飛行甲板等)。接著放出空氣通過系統200從腔室202往回再循環(本文中為再循環空氣并且由點劃線表示)以驅動系統200。系統包括外殼210，所述外殼210用于接收和引導沖壓空氣通過系統200。
[0020]系統200還示出二級熱交換器220、空氣循環機240(其包括渦輪243、壓縮機244、渦輪245、風扇248以及軸249)、再熱器250、冷凝器260以及除濕器270，其中每個通過管子、管道等連接。應注意，基于實施方案，來自系統200的廢氣能夠被發送至出氣口(例如，釋放到周圍空氣)。
[0021]系統200是飛機中為飛機的機組人員和乘客提供空氣供應、熱控制以及機艙加壓的環境控制系統的實例。閥是以下裝置:通過打開、關閉或部分地阻礙環境控制系統200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。閥能夠通過致動器來操作，以使得環境控制系統200的任何部分中的任何介質的流速可以被調節為所需值。二級熱交換器220是如上所述的熱交換器的實例。
[0022]包括渦輪243、壓縮機244、另一個渦輪245、風扇248以及軸249的空氣循環機240(例如，壓縮裝置120)控制/調節介質的溫度、濕度以及壓力(例如，增加放出空氣的壓力)。壓縮機244是提高所接收的空氣的壓力的機械裝置。壓縮機244被配置來(不管在低壓模式期間(例如，在高空)、高壓模式(例如，在地面)、再循環冷卻模式或增壓壓力模式期間)對從腔室202中排放的再循環空氣進行加壓以匹配或緊密地匹配放出空氣的壓力。渦輪243、245是通過軸249驅動壓縮機244和風扇248的機械裝置。風扇248是能夠通過推或拉的方法迫使空氣通過外殼210，從而在可變冷卻氣流下通過二級熱交換器220的機械裝置。因此，渦輪243、245，壓縮機244以及風扇248共同示出(例如)空氣循環機240可以作為利用從腔室202再循環的空氣的四輪空氣循環機來工作。
[0023]再熱器250和冷凝器260是具體類型的熱交換器。除濕器270是臨時地或永久地執行從任何源(諸如放出空氣)中吸收水的過程的機械裝置。再熱器250、冷凝器260、和/或除濕器270能夠共同結合成高壓水分離器。
[0024]應注意，在圖2的環境控制系統200中不存在“初級”熱交換器。以此方式，環境控制系統200示出與常規系統相比能夠在相對較低的壓力下工作(例如，在機艙壓力以下2.5psi下工作)的機艙空調(例如，腔室202)的新方法。也就是說，環境控制系統200除去“初級”熱交換器并且利用來自腔室202的再循環空氣(例如，使用機艙排放空氣)以在高空啟動空氣循環機240。進而，當環境控制系統200與三端口放出系統結合時，位于發動機與空氣循環機之間的直接軌跡創造了可能最低的壓降軌跡。
[0025]圖2的箭頭示出如由閥引導的放出空氣和再循環空氣可以流動通過環境控制系統200的所有可能的軌跡。現將參照圖3-5來描繪流動軌跡的不同組合的實施方案。
[0026]圖3描繪系統200在高壓模式下工作(例如，圖2的系統200的操作性實施方案)的示意圖。放出空氣流被示出為流動通過系統200從進氣口 201到腔室202的實線箭頭。再循環空氣流被示出為從腔室202通過系統200流動的點劃線箭頭。能夠在當來自源(例如，發動機和/或APU)的氣壓足夠來驅動系統200的循環時或當腔室202溫度要求時的飛行條件下使用這種工作模式。例如，條件諸如地面慢車、滑行、起飛、爬升、降落、待機等條件將使得空氣循環機240在高壓模式下工作。另外，超高溫高海拔巡航條件可能導致一個或多個空氣循環機240在此模式下工作，和/或每個系統兩個或更多個空氣循環機240在不同模式下工作。例如，當周圍溫度是熱的時(例如，高于名義上的白天6至10度或更標準大氣溫度)，一個或多個空氣循環機240中的一個或多個將在所述模式下。
[0027]在工作中，再循環空氣從腔室202流動并且進入壓縮機244。壓縮機244還加壓再循環空氣并且在過程中加熱所述再循環空氣。另外，放出空氣諸如來自源(例如，發動機和/或APU)的高壓高溫空氣從進氣口 201流出，并且在壓縮機244的下游與加壓的和加熱的再循環空氣混合。以此方式，來自源的放出空氣通過進氣口 201完全旁通空氣循環機240。混合空氣接著進入二級熱交換器220并且由外殼210的沖壓空氣冷卻到近似周圍溫度。由于這種混合，從壓縮機244排放的再循環空氣的壓力由壓縮機244管理以匹配或緊密地匹配放出空氣的壓力。這種高壓混合冷空氣離開二級熱交換器220并且進入高壓水分離器。
[0028]應注意，在常規飛機系統中，根據由混合腔室執行的過程產生供應給機艙的空氣。混合腔室將來自包(例如，空氣循環機)的在第一溫度下的放出空氣與來自機艙的在最高達50度的空氣的第二溫度下的再循環空氣混合，以便向機艙提供已調適的空氣。相比之下，高壓模式的操作性實施方案在空氣循環機240內共同調適來自源的再循環空氣和放出空氣以產生高壓混合冷空氣，從而除去對混合腔室的需要。
[0029]在高壓水分離器中，高壓混合冷空氣流過再熱器250，其中空氣被冷卻；冷凝器260，其中空氣由來自空氣循環機240的渦輪243的空氣冷卻；除濕器270，其中空氣中的濕氣被去除；以及再熱器250，其中空氣被加熱回幾乎其在當進入高壓水分離器時開始的相同的溫度。高壓并且現在干燥的暖空氣進入渦輪243，空氣在其中膨脹使得能夠做功。來自渦輪243的功能夠驅動上述壓縮機244以及用來拉動沖壓空氣流動通過外殼210并且穿過二級熱交換器220的風扇248。在離開渦輪243之后，空氣是寒冷的，諸如低于冰點。這種冷空氣在被發送至腔室202之前被用來冷卻冷凝器260中的暖濕空氣(例如，以適應飛機的機艙和飛行甲板)。
[0030]應注意，在超高溫高海拔巡航條件下(例如，當飛機在巡航時，諸如高于30，000或40，000英尺)，高壓混合冷空氣一旦離開二級熱交換器220就可以旁通高壓水分離器并且直接進入腔室202。在此情形下，來自腔室的再循環空氣可以被用來驅動渦輪245并且防止空氣循環機240空轉(即，低于最小轉速轉動，諸如3，000、3，500、4，000、4，500、5，000、5，500、6，000等轉數/分鐘)ο也就是說，再循環空氣被從腔室202排出，穿過渦輪245膨脹，并且基于外殼210的周圍空氣與再循環空氣之間的壓力比被泄入外殼210中。
[0031]圖4描繪系統200在再循環冷卻模式下工作的示意圖(例如，圖2的系統200的操作性實施方案)。放出空氣流被示出為流動通過系統200從進氣口 201到腔室202的實線箭頭。再循環空氣流被示出為從腔室202通過系統200流動的點劃線箭頭。能夠在當來自源(例如，發動機和/或APU)的氣壓足夠來驅動系統200的循環時或當腔室202溫度要求時的飛行條件下使用這種工作模式。將要在其中來自源(例如，發動機和/或APU)的氣壓在處于或近似處于I至3psi或超過腔室202的壓力下進入空氣循環機240的飛行條件下使用這種工作模式。例如，可以在此類條件下(如當飛機在巡航時(例如，在高于30，000或40，000英尺高度)并且處于或接近標準環境日類型時)利用這種模式。
[0032]在工作中，再循環空氣從腔室202流動并且進入壓縮機244。壓縮機244還加壓再循環空氣并且在過程中加熱所述再循環空氣。另外，放出空氣諸如來自源(例如，發動機和/或APU)的高壓高溫空氣從進氣口 201流出，并且在壓縮機244的下游與加壓的和加熱的再循環空氣混合。以此方式，來自源的放出空氣通過進氣口 201完全旁通空氣循環機240。混合空氣接著進入二級熱交換器220并且由外殼210的沖壓空氣冷卻到近似周圍溫度。由于這種混合，從壓縮機244排放的再循環空氣的壓力由壓縮機244管理以匹配或緊密地匹配放出空氣的壓力。這種高壓冷混合空氣離開二級熱交換器220，旁通高壓水分離器，并且進入腔室202。在這種情形下，再循環空氣被用來使空氣循環機240保持在處于或高于最小轉速下(即，高于風轉轉速)轉動，從而使用再循環空氣來驅動渦輪245。也就是說，空氣循環機240可能需要維持轉動以便防止風轉。因此，在一個實例中，再循環空氣被用來使空氣循環機240通過使用調節閥保持在處于或高于最小轉速下轉動。所述最小轉速是至少5000RPM，更優選地15，0001^1，仍然更優選地30，0001^1。防止風轉的機構的其他實例包括電風扇、斷路、旁通風扇等。
[0033]圖5描繪系統200在增壓壓力模式下工作的示意圖(例如，圖2的系統200的另一個操作性實施方案)。放出空氣流被示出為流動通過系統200從進氣口 201到腔室202的實線箭頭。再循環空氣流被示出為從腔室202通過系統200流動的點劃線箭頭。能夠在當來自源并且進入空氣循環機240的空氣的壓力低于腔室202的壓力時(例如，處于或低于1、1.5、2、2.5、3、3.5等鎊/平方英寸)的飛行條件下使用這種工作模式。例如，可以在此類條件下(如當飛機在巡航時(例如，在高于30，000或40，000英尺高度)并且處于或接近標準環境日類型時)利用這種模式。
[0034]在工作中，來自源的空氣進入壓縮機244并且被壓縮和加熱。這種加壓暖空氣接著進入二級熱交換器220并且由外殼210的沖壓空氣冷卻到腔室202所需的溫度。空氣接著直接進入腔室202中。
[0035]此外，再循環空氣被用來提供能量以加壓放出空氣。也就是說，再循環空氣穿過渦輪245進入并且膨脹，并且使得做功。這個功足以在壓縮機244要求的轉速下轉動空氣循環機240以將通過進氣口 201來自源的放出空氣的壓力提高到使得放出空氣能夠通過二級熱交換器220并且進入腔室202中的壓力。應注意，離開渦輪245的再循環空氣接著被通過外殼210泄向艙外。
[0036]本發明的實施方案的技術效應和益處包括提供如在增壓壓力模式和高壓模式下是高效的空氣循環機。例如，在上述實施方案中，高壓模式下的壓縮機能夠具有14.7psi的進口壓力，而在增壓壓力模式下壓縮機進口壓力能夠是8.5psia。進而，選擇高壓模式下的壓縮機的氣流，壓縮機范圍能夠變窄以對準壓縮機工作點并且實現增壓壓力模式下的更高的效率。
[0037]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。
[0038]在本文中使用的術語僅用于描述具體實施方案的目的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。
[0039]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。
[0040]雖然已經描述了本發明的優選實施方案，但是應理解，現在和將來的本領域的技術人員可以作出落入所附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】
1.一種環境控制系統，其包括: 與放出空氣源匹配的壓縮機出氣口；以及 直接流入壓縮機的再循環空氣，所述壓縮機包括所述壓縮機出氣口， 其中從所述壓縮機出氣口排放的所述再循環空氣處于與所述放出空氣源供應的放出空氣相同的壓力下， 其中從所述壓縮機出氣口排放的所述再循環空氣與所述放出空氣源供應的所述放出空氣結合以產生混合空氣。2.如權利要求1所述的環境控制系統，其還包括: 至少一個熱交換器， 其中混合空氣流被提供給所述至少一個熱交換器。3.如權利要求1所述的環境控制系統，其還包括: 空氣循環機，所述空氣循環機包括所述壓縮機和渦輪， 其中所述壓縮機包括所述壓縮機出氣口；以及 高壓水分離器，所述高壓水分離器被配置來在所混合的空氣被傳遞到腔室之前調適所混合的空氣， 其中所述渦輪被配置來接收來自所述高壓水分離器的所混合的空氣， 其中隨著所混合的空氣穿過所述渦輪膨脹，所述空氣循環機做功以通過所述壓縮機壓縮所述再循環空氣。4.如權利要求1所述的環境控制系統，其還包括: 空氣循環機，所述空氣循環機包括所述壓縮機和渦輪， 其中所述壓縮機包括所述壓縮機出氣口；以及 其中隨著所述再循環空氣的第一部分穿過所述渦輪膨脹，所述空氣循環機做功以通過所述壓縮機壓縮所述再循環空氣的第二部分， 其中從所述壓縮機出氣口排放的所述再循環空氣的所述第二部分與所述放出空氣源供應的所述放出空氣結合以產生混合空氣。5.如權利要求4所述的環境控制系統，其中所述再循環空氣流的所述第一部分基于能量比穿過所述渦輪膨脹以轉動所述空氣循環機的軸。6.如權利要求5所述的環境控制系統，其中所述空氣循環機的所述軸在最小轉速下旋轉。7.如權利要求1所述的環境控制系統，其還包括: 空氣循環機，所述空氣循環機包括所述壓縮機和渦輪， 其中所述壓縮機包括所述壓縮機出氣口； 第一流量閥，所述第一流量閥被配置來使所述放出空氣流轉向而旁通所述壓縮機或使其直接進入所述壓縮機；以及 第二流量閥，所述第二流量閥被配置來將所述再循環空氣流直接提供到所述渦輪中。8.如權利要求7所述的環境控制系統，其中所述再循環空氣基于能量比穿過所述渦輪膨脹以轉動所述空氣循環機的軸。9.如權利要求1所述的環境控制系統，其被配置來在再循環冷卻模式下工作， 其中當所述再循環空氣的第一部分穿過渦輪膨脹時，所述環境控制系統的空氣循環機做功以通過所述壓縮機壓縮所述再循環空氣的第二部分。10.如權利要求1所述的環境控制系統，其被配置來在增壓模式下工作， 其中當所述再循環空氣穿過渦輪膨脹時，所述環境控制系統的空氣循環機做功以通過所述壓縮機壓縮所述放出空氣。11.如權利要求1所述的環境控制系統，其被配置來在低壓模式下工作， 其中所述再循環空氣穿過渦輪膨脹以在大于風轉轉速的最小轉速下轉動所述空氣循環機。12.如權利要求1所述的環境控制系統，其中所述環境控制系統包括在飛機內。
【文檔編號】B64D13/02GK106064673SQ201610258450
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月22日 公開號201610258450.X, CN 106064673 A, CN 106064673A, CN 201610258450, CN-A-106064673, CN106064673 A, CN106064673A, CN201610258450, CN201610258450.X
【發明人】L.J.布魯諾, P.M.德奧爾蘭多, D.E.小阿米, T.M.齊維亞克, H.W.希普斯基, E.G.克萊恩, R.魯西奇, J.M.小馬爾加尼安, E.蘇勞斯基
【申請人】哈米爾頓森德斯特蘭德公司