CN103557728A - 改进型热交换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及改进型热交换器。本发明提供了一种在航空器的环境控制系统中使用的初级热交换器,所述初级热交换器具有矩形芯体。所述芯体包括多个交替叠置的第一流体层和第二流体层。所述芯体的长宽比为约4.88且宽高比为约2.37。第一集管被定位在与所述芯体的第一表面相邻的位置处,且第二集管被定位在与所述芯体的第二相对表面相邻的位置处。所述第一集管和所述第二集管形成了用于第一流体的流动路径的一部分。入口凸缘被定位在与所述芯体的第三表面相邻的位置处。出口凸缘被定位在与所述芯体的第四相对表面相邻的位置处以便形成用于第二流体的流动路径的一部分。
Description
技术领域
本发明的典型实施例主要涉及航空器(aircraft)的环境控制系统,且更特别地,本发明的典型实施例涉及这种环境控制系统的初级热交换器。
背景技术
用于航空器和其他交通工具的环境控制系统(ECS)用来为航空器内的乘客和工作人员提供经过调节的空气流。一种类型的环境控制系统的通常操作方式是将新鲜空气接收进入位于ECS设备舱附近的冲压空气进气装置内。新鲜的冲压空气(ram air)被供应至至少一个由电动马达驱动的空气压缩机,所述空气压缩机将空气压力提升至例如所述舱室所需的空气压力。所述空气从所述至少一个空气压缩机被供应至可选的臭氧转换器。由于空气压缩产生了热量,因此空气随后被供应至空气调节组件,在所述空气调节组件中,空气在被运输至所述舱室之前被冷却。
随着航空器舱室尺寸的增加,对ECS的需求也在增加。具有常规的初级热交换器的ECS难以满足这种航空器更大的冷却要求。
发明内容
根据本发明的一个实施例,提供了一种在航空器的环境控制系统中使用的初级热交换器,所述初级热交换器具有矩形芯体。所述芯体包括多个交替叠置的第一流体层和第二流体层。所述芯体的长宽比为约4.88且宽高比为约2.37。第一集管被定位在与所述芯体的第一表面相邻的位置处,且第二集管被定位在与所述芯体的第二相对表面相邻的位置处。所述第一集管和所述第二集管形成了用于第一流体的流动路径的一部分。入口凸缘被定位在与所述芯体的第三表面相邻的位置处。出口凸缘被定位在与所述芯体的第四相对表面相邻的位置处以便形成用于第二流体的流动路径的一部分。
附图说明
本发明的主题在作为说明书结尾部分的权利要求书中被特定地指出并清晰地主张。下面将通过以下具体实施方式并结合附图对本发明的前述及其他特征和优点进行描述,其中:
图1是航空器的环境控制系统的一部分的透视图;
图2是根据本发明的一个实施例的初级热交换器的透视图;
图3是根据本发明的一个实施例的初级热交换器的另一可选透视图;
图4是根据本发明的一个实施例的初级热交换器芯体的透视图;
图5A和图5B是根据本发明的一个实施例的典型的第一流体层的前视图和侧视图;
图6A和图6B是根据本发明的一个实施例的典型的第二流体层的前视图和侧视图;和
图7是根据本发明的一个实施例的具有薄翅构型的典型的第二流体层的前视图。
下面将结合附图通过具体实施方式对本发明的实施例以及优点和特征进行描述。
具体实施方式
现在参见图1,图中示出了在航空器上使用的环境控制系统(ECS)的一部分,例如空气调节ECS组件100。ECS通常包括多个部件,如蒸气循环系统、涡轮压缩机、初级热交换器110、和被紧密地封装以便限定出ECS组件100的其他部件。ECS组件100被安装在航空器的ECS舱内。在一个实施例中,ECS组件100被安装在与前翼梁(front spar)10和龙骨梁(keel beam)20相邻的位置处,所述龙骨梁位于航空器机身与机翼之间的界面处。
现在参见图2和图3,图中示出了ECS组件100的初级热交换器110的两个不同视图。初级热交换器110大体上呈矩形形状且被芯体112结构性地支撑。热交换器110的芯体112位于两个大体上相似的热集管114、118之间的中心位置处。第一热集管114和第二热集管118被分别流体连通地连接至芯体112的第一表面112a和第二表面112b,以便形成穿过芯体112的流体流动路径。在一个实施例中,热集管114、118大体上呈D形且由挤出铝构成。入口凸缘122和出口凸缘124限定出热交换器芯体112的第三表面112c和第四表面112d的边缘。第三表面112c和第四表面112d是彼此相对的表面且与彼此相对的第一表面112a和第二表面112b清晰地区分开。在一个实施例中,入口凸缘122和出口凸缘124限定出芯体112的具有最大表面积的表面的边缘。
至少一个安装座130和过渡板140被分别连接至芯体112的彼此相对的第五表面112e和第六表面112f,且与入口凸缘122和出口凸缘124相邻。在一个实施例中,过渡板140位于前部位置处且安装座130位于热交换器芯体112的后部位置。在一个实施例中,安装座,例如初级安装座130,被连接至芯体112的具有最小表面积的表面。初级安装座130被定位在芯体112的第五表面112e上的中心位置处。初级安装座130与ECS组件100的另一表面界面相接(图1)以便将初级热交换器110保持在所需位置处。例如,初级安装座130可在两个自由度上约束初级热交换器110的移动。还可将故障安全安装座132附接到芯体112的第五表面112e上以便在初级安装座130产生故障的情况下使用。在一个实施例中,故障安全安装座132、134被定位在初级安装座130的彼此相对的侧部上。过渡板140大体上延伸至每根热集管114、118的外表面且包括与第一热集管114的端部相邻的第一开口142和与第二热集管118的端部相邻的第二开口144。在一个实施例中,第一开口142和第二开口144具有与每根热集管114、118的剖面大体上互补的形状(例如呈D形)。集管盖116、120可将过渡板140中的第一开口142和第二开口144分别连接至第一热集管114和第二热集管118的相邻端部。
图4-图7示出了初级热交换器110的芯体112的构造的细节。更特别地,初级热交换器110的芯体112具有板翅式构造,且第一暖流体和第二冷流体交叉流动通过所述构造。典型的芯体可具有约4.88的长宽比(L/W)和约2.37的宽高比(W/H)。在一个实施例中,芯体112具有约14.7英寸(37.34cm)的宽度W、约6.2英寸(15.75cm)的高度H和约71.702英寸(182.12cm)的深度D。热交换器110的芯体112包括多个第一流体层200和第二流体层300。第一流体层200具有流体通路从而使得第一暖流体如经过压缩的暖空气沿箭头F1所示的第一方向流动通过芯体112。第二流体层300具有流体通路从而使得第二冷流体如冷的冲压空气沿箭头F2所示的第二方向流动通过芯体112。在一个实施例中,第二流体流的方向垂直于第一流体流的方向。第一流体层200和第二流体层300沿芯体的深度D被交替地叠置。薄板400将相邻的流体层200、300分开。在一个实施例中,板具有约0.014英寸(0.036cm)的厚度。
参见图5A、图5B、图6A和图6B,图中示出了典型的第一流体层200和第二流体层300。每个第一流体层200和第二流体层300具有多个波纹形翅202、302,所述翅形成了经过每个流体层的流体通路。典型的第一流体层200的波纹形翅302从与第一入口边缘相邻的位置处延伸至第二出口边缘。第一流体流在入口边缘与出口边缘之间流动经过第一流体层200的距离是第一流体流长度LF1。相似地,典型的第二流体层300的波纹形翅从与所述层的第一入口边缘相邻的位置处延伸至与所述层的第二出口边缘相邻的位置处。第二流体流流动经过第二流体层的距离是第二流体流长度LF2。第一流体层200和第二流体层300的波纹形翅202、302的构型由翅的高度、翅的厚度和单位长度的翅的数量限定。除了入口边缘和出口边缘以外的层的其他边缘被封闭条覆盖,以便防止流体流在另一交替路径中流动。
第一流体层200和第二流体层300的翅构型都基于芯体112内的层的位置产生变化。与过渡板140和初级安装座130相邻的流体层200、300的部分具有比层200、300的位于中心的部分“更厚”的翅构型。在一个实施例中,具有格外厚的过渡翅构型的第二流体层300被直接定位在与过渡板140和安装座130相邻的位置处。这种格外厚的过渡翅第二流体层300中的翅可具有约0.5英寸(1.27cm)的翅高度、约0.005英寸(0.127cm)的翅厚度和约每英寸24个翅(每厘米9.45个翅)的翅密度。在一个实施例中,在芯体112内仅使用了两个格外厚的第二流体层300。
具有“厚”翅构型的至少一个第一流体层200和具有“厚”翅构型的至少一个第二流体层300与所述格外厚的第二流体层300相邻。至少一个厚翅第一流体层200和一个厚翅第二流体层300也被定位在与安装座130相邻的芯体112的相对端处。第一流体层200和第二流体层300的厚翅构型并不相同。在一个实施例中,厚翅第一流体层200具有约0.324英寸(0.86cm)的翅高度、约0.005英寸(0.127cm)的翅厚度和约每英寸20个翅(每厘米7.87个翅)的翅密度。在一个实施例中,厚翅第二流体层300具有约0.5英寸(1.27cm)的翅高度、约0.005英寸(0.127cm)的翅厚度和约每英寸20个翅(每厘米7.87个翅)的翅密度。
芯体112中的大多数芯体包括具有薄翅构型的第一流体层200和具有薄翅构型的第二流体层300。例如,芯体112可包括约80个薄翅第一流体层200和约80个薄翅第二流体层300。第一流体层200和第二流体层300的薄翅构型并不相同。在一个实施例中,薄翅第一流体层200具有约0.324英寸(0.86cm)的翅高度、约0.003英寸(0.0076cm)的翅厚度和约每英寸20个翅(每厘米7.87个翅)的翅密度。在一个实施例中,薄翅第二流体层300具有约0.5英寸(1.27cm)的翅高度、约0.003英寸(0.0076cm)的翅厚度和约每英寸20个翅(每厘米7.87个翅)的翅密度。参见图7,薄翅第二流体层300的翅构型在层的流长度范围内并不是均匀的。在一个实施例中,波纹形防护翅320与每个薄翅第二流体层300的入口和出口相邻。薄翅第二流体层300的防护翅320可具有约0.5英寸(0.86cm)的翅高度、约0.008英寸(0.02cm)的翅厚度和约每英寸9个翅(每厘米3.54个翅)的翅密度。
初级热交换器110是空-空式单通热交换器。第一流体流过过渡板140的第一开口142并进入第一热集管114内。进入第一热集管114的第一流体的压力导致第一流体不仅沿热集管114的长度沿纵向移动,而且沿垂直方向流过芯体112。第一流体随后进入位于芯体112的相对侧部上的第二热集管118,在所述第二热集管中,所述第一流体通过过渡板140中的相邻开口144流出。与此同时,第二流体进入芯体112的第三表面112c,所述第三表面具有与之相连的入口凸缘122。第二流体沿垂直于第一流体流向的方向行进流过芯体112,并在芯体112的相对的第四表面112d处流出,所述第四表面具有与之相连的出口凸缘124。
初级热交换器利用来自RAM的冷却空气对来自ECS的热压缩空气进行冷却。由于其尺寸增加,因此初级热交换器110能够将热压缩空气的温度降至约250℉。此外,热交换器110为ECS提供了结构支承。
尽管上文仅结合有限数量的实施例对本发明进行了详细描述,但应该易于理解:本发明并不限于这种披露的实施例。而是,本发明可产生改变以便包括前文未描述的任何数量的变化、改变、替代或等效布置,只要其与本发明的精神和范围相符即可。此外,尽管对本发明的多个实施例进行了描述,但应该理解:本发明的多个方面可仅包括所述实施例中的一些实施例。因此,本发明并不受到前述描述的限制,而是仅由所附权利要求书的范围限制。
Claims (12)
1. 一种在航空器的环境控制系统中使用的初级热交换器,所述初级热交换器包括:
矩形芯体,所述矩形芯体具有多个交替叠置的第一流体层和第二流体层、约4.88的长宽比和约2.37的宽高比;
第一集管和第二集管,所述第一集管与所述芯体的第一表面具有大体上相同的延伸范围,所述第二集管与所述芯体的第二相对表面具有大体上相同的延伸范围,其中所述第一集管和所述第二集管形成了用于第一流体的流动路径的一部分;和
入口凸缘和出口凸缘,所述入口凸缘与所述芯体的第三表面相邻,且所述出口凸缘与所述芯体的第四相对表面相邻,其中所述入口凸缘和所述出口凸缘形成了用于第二流体的流动路径的一部分。
2. 根据权利要求1所述的初级热交换器,其中所述矩形芯体具有约14.7英寸(37.34cm)的宽度、约6.2英寸(15.75cm)的高度H和约71.7英寸(182.12cm)的深度D。
3. 根据权利要求1所述的初级热交换器,其中每个第一流体层和第二流体层包括多个波纹形翅,所述翅从入口边缘延伸至出口边缘以便形成用于流体的流动路径。
4. 根据权利要求3所述的初级热交换器,其中至少一个第一流体层包括多个波纹形翅,所述翅具有约0.324英寸(0.86cm)的翅高度、约0.005英寸(0.127cm)的翅厚度和约每英寸20个翅(每厘米7.87个翅)的翅密度。
5. 根据权利要求3所述的初级热交换器,其中至少一个第一流体层包括多个波纹形翅,所述翅具有约0.324英寸(0.86cm)的翅高度、约0.003英寸(0.0076cm)的翅厚度和约每英寸20个翅(每厘米7.87个翅)的翅密度。
6. 根据权利要求3所述的初级热交换器,其中至少一个第二流体层包括多个波纹形翅,所述翅具有约0.5英寸(1.27cm)的翅高度、约0.005英寸(0.127cm)的翅厚度和约每英寸24个翅(每厘米9.45个翅)的翅密度。
7. 根据权利要求3所述的初级热交换器,其中至少一个第二流体层包括多个波纹形翅,所述翅具有约0.5英寸(1.27cm)的翅高度、约0.005英寸(0.127cm)的翅厚度和约每英寸20个翅(每厘米7.87个翅)的翅密度。
8. 根据权利要求3所述的初级热交换器,其中至少一个第二流体层包括多个波纹形翅,所述翅具有约0.5英寸(1.27cm)的翅高度、约0.003英寸(0.0076cm)的翅厚度和约每英寸20个翅(每厘米7.87个翅)的翅密度。
9. 根据权利要求8所述的初级热交换器,进一步包括与所述第二流体层的所述入口边缘和所述出口边缘相邻的多个防护翅,其中所述防护翅具有第一翅构型且所述多个波纹形翅具有第二不同的翅构型。
10. 根据权利要求9所述的初级热交换器,其中所述防护翅具有约0.5英寸(0.86cm)的翅高度、约0.008英寸(0.02cm)的翅厚度和约每英寸9个翅(每厘米3.54个翅)的翅密度。
11. 根据权利要求1所述的初级热交换器,进一步包括:
与所述芯体的第五表面相邻的至少一个安装座,所述安装座用于将所述初级热交换器联接至所述航空器;和
过渡板,所述过渡板具有与所述第一集管的端部相邻的第一开口和与所述第二集管的端部相邻的第二开口。
12. 根据权利要求3所述的初级热交换器,所述多个第一流体层的所述流动路径垂直于所述多个第二流体层的所述流动路径。
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