CN105129095B - 利用小循环来最大化效率的环境控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用小循环来最大化效率的环境控制系统。提供一种将再循环空气提供到环境控制系统的方法。所述方法包括：在第一能量下经由入口将排出空气流供应到所述环境控制系统；在第二能量下将所述排出空气从所述环境控制系统提供到气室中；和通过在第三能量下使所述排出空气从所述气室再循环到空气循环机，将所述再循环空气提供到所述环境控制系统。

Description

利用小循环来最大化效率的环境控制系统

技术领域

本发明涉及利用小循环来最大化效率的环境控制系统。

背景技术

大体来说，在航天产业中，总体趋向为使在航空器内具备更有效系统。对于航空器内的现有空气调节系统，可通过基于航空器周围的环境条件利用适当引擎排出压力来获得效率。

例如，来自航空器引擎的增压空气通过一系列系统提供到舱室以改变所述增压空气的温度、湿度和压力。为对这个增压空气准备供能，唯一能量源为空气自身的压力。因此，在巡航时现有空气调节系统始终要求相对较高压力。不幸地是，鉴于在航天产业中总体趋向为制造更有效航空器，相对较高压力提供有限的引擎燃油消耗效率。

发明内容

根据一个实施方案，提供一种将再循环空气提供到环境控制系统的方法，其包括：在第一能量下经由入口将排出空气流供应到所述环境控制系统；在第二能量下将所述排出空气从所述环境控制系统提供到气室中；和通过在第三能量下使所述排出空气从所述气室再循环到空气循环机，将所述再循环空气提供到所述环境控制系统。

通过本发明的技术，可了解额外特征和优点。本发明的其它实施方案和方面已在本文予以详述且被视为本发明的一部分。为更佳地理解本发明的优点和特征，可参考具体实施方式和附图简述。

附图说明

在本说明书开头处的权力要求书中特别指出且明确要求被视为本发明的主题。从结合附图进行的以下具体实施方式，本发明的前述和其它特征和优点显而易见，其中：

图1描绘根据实施方案的系统的示意图；

图2描绘根据实施方案的系统的另一示意图；

图3A描绘在航空器进行地面操作期间根据实施方案的系统的示意图；

图3B描绘在航空器进行飞行操作期间根据实施方案的系统的示意图；

图4描绘在航空器进行飞行操作期间根据实施方案的系统的另一示意图；

图5描绘根据实施方案的系统的另一示意图；

图6描绘根据实施方案的具有双转子的系统的示意图；和

图7描绘根据实施方案的具有双转子的系统的另一示意图。

具体实施方式

本文通过参考附图来示例而非限制的方式展现所公开设备和方法的一个或多个实施方案的具体实施方式。

如上文所指示，相对较高压力提供有限引擎燃油消耗效率。因此，需要一种环境控制系统，其利用关于经由小循环进行再循环冷却和排出制冷的综合方法，以在高引擎燃油消耗效率下提供舱室增压和冷却。小循环在至少两种不同模式中操作。第一种模式为可在地面上和在飞机爬升期间使用的高压排出模式。在高压排出模式中，排出空气为驱动小循环的能量源。第二种模式为可在巡航期间使用的低压模式。在低压模式中，增压舱室空气为驱动小循环的能量源。

大体来说，本文所公开的本发明的实施方案可以包括一种包括多个热交换器和流动通过所述多个热交换器的介质的系统和/或方法（在此为系统）。所述介质可基于所述系统周围的环境条件从某个源（诸如引擎）的不同压力位置排出。与多个热交换器连通的压缩装置用于调整在多个热交换器之间流动的介质的压力。压缩装置将介质自身用作能量源以调整介质压力。特定来说，所述介质直接来自引擎（例如，排出空气）且之后所述介质循环通过气室（再循环空气）。

图1示出从入口101流入通过系统100到气室102的介质（例如，空气），如由实线箭头A、B所指示。在系统100中，所述介质可从入口101流入到主热交换器110，从主热交换器110流入到压缩装置120，从压缩装置120流入到次热交换器130，且从次热交换器130流入到气室102。此外，所述介质从气室102再循环通过系统100并返回到气室102（和/或系统100外），如由虚线箭头D、E所指示。

在一个实施方案中，系统100可为交通工具（诸如航空器或船舶）的任何环境控制系统（例如，航空器的舱室空气调节系统），其对所述交通工具的组员和乘客提供空气供应、热控制和舱室增压。所述系统还可以包括航电设备冷却、烟雾检测和火灾扑救。例如，在航空器上，从某个源（诸如涡轮机引擎的压缩机级）“排出”的空气供应到环境控制系统。以此方式，该“排出空气”的温度和压力取决于处于哪个压缩机级和每分钟涡轮机引擎的转数而广泛变化。为实现所期望温度，排出空气在其经传递通过至少一个热交换器（例如，交换器120、130）时被冷却。为实现所期望压力，排出空气在其经传递通过压缩装置（例如，压缩装置120）时被压缩。环境控制系统与引擎的交互影响引擎需要消耗多少燃油来执行关于所述交互的操作，诸如供应增压空气。

热交换器（例如，主热交换器110和次热交换器130）是为在介质之间进行有效热传递建立的设备。热交换器的实例包括双管、管壳、板、板壳、绝热轮、板状翼片、枕板、和流体热交换器。继续上述航空器实例，在可变冷却气流下通过风扇驱动的空气（例如，经由推式或拉式方法）经吹动穿过热交换器以控制排出空气的最终空气温度。

压缩装置120（例如，如下文所描述的空气循环机）为控制/调整介质压力（例如，增大气体压力）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、旋转螺杆式、旋转叶片式、涡旋式、膜片式、和气泡式压缩机。此外，压缩机通常由电机或蒸气或气体涡轮机来驱动。

对于航空器实例，现将鉴于上述航空器实例参考图2-7描述图1的系统100。图2描绘在系统200（例如，系统100的实施方案）可安装在航空器上时所述系统200的示意图。系统200示出在入口201中流动的排出空气（例如，在初始流动速率、压力、温度和湿度下离开航空器引擎），所述排出空气转而在最终流动速率、压力、温度和湿度下提供到气室202（例如，舱室、飞行甲板等）。接着，排出空气从气室202再循环回并通过系统200。系统200还示出热交换器210、220、230、空气循环机240（其包括压缩机242、涡轮机244、245、风扇248和轴件249）、回热器250、冷凝器260、和脱水机270，其中的每个经由管、管道等来连接。应注意，基于所述实施方案，来自系统200的排气可发送到出口299（例如，释放到周围空气）。

系统200为航空器的环境控制系统的实例，其对所述航空器的组员和乘客提供空气供应、热控制和舱室增压。阀门为通过开启、关闭或部分阻挡环境控制系统200的管、管道等内的各种通道来调整、引导和/或控制介质（例如，气体、液体、液化固体、或浆体，诸如排出空气）的流动的装置。阀门可由致动器来操作，使得在环境控制系统200的任何部分中任何介质的流动速率可以调整到所期望值。

热交换器210、220、230为如上文所描述的热交换器的实例。应注意，第二热交换器220可为简单循环热交换器，而第三热交换器230可为小热交换器。

空气循环机240（其包括压缩机242、涡轮机244、245、风扇248、和轴件249）控制/调整介质压力（例如，增大排出空气压力）。压缩机242为使从第一热交换器接收的排出空气的压力升高的机械装置。涡轮机244、245为经由轴件249驱动压缩机242和风扇248的机械装置。风扇248为在可变冷却气流下经由推式或拉式方法迫使空气通过壳体穿过热交换器210、220、230的机械装置。压缩机242、涡轮机244、245和风扇248一起示出例如空气循环机（例如，压缩装置120）可以操作为利用从气室202再循环的空气的四轮空气循环机。

回热器250为上文所描述的特定类型的热交换器。冷凝器260为如上文所描述的特定类型的热交换器。脱水机270为执行暂时地或永久地从任何源（诸如排出空气）取水的过程的机械装置。回热器250、冷凝器260和/或脱水机270可一起组合为高压水分离器。

图3A描绘在航空器进行地面操作期间系统300（例如，图2的系统200的可操作实施方案）的示意图。排出空气被示出为从入口201流入通过系统300到气室202的实线箭头。再循环空气被示出为从气室202流入通过系统300返回到气室202的虚线箭头。在这个实施方案中，排出空气正驱动再循环回路（例如，以创建小循环）。例如，在入口201处，排出空气正脱离引擎（例如，在35 psi空气下）且经过系统300的组件，诸如到第一和第二热交换器210、220以及高压水分离器（例如，区块250、260、270）中以进行冷却和除湿。此外，排出空气在发送到气室202之前膨胀穿过涡轮机245。接着，在气室202中的排出空气中的能量用于直接驱动排出空气的再循环（在此为再循环空气）。即，在排出空气膨胀穿过涡轮机245时，来自气室202的再循环空气被抽入且在传递到第三热交换器230、涡轮机244之前通过压缩机242进行压缩，并返回到气室202。以此方式，排出空气的能量用于直接驱动系统300的再循环子系统以直接冷却再循环空气。

图3B描绘在航空器进行飞行操作期间根据实施方案的系统的示意图。在这个实施方案中，再循环空气正驱动再循环回路。即，来自气室202的再循环空气在向机外（例如，出口299）发送之前膨胀穿过涡轮机245以直接驱动再循环空气。以此方式，在航空器处于飞行中时能量被确定，这是因为出口299处的周围空气处于低于来自气室202的再循环空气的压力。

图4描绘在航空器进行飞行操作期间系统400（例如，图2的系统200的可操作实施方案）的另一示意图。排出空气被示出为从入口201流入通过系统400到气室202的实线箭头。再循环空气被示出为从气室202流入通过系统400的虚线箭头。在系统400中，第一热交换器210处的排出空气的压力可非常低，诸如在舱室压力下（12 psi或13 psi），这是因为在飞行操作期间，排出空气抽取自可用于操作系统400的引擎的最低压力位置（例如，在舱室压力下，12 psi或13 psi）。在这个实施方案中，为使排出空气到达气室202，气室202中的排出空气的能量（其相同于或相对较接近于进入第一热交换器210的排出空气的压力（例如，舱室压力，12 psi或13 psi））用于对涡轮机245提供能量。即，所述能量被确定，这是因为虽然航空器处于飞行中，但出口299处的周围空气处于低于气室202中的排出空气的压力。例如，如果气室202中的排出空气处于12 psi且出口299处的周围空气处于或低于3 psi，那么气室202与出口299之间的空气压力比（在这个实例中为4:1或更大）创建从气室202穿过涡轮机245的空气流动。这个气室202流动提供能量来驱动压缩机242，其在排出空气离开第一热交换器210时且在进入第三热交换器230之前增大所述排出空气的压力。

图5描绘在系统500（例如，系统100的实施方案）可安装在航空器上时所述系统500的示意图。系统500示出在入口201（例如，在初始流动速率、压力、温度和湿度下离开航空器的引擎）处流动的排出空气，所述排出空气转而在最终流动速率、压力、温度和湿度下提供到气室202（例如，舱室、飞行甲板等）。接着，排出空气基于地面或飞行操作从气室202再循环回并通过系统500。在系统500中，排出空气从脱水机270馈送到涡轮机244以便驱动空气循环机240。

在航空器的地面操作期间，在这个实施方案中，排出空气正驱动再循环回路（例如，以创建小循环）。例如，在入口201处，排出空气脱离引擎（例如，在35 psi空气下）且经过系统300的组件（诸如第一和第二热交换器210、220）并进入高压水分离器（例如，区块260、270）且进行除湿。此外，排出空气在通过涡轮机245发送到气室202之前膨胀穿过涡轮机244。接着，在气室202中的排出空气中的能量用于直接驱动排出空气的再循环（即，再循环空气）。即，来自气室202的排出空气被抽入且在传递到第三热交换器230、涡轮机245之前通过压缩机242进行压缩，并返回到气室202。以此方式，排出空气的能量用于直接驱动系统500的再循环子系统以直接冷却再循环空气。

在航空器的飞行操作期间，第一热交换器210处的排出空气的压力可非常低，诸如在舱室压力下（12 psi或13 psi），这是因为排出空气抽取自可用于操作系统400的引擎的最低压力位置（例如，在舱室压力下，12 psi或13 psi）。在这个实施方案中，为使排出空气到达气室202，再循环空气的能量（其相同于或相对较接近于进入第一热交换器210的排出空气的压力（例如，舱室压力，12 psi或13 psi））基于上文所描述的空气压力比用于对涡轮机245提供能量以对已由涡轮机242、245中的排出空气供应的能量进行补充。

图6描绘实施小循环的具有双转子（即，转子641、642）的系统600的示意图。在航空器的地面操作期间，在这个实施方案中，排出空气正驱动再循环回路（例如，以创建小循环）。例如，再循环空气在用于直接驱动转子642的涡轮机244之前通过转子641的压缩机242进行压缩。

在航空器的飞行操作期间，第一热交换器210处的排出空气的压力可非常低。在这个实施方案中，为使排出空气到达气室202，再循环空气的能量（其相同于或相对较接近于进入第一热交换器210的排出空气的压力（例如，舱室压力，12 psi或13 psi））基于上文所描述的空气压力比用于对转子641的涡轮机245提供能量以对已由涡轮机245中的排出空气供应的能量进行补充。

图7描绘实施小循环的具有双转子（即，转子741、742）的系统700的示意图。在这个实施方案中，在航空器的地面操作期间，排出空气驱动再循环回路（例如，以创建小循环）。例如，再循环空气在与排出空气混合以直接驱动转子741的涡轮机245之前通过转子741的压缩机242进行压缩。

在航空器的飞行操作期间，第一热交换器210处的排出空气的压力可非常低。在这个实施方案中，为使排出空气到达气室202，再循环空气的能量（其相同于或相对较接近于进入第一热交换器210的排出空气的压力（例如，舱室压力，12 psi或13 psi））基于上文所描述的空气压力比用于对转子741的涡轮机245提供能量以对已由转子741的涡轮机245中的排出空气供应的能量进行补充。

本发明的实施方案的技术效应和效益包括采用小循环可基于环境条件使用最低可能引擎排出端口来最大化引擎效率且因此最大化飞机效率。

鉴于上述内容，利用再循环空气的本发明的实施方案包括：入口，其被配置来在第一能量下将排出空气从某个源供应到环境控制系统，其中环境控制系统在第二能量下将排出空气供应到气室；和空气循环机，其包括压缩机和涡轮机，其中空气循环机从气室接收再循环空气，其中再循环空气为在第三能量下从气室流入到空气循环机的排出空气。

在上述环境控制系统中，排出空气可以驱动空气循环机且压缩机接收从气室流入到空气循环机的再循环空气。此外，排出空气可以膨胀穿过涡轮机以驱动空气循环机，由压缩机接收的再循环空气可以基于排出空气膨胀穿过涡轮机进行压缩以产生经压缩再循环空气，且环境控制系统可以将经压缩再循环空气传递回到气室。此外，环境控制系统可以将经压缩再循环空气从压缩机传递到第二热交换器，从第二热交换器传递到空气循环机的第二涡轮机，且从第二涡轮机传递回到气室。

在上述环境控制系统中，再循环空气的第一部分可以驱动空气循环机且压缩机可以接收再循环空气的第二部分。

在上述环境控制系统中，再循环空气的第一部分可以膨胀穿过涡轮机以驱动空气循环机，由压缩机接收的再循环空气的第二部分可以基于再循环的第一部分膨胀穿过涡轮机进行压缩以产生经压缩再循环空气，且环境控制系统可以将经压缩再循环空气传递回到气室。此外，在再循环空气的第一部分膨胀穿过涡轮机之后，环境控制系统可以将再循环空气的第一部分传递到出口。此外，环境控制系统可以将经压缩再循环空气从压缩机传递到第二热交换器，从第二热交换器传递到空气循环机的第二涡轮机，且从第二涡轮机传递回到气室。

在上述环境控制系统中，再循环空气可以驱动空气循环机且压缩机可以接收排出空气。此外，再循环空气可以膨胀穿过涡轮机以驱动空气循环机，由压缩机接收的排出空气可以基于再循环空气膨胀穿过涡轮机进行压缩以产生经压缩排出空气，且环境控制系统可以将经压缩排出空气提供到气室。此外，在再循环空气膨胀穿过涡轮机之后，环境控制系统可以将再循环空气传递到出口。

在上述环境控制系统中，空气循环机还可以包括双转子循环配置，其包括被配置来接收排出空气的第一转子的涡轮机和被配置来接收再循环空气的第二转子的压缩机。

在上述环境控制系统中，可以从引擎的低压力位置抽取排出空气，其中第一能量可以为第一压力，其中第二能量可以为第二压力，且其中第一压力值可以相同于或接近于第二压力值。

上述环境控制系统还可以包括在航空器中且气室可以为航空器的舱室。

鉴于上述内容，将再循环空气提供到环境控制系统的本发明的实施方案包括：在第一能量下经由入口将排出空气流供应到环境控制系统；在第二能量下将排出空气从环境控制系统提供到气室中；和通过在第三能量下使排出空气从气室再循环到空气循环机，将再循环空气提供到环境控制系统。

上述方法还可以包括利用排出空气来驱动空气循环机和由空气循环机的压缩机接收再循环空气。此外，所述方法可以包括：使排出空气膨胀穿过空气循环机的涡轮机以驱动空气循环机；基于排出空气膨胀穿过涡轮机，从气室抽取再循环空气；通过空气循环机的压缩机压缩再循环空气以产生经压缩再循环空气；和将经压缩再循环空气传递回到气室。此外，将经压缩再循环空气传递回到气室可以包括：将经压缩再循环空气从空气循环机的压缩机提供到第二热交换器；将经压缩再循环空气从第二热交换器提供到空气循环机的第二涡轮机；和将经压缩再循环空气从第二涡轮机提供到气室。

上述方法还可以包括：利用再循环空气的第一部分来驱动空气循环机；和由空气循环机的压缩机接收再循环空气的第二部分。此外，所述方法可以包括：使再循环空气的第一部分膨胀穿过空气循环机的涡轮机以驱动空气循环机；基于排出空气膨胀穿过涡轮机，从气室抽取再循环空气的第二部分；通过空气循环机的压缩机压缩再循环空气的第二部分以产生经压缩再循环空气；和将经压缩再循环空气传递回到气室。此外，所述方法可以包括在再循环空气的第一部分膨胀穿过涡轮机之后将再循环空气的第一部分传递到出口。将经压缩再循环空气传递回到气室还可以包括：将经压缩再循环空气从空气循环机的压缩机提供到第二热交换器；将经压缩再循环空气从第二热交换器提供到空气循环机的第二涡轮机；和将经压缩再循环空气从第二涡轮机提供到气室。

上述方法还可以包括利用再循环空气来驱动空气循环机；和由空气循环机的压缩机接收排出空气。此外，所述方法可以包括使再循环空气膨胀穿过空气循环机的涡轮机以驱动空气循环机；基于再循环空气膨胀穿过涡轮机，通过空气循环机的压缩机压缩排出空气以产生经压缩排出空气；和将经压缩排出空气提供到气室。此外，所述方法可以包括在再循环空气膨胀穿过涡轮机之后将再循环空气传送到出口。

对于上述方法，空气循环机还可以包括双转子循环配置，使得所述方法包括：由空气循环机的第一转子的涡轮机接收排出空气；和由空气循环机的第二转子的压缩机接收再循环空气。

在上述方法中，可以从某个源的低压力位置抽取排出空气，第一能量可以为第一压力，第二能量可以为第二压力，且第一压力值可以相同于或接近于第二压力值。

在上述方法中，环境控制系统可以包括在航空器中且气室可以为航空器的舱室。

本文参考根据本发明的实施方案的方法、设备和/或系统的流程图示图、示意图和/或方框图描述本发明的方面。此外，本发明的各个实施方案的描述已出于说明目的提出，但并非意在穷举或限于所公开实施方案。在不背离所描述实施方案的范围和精神的情况下，所属技术领域的一般人员将明白诸多修改和变化。本文所使用的术语被遴选来最佳地解释实施方案的原理、存在于市场中的技术的实际应用或技术改进，或用以使所属技术领域的其它技术人员能够理解本文所公开的实施方案。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的且并非意在限制本发明。如本文所使用，除非上下文另有清楚指示，否则单数形式“一个（a/an）”和“所述”亦意在包括复数形式。还应了解，术语“包括(comprises和/或comprising)”在用于本说明书时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、組件、和/或其群组的存在。

本文所描绘的流程图仅为一个实例。在不背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）可以存在诸多变化。例如，可以按不同顺序执行所述步骤，或可以添加、删除或修改步骤。所有这些变化被视为本发明的一部分。

虽然已描述本发明的优选实施方案，但应了解，所属领域的技术人员现在和将来可以作出落在所附权利要求书的范围内的各种改进和提高。这些权利要求应被解释为对在本发明首次被描述时维持适当保护。

Claims (5)

1.一种利用再循环空气的环境控制系统，其包括：

入口，其被配置来在第一能量下将排出空气从某个源供应到所述环境控制系统，

其中所述环境控制系统在第二能量下将所述排出空气供应到气室；和

空气循环机，其包括压缩机和涡轮机，

其中所述空气循环机从所述气室接收所述再循环空气，

其中所述再循环空气为在第三能量下从所述气室流入到所述空气循环机的排出空气，

其中在航空器的地面操作期间，所述排出空气驱动所述空气循环机并且所述压缩机接收从所述气室流入到所述空气循环机的所述再循环空气；并且

其中在所述航空器的飞行操作期间，所述再循环空气的第一部分驱动所述空气循环机，且所述压缩机接收所述再循环空气的第二部分；

其中所述再循环空气的第一部分膨胀穿过所述涡轮机以驱动所述空气循环机；

其中由所述压缩机接收的所述再循环空气的第二部分基于所述再循环空气的第一部分膨胀穿过所述涡轮机进行压缩以产生经压缩再循环空气；以及

其中所述环境控制系统在所述再循环空气的第一部分膨胀穿过所述涡轮机之后将所述再循环空气的第一部分传递到出口；

其中所述环境控制系统将所述经压缩再循环空气从所述压缩机传递到第二热交换器，从所述第二热交换器传递到所述空气循环机的第二涡轮机，且从所述第二涡轮机传递回到所述气室。

2.根据权利要求1所述的环境控制系统，

其中所述再循环空气驱动所述空气循环机，且

其中所述压缩机接收所述排出空气。

3.根据权利要求1或2所述的环境控制系统，

其中所述环境控制系统包括在航空器中且所述气室为所述航空器的舱室。

4.一种将再循环空气提供到环境控制系统的方法，其包括：

在第一能量下经由入口将排出空气流供应到所述环境控制系统；

在第二能量下将所述排出空气从所述环境控制系统提供到气室中；和

通过在第三能量下使所述排出空气从所述气室再循环到空气循环机，将所述再循环空气提供到所述环境控制系统，其中在航空器的地面操作期间，所述排出空气驱动所述空气循环机并且压缩机接收从所述气室流入到所述空气循环机的所述再循环空气，且其中在所述航空器的飞行操作期间，所述再循环空气的第一部分驱动所述空气循环机，且所述压缩机接收所述再循环空气的第二部分；

将所述再循环空气的第一部分膨胀穿过涡轮机以驱动所述空气循环机；

将由所述压缩机接收的所述再循环空气的第二部分基于所述再循环空气的第一部分膨胀穿过所述涡轮机进行压缩以产生经压缩再循环空气；以及

所述环境控制系统在所述再循环空气的第一部分膨胀穿过所述涡轮机之后将所述再循环空气的第一部分传递到出口；

所述环境控制系统将所述经压缩再循环空气从所述压缩机传递到第二热交换器，从所述第二热交换器传递到所述空气循环机的第二涡轮机，且从所述第二涡轮机传递回到所述气室。

5.根据权利要求4所述的方法，其还包括：

利用所述排出空气来驱动所述空气循环机；和

由所述空气循环机的压缩机接收所述再循环空气。

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