CN107303953B - 利用多个混合点以便根据压力模式使空气再循环以及电机辅助的环境控制系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种系统。所述系统包括：提供第一介质的入口；提供第二介质的入口；压缩装置，其包括压缩机和涡轮机；电机，其以小于或等于每分钟每磅被压缩的第一介质0.5千瓦的输入功率操作；以及至少一个热交换器，其位于所述压缩机的下游。所述压缩装置与提供所述第一介质的所述入口连通。所述涡轮机位于所述压缩机的下游。所述至少一个热交换器的出口与所述压缩机的入口和所述涡轮机的入口流体连通。
Description
背景技术
一般而言，关于飞机的当前空调系统，机舱加压和冷却通过巡航时的发动机放出压力来提供动力。例如，来自飞机的发动机的加压空气通过改变加压空气的温度和压力的一系列系统来提供至机舱。为了对加压空气的这种制备提供动力，唯一能源是空气本身的压力。因此，当前空调系统在巡航时始终要求相对高的压力。不幸的是，鉴于航天工业趋向于更有效的飞机的整体趋势，相对高的压力关于发动机燃料燃烧提供有限的效率。
发明内容
根据一个实施方案，提供一种系统。所述系统包括：提供第一介质的入口；提供第二介质的入口；压缩装置，其包括压缩机和涡轮机；电机，其以小于或等于每分钟每磅被压缩的第一介质0.5千瓦的输入功率操作；以及至少一个热交换器，其位于所述压缩机的下游。压缩装置与提供第一介质的入口连通。涡轮机位于压缩机的下游。至少一个热交换器的出口与压缩机的入口和涡轮机的入口流体连通。
通过本文的实施方案的技术实现另外的特征和优点。本发明的其他实施方案和方面在本文中进行了详细描述，并且被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明及其优点和特征，参考描述和附图。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书结论处的权利要求书中具体地指出并清楚地要求保护。本发明的前述和其他特征以及优点根据以下结合附图进行的详细描述而明显，在附图中：
图1是根据一个实施方案的环境控制系统的示意图；
图2是根据一个实施方案的环境控制系统的操作实例；
图3是根据另一个实施方案的环境控制系统的操作实例；
图4是根据另一个实施方案的环境控制系统的操作实例；并且
图5是根据另一个实施方案的环境控制系统的操作实例。
具体实施方式
参考附图，本文通过举例而非限制的方式呈现所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。
本文的实施方案提供一种环境控制系统，其利用接近机舱压力的放出压力来向环境控制系统提供动力，同时根据压力模式来使在环境控制系统内的不同位置混合的再循环空气混合，和/或包括电机来协助环境控制系统的压缩操作，以便以高的发动机燃料燃烧效率来提供机舱加压和冷却。
一般而言，环境控制系统的实施方案可包括一个或多个热交换器和一个压缩装置。从发动机的低压位置放出的介质流动通过一个或多个热交换器进入舱室。现在转向图1，示出系统100，其从入口101接收介质并将经调节形式的介质提供至舱室102。系统100包括压缩装置120和热交换器130。系统的元件通过阀、管子、管道等连接。阀是以下装置：通过打开、关闭或部分地阻碍系统100的管子、管道等内的各种通道来调节、引导和/或控制介质流。阀可通过致动器来操作，以使得系统100的任何部分中的介质的流速可被调节至所需值。
如图1所示，介质可从入口101流动通过系统100到达舱室102，如由实线箭头A、B所指示。在系统100中，介质可流动通过压缩装置120、通过热交换器130、从压缩装置120流到热交换器130、从热交换器130流到压缩装置120等。此外，介质可从舱室102再循环到系统100，如由点划线箭头D所指示(并且随后可流动回到舱室102和/或系统100外部)。
一般而言，介质可以是空气，而其他实例包括气体、液体、流化固体或浆料。当介质是从系统100的舱室102提供时，介质在本文中被称为再循环空气。当介质由连接到系统100的发动机(诸如从入口101提供)提供时，介质在本文中可被称为放出空气(也被称为外部空气或新鲜空气)。关于放出空气，发动机的低压位置(或辅助动力单元)可用来提供初始压力水平下的介质，所述初始压力水平接近介质在处于舱室102中时的压力(例如，舱室压力，在飞机实例中也被称为机舱压力)。
例如，继续以上飞机实例，可通过从涡轮发动机的压缩机级“放出”来向环境控制系统供应空气。这种放出空气的温度、湿度和压力根据压缩机级和涡轮发动机的每分钟转数而广泛地变化。因为利用了发动机的低压位置，空气可稍微高于或稍微低于机舱压力(例如，舱室102中的压力)。在这种低压下从低压位置放出空气引起比从高压位置放出空气更少的燃料燃烧。然而，因为空气以这个相对低的初始压力水平开始并且因为在一个或多个热交换器上会出现压降，所以在空气流动通过热交换器130时，空气的压力可下降到低于机舱压力。当空气的压力低于机舱压力时，空气将不会流入舱室中以便提供加压和温度调节。为了实现所需压力，放出空气可在其穿过压缩装置120时被压缩。
压缩装置120是控制并操纵介质(例如，增加放出空气的压力)的机械装置。压缩装置120的实例包括空气循环机、三轮式机器、四轮式机器等。压缩可包括压缩机，诸如离心式、斜流式或混流式、轴流式、往复式、离子液体活塞式、旋转螺旋式、旋叶式、涡旋式、膜片式、气泡式压缩机等。此外，压缩机可由电机或介质(例如，放出空气、舱室排放空气和/或再循环空气)通过涡轮机驱动。应注意，压缩装置120可被认为是空调组件或用于执行热力学工作的组件。在一个实施方案中，所述组件还可从入口101处的质量流量控制阀开始并且在空气离开到达舱室102时结束。
热交换器130是为了一种介质到另一种介质的高效的热传递而构造的装置。热交换器的实例包括套管式、壳管式、板式、板壳式、绝热轮式、板翅式、枕板式和流体热交换器，由风扇迫使(例如，通过推动或拉动方法)的空气在可变冷却气流下吹过热交换器以控制放出空气的最终空气温度。
鉴于飞机实例，现将参考图2描述图1的系统100。图2描绘如可安装在飞机上的具有电机辅助的系统200(例如，系统100的一个实施方案)的示意图。
现在将相对于利用现代机舱三轮式空调系统的飞机的常规放出空气驱动的环境控制系统来描述系统200。常规放出空气驱动的空气环境控制系统接收处于30psia(例如，在巡航期间)与45psia(例如，在地面上)之间的压力下的放出空气。在常规放出空气驱动的空气环境控制系统中，在热天地面操作期间，现代机舱三轮式空调系统的离心式压缩机接收几乎所有处于约45psia压力下的放出空气流。此外，在热天巡航操作期间，现代机舱三轮式空调系统的离心式压缩机仅接收处于30psia压力下的放出空气流的一部分。放出空气的其余部分通过现代机舱三轮式空调系统旁通阀绕过离心式压缩机并且被发送至机舱。另外，常规放出空气驱动的空气环境控制系统可将湿热再循环空气与机舱中的常规放出空气驱动的环境控制系统下游的干冷外部空气混合。这种冷却混合物随后用来调节飞机的机舱和驾驶舱(即，向机舱供应大量平均温度的混合流)。应注意，因为现代机舱三轮式空调系统需要使再循环空气冷却，所以其出口温度被驱使至远低于混合温度。在常规放出空气驱动的环境控制系统中，如所描述的驱使出口温度通过以下组合来实现：外部空气的冲压空气冷却和跨现代机舱三轮式空调系统的涡轮机的压力膨胀。因此，常规放出空气驱动的环境控制系统的入口处通常需要30psia。这种需求与以高的发动机燃料燃烧效率提供机舱加压和冷却相反，因为常规放出空气驱动的环境控制系统不能利用接近现代机舱三轮式空调系统的入口处的机舱压力的压力。
与利用现代机舱三轮式空调系统的常规放出空气驱动的环境控制系统相反，系统200是飞机的以较高的发动机燃料燃烧效率为飞机的机组人员和乘客提供空气供应、热控制和机舱加压的环境控制系统的实例。系统200示出在入口201处流动(例如，以初始流速、压力、温度和湿度离开飞机的发动机)的放出空气，所述放出空气进而以最终流速、压力、温度和湿度被提供至舱室202(例如，机舱、驾驶舱等)。放出空气可从舱室202往回再循环通过系统200(例如，机舱排放空气和再循环空气，其中后者由点划线D2表示)以便驱动和/或协助系统200。
所述系统包括外壳210，所述外壳210用于接收和引导冲压空气通过系统200。应注意，基于所述实施方案，来自系统200的废气可被发送至出口(例如，通过外壳210释放至周围空气)。还应注意，在巡航期间系统200可在接近舱室压力的放出压力下工作。
系统200进一步示出阀V1-V6、热交换器220、空气循环机240(其包括涡轮机243、压缩机244、涡轮机245、电机247、风扇248和轴杆249)、冷凝器260、脱水机270以及再循环风扇280，其中的每一个通过管子、管道等连接。应注意，热交换器220是如上所述的热交换器130的实例。此外，在一个实施方案中，热交换器220是位于初级热交换器(未示出)下游的次级热交换器。还应注意，空气循环机240是如上所述的压缩装置120的实例。
空气循环机240通过升高和/或降低压力并且通过升高和/或降低温度来抽取介质或对介质进行操作。压缩机244是使从入口201接收的放出空气的压力升高的机械装置。涡轮机243、245是可通过轴杆249驱动压缩机244和风扇248的机械装置。
电机247是同样可通过轴杆249驱动压缩机244和风扇248的机械装置。电机247可安装在空气循环机上(或者空气循环机包括另外的电动机驱动的压缩机)。应注意，在常规环境控制系统中，电动机可用来在进入常规环境控制系统的放出压力小于机舱压力时(例如，比机舱压力低多达5psi)增加压力。因为进入加压系统的空气可低至比机舱压力低5psi，所以由常规环境控制系统的这种电动机所利用的功率的量是显著的。与常规环境控制系统的电动机相反，电机247的功率显著较低。由于系统200被配置来在压缩机240的入口处接收等于舱室压力或在舱室压力的2.5psi内的介质，电机247根据需要提供辅助。以这种方式，系统200避免以上指出的功率挑战，以及与本文尚未论述的常规环境控制系统的大功率电机驱动器的液体冷却有关的挑战。此外，系统200可利用电气子系统以恒定或可变的频率向电机247提供动力。
风扇248是可通过推动或拉动方法迫使空气通过外壳210，从而以可变冷却气流跨过次级热交换器220的机械装置。因此，涡轮机243、245，压缩机244和风扇248一起示出例如空气循环机240可作为利用从舱室202再循环或排放的空气的四轮式空气循环机进行操作。
冷凝器260是特定类型的热交换器。脱水机270是执行从任何源(诸如放出空气)取得水的过程的机械装置。再循环风扇280是可通过推动方法迫使再循环空气进入系统200(如由点划线D2所指示)的机械装置。
在系统200的高压操作模式下，通过阀V1从入口201接收高压高温空气。高压高温空气进入压缩机244。压缩机244对高压高温空气进行加压并且在此过程中对其进行加热。这种空气随后进入热交换器220并且被冲压空气冷却，从而产生冷却高压空气(例如，处于近似周围温度下)。这种冷却高压空气进入冷凝器260和脱水机270中，在冷凝器260和脱水机270中空气被冷却并且水分被去除。冷却高压空气进入涡轮机243，在涡轮机243中空气膨胀并且做功。来自涡轮机243的功可驱动压缩机244和风扇248。风扇248用来拉动冲压空气流通过热交换器220。另外，通过使冷却高压空气膨胀并做功，涡轮机243产生冷的放出空气。在离开涡轮机243之后，冷的放出空气在混合点处与由风扇280通过阀V5和V6提供的再循环空气D2混合。在这种情况下，混合点可被称为压缩装置240的下游、压缩机244的下游、涡轮机243的下游和/或冷凝器260的低压侧上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。通过将冷的放出空气与再循环空气混合，系统200利用温暖且潮湿的再循环空气来使冷的放出空气达到平衡(例如，升高温度)。这种达到平衡的放出空气进而会进入冷凝器260的低压侧，使冷凝器260的高压侧上的放出空气冷却，并且被发送用于调节舱室202。
应注意，当在高压模式下操作时，离开压缩机244的空气有可能超过燃料的自动着火温度(例如，稳态为400F并且瞬态为450F)。在这种情形下，来自热交换器220的出口的空气由阀V2通过管道输送至压缩机244的入口。这降低了进入压缩机244的入口的空气的入口温度，并且因此离开压缩机244的空气低于燃料的自动着火温度。
当发动机压力足以驱动循环或当舱室202的温度要求时，可在飞行条件下使用高压操作模式。例如，诸如地面慢行、滑行、起飞、爬升和持恒状态的条件将使得空气循环机240在高压模式下操作。另外，超高温高海拔巡航条件可导致空气循环机240在高压模式下操作。
在低压操作模式下，来自入口201的放出空气通过阀V3绕过空气循环机240并且在混合点处与由风扇280通过阀V5和V6提供的再循环空气D2混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点可被称为压缩装置240的下游、压缩装置240的下游和/或热交换器220的上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。混合空气直接穿过热交换器220，在热交换器220中所述混合空气被冲压空气冷却至舱室202所需的温度，从而产生冷却空气。冷却空气随后通过阀V4直接进入舱室202。另外，电机247被用来使空气循环机240以例如约6000rpm的最小速度转动。
低压模式可在飞行条件下使用，在所述飞行条件下，进入空气循环机240的放出空气的压力大于约1psi、高于舱室压力(例如，海拔高于30,000英尺的巡航条件以及处于或接近标准环境日类型的条件)。在这种模式下，压缩机244将具有约1.4至1的压力比。系统200利用使由电机247利用的功率能够显著降低的低压比。例如，系统可利用一种电机，所述电机利用每分钟每磅被压缩的空气0.5千瓦(即，使放出压力3.5磅/平方英寸升高所需的功率量小于或等于每分钟每磅放出流0.5千瓦)，所述功率小于常规环境控制系统所需功率的一半。通过利用电机247，系统200避免了对用来使高功率电子设备(诸如常规电动机)冷却的液体冷却系统的需要。
在增压操作模式下，来自入口201的放出空气进入压缩机244，在压缩机244中所述放出空气被压缩并被加热。来自压缩机244的压缩且加热的空气在混合点处与由风扇280通过阀V5和V6提供的再循环空气D2混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点可被称为压缩装置240的下游、压缩机244的下游和/或热交换器220的上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。混合空气进入热交换器220，在热交换器220中所述混合空气被冲压空气冷却至舱室202所需的温度，从而产生冷却空气。冷却空气随后通过阀V4直接进入舱室202。另外，电机247被用来提供能量以便对放出空气进行加压。也就是说，由电机247提供的功的量足以使空气循环机240以压缩机244所需的速度转动，以便使放出空气的压力升高至可驱动放出空气通过热交换器220并进入舱室202的值。
增压模式可在飞行条件下使用，在所述飞行条件下，进入空气循环机240的放出空气的压力低至2.5psi、低于舱室压力(例如，海拔高于30,000英尺的巡航条件以及处于或接近标准环境日类型的条件)。
鉴于飞机实例，现将参考图3描述图1的系统100。图3描绘如可安装在飞机上的具有电机辅助的系统300(例如，系统100的一个实施方案)的示意图。为了便于解释，系统300的与系统200类似的部件已通过使用相同的标识符重复使用，并且不再重复介绍。系统300的替代部件包括阀V8、再热器350、冷凝器360和脱水机370，以及由点划线D3和D4指示的用于再循环空气的替代路径。
再热器350和冷凝器360是特定类型的热交换器。脱水机370是执行从任何源(诸如放出空气)取得水的过程的机械装置。再热器350、冷凝器360和/或脱水机370可一起组合成高压水分离器。
在高压操作模式下，通过阀V1从入口201接收高压高温空气。高压高温空气进入压缩机244。压缩机244对高压高温空气进行加压并且在此过程中对其进行加热。这种空气随后进入热交换器220并且被冲压空气冷却，从而产生冷却高压空气(例如，处于近似周围温度下)。这种冷却高压空气进入再热器350中，在再热器350中冷却高压空气被冷却；通过冷凝器360，在冷凝器360中冷却高压空气被来自涡轮机243的空气冷却；通过脱水机370，在脱水机370中空气中的水分被去除；并且再次进入再热器350中，在再热器350中空气被加热至接近再热器350处的入口温度。温暖的、高压的且现在干燥的空气进入涡轮机243，在涡轮机243中空气膨胀并且做功。来自涡轮机243的功可驱动压缩机244和风扇248。风扇248用来拉动冲压空气流通过热交换器220。在离开涡轮机243之后，冷空气(通常低于冰点)使冷凝器360中的暖湿空气冷却。在冷凝器360下游，离开空气循环机240的冷空气在混合点处与由风扇280通过阀V8提供的再循环空气D4混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点可被称为压缩装置240的下游、压缩机244的下游、热交换器220的下游和/或涡轮机243的下游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。在一个实施方案中，混合点可置于组件外部并且因此置于组件的下游。这种混合空气随后被发送用于调节舱室202。
当在高压模式下操作时，离开压缩机244的空气有可能超过燃料的自动着火温度(例如，稳态为400F并且瞬态为450F)。在这种情形下，来自热交换器220的第一通路的出口的空气由阀V2通过管道输送至压缩机244的入口。这降低了进入压缩机244的入口的空气的入口温度，并且因此离开压缩机244的空气低于燃料的自动着火温度。
当发动机压力足以驱动循环或当舱室202的温度要求时，可在飞行条件下使用高压操作模式。例如，诸如地面慢行、滑行、起飞、爬升和持恒状态的条件将使得空气循环机240在高压模式下操作。另外，超高温高海拔巡航条件可导致空气循环机240在高压模式下操作。
在低压操作模式下，来自入口201的放出空气通过阀V3绕过空气循环机240并且在混合点处与由风扇280通过阀V5提供的再循环空气D3混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点可被称为压缩装置240的下游和/或热交换器220的上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。混合空气直接穿过热交换器220，在热交换器220中所述混合空气被冲压空气冷却至舱室202所需的温度，从而产生冷却空气。冷却空气随后通过阀V4直接进入舱室202。另外，电机247被用来使空气循环机240以例如约6000rpm的最小速度转动。
低压模式可在飞行条件下使用，在所述飞行条件下，进入空气循环机240的放出空气的压力大于约1psi、高于舱室压力(例如，海拔高于30,000英尺的巡航条件以及处于或接近标准环境日类型的条件)。在这种模式下，压缩机244将具有约1.4至1的压力比。系统300利用使由电机247利用的功率能够显著降低的低压比。例如，所述系统可利用一种电机，所述电机利用每分钟每磅被压缩的空气0.5千瓦，所述功率小于常规环境控制系统所需功率的一半。通过利用电机247，系统200避免了对用来使高功率电子设备(诸如常规电动机)冷却的液体冷却系统的需要。
在增压操作模式下，来自入口201的放出空气进入压缩机244，在压缩机244中所述放出空气被压缩并被加热。来自压缩机244的压缩且加热的空气在混合点处与由风扇280通过阀V5提供的再循环空气D3混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点位于压缩机244的下游和/或至少一个热交换器220的上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。混合空气进入热交换器220，在热交换器220中所述混合空气被冲压空气冷却至舱室202所需的温度，从而产生冷却空气。冷却空气随后通过阀V4直接进入舱室202。另外，电机247被用来提供能量以便对放出空气进行加压。也就是说，由电机247提供的功的量足以使空气循环机240以压缩机244所需的速度转动，以便使放出空气的压力升高至可驱动放出空气通过热交换器220并进入舱室202的值。
增压模式可在飞行条件下使用，在所述飞行条件下，进入空气循环机240的放出空气的压力低至2.5psi、低于舱室压力(例如，海拔高于30,000英尺的巡航条件以及处于或接近标准环境日类型的条件)。
鉴于飞机实例，现将参考图4描述图1的系统100。图4描绘如可安装在飞机上的具有电机辅助的系统400(例如，系统100的一个实施方案)的示意图。为了便于解释，系统300的与系统200和系统300类似的部件已通过使用相同的标识符而重复使用，并且不再重复介绍。系统400的替代部件是阀V9以及由点划线D5所指示的用于再循环空气的替代路径。
在高压操作模式下，通过阀V1从入口201接收高压高温空气。高压高温空气进入压缩机244。压缩机244对高压高温空气进行加压并且在此过程中对其进行加热。这种空气随后进入热交换器220的第一通路并且通过冲压空气冷却。离开热交换器220的第一通路的空气随后进入热交换器220的第二通路并且进一步被冷却以产生冷却高压空气。这种冷却高压空气通过阀V9进入冷凝器260和脱水机270，在冷凝器260和脱水机270中空气被冷却并且水分被去除。冷却高压空气进入涡轮机243，在涡轮机243中空气膨胀并且做功。来自涡轮机243的功可驱动压缩机244和风扇248。风扇248用来拉动冲压空气流通过热交换器220。另外，通过膨胀并做功，涡轮机243产生冷的放出空气。在离开涡轮机243之后，冷的放出空气在混合点处与由风扇280通过阀V5和V6提供的再循环空气D5混合。在这种情况下，混合点位于压缩装置240的下游，所述混合点也可被称为压缩机244的下游和/或第一涡轮机243的下游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。通过将冷的放出空气与再循环空气混合，系统200利用温暖且潮湿的再循环空气来使冷的放出空气达到平衡(例如，升高温度)。这种达到平衡的放出空气进而会进入冷凝器260的低压侧，使冷凝器260的高压侧上的放出空气冷却，并且被发送用于调节舱室202。
当在高压模式下操作时，离开压缩机244的空气有可能超过燃料的自动着火温度(例如，稳态为400F并且瞬态为450F)。在这种情形下，来自热交换器220的第一通路的出口的空气由阀V2通过管道输送至压缩机244的入口。这降低了进入压缩机244的入口的空气的入口温度，并且因此离开压缩机244的空气低于燃料的自动着火温度。
当发动机压力足以驱动循环或当舱室202的温度要求时，可在飞行条件下使用高压操作模式。例如，诸如地面慢行、滑行、起飞、爬升和持恒状态的条件将使得空气循环机240在高压模式下操作。另外，超高温高海拔巡航条件可导致空气循环机240在高压模式下操作。
在低压操作模式下，来自入口201的放出空气通过阀V3绕过空气循环机240并且直接穿过热交换器220的第一通路。在离开第一通路后，放出空气随后在混合点处与由风扇280通过阀V5和V6提供的再循环空气D5混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点位于压缩机244的下游和/或至少一个热交换器220的第二通路的上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。混合空气进入热交换器220的第二通路，在所述第二通路中混合空气被冲压空气冷却至舱室202所需的温度，从而产生冷却空气。冷却空气随后通过阀V9直接进入舱室202。另外，电机247被用来使空气循环机240以例如约6000rpm的最小速度转动。
低压模式可在飞行条件下使用，在所述飞行条件下，进入空气循环机240的放出空气的压力大于约1psi、高于舱室压力(例如，海拔高于30,000英尺的巡航条件以及处于或接近标准环境日类型的条件)。在这种模式下，压缩机244将具有约1.4至1的压力比。系统400利用使由电机247利用的功率能够显著降低的低压比。例如，所述系统可利用一种电机，所述电机利用每分钟每磅被压缩的空气0.5千瓦，所述功率小于常规环境控制系统所需功率的一半。通过利用电机247，系统200避免了对用来使高功率电子设备(诸如常规电动机)冷却的液体冷却系统的需要。
在增压操作模式下，来自入口201的放出空气进入压缩机244，在压缩机244中所述放出空气被压缩并被加热。来自压缩机244的压缩且加热的空气穿过热交换器220的第一通路并且随后在混合点处与由风扇280通过阀V5和V6提供的再循环空气D5混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点位于压缩机244的下游和/或至少一个热交换器220的第二通路的上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。混合空气进入热交换器220的第二通路，在所述第二通路中混合空气被冲压空气冷却至舱室202所需的温度，从而产生冷却空气。冷却空气随后通过阀V9直接进入舱室202。另外，电机247被用来提供能量以便对放出空气进行加压。也就是说，由电机247提供的功的量足以使空气循环机240以压缩机244所需的速度转动，以便使放出空气的压力升高至可驱动放出空气通过热交换器220并进入舱室202的值。
增压模式可在飞行条件下使用，在所述飞行条件下，进入空气循环机240的放出空气的压力低至2.5psi、低于舱室压力(例如，海拔高于30,000英尺的巡航条件以及处于或接近标准环境日类型的条件)。
鉴于飞机实例，现将参考图5描述图1的系统100。图5描绘如可安装在飞机上的具有电机辅助的系统500(例如，系统100的一个实施方案)的示意图。为了便于解释，系统500的与系统200、300和400类似的部件已通过使用相同的标识符而重复使用，并且不再重复介绍。系统500的替代部件是阀V10以及由点划线D6和D7所描绘的替代路径。
在高压操作模式下，通过阀V1从入口201接收高压高温空气。高压高温空气进入压缩机244。压缩机244对高压高温空气进行加压并且在此过程中对其进行加热。这种空气随后进入热交换器220的第一通路并且通过冲压空气冷却。离开热交换器220的第一通路的空气随后进入热交换器220的第二通路并且进一步被冷却以产生冷却高压空气。这种冷却高压空气通过阀V9进入再热器350中，在再热器350中冷却高压空气被冷却；通过冷凝器360，在冷凝器360中冷却高压空气被来自涡轮机243的空气冷却；通过脱水机370，在脱水机370中空气中的水分被去除；并且再次进入再热器350中，在再热器350中空气被加热至接近阀V9处的入口温度。温暖的、高压的且现在干燥的空气进入涡轮机243，在涡轮机243中空气膨胀并且做功。来自涡轮机243的功可驱动压缩机244和风扇248。风扇248用来拉动冲压空气流通过热交换器220。在离开涡轮机243之后，冷空气(通常低于冰点)使冷凝器360中的暖湿空气冷却。在冷凝器360下游，离开空气循环机240的冷空气在混合点处与由风扇280通过阀V10提供的再循环空气D7混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点可被称为压缩装置240的下游、压缩机244的下游、热交换器220的下游、涡轮机243的下游和/或冷凝器360的下游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。在一个实施方案中，混合点可置于组件外部并且因此置于组件的下游。这种混合空气随后被发送用于调节舱室202。
当在高压模式下操作时，离开压缩机244的空气有可能超过燃料的自动着火温度(例如，稳态为400F并且瞬态为450F)。在这种情形下，来自热交换器220的第一通路的出口的空气由阀V2通过管道输送至压缩机244的入口。这降低了进入压缩机244的入口的空气的入口温度，并且因此离开压缩机244的空气低于燃料的自动着火温度。
当发动机压力足以驱动循环或当舱室202的温度要求时，可在飞行条件下使用高压操作模式。例如，诸如地面慢行、滑行、起飞、爬升和持恒状态的条件将使得空气循环机240在高压模式下操作。另外，超高温高海拔巡航条件可导致空气循环机240在高压模式下操作。
在低压操作模式下，来自入口201的放出空气通过阀V3绕过空气循环机240并且直接穿过热交换器220的第一通路。在离开第一通路后，放出空气随后在混合点处与由风扇280通过阀V5提供的再循环空气D6混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点可被称为压缩装置240的下游、压缩机244的下游和/或热交换器220的第二通路的上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。混合空气进入热交换器220的第二通路，在所述第二通路中混合空气被冲压空气冷却至舱室202所需的温度，从而产生冷却空气。冷却空气随后通过阀V9直接进入舱室202。另外，电机247被用来使空气循环机240以例如约6000rpm的最小速度转动。
低压模式可在飞行条件下使用，在所述飞行条件下，进入空气循环机240的放出空气的压力大于约1psi、高于舱室压力(例如，海拔高于30,000英尺的巡航条件以及处于或接近标准环境日类型的条件)。在这种模式下，压缩机244将具有约1.4至1的压力比。系统500利用使由电机247利用的功率能够显著降低的低压比。例如，所述系统可利用一种电机，所述电机利用每分钟每磅被压缩的空气0.5千瓦，所述功率小于常规环境控制系统所需功率的一半。通过利用电机247，系统200避免了对用来使高功率电子设备(诸如常规电动机)冷却的液体冷却系统的需要。
在增压操作模式下，来自入口201的放出空气进入压缩机244，在压缩机244中所述放出空气被压缩并被加热。来自压缩机244的压缩且加热的空气穿过热交换器220的第一通路并且随后在混合点处与由风扇280通过阀V5提供的再循环空气D6混合，从而产生混合空气。在这种情况下，混合点可被称为压缩装置240的下游、压缩机244的下游和/或热交换器220的第二通路的上游。当应用于空调组件时，混合点可被称为组件内部。混合空气进入热交换器220的第二通路，在所述第二通路中混合空气被冲压空气冷却至舱室202所需的温度，从而产生冷却空气。另外，电机247被用来提供能量以便对放出空气进行加压。也就是说，由电机247提供的功的量足以使空气循环机240以压缩机244所需的速度转动，以便使放出空气的压力升高至可驱动放出空气通过热交换器220并进入舱室202的值。
增压模式可在飞行条件下使用，在所述飞行条件下，进入空气循环机240的放出空气的压力低至2.5psi、低于舱室压力(例如，海拔高于30,000英尺的巡航条件以及处于或接近标准环境日类型的条件)。
鉴于以上所述，一个或多个实施方案可包括一种系统，所述系统包括：第一入口，其提供来自源的介质；压缩装置，其与所述第一入口连通，其中所述压缩装置包括：压缩机，其被配置来接收所述介质；涡轮机，其位于所述压缩机的下游；以及电动机，其被配置来驱动所述压缩机；以及至少一个热交换器，其中所述至少一个热交换器的出口与所述压缩机的入口和所述涡轮机的入口流体连通。
一个或多个实施方案还可包括可配置来在至少两种模式下操作的以上系统，所述至少两种模式包括第一模式和第二模式：其中在所述第一模式下，所述介质在第一混合点处与再循环介质混合：并且其中在所述第二模式下，所述介质在第二混合点处与所述再循环介质混合。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一混合点位于所述压缩装置的所述压缩机的下游。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一混合点位于所述至少一个热交换器的上游。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第二混合点位于所述涡轮机的下游。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一模式是低压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一模式是增压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第二模式是高压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述至少一个热交换器包括介质流过的多个通路。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一混合点位于所述多个通路中的第一通路的下游。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述电动机接收电能以便当所述系统在所述第一模式下操作时向所述压缩机提供动力。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中当所述系统在所述第一模式下操作时所述电动机维持所述压缩装置的最小速度。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一模式是增压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一模式是低压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中提供至所述电动机的电能不超过每分钟每磅由所述压缩机接收的空气0.5KW。
鉴于以上所述，一个或多个实施方案可包括一种系统，所述系统包括：第一入口，其提供来自源的介质；压缩装置，其与所述第一入口连通，其中所述压缩装置包括：压缩机，其被配置来接收所述介质；涡轮机，其位于所述压缩机的下游；以及电动机，其被配置来驱动所述压缩机；以及至少一个热交换器，其中所述至少一个热交换器包括所述介质流过的多个通路，其中所述多个通路中的第一通路的出口与所述压缩机的出口流体连通，并且其中所述多个通路中的最终通路的出口与所述涡轮机的入口流体连通。
一个或多个实施方案还可包括可配置来在至少两种模式下操作的以上系统，所述至少两种模式包括第一模式和第二模式：其中在所述第一模式下，所述介质在第一混合点处与再循环介质混合；并且其中在所述第二模式下，所述介质在第二混合点处与所述再循环介质混合。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一混合点位于所述压缩装置的所述压缩机的下游。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一混合点位于所述多个通路中的所述第一通路的下游。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第二混合点位于所述涡轮机的下游。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一模式是低压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一模式是增压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第二模式是高压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述电动机接收所述介质以便当系统在所述第一模式下操作时向所述压缩机提供动力。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一模式是增压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述第一模式是低压模式。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中提供至所述电动机的电能不超过每分钟每磅由所述压缩机接收的空气0.5KW。
一个或多个实施方案还可包括以上系统中的任一种，其中所述电动机接收所述介质以便当系统在所述第一模式下操作时维持压缩装置的最小速度。
本文参考根据本发明的实施方案的方法、设备和/或系统的流程图图解、示意图和/或框图来描述实施方案的方面。此外，已经出于说明目的呈现了各种实施方案的描述，但是所述描述并不意图是排他性的或者限于所公开的实施方案。在不脱离所描述实施方案的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择本文中所使用的术语来最好地解释实施方案的原理、对在市场中所见技术的实际应用或技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文中所公开的实施方案。
本文使用的术语只用于描述具体实施方案的目的，而不是意图成为本发明的限制。除非上下文明确地另外指出，否则本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”意图同样包括复数形式。应进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时明确说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
本文所描绘的流程图只是一个实例。在不脱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)可有许多变型。例如，可按不同顺序执行所述步骤，或者可增添、删除或修改步骤。所有的这些变型被认为是所要求保护的发明的一部分。
虽然已经描述了本发明的优选实施方案，但是应理解，现在和将来的本领域的技术人员可作出落入以下权利要求范围内的各种改进和增强。这些权利要求应被解释为维持对首次描述的本发明的适当保护。
Claims (10)
1.一种环境控制系统，其包括：
第一入口，所述第一入口提供来自源的第一介质；
压缩装置，所述压缩装置与所述第一入口连通，其中所述压缩装置包括：
压缩机，所述压缩机被配置来接收所述第一介质，
涡轮机，所述涡轮机位于所述压缩机的下游，以及
电动机，所述电动机被配置来驱动所述压缩机；以及
至少一个热交换器，
其中所述至少一个热交换器具有多个通路，所述多个通路中的一个的出口与所述压缩机的入口流体连通，并且所述多个通路中的另一个的出口与所述涡轮机的入口流体连通，
其中所述环境控制系统可配置来在低压模式和高压模式下操作，在所述低压模式下，所述第一介质在第一混合点处与第二介质混合，所述第一混合点位于所述压缩机的下游以及所述至少一个热交换器的至少一部分的上游，并且在所述高压模式下，所述第一介质在第二混合点处与所述第二介质混合，所述第二混合点位于所述涡轮机的下游。
2.如权利要求1所述的环境控制系统，其中所述第一介质是放出空气并且所述第二介质是再循环介质。
3.如权利要求1所述的环境控制系统，其中所述电动机接收电能以便当所述环境控制系统在所述低压模式下操作时向所述压缩机提供动力。
4.如权利要求1所述的环境控制系统，其中当所述环境控制系统在所述低压模式下操作时所述电动机维持所述压缩装置的最小速度。
5.如权利要求1所述的环境控制系统，其中提供至所述电动机的电能不超过每分钟每磅由所述压缩机接收的空气0.5 KW。
6.一种环境控制系统，其包括：
第一入口，所述第一入口提供来自源的介质；
压缩装置，所述压缩装置与所述第一入口连通，其中所述压缩装置包括：
压缩机，所述压缩机被配置来接收所述介质，
涡轮机，所述涡轮机位于所述压缩机的下游，以及
电动机，所述电动机被配置来驱动所述压缩机；以及
至少一个热交换器，
其中所述至少一个热交换器包括所述介质流过的多个通路，所述至少一个热交换器相对于所述介质的流布置在所述压缩机下游，所述至少一个热交换器的所述多个通路是串联布置的，
其中所述多个通路中的第一通路的出口与所述压缩机的入口流体连通，使得来自所述第一通路的出口的所述介质的流的至少一部分被返回到所述压缩机，并且
其中所述多个通路中的最终通路的出口与所述涡轮机的入口流体连通。
7.如权利要求6所述的环境控制系统，其可配置来在至少两种模式下操作，所述至少两种模式包括第一模式和第二模式；
其中在所述第一模式下，所述介质在第一混合点处与再循环介质混合；并且
其中在所述第二模式下，所述介质在第二混合点处与所述再循环介质混合。
8.如权利要求7所述的环境控制系统，其中所述第一混合点位于所述压缩装置的所述压缩机的下游。
9.如权利要求6所述的环境控制系统，其中提供至所述电动机的电能不超过每分钟每磅由所述压缩机接收的空气0.5 KW。
10.如权利要求7所述的环境控制系统，其中当所述环境控制系统在所述第一模式下操作时所述电动机接收所述介质以便维持所述压缩装置的最小速度。
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