IT201900006866A1 - Sistema di aspirazione aria con riscaldamento elettrico per un propulsore di un veicolo - Google Patents

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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“SISTEMA DI ASPIRAZIONE ARIA CON RISCALDAMENTO ELETTRICO PER UN PROPULSORE DI UN VEICOLO”
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un sistema di aspirazione aria per un propulsore di un veicolo.
La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad un aeromobile (ovvero una macchina costruita dall'uomo che si sostiene e si può spostare nell'aria consentendo il trasporto di persone o cose all'interno dell'atmosfera terrestre) ed in particolare ad un elicottero, a cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.
ARTE ANTERIORE
Un moderno elicottero è generalmente dotato di almeno un propulsore che aziona un complesso di pale che permettono all’elicottero stesso di sollevarsi ed abbassarsi verticalmente, restare fermo in volo, spostarsi lateralmente, all'indietro o in avanti. E’ previsto un sistema di aspirazione di aria che aspira l’aria esterna necessaria al funzionamento del propulsore (ovvero l’aria esterna contenente l’ossigeno necessario alla combustione).
Il sistema di aspirazione comprende almeno una presa d’aria ed un condotto di aspirazione che collega la presa d’aria con il propulsore; il sistema di aspirazione potrebbe anche comprendere un filtro aria che è disposto lungo il condotto di aspirazione (generalmente in prossimità o in corrispondenza della presa d’aria) ed ha la funzione di filtrare l’aria aspirata per trattenere impurità di piccola dimensione (polvere o similari) che a lungo andare possono provocare una usura precoce del propulsore.
Le domande di brevetto WO2017115331A1, WO2018073804A1 e WO2018073806A1 descrivono un elicottero dotato in aspirazione di un filtro aria provvisto di un dispositivo riscaldante elettrico che è atto a mantenere sempre la temperatura del materiale filtrante ad una temperatura (adeguatamente) superiore allo zero per evitare la formazione di ghiaccio sul filtro aria e quindi evitare che del ghiaccio possa ostruire più o meno completamente il filtro aria.
Tuttavia, in alcuni elicotteri vi può essere una distanza rilevante tra una presa d’aria ed il propulsore, ovvero il condotto di aspirazione che collega la presa d’aria al propulsore può essere relativamente lungo (ad esempio anche più di un metro); di conseguenza, è possibile che del ghiaccio si formi all’interno del condotto di aspirazione per effetto del contatto di acqua sopraffusa contenuta nell’aria aspirata con la parete del condotto di aspirazione.
L’acqua sopraffusa forma quasi istantanea del ghiaccio a contatto con un solido: la sopraffusione è il processo di raffreddamento di un liquido al di sotto della sua temperatura di solidificazione, senza che avvenga effettivamente la solidificazione stessa e quindi con acqua sopraffusa si intende il fenomeno per il quale l'acqua rimane liquida a temperature inferiori a 0°C (l'acqua sopraffusa è una condizione estremamente instabile e ha la proprietà di solidificare quasi istantaneamente a contatto con altri oggetti). Infatti, il dispositivo riscaldante elettrico accoppiato al filtro aria è in grado di riscaldare il materiale filtrante per evitare la formazione di ghiaccio sul materiale filtrante stesso, ma non sempre è in grado di riscaldare a sufficienza l’aria che attraversa il materiale filtrante per evitare che l’aria aspirata possa contenere dell’acqua sopraffusa che può dare luogo alla formazione di ghiaccio a valle del filtro aria e lungo il condotto di aspirazione.
Per eliminare il rischio di formazione di ghiaccio lungo il condotto di aspirazione è stato proposto di aumentare il calore generato dal dispositivo riscaldante elettrico accoppiato al filtro aria per riscaldare maggiormente l’aria aspirata; tuttavia, questa soluzione aumenta in modo sostanziale il consumo di energia elettrica del dispositivo riscaldante elettrico riducendo l’efficienza energetica dell’elicottero e richiede un dispositivo riscaldante elettrico più potente e quindi più costoso e complesso.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è fornire un sistema di aspirazione aria per un propulsore di un veicolo che permetta di eliminare il rischio di formazione di ghiaccio e, nello stesso tempo, sia di facile ed economica realizzazione.
Secondo la presente invenzione viene fornito un sistema di aspirazione aria per un propulsore di un veicolo, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.
Le rivendicazioni descrivono forme di realizzazione preferite della presente invenzione formando parte integrante della presente descrizione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
• la figura 1 è una vista schematica di un elicottero; • la figura 2 è una vista schematica ed in sezione trasversale dell’elicottero della figura 1 aria con in evidenza un propulsore ed un sistema di aspirazione realizzato in accordo con la presente invenzione; e
• la figura 3 è una vista schematica di un condotto di aspirazione del sistema di aspirazione della figura 2 con in evidenza due dispositivi riscaldanti;
• la figura 4 è una vista schematica ed in sezione longitudinale di parte del condotto di aspirazione della figura 3; e
• le figure 5, 6 e 7 sono tre viste schematiche ed in sezione longitudinale di altrettante varianti del condotto di aspirazione della figura 3.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figure 1 e 2 con il numero 1 è indicato nel suo complesso un elicottero comprendente un propulsore 2 (ad esempio, ma non necessariamente, a turbina) che aziona un complesso di pale che permettono all’elicottero stesso di sollevarsi ed abbassarsi verticalmente, restare fermo in volo, spostarsi lateralmente, all'indietro o in avanti.
E’ previsto un sistema 3 di aspirazione aria che aspira l’aria esterna necessaria funzionamento del propulsore 2 (ovvero l’aria esterna contenente l’ossigeno necessario alla combustione). Il sistema 3 di aspirazione comprende due prese 4 d’aria disposte su lati opposti dell’elicottero 1 ed una coppia di condotti 5 di aspirazione gemelli, ciascuno dei quali collega una corrispondente presa 4 d’aria con il propulsore 2.
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, il sistema 3 di aspirazione comprende anche una coppia di filtri 6 aria, ciascuno dei quali è disposto lungo un corrispondente condotto 5 di aspirazione ed in particolare all’inizio del condotto 5 di aspirazione (ovvero in corrispondenza della presa 4 d’aria) ed ha la funzione di filtrare l’aria aspirata per trattenere impurità di piccola dimensione (polvere o similari) che a lungo andare possono provocare una usura precoce del propulsore. Davanti a ciascun filtro 6 aria potrebbe essere prevista una griglia metallica a maglie relativamente larghe (dell’ordine di grandezza di uno o due centimetri) che ha la funzione di protezione contro i volatili.
Secondo quanto illustrato schematicamente nella figura 3, a ciascun filtro 6 aria è accoppiato un dispositivo 7 riscaldante elettrico, il quale è atto a riscaldare (quando necessario) un pannello di materiale filtrante del filtro 6 aria. A titolo di esempio, ciascun dispositivo 7 riscaldante elettrico potrebbe essere realizzato come descritto nelle domande di brevetto WO2017115331A1, WO2018073804A1 e WO2018073806A1 e quindi comprende una pluralità di conduttori 8 elettrici che sono accoppiati al pannello di materiale filtrante ed un alimentatore 9 che è atto a fare circolare nei conduttori 8 elettrici una corrente elettrica per generare nei conduttori 8 elettrici stessi del calore per effetto Joule.
Secondo quanto schematicamente illustrato nella figura 3, a ciascun condotto 5 di aspirazione è accoppiato un dispositivo 10 riscaldante elettrico il quale è atto a riscaldare (quando necessario) direttamente o indirettamente l’eventuale acqua presente all’interno del condotto 5 di aspirazione: in altre parole, il dispositivo 10 riscaldante elettrico può riscaldare una parete 11 del condotto 5 di aspirazione e quindi riscaldare indirettamente l’eventuale acqua presente all’interno del condotto 5 di aspirazione per effetto del calore della parete 11 oppure il dispositivo 10 riscaldante elettrico può riscaldare direttamente l’eventuale acqua presente all’interno del condotto 5 di aspirazione.
Secondo quanto schematicamente illustrato nella figura 3, ciascun dispositivo 10 riscaldante elettrico comprende un alimentatore 12 che determina, secondo le modalità descritte in seguito, la generazione di calore per riscaldare (quando necessario) direttamente o indirettamente l’eventuale acqua presente all’interno del condotto 5 di aspirazione.
In ciascun condotto 5 di aspirazione è prevista una unica unità 13 di controllo che pilota entrambi gli alimentatori 9 (del dispositivo 7 riscaldante elettrico accoppiato al filtro 6 aria) e 12 (del dispositivo 10 riscaldante elettrico accoppiato al condotto 5 di aspirazione). Ciascuna unità 13 di controllo è collegata, ad esempio, ad un sensore 14 di temperatura che misura la temperatura del pannello di materiale filtrante del filtro 6 aria, ad un sensore 15 di temperatura che misura la temperatura dell’aria all’interno del condotto 5 di aspirazione (normalmente in prossimità della parete 11 del condotto 5 di aspirazione), e ad un sensore 16 di pressione che misura la pressione dell’aria all’interno del condotto 5 di aspirazione, ovvero a valle del filtro 6 aria (eventualmente potrebbe essere previsto anche un ulteriore sensore di pressione che misura la pressione dell’aria a monte del filtro 6 aria). Ad esempio, ciascun unità 13 di controllo potrebbe pilotare l’alimentatore 9 del dispositivo 7 riscaldante elettrico secondo quanto descritto nella domanda di brevetto EP3473843A1 qui incorporata per riferimento.
Uno dei compiti di ciascuna unità 13 di controllo è di coordinare l’azione del dispositivo 7 riscaldante elettrico accoppiato al filtro 6 aria con l’azione del dispositivo 10 riscaldante elettrico accoppiato al condotto 5 di aspirazione per fare in modo che l’azione sinergica dei due dispositivi 7 e 10 riscaldanti elettrici permetta di evitare efficacemente la formazione di ghiaccio sul filtro 6 aria e nel condotto 5 di aspirazione con la massima efficienza energetica (ovvero con il minimo consumo di energia). In altre parole, in funzione delle condizioni al contorno ciascuna unità 13 di controllo può decidere (per cercare la massima efficacia antighiaccio combinata alla massima efficienza energetica) se utilizzare una maggiore potenza nel dispositivo 7 riscaldante oppure nel dispositivo 10 riscaldante.
Un altro dei compiti di ciascuna unità 13 di controllo è evitare un surriscaldamento del pannello di materiale filtrante del filtro 6 aria e della parete 11 del condotto 5 di aspirazione per evitare danneggiamenti.
Secondo la forma di attuazione illustrata nella figura 4, ciascun dispositivo 10 riscaldante elettrico comprende dei conduttori 17 elettrici (ad esempio intrecciati per formare una rete oppure tra loro paralleli ed eventualmente avvolti a spirale attorno al condotto 5 di aspirazione) che sono annegati all’interno della parete 11 del condotto 5 di aspirazione; l’alimentatore 12 è atto a fare circolare nei conduttori 17 elettrici una corrente elettrica per generare nei conduttori 17 elettrici stessi del calore per effetto Joule applicando direttamente una tensione elettrica ai conduttori 17 elettrici (ovvero l’alimentatore è direttamente e galvanicamente collegati ai conduttori 17 elettrici). La forma di attuazione illustrata nella figura 4 è normalmente utilizzata quando la parete 11 di ciascun condotto 5 di aspirazione è realizzata in materiale plastico o in materiale composito (tipicamente fibra di carbonio).
Nella variante illustrata nella figura 5, i conduttori 17 elettrici non sono annegati all’interno della parete 11 del condotto 5 di aspirazione, ma sono appoggiati ad una superficie interna della parete 11 del condotto 5 di aspirazione.
Nelle forme di attuazione illustrate nelle figure 4 e 5, l’alimentatore 12 è elettricamente collegato con i conduttori 17 elettrici per applicare direttamente (ovvero con un contatto galvanico) una tensione elettrica ai conduttori 17 elettrici.
Nelle forme di attuazione illustrate nelle figure 4 e 5, l’alimentatore 12 potrebbe anche essere un semplice interruttore (elettrocomandato) che viene chiuso per collegare direttamente e galvanicamente i conduttori 17 elettrici al BUS elettrico di potenza dell’elicottero 1 (normalmente, il BUS elettrico di potenza dell’elicottero 1 fornisce una tensione elettrica alternata alla tensione di 110 Volt). Per regolare la potenza elettrica dissipata per effetto Joule nei conduttori 17 elettrici, l’unità 13 di controllo potrebbe eseguire una semplice variazione del duty cycle della tensione di alimentazione aprendo e chiudendo ciclicamente l’interruttore.
Secondo la forma di attuazione illustrata nella figura 6, i conduttori 17 elettrici sono costituiti da una o più strisce metalliche (di materiale metallico ferromagnetico) applicate alla parete 11 del condotto 5 di aspirazione (anche in questo caso i conduttori 17 elettrici possono essere appoggiato ad una superficie interna della parete 11 del condotto 5 di aspirazione oppure possono essere annegati all’interno della parete 11 del condotto 5 di aspirazione); in questa forma di attuazione, l’alimentatore 12 è atto a generare un campo magnetico variabile nel tempo che genera nei conduttori 17 elettrici calore per induzione elettromagnetica (ovvero inducendo all’interno dei conduttori 17 elettrici delle correnti parassite). Quindi, nella forma di attuazione illustrata nella figura 6, l’alimentatore 12 non ha alcun contatto galvanico con i conduttori 17 elettrici, ovvero è elettricamente isolati dai conduttori 17 elettrici e si accoppia ai conduttori 17 elettrici solo mediante induzione elettromagnetica.
Secondo la forma di attuazione illustrata nella figura 7, ciascun dispositivo 10 riscaldante elettrico comprende un emettitore 18 che è atto ad emettere onde elettromagnetiche che entrano nel condotto 5 di aspirazione per riscaldare direttamente l’acqua presente all’interno del condotto 5 di aspirazione; preferibilmente, l’emettitore 18 è dotato di (almeno) una antenna 19 che è disposta all’interno del condotto 5 di aspirazione (in alternativa l’antenna 19 potrebbe anche essere disposta all’esterno del condotto 5 di aspirazione ed in prossimità della parete 11 del condotto 5 di aspirazione). Secondo una possibile forma di attuazione, le onde elettromagnetiche presentano una frequenza compresa nel campo dell’infrarosso (la radiazione infrarossa è la radiazione elettromagnetica con banda di frequenza dello spettro elettromagnetico inferiore a quella della luce visibile, ma maggiore di quella delle onde radio, ovvero una lunghezza d'onda compresa tra 700 nm e 1 mm). Secondo una alternativa forma di attuazione, le onde elettromagnetiche presentano una frequenza compresa nel campo delle microonde (le microonde sono radiazioni elettromagnetiche nella banda dello spettro elettromagnetico con lunghezza d'onda compresa tra le gamme superiori delle onde radio e la radiazione infrarossa, ovvero con frequenza compresa tra 1 e 40 GHz); preferibilmente, nel campo delle micro-onde viene utilizzata una frequenza compresa tra 2 e 3 GHz (normalmente 2,45 GHz corrispondenti ad una lunghezza d'onda di 12 cm) che permette il più efficace riscaldamento delle molecole di acqua.
Secondo una ulteriore forma di attuazione, le onde elettromagnetiche possono comprendere sia onde elettromagnetiche alla frequenza dell’infrarosso, sia onde elettromagnetiche alla frequenza delle microonde. Quando l’emettitore 18 emette onde elettromagnetiche alla frequenza delle microonde, il condotto 5 di aspirazione può venire schermato per confinare le onde elettromagnetiche stesse (particolarmente in direzione dell’abitacolo e della strumentazione dell’elicottero 1).
Secondo una diversa forma di attuazione, il sistema 3 di aspirazione potrebbe comprendere una unica presa 4 d’aria disposta in posizione centrale e quindi un unico condotto 5 di aspirazione che collega la presa 5 d’aria con il propulsore 2.
Secondo altre forme di attuazione non illustrate, i filtri 6 aria non sono presenti oppure sono presenti i filtri 6 aria ma non i dispositivi 7 riscaldanti.
La forma di attuazione illustrata a titolo di esempio nelle figure illustrate è relativa ad un elicottero 1, ma la presente invenzione può trovare vantaggiosa applicazione in qualsiasi tipo di aeromobile o di altro veicolo.
Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.
Il sistema 3 di aspirazione sopra descritto presenta numerosi vantaggi.
In primo luogo, nel sistema 3 di aspirazione sopra descritto è possibile assicurare l’assenza di ghiaccio sia nei filtri 6 aria, sia nei condotti 5 di aspirazione in modo efficace e, nello stesso tempo, energeticamente efficiente.
Inoltre, il sistema 3 di aspirazione sopra descritto presenta un incremento di costo modesto e soprattutto un aumento di peso contenuto rispetto ad un analogo sistema 3 di aspirazione privo del dispositivo 10 riscaldante elettrico.
ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE
1 elicottero
2 propulsore
3 sistema di aspirazione
4 presa di aria
5 condotto di aspirazione
6 filtro aria
7 dispositivo riscaldante
8 conduttori elettrici
9 alimentatore
10 dispositivo riscaldante
11 parete
12 alimentatore
13 unità di controllo
14 sensore di temperatura
15 sensore di temperatura
16 sensore di pressione
17 conduttori elettrici
18 emettitore
19 antenna

Claims (10)

  1. R I V E N D I C A Z I O N I 1) Sistema (3) di aspirazione aria di un propulsore (2) di un veicolo (1); il sistema (3) di aspirazione comprende: almeno una presa (4) d’aria; ed un condotto (5) di aspirazione, il quale è atto a collegare la presa (4) d’aria con il propulsore (2) ed è delimitato da una parete (11) tubolare; il sistema (3) di aspirazione è caratterizzato dal fatto di comprendere un primo dispositivo (10) riscaldante, il quale è accoppiato al condotto (5) di aspirazione ed è atto a riscaldare direttamente o indirettamente eventuale acqua presente all’interno del condotto (5) di aspirazione.
  2. 2) Sistema (3) di aspirazione secondo la rivendicazione 1, in cui il primo dispositivo (10) riscaldante è atto a riscaldare la parete (11) del condotto (5) di aspirazione la quale cede a sua volta calore all’eventuale acqua presente all’interno del condotto (5) di aspirazione.
  3. 3) Sistema (3) di aspirazione secondo la rivendicazione 2, in cui il dispositivo (10) riscaldante elettrico comprende dei primi conduttori (17) elettrici che sono a accoppiati alla parete (11) del condotto (5) di aspirazione ed un primo alimentatore (12) che è atto a fare circolare nei primi conduttori (17) elettrici una corrente elettrica per generare nei primi conduttori (17) elettrici stessi del calore per effetto Joule.
  4. 4) Sistema (3) di aspirazione secondo la rivendicazione 3, in cui il primo alimentatore (12) è direttamente e galvanicamente collegato ai primi conduttori (17) elettrici.
  5. 5) Sistema (3) di aspirazione secondo la rivendicazione 3, in cui il primo alimentatore (12) è galvanicamente isolato dai primi conduttori (17) elettrici ed è atto ad indurre per induzione elettromagnetica una corrente elettrica per generare nei conduttori (17) elettrici stessi del calore per effetto Joule.
  6. 6) Sistema (3) di aspirazione secondo la rivendicazione 1, in cui il primo dispositivo (10) riscaldante comprende almeno un emettitore (18) che è atto ad emettere onde elettromagnetiche che entrano nel condotto (5) di aspirazione per riscaldare direttamente l’acqua presente all’interno del condotto (5) di aspirazione.
  7. 7) Sistema (3) di aspirazione secondo la rivendicazione 6, in cui l’emettitore (18) comprende una antenna disposta all’interno del condotto (5) di aspirazione.
  8. 8) Sistema (3) di aspirazione secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7 e comprendente: un filtro (6) aria che è disposto lungo il condotto (5) di aspirazione; ed un secondo dispositivo (7) riscaldante elettrico, il quale è accoppiato al filtro (6) aria per riscaldare il filtro (6) aria stesso.
  9. 9) Sistema (3) di aspirazione secondo la rivendicazione 8, in cui secondo dispositivo (7) riscaldante elettrico comprende dei secondi conduttori (8) elettrici che sono accoppiati ad un pannello filtrante del filtro (6) aria ed un secondo alimentatore (9) che è atto a fare circolare nei secondi conduttori (8) elettrici una corrente elettrica per generare nei secondi conduttori (8) elettrici stessi del calore per effetto Joule.
  10. 10) Sistema (3) di aspirazione secondo la rivendicazione 8 o 9 e comprendente un’unica unità (13) di controllo comune che pilota entrambi i dispositivi (7, 10) riscaldanti elettrici.
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