JP2022078964A

JP2022078964A - 一体型凝縮熱交換器及び水分離器、凝縮熱交換器及び水分離器、および環境制御システム

Info

Publication number: JP2022078964A
Application number: JP2021182943A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．ロイロバート; Robert J Roy; マイケルクルツコブルソーギヨーム; Michael Kurczko Brousseau Guillaume
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2022-05-25
Also published as: EP4001817A1; US20220153456A1

Abstract

【課題】改良された一体型凝縮熱交換器及び水分離器、凝縮熱交換器及び水分離器、および環境制御システムを提供する。
【解決手段】一体型凝縮熱交換器及び水分離器２８は、微孔性黒鉛板４８、微孔性黒鉛板４８の第１の側５６に画定された１つ以上の水路、及び第１の側の反対側の微孔性黒鉛板４８の第２の側５８に画定された１つ以上の空気通路を含む。空気入口３８は、第１の圧力で１つ以上の空気通路を通して空気の流れを送るために１つ以上の空気通路に動作可能に接続され、水入口３０は、第１の圧力よりも低い第２の圧力で１つ以上の水路を通して水の流れを送るために１つ以上の水路に動作可能に接続される。微孔性黒鉛板４８は、水分が空気の流れから第２の側５８に凝縮し、微孔性黒鉛板４８を通して１つ以上の水路に運ばれるように構成される。
【選択図】図１

Description

例示的な実施形態は、例えば、宇宙船のための環境制御システムの技術に関する。

そのような環境制御システムは、通常、宇宙船の内部で快適な環境を提供するために温湿度制御システムを含む。典型的なシステムアーキテクチャは、宇宙船のキャビンの空気を凝縮熱交換器に送ってキャビンの空気から水分を除去するファン、及びキャビンの空気流から凝縮液を除去するための別個の回転式水分離器を含む。回転式水分離器は、空気流から水を分離するために遠心力に依存し、動作にかなりの動力を必要とする。さらに、典型的な凝縮熱交換器は、製造するのに費用がかかり、生産が限られているため、通常、長いリードタイムを要する。

従って本発明は、改良された一体型凝縮熱交換器及び水分離器、凝縮熱交換器及び水分離器、および環境制御システムを提供する。

一実施形態では、一体型凝縮熱交換器及び水分離器は、微孔性黒鉛板、微孔性黒鉛板の第１の側に画定された１つ以上の水路、及び第１の側の反対側の微孔性黒鉛板の第２の側に画定された１つ以上の空気通路を含む。空気入口は、第１の圧力で１つ以上の空気通路を通して空気の流れを送るために１つ以上の空気通路に動作可能に接続され、水入口は、第１の圧力よりも低い第２の圧力で１つ以上の水路を通して水の流れを送るために１つ以上の水路に動作可能に接続される。微孔性黒鉛板は、水分が空気の流れから第２の側に凝縮し、微孔性黒鉛板を通して１つ以上の水路に運ばれて水の流れに加わるように構成される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、第１の圧力と第２の圧力の差は、微孔性黒鉛板を通る１つ以上の水路の中への空気の流れの侵入を防ぐために、微孔性黒鉛板の泡立ち点以下に維持される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、第２の圧力は周囲圧力以下（sub-ambient）である。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、微孔性黒鉛板は、１つ以上の水路を少なくとも部分的に画定するために第１の側に複数の第１の溝を含み、１つ以上の空気通路を少なくとも部分的に画定するために第２の側に複数の第２の溝を含む。

別の実施形態では、凝縮熱交換器及び水分離器は、積み重ねて配置された複数の微孔性黒鉛板を含み、各微孔性黒鉛板は、微孔性黒鉛板の第１の側に画定された１つ以上の水路、及び第１の側の反対側の微孔性黒鉛板の第２の側に画定された１つ以上の空気通路を有する。空気入口は、第１の圧力で１つ以上の空気通路を通して空気の流れを送るために１つ以上の空気通路に動作可能に接続され、水入口は、第１の圧力より低い第２の圧力で１つ以上の水路を通して水の流れを送るために１つ以上の水路に動作可能に接続される。複数の微孔性黒鉛板は、水分が空気の流れから第２の側に凝縮し、微孔性黒鉛板を通して１つ以上の水路に運ばれて水の流れに加わるように構成される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、複数の微孔性黒鉛板の各微孔性黒鉛板は、１つ以上の水路を少なくとも部分的に画定するために第１の側に複数の第１の溝を含み、１つ以上の空気通路を少なくとも部分的に画定するために第２の側に複数の第２の溝を含む。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、カバープレートは、微孔性黒鉛板の積み重ねの第１の積み重ね側及び第２の積み重ね側の１つ以上に位置する。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、空気出口は、調整された空気の流れを凝縮熱交換器及び水分離器から出すために１つ以上の空気通路に動作可能に接続される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、第２の圧力は周囲圧力以下である。

さらに別の実施形態では、環境制御システムは、液液（liquid-liquid）熱交換器、ポンプ、ならびに凝縮熱交換器及び水分離器を含む。液液熱交換器、ポンプ、ならびに凝縮熱交換器及び水分離器は、水の流れが循環する冷却水ループ（water coolant loop）を画定するために連続配置で配置される。凝縮熱交換器及び水分離器は、微孔性黒鉛板、微孔性黒鉛板の第１の側に画定された１つ以上の水路、及び第１の側の反対側の微孔性黒鉛板の第２の側に画定された１つ以上の空気通路を含む。空気入口は、第１の圧力で１つ以上の空気通路を通して空気の流れを送るために１つ以上の空気通路に動作可能に接続され、水入口は、第１の圧力より低い第２の圧力で１つ以上の水路を通して水の流れを送るために１つ以上の水路に動作可能に接続される。微孔性黒鉛板は、水分が空気の流れから第２の側に凝縮し、微孔性黒鉛板を通して１つ以上の水路に運ばれて水の流れに加わるように構成される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、ベント型ベローズアキュムレータ及び流量計量オリフィスは、水の流れの選択された第２の圧力を維持するために冷却水ループに沿って配置される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、ベローズアキュムレータは、ポンプと、凝縮熱交換器及び水分離器との間で冷却水ループに沿って配置される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、水の流れの温度は、液液熱交換器で冷却液（coolant）の流れとの熱エネルギー交換によって維持される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、水取り出しラインは、冷却水ループに流体接続される。水取り出しラインは、冷却水ループから水を選択的に除去するように構成される。

さらにまたは代わりに、本実施形態または他の実施形態では、取り出しポンプは水取り出しラインに沿って位置する。

以下の説明は、決して限定的であると見なすべきではない。添付図面に関して、同様の要素には同様の番号が付されている。

環境制御システムの一実施形態の概略図である。一体型凝縮熱交換器及び水分離器の一実施形態の概略図である。複数の空気通路の一実施形態の斜視図である。複数の水路の一実施形態の斜視図である。

開示されている装置及び方法の１つ以上の実施形態の詳細な説明は、図を参照して、限定ではなく例示によって本明細書に提示される。

ここで図１を参照すると、例えば宇宙船のための環境制御システム１０の一実施形態が示されている。システム１０は、冷却水ループ（water coolant loop）１２を利用し、水の流れ１４は冷却水ループ１２を通ってポンプ１６によって循環される。水の流れ１４の温度は、水の流れ１４を液液熱交換器１８に通すことによって維持される。液液（liquid-liquid）熱交換器１８で、水の流れ１４は、冷却液ループ（coolant loop）２２の冷却液の流れ２０と熱エネルギーを交換し、このようにして水の流れ１４を冷却する。いくつかの実施形態では、冷却液の流れ２０は、冷却液入口２４で液液熱交換器１８に入り、冷却液出口２６で液液熱交換器１８を出る。示されている実施形態では、ポンプ１６は、液液熱交換器１８の下流で冷却水ループ１２に沿って位置するが、他の実施形態では、ポンプ１６は、液液熱交換器１８の上流に位置してもよい。

凝縮熱交換器（ＣＨＸ）及び水分離器２８は、いくつかの実施形態では液液熱交換器１８の上流で、冷却水ループ１２に沿って位置する。水の流れ１４は、水入口３０でＣＨＸ及び水分離器２８に入り、水出口３２でＣＨＸ及び水分離器２８を出る。同様に、例えば、車両キャビン３６からの還気３４の流れは、空気入口３８でＣＨＸ及び水分離器２８に入る。還気３４は、ＣＨＸ及び水分離器２８で調整され、空気出口４２で調整された空気の流れ４０として出される。いくつかの実施形態では、調整された空気の流れ４０は、車両キャビン３６に送られる。

ここで図２の断面図を参照すると、ＣＨＸ及び水分離器２８は、より詳細に示されている。ＣＨＸ及び水分離器２８は、離間されている、第１のカバープレート４４、及び第１のカバープレート４４の反対側の第２のカバープレート４６を含む。複数の微孔性黒鉛板４８は、第１のカバープレート４４と第２のカバープレート４６との間に積み重ねられている。カバープレート４４、４６、及び微孔性黒鉛板４８は、各々、その中に画定された複数の溝５０を有し、その結果、溝５０は、積み重ねられると、複数の通路を画定する。そのような通路は、そこを通って流れる媒体に応じて、空気通路５２または水路５４のどちらかである。

したがって、ＣＨＸ及び水分離器２８は、複数の交互になる空気通路５２の層及び水路５４の層を有し、隣接する層は、微孔性黒鉛板４８によって分けられている。各水路５４は、水の流れ１４が複数の水路５４を通って送られるように、水入口３０及び水出口３２に流体接続される。同様に、各空気通路５２は、還気３４が空気入口３８から複数の空気通路５２の中に送られ、調整された空気４０が複数の空気通路５２から空気出口４２に送られるように、空気入口３８及び空気出口４２に流体接続される。いくつかの実施形態では、ＣＨＸ及び水分離器２８は、向流構成である。図３ａを参照すると、いくつかの実施形態では、複数の空気通路５２は単一の通過構成を有し、一方、図３ｂに示すように、複数の水路５４は、例えば図示するように３つの通過など複数の通過構成を有する。しかしながら、他の数の通過を利用し得ることを理解されたい。水路５４の複数通過構成は、その中の水の速度を加速し、それによって熱伝達係数を増加させ、表面の汚れの可能性を低減する。

図２に示すように、差圧（ΔＰ）は空気流と冷却水流（water coolant flow）との間で維持され、その結果、空気出口４２での空気流圧力は、水出口３２での冷却水流圧力よりも大きい。いくつかの実施形態では、差圧は、以下により詳細に説明するように、冷却水流を周囲圧力以下に維持することによって達成される。動作中、比較的に湿った還気３４の流れは、空気入口３８を介して複数の空気通路５２に送られ、水の流れ１４は、水入口３０を介して複数の水路５４に導入される。

水の流れ１４が微孔性黒鉛板４８の第１の側５６で流れ、還気３４が微孔性黒鉛板４８の第２の側５８に沿って流れると、還気３４の水分は、微孔性黒鉛板４８の第２の側５８の上に凝縮する。水分が凝縮すると、微孔性黒鉛板４８の親水性の処理によって、凝縮した水分は、微孔性黒鉛板４８の複数の微小孔の中に運ばれる。凝縮した水分６０は、微孔性黒鉛板４８の第１の側５６で複数の水路５４の中に押し込まれる。差圧は、微孔性黒鉛板４８の泡立ち点以下に維持されて、微孔性黒鉛板４８を通る複数の水路５４の中への空気流の侵入を防ぐ。水の流れ１４は、水出口３２でＣＨＸ及び水分離器２８を出て、空気流は、ここでは調整された空気４０として空気出口４２でＣＨＸ及び水分離器２８を出る。

ここで図３ａを再び参照すると、いくつかの実施形態では、空気通路５２は、オフセット通路８０を含む。これにより、まだ微孔性層を通って空気流の中に運ばれていない水滴のいずれの同伴も防がれる－水滴は、流路の側壁に衝突し、細孔性材料の中に運ばれる。これは、おもに熱交換器の空気側の表面が局所的に汚れて、その親水性の性質を低下させ、表面をやや疎水性にする場合である－したがって、水を、微孔性層を通してなかなか運ぶことができない。

ここで図１に戻ると、システム１０は、選択した差圧を維持するために、ベント型ベローズアキュムレータ６２、及び冷却水ループ１２に沿って位置する流量計量オリフィス６４をさらに含む。いくつかの実施形態では、アキュムレータ６２及び流量計量オリフィス６４は、ポンプ１６とＣＨＸ及び水分離器２８との間に位置する。

水または凝縮液は、例えば、車両が使用するために必要とされるときに、またはアキュムレータ６２内の水位が選択された閾値に達するときに、処理のために冷却水ループ１２から定期的に除去される。水取り出しライン６６は、水の除去のために冷却水ループ１２に接続される。水取り出しライン６６は、電磁弁６８、取り出しポンプ７０、及び安全弁７２を含む。電磁弁６８が開かれ、取り出しポンプ７０が作動すると、水は水取り出しライン６６に沿って及び安全弁７２を通して押し出される。所望の量の水が冷却水ループ１２から除去されると、取り出しポンプ７０は動作を停止し、電磁弁６８は閉じられる。

本明細書に説明するように、ＣＨＸ及び水分離器２８は、ＣＨＸ及び水分離器の機能を単一の受動構成要素に結合し、それによってＣＨＸ及び水分離器が含まれる環境制御システムの全体的な信頼性を高める。

用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、出願時に利用可能な機器に基づく特定の量の測定に関連する誤差の程度を含むと意図されている。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本開示を限定する意図はない。本明細書で使用されるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が別段に明確に示さない限り、同様に複数形も含むことが意図される。さらに、用語「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／または「備えている／含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用されるとき、述べられる特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／またはそれらのグループの存在もしくは追加を除外しないことを理解されたい。

本開示は例示的な実施形態または複数の実施形態を参照して説明されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされ得、均等物がその要素の代わりに置き換えられ得ることが、当業者によって理解される。さらに、特定の状況または材料を本開示の教示に適応させるために、本開示の本質的範囲から逸脱することなく、多くの修正がなされ得る。したがって、本開示は、本開示を実行するために想到される最適の形態として開示される特定の実施形態に限定されるのではなく、本開示は、「特許請求の範囲」に入る全ての実施形態を含むことが意図される。

Claims

一体型凝縮熱交換器及び水分離器であって、
微孔性黒鉛板と、
前記微孔性黒鉛板の第１の側に画定された１つ以上の水路と、
前記第１の側の反対側の前記微孔性黒鉛板の第２の側に画定された１つ以上の空気通路と、
第１の圧力で前記１つ以上の空気通路を通して空気の流れを送るために前記１つ以上の空気通路に動作可能に接続された空気入口と、
前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記１つ以上の水路を通して水の流れを送るために前記１つ以上の水路に動作可能に接続された水入口と、
を備え、
前記微孔性黒鉛板が、水分が前記空気の流れから前記第２の側に凝縮し、前記微孔性黒鉛板を通して前記１つ以上の水路に運ばれて前記水の流れに加わるように構成される、一体型凝縮熱交換器及び水分離器。
前記微孔性黒鉛板を通り、前記１つ以上の水路の中への前記空気の流れの侵入を防ぐために、前記第１の圧力と前記第２の圧力の差が、前記微孔性黒鉛板の泡立ち点以下に維持される、請求項１に記載の凝縮熱交換器及び水分離器。
前記第２の圧力が周囲圧力以下である、請求項１に記載の凝縮熱交換器及び水分離器。
前記微孔性黒鉛板が、
前記１つ以上の水路を少なくとも部分的に画定するために、前記第１の側に複数の第１の溝と、
前記１つ以上の空気通路を少なくとも部分的に画定するために、前記第２の側に複数の第２の溝と、
を含む、請求項１に記載の凝縮熱交換器及び水分離器。
凝縮熱交換器及び水分離器であって、
積み重ねて配置された複数の微孔性黒鉛板を備え、各微孔性黒鉛板が、
前記微孔性黒鉛板の第１の側に画定された１つ以上の水路と、
前記第１の側の反対側の前記微孔性黒鉛板の第２の側に画定された１つ以上の空気通路と、
第１の圧力で前記１つ以上の空気通路を通して空気の流れを送るために前記１つ以上の空気通路に動作可能に接続された空気入口と、
前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記１つ以上の水路を通して水の流れを送るために前記１つ以上の水路に動作可能に接続された水入口と、
を備え、
前記複数の微孔性黒鉛板が、水分が前記空気の流れから前記第２の側に凝縮し、前記微孔性黒鉛板を通して前記１つ以上の水路に運ばれて前記水の流れに加わるように構成される、凝縮熱交換器及び水分離器。
前記複数の微孔性黒鉛板の各微孔性黒鉛板が、
前記１つ以上の水路を少なくとも部分的に画定するための、前記第１の側の複数の第１の溝と、
前記１つ以上の空気通路を少なくとも部分的に画定するための、前記第２の側の複数の第２の溝と、
を含む、請求項５に記載の凝縮熱交換器及び水分離器。
前記微孔黒鉛板の積み重ねの第１の積み重ね側及び第２の積み重ね側の１つ以上に配置されたカバープレートをさらに備える、請求項５に記載の凝縮熱交換器及び熱分離器。
前記凝縮熱交換器及び水分離器から調整された空気の流れを出すために、前記１つ以上の空気通路に動作可能に接続された空気出口をさらに備える、請求項５に記載の凝縮熱交換器及び水分離器。
前記微孔性黒鉛板を通る前記１つ以上の水路の中への前記空気の流れの侵入を防ぐために、前記第１の圧力と前記第２の圧力の差が、前記微孔性黒鉛板の泡立ち点以下に維持される、請求項５に記載の凝縮熱交換器及び水分離器。
前記第２の圧力が周囲圧力以下である、請求項５に記載の凝縮熱交換器及び水分離器。
環境制御システムであって、
液液熱交換器と、
ポンプと、
凝縮熱交換器及び水分離器と、
を備え、
前記液液熱交換器、前記ポンプ、ならびに前記凝縮熱交換器及び水分離器が、水の流れが循環する冷却水ループを画定するために連続配置で配置され、
前記凝縮熱交換器及び水分離器が、
微孔性黒鉛板と、
前記微孔性黒鉛板の第１の側に画定された１つ以上の水路と、
前記第１の側の反対側の前記微孔性黒鉛板の第２の側に画定された１つ以上の空気通路と、
第１の圧力で前記１つ以上の空気通路を通して空気の流れを送るために前記１つ以上の空気通路に動作可能に接続された空気入口と、
前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記１つ以上の水路を通して水の流れを送るために前記１つ以上の水路に動作可能に接続された水入口と
を含み、
前記微孔性黒鉛板が、水分が前記空気の流れから前記第２の側に凝縮し、前記微孔性黒鉛板を通して前記１つ以上の水路に運ばれて前記水の流れに加わるように構成される、環境制御システム。
前記微孔性黒鉛板を通る前記１つ以上の水路の中への前記空気の流れの侵入を防ぐために、前記第１の圧力と前記第２の圧力の差が、前記微孔性黒鉛板の泡立ち点以下に維持される、請求項１１に記載の環境制御システム。
前記第２の圧力が周囲圧力以下である、請求項１１に記載の環境制御システム。
前記微孔性黒鉛板が、
前記１つ以上の水路を少なくとも部分的に画定するために、前記第１の側に複数の第１の溝と、
前記１つ以上の空気通路を少なくとも部分的に画定するために、前記第２の側に複数の第２の溝と、
を含む、請求項１１に記載の環境制御システム。
前記水の流れの選択された前記第２の圧力を維持するために、ベント型ベローズアキュムレータ、及び前記冷却水ループに沿って配置された流量計量オリフィスをさらに備える、請求項１１に記載の環境制御システム。
前記ベローズアキュムレータが、前記ポンプと前記凝縮熱交換器及び水分離器との間で前記冷却水ループに沿って配置される、請求項１５に記載の環境制御システム。
前記水の流れの温度が、前記液液熱交換器で冷却液の流れとの熱エネルギー交換によって維持される、請求項１１に記載の環境制御システム。
前記冷却水ループに流体接続された水取り出しラインをさらに備え、前記水取り出しラインが前記冷却水ループから水を選択的に除去するように構成された、請求項１１に記載の環境制御システム。
前記水取り出しラインに沿って配置された取り出しポンプをさらに備える、請求項１８に記載の環境制御システム。