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 - Google Patents
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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
【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、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。
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。
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 (19)
- 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。
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