专利名称：高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统的制作方法
技术领域：
本实用新型的高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，属于制冷技术领域。
背景技术：
目前，我国飞机吊舱环境控制系统主要着眼于逆升压式空气循环制冷方案。
传统的逆升压式空气循环制冷系统由冲压空气驱动，冲压空气经涡轮膨胀降温后与待冷设备进行热交换，换热后的气体经压气机压缩后排出系统。对于传统逆升压式空气循环制冷系统，由于冲压空气压力低，空气循环机(Air Cycle Machine，ACM)驱动力小，涡轮基本工作在小膨胀比和小焓降状态，系统制冷量有限。为提高环控系统制冷量，研究人员又提出了一种逆升压回冷式空气循环制冷方案，由于冷却设备后的空气温度仍低于冲压空气温度，可在涡轮入口增设一个回冷器，用系统排气冷却冲压空气，降低涡轮入口空气温度，进而增大系统制冷量。该方案虽然比传统方案多回收了一部分制冷量，但是效果不明显，而且增加了系统的体积和连接管道布置的难度，并非理想的方案。随着环境控制系统技术的不断进步，国外研究人员又提出了动力涡轮驱动的逆升压式空气循环制冷方案，系统由冷却涡轮、动力涡轮、换热器及压气机组成，当系统驱动力不足时，冲压空气在动力涡轮中膨胀并输出机械功以提高转速，增大冷却涡轮温降和系统制冷量。上述几种方案工作均依赖于飞行状态，地面停机时无驱动力，系统不具备地面通风冷却能力。无法解决现代飞机吊舱地面及低马赫数飞行状态下电子设备冷却问题。
此外，对于直升机来说，其大多处于低空低速飞行状态，采用常规空气循环制冷系统具有以下两点不足1)引气对发动机性能影响极为明显；2)换热器冷边气流速度低、压头小，使得换热器尺寸和重量大。而采用机载蒸发制冷循环结构复杂、可靠性差且技术不成熟，通过高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统可解决这个问题。
发明内容
本实用新型提供了一种新型的高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，以解决吊舱环控系统地面及低马赫数飞行状态下电子设备冷却问题。
一种高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，由冷却涡轮、换热器、压气机及相关管路组成，其特征在于还包括一个与冷却涡轮、压气机同轴连接的高速电机。
本系统还可以增加一个高速电机变频控制器，通过控制高速电机转速，调节系统制冷量，提高系统性能系数和温度控制精度。
本实用新型的有益效果是，较传统方案该系统工作稳定，受飞行状态影响小，效率高，调速性好、控制精度高，制冷量显著提高，且具备地面通风冷却能力，系统性能系数与蒸发循环具有可比性，可有效解决飞机吊舱空调系统在地面及低马赫数飞行状态下制冷能力不足的问题。
该方案也可应用于直升机环境控制系统。高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统无需从发动机引气，由电机辅助驱动直接从外界环境引气，通过涡轮膨胀降温获得低温气流为直升机环控系统提供冷源，减少了系统的代偿损失，增大制冷量，提高制冷效果。
且随着人们对CFC制冷剂引起的温室效应以及对大气层破坏的关注，CFC工质正被逐渐禁用，高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷方案采用空气作为制冷剂，对环境无任何污染，且结构简单、体积小、重量轻，在高速列车及其它地面设备中也具有广阔的应用前景。
图1是本实用新型系统原理图。
图2是冷却涡轮结构图。
图3是换热器结构图。
图4是离心压气机结构图。
图1中标号名称1.冷却涡轮，2.换热器，3.压气机，4.高速电机，5.轴承。
图2中标号名称6.整流窗，7.涡轮蜗壳，8.涡轮叶片。
图3中标号名称9.封条，10.翅片，11.隔板。
图4中标号名称12.压气机蜗壳，13.压气机叶轮，14.压气机扩压器，15.旋转轴。
具体实施方式
根据图1所示，本实用新型的一种高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，主要由冷却涡轮1、换热器2、压气机3、高速电机4以及相关管路组成。高速电机4与冷却涡轮1、压气机3同轴工作。高速电机4两端轴伸，通过卡爪与冷却涡轮1、压气机3的转轴连接，构成电动涡轮压气机组件。冷却涡轮1与高速电机4之间，压气机3与高速电机4之间装配一对角接触轴承5。电动涡轮压气机组件通过连接管路与换热器2冷边连接。本系统还可以增加一个高速电机变频控制器，通过控制高速电机转速，调节系统制冷量，提高系统性能系数和温度控制精度。
结合图2所示，本系统采用带有半开式向心叶轮的单级径-轴流反作用式的向心涡轮作为制冷设备。它具有单级膨胀比高(焓降大)、工艺性好、允许转速高、结构简单、热效率较高等优点。在小流量、小功率制冷设备中得到了广泛的应用。
结合图3所示，本系统的热交换器选用板肋片式热交换器，平板肋片式热交换器作为一种单位体积内传热表面积大、重量轻、体积小、效率高的紧凑热交换器，目前已在航空工业上得到广泛使用。
结合图4所示，本系统中利用离心压气机的增压作用将经过热交换器换热后的气体排出系统，完成系统循环，同时，由于压气机的抽吸作用可增大涡轮膨胀比，提高系统制冷效果。其中叶轮型式为后弯式叶轮。
结合图1说明本实用新型的工作原理系统工作时，由进气道引入的冲压空气首先经冷却涡轮1膨胀降温，然后进入换热器2与高温气体换热，吸收热量后的气体再经由压气机3增压后排出机外。当飞机处于地面及低马赫数飞行状态时，冷却涡轮1、压气机3保持同转速、同流量和近似同压比的工作关系，此时冷却涡轮1输出功远小于压气机3耗功，系统需要辅助动力输入才能完成循环，本系统加入高速电机4提供辅助动力，高速电机4、冷却涡轮1共同驱动压气机工作，高速电机4直接利用机载电源作为动力，增大系统转速，提高系统制冷量，使得该系统在地面及低马赫数状态下仍具备通风冷却能力，弥补了传统空气循环制冷系统在此飞行状态下制冷能力不足的缺陷。当飞机飞行马赫数较高，空气循环机驱动力充足时，可关闭电机，系统按传统方案工作。
本使用新型的工作过程是首先开启高速电机4，压气机3在电机驱动下抽吸空气，冷却涡轮1出口出现负压，冷却涡轮1进出口在压差作用下膨胀做功，出口温度随之下降，当系统达到功率平衡，转速稳定在某一转速下，系统稳定工作；通过调节高速电机4转速控制系统制冷量，工作结束时关闭高速电机4。若高速电机4工作电流显示较小，说明空气循环机驱动力充足，此时可关闭高速电机4，系统按传统模式工作。
发明人进行了该系统的性能试验，试验由地面设备压缩机供气，通过调节供气阀门开度模拟系统冷、热边进气压力和流量，通过控制电炉功率模拟冷、热边进气温度，通过调节变频器控制电机转速，在涡轮、换热器和压气机的进出口安装精密压力表和温度传感器测量各点的气流压力和温度，在冷、热边安装孔板流量计测量冷、热边的供气流量。通过性能试验，得出了不同状态下该系统的性能参数，试验数据显示地面及低马赫数状态下，该系统仍具备制冷能力，且制冷量随转速增加而增加。
权利要求1.一种高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，由冷却涡轮(1)、换热器(2)、压气机(3)及相关管路组成，其特征在于还包括一个与冷却涡轮(1)、压气机(3)同轴连接的高速电机(4)。
2.根据权利要求1所述的高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，其特征在于还包括一个高速电机变频控制器。
专利摘要本实用新型涉及一种高速电机驱动的逆升压式空气循环制冷系统，属于制冷技术领域。该系统主要由冷却涡轮(1)、换热器(2)、压气机(3)及相关管路组成，其特征在于还包括一个与冷却涡轮(1)、压气机(3)同轴连接的高速电机(4)。本系统由于加入高速电机(4)提供辅助动力，使高速电机(4)与冷却涡轮(1)共同驱动压气机(3)工作。使得该系统在地面及低马赫数状态下仍具备通风冷却能力，弥补了传统空气循环制冷系统在此飞行状态下制冷能力不足的缺陷。本系统较传统方案具有工作稳定，受飞行状态影响小，效率高，调速性好、控制精度高，制冷量显著提高等优点。
文档编号F25B31/02GK2886450SQ20062007267
公开日2007年4月4日 申请日期2006年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者蒋福根, 孙英, 徐兴智, 孙卫平, 马少波, 宁献文 申请人:南京航空航天大学