用于环境控制系统的半封装架构的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年3月16日提交的美国临时专利申请号62/309,076、62/309,080、62/309,081和62/309,084的优先权。优先权申请的内容特此通过引用被全部并入。

发明背景

本文公开的主题通常涉及环境控制系统，且更具体地涉及用于环境控制系统的半封装架构。

商用飞机惯常配备有双封装环境控制系统架构，其包括安装在飞机的中央翼盒之下的单独分隔间中的冗余封装并由飞机机翼到主体整流罩封装。这些分隔间通常由在起落架收起着陆的情况下支撑飞机的重量的龙骨梁分离。如果被正确地加强，龙骨梁的局部穿透可被适应。

环境控制系统架构的较小配置可包括安装在单个体积内的半封装架构。然而，这样的体积比常规双封装架构的一半大，且因此半封装架构系统可能太大而不能在这样的位置中使用，且因此可能需要安装在飞机的其它位置中（例如在飞机的尾锥中）。进一步减小半封装环境控制系统架构的尺寸可能是有益的。

发明概要

根据一个实施方式，提供了飞机的环境控制系统。环境控制系统包括具有主热交换器和辅助热交换器的冲压模块、具有空气循环机模块和冷凝器热交换器的制冷模块以及从第一位置和第二位置可操作的第一高度换向器阀，在第一位置上，主热交换器和辅助热交换器串联地操作，而在第二位置上，主热交换器和辅助热交换器并联地操作。来自主热交换器和辅助热交换器的空气（i）当主热交换器和辅助热交换器串联地操作时被提供到冷凝器热交换器，以及（ii）当主热交换器和辅助热交换器并联地操作时被提供到飞机机舱。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括，当飞机在地面上时，主热交换器和辅助热交换器串联地操作。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括，当飞机在飞行中时，主热交换器和辅助热交换器并联地操作。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括可操作来将空气从主热交换器和辅助热交换器引导到冷凝器热交换器和飞机机舱之一的第二高度换向器阀。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括，空气循环机模块包括第一空气循环机和第二空气循环机，每个空气循环机具有各自的压缩机和各自的涡轮机。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括从冷凝器热交换器的下游配置的集水器，集水器被配置成从冷凝器热交换器供应的空气或来自飞机机舱的流出空气之一提取水。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括，空气循环机模块被供应有放气，环境控制系统还包括骤冷阀，其被配置成控制来自主热交换器的流，使得来自主热交换器的空气可被提供以将冷空气供应到放气并调节所述放气。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括，空气循环机模块包括第一空气循环机和第二空气循环机，每个空气循环机具有各自的压缩机、各自的涡轮机和各自的动力涡轮机。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括，当飞机在地面上时第一和第二空气循环机的涡轮机被操作，以及当飞机在飞行中时，第一和第二空气循环机的动力涡轮机被操作。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括从冷凝器热交换器的下游配置的集水器，集水器被配置成当第一和第二空气循环机的涡轮机被操作时从冷凝器热交换器供应的空气提取水，以及当第一和第二空气循环机的动力涡轮机被操作时集水器被旁通。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括被配置成当飞机在飞行中时从空气循机模块向机外排出空气的至少一个机外换向器阀。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括被配置成当飞机在地面上时将放气转向到冷凝器热交换器的至少一个温度控制阀。

除了在本文所述的一个或多个特征以外或作为备选方案，环境控制系统的另外的实施方式可包括被配置成控制从空气循环机模块到冲压模块的热交换器中的一个或两个的空气流的高度阀。

本公开的实施方式的技术效果包括具有半封装架构的环境控制系统。

前述特征和元件可在各种实施方式中组合而没有排他性，除非另外明确地指示。按照下面的描述和附图，这些特征和元件以及其操作将变得更明显。然而应理解，下面的描述和附图旨在为在性质上是说明性的和解释性的且非限制性的。

附图简述

主题特别被指出且在说明书的结尾处被清楚地主张。从结合附图理解的下面的具体实施方式中，本公开的前述和其它特征和优点是明显的，其中：

图1a是可合并本公开的各种实施方式的飞机的示意图；

图1b是图1a的飞机的分隔间区段的示意图；

图2a是可合并本公开的各种实施方式的飞机的环境控制系统的示意性透视图；

图2b是图2a的环境控制系统的第二透视图；

图3是根据本公开的实施方式的环境控制系统的示意图；

图4a是根据本公开的实施方式的环境控制系统架构的示意图；

图4b是示出当飞机在地面上时穿过图4a的环境控制系统的空气流的示意图；

图4c是示出当飞机在飞行中时穿过图4a的环境控制系统的空气流的示意图；

图5a是根据本公开的另一实施方式的环境控制系统架构的示意图；

图5b是示出当飞机在地面上时穿过图5a的环境控制系统的空气流的示意图；以及

图5c是示出当飞机在飞行中时穿过图5a的环境控制系统的空气流的示意图。

具体实施方式

如在本文所示和所述的，将介绍本公开的各种特征。各种实施方式可具有相同或相似的特征，且因此相同或相似的特征可以用相同的参考数字来标记，但前面是不同的第一个数字，指示特征被显示的附图。因此例如，在图x中示出的元件“##”可被标记为“x##”，而在图z中的类似特征可被标记为“z##”。虽然可在一般意义上使用类似的参考数字，但各种实施方式将如本领域中的技术人员将认识到的那样被描述，且各种特征可包括改变、变更、修改等，不管其是否被明确地描述或以另外方式应由本领域中的技术人员认识到。

如图1a-1b所示，飞机101可包括在中央翼盒之下的一个或多个分隔间103。分隔间103可包含和/或支持飞机101的一个或多个部件。例如，在一些配置中，飞机101可包括在分隔间103内的环境控制系统。如图1b所示，分隔间103包括实现一个或多个部件（例如环境控制系统）的安装和接近的分隔间门105。在环境控制系统的操作期间，在飞机101外部的空气可通过一个或多个冲压空气入口107流到在分隔间门105内的一个或多个环境控制系统内。空气可接着穿过环境控制系统流动以被处理并供应到在飞机101内的各种部件或位置（例如乘客机舱等）。一些空气可通过一个或多个冲压排气口109排出。

现在转到图2a-2b，示出根据本公开的实施方式的环境控制系统200。环境控制系统200包括由一个或多个管道206a、206b、206c可操作地连接的冲压模块202和制冷模块204。图2a示出环境控制系统200的第一透视图，而图2b示出环境控制系统200的第二透视图。图2a-2b的环境控制系统200仅仅为了说明性和解释性目的，且本领域中的技术人员将认识到，本公开的各种实施方式可被配置有各种类型的环境控制系统和/或环境控制系统的不同配置，且因此当前的讨论和相关图示并非旨在为限制性的。

如所示，在图2a-2b中，冲压模块202包括形成双程热交换器模块的主热交换器208a和辅助热交换器208b。热交换器208a、208b被配置成接收冲压空气a冲压和放气a放气以调节在冲压模块202内的空气。冲压模块202还包括冲压出口集管210和冲压排气集管212。位于集管210、212之间的可以是一个或多个冲压风扇214。来自冲压模块202的空气可通过管道206a、206b、206c来回输送到制冷模块204。

制冷模块204包括冷凝器热交换器216和一个或多个空气循环机218。冷凝器热交换器216可以由可向冷凝器热交换器216供应热空气的第一管道206a可操作地连接到辅助热交换器208b。空气循环机218可连接到热交换器208a、208b中的一个或两个，如所示。再循环空气a再循环可被供应到空气循环机218并与来自空气循环机218的涡轮机空气混合，如在图2a中指示的。

冷凝器热交换器216被配置成调节空气并将相对凉或冷的空气a机舱供应到飞机的机舱。因此，冷凝器热交换器216包括出口集管220。通过管道206a供应到冷凝器热交换器216的热空气被馈送到冷凝器热交换器216的入口集管222内。

如图2a-2b所示，冲压风扇214和空气循环机218分离。这样的配置实现环境控制系统200的分离以分成冲压模块202和制冷模块204。如所示，冲压模块202包括冲压风扇214。在一些实施方式中，冲压风扇214可被配置为可提供所需的冲压冷却性能和冗余的双电动冲压风扇。冲压风扇214可单独地或同时被操作以实现在冲压流中的控制和变化。可使用固定速度风扇、双速风扇或可变速度风扇而不偏离本公开的范围。相应地，与单个大体积比较，环境控制系统200可安装到飞机上的两个单独的体积内（例如两个单独的分隔间中）。

例如，现在转到图3，示出根据本公开的实施方式的环境控制系统300的示意图。环境控制系统300可类似于在图2a-2b中所示和所述的系统，且因此相似的特征将不再描述。

环境控制系统300包括冲压模块302和制冷模块304。在一些配置中，当被安装在飞机上时，冲压模块302可安装在飞机的右手侧内并因此穿过第一分隔间门，而制冷模块304可安装在飞机的左手侧内并因此穿过第二分隔间门。在图3中，飞机中心线311被指示为使冲压模块302与制冷模块304分离。

冲压模块302由一个或多个管道306可操作地连接到制冷模块304。环境控制系统300包括分别接收放气a放气和冲压空气a冲压以调节冲压模块302内的空气的主热交换器308a和辅助热交换器308b。一个或多个冲压风扇314被配置成帮助从冲压模块302排出冲压排气a冲压_排气。

如所示，制冷模块304包括冷凝器热交换器316和串联空气循环机318a、318b。每个串联空气循环机318a、318b包括各自的压缩机324a、324b和各自的涡轮机326a、326b。串联空气循环机318a、318b可形成串联空气循环机模块328，如由图3中的虚线框指示的。串联空气循环机模块328可包括两个空气循环机（例如318a、318b），其可操作地连接到集中式歧管，如在本文所述的，并因此形成紧凑的成套组件。虽然在本文显示和描述有两个空气循环机318a、318b，本领域中的技术人员将认识到，本公开的实施方式可应用于二、三或四轮串联空气循环机。如所示，水连接器329被配置成从冷凝器316的空气提取湿气并将经调节的空气供应到空气循环机318a、318b。示意性示出空气循环机隔离阀332，其被配置成操作并控制流到空气循环机318a、318b中的一个或两个内的流体。

本文提供的实施方式目的在于改进的半封装环境控制系统。如在本文提供的架构可实现提供比其它架构优越的提高的经济和操作性能的集成低压力系统。而且，所提供的实施方式使可在常规双封装架构上实现的减小的系统部件计数、重量和接口成为可能。例如在各种实施方式中，在本文提供的架构可以只需要一个而不是两个下面的部件：冲压热交换器；冷凝热交换器；集水器；空气循环机隔离阀；或冲压回路。

转到图4a-4c，示出根据本公开的实施方式的半封装环境控制系统400的示意图。图4a示出环境控制系统400的部件，图4b示出环境控制系统400的地面操作，以及图4c示出环境控制系统400的巡航操作。在图4b-4c中的虚线示出当空气在各种操作条件中流经环境控制系统400时空气的流动路径。

环境控制系统400可与在图2a-2b中所示的系统类似地被配置，并包括第一热交换器408a、第二热交换器408b、集水器429、冷凝器热交换器416和具有冲压风扇414a、414b、压缩机424a、424b和涡轮机426a、426b的空气循环机。为了简单，省略了环境控制系统400的其它特征和方面。如所示的，冲压空气a冲压和放气a放气可进入环境控制系统400，且冲压排气a冲压_排气和经调节的机舱空气a机舱可离开环境控制系统400。此外，在一些实施方式中，在环境控制系统400内的空气的一部分可向机外排出作为机外空气a机外，如在图4a-4c中所示的。

环境控制系统400可包括多个部件以控制穿过环境控制系统400的空气流，使得在环境控制系统400内的空气的不同的流动路径可基于不同的操作状态来实现。例如，如上面提到的，地面操作在图4b中示出且巡航操作在图4c中示出。

环境控制系统400可包括多个阀、传感器等。例如，如所示，除了空气循环机隔离阀432以外，环境控制系统400还包括可在涡轮机426a、426b的下游配置的一个或多个机外转向器阀434。一个或多个温度控制阀436可用于使用放气a放气来控制涡轮机出口温度。机外转向器阀434用于将流引导到冷凝器热交换器416或在巡航操作期间（a机外）到机外。

第一高度转向器阀438可被配置成将空气从主热交换器408a的出口hx出转向到辅助热交换器408b的入口hx进，如所示，或允许空气从主热交换器408a的出口hx出朝着冷凝器热交换器416流动或为机舱空气a机舱。第一高度转向器阀438被配置成使热交换器408a、408b能够串联或并联地操作。第二高度转向器阀440可被配置成控制来自热交换器408a、408b中的一个或两个的空气并将它引导到机舱作机舱空气a机舱或进入冷凝器热交换器416内。差压传感器442可被配置成监测在机舱空气a机舱和从涡轮机426a、426b中的一个或多个供应到冷凝器热交换器416的空气差压。差压传感器442在一些实施方式中可用于帮助控制环境控制系统400的一个或多个阀（例如本文所述的阀或在环境控制系统400内配置的阀）。

额外的阀可被配置成控制在热交换器408a、408b和压缩机424a、424b之间的空气流。例如，骤冷阀444可被配置成控制从主热交换器408a的出口hx出到压缩机424a、424b的空气流。此外，高度阀446可被配置成控制从压缩机424a、424b到热交换器408a、408b中的一个或两个的入口hx进的空气流。

如所提到的，在图4b中的虚线示出在地面操作状态中穿过环境控制系统400的空气的流动路径。在图4c中的虚线示出在巡航操作状态中穿过环境控制系统400的空气的流动路径。

如图4b所示，第一高度转向器阀438被配置成将空气从主热交换器408a的出口hx出转向到辅助热交换器408b的入口hx进。因此，来自主热交换器408a的空气未被引导到冷凝器热交换器416。然而，来自辅助热交换器408b的空气被引导穿过第二高度转向器阀440并供应到冷凝器热交换器416。此外，高度阀446被配置成防止来自压缩机424a、424b的空气被提供到辅助热交换器408b，如所示。冷凝器热交换器416被配置成供应机舱空气a机舱并且也将空气提供到集水器429。

现在参考图4c，将讨论从环境控制系统400的地面操作状态（图4b）到巡航状态的变化。在巡航操作状态中，第一高度转向器阀438被定向成允许来自主热交换器408a的空气流朝着冷凝器热交换器416流动（而不是被转向到辅助热交换器408b）。此外，如所示，第二高度转向器阀440被定向成旁通冷凝器热交换器416并直接供应空气作为机舱空气a机舱。因为冷凝器热交换器416被旁通，没有空气从冷凝器热交换器416供应到集水器429。然而，空气可以如由流出阀448控制的从机舱穿过集水器429、穿过涡轮机426a、426b被供应，并接着被排出作为机外空气a机外。此外，在巡航操作状态中，高度阀446可打开以实现从压缩机424a、424b到辅助热交换器408b的流动，如所示。

现在转到图5a-5c，示出根据本公开的实施方式的环境控制系统的可选架构。图5a是环境控制系统500的半封装架构的示意图。图5a示出环境控制系统500的部件，图5b示出环境控制系500的地面操作，以及图5c示出环境控制系统500的巡航操作。在图5b-5c中的虚线示出当空气在各种操作条件中流经环境控制系统500时空气的流动路径。

环境控制系统500可与在图2a-2b和/或图4a-4c中所示的系统类似地被配置，并包括第一热交换器508a、第二热交换器508b、集水器529、冷凝器热交换器516和具有冲压风扇514a、514b、压缩机524a、524b和涡轮机526a、526b的空气循环机。此外，环境控制系统500（且特别是环境控制系统500的空气循环机）包括动力涡轮机550a、550b。为了简单，省略了环境控制系统500的其它特征和方面。如所示的，冲压空气a冲压和放气a放气可进入环境控制系统500，且冲压排气a冲压_排气和经调节的机舱空气a机舱可离开环境控制系统500。此外，在一些实施方式中，在环境控制系统500内的空气的一部分可向机外排出作为机外空气a机外，如在图5a-5c中所示的。

环境控制系统500可包括多个部件以控制穿过环境控制系统500的空气流，使得在环境控制系统500内的空气的不同的流动路径可基于不同的操作状态来实现。例如，如上面提到的，地面操作在图5b中示出且巡航操作在图5c中示出。

环境控制系统500可包括多个阀、传感器等。例如，如图5a所示，空气循环机隔离阀532被配置来控制到涡轮机526a、526b或动力涡轮机550a、550b的空气流动。在操作期间，取决于空气循环机隔离阀532的状态，可以如流出阀548所控制的，给涡轮机526a、526b供应来自集水器529的空气，或者给动力涡轮机550a、550b供应来自机舱的空气。一个或多个温度控制阀536可用于将放气a放气转向到冷凝器热交换器516。

第一高度转向器阀538可被配置成将空气从主热交换器508a的出口hx出转向到辅助热交换器508b的入口hx进，如所示，或允许空气从主热交换器508a的出口hx出朝着冷凝器热交换器516流动或为机舱空气a机舱。第一高度转向器阀538被配置成使热交换器508a、508b能够串联或并联地操作。第二高度转向器阀540可被配置成控制来自热交换器508a、508b中的一个或两个的空气并将它引导到机舱作机舱空气a机舱或进入冷凝器热交换器516内。差压传感器542可被配置成监测在机舱空气a机舱和从涡轮机526a、526b中的一个或多个供应到冷凝器热交换器516的空气差压。差压传感器542在一些实施方式中可用于帮助控制环境控制系统500的一个或多个阀（例如本文所述的阀或在环境控制系统500内配置的阀）。

额外的阀可被配置成控制在热交换器508a、508b和压缩机524a、524b之间的空气流。例如，骤冷阀544可被配置成控制从主热交换器508a的出口hx出到压缩机524a、524b的空气流。此外，高度阀546可被配置成控制从压缩机524a、524b到热交换器508a、508b中的一个或两个的入口hx进的空气流。

如所提到的，在图5b中的虚线示出在地面操作状态中穿过环境控制系统500的空气的流动路径。在图5c中的虚线示出在巡航操作状态中穿过环境控制系统500的空气的流动路径。

如图5b所示，第一高度转向器阀538被配置成将空气从主热交换器508a的出口hx出转向到辅助热交换器508b的入口hx进。因此，来自主热交换器508a的空气未被引导到冷凝器热交换器516。然而，来自辅助热交换器508b的空气被引导穿过第二高度转向器阀540并供应到冷凝器热交换器516。此外，高度阀546被配置成防止来自压缩机524a、524b的空气被提供到辅助热交换器508b，如所示。冷凝器热交换器516被配置成供应机舱空气a机舱并且也将空气提供到集水器529。

现在参考图5c，将讨论从环境控制系统500的地面操作状态（图5b）到巡航状态的变化。在巡航操作状态中，第一高度转向器阀538被定向成允许来自主热交换器508a的空气流朝着冷凝器热交换器516流动（而不是被转向到辅助热交换器508b）。此外，如所示，第二高度转向器阀540被定向成旁通冷凝器热交换器516并直接供应空气作为机舱空气a机舱。因为冷凝器热交换器516被旁通，所以没有空气从冷凝器热交换器516供应到集水器529。然而，空气可以从流出阀548被供应并通过空气循环机隔离阀532的操作旁通集水器529。空气也可远离涡轮机526a、526b被转向并替代地被输送到动力涡轮机550a、550b，并随后转向到冲压机作为冲压排气a冲压_排气。此外，在巡航操作状态中，高度阀546可打开以实现从压缩机524a、524b到辅助热交换器508b的流动，如所示。

有利地，本文所述的实施方式提供改进的半封装环境控制系统。例如有利地，本文提供的实施方式为了调度可靠性在需要的场合实现冗余（例如空气循环机和温度控制阀）。此外，有利地，通过高度转向器阀的操作来使用在地面上串联地（例如图4a、5a）和在飞行中并联地（例如图4b、5b）操作的双程冲压热交换器可实现低封装阻抗。双热交换器布置的这样的并联或串联操作可实现在飞行（例如巡航）期间的较低抽气压力，其可导致燃料节省益处。

此外，有利地，在一些实施方式中，空气循环机可利用在系统操作分布上提供宽范围的性能的混合流压缩机（例如放气、热交换器空气等）。这样的性能范围可使来自飞机引擎的相对低的供应压力能干在飞行中有效地升高以使机舱增压。

在各种实施方式中，空气循环机的涡轮机可用作用于地面操作的冷却涡轮机和在飞行中的动力涡轮机（由来自机舱的流出空气驱动）。可使用公共涡轮机（例如图4a）或单独的涡轮机（例如图5a）。

在各种实施方式中，可提供骤冷阀以当排气口空气温度需要被调整到允许在系统中的轻质材料（例如铝）的使用的水平时将冷空气供应到压缩机入口。

各种高度阀和高度转向器阀用于为了低阻抗（例如燃料节省模式）而重新配置半封装系统架构。此外，在一些实施方式中，流出阀可控制从机舱到涡轮机（例如公共涡轮机，图4a）或动力涡轮机（例如单独的涡轮机，图5a）的空气流。各种实施方式的温度控制阀可被配置成调节涡轮机出口温度。

在描述的上下文中（特别是在所附权利要求书的上下文中），术语“一个”“所述”和类似提及的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另有指示或特别地根据上下文是矛盾的。结合数量使用的修饰语“大约”包括设定值并具有由上下文规定的含义（例如它包括与特定数量的测量相关的错误的程度）。在本文公开的所有范围都包括端点，且端点彼此独立地组合。应认识到，相对位置术语例如“前”、“后”、“上”、“下”、“在…之上”、“在…之下”等参考正常操作姿势且不应以其它方式被考虑为限制性的。

虽然只结合有限数量的实施方式详细描述了本公开，但应容易认识到，本公开不限于此等公开的实施方式。相反地，本公开可被修改以合并任何数量的变化、变更、替换、组合、子组合或以前未描述但与本公开的范围相称的等效布置。此外，虽然描述了本公开的各种实施方式，但应理解，本公开的方面可以只包括所述实施方式中的一些。

相应地，本公开不应被看作被前述描述限制，而是仅仅被所附权利要求书的范围限制。