用于通过冷次级空气冷却热初级空气的交换器，和设有这样的交换器的空调系统的制作方法

1.本发明涉及一种通过冷次级空气冷却热初级空气的交换器。更具体地，本发明涉及一种这样的冷却交换器，其更通常被称为初级冷却交换器或主热交换器(首字母缩写词mhx)，并旨在被设置在空中或轨道运输交通工具的舱室的空调系统中。本发明还涉及一种用于空中或轨道运输交通工具的空调系统，该系统包括这种热交换器。


背景技术：

2.贯穿全文，术语“舱室”表示必须控制其空气的压力和/或温度的空中或轨道运输交通工具的任何内部空间。舱室可以是乘客舱、飞行器的飞行员的驾驶舱、货舱，以及通常需要空气处于受控的压力和/或温度下的交通工具的任何区域。术语“涡轮”表示用于使用空气的动能来旋转支撑涡轮叶片的轴的旋转设备。术语“压缩机”表示用于增大所述设备在进口处接收的空气的压力的旋转设备。
3.用于运输交通工具(诸如飞行器)的舱室的空调系统以已知的方式包括一种用于从飞行器发动机(诸如飞行器的推进发动机或辅助发动机)的至少一个压缩机排出压缩空气的设备。
4.这样的已知空调系统还包括空气循环涡轮发动机，空气循环涡轮发动机包括彼此机械联接的至少一个压缩机和涡轮，所述压缩机包括空气出口以及连接到所述压缩空气排出设备的空气进口，并且所述涡轮包括空气进口和空气出口，空气出口连接到所述舱室以便能够以受控的压力和温度向所述舱室供应空气。
5.根据替选方案，空气循环涡轮发动机的压缩机被直接供以从飞行器外部抽取的环境空气，并且空气被空气循环涡轮发动机的压缩机直接压缩。
6.无论系统的压缩空气供应模式如何，所述系统通常还包括至少一个热交换器，称为主冷却交换器，其被布置在用于从飞行器外部抽取的冲压空气循环的通道中，处于所述压缩机的所述空气出口和所述涡轮的所述空气进口之间，所述主交换器包括被供以来自所述压缩机的热空气流的初级环路和被供以所述冲压空气的次级环路，冲压空气形成冷空气流以冷却所述热空气流。
7.最后，空调系统通常还包括水提取回路，水提取回路被布置在所述主热交换器和所述涡轮之间，并且被设计成从供应所述涡轮的由所述主交换器冷却的热空气流中提取水。
8.一些系统还包括在所述水提取回路和水喷洒器之间布置管道，以分配由所述提取回路所提取的水，水喷洒器被容纳在所述冲压空气通道中，位于所述主交换器的远上游，并被设计成能够逆着所述冲压空气通道的冲压空气流喷洒由所述水提取回路提取的水，以便在空气进入主冷却交换器之前促进所述水在空气流中的蒸发。
9.液滴形式的液态水这样注入冷却交换器上游的冲压空气循环通道(更通常称为环境空气通道或冲压空气通道)，使得可能降低冷却交换器的冷通路进口处的空气温度。这种
水在蒸发时会吸收热，因此允许空气的温度降低。
10.例如，申请人名下的专利文件us200911784描述了这样的空调系统。根据该实施例的系统现在广泛用于许多飞行器中。然而，这种解决方案的缺点之一在于其在热交换器的上游需要大长度的冲压空气循环通道，以便在其中安装喷洒器。
11.发明人寻求开发一种紧凑的热交换器，其被设计成特别是被设置在用于空中或轨道运输交通工具的舱室的空调系统中，特别是一种设有用于分配由水提取回路所提取的水并将水移动到冲压空气循环通道的管道的系统。


技术实现要素：

12.本发明的目标在于提供一种紧凑的热交换器，其特别旨在被设置在空中或轨道运输交通工具的空调系统中。
13.本发明的目标也在于在本发明的至少一个实施例中提供这样的热交换器，其与已知交换器相比具有改进的冷却性能。
14.本发明的目标也在于在本发明的至少一个实施例中提供一种紧凑的热交换器，其可以被容纳在冲压空气循环通道中，所述冲压空气循环通道与当前形成空调系统所需的那些冲压空气循环通道相比更短。
15.本发明的目标也在于提供一种用于运输交通工具(诸如飞行器)的舱室的空调系统，其设有根据本发明的交换器。
16.发明内容
17.为此，本发明涉及一种用于通过冷次级空气冷却热初级空气的交换器，包括：
18.‑
多个称为次级通道的通道，其被彼此叠置并旨在用于所述次级空气的循环，每个次级通道都在相同方向(称为次级方向)上在称为次级空气进口的空气进口与称为次级空气出口的空气出口之间延伸；和
19.‑
多个称为初级通道的通道，用于所述初级空气的循环，每个初级通道都介于两个次级通道之间并在相同方向(称为初级方向，与所述次级方向不同)上在称为初级空气进口的空气进口与称为初级空气出口的空气出口之间延伸，以便允许在所述初级通道的初级空气与所述次级通道的次级空气之间进行热交换。
20.根据本发明的交换器的特征在于，其进一步包括：
21.‑
水循环通道，每个都在初级空气出口附近沿所述次级方向与次级通道相邻地在水进口和水出口之间延伸，以便允许通过与所述初级通道的所述初级空气流的热交换加热该水；以及
22.‑
水喷洒微穿孔中空杆，每个都在所述初级方向上与初级通道相邻地在水进口和水喷洒微穿孔之间延伸，水进口流体连接到所述水循环通道的至少一个水出口，水喷洒微穿孔通往次级空气进口，以便允许在所述次级通道的进口处喷洒的加热的水蒸发，因而帮助冷却交换器的进口处的次级空气流。
23.根据本发明的热交换器具有包括水循环通道和中空水喷洒杆的具体特征，水循环通道均沿次级通道布置，以便能够在这些水循环通道被供以水时在水循环通道中循环的水与在初级通道中循环的空气之间提供热交换，中空水喷洒杆均沿初级通道布置，以便能够在供应交换器的次级通道的交换器的进口处将被加热的水直接喷洒到次级空气流中。
24.换句话说，根据本发明的交换器使得可能组合通过冷次级空气流而冷却热初级空气流的功能(由于存在嵌套的初级和次级通道)，以及将水喷洒到交换器的进口处的冷空气流的功能(由于存在水循环通道和中空喷洒杆)。
25.根据本发明的交换器被设计成，可以直接在交换器的进口处而非(像现有技术系统的情况那样)在交换器的远上游喷洒水。这通过下列事实成为可能，即由于存在与在初级通道中循环的热初级空气流热相互作用的水循环通道，所以水被加热。特别地，由于水比现有系统中更热，所以使用根据本发明的交换器喷洒的水比现有技术的解决方案中蒸发地更快。因此，这种水温度的升高使得可能加速蒸发时间，因此限制了水喷洒和交换器的进口之间所必要的路径。
26.因此，根据本发明的交换器可以有利地设置在比现有技术的系统更紧凑的空调系统中，特别是避免必须将水喷洒器布置在交换器的远上游。
27.有利地，根据本发明，所述初级通道和所述次级通道由通过封闭杆交替地互连的多个平行板界定，封闭杆在初级和次级通道的两个相对侧上延伸，以便界定空气通道，所述水喷洒微穿孔中空杆由在次级空气进口附近的平行板的一侧上延伸的初级通道的封闭杆形成，并且所述水循环通道由在初级空气出口附近延伸的次级通道的封闭杆形成。
28.根据该有利替选方案，初级和次级通道在顶部和底部由彼此叠置并彼此平行的板界定，并在每一侧上由分别被称为初级封闭杆和次级封闭杆的封闭杆界定。
29.另外根据该替选方案，形成用于将水注入次级冷空气流的管线的中空水喷洒杆在冷次级空气流的进口嘴部处集成在初级封闭杆中。
30.根据该替选方案，由初级热空气流的出口处的中空次级封闭杆提供水预热功能。
31.这些封闭杆可以是任何类型的，并且取决于预期应用，并且特别是取决于应用设想的水流速。这些杆可以是取决于应用而具有更大或更小的宽度或复杂性的挤出管。
32.有利地，根据本发明，由所述初级封闭杆形成的所述微穿孔中空杆每个都包括：内部通道，其沿初级方向延伸，通往所述水进口；和微穿孔，其沿所述次级方向从所述内部通道延伸，以便能够由所述内部通道供应。
33.有利地，根据本发明，由所述次级封闭杆形成的所述水循环通道每个都包括：管，其沿次级方向延伸，通往所述水进口；和水出口，其沿所述初级方向延伸。
34.根据其他替选实施例，初级和次级通道由通过增材制造过程(诸如3d打印)产生的交换器形成。根据该实施例，水循环通道和微穿孔杆也是增材制造过程的直接产品。换句话说，根据本发明的该实施例，交换器的结构可以通过增材制造过程直接获得，使得对于形成初级和次级通道、水循环通道以及微穿孔中空杆而言，彼此叠置的板和封闭杆不再是必需的。
35.有利地，根据本发明，交换器包括：水收集器，水循环通道的所述出口通往水收集器；和水分配器，其通往所述微穿孔杆的所述进口，水收集器通过连接软管流体连接到所述水分配器。
36.根据该替选方案的交换器包括：水收集器，其被设计成接收来自水循环通道的所有水出口的水；和分配器，其被设计成能够将被水循环通道加热并被收集器收集的水分配到所有微穿孔中空杆。
37.根据该替选方案的交换器促进水循环通道和微穿孔中空杆之间的水循环操作。
38.有利地，根据本发明，交换器包括：公共初级空气进口，其通往初级通道的所述初级空气进口；和用于初级空气的公共空气出口，所述初级通道的所述初级空气出口通往公共空气出口。
39.根据该替选方案的交换器促进向交换器供以热初级空气以及回收被交换器冷却的热初级空气的操作。
40.有利地，根据该替选方案，所述水收集器、水分配器、公共初级空气进口和公共初级空气出口形成为单件。
41.有利地，根据本发明，所述初级方向和所述次级方向彼此垂直，以便形成横向交换器。
42.根据该有利替选方案，热空气流横向于冷空气流。换句话说，要被冷却的热空气预期在其中循环的初级通道沿着下列方向延伸，该方向垂直于冷空气预期在其中循环的次级通道延伸的方向。
43.有利地，根据本发明，每个初级通道都具有大致u形形状，使得初级进口与初级出口相邻。
44.根据该实施例，每个初级通道都具有大致u形形状，其由两个支腿和将u形的两个支腿流体连接的端部圆形连接件组成。这使得可能使初级空气进口与初级空气出口相邻(u形的每个支腿的端部分别形成空气进口和空气出口)，并通过冷次级空气流冷却热空气流两次(每个初级通道都沿次级通道来回延伸)，同时限制交换器的尺寸。
45.本发明也涉及一种用于飞行器的舱室的空调系统，包括：
46.‑
空气排出设备；
47.‑
空气循环涡轮发动机，其包括彼此机械联接的至少一个压缩机和涡轮，所述压缩机包括空气出口以及连接到所述空气排出设备的空气进口，并且所述涡轮包括空气进口和空气出口，空气出口连接到所述舱室，以便能够以受控的压力和温度向所述舱室供应空气；
48.‑
至少一个热交换器，称为主冷却交换器，其被布置在用于从飞行器外部抽取的冲压空气循环的通道中，处于所述压缩机的所述空气出口和所述涡轮的所述空气进口之间，所述主交换器包括被供以来自所述压缩机的热空气流的初级环路和被供以所述冲压空气的次级环路，冲压空气形成冷空气流以冷却所述热空气流；
49.‑
水提取回路，其被布置在所述主热交换器和所述涡轮之间，并且被设计成从供应所述涡轮的由所述主交换器冷却的热空气流中提取水；以及
‑
管道，用于分配由所述提取回路所提取的水，所述管道在所述水提取回路和所述冲压空气通道之间延伸，处于所述主交换器的上游，以便能够将从所述水提取回路提取的水喷洒到所述冲压空气通道的冲压空气流中。
50.根据本发明的空调系统的特征在于，所述主冷却交换器是根据本发明的交换器，并且所述水分配管道通往所述交换器的所述水循环通道，所述初级通道形成所述主交换器的所述初级环路，所述初级环路被供以来自所述压缩机的热空气流，并且所述次级通道形成被供以所述冲压空气的所述次级环路。
51.因此，根据本发明的系统使得可能使用根据本发明的交换器，并通过由空调系统的水提取回路收集的水向所述交换器供应水。
52.因此，根据本发明的空调系统使得可能通过根据本发明的交换器加热由水提取回
路提取的水，并将该水在交换器进口注入。水的这种加热使得可能优化交换器进口处的水的蒸发效率，因此降低供应根据本发明的交换器的冲压空气的温度。
53.发明人已经确定，在水提取回路中提取的水通常在20℃的温度下注入冲压空气通道。通过使用根据本发明的交换器，使得可能在交换器的进口处喷洒所述水之前加热这样的水，可能使水达到近似60℃的温度，使得由于饱和蒸气压的变化，蒸发时间可除以系数13。
54.本发明也涉及一种包括舱室的空中或轨道运输交通工具并涉及一种用于这种舱室的空调系统，其特征在于，所述用于舱室的空调系统是根据本发明的系统。
55.根据本发明的空调系统的优点经适当的修改适用于根据本发明的空中或轨道运输交通工具。
56.本发明也涉及一种热交换器、一种空调系统和一种交通工具，其特征在于上文或下文提及的所有或一些特征的组合。
附图说明
57.通过阅读仅作为非限制性示例提供并参考附图的下列说明，本发明的进一步目标、特征和优点将变得显而易见，其中：
58.图1是根据本发明的实施例的热交换器的示意性透视图；
59.图2是图1的交换器的细节的示意图；
60.图3是根据本发明的实施例的空调系统的示意图；以及
61.图4是根据本发明的实施例的飞行器的示意性透视图。
具体实施方式
62.为了说明和清楚起见，附图中没有严格遵守比率和比例。贯穿下文参考附图的详细说明，除非另外指出，否则热交换器的每个元件都被描述为是当交换器被容纳在飞行器的舱室的空调系统的冲压空气循环通道中，并被供以来自外部空气排出设备(例如，用于从飞行器的推进发动机的压缩机排出空气的设备)的热空气以及被供以从飞行器的外部从通气口吸入的冲压压力下的空气时的布置情况。
63.因而，贯穿下文说明，认为热交换器被安装在空调系统中，应理解，根据本发明的热交换器可以被用于除了冷却例如从飞行器的推进发动机排出的高温空气之外的应用。所述交换器特别可以被设置在轨道交通工具的空调系统中。
64.最后，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同、相似或类似的元件。
65.图1和图2示意性地示出用于通过冷次级空气冷却热初级空气的交换器16。贯穿详细说明的其余部分，初级空气也被称为热空气，次级空气也被称为冷空气。在下文中，考虑到下列事实描述本发明，即热空气是来自用于从飞行器的推进发动机的压缩机排出空气的设备的空气，冷空气是通过通气口从飞行器的外部吸入的冲压空气。在这种情况下，根据本发明的交换器当然可以用于与如图3中所示的飞行器的空调系统相关联的那些应用之外的应用。
66.交换器16包括多个平行的板51，这些平行的板彼此叠置并且在之间交替地限定初级通道60和次级通道80，即，每个初级通道60都嵌套在两个次级通道80之间。优选地，从交
换器的底部开始的第一通道是次级通道80，在次级通道80的顶部放置横向初级通道60，在横向初级通道60的顶部放置第二次级通道80，在第二次级通道80的顶部放置第二横向初级通道，等等，直到最后一个通道，最后一个通道优选地也是次级通道。当然，通道的堆叠顺序可以不同而不改变本发明的原则。
67.根据附图的实施例，每个初级通道60都具有大致u形形状，并且在初级空气进口61和初级空气出口62之间延伸。u形的每个腿都沿初级方向p延伸，如图1和图2中通过轴系(p,s,v)所示，其中，p代表初级方向，s代表次级方向，v代表重力限定的竖直方向。
68.每个次级通道80都沿次级方向s在次级空气进口81和次级空气出口82之间延伸。
69.换句话说，初级通道60和次级通道80大致彼此垂直并成对地嵌套，以便在次级通道与初级通道的支腿的每个界面处形成热交换区域。
70.每个初级通道60进一步由封闭杆63(也称初级封闭杆)界定，封闭杆63将平行板51互连并沿初级方向p在初级通道60的每一侧上延伸。
71.每个次级通道80也由封闭杆83(也称次级封闭杆)界定，封闭杆83将平行板互连并沿次级方向s在次级通道80的每一侧上延伸。
72.初级封闭杆63在初级水进口63a和水喷洒开口63b之间延伸。另外，每个主封闭杆63包括沿初级方向p延伸的内部通道，通往水进口63a并且将该进口63a和由喷洒开口63b形成的微穿孔流体连接。因而，供应封闭杆63的进口63a的水通过喷洒开口63b喷洒到馈送次级通道80的空气流中。
73.次级封闭杆83在次级水进口83a和次级水出口83b之间延伸。封闭杆83被布置在初级空气出口62附近，使得供应每个封闭杆的进口83a的水在初级空气出口62附近，被在初级通道60中循环的空气加热。因而，这些次级封闭杆83形成水循环通道。这些通道也由微通道形成。
74.根据附图的实施例的交换器进一步包括水收集器90，所有次级封闭杆83的出口83b都通向水收集器90。
75.根据附图的实施例的交换器还包括水分配器95，水分配器95通过软管(为了清楚起见未在附图中示出)流体连接到水收集器90，水分配器95通向初级封闭杆63的水进口63a。
76.因而，由收集器90收集并由次级封闭杆83和初级通道60之间的热交换加热的所有水都被分配在初级封闭杆63中，使得该被加热的水可以喷洒到供应交换器的次级空气流中。
77.根据附图的实施例的交换器还包括通向初级通道60的初级空气进口61的公共初级空气进口66，和用于初级空气的公共空气出口67，初级通道60的初级空气出口62通往公共空气出口67。
78.因此，交换器16的一般操作原理如下。来自飞行器的空气排出设备的热空气供应交换器的进口66。然后，将该热空气分配到初级通道60。在每个u形通道60内，热空气在u形的支腿中沿初级方向p循环，在连接u形的两个平行支腿的圆形连接件处转向，然后在初级方向p上沿相反方向循环，以便通往供应公共初级空气出口67的空气出口62。
79.另外，来自飞行器外部的抽取空气的冷空气供应初级通道80的空气进口81。该空气在沿次级方向s延伸的次级通道80中循环，以便通过出口82流出。
80.由于初级通道60与次级通道80嵌套在一起，所以在热空气流和冷空气流之间发生热交换，使得离开公共出口67的空气流与进口空气相比被冷却。
81.同时，水被注入次级封闭杆的进口83a。这些水优选地来自如图3中示意性所示和下文所述的空调系统的水提取回路。
82.这些水被次级封闭杆和初级空气流之间的热交换加热。该被加热的水被连接到水分配器95的水收集器90收集。因此，该被加热的水被喷洒到供应次级通道80的冷空气流中。
83.因此，水温度的这种升高使得可能加速蒸发时间并因此限制水喷洒和交换器进口之间所需的路径。
84.当然，根据其他实施例，不妨碍初级通道和次级通道通过增材制造过程形成，诸如3d打印。根据该实施例，水循环通道和微穿孔杆也是增材制造过程的直接产物。换句话说，根据本发明的该实施例，交换器的结构可以通过增材制造过程直接获得，使得彼此叠置的板和封闭杆对于形成初级通道和次级通道、水循环通道以及微穿孔中空杆而言不再是必需的。根据本发明的该实施例的交换器的操作与所述的相同。
85.如图3所示，根据本发明的交换器，不管其实施例如何，也可以设置在用于飞行器8的舱室10的飞行器的空调系统9中。
86.这样的空调系统9包括空气循环涡轮发动机12，空气循环涡轮发动机12具有通过机械轴19彼此机械联接的压缩机13和膨胀涡轮14。
87.压缩机13包括空气进口13a，其通过初级冷却交换器(贯穿下文，也称为phx(用于初级热交换器)交换器15)和管道20连接到用于排出压缩空气(为了清楚起见未在图3中示出)的设备，管道20将空气排出设备和phx交换器15流体连接。
88.换句话说，来自空气排出设备的空气在穿过初级phx交换器15之后供应空气循环涡轮发动机12的压缩机13，空气排出设备例如是一种从飞行器的推进发动机的压缩机排出空气的设备，或者是一种从飞行器的辅助发动机的压缩机排出空气的设备，或者是一种从与中间压缩机相关联的飞行器的通气口吸入空气的设备。该phx交换器15包括：热通路，其通过经由管道20从空气排出设备馈送的空气形成；和冷通路，其被供以处于冲压压力的空气，冲压空气在用于使冲压空气循环的通道22(下文称为冲压空气通道)中循环。
89.由安装在空气循环涡轮发动机的轴18上的风扇18提供冲压空气通道22内的冲压空气循环，该轴延伸到冲压空气通道22中。根据其他替选方案，风扇18可以与轴19分离并由独立的电动马达旋转。
90.压缩机13还包括空气出口13b，空气出口13b流体连接至根据本发明的主交换器，贯穿下文也称为首字母缩写词mhx(主热交换器)16，其被布置在用于从飞行器外部吸入的冲压空气循环的通道22内。
91.如上所述，该mhx交换器16包括：热初级环路，其被供以来自压缩机13的空气流；和冷次级环路，其与初级环路热相互作用，被供以在冲压空气通道22中循环的冲压空气。换句话说，在mhx交换器16中，来自压缩机13的空气被在冲压空气循环通道22中循环的冲压空气冷却。
92.空气循环涡轮发动机12的膨胀涡轮14包括空气进口14a和空气出口14b，空气进口14a被供以来自mhx交换器16的空气，该空气已经穿过将在下面描述的水提取回路30，空气出口14b连接到所述舱室10，以便能够以受控的压力和温度向所述舱室供应空气。
93.根据附图的实施例，水提取回路30包括加热器31，加热器包括被供以来自主mhx交换器16的空气的初级空气环路，初级空气环路与次级环路热相互作用，次级环路被供以来自水提取器33的空气，并且旨在供应膨胀涡轮的进口14a。
94.水提取回路30还包括冷凝器31，冷凝器包括被供以加热器31的出口处的空气流的初级空气环路，初级空气环路与被供以来自膨胀涡轮14的空气流的次级空气环路热相互作用，以允许冷凝初级环路的空气流。
95.最后，水提取回路还包括水提取器33，水提取器被布置在冷凝器32的出口处并且被设计成能够回收由冷凝器冷凝的水，并且将所述水馈送到水分配管道26(在图3中以虚线示意性示出)。
96.该水分配管道26在水提取器33和上述交换器16的次级封闭杆的进口83a之间延伸。因而，由水提取回路回收的水被直接注入交换器16，以便能够被加热并喷洒到供应交换器16的冷空气流中。
97.当然，在不质疑本发明的原理的情况下，根据本发明的交换器也可以在其他应用中使用。