система для охлаждения тепловыделяющих устройств и поддержания температуры отсеков в воздушном судне ниже температуры кабины

Формула изобретения

1. Охлаждающая система (10) для охлаждения тепловыделяющих устройств и поддержания температуры в закрытых зонах воздушного судна на уровне ниже температуры его кабины, содержащая

холодильный агрегат (12),

по меньшей мере один хладопотребитель (44, 46, 48), представляющий собой либо тепловыделяющее устройство, либо зону, температуру в которой необходимо поддерживать на уровне ниже температуры кабины, и

систему (14) передачи холода, соединяющую холодильный агрегат (12) с хладопотребителем (44, 46, 48),

при этом холодильный агрегат (12) содержит по меньшей мере две холодильные машины (18, 20), одна из которых обеспечивает максимальную потребность в холоде по меньшей мере одного хладопотребителя (44, 46, 48), и которые функционируют независимо друг от друга и параллельно соединены с системой (14) передачи холода, а указанный по меньшей мере один хладопотребитель (44, 46, 48) снабжается холодом, полученным в холодильном агрегате (12), при помощи хладоагента, циркулирующего в системе (14) передачи холода, при этом предусмотрено центральное управляющее устройство, выполненное с возможностью управления хладопроизводительностью в зависимости от по меньшей мере одного параметра, определяющего текущую потребность в холоде,

отличающаяся тем, что центральное управляющее устройство выполнено с возможностью управления хладопроизводительностью путем индивидуального включения и отключения холодильных машин (18, 20) холодильного агрегата (12) для получения соответствия текущей потребности в холоде таким образом, чтобы средняя продолжительность их работы была, по существу, одинаковой.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что количество холодильных машин (18, 20) холодильного агрегата (12) выбрано из условия удовлетворения потребности в холоде при эксплуатации на земле.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна холодильная машина (18, 20) в качестве тепловой нагрузки для выделения тепла использует воздух гермозоны фюзеляжа воздушного судна.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна холодильная машина (18, 20) вырабатывает холод за счет процесса испарительного охлаждения.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что система (14) передачи холода содержит по меньшей мере один насос (32, 34) хладоагента для обеспечения его циркуляции.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что система (14) передачи холода содержит по меньшей мере один накопитель (40) для компенсации теплового расширения хладоагента или потерь хладоагента, обусловленных утечками.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один хладопотребитель (44, 46, 48) содержит вторичную систему передачи холода, в которой передача холода от хладоагента осуществляется посредством вторичного хладоагента, предпочтительно воздуха.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что параметры, определяющие текущую потребность в холоде, отражают температуру хладоагента в по меньшей мере одной точке системы (14) передачи холода, или/и информацию о потребности в холоде от по меньшей мере одного хладопотребителя (44, 46, 48), или/и давление хладоагента в системе (14) передачи холода.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью управления холодильными машинами децентрализованным способом, в частности, путем их автоматического включения и зависимого от времени включения на основании постоянного контроля фактического состояния всех холодильных машин через шину передачи данных.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью включения холодильных машин в соответствии с заданным приоритетом, предпочтительно с изменением очередности.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью одновременного прохождения хладоагента и через включенную холодильную машину (18, 20), и через выключенную холодильную машину.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что с каждой холодильной машиной связан запорный клапан.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что управляющее устройство выполнено с возможностью измерения температуры хладоагента на выходе холодильной машины (18, 20) и с возможностью включения холодильной машины (18, 20) в соответствии с измеренной температурой.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью изменения хладопроизводительности по меньшей мере одной холодильной машины (18, 20) посредством перепускного клапана нагретого газа и/или путем изменения скорости вращения компрессора, используемого в холодильной машине.

15. Система по п.1, отличающаяся тем, что управляющее устройство выполнено с возможностью изменения количества хладоагента, переносимого в системе (14) передачи холода, для оказания влияния на хладопроизводительность охлаждающей системы (10).

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что управляющее устройство выполнено с возможностью изменения скорости вращения по меньшей мере одного насоса (32, 34) хладоагента для оказания влияния на хладопроизводительность.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к охлаждающей системе для охлаждения тепловыделяющих устройств и поддержания температуры отсеков или закрытых зон воздушного судна на уровне ниже температуры кабины.

Уровень техники

Внутри самолета имеется множество разнообразных технических агрегатов, которые выделяют тепло и которые необходимо охлаждать, чтобы гарантировать их надежное функционирование. Кроме того, внутри самолета также имеются всевозможные закрытые зоны, так называемые отсеки, температуру в которых необходимо поддерживать на уровне ниже температуры кабины. Поэтому в самолете предусматривают различные охлаждающие системы.

Известен прием, например, описанный в патенте Германии 3812739 С1, располагать холодильную камеру внутри кухонного блока самолета, вблизи наружной обшивки, и создавать полость холодного воздуха между холодильной камерой и наружной обшивкой самолета. В полости холодного воздуха воздух, как хладоагент, охлаждается за счет теплообмена с наружной обшивкой самолета и после охлаждения подается в холодильную камеру для охлаждения тележки официанта, наполненной, например, напитками или продуктами питания, подлежащими охлаждению. Однако недостаток такой современной технологии заключается в том, что каждая холодильная камера требует отдельной полости холодного воздуха. Это означает, что распределение пространства внутри самолета становится сравнительно менее гибким. Кроме того, надежное охлаждающее действие может быть получено, только когда самолет совершает полет на большой высоте, где окружающая среда имеет очень низкую температуру. Если самолет находится на земле после посадки, охлаждающее действие можно гарантировать только за счет дополнительной холодильной камеры, охлаждающая способность которой ограничена.

Из описания патента Германии 4340317 С2 известна охлаждающая система для охлаждения продуктов питания на самолете. При наличии данной охлаждающей системы в самолете предусмотрен центральный холодильный агрегат, который через систему трубопроводов передает хладоагент к отдельным теплообменникам. Теплообменники через дополнительные трубопроводы соединены с охлаждаемыми транспортировочными контейнерами в зоне складирования продуктов бортовой кухни. В каждом случае транспортировочные контейнеры содержат продукты питания, подлежащие охлаждению. Такая охлаждающая система требует прокладки разнообразных трубопроводов, и поэтому ее конструкция является сравнительно дорогостоящей.

Аналогичная охлаждающая система известна из заявки США 2003/0042361 А1.

Раскрытие изобретения

Одна из задач настоящего изобретения состоит в создании охлаждающей системы вышеупомянутого типа, которая при простоте конструкции обладала бы высокой гибкостью в отношении размещения и в полной мере отвечала текущим потребностям в отношении хладопроизводительности.

Данная задача решается посредством охлаждающей системы для охлаждения тепловыделяющих устройств воздушного судна, в состав которой входит холодильный агрегат, по меньшей мере один хладопотребитель и одна система передачи холода, соединяющая холодильный агрегат с хладопотребителем. Холодильный агрегат содержит по меньшей мере одну холодильную машину, которая обеспечивает максимальную потребность в холоде по меньшей мере одного хладопотребителя, причем указанный по меньшей мере один хладопотребитель снабжается холодом, произведенным в холодильном агрегате, посредством хладоагента, циркулирующего в системе передачи холода.

В соответствии с настоящим изобретением хладопроизводительность системы охлаждения можно устанавливать в зависимости от текущих потребностей путем избирательного включения холодильного агрегата. Таким образом может быть увеличен кпд системы охлаждения, поскольку, в частности, когда требуется лишь невысокая хладопроизводительность, охлаждающая система может быть задействована с низкой производительностью, а если необходима высокая хладопроизводительность, то охлаждающая система может быть задействована с высокой производительностью. В конечном счете это приводит к оптимальному расходованию электрической энергии для приведения в действие холодильного агрегата, а также к снижению расхода топлива воздушным судном и увеличению срока службы холодильного агрегата.

Еще один вариант изобретения предусматривает, что холодильный агрегат содержит по меньшей мере две холодильные машины, которые работают независимо друг от друга и параллельно соединены с системой передачи холода. При этом, с одной стороны, увеличивается максимальная хладопроизводительность холодильного агрегата, а с другой стороны, достигается повышенная надежность охлаждающей системы, поскольку охлаждающая система по-прежнему сохраняет минимальную хладопроизводительность за счет по меньшей мере одной дополнительной холодильной машины, даже если одна из холодильных машин выходит из строя. Согласно одному из вариантов настоящего изобретения, число холодильных машин холодильного агрегата желательно выбирать таким образом, чтобы были обеспечены потребности воздушного судна в холоде при его работе на земле, когда температура окружающей среды значительно выше, нежели во время полета на большой высоте.

В одном из вариантов осуществления изобретения предусматривается, что по меньшей мере одна холодильная машина вырабатывает холод за счет процесса испарительного охлаждения. Процесс испарительного охлаждения дает возможность получать холод при относительно низких температурах и сравнительно небольших технических затратах.

Чтобы гарантировать надежную передачу хладоагента между по меньшей мере одним хладопотребителем и холодильным агрегатом через систему передачи холода, еще один вариант изобретения предусматривает, что система передачи холода содержит по меньшей мере один насос хладоагента для обеспечения его циркуляции.

Дополнительно, в соответствии с настоящим изобретением можно предусмотреть, чтобы система передачи холода содержала по меньшей мере один накопитель для промежуточного хранения хладоагента. Посредством данного накопителя можно до определенной степени компенсировать вариации объема хладоагента, обусловленные тепловыми процессами, и его утечки в системе передачи холода.

Еще один вариант осуществления изобретения предполагает, что по меньшей мере один хладопотребитель содержит вторичную систему передачи холода, в которой передача холода от хладоагента осуществляется посредством вторичного хладоагента, предпочтительно воздуха. Такое решение применимо, например, в бортовом кухонном блоке самолета. В этом случае кухонный охладитель воздуха используется для передачи холода от основного хладоагента воздуху, используемому в качестве вторичного хладоагента, а при помощи данного охлажденного воздуха производится охлаждение, например, продуктов питания и напитков.

Еще один вариант осуществления изобретения предполагает наличие центрального управляющего устройства, которое управляет хладопроизводительностью в зависимости по меньшей мере от одного из параметров, определяющих текущую потребность в холоде. В связи с этим в соответствии с изобретением можно также предусмотреть, чтобы параметры, определяющие текущую потребность в холоде, отражали температуру хладоагента по меньшей мере в одной точке системы передачи холода, желательно, по меньшей мере температуру хладоагента на выходе из насоса хладоагента, и/или информацию о потребности в холоде по меньшей мере одного хладопотребителя, и/или давление хладоагента в системе передачи холода.

Если в описании настоящего изобретения упоминается понятие «управление», то, с одной стороны, оно включает случай, когда управление отдельными элементами охлаждающей системы производится по заданным кривым характеристик, без обратной связи. С другой стороны, это же понятие включает и случай, когда управление элементами производится с обратной связью, т.е. осуществляется автоматическое регулирование.

Как указывалось выше, в соответствии с изобретением хладопроизводительность можно задавать в зависимости от текущей потребности в холоде. Так, например, в еще одном варианте изобретения предусматривается, что можно осуществлять управление хладопроизводительностью для приведения ее в соответствие с текущей потребностью воздушного судна в холоде путем включения и выключения отдельных холодильных машин холодильного агрегата. Другими словами, если требуется лишь небольшая хладопроизводительность, то приводится в действие, например, только одна холодильная машина, а если существует временная потребность в увеличении хладопроизводительности, то дополнительно подключается по меньшей мере еще одна холодильная машина. Чтобы все холодильные машины, применяемые в охлаждающей системе, были загружены приблизительно в одинаковой степени, еще один вариант изобретения предполагает, что центральное управляющее устройство включает холодильные машины таким образом, чтобы в среднем продолжительность их работы была, по существу, одинаковой.

Вместо включения холодильных машин через центральное управляющее устройство как вариант возможен также децентрализованный режим управления. Например, информацию о состоянии всех имеющихся на воздушном судне холодильных машин можно получать через шину данных. После изначального задания приоритета генераторы холода могут включаться автоматически. Задавать такой приоритет можно, например, в зависимости от времени. Например, в рассматриваемом варианте осуществления изобретения можно также чередовать порядок включения холодильных машин. К примеру, холодильную машину, которая в предыдущем цикле охлаждения была включена позднее по сравнению с остальными холодильными машинами, в следующем цикле охлаждения можно включить раньше, например включить первой. Такая мера дает возможность в среднем по времени получить почти равную загрузку отдельных холодильных машин.

В одном из вариантов изобретения можно предусмотреть, чтобы хладоагент протекал одновременно и через выключенную, и через включенную холодильные машины. При таком способе происходит повышение температуры смешанного хладоагента в передающих трубопроводах. Однако, также с каждой холодильной машиной можно связать запорный клапан. Это не позволит хладоагенту протекать через выключенную холодильную машину и предотвратит повышение температуры смешанного хладоагента в передающих трубопроводах.

В качестве альтернативы вышеописанному случаю включения холодильных машин в соответствии с потребностью в холоде, еще один вариант изобретения предусматривает возможность управления (желательно, непрерывного) хладопроизводительностью по меньшей мере одной холодильной машины посредством управляющего устройства. В связи с этим можно, например, предусмотреть, чтобы управляющее устройство производило измерение температуры хладоагента на выходе из холодильной машины и включало холодильную машину в соответствии с измеренной температурой. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрена возможность изменения хладопроизводительности по меньшей мере одной холодильной машины, например, путем изменения скорости вращения компрессора, который используется в холодильной машине.

Согласно изобретению, дополнительно или же иным образом влиять на вышеупомянутую хладопроизводительность охлаждающей системы также можно способом, при котором управляющее устройство изменяет количество хладоагента, переносимого в системе передачи холода. В зависимости от требуемой хладопроизводительности через систему передачи холода в направлении по меньшей мере одного хладопотребителя от холодильного агрегата осуществляется передача, соответственно, большего или меньшего количества хладоагента. Например, это может быть выполнено таким образом, что для управления хладопроизводительностью управляющее устройство изменяет скорость вращения по меньшей мере одного насоса хладоагента.

Краткое описание чертежей

Пример осуществления настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором схематически изображена соответствующая изобретению охлаждающая система.

Осуществление изобретения

На прилагаемом чертеже соответствующая изобретению охлаждающая система в целом обозначена индексом 10. Система содержит холодильный агрегат 12, систему 14 передачи холода и зону 16, в которой происходит потребление холода.

Холодильный агрегат 12 содержит две холодильные машины 18 и 20, в которых за счет известного в термодинамике процесса испарительного охлаждения хладоагент подвергается охлаждению и через два параллельных трубопровода 22 и 24 передается в систему 14 передачи холода. В системе 14 передачи холода два параллельных трубопровода 22 и 24 сходятся вместе в точке 26. Хладоагент передается к насосному агрегату 30 через дополнительный передающий трубопровод 28, оснащенный запорным клапаном 29, который можно приводить в действие отдельно. Насосный агрегат 30 содержит два включенных параллельно насоса 32 и 34, с которыми связаны запорные клапаны 36 и 38, которые можно включать по отдельности. В насосном агрегате 30, перед (по ходу потока) параллельно соединенными насосами 32 и 34 подключен промежуточный накопитель 40 хладоагента. Промежуточный накопитель служит для компенсации вариаций объема, обусловленных эффектами теплового расширения и утечками.

Благодаря способности насосного агрегата 30 создавать циркуляцию хладоагента охлажденный хладоагент через питающий трубопровод 42 подается к различным хладопотребителям 44, 46 и 48. Хладопотребителями 44, 46 и 48 являются, например, функциональные агрегаты, которые требуют охлаждения в бортовом кухонном блоке самолета, например, такие как холодильная камера, заполненная продуктами питания и напитками, или компьютерные блоки, которые следует охлаждать во время работы, или видеосистема самолета.

Охлажденный хладоагент из питающего трубопровода 42 в каждом случае через отдельные линии подается к соответствующим хладопотребителям 44, 46 и 48. В каждом из хладопотребителей 44, 46, 48 хладоагент нагревается, то есть поглощает тепло. Другими словами, хладоагент отдает свой «холода» хладопотребителям 44, 46 и 48. Затем соответственно нагретый хладоагент при помощи насосного агрегата 30 через трубопровод 50 возврата и систему 14 передачи холода передается обратно в холодильные машины 18 и 20 холодильного агрегата 12. Там хладоагент, который был нагрет, снова охлаждается и через трубопроводы 22 и 24 может быть снова передан в систему 14 передачи холода.

В зависимости от размера самолета и потребности в холоде внутри самолета, организация охлаждающей системы и ее включение могут выполняться различным образом. Например, если вероятна сравнительно большая потребность в холоде, то можно предусмотреть большее количество холодильных машин, которые затем можно включать, когда это требуется, то есть в рабочих ситуациях, при которых существует большая потребность в холоде, и переводить в холостой режим или полностью отключать в ситуациях невысокой потребности в холоде. Также можно осуществлять непрерывное управление хладопроизводительностью одной из холодильных машин 18 и 20, например, путем изменения скорости вращения компрессора, используемого в холодильной машине. В дополнение к указанным действиям или вместо них можно в случае высокой потребности в холоде переводить запорный клапан 29 в закрытое положение, так чтобы весь хладоагент через питающий трубопровод 42 целиком подавался к хладопотребителям 44, 46 и 48. С другой стороны, в ситуации низкой потребности в холоде запорный клапан 29 открывается, так что часть охлажденного хладоагента сразу передается обратно к холодильным машинам 18 и 20 через насосный агрегат 30.

Еще одна возможность влиять на хладопроизводительность охлаждающей системы 10 состоит во включении циркуляционных насосов 32 и 34 в соответствии с потребностью в холоде. Поэтому один из вариантов изобретения предусматривает возможность непрерывного изменения скорости вращения насосов 32 и 34 и, следовательно, изменения в определенных пределах производительности насосов 32 и 34.

В охлаждающей системе 10 также можно избирательно открывать и закрывать запорные клапаны 36 и 38, связанные с насосами 32 и 34, в зависимости от текущих требований к хладопроизводительности. Это означает, что можно осуществлять непрерывное изменение положения заслонок клапанов 36 и 38 от полностью открытого до полностью закрытого состояния. То же применимо и к запорному клапану 29. Таким способом можно конкретно устанавливать объем подачи хладоагента в системе передачи холода.

Управление насосами 32 и 34 и запорными клапанами 29, 36, 38 можно, например, осуществлять в зависимости от величин давлений, которые измеряются в различных точках внутри системы 14 передачи холода, например, датчиком 52 в трубопроводе 42.

Кроме того, каждый из хладопотребителей 44, 46, 48 может иметь датчик температуры, за счет чего в зависимости от температур, измеренных в хладопотребителях 44, 46 и 48, можно осуществлять управление различными управляемыми элементами системы, такими как холодильные машины 18, 20, насосы 32, 34 и отдельные запорные клапаны 29, 36 и 38. Специалистам в данной области техники понятно, что параметры хладоагента, такие как температура, давление, расход и т.п., можно также измерять в ряде других точек внутри охлаждающей системы 10, и в зависимости от измеренных значений можно осуществлять управление вышеупомянутыми управляемыми элементами охлаждающей системы 10.

В изобретении показана охлаждающая система 10, посредством которой можно безопасно и надежно производить централизованное охлаждение ряда различных хладопотребителей 44, 46, 48 при помощи хладоагента, охлажденного в достаточной степени, при этом хладопроизводительность охлаждающей системы 10 может быть согласована с текущей потребностью в холоде. Таким образом может быть увеличен кпд системы при работе с частичной нагрузкой, то есть при относительно небольшой текущей потребности в холоде. В итоге это приводит к снижению потребления электрической энергии в самолете, что также означает снижение расхода топлива. Более того, в соответствии с изобретением в охлаждающей системе 10 применяемые холодильные машины 18, 20 не работают непрерывно, но могут быть выключены, когда это необходимо. Это означает, что их срок службы может быть значительно увеличен.