Sistemas de control ambiental integrados y procedimientos de control de la temperatura ambiental de un espacio cerrado.

Un sistema de control ambiental para controlar la temperatura ambiental de un espacio cerrado que comprende:

un subsistema (12) de intercambio de calor de cambio de fase pasivo que tiene un circuito de fluido de intercambio de calor en bucle cerrado en una relación de intercambio de calor con el espacio cerrado para proporcionar en el mismo un control de la temperatura ambiental; un segundo subsistema (20) de aire RAM que tiene un circuito de aire para la circulación de aire de refrigeración; y

que se caracteriza por

un tercer subsistema (16) de una máquina de ciclo de compresión en bucle cerrado de vapor (VCM) que tiene un circuito de fluido de VCM que comprende un compresor (41), un evaporador, un condensador y una válvula de expansión, en el que el evaporador del subsistema de VCM (16) está en relación de intercambio de calor funcional con el circuito de fluido de intercambio de calor del subsistema (12) de intercambio de calor pasivo y en el que el condensador del subsistema de VCM (16) está en relación de intercambio de calor funcional con el circuito de aire del subsistema (20) de aire RAM.

Sistemas de control ambiental integrados y procedimientos de control de la temperatura ambiental de un espacio cerrado Referencia cruzada a solicitud relacionada Campo Las realizaciones que se desvelan en la presente memoria descriptiva se refieren, en general, al control ambiental y a la gestión térmica (por ejemplo, calefacción, refrigeración) de compartimentos / recintos cerrados (por ejemplo, en el interior de un fuselaje de aeronave) , utilizando una arquitectura integrada de los sistemas de control ambiental, tales como tubos de calor, intercambiadores de calor de superficie y / o sistemas de ciclo de compresión de vapor. Las realizaciones de los procedimientos y sistemas que se desvelan en la presente memoria descriptiva permitirá que los compartimientos / recintos cerrados de aeronaves sean enfriados con una mínima demanda de consumo de energía (en última instancia, un consumo mínimo de combustible de avión) durante las diversas fases de la operación de la aeronave.

Antecedentes Los conceptos de los sistemas de aeronaves de futura generación tienden a exigir un incremento en el consumo de energía eléctrica. Como consecuencia, estos sistemas requieren la disipación de más calor por unidad de volumen. El aumento de la disipación de calor y los requisitos recientes de reducción del consumo de combustible de las aeronaves entran en conflicto uno con el otro y por lo tanto requieren la introducción de sistemas de refrigeración más eficientes.

En la actualidad, los compartimentos / recintos cerrados (bahías electrónicas, cocinas y otros similares) de las aeronaves están provistos de sistemas de refrigeración que se basan normalmente en los sistemas de ciclo de aire y / o ciclo de vapor y no están optimizados en lo que se refiere a la penalización de consumo de combustible que tales sistemas pueden producir en el rendimiento global de la aeronave. El documento EP 0 666 214 muestra un ejemplo de los sistemas actuales.

Por lo tanto, cuanto mayor sea el requisito de refrigeración mayor será el consumo de energía del sistema de refrigeración y, como consecuencia, más elevado será el consumo de combustible de las aeronaves. Estos sistemas de refrigeración operan durante todas las fases del vuelo, incluyendo cuando la aeronave se encuentra en tierra.

Sin embargo, existe un potencial de rechazo de calor espectacularmente grande cuando una aeronave está en vuelo debido a la diferencia significativa de temperatura entre el aire del exterior (sumidero de calor) y los compartimentos / recintos cerrados / equipos específicos que se están enfriando. Con el fin de desarrollar sistemas de refrigeración más eficientes, hay una necesidad de minimizar la resistencia térmica entre el equipo y el sumidero de calor.

Recientemente, ha sido propuesto un sistema de refrigeración más eficiente por la Solicitud Publicada de los Estados Unidos número 2004/0159119 que incluye principalmente un bucle de líquido, una batería térmica eutéctica y bomba de calor e intercambiador de calor de superficie (SHX) . De manera similar, la Solicitud Publicada de los Estados Unidos número 2007/0095521 propone principalmente la combinación de un tubo de calor en bucle (LHP) , la unidad de almacenamiento en frío y el SHX.

Hay varios problemas que se deben resolver antes de que se puedan conseguir completamente mayores eficiencias de combustible. Por ejemplo, las tecnologías actuales carecen de una gestión inteligente de los sumideros de calor disponibles para la refrigeración de un compartimento / recinto cerrado, lo que produce un consumo de combustible mayor que el necesario (penalización de combustible sobre el rendimiento de la aeronave) , ya que la disponibilidad de los sumideros de calor no se utiliza lo suficiente. Por ejemplo, a veces se necesita usar una máquina de ciclo de compresión de vapor (VCM) para refrigerar equipos electrónicos dentro de la cabina, a pesar de que el aire frio que ya se encuentra disponible en el exterior de la aeronave en vuelo.

Además, en la actualidad hay una falta de flexibilidad en el uso de los sumideros de calor disponibles. A modo de ejemplo, un caja electrónica no se puede instalar en un compartimento / recinto cerrado predeterminado debido a que el sumidero de calor del aire exterior se encuentra situado a una distancia demasiado lejos de ese compartimento / recinto cerrado.

Además, existe típicamente una elevada resistencia térmica entre el compartimiento / recinto cerrado (carga de calor) y el sumidero de calor. Esta elevada resistencia térmica requiere sistemas de refrigeración activos (bombas de calor) , incluso cuando la temperatura de la carga de calor es mayor que la temperatura del sumidero de calor. Este efecto se produce la mayor parte del tiempo durante una misión de la aeronave. Los LHP y otros dispositivos de transmisión por cambio de fase pasivos pueden ser útiles para disminuir esta resistencia térmica.

Por lo tanto, las realizaciones de la presente invención se dirigen a proporcionar soluciones a estos problemas.

Sumario Las realizaciones desveladas en la presente memoria descriptiva se proporcionan con el fin de lograr el objetivo de eliminar el calor de un compartimento / recinto cerrado al mismo tiempo que se reduce al mínimo la penalización de combustible en toda la operación de la aeronave mediante el uso de las características que se explican con mayor detalle a continuación. Además, el calor extraído de un compartimento / recinto cerrado también puede ser utilizado como fuente de calor para otro compartimento / recinto cerrado. También puede ser utilizado para la calefacción de una superficie interior o exterior de la aeronave, como puede ser requerido para la gestión térmica o la protección contra el hielo y la atmosférica. En general, las realizaciones tal como se desvelan en la presente memoria descriptiva integran diferentes sistemas de control ambiental, tales como tubos de calor e intercambiadores de calor de superficie, para minimizar la resistencia térmica y reducir el consumo de energía del sistema.

El objeto de la invención es un sistema de control ambiental de acuerdo con la reivindicación 1.

También se proporciona un sistema de acuerdo con algunas realizaciones para la refrigeración de un compartimiento / recinto cerrado utilizando la integración inteligente entre las diferentes tecnologías para el transporte de calor y los sumideros de calor (VCM, SHX, LHP, aire RAM con ventilador de refrigeración en tierra) y una lógica de operación adecuada, compuesta por un sistema híbrido que puede operar con menos consumo de energía en toda la misión de la aeronave, aprovechando una cualquiera de las tecnologías que se aplican.

De acuerdo con algunas realizaciones, se proporcionan sistemas y procedimientos de control ambiental que controlan la temperatura ambiental de un espacio cerrado mediante la integración de un subsistema de intercambio de calor de tubo de calor en bucle (LHP) que tiene un circuito cerrado de fluido de intercambio de calor en bucle en relación de intercambio de calor con el espacio cerrado para proporcionar control de temperatura ambiental del mismo, un subsistema de aire RAM que tiene un circuito de aire RAM para la circulación de aire RAM de refrigeración, y un subsistema de máquina de ciclo de compresión de vapor (VCM) que tiene un circuito de fluido de VCM que comprende un compresor, un evaporador y un condensador . El evaporador del subsistema de VCM puede ser integrado de esta manera con el subsistema de intercambio de calor de LHP al estar en relación de intercambio de calor funcional con el mismo, mientras que el condensador del subsistema de VCM puede estar integrado con el sistema de aire RAM con el fin de estar en relación de intercambio de calor funcional con el mismo.

Algunas realizaciones pueden incluir un condensador de LHP del subsistema de LHP en relación de intercambio de calor funcional con el evaporador de VCM del subsistema de VCM. El subsistema de intercambio de calor de LHP en otras realizaciones también puede estar provisto de un intercambiador de calor de superficie (SHX) del condensador de LHP y una válvula de control para dirigir el fluido de trabajo ya sea al condensador de LHP o al SHX del condensador de LHP.

El circuito de aire RAM de ciertas realizaciones puede incluir un conducto de aire que tiene una entrada y una puerta de control de entrada para controlar el flujo de aire dentro del conducto, y un ventilador de refrigeración para aspirar aire dentro de la entrada y a través del conducto. Otras realizaciones pueden estar provistas de un subsistema de aire RAM que comprende un intercambiador de calor de superficie integrado (SHX) en relación funcional de intercambio de calor con el flujo de aire en el... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de control ambiental para controlar la temperatura ambiental de un espacio cerrado que comprende:

un subsistema (12) de intercambio de calor de cambio de fase pasivo que tiene un circuito de 5 fluido de intercambio de calor en bucle cerrado en una relación de intercambio de calor con el espacio cerrado para proporcionar en el mismo un control de la temperatura ambiental;

un segundo subsistema (20) de aire RAM que tiene un circuito de aire para la circulación de aire de refrigeración; y que se caracteriza por un tercer subsistema (16) de una máquina de ciclo de compresión en bucle cerrado de vapor (VCM) que tiene un circuito de fluido de VCM que comprende un compresor (41) , un evaporador, un condensador y una válvula de expansión, en el que el evaporador del subsistema de VCM (16) está en relación de intercambio de calor funcional con el circuito de fluido de intercambio de calor del subsistema (12) de intercambio de calor pasivo y en el que el condensador del subsistema de VCM (16) está en relación de intercambio de calor funcional con el circuito de aire del subsistema (20) de aire RAM.

2. El sistema de control ambiental de la reivindicación 1, en el que el subsistema (12) de intercambio de calor pasivo comprende un condensador principal en relación de intercambio de calor funcional con el evaporador de VCM del subsistema de VCM (16) .

3. El sistema de control ambiental de la reivindicación 2, en el que el subsistema (12) de intercambio de calor pasivo comprende un condensador de intercambio de calor de superficie (SHX) secundario, y una válvula de control (CV) para dirigir el fluido de trabajo ya sea al condensador primario o al condensador de SHX secundario.

4. El sistema de control ambiental de la reivindicación 2, en el que el circuito de aire del subsistema (20) de aire RAM comprende un conducto de aire (30) que tiene una entrada (30 -3) y una puerta de control de entrada (30 -3a) para controlar el flujo de aire dentro del conducto, y un ventilador de refrigeración (32) para aspirar aire dentro de la entrada y a través del conducto.

5. El sistema de control ambiental de la reivindicación 4, en el que el subsistema (20) de aire RAM comprende un intercambio de calor de superficie (SHX) integrado en relación de intercambio de calor funcional con el 30 flujo de aire en el conducto.

6. El sistema de control ambiental de la reivindicación 5, en el que el subsistema (12) de intercambio de calor pasivo comprende un condensador principal en relación de intercambio de calor funcional con el evaporador de VCM del subsistema de VCM (16) y un condensador de intercambio de calor de superficie (SHX) , y en el que el sistema comprende, además una válvula de control (CV) para dirigir el fluido de trabajo ya sea al condensador primario del subsistema de intercambio de calor pasivo, al condensador secundario de SHX del subsistema de intercambio de calor pasivo o al intercambiador de calor de superficie SHX integrado del subsistema de aire RAM.

7. El sistema de control ambiental de la reivindicación 1, en el que el subsistema de VCM (16) incluye, además, un condensador de intercambio de calor de superficie (SHX) de VCM aguas abajo del condensador de VCM.

8. El sistema de control ambiental de la reivindicación 7, en el que el condensador de SHX de VCM está en relación de intercambio de calor funcional con un fluido a bordo.

9. El sistema de control ambiental de la reivindicación 8, en el que el fluido de a bordo es combustible de a 45 bordo o aire de la cabina.

10. El sistema de control ambiental de la reivindicación 7, en el que el subsistema de VCM incluye una válvula de derivación (44) para dirigir el circuito de fluido de VCM o para derivar el circuito de fluido de VCM alrededor del SHX del condensador de VCM.

11. Una aeronave que comprende un sistema de control ambiental de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 -10.

12. Un procedimiento para controlar la temperatura ambiental de un espacio cerrado, que comprende:

(a) controlar la temperatura ambiental dentro del espacio encerrado haciendo circular un fluido de trabajo de intercambio de calor dentro de un subsistema (12) de intercambio de calor pasivo que tiene un circuito de fluido de intercambio de calor en bucle cerrado en relación de intercambio de calor con el espacio cerrado; e (b) integrar el intercambio de calor del fluido de trabajo del subsistema de intercambio de calor pasivo con un circuito de aire de un subsistema (20) de aire RAM y un circuito de fluido de una 10 máquina de compresión de vapor (VCM) de un subsistema de VCM por:

(i) establecer una relación de intercambio de calor entre el circuito de fluido de trabajo de intercambio de calor del subsistema de intercambio de calor pasivo (12) y un evaporador del subsistema de VCM (16) ; y (ii) establecer una relación de intercambio de calor entre el circuito de aire del subsistema 15 (20) aire RAM y un condensador del subsistema de VCM (16) .

13. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que la etapa (b) (i) comprende proporcionar al subsistema (12) de intercambio de calor pasivo un condensador primario y establecer una relación de intercambio de calor entre el condensador y el evaporador principal de VCM del subsistema de VCM (16) .

14. El procedimiento de la reivindicación 13, que comprende, además, proporcionar al subsistema (12) de intercambio de calor pasivo un condensador secundario de intercambio de calor de superficie (SHX) , y dirigir de manera controlable el fluido de intercambio de calor de trabaja ya sea al condensador primario, o al condensador secundario de SHX.

15. El procedimiento de la reivindicación 14, que comprende, además, proporcionar al circuito de aire un conducto de aire (30) que tiene una entrada (30 -3) y una puerta de control de entrada (30 -3a) para controlar el flujo de aire en el conducto, y un ventilador de refrigeración para aspirar aire dentro de la entrada y a través del conducto.

16. El procedimiento de la reivindicación 15, que comprende, además, proporcionar al subsistema (20) de aire RAM un dispositivo de intercambiador de calor de superficie (SHX) integrado y establecer una relación de intercambio de calor funcional entre el dispositivo de SHX integrado y el flujo de aire en el conducto.

17. El procedimiento de la reivindicación 16, que comprende, además, dirigir de manera controlable el fluido de trabajo de intercambio de calor en el subsistema (12) de intercambio de calor pasivo ya sea al condensador primario del subsistema de intercambio de calor pasivo, al condensador secundario de SHX del subsistema de intercambio de calor pasivo o al dispositivo de SHX integrado del subsistema (20) de aire RAM.

18. El procedimiento de la reivindicación 12, que comprende, además, proporcionar al subsistema de VCM (16) un condensador de intercambiador de calor de superficie (SHX) de VCM aguas abajo de un condensador de VCM.

19. El procedimiento de la reivindicación 18, que comprende, además, establecer una relación de intercambio de calor entre el condensador SHX de VCM y un fluido de a bordo.

20. El procedimiento de la reivindicación 19, en el que el fluido de a bordo es combustible de a bordo o aire de la cabina.

21. El procedimiento de la reivindicación 18, que comprende, además, permitir que el circuito de fluido de VCM derive el condensador de SHX de VCM en respuesta a una condición ambiental predeterminada.

22. El procedimiento de la reivindicación 18, que comprende, además, la utilización del calor liberado del SHX

del condensador de VCM como protección contra el hielo y la lluvia de una superficie exterior que contiene el SHX.

23. El procedimiento de la reivindicación 17, que comprende, además, utilizar el calor liberado del condensador secundario de SHX del subsistema (12) de intercambio de calor pasivo como protección contra el hielo y la lluvia de una superficie exterior que contiene el SHX.