用于冷却飞行器上热负载的冷却系统以及用于操作该冷却系统的方法

摘要

一种用于冷却飞行器上热负载(28，34)的冷却系统(10)，其包括：制冷装置(12)；第一载冷流体回路(24)，其热联接到制冷装置(12)并连接到第一热负载(28)以便从第一热负载(28)带走热量；以及第二载冷流体回路(30)，其连接到第二热负载(34)以便从第二热负载带走热量。冷却系统(10)的联接系统适于选择性地将第一载冷流体回路(24)热联接到第二载冷流体回路(30)或者使第一载冷流体回路(24)与第二载冷流体回路(30)热断开。在一种操作这种用于冷却飞行器上热负载(28，34)的冷却系统(10)的方法中，第一载冷流体回路(24)通过联接系统选择性地热联接到第二载冷流体回路(30)或者与第二载冷流体回路(30)热断开。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于冷却飞行器上热负载的冷却系统，所述冷却系统包括：制冷装置；第一载冷流体回路，其热联接到制冷装置并连接到第一热负载以便从第一热负载带走热量；以及第二载冷流体回路，其连接到第二热负载以便从第二热负载带走热量。另外，本发明涉及一种用于操作该冷却系统的方法。

背景技术

已知的适合在飞行器上使用的冷却系统包括中央制冷装置，中央制冷装置热联接到载冷流体回路，以便从并行连接到载冷流体回路的多个热负载带走热量。热负载根据操作状态会处于不同的温度水平，从而使得从热负载到载冷流体回路的热传递必须在不同的温度水平下进行。为了保证整个系统的正常运行，因此必需不断地选择制冷装置的操作温度水平，以便使得处于低温水平的热负载也能够得到充分冷却。因此，制冷装置必须在能量上不利的低操作温度水平下进行操作，并因此在相对较差的效率下进行操作。

另外已知的用于冷却飞行器上热负载的冷却系统包括第一载冷流体回路，第一载冷流体回路将热量从处于低温度水平的热负载带到制冷装置。制冷装置将由第一载冷流体回路带走的热量传递到第二载冷流体回路，所述第二载冷流体回路用于从处于相对较高温度水平的热负载带走热量。在第二载冷流体回路中设有热交换器，热交换器将需从整个系统带走的热量释放到周围环境中。为了保证整个系统在高的环境温度下也能够正常运行，因此第二载冷流体回路必须保持在相对较高的温度水平。为此，必需在关于释放热量方面的能量上不利的高操作温度水平下操作制冷装置，并因此是在相对较差的效率下操作制冷装置。由于制冷装置和联接到第二载冷流体回路中的其它热负载的最大操作温度的技术限制，因此无法保证整个系统在非常高的环境温度下的正常操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于冷却飞行器上热负载的冷却系统，所述冷却系统使得能够以能量高效的方式冷却处于不同温度水平的热负载。

为了实现前述目的，提供一种根据本发明的用于冷却飞行器上热负载的冷却系统，其包括：制冷装置；第一载冷流体回路，其热联接到制冷装置并连接到第一热负载以便从第一热负载带走热量；以及第二载冷流体回路，其连接到第二热负载以便从第二热负载带走热量，所述冷却系统包括联接系统，所述联接系统适于选择性地将第一载冷流体回路热联接到第二载冷流体回路或者使第一载冷流体回路与第二载冷流体回路热断开。换句话说，在根据本发明的冷却系统的情况下，联接系统根据需要用来形成或断开第一载冷流体回路与第二载冷流体回路之间的热连接。

在根据本发明的能够选择性地使第一载冷流体回路与第二载冷流体回路热联接或热断开的冷却系统的情况下，还可以在高环境温度下使用联接到第一载冷流体回路的制冷装置来冷却第二载冷流体回路。这样，当由于高环境温度而无法将足够的热量从第二载冷流体回路带到周围环境中时是特别有利的。相反，在一般的环境温度下，通过将第一载冷流体回路和第二载冷流体回路断开，使得只有连接到第一载冷流体回路的第一热负载能够通过制冷装置进行冷却。而连接到第二载冷流体回路的第二热负载能够通过例如将热量带到周围环境中来进行冷却。最后，在低环境温度下，通过将第一载冷流体回路和第二载冷流体回路进行联接，可以使用第二载冷流体回路来冷却第一载冷流体回路。因此，能够关掉连接到第一载冷流体回路的制冷装置或者至少减轻其负载。由此，在环境温度下降的情况下，对于根据本发明的整个系统而言获得了能量效率的提高。另外，即使在非常高的环境温度下，也能够保证两个载冷流体回路的冷却功能。

在根据本发明的冷却系统中，能够采用冷汽处理冷却机(cold vapourprocess cooling machine)作为制冷装置。这种设备通常包括冷却介质回路，所述冷却介质回路中设有膨胀阀和压缩机。优选地，制冷装置包括冷凝器，所述冷凝器设置在冷却介质回路中并用于将热量带到周围环境中。为了将制冷装置热联接到第一载冷流体回路，制冷装置优选地具有蒸发器，所述蒸发器连接到第一载冷流体回路。作为示例，引导流经第一载冷流体回路的载冷流体通过制冷装置的蒸发器，以便从第一载冷流体回路并因此从第一热负载带走热量。

优选地，采用载冷液体作为根据本发明的冷却系统中的载冷流体。但是，作为替代，也能够想到使用两相或气态的载冷流体。为了使载冷流体循环通过第一载冷流体回路，能够在第一载冷流体回路中设置例如设计成泵的形式的输送装置。优选地，流经第二载冷流体回路的载冷流体同样通过例如设计成泵的形式的输送装置进行循环。

在根据本发明的冷却系统的优选实施方式中，联接系统包括第一阀，所述第一阀设置在第一载冷流体回路中。优选地，第一阀适于选择性地引导流经第一载冷流体回路的载冷流体通过第一旁通管路或者使其与流经第二载冷流体回路的载冷流体热接触。作为替代，联接系统还可以包括第一阀，所述第一阀设置在第二载冷流体中并适于选择性地引导流经第二载冷流体回路流动的载冷流体通过第一旁通管路或者使其与流经第一载冷流体回路的载冷流体热接触。

优选地，设置在第一载冷流体回路或第二载冷流体回路中的第一阀设计成三通阀的形式，从而第一阀还能够引导流经第一载冷流体回路或第二载冷流体回路的载冷流体部分地通过第一旁通管路并且部分地与流经相应的另一载冷流体回路的载冷流体热接触。另外优选地，第一阀具有可变的流通截面，从而能够根据需要控制：流经第一载冷流体回路或第二载冷流体回路的被引导通过第一旁通管路的载冷流体的体积流量比例；以及流经第一载冷流体回路或第二载冷流体回路并与相应的另一载冷流体回路中的载冷流体热接触的载冷流体的体积流量比例。

优选地，根据本发明的冷却系统的联接系统还包括第一热交换器，所述第一热交换器连接到第二载冷流体回路并且能够通过第一阀选择性地与第一载冷流体回路连接或分开。作为替代，根据本发明的冷却系统的联接系统还能够包括第一热交换器，所述第一热交换器连接到第一载冷流体回路并且能够通过第一阀选择性地与第二载冷流体回路连接或分开。

第一热交换器在第一载冷流体回路与第二载冷流体回路之间产生间接热联接。如果需要的话，这种装置例如可以用来操作具有不同的载冷流体的第一载冷流体回路和第二载冷流体回路。另外，第一载冷流体回路和第二载冷流体回路彼此液力断开，这样由于可以得到一个自身独立的载冷流体回路，因此保证了在另一载冷流体回路泄漏的情况下的稳定性增加。

在根据本发明的冷却系统的可替代实施方式中，免除了用于在第一载冷流体回路与第二载冷流体回路之间产生热联接的第一热交换器。而是，在根据本发明的冷却系统的可替代实施方式中的联接系统具有第一连接管路和第二连接管路，所述第一连接管路连接到第一阀，所述第二连接管路连接到第二阀。借助于能够分别通过第一阀和第二阀选择性地畅通或中断的第一连接管路和第二连接管路，能够使第一载冷流体回路和第二载冷流体回路彼此连接。通过这种方式，可以使第一载冷流体回路和第二载冷流体回路进行直接联接，从而使得第一载冷流体回路和第二载冷流体回路能够连接并形成单个的载冷流体回路。

与包括第一热交换器的联接系统相比，仅包括第一连接管路和第二连接管路以及第一阀和第二阀的联接系统具有简单且轻便的构造，从而与包括第一热交换器的联接系统相比能够减轻重量。但是，仅当操作具有相同载冷流体的第一载冷流体回路和第二载冷流体回路时，才能够采用使第一载冷流体回路和第二载冷流体回路直接液力联接的联接系统。

优选地，第一阀和第二阀设计成具有可变流通截面的三通阀的形式。流经第一载冷流体回路的载冷流体能够例如部分地经由第一旁通管路并且部分地经由第一连接管路被引导到第二载冷流体回路中，能够以特定的方式来调整分别被引导到第一旁通管路和第二载冷流体回路中的体积流量。

优选地，第三阀设置在第二载冷流体回路中并且适于引导流经第二载冷流体回路的载冷流体选择性地通过第二热交换器和/或第二旁通管路。优选地，第三阀同样设计成具有可变流通截面的三通阀的形式，使得也能够引导流经第二载冷流体回路的载冷流体部分地通过第二热交换器并且部分地通过第二旁通管路。优选地，第二热交换器适于将来自第二载冷流体回路的热量带到周围环境中。因此优选地，根据环境温度以及根据由设置在第二载冷流体回路中的热负载产生的热量对第三阀进行控制。

在根据本发明的操作上述用于冷却飞行器上热负载的冷却系统的方法的情况下，第一载冷流体回路通过联接系统选择性地热联接到第二载冷流体回路或者与第二载冷流体回路热断开。

优选地，借助于设置在第一载冷流体回路或第二载冷流体回路中的第一阀，使流经第一载冷流体回路或第二载冷流体回路的载冷流体选择性地被引导通过第一旁通管路或者与流经第二载冷流体回路或第一载冷流体回路的载冷流体热接触。

连接到第一载冷流体回路或第二载冷流体回路的第一热交换器通过第一阀选择性地与第二载冷流体回路或第一载冷流体回路连接或分开。

作为替代，第一载冷流体回路还能够通过第一阀和第二阀选择性地与第二载冷流体回路连接或分开，所述第一阀连接到第一连接管路，所述第二阀连接到第二连接管路。

在根据本发明的操作用于冷却飞行器上热负载的冷却系统的方法的优选实施方式中，借助于设置在第二载冷流体回路中的第三阀，选择性地引导流经第二载冷流体回路的载冷流体通过第二热交换器和/或第二旁通管路。

附图说明

现在参照所附示意图，更加详细地描述根据本发明的用于冷却飞行器上热负载的冷却系统的两个优选的示例性实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的冷却系统的第一实施方式，以及

图2示出了根据本发明的冷却系统的第二实施方式。

具体实施方式

图1示出了适于在飞行器上使用的冷却系统10的第一示例性实施方式。冷却系统10包括制冷装置12，制冷装置12设计成冷汽处理冷却机的形式并具有冷却介质回路14，在冷却介质回路14中设有膨胀阀16和压缩机18。制冷装置12的冷却介质回路14中还设有冷凝器20，冷凝器20用于将热量带到周围环境中。

制冷装置12的蒸发器22连接到第一载冷流体回路24，引导流经第一载冷流体回路24的载冷流体通过蒸发器22，从而将热量从第一载冷流体回路24传递到制冷装置12。流经第一载冷流体回路的载冷流体借助于第一泵26运送通过第一载冷流体回路24，以便从设置在第一载冷流体回路24中的第一热负载28带走热量。

冷却系统10还包括第二载冷流体回路30，载冷流体借助于第二泵32在所述第二载冷流体回路30中进行循环，以便从第二热负载34带走热量。第二热负载34的温度水平高于第一热负载28的温度水平。

引导在第二载冷流体回路30中循环的载冷流体通过第一热交换器36。相反，连接到制冷装置12的第一载冷流体回路24能够选择性地与第一热交换器36连接或分开。为此，第一三通阀38在第一泵26的下游设置在第一载冷流体回路24中。第一三通阀38用于引导流经第一载冷流体回路24的载冷流体选择性地通过第一热交换器36或通过第一旁通管路40。

因此，第一热交换器36、第一三通阀38和第一旁通管路40形成了联接系统，所述联接系统选择性地将第一载冷流体回路24热联接到第二载冷流体回路30或者使第一载冷流体回路24与第二载冷流体回路30热断开。第一三通阀38具有可变的流通截面，从而可以引导流经第一载冷流体回路24的载冷流体部分地通过第一热交换器36并且部分地通过第一旁通管路40，流经第一载冷流体回路24的载冷流体的分别被引导通过第一热交换器36和第一旁通管路40的体积流量比例能够根据需要进行调整。

在第二载冷流体回路30中，在第二泵32的下游设置另一个三通阀42，所述另一个三通阀42引导流经第二载冷流体回路30的载冷流体选择性地通过第二热交换器44或通过第二旁通管路46。第二热交换器44用于将来自第二载冷流体回路30的热量并因此将来自第二热负载34的热量带到周围环境中。所述另一个三通阀42同样具有可变的流通截面，从而可以引导流经第二载冷流体回路30的载冷流体部分地通过第二热交换器44并且部分地通过第二旁通管路46，通过所述另一个三通阀42的相应控制，流经第二载冷流体回路30的载冷流体的分别被引导到第二热交换器44和第二旁通管路46中的体积流量比例也能够根据需要进行调整。

在下文中描述了图1所示的冷却系统的运行。如果环境温度足够低，则能够通过所述另一个三通阀42的相应控制，将由第二热负载34产生的热量经由第二热交换器44带到周围环境中。在这种情况下，在第二载冷流体回路30中形成一定的流动温度。

在冷却系统10的该操作阶段中，通过第一三通阀38的相应控制使第一载冷流体回路24与第二载冷流体回路30分开。换句话说，引导在第一载冷流体回路24中循环的载冷流体完全通过第一旁通管路40。在冷却系统10的该操作阶段中，制冷装置12的操作温度能够适于第一热负载28的相对较低的温度水平。因此，可以使制冷装置12在特别节省能量的状态下进行操作。

在较高的环境温度下，无法再经由第二热交换器44从第二载冷流体回路30带走足够的热量。因此，第二载冷流体回路30中的流动温度升高。如果由于第二载冷流体回路30中的流动温度增加，使得无法再保证从第二热负载34适当地带走热量，则第二载冷流体回路30能够经由第一热交换器36热联接到处于较低温度水平的第一载冷流体回路24。

为此，以如下的方式控制第一三通阀38，即：使得第一旁通管路40部分或完全关闭并且在第一载冷流体回路24中循环的载冷流体被引导通过第一热交换器36。因此，剩余热量能够经由第一热交换器36从第二载冷流体回路30传递到第一载冷流体回路24。当环境温度高于流经第二载冷流体回路30并进入第二热交换器44的载冷流体的进口温度时，尤其需要通过第一三通阀38关闭第一旁通管路40。

相反，在足够低的环境温度下，第二载冷流体回路30中的温度水平能够下降到低于第一载冷流体回路24中的温度水平。为此，以如下的方式控制所述另一个三通阀42，即：流经第二载冷流体回路30的载冷流体主要或完全被引导通过第二热交换器44。当第二载冷流体回路30中的温度水平低于第一载冷流体回路24中的温度水平时，还可以通过第一载冷流体回路24和第二载冷流体回路30的经由第一热交换器的相应热联接，使得通过第二载冷流体回路30和第二热交换器44将来自第一热负载28的热量带到周围环境中。因此，能够减轻制冷装置12的负载。

图2所示的冷却系统10的第二示例性实施方式与图1所示的装置的不同之处主要在于：免除了用于在第一载冷流体回路24与第二载冷流体回路30之间产生热联接的热交换器。而是除了第一三通阀38和第一旁通管路40之外，冷却系统10的联接系统还包括第一连接管路48、第二三通阀50和第二连接管路52，第一连接管路48连接到第一三通阀38，而第二连接管路52连接到第二三通阀50。

第一三通阀42和第二三通阀50各具有可变的流通截面。因此，能够通过第一三通阀38的相应控制，使得流经第一载冷流体回路24的载冷流体部分地被引导到第一旁通管路40中并且部分地经由第一连接管路48被引导到第二载冷流体回路30中，分别被引导到第一旁通管路40中以及经由第一连接管路48被引导到第二载冷流体回路30中的载冷流体的体积流量比例能够根据需要进行调整。类似地，通过第二三通阀50的相应控制，使得流经第二载冷流体回路30的载冷流体能够部分地进一步在第二载冷流体回路30中循环并且部分地经由第二连接管路52被引导到第一载冷流体回路24中。

因此，通过第一三通阀38和第二三通阀50的相应控制，第一载冷流体回路24和第二载冷流体回路30可以进行直接液力联接。在其它方面，图2所示的冷却系统20的构造和运行与图1所示的装置的构造和运行相对应。