具有优化的冷却的空气调节系统的驱动涡轮压缩机的制作方法

1.本发明涉及驱动涡轮压缩机，该驱动涡轮压缩机是空气调节系统的一部分。本发明尤其涉及具有优化的冷却的驱动涡轮压缩机，例如，该驱动涡轮压缩机可以在包括空气调节系统的交通工具中使用，例如在航空、轨道或海上类型的交通工具中使用。


背景技术：

2.驱动涡轮压缩机在多种场景下使用，尤其是在交通工具中使用，例如在空气调节系统中使用。
3.这些驱动涡轮压缩机通常包括压缩机，该压缩机由电机驱动并允许压缩外来空气。在这些涡轮压缩机中提及的重要问题是驱动涡轮压缩机的电机的冷却。
4.一方面，在空气调节系统中，主要问题是确保这种冷却不会过度影响空气调节系统的性能和成本，尤其是通过限制外部冷空气去除的使用和/或通过不引起对加压空气的附加的需求来确保，这将导致对加热的更大需求，这是适得其反的。
5.尤其是，电机的冷却必须足够有效，以允许功率密度在质量和尺寸方面与集成到机载系统，尤其是交通工具，例如飞行器，相兼容。
6.此外，必须控制驱动涡轮压缩机的构件以及特别是电机经受的温度水平，以防止任意故障，并且该温度水平必须与在机载系统中所需要的可靠性水平相兼容，尤其是与在航空应用中所需要的非常高水平的可靠性相兼容。
7.通过冷却电机消耗的能量必须保持较低，以便不会对嵌入了电机的系统的整体效率产生负面影响。这些对效率和能量性能的考虑特别是使控制空气调节系统的整体性能成为可能。
8.最后，还必须在整体水平上研究效率，特别是在质量和复杂性方面，效率必须保持合理，以免交通工具的整体性能受到影响。
9.在现有技术中提出的解决方案包括通过与用作散热器的液体环路进行热交换来冷却电机。特别地，在某些系统中，特别是在机动车辆领域中，液体环路已经被用于冷却其它构件，并且被引导朝向电机以进行冷却。然而，在缺乏预先存在的液体环路的情况下，实施这种解决方案是复杂的，并且由于待冷却的附加的构件，增加了现有液体环路中的复杂性和在性能上的下降。
10.另一种压缩机电机冷却解决方案包括利用从交通工具外面收集的空气进行通风。
11.在这种情况下，当交通工具停止时(尤其是对于飞行器来说停止在地面上)，通风流速通常为零。风扇用于弥补这种通风不足，这增加了系统的复杂性，并降低了能量性能。更一般地，通风空气的收集导致交通工具的性能下降。
12.发明人寻求提出一种新型的空气调节系统的驱动涡轮压缩机，从而允许电机的适当冷却。


技术实现要素：

13.发明目的
14.本发明旨在提供空气调节系统的驱动涡轮压缩机，该驱动涡轮压缩机使克服现有技术的驱动涡轮压缩机的缺点中的至少一个成为可能。
15.本发明特别旨在在至少一个实施例中提供空气调节系统的高能效的驱动涡轮压缩机。
16.本发明特别旨在在至少一个实施例中提供驱动涡轮压缩机，无论交通工具的状态和外面条件如何，该驱动涡轮压缩机都能够使用。
17.本发明特别旨在在至少一个实施例中提供小体积、低质量的驱动涡轮压缩机。发明内容
[0018][0019]
为此，本发明涉及用于向交通工具的舱供应空气调节的空气调节系统的驱动涡轮压缩机，包括：
[0020]-空气进气管道，被配置为收集在环境压力下的环境空气，
[0021]-压缩机，与空气进气管道和舱的入口连接，压缩机被配置为接收源自空气进气管道的空气，以压缩源自空气进气管道的空气，并以与供应舱需要的压力对应的压力供应加压空气，
[0022]-电机，通过传动轴与压缩机连接，电机被配置为驱动压缩机并被壳体包围，
[0023]-能量回收涡轮机，与舱的出口连接，并且能量回收涡轮机被配置为膨胀源自舱的出口的舱空气，以经由涡轮机的出口供应通过涡轮机膨胀的空气，
[0024]
其特征在于，该驱动涡轮压缩机包括冷却管道，冷却管道连接涡轮机的出口和电机的壳体，所述冷却管道被配置为接收经膨胀的空气的至少一些，以冷却电机壳体和电机。
[0025]
因此，根据本发明的驱动涡轮压缩机充分利用离开舱的空气，使提供有效、节能的电机的冷却成为可能。术语“舱”被理解为指接收由交通工具运输的元素的交通工具的一部分，特别是交通工具的乘客。舱也被称为乘客室。
[0026]
在驱动涡轮压缩机在空气调节系统中使用的场景下，驱动涡轮压缩机的压缩机的主要功能是允许来自空气进气管道的空气达到或接近舱中所需要的压力。
[0027]
空气调节系统的空气处理设备可以被布置在驱动涡轮压缩机和舱之间，以便在舱的上游或下游执行附加的处理。特别地，空气处理设备包括与驱动涡轮压缩机互补的任意元件，该元件用于处理在驱动涡轮压缩机的压缩机和能量回收涡轮机之间的在空气调节系统中循环的空气，例如以实现更高压缩比的一个或多个附加的压缩机、一个或多个热交换器、使提取水成为可能的水提取环路、一个或多个膨胀涡轮机等。
[0028]
离开舱的空气最初在能量回收涡轮机中膨胀，直到与交通工具外面的压力临近的压力，这使回收可以在系统中使用的能量(膨胀焓)成为可能，以便提高整体能量效率。此外，在涡轮机中的膨胀具有降低舱空气的温度的作用，并具有使存在于舱空气中的水冷凝以形成悬浮的水滴的作用。
[0029]
因此，经膨胀的空气在用于冷却电机壳体和电机方面特别有效。例如，经膨胀的空气被注入到壳体的外表面的冷却回路中。比电机更冷的这种经膨胀的空气将通过热传导冷却电机壳体和电机，并且在电机和电机壳体释出的热量存在下，在经膨胀的空气中悬浮的
水将通过吸收该热量而蒸发，以改善电机壳体和电机的冷却。
[0030]
因此，使用经膨胀的空气使比现有技术的设备更有效地冷却成为可能，或者使用更低的空气流速以相同的方式冷却成为可能，这提高了驱动涡轮压缩机、集成了驱动涡轮压缩机的空气调节系统以及嵌入了空气调节系统的交通工具的整体能量效率。
[0031]
如果空气调节系统包括水提取环路，则冷却管道可以包括用于注入由水提取环路提取的水的装置，该装置被配置为将提取的水重新注入冷却管道，以改善冷却。
[0032]
驱动涡轮压缩机不依赖于外部系统来冷却压缩机电机。
[0033]
有利地并且根据本发明，能量回收涡轮机被布置在传动轴上。
[0034]
根据本发明的这一方面，压缩机、涡轮机和电机通过传动轴连接，并因此形成由单个部件制成的驱动涡轮压缩机。因此，由涡轮机回收的能量用于减少驱动压缩机所必需的电机能量能耗，这减少了由电机生成的热量。
[0035]
有利地并且根据本发明，驱动涡轮压缩机包括分叉，分叉被布置在涡轮机的出口和冷却管道之间，分叉包括入口，入口被配置为接收经膨胀的空气，并且分叉包括至少两个出口，第一出口被配置为将经膨胀的空气的流中的一些引导到冷却管道，以及第二出口被配置为将经膨胀的空气的流的另一部分引导到排放出口。
[0036]
根据本发明的这一方面，分叉使平衡涡轮机的出口处的压力成为可能；如果所有的经膨胀的空气都被送入冷却管道中以冷却电机壳体和电机，则产生的压降可能降低系统的整体性能，尤其是涡轮机的性能。
[0037]
通过允许在冷却管道和在分叉处的出口之间的流速的被动平衡，涡轮机以其最大性能运行(在涡轮机的入口和涡轮机的出口处的压力之间的比被优化)，因为来自涡轮机的出口下游的压降被优化，并且舱空气的冷却是有效的，这改善了电机和电机的壳体的冷却。
[0038]
有利地并且根据本发明，分叉被配置为使得悬浮在经调节的空气中的大部分水被引导到冷却管道。
[0039]
根据本发明的这一方面，分叉优化了被送入冷却管道的舱空气和直接排出的舱空气的水分布。在舱空气中的悬浮的水的存在不会影响压降性能，而是有利于冷却。因此，分叉被配置为使得大部分水被传输到冷却管道。这种配置可以主动地(受控的)或优选被动地(无需干预，这尤其限制了消耗的能量和系统的复杂性)完成。例如，分叉具有这样的几何形状，即，在分叉中与冷却通道连接的第一出口基本上与经调节的空气的流的方向共线，以便将存在于流中的水主要引导朝向该出口，第二出口以不同的角度定向，使得水被优选地引导朝向第一出口。
[0040]
有利地并且根据本发明，电机的壳体包括冷却翅片。
[0041]
根据本发明的这一方面，翅片使电机和壳体的冷却最大化成为可能。翅片由导热材料制成，以最大化热交换。
[0042]
根据本发明的其它变体，任意其它改善热交换的设备都可以被添加到电机壳体中。
[0043]
本发明还涉及用于供应交通工具的舱的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0044]-经由由电机驱动的压缩机压缩源自空气进气管道的空气，并以与供应舱需要的压力对应的压力，将加压空气引导到舱的入口，
[0045]-经由能量回收涡轮机膨胀源自舱的出口的舱空气，
[0046]-将由涡轮机膨胀的空气的至少一些引导到压缩机电机的壳体，以冷却所述电机壳体和所述电机。
[0047]
有利地，根据本发明的供应方法由根据本发明的驱动涡轮压缩机实施。
[0048]
有利地，根据本发明的驱动涡轮压缩机实施根据本发明的供应方法。
[0049]
本发明还涉及空气调节系统，该空气调节系统被配置为向交通工具的舱供应经调节的空气，其特征在于，该空气调节系统包括根据本发明的驱动涡轮压缩机，该驱动涡轮压缩机被配置为向交通工具的所述舱供应加压空气。
[0050]
有利地并且根据本发明，空气调节系统包括空气处理设备，空气处理设备被配置为在舱的入口的下游接收加压空气，和/或被配置为在能量回收涡轮机的下游接收舱空气，并且空气处理设备包括旨在在舱的入口之前处理加压空气和/或处理来自舱的出口的空气的装备。
[0051]
有利地并且根据本发明，空气处理装置包括来自以下列表中的一个或几个设备：
[0052]-一个或多个附加的压缩机，
[0053]-一个或多个热交换器，
[0054]-水提取环路，用于提取水，
[0055]-一个或多个膨胀涡轮机。
[0056]
因此，空气处理设备将除了驱动涡轮压缩机之外的空气调节系统所必需的所有设备组合在一起，以便获得供应到舱的经调节的空气和/或处理在舱出口处的空气。
[0057]
本发明还涉及交通工具，交通工具包括空气调节系统和舱，其特征在于，该交通工具包括根据本发明的驱动涡轮压缩机，该驱动涡轮压缩机被配置为向舱供应加压空气。
[0058]
交通工具是例如汽车、航空、海上或轨道交通工具。
[0059]
本发明还涉及驱动涡轮压缩机、供应方法、空气调节系统和交通工具，它们的特征在于由上述或以下提到的全部或一些特征组合而成。
附图说明
[0060]
本发明的进一步目的、特征和优点将通过阅读以下描述而变得显而易见，该描述仅通过非限制性示例提供，并参考附图，其中：
[0061]
图1是根据本发明一个实施例的空气调节系统的驱动涡轮压缩机的示意图。
具体实施方式
[0062]
为了说明和清晰起见，附图中未严格遵守尺寸和比例。
[0063]
此外，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同、相似或类似的元素。
[0064]
图1示意性地示出了驱动涡轮压缩机10，驱动涡轮压缩机10形成空气调节系统100的一部分，该驱动涡轮压缩机10特别被设置为：将在空气调节系统的入口处的空气压缩到供应交通工具的舱所必需的压力，并膨胀离开舱的空气，以便以焓的形式回收该离开舱的空气的能量并提高系统的能量效率。
[0065]
空气调节系统被配置为供应经调节的空气，例如向嵌入了空气调节系统的交通工具中供应经调节的空气，特别是向该交通工具的舱或乘客室(飞行器或船只的舱、铁路交通工具的车厢或货车车厢、机动交通工具的乘客室等)供应经调节的空气。概括而言，依据实
施本发明的交通工具的类型，在描述的其余部分中使用术语“舱”来命名交通工具的舱或乘客室。
[0066]
舱110包括舱入口112和舱出口114，已经通过舱的空气——被称为舱空气24，从舱出口114排出。
[0067]
舱110被供应有加压空气，特别是由压缩机12供应加压空气，压缩机12由空气进气管道14供应空气。源自空气进气管道14的空气是例如外来空气，或源自在交通工具上的另一个系统的空气，该交通工具包含空气调节系统。例如，在飞行器中，空气可以从推进发动机中获取。
[0068]
压缩机12通过被壳体18包围的电机16旋转。电机使与压缩机12连接的传动轴19旋转。
[0069]
空气调节系统通常包括附加的空气处理装置，附加的空气处理设备在此被结合在空气处理装置120中。因此，空气处理装置120是指空气调节系统的除了驱动涡轮压缩机10之外的所有其它组成装置，例如一个或多个压缩机、一个或多个涡轮机、一个或多个热交换器、水提取环路等。
[0070]
可能由空气处理装置120处理的加压空气通过舱的入口112进入，然后通过舱110。
[0071]
舱空气24可选地在舱的出口处由空气处理装置处理。然后，舱空气24由驱动涡轮压缩机10的能量回收涡轮机26膨胀。能量回收涡轮机26通过膨胀和冷却该舱空气24，使从舱空气24中回收能量成为可能。在本实施例中，能量回收涡轮机26与传动轴19连接，以便在驱动压缩机12时减少电机16的能量消耗。涡轮机26、电机16和压缩机12一起形成驱动涡轮压缩机10。
[0072]
在现有技术中，离开能量回收涡轮机的空气在能量回收之后被送到外面。
[0073]
在本发明的驱动涡轮压缩机中，离开涡轮机的空气——被称为经膨胀的空气，也用作冷却源。
[0074]
特别地，如本实施例所示，离开涡轮机26的经膨胀的空气28到达分叉30。该分叉包括与涡轮机26的出口连接的入口，并且使得能够：将一些经膨胀的空气28朝向第一出口引导到冷却管道32，以及将经膨胀的空气28的剩余部分朝向大气环境或者朝向交通工具的具有与大气压力临近的压力的系统或区域引导到第一排放出口34a。
[0075]
将经膨胀的空气28的在冷却管道32中循环的部分引导到电机的壳体18，以便冷却电机壳体18和电机16。为了便于冷却，电机的壳体18可以包括翅片(未示出)或任意其它改善热交换的装置。在由电机16因驱动压缩机12而生成的热量的作用下，通过蒸发悬浮在被引导到电机壳体18的经膨胀的空气28中的任意水滴，改善了冷却。为了最大化冷却，可以注入由水处理设备的水提取环路提取的水。在冷却电机16和电机的壳体18之后，空气可以通过单独的第二排放出口34b排出，或者被重新引导到第一排放出口34a。
[0076]
分叉30允许冷却管道32和电机壳体18处的压降的被动控制；在第一排放出口34a或第二排放出口34b处的压力是环境压力，并且对于经膨胀的空气28的在冷却管道32的分支中循环的部分和经膨胀的空气28的在通向第一排放出口34a的分支中循环的部分而言，分叉30处的压力是相同的，这使平衡两个分支之间的流速成为可能。
[0077]
结合了驱动涡轮压缩机的空气调节系统可以被集成到汽车、轨道、海上或航空交通工具中。

技术特征：
1.一种空气调节系统的驱动涡轮压缩机，所述空气调节系统用于向交通工具的舱供应经调节的空气，所述驱动涡轮压缩机包括：-空气进气管道(14)，被配置为收集在环境压力下的环境空气，-压缩机(12)，被连接到所述空气进气管道(14)和所述舱(110)的入口(112)，并被配置为：接收源自所述空气进气管道(14)的空气，压缩源自所述空气进气管道(14)的所述空气，并以与供应所述舱(110)所需的压力对应的压力供应加压空气，-电机(16)，通过传动轴(19)被连接到所述压缩机(12)，所述电机(16)被配置为驱动所述压缩机(12)并被壳体(18)包围，-能量回收涡轮机(26)，被连接到所述舱(110)的出口(114)，并且被配置为：膨胀源自所述舱(110)的所述出口(114)的舱空气(24)，以经由所述涡轮机(26)的出口供应经膨胀的空气(28)，其特征在于，所述驱动涡轮压缩机包括连接所述涡轮机(26)的所述出口和所述电机的所述壳体(18)的冷却管道(32)，所述冷却管道(32)被配置为：接收所述经膨胀的空气(28)的至少一些，以冷却所述电机壳体(18)和所述电机(16)。2.根据权利要求1所述的驱动涡轮压缩机，其特征在于，所述能量回收涡轮机(26)被设置在所述传动轴(19)上。3.根据权利要求1或2所述的驱动涡轮压缩机，其特征在于，所述驱动涡轮压缩机包括被设置在所述涡轮机(26)的所述出口与所述冷却管道(32)之间的分叉(30)，所述分叉包括被配置为接收所述经膨胀的空气(28)的入口，并且所述分叉部包括至少两个出口，第一出口被配置为将所述经膨胀的空气流中的一些引导到所述冷却管道(32)，以及第二出口被配置为将所述经膨胀的空气流中的另一部分引导到排放出口(34a)。4.根据权利要求3所述的驱动涡轮压缩机，其特征在于，所述分叉(30)被配置为使得在所述经膨胀的空气(28)中的大部分水被引导到所述冷却管道(32)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动涡轮压缩机，其特征在于，所述电机的所述壳体(18)包括冷却翅片。6.一种用于向交通工具的舱供应加压空气的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：-经由由电机(16)驱动的压缩机(12)压缩源自空气进气管道(14)的空气，并以与供应所述舱所需的压力对应的压力将加压空气(20)引导到所述舱(110)的入口(112)，-经由能量回收涡轮机(26)膨胀源自所述舱的出口(114)的舱空气(24)，-将由所述涡轮机膨胀的所述空气的至少一些引导到所述压缩机电机的壳体(18)，以冷却所述电机壳体(18)和所述电机(16)。7.一种空气调节系统，被配置为向交通工具的舱供应经调节的空气，其特征在于，所述空气调节系统包括根据权利要求1至5中任一项所述的、被配置为向所述交通工具的所述舱供应加压空气的驱动涡轮压缩机(10)。8.根据权利要求7所述的空气调节系统，其特征在于，所述空气调节系统包括空气处理装置，所述空气处理装置被配置为在所述舱的所述入口的下游接收所述加压空气，和/或被配置为在所述能量回收涡轮机的下游接收所述舱空气，并且所述空气处理设备包括旨在在所述舱的所述入口之前处理所述加压空气的设备、和/或旨在处理来自所述舱的所述出口
的所述空气的设备。9.根据权利要求8所述的空气调节系统，其特征在于，所述空气处理装置包括来自以下列表中的一个或多个设备：-一个或多个附加的压缩机，-一个或多个热交换器，-用于提取水的水提取环路，-一个或多个膨胀涡轮机。10.一种交通工具，包括：空气调节系统和舱，其特征在于，所述交通工具包括根据权利要求1至5中任一项所述的、被配置为向所述舱供应加压空气驱动涡轮压缩机(10)。

技术总结
本发明涉及空气调节系统的驱动涡轮压缩机，包括：压缩机(12)，被连接到空气进气管道(14)和交通工具的舱的入口(112)，并且压缩机(12)被配置为接收来自空气进气管道(14)的空气，以压缩空气并将空气提供给舱；电机(16)，被配置为驱动压缩机(12)并被壳体(18)包围；回收涡轮机(26)，被配置为膨胀来自舱的出口(114)的舱空气(24)。驱动涡轮压缩机的特征在于，包括冷却管道(32)，冷却管道被配置为接收经膨胀的空气(28)的至少一部分，以冷却电机的壳体(18)和电机(16)。(18)和电机(16)。(18)和电机(16)。


技术研发人员：G
受保护的技术使用者：利勃海尔-航空航天图卢兹有限公司
技术研发日：2021.07.28
技术公布日：2023/5/23