專利名稱：新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，它可應(yīng)用于各種 類型的軍用或民用飛機(jī)上，作為供氧防護(hù)救生及油箱惰性化安全保護(hù) 措施的機(jī)載裝備。
背景技術(shù)：
為保證長時(shí)間的續(xù)航供氧，先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)摒棄了傳統(tǒng)的氣氧、液
氧作為唯一供氧源的方法，而轉(zhuǎn)向采用機(jī)載制氧技術(shù)；與此同時(shí)，為 了提高現(xiàn)代軍用機(jī)燃油系統(tǒng)的防火防爆能力，使燃油箱始終處于安全 狀態(tài)，要求對油箱進(jìn)行惰性化處理，機(jī)載制氮技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生了。 在國外，機(jī)載制氧、機(jī)載制氮技術(shù)已經(jīng)得到了較深入的研究，并開始 應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)及民用機(jī)等不同類型飛機(jī)上。
當(dāng)前機(jī)載制氧、機(jī)載制氮技術(shù)都趨于采用從飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī) (或環(huán)控系統(tǒng))中引氣，并利用現(xiàn)代空氣分離技術(shù)對其進(jìn)行分離，來 分別制取高濃度的氧氣和氮?dú)?。因此，如果能?shí)現(xiàn)機(jī)載制氧-制氮系 統(tǒng)的耦合，以充分利用制氮(制氧)系統(tǒng)的排放氣體，則可大大地減 少從飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的引氣量、并降低系統(tǒng)的總重量及體積，從而 大大提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性、戰(zhàn)斗性及生存能力。然而，由于機(jī)載制氧、 制氮系統(tǒng)對其工作條件、壓力、流量等技術(shù)參數(shù)的要求各不相同，有 時(shí)候甚至是相互沖突的，因此，要研制這樣的耦合系統(tǒng)存在著一定的 技術(shù)難度。
早在1986年5月，美國利頓(LITTON)儀器公司的生命保障分 公司(ILSD)就承接了 V-22飛機(jī)機(jī)載制氧、制氮綜合系統(tǒng)的研制任務(wù)。 其中，制氧系統(tǒng)將為四名機(jī)組人員呼吸提供所需要的氧氣，而制氮系 統(tǒng)則用以產(chǎn)生富氮?dú)怏w來惰化V-22飛機(jī)的13個(gè)油箱。同時(shí)，還要求 該綜合系統(tǒng)重量不能大于32.7kg。附圖1為利頓公司所采用的綜合系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，附圖2是利頓公司申請歐洲專利時(shí)，所采用的系統(tǒng)原
理圖。該綜合系統(tǒng)是建立在分子篩變壓吸附(PSA)空氣分離技術(shù)基
礎(chǔ)上的。其工作原理及流程是從飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中的引氣在經(jīng)過 冷卻、穩(wěn)流、穩(wěn)壓等措施處理后，流入旋轉(zhuǎn)閥，并由該閥來控制分配 到兩個(gè)氮?dú)馕酱埠蛢蓚€(gè)氧氣吸附床的加壓空氣量；通過分子篩吸附 床的變壓吸附/再生來進(jìn)行空氣分離；所產(chǎn)生的富氮?dú)怏w通入油箱， 進(jìn)行油箱惰性化保護(hù)；而富氧氣體直接供機(jī)組人員呼吸所用。由于該 綜合式系統(tǒng)充分利用了公共分配元件，如圖中所示的斷流閥、水分離 器、壓力調(diào)節(jié)器及旋轉(zhuǎn)閥等等，因此，它使得系統(tǒng)重量減少效果十分 明顯。該系統(tǒng)最終尺寸為0.66X0.46X0.26m，系統(tǒng)總重量為27.4kg， 而估算，具有同樣輸出的兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)總重量將達(dá)36.3 38.1kg。
然而，就利頓公司所設(shè)計(jì)的綜合系統(tǒng)而言，它還存在著如下不足 第一，利頓公司所提出的系統(tǒng)還僅僅只是綜合了機(jī)載制氧、制氮系統(tǒng)， 而不是耦合。因此，它雖然可以通過共用一些部件來降低系統(tǒng)總重量， 但它還不能有效地降低對飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣量的要求。第二，該 系統(tǒng)均采用分子篩變壓吸附空氣分離方法，雖然該方法也具有壽命 長、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但是與當(dāng)前的中空纖維膜分離制氮方法比較，它 還存在著引氣量及環(huán)境和介質(zhì)溫度對分子篩組件性能影響較大、工作 可靠性較低等缺陷。因此，可以說，雖然美英等航空大國已經(jīng)對機(jī)載 制氧、制氮系統(tǒng)及技術(shù)開展了大量有價(jià)值的研究工作，且部分研究成 果也成功地應(yīng)用到了有關(guān)飛機(jī)機(jī)型上，但真正意義上的耦合系統(tǒng)還未 見報(bào)道。從可查閱的資料來看，它還僅僅處于將機(jī)載制氧、制氮系統(tǒng) 綜合的水平上，還沒有達(dá)到充分利用制氮(制氧)系統(tǒng)的排放氣體， 實(shí)現(xiàn)制氧、制氮系統(tǒng)耦合，減少飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣量及進(jìn)一步降 低系統(tǒng)重量的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的飛機(jī)機(jī)載制氧、制氮綜合系統(tǒng)不能有效地減少發(fā) 動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣量，系統(tǒng)復(fù)雜，工作可靠性低等不足，本發(fā)明提供一 種新型機(jī)載制氧、制氮耦合系統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)充分應(yīng)用了最新的機(jī)載 制氮技術(shù)研究成果，它不僅具有美國利頓公司綜合系統(tǒng)所具有的一切
優(yōu)點(diǎn)，而且還獨(dú)具特色，更好地符合了機(jī)載制氧、制氮系統(tǒng)的發(fā)展方 向，且無任何運(yùn)動(dòng)部件，簡單可靠。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是以分子篩變壓吸附 空氣分離系統(tǒng)作為機(jī)載制氧、中空纖維膜空氣分離系統(tǒng)作為機(jī)載制氮 方式，并充分利用制氧、制氮方式對壓力的不同要求，應(yīng)用引射器， 將膜制氮系統(tǒng)的排放氣體全部或部分予以回收。
本發(fā)明的工作原理及流程是在圖3中來自發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的引氣
(8)在通過冷卻、穩(wěn)流、穩(wěn)壓等技術(shù)措施后，進(jìn)入分配器(1);在 分配器(1)中，來流被分為兩路， 一路通過膜分離制氮系統(tǒng)(7)， 制取富氮?dú)怏w，富氮?dú)怏w通入飛機(jī)油箱(6)，進(jìn)行惰性化保護(hù)；另 一路作為引射器(2)的工作氣流，用以引射膜分離裝置中排放廢氣
(富氧氣體)；混合氣體流入分子篩制氧系統(tǒng)(3);流出分子篩的 廢氣(4)直接排放大氣；富氧氣體流入座艙或駕駛艙，作為氧氣輸 出(5)，供機(jī)組人員呼吸所用。
本發(fā)明的有益效果是減少對發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣量的需求；系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡單、且無任何運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行可靠，體積小，重量輕，符合機(jī) 載設(shè)備的要求。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖l是利頓公司機(jī)載制氧、制氮耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖l中l(wèi).引氣2.斷流閥3.溫度開關(guān)4.水分離器5.排水6.調(diào)壓
器7.電動(dòng)機(jī)8.旋轉(zhuǎn)閥9.氧氣床IO.定徑孔ll.增壓室12.氧氣輸出
13.氮?dú)廨敵?4.單向閥15.氮?dú)獯?6.排氣17.通風(fēng) 圖2是利頓公司申請歐洲專利所用的原理圖。 圖2中l(wèi).引氣2.換熱器3.過濾水分離器4.機(jī)載制氮系統(tǒng)
5.油箱6.排氣7.流量控制器8.應(yīng)急氧氣9.呼吸罩IO.機(jī)載制
氧系統(tǒng)
圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。
圖3中l(wèi).分配器2.引射器3.分子篩制氧系統(tǒng)4.廢氣5.氧氣 輸出6.油箱7.膜分離制氮系統(tǒng)8.引氣
圖4是應(yīng)用本發(fā)明對某直升飛機(jī)的設(shè)計(jì)原理圖。
圖4中l(wèi).分配器2.引射器3.分子篩制氧系統(tǒng)4.廢氣5.氧氣 輸出6.油箱7.膜分離制氮系統(tǒng)8.引氣
應(yīng)用本發(fā)明對某直升飛機(jī)的具體實(shí)施實(shí)例如下
在圖4中，來自發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)壓力為0.4 1.3MPa的引氣(8)，在 通過冷卻、穩(wěn)流、降壓等措施后，進(jìn)入分配器(1)。在分配器(1) 中，來流被分為兩路， 一路通過膜分離制氮系統(tǒng)(7)，進(jìn)行空氣分離， 并將所制取的富氮?dú)怏w通入油箱(6)，進(jìn)行燃油洗滌及惰性化保護(hù)； 另一路作為引射器(2)的工作氣流，用以引射膜分離制氮系統(tǒng)(7) 所排放的廢氣，即富氧氣體(此時(shí)，富氧氣體壓力大約為 0.047 0.1MPa)。富氧氣體與工作氣流經(jīng)過混合后，流入分子篩制氧 系統(tǒng)(3)，用于制取富氧氣體，所制取的富氧氣體作為氧氣輸出(5) 供座艙或駕駛艙使用，廢氣(4)直接排放大氣。
權(quán)利要求
1. 一種新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，主要由制氧系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)組成，其特征是以分子篩變壓吸附作為機(jī)載制氧、中空纖維膜分離作為機(jī)載制氮方式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特征 是應(yīng)用引射器(2)，將制氧系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)耦合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特征是應(yīng)用分配器(1)，對來流進(jìn)行分配。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特征 是流出分配器(1)的來流被分為兩路， 一路通過膜分離制氮系統(tǒng)(7),制取富氮?dú)怏w，另一路作為引射器(2)的工作氣流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特征 是引氣在分配器的分配比例依據(jù)飛機(jī)油箱大小和機(jī)組人員數(shù)量確 定。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特征 是利用引射器(2)將膜分離制氮系統(tǒng)(7)排放的富氧氣體通過引 射進(jìn)行全部或部分回收。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特征 是通過膜分離制氮系統(tǒng)(7)所制取的富氮?dú)怏w直接通入飛機(jī)油箱(6)，進(jìn)行油箱洗滌和惰性化保護(hù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特征 是流入分子篩制氧系統(tǒng)(3)的氣體為通過分配器(1)的部分來流 氣體和膜分離制氮系統(tǒng)(7)的排放氣體的混合氣體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特征 是流出分子篩制氧系統(tǒng)(3)的富氧氣體通入座艙或駕駛艙，供人 員呼吸所用。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特 征是流出分子篩制氧系統(tǒng)的廢氣(4)直接排放大氣。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特 征是流入分配器(1)的引氣(8)，來自飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)引氣或 來自飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，其特 征是流入分配器(1)的引氣(8)，具有合適的溫度、壓力。
全文摘要
一種新型機(jī)載制氧-制氮耦合系統(tǒng)，它主要由分子篩變壓吸附制氧系統(tǒng)、中空纖維膜分離制氮系統(tǒng)及其它附件組成。該系統(tǒng)充分利用了制氧、制氮方式對入口氣流壓力的不同要求，應(yīng)用引射器，將全部或部分制氮系統(tǒng)排放氣體予以回收。該系統(tǒng)可有效地減少對發(fā)動(dòng)機(jī)引氣量的需求；且結(jié)構(gòu)簡單、無任何運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕。它符合未來航空附件的發(fā)展方向，及對機(jī)載設(shè)備的要求。
文檔編號C01B13/02GK101376493SQ200810156438
公開日2009年3月4日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者劉衛(wèi)華, 劉小芳, 汪明明 申請人:南京航空航天大學(xué)