综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统及工作方法

摘要

本发明公开了一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统及工作方法，属于飞行器机载机电系统领域，本发明利用升压式系统中的压气机提升两组制冷包冷却涡轮和中空纤维膜制氮装置入口压力、逆升压式系统中的压气机提升机载制氮系统中排放的富氧气体压力，以增加进入座舱调制气体的氧分压。本发明采用耦合设计方法充分回收利用了机载制氮燃油箱惰化系统中排放的富氧气体，有效提高了座舱氧分压，不仅增强了乘员舒适性，降低了高空缺氧给乘客带来的不良反应；而且充分利用了座舱和设备舱的压力差，使得系统能量利用率高，且结构简单，易于调节和控制、具有高的可靠性和可实现性。

权利要求

1.一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统，其特征在于，所述的系统包括发动机（1）、第一换热器（13）、第二换热器（16）、第三换热器（46）；所述的发动机（1）后分别设置第一单向活门（3）、以及高压引气关断活门（4）、风扇空气调节活门（2）来分别控制中压引气、高压引气、发动机风扇提供的引气；

所述的第一单向活门（3）后连接预冷器（5），所述的预冷器（5）包含热侧通道和冷侧通道，所述的第一单向活门（3）与预冷器（5）热侧通道入口管道连接；所述预冷器（5）热测通道出口后依次连接于关断活门（6）、压力调节器（7）、流量控制活门（12）；所述的预冷器（5）冷侧通道连接于风扇空气调节活门（2），发动机风扇提供的引气通过风扇空气调节活门（2）和预冷器（5）冷侧通道入口管道连接；

所述的流量控制活门（12）出口后依次连接第一换热器（13）、第一压气机（14）、第二换热器（16），所述的第一换热器（13）、第二换热器（16）均包含热侧通道和冷侧通道，具体的，所述的流量控制活门（12）出口与第一换热器（13）热侧通道入口管道连接；所述的第一换热器（13）出口与第一压气机（14）入口管道连接；所述的第一压气机（14）出口与第二换热器（16）热侧通道入口管道连接；第一换热器（13）、第二换热器（16）冷侧通道入口和出口均与外界空气连接；

所述的第二换热器（16）的热侧通道出口依次连接第一温度控制活门（17）、回热器（18）、冷凝器（19）、水分离器（20），且连接于第一温度控制活门（17）、回热器（18）、冷凝器（19）的热侧通道；

所述的水分离器（20）的出口经四通阀（21）分为三路；第一路依次与回热器（18）的冷侧通道、第一冷却涡轮（22）、冷凝器（19）的冷侧通道、第三单向活门（23）和混合室（24）管道连接；第二路与第二冷却涡轮（33）、第二温度控制活门（34）、电子设备舱（35）依次通过管道相连；第三路经过滤器（36）、油雾分离器（37）与中空纤维膜分离器（38）管道连接；所述的水分离器（20）还设置液态水出口，所述的液态水出口通过管道喷淋至第三换热器（46）冷侧通道入口；

所述的混合室（24）的出口依次设置最低温度限制器（25），第一温度传感器（26），最高温度限制器（27），第一压力传感器（28）、座舱（29）；所述的座舱（29）的回风通道出口通过再循环空气过滤器（30）、第四单向活门（31）、座舱空气再循环风扇（32）与混合室（24）的回风通道入口管道连接；

所述的中空纤维膜分离器（38）富氧气体出口经第二压气机（45）、第三换热器（46）和混合室（24）管道连接；

所述的中空纤维膜分离器（38）富氮气体出口经第二压力传感器（39）、第二温度传感器（40）、电动阀（41）、第一火焰抑制器（42）和燃油箱（43）管道连接；所述的燃油箱（43）废气出口与第二火焰抑制器（44）管道相连，排出机外；

所述的系统通过自动控制器（47）控制，所述的自动控制器（47）的电流输入端分别和第一温度传感器（26），最低温度限制器（25），最高温度限制器（27），第一压力传感器（28），第二压力传感器（39），第二温度传感器（40），氧浓度传感器（48）电气相连；所述氧浓度传感器（48）的探头伸入所述燃油箱（43）内，用于检测燃油箱（43）内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器（47）；所述自动控制器（47）的电流输出端分别和压力调节器（7），四通阀（21），第一温度控制活门（17），第二温度控制活门（34），电动阀（41）电气相连。

2.根据权利要求1所述的一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统，其特征在于，所述的压力调节器（7）、流量控制活门（12）之间设置辅助动力装置（8）；所述的辅助动力装置（8）依次经过APU供气关断活门（9）、第二单向活门（10）、隔离活门（11）与流量控制活门（12）管道连接。

3.根据权利要求1所述的一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统，其特征在于，所述的第一压气机（14）、第一冷却涡轮（22）通过轴相连接，所述的第一压气机（14）另一端连接于风扇（15）；所述的第一冷却涡轮（22）膨胀作功，驱动同轴的风扇（15）、第一压气机（14）工作；所述风扇（15）设置在第一换热器（13）、第二换热器（16）、第三换热器（46）冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于驱动冲压空气冷气流；所述第二冷却涡轮（33）通过轴连接于第二压气机（45），第二冷却涡轮（33）膨胀做功，驱动同轴的第二压气机（45）工作。

4.一种如权利要求1所述的综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统的工作方法，其特征在于，系统工作方法包括引气输送和制冷过程、机载制氮与燃油箱惰化过程、数据采集与控制过程。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，所述的工作方法中的引气输送和制冷过程具体为：

发动机（1）中压引气经第一单向活门（3）进入预冷器（5）热侧通道入口，高压引气经高压引气关断活门（4）控制；当中压压气机压力不能满足系统要求时，高压引气关断活门（4）自动打开，高压引气也进入到预冷器（5）；从发动机压气机引出的高温高压空气经预冷器（5）冷却，冷却空气是从发动机风扇引来的空气；预冷器（5）冷却空气进口管道上的风扇空气调节活门（2）用来控制预冷器（5）引气出口温度；经过预冷器（5）冷却的引气依次经过关断活门（6），压力调节器（7），流量控制活门（12）；

当地面发动机（1）不工作时，使用辅助动力装置（8）供气，依次经过APU供气关断活门（9），第二单向活门（10），隔离活门（11），流量控制活门（12）；经过流量控制活门（12）的引气通入第一换热器（13）降温，降温后的发动机引气通过第一压气机（14）进一步提升压力；经过第一压气机（14）增压升温后的高温高压气体经过第二换热器（16）进一步冷却；经第二换热器（16）冷却后的气体通过第一温度控制活门（17）、回热器（18）热侧通道进入冷凝器（19）热侧通道入口，在冷凝器（19）中利用第一冷却涡轮（22）出口的冷空气冷却后，通过水分离器（20）排除凝结水；从水分离器（20）中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器（16）冷侧通道冲压空气进口，通过蒸发冷却冲压空气；

水分离器（20）除水后的气体经过四通阀（21）分为三路，第一路经过回热器（18）的冷侧通道、第一冷却涡轮（22）、冷凝器（19）的冷侧通道、第三单向活门（23）进入混合室（24）；第二路经过第二冷却涡轮（33）、第二温度控制活门（34）进入电子设备舱（35）；第三路经过滤器（36）、油雾分离器（37）进入机载制氮燃油箱惰化系统；

座舱（29）的部分回风经过再循环空气过滤器（30），第四单向活门（31），座舱空气再循环风扇（32）也进入混合室（24），由混合室（24）排出的调制气体经过最低温度限制器（25），第一温度传感器（26），最高温度限制器（27），第一压力传感器（28）后供入座舱（29）。

6.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，所述的工作方法中的机载制氮与燃油箱惰化过程具体为：

由水分离器（20）除水后的发动机引气经四通阀（21）分为三路，其中，第三路经过滤器（36）、油雾分离器（37）通入中空纤维膜分离器（38）；

所述中空纤维膜分离器（38）的富氧气体通过第二压气机（45）、第三换热器（46）通入混合室（24）；所述中空纤维膜分离器（38）的富氮气体通过第二压力传感器（39），第二温度传感器（40），电动阀（41），第一火焰抑制器（42）与燃油箱（43）管道连接，在惰化燃油箱后通过第二火焰抑制器（44）排出机外。

7.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，所述的工作方法中的数据采集与控制过程具体为：

氧浓度传感器（48）检测燃油箱（43）内气体的氧浓度，并将信号传递给所述自动控制器（47），当氧浓度高于/低于预设氧浓度时，所述自动控制器（47）调节四通阀（21）和电动阀（41）开度，通过改变富氮气体流量来实现油箱内氧浓度的有效控制；

最低温度限制器（25），第一温度传感器（26），最高温度限制器（27）测得进入座舱（29）气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器（47）；当温度高于/低于预设温度时，所述自动控制器（47）输出控制信号调节第一温度控制活门（17）的开度；

第二温度传感器（40）测得进入燃油箱（43）富氮气体的温度，并将信号传输给所述自动控制器（47）；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器（47）输出控制信号调节第二温度控制活门（34）开度；

第二压力传感器（39）测得进入燃油箱（43）前的气体压力，第一压力传感器（28）测得进入座舱（29）前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器（47）；当压力高于/低于预设压力，所述自动控制器（47）输出控制信号调节压力调节器（7）开度。

说明书

综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统及工作方法

技术领域

[0001] 本发明属于飞行器机载机电系统领域，尤其涉及一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统及工作方法。

背景技术

[0002] 高空飞行中，飞机舱室环境控制十分关键，它保障了乘员的生理安全需要和设备舱冷却负荷要求，但其引气量大小直接影响着飞机燃油代偿损失和运行的经济性，因此，在
满足乘员生理安全需要的基础上，降低飞机发动机压气机引气量、提高引气流的能量利用
率是环控系统设计工作重点，然而，当前飞机舱室环境控制系统普遍采用了三轮升压式制
冷包来同时满足座舱和设备舱冷却负荷需要，它并未充分利用座舱和设备舱的压力差，因
此也未充分利用引气流的可用能。

[0003] 为了保障乘员的生命安全，处于高空环境的飞机座舱需要增压，以提高座舱环境中气体的氧分压，保障乘员正常呼吸需要，但座舱增压的同时也带来了座舱内外压差的增
加，它不仅可能导致爆破减压时对乘员产生的更大伤害，而且使得座舱结构强度要求更高，
飞机重量增加；因此，当前在飞机座舱环境控制系统设计中，均是以乘员生理安全极限作为
控制指标，在不导致乘员生理损伤的前提下，尽可能降低座舱内外压差，它直接带来了座舱
氧分压不足、乘员舒适感差、甚至导致疾病产生等一系列问题。当代民机市场的竞争，座舱
舒适性竞争是关键，因此，提高座舱氧分压、给乘客带来更好的乘机感受十分重要。

[0004] 综上所述，如何充分利用座舱和设备舱的压力差，提高引气流的能量利用率；如何提升座舱环境氧分压，满足乘员生理与舒适性要求；是当前环控系统设计需解决的瓶颈问
题。

[0005] 与此同时，飞机燃油箱燃烧爆炸会对飞行安全构成极大威胁，同时伴随着巨大的经济损失及恶劣的社会影响。自有动力飞行以来，油箱燃爆就成为一个与飞机燃油系统设
计和使用相关、反复出现的问题。

[0006] 要抑制飞机燃油系统的燃烧与爆炸，提高飞机的安全性，无疑，可以从控制点火源、氧气浓度、可燃蒸汽浓度和减轻燃油蒸汽点燃影响等方面着手。为此，美国军方及民用
航空业均开展了大量相关研究，美国民航总局（FAA）已颁布了一系列的修正案、咨询通告和
适航规章，强制要求在民用飞机燃油箱内采用有效技术措施以减少点火源（SFAR 88）、降低
可燃蒸气浓度（AC 25.981‑2A）、降低运输类飞机燃油箱可燃性暴露时间（FAR 25.981）。基
于上述适航规章的要求，燃油箱防火抑爆系统设计逐渐步入实用阶段，以为飞机及飞机燃
油系统提供安全保障。

[0007] 大量地面与飞行试验研究和各种防火抑爆技术措施的实际应用结果已表明：机载燃油箱惰化，是保障油箱安全性的一项可行、高效、经济的技术方法。机载燃油箱惰化是指
惰性气体由机载设备产生，并用之充填燃油箱上部气相空间，以保障油箱的安全。随着膜分
离技术的突破，中空纤维膜燃油箱惰化技术已成为当前军机、民机燃油箱惰化的主流技术，
它将引气进行限流、降温、除杂等预处理，再经过中空纤维膜空气分离器进行氧氮分离，形
成高浓度的富氮气体，富氮气体经过分配系统输送至油箱，而分离出来的富氧气体则作为
废气排出机外，它不仅造成了浪费，而且带来了安全隐患。

发明内容

[0008] 本发明针对现有技术中存在的安全隐患、浪费资源等技术缺陷，提供一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统与工作方法，综合利用了飞机座舱与设备舱的不同
压力，将环控与机载制氮燃油箱惰化进行系统级设计耦合，解决了上述的问题。

[0009] 本发明是这样实现的：

[0010] 一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统，所述的系统包括发动机、第一换热器、第二换热器、第三换热器；所述的发动机后分别设置第一单向活门、以及高压引
气关断活门、风扇空气调节活门来分别控制中压引气、高压引气、发动机风扇提供的引气；

[0011] 所述的第一单向活门后连接预冷器，所述的预冷器包含热侧通道和冷侧通道，所述的第一单向活门与预冷器热侧通道入口管道连接；所述预冷器热测通道出口后依次连接
于关断活门、压力调节器、流量控制活门；所述的预冷器冷侧通道连接于风扇空气调节活
门，发动机风扇提供的引气通过风扇空气调节活门和预冷器冷侧通道入口管道连接；

[0012] 所述的流量控制活门出口后依次连接第一换热器、第一压气机、第二换热器，所述的第一换热器、第二换热器均包含热侧通道和冷侧通道，具体的，所述的流量控制活门出口
与第一换热器热侧通道入口管道连接；所述的第一换热器出口与第一压气机入口管道连
接；所述的第一压气机出口与第二换热器热侧通道入口管道连接；第一换热器、第二换热器
冷侧通道入口和出口均与外界空气连接；

[0013] 所述的第二换热器的热侧通道出口依次连接第一温度控制活门、回热器、冷凝器、水分离器，且连接于第一温度控制活门、回热器、冷凝器的热侧通道；

[0014] 所述的水分离器的出口经四通阀分为三路；第一路依次与回热器的冷侧通道、第一冷却涡轮、冷凝器的冷侧通道、第三单向活门和混合室管道连接；第二路与第二冷却涡
轮、第二温度控制活门、电子设备舱依次通过管道相连；第三路经过滤器、油雾分离器与中
空纤维膜分离器管道连接；所述的水分离器还设置液态水出口，所述的液态水出口通过管
道喷淋至第三换热器冷侧通道入口；

[0015] 所述的混合室的出口依次设置最低温度限制器，第一温度传感器，最高温度限制器，第一压力传感器、座舱；所述的座舱的回风通道出口通过再循环空气过滤器、第四单向
活门、座舱空气再循环风扇与混合室的回风通道入口管道连接。

[0016] 进一步，所述的压力调节器、流量控制活门之间设置辅助动力装置；所述的辅助动力装置依次经过APU供气关断活门、第二单向活门、隔离活门与流量控制活门管道连接。

[0017] 进一步，所述的中空纤维膜分离器富氧气体出口经第二压气机、第三换热器和混合室管道连接；

[0018] 所述的中空纤维膜分离器富氮气体出口经第二压力传感器、第二温度传感器、电动阀、第一火焰抑制器和燃油箱管道连接；所述的燃油箱废气出口与第二火焰抑制器管道
相连，排出机外。

[0019] 进一步，所述的第一压气机、第一冷却涡轮通过轴相连接，所述的第一压气机另一端连接于风扇；所述的第一冷却涡轮膨胀作功，驱动同轴的风扇、第一压气机工作；所述风
扇设置在第一换热器、第二换热器、第三换热器冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于驱
动冲压空气冷气流；所述第二冷却涡轮通过轴连接于第二压气机，第二冷却涡轮膨胀做功，
驱动同轴的第二压气机工作。

[0020] 进一步，所述的系统通过自动控制器控制，所述的自动控制器的电流输入端分别和第一温度传感器，最低温度限制器，最高温度限制器，第一压力传感器，第二压力传感器，
第二温度传感器，氧浓度传感器电气相连；所述氧浓度传感器的探头伸入所述燃油箱内，用
于检测燃油箱内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器；所述自动控制器的电流输
出端分别和压力调节器，四通阀，第一温度控制活门，第二温度控制活门，电动阀电气相连。

[0021] 本发明还公开了一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统的工作方法，其特征在于，所述的工作方法包括引气输送和制冷过程、机载制氮与燃油箱惰化过程、数据
采集与控制过程。

[0022] 进一步，所述的工作方法中的引气输送和制冷过程具体为：

[0023] 发动机中压引气经第一单向活门进入预冷器热侧通道入口，高压引气经高压引气关断活门控制；当中压压气机压力不能满足系统要求时，高压引气关断活门自动打开，高压
引气也进入到预冷器；从发动机压气机引出的高温高压空气经预冷器冷却，冷却空气是从
发动机风扇引来的空气；预冷器冷却空气进口管道上的风扇空气调节活门用来控制预冷器
引气出口温度；经过预冷器冷却的引气依次经过关断活门，压力调节器，流量控制活门；

[0024] 当地面发动机不工作时，使用辅助动力装置供气，依次经过APU供气关断活门，第二单向活门，隔离活门，流量控制活门；经过流量控制活门的引气通入第一换热器降温，降
温后的发动机引气通过第一压气机进一步提升压力；经过第一压气机增压升温后的高温高
压气体经过第二换热器进一步冷却；经第二换热器冷却后的气体通过第一温度控制活门、
回热器热侧通道进入冷凝器热侧通道入口，在冷凝器中利用第一冷却涡轮出口的冷空气冷
却后，通过水分离器排除凝结水；从水分离器中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器冷侧通
道冲压空气进口，通过蒸发冷却冲压空气；

[0025] 水分离器除水后的气体经过四通阀分为三路，第一路经过回热器的冷侧通道、第一冷却涡轮、冷凝器的冷侧通道、第三单向活门进入混合室；第二路经过第二冷却涡轮、第
二温度控制活门进入电子设备舱；第三路经过滤器、油雾分离器进入机载制氮燃油箱惰化
系统；

[0026] 座舱的部分回风经过再循环空气过滤器，第四单向活门，座舱空气再循环风扇也进入混合室，由混合室排出的调制气体经过最低温度限制器，第一温度传感器，最高温度限
制器，第一压力传感器后供入座舱。

[0027] 进一步，所述的工作方法中的机载制氮与燃油箱惰化过程具体为：

[0028] 由水分离器除水后的发动机引气经四通阀分为三路，其中，第三路经过滤器、油雾分离器通入中空纤维膜分离器；

[0029] 所述中空纤维膜分离器的富氧气体通过第二压气机、第三换热器通入混合室；所述中空纤维膜分离器的富氮气体通过第二压力传感器，第二温度传感器，电动阀，第一火焰
抑制器与燃油箱管道连接，在惰化燃油箱后通过第二火焰抑制器排出机外。

[0030] 进一步，所述的工作方法中的数据采集与控制过程具体为：

[0031] 氧浓度传感器检测燃油箱内气体的氧浓度，并将信号传递给所述自动控制器，当氧浓度高于/低于预设氧浓度时，所述自动控制器调节四通阀和电动阀开度，通过改变富氮
气体流量来实现油箱内氧浓度的有效控制；

[0032] 最低温度限制器，第一温度传感器，最高温度限制器测得进入座舱气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器；当温度高于/低于预设温度时，所述自动控制器输出控制信
号调节第一温度控制活门的开度；

[0033] 第二温度传感器测得进入燃油箱富氮气体的温度，并将信号传输给所述自动控制器；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器输出控制信号调节第二温度控制活门开
度；

[0034] 第二压力传感器测得进入燃油箱前的气体压力，第一压力传感器测得进入座舱前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器；当压力高于/低于预设压力，所述自动控制
器输出控制信号调节压力调节器开度。

[0035] 本发明与现有技术的有益效果在于：

[0036] 本发明综合利用了飞机座舱与设备舱的不同压力，将环控与机载制氮燃油箱惰化进行系统级设计耦合，其中：飞机不同舱室环境冷负荷需求由两组制冷包满足，传统的三轮
升压式空气循环制冷包满足座舱冷负荷需求、逆升压式空气循环制冷包满足电子设备舱冷
负荷需求；利用升压式系统中的压气机提升两组制冷包冷却涡轮和中空纤维膜制氮装置入
口压力、逆升压式系统中的压气机提升机载制氮系统中排放的富氧气体压力，以增加进入
座舱调制气体的氧分压。与现有技术相比，本发明采用耦合设计方法充分回收利用了机载
制氮燃油箱惰化系统中排放的富氧气体，有效提高了座舱氧分压，不仅增强了乘员舒适性，
降低了高空缺氧给乘客带来的不良反应；而且充分利用了座舱和设备舱的压力差，使得系
统能量利用率高，且结构简单，易于调节和控制、具有高的可靠性和可实现性。

附图说明

[0037] 图1为本发明一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统示意图；

[0038] 其中，1‑发动机，2‑风扇空气调节活门，3‑第一单向活门，4‑高压引气关断活门，5‑预冷器，6‑关断活门，7‑压力调节器，8‑辅助动力装置，9‑APU供气关断活门，10‑第二单向活
门，11‑隔离活门，12‑流量控制活门，13‑第一换热器，14‑第一压气机，15‑风扇，16‑第二换
热器，17‑第一温度控制活门，18‑回热器，19‑冷凝器，20‑水分离器，21‑四通阀，22‑第一冷
却涡轮，23‑第三单向活门，24‑混合室，25‑最低温度限制器，26‑第一温度传感器，27‑最高
温度限制器，28‑第一压力传感器，29‑座舱，30‑再循环空气过滤器，31‑第四单向活门，32‑
座舱空气再循环风扇，33‑第二冷却涡轮，34‑第二温度控制活门，35‑电子设备舱，36‑过滤
器，37‑油雾分离器，38‑中空纤维膜分离器，39‑第二压力传感器，40‑第二温度传感器，41‑
电动阀，42‑第一火焰抑制器，43‑燃油箱，44‑第二火焰抑制器，45‑第二压气机，46‑第三换
热器，47‑自动控制器，48‑氧浓度传感器。

具体实施方式

[0039] 为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0040] 如图1所示，本发明一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统，包括发动机1，风扇空气调节活门2，第一单向活门3，高压引气关断活门4，预冷器5，关断活门6，压力
调节器7，辅助动力装置8， APU供气关断活门9，第二单向活门10，隔离活门11，流量控制活
门12，第一换热器13，第一压气机14，风扇15，第二换热器16，第一温度控制活门17，回热器
18，冷凝器19，水分离器20，四通阀21，第一冷却涡轮22，第三单向活门23，混合室24，最低温
度限制器25，第一温度传感器26，最高温度限制器27，第一压力传感器28，座舱29，再循环空
气过滤器30，第四单向活门31，座舱空气再循环风扇32，第二冷却涡轮33，第二温度控制活
门34，电子设备舱35，过滤器36，油雾分离器37，中空纤维膜分离器38，第二压力传感器39，
第二温度传感器40，电动阀41，第一火焰抑制器42，燃油箱43，第二火焰抑制器44，第二压气
机45，第三换热器46，自动控制器47，氧浓度传感器48。

[0041] 所述预冷器5、第一换热器13、第二换热器16、第三换热器46、回热器18、冷凝器19均包含热侧通道和冷侧通道；所述第一换热器13、第二换热器16、第三换热器46冷侧通道入
口和出口均接外界空气；

[0042] 所述风扇15、第一压气机14、第一冷却涡轮22通过轴依次连接；第一冷却涡轮22膨胀作功，驱动同轴的风扇15、第一压气机14工作；所述风扇15设置在第一换热器13、第二换
热器16、第三换热器46冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于驱动冲压空气冷气流；所述
第二冷却涡轮33、第二压气机45通过轴依次连接；第二冷却涡轮33膨胀做功，驱动同轴的第
二压气机45工作；

[0043] 所述发动机1中压引气经第一单向活门3与预冷器5热侧通道入口管道连接，高压引气经高压引气关断活门4与预冷器5热侧通道入口管道连接，发动机风扇提供的引气通过
风扇空气调节活门2和预冷器5冷侧通道入口管道连接，为预冷器5提供冷却空气；所述预冷
器5热测通道出口通过关断活门6，压力调节器7和流量控制活门12管道连接；

[0044] 所述辅助动力装置8经APU供气关断活门9，第二单向活门10，隔离活门11，和流量控制活门12管道连接；

[0045] 所述流量控制活门12出口与第一换热器13热侧通道入口管道连接；所述第一换热器13出口与第一压气机14入口管道连接；

[0046] 所述第一压气机14出口与第二换热器16热侧通道入口管道连接，第二换热器16冷侧通道入口和出口均与外界空气连接；所述第二换热器16热侧通道出口、第一温度控制活
门17、回热器18的热侧通道、冷凝器19的热侧通道、水分离器20的入口通过管道依次相连；
所述水分离器20的出口经四通阀21分为三路，第一路与回热器18的冷侧通道、第一冷却涡
轮22、冷凝器19的冷侧通道、第三单向活门23和混合室24管道连接，第二路与第二冷却涡轮
33、第二温度控制活门34、电子设备舱35依次通过管道相连，第三路经过滤器36、油雾分离
器37与中空纤维膜分离器38管道连接，水分离器20液态水出口通过管道喷淋至第三换热器
46冷侧通道入口；

[0047] 所述混合室24经最低温度限制器25，第一温度传感器26，最高温度限制器27，第一压力传感器28通入座舱29；所述座舱29的回风通道出口通过再循环空气过滤器30、第四单
向活门31、座舱空气再循环风扇32与混合室24的回风通道入口管道连接；

[0048] 所述中空纤维膜分离器38富氧气体出口经第二压气机45、第三换热器46和混合室24管道连接，富氮气体出口经第二压力传感器39、第二温度传感器40、电动阀41、第一火焰
抑制器42和燃油箱43管道连接；所述燃油箱43废气出口与第二火焰抑制器44管道相连，排
出机外；

[0049] 所述自动控制器47的电流输入端分别和第一温度传感器26，最低温度限制器25，最高温度限制器27，第一压力传感器28，第二压力传感器39，第二温度传感器40，氧浓度传
感器48电气相连；所述氧浓度传感器48的探头伸入所述燃油箱43内，用于检测燃油箱43内
气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器47；所述自动控制器47的电流输出端分别和
压力调节器7，四通阀21，第一温度控制活门17，第二温度控制活门34，电动阀41电气相连。

[0050] 本发明还公开了一种综合利用飞机舱室压力的环控与制氮耦合系统的工作方法，具体步骤如下：

[0051] 1）引气输送和制冷过程

[0052] 发动机1中压引气经第一单向活门3进入预冷器5热侧通道入口，高压引气经高压引气关断活门4控制。当中压压气机压力不能满足系统要求时，高压引气关断活门4自动打
开，高压引气也进入到预冷器5。从发动机压气机引出的高温高压空气经预冷器5冷却，冷却
空气是从发动机风扇引来的空气。预冷器5冷却空气进口管道上装有风扇空气调节活门2，
用来控制预冷器5引气出口温度。经过预冷器5冷却的引气依次经过关断活门6，压力调节器
7，流量控制活门12。当地面发动机1不工作时，可以使用辅助动力装置8供气，依次经过APU
供气关断活门9，第二单向活门10，隔离活门11，流量控制活门12。

[0053] 经过流量控制活门12的引气通入第一换热器13降温，降温后的发动机引气通过第一压气机14进一步提升压力。

[0054] 经过第一压气机14增压升温后的高温高压气体经过第二换热器16进一步冷却；经第二换热器16冷却后的气体通过第一温度控制活门17、回热器18热侧通道进入冷凝器19热
侧通道入口，在冷凝器19中利用第一冷却涡轮22出口的冷空气冷却后，通过水分离器20排
除凝结水。回热器18和冷凝器19的作用是进一步降低第一冷却涡轮22入口气体温度，使得
尽可能多的水蒸气凝结为水滴并被分离，提高制冷系统的工作效率。

[0055] 从水分离器20中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器16冷侧通道冲压空气进口，通过蒸发冷却冲压空气，用以提高热交换器的效率。

[0056] 水分离器20除水后的气体经过四通阀21分为三路，第一路经过回热器18的冷侧通道、第一冷却涡轮22、冷凝器19的冷侧通道、第三单向活门23进入混合室24；第二路经过第
二冷却涡轮33、第二温度控制活门34进入电子设备舱35；第三路经过滤器36、油雾分离器37
进入机载制氮燃油箱惰化系统。

[0057] 座舱29的部分回风经过再循环空气过滤器30，第四单向活门31，座舱空气再循环风扇32也进入混合室24。由混合室24排出的调制气体经过最低温度限制器25，第一温度传
感器26，最高温度限制器27，第一压力传感器28后供入座舱29。

[0058] 2）机载制氮与燃油箱惰化过程

[0059] 由水分离器20除水后的发动机引气经四通阀21分为三路，其中，第三路经过滤器36、油雾分离器37通入中空纤维膜分离器38。

[0060] 所述中空纤维膜分离器38的富氧气体通过第二压气机45、第三换热器46通入混合室24；所述中空纤维膜分离器38的富氮气体通过第二压力传感器39，第二温度传感器40，电
动阀41，第一火焰抑制器42与燃油箱43管道连接，在惰化燃油箱后通过第二火焰抑制器44
排出机外；

[0061] 3）数据采集与控制过程

[0062] 氧浓度传感器48检测燃油箱43内气体的氧浓度，并将信号传递给所述自动控制器47，当氧浓度高于/低于预设氧浓度时，所述自动控制器47调节四通阀21和电动阀41开度，
通过改变富氮气体流量来实现油箱内氧浓度的有效控制。

[0063] 最低温度限制器25，第一温度传感器26，最高温度限制器27测得进入座舱29气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器47；当温度高于/低于预设温度时，所述自动控制
器47输出控制信号调节第一温度控制活门17的开度。

[0064] 第二温度传感器40测得进入燃油箱43富氮气体的温度，并将信号传输给所述自动控制器47；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器47输出控制信号调节第二温度控制
活门34开度。

[0065] 第二压力传感器39测得进入燃油箱43前的气体压力，第一压力传感器28测得进入座舱29前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器47；当压力高于/低于预设压力，所
述自动控制器47输出控制信号调节压力调节器7开度。

[0066] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还
应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中
的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0067] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发
明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。