具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

航空业约占交通运输业碳排放总量的11％，目前航空业的碳排放主要来自航空燃油的燃烧。例如，2019年航空公司燃油消耗3689万吨，折算碳排放1.16亿吨，占到行业排放总量的97％。如何降低飞机燃油消耗、提高燃油利用效率，已成为航空业实现“碳达峰、碳中和”发展目标必须解决的难题。

此外，目前飞机座舱的制冷和加温功能通过两个独立系统实现，不能共享一套空气管路，系统集成度相对较低，使得系统的体积和重量变大，燃油代偿损失也增大，因此如果开发新的制冷和加温系统，需要了解飞机现有的主要制冷方式，即空气循环制冷系统(Air Cycle System，ACS)和蒸发循环制冷系统(Vapor Cycle System，VCS)。随着机载电子设备增多、热负荷增大及乘员对舒适度要求的提高，ACS已经逐步难以满足冷却需求，VCS的高效制冷能力得以显现。与此同时，相比于ACS，VCS具有性能系数(COP)高、无发动机引气和代偿损失小等显著优点。但是，目前机载VCS均是仅有制冷功能的单制式系统。如果可以将其改造为同时具有制冷和加温功能的双制式系统，则有望解决上述难题。然而，双制式VCS以加温即制热模式运行时，对环境温度有着一定的要求，当环境温度较低时，系统的COP很低，且只能从环境空气中提取少量热量用于座舱加温，甚至不能从环境空气中提取到热量。如果有一种热源，其温度在飞机运行的各种环境下均较高，那么双制式VCS将能在制热模式下为座舱提供源源不断的热空气，实现对座舱的可靠加温。可以利用飞机上用于发动机齿轮箱和液压系统润滑的滑油、雷达等高功率电子设备以及发动机排放尾气等。滑油作为这些热源中的一种，具有热量较大且温度较高的优点，且对飞机的改动更小、利用效率也更高。目前，飞机的滑油系统(Lubricating Oil System，LOS)和VCS是独立的子系统，两者的性能研究也往往是单独分析，耦合研究相对较少。但事实上，两者在热量和能量的需求和使用上紧密关联。因而，继续进行单独分析已经不符合飞行器综合热管理的设计思路，不利于能量的高效利用和机载系统的综合优化。LOS的主要功能是对发动机主减速器内运动部件进行润滑，并对轴承、运动副摩擦生热以及经过传导和热辐射从发动机而来的热量进行转移，保持减速器和发动机温度均在工作允许范围之内。从传统的角度看，滑油是一种载冷剂，其吸收的热量应该是需排出飞机的废热，而从飞行器综合热管理的设计角度出发，由于滑油温度高、热量大，以其为双制VCS加温座舱的热源，不仅可以耦合LOS和VCS，还可以解决座舱加温的难题。

因此，本发明基于双碳目标和飞行器综合热管理的设计思想，提出了一种新型飞机座舱加温系统，耦合关联了机载双制VCS和LOS，VCS从LOS提取热量，通过热泵循环提取滑油余热传递给座舱空气，可避免从发动机引气的条件下，实现对座舱的高效加温，可以高效回收滑油废热、降低飞机座舱加温系统的燃油消耗和碳排放，显著降低了飞机的燃油消耗。

如图1所示，上部分旧方案为原有的座舱加温过程，从图1可以看出原有的座舱加温主要依赖于从飞机发动机的引气，导致发动机推力损失，继而造成飞机燃油代偿损失增大，产生更多的碳排放，下图虚线处的新方案为本发明提供的飞机座舱加温系统的工作过程，如图1所示，本发明的飞机座舱1加温系统包括：滑油系统LOS和蒸发循环制冷系统VCS；所述蒸发循环制冷系统包括：热交换器2和冷媒-滑油换热器3；所述热交换器2设置在座舱1内；所述热交换器2的入口与所述冷媒-滑油换热器3的冷媒出口连通；所述冷媒-滑油换热器3的冷媒入口与所述热交换器2的出口连通，所述冷媒-滑油换热器3的进油口与所述滑油系统的出油口连通；所述滑油系统的进油口与所述冷媒-滑油换热器3的出油口连通，当所述座舱1需要升温时，所述滑油系统内的高温滑油进入所述冷媒-滑油换热器3，冷媒在所述冷媒-滑油换热器3内与所述高温滑油产生热交换形成高温冷媒；所述高温冷媒进入热交换器2内将热量传递给所述座舱1使所述座舱1升温，热交换后的滑油进入滑油系统。

作为一种可选的实施方式，所述蒸发循环制冷系统还包括：压缩机5，所述压缩机5的入口与所述冷媒-滑油换热器3的冷媒出口连通，所述热交换器2的入口与所述压缩机5的出口连通。在压缩机5的推动下，实现压缩、冷凝(放热)、膨胀和蒸发(吸热)的热泵循环。

作为一种可选的实施方式，所述蒸发循环制冷系统还包括：蒸发器4，所述蒸发器4的冷媒入口与所述热交换器2的出口连通，所述蒸发器4的冷媒出口与所述冷媒-滑油换热器3的冷媒入口连通。

作为一种可选的实施方式，所述蒸发循环制冷系统还包括：膨胀阀6；所述蒸发器4的冷媒入口与所述热交换器2的出口通过所述膨胀阀6连通。

作为一种可选的实施方式，所述滑油系统包括：滑油箱8和发动机齿轮箱10；所述冷媒-滑油换热器3的进油口与所述发动机齿轮箱10的出油口连通，所述发动机齿轮箱10的进油口与所述滑油箱8的出油口连通，所述滑油箱8的进油口与所述冷媒-滑油换热器3的出油口连通。

作为一种可选的实施方式，所述滑油系统还包括：滑油散热器7；所述滑油散热器7的进油口与所述发动机齿轮箱10的出油口连通；所述滑油散热器7的出油口分别与所述滑油箱8的进油口和所述冷媒-滑油换热器3的进油口连通，当座舱1需要降温时，滑油不会在流入VCS，此时发动机齿轮箱10将滑油加热后，需要经过滑油散热器7冷却再流回油箱。

作为一种可选的实施方式，所述滑油系统还包括：滑油泵9；所述滑油散热器7的出油口通过所述滑油泵9与所述滑油箱8的进油口连通，在滑油泵9的推动下，被发动机齿轮箱10加温后进入滑油散热器7被冷却，随后部分滑油在冷媒-滑油换热器3中被进一步冷却，将热量传递给VCS。

作为一种可选的实施方式，所述滑油系统还包括：旁通阀11；所述冷媒-滑油换热器3的进油口与所述发动机齿轮箱10的出油口通过所述旁通阀11连通，当座舱1需要升温时将旁通阀11打开让高温滑油流入VCS，此时VCS中的热交换器2为冷凝器，实现能量从滑油到冷媒的转移，最后通过冷凝器将热量传递至座舱1空气，实现座舱1加温，当座舱1需要降温时关闭旁通阀11，使得滑油不能流入VCS，冷媒流入热交换器2，对座舱1进行降温，此时的热交换器2为蒸发器。

作为一种可选的实施方式，所述蒸发循环制冷系统还包括：空气加热器；所述空气加热器的进气端与舱外连通；所述空气加热器的出气端与所述蒸发器4的进气端相连；所述蒸发器4的出气端与舱外连通。

为验证上述实施例提出的飞机座舱加温系统(LOSVCS)的性能，本发明实施例构建了LOSVCS地面模拟实验系统。

如图2所示，LOSVCS地面模拟实验系统主要由环境模拟系统(ESS)、VCS、LOS和数据采集与控制系统(DACS)组成。

ESS主要由环境模拟舱和座舱1组成。环境模拟舱可以提供设定温度和压力下的大气环境，环境模拟舱与座舱1中设置有多个温度和压力测量点进行实时监测。

LOSVCS地面模拟实验系统的LOS主要由滑油箱8、滑油泵9、滑油流量计13、加热器15(因为做实验的时候不可能直接用发动机，所以只能用加热器15加热滑油模拟实际情况，实际应用中是用滑油冷却齿轮箱)组成，并通过冷媒-滑油换热器3与VCS耦合。当LOS工作时，滑油从油箱内泵出，经加热器15加热至指定温度，最后进入冷媒-滑油换热器3将热量传递冷媒。当LOS不工作时，滑油和冷媒之间无热量交换。

LOSVCS地面模拟实验系统VCS主要由压缩机5、热交换器2、冷媒流量计14、毛细管12和蒸发器4组成。热交换器2设置在座舱1内，其余设备均设置在环境模拟舱内。当VCS处于热泵模式时，热交换器2为冷凝器，两相制冷剂(冷媒)通过蒸发器4和冷媒-滑油换热器3，从空气或滑油中吸收热量变成气态，然后通过压缩机5变成高温高压气体，最后通过冷凝器将热量(从热源吸收的热量和压缩机5做功)传递给座舱1内空气。当VCS处于制冷模式时，LOS关闭，双模VCS与单模VCS相同，与制热模式相反，此时座舱1内的冷凝器变成了蒸发器4，吸收座舱1空气热量，然后通过排出舱外。

DACS主要由温度传感器T、压力传感器P、滑油流量计13、冷媒流量计14、数据采集模块等组成。使用温度传感T、压力传感器P测量压缩机进口和出口、热交换器2出口、蒸发器4进口、冷媒-滑油换热器3冷媒进口以及环境模拟舱和座舱的温度和压力，使用温度传感器T测量冷媒-滑油换热器3滑油进口和出口、滑油箱8的温度，使用滑油流量计13和冷媒流量计14测量冷媒和滑油的流量。

LOSVCS的冷媒回路的热力过程如图3所示，A到B、B到C、C到D、D到A分别对应冷媒的压缩、冷凝、节流和蒸发过程。制冷剂在状态点2a、2b和4a的热力学状态分别为饱和蒸汽、饱和液体和饱和蒸汽。

本发明的技术效果

(1)基于双碳目标设计，无需从发动机引气，减少了发动机的功率损失，减少了飞行中的燃油消耗，从而降低了碳排放。

(2)引入了飞行器综合热管理的设计理念，进一步提高了飞机系统的能量利用效率，同样有利于减少碳排放。

(3)将VCS和LOS耦合关联，回收滑油热量用于座舱加温，性能实验和热力学分析表明LOSVCS可行、可靠、高效且节能。

(4)由于本发明提出的新型飞机座舱加温系统高效节能、无需从发动机引气，因而估算至少可以减少5％的燃油消耗。

(5)本发明还可以考虑对飞机上的其他热源进行余热回收，如电子设备的废热和发动机尾气等。

(6)也可以探究回收热量的其他利用方式，如用于座舱玻璃的加温和防冰除雾以及废水管路的加温防冻等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。