JP2006231974A

JP2006231974A - 航空機の空気調和装置

Info

Publication number: JP2006231974A
Application number: JP2005045945A
Authority: JP
Inventors: Koichi Obara; 孝一小原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】
高高度飛行において機内乗客乗員に必要な規定の新鮮空気を確保することを可能にし、しかも低い周囲圧力を与圧に必要な圧力まで圧縮するための動力が小さくてすむ航空機の空気調和装置を提供する。
【解決手段】
供給空気圧力を一定に保つ調圧弁１と、高温高圧の空気をラム空気と熱交換し空気温度を下げる一次熱交換器２と、供給空気流量を定める流量制御弁３と、圧縮機４ＡＣと電動機４ＡＭとタービン４ＡＴとが軸４ＡＳで直結され一体で回転させ、空気を断熱圧縮させた後二次熱交換器５でラム空気と熱交換させ、タービン４ＡＴで断熱膨張させるとともに、圧縮機４ＢＣと電動機４ＢＭとタービン４ＢＴとが軸４ＢＳで直結され一体で回転される。【選択図】図１

Description

本発明は航空機機内に与圧用空気を供給し機内の冷暖房をおこなうと同時に、機内乗客乗員に必要な規定の新鮮空気を供給する航空機の空気調和装置に関するものである。

航空機の空気調和装置は、高い信頼性と飛行安全性が求められており、そのために低温および高温の熱源で空気調和用の空気を冷却または加温し所望の空気を得る方法ではなく、機外から取り込んだ空気をエンジン直結の多段圧縮機の高圧段で圧縮昇温した高温高圧の空気（以下「エンジン抽気」という）や、補助動力装置（以下「ＡＰＵ」と略称する）で圧縮昇温された高温高圧の空気を供給空気として直接利用し、この高温高圧の空気を機外の低温低圧の周辺空気であるラム空気と熱交換器を介して接触冷却し所望の空気を得るシンプルかつ信頼性の高いエアーサイクル方式が広く採用されている。

しかしながらエンジン抽気は飛行条件、気象条件により温度、圧力が大きく変わるのでそのままでは空気調和用空気として利用することはできない。更に高高度を飛行する航空機の機外周囲圧力は低く、機内乗客乗員に必要な規定の新鮮空気を取り入れるために多大のエネルギーを必要とする。従って航空機の空気調和装置は地上の空気調和装置とは異なったシステムが採用されている。

従来におけるエアーサイクル方式の航空機空気調和装置は図３に示すとおりである。すなわち飛行条件にかかわらず供給空気圧力を一定に保つ調圧弁１と、高温高圧の空気をラム空気と熱交換し空気温度を下げる一次熱交換器２と、供給空気流量を定める流量制御弁３と、圧縮機４Ｃとタービン４Ｔとが軸４Ｓで直結され一体で回転され、空気を断熱圧縮させた後二次熱交換器５でラム空気と熱交換させ、タービン４Ｔで断熱膨張させ更に温度を低下させるエアーサイクルマシン（以下「ＡＣＭ」という）４と、タービン出口温度を一定に保つ流量制御弁７と、空気中の水分を除去させる水分離器１１と、空気温度を調整する流量制御弁２１と、温度調整用の高温空気を供給する高温空気ライン１９と防曇防氷系統への高温中圧空気を遮断する遮断弁１６と、これらを結びつける金属配管から構成されている。

以上の構成であるから航空機の空気調和装置はあらゆる飛行条件、気象条件のもとで所望の空気を作り出すことができる。すなわちエンジン抽気又はＡＰＵからの高温高圧の空気は、調圧弁１により減圧され飛行条件、気象条件にかかわらずほぼ周囲大気圧力との一定差圧力になるよう制御される。この調圧弁１を出た高温中圧の空気は一次熱交換器２に入り、低温低圧のラム空気と一次熱交換され温度が低減される。しかしながら一次熱交換器２のみでは空調に必要な十分なる低温空気を生成することはできない。一次熱交換器２を出た空気は流量制御弁３に供給される。

流量制御弁３は一定流量の空気を供給するべく制御し、こうして制御された空気がＡＣＭ４を構成する圧縮機４Ｃに供給される。そして圧縮機４Ｃで断熱圧縮され、温度および圧力を高めて二次熱交換器５に入る。圧縮機４Ｃで昇温昇圧させるのは効率よくラム空気と熱交換させ空調に必要な低温空気を作り出すためである。空気は、二次熱交換器５でラム空気と熱交換され温度を減じ、ＡＣＭ４を構成するタービン４Ｔを駆動する。タービン４Ｔを駆動する際の断熱膨張仕事により空気はエネルギーを失い空気温度は０℃近くまで低下する。タービン駆動軸力は軸４Ｓを介して直接圧縮機４Ｃに伝達され、その軸力は先に説明した空気の断熱圧縮に用いられる。

ＡＣＭ４を出た低温低圧の空気は水分離器１１に入り、遠心力で空気中に含まれる水分を凝縮除去される。タービン４Ｔの出口空気温度が低く、空気中の水分が水分離器１１の内部にあるコンデンサーバック内で氷結の恐れがあるときには、流量制御弁７を開き、高温空気を供給し適正温度に維持される。水分離器１１の出口からの低温低圧の空気は流量制御弁２１からの高温空気と混合され、所望の空気温度に制御されて与圧室に導かれ、与圧制御弁１２を経て電子機器室又は機外に排出される。遮断弁１６は防曇防氷系統に必要な高温中圧空気を供給する。このようにエアーサイクル方式による航空機空気調和装置は、機外から取り込んだ空気をエンジン抽気又はＡＰＵを利用して直接空気として使用するため、換気に必要な新鮮空気を同時に取り込むことができ、装置をシンプルに構成できベーパサイクル方式に比して信頼性と飛行安全性に優れている。
特開２００２−２５９６号公報（図１〜図２）

しかしながら、上記従来技術の構成ではあらゆる飛行条件のもとで機内乗客乗員に必要な規定の新鮮空気を確保することが困難で、特に高高度飛行に際しては低い周囲圧力を与圧に必要な圧力まで圧縮するための動力が膨大である。たとえば現在地上で広く普及しているベーパ方式の空調を航空機に適用する場合、消費電力は膨大で大型機の場合には発電機を大型化することにより対応できる可能性はあるが、小型機では発電機が機体規模に比して著しく大きくなり対応することが困難である。さらに空気源をエンジン抽気又はＡＰＵによる高温高圧空気を利用する場合、低い機外圧力を与圧に必要な所望の圧力まで圧縮するための高圧縮比の圧縮機が必要である。

本発明は上記課題を解決するために、機外から取り入れ高温高圧にした供給空気をラム空気と熱交換し空気温度を下げて圧縮機に導いて断熱圧縮させた後再び熱交換させ、さらに前記圧縮機に軸を介して直結されたタービンで断熱膨張させ温度をさらに低下させる、エアーサイクルマシンを備えた航空機の空気調和装置において、前記圧縮機とタービンとを直結する軸上に電動機を組み込み、空気力と電力を協働できるように構成したものである。

さらに本発明はラム空気を圧縮機で断熱圧縮させた後、機外から取り入れ高温高圧にした供給空気に合流させ与圧室に導くように構成した航空機の空調を行う装置において、圧縮機と直結されたタービンに前記与圧室の空気を供給するよう構成し、ラム空気取り込みに必要な動力を与圧室空気からの回収エネルギーから得るようにしたものである。

さらに本発明は圧縮機とタービンとを直結する軸上に電動機を組み込んだエアーサイクルマシンによって空気を流動させるようにした航空機の空調を行う装置において、前記エアーサイクルマシンを２個並列に設置するとともに、機外から取り入れ高温高圧にした供給空気とラム空気とを両エアーサイクルマシンに供給する供給系を設け、供給空気とラム空気を断熱圧縮させることを可能にしたものである。

空気調和装置の動力源としてエンジン抽気またはＡＰＵからの空気力と電力を協働させることにより、あらゆる飛行条件のもとで機内乗客乗員に必要な規定の新鮮空気を取り込むことができ、エンジン抽気またはＡＰＵの動力消費を低減することができる。またの動力源としてエンジン抽気またはＡＰＵからの空気力と電力を協働させることにより、空気調和装置として必要な電動機を機体規模に合わせて比較的容易に設定することができる。更にラム空気を排気タービンの圧縮機とＡＣＭの圧縮機の二段で所用圧力まで圧縮するため、高圧縮比の圧縮機を必要とせず、幅広い飛行条件での空気調和装置に対応することができる。

本発明の特徴は第１に機外から取り込んだエンジン抽気又はＡＰＵからの高温高圧空気を空気とし、圧縮機とタービンを直結する軸上に電動機を組み込み、これを２台配置しエアーサイクルマシンを構成する点である。第２に与圧室の空気が有する熱、ポテンシャルエネルギーをタービンにより動力回収し、タービンと軸で直結されている圧縮機によりラム空気を取り込み、エアーサイクルマシンの双方又は片方の圧縮機により所望の圧力まで高めることである。このようにして空気調和装置の動力源として空気力と電力を協働させ、さらに飛行条件に応じて空気調和装置の動力源を空気のみ又は空気力と電力の協働を適宜切替え、空気調和装置の動力消費を最小化することを可能にしたものである。エンジン抽気またはＡＰＵからの空気のみでは機内乗客乗員に必要な規定の新鮮空気を取り込むことが困難なときには、ラム空気を取り込み二段圧縮機で昇圧させ使用しエンジン抽気又はＡＰＵからの高温高圧空気の消費を最小とする。

本発明が提供する第１の実施例の高効率ハイブリッド空気調和装置の概要は図１に示すとおりである。前述した図３と同じものには同じ番号を付してある。供給空気Ａと与圧室Ｂとの間を空気調和部Ｃを介して接続したもので、この空気調和部ＣはＡＣＭ４を主体とし、ＡＣＭ４の入口Ｃ１１には供給空気Ａを導入する抽気ライン１８が接続され、ＡＣＭ４の出口Ｃ２１とＡＣＭ４の入口Ｃ１２とは高温空気ライン１９により連通され、ＡＣＭ４の他の出口Ｔ２１、Ｔ２２と与圧室Ｂとは与圧供給ライン２０により連通されている。

抽気ライン１８には調圧弁１と一次熱交換器２と流量制御弁３が配置されており、高温空気ライン１９には二次熱交換器５と流量制御弁６が配置されている。又抽気ライン１８は調圧弁１の下流で分岐し、遮断弁１６を介して防曇防氷系統へ連通されている。与圧供給ライン２０にはファン８とタービン１０とが軸９で直結され一体で回転するタービン１０と水分離器１１が配置されている。

以上の構成において、本実施例はＡＣＭ４が圧縮機４ＡＣとタービン４ＡＴとを直結する軸４ＡＳに、この軸４ＡＳを回転駆動できる電動機４ＡＭからなるエアーサイクルマシンと、圧縮機４ＢＣとタービン４ＢＴとを直結する軸４ＢＳに、この軸４ＢＳを回転駆動できる電動機４ＢＭからなるエアーサイクルマシンを２個並列に配置され、更に圧縮機１４Ｃとタービン１４Ｔとが軸１４Ｓで直結され一体で回転する排気タービン機構１４を設け、タービン１４Ｔの入口に与圧室Ｂの空気を逆止弁１３を経て導き、タービン１４Ｔの出口から熱交換器１７を経て機外に排出するよう接続されている。圧縮機１４Ｃの入口にはラム空気が導入され、出口は逆止弁１５を介してＡＣＭ４の入口Ｃ１１に連通されている。

次に本空気調和装置の作動について説明する。本空気調和装置はノーマルモードおよびラムモードの二種類の制御方式によりあらゆる飛行条件、気象条件のもとで所望の空気を生成することができる。すなわちノーマルモードにおいては図１に示すようにエンジン抽気又はＡＰＵからの高温高圧の供給空気Ａは、調圧弁１により減圧され飛行条件、気象条件にかかわらずほぼ周囲大気圧力との一定差圧力になるよう制御される。この調圧弁１を出た高温中圧の空気は一次熱交換器２に入り、低温低圧のラム空気と一次熱交換され温度が低減される。

流量制御弁３はほぼ一定流量の空気を供給するべく制御し、こうして制御された空気がＡＣＭ４を構成する圧縮機４ＡＣに供給される。そして圧縮機４ＡＣで断熱圧縮され、温度および圧力を高めて二次熱交換器５に入る。圧縮機４ＡＣで昇温昇圧させるのは効率よくラム空気と熱交換させ空調に必要な低温空気を作り出すためである。供給空気Ａは、二次熱交換器５でラム空気と熱交換され温度を減じ、ＡＣＭ４を構成するタービン４ＡＴを駆動する。タービン４ＡＴを駆動する際の断熱膨張仕事によりエネルギーを失い空気温度は５℃近くまで低下する。タービン駆動軸力は軸４ＡＳを介して直接圧縮機４ＡＣに伝達され、その軸力は先に説明した空調用空気の断熱圧縮に用いられる。タービン４ＡＴへの供給空気量は流量制御弁６により制御される。

ＡＣＭ４を出た低温低圧の空気はタービン１０を駆動し更に温度を減じて水分離器１１に入る。タービン１０の駆動軸力は軸９を介して直接ファン８に伝達され、ファン８によりラム空気が吸引される。水分離器１１は遠心力で空気中に含まれる水分を凝縮除去する。タービン１０の出口空気温度が低く空気中の水分が水分離器１１の内部にあるコンデンサーバック内で氷結する恐れがあるときには、流量制御弁７を開きタービン４ＡＴの出口空気を供給し適正温度に維持される。水分離器１１の出口からの低温低圧の空気は二次熱交換器５の出口の中温中圧空気と混合され、所望の空気温度に制御されて与圧室Ｂに導かれ、与圧制御弁１２を経て電子機器室又は機外に直接排出される。

飛行高度が高く又は飛行条件により高温高圧の空気が十分確保できないとき、本システムはラムモードで作動する。図２に示す通り高温高圧の空気は、調圧弁１により減圧されほぼ周囲大気圧力との一定差圧力になるよう制御される。この調圧弁１を出た高温中圧の空気と排気タービン機構１４を構成する圧縮機１４Ｃにより断熱圧縮され、温度および圧力を高められたラム空気を逆止弁１５を経てＡＣＭ４の入口Ｃ１１で合流させ、ＡＣＭ４を構成する２つの圧縮機４ＡＣおよび４ＢＣにより断熱圧縮させて昇温、昇圧させたのち二次熱交換器５に供給される。タービン４ＢＴの駆動軸力が軸４ＢＳを介して直接圧縮機４ＢＣに伝達され機構は、前述のタービン４ＡＴの駆動軸力が軸４ＡＳを介して直接圧縮機４ＡＣに伝達され機構と同じである。

排気タービン機構１４は、圧縮機１４Ｃとタービン１４Ｔが軸１４Ｓとで直結され一体で回転する。タービン１４Ｔの駆動は逆止弁１３を経て取り入れられた与圧室空気により行い、タービン１４Ｔの駆動軸力は軸１４Ｓを介して直接圧縮機１４Ｃに伝達され、タービン１４Ｔの断熱膨張により得られた冷熱は熱交換器１７により回収され機外に放出される。

二次熱交換器５を出た空調空気の流れはノーマルモードにほぼ同じである。高高度飛行又は低速度飛行等飛行条件により高温高圧の空気の有するエネルギーで圧縮機４ＡＣおよび４ＢＣの駆動力が得られないときには、圧縮機４ＡＣおよび４ＢＣに直結している電動機４ＡＭおよび４ＢＭを駆動し動力の不足を補う。また防曇防氷系統への高温空気が画必要なときには遮断弁１６を開にして高温の空気を供給する。ファン８、軸９、タービン１０を取り除きＡＣＭ４のタービン４ＡＴおよび４ＢＴの出口を直接水分離器１１の入口に接続させてもよい。

本発明は、高高度飛行をする小型機のエアーサイクル方式の空気調和装置に利用することができる。

本発明における航空機の空気調和装置のシステム系統図で、ノーマルモードにおける主要空気流動系を示す図である。本発明における航空機の空気調和装置のシステム系統図で、ラムモードにおける主要空気流動系を示す図である。従来より採用されている航空機の空気調和装置の全体を示す系統図である。

符号の説明

Ａ供給空気
Ｂ与圧室
Ｃ空気調和部
１調圧弁
２一次熱交換器
３流量制御弁
４ＡＣＭ
４Ｃ、４ＡＣ、４ＢＣ、１４Ｃ圧縮機
４Ｔ、４ＡＴ、４ＢＴ、１４Ｔタービン
４Ｓ、４ＡＳ、４ＢＳ、１４Ｓ軸
４ＡＭ、４ＢＭ電動機
５二次熱交換器
６、７流量制御弁
８ファン
９軸
１０タービン
１１水分離器
１２与圧制御弁
１３逆止弁
１４排気タービン機構
１５逆止弁
１６遮断弁
１７熱交換器
１８抽気ライン
１９高温空気ライン
２０与圧供給ライン
２１流量制御弁

Claims

機外から取り入れ高温高圧にした供給空気をラム空気と熱交換し空気温度を下げて圧縮機に導いて断熱圧縮させた後再び熱交換させ、さらに前記圧縮機に軸を介して直結されたタービンで断熱膨張させて温度を低下させるエアーサイクルマシンを備え、温度を低下させた空気を空調に利用するようにした航空機の空調を行う装置において、前記圧縮機とタービンとを直結する軸にこの軸を回転駆動できる電動機を設置したことを特徴とする航空機の空気調和装置。
ラム空気を圧縮機で断熱圧縮させた後、機外から取り入れ高温高圧にした供給空気に合流させ与圧室に導くように構成した航空機の空調を行う装置において、圧縮機と直結されたタービンに前記与圧室の空気を供給する供給系を設け、ラム空気取り込みに必要な動力を与圧室空気からの回収エネルギーから得るよう構成したことを特徴とする航空機の空気調和装置。
圧縮機とタービンとを直結する軸上に電動機を組み込んだエアーサイクルマシンによって空気を流動させるようにした航空機の空調を行う装置において、前記エアーサイクルマシンを２個並列に設置するとともに、機外から取り入れ高温高圧にした供給空気とラム空気とを両エアーサイクルマシンに供給する供給系を設け、供給空気とラム空気を断熱圧縮させることを特徴とする航空機の空気調和装置。