JP2007505787A - 適応可能なラム熱交換器を備えたエアサイクル空気調和 - Google Patents

Abstract

航空機用の空気調和パック１０は、ラム空気ダクト１５に配置された主熱交換器２４および補助熱交換器２６を備える。第３の熱交換器２８は、ラム空気ダクト１５に配置されるとともに、バルブシステム２０により主熱交換器２４および補助熱交換器２６と選択的かつ流体的に接続する。主熱交換器２４、補助熱交換器２６および第３の熱交換器２８の全体の大きさ、つまり組合された大きさは、従来技術の通常の主熱交換器および補助熱交換器の全体の大きさより小さい。熱交換器の組合せは、最悪の状態時に冷却をもたらすように用いられ、該組合せにより、全体の熱交換器構造が有効に用いられ、所望の冷却性能をもたらされる。

Description

本発明は、航空機の空気調和システムの空気調和パックの熱交換器の形態に関する。

本出願は、２００３年９月２２日に出願された米国仮出願第６０／５０４，６７１号に係る優先権の主張を伴うものである。

航空機の空気調和システムパックは、ラム空気冷却された熱交換器を有し、熱交換器により、航空機のキャビンに供給される前に冷却される空気流のためのヒートシンクがもたらされる。通常のパックは、要求されたパック入口圧力まで外気を圧縮することにより生じる熱を除去する主熱交換器を備える。または、パックは、エアサイクルマシン（ＡＣＭ）圧縮機により生じる熱を除去する補助熱交換器を備える。

各熱交換器は、最悪の状態に合わせて大きさが調整される。このような最悪の状態は、空気調和パック作動の大部分の期間、適用されることがない。例えば、主熱交換器は、高高度／巡航状態用に大きさが調整され、補助熱交換器は、暑い日／地上状態用に大きさが調整される。最悪の状態に合わせて熱交換器の大きさを調整することにより、大部分のパック作動状態に必要とされるよりも大きさがかなり大きくなってしまう。その結果、必要以上にスペースを占めるとともに重量が重くなるため、熱交換器構造全体が非効率になってしまう。

したがって、航空機の空気調和システムパックの熱交換器構造を改善することが必要である。

本発明により、ラム空気ダクトに配置された主熱交換器および補助熱交換器を備える航空機用空気調和パックが提供される。第３の熱交換器は、ラム空気ダクトに配置されるとともに、主熱交換器および補助熱交換器に流体的に接続している。バルブシステムにより、制御装置からの指示に応じて、第３の熱交換器は主熱交換器および補助熱交換器の少なくとも一方と選択的かつ流体的に接続する。制御装置は、主熱交換器ないし補助熱交換器が第３の熱交換器からの補足的な冷却をいつ必要であるかを決定する。

バルブシステムにより、例えば、高高度／巡航状態に十分な第１のパック冷却性能をもたらすように第３の熱交換器と主熱交換器が流体的に接続される。また、バルブシステムにより、第１のパック冷却性能と異なる第２のパック冷却性能（例えば、暑い日／地上状態に十分な）をもたらすように第３の熱交換器と補助熱交換器が流体的に接続される。

主要、補助および第３の熱交換器の全体の大きさ、つまり組合せた大きさは、従来技術の主要および補助の熱交換器の全体の大きさよりも小さい。熱交換器の組合せは、最悪の状態時に冷却をもたらすように用いられ、この組合せにより、全熱交換器構造が有効に利用されて所望の冷却性能がもたらされる。

本発明の上記の特徴および他の特徴は、以下の明細書および図面により十分に理解され得る。

図１において、本発明の例示的な空気調和パック１０が概略的に図示されている。パック１０により、分配システム１２に供給される調和空気が生成され、分配システム１２により、空気が航空機のキャビンに供給される。過給器１４により、パック入口に要求される圧力を有する圧縮空気がもたらされる。過給器１４は、航空機がより効果的に作動するように航空機の主エンジンから空気を抽気する代替器として用いられる。

パック１０は、熱交換器１６を通る空気流をもたらすラム空気ダクト１５を備え、空気がパック１０内で調和される際に、熱交換器１６により空気用のヒートシンクがもたらされる。ファン１７により、ダクト１５を通って空気が移動する。ＡＣＭ１８により、調和空気を生成するように流体ラインを通って流れる空気が圧縮され、膨張する。ＡＣＭ１８は、圧縮機４４、第１のタービン４６および第２のタービン４８を備える三輪（ｔｈｒｅｅ ｗｈｅｅｌ）の機械である。ＡＣＭは、従来の型式であり、当業者に周知である。バルブシステム２０は、制御部２３に接続されるとともに、異なった流路を通して所望のように空気流を処理するように選択的にバルブを開閉する。湿度制御システム２２により、パック１０の所望の部分において、空気から湿気が除去される。

相対的に小さい主熱交換器２４は、ラム空気ダクトに配置される。主熱交換器２４は、地上状態または上昇（クライムアウト）状態において、公称の圧縮機出口温度に達するように、必要な熱除去をもたらす大きさに形成される。現在のシステムでは、主熱交換器は、高高度の巡航状態において熱除去をもたらす大きさに形成されており、その大きさは低高度状態に要求される場合と比べてかなり大きく、そのため、非効率である。また、本発明の補助熱交換器２６は、ラム空気ダクト１５に配置されている。補助熱交換器は、巡航状態における大きさに形成される。巡航状態では、パック供給空気の大部分がパック出口に迂回するため、高温側の流れは相対的に少ない。通常、補助熱交換器は、熱い日の地上補助電源装置状態における大きさに形成され、巡航状態において要求される大きさと比べかなり大きい。

本発明の主熱交換器２４および補助熱交換器２６は、従来のシステムと比べて小型化されているため、最悪の冷却状態に対応するように補助的な冷却が必要となる。このため、本発明では、第３の熱交換器２８が用いられる。第３の熱交換器２８は、最悪の状態時に所望の冷却をもたらすように主熱交換器２４あるいは補助熱交換器２６と選択的かつ流体的に接続される。キャビンに所望の冷却性能をもたらすように、主熱交換器２４、補助熱交換器２６および第３の熱交換器２８の種々の組合せまたは形態を用いてもよい。

バルブシステム２０は、第１のバルブ３０を備え、第１のバルブ３０により、主熱交換器２４ないし第３の熱交換器２８と湿度制御システム２２との間に流体流が選択的に許容される。第２のバルブ３２により、主熱交換器２４とパック出口との間に流体流が選択的に許容される。第２のバルブ３２は、通常、ＡＣＭバイパスバルブと呼ばれる。第３のバルブ３４により、補助熱交換器２６と湿気制御システム２２との間に流体流が選択的に許容される。第４のバルブ３６により、補助熱交換器２６と第３の熱交換器２８との間に流体流が選択的に許容される。第５のバルブ３８により、第３の熱交換器２８とパック出口との間に流体流が選択的に許容される。第６のバルブ４０により、第３の熱交換器２８と湿気制御システム２２との間に流体流が選択的に許容される。第７のバルブ４２により、
湿気制御システム２２内の構成部品（例えば、集水器５２とコンデンサ５０との）間に流体流が選択的に許容される。

分配システム１２は、パック出口からの調和空気を受けるとともに、所望のように調和空気を航空機中に分配する。分配システム１２は、キャビンからの再循環空気を受けるとともに、該再循環空気とパックからの調和空気を混合するミキサ５４を備える。ミキサ５４およびパック１０からの空気は、当業者に周知のように、音響処理装置５８，６０を通って移動しシステムを通って流れる調和空気により生じる騒音を減少させる。

図２においては、暑い日／地上状態時のパック１０が概略的に図示されている。図を簡略化するため、制御部２３とバルブとの間の接続部分は省略している。過給器からの圧縮空気は、主熱交換器２４に流入する。第２のバルブ３２は、パック出口における所望の温度の空気をもたらすように開閉される。第１のバルブ３０は、主熱交換器２４からの空気が圧縮機４４に流入するように閉鎖される。圧縮機４４からの圧縮空気は、補助熱交換器２６に流入する。補助熱交換器２６からの空気が第３の熱交換器２８に方向づけられるように、第３のバルブ３４が閉鎖され、第４のバルブ３６が開放される。第３の熱交換器２８からの空気がコンデンサ５０に流入するように、第５のバルブ３８が閉鎖され、第６のバルブ４０が開放される。空気は、コンデンサ５０から集水器５２に流入する。集水器５２からの除湿された空気は、第７のバルブ４２を通り調節され、タービン４６を通って流れるか、あるいはコンデンサ５０に戻るように流れる。コンデンサ５０から、空気は第２のタービン４８に向かって流れ、そこから空気はパック出口を通って流出する。

図３を参照すると、高高度／巡航状態が概略的に図示されている。過給器からの圧縮空気は、主熱交換器２４に流入する。主熱交換器２４からの所望の量の空気は、開放または少なくとも部分的に開放された第２のバルブ３２を通ってパック出口に向かって流れる。主熱交換器２４からの空気は、開放された第１のバルブ３０を通って第３の熱交換器２８に流入する。第５のバルブ３８により、第３の熱交換器２８からパック出口への流体流量が調節される。

また、主熱交換器２４からの圧縮空気の一部は、圧縮機４４に流入する。圧縮機４４からの空気は、補助熱交換器２６に流入する。補助熱交換器２６から湿気制御システム２２に流体が流れるように、第４のバルブ３６が閉鎖され、第３のバルブ３４が開放される。湿気制御システム２２から、第１のタービン４６、次いで第２のタービン４８に流体が流入する。第２のタービン４８からの調和空気は、パック出口から流出する。
本発明の好ましい実施例が開示されたが、当業者であれば、特定の変更形態が本発明の範囲内にあることを理解されるであろう。そのため、本発明の範囲および内容を決定するために、添付の特許請求の範囲を検討されたい。

本発明の空気調和パックの概略図。 暑い日／地上状態時の本発明の空気調和パックの概略図。 高高度／巡航状態時の本発明の空気調和パックの概略図。

Claims (12)

1. 主熱交換器および補助熱交換器と、
   前記主熱交換器および前記補助熱交換器と流体的に接続した第３の熱交換器と、
   制御部からの指示に応じて、前記主熱交換器および前記補助熱交換器の少なくとも一方と前記第３の熱交換器を選択的かつ流体的に接続するバルブシステムと、
   を備え、
   前記バルブシステムが、第１の冷却性能をもたらすように前記第３の熱交換器および前記主熱交換器を流体的に接続するとともに、前記第１の冷却性能と異なった第２の冷却性能をもたらすように前記第３の熱交換器および前記補助熱交換器を流体的に接続することを特徴とする航空機用空気調和パック。
2. 前記熱交換器に流体的に接続されたエアサイクルマシンを備える請求項１に記載の空気調和パック。
3. 前記熱交換器と前記エアサイクルマシンとの間に流体的に接続された湿気制御システムを備える請求項２に記載の空気調和パック。
4. 前記第１の冷却性能が、前記主熱交換器から前記第３の熱交換器に流れる空気により高高度／巡航状態に対応し、前記第２の冷却性能が、前記補助熱交換器から前記第３の熱交換器に流れる空気により暑い日／地上状態に対応することを特徴とする請求項２に記載の空気調和パック。
5. 前記第３の熱交換器内の空気の一部が分配のためパック出口に流れ、前記主熱交換器内の空気の別の一部が前記エアサイクルマシンの圧縮機に流れ、前記圧縮機から前記補助熱交換器に流れ、空気が前記補助熱交換器から湿気制御システムを通って前記エアサイクルマシンの第１のタービンに流れることにより前記第１の冷却性能がもたらされることを特徴とする請求項４に記載の空気調和パック。
6. 空気が前記エアサイクルマシンの前記第１のタービンから前記湿気制御システムを通って前記エアサイクルマシンの第２のタービンに流れ、前記第３の熱交換器からの空気とともに分配のため前記パック出口に流れることにより前記第１の冷却性能がもたらされることを特徴とする請求項５に記載の空気調和パック。
7. 空気が前記主熱交換器から前記エアサイクルマシンの圧縮機を通って前記補助熱交換器に流れることにより前記第２の冷却性能がもたらされることを特徴とする請求項４に記載の空気調和パック。
8. 空気が前記第３の熱交換器から湿気制御システムを通って前記エアサイクルマシンの第１のタービンに流れ、前記第１のタービンから前記湿気制御システムを通って前記エアサイクルマシンの第２のタービンに流れ、分配のため前記パック出口に流れることにより前記第２の冷却性能がもたらされることを特徴とする請求項７に記載の空気調和パック。
9. 前記エアサイクルマシンが、１つの圧縮機および２つのタービンを備える三輪機械であることを特徴とする請求項２に記載の空気調和パック。
10. 前記バルブシステムが、前記主熱交換器と前記第３の熱交換器との間に配置された第１のバルブを備え、前記第１のバルブが、前記第１の冷却性能をもたらす際に、開放位置で、前記主熱交換器と前記第３の熱交換器との間に流体流を許容し、前記第２の冷却をもたらす際に、チェック位置で、前記主熱交換器と前記第３の熱交換器との間において流体流を調節することを特徴とする請求項１に記載の空気調和パック。
11. 前記バルブシステムが、前記補助熱交換器と前記第３の熱交換器との間に配置された第２のバルブを備え、前記第２のバルブが、前記第２の冷却性能をもたらす際に、開放位置で、前記補助熱交換器と前記第３の熱交換器との間に流体流を許容し、前記第１の冷却をもたらす際に、閉鎖位置で、前記補助熱交換器と前記第３の熱交換器との間の流体流を防ぐことを特徴とする請求項１に記載の空気調和パック。
12. 前記熱交換器が、ラム空気ダクトに配置されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和パック。
    

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