JP3563442B2 - 飛行機、特に旅客機の機内においてエネルギーを回収するための設備 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、飛行機の機内においてエネルギーを回収するための設備であって、この設備が、機室排気流が流れていてかつ一方では飛行機内の予圧室と、他方では飛行機周域と結合されている機室排気導管を備え、分与空気導管を介して空調設備と結合されている駆動機構側の分与空気取り出し部を備えており、この場合分与空気が空調設備内での更なる利用に適しており、機室排気導管と分与空気導管との間に、機室排気流が熱交換器内に流入する以前に低い温度を、そして分与空気が高い温度を有するように設けられており、これにより分与空気を空調設備内に流入する以前に冷却する熱交換器を備えており、そして少なくとも一つの消費部が接続されているエネルギー転換ユニットを備えている、様式の飛行機、特に旅客機の機内においてエネルギーを回収するための設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許４，４１９，９２６号からこのようなシステムが知られている。このシステムにあっては、機室排気は排気タービンとして形成されているエネルギー転換ユニット内に放出される。排気タービン内に放出された機室排気は熱交換装置内で、圧縮された新鮮空気（予圧空気）を冷却するのに使用される。新鮮空気はこの予加熱の空調設備において使用される。熱交換装置から流出する加熱された機室空気は利用されることなく飛行機周域に放出される。
米国特許２，７７７，３０１号から他の空調システムが知られており、この空調システムにあっては熱交換器により機室排気の「予加熱」が行われる。空気の主たる加熱は燃焼室内において推進燃料の燃焼によって達せられる。従って、電気ゼネレータ或いは圧縮される新鮮空気が使用されるコンプレッサーを駆動させるには、付加的なエネルギー供給が必要である。
更に、米国特許３，３６９，７７７号から、機室排気を同様に排気タービン内に放出し、回収されたエネルギーをフアンを作動させるのに使用し、このフアンは循環空気として機室壁を冷却するための循環空気系により駆動機構を冷却するのに使用される。その後、放出された機室排気は冷却媒体として熱交換器を流過し、この熱交換器は機室排気が飛行機周域内に流出する以前に温度低下体としての循環空気系のために働く。しかし、機室排気の流量エネルギーがほんの僅かに過ぎないので、相応して排気タービンの効率は低い。 また、飛行機製造者にとって、予圧室を出た後機室排気と称される予圧室内の空気と飛行機の周辺空気間の存在している圧力差が飛行の間エネルギー回収のために使用されることは公知の技術である。例えばドイツ連邦共和国特許第３８ ０１ ０４２号公報から、旅客機において機室から流出する空気の圧力ポテンシャルを客室空調−空気準備装置のための冷却された空気を得るための膨張タービン或いはコンプレッサを駆動するために使用することが知られている。
【０００３】
更に、例えばヨーロッパ特許第０ ０３５ ９０９号公報から、ジェットエンジン分与空気−以下に分与空気(Zapfluft)と称する−をジェットエンジン側の分与空気取出し部から分与空気導管を経て導き、空調設備に供給し、空調設備を作動させるためのエネルギー源および吸気源として役立てることが知られている。ジェットエンジンから来る分与空気は高い温度を有しているので、分与空気を予冷却するのは一般的なことであり、この予冷却は熱交換器によって行われ、この際熱交換器を一方では分与空気流が、他方では冷却空気流が流過する。冷却空気流としては機室排気および／またはラムエアの使用が提案されており、このラムエアは分与空気から放出されたエネルギーを吸収する。ここで述べている冷却空気は冷却空気流内に存在している熱エネルギーが予め利用されることなく排出管を経て飛行機周域に放出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような点から、本発明の根底をなす課題は、冒頭に記載した様式の装置にあって、高い熱エネルギーを有する機室排気流を飛行機周域に流出する以前に利用可能であるようにし、かつこれに伴い飛行機の全体的な効率を改善することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は本発明により、エネルギーに富む機室排気流を造るために、熱交器内にこの機室排気流のエネルギーを高めるための分与空気の排熱が生成されるように構成されていること、および熱交換器からの出口後方においてエネルギー転換ユニットが、エネルギーに富む機室排気流を利用可能にする機室排気導管の途上に設けられており、かつこの機室排気導管と結合されていることによって解決される。
【０００６】
この場合、分与空気から機室排気に放出される熱エネルギーが利用可能となり、かつ使用されずに周域に放出されることがない。利用されないエネルギーは技術的な作業を行うかめに、或いは推進力を得るために利用される。
【０００７】
更に、ジェットエンジン或いは補助ジェットエンジンから出る分与空気を熱交換器内において冷却することにより利用することと相まって空調設備の冷却器が除荷される。分与空気の温度はこれが空調設備の冷却器内への流入口において低減される。このことは、空調設備の冷却効率の増大に寄与する。
【０００８】
ジェットエンジンにおいてジェットエンジン分与空気を予冷却する必要がある場合も分与空気取出し部は予冷却装置と、そしてこの予冷却装置は分与空気導管を介して空調設備と結合されている。
【０００９】
排気空気導管および分与空気導管間に熱交換器を適切に設けることにより分与空気の上記の予冷却が少なくとも最低限にとどめられる。
被駆動部にあって機械的な軸出力に使用されかつエネルギー調製のため少なくとも一つの機械が接続れている排気タービンとしてエネルギー転換ユニットを構成することにより、必要に応じて外部の、即ちこの装置の外側に存在している消費部に電気的、空圧的或いは機械的なエネルギーを供給することが可能である。
【００１０】
排気タービンの被駆動において使用される機械的な軸出力は、本発明による他の構成において、分与空気の圧力ポテンシャルを増大するためにこの分与空気を圧縮するためのコンプレッサにより利用可能となり、この際排気タービンの被駆動部に接続されているコンプレッサはその入口においてジェットエンジン側の分与空気取出し部と結合されていて、その出口において分与空気導管と結合されている。これにより、ジェットエンジンにおける必要とする分与空気の取出し圧力が低減され、ジェットエンジンの効率の改善をももたらす。
【００１１】
排気タービンの被駆動において使用される機械的な軸出力は、本発明による他の構成において、外気を圧縮するためのコンプレッサにより利用可能となり、この際、排気タービンの被駆動部に接続されているコンプレッサはその入口において外気導管を介して飛行機周域と結合されており、その出口において接続導管を介して分与空気導管と結合されている。圧縮された外気は分与空気と混合され、混合空気として空調設備に供給される。ジェットエンジンにおける必要な分与空気の取出し量は低減される。このことはジェットエンジンの燃料の消費量の低減を意味する。何故なら、コンプレッサの作業が僅かであり、従ってジェットエンジンの効率に対して良い影響を与えるからである。
【００１２】
エネルギー転換ユニットを本質的に、同時に消費部でありかつ機室排気と飛行機周域との間の圧力差を推進力に転換する推進ノズルとして形成することにより、機室排気のエネルギーの増大が推進力の増大に転換可能である。
【００１３】
エネルギー転換ユニットと消費部の他の構成はノズル機構を備えた自体公知の機室−流出口として構成可能である。
言うに添付した図面に図示した実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００１４】
【実施例】
図１には飛行機の機室におけるエネルギー回収のための装置１の第一の実施例が概略示されている。エネルギー転換ユニット８は機室排気導管２と結合されており、ジェットエンジン１０から来る分与空気１１を空調設備１２において利用するための分与空気取出し部１０ａは分与空気導管３を介して空調設備１２と結合されている。エネルギー転換ユニット８内への流入口の手前の領域内の機室排気導管２と分与空気導管３との間には、その間の適当な位置に熱交換器４が設けられている。
【００１５】
この本発明による構成は本質的に図１〜図４による実施例においてほぼ同じ方法で構成されている。
エネルギー転換ユニット８は、本発明による装置１の第一の実施例にあっては、本質的に技術的な作業を準備するためのものである。この技術的な作業は予圧室(Druckrumpf)６から導出される機室排気５の圧力とこの機室排気５が放圧されることによる飛行の間の飛行機周域７の空気圧との間に存在している差圧の利用の下に排気タービン８ａにより行われる。排気タービン８ａを駆動させるのに使用される機械的な軸出力は機械９、例えばジェネレータ或いは送風機のような機械９のための駆動部として使用可能である。従って消費部のため、この機械的な軸出力は、エネルギー転換のための通常の公知の手段により電気的な、空圧による或いは機械的なエネルギーへ転換可能でありかつそれらに供給可能である。
【００１６】
有利な方法により、機室排気導管２と分与空気導管３とは熱交換器４を介して互いに連結されており、この熱交換器内において分与空気１１と機室排気５は互いに並流し、従って分与空気１１の存在する熱エネルギーの少なくとも一部分が吸引され、機室排気５に移行される。これにより、機室排気５の温度と技術的な作業の利得が増大する。同時に、熱交換器４内において分与空気１１が冷却されることにより、ジェットエンジン１０における分与空気１１の予冷却が不必要となる。他の利点は、空調設備１２の図示していない冷却器内への流入口における分与空気１１の温度の低減により装置の除荷が行われることにより得られる。これは空調設備の冷却効率の増大を意味する。
【００１７】
図２には飛行機の機室におけるエネルギー回収のための装置１の第二の実施例が概略示されている。この装置にあっては、機室排気導管２と分与空気導管３との間に熱交換器４が設けられている。ジェットエンジン側の分与空気取出し部１０ａは予冷却装置１０ｂと結合されており、この予冷却装置１０ｂは分与空気導管３を介して空調設備１２と結合されている。
【００１８】
この実施例−エネルギー転換ユニット８が同時に消費部９でもある本質的に推進ノズル１３から成る−においては、分与空気１１からの機室排気５への熱エネルギーの放出は機室排気５の容量流を増大させ、その際機室排気５と飛行機周域７間の温度差は付加的な送り力(Schub) として利用される。機室排気５のエネルギーの増大により推進力(Vortrieb)の増大を達することが可能である。分与空気の予冷却装置１０ｂはジェットエンジン１０から分与空気取出し部１０ａを介して取出される分与空気１１を冷却するのに役立ち、この分与空気は次いで分与空気導管３を介して飛行機の空調設備１２に供給される。分与空気１１は通常の様式でジェットエンジン１０の予冷却装置１０ｂと空調設備の図面に図示していない冷却器とにより必要な温度に冷却される。熱交換器４を適切に使用することにより分与空気１１の予冷却装置１０ｂが除荷される。排気導管２と分与空気導管３との間に熱交換器４を適切に設けることにより、分与空気１１のこの予冷却は少なくとも最低限にとどめられるか、或いは全く行わなくもよい。
【００１９】
図３には本発明による装置１の第三の実施例が示されている。図１に図示した本質的な本発明の特徴以外に、分与空気導管３内にはコンプレッサ１４が設けられており、この際排気タービン８ａの被駆動部に結合されているコンプレッサ１４はその入口においてジェットエンジン側の分与空気取出し部と特に予冷却装置１０ｂを介して結合されており、その出口においては分与空気導管３と結合されている。
【００２０】
この第三の実施例にあっては、排気タービン８ａにおいて得られる機械的な軸出力は外部の、即ち装置１の外側に存在している消費部のためではなく、分与空気１１の圧力ポテンシャルを増大させるためのコンプレッサ１４を介して利用される。従って、分与空気取出し部１０ａにおける必要な分与空気１１の取出し圧が低減される。これによりジェットエンジンの効率の改善が達せられる。例えば、ジェットエンジンの燃料消費量が低減される。何故ならジェットエンジン１０の必要とする圧縮作業が低減するからである。
【００２１】
本発明による装置１の第四の実施例を図４に概略示した。図１に図示した本質的な本発明の特徴以外の他の特徴はコンプレッサ１４であり、このコンプレッサは排気タービン８ａの被駆動部に結合されており、この排気タービンはその入口において飛行機周域７と外気導管１７を介して結合されていてかつその出口においては接続導管１８を介して分与空気導管３と結合されている。
【００２２】
即ち、この第四の実施例にあっては、排気タービン８ａにおいて得られる機械的な軸出力は外部の、即ち装置１の外側に存在している消費部のためではなく、特に多段のコンプレッサ１４を介して転換される。このコンプレッサ１４は周辺空気１５を圧縮し、この周辺空気は分与空気１１と混合され、混合空気１６として空調設備１２に供給される。分与空気取出し部１０ａにおいて必要な分与空気１１の取出し量は低減され、これによりジェットエンジンの燃料消費量が低減される。何故ならコンプレッサの仕事が僅かで済み、従ってジェットエンジンの効率に有利な影響が与えられるからである。
【００２３】
【発明の効果】
本発明により、高い熱エネルギーを有する機室排気流を飛行機周域に流出する以前に利用可能であり、かつこれに伴い飛行機の全体的な効率が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】飛行機の機室におけるエネルギーを回収するための装置の第一の実施例の図である。
【図２】飛行機の機室におけるエネルギーを回収するための装置の第二の実施例の図である。
【図３】飛行機の機室におけるエネルギーを回収するための装置の第三の実施例の図である。
【図４】飛行機の機室におけるエネルギーを回収するための装置の第四の実施例の図である。
【符号の説明】
１ 本発明による飛行機の機室におけるエネルギーを回収するための装置
２ 機室排気導管
３ 分与空気導管
４ 熱交換器
５ 機室排気流
６ 予圧室
７ 飛行機周域
８ エネルギー転換ユニット
８ａ 排気タービン
９ 消費部
１０ ジェットエンジン
１０ａ 分与空気取出し部
１０ｂ 予冷却装置
１１ ジェットエンジン分与空気
１２ 空調設備
１３ 推進ノズル
１４ コンプレッサ
１５ 飛行中に飛行周域から取出される周域空気
１６ ジェットエンジン分与空気と外気との混合空気
１７ 外気導管
１８ 接続導管

Claims (6)

1. 飛行機の機内においてエネルギーを回収するための設備であって、この設備が、
   機室排気流（５）が流れていてかつ一方では飛行機内の予圧室（６）と、他方では飛行機周域（７）と結合されている機室排気導管（２）を備え、
   分与空気導管（３）を介して空調設備（１２）と結合されている駆動機構側の分与空気取出し部（１０ａ）を備えており、
   この場合分与空気（１１）が空調設備（１２）内での更なる利用に適しており、
   機室排気導管（２）と分与空気導管（３）との間に、機室排気流（５）が熱交換器（４）内に流入する以前に低い温度を、そして分与空気（１１）が高い温度を有するように設けられており、これにより分与空気（１１）を空調設備（１２）内に流入する以前に冷却する熱交換器を備えており、
   そして
   少なくとも一つの消費部（９，１３，１４）が接続されているエネルギー転換ユニット（８）を備えている
   様式のものにあって、
   エネルギーに富む機室排気流（５）を造るために、熱交換器（４）内にこの機室排気流（５）のエネルギーを高めるための分与空気（１１）の排熱が生成されるように構成されていること、
   および
   熱交換器（４）からの出口後方においてエネルギー転換ユニット（８）が、エネルギーに富む機室排気流（５）を利用可能にする機室排気導管（２）の途上に設けられており、かつこの機室排気導管（２）と結合されていることを特徴とする飛行機の機内においてエネルギーを回収するための設備。
2. エネルギー転換ユニット（８）が本質的に機室排気流（５）により駆動される排気タービン（８ａ）として形成されており、このタービンが被駆動部において機械的な軸出力として使用されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の設備。
3. 消費部が外部消費部のためのエネルギーを得るための機械（９）として形成されていることを特徴とする請求項１或いは２に記載の設備。
4. 消費部がジェットエンジン分与空気（１１）を圧縮するためのコンプレッサ（１４）として形成されており、この際このコンプレッサ（１４）がその入口部においてエンジン側の分与空気取出し部（１０ａ）と、その出口側において分与空気導管（３）と結合されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の設備。
5. 消費部が周辺空気（１５）を圧縮するためのコンプレッサ（１４）として形成されており、この際このコンプレッサ（１４）がその入口部において排気導管（１７）を介して飛行機周域（７）と気取出し部（１０ａ）と、その出口側において接続導管（１８）を介して分与空気導管（３）と結合されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の設備。
6. エネルギー転換ユニット（８）と消費部（９）とが一つのユニットを形成し、本質的に少なくとも一つの推進ノズル（１３）或いは噴射作用を行う少なくとも一つの機室出口とから成り、この機室出口内において飛行中の機室排気流（５）と飛行機周域（７）間の圧力差が推進力に転換可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の設備。

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