JP4144414B2

JP4144414B2 - 航空機用空調システム

Info

Publication number: JP4144414B2
Application number: JP2003107061A
Authority: JP
Inventors: 孝一小原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-04-10
Also published as: JP2004314654A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機用空調システムに係り、特に、キャビンを空調し電子機器などの搭載機器を冷却する空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用空調システムは、機内（キャビン）の冷房、暖房、換気を行うと同時に、与圧用空気を供給するもので、与圧系統と冷暖房系統に大別される。与圧系統のない小型機は、エンジンの排気管の熱や、別に設けたヒータからの熱で機内を暖め、冷房は外気を機内に取入れることによって行われている。一方、与圧室のある大型機は、エンジンの圧縮機からの高温・高圧になった空気の一部を取り出し（これをエンジン・フリード・エアまたは抽気という）、（Ａ）機外の冷気を利用（これをラム・エアという）したり、（Ｂ）冷媒を使用したべ一パサイクル冷却方式を利用したり、（Ｃ）エアサイクル冷却方式を利用したりし、これらの組合せで冷暖房を行っている。旧型の大型機及び現在のタービン・ヘリコプタは、（Ａ）と（Ｂ）の組合せのべ一パサイクル方式を採用し、新型のジェット機は（Ａ）と（Ｃ）の組み合わせのエアサイクル方式を採用し、搭載機器などの冷却には（Ｂ）を組み合わせている。
【０００３】
従来の空調システムは、エアサイクルマシン（以下、ＡＣＭと呼ぶ）として、低圧下で水分を分離する方式（以下、ＬＰＷＳ方式と呼ぶ）が用いられていたが、エンジンからの抽気量が多く、エンジン又はＡＰＵ（補助動力装置で、飛行していない時、ここから抽気している。通常、機体の後方に備えられている）の燃費が悪いため、高圧下で水分を分離する方式（以下、ＨＰＷＳ方式と呼ぶ）が採用されている。ＨＰＷＳ方式は、ＡＣＭ出口温度を氷点下に下げることができるため、従来のＬＰＷＳ方式よりも必要な冷房能力を得るために使う抽気量が少なくてすむので、エンジン又はＡＰＵの燃費が向上する。ＡＣＭ出口空気は直接キャビンヘ供給するには冷えすぎるので、再循環ラインを通って戻ってきたキャビンからの排気の一部と混合し、快適な温度に調整してからキャビンに供給される。さらに、搭載している電子機器等の冷却用に、ＡＣＭだけでは冷房能力が不足する場合は、冷媒等を用いた冷却装置を備えたべ一パサイクルマシン（ＶＣＭと呼ぶ）を設けて冷却を行うようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図２に、従来のＨＰＷＳ方式の空調システムの回路を示す。空調システムは、エンジン１０２で高温・高圧になった空気の一部が、抽気制御用のバルブ１０２ａで調圧されて取出され、コンプレッサ１０１により圧縮され、ラムエア熱交換器１０３におけるラムエアとの熱交換により冷却される。その冷却された抽気がリヒータ１０５における熱交換によりさらに冷却された後に、コンデンサ１０６でその低温側通路を通過する低温空気と熱交換により冷却されることで、その抽気中の水分が露天以下に冷却され、その水分をウォータエクストラクタ１０７において、遠心力を利用して分離される。そして、水分が分離された抽気をリヒータ１０５における水分分離前の抽気の冷却に用いた後、膨張タービン１０８において膨張させることで低温空気とする。この低温空気を上記のコンデンサ１０６の低温側通路を通過させ、エンジン抽気の冷却に用いた後、液冷熱交換器１１２を通過させて航空機のキャビンに送り出している。この液冷熱交換器１１２には、電子機器１１３を冷却する冷媒がポンプ１１４によって循環しており、熱交換が行われる。
なお、エンジン抽気が膨張して膨張タービン１０８を回転させることで、回転軸を介してコンプレッサ１０１の駆動力としても作用している。また、バルブ１０２ｂを設け、エンジン１０２からの抽気を、直接膨張タービン１０８の出口にバイパスして温度コントロールを行うことができる。
【０００５】
上記のように、空調システムは、エンジン１０２から得られる高温高圧空気をＡＣＭのコンプレッサ１０１で圧縮した後、ラムエア熱交換器１０３でその圧縮熱を除去し、その後、膨張タービン１０８での断熱膨張で生成される冷却空気を利用する方式で、通常、空調パック単位で構成され、１パックにはＡＣＭ１台を装備し、必要に応じて、複数パックを装備する。そして、空調システムで生成された冷却空気は空調パックを出た後、配管を通じて供給され、キャビンや電子機器１１３を冷却するのに用いられる。電子機器１１３が液冷の場合、液冷熱交換器１１２を装備し、空調システム下流にて液冷熱交換器１１２を介して冷却液を冷却する。そして、除湿は除湿対象の空気を、コンデンサ１０６を介して、膨張タービン１０８からの冷却空気で冷却し、水分を凝縮させている。
【０００６】
上記のＨＰＷＳ方式によれば、膨張タービン１０８の上流でエンジン抽気の除湿を行うことで、膨張タービン１０８の出口温度をＬＰＷＳ方式よりも下げ、キャビンなどへ供給する空気を低温にできる。その膨張タービン１０８の出口における空気温度を低くすることで、同じ冷房能力を達成するために必要な抽気流量を低減できるので、空調システムを作動させるために必要な燃料の消費量を低減することができる。
【０００７】
しかし、ＨＰＷＳ方式の空調システムにおいて、ウォータエクストラクタ１０７を通過した後の抽気中に残留する水分が、コンデンサ１０６において氷結して抽気流路を塞ぐことにより、十分に低温空気をキャビン等へ供給できなくなることがある。そのため、例えば、高温のエンジン抽気の一部を膨張タービン１０８の下流に、図２に記載されたような、ホットバー１０９をコンデンサ１０６の低温空気流路の入口側に設け、高温のエンジン抽気の一部を通過させることで、熱交換により低温空気の温度を高めることが行われている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−４４４６３号（第１〜６図、第２〜４頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空調システムは以上のように構成され、エンジン抽気を圧縮・膨張することで冷却しており、その冷却能力はＡＣＭへ導入される抽気圧力が高い程、冷却能力が増加するが、エンジン１０２がアイドル状態などで、十分な圧力を供給できない場合は、冷却能力の低下が生じるという問題がある。
また、電子機器２５などを液体の冷媒で冷却する場合、冷媒はＡＣＭで生成された冷却空気と液冷熱交換器１１２を介して冷却されるが、このとき、冷却空気が得る熱エネルギーは単なる温度上昇にしか寄与しないという問題がある。
また、除湿を行うために、タービン１０８で生成された極低温の空気を利用し、コンデンサ１０６を介して除湿対象の空気を冷却するが、この際、コンデンサ１０６での氷結防止策などを付加しなければならないという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、エンジンからの抽気圧力が低くなっても冷却能力を低下させずに、また、搭載機器を冷却するための液冷熱交換器での熱交換を有効に利用し、コンデンサでの氷結防止を行うことができる航空機用空調システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の航空機用空調システムは、下記のように構成したものである。
【００１２】
航空機エンジンの高温・高圧になった空気の一部を抽気し、タービンと同軸上に設けられたコンプレッサで圧縮し、機外のラムエア冷気による熱交換器で冷やし、タービンの断熱膨張によって低温空気を供給する航空機用空調システムであって、抽気中の水分を凝縮させるコンデンサの低温側及び高温側の上流に、一次液冷熱交換器及び二次液冷熱交換器をそれぞれ設け、２つのタービンを直列に設け、１段目のタービンで得られた冷却空気を前記一次液冷熱交換器に導入して前記搭載機器を冷却する液体の冷媒を冷却し、前記二次液冷熱交換器に前記一次液冷熱交換器で冷却された液体の冷媒を導入して前記コンデンサの高温側に導入される空気を冷却し、２段目のタービンで得られた冷却空気でキャビンを空調するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明の航空機用空調システムは、２つのコンプレッサを設け、１段目のコンプレッサで抽気を圧縮して一次熱交換器に送り、その後２段目のコンプレッサで圧縮して２次熱交換器に送り、２段階に抽気を圧縮するものである。
【００１４】
本発明の航空機用空調システムは上記のように構成されており、２つのタービンを直列に設け、１段目のタービンで得られた冷却空気で搭載機器を冷却する液体の冷媒を冷却し、その際に得られる熱エネルギーを２段目のタービンの軸力として回収し、そこで得られた冷却空気でキャビンを空調する。
また、２つのコンプレッサを設け、１段目のコンプレッサで抽気を圧縮して予圧し、一次熱交換器に送り、その後２段目のコンプレッサで圧縮して抽気圧を高め、２次熱交換器に送り、２段階に抽気を圧縮する。これによりエンジンからの抽気圧力が低くなっても冷却能力を低下させることがない。
また、コンデンサの低温側の上流に搭載機器を冷却する一次液冷熱交換器を装備し、１段目のタービンで生成された極低温空気の温度は、コンデンサに流入する前に温度が上昇し、コンデンサで氷結することがない。また、コンデンサの高温側の上流に搭載機器を冷却する二次液冷熱交換器を装備し、抽気を冷却してコンデンサに送る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の航空機用空調システムの一実施例を、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の航空機用空調システムの空調回路を示す図である。本発明の航空機用空調システムは、エンジン１からの高温・高圧の抽気を取り込み圧縮して一次熱交換器４に導入するコンプレッサ２と、ラムエア回路に設けられた一次熱交換器４及び二次熱交換器６と、一次熱交換器４で熱交換された空気を圧縮し二次熱交換器６に導入するコンプレッサ５と、電子機器２５を冷却する液冷ライン２７に設けられたポンプ２６と一次液冷熱交換器２８及び二次液冷熱交換器２９と、二次熱交換器６からの空気を二次液冷熱交換器２９で冷却して高温側回路に導入し、タービン１０で断熱膨張し一次液冷熱交換器２８を冷却した空気を低温側回路に導入し、高温側回路の空気を冷却して水分を凝縮するコンデンサ８と、凝縮した水分を遠心分離して除くウォータエクストラクタ９と、水分が除かれた空気を圧縮し断熱膨張するタービン１０と、コンデンサ８からの低温空気を導入し断熱膨張させてキャビンに低温空気を供給するタービン３とから構成される。
【００１６】
本航空機用空調システムと従来のシステムと異なるところは、従来のシステムは、図２に示すように、１段の膨張タービン１０８の出力をコンデンサ１０６を介して電子機器１１３の冷却用の液冷熱交換器１１２に導入し、その後キャビンへ供給しているが、本システムでは、「エネルギー・リカバリー・ブースト・エアサイクルシステム」を構成し、２台のタービン１０及びタービン３を備え、その間の流路に一次液冷熱交換器２８とコンデンサ８を設け、冷却してこのとき得られる熱エネルギーを２段目のタービン３の軸力として回収し、前段の冷却空気を２段目のタービン３に導入し、断熱膨張した空気をキャビンなどに供給する。そして、２段目のタービン３の動力が同軸上に装備された１段目のコンプレッサ２の動力として利用され、エンジン１から高温・高圧の抽気を効率よく取り入れている。
また、従来のシステムは、図２に示すように、エンジン１０２からのエンジン抽気を、１段のコンプレッサ１０１だけで圧縮してラムエア熱交換器１０３に導入しているが、本システムは２段のコンプレッサ２及びコンプレッサ５で圧縮し、一次熱交換器４及び二次熱交換器６に導入し、エンジン抽気圧力が低下した場合でも、冷房能力を良好にしている。
また、従来のシステムは、図２に示すように、膨張タービン１０８の出力をコンデンサ１０６に導入し、氷結防止のためのホットバー１０９などを設けているが、本システムでは、タービン１０の出力を電子機器２５冷却用の一次液冷熱交換器２８に導入してからコンデンサ８に送り込んでいる。そのためコンデンサ８に氷結防止対策を必要とせず、その冷熱を電子機器２５の冷却用に用いている。そして、従来のシステムは、冷熱有効利用のためリヒータ１０５を設けていたが、本システムでは、二次液冷熱交換器２９を一次液冷熱交換器２８の下流に設け、電子機器２５の冷却用として利用し、リヒータ１０５を必要としない。
【００１７】
次に、本航空機用空調システムの動作について説明する。エンジン１からの高温・高圧の空気が、抽気制御用のバルブ１ａを介して１段目のコンプレッサ２に取り込まれ、圧縮されて一次熱交換器４に導入される。２段目のコンプレッサ５の同軸上に設けられたファン（図示せず）、またはイジェクタ（図示せず）によって、機外の空気がラムエア回路に引き込まれる。このラムエアにより一次熱交換器４及び二次熱交換器６が冷却される。そして１段目のコンプレッサ２で圧縮され一次熱交換器４で熱交換された空気は、２段目のコンプレッサ５で圧縮されて二次熱交換器６に導入され熱交換される。二次熱交換器６を出た空気は、二次液冷熱交換器２９の高温側回路に導入され冷却されて、コンデンサ８の高温側回路に導入される。コンデンサ８ではタービン１０の断熱膨張によって冷却された空気が一次液冷熱交換器２８を経由して低温側回路に導入され高温側回路の空気を冷却し、空気中の水分のほとんどが凝縮する。そして、ウォータエクストラクタ９で遠心分離によって分離され除去される。水分が除去された空気は直接タービン１０に導入される。導入された空気はタービン１０で断熱膨張し、一次液冷熱交換器２８を冷却し熱交換して、コンデンサ８を経由して、このとき得られる熱エネルギーを２段目のタービン３の軸力として回収し、２段目のタービン３に導入される。導入された空気はタービン３で断熱膨張され、キャビン側へ供給される。このとき、空気は０℃以下になるので、キャビンに直接供給するのでなく、中間にミキシングチャンバと再循環回路を設け、キャビンの暖かい空気の一部を再循環ファンとハルブ調節によって再循環空気量を制御して取り出し、ミキシングチャンバで両空気が混合され、快適な温度に調整されてからキャビンに導入される。
【００１８】
本空調システムは、２台のタービン１０及びタービン３を備え、一段目のタービン１０の断熱膨張によって、電子機器２５の冷却用の一次液冷熱交換器２８を冷却し、残りの熱エネルギーを２段目のタービン３の軸力として回収し、断熱膨張した空気をキャビンなどに供給している。そして、２段目のタービン３の動力が同軸上に装備された１段目のコンプレッサ２の動力として利用され、エネルギーを有効に回収して効率よく冷房するシステムである。
また、２段のコンプレッサ２およびコンプレッサ５を備えて、エンジン１からの抽気圧力が低い場合でも、例えば、駐機状態でエンジン１がアイドル状態の時などでも、冷却能力が低下することがない。そして、流量増加による空調システム入口の圧力低下を生じさせない。
【００１９】
上記の実施例では、コンプレッサ２とコンプレッサ５の間に一次熱交換器４が設けられているが、一次熱交換器４の下流にコンプレッサ２をコンプレッサ５と直列に配置しても良い。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の航空機用空調システムは上記のように構成されており、２つのタービンを設け、抽気を１段目のタービンで断熱膨張させ、搭載機器冷却用の液冷熱交換器を冷却し、その際に得られる熱エネルギーを２段目のタービンの軸力として回収することができるので、ブーストＡＣＭコンプレッサの圧力比を増大させ、その結果、同じ供給抽気圧力の場合、従来と比べて冷却能力が増加する。そして、そこで得られた冷却空気でキャビンを空調することができる。
また、２つのコンプレッサを設けており、１段目のコンプレッサで抽気を圧縮して予圧し、２段目のコンプレッサで圧縮して抽気圧を高めることができるので、これによりエンジンからの抽気圧力が低くなっても冷却能力を低下させることなく運転することができる。
また、コンデンサのコールド側の上流に搭載機器を冷却する一次液冷熱交換器を装備しているので、１段目のタービンで生成された極低温空気の温度は、コンデンサに流入する前に温度が上昇するので、コンデンサで氷結することがなく、氷結防止策を講じる必要がない。
また、コンデンサのホット側の上流に二次液冷熱交換器を装備し、抽気を冷却してコンデンサに送ることができるので、一般的に用いられているリヒータをシステムから削除でき、システムの小型・軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の航空機用空調システムの一実施例を示す図である。
【図２】従来の航空機用空調システムの電子機器冷却回路を示す図である。
【符号の説明】
１エンジン
１ａバルブ
２コンプレッサ
３、１０タービン
４一次熱交換器
５コンプレッサ
６二次熱交換器
８コンデンサ
９ウォータエクストラクタ
２５電子機器
２６ポンプ
２７液冷ライン
２８一次液冷熱交換器
２９二次液冷熱交換器

Claims

航空機エンジンの高温・高圧になった空気の一部を抽気し、タービンと同軸上に設けられたコンプレッサで圧縮し、機外のラムエア冷気による熱交換器で冷やし、タービンの断熱膨張によって低温空気を供給する航空機用空調システムであって、抽気中の水分を凝縮させるコンデンサの低温側及び高温側の上流に、一次液冷熱交換器及び二次液冷熱交換器をそれぞれ設け、２つのタービンを直列に設け、１段目のタービンで得られた冷却空気を前記一次液冷熱交換器に導入して前記搭載機器を冷却する液体の冷媒を冷却し、前記二次液冷熱交換器に前記一次液冷熱交換器で冷却された液体の冷媒を導入して前記コンデンサの高温側に導入される空気を冷却し、２段目のタービンで得られた冷却空気でキャビンを空調するようにしたことを特徴とする航空機用空調システム。
２つのコンプレッサを設け、１段目のコンプレッサで抽気を圧縮して一次熱交換器に送り、その後２段目のコンプレッサで圧縮して２次熱交換器に送り、２段階に抽気を圧縮することを特徴とする請求項１記載の航空機用空調システム。