JP4686038B2 - 輸送飛行機用の冗長的および段階的再循環混合装置を備えた高出力空調装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の上位概念に記載した、輸送飛行機用の冗長的および段階的再循環混合装置を備えた高出力空調装置に関する。この再循環混合装置によって、高出力冷却システムの管路設備の故障に強い（冗長的な）管氷結防止がもたらされる。
【０００２】
【従来の技術】
輸送飛行機では、乗客に空調された空気が供給される。その際、推進装置から高圧縮された空気が取り出され、空調機器に案内され、そこで客室温度レベルに膨張および冷却され、続いて管路網を経て乗客空調領域に供給される。乗客空調領域内の熱負荷が大きいため、供給空気を空調機器によって強く冷却する必要がある。この場合、空気温度は氷点よりも低い値に達する。大気の下層では空気の水含有量が多く、この水が空調機器によって冷却された空気内で、雪または氷の形で凝縮するので、後続の管網をこの雪や氷に対して保護する必要がある。なぜなら、管閉塞の危険または集積した雪の移動によって管が破壊される危険があるからである。この集積雪は後に溶融した後で、液体がコントロール不能なほど溜まることにある。管の閉塞は乗客空調領域への新鮮空気供給を遮断する。これは乗客の健康に有害である。
【０００３】
従って、空調装置内の氷の形成の危険を、いろいろな構想の解決策によって回避することが一般的に所望される。第１の方法では、冷却される空気の温度が氷点以下に低下しないようにすることである。その場合、要求される空調エネルギーを準備するために、多量の空気流量が必要である。この空気流量は推進装置から多くのエネルギーを取り出す必要がある。快適な乗客空調領域吹き出し温度と（必要な）充分に大きな換気特性を達成するために、適当な量の冷却空気が与圧胴体空気に混合される。この手段は“空気再循環”の名前で知られている。これはエアバスＡ３００とＡ３１０で実施されている。しかし、この方法によって、不当なほど多い推進空気が乗客空調領域（以下、領域という）を冷却するために消費される。なぜなら、空気冷却が空調機器で制限されるからである。
【０００４】
ボーイングＢ７４７もこの方法を実施している。この場合しかし、分配管路に続く第１の再循環段で、冷却空気と再循環空気を混合することによって温度が上昇させられる。この手段は領域に関連して行われる。所望な換気特性と快適性は、第２の段で他の再循環空気を補充することによって達成される。再循環段階の分割は、管の横断面積と、それに関連する、段の間の管の重量の低減をもたらす。
【０００５】
分配部の後に接続配置された混合部によって勿論、氷形成の危険とそれに伴う管の閉塞の危険が回避されない。これは普通の運転の場合にも故障運転の場合にも同じように当てはまる。
【０００６】
再循環ユニットの故障の場合にも、既存の運転可能な第２の再循環ユニットの供給はこの故障を補償することができない。それによって、エアバスＡ３００−６００とＡ３１０の場合のように、空調機器出口温度が制限される。冷却エネルギー損失を補償するために、エネルギーに富む推進装置空気流量を増やす以外にない。これは燃焼消費の増大につながる。
【０００７】
エアバスＡ３４０とＡ３２０においてこの欠点を回避するために、冷却空気と再循環空気を中央の１個の混合ユニットに集めることが試みられた。それによって、冷却空気供給不足と再循環供給不足のための高い冗長性が達成された。
【０００８】
この方法に伴い、与圧胴体の範囲内の冷却空気供給管路の氷結が回避されず、混合プロセスを最適に行うためには混合室の複雑な管配置構造と流れに影響を与える部品が必要であることが判った。それにもかかわらず、流れ剥離域による残留氷結は回避されないままである。更に、換気特性と快適性を達成するための全体の空気必要量が中央の１つの混合室で準備され、領域に分配される。これはＢ７４７の構造と比較して、大きな管横断面積と増大した管重量を必要とする。
【０００９】
他の方法として、ボーイングＢ７７７はＢ７４７とエアバスＡ３４０またはＡ３２０を組み合わせた方法を実現した。このＢ７７７は中央の１つの混合室を使用し、この混合室には、一定の再循環空気混合を行う冷却空気供給部と、一定の再循環空気混合を行わない冷却空気供給部が付設されている。適当な換気特性と快適性を達成するために、補足的に、他の一定の再循環空気量が局所的に混合される。再循環空気混合を行わない冷却空気供給は、既に述べた管氷結の欠点、すなわちそれによって生じる温度制限とそれに伴う冷却エネルギー損失の欠点を有する。冷却空気供給部の再循環空気混合装置の故障の場合にも、両冷却空気供給温度と空気温度を、氷点よも高く保たなければならない。これは冷却エネルギーの大きな損失を生じる。
【００１０】
更に、米国特許第４，５１７，８１３号明細書により、いわゆる空気混合−水分離器−管分岐装置（エアミックス−水セパレータ−マニホルド）を備えた空調装置が提案されている。装置には両側から、適当に温度調節された空気量が供給される。その際、供給される空気は、ＡＣＭ（エアサイクル機械）によって供給される低温空気量と合流する、温かい再循環客室空気の割合に応じた空気量からなっている。
【００１１】
この分岐装置の出口は、旅客機の異なる胴体範囲に接続されている。この胴体範囲のうち、コクピット範囲（フライトデッキ）、前側の乗客範囲および後側乗客範囲について具体的に後述する。この分岐装置の目的は、それに供給される空気量の混合と、氷結または氷形成（雪の結晶への空気の湿分の変化）を回避するために後続配置の空気管路における、（湿気を含む）供給空気からの水成分の除去である。そのために、この文献では、解決策の提案がなされている。この解決策によって、本発明の根底をなす問題を解決を解決しようとした。それによって、飛行機の管路設備の管氷結を（部分的に）防止することができた。しかし、この飛行機は、（空調装置に一体化された）空気混合−水分離器−管分岐装置によって、１段の（すなわち多段ではない）再循環混合に関するものであり、後続配置の（多重分岐された）管路の閉塞の回避を保証しない。この管路は（複雑な）高出力空調装置に一体化されている。この管路の閉塞は熱エネルギー損失のために（この状態を防止する手段を設けていない）管路区間で発生する。普通の専門家がその経験と創作的な支援によって、解決策に到達することは決して指摘および示唆されていない。この解決策によって、輸送飛行機の空調装置の専門家は驚いた。この空調装置は、予め定めた換気特性と快適性を達成するために、合理的に空気流が供給される高出力冷却システムと、空調すべき飛行機胴体範囲の最大空気供給量と関連して、重さを計量して行われる再循環空気混合によって、故障に強い（冗長的な）管氷結防止をもたらす。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の根底をなす課題は、設定された換気特性と快適性を達成するために、客室空調領域について最小の空気流量使用と最大の空気量準備を行うように高出力冷却システムを運転することと関連して、重さを計量して再循環空気混合を行うことによって、故障に強い（冗長的な）管氷結防止を行う、輸送飛行機用の空調システムを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１記載の手段によって解決される。従属請求項には、この手段の合目的な実施形が記載されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
添付の実施の形態に基づいて本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１に示したブロック線図は、冗長的および段階的再循環混合を行う高出力空調装置の、旅客機のための用途に関する。
【００１５】
乗客領域において適切な換気特性または快適性を達成するための冷却空気装置と後続配置の混合ユニットとを備えた空調装置の前述の解決方法に関連して、冷たい冷却空気と温かい与圧胴体空気の最初の予混合時に、あらゆる冷却空気温度で管網構成部品の氷結を予防するために、与圧胴体内の各々の冷却空気供給管路を通過した直後、管凍結を防止を行わなければならないことが明らかである。この場合、与圧胴体空気量は最少量に押えられ、乗客空調領域において設定された換気特性と快適性（空気速度分布または温度分布）を達成するために、少なくとも１つの他の空気量補充部で所望な全体空気量のレベルに高められる。
【００１６】
図１には、高出力空調装置の回路が示してある。次に、この回路について詳しく説明する。与圧胴体２０（飛行機の胴体）の外側で、高圧空気供給部１から高圧空気が少なくとも２個（またはそれ以上）の空調機器２に供給される。この高圧空気供給部は空気発生ユニット（推進装置、ＡＰＵまたは地上機器）によって冷却され、与圧胴体圧力入口レベルに膨張した高圧縮空気（冷却空気）を準備する。この高圧縮空気は冷却空気供給管路７１を経て与圧胴体２０に冷却空気を供給し、そこで予混合ユニット３に供給される。集合管またはターボ機械渦巻型ケーシング（スクロール）からなる予混合ユニット３には、送風機、単方弁および空気浄化装置（例えばフィルタ）からなる再循環ユニット４から、再循環空気管路７３を通って胴体空気３０が供給される。予混合ユニット３内では、低温の冷却空気が温かい胴体空気３０と混合され、それによって水氷結温度の上方の温度レベルまで上昇する。予混合室３には、所望の温度レベルに達するような量の胴体空気３０が供給される。これにより運転中、予混合室から出る予混合空気量を変更可能である。
【００１７】
すべての空調機器２の後に１個の予混合ユニット３が接続配置されている。これは、２個よりも多い数の空調機器の場合にも当てはまる。
予混合空気は次に、予混合供給管路７２を経て空気分配混合室６に供給される。ここで、他の胴体空気３０を再循環ユニット４を経て補充することができる。
空気分配混合室６から複数の混合空気案内管路７が分岐している。空気分配混合室６で準備された、空気分配混合室空気の設定可能な分量が、この混合空気案内管路に移送される。この空気分配混合室空気は混合空気案内管路に接続された温度領域または客室領域１１に供給される。
【００１８】
混合空気案内管路７の後には、複数の局所的な後混合ユニット４０が接続配置されている。この後混合ユニト内で、量的に予め定められかつ領域的に関連づけられた空気分配混合室空気が、設定されかつ客室領域に関連づけられた全体空気量に他の与圧胴体空気分量だけ補充される。この客室領域に関連づけられた、割り当てに応じた与圧胴体空気は、局所的な再循環ユニット５と、それに接続された再循環空気供給管路８を経て、後混合ユニット４０に供給される。客室領域に関連づけられた全体空気量は後混合ユニット４０から温度領域空気供給管路９を経て客室領域１１に供給され、そこで吹き出され、そして客室領域１１内で所定のルーム空気流れ１０となる。ルーム空気流れ１０の空気は滞在時間経過後、客室領域１１から、客室領域に付設された領域排気口１２を経て与圧胴体２０内に出る。そして、この空気流は与圧胴体空気３０の割り当て分と、飛行機周囲２３への排出空気の割り当て分に分割される。この場合、飛行機周囲２３に排出される排気の空気流は、与圧胴体空気供給部２１を通過して与圧胴体圧力制御弁２２に達する。この与圧胴体圧力制御弁はその絞り作用によって与圧胴体圧力を決定する。
【００１９】
他の実施の形態では、空調機器２が空気の量と空気の温度を調節できるように運転可能であることから出発する。更に、再循環ユニット４，５は空気量を変更できるように運転可能であると仮定する。
【００２０】
次に、システムの冗長的な挙動について詳しく説明する。図１から明らかなように、空調システムは２個の空調機器２を備えている。この空調機器の後には、２個の予混合ユニット３が接続配置されている。予混合ユニット３にはそれぞれ再循環ユニット４が接続されている。１個の空調機器２が故障停止した場合、後続配置の予混合ユニット３には与圧胴体空気３０が更に供給される。全体の冷却エネルギー必要量を等しくするために、冷却空気温度が非常に低下するときにも、他の空調機器２に付設された予混合ユニット３は氷結防止の役目を発揮する。更に、１個の再循環ユニット４が故障したときにも、故障した再循環ユニット４に付設された空調機器２が氷点よりも高い温度の冷却空気を空気分配混合室６に案内することにより、氷結防止が保証される。他の空調機器２はそれによって供給される冷却空気温度を低下させ、この他の空調機器に接続された再循環ユニット４は与圧胴体空気流量を増大させることによって、予混合ユニット３内での必要な氷結防止を保証する。
【００２１】
局所的な再循環ユニット５が再循環空気供給管路８を介して、客室領域１１への全体空気量を維持するための量的な調整を可変にすることを特に強調すべきである。
従って、前述の解決策は、量を変更可能な冷却空気流が空調機器を経て、温度レベルに従って可変に与圧胴体に供給され、その直後に接続配置された予混合ユニット内で、再循環ユニットを経て供給された量を変更可能な与圧胴体空気が管氷結防止のために混合され、管系を更に案内された後で、量を変更可能に準備された他の与圧胴体空気によって補充される、空調システムの構造に関する。この全体空気量は、客室領域に供給されて客室領域を通過した後で、与圧胴体内に案内される。この与圧胴体空気は一部が前記の役目のために利用され、残りが与圧胴体圧力制御ユニットを経て飛行機周囲に排出される。
【図面の簡単な説明】
【図１】冗長的および段階的な再循環混合装置を備えた高出力空調装置のブロック図である。
【符号の説明】
１ 高圧空気供給部
２ 空調機器
３ 予混合ユニット（集合管、ターボ機械渦巻型ケーシング等）
４ 再循環ユニット（送風機、単方弁、空気フィルタ）
５ 局所的な再循環ユニット（送風機、単方弁、空気フィルタ）
６ 空気分配混合室
７ 混合空気案内管路（管または通路要素）
８ 再循環供給管路（管または通路要素）
９ 温度領域空気供給管路（管または通路要素）
１０ ルーム空気流れ
１１ 与圧胴体に一体化された温度領域または客室領域
１２ 客室領域に付設された領域排出口
２０ 飛行機与圧胴体
２１ 与圧胴体空気ガイド
２２ 与圧胴体圧力制御弁
２３ 飛行機周囲の空気流
２４ 圧力制御装置
３０ 与圧胴体空気
４０ 後混合ユニット（集合管、ターボ機械渦巻型ケーシング）
７１ 低温空気供給管路（管または通路要素）
７２ 予混合空気供給管路（管または通路要素）
７３ 再循環空気管路（管または通路要素）

Claims (14)

1. 圧力制御装置（２４）を付設した与圧胴体（２０）に一体化された温度領域または客室領域（１１）に、高圧空気供給部（１）から空気が供給される、輸送飛行機用の冗長的および段階的再循環混合装置を備えた高出力空調装置において、
   少なくとも２個の空調機器（２）が、高圧空気供給部（１）から供給される、高圧縮および冷却された、水蒸気を含む圧縮空気を、膨張させて与圧胴体入口圧力レベルに低下させ、同時にこの圧縮空気の空気流を氷点の下方の温度まで冷却し、
   空調機器（２）が低温空気供給管路（７１）を介して、与圧胴体（２０）内に配置された予混合装置（３）に接続され、
   この予混合装置（３）は、当該の空調機器（２）の直後に接続配置されていて、調製された空調機器流が供給され、
   当該の空調機器（２）の後に接続配置された予混合装置（３）は、再循環空気管路（７３）を介して、与圧胴体空気（３０）を供給する少なくとも１個の再循環ユニット（４）にも接続され、
   この場合個々の再循環ユニット（４）から供給される与圧胴体空気（３０）が量を変更可能に当該の予混合装置（３）に供給されて、調製された空調機器空気流と量的に混合され、
   個々の予混合装置（３）が、与圧胴体空気（３０）と空調機器空気からなる予混合された空気を予混合装置（３）の出口側に供給し、
   予混合装置（３）が予混合空気供給管路（７２）を介して空気分配混合室（６）に接続され、この空気分配混合室（６）に予混合された空気が供給され、
   空気分配混合室（６）がそれに供給された予混合された空気を集めて合流させ、
   空気分配混合室（６）がこの合流集合した空気を、接続された予混合装置（３）からの空気分配混合室空気として、空気分配混合室（６）の出口側に供給して、空気分配混合室（６）に接続された混合空気案内管路（７）を経て後混合ユニット（４０）に供給し、
   再循環供給管路（８）にも接続された後混合ユニット（４０）が、再循環供給管路（８）を介して少なくとも１個の局所的な再循環ユニット（５）に接続され、
   この後混合ユニット（４０）内において、空気分配混合室（６）から供給された空気分配混合室空気流に、少なくとも１つの局所的な再循環ユニット（５）から中間接続配置された再循環供給管路（８）を経て温度に関連してまたは客室に関連して割り当てられて供給される与圧胴体空気流であって、量的に変更可能で領域に関連づけられた他の与圧胴体空気流が補充され、
   後混合ユニット（４０）にそれぞれ、当該の温度領域または客室領域（１１）に接続された温度領域空気供給管路（９）が接続され、全体空気流がこの温度領域空気供給管路（９）を経て、温度領域または客室領域に関連づけて個々の温度領域または客室領域（１１）に供給されることを特徴とする高出力空調装置。
2. 管要素または通路要素として形成された温度領域空気供給管路（９）が与圧胴体（２０）の個々の温度領域または客室領域（１１）に接続され、個々の後混合ユニット（４０）によって準備された全体の空気流が、この温度領域空気供給管路から温度領域または客室領域（１１）のルーム範囲に吹き込まれ、ルーム空気流がこの全体の空気流によって生じることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
3. 温度領域または客室領域（１１）が隔壁によって区切られ、温度領域または客室領域に一体化された排気口がこの隔壁に形成され、全体の空気流がこの排気口を経て、温度領域または客室領域（１１）のルーム範囲から出ることを特徴とする請求項１または２記載の高出力空調装置。
4. 少なくとも１個の空気浄化要素が再循環ユニット（４，５）に一体化されていることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
5. 再循環ユニット（４，５）が、回転数制御式の少なくとも１個の通風装置と少なくとも１個の逆止弁と少なくとも１個の空気浄化要素の最小構造体を備えていることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
6. 予混合装置（３）が集合管構成要素からなっていることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
7. 予混合装置（３）が一体化されたインゼクタノズルを備えているかまたは備えていないターボ機械渦巻型ケーシングからなっていることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
8. 空気分配混合室（６）に、空気流を分配するおよびまたは空気流に影響を与える部品が一体化されていることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
9. 後混合ユニット（４０）が集合管構成部品からなっていることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
10. 後混合ユニット（４０）が一体化されたインゼクタノズルを備えているかまたは備えていないターボ機械渦巻型ケーシングからなっていることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
11. 中間冷却を含む熱力学的な圧縮サイクルまたは膨張サイクルが空調機器（２）に統合されていることを特徴とする請求項１記載の高出力空調装置。
12. 空調機器（２）に付加的に水分離サイクルが統合されていることを特徴とする請求項１または１１記載の高出力空調装置。
13. 空調機器（２）に回転数制御式ファンが一体化され、このファンが供給される空気流の量を制御することを特徴とする請求項１または１１記載の高出力空調装置。
14. 空調機器（２）に冷却要素が統合され、この冷却要素によって、排出される空気流の許容空気流温度が制御されることを特徴とする請求項１または１２記載の高出力空調装置。

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