JP2000318695A - 航空機用空気調和装置 - Google Patents

航空機用空気調和装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンからのブリード・エアが少なくてす
み、燃費が良く、軽量でコンパクトなシステムで、高信
頼性の航空機用空気調和装置を提供する。 【解決手段】 抽気１を熱交換器２に取込み、ＶＣＳ５
１の冷媒を使用したエバポレータ５をＡＣＳ５０の熱交
換器３の下流に配置し、そこで冷却された空気は、高圧
ウォータセパレータ１３の高圧下で除湿され、そして、
リヒータ１４で加熱され、タービン１５で断熱膨張さ
れ、低圧ウォータセパレータ１７で完全に水分が除かれ
る。そして、ミキシングチャンバ１８でキャビン２０の
空気の一部と混合して、キャビン２０に快適な温度で新
鮮な空気を供給することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、航空機用空気調和
装置に係わり、特に、エンジンからのブリード・エアを
機外の冷気をおびたラムエアを利用して、エア・サイク
ル・システムとベーパ・サイクルシステムの組み合わせ
で空気調和を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】航空機用空気調和装置は、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、エンジンの圧縮機で高温・高圧になっ
た空気の一部を取り出し（これをエンジン・ブリード・
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）冷媒を使用したベ
ーパ・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、これらの組合わせで
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）の組合わせのベーパ
・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てい
る。
【０００３】従来の装置はエア・サイクル・システム
（ＡＣＳと呼ぶ）として、低圧下で水分を分離する方式
（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（ＨＰＷＳ方式と呼ぶ）が
採用されている。このＨＰＷＳ方式は調和空気中の湿度
を高圧下で除去し、ＡＣＳ出口温度を氷点下に下げるこ
とができる。そのため従来の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済むので、
エンジン又はＡＰＵの燃費が向上する。ＡＣＳ出口空気
は直接キャビンへ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、ＡＣＳだけでは冷房能力が不足する場合
は、搭載している電子機器等の冷却用にＡＣＳとは独立
して、冷媒等を用いた冷却装置を備えたベーパ・サイク
ルシステム（ＶＣＳと呼ぶ）を設けて冷却を行う。
【０００４】図２に従来の航空機用空気調和装置のシス
テムを示す。エンジン２１から抽気される空気を抽気調
節弁２２で調節し、あらかじめプリクーラ２３で冷や
し、その空気をＡＣＳ５２に入力する。このＡＣＳ５２
で調和空気中の湿度が除去され、ＡＣＳ出口から氷点下
に近い空気がミキシングチャンバ３６に導入される。一
方、キャビン４０から再循環ファン３８により排気され
る暖かい空気が再循環ライン３７を通してミキシングチ
ャンバ３６に導入され、前記ＡＣＳ５２から導入された
氷点下に近い空気と混合され、快適な温度に調整されて
からキャビン４０に導入される。さらに、ＡＣＳ５２だ
けでは冷房能力が不足する場合は、ＡＣＳ５２とは独立
してＶＣＳ５３が設けられ、搭載している電子機器等の
冷却を行う。そして、キャビン４０内の圧力を所定の快
適な圧力にするために、アウトフローバルブ３９が設け
られ、自動的に制御されて、余分な空気を外部に出して
いる。
【０００５】次に、ＡＣＳ５２の動作について説明す
る。エンジン２１で高温・高圧になった空気の一部が抽
気調圧弁２２で調圧されて取出され、プリクーラ２３で
予め冷却されてＡＣＳ５２の調圧弁２４に入力される。
そして、外気の冷気をおびたラムエア２７によって冷却
された１次熱交換器２５でさらに冷却され、コンプレッ
サ３１により圧縮され、再び２次熱交換器２６で冷却さ
れ、水蒸気の一部は凝縮する。ラムエア２７はファン２
８によってラムドア２９から放出される。冷却された空
気は、リヒータ３３に入り熱交換によりさらに冷却され
る。リヒータ３３を出た高圧空気は、次にタービン３２
で断熱膨張した低温空気によって、コンデンサ３４でさ
らに冷却され、含まれていた水蒸気のほとんどすべてが
凝縮する。次に、ウォータエキストラクタ３５が凝縮し
た水分の大部分を除去する。ウォータエキストラクタ３
５を出た空気は、リヒータ３３で２次熱交換器２６を出
た空気と熱交換し、ウォータエキストラクタ３５で取り
去れなかった水分は蒸発し、タービン３２に入って断熱
膨張される。タービン３２を出た空気はコンデンサ３４
で冷却され、０℃以下でミキシングチャンバ３６に導か
れる。
【０００６】次に、ＶＣＳ５３の動作について説明す
る。冷媒（代替フロン）がエバポレータ４２内で蒸発す
ることにより、循環ファン４１でキャビン４０からエバ
ポレータに導入された空気を冷却する。エバポレータ４
２を出た冷媒は、モータ４３で駆動されるコンプレッサ
４４により圧縮され、コンデンサ４５でラムエアと熱交
換されて液化する。液化した冷媒はリザーバタンク４９
に入る。リザーバタンク４９からの液体冷媒は、膨張弁
４８で断熱膨張し低温の気液混合状態となり、再びエバ
ポレータ４２に導かれる。上記のように、従来の大型機
の航空機用空気調和装置は、エンジンの圧縮機で高温・
高圧になった空気の一部を取り出し（抽気）、機外の冷
気を利用（ラムエア）し、エア・サイクル・システムを
主とし、補助的に独立してベーパ・サイクル・システム
を併用して空気調和を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の航空機用空気調
和装置は以上のように構成されているが、ＡＣＳ５２の
みで常時冷房に必要な空気量をキャビン４０に供給する
と、例えば、１００人乗り旅客機で約１００ｌｂ／Ｍｉ
ｎを要するので、ブリード・エア抽出による燃料消費量
が増加し、燃費が悪化する。燃費はエンジン２１からの
抽気量に非常に敏感であり、その関係は１．１＊（燃料
ｌｂ／ｈｒ）／（抽気量ｌｂ／ｍｉｎ）となる。また、
ＶＣＳ５３をＡＣＳ５２と別に独立して設置すると、シ
ステムが大型・複雑化し、重量が増加し、信頼性が低下
するという問題がある。
【０００８】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２１からの抽気量が少なくて
燃費が良く、キャビン４０に快適に必要にして十分な冷
却・除湿された空気量を供給することができる、軽量で
コンパクトなシステムの高効率・高信頼性の航空機用空
気調和装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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気調和装置は、航空機エンジン
の圧縮機から高温・高圧になった空気の一部を取り出
し、機外の冷気を利用しエア・サイクル・システムとベ
ーパ・サイクルシステムにより機内を空気調和する航空
機用空気調和装置において、ブリード・エアが取込まれ
るエア・サイクル・システムの熱交換器の後にベーパ・
サイクルシステムのエバポレータを配置し、そのエバポ
レータを通過した空気をエア・サイクル・システムに導
入する高圧冷却回路を備えるものである。
【００１０】本発明の航空機用空気調和装置は、上記の
ように構成されており、ブリード・エアが取込まれるエ
ア・サイクル・システムの熱交換器下流の高圧回路に、
ベーパ・サイクルシステムのエバポレータを配置するこ
とで、除湿能力を高めることができ、冷却の一部をベー
パ・サイクルシステムでまかなうことができるため、従
来冷房のために必要であったブリード・エアの流量を乗
客が必要とする最低新鮮空気量まで減らすことが可能で
あり、且つ抽気圧力も低くてすむことから、ブリード・
エア抽出による燃料消費量が低減できる。さらに、エア
・サイクル・システムとベーパ・サイクルシステムを独
立に配置する場合に比べて、軽量、コンパクト、高信頼
性を達成できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の航空機用空気調和装置の
一実施例を図１を参照しながら説明する。本装置は、エ
ンジンの圧縮機で高温・高圧になった空気の一部を取込
み（抽気）、冷却、リヒート、断熱膨張させて、水蒸気
を取り除くエア・サイクル・システムＡＣＳ５０と、抽
気された空気をＡＣＳ５０の熱交換器で冷却した後、そ
の空気を取込み、さらに冷却して水蒸気の一部を取り除
くベーパ・サイクル・システムＶＣＳ５１と、ＡＣＳ５
０からの低温の空気とキャビン２０の空気の一部とを混
合させて快適な温度にするミキシングチャンバ１８とか
ら構成されている。ＡＣＳ５０は抽気を冷却する熱交換
器３と、ラムエア２を導くファン４と、送られてきた空
気を再加熱するリヒータ１４と、断熱膨張させるタービ
ン１５と、暖かい空気を混合させる温度コントロールバ
ルブ１６と、水蒸気を取除く低圧ウォータセパレータ１
７とから構成されている。ＶＣＳ５１は、冷媒（代替フ
ロン）を蒸発させるエバポレータ５と、気化した冷媒を
圧縮する電動コンプレッサ６と、そのモータ７と、ラム
エア９と熱交換され液化するところのコンデンサ８と、
液化した冷媒を入れるリザーバタンク１１と、断熱膨張
させる膨張弁１２とから構成されている。
【００１２】次に本装置の動作について説明する。ＡＣ
Ｓ５０の熱交換器３でラムエア２により外気温近くまで
冷却されたブリード・エアは、ＶＣＳ５１のエバポレー
タ５でさらに冷却され、水蒸気の一部は凝縮し高圧ウォ
ータセパレータ１３で除去される。ここで凝縮した水は
完全に除去されず、残った水はＡＣＳ５０のリヒータ１
４で、キャビン２０から再循環ファン１９で送られてき
た再循環空気との熱交換により加熱され再び水蒸気とな
る。リヒータ１４を出た高圧空気は、次にタービン１５
で断熱膨張することにより０℃以下となり、含まれてい
た水蒸気はほとんど全てが細かい雪状になる。この空気
は、リヒータ１４を出た再循環空気の一部と混合される
ことにより、０℃よりやや高い温度にされるので雪状に
なっていた水分は細かい水滴となり、低圧ウォータセパ
レータ１７で水分は分離される。低圧ウォータセパレー
タ１７を出た空気は、再循環空気の残りとミキシングチ
ャンバ１８で混合され適度な温度となってキャビン２０
に供給される。
【００１３】ＶＣＳ５１では、冷媒（代替フロン）がエ
バポレータ５内で蒸発することによりブリード・エアを
冷却する。エバポレータ５を出た冷媒は、電動コンプレ
ッサ６により圧縮され、コンデンサ８でラムエア９と熱
交換されて液化する。液化した冷媒はリザーバタンク１
１に入る。リザーバタンク１１からの液体冷媒は、膨張
弁１２で断熱膨張し低温の気液混合状態となり、再びエ
バポレータ５に導かれる。本装置は、ＶＣＳ５１のエバ
ポレータ５をＡＣＳ５０の高圧部に配置することにより
除湿能力が高まり、冷却の一部をＶＣＳ５１でまかなう
ため、従来冷房のため必要であったブリード・エアの流
量を、乗客が必要とする最低新鮮空気量まで減らす（約
２０％）ことが可能であり、且つ抽気圧力も約２０％低
くてすむことから、ブリード・エア抽出による燃料消費
量を低減できる。ＶＣＳ５１を使用することで電動コン
プレッサ６およびコンデンサファン１０のための電力が
必要となるが、電力を使うことによる燃費への影響は、
同じ冷房をＡＣＳ５０のみで行う場合のブリード・エア
抽出による燃費への影響の約１／１０であり、結果とし
て燃料消費料の低減が可能である。
【００１４】上記の実施例ではタービン１５の動力によ
り、熱交換器３へのラムエア２を導くためのファン４を
駆動しているが、この動力でコンデンサファン１０また
は再循環ファン１９を駆動することも可能である。
【００１５】
【発明の効果】本発明の航空機用空気調和装置は上記の
ように構成されており、ベーパ・サイクル・システムの
エバポレータを、エア・サイクル・システムの熱交換器
下流に配置して、高圧回路中で冷却除湿能力を高めるこ
とができるので、冷房のために必要であったブリード・
エアの抽気量を、乗客が必要とする最低新鮮空気量まで
減らすことができる。そのためブリード・エア抽気によ
る燃料消費量が低減し、燃費が良くなる。さらに、エア
・サイクル・システムとベーパ・サイクルシステムを独
立に配置する場合に比べて、軽量でコンパクトにでき、
高信頼性のシステムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の航空機用空気調和装置の一実施例を
示す図である。
【図２】 従来の航空機用空気調和装置を示す図であ
る。
【符号の説明】
１…抽気 ２…ラムエア ３…熱交換器 ４…ファン ５…エバポレーア ６…電動コンプ
レッサ ７…モータ ８…コンデンサ ９…ラムエア １０…コンデンサ
ファン １１…リザーバタンク １２…膨張弁 １３…高圧ウォータセパレータ １４…リヒータ １５…タービン １６…温度コン
トロールバルブ １７…低圧ウォータセパレータ １８…ミキシン
グチャンバ １９…再循環ファン ２０…キャビン ２１…エンジン ２２…抽気調圧
弁 ２３…プリクーラ ２４…調圧弁 ２５…１次熱交換器 ２６…２次熱交
換器 ２７…ラムエア ２８…ファン ２９…ラムドア ３０…排水管 ３１…コンプレッサ ３２…タービン ３３…リヒータ ３４…コンデン
サ ３５…ウォータエキストラクタ ３６…ミキシン
グチャンバ ３７…再循環ライン ３８…再循環フ
ァン ３９…アウトフローバルブ ４０…キャビン ４１…循環ファン ４２…エバポレ
ータ ４３…モータ ４４…コンプレ
ッサ ４５…コンデンサ ４８…膨張弁 ４９…リザーバタンク ５０…ＡＣＳ ５１…ＶＣＳ ５２…ＡＣＳ ５３…ＶＣＳ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】航空機エンジンの圧縮機から高温・高圧に
    なった空気の一部を取り出し、機外の冷気を利用し、エ
    ア・サイクル・システムとベーパ・サイクルシステムに
    より機内を空気調和する航空機用空気調和装置におい
    て、ブリード・エアが取込まれるエア・サイクル・シス
    テムの熱交換器の後に、ベーパ・サイクルシステムのエ
    バポレータを配置し、そのエバポレータを通過した空気
    をエア・サイクル・システムに導入する高圧冷却回路を
    備えることを特徴とする航空機用空気調和装置。
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