JP2003291894A

JP2003291894A - 航空機用空気調和装置

Info

Publication number: JP2003291894A
Application number: JP2002105642A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Mitani; 壽三谷; Hidefumi Saito; 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2003-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】空気分離部から排出される窒素富化ガスだけで
なく酸素濃縮空気も有効利用でき、空気分離部が破損し
ても装置全体に悪影響を及ぼすことのない航空機用空気
調和装置を提供する。【解決手段】コンプレッサ３により圧縮された空気を膨
張タービン５により膨張させることで生成される冷気を
キャビン８内に導入する。コンプレッサ３により圧縮さ
れる空気を窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する選
択透過膜を有する空気分離部16は、コンプレッサ３によ
り圧縮された空気の導入ポートと、窒素富化ガスの排出
ポートと、酸素濃縮空気の排出ポートとを有する。窒素
富化ガスは燃料周囲領域15に導入され、酸素濃縮空気は
キャビン８に導入される。空気の導入ポートと酸素濃縮
空気の排出ポートとを同時に全閉可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固定翼機および回
転翼機を含む航空機の燃料系統に窒素富化ガスを供給す
る機能を備えた空気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機における空気調和装置として、エ
ンジンの圧縮部で圧縮されたエンジン抽出空気をラジア
ルコンプレッサで断熱圧縮し、これを冷却した後に膨張
タービンにより断熱膨張することで冷気を得るエアサイ
クル式冷却装置が従来から使用されている。

【０００３】軍用機の中には、ミッション中に燃料タン
クに被弾した場合に爆発するのを防ぐため、燃料タンク
に窒素ガスまたは窒素濃度を高めた空気を注入するＯＢ
ＩＧＧＳ（On Board Inert Gas Generation System）を
備えるものがある。近年の民間航空機における事故調査
から、燃料タンク内の空間に溜まった空気と燃料蒸気と
の混合物に機内の配線などから生じたスパークが引火
し、火災が発生することが判明している。そのような火
災を防止するため、民間航空機においても上記ＯＢＩＧ
ＧＳを採用することが検討されている。

【０００４】そのＯＢＩＧＧＳは、エンジン抽出空気を
窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する選択透過膜を
有する空気分離部を備え、その空気分離から排出される
窒素富化ガスを燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料
周囲領域に供給する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来においては、空気
分離部から排出される酸素濃縮空気は機外空間に放出さ
れ、有効利用されることなく無駄になっている。また、
選択透過膜は一般に柔軟な高分子で異物の混入等により
損傷し易いことから、そのような損傷が生じてもキャビ
ンへの空気供給に影響がないように対処する必要があ
る。また、空調装置とは独立したＯＢＩＧＧＳでは、空
調用とは別に、エンジン抽気が空気分離部に導入される
ためエンジン抽出空気量を確保するためにエンジン負荷
が増大する。さらに、窒素富化空気の必要流量は飛行条
件に応じて変動するが、従来は窒素富化空気の流量とキ
ャビンに供給される空気流量との比を調節することがで
きず、飛行条件に応じた適正な運転が困難であった。本
発明は上記問題を解決することのできる航空機用空気調
和装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、コンプレッサ
により圧縮された空気を膨張タービンにより膨張させる
ことで生成される冷気をキャビン内に導入する航空機用
空気調和装置において、そのコンプレッサにより圧縮さ
れた空気が供給される部位に窒素富化ガスと酸素濃縮空
気とに分離する選択透過膜を有する空気分離部が設けら
れ、その空気分離部は、そのコンプレッサにより圧縮さ
れた空気の導入ポートと、その窒素富化ガスの排出ポー
トと、その酸素濃縮空気の排出ポートとを有し、その窒
素富化ガスは航空機の燃料周囲領域に導入可能とされ、
その酸素濃縮空気はキャビンに導入可能とされる。これ
により、空気分離部から排出された酸素濃縮空気をキャ
ビンに供給することで有効利用できる。

【０００７】本発明において、キャビンから流出する空
気を再びキャビンに戻すリサキュレーション空気流路を
備え、そのキャビンから流出して再びキャビンに戻る循
環空気と航空機のエンジンからの抽出空気とが混合後に
前記空気分離部に導入されるのが好ましい。これによ
り、空気分離部を含む空気調和装置に必要な空気量のう
ち、かなりの部分がリサキュレーションで賄われるため
エンジン抽出空気量を抑制してさらにエンジン負荷を軽
減できる。

【０００８】本発明においては、その空気の導入ポート
と酸素濃縮空気の排出ポートとを開閉する手段が設けら
れ、その空気の導入ポートと酸素濃縮空気の排出ポート
とを同時に全閉可能であることを一つの特徴とする。こ
れにより、選択透過膜の破裂等により空気分離部が破損
した場合、空気の導入ポートと酸素濃縮空気の排出ポー
トとを同時に全閉状態にすることで、空気分離部と空気
調和装置との間における空気の流れを遮断することがで
きる。

【０００９】本発明においては、その窒素富化ガスの排
出ポートを開閉する手段が設けられていることを一つの
特徴とする。これにより、空気分離部が破損した場合に
酸素濃度の高い空気が燃料周囲領域に導入されるのを防
止できる。さらにその窒素富化ガスの排出ポートを、前
記空気の導入ポートおよび酸素濃縮空気の排出ポートと
同時に全閉可能であるのが好ましい。これにより、空気
分離部を空調装置から完全に切り離すことができ、空気
分離部の破損に対処できるだけでなく保守点検や交換が
容易になる。

【００１０】前記選択透過膜は窒素透過率が酸素透過率
よりも高くされ、前記酸素濃縮空気の排出ポートは前記
膨張タービンに接続され、前記コンプレッサと膨張ター
ビンとの間の空気流路における前記空気の導入ポートの
上流と前記酸素濃縮空気の排出ポートの下流とを連絡す
る分離バイパス流路と、その分離バイパス流路の開度変
更手段とが設けられ、その酸素濃縮空気の排出ポートか
ら排出される酸素濃縮空気は前記膨張タービンを介して
キャビンに導入可能とされ、その分離バイパス流路の開
度は、前記空気の導入ポートと酸素濃縮空気の排出ポー
トの開度が小さくなると大きくなるのが好ましい。その
分離バイパス流路の開度を調節することで、飛行条件に
応じて窒素富化空気の流量と空調空気の流量との比を調
節できる。

【００１１】前記選択透過膜は酸素透過率が窒素透過率
よりも高くされ、前記空気の導入ポートは前記コンプレ
ッサと膨張タービンとの間の常開の空気流路に接続さ
れ、前記酸素濃縮空気の排出ポートから排出される酸素
濃縮空気は前記膨張タービンを介することなくキャビン
に導入可能とされているのが好ましい。これにより、選
択透過膜を透過することで減圧された酸素濃縮空気を膨
張タービンを介することなくキャビンに導入でき、コン
プレッサ出口と膨張タービン入口との間の圧力差を小さ
くすることにより構成されるエアサイクル式冷却装置の
効率低下を防止できる。

【００１２】複数の空気分離部を備え、各空気分離部は
互いに独立して空気の導入ポートと酸素濃縮空気の排出
ポートとを開閉可能であるのが好ましい。これにより、
窒素富化空気の必要流量と空調空気の必要流量に応じ
て、機能させる空気分離部の数を調節することができ、
さらに冗長性を持たせることで空気分離部の破損に対処
できる。

【００１３】前記空気分離部と航空機の機外とを連絡す
る外部連絡流路が設けられ、その外部連絡流路に絞り部
が設けられているのが好ましい。これにより、空気分離
部の排出ポートを開閉するバルブが開き状態で固着され
る事態が生じても、キャビンに供給されるべき空気が機
外に過剰に流出するのを阻止できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１に示す第１実施形態の航空機
用空気調和装置は、エンジン１からの抽出空気を、プリ
クーラ２と呼ばれる熱交換器により冷却し、流量制御バ
ルブ３９で流量調整し、後述の循環空気と混合した後に
ラジアルコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮する。その
流量制御バルブ３９は図外コントローラからの信号によ
り開度調整可能とされている。これにより昇温された空
気をメインクーラ４と呼ばれる熱交換器により冷却した
後、再生熱交換機４ａで冷却し、水分捕捉のためにウォ
ータセパレータ７に導く。そのウォータセパレータ７で
水分除去された空気は、互いに並列に接続された複数の
空気分離ユニットＵに導かれる。各空気分離ユニットＵ
は、互いに並列に接続された空気分離部１６と分離バイ
パス流路７５とを有する。その分離バイパス流路７５は
開閉バルブ４１により開閉され、その開閉バルブ４１は
コントローラからの信号により開度調整される。その空
気分離部１６は導入された空気を酸素濃縮空気と窒素富
化ガスとに分離する。その酸素濃縮空気と分離バイパス
流路７５から流出する空気は膨張タービン５でほぼ断熱
的に膨張される。これにより、コンプレッサ３と膨張タ
ービン５とにより構成されるエアサイクル式冷却装置に
より冷気が生成される。その冷気は再生熱交換機４ａか
らミキシングチャンバ１３を介して航空機のコックピッ
ト空間を含むキャビン８に導入される。そのプリクーラ
２およびメインクーラ４においては、ラム空気路９を通
る機外空気により冷却が行われる。その膨張タービン５
の膨張仕事は、シャフト６を介してコンプレッサ３に伝
えられることで圧縮動力として利用される。そのコンプ
レッサ３とタービン５を結ぶシャフト６には、コンプレ
ッサ３の駆動に必要な動力を補助するためのモータ６ａ
が取り付けられている。そのラジアルコンプレッサ３、
メインクーラ４、再生熱交換機４ａ、膨張タービン５、
モータ６ａ、ウォータセパレータ７および空気分離ユニ
ットＵにより冷却処理ユニットＡが構成されている。な
お、航空機が地上にあってエンジンが停止している際
は、エンジン１に代えてＡＰＵ（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ
ＰｏｗｅｒＵｎｉｔ）などの高圧空気供給ユニット
１′からの抽出空気を空気調和装置に供給することが可
能とされている。

【００１５】エンジン１からの抽出空気を上記エアサイ
クル式冷却装置を通ることなくキャビン８に導くための
バイパス空気流路１１が設けられている。そのバイパス
空気流路１１はホットエアモジュレートバルブ１２によ
り開閉される。そのホットエアモジュレートバルブ１２
はコントローラからの信号により開度調整可能とされて
いる。これにより、バイパス空気流路１１を流れる空気
流量が調整可能とされている。抽出空気の一部は、その
ホットエアモジュレートバルブ１２を開くことで、コン
プレッサ３と膨張タービン５とから構成されるエアサイ
クル式冷却装置で冷却されることなく、バイパス空気流
路１１からミキシングチャンバ１３を介してキャビン８
に導かれる。そのキャビン８内の空気は、空気調和装置
からの供給分から機体の漏れや機外への空気流路からの
放出分を差し引いた分に相当する量だけ流出空気流路４
０に流出され、その流出空気流路４０においてフィルタ
ー４２により埃や匂いが除去される。その流出空気流路
４０に流出された空気の一部はファンＦ１を介してミキ
シングチャンバ１３に導かれる。

【００１６】その流出空気流路４０から分岐する補助空
気流路７１が再生熱交換機７２に接続されている。キャ
ビン８から流出空気流路４０を介して流出した空気の一
部はファンＦ２により補助空気流路７１に導かれた後に
再生熱交換機７２により加熱される。その補助空気流路
７１と流出空気流路４０とに、吸着部８３が空気流路切
替機構５０を介して接続される。すなわち図２に示すよ
うに、多数の吸着部８３が回転ドラム８０の内部にハニ
カム状に設けられ、その長手方向は回転軸方向に延び
る。各吸着部８３内に吸着剤が充填されている。その吸
着剤は、空気に含まれる分子を吸着し、また、吸着時よ
りも温度が上昇することで吸着した分子を放出するもの
で、例えばシリカゲルのような水分子吸着物質や、ゼオ
ライトのような酸素分子吸着物質から構成できる。本実
施形態では、その吸着剤として水分子吸着物質が用いら
れる。その回転ドラム８０の両端面にセパレータ８１が
相対回転可能にシール部材（図示省略）を介して接合さ
れている。各セパレータ８１は、外輪８１ａと内輪８１
ｂとを２本のアーム８１ｃにより接続することで構成さ
れ、航空機の機体側に固定される。各セパレータ８１の
内輪８１ｂにより、回転ドラム８０の中心シャフト８０
ａが軸受（図示省略）を介して回転可能に支持される。
その中心シャフト８０ａにモータ８２が接続され、その
モータ８２がコントローラ２５からの信号により駆動さ
れることで回転ドラム８０は回転する。各セパレータ８
１における外輪８１ａと内輪８１ｂとの間は、２本のア
ーム８１ｃにより２つの領域８１ｄ、８１ｅに区画され
ている。各セパレータ８１における一方の領域８１ｄは
配管継手８４を介して補助空気流路７１に接続され、他
方の領域８１ｅは配管継手８５を介して流出空気流路４
０に接続される。これにより、その回転ドラム８０の回
転により、各吸着部８３それぞれを補助空気流路７１に
接続する状態と流出空気流路４０に接続する状態とに切
替える空気流路切替機構５０が構成されている。なお、
吸着部８３と空気流路切替機構５０の構造は特に限定さ
れず、例えば複数の容器内に吸着剤を充填することで吸
着部を構成し、各吸着部を補助空気流路７１と流出空気
流路４０とに交互に接続する切り替えバルブにより空気
流路切替機構を構成してもよい。

【００１７】その補助空気流路７１から吸着部８３に導
かれた空気は第３切替えバルブ２７に導かれる。その第
３切替えバルブ２７は、そこに導かれた空気を機外空間
１４に放出する状態と、ミキシングチャンバ１３を介し
てキャビン８に導く状態とにコントローラからの信号に
より空気流路を切替え可能である。

【００１８】その空気流路切替機構５０により、流出空
気流路４０から吸着部８３に導かれた空気は、モータ１
８で駆動される混合前コンプレッサ１７に導かれる。そ
の混合前コンプレッサ１７により昇圧された空気は、再
生熱交換機７２において補助空気流路７１を流れる空気
と熱交換し、放熱器１９においてラム空気路９を通る機
外空気により冷却された後に、第４切替えバルブ３６に
導かれる。その第４切替えバルブ３６は、コントローラ
からの信号により、導かれた空気をミキシングチャンバ
１３を介してキャビン８に導く状態と、エアサイクル式
冷却装置に導く状態とに空気流路を切替え可能である。
その混合前コンプレッサ１７、放熱器１９、モータ１
８、第４切替えバルブ３６、空気流路切替機構５０、再
生熱交換機７２、吸着部８３、ファンＦ２によって、キ
ャビン８からの流出空気の圧縮処理ユニットＢが構成さ
れている。その圧縮処理ユニットＢおよび上記冷却処理
ユニットＡの数は単一に限定されず複数であってもよ
い。

【００１９】そのキャビン８から流出空気流路４０を介
して流出する空気が第４切替えバルブ３６を介して再び
キャビン８に戻されることでリサキュレーション空気流
路が構成される。第４切替えバルブ３６は、キャビン８
から流出する空気をミキシングチャンバ１３を介して直
接キャビン８に戻す場合とエアサイクル式冷却装置を介
して戻す場合との切り換えを行う。これにより、そのキ
ャビン８から流出する空気は再びキャビンに戻る循環空
気となる。そのキャビン８に戻る循環空気とエンジン１
からの抽出空気とが混合されるように、その循環空気の
空気流路と抽出空気の空気流路とが接続される。本実施
形態では、その第４切替えバルブ３６を介してエアサイ
クル式冷却装置に導かれる循環空気は、流量制御バルブ
３９を介して供給される抽出空気と混合される。その混
合された循環空気と抽出空気とが、エアサイクル式冷却
装置のコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮された後に、
上記空気分離部１６に導入される。

【００２０】その補助空気流路７１を流れる空気の温度
は再生熱交換機７２により加熱されることで例えば１０
０℃〜１４０℃になり、一方、キャビン８から流出空気
流路４０に導かれる空気の温度は例えば２０℃〜３０℃
になる。これにより、キャビン８から流出空気流路４０
を介して導入される空気が流れる時は低温になるので、
吸着部８３の吸着剤はキャビン８から流出される空気に
含まれる有効成分（ここでは水分子）を吸収する。一
方、補助空気流路７１を介して導入される空気が流れる
時は高温になるので、吸着部８３の吸着剤は流出空気流
路４０を介して導入される空気から吸収した水分子を補
助空気流路７１を介して導入される空気中に放出するこ
とで再生する。例えば、各吸着剤がシリカゲルである場
合、２０℃ではシリカゲル１．０ｋｇに０．２５ｋｇ以
上の水分子を吸着できるが、１００℃ではシリカゲル
１．０ｋｇに０．０２ｋｇ以下の水分子しか吸着できな
い。これにより、キャビン８から流出される空気中の水
分子を、吸着剤により吸着した後にキャビン８に還流す
る空気中に放出することでキャビン８に戻し、キャビン
８の快適性を向上することができる。しかも、吸着剤は
再度利用できるように再生される。各吸着部８３の吸着
剤を酸素分子吸着物質として機能するゼオライトとした
場合は、キャビン８から流出される空気中の酸素分子
を、吸着剤により吸着した後にキャビン８に還流する空
気中に放出することでキャビン８に戻し、キャビン８の
快適性を向上することができる。しかも、吸着剤を再度
利用できるように再生できる。各吸着剤を水分子を吸着
する吸着剤と酸素分子を吸着する吸着剤の双方により構
成すれば、水分と酸素の両方を吸着できるので、キャビ
ン８の快適性をより向上できる。この場合、そのシリカ
ゲルとゼオライトは交互に層状に配置するのが好まし
い。

【００２１】図３に示すように、複数（本実施形態では
４ユニット）の空気分離ユニットＵそれぞれは、上記ウ
ォータセパレータ７に接続される空気導入口Ｕ１と、互
いに接続されると共に上記膨張タービン５に接続される
酸素濃縮空気排出口Ｕ２と、互いに接続されると共に上
記燃料周囲領域１５に接続される窒素富化ガス排出口Ｕ
３とを有する。

【００２２】図４に示すように、各空気分離部１６は選
択透過膜１６ａを有する。その選択透過膜１６ａは、空
気中の窒素（Ｎ₂ ）の透過率が酸素（Ｏ₂ ）の透過率よ
りも高くされている。これにより、コンプレッサ３によ
り圧縮された空気は、再生熱交換機４ａで冷却されてウ
ォータセパレータ７を通過した後に、空気分離部１６に
より窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離される。その
窒素富化ガスは燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料
周囲領域１５に導かれた後に機外空間１４に放出され
る。その酸素濃縮空気は膨張タービン５に導かれる。上
記開閉バルブ４１はコントローラからの信号により開度
調整可能とされ、選択透過膜１６ａを通過する空気流量
が調整可能とされている。なお、選択透過膜１６ａの外
側は、燃料周囲領域１５におけると同様ほぼ機外圧力と
なっている。本実施形態では、各空気分離部１６を構成
する選択透過膜１６ａは多数の中空糸膜からなり、それ
ら中空糸膜は容器１６ｃに収納されると共にエポキシ等
の樹脂製バインダ１６ｂの中に両端が埋設されることで
束ねられ、そのバインダ１６ｂにより容器１６ｃの内周
と中空糸膜の両端外周との間が封鎖される。その容器１
６ｃの一端開口は、各中空糸膜の一端開口と上記空気導
入口Ｕ１とに接続されることでコンプレッサ３により圧
縮された空気を導入するための空気の導入ポート１６ｄ
とされる。その容器１６ｃの他端開口は、各中空糸膜の
他端開口と上記酸素濃縮空気排出口Ｕ２とに接続される
酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅとされる。その容器１
６ｃの両端間に形成された開口は、各中空糸膜の両端間
外周と上記窒素富化ガス排出口Ｕ３とに接続される窒素
富化ガスの排出ポート１６ｆとされている。その窒素富
化ガスの排出ポート１６ｆから排出される窒素富化ガス
が燃料周囲領域１５に導入され、その酸素濃縮空気の排
出ポート１６ｅから排出される酸素濃縮空気が膨張ター
ビン５を介してキャビン８に導入される。上記コンプレ
ッサ３と膨張タービン５との間の空気流路における空気
の導入ポート１６ｄの上流と酸素濃縮空気の排出ポート
１６ｅの下流とが上記分離バイパス流路７５により連絡
され、その分離バイパス流路７５の開度が上記開閉バル
ブ４１により変更される。

【００２３】各空気分離部１６における空気の導入ポー
ト１６ｄを開閉する導入側バルブ１６ｇと、酸素濃縮空
気の排出ポート１６ｅを開閉する酸素濃縮空気排出側バ
ルブ１６ｈと、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆを開閉
する窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉとが設けられてい
る。各バルブ１６ｇ、１６ｈ、１６ｉにより空気の導入
ポート１６ｄ、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅおよび
窒素富化ガスの排出ポート１６ｆは同時に全閉可能とさ
れている。その導入側バルブ１６ｇ、酸素濃縮空気排出
側バルブ１６ｈ、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉは手
動により作動するものでもよいし、アクチュエータによ
り作動されるものでもよく、アクチュエータにより作動
される場合はアクチュエータをオペレータのスイッチ操
作により制御してもよいしコントローラにより制御して
もよい。図５は、各空気分離ユニットＵにおける、導入
側バルブ１６ｇ、酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｈ、窒
素富化ガス排出側バルブ１６ｉ、および上記開閉バルブ
４１の具体例を示す。本実施形態では、導入側バルブ１
６ｇ、酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｈ、窒素富化ガス
排出側バルブ１６ｉ、および上記開閉バルブ４１はそれ
ぞれバタイフライ弁により構成され、各弁体１６ｇ″、
１６ｈ″、１６ｉ″、４１″は共通シャフト７４を介し
てバルブアクチュエータ７３により回転駆動される。そ
のバルブアクチュエータ７３がコントローラ２５により
制御されることで空気の導入ポート１６ｄ、酸素濃縮空
気の排出ポート１６ｅ、窒素富化ガスの排出ポート１６
ｆおよび分離バイパス流路７５が開閉される。また、複
数の空気分離部１６は互いに独立して空気の導入ポート
１６ｄ、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ、窒素富化ガ
スの排出ポート１６ｆおよび分離バイパス流路７５を開
閉可能である。ここで、上記分離バイパス流路７５の開
度は、その空気の導入ポート１６ｄと酸素濃縮空気の排
出ポート１６ｅと窒素富化ガスの排出ポート１６ｆの開
度が小さくなると大きくなるものとされている。空気の
導入ポート１６ｄ、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ、
窒素富化ガスの排出ポート１６ｆが全閉状態では分離バ
イパス流路７５は全開状態とされ、空気の導入ポート１
６ｄ、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ、窒素富化ガス
の排出ポート１６ｆが全開状態では分離バイパス流路７
５は全閉状態とされる。なお、各空気分離部１６は空気
配管に対してフランジ部１６ｍ、１６ｎ、１６ｏでボル
ト等を介して着脱可能に連結され、それら着脱可能な連
結部は各バルブ１６ｇ、１６ｈ、１６ｉよりも選択透過
膜１６ａ側に配置されている。これにより、空気の導入
ポート１６ｄ、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ、窒素
富化ガスの排出ポート１６ｆを全閉状態にすれば、空気
分離部１６の破損に対処できるだけでなく保守点検や交
換を空調空気を流動させた状態で容易に行うことができ
る。なお、図３に示すように、窒素富化ガス排出側バル
ブ１６ｉと燃料周囲領域１５との間の配管は、空気分離
部１６と航空機の機外とを連絡する外部連絡流路を構成
する。その外部連絡流路に絞り部Ｅ１が設けられてい
る。その絞り部Ｅ１は固定絞りでも可変絞り弁でもよ
い。これにより、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉが開
き状態で固着される事態が生じても、キャビン８に供給
されるべき空気が機外に過剰に流出するのを阻止でき
る。例えば、その窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉが全
開になることで絞り部Ｅ１の上流側と下流側の圧力比が
最大（例えば約1.9 以上）になっても規定流量（例えば
１０ＬＢＳ／ｍｉｎ）以上のガスは絞り部Ｅ１の下流で
は流れないようにできる。

【００２４】上記実施形態の空気調和装置を備えた航空
機が地上にある時の冷房状態においては、流量制御バル
ブ３９を開状態にすることで、コンプレッサ３と膨張タ
ービン５とから構成されるエアサイクル式冷却装置をフ
ルに作動することができる。この場合、開閉バルブ４１
は必要に応じて開度を選択すればよい。すなわち、開閉
バルブ４１を全開とすることで、空気分離部１６に空気
を導入しないようにできる。これにより、地上において
燃料が積み込まれることで燃料タンクの内部における空
洞容積が小さくなり、地上走行（タキシング）を含めて
も燃料消費が僅かであり、気圧の変化がないことによ
り、燃料周囲領域１５への窒素富化ガスの追加供給が不
要な場合に対応できる。あるいは、開閉バルブ４１を閉
じることで、空気分離部１６に空気を導入することがで
きる。これにより、航空機が地上で待機している間に燃
料タンクから蒸発する燃料ガスを、空気分離部１６から
供給する窒素富化ガスにより希釈して安全性を向上する
ことが可能になる。また、地上が高温多湿である場合、
開閉バルブ４１を閉じることで、選択透過膜１６ａは水
分透過率が高いことから空気中の水分を機外に放出する
ことができる。これにより、膨張タービン５に導入され
る空気中の水分が減少し、凝縮熱の発生が低減されるの
で、冷却能力を向上すると共にキャビン８内の湿度を低
減することが可能になる。また、高温多湿の地上での冷
房状態において、キャビン８から流出した空気から水分
を捕捉した吸着部８３の吸着剤の再生を行うことができ
る。その再生に用いられた水分を多く含んだ空気は、第
３切替えバルブ２７を介して機外空間１４に放出され
る。これにより、地上での冷房時は、キャビン８内の水
分を吸着部８３において補足して放出するので、キャビ
ン８内の湿度上昇を抑制して快適性を向上でき、さら
に、キャビン８から流出されて吸着部８３から流出する
水分除去された空気は、第４切替えバルブ３６からキャ
ビン８に還流される。

【００２５】航空機が離陸し上昇する状態においては、
エンジン１の出力が上がるために抽出空気の圧力が高く
なる。このため、エアサイクル式冷却装置におけるター
ビン５での膨張比が大きくなり、より低温の空気が供給
される。この場合、エアサイクル式冷却装置から供給さ
れる空気によりキャビン８内の温度が過剰に低下するの
を防止する必要がある。また、航空機の上昇状態におい
ては外気の温度と水蒸気量とが急激に低下するため、キ
ャビン８内の湿度が過剰に低下するのを防止する必要が
ある。そのため、吸着部８３において再生された暖かく
水分を含む空気が、第３切替えバルブ２７を介してキャ
ビン８に供給される。また、放熱器１９を航空機の上昇
中の状態に応じて機能させることで、キャビン８から流
出されて吸着部８３から流出する水分除去された空気
は、切替えバルブ３６からキャビン８に還流され、キャ
ビン８は適切な温度、湿度に維持される。また、上昇状
態においては、開閉バルブ４１の開度を次第に絞ること
で、空気分離部１６に供給される空気を次第に増加させ
る。これにより、燃料消費に応じた量の窒素富化ガスが
空気分離部１６から燃料周囲領域１５に供給される。さ
らに抽出空気の供給圧が高いため、膨張タービン５の膨
張エネルギの方がコンプレッサ３の圧縮仕事よりも著し
く大きい場合は、モータ６ａを発電機として機能させエ
ネルギ回収をすることも考えられる。

【００２６】航空機が高々度で巡航する状態において
は、キャビン８から流出されて吸着部８３から流出する
水分除去された空気は、混合前コンプレッサ１７で昇圧
された後に切替えバルブ３６からコンプレッサ３に導か
れる。これにより、上昇終了後にエンジン１の出力が絞
られることで抽出空気量を減少させても、エアサイクル
式冷却装置および空気分離部１６に導入される空気量を
確保できる。この時、開閉バルブ４１がかなり絞られ
る。空気分離部１６において酸素が濃縮された空気が膨
張タービン５に導入される。さらに、吸着部８３におい
て加湿された空気が第３切替えバルブ２７からキャビン
８に導入される。これにより、キャビン８に導入される
空気量を確保し、キャビン８内の酸素分圧低下を防止
し、さらに湿度を維持することで快適性を維持できる。
また、空気分離部１６からは窒素富化ガスが燃料周囲領
域１５に供給される。なお、高々度で巡航する際は機外
空気は低温となるため、熱交換器２、４に流入する機外
空気を絞る弁や、機外空気が熱交換器２、４をバイパス
するためのバイパス流路と流路切替え弁をラム空気路に
設けるのが好ましい。

【００２７】航空機が降下する状態においては、燃料タ
ンクの内部における空洞容積は燃料が消費された結果大
きくなっており、また、降下による気圧上昇があること
から、燃料周囲領域１５へ窒素富化ガスを大量供給する
必要がある。一方、エンジン１の出力は降下時は極端に
絞られるため、エアサイクル式冷却装置に供給される抽
出空気圧力が低く、抽気量確保が難しくなる。そこで、
キャビン８から流出される空気を切替えバルブ３６から
コンプレッサ３に導くことで循環空気量を増やし、エア
サイクル式冷却装置における抽出空気量の低下を補う。
また、開閉バルブ４１が全閉とされ、空気分離部１６か
らは窒素富化ガスが燃料周囲領域１５に供給される。さ
らに、吸着部８３において加湿された空気も第３切替え
バルブ２７からキャビン８に導入され、キャビン８への
空気供給量の低下を防止する。

【００２８】上記実施形態によれば、酸素濃縮空気をキ
ャビン８に供給することで有効利用でき、また、循環空
気とエンジン１からの抽出空気とが混合後に空気分離部
１６に導入されるので、エンジン抽出空気量を抑制して
エンジン負荷を軽減できる。空気の導入ポート１６ｄと
酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅとを同時に全閉状態に
することで、空気分離部１６と空気調和装置との間にお
ける空気の流れを遮断することができる。また、窒素富
化ガスの排出ポート１６ｆを閉鎖することで酸素濃度の
高い空気が燃料周囲領域１５に導入されるのを防止でき
る。さらに、各空気分離ユニットＵにおいて空気の導入
ポート１６ｄ、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ、窒素
富化ガスの排出ポート１６ｆを全閉状態とすることで、
各空気分離部１６は空気流路からの切り離しが可能とさ
れている。これにより、空気分離部１６が破損しても、
その破損した空気分離部１６を空気流路から切り離し、
分離バイパス流路７５を介して空気を膨張タービン５に
導くことができる。よって、各空気分離部１６がコンプ
レッサ３による圧縮後であって膨張タービン５による膨
張前の冷却処理ユニットＡにおける最も昇圧された空気
流路に組込まれるものであっても、その破損による悪影
響を防止できる。また、保守点検や交換が容易になる。
なお、その空気分離部１６の破損の有無は、例えば空気
分離部１６内の圧力検出センサの信号をコントローラ２
５に送って判断すればよい。また、窒素富化ガスの必要
流量に応じて使用する空気分離部１６の数を選択する運
用ができ、さらに冗長性を持たせることで空気分離部１
６の破損に対処できる。さらに、分離バイパス流路７５
の開度を開閉バルブ４１により調節することで、飛行条
件に応じて窒素富化空気の流量と空調空気の流量との比
を調節できる。

【００２９】図６は空気分離ユニットＵの変形例を示
す。すなわち、各空気分離ユニットＵそれぞれにおい
て、導入側バルブ１６ｇと酸素濃縮空気排出側バルブ１
６ｈと窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉとが共通シャフ
トを介してバルブアクチュエータ７３により駆動される
ことで空気の導入ポート、酸素濃縮空気の排出ポート、
窒素富化ガスの排出ポートが開閉され、また、開閉バル
ブ４１がバルブアクチュエータ７３とは別の第２バルブ
アクチュエータ１７３により駆動されることで分離バイ
パス流路７５が開閉される。さらに冗長性を持たせるた
め、補助窒素富化ガス排出側バルブ１１６ｉが補助バル
ブアクチュエータ１７３により駆動されることで窒素富
化ガスの排出ポートが開閉され、また、補助開閉バルブ
１４１が第２補助バルブアクチュエータ２７３により駆
動されることで分離バイパス流路７５が開閉される。

【００３０】図７〜図９は本発明の第２実施形態の航空
機用空気調和装置に関し、第１実施形態と同様部分は同
一符号で示して相違点を説明する。図７に示すように、
第２実施形態においては、ラジアルコンプレッサ３で圧
縮され、メインクーラ４、再生熱交換機４ａで冷却さ
れ、ウォータセパレータ７で水分除去された空気は、常
開の空気流路７５′と互いに並列に接続された複数の空
気分離ユニットＵ′とに導かれる。各空気分離ユニット
Ｕ′は第１〜第３コントロールバルブ４１ａ、４１ｂ、
４１ｃに接続される。各コントロールバルブ４１ａ、４
１ｂ、４１ｃはコントローラからの信号により開度調整
される。各空気分離ユニットＵ′から窒素富化ガスと酸
素濃縮空気とが排出され、窒素富化ガスは第１コントロ
ールバルブ４１ａを介して燃料タンク内部や燃料配管領
域等の燃料周囲領域１５に導かれた後に、放出路を通っ
て機外空間１４に放出される。酸素濃縮空気は、第２コ
ントロールバルブ４１ｂを介して機外空間１４に放出可
能とされ、第３コントロールバルブ４１ｃを介してキャ
ビン８に導入可能とされている。各コントロールバルブ
４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度調整により空気分離ユニ
ットＵ′を通過する空気流量が調整可能とされている。
その空気流路７５′に導かれた空気は膨張タービン５で
ほぼ断熱的に膨張される。これにより、コンプレッサ３
と膨張タービン５とにより構成されるエアサイクル式冷
却装置により冷気が生成される。その冷気は第１実施形
態と同様にキャビン８に導入される。そのラジアルコン
プレッサ３、メインクーラ４、再生熱交換機４ａ、膨張
タービン５、モータ６ａ、ウォータセパレータ７および
空気分離ユニットＵ′により冷却処理ユニットＡ′が構
成されている。

【００３１】図８に示すように、複数（本実施形態では
４ユニット）の空気分離ユニットＵ′それぞれは、互い
に接続されると共に上記空気流路７５′に接続される空
気導入口Ｕ１′と、互いに接続されると共に上記第１コ
ントロールバルブ４１ａを介して上記燃料周囲領域１５
に接続される窒素富化ガス排出口Ｕ３′と、互いに接続
される酸素濃縮空気排出口Ｕ２′とを有する。各酸素濃
縮空気排出口Ｕ２′は第２コントロールバルブ４１ｂを
介して機外空間１４に接続され、第３コントロールバル
ブ４１ｃを介してキャビン８に接続される。

【００３２】図９に示すように、各空気分離部１６′は
選択透過膜１６ａ′を有する。その選択透過膜１６ａ′
は、空気中の酸素（Ｏ₂ ）の透過率が窒素（Ｎ₂ ）の透
過率よりも高くされている。これにより、コンプレッサ
３により圧縮された空気は、再生熱交換機４ａで冷却さ
れてウォータセパレータ７を通過した後に、空気分離部
１６′により窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離され
る。本実施形態では、各空気分離部１６′を構成する選
択透過膜１６ａ′は多数の中空糸膜からなり、それら中
空糸膜は容器１６ｃ′に収納されると共にエポキシ等の
樹脂製バインダ１６ｂ′の中に両端が埋設されることで
束ねられ、そのバインダ１６ｂ′により容器１６ｃ′の
内周と中空糸膜の両端外周との間が封鎖される。その容
器１６ｃ′の一端開口は、各中空糸膜の一端開口と上記
空気導入口Ｕ１′とに接続されることでコンプレッサ３
により圧縮された空気を導入するための空気の導入ポー
ト１６ｄ′とされる。その容器１６ｃ′の他端開口は、
各中空糸膜の他端開口と上記窒素富化ガス排出口Ｕ３′
とに接続される窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′とさ
れている。その容器１６ｃ′の両端間に形成された開口
は、各中空糸膜の両端間外周と上記酸素濃縮空気排出口
Ｕ２′とに接続される酸素濃縮空気の排出ポート１６
ｅ′とされる。これにより、空気の導入ポート１６ｄ′
は上記ウォータセパレータ７に接続され、窒素富化ガス
の排出ポート１６ｆ′から排出される窒素富化ガスは燃
料周囲領域１５に導入可能とされている。また、酸素濃
縮空気の排出ポート１６ｅから排出される酸素濃縮空気
は膨張タービン５を介することなくキャビン８に導入可
能とされている。すなわち、選択透過膜１６ａ′を透過
することで減圧された酸素濃縮空気を膨張タービン５を
介することなくキャビン８に導入でき、コンプレッサ３
出口と膨張タービン５入口との間に圧力降下する物の存
在を減少させた結果この間の圧力差を小さくすることに
より構成されるエアサイクル式冷却装置の効率低下を防
止できる。

【００３３】各空気分離部１６′における空気の導入ポ
ート１６ｄ′を開閉する導入側バルブ１６ｇ′と、酸素
濃縮空気の排出ポート１６ｅ′を開閉する酸素濃縮空気
排出側バルブ１６ｈ′と、窒素富化ガスの排出ポート１
６ｆ′を開閉する窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉ′と
が設けられている。各バルブ１６ｇ′、１６ｈ′、１６
ｉ′により空気の導入ポート１６ｄ′、酸素濃縮空気の
排出ポート１６ｅ′および窒素富化ガスの排出ポート１
６ｆ′は同時に全閉可能とされている。各バルブ１６
ｇ′、１６ｈ′、１６ｉ′は第１実施形態と同様のバタ
イフライ弁等により構成できる。また、各空気分離部１
６′も空気配管に対して第１実施形態と同様にフランジ
部を介して着脱可能に連結され、その連結部は各バルブ
１６ｇ′、１６ｈ′、１６ｉ′よりも選択透過膜１６
ａ′側に配置される。これにより、空気の導入ポート１
６ｄ′、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′、窒素富化
ガスの排出ポート１６ｆ′を全閉状態にすれば、空気分
離部１６の破損に対処できるだけでなく保守点検や交換
を空調空気を流動させた状態で容易に行うことができ
る。なお、第１コントロールバルブ４１ａと燃料周囲領
域１５との間の配管と、第２コントロールバルブ４１ｂ
と機外空間１４との間の配管は空気分離部１６′と機外
とを連絡する外部連絡流路を構成する。図３に示すよう
に、各外部連絡流路に絞り部Ｅ１、Ｅ２が設けられてい
る。各絞り部Ｅ１、Ｅ２は固定絞りでも可変絞り弁でも
よい。これにより、第１コントロールバルブ４１ａや第
２コントロールバルブ４１ｂが開き状態で固着される事
態が生じても、キャビン８に供給されるべき空気が機外
に過剰に流出するのを阻止できる。他は第１実施形態と
同様とされている。

【００３４】本発明は上記各実施形態に限定されない。
例えば、空気分離部の空気の導入ポート、窒素富化ガス
の排出ポート、酸素濃縮空気の排出ポートの開閉手段は
バタフライ弁に限定されず、板状の弁体がスライドする
ことで各ポートを開閉するようなものでもよい。また、
選択透過膜を構成する各中空糸膜をＵ字状に折り曲げる
ことで、空気の導入ポートと酸素濃縮空気の排出ポート
とを同一面上に配置し、１枚の板状の弁体をスライドさ
せたり、２枚の同一構造のバタフライ弁を同一軸中心に
回転させることで両ポートを開閉してもよい。また、第
２実施形態において酸素濃縮空気を機外空間に放出しな
いようにしてもよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、空気分離部から排出さ
れる窒素富化ガスだけでなく酸素濃縮空気も有効利用で
き、空気分離ユニットに導入される空気の量と圧力を確
保でき、しかも空気分離部が破損しても装置全体に悪影
響を及ぼすことがなく、飛行条件に応じた適正な運転が
できる航空機用空気調和装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置
の構成説明図

【図２】本発明の実施形態の航空機用空気調和装置にお
ける吸着部の構成説明図

【図３】本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置
における空気分離ユニットの配置説明図

【図４】本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置
における空気分離ユニットの構成説明図

【図５】本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置
における空気分離ユニットにおけるバルブ構成例を示す
図

【図６】本発明の第１実施形態の変形例の航空機用空気
調和装置における空気分離ユニットの構成例を示す図

【図７】本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置
の構成説明図

【図８】本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置
における空気分離ユニットの配置説明図

【図９】本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置
における空気分離ユニットの構成説明図

【符号の説明】

１エンジン３コンプレッサ５膨張タービン８キャビン１５燃料周囲領域１６、１６′ 空気分離部１６ａ、１６ａ′ 選択透過膜１６ｄ、１６ｄ′ 空気の導入ポート１６ｅ、１６ｅ′ 酸素濃縮空気の排出ポート１６ｆ、１６ｆ′ 窒素富化ガスの排出ポート１６ｇ、１６ｇ′ 導入側バルブ１６ｈ、１６ｈ′ 酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｉ、１６ｉ′ 窒素富化ガス排出側バルブ４１開閉バルブ７５分離バイパス流路７５′ 空気流路

フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA41 HA26 JA14Z JA18Z JA56Z JA59Z JA63Z KA72 KB12 KE22Q MB04 PB17 PB62 PB63 PC80

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンプレッサにより圧縮された空気を膨張
タービンにより膨張させることで生成される冷気をキャ
ビン内に導入する航空機用空気調和装置において、その
コンプレッサにより圧縮された空気を窒素富化ガスと酸
素濃縮空気とに分離する選択透過膜を有する空気分離部
が設けられ、その空気分離部は、そのコンプレッサによ
り圧縮された空気の導入ポートと、その窒素富化ガスの
排出ポートと、その酸素濃縮空気の排出ポートとを有
し、その窒素富化ガスは航空機の燃料周囲領域に導入可
能とされ、その酸素濃縮空気はキャビンに導入可能とさ
れ、その空気の導入ポートと酸素濃縮空気の排出ポート
とを開閉する手段が設けられ、その空気の導入ポートと
酸素濃縮空気の排出ポートとを同時に全閉可能であるこ
とを特徴とする航空機用空気調和装置。
【請求項２】前記選択透過膜は窒素透過率が酸素透過率
よりも高くされ、前記酸素濃縮空気の排出ポートは前記
膨張タービンに接続され、前記コンプレッサと膨張ター
ビンとの間の空気流路における前記空気の導入ポートの
上流と前記酸素濃縮空気の排出ポートの下流とを連絡す
る分離バイパス流路と、その分離バイパス流路の開度変
更手段とが設けられ、その酸素濃縮空気の排出ポートか
ら排出される酸素濃縮空気は前記膨張タービンを介して
キャビンに導入可能とされ、その分離バイパス流路の開
度は、前記空気の導入ポートと酸素濃縮空気の排出ポー
トの開度が小さくなると大きくなる請求項１に記載の航
空機用空気調和装置。
【請求項３】前記選択透過膜は酸素透過率が窒素透過率
よりも高くされ、前記空気の導入ポートは前記コンプレ
ッサと膨張タービンとの間の常開の空気流路に接続さ
れ、前記酸素濃縮空気の排出ポートから排出される酸素
濃縮空気は前記膨張タービンを介することなくキャビン
に導入可能とされている請求項１に記載の航空機用空気
調和装置。
【請求項４】複数の空気分離部を備え、各空気分離部は
互いに独立して空気の導入ポートと酸素濃縮空気の排出
ポートとを開閉可能である請求項１〜３の中の何れかに
記載の航空機用空気調和装置。
【請求項５】前記窒素富化ガスの排出ポートを開閉する
手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜４の
中の何れかに記載の航空機用空気調和装置。
【請求項６】前記窒素富化ガスの排出ポートを、前記空
気の導入ポートおよび酸素濃縮空気の排出ポートと同時
に全閉可能である請求項５に記載の航空機用空気調和装
置。
【請求項７】コンプレッサにより圧縮された空気を膨張
タービンにより膨張させることで生成される冷気をキャ
ビン内に導入する航空機用空気調和装置において、その
コンプレッサにより圧縮された空気を窒素富化ガスと酸
素濃縮空気とに分離する選択透過膜を有する空気分離部
が設けられ、その空気分離部は、そのコンプレッサによ
り圧縮された空気の導入ポートと、その窒素富化ガスの
排出ポートと、その酸素濃縮空気の排出ポートとを有
し、その窒素富化ガスの排出ポートから排出される窒素
富化ガスは航空機の燃料周囲領域に導入可能とされ、そ
の酸素濃縮空気の排出ポートから排出される酸素濃縮空
気はキャビンに導入可能とされ、その窒素富化ガスの排
出ポートを開閉する手段が設けられていることを特徴と
する航空機用空気調和装置。
【請求項８】そのキャビンから流出する空気を再びキャ
ビンに戻すリサキュレーション空気流路を備え、そのキ
ャビンから流出して再びキャビンに戻る循環空気と航空
機のエンジンからの抽出空気とが混合後に前記空気分離
部に導入される請求項１〜７の中の何れかに記載の航空
機用空気調和装置。
【請求項９】前記空気分離部と航空機の機外とを連絡す
る外部連絡流路が設けられ、その外部連絡流路に絞り部
が設けられている請求項１〜８の中の何れかに記載の航
空機用空気調和装置。