JP2003511311A - 液体サイクル副装置を備えた空気サイクル環境制御システム - Google Patents
液体サイクル副装置を備えた空気サイクル環境制御システムInfo
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- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
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- B64D2013/0614—Environmental Control Systems with subsystems for cooling avionics
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Abstract
(57)【要約】
水蒸気含有空気を調和し、液体負荷(51)を冷却する液体対空気式のサイクル装置は、空気サイクル副装置(11)と液体サイクル副装置(12)とを有する。空気サイクル副装置は第1の空気対空気式の熱交換器(21)と、第1の空気対空気式の熱交換器の下流に位置する再加熱器(25)と、再加熱器の下流に位置する第1のタービン(29)と、第1のタービンの下流に位置する第1の水抽出器(31)と、水抽出器の下流に位置する第1の液体対空気式の熱交換器(33)と、第1の液体対空気式の熱交換器の下流に位置する第2のタービンとを有する。これにより、第2のタービン(38)は第1の液体対空気式の熱交換器から放出された熱を回収することができる。液体サイクル副装置は、第1の液体対空気式の熱交換器が液体サイクル副装置から放出された熱を吸収するように、第1の液体対空気式の熱交換器において空気サイクル副装置に対して熱交換関係にある。
Description
【0001】
本発明は一般に環境制御システム(ECS)及び空気サイクル装置(ACCS
)に関する。特に、本発明は改善されたACCS及び、装置の寸法及び抽気消費
を減少させ、かつ水除去効率を改善しながら、水蒸気含有圧縮空気を調和し、液
体負荷から廃エネルギを回収する改善された方法に関する。
)に関する。特に、本発明は改善されたACCS及び、装置の寸法及び抽気消費
を減少させ、かつ水除去効率を改善しながら、水蒸気含有圧縮空気を調和し、液
体負荷から廃エネルギを回収する改善された方法に関する。
【0002】
ACCSは航空機の機室や操縦室の如き囲い内へ調和された空気を供給するた
めに使用される。従来、ACCSは一体の液体ループを備えた空気対空気式サイ
クルの冷却装置を利用していた。しかし、液体ループはレーダー又は他の航空電
子工学機器を冷却することが主目的であり、調和すべき空気を冷却するものでは
なかった。このような装置においては、抽気の流れは多圧縮段を有するジェット
エンジン内の中間即ち高圧段から取り込まれる。抽気は普通主熱交換器内で予備
冷却され、熱はRAM空気へ放出され、次いでコンプレッサへ流れていた。圧縮
後、空気は第2の熱交換器を通るように送られていた。次に、空気は典型的には
空気対空気式の再加熱熱交換器へ流され、次いで空気対空気式の凝縮(コンデン
サ)熱交換器へ流される。
めに使用される。従来、ACCSは一体の液体ループを備えた空気対空気式サイ
クルの冷却装置を利用していた。しかし、液体ループはレーダー又は他の航空電
子工学機器を冷却することが主目的であり、調和すべき空気を冷却するものでは
なかった。このような装置においては、抽気の流れは多圧縮段を有するジェット
エンジン内の中間即ち高圧段から取り込まれる。抽気は普通主熱交換器内で予備
冷却され、熱はRAM空気へ放出され、次いでコンプレッサへ流れていた。圧縮
後、空気は第2の熱交換器を通るように送られていた。次に、空気は典型的には
空気対空気式の再加熱熱交換器へ流され、次いで空気対空気式の凝縮(コンデン
サ)熱交換器へ流される。
【0003】
凝縮された水蒸気は水抽出器により抽出され、次いで第2の熱交換器へ送られ
、そこで蒸発される。除湿された空気は第2の熱交換器から再加熱器へ、次いで
タービン内へ移動する。タービンからの膨張した空気は冷却媒体として収容部内
のコンデンサを通って流れる。コンデンサからの空気流が液体対空気式の熱交換
器を通って流れるとき、液体ループからの比較的暖かな液体が冷却され、次いで
航空電子工学機器を冷却するために使用される。空気流が液体対空気式の熱交換
器を通って移動した後、流れは機室への供給源となる。
、そこで蒸発される。除湿された空気は第2の熱交換器から再加熱器へ、次いで
タービン内へ移動する。タービンからの膨張した空気は冷却媒体として収容部内
のコンデンサを通って流れる。コンデンサからの空気流が液体対空気式の熱交換
器を通って流れるとき、液体ループからの比較的暖かな液体が冷却され、次いで
航空電子工学機器を冷却するために使用される。空気流が液体対空気式の熱交換
器を通って移動した後、流れは機室への供給源となる。
【0004】
液体ループを備えた上述の従来のACCSは、利点を提供するが、欠点をも提
供した。例えば、液体負荷は典型的には冷却空気供給源内へ直接放出される。液
体負荷が大きい場合、普通、液体負荷は所望の供給温度以上に空気を暖めてしま
う。これは、負荷を収容するためにACCSがその寸法を増大させなければなら
ないことを意味する。コンデンサ及び再加熱器の必要性が装置を大型化してしま
う。もちろん、一層少ない数の素子でも、一定量の空間内で一層大きな冷却能力
を達成できる。ACCSを改造した部品として使用する場合、一層大型化した装
置の寸法は、改造すべき異なる空間内へACCSを導入するための機会を一層少
なくすることを意味する。
供した。例えば、液体負荷は典型的には冷却空気供給源内へ直接放出される。液
体負荷が大きい場合、普通、液体負荷は所望の供給温度以上に空気を暖めてしま
う。これは、負荷を収容するためにACCSがその寸法を増大させなければなら
ないことを意味する。コンデンサ及び再加熱器の必要性が装置を大型化してしま
う。もちろん、一層少ない数の素子でも、一定量の空間内で一層大きな冷却能力
を達成できる。ACCSを改造した部品として使用する場合、一層大型化した装
置の寸法は、改造すべき異なる空間内へACCSを導入するための機会を一層少
なくすることを意味する。
【0005】
米国特許第4,430,867号明細書における液体冷却ループを備えた空気
サイクル装置の特定の例においては、圧縮された抽気は液体/空気コンデンサ内
へ移動する。液体/空気コンデンサから、空気は水収集器を通り、次いでタービ
ンへ直接移動する。従って、タービン内への空気は再加熱されていない。タービ
ンから、膨張した空気は第1の液体/空気吸熱交換器を通過し、次いで機室内へ
至る。液体ループにおいては、加熱された液体は第1の液体/空気吸熱交換器の
上流面で氷融解として使用するために液体/空気コンデンサから移動する。次い
で、液体は機室の内部の第2の液体/空気吸熱交換器を通って移動し、液体/空
気コンデンサへ戻る。従って、液体負荷(即ち、第2の液体/空気吸熱交換器)
からの液体はタービンの入口で水を凝縮させ、除去するために使用されている。
少なくとも明白に明らかに処理できないことは、液体ループにより放出された熱
を回収する問題である。
サイクル装置の特定の例においては、圧縮された抽気は液体/空気コンデンサ内
へ移動する。液体/空気コンデンサから、空気は水収集器を通り、次いでタービ
ンへ直接移動する。従って、タービン内への空気は再加熱されていない。タービ
ンから、膨張した空気は第1の液体/空気吸熱交換器を通過し、次いで機室内へ
至る。液体ループにおいては、加熱された液体は第1の液体/空気吸熱交換器の
上流面で氷融解として使用するために液体/空気コンデンサから移動する。次い
で、液体は機室の内部の第2の液体/空気吸熱交換器を通って移動し、液体/空
気コンデンサへ戻る。従って、液体負荷(即ち、第2の液体/空気吸熱交換器)
からの液体はタービンの入口で水を凝縮させ、除去するために使用されている。
少なくとも明白に明らかに処理できないことは、液体ループにより放出された熱
を回収する問題である。
【0006】
本出願人に係る米国特許第5,906,111号は空気サイクル副装置及び液
体サイクル副装置を提供する。空気サイクルは液体対空気式のコンデンサへ、次
いで水抽出器へ圧縮空気を提供する。水抽出器からの除湿された空気は液体対空
気式の再加熱器及びタービン内へ移動し、次いで第1及び第2の液体対空気式の
熱交換器内へ移動する。第2の液体対空気式の熱交換器からの空気は囲いを冷却
するために使用される。液体サイクルは第1の液体対空気式の熱交換器、コンデ
ンサ、再加熱器及び次いで第2の液体対空気式の熱交換器を通して液体を流通さ
せる。これにより、液体サイクルは空気サイクル内の空気からの水の除去を補助
する。液体負荷からの廃エネルギの一部は回収されるが、一層大きな効率を依然
として達成することができるはずである。
体サイクル副装置を提供する。空気サイクルは液体対空気式のコンデンサへ、次
いで水抽出器へ圧縮空気を提供する。水抽出器からの除湿された空気は液体対空
気式の再加熱器及びタービン内へ移動し、次いで第1及び第2の液体対空気式の
熱交換器内へ移動する。第2の液体対空気式の熱交換器からの空気は囲いを冷却
するために使用される。液体サイクルは第1の液体対空気式の熱交換器、コンデ
ンサ、再加熱器及び次いで第2の液体対空気式の熱交換器を通して液体を流通さ
せる。これにより、液体サイクルは空気サイクル内の空気からの水の除去を補助
する。液体負荷からの廃エネルギの一部は回収されるが、一層大きな効率を依然
として達成することができるはずである。
【0007】
米国特許第4,430,867号明細書に示した空気サイクル装置の変形例は
米国特許第5,086,622号明細書に示され、これら両方の発明は同じ発明
者による。後者においては、抽気はコンプレッサ内で圧縮され、次いで空気対空
気式のコンデンサ内へ流される。水蒸気が凝縮され、次いで抽出されると、除湿
された空気は膨張のために第1のタービンへ移動する。第1のタービンからの排
出空気はコンデンサ次いで第2のタービンへ戻るように移動する。第2のタービ
ンから、空気を機室へ供給することができる。この設計においては、除湿された
空気は第1のタービンへ入る前に再加熱器を通って流れない。これは、少なくと
も1つの欠点を提供する。その理由は、第1のタービンの入口流れ内に残存する
凝縮された水滴が冷えたタービンの羽根及び出口壁に衝突し、金属の温度が凍結
温度よりも低い場合に凍結を生じるからである。次いで、氷は迅速に蓄積し、目
詰まりを避けるために氷を直ちに融解しなければならない。
米国特許第5,086,622号明細書に示され、これら両方の発明は同じ発明
者による。後者においては、抽気はコンプレッサ内で圧縮され、次いで空気対空
気式のコンデンサ内へ流される。水蒸気が凝縮され、次いで抽出されると、除湿
された空気は膨張のために第1のタービンへ移動する。第1のタービンからの排
出空気はコンデンサ次いで第2のタービンへ戻るように移動する。第2のタービ
ンから、空気を機室へ供給することができる。この設計においては、除湿された
空気は第1のタービンへ入る前に再加熱器を通って流れない。これは、少なくと
も1つの欠点を提供する。その理由は、第1のタービンの入口流れ内に残存する
凝縮された水滴が冷えたタービンの羽根及び出口壁に衝突し、金属の温度が凍結
温度よりも低い場合に凍結を生じるからである。次いで、氷は迅速に蓄積し、目
詰まりを避けるために氷を直ちに融解しなければならない。
【0008】
ヨーロッパ特許第248,578B1号明細書に示された空気サイクル装置に
おいては、コンプレッサは空気流を圧縮し、次いで空気は冷却剤加熱交換器を通
って移動する。次いで、空気は第1のタービンを通過し、第1の負荷熱交換器内
へ至る。その後、空気は第2のタービン次いで第2の負荷熱交換器内へ送られる
。第1及び第2の負荷熱交換器は熱負荷との熱交換を行い、空気又は他の媒体に
より冷却される。しかし、水が空気から抽出されること及びどのようにして抽出
されるかの開示はない。また、特定の設計を達成できるように2段タービン間で
負荷をどのように平衡させるかの記載もない。
おいては、コンプレッサは空気流を圧縮し、次いで空気は冷却剤加熱交換器を通
って移動する。次いで、空気は第1のタービンを通過し、第1の負荷熱交換器内
へ至る。その後、空気は第2のタービン次いで第2の負荷熱交換器内へ送られる
。第1及び第2の負荷熱交換器は熱負荷との熱交換を行い、空気又は他の媒体に
より冷却される。しかし、水が空気から抽出されること及びどのようにして抽出
されるかの開示はない。また、特定の設計を達成できるように2段タービン間で
負荷をどのように平衡させるかの記載もない。
【0009】
理解されるように、一定の空間に対して一層大きな冷却能力を達成できるよう
に寸法を小さくした液体ループを備えたACCSの要求がある。また、比較的小
さな寸法故に、一層広い環境内で改造された部品として使用できるACCSの要
求がある。更に、冷却媒体として抽気を一層有効に利用できるACCSが要求さ
れる。また、ACCSが液体サイクル装置から廃熱エネルギを回収できるように
する環境制御システムの要求もある。更に別の要求は、凝縮熱を回収でき顕著な
冷却を達成できるACCSである。
に寸法を小さくした液体ループを備えたACCSの要求がある。また、比較的小
さな寸法故に、一層広い環境内で改造された部品として使用できるACCSの要
求がある。更に、冷却媒体として抽気を一層有効に利用できるACCSが要求さ
れる。また、ACCSが液体サイクル装置から廃熱エネルギを回収できるように
する環境制御システムの要求もある。更に別の要求は、凝縮熱を回収でき顕著な
冷却を達成できるACCSである。
【0010】
本発明の1つの態様においては、調和された空気として供給するために水蒸気
含有空気を調和し、液体負荷を冷却する方法は、第1の熱交換器と、第1の熱交
換器の下流に位置する再加熱器と、再加熱器の下流に位置し、実質上すべての水
蒸気を凝縮する第1のタービンと、第1のタービンの下流に位置する第2の熱交
換器と、再加熱器の下流に位置する第2のタービンと、第2のタービンの下流に
位置する第3の熱交換器とを有する空気サイクル副装置を提供する工程;及び、
第2のタービンが液体サイクル副装置からの熱エネルギを有用なエネルギに変換
できるように第2及び第3の熱交換器において生じるような熱交換関係で、空気
サイクル副装置に対して液体サイクル副装置を配置する工程を有する。
含有空気を調和し、液体負荷を冷却する方法は、第1の熱交換器と、第1の熱交
換器の下流に位置する再加熱器と、再加熱器の下流に位置し、実質上すべての水
蒸気を凝縮する第1のタービンと、第1のタービンの下流に位置する第2の熱交
換器と、再加熱器の下流に位置する第2のタービンと、第2のタービンの下流に
位置する第3の熱交換器とを有する空気サイクル副装置を提供する工程;及び、
第2のタービンが液体サイクル副装置からの熱エネルギを有用なエネルギに変換
できるように第2及び第3の熱交換器において生じるような熱交換関係で、空気
サイクル副装置に対して液体サイクル副装置を配置する工程を有する。
【0011】
本発明の別の態様においては、水蒸気含有空気を調和し、液体負荷を冷却する
液体対空気式のサイクル装置は、第1の空気対空気式の熱交換器と、第1の空気
対空気式の熱交換器の下流に位置する再加熱器と、再加熱器の下流に位置する第
1のタービンと、第1のタービンの下流に位置する第1の水抽出器と、水抽出器
の下流に位置する第1の液体対空気式の熱交換器と、第1の液体対空気式の熱交
換器の下流に位置し、第1の液体対空気式の熱交換器から放出された熱を回収で
きる第2のタービンとを備えた空気サイクル副装置;及び、第1の液体対空気式
の熱交換器が液体サイクル副装置から放出された熱を吸収するように、第1の液
体対空気式の熱交換器において空気サイクル副装置に対して熱交換関係にある液
体サイクル副装置を有する。 本発明のこれら及び他の特徴、態様並びに利点は添付図面、説明及び特許請求
の範囲を参照することにより一層良好に理解できよう。
液体対空気式のサイクル装置は、第1の空気対空気式の熱交換器と、第1の空気
対空気式の熱交換器の下流に位置する再加熱器と、再加熱器の下流に位置する第
1のタービンと、第1のタービンの下流に位置する第1の水抽出器と、水抽出器
の下流に位置する第1の液体対空気式の熱交換器と、第1の液体対空気式の熱交
換器の下流に位置し、第1の液体対空気式の熱交換器から放出された熱を回収で
きる第2のタービンとを備えた空気サイクル副装置;及び、第1の液体対空気式
の熱交換器が液体サイクル副装置から放出された熱を吸収するように、第1の液
体対空気式の熱交換器において空気サイクル副装置に対して熱交換関係にある液
体サイクル副装置を有する。 本発明のこれら及び他の特徴、態様並びに利点は添付図面、説明及び特許請求
の範囲を参照することにより一層良好に理解できよう。
【0012】
図1は本発明の好ましい実施の形態に係る液体対空気サイクル装置即ち環境制
御システム(ECS)10を概略的に示す。ECS10は液体サイクル副装置1
2に対して熱交換関係にある空気サイクル副装置11を有する。詳細には、空気
サイクル装置11は主熱交換器16と、コンプレッサ19と、補助の熱交換器2
1と、第1の熱交換器23と、再加熱器25と、第1のタービン29と、水抽出
器31と、第2の熱交換器33と、第2のタービン38と、第3の熱交換器40
とを含む。液体サイクル副装置12は空気サイクル副装置11の一部としても機
能する素子を含む。液体サイクル副装置12はポンプ43及び第4の熱交換器4
5と共に、第2及び第3の熱交換器33、40を含む。共有の素子にわたって、
副装置11、12間に熱交換関係が確立される。
御システム(ECS)10を概略的に示す。ECS10は液体サイクル副装置1
2に対して熱交換関係にある空気サイクル副装置11を有する。詳細には、空気
サイクル装置11は主熱交換器16と、コンプレッサ19と、補助の熱交換器2
1と、第1の熱交換器23と、再加熱器25と、第1のタービン29と、水抽出
器31と、第2の熱交換器33と、第2のタービン38と、第3の熱交換器40
とを含む。液体サイクル副装置12は空気サイクル副装置11の一部としても機
能する素子を含む。液体サイクル副装置12はポンプ43及び第4の熱交換器4
5と共に、第2及び第3の熱交換器33、40を含む。共有の素子にわたって、
副装置11、12間に熱交換関係が確立される。
【0013】
本発明のために選択された環境が航空機である場合、水蒸気含有空気は航空機
のタービンエンジンからの抽気13とすることができる。抽気13は空気サイク
ル副装置11を通って流れ、一方、水蒸気は第1のタービン29により実質上す
べで凝縮され、次いで、凝縮された水蒸気は水抽出器31により抽出される。次
いで、空気流は再加熱器25内で再加熱され、第2のタービン38により膨張さ
れる。第2のタービン38からの流れは機室58及び(又は)他の空気負荷62
への最終的な供給のために第3の熱交換器40を通過する。液体サイクル副装置
12は第4の熱交換器45、第2の熱交換器33及び次いで第3の熱交換器40
を通して液体冷却剤を循環させる。これにより、抽気13は囲いへの最終的な供
給のために調和され、液体サイクル副装置12は液体負荷51を冷却することが
でき、液体サイクル副装置12からの熱エネルギは空気サイクル副装置11特に
第2のタービン38により回収することができる。
のタービンエンジンからの抽気13とすることができる。抽気13は空気サイク
ル副装置11を通って流れ、一方、水蒸気は第1のタービン29により実質上す
べで凝縮され、次いで、凝縮された水蒸気は水抽出器31により抽出される。次
いで、空気流は再加熱器25内で再加熱され、第2のタービン38により膨張さ
れる。第2のタービン38からの流れは機室58及び(又は)他の空気負荷62
への最終的な供給のために第3の熱交換器40を通過する。液体サイクル副装置
12は第4の熱交換器45、第2の熱交換器33及び次いで第3の熱交換器40
を通して液体冷却剤を循環させる。これにより、抽気13は囲いへの最終的な供
給のために調和され、液体サイクル副装置12は液体負荷51を冷却することが
でき、液体サイクル副装置12からの熱エネルギは空気サイクル副装置11特に
第2のタービン38により回収することができる。
【0014】
本発明を一層詳細に説明すると、図1に示すように、抽気13は、抽気13が
RAM即ち周囲空気14に対して熱交換関係となるように、主熱交換器16を通
して送られる。抽気13が主熱交換器16内で冷却された後、生成された予備冷
却空気はダクト17を通って流出し、流れ制御弁65又はダクト18のいずれか
を通過する。予備冷却空気がダクト18を通って移動する場合、空気は温度制御
弁52又は別の温度制御弁66(これら両者は後に更に説明するように機室58
及び(又は)空気負荷62に空気を最終的に送る)のいずれかを通して送られる
。一方、主熱交換器16からの予備冷却空気が流れ制御弁65を通って移動する
場合、空気はコンプレッサ内へ流れ、そこで、空気が高圧に圧縮される。圧縮さ
れた空気はダクト20を通ってコンプレッサ19から流出し、補助の熱交換器2
1へ入り、そこで、圧縮空気の更なる冷却がRAM空気15との熱交換により生
じる。圧縮された即ち高圧の水蒸気含有空気は補助の熱交換器21を出て、ダク
ト22を通って流れる。
RAM即ち周囲空気14に対して熱交換関係となるように、主熱交換器16を通
して送られる。抽気13が主熱交換器16内で冷却された後、生成された予備冷
却空気はダクト17を通って流出し、流れ制御弁65又はダクト18のいずれか
を通過する。予備冷却空気がダクト18を通って移動する場合、空気は温度制御
弁52又は別の温度制御弁66(これら両者は後に更に説明するように機室58
及び(又は)空気負荷62に空気を最終的に送る)のいずれかを通して送られる
。一方、主熱交換器16からの予備冷却空気が流れ制御弁65を通って移動する
場合、空気はコンプレッサ内へ流れ、そこで、空気が高圧に圧縮される。圧縮さ
れた空気はダクト20を通ってコンプレッサ19から流出し、補助の熱交換器2
1へ入り、そこで、圧縮空気の更なる冷却がRAM空気15との熱交換により生
じる。圧縮された即ち高圧の水蒸気含有空気は補助の熱交換器21を出て、ダク
ト22を通って流れる。
【0015】
空気対空気式の交換器である第1の熱交換器23はダクト22からの水蒸気含
有空気を受け取る。第1の熱交換器23は、このような空気を、第2のタービン
38からの排出空気と熱交換関係となるようにする。これについては後に一層詳
細に説明する。このような熱交換工程により、水蒸気含有空気が冷却される。次
いで、冷却された水蒸気含有空気はダクト24を通って再加熱器25内へ移動し
、そこで、空気が更に冷却され、後に更に説明するように、水蒸気が第2の熱交
換器33からの出口空気との熱交換工程により部分的に凝縮される。再加熱器2
5から、更に冷却された水蒸気含有空気はダクト26を通って流出し、随意に設
けた水抽出器27内へ至る。必要ではないが、水抽出器27は部分的に凝縮され
た水蒸気を除去するために使用することができる。ダクト28は、次いで空気が
第1のタービン29内へ流入するのを許容する。
有空気を受け取る。第1の熱交換器23は、このような空気を、第2のタービン
38からの排出空気と熱交換関係となるようにする。これについては後に一層詳
細に説明する。このような熱交換工程により、水蒸気含有空気が冷却される。次
いで、冷却された水蒸気含有空気はダクト24を通って再加熱器25内へ移動し
、そこで、空気が更に冷却され、後に更に説明するように、水蒸気が第2の熱交
換器33からの出口空気との熱交換工程により部分的に凝縮される。再加熱器2
5から、更に冷却された水蒸気含有空気はダクト26を通って流出し、随意に設
けた水抽出器27内へ至る。必要ではないが、水抽出器27は部分的に凝縮され
た水蒸気を除去するために使用することができる。ダクト28は、次いで空気が
第1のタービン29内へ流入するのを許容する。
【0016】
第1のタービン29は水蒸気含有空気内の水蒸気の実質上すべてを凝縮し、そ
の結果、空気が膨張し、従って冷却される。しかし、この好ましい実施の形態に
おいては、第1のタービン29からの排出圧力は、タービン29の上流の大きな
コンデンサの必要性を排除するように、凍結温度以上の排出温度(換言すれば、
中圧)に維持される。例えば、米国特許第5,086,622号においてはこの
ようなコンデンサが必要である。ダクト30は、第1の膨張し水凝縮された空気
を、第1のタービン29から別の水抽出器31へ移動させ、この別の水抽出器は
水凝縮された空気から実質上すべての凝縮された水を抽出し、除湿された空気を
提供する。凝縮された水全体の約90%が抽出されることが期待されるが、その
量は最適条件に応じて変えることができる。この実施の形態においては、抽出さ
れた水は蒸発のためにダクト(図示せず)を介して補助の熱交換器21へ流入す
ることができる。次いで、水抽出器31からの除湿された空気はダクト32を通
って液体対空気式の熱交換器である第2の熱交換器33内へ流入する。
の結果、空気が膨張し、従って冷却される。しかし、この好ましい実施の形態に
おいては、第1のタービン29からの排出圧力は、タービン29の上流の大きな
コンデンサの必要性を排除するように、凍結温度以上の排出温度(換言すれば、
中圧)に維持される。例えば、米国特許第5,086,622号においてはこの
ようなコンデンサが必要である。ダクト30は、第1の膨張し水凝縮された空気
を、第1のタービン29から別の水抽出器31へ移動させ、この別の水抽出器は
水凝縮された空気から実質上すべての凝縮された水を抽出し、除湿された空気を
提供する。凝縮された水全体の約90%が抽出されることが期待されるが、その
量は最適条件に応じて変えることができる。この実施の形態においては、抽出さ
れた水は蒸発のためにダクト(図示せず)を介して補助の熱交換器21へ流入す
ることができる。次いで、水抽出器31からの除湿された空気はダクト32を通
って液体対空気式の熱交換器である第2の熱交換器33内へ流入する。
【0017】
第2の熱交換器33においては、除湿された空気は、このとき液体負荷51か
らの排出された熱即ち廃熱エネルギを運ぶ液体サイクル副装置12に対して熱交
換関係とされる。熱交換関係のため、第2の熱交換器33は除湿された空気を加
熱するのみならず、液体サイクル副装置12からの廃熱エネルギをも吸収する。
これは、液体負荷から供給源内へ熱を放出し、従って回収を許容しない従来の装
置とは異なる。再度、最適条件に応じるけれども、本発明は、第2の熱交換器3
3により回収される熱エネルギの量が第2の熱交換器33内で回収のために入手
できる全エネルギの約60%であることを期待できる。第2の熱交換器33内で
の回収は、回収された熱を最終的には有用な仕事即ちエネルギに変換できるよう
な様式で生じる。
らの排出された熱即ち廃熱エネルギを運ぶ液体サイクル副装置12に対して熱交
換関係とされる。熱交換関係のため、第2の熱交換器33は除湿された空気を加
熱するのみならず、液体サイクル副装置12からの廃熱エネルギをも吸収する。
これは、液体負荷から供給源内へ熱を放出し、従って回収を許容しない従来の装
置とは異なる。再度、最適条件に応じるけれども、本発明は、第2の熱交換器3
3により回収される熱エネルギの量が第2の熱交換器33内で回収のために入手
できる全エネルギの約60%であることを期待できる。第2の熱交換器33内で
の回収は、回収された熱を最終的には有用な仕事即ちエネルギに変換できるよう
な様式で生じる。
【0018】
この実施の形態においては、回収されたエネルギは第2のタービン38へのエ
ネルギ入力を増大させるために使用され、後に更に説明するようにコンプレッサ
19による一層大なる圧縮を生じさせる。当業者なら認識できるように、第2の
熱交換器33内での液体サイクル副装置12からの熱の回収量は少なくとも一部
であり、残りは機室58及び(又は)空気負荷62のための供給源となる。回収
量は航空機の飛行状態及び特定の液体負荷51に依存し、周囲空気温度が高いほ
ど、回収量は減少する。回収量に拘わらず、第2の熱交換器33は除湿された空
気から加熱された空気を生じさせる。
ネルギ入力を増大させるために使用され、後に更に説明するようにコンプレッサ
19による一層大なる圧縮を生じさせる。当業者なら認識できるように、第2の
熱交換器33内での液体サイクル副装置12からの熱の回収量は少なくとも一部
であり、残りは機室58及び(又は)空気負荷62のための供給源となる。回収
量は航空機の飛行状態及び特定の液体負荷51に依存し、周囲空気温度が高いほ
ど、回収量は減少する。回収量に拘わらず、第2の熱交換器33は除湿された空
気から加熱された空気を生じさせる。
【0019】
加熱された空気はダクト34を通して第2の熱交換器33から出て、再加熱器
25へ戻る。再加熱器25においては、加熱された空気は入来する水蒸気含有空
気を冷却するための冷却剤媒体として作用する。再加熱器25から、再加熱され
た空気はダクト35を通って流出し、第2のタービン38内への流量(即ち圧力
)を制御できる随意に設けた可変ノズル36へ入る。可変ノズルは空気サイクル
機械設計の一体的な一部である。再加熱された空気はノズル36から出て、シャ
フト69を介して第1のタービン29に機械的に係合する第2のタービン38内
で膨張する。第2のタービン38は加熱された空気膨張させるのみならず、第2
の熱交換器33により吸収されてしまった液体サイクル副装置12からの放出熱
の一部をも回収する。更に、第2のタービン38は凝縮熱の一部を回収し、再加
熱器25により再加熱された空気内へ放出されたものの顕著な冷却を行う。
25へ戻る。再加熱器25においては、加熱された空気は入来する水蒸気含有空
気を冷却するための冷却剤媒体として作用する。再加熱器25から、再加熱され
た空気はダクト35を通って流出し、第2のタービン38内への流量(即ち圧力
)を制御できる随意に設けた可変ノズル36へ入る。可変ノズルは空気サイクル
機械設計の一体的な一部である。再加熱された空気はノズル36から出て、シャ
フト69を介して第1のタービン29に機械的に係合する第2のタービン38内
で膨張する。第2のタービン38は加熱された空気膨張させるのみならず、第2
の熱交換器33により吸収されてしまった液体サイクル副装置12からの放出熱
の一部をも回収する。更に、第2のタービン38は凝縮熱の一部を回収し、再加
熱器25により再加熱された空気内へ放出されたものの顕著な冷却を行う。
【0020】
第2の熱交換器33及び再加熱器25の双方から回収された熱は、例えば、第
2のタービンの回転速度を増大させ、その圧力比を上昇させ、また、再加熱空気
の膨張を増大させるために、第2のタービン38により使用することができる。
更に、図1に示すように、第2のタービン38はシャフト68によりコンプレッ
サ19に機械的に係合される。従って、コンプレッサ19により、第2のタービ
ン38により吸収された熱即ちエネルギを有用なエネルギに変換することができ
る。その結果、本発明の2段膨張技術の無い場合に必要となるような別の方法に
比べて、装置10による抽気13の消費は減少する。
2のタービンの回転速度を増大させ、その圧力比を上昇させ、また、再加熱空気
の膨張を増大させるために、第2のタービン38により使用することができる。
更に、図1に示すように、第2のタービン38はシャフト68によりコンプレッ
サ19に機械的に係合される。従って、コンプレッサ19により、第2のタービ
ン38により吸収された熱即ちエネルギを有用なエネルギに変換することができ
る。その結果、本発明の2段膨張技術の無い場合に必要となるような別の方法に
比べて、装置10による抽気13の消費は減少する。
【0021】
第2のタービン38が再加熱空気を膨張させたとき、第2の膨張した空気が生
成され、この空気はダクト39を通ってタービン38から流出する。次に、第2
の膨張した空気は液体対空気式の熱交換器である第3の熱交換器40を通って流
れ、もって、第2の膨張した空気と液体サイクル副装置12との間の熱交換関係
のため、第2の膨張した空気が第3の熱交換器内で暖められる。暖められた膨張
した空気はダクト41を通って第3の熱交換器40から流出する。ダクト41か
ら、空気はダクト59、ダクト54又は再生弁42内へ移動することができる。
ダクト59を通って、流れは流れ制御弁60、ダクト61、そして最終的には空
気負荷62内へ流入する。ダクト54を通って、空気は流れ制御弁55内へ流れ
、ダクト56内へ流れ、温度センサ57を通り、次いで機室58内へ流れる。再
生弁42を通って、空気は第1の熱交換器23内へ送られ、上述したように、入
来する水蒸気含有空気のための冷却剤媒体として作用する。
成され、この空気はダクト39を通ってタービン38から流出する。次に、第2
の膨張した空気は液体対空気式の熱交換器である第3の熱交換器40を通って流
れ、もって、第2の膨張した空気と液体サイクル副装置12との間の熱交換関係
のため、第2の膨張した空気が第3の熱交換器内で暖められる。暖められた膨張
した空気はダクト41を通って第3の熱交換器40から流出する。ダクト41か
ら、空気はダクト59、ダクト54又は再生弁42内へ移動することができる。
ダクト59を通って、流れは流れ制御弁60、ダクト61、そして最終的には空
気負荷62内へ流入する。ダクト54を通って、空気は流れ制御弁55内へ流れ
、ダクト56内へ流れ、温度センサ57を通り、次いで機室58内へ流れる。再
生弁42を通って、空気は第1の熱交換器23内へ送られ、上述したように、入
来する水蒸気含有空気のための冷却剤媒体として作用する。
【0022】
機室58及び(又は)空気負荷62への供給を変調させたい場合は、流れ制御
弁55、60を作動させて供給量を規制することができる。抽気13が供給物内
に混合できるように、ダクト18、温度制御弁52及びダクト53を通して抽気
13を送る流れ制御弁65により、供給温度も規制することができる。ECS1
0の付加的な変調は、第2のタービン38からの第2の膨張した空気を暖めるた
めに抽気13がダクト67内へ及び流れ制御弁66を通って流れるのを許容する
ことにより、達成することができる。
弁55、60を作動させて供給量を規制することができる。抽気13が供給物内
に混合できるように、ダクト18、温度制御弁52及びダクト53を通して抽気
13を送る流れ制御弁65により、供給温度も規制することができる。ECS1
0の付加的な変調は、第2のタービン38からの第2の膨張した空気を暖めるた
めに抽気13がダクト67内へ及び流れ制御弁66を通って流れるのを許容する
ことにより、達成することができる。
【0023】
再度図1を参照すると、液体サイクル副装置12は閉じた装置であり、冷却剤
媒体及び熱源として機能するようにポリアルファオレフィン(PAO)の如き液
体冷却剤を利用する。液体冷却剤は副装置12を通って循環し、後に更に説明す
るように、熱交換工程変更としてその機能を変更する。任意の出発点において、
ポンプ43はパイプ44を通して液体冷却剤を移動させ、液体対空気式の熱交換
器である第4の熱交換器45により液体冷却剤を受け取らせる。液体冷却剤とフ
ァン空気との間のその中での熱交換工程が液体を冷却する。次いで、冷却された
液体はパイプ46を介して第2の熱交換器33へ流れる。第2の熱交換器33に
おいては、廃熱が空気サイクル副装置11へ放出される。
媒体及び熱源として機能するようにポリアルファオレフィン(PAO)の如き液
体冷却剤を利用する。液体冷却剤は副装置12を通って循環し、後に更に説明す
るように、熱交換工程変更としてその機能を変更する。任意の出発点において、
ポンプ43はパイプ44を通して液体冷却剤を移動させ、液体対空気式の熱交換
器である第4の熱交換器45により液体冷却剤を受け取らせる。液体冷却剤とフ
ァン空気との間のその中での熱交換工程が液体を冷却する。次いで、冷却された
液体はパイプ46を介して第2の熱交換器33へ流れる。第2の熱交換器33に
おいては、廃熱が空気サイクル副装置11へ放出される。
【0024】
第2の熱交換器33から、更に冷却された液体はパイプ47を通って流れ、第
3の熱交換器40又はパイプ48及びバイパス弁49を通って流れる。第3の熱
交換器40においては、液体は第2のタービン38からの第2の膨張した空気へ
付加的な廃熱を(量的には最小であるが)放出し、液体を更に冷却する。この更
に冷却された液体はパイプ50を介して第3の熱交換器40から出て、温度セン
サ63を通り、液体負荷51内へ流入し、これを冷却する。温度センサ63は温
度センサ57と共に、第2のタービン38の上流に位置する可変ノズル36を作
動させるコントローラ64へ温度データを提供する。
3の熱交換器40又はパイプ48及びバイパス弁49を通って流れる。第3の熱
交換器40においては、液体は第2のタービン38からの第2の膨張した空気へ
付加的な廃熱を(量的には最小であるが)放出し、液体を更に冷却する。この更
に冷却された液体はパイプ50を介して第3の熱交換器40から出て、温度セン
サ63を通り、液体負荷51内へ流入し、これを冷却する。温度センサ63は温
度センサ57と共に、第2のタービン38の上流に位置する可変ノズル36を作
動させるコントローラ64へ温度データを提供する。
【0025】
本発明は従来の空気サイクル冷却装置以上に装置の寸法を減少させることを認
識できよう。上述のように、例えば、第1のタービン29の下流側での水の抽出
が大きなコンデンサの省略を可能にする。2段膨張技術により、装置10は多工
程において空気13を処理することにより抽気13の消費を減少させることがで
きる。一方、高圧水分離を行う従来のECSにおいては、高圧抽気はタービン内
で一旦膨張する。抽気の使用は機室の空気要求、強制空気冷却航空電子工学機器
及び液体冷却要求を満たすのに必要な空気により決定される。一般に、抽気の使
用はコンデンサ及び負荷熱交換器を横切る温度勾配の関数である。温度勾配はタ
ービン排出温度及び機室供給温度の差である。タービン排出温度は装置の背圧に
より規定され、機室供給温度は設計パラメータである。理解できるように、単一
段タービン膨張では、抽気の使用はこれら2つのパラメータにより固定される。
負荷が増大するか又はタービン排出温度が増大すると、同じ機室供給温度を満た
すために、更なる空気が必要となる。
識できよう。上述のように、例えば、第1のタービン29の下流側での水の抽出
が大きなコンデンサの省略を可能にする。2段膨張技術により、装置10は多工
程において空気13を処理することにより抽気13の消費を減少させることがで
きる。一方、高圧水分離を行う従来のECSにおいては、高圧抽気はタービン内
で一旦膨張する。抽気の使用は機室の空気要求、強制空気冷却航空電子工学機器
及び液体冷却要求を満たすのに必要な空気により決定される。一般に、抽気の使
用はコンデンサ及び負荷熱交換器を横切る温度勾配の関数である。温度勾配はタ
ービン排出温度及び機室供給温度の差である。タービン排出温度は装置の背圧に
より規定され、機室供給温度は設計パラメータである。理解できるように、単一
段タービン膨張では、抽気の使用はこれら2つのパラメータにより固定される。
負荷が増大するか又はタービン排出温度が増大すると、同じ機室供給温度を満た
すために、更なる空気が必要となる。
【0026】
従来のECSとは異なり、本発明では、熱交換器33の排出側での空気温度は
機室供給限界以上に上昇し、次いで第2のタービン38内で機室供給に適した一
層低い温度へ膨張することができる。負荷を吸収し、供給温度限界を満たすため
に再度膨張するように空気を膨張させるこの工程は、同じ負荷を満たすために装
置が一層少ない流れを使用するのを可能にする。この試みは、例えば、米国特許
第5,086,622号明細書では述べられておらず又は適用されていない。こ
の米国特許では、抽気流れは機室への新鮮な空気の供給の形をした装置要求によ
り決定され、乗員の乗り心地を満たすように設計されていた。
機室供給限界以上に上昇し、次いで第2のタービン38内で機室供給に適した一
層低い温度へ膨張することができる。負荷を吸収し、供給温度限界を満たすため
に再度膨張するように空気を膨張させるこの工程は、同じ負荷を満たすために装
置が一層少ない流れを使用するのを可能にする。この試みは、例えば、米国特許
第5,086,622号明細書では述べられておらず又は適用されていない。こ
の米国特許では、抽気流れは機室への新鮮な空気の供給の形をした装置要求によ
り決定され、乗員の乗り心地を満たすように設計されていた。
【0027】
本発明を更に参照すると、米国特許第5,086,622号明細書におけるよ
うな第1のタービンの上流側のコンデンサは、周囲空気内の水が少ない状態での
高高度作動では、ほとんど価値がない。従って、高高度においては、コンデンサ
は燃料消費の無駄使い源となる。一方、本発明における第2の熱交換器33は高
高度でさえ有用性を維持する。更に、周囲状態の結果として、米国特許第5,0
86,622号明細書における第1のタービンは飛行中に使用されず、従って、
単なる燃料消費の無駄使い源となる。これに対し、本発明における第1のタービ
ン29は冷却空気を発生させるために飛行中に使用される。更に、本発明におけ
る再加熱器及び2つのタービンの特定の使用がタービン間の平衡された負荷を可
能にし、2つのタービン29、38が常時作動するのを可能にする。更に、本発
明は液体サイクル副装置から廃熱を回収し、このような熱は有用なエネルギに変
換することができる。
うな第1のタービンの上流側のコンデンサは、周囲空気内の水が少ない状態での
高高度作動では、ほとんど価値がない。従って、高高度においては、コンデンサ
は燃料消費の無駄使い源となる。一方、本発明における第2の熱交換器33は高
高度でさえ有用性を維持する。更に、周囲状態の結果として、米国特許第5,0
86,622号明細書における第1のタービンは飛行中に使用されず、従って、
単なる燃料消費の無駄使い源となる。これに対し、本発明における第1のタービ
ン29は冷却空気を発生させるために飛行中に使用される。更に、本発明におけ
る再加熱器及び2つのタービンの特定の使用がタービン間の平衡された負荷を可
能にし、2つのタービン29、38が常時作動するのを可能にする。更に、本発
明は液体サイクル副装置から廃熱を回収し、このような熱は有用なエネルギに変
換することができる。
【0028】
もちろん、上述のことは本発明の好ましい実施の形態に関連し、特許請求の範
囲に記載された本発明の精神及び要旨から逸脱することなく、修正が可能である
。
囲に記載された本発明の精神及び要旨から逸脱することなく、修正が可能である
。
【図1】
本発明の1つの実施の形態を示す概略線図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ウォン,ワイ−パク
アメリカ合衆国カリフォルニア州90703,
セリトス,サウス・インディアン・クリー
ク 16002
Claims (9)
- 【請求項1】 調和された空気として供給するために水蒸気含有圧縮空気を
調和する方法であって、 第1の熱交換器と、除湿した空気を再加熱することができるように第1の熱交
換器の下流に位置する再加熱器と、再加熱器の下流に位置する第1のタービンと
、第1のタービンの下流に位置する第2の熱交換器と、第2の熱交換器の下流に
位置する第2のタービンとを有する空気サイクル副装置を用意する工程;及び 空気サイクル副装置が液体サイクル副装置から熱エネルギを回収できるように
第2の熱交換器において生じるような熱交換関係で、空気サイクル副装置に対し
て液体サイクル副装置を配置する工程; を含む方法。 - 【請求項2】 空気サイクル副装置は第2のタービンの下流に位置する第3
の熱交換器を更に有する請求項1の方法。 - 【請求項3】 前記熱交換関係が第3の熱交換器において生じる請求項2の
方法。 - 【請求項4】 第2及び第3の熱交換器が液体対空気式の熱交換器である請
求項2乃至3のいずれか1項の方法。 - 【請求項5】 液体サイクル副装置が上記第2及び第3の熱交換器を有する
請求項2乃至4のいずれか1項又はそれ以上の方法。 - 【請求項6】 第1のタービンの下流に位置する水抽出器を更に有する請求
項1乃至5のいずれか1項又はそれ以上の方法。 - 【請求項7】 除湿された空気が水抽出器により生成される請求項6の方法
。 - 【請求項8】 再加熱器が第2の熱交換器と第2のタービンとの中間に位置
する請求項1乃至7のいずれか1項又はそれ以上の方法。 - 【請求項9】 第3の熱交換器からの液体出力が液体負荷を冷却する請求項
2乃至8のいずれか1項又はそれ以上の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/416,713 US6250097B1 (en) | 1999-10-12 | 1999-10-12 | Dual expansion energy recovery (DEER) air cycle system with mid pressure water separation |
US09/416,713 | 1999-10-12 | ||
PCT/US2000/028148 WO2001026967A1 (en) | 1999-10-12 | 2000-10-12 | Air cycle environmental control system with liquid cycle subsystem |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001530000A Withdrawn JP2003511311A (ja) | 1999-10-12 | 2000-10-12 | 液体サイクル副装置を備えた空気サイクル環境制御システム |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6250097B1 (ja) |
EP (1) | EP1220777B1 (ja) |
JP (1) | JP2003511311A (ja) |
AT (1) | ATE244662T1 (ja) |
DE (1) | DE60003832T2 (ja) |
ES (1) | ES2200961T3 (ja) |
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