JP2004256051A

JP2004256051A - 航空機用液冷装置

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Publication number: JP2004256051A
Application number: JP2003050953A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Magosaki; 太孫崎; Saburo Miwa; 三郎三輪
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】航空機に搭載された電子機器への冷却液を効率的に分配することができる液冷装置を提供する。
【解決手段】ブリード空気を所定の温度に調整し供給する空気調和装置を備えた、航空機に搭載された電子機器へ冷却液を分配する液冷装置であって、冷却液の熱交換を行う１次および２次熱交換器と、これらの熱交換器から電子機器へ冷却液を循環させて分配する複数の液冷通路と、前記熱交換器の各々に設けられたバイパス弁と、熱交換器の冷却液の温度を検出する手段と、この温度検出手段の信号に基づいて前記バイパス弁の開度を制御するコントローラとを備え、２次熱交換器が空気調和装置の出側通路に配置されている航空機用液冷装置である。前記２次熱交換器を空気調和装置の出側通路であって、ミキシングマニフォールドの下流側に配置するのが望ましい。さらに、１次熱交換器が配置されるラム空気通路を空気調和装置で用いられるラム空気通路と連なって構成するのが望ましい。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和装置を備えた航空機に搭載された電子機器へ冷却液を分配する液冷装置に関し、さらに詳しくは、新たに熱交換器を空気調和装置の出側通路に設け、冷却液を調和空気で冷却することによって、電子機器への冷却液を効率的に分配することができる液冷装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機の機上で、キャビン等で必要とする調和空気を供給する空気調和装置には、エンジンから抽気された空気（ブリード空気）の温度および圧力を調整して、効率的に調和空気を供給することができるエアサイクル式空気調和装置が主流となっている。
【０００３】
図４は、従来から機上で調和空気の供給に用いられているエアサイクル式空気調和装置の構成例を模式的に示す図である。航空機用のエンジン１では、コンプレッサで圧縮された空気を燃焼器に送り、それと同時に燃焼器にて燃料を供給して燃焼させ、燃焼ガスでタービンを駆動するように構成されている。エンジン１から抽気された高温および高圧状態のブリード空気は、所定の温度および圧力に調整されて、調和空気を必要とするキャビン３に供給される。
【０００４】
まず、エンジン１から抽気されたブリード空気は、空気調和装置２に導入される過程で熱交換器（図示せず）に投入されて、機外から空気通路に導かれたラム空気によって冷却されたのち、エアサイクルマシンに導入される。
【０００５】
空気調和装置２のエアサイクルマシンでは、航空機用として高圧水分離方式が多用されている。この方式によるエアサイクルマシンでは、導入されたブリード空気はコンプレッサでの昇温および加圧と、水分分離器での水分除去と、タービンでの膨張作用による降温および降圧を経て調和空気となる。その後、得られた調和空気は、温度調整を行うため、空気調和装置の出側でミキシングマニフォールド４に導入される。
【０００６】
逆止弁５を通過した調和空気は、ミキシングマニフォールド４でキャビン３から循環された空気と混合して、温度調整が行われる。ミキシングマニフォールド４への空気の循環は、リサークファン６によって行われる。ミキシングマニフォールド４を通過した空気は、所定温度および圧力の調和空気となってキャビン３に供給される。
【０００７】
一方、航空機に搭載される電子機器には冷却手段が設けられているが、電子機器が高密度になり、これらが発生する熱負荷が大きくなると、冷却手段として、電子機器へ冷却液を分配する液冷装置が用いられるようになる。
【０００８】
図５は、従来の航空機内で用いられる液冷装置の概略系統図である。通常、電子機器の冷却に用いられる冷却液には、エチレングリコール等の不凍液が選択される。図５に示すように、電子機器７が発生した熱負荷を吸収した冷却液は、ポンプ１１によって液冷通路１０を循環して熱交換器８に送られる。熱交換器８を通過する冷却液は、冷却ファン１４の作動により、機外から空気通路に導かれたラム空気によって冷却される。そして、ラム空気によって冷却された冷却液は、液冷通路を循環して電子機器に分配され、再び電子機器が発生した熱負荷を吸収する。
【０００９】
図５に示す液冷装置では、循環する冷却液が低温になりすぎる場合に、熱交換器８における冷却液の温度を検出する手段１３を設けて、この検出手段１３の温度信号をコントローラ９に入力する。この入力信号に基づいて、コントローラ９は、熱交換器８に設けられたバイパス弁１２の開度を制御し、熱交換器８を通過する流量を調整して、冷却液の温度を調整する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記図５に示される液冷装置では、機器を凍結させるような低温にならない限り、熱交換器８で冷却液を低温にすれば、液冷通路１０を循環する冷却液の流量を少なくできる。このように冷却液の流量を少なくできれば、液冷通路１０を構成する配管寸法を小さくし、配管重量を少なくすることができるとともに、さらに冷却液を循環させるポンプ１１の容量を小さくし、同時に機内での消費電力を削減することが可能になる。
【００１１】
しかしながら、液冷装置の熱交換器８は、機外から空気通路に導かれたラム空気によって冷却されるため、ラム空気の温度より低温に冷却することはできない。例えば、航空機の巡航条件によってはラム空気が高温となり、４０℃を超えるようになる場合がある。この場合には、熱交換器８での性能に著しい制限が生じることになる。
【００１２】
通常、高密度化した電子機器に分配される冷却液の温度は３０℃程度が適切とされるが、上述のラム空気の温度変動を想定した場合に、この冷却液の適正温度を常に確保するには、多量の冷却液を循環させる必要があるだけでなく、新たな冷却手段を検討する必要がある。
【００１３】
本発明は、上述の問題を解決し、航空機の巡航条件によって、機外から導入されるラム空気の温度が変動した場合であっても、搭載された電子機器に対する冷却性能を安定させ、効率的に冷却させることができる、小型化および軽量化が可能な航空機用液冷装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、種々検討した結果、熱交換器として１次熱交換器と２次熱交換器を設けて、従来のラム空気の通路に配置される１次熱交換器に加えて、２次熱交換器を空気調和装置の出側に配置するのが有効であること、特に、ミキシングマニフォールド（他に「ミキシングチヤンバー」、「ミキサー」とも呼ばれることがある）の下流側に設けるのが望ましいことを知見した。
【００１５】
前述の通り、最近における航空機用の空気調和装置として、高圧水分離方式が主流であるが、空気調和装置から供給される調和空気は、一般に０℃以下の低温になる。したがって、空気調和装置の下流側で機器の凍結を抑制するため、調和空気をミキシングマニフォールドに送って、その温度調整を行う。
【００１６】
ミキシングマニフォールドに送られた調和空気は、キャビンから戻ってきた循環空気、例えば、２０℃程度の空気と混合され、０℃以上の適当な温度に調整される。その後、温度調整された調和空気がキャビンに供給される。
【００１７】
このように、ミキシングマニフォールドを通過した空調空気は、温度が０℃以上であるため、新たな２次熱交換器を空気調和装置の出側通路であって、さらにミキシングマニフォールドの下流側に設けるようにすれば、冷却液が０℃以下の低温になりすぎることがない。これにより、機器の凍結発生を配慮する必要がなくなるので望ましい。
【００１８】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記の（１）および（２）の航空機用液冷装置を要旨としている。
（１）エンジンから抽気された空気を所定の温度に調整し供給する空気調和装置を備えた、航空機に搭載された電子機器へ冷却液を分配する液冷装置であって、冷却液の熱交換を行う１次および２次熱交換器と、これらの熱交換器から電子機器へ冷却液を循環させて分配する複数の液冷通路と、前記熱交換器の各々に設けられたバイパス弁と、前記熱交換器の冷却液の温度を検出する手段と、この温度検出手段の信号に基づいて前記バイパス弁の開度を制御するコントローラとを備え、前記２次熱交換器が空気調和装置の出側通路に配置されていることを特徴とする航空機用液冷装置である。
（２）上記（１）の航空機用液冷装置では、２次熱交換器を空気調和装置の出側通路であって、ミキシングマニフォールドの下流側に配置するのが望ましい。さらに、１次熱交換器が配置されるラム空気通路を空気調和装置で用いられるラム空気通路と連なって構成するのが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の液冷装置では、電子機器へ冷却液を分配するに際して、１次熱交換器と２次熱交換器を設けて、従来のラム空気通路に配置される１次熱交換器に加えて、２次熱交換器を空気調和装置の出側に配置するように構成にしている。
【００２０】
このような構成において、熱交換器での冷却液の温度を検出する手段を設けて、この検出手段で得られる温度信号をコントローラに入力して、コントローラの指令によってバイパス弁の開度を制御し、冷却液の温度を調整する。これによって、可能な限り低温に冷却された冷却液を、少ない流量で電子機器に分配することができる。また、上記のコントローラは、ポンプ、必要がある場合には冷却ファンの作動状況も制御できる。
【００２１】
さらに、本発明の液冷装置では、熱交換器のうち２次熱交換器を空気調和装置の出側通路であって、ミキシングマニフォールドの下流側に設けるのが望ましい。これにより、２次熱交換器で冷却液が０℃以下の低温になりすぎることがなく、機器の凍結が発生するおそれがない。
【００２２】
また、１次熱交換器が配置されるラム空気通路を空気調和装置で用いられるラム空気通路と連なって構成するのが望ましい。これにより、後述する図３に示すように、本発明の液冷装置が機体に占める容積比率を低減することができる。
【００２３】
【実施例】
以下では、本発明の実施例１〜３の構成例を図面にに基づいて説明する。図１は、本発明の実施例１の構成を説明する図である。実施例１では、１次熱交換器をラム空気通路に配置するとともに、２次熱交換器を空気調和装置の出側通路でミキシングマニフォールドの下流側に設ける構成になっている。
【００２４】
図１に示すように、電子機器７が発生する熱負荷を吸収して高温になった冷却液は、ポンプ１１の作動によって液冷通路１０を通って１次熱交換器８ａに送られる。１次熱交換器８ａはラム空気通路に配置されており、冷却ファン１４によって、巡航中であっても、地上にあっても、機外からラム空気を導入して、冷却液を冷却する。次に、１次熱交換器８ａでラム空気によって冷却された冷却液は、液冷通路１０を通って２次熱交換器８ｂに送られる。
【００２５】
２次熱交換器８ｂに送られた冷却液は、空気調和装置２の出側に流れてくる調和空気によって冷却されるが、図１に示す構成では、ミキシングマニフォールド４から供給される調和空気によって冷却される。このため、ミキシングマニフォールド４から供給される調和空気は０℃以上であるため、冷却液が低温になりすぎることがない。調和空気によって可能な限り低温に冷却された冷却液は、引き続いて電子機器７に分配されて、電子機器７が発生する熱負荷を吸収することが可能になる。
【００２６】
熱交換器８ａ、８ｂでの冷却液の温度を検出する手段１３を設けて、この検出手段１３で得られる温度信号をコントローラ９に入力して、熱交換器８ａ、８ｂのそれぞれに設けられたバイパス弁１２の開度を制御し、冷却液の温度を調整する。これによって、冷却液を可能な限り低温に冷却できるので、少ない流量で電子機器７に分配できる。さらに、コントローラ９は、ポンプ１１および冷却ファン１４の作動状況を制御する。
【００２７】
バイパス弁１２の開度制御では、１次熱交換器８ａで冷却液を十分冷却できる場合には、２次熱交換器８ｂをバイパスさせる。一方、１次熱交換器８ａで冷却液を十分冷却できない場合には、２次熱交換器８ｂでさらに冷却することになる。この場合に、全量の冷却液を２次熱交換器８ｂを通過させると冷えすぎが予測されると、一部の冷却液は２次熱交換器８ｂをバイパスさせる。
【００２８】
過酷な巡航条件、例えば高温および高速の飛行のために、機外から導入するラム空気の温度が高過ぎて、冷却液を１次熱交換器８ａを通過させることが無駄になる場合には、コントローラ９の指令により、冷却液を１次熱交換器８ａを通過させることなく、２次熱交換器８ｂで冷却する。この場合には、ラム空気通路に設けられた冷却ファン１４は停止する。
【００２９】
図２は、本発明の実施例２の構成を説明する図である。実施例２では、１次熱交換器８ａをラム空気通路に配置し、２次熱交換器８ｂを空気調和装置の出側通路に配置するが、ラム空気通路に冷却ファン１４を配置しない構成になっている。
【００３０】
したがって、実施例２の構成では、１次熱交換器８ａの機能は巡航中のみ発揮されるものであり、地上においてはラム空気が流れないため、１次熱交換器８ａの機能は発揮されない。しかし、巡航中に機上で液冷装置を作動させる場合に、冷却ファンを配置しないことによる軽量化、簡素化の効果に併せて、消費電力の低減が期待できる。
【００３１】
図３は、本発明の実施例３の構成を示す図である。実施例３では、実施例２の１次熱交換器８ａを設置するラム空気通路と、空気調和装置２の熱交換器（図示せず）を設置するラム空気通路とを連続する構成にしている。
【００３２】
通常、空気調和装置２では、地上や巡航中であっても低速飛行時には、装置内のエアサイクルマシンに設けられた冷却ファンによってラム空気を導入し、高速飛行時になると、ラム圧力によってラム空気を導入している。
【００３３】
ところが、実施例３の構成では、地上や低速飛行時においては、空気調和装置２内に設けられた冷却ファンによって下流側の圧力が高くなるため、逆止弁１４が閉じる。このため、１次熱交換器８ａにはラム空気が流れないので、２次熱交換器８ｂで冷却液の熱交換を行う必要がある。
【００３４】
一方、高速巡航時（高い高度を高速で飛行する場合）には、ラム圧力が増加するので逆止弁１４は開の状態にするので、１次熱交換器８ａにはラム空気が流れ、１次熱交換器８ａおよび２次熱交換器８ｂでの熱交換が併用されることになる。
【００３５】
図３に示す実施例３の構成を採用することにより、１次熱交換器８ａを設置するラム空気通路と空気調和装置２の熱交換器を設置するラム空気通路を連続して統合できるので、機体に占める液冷装置の容積比率を低減することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の液冷装置によれば、電子機器に分配する冷却液を少なくして、発生した熱量を吸収できるので、液冷通路を構成する配管や冷却液を循環するポンプを小型化、軽量化でき、消費電力も低減でき、さらに、冷却ファンをなくし、ラム空気通路の統合により、設計の簡素化、装置が機内で占める容積比率を低減することができる。
【００３７】
しかも、冷却液を空気調和装置の出側で調和空気によって冷却できるようになるので、ラム空気に温度変動が生じても、冷却性能を安定させ、効率的に電子機器を冷却させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の構成であり、１次熱交換器をラム空気通路に配置するとともに、２次熱交換器を空気調和装置の出側通路でミキシングマニフォールドの下流側に設ける構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例２の構成であり、実施例１に比べラム空気通路に冷却ファンを配置しない構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例３の構成であり、１次熱交換器を設置するラム空気通路と空気調和装置の熱交換器を設置するラム空気通路とを連続する構成を示す図である。
【図４】従来から機上で調和空気の供給に用いられているエアサイクル式空気調和装置の構成例を模式的に示す図である。
【図５】従来の航空機内で用いられる液冷装置の概略系統図である。
【符号の説明】
１：エンジン、２：空気調和装置
３：キャビン、４：ミキシングマニフォールド
５、１４：逆止弁、６：リサークファン
７：電子機器、８：熱交換器
８ａ：１次熱交換器、８ｂ：２次熱交換器
９：コントローラ、１０：液冷通路
１１：ポンプ、１２：バイパス弁
１３：温度検出手段

Claims

エンジンから抽気された空気を所定の温度に調整し供給する空気調和装置を備えた、航空機に搭載された電子機器へ冷却液を分配する液冷装置であって、冷却液の熱交換を行う１次および２次熱交換器と、これらの熱交換器から電子機器へ冷却液を循環させて分配する複数の液冷通路と、前記熱交換器の各々に設けられたバイパス弁と、前記熱交換器の冷却液の温度を検出する手段と、この温度検出手段の信号に基づいて前記バイパス弁の開度を制御するコントローラとを備え、前記２次熱交換器が空気調和装置の出側通路に配置されていることを特徴とする航空機用液冷装置。
上記２次熱交換器が空気調和装置の出側通路であって、ミキシングマニフォールドの下流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の航空機用液冷装置。
上記１次熱交換器が配置されるラム空気通路が、空気調和装置で用いられるラム空気通路と連なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の航空機用液冷装置。