JP2004268617A - 航空機用空調システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン1からバルブ1bを介して抽気された空気が、タービン3で膨張され高速の空気流量がラムエア回路に送られ、機外の空気が引き込まれる。エンジン1からバルブ1aを介して高温・高圧の空気が取り込まれコンプレッサ2で圧縮される。その後一次熱交換器4で熱交換され2段目のコンプレッサ5で圧縮され二次熱交換器6を経由してリヒータ7の高温側回路に導入され冷却されて、コンデンサ8に入り水分が凝集され、ウォータエクストラクタ9で水分が分離され、リヒータ7を経由してタービン10に入る。タービン10で断熱膨張され、低温にされてコンデンサ8に入り、キャビンへ低温空気が送られる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機用空調システムに係り、特に空調装置のラムエア回路などに空気を流すためのイジェクタと冷却能力向上に関する。
【0002】
【従来の技術】
航空機用空調システムは、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、エンジンの圧縮機からの高温・高圧になった空気の一部を取り出し(これをエンジン・フリード・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)冷媒を使用したべ一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)の組合せのべ一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、搭載機器などの冷却には(B)を組み合わせている。
【0003】
従来の空調システムは、エアサイクルマシン(以下、ACMと呼ぶ)として、低圧下で水分を分離する方式(以下、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(以下、HPWS方式と呼ぶ)が採用されている。このHPWS方式は、ラムエアを導入するファンとコンプレッサとタービンが一軸に装備され、または、イジェクタでラムエアを導入し、一軸に装備されたコンプレッサとタービンによって調和空気中の湿度を高圧下で除去し、ACM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。ACM出口空気は直接キャビンヘ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、搭載している電子機器等の冷却用に、ACMだけでは冷房能力が不足する場合は、冷媒等を用いた冷却装置を備えたべ一パサイクルマシン(VCMと呼ぶ)を設けて冷却を行う。
【0004】
図2に従来の航空機用空調システムの空調回路を示す。エンジン11で高温・高圧になった空気の一部が抽気制御用のバルブ11aで調圧されて取り出され、ACMに入力される。
地上あるいは低高度飛行においては、バルブ14aを開、バルブ12a及びバルブ14bを閉にして、抽気された空気は、外気の冷気をおびたラムエアによって冷却された一次熱交換器14で冷却された後、バルブ14aを経由しコンプレッサ15により圧縮され、再び二次熱交換器16で冷却され、水蒸気の一部は凝縮する。一方、ラムエアはファン13によって外部に放出される。二次熱交換器16で冷却された空気はリヒータ17の高温側回路に入り、コンデンサ18からの冷却された空気の低温側回路との熱交換により冷却される。そして、コンデンサ18を出た高圧空気はリヒータ17を通ってタービン20に入り、タービン20で断熱膨張し低温空気となってコンデンサ18に入り、そして、コンデンサ18を出た空気は、0℃以下でミキシングチャンバ21に導かれる。
高高度飛行においては、バルブ14aを閉、バルブ12a及びバルブ14bを開にして、エンジン11から高温・高圧の空気が抽気され、一部、外気12からの空気がACMに取り込まれる。そして、抽気された高温の空気は一次熱交換器14でラムエアによって冷やされ、バルブ14bを経由して直接タービン20に送り込まれる。外気12から取り込まれた空気は、バルブ12aを経由してコンプレッサ15で圧縮され、二次熱交換器16でラムエアによって冷却され、リヒータ17の高温側回路に入り、コンデンサ18で冷却された空気の低温側回路との熱交換によりさらに冷却される。コンデンサ18を出た空気はリヒータ17に入る。リヒータ17を出た高圧空気と、抽気による一次熱交換器14からバルブ14bを経由して送り込まれた空気とが、同時にタービン20で断熱膨張し低温空気となってコンデンサ18に入り、そして、コンデンサ18を出た空気は、0℃以下でミキシングチャンバ21に導かれる(例えば、特許文献1参照。)。
そして、ACM出口空気は直接キャビン22へ供給するには冷えすぎるので、再循環ライン(ファン22a、バルブ22b)を通って戻ってきたキャビン22からの排気の一部をミキシングチャンバ21で混合し、快適な温度に調整してからキャビン22に供給される。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−002596号公報 (第1図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空調システムは以上のように構成されているが、機体が地上に静止している状態で、ラムエア回路などに空気を流すためには、ファン13(タービン20とコンプレッサ15とファン13が同軸に装備された3Wheel−HPWS方式など)、または、イジェクタ(高速流の気体を流し、その負圧領域と粘性流によって周囲の気体を吸引するように構成した機器)などにより、空気をラムエア回路に引き込む必要がある。ラムエアを導入するためには、ファン13を装備することが一番容易であるが、戦闘機などでは取り付けスペースの制限や高速飛行時のファン13のウインドミル事象の懸念から、イジェクタを利用することが一般的である。しかし、イジェクタを用いると必要なラムエアを確保することができるが、イジェクタの1次流量は機外にそのまま排気されるため、エネルギーとして有効に利用されていないという問題がある。
また、空調システムへ供給される抽気圧力が低い場合、例えば、駐機状態でエンジン11がアイドル状態の時などは、冷却能力が低下する。この状態で冷却能力を向上させるためには、タービンのノズル径を大きくするなどして、流量を増加させる必要が生じる。しかし、タービンのノズル径を大きくすることで、空調システムへの流量を増加させることは可能であるが、流量増加がさらなる空調システム入口の圧力低下を生じ、他の空調システム作動条件との関連から低抽気圧力状態でノズル径を決定できないなどの問題がある。
【0007】
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、ラムエア回路に効率よく空気を取り込み、かつ、抽気圧力を高めることができる航空機用空調システムを提供することを目的とする。
【0008】
【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調システムは、航空機エンジンの高温・高圧になった空気の一部を取り出し、機外のラムエア冷気を利用し、エアサイクルマシンにより機内を空気調和する航空機用空調システムであって、エアサイクルマシンの前段にタービンとその同軸上にコンプレッサを備えたイジェクタタービンを設け、前記タービンにエンジン抽気を導入しその排気をラムエアの流路に流して機外からの空気を引き込み、前記コンプレッサによってエンジン抽気を圧縮し抽気圧力を高めて前記エアサイクルマシンに導入することができるようにしたものである。
【0009】
本発明の航空機用空調システムは上記のように構成されており、エアサイクルマシンの前段にタービンとその同軸上にコンプレッサを備えたイジェクタタービンを設け、イジェクタタービンが抽気した高圧空気を一気に膨張させることで、運動エネルギーを得て高速の1次流量を生成し、それをラムエア回路に送り、負圧領域を生じさせ、機外の空気をラムエア回路に引き込む。
また、上記のコンプレッサに高温・高圧の抽気の一部を取り込み、タービン同軸上に装備されたコンプレッサの動力を利用して抽気を予圧し、ACMの一次熱交換器に送り、その後、2段目のコンプレッサで圧縮して二次熱交換器に送り、2段の圧縮によって冷却能力を向上させる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の航空機用空調システムの一実施例を、図1を参照しながら説明する。図1は本発明の航空機用空調システムの空調回路を示す図である。本発明の航空機用空調システムは、エンジン1からの高温・高圧の抽気を取り込み圧縮して一次熱交換器4に導入するコンプレッサ2と、その同軸上に設けられエンジン1からの抽気を取り込みその排気をラムエア回路に導入するタービン3と、ラムエア回路に設けられた一次熱交換器4及び二次熱交換器6と、一次熱交換器4で熱交換された空気を圧縮し二次熱交換器に導入するコンプレッサ5と、二次熱交換器6からの空気を高温側回路に導入し冷却するリヒータ7と、リヒータ7で熱交換された空気を高温側回路に導入しタービン10で断熱膨張された低温側回路によって冷却され水分を凝縮するコンデンサ8と、凝縮した水分を遠心分離して除くウォータエクストラクタ9と、水分が除かれリヒータ7の低温側回路経由で導入された空気を断熱膨張するタービン10とから構成される。
【0011】
本航空機用空調システムと従来のシステムと異なるところは、従来のシステムは、図2に示すように、エンジン11からの抽気を、直接、一次熱交換器14に導入し、コンプレッサ15で圧縮し、二次熱交換器16、タービン20の断熱膨張で低温にしているが、本システムでは、コンプレッサ2を設け、抽気を2段のコンプレッサ2、5によって圧縮し、エンジン抽気の圧力が低下しても、また、空調流量が増加しても、空調システム入口の圧力を低下することなく、冷房能力を向上しているところである。
また、一次熱交換器4及び二次熱交換器6の冷却用のラムエア引き込みは、従来のシステムでは、図2に示すように、コンプレッサ15及びタービン20との同軸上に備えられたファン13によって行われていたが、本システムでは、コンプレッサ2の同軸上に設けられたタービン3に、エンジン1からの抽気が導入され、抽気した高圧空気を一気に膨張させることで、運動エネルギーを得て高速の1次流量を生成し、それをラムエア回路に送り、負圧領域を生じさせ、機外の空気をラムエア回路に引き込んでいるところである。
そして、タービン3の動力を同軸上に装備されたコンプレッサ2の動力として利用し、エンジン1から高温・高圧の抽気を効率よく取り入れている。
【0012】
次に、本航空機用空調システムの動作について説明する。エンジン1からの高温・高圧の空気が、抽気制御用のバルブ1aを介してコンプレッサ2に取り込まれ、圧縮されて一次熱交換器4に導入される。イジェクタタービンのコンプレッサ2の同軸上に設けられたタービン3にエンジン1からの空気が制御用のバルブ1bを介して取り込まれ、抽気した高圧空気を一気に膨張させ、高速の1次流量を生成し、ラムエア回路に送り、負圧領域を生じさせ、機外の空気をラムエア回路に引き込む。このラムエアにより一次熱交換器4及び二次熱交換器6が冷却される。そしてコンプレッサ2で圧縮され一次熱交換器4で熱交換された空気は、コンプレッサ5で圧縮されて二次熱交換器6に導入され熱交換される。二次熱交換器6を出た空気はリヒータ7の高温側回路に導入され冷却されて、コンデンサ8の高温側回路に導入される。コンデンサ8ではタービン10の断熱膨張によって冷却された空気の低温側回路と熱交換され、空気中の水分のほとんどが凝縮する。そして、ウォータエクストラクタ9で遠心分離によって分離され除去される。水分が除去された空気はリヒータの低温側回路を経由してタービン10に導入される。導入された空気はタービン10で断熱膨張され、さらに低温にされてコンデンサ8に導入される。そこで高温側の空気と熱交換されて後に、キャビン側へ供給される。このとき、コンデンサ8からの空気は0℃以下になるので、キャビンに直接供給するのでなく、中間にミキシングチャンバと再循環回路を設け、キャビンの暖かい空気の一部を再循環ファンとバルブ調節によって再循環空気量を制御して取り出し、ミキシングチャンバで両空気が混合され、快適な温度に調整されてからキャビンに導入される。
【0013】
本空調システムは、2段のコンプレッサ2およびコンプレッサ5によって抽気が圧縮されるので、エンジン1からの抽気圧力が低い場合、例えば、駐機状態でエンジン1がアイドル状態の時などでも、冷却能力が低下することがない。このため、タービンのノズル径を大きくする必要もなく、流量を増加させない。そして流量増加による空調システム入口の圧力低下を生じさせない。
また、イジェクタタービンを用いて抽気した高圧空気をタービンノズルで一気に膨張させることにより高速の1次流量を生成し、タービン3の軸力として運動エネルギーを得て、そのエネルギーをタービン3と同軸上のコンプレッサ2に回収して有効に利用し、上記の高速の一次流量をラムエア回路に送り、負圧領域を生じさせ、機外の空気をラムエア回路に引き込む。
【0014】
上記の実施例では、コンプレッサ2とコンプレッサ5の間に一次熱交換器4が設けられているが、一次熱交換器4の下流にコンプレッサ2をコンプレッサ5と直列に配置しても良い。
【0015】
【発明の効果】
本発明の航空機用空調システムは上記のように構成されており、イジェクタタービンをエアサイクルマシンの前段に設け、タービンによって、抽気された高圧空気を一気に膨張させ、その運動エネルギーを得て高速の1次流量を作り、ラムエア回路に送って機外の空気を引き込むことができる。これにより、タービン軸力としてエネルギーを回収することができ、従来のように、ファンやイジェクタを使用する必要も無く、エネルギー効率を向上することができる。また、タービンからの排気空気温度が十分に低い場合、タービン排気を利用して冷却を行うことができる。
そして、イジェクタタービンのタービン動力を同軸上に装備されたコンプレッサの動力として利用し、高温・高圧の抽気の一部を取り込み、コンプレッサで抽気を予圧してACMに送り、2段目のコンプレッサによって圧縮するので、冷却能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の航空機用空調システムの一実施例を示す図である。
【図2】従来の航空機用空調システムの空調回路を示す図である。
【符号の説明】
1、11、11a、12a エンジン
1a、1b、14a、14b、22b バルブ
2、5、15 コンプレッサ
3、10、20 タービン
4、14 一次熱交換器
6、16 二次熱交換器
7、17 リヒータ
8、18 コンデンサ
9 ウォータエクストラクタ
12 外気
13、22a ファン
21 ミキシングチャンバ
22 キャビン
Claims (1)
- 航空機エンジンの高温・高圧になった空気の一部を取り出し、機外のラムエア冷気を利用し、エアサイクルマシンにより機内を空気調和する航空機用空調システムであって、エアサイクルマシンの前段にタービンとその同軸上にコンプレッサを備えたイジェクタタービンを設け、前記タービンにエンジン抽気を導入しその排気をラムエアの流路に流して機外からの空気を引き込み、前記コンプレッサによってエンジン抽気を圧縮し抽気圧力を高めて前記エアサイクルマシンに導入することができるようにしたことを特徴とする航空機用空調システム。
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