JP2004314654A - Air conditioning system for aircraft - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【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、キャビンを空調し電子機器などの搭載機器を冷却する空調システムに関する。
【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。HPWS方式は、ACM出口温度を氷点下に下げることができるため、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すむので、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ようにしている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
図2に、従来のHPWS方式の空調システムの回路を示す。空調システムは、エンジン102で高温・高圧になった空気の一部が、抽気制御用のバルブ102aで調圧されて取出され、コンプレッサ101により圧縮され、ラムエア熱交換器103におけるラムエアとの熱交換により冷却される。その冷却された抽気がリヒータ105における熱交換によりさらに冷却された後に、コンデンサ106でその低温側通路を通過する低温空気と熱交換により冷却されることで、その抽気中の水分が露天以下に冷却され、その水分をウォータエクストラクタ107において、遠心力を利用して分離される。そして、水分が分離された抽気をリヒータ105における水分分離前の抽気の冷却に用いた後、膨張タービン108において膨張させることで低温空気とする。この低温空気を上記のコンデンサ106の低温側通路を通過させ、エンジン抽気の冷却に用いた後、液冷熱交換器112を通過させて航空機のキャビンに送り出している。この液冷熱交換器112には、電子機器113を冷却する冷媒がポンプ114によって循環しており、熱交換が行われる。
なお、エンジン抽気が膨張して膨張タービン108を回転させることで、回転軸を介してコンプレッサ101の駆動力としても作用している。また、バルブ102bを設け、エンジン102からの抽気を、直接膨張タービン108の出口にバイパスして温度コントロールを行うことができる。
【0005】
上記のように、空調システムは、エンジン102から得られる高温高圧空気をACMのコンプレッサ101で圧縮した後、ラムエア熱交換器103でその圧縮熱を除去し、その後、膨張タービン108での断熱膨張で生成される冷却空気を利用する方式で、通常、空調パック単位で構成され、1パックにはACM1台を装備し、必要に応じて、複数パックを装備する。そして、空調システムで生成された冷却空気は空調パックを出た後、配管を通じて供給され、キャビンや電子機器113を冷却するのに用いられる。電子機器113が液冷の場合、液冷熱交換器112を装備し、空調システム下流にて液冷熱交換器112を介して冷却液を冷却する。そして、除湿は除湿対象の空気を、コンデンサ106を介して、膨張タービン108からの冷却空気で冷却し、水分を凝縮させている。
【0006】
上記のHPWS方式によれば、膨張タービン108の上流でエンジン抽気の除湿を行うことで、膨張タービン108の出口温度をLPWS方式よりも下げ、キャビンなどへ供給する空気を低温にできる。その膨張タービン108の出口における空気温度を低くすることで、同じ冷房能力を達成するために必要な抽気流量を低減できるので、空調システムを作動させるために必要な燃料の消費量を低減することができる。
【0007】
しかし、HPWS方式の空調システムにおいて、ウォータエクストラクタ107を通過した後の抽気中に残留する水分が、コンデンサ106において氷結して抽気流路を塞ぐことにより、十分に低温空気をキャビン等へ供給できなくなることがある。そのため、例えば、高温のエンジン抽気の一部を膨張タービン108の下流に、図2に記載されたような、ホットバー109をコンデンサ106の低温空気流路の入口側に設け、高温のエンジン抽気の一部を通過させることで、熱交換により低温空気の温度を高めることが行われている。
【0008】
【特許文献1】
特開平11−44463号 (第1〜6図、第2〜4頁)
【0009】
【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、エンジン抽気を圧縮・膨張することで冷却しており、その冷却能力はACMへ導入される抽気圧力が高い程、冷却能力が増加するが、エンジン102がアイドル状態などで、十分な圧力を供給できない場合は、冷却能力の低下が生じるという問題がある。
また、電子機器25などを液体の冷媒で冷却する場合、冷媒はACMで生成された冷却空気と液冷熱交換器112を介して冷却されるが、このとき、冷却空気が得る熱エネルギーは単なる温度上昇にしか寄与しないという問題がある。
また、除湿を行うために、タービン108で生成された極低温の空気を利用し、コンデンサ106を介して除湿対象の空気を冷却するが、この際、コンデンサ106での氷結防止策などを付加しなければならないという問題がある。
【0010】
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、エンジンからの抽気圧力が低くなっても冷却能力を低下させずに、また、搭載機器を冷却するための液冷熱交換器での熱交換を有効に利用し、コンデンサでの氷結防止を行う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。
【0011】
【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抽気し、タービンと同軸上に設けられたコンプレッサで圧縮し、機外のラムエア冷気による熱交換器で冷やし、タービンの断熱膨張によって低温空気を供給する航空機用空調システムであって、2つのタービンを直列に設け、1段目のタービンで得られた冷却空気で搭載機器を冷却する液体の冷媒を冷却し、2段目のタービンで得られた冷却空気でキャビンを空調するようにしたものである。
【0012】
また、本発明の航空機用空調システムは、2つのコンプレッサを設け、1段目のコンプレッサで抽気を圧縮して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2次熱交換器に送り、2段階に抽気を圧縮するものである。
【0013】
また、本発明の航空機用空調システムは、抽気から水分を凝縮させるコンデンサの低温側及び高温側の上流に、搭載機器を冷却する液体の冷媒用の液冷熱交換器をそれぞれ装備したものである。
【0014】
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、2つのタービンを直列に設け、1段目のタービンで得られた冷却空気で搭載機器を冷却する液体の冷媒を冷却し、その際に得られる熱エネルギーを2段目のタービンの軸力として回収し、そこで得られた冷却空気でキャビンを空調する。
また、2つのコンプレッサを設け、1段目のコンプレッサで抽気を圧縮して予圧し、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抽気圧を高め、2次熱交換器に送り、2段階に抽気を圧縮する。これによりエンジンからの抽気圧力が低くなっても冷却能力を低下させることがない。
また、コンデンサの低温側の上流に搭載機器を冷却する一次液冷熱交換器を装備し、1段目のタービンで生成された極低温空気の温度は、コンデンサに流入する前に温度が上昇し、コンデンサで氷結することがない。また、コンデンサの高温側の上流に搭載機器を冷却する二次液冷熱交換器を装備し、抽気を冷却してコンデンサに送る。
【0015】
【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、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6に導入するコンプレッサ5と、電子機器25を冷却する液冷ライン27に設けられたポンプ26と一次液冷熱交換器28及び二次液冷熱交換器29と、二次熱交換器6からの空気を二次液冷熱交換器29で冷却して高温側回路に導入し、タービン10で断熱膨張し一次液冷熱交換器28を冷却した空気を低温側回路に導入し、高温側回路の空気を冷却して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、水分が除かれた空気を圧縮し断熱膨張するタービン10と、コンデンサ8からの低温空気を導入し断熱膨張させてキャビンに低温空気を供給するタービン3とから構成される。
【0016】
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、1段の膨張タービン108の出力をコンデンサ106を介して電子機器113の冷却用の液冷熱交換器112に導入し、その後キャビンへ供給しているが、本システムでは、「エネルギー・リカバリー・ブースト・エアサイクルシステム」を構成し、2台のタービン10及びタービン3を備え、その間の流路に一次液冷熱交換器28とコンデンサ8を設け、冷却してこのとき得られる熱エネルギーを2段目のタービン3の軸力として回収し、前段の冷却空気を2段目のタービン3に導入し、断熱膨張した空気をキャビンなどに供給する。
そして、2段目のタービン3の動力が同軸上に装備された1段目のコンプレッサ2の動力として利用され、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。
また、従来のシステムは、図2に示すように、エンジン102からのエンジン抽気を、1段のコンプレッサ101だけで圧縮してラムエア熱交換器103に導入しているが、本システムは2段のコンプレッサ2及びコンプレッサ5で圧縮し、一次熱交換器4及び二次熱交換器6に導入し、エンジン抽気圧力が低下した場合でも、冷房能力を良好にしている。
また、従来のシステムは、図2に示すように、膨張タービン108の出力をコンデンサ106に導入し、氷結防止のためのホットバー109などを設けているが、本システムでは、タービン10の出力を電子機器25冷却用の一次液冷熱交換器28に導入してからコンデンサ8に送り込んでいる。そのためコンデンサ8に氷結防止対策を必要とせず、その冷熱を電子機器25の冷却用に用いている。
そして、従来のシステムは、冷熱有効利用のためリヒータ105を設けていたが、本システムでは、二次液冷熱交換器29を一次液冷熱交換器28の下流に設け、電子機器25の冷却用として利用し、リヒータ105を必要としない。
【0017】
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1段目のコンプレッサ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。2段目のコンプレッサ5の同軸上に設けられたファン(図示せず)、またはイジェクタ(図示せず)によって、機外の空気がラムエア回路に引き込まれる。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1段目のコンプレッサ2で圧縮され一次熱交換器4で熱交換された空気は、2段目のコンプレッサ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、二次液冷熱交換器29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が一次液冷熱交換器28を経由して低温側回路に導入され高温側回路の空気を冷却し、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直接タービン10に導入される。導入された空気はタービン10で断熱膨張し、一次液冷熱交換器28を冷却し熱交換して、コンデンサ8を経由して、このとき得られる熱エネルギーを2段目のタービン3の軸力として回収し、2段目のタービン3に導入される。導入された空気はタービン3で断熱膨張され、キャビン側へ供給される。このとき、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ハ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。
【0018】
本空調システムは、2台のタービン10及びタービン3を備え、一段目のタービン10の断熱膨張によって、電子機器25の冷却用の一次液冷熱交換器28を冷却し、残りの熱エネルギーを2段目のタービン3の軸力として回収し、断熱膨張した空気をキャビンなどに供給している。そして、2段目のタービン3の動力が同軸上に装備された1段目のコンプレッサ2の動力として利用され、エネルギーを有効に回収して効率よく冷房するシステムである。
また、2段のコンプレッサ2およびコンプレッサ5を備えて、エンジン1からの抽気圧力が低い場合でも、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。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。
【0019】
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。
【0020】
【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、2つのタービンを設け、抽気を1段目のタービンで断熱膨張させ、搭載機器冷却用の液冷熱交換器を冷却し、その際に得られる熱エネルギーを2段目のタービンの軸力として回収することができるので、ブーストACMコンプレッサの圧力比を増大させ、その結果、同じ供給抽気圧力の場合、従来と比べて冷却能力が増加する。そして、そこで得られた冷却空気でキャビンを空調することができる。
また、2つのコンプレッサを設けており、1段目のコンプレッサで抽気を圧縮して予圧し、2段目のコンプレッサで圧縮して抽気圧を高めることができるので、これによりエンジンからの抽気圧力が低くなっても冷却能力を低下させることなく運転することができる。
また、コンデンサのコールド側の上流に搭載機器を冷却する一次液冷熱交換器を装備しているので、1段目のタービンで生成された極低温空気の温度は、コンデンサに流入する前に温度が上昇するので、コンデンサで氷結することがなく、氷結防止策を講じる必要がない。
また、コンデンサのホット側の上流に二次液冷熱交換器を装備し、抽気を冷却してコンデンサに送ることができるので、一般的に用いられているリヒータをシステムから削除でき、システムの小型・軽量化が可能になる。
【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電子機器冷却回路を示す図である。
【符号の説明】
1 エンジン
1a バルブ
2 コンプレッサ
3、10 タービン
4 一次熱交換器
5 コンプレッサ
6 二次熱交換器
8 コンデンサ
9 ウォータエクストラクタ
25 電子機器
26 ポンプ
27 液冷ライン
28 一次液冷熱交換器
29 二次液冷熱交換器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an air conditioning system for an aircraft, and more particularly, to an air conditioning system for air conditioning a cabin and cooling mounted devices such as electronic devices.
[0002]
[Prior art]
The air conditioning system for aircraft performs cooling, heating, and ventilation in the cabin (cabin) and supplies pressurized air, and is roughly classified into a pressurized system and a cooling / heating system. In a small machine without a pressurized system, the inside of the machine is heated by heat of an exhaust pipe of an engine or heat from a separately provided heater, and cooling is performed by taking in outside air into the machine. On the other hand, a large-sized machine with a pressurized room extracts a part of high-temperature, high-pressure air from the compressor of the engine (this is called engine freed air or bleed air), and (A) removes cold air outside the machine. Using (this is called ram air), (B) using a vapor cycle cooling system using a refrigerant, (C) using an air cycle cooling system, and performing cooling and heating using these combinations. I have. Older large aircraft and current turbine helicopters use a combination of (A) and (B) with a gas cycle system, and new jet aircraft use a combination of (A) and (C) with an air cycle system. (B) is combined with the cooling of the mounted equipment.
[0003]
Conventional air conditioning systems use a method of separating water under low pressure (hereinafter, referred to as an LPWS method) as an air cycle machine (hereinafter, referred to as an ACM). Alternatively, the APU (auxiliary power unit, which is bleeding from here when not flying, which is usually provided at the rear of the aircraft) has poor fuel economy, so a method of separating water under high pressure (hereinafter, HPWS) Method is called). In the HPWS system, the ACM outlet temperature can be lowered below the freezing point, so that the amount of bleed air used for obtaining the necessary cooling capacity can be smaller than that in the conventional LPWS system, so that the fuel efficiency of the engine or the APU is improved. Since the ACM outlet air is too cold to feed directly into the cabin, it mixes with some of the exhaust from the cabin returning through the recirculation line and is adjusted to a comfortable temperature before being fed to the cabin. Further, in the case where the cooling capacity is insufficient with the ACM alone for cooling mounted electronic devices and the like, a vapor cycle machine (referred to as a VCM) provided with a cooling device using a refrigerant or the like is provided for cooling. (For example, see Patent Document 1).
[0004]
FIG. 2 shows a circuit of a conventional HPWS type air conditioning system. In the air-conditioning system, a part of the air that has become high temperature and high pressure in the engine 102 is taken out by adjusting the pressure by a bleed control valve 102a, compressed by a
The expansion of the engine bleed air to rotate the
[0005]
As described above, the air conditioning system compresses the high-temperature and high-pressure air obtained from the engine 102 with the
[0006]
According to the above-described HPWS system, by performing dehumidification of the engine bleed air upstream of the
[0007]
However, in the air conditioning system of the HPWS system, moisture remaining in the bleed air after passing through the
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-11-44463 (FIGS. 1-6, pages 2-4)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional air-conditioning system for aircraft is configured as described above, and cools by compressing and expanding the engine bleed air. The cooling capacity increases as the bleed air pressure introduced into the ACM increases. When sufficient pressure cannot be supplied, for example, when the engine 102 is in an idle state, there is a problem that the cooling capacity is reduced.
When the electronic device 25 and the like are cooled with a liquid refrigerant, the refrigerant is cooled through the cooling air generated by the ACM and the liquid
In addition, in order to perform dehumidification, cryogenic air generated by the
[0010]
The present invention has been made in view of such circumstances, and does not reduce the cooling capacity even if the bleed pressure from the engine is reduced, and is a liquid-cooled heat exchanger for cooling mounted equipment. It is an object of the present invention to provide an air conditioning system for an aircraft that can effectively use heat exchange of the air and prevent icing in a condenser.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the aircraft air conditioning system of the present invention extracts a portion of high-temperature, high-pressure air from an aircraft engine, compresses the compressed air with a compressor provided coaxially with a turbine, An air conditioning system for aircraft that cools with a heat exchanger by ram air cool air and supplies low-temperature air by adiabatic expansion of turbines. Two turbines are connected in series, and mounted equipment is cooled by cooling air obtained by the first stage turbine. The liquid refrigerant to be cooled is cooled, and the cabin is air-conditioned by cooling air obtained by the second stage turbine.
[0012]
Further, the air conditioning system for an aircraft of the present invention is provided with two compressors, compresses the bleed air with the first-stage compressor, sends it to the primary heat exchanger, and then compresses the bleed air with the second-stage compressor to form the secondary heat exchanger. And compresses the bleed air in two stages.
[0013]
Further, the air conditioning system for an aircraft of the present invention is provided with a liquid-cooled heat exchanger for a liquid refrigerant for cooling mounted equipment upstream of a low-temperature side and a high-temperature side of a condenser for condensing moisture from bleed air.
[0014]
The aircraft air-conditioning system of the present invention is configured as described above, and two turbines are provided in series to cool a liquid refrigerant that cools mounted equipment with cooling air obtained by the first-stage turbine. The heat energy obtained at that time is recovered as the axial force of the second stage turbine, and the cabin is air-conditioned with the cooling air obtained there.
In addition, two compressors are provided, and the bleed air is compressed and pre-pressed by the first-stage compressor, sent to the primary heat exchanger, and then compressed by the second-stage compressor to increase the bleed pressure and then to the secondary heat exchanger. Feeding compresses the bleed air in two stages. Thereby, even if the pressure of the bleed air from the engine decreases, the cooling capacity does not decrease.
In addition, a primary liquid-cooled heat exchanger that cools mounted equipment is installed upstream of the low-temperature side of the condenser, and the temperature of the cryogenic air generated by the first-stage turbine rises before flowing into the condenser, No freezing on capacitors. In addition, a secondary liquid cooling heat exchanger that cools the mounted equipment is installed upstream of the high temperature side of the condenser to cool the bleed air and send it to the condenser.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
One embodiment of an air conditioning system for an aircraft of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a diagram showing an air conditioning circuit of the air conditioning system for an aircraft of the present invention. The air-conditioning system for aircraft according to the present invention includes a
[0016]
The difference between the aircraft air conditioning system and the conventional system is that, in the conventional system, as shown in FIG. In this system, an “energy recovery boost air cycle system” is configured, which includes two
The power of the second-
Further, in the conventional system, as shown in FIG. 2, the engine bleed air from the engine 102 is compressed by only the single-
Further, as shown in FIG. 2, the conventional system introduces the output of the
In the conventional system, the reheater 105 is provided for the effective use of the cold heat. However, in the present system, the secondary liquid-cooled heat exchanger 29 is provided downstream of the primary liquid-cooled
[0017]
Next, the operation of the air conditioning system for an aircraft will be described. High-temperature, high-pressure air from the engine 1 is taken into the first-
[0018]
This air conditioning system includes two
Further, even when the two-
[0019]
In the above embodiment, the primary heat exchanger 4 is provided between the
[0020]
【The invention's effect】
The aircraft air-conditioning system of the present invention is configured as described above, is provided with two turbines, adiabatically expands the bleed air with the first-stage turbine, and cools the liquid-cooled heat exchanger for cooling the mounted equipment. Can be recovered as the axial force of the second stage turbine, increasing the pressure ratio of the boost ACM compressor. As a result, at the same supply bleed pressure, the cooling capacity increases compared to the conventional case. I do. And the cabin can be air-conditioned with the cooling air obtained there.
In addition, two compressors are provided, and the bleed air can be compressed and pre-pressed by the first-stage compressor and the bleed pressure can be increased by compressing the bleed air by the second-stage compressor. Even if it becomes low, it can be operated without lowering the cooling capacity.
In addition, since a primary liquid-cooled heat exchanger that cools mounted equipment is installed upstream of the cold side of the condenser, the temperature of the cryogenic air generated by the first stage turbine is reduced before flowing into the condenser. Since it rises, there is no icing at the condenser and no anti-icing measures need to be taken.
In addition, a secondary liquid cooling heat exchanger is installed upstream of the hot side of the condenser, and the bleed air can be cooled and sent to the condenser, so the commonly used reheater can be eliminated from the system and the system can be reduced in size and size. Weight reduction becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of an aircraft air conditioning system of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an electronic device cooling circuit of a conventional aircraft air conditioning system.
[Explanation of symbols]
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