JP2005112005A

JP2005112005A - 航空機用空気調和装置

Info

Publication number: JP2005112005A
Application number: JP2003344713A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Saito; 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP4182350B2

Abstract

【課題】機内空気における水分排出を抑制しつつ二酸化炭素濃度の増大を防止し、新鮮空気による換気量を削減でき、エンジン負担や消費エネルギを増大することなく機内環境を向上する航空機用空気調和装置を提供する。
【解決手段】冷却装置により冷却されたエンジン１からの抽出空気がキャビン８に導入される。キャビン８から流出する空気を再びキャビン８に導く空気流路における空気から二酸化炭素を二酸化炭素選択透過膜により分離する。その空気流路における空気に含まれる水分が吸着部８３により吸着される。吸着部８３により吸着された水分がキャビン８に導入可能とされている。その二酸化炭素透過膜を介して二酸化炭素は航空機の機外に排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定翼機および回転翼機を含む航空機の空気調和装置に関する。

エンジン抽出空気を冷却してキャビン内に導入する冷却装置を備える航空機用空気調和装置において、キャビンから流出する空気を再びキャビンに導くことで、エンジン抽出空気を減少させて飛行エネルギを低減することが図られている。その際、キャビンから流出する空気に含まれる水分を除去し、除去した水分を機外に排出したり再びキャビン内に戻すことで、機内環境を向上することが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−１６００９８号公報

キャビンから流出する空気を再びキャビンに導く場合、搭乗者の呼吸や炭酸飲料のサービス等によって機内空気の二酸化炭素濃度が高くなる。空気中の二酸化炭素濃度は、肺での血液中の二酸化炭素の排出が円滑に行われるよう低濃度に抑制することが必要であり、一般に５０００ｐｐｍ以下にすることが要望されている。

空気中の二酸化炭素濃度を低減するシステムとして、例えば潜水艦において二酸化炭素を選択的に吸着する有機アミン等の化学的吸着剤を用いることが考えられる。しかし、化学的吸着剤を用いる場合、吸着機能を維持するために再生処理が必要となるが、これらの吸着剤では再生時に過大なエネルギが消費とされることから、飛行エネルギの低減が必要な航空機において用いるのは困難である。

そこで、キャビンから流出する空気の二酸化炭素濃度を選択透過膜を用いて低減することが考えられる。ところで、選択透過膜でＮ₂（窒素）、Ｏ₂（酸素）に比べてＣＯ₂（二酸化炭素）の透過係数をより高めようとする場合、膜分子に分極を与えることで、分子的に分極状態にあるＣＯ₂分子の一部が引き合い、膜に溶解し易くなる。この結果、Ｎ₂、Ｏ₂の分子に比べ、ＣＯ₂は非常に大きな透過係数を得ることができるが、この特徴は水の分子に対しても働くため、水分子も大きな透過係数となる。この結果、二酸化炭素だけでなく空気中の水分も積極的に排出されるため、機内空気が必要以上に乾燥して機内環境が低下するという問題がある。このような問題を本発明は解決することを目的とする。

本発明の航空機用空気調和装置は、エンジンからの抽出空気を冷却して航空機のキャビンに導入する冷却装置と、前記キャビンから流出する空気を再び前記キャビンに導く空気流路と、前記空気流路における空気から二酸化炭素を分離する二酸化炭素選択透過膜と、前記空気流路における空気に含まれる水分の吸着部と、前記吸着部により吸着された水分を前記キャビンに導入可能な水分捕捉手段とを備え、前記吸着部は前記二酸化炭素選択透過膜の上流に配置され、前記二酸化炭素透過膜を透過した二酸化炭素は前記航空機の機外に排出されることを特徴とする。
本発明によれば、キャビンから流出する空気を再びキャビンに導く場合に、その空気に含まれる二酸化炭素を選択透過膜を介して航空機の機外に排出し、機内空気における二酸化炭素濃度を低減できる。二酸化炭素濃度低減のために選択透過膜を用いることで、化学的吸着剤を用いる場合のような吸着機能を維持するための再生処理が不要になる。機内空気と機外空気の圧力差により二酸化炭素が選択透過膜を透過するのを促進できる。さらに、空気中に含まれる水分は二酸化炭素選択透過膜を介して機外に排出される前に吸着剤により吸着され、キャビンに再導入可能とされているので、機内空気が乾燥し過ぎるのを防止できる。すなわち、水分の機外排出を抑えて二酸化炭素を機外排出できる。

空気流路切替機構と、前記空気流路切替機構を制御するコントローラと、前記キャビン内の空気よりも高温の空気が流れる補助空気流路とが設けられ、前記吸着部は複数設けられ、各吸着部は吸着時よりも温度が上昇することで吸着した水分を放出する吸着剤により構成され、各吸着部は、前記コントローラによる前記空気流路切替機構の制御により、前記補助空気流路に接続される状態と、前記空気流路における前記二酸化炭素選択透過膜の上流に接続される状態とに切替えられ、前記補助空気流路を流れる空気が前記吸着部の通過後に前記キャビンに導入可能とされることで、前記水分捕捉手段が構成されているのが好ましい。これにより水分の機外排出を効率良く抑制できる。

前記空気流路に設けられる空気圧縮手段を備え、前記空気圧縮手段の下流に前記二酸化炭素選択透過膜が配置されるのが好ましい。これにより、機内空気と機外空気の圧力差を増大し、機内空気に含まれる二酸化炭素が選択透過膜を透過するのを促進する圧力差を確保できる。また、機内空気は圧縮された際には、高温（たとえば１５０℃程度）に昇温するため、これにより生じた熱により各種病原菌の殺菌効果を奏することができる。

前記空気圧縮手段により圧縮された空気により、前記補助空気流路における前記吸着部の上流を流れる空気を加熱する熱交換器を備えるのが好ましい。これにより、機内空気に含まれる二酸化炭素が選択透過膜を透過するのを促進する圧力差を増大する場合、機内空気の圧縮により生じた熱を水分吸着剤の再生に利用し、エネルギーを有効利用できる。

本発明の航空機用空気調和装置によれば、機内空気における水分排出を抑制しつつ二酸化炭素濃度の増大を防止し、新鮮空気による換気量を削減でき、エンジン負担や消費エネルギを増大することなく機内環境を向上することができる。

図１に示す本発明の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で流量制御する。流量制御バルブ３９は、例えば図外コントローラからの信号により開度を指示されるモータ駆動のバタフライバルブにより構成される。流量制御バルブ３９により流量制御されたエンジン抽出空気は、ラジアルコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮される。ラジアルコンプレッサ３で圧縮されることで昇温された空気はメインクーラ４と呼ばれる熱交換器により冷却された後、再生熱交換機４ａで冷却され、水分捕捉のためにウォータセパレータ７に導かれる。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。

ウォータセパレータ７で水分除去された空気は空気流路７５に導かれる。空気流路７５を流れる空気の一部は空気分離部１６に導かれる。空気分離部１６を構成する選択透過膜１６ａは、本実施形態では空気中の酸素の透過率が窒素の透過率よりも高くされている。なお、酸素の透過率が窒素の透過率よりも低い選択透過膜を用いてもよい。これにより、空気分離部１６に導かれた空気は窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離される。選択透過膜１６ａは多数の中空糸膜からなる。それら中空糸膜は、図２に示すように容器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、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。容器１６ｃ′の一端開口は、各中空糸膜の一端開口とウォータセパレータ７に開閉バルブ１６ｇ′を介して接続される空気導入ポート１６ｄ′として機能する。容器１６ｃ′の他端開口は、各中空糸膜の他端開口に接続される窒素富化ガス排出ポート１６ｆ′として機能する。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に接続される酸素濃縮空気排出ポート１６ｅ′として機能する。窒素富化ガス排出ポート１６ｆ′から排出される窒素富化ガスは、第１コントロールバルブ４１ａを介して燃料周囲領域１５に導入された後に、放出路を通って機外空間１４に放出される。酸素濃縮空気排出ポート１６ｅ′から排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、また、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はコントローラからの信号により開度調整され、その開度調整により空気分離部１６を通過する空気流量が調整可能とされている。

空気流路７５に導かれた空気の残部が膨張タービン５においてほぼ断熱的に膨張されることで冷気が生成される。これにより、コンプレッサ３と膨張タービン５とによりエアサイクル式冷却装置が構成される。エアサイクル式冷却装置より生成された冷気は、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。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。シャフト６は動圧ガス軸受けにより支持されるのが好ましい。コンプレッサ３とタービン５を結ぶシャフト６に、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。

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。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。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、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。

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４０に流出され、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。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。

流出空気流路４０から分岐する補助空気流路７１が第２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に導かれた後に第２再生熱交換機７２により加熱される。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３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。各吸着部８３を構成する吸着剤は、空気に含まれる水分を吸着し、また、吸着時よりも温度が上昇することで吸着した水分を放出するもので、例えばシリカゲルのような水分子吸着物質から構成できる。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８１ｂ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８０ａが軸受（図示省略）を介して回転可能に支持される。中心シャフト８０ａにモータ８２が接続され、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８１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４０に接続される。これにより、コントローラ２５による空気流路切替機構５０の制御により回転ドラム８０が回転することで、各吸着部８３それぞれは補助空気流路７１に接続される状態と流出空気流路４０に接続される状態とに切替えられる。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。

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。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に導入する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。これにより、補助空気流路７１を流れる空気は吸着部８３の通過後にキャビン８に導入可能とされ、吸着部８３により吸着された水分をキャビン８に導入する手段が構成されている。

補助空気流路７１を流れる空気の温度は第２再生熱交換機７２により加熱されることで例えば１００℃〜１４０℃になり、キャビン８内の空気よりも高温になる。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、吸着部８３はキャビン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、吸着剤はキャビン８から流出される空気に含まれる水分子を吸収する。一方、吸着部８３は補助空気流路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、吸着剤は補助空気流路７１を介して導入される空気中に吸収した水分子を放出することで再生される。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。

流出空気流路４０から吸着部８３に導かれた空気は、空気圧縮手段として高周波モータ１８で駆動されるコンプレッサ１７に導かれる。コンプレッサ１７によりキャビン８から流出して吸着部８３により水分吸着された空気が略断熱的に圧縮される。コンプレッサ１７により昇圧され、１５０℃〜２００℃程度まで温度が上昇した空気は、第２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され、第１放熱器１９ａ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、１００℃〜１２０℃程度で二酸化炭素分離部９１に導かれる。これにより第２再生熱交換機７２は、コンプレッサ１７により圧縮された空気により、補助空気流路７１における吸着部８３の上流を流れる空気を加熱する。なお、吸着部８３からコンプレッサ１７に向かう流路から分岐する流路が設けられ、その流路は切替えバルブ９０ａを介してアウトフローバルブ９０ｂに接続される。切替えバルブ９０ａはアウトフローバルブ９０ｂを吸着部８３に接続する状態とキャビン８に接続する状態とに切り換える。図外センサによるキャビン８内の検出圧力と航空機の検出高度に基づき、アウトフローバルブ９０ｂの開度がコントローラにより制御され、キャビン８内の圧力が適正に維持される。

二酸化炭素分離部９１は、空気から二酸化炭素を分離する二酸化炭素選択透過膜により構成される。二酸化炭素選択透過膜の外側は機外に通じるものとされ、これにより二酸化炭素選択透過膜の機内側と機外側との圧力差が確保される。すなわち図４に示すように、二酸化炭素選択透過膜９１ａ′は多数の中空糸膜からなり、それら中空糸膜は、容器９１ｃ′に収納されると共にエポキシ等の樹脂製バインダ９１ｂ′の中に両端が埋設されることで束ねられ、バインダ９１ｂ′により容器９１ｃ′の内周と中空糸膜の両端外周との間が封鎖される。容器９１ｃ′の一端開口は、各中空糸膜の一端開口と第１放熱器１９ａに接続される空気導入ポート９１ｄ′として機能する。容器９１ｃ′の他端開口は、各中空糸膜の他端開口に接続される空気排出ポート９１ｆ′として機能する。容器９１ｃ′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減圧弁９１ｇ′を介して機外空間１４に接続される二酸化炭素排出ポート９１ｅ′として機能する。減圧弁９１ｇ′で流出量を制御しながら二酸化炭素選択透過膜９１ａ′を透過した二酸化炭素を機外空間１４に排気できる。これにより空気中の二酸化炭素濃度が低下する。二酸化炭素を選択的に分離する膜としては公知のものを用いることができ、例えば二酸化炭素の透過能力が窒素のそれの数十倍のものを用いることができる。例えば、ＣＯ₂、Ｏ₂、Ｎ₂の透過係数が４０：１．５：１の膜を使用した場合、ここにＣＯ₂、Ｏ₂、Ｎ₂が０．４％、２０．８％、７８．８％の空気を１００ｋｇ流したとして、膜を通って１．２６ｋｇが流出したとすると、ＣＯ₂、Ｏ₂、Ｎ₂の供給量、透過量、および非透過分の量と濃度は以下の表１に示すようになり、流出空気のＣＯ₂濃度は約６割に低下することになる。

二酸化炭素濃度が低下した空気は、第２放熱器１９ｂにおいてラム空気路９を通る機外空気により冷却され、第４切替えバルブ３６に導かれる。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。これにより、キャビン８から流出する空気を循環空気として第４切替えバルブ３６を介して再びキャビン８に導くリサキュレーション空気流路が構成され、流出空気流路４０はリサキュレーション空気流路の一部とされる。すなわち、このリサキュレーション空気流路にコンプレッサ１７と、コンプレッサ１７の下流に位置する二酸化炭素選択透過膜９１ａ′が配置され、また、吸着部８３はリサキュレーション空気流路において二酸化炭素選択透過膜９１ａ′の上流に配置される。なお、二酸化炭素選択透過膜９１ａ′として耐熱性が高いものを選択することで、コンプレッサ１７による圧縮後の空気の冷却を過度に行う必要がなく、コンプレッサ１７による圧縮率を大きくして二酸化炭素の透過量を高めることができる。

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。これにより、上記流量制御バルブ３９により流量制御されたエンジン抽出空気とコンプレッサ１７によって圧縮された空気とが、混合後にコンプレッサ３に導入可能とされている。その混合された循環空気と抽出空気とがコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮された後に空気分離部１６に導入される。

上記実施形態によれば、キャビン８から流出する空気を再びキャビン８に導く場合に、その空気に含まれる二酸化炭素を二酸化炭素選択透過膜９１ａ′を介して航空機の機外に排出し、機内空気における二酸化炭素濃度を低減できる。また、二酸化炭素濃度低減のために二酸化炭素選択透過膜９１ａ′を用いることで、化学的吸着剤を用いる場合のような吸着機能を維持するための再生処理が不要になる。機内空気と機外空気の圧力差により二酸化炭素が二酸化炭素選択透過膜９１ａ′を透過するのを促進できる。さらに、コンプレッサ１７による機内空気の圧縮によって、機内空気と機外空気の圧力差を増大し、機内空気に含まれる二酸化炭素が二酸化炭素選択透過膜９１ａ′を透過するのを促進する圧力差を増大できる。そのコンプレッサ１７による機内空気の圧縮により生じた熱により各種病原菌の殺菌効果を奏することができる。そして、空気中に含まれる水分は二酸化炭素選択透過膜９１ａ′を介して機外に排出される前に吸着部８３における吸着剤により吸着され、キャビン８に再導入可能とされているので、機内空気が乾燥し過ぎるのを防止できる。すなわち、水分の機外排出を抑えて二酸化炭素を機外排出できる。さらに、コンプレッサ１７による機内空気の圧縮により生じた熱を吸着部８３における水分吸着剤の再生に利用し、エネルギーを有効利用できる。なお、地上においてキャビン内もまた高温多湿状態の時には、吸着部８３を通過した空気にはまだかなりの水蒸気が含まれている。この状態では残っている水蒸気は、二酸化炭素選択透過膜９１ａ′を透過して放出されることになる。しかし、このような時には第３切替えバルブ２７は、再生空気を機外に放出するように切替えられており、キャビン内の水蒸気量を低下させるように働くことから、二酸化炭素選択透過膜９１ａ′はこの機能をより高めるように働くことになる。

本発明の実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図本発明の実施形態における航空機用空気調和装置の空気分離部の構成説明図本発明の実施形態における航空機用空気調和装置の吸着部の構成説明図本発明の実施形態における航空機用空気調和装置の二酸化炭素分離部の構成説明図

符号の説明

１エンジン
８キャビン
１７コンプレッサ
２５コントローラ
５０空気流路切替機構
７１補助空気流路
７２第２再生熱交換機
８３吸着部
９１ａ′ 二酸化炭素選択透過膜

Claims

エンジンからの抽出空気を冷却して航空機のキャビンに導入する冷却装置と、
前記キャビンから流出する空気を再び前記キャビンに導く空気流路と、
前記空気流路における空気から二酸化炭素を分離する二酸化炭素選択透過膜と、
前記空気流路における空気に含まれる水分の吸着部と、
前記吸着部により吸着された水分を前記キャビンに導入可能な水分捕捉手段とを備え、
前記吸着部は前記二酸化炭素選択透過膜の上流に配置され、
前記二酸化炭素透過膜を透過した二酸化炭素は前記航空機の機外に排出される航空機用空気調和装置。
空気流路切替機構と、
前記空気流路切替機構を制御するコントローラと、
前記キャビン内の空気よりも高温の空気が流れる補助空気流路とが設けられ、
前記吸着部は複数設けられ、
各吸着部は吸着時よりも温度が上昇することで吸着した水分を放出する吸着剤により構成され、
各吸着部は、前記コントローラによる前記空気流路切替機構の制御により、前記補助空気流路に接続される状態と、前記空気流路における前記二酸化炭素選択透過膜の上流に接続される状態とに切替えられ、
前記補助空気流路を流れる空気が前記吸着部の通過後に前記キャビンに導入可能とされることで、前記水分捕捉手段が構成されている請求項１に記載の航空機用空気調和装置。
前記空気流路に設けられる空気圧縮手段を備え、
前記空気圧縮手段の下流に前記二酸化炭素選択透過膜が配置される請求項１または２に記載の航空機用空気調和装置。
前記空気圧縮手段により圧縮された空気により、前記補助空気流路における空気を、前記吸着部の上流側で加熱する熱交換器を備える請求項３に記載の航空機用空気調和装置。