JP2006290021A - 航空機用エアサイクル式空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機内における配置の自由度が高く、限られたスペースを有効に活用することのできる航空機用エアサイクル式空気調和装置を提供する。
【解決手段】 ジェットエンジンＪＥまたは補助動力装置ＡＰＵから供給される抽気を電動タービンコンプレッサ１０のコンプレッサタービンＴ_１で圧縮し、熱交換器２で冷却した後、この圧縮空気を膨張タービンＴ_２を有するタービン発電機２０を用いて膨張させることにより、圧縮用タービンと膨張用タービンとを同軸上に配置せずとも、従来のエアサイクルマシンと同様のブートストラップ・サイクルを構成することができる。従って、本発明の航空機用エアサイクル式空気調和装置は、航空機内における機器配置の自由度が向上するとともに、機内スペースを有効利用することが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、航空機の客室内の予圧や温度調節に用いられる航空機用エアサイクル式空気調和装置に関する。

空気調和装置（空調装置）には、冷媒を利用したベーパサイクル方式と、高圧空気を利用して冷却タービンでの断熱膨張により冷却空気を得るエアサイクル方式が知られているが、航空機に使用される空気調和装置は、予圧装置との適合性等を考慮して、ジェットエンジンまたは補助動力装置から得られる高温・高圧の抽気（ブリードエア）を利用したエアサイクル式空気調和装置（エアサイクルマシン）が主流となっている。

また、航空機用エアサイクル式空気調和装置には、冷却タービンの動作形式によって、ヘリコプタ等に搭載されるシンプル・サイクルの他、冷却タービンと同軸上に配置されたコンプレッサタービンを有するブートストラップ・サイクルが採用されている。このブートストラップ・サイクル方式は、コンプレッサタービンで抽気の圧力を一旦上昇させることによって、抽気圧力が低い時でも高い圧縮膨張比および冷房能力を得られることから、大量の冷却空気が必要な中型から大型の旅客機等のエアサイクルマシンに、一般的に用いられている。

なお、ブートストラップ・サイクル方式のエアサイクルマシンには、前記冷却タービンの同軸上にコンプレッサタービンのみが配置された２ホイールタイプ、冷却タービンとコンプレッサタービンの同軸上に熱交換器用の送風ファンが配置された３ホイールタイプ、およびこの３ホイールと同軸上に、コンデンサを通過した空気あるいは予圧部（キャビン等）からの排空気で回転する二次（排気）タービンを加えた４ホイールタイプ等がある（特許文献１〜２等を参照）。

また、これらのエアサイクルマシンは、予圧部であるキャビンの後方あるいはキャビンの下部等に配置されている（特許文献３〜４等を参照）。
特開２００２−９６７９９号公報 特開２００４−２４５１９３号公報 特開平５−２４６３９５号公報 特開２００３−２０５８９９号公報

ところで、航空機においても、省燃費や環境への影響軽減および経済性向上のために、軽量化や機内スペースの有効利用が検討されている。しかしながら、以上のような構成の航空機用エアサイクル式空気調和装置は、ジェットエンジンまたは補助動力装置からの抽気を使用しているため、翼や補助動力装置から離れた位置に配置すると、装置に抽気を供給するための配管や温度調整後の空気を客室各部に供給するためのダクトが長大になり、重量やスペースの点で不利である。

また、ブートストラップ・サイクル方式のエアサイクルマシンに用いられている冷却タービンやコンプレッサタービンは、ジェットエンジンや補助動力装置から抽気された高圧空気を用いた空気軸受（静圧軸受）により支持されているため、ジェットエンジンや航空機全体の燃費を低下させる一因となっているとともに、タービン周りの配管等が複雑で、設計上の制約が多いという問題があった。

本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、機内における配置の自由度が高く、限られたスペースを有効に活用することのできる航空機用エアサイクル式空気調和装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記する目的を達成するためになされたものであり、請求項１に記載の航空機用エアサイクル式空気調和装置は、ジェットエンジンまたは補助動力装置から供給される高圧空気を圧縮する電動タービンコンプレッサと、この電動タービンコンプレッサで圧縮された空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を通過した空気により駆動されるタービン発電機とを備え、前記タービン発電機で膨張した低温空気と前記ジェットエンジンまたは補助動力装置から供給される高温空気とを混合して航空機の室内に供給することを特徴とする。

本発明は、ブートストラップ・サイクルを利用した航空機用エアサイクル式空気調和装置において、従来同軸上に配置されていた圧縮用タービンと膨張用タービンの代わりに、電気駆動によりエンジン抽気を圧縮するタービンコンプレッサと、圧縮空気を膨張させつつ電気エネルギーを回収するタービン発電機とを用いてエアサイクルマシンを構成することにより、所期の目的を達成しようとするものである。

すなわち、請求項１に記載の発明によれば、ジェットエンジンまたは補助動力装置から供給される抽気を電動タービンコンプレッサで圧縮し、熱交換器で冷却した後、この圧縮空気をタービン発電機を用いて膨張させることにより、圧縮用タービンと膨張用タービンとを同軸上に配置せずとも、従来のエアサイクルマシンと同様のブートストラップ・サイクルを構成することができる。従って、本発明の航空機用エアサイクル式空気調和装置は、航空機内における機器配置の自由度が向上するとともに、機内スペースを有効利用することが可能になる。

なお、圧縮空気を膨張させる時にタービン発電機で得られた電気は、航空機のメインバッテリ等に充電することにより、このエアサイクルマシンやその他の電装機器の運用に利用することができる。

ここで、前記電動タービンコンプレッサの回転部分は、空気を潤滑流体とする動圧軸受で支持することが好ましい（請求項２）。また、前記タービン発電機の回転部分も、空気を潤滑流体とする動圧軸受で支持することが好ましい（請求項３）。

これらの発明によれば、回転部分（回転軸）の支持に、空気動圧軸受を用いることにより、機内に供給する空気に潤滑油等の不純物が混入するのを防止することができる。また、従来の静圧軸受を使用したエアサイクルマシンに比べ、軸受周りの配管（高圧空気の配管等）を簡素化することができる。従って、本発明の空気調和装置に用いられる電動タービンコンプレッサとタービン発電機とは、キャビン等に供給される調和空気の清浄度（クリーンさ）を従来と同等に保ちつつ、配置の自由度の向上および装置の小型・軽量化が可能となる。また、回転軸の支持にジェットエンジンまたは補助動力装置から抽気された高圧空気を用いる必要がないことから、航空機の燃費を向上させるというメリットもある。

なお、これら電動タービンコンプレッサとタービン発電機の両者の回転部分を、空気を潤滑流体とする動圧軸受で支持しても良い（請求項４）。

次に、請求項５に記載の発明は、航空機用エアサイクル式空気調和装置の効率向上を目的としたものであって、前記タービン発電機から得られた電力により、前記電動タービンコンプレッサが駆動されることを特徴とする。

この構成によって、エアサイクルマシンが搭載された航空機は、別途設けられている主発電機から得られる電力を電動タービンコンプレッサ（空気調和装置）に振り分ける必要がなく、その燃費を向上させることができる。

また、前記タービン発電機から得られた電気を補助蓄電手段に充電し、この補助蓄電手段に蓄えられた電気により、前記電動タービンコンプレッサを駆動しても良い（請求項６）。

以上の構成によって、本発明の航空機用エアサイクル式空気調和装置に用いられている電動タービンコンプレッサは、航空機の主発電機や補助動力装置（ＡＰＵ）、あるいは地上施設等から電力の供給を受けることなく、自立して運転することが可能になる。なお、本発明における補助蓄電手段とは、航空機に搭載されたメインバッテリ等とは異なり、この電動タービンコンプレッサに専ら電力を供給するために、別途設けられたものである。また、前記補助蓄電手段に蓄えられた電気は、エアサイクルマシン付随するその他の補助機器（例えば、熱交換器に風を送るファン等）の運転や、このエアサイクルマシンの運転に必要な制御用電力などに使用することもできる。

以上のように、本発明によれば、機内における配置の自由度が高く、限られたスペースを有効に活用することのできる航空機用エアサイクル式空気調和装置を実現することができる。

また、この航空機用エアサイクル式空気調和装置に使用される電動タービンコンプレッサおよび／またはタービン発電機の回転部分の支持に空気動圧軸受を使用すれば、これらを小型・軽量化することが可能になるとともに、ジェットエンジンまたは補助動力装置から抽気される高圧空気が節約され、航空機の燃費を向上させることができる。

以下、図面を参照しつつこの発明を実施するための形態について説明する。
図１は、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図である。また、図２は、この空気調和装置に用いられている電動タービンコンプレッサの構造を示す軸方向断面図であり、図３は、この空気調和装置に用いられているタービン発電機の構造を示す軸方向断面図である。なお、図１に記載の空気調和装置は、除湿機構のリヒータ、コンデンサ等と、これらに繋がる配管などの図示を省略している。

本実施形態における航空機用空気調和装置は、キャビン等の予圧部への調和空気の供給に用いられているブートストラップ・サイクル方式の空気調和装置である。まず、ジェットエンジンＪＥまたは補助動力装置ＡＰＵから抽気された高圧・高温の空気は、図示しない流量調節弁等を介して一次熱交換器１に投入される。この一次熱交換器１の冷媒としては、機外から空気通路７に導かれたラムエアが用いられる。一次熱交換器１で冷却された抽気は、引き続いてエアサイクルマシンに導入される。

エアサイクルマシンに導入された空気は、圧縮部のコンプレッサタービンＴ_１に供給され、その圧縮作用によって昇温された加圧空気となる。この昇温された加圧空気は、二次熱交換器２に導かれ、所定温度に冷却された後、膨張・発電部の膨張タービンＴ_２に供給される。

膨張タービンＴ_２に供給された加圧空気は、膨張して温度が著しく低下する。空気温度が低下し過冷却状態になると、空気中に含まれた水分が凝縮するので、この水分を除去するため水分離器３に送られる。そして、水分離器３を通過した空気は、低圧および低温の調和空気となってキャビン等の予圧部に供給される。なお、機外から空気通路７に導かれるラムエアが十分でない場合は、ファンモータＭ_２によって冷却ファンＦが駆動される。

また、タービンＴ_２で膨張した空気が氷点下になる場合には、水分離器３での氷結を防止するために、エンジンＪＥまたは補助動力装置ＡＰＵから抽気された空気の一部をバイパス調節弁４を通じて送り、水分離器３に入る空気の温度を調節する。なお、この水分分離器３に導入する高温空気は、二次熱交換器２またはタービン発電機２０の上流側等、他の位置から取り出す場合もある。

本実施形態におけるエアサイクル式空気調和装置の特徴は、エアサイクルマシンにおけるエンジン抽気の圧縮と膨張に、別体として配置された電動タービンコンプレッサ１０およびタービン発電機２０が用いられている点である。

また、このエアサイクル式空気調和装置には、航空機に搭載されたメインバッテリとは異なる補助蓄電手段６と、この補助蓄電手段６の充放電を制御するコントローラ５が配設されており、タービン発電機２０から得られた電力により、電動タービンコンプレッサ１０のモータＭ_１および冷却ファンＦを回転させるファンモータＭ_２が駆動されている。

以上の構成により、このエアサイクル式空気調和装置は、圧縮用タービンと膨張用タービンが同軸上に配置された従来のエアサイクル式空気調和装置に比べ、航空機内における機器配置の自由度が向上するとともに、限られた機内スペースを有効に利用することが可能になる。また、この空気調和装置に用いられているエアサイクルマシンは、航空機の主発電機や補助動力装置の発電機、あるいは地上施設等から電力の供給を受けることなく、自立して運転することができる。

なお、この補助蓄電手段６は、このタービンコンプレッサのモータＭ_１とファンモータＭ_２とに専ら電力を供給するために、別途設けられたものである。補助蓄電手段６の具体例としては、鉛蓄電池、アルカリマンガン電池、リチウムイオン電池等の二次電池や、大容量のコンデンサや電気二重層キャパシタ等が挙げられる。また、補助蓄電手段６に充電された電気は、このエアサイクル式空気調和装置の運転に必要な制御用電力やその他の補助機器の運用に用いても良い。

次に、本実施形態のエアサイクルマシンに用いられている電動タービンコンプレッサ１０の構造について説明する。このタービンコンプレッサ１０は、図２のように、ハウジング１１と、このハウジング１１の中に収容されたモータＭ_１部と、このモータＭ_１の回転軸１２の一端に固定されたタービンＴ_１とからなる。また、モータＭ_１部は、ハウジング１１側に配置されたモータのステータコア１４およびコイル１５と、回転軸１２側に固定されたモータのロータコア１６およびマグネット１７とから構成されている。

回転軸１２は、その一端が前記タービンＴ_１に接続され、他端側が、ハウジング１１中央に設けられた穴からモータＭ_１側に挿通されているとともに、ロータコア１６の軸方向両側の回転軸１２周囲には、それぞれ軸受スリーブ１３，１３が配置されている。また、この軸受スリーブ１３，１３の内周面には、例えば周方向に略Ｖ字状、ヘリングボーン状あるいはスパイラル状等の溝（動圧溝１３ｖ，１３ｖ）が設けられており、ラジアル動圧軸受として構成されている。これらの２つのラジアル動圧軸受は、空気を潤滑流体とする空気動圧軸受であり、動圧溝１３ｖ，１３ｖのポンピング効果により、回転軸１２の回転を非接触に支持する。なお、これらの動圧溝は、各軸受スリーブ１３の内周面に対向する回転軸１２の外周面側に形成しても良い。

また、この回転軸１２におけるタービンＴ_１の近傍には、回転軸１２と同心状に円筒状部材１８が取り付けられており、この円筒状部材１８に対向するハウジング１１側には、円板状部材１９が配設されている。これら円筒状部材１８と円板状部材１９の対向面の少なくとも一方には、例えば周方向に略Ｖ字状、ヘリングボーン状あるいはスパイラル状等の動圧溝（図示省略）が設けられており、スラスト（アキシャル）方向の荷重を受け止める空気動圧軸受が形成されている。

次に、本実施形態のエアサイクルマシンに用いられるタービン発電機２０の詳細について説明する。二次熱交換器２から送られた空気により発電するタービン発電機２０は、図３に示すように、膨張する加圧空気により回転するタービンＴ_２と、このタービンＴ_２と同軸（回転軸２２）に配置されたジェネレータＧとが同一のハウジング２１内に収容されたものである。タービンＴ_２は周方向に複数の羽根（ブレード）を備え、図示上方から流入する加圧空気により、高速で回転する。また、ジェネレータＧ部は、ハウジング２１側に配置された発電機のステータコア２４およびコイル２５と、回転軸２２側に固定された発電機のロータコア２６およびマグネット２７とからなる。

回転軸２２は、その一端が前記タービンＴ_２に接続され、他端側が、ハウジング２１中央に設けられた穴からジェネレータＧ側に挿通されているとともに、ロータコア２６の軸方向両側の回転軸２２周囲には、軸方向に距離を開けて軸受スリーブ２３，２３が配置されている。また、これら軸受スリーブ２３，２３の内周面には、前記電動タービンコンプレッサ１０と同様、例えば周方向に略Ｖ字状、ヘリングボーン状あるいはスパイラル状等の動圧溝２３ｖ，２３ｖが設けられており、ラジアル動圧軸受として構成されている。これらの２つのラジアル動圧軸受は、空気を潤滑流体とする空気動圧軸受であり、動圧溝２３ｖ，２３ｖのポンピング効果により、回転軸２２の回転を非接触に支持する。なお、これらの動圧溝は、各軸受スリーブ２３の内周面に対向する回転軸２２の外周面側に形成しても良い。

また、この回転軸２２におけるタービンＴ_２の近傍には、回転軸２２と同心状に円筒状部材２８が取り付けられており、この円筒状部材２８に対向するハウジング２１側には、円板状部材２９が配設されている。これら円筒状部材２８と円板状部材２９の対向面の少なくとも一方には、例えば周方向に略Ｖ字状、ヘリングボーン状あるいはスパイラル状等の動圧溝（図示省略）が設けられており、スラスト（アキシャル）方向の荷重を受け止める空気動圧軸受が形成されている。

以上の構成により、これらの電動タービンコンプレッサ１０とタービン発電機２０とを採用したエアサイクルマシンは、従来の静圧軸受を使用したエアサイクルマシンのように、軸受周りに配管（高圧空気の配管等）を配置する必要がない。従って、本実施形態におけるエアサイクルマシンは、キャビン等に供給される調和空気の清浄度を従来と同等に保ちつつ、装置の小型・軽量化が可能となる。また、回転軸の支持にジェットエンジンＪＥまたは補助動力装置ＡＰＵからの抽気を用いないため、このエンジンＪＥや航空機全体の燃費を向上させることができる。

また、このエアサイクルマシンを用いた空気調和装置は、小型・軽量化により、翼に近い位置や、あるいは調和空気を供給する客室各部等に近い位置に配設することも可能になる。この場合、温度調整後の空気を供給するためのダクトを短くすることができ、航空機の重量やスペース効率の点で有利である。

なお、本実施形態においては、エアサイクルマシンの圧縮部（電動タービンコンプレッサ１０）と膨張・発電部（タービン発電機２０）とを近接した位置に配置したが、これらを分離して配置することも可能である。エアサイクルマシンを複数搭載する航空機においては、圧縮部どうしを翼（ジェットエンジン）の近辺に統合配置し、膨張・発電部を各客室の近傍に個別に配置する、といった構成も採用できる。

また、本発明のエアサイクル式空気調和装置用いられる電動コンプレッサとタービン発電機の構成は、これら実施形態での例に限定されるものではない。また、電動タービンコンプレッサとタービン発電機の回転軸を支承するラジアルおよびスラスト動圧軸受の位置も、その構成に合わせ適宜変更すれば良く、動圧溝型動圧軸受の代わりに、フォイル型動圧溝を形成しても良い。また更に、それぞれスラスト動圧軸受に代わり、各タービンと反対側の回転軸端部を半球状としてピボット軸受を構成したり、あるいは磁気軸受を採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、ラムエアを導入する空気通路７に冷却ファンＦを備える、３ホイールタイプのエアサイクル式空気調和装置について説明したが、本発明の航空機用エアサイクル式空気調和装置の構成は、特にこれらの例に限定されるものではなく、コンプレッサタービンと冷却タービンのみで構成された２ホイールタイプ等、ブートストラップ・サイクル方式を採用するエアサイクルマシンに、広く適用することができる。

更にまた、コンデンサを通過した空気あるいは予圧部からの排空気で回転する二次（排気）タービンを備えた４ホイールタイプのエアサイクルマシンの場合は、この二次（排気）タービンにもジェネレータを付設することにより、この排気エネルギーを回生利用することも可能である。

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図である。 本発明の実施形態の航空機用空気調和装置に用いられる電動タービンコンプレッサの構成を示す軸方向断面図である。 本発明の実施形態の航空機用空気調和装置に用いられるタービン発電機の構成を示す軸方向断面図である。

符号の説明

１ 一次熱交換器
２ 二次熱交換器
３ 水分離器
４ バイパス調節弁
５ コントローラ
６ 補助蓄電手段
７ 空気通路
１０ タービンコンプレッサ
１１ ハウジング
１２ 回転軸
１３ 軸受スリーブ
１４ ステータコア
１５ コイル
１６ ロータコア
１７ マグネット
１８ 円筒状部材
１９ 円板状部材
２０ タービン発電機
２１ ハウジング
２２ 回転軸
２３ 軸受スリーブ
２４ ステータコア
２５ コイル
２６ ロータコア
２７ マグネット
２８ 円筒状部材
２９ 円板状部材
Ｇ ジェネレータ
Ｍ モータ
Ｔ タービン

Claims (6)

1. ジェットエンジンまたは補助動力装置から供給される高圧空気を圧縮する電動タービンコンプレッサと、この電動タービンコンプレッサで圧縮された空気を冷却する熱交換器と、この熱交換器を通過した空気により駆動されるタービン発電機とを備え、前記タービン発電機で膨張した低温空気と前記ジェットエンジンまたは補助動力装置から供給される高温空気とを混合して航空機の室内に供給することを特徴とする航空機用エアサイクル式空気調和装置。
2. 前記電動タービンコンプレッサの回転部分が、空気を潤滑流体とする動圧軸受で支持されていることを特徴とする請求項１に記載の航空機用エアサイクル式空気調和装置。
3. 前記タービン発電機の回転部分が、空気を潤滑流体とする動圧軸受で支持されていることを特徴とする請求項１に記載の航空機用エアサイクル式空気調和装置。
4. 請求項２に記載の電動タービンコンプレッサと、請求項３に記載のタービン発電機とを備えることを特徴とする航空機用エアサイクル式空気調和装置。
5. 前記タービン発電機から得られた電力により、前記電動タービンコンプレッサが駆動されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の航空機用エアサイクル式空気調和装置。
6. 前記タービン発電機から得られた電気を補助蓄電手段に充電するとともに、この補助蓄電手段に蓄えられた電気により、前記電動タービンコンプレッサが駆動されることを特徴とする請求項５に記載の航空機用エアサイクル式空気調和装置。

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