JP2009532261A - 航空機用の空調システム - Google Patents

Abstract

ブリード空気源（１２）と、主調整弁（１６）を有するブリード空気ライン（２２〜３０）と、空調ユニット（３２）とを有する航空機、特に民間航空機用の空調システムであって、このブリード空気源（１２）からブリード空気ライン（２２〜３０）を経て空調ユニット（３２）移送される空気質量流量を、主調整弁（１６）により制御することができる。本発明によれば、バイパス弁（３４）を有し、ブリード空気ラインの少なくとも一部（２２〜２６，１６）をバイパスするバイパスライン（３６〜５０，５８，６０）を、ブリード空気源（１２）と空調ユニット（３２）との間に設ける。

Description

本発明は、航空機、とくに民間航空機用の空調システムに関し、ブリード空気源と、主調整弁を有するブリード空気ラインと、空調ユニットとを有し、主調整弁により制御できる空気質量流を、ブリード空気ラインを介してブリード空気源から空調ユニットに供給する空調システムに関する。本発明は、さらに、航空機、とくに民間航空機の空調方法に関し、この方法は、ブリード空気の質量流を生ぜしめるステップと、ブリード空気の質量流をブリード空気ラインにより空調ユニットへ導くステップとを有する。

現在の慣例飛行高度およびこの高度における外気の状態は低空気圧、低温であるため、航空機内および特に乗客の客室内のと空調ならびに空気圧調節が絶対不可欠である。従来技術による航空機用の空調システム１０（“ＡＧＳ＝air generation system”）を図３に示す。外部と客室内部との間の大きな圧力差を均一にするために、高圧下の高温ブリード空気をタービン動力ユニット（図示せず）のコンプレッサ段１２から抽気し、空調システム１０に供給される。この目的のため、ブリード空気は、とくに種々のブリード空気ライン部分２０，２２，２６，３０および主調整弁１６を介して空調ユニット３２に供給する。この空調ユニット３２ならびに上流および下流における個々のユニット（オゾンコンバータ２４、弁、コンプレッサ、タービン等）で、ブリード空気に基本的な処理を加えて、物理的特性（温度、圧力、水分含有量）を所望の範囲内に調整し、ブリード空気を新鮮な客室空気として使用することができるようにする。必要とされる量にブリード空気を制限し、不必要な電力消費を回避するために、客室内空気の一部を再処理し、また新鮮な客室空気に混合する。空調ユニット１０は、２個の互いに独立した空調ユニット３２，３２ａが航空機の客室内部における乗客の場所に空気を供給することができるように全体的に設計する。このようにして、空調ユニットおよび関連する個別のコンポーネント（構成要素）を適切に寸法決めすることにより、所定の冗長性および増大した安全性が得られる。

空調システムにおける重要な個別コンポーネントとしては、主調整弁１６（“ＦＣＶ＝flow control valve”）があり、この主調整弁を種々のシステム測定値に基づいて制御コンピュータにより制御するとき、空調ユニット３２に供給する空気質量流に影響を与える。この目的のため、可動のスロットル弁を主調整弁ユニットの空気質量流チャネル内に配置し、この弁によりブリード空気源から派生した空気質量流を必要とされる量に減少させることができる。空気質量流を制御することの他に、主調整弁１６は、スロットル弁を閉じることによりコンプレッサ段からのブリード空気の抽気（引き込み）を完全に遮断し、タービン動力ユニットに最大有効出力を生ずることができるようにする。例えばこのことは、このような空調システム１０を装備した航空機のスタートアップの前に恒常的に実行され、スタートアップ手順の際に動力ユニットの最大推進力を確保できるようにする。しかし、主調整弁１６のスロットル弁を閉じた後は、新鮮な客室の空気は利用できない。所定の飛行高度（例えば１，５００フィート‐４５７．２メートル）に達するとき、主調整弁１６を再び開き、空調ユニット３２が動作を再開できるようにする。

ブリード空気は高温であるために、主調整弁は大きな熱応力に晒される。同時に、航空機技術における任意の構造部分と同様に、できる限り航空機の全重量を低く維持するため、軽量構造技術を使用する必要がある。結果として、スタートアップの前に閉じる主調整弁が、この弁を開くのが適切な高度に達しても開かないという状況はしばしば生ずる。このことは、例えばスロットル弁のジャミングだけでなく、電気的機能不全によっても生じるおそれがある。複数個の主調整弁における１個の主調整弁に故障が起こった場合、この主調整弁の下流に配置する全部分の空調システム、とくに対応する空気調和ユニットがほぼ機能しなくなるため、空調システムの残存する冗長部分が機能不全部分の機能を引き継がねばならない。このときもはや冗長性が保証されない空気調和システムにおける部分に、他の機能不全を生ずることは最悪の場合のシナリオとして、航空機客室内の減圧を生じてしまい、乗客に許容される状態まで客室内圧力を回復するために緊急降下を即座に実行しなければならなくなる。とくに水上、極地または広大な無人の土地上での長距離飛行の場合、主調整弁のこのような機能不全は相当の危険を意味する。さらに状況を悪化させる要因は、この主調整弁を航空機の非加圧部分に設置していることであり、これにより飛行中にはアクセスできず修理できない。このような機能不全が乗客およびクルーに与える危険は別にして、これらの出来事は、航空会社、航空機の型または航空機の製造者の評判に関しても好ましいことはない。このため、例えばスタートアップ前における航空機の可用性（いわゆる“ディスパッチ信頼性”）は、主調整弁の機能不全により低下し、これは上述のように主調整弁の故障は深刻な欠陥であると分類されるからである。

特許文献１（米国特許第５，０８６，６２２号）には、ブリード空気供給において圧力低下を生じた場合、弁制御ユニットによって空調システムの一部を遮断することが提案されている。このようにした場合、空調システムの個々の重要なコンポーネントが故障しているため、客室の圧力は当然より低い初期圧力に維持することができるが、客室に供給すべき空気は十分に処理されず、例えば長距離飛行は容認できない。

特許文献２（米国特許第６，１８９，３２４号）には、同様にブリード空気で動作する航空機用空調システムを記載している。機能不全を生じた場合、このシステムでは空調ユニットに供給するブリード空気を止めて、ブリード空気を直接航空機の客室に供給することができるが、場合によって圧力を減らすおそれがある。この解決方法も、この場合、客室の空気をより長期間調節することはなく、緊急時に短期間しか使用することができない。

特許文献３（独国特許出願公開第１０２００４１０１３６６号）は、航空機内で圧縮した空気を提供するシステムを記載している。このシステムの基本概念は、例えば機内搭載酸素生成システム（ＯＢＯＧＳ＝on-board oxygen generation system）または同様の圧縮空気要件を有するシステムのような、供給機器に必要なシステム熱交換器を、空調ユニットの熱交換器内に構造的または機能的に統合することである。このことに関連して、とくにシステム熱交換器および空調ユニットの熱交換器に、圧縮空気を並列的に供給する実施例が提案されている。圧縮空気は調整弁を介して空調ユニットの熱交換器に供給し、また「オン／オフ弁」を介してシステム熱交換器に供給する。双方の熱交換器の圧縮空気出口は、閉鎖可能なラインを介して接続する。

特許文献４（独国特許出願公開第１０２００４０３８８６０号）は、処理した空気を提供するシステムを記載し、このシステムでは第１熱交換器を有する第１冷却システム内に第２熱交換器を有する第２冷却システムを統合している。

特許文献５（国際公開第９９／２４３１８号）では航空機用の空調システムを記載し、これは所望の空気湿度を達成するための改良した方法に関する。特に並列接続した２個の主調整弁の使用が記載されている。
米国特許第５，０８６，６２２号明細書 米国特許第６，１８９，３２４号明細書 独国特許出願公開第１０２００４１０１３６６号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０３８８６０号明細書 国際公開第９９／２４３１８号パンフレット

本発明の目的は、上述の問題を大幅に回避し、同時にシステムの複雑さを大きく増大させない航空機用空調システムを提供することにある。

この目的は、独立請求項の特徴により達成される。

本発明の他の実施形態を、従属請求項に記載する。

本発明は、一般の従来技術に対して、ブリード空気ソースと空調ユニットとの間に、バイパス弁を有し、またブリード空気ラインにおける少なくとも一部をバイパスするバイパスラインを設け、このバイパスラインは、空調ユニットに十分な空気質量流を供給するよう動作可能に設計する。

空調ユニットの上流に配置し、バイパスラインによりバイパスしたブリード空気ラインの一部分に機能不全を生じた場合、例えば主調整弁が開くことのできない故障を生じた場合、少なくとも一部の空気質量流を、バイパス弁を開くことによりバイパスラインを介して供給することができる。空調ユニットに対するブリード空気供給における起こるであろうまたは既に起こっている故障は、このようにして、代替供給ルートを設けることによって、回避および補償することができる。とくに、空調節した新鮮な客室空気を適切な圧力で故障前と同様に供給することができるため、空調ユニットにいたる機能不全となったブリード空気ラインの欠陥分類等級は軽減する。

本発明の有利な実施形態では、ブリード空気ラインはオゾンコンバータを有するものとする。故障がオゾンコンバータの下流にあるブリード空気ラインの部分で生じた場合、ブリード空気ラインのこの部分は、必要であれば、バイパスラインによりバイパスすることができ、オゾンコンバータを使用し続けることができる。さらに、オゾンコンバータ自体およびバイパスラインの適切なルートに不具合または機能不全を生じた場合、この不具合は改善することができ、少なくとも空調ユニットの動作を維持することができる。

バイパス弁の設計および構成を、第１調整弁の設計および構成と異なるものとする場合、同様に有利な実施形態が得られる。このことは、第１調整弁ならびにバイパス弁の設計が原因で生じる機能不全の可能性を大きく減らすことになる。とくに普通の主調整弁の設計および構成は、この手法により変更することもできる。

普通の主調整弁は一般に、設計および構成が複雑であり、電気的な機能不全を生じた場合、客室の内圧を空気‐機械的に制御するために、純電気的および純空気的な制御を行う。本発明によるバイパス弁の存在により、主調整弁に組み入れた空気制御の緊急機能はバイパス弁により引き継ぐことができるため、主調整弁内のこの機能を省略することができ、この結果、より軽量になり、複雑さをより低くすることができる。さらにバイパス弁の設計および構成をできる限り主調整弁と相違させることにより、双方のタイプの設計における、できる限り高いシステム技術の独立性が得られ、これにより設計上の機能不全を双方の弁が同時に起こす可能性が低くなる。さらに、簡単なタイプの構造を採用することにより、緊急動作時にも圧力制御を行うことができ、空気質量流に対して、適切なバイパス弁における、例えば内部断面の寸法形成をすることにより、生じたブリード空気圧に伴う圧力の差が適切な客室の内圧を生み出す。このようなタイプの構造では、客室内部のブリード空気圧の急激な圧力変化に簡単に気付く。代わりに簡単な圧力制御も実行することができる。

さらに、バイパス弁を減衰制御弁とした場合、本発明は有利である。減衰制御は、例えば開放を時間制御する手順により達成することができ、バイパスラインおよび接続した空調システムのコンポーネントにおける好ましくない圧力サージを回避するのに役立つ。

本発明の実施形態によれば、バイパス弁をオン‐オフ弁とすることができ、これは開いた状態と閉じた状態のどちらかを選択することができる。このような動作の簡単な形態は、特に原則として緊急事態の場合に操作しなければならないコンポーネントにおいて目的にかなっており、軽量で信頼性があり構造の形成をできるだけ安価にすることを可能にする。

バイパス弁を空調システムの制御ユニットにより制御することができる場合、同様の有利な実施形態を得る。これにより、機能不全を生じた場合バイパスラインを迅速に開くことができ、下流に配置したコンポーネントの機能を維持することができる。

特別な有利な実施形態では、バイパスラインは、第２空気供給システムの一部とし、また空調システムとは少なくとも部分的に独立したものとする。このことは、機能不全を生じた場合、第２空気供給システムにおける既存空気ラインの使用を可能にし、本発明を実施する場合の構造的費用を減少させる。第２空気供給システムの設計により、機能不全を生じた場合、空気ラインの使用が第２空気供給システムの通常動作を妨げるおそれがない、または部分的に妨げる、またはこのような動作を完全に妨げる。第２空気供給システムが害された場合、１個以上の空調ユニットの不良により生じた機能不全分類等級は、第２空気供給システムの欠陥の結果生じた機能不全分類等級より高い。

とくに、本発明の有利な実施形態によれば、第２空気供給システムは、冷却空気供給システムおよび／または燃料タンク不活性化システムとする。各システムにおける特別な設計に基づいて、システムの各部分、とくに空気ライン部分、弁等を、システム動作内で保持または妨げたりする場合に使用することができ、ブリード空気の供給を空調ユニットにバイパスすることができる。

同様の有利な実施形態によれば、ブリード空気源を補助タービンとする。主タービンからのブリード空気が不十分である場合、補助タービンおよびそのブリード空気ラインにより補うことができる。

本発明による方法は、一般の従来技術に基づくものであり、ブリード空気ラインのライン能力に問題がある場合に、ブリード空気質量流の部分を、バイパスラインを介して空調ユニットに供給する。このようにして、本発明の利点も本発明方法の範囲内で実現される。

本発明は、主調整弁の機能不全、ならびに空調ユニットの上流に配置したオゾンコンバータにおける空気質量流の遮断も、バイパス弁によりブリード空気源と関連する空調ユニットとの間をバイパスラインで接続し、このラインを介して空気質量流を、欠陥または流通障害を起こしている要素をバイパスして空調ユニットに供給する場合、大幅に補償することができる。このことに関連して、空調システム内に既に存存しているラインをバイパスラインの部分として有利に利用することができる。

以下に、本発明の好適な実施例を例示的に、添付図面につき説明する。
図１は、空調システム１０の好適な第１実施例における線図的回路図を示す。空調システム１０は、配管図のラインＡに沿って鏡対称に設計する、すなわち全ての必須の構成要素（コンポーネント）を二重に冗長して設ける。各図面の左側に配置した空調システム１０の部分のみを以下に説明し、同一設計とした冗長右側部分は、単に図面を参照するのみとし、詳細には説明しない。

高圧下で高温のブリード空気を、ブリード空気源１２で線図的のみ示すように、コンプレッサ段を介してタービンユニット（図示せず）から抽気する。抽気したブリード空気を、主ブリード空気ライン２０および分岐ブリード空気ライン２２を経てオゾンコンバータ２４に供給し、このオゾンコンバータ２４から他のブリード空気ライン部分２６を経て主調整弁１６（ＦＣＶ）に通過させ、Ｔ‐ライン部分２８（Ｔ‐ダクト）ならびに他のブリード空気ライン部分３０を経て、空調ユニット３２（パック）に終端させる。空調ユニット３２は、ラム空気入口６２ならびにラム空気出口６４を有する。ブリード空気ライン部分２０〜２６を介する上述の直接的なブリード空気接続の他に、空調ユニット３２は、Ｔ‐ライン部分２８の上流から始まり迂回路を介してブリード空気源１２に接続する。迂回路またはバイパスラインは、Ｔ‐ライン部分２８から始まってバイパスライン部分４０，３８，３６，３７を有し、空調ユニット３２と主ブリード空気ライン２０との間における接続部を形成する。この接続部内において、バイパスライン部分３６にバイパス弁３４を設ける。このパイパス弁は、バイパスライン部分３６を開閉し、設計上では主調整弁１６よりも複雑さは相当少ない。簡単な減衰制御システムを設け、圧力サージを回避することができるようにする。さらに、バイパス弁３４を開くことにより、空気質量流が流れて、対応するトリム‐空気システムの連続動作を確実にし、このトリム‐空気システムは種々の客室区域における客室空気の温度を微調整するのに供する。随意的に、バイパスライン部分４０の代わりに、バイパスライン３８の接続部を、バイパスライン部分３９を用いることによりＴ‐ライン部分２８とトリム圧力調整弁５４（ＴＰＲＶ＝Trim Pressure Regulating Valve）との間に配置したトリムライン部分５８，６０によって行うことができ、これは配管レイアウトにとってより好ましい場合に行う。代案として、または付加的に、バイパスラインシステム３４〜４０と補助タービン１４（ＡＰＵ＝Auxiliary Power Unit）のブリード空気源との間にライン接続を設けることもでき、この補助タービン１４のブリード空気源は補助タービン逆止弁１８（ＡＰＵ逆止弁）により接続することができる。

通常動作の下で高圧高温のブリード空気は、上述のようにブリード空気源１２からオゾンコンバータ２４を通過し、また主調整弁１６を介して圧力を調整されて、空調ユニット３２に達する。このユニットでは、ブリード空気を調節しており、とりわけ圧力、温度および水分含有量（湿度）に関して、圧力増加、冷却および圧力解放のような熱力学的プロセスにより調整する。この接続部において、例えばラム空気入口６２を経るラム空気を冷却のために使う。この後、調節した空気を客室（図示せず）に送る。主調整弁１６またはオゾンコンバータ２４で空気質量流が不慮に遮断される、または少なくとも大幅に減少する場合、機能不全を生ずる。この結果起こる圧力低下は、まず、空調ユニット３２の故障を招く。適切な測定値の評価により、またはバイパス弁３４の対応構造により、自動的にバイパス弁３４を開き、これにより、ブリード空気源１２と空調ユニット３２との間における直接的な接続を回復する。必要な場合には、独立した冗長空調システム部分を分離しているクロスフィード弁６８を開かねばならない。さらに、双方のユニットから得られるブリード空気がないまたはほとんどない場合には、ＡＰＵのブリード空気を補助タービンの逆止弁１８を開くことにより直接使うことができる。このような実施例でオゾンコンバータ２４をバイパスすることは、それによって回避できる緊急降下の観点からそれほど重要ではないと考えられるが、それ以外、客室内の圧力損失の結果、とくに３１，０００フィート（１０，１２１メートル）の高度での飛行時に、客室内のオゾン濃度に関して公式規定された数値でない場合に必要となる。オゾンコンバータ２４をバイパスする代わりとして、オゾンコンバータ２４の下流から始まり、主調整弁１６をバイパスしてＴ‐ライン部分２８に終端するように延びるバイパスラインも可能であるが、しかしこれは、非常に空間的に窮屈な状態になってしまう可能性があることにより実現は難しい。

図２は、本発明による空調システムの好適な第２実施例の線図的回路図を示す。この代替的実施例の基本部分は第１実施例に対応するため、互いに対応する構成要素には同一参照符号で示す。以下では異なる部分についてのみ説明する。好適な第２実施例では、客室内に空気を供給するための空気供給システムの他に、他のシステム、すなわち冷却空気供給システム（ＣＳＡＳ）６６を設けた実施例を示す。この他のシステムには、ブリード空気ライン４２，４３，４４，４８，５１、ならびにオゾンコンバータ４６を介して、ブリード空気源１２からのブリード空気を供給する。さらに、バイパス弁５０を有するブリード空気ライン４７を設け、このブリード空気ライン４７を介して空気冷却システム６６のブリード空気ライン４３，４４，４８を、空調和ユニット３２のラインに、とくにＴ‐ライン部分２８に接続することができる。

上述したような機能不全を生じた場合、冷却空気供給システム６６をスイッチオフしてバイパス弁５０を開く。ライン２２，２６が遮断したにも関わらず、ブリード空気源１２にアクセスするブリード空気は、バイパスライン４４，４８，５１，４７を介して供給される。第２空気供給システムにおける既存ラインの大部分が、こうして機能不全を生じた時に使用され、単にバイパス弁５０および短配管部分４７を追加するだけでよい。バイパス空気は、冷却空気供給システム６６に存在するオゾンコンバータ４６を通過するため、この点で乗客が不都合を受けることはない。バイパス弁を開いた後再びユニットを操作することができるため、全体的に空調ユニットの誤動作分類は１から２にかけて減少する。スイッチオフした冷却空気システム６６およびその下流に接続した燃料タンク不活性化システムはより低い信頼性で設計するため、結果として飛行の進行に即座に影響することはない。ＣＳＡＳシステムをバイパスラインに関して考慮にいれない場合、システムの独立性を保障するために、オゾンコンバータ２４の下流におけるライン２６から始まり、例えばＴ‐ライン部分２８の主調整弁１６の下流に終端する、バイパス弁を有するバイパスラインを設ける。このようにして、空調ユニット３２にブリード空気を供給するために、欠陥を生じた主調整弁１６をバイパスする他の組み合わせが得られる。同時に空気はオゾンコンバータ２４を流れる。

上述の説明、添付図面および特許請求の範囲に記載した本発明の特徴は、本発明を実施するため、基本的に個別または組み合わせて実施できる。

本発明による空調ユニットの好適な第１実施例の線図的回路図である。 本発明による空調ユニットの好適な第２実施例の線図的回路図である。 従来技術による空調システムの線図的回路図である。

Claims (9)

1. 互いに独立した冗長的な２個の空調システム部分を有する航空機、とくに民間航空機用の空調システム（１０）であって、各空調システム部分は、
   ブリード空気源（１２）と、
   主調整弁（１６）を有するブリード空気ライン（２２〜３０）と、
   空調ユニット（３２）と
   を有し、
   前記ブリード空気ライン（２２〜３０）を介して前記ブリード空気源（１２）から前記空調ユニット（３２）に移送する空気質量流を、前記主調整弁１６により制御することができる、該空調システム（１０）において、
   前記ブリード空気源（１２）と前記空調ユニット（３２）との間に、バイパス弁（３４）を有し、また前記ブリード空気ラインにおける少なくとも一部（２２〜２６，１６）をバイパスするバイパスライン（３６〜５０，５８，６０）を設け、前記バイパスライン（４２〜５０）を、前記空調システム（１０）とは少なくとも部分的に独立している第２空気供給システムの一部とし、前記バイパスラインは、前記空調ユニット（３２）に十分な空気質量流を供給するよう動作可能に設計することを特徴とする空調システム。
2. 請求項１に記載の空調システムにおいて、前記ブリード空気ライン（２２〜３０）は、オゾンコンバータ（２４）を有するものとしたことを特徴とする空調システム。
3. 請求項１または２に記載の空調システムにおいて、前記バイパス弁（３４，５０）の設計および構成は、第１調整弁（１６）の設計および構成と異なるものとしたことを特徴とする空調システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の空調システムにおいて、前記バイパス弁（３４，５０）は、減衰制御をする弁としたことを特徴とする空調システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の空調システムにおいて、前記バイパス弁（３４，５０）は、オン‐オフ弁としたことを特徴とする空調システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の空調システムにおいて、前記バイパス弁（３４，５０）は、前記空調システム（１０）の制御ユニットにより制御することができることを特徴とする空調システム。
7. 請求項１に記載の空調システムにおいて、前記第２空気供給システムは、冷却空気供給システムおよび／または燃料タンク不活性化システムとしたことを特徴とする空調システム。
8. 請求候１〜７に記載の空調システムにおいて、前記ブリード空気源（１２）を、補助タービン（１４）としたことを特徴とする空調システム。
9. 互いに独立した冗長的な２個の空調システム部分を有する航空機、とくに民間用航空機の空気を調節するための空調方法において、
   ブリード空気の質量流を生ぜしめるステップと、
   ブリード空気の質量流を、ブリード空気ラインを介して空調ユニットに通過させるステップと、
   前記空調ユニットに供給するのに十分なブリード空気の少なくとも一部分の空気質量流を、前記ブリード空気ラインが機能不全を生じた場合に、前記空調システム（１０）とは少なくとも部分的に独立している第２空気供給システムの一部としたバイパスラインを介して前記空調ユニットに通過させるステップと
   を有する空調方法。

Images