JP2012218531A

JP2012218531A - 空調システム

Info

Publication number: JP2012218531A
Application number: JP2011084848A
Authority: JP
Inventors: ryuji Oumi; 隆二大海
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】ラムエアを大量に１次熱交換器及び２次熱交換器に供給することに伴い航空機の機体に大きなドラッグが発生する不具合の発生を防ぐ航空機用空調システムを提供する。
【解決手段】ラムエア通路８に設けられラムエアの供給量を変更するラムエア供給量変更手段たるラムエアドア８１と、コンプレッサ４の出口の排気の温度を測定可能なコンプレッサ出口温度センサ９１と、全温度を測定可能な温度センサたる全温度センサ９２と、高度を測定可能な高度計９３とをさらに具備させ、全温度センサ９２が示す全温度及び高度計９３が示す高度の関数としてコンプレッサ出口温度の目標値を設定し、コンプレッサ出口温度センサが示す排気の温度を前記目標値に近づけるべくラムエアドア８１の制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、機内に予圧用空気を供給し、同時に機内の冷暖房を伴う換気を行い得るようにした航空機用の空調システム（以下、「空調システム」と略称する）に関する。

例えば、航空機は、居住室や電子機器室等の予圧室に適温、適圧の調和空気を供給すべく、一般に空調装置を備えている。この空調装置は、調温、調圧を始めとして、除湿の役割、予圧室に酸素を送り込む役割、筐体から漏れる空気を補う役割など、様々な役割を兼ねている。そして、これらの役割を果たすために、外気の取り込みが不可欠なものである。

このような外気の取り込みに際して、高高度飛行中は外気をそのまま取り込んでも予圧に必要な圧力や酸素量を得ることは期待できない。このため、常に十分な量の外気が存在するエンジンから抽気を得、そのエンジン抽気を調温、調圧して、調和空気として予圧室に供給する空調システムが確立されている。

このような空調システムとして、概略を図５に示すように、タービンＸ３及びコンプレッサＸ４を単軸結合したエアサイクルマシンＸＡＣＭを主体とし、このエアサイクルマシンＸＡＣＭに、エンジンＸ１からコンプレッサＸ４にエンジン抽気を供給す抽気ラインＸ５と、前記エアサイクルマシンＸＡＣＭのコンプレッサＸ４の出口とタービンＸ３の入口とを連通するブートストラップ回路Ｘ６と、前記エアサイクルマシンＸＡＣＭのタービンＸ３の出口から出た空気を予圧室Ｘ２に移送するための給気ラインＸ７と、前記抽気ラインＸ５に設けられラムエアとの熱交換によりエンジン抽気を冷却する１次熱交換器Ｘ５１と、前記ブートストラップ回路Ｘ６に設けられコンプレッサＸ４で圧縮し昇温させた空気をラムエアとの熱交換により冷却する２次熱交換器Ｘ６１と、ラムエアを前記１次熱交換器Ｘ５１及び２次熱交換器Ｘ６１に供給するラムエア通路Ｘ８とを具備するものが広く用いられている。

このような空調システムでは、エンジンＸ１から抽出した抽気を前記抽気ラインＸ５によりコンプレッサＸ４に導入し、コンプレッサＸ４により圧縮された空気をブーストラップ回路Ｘ６を経てタービンＸ３に導入し、タービンＸ３の内部でエンジン抽気を断熱膨張させ、断熱膨張により低温になったエンジン抽気を給気ラインＸ７により与圧室Ｘ２に供給するようにしている。その際、タービンＸ３内部で抽気を断熱膨張させることにより該タービンＸ３を駆動するとともに、このタービンＸ３の回転力を該タービンＸ３と単軸結合したコンプレッサＸ４に入力している。そして、コンプレッサＸ４に供給するエンジン抽気を予冷すべく前記抽気ラインＸ５に設けた１次熱交換器Ｘ５１でエンジン抽気とラムエアとの熱交換を行い、さらにコンプレッサＸ４で圧縮昇温された抽気を冷却すべく２次熱交換器Ｘ６１で抽気とラムエアとの熱交換を行うようにしている。（例えば、特許文献１を参照。）

特開２００２−２５９６号公報

しかして、温度の高低により、このような空調システムに対して要求される冷房能力、より具体的にはエンジン抽気、及びコンプレッサで圧縮した空気を冷却する能力は異なるが、特許文献１には、エンジン抽気、及びコンプレッサで圧縮した空気に対する冷房能力要求の高低に対応してラムエアの流量を変化させる記載及び示唆はなされていない。ところが、冷房能力要求が低いにも関わらずラムエアを大量に導入すると、航空機の機体に大きなドラッグが発生する。

本発明は、以上に述べた課題を解決すべく構成するものである。

すなわち本発明に係る空調システムは、内部でエンジン抽気を断熱膨張させることにより駆動されるタービン及びこのタービンとともに回転しエンジンから抽出した抽気を圧縮し前記タービンに吐出するコンプレッサを単軸結合したエアサイクルマシンと、前記エアサイクルマシンのコンプレッサに供給するエンジン抽気をラムエアとの熱交換により冷却する１次熱交換器と、前記エアサイクルマシンのコンプレッサとタービンとの間に配され前記コンプレッサで圧縮し昇温させた空気をラムエアとの熱交換により冷却する２次熱交換器と、ラムエアを前記１次熱交換器及び２次熱交換器に供給するためのラムエア通路と、ラムエア通路に設けられラムエアの供給量を変更するラムエア供給量変更手段と、コンプレッサの出口の排気の温度を測定可能なコンプレッサ出口温度センサと、温度を測定可能な全温度センサと、高度を測定可能な高度計とを具備するものであって、温度センサが示す全温度及び高度計が示す高度の関数としてコンプレッサ出口温度の目標値を設定し、コンプレッサ出口温度センサが示す排気の温度を前記目標値に近づけるべくラムエア供給量変更手段の制御を行うようにしていることを特徴とする。

このように構成すれば、温度センサが示す全温度及び高度計が示す高度の関数として所望の冷房能力を得るべくコンプレッサ出口温度の目標値を設定し、コンプレッサ出口温度センサが示す温度を前記目標値に近づけるべくラムエア供給量制御手段の制御を行うことにより、冷房能力要求が低い場合にはラムエア供給量制御手段によりラムエアの供給量を減少させる、すなわちラムエアの流量を少なくすることができる。従って、所望の冷房能力を確保しつつ航空機の機体に大きなドラッグが発生する不具合の発生を防げる。

なお、本発明において、「全温度」とは、一般的によどみ温度ｔ（Ｋ）として以下の式（１）で求められる温度を示す概念である。

ｔ＝｛１＋（κ−１）Ｍ²／２｝Ｔｓ（１）
なお、上の式（１）で、κは流体の比熱比（空気であれば約１．４）、Ｍはマッハ数、Ｔｓは大気温度（Ｋ）である。

本発明に係る空調システムによれば、冷房能力要求が低い場合には、全温度センサが示す全温度及び高度計が示す高度の関数として所望の冷房能力を得るべく設定されるコンプレッサ出口温度の目標値を高くし、これに対応させてラムエアの供給量を少なくするようにラムエア供給量制御手段を制御できる。すなわち、所望の冷房能力を確保しつつラムエアの供給量を少なくし、ラムエアを大量に供給することにより航空機の機体に大きなドラッグが発生する不具合の発生を防げる。

本発明の一実施形態に係る空調システムを示す概略図。同実施形態に係る空調システムの制御装置を示す概略図。同実施形態に係る空調システムのコンプレッサ出口温度目標値マップの一例を示す概略図。同実施形態に係る空調システムの制御装置が行う制御の流れを示すフローチャート。従来の空調システムを示す概略図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る空調システムは、図１に概略図を示すように、エンジン１と与圧室２との間を空調部ＡＣを介して接続したものである。この空調部ＡＣは、内部でエンジン抽気を断熱膨張させることにより駆動されるタービン３及びこのタービン３とともに回転しエンジン１から抽出した抽気を圧縮し前記タービン３に吐出するコンプレッサ４を単軸結合したエアサイクルマシンＡＣＭと、このエアサイクルマシンＡＣＭにエンジン抽気を供給す抽気ライン５と、前記エアサイクルマシンＡＣＭのコンプレッサ４の出口とタービンの３入口とを連通するブートストラップ回路６と、前記エアサイクルマシンＡＣＭのタービン３の出口と予圧室２とを接続する給気ライン７と、前記抽気ライン５に設けられラムエアとの熱交換によりエンジン抽気を冷却する１次熱交換器５１と、前記ブートストラップ回路６に設けられコンプレッサ４で圧縮し昇温させた空気をラムエアとの熱交換により冷却する２次熱交換器６１と、ラムエアを前記１次熱交換器及び２次熱交換器に供給するラムエア通路８とを具備する。

これらエアサイクルマシンＡＣＭ、抽気ライン５、ブートストラップ回路６、給気ライン７、１次熱交換器５１、２次熱交換器６１、及びラムエア通路８は、上述したような従来のものと略同様の構成を有する。また、本実施形態では、ファンＦをこれらコンプレッサ３及びタービン４にさらに単軸結合させているとともにこのファンＦをラムエア通路８内に配していて、タービン３の回転力をこのファンＦに入力することによりラムエア通路内８にラムエアが流れるようにしている。

ここで、前記ラムエア通路８は、機体外に向けて開口するラムエア入口８ａと前記１次熱交換器５１及び２次熱交換器６１との間を接続している。

前記給気ラインは、タービンの内部で断熱膨張して低温になった空気を与圧室に供給すべく、タービンの出口と与圧室とを接続する。タービン内部で抽気ガスを断熱膨張させることにより該タービンを駆動するとともに、このタービンの回転力を該タービンと単軸結合したコンプレッサの動力として利用している。そして、コンプレッサにエンジン抽気を送る以前にエンジン抽気を予冷すべく前記抽気ラインに設けた１次熱交換器でエンジン抽気とラムエアとの熱交換を行い、さらにコンプレッサで圧縮昇温された抽気を冷却すべく２次熱交換器で抽気とラムエアとの熱交換を行うようにしている。

しかして本実施形態に係る空調システムは、前記図１に示すように、開度を変更することによりラムエア通路８からのラムエア供給量を変更するラムエア供給量変更手段たるラムエアドア８１と、前記ブーストラップ回路６のコンプレッサ４の出口近傍の部位に設けられコンプレッサ４の出口の温度を測定可能なコンプレッサ出口温度センサ９１と、機体の所定位置に配され高度を測定可能な高度計９３と、機体の所定位置に配され全温度を測定可能な温度センサ（以下全温度センサ９２と称する）と、これらを制御する制御装置９４とをさらに具備する。

前記ラムエアドア８１は、前記ラムエア通路内８であって前記ラムエア入口８ａと前記１次熱交換器５１及び２次熱交換器６１との間に位置するとともに、一端８１ａをラムエア通路８の側壁に蝶着していて、開度を変更することにより前記１次熱交換器５１及び２次熱交換器６１に対するラムエアの供給量を変更可能に構成している。

前記制御装置９４は、前記図１に示すように、また、図２にこの制御装置９４の概略を示すように、中央演算処理装置９４１と、記憶装置９４２と、入力インタフェース９４３と、出力インタフェース９４４とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インタフェース９４３には、前記コンプレッサ出口温度センサ９１から出力されるコンプレッサ出口温度信号ａ、前記全温度センサ９２から出力される全温度信号ｂ、及び高度計９３から出力される高度信号ｃが少なくとも入力される。一方、出力インタフェース９４４からは、ラムエアドア８１に対して開度制御信号ｅが少なくとも出力される。

また、前記制御装置９４には、全温度信号ｂが示す全温度ｔ及び高度信号ｃが示す高度ｈの関数としてコンプレッサ出口温度Ｔの目標値Ｔ０を設定し、コンプレッサ出口温度センサ９１が示すコンプレッサ出口温度Ｔを前記目標値Ｔ０に近づけるべくラムエアドア８１の開度制御を行うラムエア供給量制御プログラムを内蔵している。このラムエア供給量制御プログラムは、所定時間、例えば０．１秒ごとに実行するようにしている。

具体的には、前記制御装置９４に、代表的な全温度ｔ及び高度ｈに対応するコンプレッサ出口温度Ｔの目標値Ｔ０を記憶した図３に示すようなコンプレッサ出口温度目標値マップを記憶しているとともに、前記全温度信号ｂが示す全温度ｔ及び前記高度信号ｃが示す高度ｈに基づき、コンプレッサ出口温度Ｔの目標値Ｔ０を補間計算している。そして、コンプレッサ出口温度信号ａが示すコンプレッサ出口温度Ｔと前記目標値Ｔ０を比較し、この比較の結果に基づきラムエアドア８１の制御を行うようにしている。なお、このコンプレッサ出口温度Ｔの目標値Ｔ０は、代表的な全温度ｔ及び高度ｈにおいて、予めラムエアドア開度を順次変更して与圧室２に供給される空気を所定の温度まで冷却可能であるか否かを判定するとともにコンプレッサ出口温度Ｔを測定する実験を行い、該実験で得られた前記空気を所定の温度まで冷却可能な場合のうちラムエア開度が最小である場合のコンプレッサ出口温度Ｔの測定結果として求めたものである。

ここで、ラムエア供給量制御プログラムによる制御の手順をフローチャートである図４を参照しつつ説明する。

まず、前記全温度信号ｂを全温度センサ９２から受け取る（ステップＳ１）。

次いで、前記高度信号ｃを高度計９３から受け取る（ステップＳ２）。

それから、全温度信号ｂが示す全温度ｔ及び前記高度信号ｃが示す高度ｈに対応するコンプレッサ出口温度の目標値Ｔ０をコンプレッサ出口温度目標値マップを参照して算出する（ステップＳ３）。

さらに、コンプレッサ出口温度信号ａをコンプレッサ出口温度センサ９１から受け取り（ステップＳ４）、このコンプレッサ出口温度信号ａが示すコンプレッサ出口温度Ｔと前記目標値Ｔ０とを比較する（ステップＳ５）。

前記コンプレッサ出口温度Ｔが前記目標値Ｔ０より高い場合は、ラムエア供給量を増加させる、すなわち開度を大きくするようにラムエアドア８１に開度制御信号ｅを出力する（ステップＳ６）。一方、前記コンプレッサ出口温度Ｔが前記目標値Ｔ０より低い場合は、ラムエア供給量を減少させる、すなわち開度を小さくするようにラムエアドア８１に開度制御信号ｅを出力する（ステップＳ７）。

このように制御を行うと、全温度ｔが低く、要求される冷房能力が低い場合、また、高度ｈが低い場合すなわち外気圧が高い場合には、全温度ｔがより高い場合あるいは高度ｈがより低い場合と比較して、コンプレッサ出口温度Ｔの目標値Ｔ０を温度下降幅が低くなるように設定してラムエアドア８１の開度を小さくする制御を行い、所望の冷房能力だけは確保しつつラムエア供給量を減少させることができる。例えば、ある全温度・高度条件下において、従来の空調システムではラムエア流量が１５２（ｌｂ／ｍｉｎ）であるのに対して、本実施形態に係る空調システムのラムエア流量は１０７（ｌｂ／ｍｉｎ）であり、従って前記所定の全温度・高度条件下においてはラムエア流量を従来の空調システムと比較して約３０％削減できる。

以上に述べたように、本実施形態に係る空調システムでは、全温度センサ９２が示す全温度ｔ及び高度計９３が示す高度ｈの関数として所望の冷房能力を得るべくコンプレッサ出口温度Ｔの目標値Ｔ０を設定しているので、冷房能力要求が低い場合にはこの目標値Ｔ０を高温側に設定し、コンプレッサ出口温度センサ９１が示すコンプレッサ出口温度Ｔを前記目標値Ｔ０に近づけるべくラムエアドア８１の制御を行う、すなわちコンプレッサ出口温度Ｔの目標値Ｔ０が高温側であればラムエアドアの開度を小さくしてラムエアの供給量を減少させることができる。従って、所望の冷房能力を確保しつつ、ラムエアを必要以上に空調システムに供給することにより航空機の機体に大きなドラッグが発生する不具合の発生を防げる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限られない。

例えば、上述した実施形態では、温度センサが示す全温度及び高度計が示す高度の関数としてコンプレッサ出口温度の目標値を設定する際にコンプレッサ出口温度マップを参照するようにしているが、全温度及び高度を変数とする所定の近似式により算出した値にコンプレッサ出口温度の目標値を設定するようにしてもよい。

また、ラムエア流量制御手段は、上述したようなバルブでなく、ラムエア通路の開度を変更可能であれば、例えばスライド移動可能なシャッター等を利用して構成たものであってもよい。

さらに、エンジンと１次熱交換器との間に、１次熱交換器に供給するエンジン抽気を予冷するためのプリクーラを設けるようにする、あるいはブーストラップ回路や給気ラインにエンジン抽気の除湿を行うための除湿機構を設ける等してももちろんよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

ＡＣＭ…エアサイクルエンジン
３…タービン
４…コンプレッサ
５１…１次熱交換器
６１…２次熱交換器
８…ラムエア通路
８１…ラムエアドア
９１…コンプレッサ出口温度センサ
９２…温度センサ
９３…高度計

Claims

内部でエンジン抽気を断熱膨張させることにより駆動されるタービン及びこのタービンとともに回転しエンジンから抽出した抽気を圧縮し前記タービンに吐出するコンプレッサを単軸結合したエアサイクルマシンと、前記エアサイクルマシンのコンプレッサに供給するエンジン抽気をラムエアとの熱交換により冷却する１次熱交換器と、前記エアサイクルマシンのコンプレッサとタービンとの間に配され前記コンプレッサで圧縮し昇温させた空気をラムエアとの熱交換により冷却する２次熱交換器と、ラムエアを前記１次熱交換器及び２次熱交換器に供給するためのラムエア通路と、ラムエア通路に設けられラムエアの供給量を変更するラムエア供給量変更手段と、コンプレッサの出口の排気の温度を測定可能なコンプレッサ出口温度センサと、全温度を測定可能な温度センサと、高度を測定可能な高度計とを具備するものであって、温度センサが示す全温度及び高度計が示す高度の関数としてコンプレッサ出口温度の目標値を設定し、コンプレッサ出口温度センサが示す排気の温度を前記目標値に近づけるべくラムエア供給量変更手段の制御を行うようにしていることを特徴とする空調システム。