JP2013103716A - 航空機の空調システムの動作方法および航空機の空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】航空機に必要とされるエネルギを減少させるように航空機空調システムを構成する。
【解決手段】航空機空調システム１０は、圧縮機１４、モータ１６およびタービン１８を有してなる第１の加圧空気供給源１２と、第２の加圧空気供給源とを備える。圧縮機１４は、外気１５を受け、この外気１５を加圧し、そして、この加圧した外気を航空機キャビン２０へと送る。第１の動作モードにおいては、航空機で利用可能な電力が閾値よりも低いときには、航空機キャビン２０に供給される空気は、第１の加圧空気供給源１２のみから提供される。第２の動作モードにおいては、航空機で利用可能な電力が閾値よりも高いときには、航空機キャビン２０に供給される空気は、第１の加圧空気供給源１２および第２の加圧空気供給源２２の双方から提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機の空調・加圧システムに関し、特に、航空機の空調・加圧システムの動作に関する。

航空機の空調システムが、一般に、外気で動作される圧縮機を備えている。この空調システムは、航空機の外部から外気を受け、コンプレッサを用いてこの外気の圧力を調整してから、この外気を航空機のキャビンへと送る。外気圧力や他の条件は、飛行の高度に大いに基づいて変化する。この変化は、圧縮機の性能および効率に影響を及ぼし得る。１つの圧縮機を用いた効率的な方法によっては、動作条件の変化により生じる大きな要求動作範囲を完全に保護することができない。

したがって、２つ以上の圧縮機を用いた航空機空調システムが開発されてきた。多段圧縮機式航空機空調システムは、種々の圧縮機の様々な組み合わせが利用される種々の動作モードを備えている。多段圧縮機式航空機空調システムの１つの欠点としては、この航空機空調システムによって航空機の電力要求が増加してしまうことが挙げられる。さらに、現在利用可能な多段圧縮機式航空機空調システムは、航空機空調システムの動作モードを決定するために、外部条件、例えば、外気圧力に依存している。

一実施例においては、航空機の空調システムの動作方法が、航空機の制御システムから利用可能な電力レベルを受けるステップと、第１の加圧空気供給源から航空機キャビンに空気を送るステップと、利用可能な電力レベルが閾値よりも高いときに、第２の加圧空気供給源から航空機キャビンに空気を送るステップとを含む。

他の実施例においては、航空機の空調システムが、出口を航空機キャビンに直接的または間接的に接続してなる第１の加圧空気供給源と、出口を航空機キャビンに直接的または間接的に接続することができる第２の加圧空気供給源とを備えている。また、この空調システムはコントローラを備えており、該コントローラは、航空機の制御システムから利用可能な電力レベルを受け、この利用可能な電力レベルに応じて第１の加圧空気供給源および第２の加圧空気供給源を制御する。利用可能な電力レベルが閾値よりも低いときに、第１の加圧空気供給源のみが航空機キャビンに接続され、利用可能な電力レベルが閾値よりも高いときに、第１の加圧空気供給源および第２の加圧空気供給源の双方が航空機キャビンに接続される。

別の実施例においては、出口を航空機キャビンに直接的または間接的に接続することができる第１の加圧空気供給源と、出口を航空機キャビンに直接的または間接的に接続することができる少なくとも１つの第２の加圧空気供給源２２とを備えてなる航空機において、空調システムを動作する方法が提供される。この方法は、第１の加圧空気供給源のみが航空機キャビンに接続される第１の動作モードで動作するステップと、第１の加圧空気供給源および第２の加圧空気供給源の双方が航空機キャビンに接続される第２の動作モードで動作するステップとを含む。第１の動作モードが、低い利用可能な電力レベルで選択され、第２の動作モードが、低い利用可能な電力レベルよりも高い電力レベルで選択されるように、動作モードが、航空機で利用可能な電力レベルに基づいて選択される。

本発明の一実施例における航空機空調システムのブロック図である。 本発明の他の実施例における航空機空調システムの概略図である。 本発明の実施例の圧力回収装置を有した航空機の空調システムのブロック図である。

図１には、航空機の空調システム１０のブロック図が示されている。航空機空調システム１０は、航空機のキャビン２０に直接的または間接的に接続することができる第１の加圧空気供給源１２を備えている。第１の加圧空気供給源１２は、圧縮機１４、モータ１６およびタービン１８を備えている。圧縮機１４、モータ１６およびタービン１８は、シャフト２８によって互いに接続されている。シャフト２８は、一体的に形成されるか、または複数の部品から形成され得る。圧縮機１４は、外気１５を受け、モータ１６およびタービン１８の一方または双方から供給される動力を用いて外気を加圧し、そして、この加圧した外気を航空機キャビン２０へと送る。また、航空機空調システム１０は、１つまたは複数のモータおよび圧縮機を備え得る二次加圧空気供給源２２を備えており、該二次加圧空気供給源２２は、直接的または間接的に航空機キャビン２０に接続され得る。航空機空調システム１０で用いられる圧縮機は、例えば、単段圧縮機または多段圧縮機とすることができる。第１の加圧空気供給源１２および第２の加圧空気供給源２２によって用いられる圧縮機は、動作するのにかなりの電力が必要となる。

一実施例においては、航空機空調システム１０は、航空機で利用可能な電力に基づいて種々のモードで動作するように設計されている。航空機空調システム１０は、コントローラ２４を有することができ、コントローラ２４は、航空機制御システム（図示せず）から、航空機で利用可能な電力を示す信号２５を受ける。コントローラ２４は、信号２５によって示される航空機で利用可能な電力に基づいて第１の加圧空気供給源１２および第２の加圧空気供給源２２の作動を制御する。

第１の動作モードにおいては、航空機で利用可能な電力が閾値よりも低いときには、航空機キャビン２０に供給される空気は、第１の加圧空気供給源１２のみから提供される。第１の加圧空気供給源１２は、航空機の地上作動中に、必要な加圧や温度を制御し、キャビンに新しい空気を供給することができるように設計されている。また、第２の動作モードにおいては、航空機で利用可能な電力が閾値よりも高いときには、航空機キャビン２０に供給される空気は、第１の加圧空気供給源１２および第２の加圧空気供給源２２の双方から提供される。一実施例においては、２つの加圧空気供給源からの加圧空気を混合し、この混合空気を冷却、加湿または除湿などによりさらに処理し、そして、航空機キャビンに送ることができる。他の実施例においては、航空機で利用可能な電力が第２の閾値よりも高いときに、３つ以上の加圧空気供給源を用いることができ、第１の加圧空気供給源、第２の加圧空気供給源および第３の加圧空気供給源から、航空機キャビン２０に供給される空気を提供することができる。

一実施例においては、加圧空気は、航空機キャビン２０へと流入する前に冷却される。冷却は、航空機のラム空気ダクトに配置されたラム空気熱交換器（図示せず）やタービン１８によって実施され得る。第１の動作モードにおいて、冷却は、冷却プロセスに組み込まれたラム空気熱交換器およびタービン１８によって実施され得る。ここで、タービン１８は、シャフト上で圧縮機１４およびモータ１６に連結されている。１つまたは複数のタービン１８が、圧縮機１４と共にシャフト２８上に配置され得る。

図２には、本発明の実施例の航空機空調システム１００の概略図が示されている。航空機空調システム１００は、第１の加圧空気供給源１０１を備えており、該第１の加圧空気供給源１０１は、外気で充填される圧縮機１０２を備えている。圧縮機１０２は、シャフト１０８上でモータ１０４およびタービン１０６に接続されている。また、航空機空調システム１００は、第２の加圧空気供給源１０３も備えており、該第２の加圧空気供給源１０３は、システムが動作される動作モードに基づいて切り替え可能である。一実施例においては、第２の加圧空気供給源１０３は、調節弁１１０によって切り替えられるか、または部分的に切り替え可能である。他の実施例においては、調節弁１１０の代わりに、逆止弁を配置することもできる。第２の加圧空気供給源は、例えば、外気や、航空機の制御システムからのブリード空気で充填される第２の電動式圧縮機１２８とすることができる。圧縮機１０２の出口ラインは、逆止弁１１２を備えており、該逆止弁１１２は、この出口ラインを通る流れが圧縮機１０２へと導かれないことを確実にする。

図２のシステムは、航空機で利用可能な電力に基づいて少なくとも２つの動作モードで動作され得る。第１の動作モードにおいては、キャビンに供給される空気の全てが圧縮機１０２によって提供される。タービン１０６からの動力は、モータ１０４からの電力および圧縮機１０２の駆動と組み合わされる。圧縮機１０２は、加圧、温度調節および新しい空気の供給に関するキャビンの空気供給の要求を満たすことができるように設計されている。圧縮機１０２から出た空気は、混合チャンバ１１６を通過した後に、ラム空気ダクト熱交換器１１４において冷却される。そして、この空気は、水抽出回路を通流してから、タービン１０６による第２の冷却を受ける。水抽出回路は、水抽出装置１１８、再熱器１３８および凝縮器１２０を備えることができる。水抽出装置１１８において分離された水は、水噴射装置ＷＩによってラム空気ダクトに供給される。

第２の動作モードにおいては、調節弁１１０または逆止弁が開かれ、キャビンに供給される空気は、圧縮機１０２の出口空気および圧縮機１２８の出口空気によって形成される。第２の動作モードにおいては、混合された空気流は、第１の動作モードの圧縮機１０２の出口空気と同様の構成要素を通流する。

単一の段の圧縮を基礎として個別の圧縮段に要求される圧力比が高いので、上記圧縮段は、修正質量流量の制限された動作範囲を達成するのみである。修正質量流量を供給することができるためには、付加的な圧縮段または加圧空気供給源が、同時に切り替えられ得る。用いられる外気圧縮機の数は、この接続においては一定ではなく、使用領域の全てを保護するために、１つの空調システムにつき少なくとも２つの加圧空気供給源が並列に接続される。

図２に示したように、第２の加圧空気供給源１０３は、ジェットポンプ１２４を作動させるために、開いた弁１２２と共に用いられる。これにより、第１の動作モードにおいて、１つまたは複数のラム空気熱交換器によって、冷却された空気流を確実に得ることができる。また、圧縮機１０２の圧縮機出口空気を、弁１２６によってジェットポンプ１２４に供給することもできる。このような方法により、圧縮機１０２の安全な動作や安定した動作が確実なものとされ得る。したがって、付加的な質量流量は、ジェットポンプ１２４によってラム空気ダクトに案内されるか、または他の需要部（ｃｏｎｓｕｍｅｒ）に供給される。ラム空気ダクトの入口弁は、ラム空気ダクトの入口側に配置され得るものであり、ラム空気入口アクチュエータ（ＲＡＩＡ）によって制御可能である。

一実施例では、第２の加圧空気供給源１０３は、モータ１３０によって駆動される圧縮機１２８によって形成される。当業者は、システム１００に１つまたは複数の上記ユニットを設けることもできることを理解するであろう。一実施例においては、非サージ弁（ａｎｔｉ−ｓｕｒｇｅ ｖａｌｖｅｓ）１３２，１３４によって閉じることができる再循環ラインが、圧縮機１０２，１２８の各々へと引き出されている。さらに、付加的な圧縮機負荷弁１３６は、混合チャンバ１１６からラム空気ダクト熱交換器１１４へと延びるラインに設けられる。非サージ弁１３２，１３４を開くことにより、圧縮機１０２，１２８を介して再循環空気を増加させることができ、これにより、圧縮機１０２，１２８の安定した動作が可能となる。上述したように、ジェットポンプの調節弁１２２，１２６によっても、圧縮機の質量流量を増加させることができる。圧縮機負荷弁１３６は、圧縮機１０２，１２８を制限するように用いられ、圧縮機１０２，１２８の出口温度を増加させることができる。

図３には、航空機空調システム１０のブロック図が示されている。航空機空調システム１０は、航空機キャビン２０に直接的または間接的に接続することができる第１の加圧空気供給源１２を備えている。第１の加圧空気供給源１２は、圧縮機１４、モータ１６およびタービン１８を備えている。圧縮機１４、モータ１６およびタービン１８は、シャフト２８によって互いに接続されている。圧縮機１４は、外気を受け、モータ１６およびタービン１８から供給される動力を用いて外気を加圧し、そして、この加圧した外気を航空機キャビン２０へと送る。また、航空機空調システム１０は、１つまたは複数のモータまたは圧縮機を備え得る二次加圧空気供給源２２を備えており、該二次加圧空気供給源２２は、直接的または間接的に航空機キャビン２０に接続され得る。コントローラ２４が、航空機制御システムから、航空機で利用可能な電力を示す信号を受け、この信号に応答して、航空機で利用可能な電力に基づいて第１の加圧空気供給源１２および第２の加圧空気供給源２２の作動を制御する。

現在の航空機空調システムにおいては、加圧空気は、キャビンを通して循環した後に、キャビンから取り除かれて排気される（つまり、「機外」に送られる）。航空機の高度に応じて、航空機外の空気圧力は、排気される空気よりも非常に低いものとなり得る。一実施例においては、キャビン２０から排気される加圧空気はタービン１８へと送られ、タービン１８は、この加圧空気が外気圧力へと減圧されたときに生じるエネルギを取り込む。キャビンからの減圧された空気は、タービン１８を通過した後に、機外へと送られる。一実施例においては、タービン１８は、キャビンから排気された空気の減圧により取り込まれるエネルギを、モータ１６および圧縮機１４に連結されたシャフト２８へと供給することができる。このエネルギは、航空機空調システム１０を動作するために航空機に必要とされるエネルギを減少させるように用いられ得る。

一実施例においては、航空機空調システム１０は、航空機キャビン２０に配置され得る排出装置２６も備えている。排出装置２６は、コントローラ２４によって制御可能であり、コントローラ２４は、航空機キャビン２０からの循環空気をタービン１８または航空機外へと送るように排出装置２６に指示することができる。一実施例においては、コントローラ２４は、外気圧力がキャビン空気圧力よりも低いときに、航空機キャビン２０からの循環空気をタービン１８に送るように排出装置２６に指示することができ、また、外気圧力がキャビン空気圧力と等しいまたはほぼ等しいときに、航空機キャビン２０からの循環空気を航空機外に送るように排出装置２６に指示することができる。他の実施例においては、コントローラ２４は、外気とキャビン空気との間の圧力差が閾値よりも高いときに、航空機キャビン２０からの循環空気をタービン１８に送るように排出装置２６に指示することができ、また、外気とキャビン空気との間の圧力差が閾値よりも低いときに、航空機キャビン２０からの循環空気を航空機外に送るように排出装置２６に指示することができる。

１つの動作モードでは航空機は約３Ｐｓｉ、または約２０．６ｋＰａの外気圧力の環境にあり、約１２Ｐｓｉ、または約８２．７ｋＰａのキャビン圧力を有する。航空機空調装置１０は、外気を３Ｐｓｉから１２Ｐｓｉに加圧するのに約１００ｋＷの電力を必要とする。現在利用可能な航空機空調装置では、外気の加圧に必要な全ての電力はモータ１６から供給される。一実施例では、タービン１８は、キャビンから排気した空気の減圧によって生じたエネルギを取り込み、動力を発生し、そして、この動力をモータ１６および圧縮機１４に供給する。約３Ｐｓｉの外気圧、および約１２Ｐｓｉのキャビン圧力の動作モードでは、タービン１８は、約２０ｋＷの電力を発生する。したがって、航空機の動作条件に基づいて、キャビンから排気した空気の減圧によって生じたエネルギを取り込むことにより、結果的に航空機空調装置の消費電力を２０％まで低下させることができる。

本明細書で用いた用語は特定の実施例のみの説明を目的とするものであり、本発明の限定を意図するものではない。本明細書で用いられるように、単数形の形態「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈において特に指示がない限り、同様に複数のものも含むことを意図するものである。さらに留意すべきは、本明細書で用いられる場合の語句「備える」は、記載した特徴部、整数値、ステップ、動作、要素やコンポーネントの存在を明らかにするものであり、一つ以上のその他の特徴部、整数値、ステップ、動作、要素、コンポーネントやそれらの群の存在または追加を妨げるものではない。

全ての手段またはステップの対応する構造、材料、行為、およびそれらと同等のものに加えて以下の請求項の機能要素は、特に請求の範囲に記載のその他の請求項に記載された要素と組み合わされて機能を実施するためのあらゆる構造、材料、または行為を含むことを意図するものである。例示および説明を目的として本発明の明細書を開示するが、本明細書を開示の形態に包括的に限定することを意図するものではない。本発明の範囲および真意を逸脱することなく種々の修正および変更が当業者にとって明らかとなるであろう。この実施例は、本明細書の本質、および実際の応用例を最もよく説明するために、そして当業者以外の人が、種々の修正を有する種々の実施例の開示を、検討された特定の用途に適したものとして認識できるようにするために、選択され、記載されたものである。

本発明の好適な実施形態を記載したが、現在および将来の当業者が以下の特許請求の範囲に含まれる種々の改良および強化を行うことが理解されるであろう。これらの請求の範囲は先に述べた本明細書の適切な保護を維持するように解釈されるべきである。

Claims (18)

1. 航空機の制御システムから利用可能な電力レベルを受けるステップと、
   第１の加圧空気供給源から航空機キャビンに空気を送るステップと、
   前記利用可能な電力レベルが閾値よりも高いときに、第２の加圧空気供給源から前記航空機キャビンに空気を送るステップと、
   を含む航空機の空調システムの動作方法。
2. 前記第１の加圧空気供給源および前記第２の加圧空気供給源によって加圧された空気が、前記航空機キャビンに流入する前に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の動作方法。
3. 前記第１の加圧空気供給源からの空気と、前記第２の加圧空気供給源からの空気とが、前記航空機キャビンに流入する前に混合されることを特徴とする請求項１に記載の動作方法。
4. 前記第１の加圧空気供給源からの空気は、圧縮機によって形成され、該圧縮機は、外気、ラム空気や予圧空気で充填されるとともに、モータやタービンによって駆動されることを特徴とする請求項１に記載の動作方法。
5. 前記第２の加圧空気供給源からの空気は、第２の圧縮機によって形成され、該第２の圧縮機は、外気、ラム空気や予圧空気で充填されるとともに、モータやタービンによって駆動されることを特徴とする請求項１に記載の動作方法。
6. 前記利用可能な電力レベルが第２の閾値よりも高いときに、第３の加圧空気供給源から前記航空機キャビンに空気を送るステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の動作方法。
7. 前記第２の加圧空気供給源から前記航空機キャビンに送られる空気の一部が、前記利用可能な電力レベルに基づいていることを特徴とする請求項１に記載の動作方法。
8. 出口を航空機キャビンに直接的または間接的に接続してなる第１の加圧空気供給源と、
   出口を前記航空機キャビンに直接的または間接的に接続することができる第２の加圧空気供給源と、
   航空機の制御システムから利用可能な電力レベルを受け、この利用可能な電力レベルに応じて前記第１の加圧空気供給源および前記第２の加圧空気供給源を制御する、コントローラと、
   を備え、
   前記利用可能な電力レベルが閾値よりも低いときに、前記第１の加圧空気供給源のみが前記航空機キャビンに接続され、
   前記利用可能な電力レベルが閾値よりも高いときに、前記第１の加圧空気供給源および前記第２の加圧空気供給源の双方が前記航空機キャビンに接続されることを特徴とする航空機の空調システム。
9. 前記第１の加圧空気供給源および前記第２の加圧空気供給源に加えて、出口を前記航空機キャビンに直接的または間接的に接続することができる付加的な加圧空気供給源をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の航空機の空調システム。
10. 前記第１の加圧空気供給源および前記第２の加圧空気供給源は、並列に接続されることを特徴とする請求項８に記載の航空機の空調システム。
11. 前記第１の加圧空気供給源の出口空気と、前記第２の加圧空気供給源の出口空気とが、チャンバによって形成された混合点において結合されることを特徴とする請求項８に記載の航空機の空調システム。
12. 前記第２の加圧空気供給源から前記航空機キャビンに送られる空気の一部は、前記利用可能な電力レベルに基づいていることを特徴とする請求項８に記載の航空機の空調システム。
13. 出口を航空機キャビンに直接的または間接的に接続することができる第１の加圧空気供給源と、出口を前記航空機キャビンに直接的または間接的に接続することができる少なくとも１つの第２の加圧空気供給源とを備えてなる航空機において、空調システムを動作する方法であって、
    前記第１の加圧空気供給源のみが前記航空機キャビンに接続される第１の動作モードで動作するステップと、
    前記第１の加圧空気供給源および前記第２の加圧空気供給源の双方が前記航空機キャビンに接続される第２の動作モードで動作するステップと、
    を含み、
    前記第１の動作モードが、低い利用可能な電力レベルで選択され、前記第２の動作モードが、前記低い利用可能な電力レベルよりも高い電力レベルで選択されるように、動作モードの選択が、前記航空機で利用可能な電力レベルに基づいて選択されることを特徴とする方法。
14. 前記第１の加圧空気供給源および前記第２の加圧空気供給源によって加圧された空気は、前記航空機キャビンに流入する前に冷却されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の加圧空気供給源からの空気と、前記第２の加圧空気供給源からの空気とが、前記航空機キャビンに流入する前に混合されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記第２の加圧空気供給源から前記航空機キャビンに送られる空気の一部が、前記利用可能な電力レベルに基づいていることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 前記第１の加圧空気供給源からの空気は、圧縮機によって形成され、該圧縮機は、外気、ラム空気や予圧空気で充填されるとともに、モータやタービンによって駆動されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 前記第２の加圧空気供給源からの空気は、第２の圧縮機によって形成され、該第２の圧縮機は、外気、ラム空気や予圧空気で充填されるとともに、モータやタービンによって駆動されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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