JP2014054969A - 航空機用空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱量が増大する電子機器の冷却に使用する調和空気の冷却能力が、エンジン抽気量に影響されず、エンジン抽気量が最小となるような空気調和システムにする。
【解決手段】
エンジン抽気を冷却除湿する冷却除湿機構６と、その除湿された空気を断熱膨張させることで低温空気とする第一タービン７と、その低温空気で乗員室２を空気調和するオープンループ４を形成し、その空気を圧縮するコンプレッサ８と、その圧縮された空気を低温空気とする第二タービン９と、その低温空気で電子機器３を冷却し、再度、コンプレッサ８、第二タービン９を経て繰り返し電子機器３を冷却するクローズループ５の空気循環系を形成する。これにより、発熱量の多い電子機器は、エンジン抽気量にかかわりなく、空気循環系の低温空気で繰り返し冷却される。

【選択図】 図１

Description

本発明は、航空機の空調システムに関する。

航空機の空調システムは、民間機、軍用機を問わず、乗員・乗客の温度環境や機内与圧の維持、および呼気として不可欠な新鮮空気の供給、さらに電子機器の冷却能力の維持、などの空気調和機能が必要である。この目的のために、現在の空調システムは、エンジンなどからの抽気を圧縮した高圧空気を空気源とするエアサイクル方式が主流である。このエアサイクル方式は冷却能力向上のために除湿機構が不可欠で、その除湿方式は高圧除湿方式と低圧除湿方式がある。

図５に従来の高圧除湿方式の空調システムの一例を示す。エンジン１０１の抽気をコンプレッサ１０２により圧縮し、その圧縮空気を熱交換器１０３においてラム空気１０４との熱交換により冷却し、その冷却空気をリヒーター１０５において除湿空気との熱交換によりさらに冷却した後に、コンデンサ１０６においてタービン１０８の出口の低温空気との熱交換により空気中の水分を露点以下に冷却して凝縮し、その凝縮水を水分離器１０７における遠心力を利用して分離している。

その水分が分離された空気を、リヒーター１０５においてコンデンサ１０６に入る前の空気の冷却に用いた後に、タービン１０８において断熱膨張させることで低温空気としている。この低温空気をコンデンサ１０６において空気の冷却に用いた後に、航空機の乗員室や電子機器に供給して、空気調和させている。コンデンサ１０６のフィン表面には比較的大きな水滴が凝縮するため、下流の水分離器１０７内で旋回流を与えることで容易に凝縮水を遠心分離できる。

また、タービン１０８とコンデンサ１０６との間に弁１０９を介して抽気を導入可能とすることで、コンデンサ１０６の空気流路での水分の氷結を解消している。高圧空気においては露点が比較的高くなる特性があり、高圧除湿方式はこの特性を利用することにより他方式に比べて性能面や整備面で優れていることから、現在では除湿方式の主流になっている。

図６に従来の低圧除湿方式の空調システムの一例を示す。エンジン２０１の抽気をコンプレッサ２０２により圧縮し、その圧縮空気を熱交換器２０３においてラム空気２０４との熱交換により冷却し、その冷却空気をタービン２０５において断熱膨張させることで低温空気とする。この低温空気を水分離器２０６により水分を除去した後に、航空機の乗員室や電子機器に供給している。

空気中の水分は、タービン２０５での断熱膨張時に低温となって水蒸気が霧状に凝縮し、水分離器２０６内の布を通過する際に、水滴が拡大して遠心分離可能となる。また、タービン２０５と水分離器２０６との間に、弁２０７を介してエンジン抽気を導入可能とすることで、水分離器２０６における水分の氷結を防止している。

従来技術の例として、非特許文献１には、戦闘機Ｆ−１８のエンジン抽気を使用した高圧除湿方式の空調システムの構成が記述されている。また、特許文献１には、地上や飛行高度などによって空調条件が異なることから、高圧除湿方式と低圧除湿方式が切り替え可能な空調システムが構成されている。

エンジンから噴射する空気の運動エネルギーで推力を得ている航空機において、エンジン抽気を抽出することは推力の効率を低下させ、航空機の燃料消費量の増加を招きコスト増加にもつながる。前記高圧除湿方式と前記低圧除湿方式のいずれの空調システムにおいても空気調和能力、特に冷却能力はエンジン抽気量に依存しており、電子機器の発熱量が増大すればエンジン抽気量も増大する。

特に戦闘機においては、電子化が進んで発熱量が増大するために冷却要求も増大し、この要求に対応するために、エンジン抽気を使用しない空調システムが考えられる。図７に示す空調システムの一例は、新鮮空気と与圧を必要とする乗員室（コックピット）３０３には、エンジン３０１の抽気が少なく規模の小さい、特に工夫のない低圧除湿式のエアサイクル機構３０２を採用する。

他方、発熱量の多い電子機器３０５にはエンジン抽気を使用しない電力駆動のベーパーサイクル機構３０４を採用して大部分の熱負荷を冷却し、抽気使用量を大幅に低減している。また、特許文献２には、エンジン抽気を使用しないで、ラム空気を使用した全電動モーター駆動による高圧除湿方式の空調システムの構成が記述されている。

米国特許第６２９５８２２号公報 米国特許第６５２６７７５号公報

J.E.STRANG;"F-18 Air Conditioning System" American society of mechanical engineers出版

従来の航空機のエアサイクル方式の空調システムは、エンジン抽気を圧縮した高圧空気を空気源としているために、空調システムの冷却能力はエンジン抽気量に依存している。中でも戦闘機においては、少人数の搭乗員に必要な新鮮空気量は比較的少なく、かつ冷却容量も少ないが、電子化された電子機器などの発熱量は大きく、空調システムの冷却能力は高い能力が要求される。したがって、エンジン抽気量を削減しつつ冷却能力を向上すること、すなわち、エンジン抽気量を必要最小限にすることが必要とされる。

戦闘機においては、時代と共に電子化が進んで電子機器の発熱量が増大する傾向がある。次世代戦闘機の場合、さらなる冷却要求の増大に対応するには、冷却のためのエンジン抽気量を削減する目的で、主たる冷却装置を電力によるベーパーサイクル方式とせざるを得ない状況である。しかし、戦闘機としては故障などの非常時においても飛行可能な状態を維持する電子機器の冷却が必要であり、この電子機器の冷却要求も従来に比して増大し、このような非常時にも、コックピットへ与圧・空調、および電子機器の冷却を確保して帰投できるようにする必要がある。

この目的での空調システムは、電力に頼るベーパーサイクル方式では故障時の対応が不十分で、エンジンが作動する限り空調できるエアサイクル方式が適しているが、従来のエアサイクル方式では冷却能力がエンジン抽気量に影響されるために対応できない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、必要とするエンジン抽気量を必要最小限にして、かつ、増大する冷却能力の確保を可能とする空調システムを提供する。

本発明は、エンジン抽気を使用する航空機用空調システムにおいて、エンジン抽気を冷却除湿する冷却除湿手段と、前記冷却除湿手段によって冷却除湿された空気を断熱膨張し、低温空気を生成する第一膨張手段を備え、前記低温空気が乗員室の空気調和に供されることからなるオープンループを構成し、さらに、前記乗員室を調和した空気を圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段によって圧縮された空気を断熱膨張させ、低温空気を生成する第二膨張手段を備え、前記第二膨張手段によって生成された低温空気は、電子機器の冷却に供され、前記圧縮手段と前記第二膨張手段を経て、前記電子機器を繰り返し冷却する空気循環系からなるクローズループを構成することを特徴とする。

前記構成によれば、エンジン抽気は、最初に冷却除湿手段で冷却除湿された後に第一膨張手段で断熱膨張して低温空気になり、その低温空気で乗員室の空調に供される。このシステムはオープンループを構成する。その後、この空気は圧縮手段で高圧空気になり、その高圧空気は第二膨張手段で断熱膨張して低温空気となって電子機器の冷却に供せられる。その電子機器の冷却に供した空気は、再度、前記圧縮手段、前記第二膨張手段を経て前記電子機器の冷却に供せられる空気循環系に導入される。この空気循環システムは、電子機器を繰り返し冷却するクローズループを構成する。

その結果、エンジン抽気は、オープンループで必要とされる乗員室を空気調和するために必要な空気量だけに低減され、発熱量の多い電子機器はクローズループの空気循環系の低温空気で繰り返し冷却される。したがって、増大する電子機器の発熱量に応じたエンジン抽気の供給を必要とせず、乗員室に供給されるエンジン抽気量が必要最小限となる。

また、本発明は、前記第一膨張手段と前記第二膨張手段と前記圧縮手段が同一軸上に連結され、前記第二膨張手段と前記圧縮手段の間の軸上に電動モーターを連結して構成されることを特徴とする。この構成によれば、従来エンジン抽気によって駆動されるタービンの軸力のみがエアサイクルの駆動力となっていたが、これに加えてエンジン抽気に比して機体へのペナルテイが小さい電力も駆動力として使用可能となり、機体の状態に応じた最適な動力運用を行うことができる。

非常時にはエンジン抽気のみで機能維持が可能であり、かつ常用時には電力補助によってエンジンの運転状態に適応した能力拡大が可能となり、タービン動力と併用あるいは選択してこれらを駆動することが可能となる。

本発明によれば、エンジン抽気は冷却容量の少ない乗員室などの空気調和に使用し、発熱量が多い電子機器の冷却にクローズループの循環空気を繰り返し使用することにより、エンジン抽気量を削減しつつ冷却能力を向上することができる。また、エンジン抽気を活用した膨張手段による動力に加えて、エンジン抽気を活用しない電力を動力としたシステムの駆動も可能とする航空機用空調システムを提供できる。

本発明の実施形態の航空機用空調システムの構成説明図である。 本発明の実施形態の航空機用空調システムの構成説明図である。 本発明の実施形態の航空機用空調システムの構成説明図である。 本発明の実施形態の航空機用空調システムの構成説明図である。 従来の航空機用空調システムの構成説明図である 従来の航空機用空調システムの構成説明図である。 従来の航空機用空調システムの構成説明図である。

図１に本発明の基本形態を示す。エンジン１の抽気が、細線で示した空気ラインのオープンループ４において、シンプルなエアサイクル方式で調和された低温空気で乗員室２を空気調和する。そのオープンループ４の空気が、太線で示した空気ラインのクローズループ５において、ブートストラップ方式で調和された低温空気で発熱量の多い電子機器３を繰り返し冷却するという構成である。

具体的には、まずオープンループ４において、エンジン１の抽気を冷却除湿機構６で冷却・除湿し、さらに、第一タービン７で断熱膨張させることで低温空気とする。この低温空気を新鮮空気と与圧維持のために乗員室２に供給する。冷却除湿機構６においては、ヒートシンクやリヒーターなどの熱交換手段により空気を冷却し、その冷却された空気を高圧除湿方式や低圧除湿方式などの除湿手段を用いて除湿することができる。

オープンループ４の空気調和において、第一タービン７からの低温空気の容量に余裕があれば、乗員室２以外にも、発熱量の少ない電子機器の冷却に供してもよい。また、空気調和の最適化のために各種の制御弁を付加することができる。例えば、乗員室２の与圧調整のための与圧制御弁を乗員室２近傍に配置してもよい。

乗員室２を空気調和した空気はクローズループ５に送られる。その空気はコンプレッサ８により圧縮されて高圧空気になり、その高圧空気は第二タービン９において断熱膨張することで再度低温空気とされ、その低温空気は発熱量の多い電子機器３の冷却に供される。電子機器３の冷却に供された空気は、コンプレッサ８、第二タービン９を経て再び電子機器３の冷却に供される空気循環系で、繰り返し電子機器３の冷却に供される。

オープンループ４からの空気は、コンプレッサ８に供給される前に、電子機器３に直接供給されて冷却に供した後にコンプレッサ８に供給してもよい。その後は、コンプレッサ８、第二タービン９を経て、再度、電子機器３に供される空気循環系で繰り返し冷却されることになる。また、コンプレッサ８と第二タービン９の間に、必要に応じてヒートシンクやリヒーターなどの熱交換手段や除湿手段を配置して、良質の調和空気を生成してもよい。

発熱量の多い電子機器３の冷却には、クローズループ５のコンプレッサ８と第二タービン９などから成る空気循環系の冷却空気を繰り返し循環することで、エンジン抽気量を著しく削減することができる。その結果、エンジン抽気の消費は、主に乗員室２の与圧や新鮮空気に活用される空気だけでよい。そのために、航空機に要する冷却能力がエンジン抽気の能力に影響を受けることが解消され、冷却能力が低下することを防止する。

第一タービン７と第二タービン９の駆動軸は同軸上に構成され、タービン駆動で空気の膨張エネルギーが軸動力として同軸上にあるコンプレッサ８の動力として活用される。エンジン抽気に基づくタービン動力に加えて、必要な場合にはコンプレッサ８の駆動に電力を動力とするモーター１０が同軸上に構成され、故障時や緊急時の対応としてタービン動力とモーター動力は相互に補完的に運用することができる。

高圧除湿方式の本発明の一実施形態を図２に示す。エンジン１の抽気を第一ヒートシンク１１においてラム空気などとの熱交換により冷却し、その冷却空気を第一リヒーター１２における熱交換によりさらに冷却し、その後、第一コンデンサ１３と第二コンデンサ１４における低温空気との熱交換により、露点以下に冷却して空気中の水分を凝縮する。その凝縮した水分を除湿器１５において遠心力を利用して分離除去する。その水分離した空気を、第一リヒーター１２において空気中の残存凝縮水を蒸発させた後に、第一タービン１６において断熱膨張させることで低温空気とする。この低温空気は、第二コンデンサ１４において空気の冷却に用いられた後に、比較的発熱量の少ない電子機器１７の冷却、さらに新鮮空気と与圧維持のために乗員室２に供給される。

オープンループ４の空気はクローズループ５に送られ、まず、発熱量の大きな電子機器３の冷却に供される。その冷却に供された空気をコンプレッサ２０により圧縮し、その圧縮された高圧空気を第二ヒートシンク２１においてラム空気などとの熱交換により冷却し、その冷却された空気を第二タービン２２において断熱膨張することで再度低温空気とする。この低温空気は、第一コンデンサ１３において空気の冷却に用いられた後に、再度、調和空気として電子機器３の冷却に供し、以後この冷却空気はコンプレッサ２０、第二ヒートシンク２１、第二タービン２２、および第一コンデンサ１３から成るクローズループ５で繰り返し空気循環される。

エンジン抽気の流量は流量制御弁３１で制御される。冷却除湿機構６の冷却除湿機構バイパス弁３２は、除湿の必要な低高度域では閉弁して、エンジン抽気を第一リヒーター１２、第一コンデンサ１３、第二コンデンサ１４、除湿器１５の回路に導入して除湿する。他方、除湿の不要となる高高度域では開弁して、エンジン抽気を直接第一タービン１６に導入し、冷却除湿機構６の除湿回路を経由することによる圧力損失を改善する。乗員室２の与圧は、与圧制御弁３３で機外へ放出する空気量を調節して制御される。

クローズループ５のバイパス弁３４は、エンジン抽気圧力が低く第一タービン１６の膨張比が不足し、第二コンデンサ１４による冷却能力が不十分である場合に閉弁して、第二タービン２２の低温空気を第一コンデンサ１３に供給してエンジン抽気の冷却を補助する。第二コンデンサ１４の冷却が十分な場合、あるいは除湿が不要な場合には、開弁して第一コンデンサ１３の冷却空気をバイパスして直接電子機器３へ供給する。

本実施形態では高圧除湿方式を採用し、オープンループ４における第一ヒートシンク１１と第一リヒーター１２と第一コンデンサ１３と第二コンデンサ１４からなる多重の熱交換機能を有した冷却除湿機構６を構成する。第一タービン１６で断熱膨張された低温空気の容量に余裕がなければ、電子機器１７はオープンループ４で冷却せずにクローズループ５で冷却してもよい。

第一ヒートシンク１１および第二ヒートシンク２１において、調和用空気を熱交換するために使用する冷却剤は、ラム空気に限るものでなく、燃料やエンジンファン空気などを活用しても良い。

図２の実施形態の変形実施形態を図３に示す。この空調システムにおいては、乗員室２を調和するオープンループ４の構成は図２と同じである。クローズループ５においては、電子機器３を冷却した空気を、第二リヒーター４２で熱交換して冷却し、その空気をコンプレッサ２０で圧縮して高圧の空気とする。その高圧空気を第二ヒートシンク４１においてラム空気などとの熱交換で冷却する。

その冷却空気を第二リヒーター４２において圧縮前の空気と熱交換し、その熱交換された空気を第二タービン２２において断熱膨張することで再度低温空気とする。この低温空気は、オープンループ４の第一コンデンサ１３において空気の冷却に用いた後に、再度、調和空気として電子機器３の冷却に供される。この冷却空気はコンプレッサ２０、第二ヒートシンク４１、第二リヒーター４２、第二タービン２２、および第一コンデンサ１３から成るクローズループ５で繰り返し空気循環される。

本実施形態では、クローズループ５の空気循環系に第二リヒーター４２を設置することで、電子機器３の発熱状態に応じて第二ヒートシンク４１への排熱量を最小減に制御することができる。具体的には、第二リヒーターバイパス弁４３と第二ヒートシンクバイパス弁４４によって、飛行状態と空調系統の作動状態に応じた機体速度や温度信号をもとにして、これら二つの弁は連動して開度位置を変化させ、ヒートシンクへの排熱量を制御する。なお、第二ヒートシンク４１は、第二ヒートシンクバイパス弁４４と共に第二リヒーター４２と第二タービン２２の間に位置しても良い。

図４は、低圧除湿方式の本発明の一実施形態を示す。オープンループ４において、エンジン１の抽気を第一ヒートシンク１１においてラム空気などとの熱交換により冷却し、その冷却空気を第一タービン１６において断熱膨張させることで低温空気とする。この低温空気の中には断熱膨張する際に発生する細かい霧状の凝縮水が含まれ、この凝縮水を除湿器５０で除く。その除湿された低温空気を発熱量の少ない電子機器１７の冷却に供し、さらに乗員室２に供給して空気を調和する。

クローズループ５における発熱量の多い電子機器３の冷却には、空気循環系のコンプレッサ２０と第二ヒートシンク２１と第二タービン２２から成る空気循環系の冷却空気を繰り返し電子機器３に供給することで、エンジン抽気の消費量を著しく削減することができる。

図１から図３の構成と同じように、第一タービン１６と第二タービン２２の駆動軸は同軸上に構成され、タービン駆動で空気の膨張エネルギーが軸動力として同軸上にあるコンプレッサ２０の動力として活用される。エンジン抽気に基づくタービン動力に加えて、必要な場合にはコンプレッサ２０の駆動に電力を動力とするモーター２３が同軸上に構成され、故障時や緊急時の対応としてタービン動力とモーター動力は相互に補完的に運用することができる。

本発明の構成は、図１から図４に示した構成に限るものではなく、用途については民間機や軍用機など、除湿方式には高圧除湿方式、低圧除湿方式など、エアサイクル方式にはシンプル方式、２ホイール方式、３ホイール方式など各種のマシン構造があるが、各種の目的や構造に最適な空調システムに対応するように、本発明の構成を変形して構築することができる。

なお、図１から図４において、同一符号で表示されているものは、同一物を表し、同じ機能を有するものである。

１ エンジン
２ 乗員室
３ 電子機器
４ オープンループ
５ クローズループ
６ 冷却除湿機構
７ 第一タービン
８ コンプレッサ
９ 第二タービン
１０ モーター

Claims (2)

1. エンジン抽気を使用する航空機用空調システムにおいて、エンジン抽気を冷却除湿する冷却除湿手段と、前記冷却除湿手段によって冷却除湿された空気を断熱膨張し、低温空気を生成する第一膨張手段を備え、前記低温空気が乗員室の空気調和に供されることからなるオープンループを構成し、さらに、前記乗員室を調和した空気を圧縮する圧縮手段と、前記圧縮手段によって圧縮された空気を断熱膨張させ、低温空気を生成する第二膨張手段を備え、前記第二膨張手段によって生成された低温空気は、電子機器の冷却に供され、前記圧縮手段と前記第二膨張手段を経て、前記電子機器を繰り返し冷却する空気循環系からなるクローズループを構成することを特徴とする航空機用空調システム。
2. 前記第一膨張手段と前記第二膨張手段と前記圧縮手段が同一軸上に連結され、前記第二膨張手段と前記圧縮手段の間の軸上に電動モーターを連結して構成されることを特徴とする請求項１に記載の航空機用空調システム。

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