JP2024507255A - 航空機用自立式蒸気サイクル冷凍システム - Google Patents

Abstract

航空機用の蒸気サイクル冷凍システム（１００）は、圧縮機（１０）と、凝縮器ラジエータ（２２）、凝縮器ファン（２４）、凝縮器ファン（２４）によって生成された空気の流れを凝縮器ラジエータ（２２）に導くように構成されている凝縮器エアダクト（２６）を有する凝縮器ユニット（２０）と、膨張機（３０）と、蒸発器ラジエータ（４２）、蒸発器ファン（４４）、蒸発器ファン（４４）によって生成された空気の流れを蒸発器ラジエータ（４２）に導くように構成されている蒸発器エアダクト（４６）を有する蒸発器ユニット（４０）と、圧縮機（１０）、凝縮器ラジエータ（２２）、膨張機（３０）、蒸発器ラジエータ（４２）を、冷媒用の閉回路内で接続している配管システム（５０）と、を備え、圧縮機（１０）、凝縮器ラジエータ（２２）、凝縮器ファン（２４）、膨張機（３０）、蒸発器ラジエータ（４２）、蒸発器ファン（４４）、配管システム（５０）のそれぞれは、システム（１００）が自立する態様で、凝縮器エアダクト（２６）と蒸発器エアダクト（４６）の少なくとも一つによって、好ましくは凝縮器エアダクト（２６）によって、直接的又は間接的に、完全に支持されている。【選択図】図３

Description

発明の詳細な説明

蒸気サイクル冷凍は、多くの航空機において、客室空気の空調のために用いられている。

特に、本発明は、航空機用の蒸気サイクル冷凍システム、略してＶＣＲシステムに関するものであり、システムは、圧縮機と、凝縮器ラジエータ、凝縮器ファン、凝縮器ファンによって生成された空気の流れを凝縮器ラジエータに導くように構成されている凝縮器エアダクトを有する凝縮器ユニットと、膨張機と、蒸発器ラジエータ、蒸発器ファン、蒸発器ファンによって生成された空気の流れを蒸発器ラジエータに導くように構成されている蒸発器エアダクトを有する蒸発器ユニットと、圧縮機、凝縮器ラジエータ、膨張機、蒸発器ラジエータを冷媒用の閉回路において接続している配管システムと、を備える。

従来のＶＣＲシステムでは、上に列挙したさまざまなシステムの構成要素は、金属管で作られた別個のフレームに配置されて支持され、そして、フレームが航空機に固定されている。代替案としては、構成要素を支持する板金ボックスを使用することが知られている。

このような背景に対して、本発明は、システムの重量を減らすことを目的とするものである。その結果、燃料消費量が減少すると共に飛行範囲が増加するであろうし、あるいはシステムを用いる航空機のペイロードが増加するであろう。

この目的は、システムが自立する態様で、圧縮機、凝縮器ラジエータ、凝縮器ファン、膨張機、蒸発器ラジエータ、蒸発器ファン、配管システムのそれぞれが、凝縮器エアダクトと蒸発器エアダクトの少なくとも一つによって、直接的又は間接的に、完全に支持されるようにＶＣＲシステムを設計することによって解決される。

本発明の解決策は、構造部品の材料量を削減することと、高性能化合物にとって好ましい条件を提供する構成要素トポロジーにより、大幅な重量を節約する。特に、必要なシステムの構成要素が、従来のフレーム又はボックスの支持機能を追加的に担う基部構成要素として用いられるため、別個のフレーム又はボックスを省略することができる。

本質的には、従来のＶＣＲシステムから本発明の解決策への移行は、チューブラーフレームからカーボンファイバー複合材モノコックへの、フォーミュラ１の変化に匹敵する。

当然ながら、ＶＣＲシステムは、追加の構成要素を備え得る。特に、凝縮器ラジエータと膨張機との間に設けられるレシーバドライヤである。この場合、追加の各構成要素も、システムが自立する態様で、凝縮器エアダクトと蒸発器エアダクトの少なくとも一つによって、直接的又は間接的に、完全に支持される。

いくつかの実施形態では、膨張機は膨張弁、特に熱膨張弁を備え得る。しかし、他の実施形態では、膨張タービンも使用し得る。

特に、凝縮器ラジエータと凝縮器ファンを接続する凝縮器エアダクトは、十分な量の空気を運ぶために必要な広い表面を有するため、相当量の材料を追加する必要性がなく、他の構成要素を取り付けることのできる基部構成要素として用いるのに、特に適している。

各基部構成要素に取り付けられた構成要素は、他の部品を取り付けるための補助的構造要素として用いてもよく、それにより、他の部品は、基部構成要素によって間接的に支持されることになる。

特定の実施形態によれば、圧縮機、凝縮器ラジエータ、凝縮器ファン、膨張機、蒸発器ラジエータ、蒸発器ファンのそれぞれは、凝縮器エアダクト又は蒸発器エアダクトのいずれかによって完全に支持されており、そのため、システムは２つの自立式モジュールに分離可能である。

このように、凝縮器エアダクトによって支持されるモジュールと、蒸発器エアダクトによって支持されるモジュールは事前に組み立て可能であり、その後、２つのモジュールの異なる構成要素の間で配管システムの要素を接続することにより、結合し得る。

異なるファンの回転速度などのシステムのパラメータ、及び／又は、圧縮機及び／又は膨張機のパラメータを制御するように構成されるコントローラは、凝縮器エアダクト又は蒸発器エアダクトの外表面に取り付けて、完全に支持することができる。

特に、コントローラのヒートシンク構造、例えば加熱フィンの配列が、コントローラを支持するエアダクト、例えば凝縮器エアダクトの内部に突出するように、コントローラを配置し得る。このようにして、コントローラの電子的構成要素も、各エアダクトを流れる空気によって冷却し得る。

あるいは、コントローラを、冷媒又は追加の空気流によって冷却し得る。

システムの他の構成要素を取り付けるために、凝縮器エアダクト及び／又は蒸発器エアダクトは、それぞれ、取り付け突起の個別の配列を備え得るものであり、好ましくは、取り付け突起は対応するエアダクトと一体成型される。特に、これら取り付け突起は、エンボス又は取り付けアイレット（小穴）として成型し得る。

特に、蒸発器ユニット又は少なくとも蒸発器ラジエータは、コンソール及び／又は支柱を用いて、凝縮器エアダクトに支持し得る。

好ましくは、凝縮器エアダクト及び／又は蒸発器エアダクトは、炭素繊維強化ポリマー又はガラス繊維強化ポリマーなどの繊維複合材料から作られる。

特定の実施形態によれば、蒸発器エアダクトは、蒸発器ラジエータの上流に、２つの別々の空気入口と、混合チャンバとを備え得る。客室からの再循環空気と、航空機外部からの新鮮な空気を、別々の空気入口を介して混合チャンバに誘導することができ、それにより、蒸発器ユニットの出口における冷却された客室空気が十分に新鮮な空気と、多過ぎないＣＯ_２を含むことを確実にする。

別の実施形態によれば、混合チャンバはＶＣＲシステムとは別に設けて、蒸発器ユニットに接続することができる。

相当量の空気を搬送するには、エアダクトが大きな断面を有する必要があり、よって体積も必要であることから、エアダクトは、構成要素の集合体の骨格として用いるには十分である。

いくつかの実施形態によれば、凝縮器ラジエータの断面は凝縮器ファンの断面と異なっており、特に凝縮器ファンの断面より大きいため、凝縮器ラジエータを凝縮器エアダクトに接続する凝縮器エアダクトはテーパ状であり、結果として生じる傾斜面部を有する。この文脈での傾斜とは、具体的には、凝縮器ファンの中心軸に対して傾斜していることを意味する。

圧縮機を凝縮器エアダクトのこの傾斜面部で支持し、凝縮器ユニットと蒸発器ユニットとの間に圧縮機を配置することによって、さまざまな構成要素をコンパクトに配置することが可能になる。

最後に、上述したような本発明の蒸気サイクル冷凍システムを備える航空機であって、蒸気サイクル冷凍システムの全ての構成要素が、凝縮器エアダクト及び蒸発器エアダクトの少なくとも一つを介して航空機に支持される態様で、蒸気サイクル冷凍システムが航空機に固定されている航空機についても、保護が請求される。

以下に、添付図面に示される例示的な実施形態を用いて本発明を説明する。
図１は、蒸気サイクル冷凍の原理を模式的に示すものである。 図２は、本発明の実施形態のＶＣＲシステムの斜視図である。 図２における発明の対象の別の斜視図である。 図２における発明の対象の左側面図である。 図２における発明の対象の右側面図である。

図１に概略的に示されるような蒸気サイクル冷凍の原理は、従来のシステムと本発明のシステムの両方に適用される。

図１に示されるような蒸気サイクル冷凍システム１００は閉ループシステムであり、少なくとも圧縮機１０、凝縮器ユニット２０、膨張機３０、蒸発器ユニット４０を備える。上に列挙した要素は、図１において矢印線で示される配管システム５０によって互いに接続されており、矢印は、冷媒の循環方向を示している。

例としてテトラフルオロエタンのような冷媒を液状にしたものは、蒸発器ユニット４０において、又はより正確には、その蒸発器ラジエータにおいて蒸発する。この相転移に必要なエネルギーは、蒸発器ラジエータコイルの外表面沿いに導かれる客室空気から、熱の形で抽出される。このようにして、空気は冷却され、客室に供給される。

次に、結果として生じた冷媒ガスの圧力及び温度は、圧縮機１０によって上昇させられる。その後、ガス状の冷媒は、外気によって冷却される凝縮器ユニット２０の凝縮器ラジエータにおいて凝縮する。

結果として生じた液冷媒は、凝縮器ユニット２０を出て、膨張機３０、特に熱膨張弁に入る。そこで液体の圧力が下げられた後、蒸発器ユニット４０に再び入り、サイクルが再び始まる。

システムのさまざまな構成要素、特に圧縮機とラジエータはかなり重い。したがって、従来のシステムでは、個々の構成要素は別個のフレーム上又は別個のボックス内に配置され、それから、構成要素を支持するフレーム又はボックスは航空機に固定される。

大幅な重量削減を可能にする本発明の実施形態のＶＣＲシステム１００は、図２から図５に示されている。図１の概略的に示されたシステムの特徴と同一又はそれに対応する実施形態の特徴は、同じ参照符号で指定されている。

明確性のため、特に同一の特徴がいくつかある場合、各図において、参照符号が実施形態の特徴の各々に付されているわけではない。

図２から図５に示される実施形態では、ＶＣＲシステム１００の全ての構成要素が、凝縮器ユニット２０の凝縮器エアダクト２６に直接的又は間接的に支持されている。

この実施形態では、凝縮器エアダクト２６は、例えば繊維強化複合材料から作られる略漏斗形状の中空要素である。凝縮器エアダクト２６は、凝縮器ラジエータ２２と凝縮器ファン２４とを接続して、凝縮器ファン２４によって生成され、方向Ｐ１に沿って凝縮器ユニット２０に入る空気流が、凝縮器ラジエータ２２の内部冷却コイルの外表面（図示せず）に沿って凝縮器ラジエータ２２を貫流し、凝縮器エアダクト２６を通過し、図３に示す方向Ｐ２に沿って凝縮器出口２９から出るようにする。

凝縮器エアダクト２６の断面は、凝縮器ラジエータ２２に接続されている第１端部２６ｅ１（図４参照）から、凝縮器ファン２４に接続されている第２端部２６ｅ２に向かってテーパ状になり、一方、その断面形状は長方形から円形へと滑らかに変化する。

凝縮器ラジエータ２２と凝縮器ファン２４は、任意の適切な方法、例えばボルト留め（図示しない）で、凝縮器エアダクト２６に固定し得る。

３つの取り付けアイレット２５は、凝縮器エアダクト２６の外表面から突出し、好ましくは凝縮器エアダクト２６と一体成型される。２つのアイレットは、凝縮器ラジエータ２２近くの、凝縮器エアダクト２６の反対側の側壁部分２６ｓ（図２参照）に設けられ、１つのアイレットは、凝縮器ファン２４近くの上壁部分２６ｔに設けられている。

これらの取り付けアイレット２５は、ＶＣＲシステム１００を航空機（図示せず）に固定するために用いられる。アイレットの形状、位置、向き、数は、通常、システムの航空機に対する適合の一部である。

他の構成要素を取り付けるために、凝縮器エアダクト２６は、取り付け突起２７のいくつかの配列を備え得る。

特に、本実施形態において、隆起したエンボス加工２７ｅの形状をした４つの取り付け突起２７であって、特に雌ねじを備えたものが、圧縮機１０を固定及び支持するために、凝縮器エアダクト２６の傾斜上面部２６ｉ（図４参照）上にあって、凝縮器エアダクト２６と一体成型される。

２つの同様の突起２７が、ＶＣＲシステム１００のいくつかのパラメータの制御に用いられるコントローラ６０を取り付けるために、凝縮器エアダクト２６の側壁部分２６ｓに設けられている。

ヒートシンク構造、例えば加熱フィン（図示せず）の配列が、凝縮器エアダクト２６の側壁の開口部（図示せず）を通って突き出ていることにより、コントローラ６０の電子的構成要素も、凝縮器エアダクト２６を流れる空気によって冷却し得る。

最後に、凝縮器エアダクト２６は、蒸発器ユニット４０を支持するために、２つの取り付け突起２７を備え得るものであり、図４ではそのうちの一つだけが見えている。２つの取り付け突起２７は、図４の描画面に垂直な横方向において互いに間隔を置いて配置され、上述した取り付けアイレット２５と同様な三角アイレット２７ｔの形状を有している。

凝縮器ラジエータ２２は、凝縮器エアダクト２６の第１端部２６ｅ１に固定され、凝縮器ラジエータ２２の側壁２２ｓの上下端に設けられた、冷媒用の入口２２ｉと出口２２ｏを備える。

凝縮器ラジエータの入口２２ｉは、パイプ５１を介して圧縮機１０の出口１０ｏに接続されている。パイプ５１は、凝縮器エアダクト２６の傾斜上壁部２６ｉと蒸発器ユニット４０の底壁４０ｂとの間の空間に、少なくとも部分的に延びており、図４と図５において最もよく見える。

凝縮器ラジエータの出口２２ｏは、パイプ５２を介して膨張機３０の入口３０ｉに接続されている。パイプ５２は、まず凝縮器エアダクト２６の側壁部分２６ｓに沿って、次に蒸発器ラジエータ４２の側壁部分４２ｓに沿って上方へと延びている。

膨張機３０は、好ましくは熱膨張弁を備えるものであり、蒸発器ラジエータ４２の側壁部分４２ｓに固定され、蒸発器ラジエータ４２の冷却コイル（図示せず）に内部接続されている。

蒸発器ユニット４０は、底壁４０ｂに設けられている三角形のアイレット４７ｔの形状をした２つの取り付け突起４７を用いて、凝縮器エアダクト２６の傾斜上面部２６ｉに取り付けられる。２つの取り付け突起４７は、凝縮器エアダクト２６の対応する取り付け突起２７に、締結具８１を介して固定される（図４参照）。

また、蒸発器ユニット４０は、膨張機３０が取り付けられる側壁とは反対側の蒸発器ラジエータ４２の側壁４２ｓの上端部と、凝縮器ラジエータ２２近傍の凝縮器エアダクト２６の上部側壁部分とを連結する斜めの支柱８２を用いて、凝縮器エアダクト２６に支持されている。斜めの支柱８２は、締結具８１（図４参照）によって画定される軸の周りで、蒸発器ユニット４０が旋回するのを防止し、それにより凝縮器ユニット２０に対する蒸発器ユニット４０の向きを固定する。

蒸発器エアダクト４６は、蒸発器ラジエータ４２の上流に配置された第１部分４６．１と、蒸発器ラジエータ４２の下流に配置され、蒸発器ラジエータ４２を蒸発器ファン４４に接続する第２部分４６．２とを備える。蒸発器エアダクト４６の第１部分４６．１、蒸発器ラジエータ４２、蒸発器エアダクト４６の第２部分４６．２、蒸発器ファン４４は、任意の適切な手段、例えば、ボルト留め（図示せず）によって互いに固定され得る。

蒸発器エアダクト４６の第１部分４６．１は、２つの円形の空気入口４３及び４５を有する混合チャンバ４１を備えており、空気入口４３及び４５は、混合チャンバ４１の反対側の側壁部分に設けられている。空気入口のうちの一つ、特に大入口４３は、温かい、再循環した客室空気を方向Ｐ３に沿って混合チャンバ４１内に誘導するために用いることができ、もう一つの入口、特に小入口４５は、航空機外部からの新鮮な空気を方向Ｐ４に沿って混合チャンバ４１内に誘導するために用いることができる。

結果として生じる混合空気が、蒸発器ラジエータ４２の内部コイル（図示せず）の外表面に沿って誘導され、コイル内を流れる液体冷媒を蒸発させるために使用されるとき、当該混合空気から熱が除去される。結果として生じる冷却された空気は、蒸発器ファン４４によって、蒸発器エアダクト４６の、ボトルネック形状をした第２部分４６．２を通って吸い込まれ、方向Ｐ５に沿って、蒸発器ユニット４２から出て行く。

本実施形態において、冷媒は、蒸発器ラジエータ４２で蒸発させられた後、出口３０ｏを経由して蒸発器ユニット４０から出て行く。出口３０ｏは、膨張機３０に設けることができ、管５４によって圧縮機１０の入口１０ｉに接続される。蒸発器ラジエータ４２の出口と膨張機３０の出口３０ｏとの間の内部接続は、図面には見えない。

圧縮機１０は、従来型の球面円柱形状を有し、４つの脚部１１を備える。４つの脚部１１は、凝縮器エアダクト２６の傾斜上部２６ｉ上に設けられる４つの取り付け突起２７に、適切な締結具１２で固定されている。圧縮機１０は、電力及び／又はデータ用のコネクタ１３を備え得る。

配管システム５０は、上述の管５１、５２、及び５４を備えており、適切な吸振器（図示せず）を備え得る。

好ましくは繊維強化複合材料から作られる凝縮器エアダクト２６は、軽量でありながら構造的に安定しており、システム１００の他の構成要素すべてを支持するのに十分な大きさであるため、別個のフレーム又はボックスを省略することができる。結果として生じる自立式ＶＣＲシステム１００は、さまざまな構成要素を支持する別個のフレーム又はボックスを持つ従来のシステムと比較してコンパクトであり、重量が大幅に軽減されている。

Claims (10)

1. 航空機用の蒸気サイクル冷凍システム（１００）であって、前記システムは、
   圧縮機（１０）と、
   凝縮器ラジエータ（２２）、凝縮器ファン（２４）、前記凝縮器ファン（２４）によって生成された空気の流れを前記凝縮器ラジエータ（２２）に導くように構成されている凝縮器エアダクト（２６）を有する凝縮器ユニット（２０）と、
   膨張機（３０）と、
   蒸発器ラジエータ（４２）、蒸発器ファン（４４）、前記蒸発器ファン（４４）によって生成された空気の流れを前記蒸発器ラジエータ（４２）に導くように構成されている蒸発器エアダクト（４６）を有する蒸発器ユニット（４０）と、
   前記圧縮機（１０）、前記凝縮器ラジエータ（２２）、前記膨張機（３０）、前記蒸発器ラジエータ（４２）を、冷媒用の閉回路内で接続している配管システム（５０）と、
   を備え、
   前記圧縮機（１０）、前記凝縮器ラジエータ（２２）、前記凝縮器ファン（２４）、前記膨張機（３０）、前記蒸発器ラジエータ（４２）、前記蒸発器ファン（４４）、前記配管システム（５０）のそれぞれが、前記システム（１００）が自立する態様で、前記凝縮器エアダクト（２６）と前記蒸発器エアダクト（４６）の少なくとも一つによって、好ましくは前記凝縮器エアダクト（２６）によって、直接的又は間接的に、完全に支持されていることを特徴とする、システム。
2. 前記圧縮機（１０）、前記凝縮器ラジエータ（２２）、前記凝縮器ファン（２４）、前記膨張機（３０）、前記蒸発器ラジエータ（４２）、前記蒸発器ファン（４４）のそれぞれは、前記凝縮器エアダクト（２６）又は前記蒸発器エアダクト（４６）のいずれかによって完全に支持されており、それにより、前記システム（１００）は２つの自立式モジュールに分離可能である、請求項１に記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）。
3. 前記凝縮器エアダクト（２６）の外表面又は前記蒸発器エアダクト（４６）の外表面に取り付けられ、完全に支持されているコントローラ（６０）をさらに備える、請求項１又は２に記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）。
4. 前記コントローラ（６０）のヒートシンク構造は、前記コントローラ（６０）を支持する前記エアダクトの内部、特に、前記凝縮器エアダクト（２６）の内部に突出している、請求項３に記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）。
5. 前記凝縮器エアダクト（２６）及び／又は前記蒸発器エアダクト（４６）は、前記システムの他の構成要素を取り付けるために、取り付け突起の配列（２７、４７）を備え、好ましくは、前記取り付け突起は前記対応するエアダクトと一体成型される、先行する請求項のいずれかに記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）。
6. 前記蒸発器ユニット（４０）は、コンソール及び／又は支柱（８２）を用いて、前記凝縮器エアダクト（２６）に支持されている、先行する請求項のいずれかに記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）。
7. 前記凝縮器エアダクト（２６）及び／又は前記蒸発器エアダクト（４６）は、繊維複合材料から作られている、先行する請求項のいずれかに記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）。
8. 前記蒸発器エアダクト（４６）は、前記蒸発器ラジエータ（４２）の上流に、２つの異なる空気入口（４３、４５）と混合チャンバ（４１）を備える、先行する請求項のいずれかに記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）。
9. 前記圧縮機（１０）は、前記凝縮器エアダクト（２６）の傾斜面部（２６ｉ）に支持され、前記凝縮器ユニット（２０）と前記蒸発器ユニット（４０）との間に配置されている、先行する請求項のいずれかに記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）。
10. 先行する請求項のいずれかに記載の蒸気サイクル冷凍システム（１００）を備える航空機であって、前記蒸気サイクル冷凍システムの全ての構成要素が、前記凝縮器エアダクト（２６）と前記蒸発器エアダクト（４６）の少なくとも一つによって前記航空機に支持されるように、前記蒸気サイクル冷凍システム（１００）が前記航空機に固定されている、航空機。

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