JP2932060B2 - 航空機用地上空気調和装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、航空機用地上空気
調和装置に関し、特に、膨張タービンを有するととも
に、空気冷却器を重ねて配置して小型化した航空機用地
上空気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機用地上空気調和装置は、冷却又は
加熱した調和空気を、航空機の各種電子装置や客室等に
供給して冷房や暖房を行うもので、例えば、実公昭６０
−３２８３５号公報や特開平７−２０８７７３号公報に
記載されているものなどが知られている。これらの装置
は、牽引車で牽引されるトレーラー上に駆動源，駆動伝
達系統，冷媒系統，送風系統及び制御系統を搭載して構
成されている。そして送風系統は、大気空気を導入して
圧送する圧送機と、圧縮熱を除去するプリクーラーと、
大気導入空気の温度が高い場合にフロン等の冷媒を寒冷
源として冷却するエバポレーターと、大気導入空気の温
度が低い場合の加熱用ヒーター等から構成されている。

【０００３】このような装置における調和空気の温度調
節方法は、導入する大気温度に応じてプリクーラーファ
ンへの冷却風量やプリクーラーで冷媒により送風系統の
空気を冷却することにより、連続的に得られる冷水のプ
リクーラーファンへの吹きかけ量、冷媒系統の負荷及び
ヒーター負荷の調整等により行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般的に冷媒
として使用されるフロンは、地球環境の汚染や温暖化の
観点からその使用が規制されてきており、これに代わる
ものが要望されている。仮にこれに代わるものが得られ
たとしても、上記構成では装置が複雑であり、大型化，
重量増大，牽引性，操作性，運転性，保全性等の問題が
あるばかりでなく、設備費や運転費が嵩むことになる。

【０００５】また、上記の空気調和装置で得られる調和
空気は、その温度での飽和湿度（相対湿度１００％）の
空気であり、使用先で結露する等の不都合がある。

【０００６】そこで本発明は、フロン冷凍機に代わり膨
張タービンを使用し構成を簡単にし、空気冷却器を一体
的に重ねて配置し小型化を図るとともに、調和空気とし
て要求される湿度（相対湿度９５％以下）を維持しつ
つ、任意温度の不飽和調和空気を得ることができる航空
機用地上空気調和装置を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の航空機用地上空気調和装置は、空気を圧縮
して圧送空気を生成する空気圧送機と、圧送空気の圧縮
熱を除去する圧送空気冷却器と、圧送空気をさらに昇圧
して昇圧空気を生成する空気昇圧機と、昇圧空気の昇圧
熱を除去する昇圧空気冷却器と、昇圧空気を断熱膨張さ
せ低温空気を生成させるとともに、その回転力で前記空
気昇圧機を駆動する膨張タービンと、前記低温空気中の
水分を除去する低温空気濾過器と、前記圧送空気冷却器
及び昇圧空気冷却器に冷却風を供給する冷却風ファンと
を有する航空機用地上空気調和装置において、前記空気
圧送機は、その出口温度が前記空気昇圧機の出口温度よ
り高くなるように圧縮比が選定されたものであり、前記
圧送空気冷却器及び昇圧空気冷却器の外周を共通の囲い
板で囲んで共通の冷却風通路を形成するとともに、前記
膨張タービン導入前の空気経路から分岐して前記低温空
気濾過器出口側の低温空気経路に連通する混合空気経路
を設けたことを特徴としている。

【０００８】また、前記昇圧空気冷却器を前記冷却風通
路の前流側に、前記圧送空気冷却器をその後流側に重ね
て配置し、前記冷却風ファンは吸引型とし前記冷却風通
路の出口側に設けたこと、さらに、前記低温空気濾過器
は、ドレントラップ機能と固体分離機能とを併せ持って
いること、さらにまた、前記圧送空気冷却器及び昇圧空
気冷却器は、フィン付きパイプを多段に積み重ねて構成
し、管内に被冷却空気が流れ、管外に形成されたフィン
側を共通の冷却風が流れる構造を有することを特徴とし
ている。

【０００９】さらに、前記混合空気経路に設けられた混
合空気調節弁と、前記低温空気濾過器の出口側空気経路
と該混合空気経路が合流した後の調和空気経路に設けら
れた温度検出器と、該調和空気経路に設けられ、該温度
検出器からの検出温度信号を受けそれに応じて前記混合
空気調節弁の開度を調節するための操作信号を送る温度
調節計とから構成される調和空気の温度湿度調節装置を
備えたことを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面に基いて更
に詳細に説明する。

【００１１】図１に示す航空機用地上空気調和装置は、
必要な量の空気を大気から導入するにあたって塵埃を除
去する空気濾過器１と、空気濾過器１を経て導入された
空気を必要な圧力まで圧縮し、圧送空気を生成する圧送
機２と、圧送機２で発生した圧送空気から圧縮熱を除去
する圧送空気冷却器３と、圧送空気冷却器３で冷却され
て発生した水を圧送空気から除去する圧送空気水分離器
４と、圧送空気水分離器４を導出した圧送空気をさらに
昇圧するための昇圧機５と、昇圧機５で発生した昇圧空
気から昇圧熱を除去する昇圧空気冷却器６と、昇圧空気
冷却器６で冷却されて発生した水を昇圧空気から除去す
る昇圧空気水分離器７と、昇圧空気水分離器７を導出し
た昇圧空気を断熱膨張させ、低温空気を発生させるとと
もにその回転力で昇圧機５を駆動する膨張タービン８
と、膨張タービン８で発生した低温空気に含有する過飽
和の水蒸気，水，氷等を除去する低温空気濾過器９と、
前記圧送機２を導出する圧送空気の一部を、低温空気濾
過器９から導出した低温飽和空気に混合し、調和空気と
して必要な温度，湿度に調節する温度湿度調節装置１０
と、調和空気を空気調和装置から航空機に送出するフレ
キシブルホース１１と、これら機器を接続する経路１
２，１３，１３′，１４，１５，１５′，１６，１７，
１７′と、温度湿度調節装置１０を構成する混合空気調
節弁１８を介して、圧送機２の導出経路１２から圧送空
気の一部を分岐して低温濾過器９の出口経路１７に接続
する混合空気経路１９，１９′とから構成されている。

【００１２】また、前記圧送機２と前記昇圧機５との圧
縮比は、圧送機２の出口温度が昇圧機５の出口温度より
高くなるように選定されている。そして、フィン付きパ
イプを多段に積み重ねて構成された圧送空気冷却器３と
昇圧空気冷却器６とは、これら両冷却器を重ねて配置す
るのに都合が良いように、冷却風流入面が略相似形に形
成されており、その外周を囲い板２２で囲み、囲まれた
冷却風通路２３内に、昇圧機５を導出する比較的温度の
低い昇圧空気を冷却する昇圧空気冷却器６を冷却風通路
２３の前流側に、空気圧送機２を導出する比較的温度の
高い圧送空気を冷却する圧送空気冷却器３を後流側に重
ねて配置している。さらに、冷却風通路２３の出口側に
吸引型の冷却風ファン２４が設けられている。このよう
に構成することにより、冷却風は、冷却風ファン２４の
吸引により冷却風通路２３を昇圧空気冷却器６の前面か
ら入り、後面に導出し、引き続いて圧送空気冷却器３の
前面に入り、後面に導出する。すなわち、冷却風は冷却
風通路２３で両冷却器３，６を横断して流れ（クロスフ
ロー）、この間、冷却風は先ず昇圧空気冷却器６で、比
較的温度の低い昇圧空気を冷却し、次いで圧送空気冷却
器３で比較的に温度の高い圧送空気を冷却するようにな
っている。

【００１３】次に、大気空気の温度を３５℃、相対湿度
を５０％として、最終的に温度１８℃の不飽和調和空気
を得る場合について説明する。

【００１４】空気濾過器１で塵埃を除去された温度３５
℃，相対湿度５０％，量１７００Ｎｍ³ ／ｈの大気空気
は、圧送機２に導入され、圧力１．０ｋｇ／ｃｍ² Ｇ，
温度１２５℃に昇圧，昇温され圧送空気となり、その大
部分は経路１２を通り圧送空気冷却器３で、冷却風ファ
ン２４で吸引される冷却風と熱交換し、５８℃に冷却さ
れ、圧送空気水分離器４に導入される。本形態例の場合
の圧送空気は、冷却されてもまだ飽和状態とならず、圧
送空気水分離器４ではドレンは発生しない。但し、大気
条件や圧力選定条件等によっては経路１３を導出する圧
送空気は、冷却されることにより過飽和状態となる場合
があるので、この過飽和分の水分をドレン水として圧送
空気から分離除去するための、邪魔板式，デミスター
式，サイクロン式等の周知のドレントラップ機能を持っ
た圧送空気水分離器４が設けらている。圧送空気水分離
器４で水が除去され、流路抵抗により圧力が０．９ｋｇ
／ｃｍ² Ｇとなり温度５８℃の圧送空気は、経路１３′
を通り、次いで昇圧機５に導入されて１．９ｋｇ／ｃｍ
² Ｇ，１１０℃に昇圧，昇温されて昇圧空気として導出
し、経路１４を通り昇圧空気冷却器６で、冷却風ファン
２４で吸引され、前記圧送空気冷却器３の冷却風流入面
に導入される前の冷却風と熱交換し、５０℃に冷却され
て昇圧空気水分離器７に導入される。本形態例の場合
は、昇圧空気は冷却されてもまだ飽和状態とならず、昇
圧空気水分離器７ではドレン水は発生しない。但し、前
記圧送空気水分離器４と同様に、昇圧空気も条件次第で
はここで過飽和状態となる場合があるので、過飽和分の
水分をドレン水として除去するための前記ドレントラッ
プ機能を持った昇圧空気水分離器７が設けられている。

【００１５】一方、冷却風ファン２４で吸引され冷却風
通路２３に導入された大気、温度３５℃，１２０００Ｎ
ｍ³ ／ｈの冷却風は、昇圧空気冷却器６の前面側冷却風
流入面から入り、該昇圧空気冷却器３をクロスフローで
流れ、最初に１１０℃の昇圧空気と熱交換してこれを５
０℃に冷却し、自身も４３℃に昇温して昇圧空気冷却器
６の後面側に導出する。そして４３℃に昇温した冷却風
は、次いで圧送空気冷却器３の前面側冷却風流入面から
入り、該圧送空気冷却器３をクロスフローで流れ、１２
５℃の圧送空気と熱交換し、これを５８℃に冷却し、自
身は５２℃に昇温して圧送空気冷却器３の後面側に導出
し、冷却風通路２３の後流側に設置された冷却風ファン
２４を経て大気に導出される。

【００１６】前記のように昇圧，冷却された昇圧空気
は、経路１５′を通り、流路抵抗により圧力１．８ｋｇ
／ｃｍ² Ｇ，温度５０℃で膨張タービン８に導入され、
断熱膨張により降温降圧し、圧力０．３ｋｇ／ｃｍ
² Ｇ，温度１６℃の低温空気となる。この時、断熱膨張
により発生するエネルギーは、前記昇圧機５の動力とし
て消費される。発生した低温空気は、経路１６を通って
導出し、圧送空気水分離器４，昇圧空気水分離器７と同
様のドレントラップ機能と、水分が霜，氷状の固体とな
ったものを分離除去できる固体分離機能を併せ持った低
温空気濾過器９に導入される。導入された低温空気は、
ここでは過飽和低温空気となり過飽和分の水分は、この
場合は、水として低温空気濾過器９でドレントラップ機
能によりドレン水として分離され、低温空気から系外に
除去される。したがって、低温空気濾過器９から配管１
７に導出した低温空気は、圧力０．３ｋｇ／ｃｍ² Ｇ，
温度１６℃の飽和低温空気である。

【００１７】なお、大気条件や各部圧力選定条件によっ
ては、膨張タービン８を導出する低温空気は、零下以下
の温度になる。この場合、低温空気中の過飽和水分は
霜，氷状に析出するので、低温空気濾過器９の固体分離
機能で捕捉除去される。上記低温空気濾過器９は、金
網，合成繊維，ガラス繊維を積層したものや、球状や円
柱状等の充填物を充填したものを用いることができる。
また、ヒーターを組み込み、固体状の霜や氷を融氷する
構造にしたり、切換え式にすることもできる。

【００１８】一方、圧送機２を導出する圧力１．０ｋｇ
／ｃｍ² Ｇ，温度１２５℃の圧送空気の一部は、圧送空
気導出経路１２から分岐し、混合空気経路１９，１
９′，混合空気調節弁１８を通り、低温空気濾過器９の
出口経路１７に導出する低温空気と混合される。

【００１９】温度湿度調節装置１０は、温度検出器２
０、温度調節計２１、混合空気調節弁１８から構成され
ている。温度検出器２０は、低温空気と混合空気を混合
した後の調和空気導出経路１７′に設置され、混合後得
られる調和空気の温度を検出するものである。温度調節
計２１は、調和空気の必要温度を設定値として設定し、
前記温度検出器２０により検出された調和空気の温度信
号２０′を受けて、設定された調和空気の温度になるよ
うに混合空気調節弁１８に操作信号２１′を送るもので
ある。混合空気調節弁１８は、前記温度調節計２１から
の操作信号２１′を受けて弁の開度を調節し、混合空気
の量を調節するものである。

【００２０】本形態例の場合、調和空気の温度は１８℃
であるから、温度調節計２１には設定値として１８℃を
設定する。このように設定されると混合空気調節弁１８
は、調和空気の温度検出器２０で検出した温度信号２
０′を受けた温度調節計２１からの操作信号２１′によ
り開度調節され、混合後の調和空気温度が設定温度の１
８℃になるように、混合空気量を調節する。上記調節に
より、１７００Ｎｍ³ ／ｈの圧送空気の内、１６７０Ｎ
ｍ³ ／ｈは、圧送空気導出経路１２から圧送空気冷却器
３，経路１３，圧送空気水分離器４，経路１３′，昇圧
機５，経路１４，昇圧空気冷却器６，経路１５，昇圧空
気水分離器７，経路１５′を経由して膨張タービン８に
導入され、断熱膨張により減圧降温されて過飽和低温空
気として経路１６を導出し、過飽和分の水分は低温空気
濾過器９でドレン水として系外に除去され、温度１６℃
の低温飽和空気となり経路１７に導出する。一方、残り
の３０Ｎｍ³ ／ｈ，温度１２５℃の圧送空気は、経路１
２から分岐し経路１９，混合空気調節弁１８，経路１
９′を通り混合空気として前記低温空気濾過器９を導出
する低温飽和空気と混合しこれを昇温して、その結果、
温度１８℃，相対湿度約８７％に調温，調湿された不飽
和調和空気が得られる。

【００２１】上記形態例で示した各数値は、本発明を適
用した一例にすぎず、これに限定されるものではない。

【００２２】上記の如く本形態例の場合、冷却風は先ず
昇圧空気を冷却することにより昇温するが、次いで冷却
する圧送空気の温度よりは十分低く冷却源として使用し
得るので、引き続いて圧送空気の冷却に使用される。こ
れにより、圧送空気冷却器３と昇圧空気冷却器６を一体
的に構成することができるとともに、圧送空気と昇圧空
気の温度差を利用して両冷却器３，６の総合的な平均温
度差の低下に対しては、冷却風の量を増大させることに
より対処できるので、これら両空気冷却器３，６を別個
にする場合に比べ、冷却器の設置スペースが小さくな
り、結果として装置の小型化が図れる。

【００２３】

【００２４】なお、上記圧送空気冷却器３と昇圧空気冷
却器６との配置方法は、水平（前後，左右）方向でも、
垂直（上下）方向の何れでも良い。また、両冷却器３，
６の、フィン付きパイプは両ブロックに分けて配置して
も良く、分けずに混然と配置（例えば被冷却空気の温度
勾配順に）しても良い。また、冷却風通路の形状は、冷
却器の配置形状に合わせ、冷却風が横方向から横方向、
下から上に、横方向から上にあるいはこれらの逆方向に
流れるように形成することができる。

【００２５】また、冷却風ファン２４は、冷却風通路２
３の後流側に設置する吸引型が冷却風の均一な流れを得
る点で優れるが、冷却風通路２３の前流側に設置する押
し込み型でも良い。さらに冷却風ファン２４の個数や能
力は、必要な冷却風量や空気冷却器３，６の流路抵抗等
により選定することができる。

【００２６】さらに、上記構成によれば、昇圧空気を膨
張タービンで断熱膨張させ調和空気として必要な温度よ
り低い低温空気を発生させ、過飽和分の水分を除去した
後低温飽和空気として導出し、該低温飽和空気に、膨張
タービン導入前の空気を混合させ昇温することにより、
航空機用地上調和空気として要求される任意温度で不飽
和の調和空気を、容易に生成することができる。

【００２７】そして、いかなる条件下でも膨張タービン
８を通じ、発生した低温飽和空気の温度を、膨張タービ
ン８の導入前の温度の高い空気を混合することにより、
約５℃昇温させれば不飽和（相対湿度９５％以下）の調
和空気が得られる。また、混合空気の取り出し位置は、
圧送機２を導出してから膨張タービン８に導入する前の
空気系統の何れの位置からでも良く、圧送空気水分離器
４の入・出口経路１３，１３′、空気昇圧機出口経路１
４、昇圧空気水分離器７の入，出口経路１５，１５′か
らでもよい。

【００２８】

【発明の効果】本発明の航空機用地上調和空気装置は、
調和空気を得るための寒冷を従来のフロン冷凍機に代
え、空気膨張タービンで発生させるので、環境汚染がな
く、また、構成が簡単で、軽量化，小型化が図れ、牽引
性が良くなるとともに、設備費，運転費，保全費が安価
となる。

【００２９】また、前記圧送機と前記昇圧機との圧縮比
を、圧送機の出口温度が昇圧機５の出口温度より高くな
るように選定し、フィン付き管を、多段に積み重ねて構
成された圧送空気冷却器と、昇圧空気冷却器とを、管内
空気の温度の低い昇圧空気冷却器を冷却風ファンで供給
される冷却風に対し前流側に、温度の高い圧送空気冷却
器を後流側に重ねて配置し、圧送空気と昇圧空気との温
度差を利用し、同じ冷却風で冷却できるようにして一体
化したので、一層の小型化が図れる。装置を小型化、特
に高さを低くすることにより、比較的小型の航空機の整
備に利用する場合でも、翼の下にまで調和空気装置を近
接することが可能となり、操業性が一段と向上される。

【００３０】さらに、膨張タービンから導出する低温空
気から過飽和水分を除去する低温空気濾過器と、混合空
気経路に設けられた混合空気調節弁、該混合空気経路と
前記低温空気濾過器から低温飽和空気を導出する低温空
気経路とが合流した後の調和空気経路に設けられた温度
検出器、該調和空気経路に設けられ、該温度検出器から
の検出温度信号を受けそれに応じて前記混合空気調節弁
の開度を調節するための操作信号を送る温度調節計から
構成される調和空気の温度湿度調節装置と、を設けたの
で、調和空気として必要な湿度（相対湿度９５％以下）
を維持しつつ、任意温度の不飽和調和空気を容易に得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の航空機用地上空気調和装置の一形態
例を示す系統図である。

【符号の説明】

２…圧送機、３…圧送空気冷却器、５…昇圧機、６…昇
圧空気冷却器、８…膨張タービン、９…低温空気濾過
器、１０…温度湿度調節装置、１８…混合空気調節弁、
２０…温度検出器、２１…温度調節計、２３…冷却風通
路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤坂 亮 神奈川県川崎市川崎区小島町６−２ 日 本酸素株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−97852（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−138658（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−131242（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−53121（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−190763（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 9/00 301

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を圧縮して圧送空気を生成する空気
   圧送機と、圧送空気の圧縮熱を除去する圧送空気冷却器
   と、圧送空気をさらに昇圧して昇圧空気を生成する空気
   昇圧機と、昇圧空気の昇圧熱を除去する昇圧空気冷却器
   と、昇圧空気を断熱膨張させ低温空気を生成させるとと
   もに、その回転力で前記空気昇圧機を駆動する膨張ター
   ビンと、前記低温空気中の水分を除去する低温空気濾過
   器と、前記圧送空気冷却器及び昇圧空気冷却器に冷却風
   を供給する冷却風ファンとを有する航空機用地上空気調
   和装置において、前記空気圧送機は、その出口温度が前
   記空気昇圧機の出口温度より高くなるように圧縮比が選
   定されたものであり、前記圧送空気冷却器及び昇圧空気
   冷却器の外周を共通の囲い板で囲んで共通の冷却風通路
   を形成するとともに、前記膨張タービン導入前の空気経
   路から分岐して前記低温空気濾過器出口側の低温空気経
   路に連通する混合空気経路を設けたことを特徴とする航
   空機用地上空気調和装置。
2. 【請求項２】 前記昇圧空気冷却器を前記冷却風通路の
   前流側に、前記圧送空気冷却器をその後流側に重ねて配
   置し、前記冷却風ファンは吸引型とし前記冷却風通路の
   出口側に設けたことを特徴とする請求項１記載の航空機
   用地上空気調和装置。
3. 【請求項３】 前記低温空気濾過器は、ドレントラップ
   機能と固体分離機能とを併せ持った請求項１記載の航空
   機用地上空気調和装置。
4. 【請求項４】 前記圧送空気冷却器及び昇圧空気冷却器
   は、フィン付きパイプを多段に積み重ねて構成し、管内
   に被冷却空気が流れ、管外に形成されたフィン側を冷却
   風が流れる構造を有することを特徴とする請求項１記載
   の航空機用地上空気調和装置。
5. 【請求項５】 前記混合空気経路に設けられた混合空気
   調節弁と、前記低温空気濾過器の出口側空気経路と該混
   合空気経路が合流した後の調和空気経路に設けられた温
   度検出器と、該調和空気経路に設けられ、該温度検出器
   からの検出温度信号を受けそれに応じて前記混合空気調
   節弁の開度を調節するための操作信号を送る温度調節計
   とから構成される調和空気の温度湿度調節装置を備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の航
   空機用地上空気調和装置。