JP3837166B2 - 一体型バイパス弁及び空気循環機械 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、空気調節冷却パック及び空気循環機械（ＡＣＭ）に関し、より詳しくは、ＡＣＭ構成要素の出力における温度及び／又は圧力を制御するための、タービン及び圧縮機などのＡＣＭの構成要素の周りの空気をバイパスするために用いられるＡＣＭの構成要素であるバイパス弁に関する。
【０００２】
背景技術
空気循環機械は、通常、人が占有した空間の及び／又は車両の室内の空気を調節するために用いられる。通常の空気循環機械は、出力及び入力を備えた少なくとも一つの圧縮機部分と、ファンと、圧縮機部分からの圧縮空気を受け取り、その圧縮空気を膨張させて冷却し、圧縮部分及びファンを駆動するためのエネルギーを抽出することに加えて、室内に冷却された調節された空気を提供するための少なくとも一つのタービン部分とを有する。空気循環機械が通常の動作をしているとき、低い圧力の空気が圧縮機の入り口に入り、圧縮機によって圧縮され、次に、圧縮機の出力を通して高い圧力で排気され、この圧縮された空気がタービンへ送られる。
【０００３】
循環サイクルのこの点における圧縮された空気の温度によって、タービンの出力での空気の温度を調節する必要が生ずることがある。このようなシナリオにおいて、空気は、圧縮機の出力から取り出され、タービン内のバイパス拡張部へ送られ、次に、拡張されずにタービンの出力へ送られて、このタービンの出力において冷却されたタービンによって処理された空気と混合される。現在のタービンバイパスシステムは、図１Ａ及び図１Ｂに例示された外側に取り付けられた空気通路を含むものであり、このタービンバイパスシステムは従来の技術に基づくものである。
【０００４】
図１Ａは、通暁の半径方向のタービンバイパスシステムが例示されていて、このバイパスシステムは外側に配置されていて、コンプレサの出口からタービンの出口２へ、タービンを通さずに（タービンをバイパスして）空気を流すためのダクト１と、入力ダクトをタービンのハウジング５へ接続するためのフレックスカップリング３とＶバンドカップリング４とを有する。図１Ｂは、軸線方向のタービンバイパスを備えたＡＣＭに用いられる同様のシステムを表している。
【０００５】
図１Ｃは、通常の圧縮機のバイパスであって、このバイパスは、一次出力ダクトプルアウト１’と、Ｖバンドカップリング２’と、バイパスダクト３’と、フレックスカップリング４’と、二次入力プルアウトダクト５’とを含み、これらは全てＡＣＭのハウジング６’の外側に取り付けられている。
【０００６】
図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃからわかるように、現在のバイパス技術はＡＣＭハウジングの主要な部分によって占有される有効な体積に対してその他の外部の空間を必要とするものである。即ち、現在のバイパスシステムに必要とされる構成要素の体積を原因として、このバイパスシステムを収容するために必要な体積が、バイパスシステムを除いた空気循環機械の主ハウジングの実際の体積を上回ることになる。従って、航空機及びその他の空間などの、及び重量の制約の厳しい車両などの、空間及び重量が最小化されなければならない状況に於いて、図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃに例示されたような構成要素としてのバイパスシステムを備えたＡＣＭを用いることはとりわけ好ましくないものである。
【０００７】
従来の技術では、ＡＣＭハウジングの外側に実際のバイパスループが配置されるようなバイパス装置を用いているので、システム全体によって占有される空間の体積がかなり増加していた。このような装置は、Ｗａｒｎｅｒに付与された米国特許第４，０８６，６３３号明細書に例示されており、この米国特許明細書は、タービン２４をバイパスするように新鮮な空気が流れるようにするためにバイパス弁７２を用いた環境調節コンベンスシステムを開示している。また、Ｗａｒｎｅｒに付与された米国特許第４，４３０，８６７号には、圧縮機５３から、圧縮機の入力の空気の一部をバイパスするために弁１２５を用いた空気循環冷凍システムが開示されている。また、Ｒｅｎｎｉｎｇｅｒに付与された米国特許第５，０５６，３３５号明細書は、圧縮機を出た後に、タービンの入口を空気の一部がバイパスし、直接第１のタービンの出口へ流れるようにするためにバイパスループ５５を備えた付加的な冷凍空気システムを開示している。外付けの様々なバイパスループを用いたその他の米国特許には、米国特許第４，９６３，１７４号、米国特許第４，３３４，４１１号、米国特許第４，５５０，５７３号、米国特許第４，３７４，４６９号、及び米国特許第３，６９９，７７７号がある。
【０００８】
他のタービンバイパスシステムが、Ｆｏｒｔｍａｎｎに付与された米国特許第４，４４５，８１５号に開示されており、このタービンバイパスシステムは、空気循環冷凍システムの温度調整を目的とするものである。このシステムは、短距離巡航ミサイルのエビオニクスシステムを冷却するのに用いるために特に設計されたものである。このシステムでは、タービンの排気口の冷却された空気と混合するようにタービンの周囲の空気をバイパスさせ、エビオニクスシステムを冷却するための所定の温度の空気をタービンの排気口において得る。バイメタルの温度調節弁がバイパスラインに於いて用いられていて、温度を検出しこの検出された冷却されるべき装置の入口での温度に応じてこの弁のバイメタル素子は、エビオニクスシステムに入る入力空気の温度の変化に反応してたわむ。即ち、バイメタル素子のたわみが、弁の半径及び円周の長さを制御し、これによって、タービンをバイパスしてバイパスされた空気を排気された空気と混合してタービンの温度を制御するために、選択的にバイパスポートを開閉する。この特許の装置は、タービン部分のハウジングと一体的に形成されており、従って、保守、除去、交換、その他のアクセスを必要とするような理由によってアクセスすることが容易ではない。即ち、このシステムは、全体として非常に短い寿命を期待された巡航ミサイルに用いられるという短期間の使用を目的としているので、この装置は、アクセスするため、除去するため、及び／もしくは修理するための手段を備えていない。更に、装置のバイメタル素子を原因として、バイパスのオプションは少なく、且つ、ほとんど融通性がないので、システム全体の制御を非常に困難なものとしている。このシステムは、旅客機などの機体で長期間のフライトに於いて生ずる異なるフライト条件の下で有効に用いられるための十分な変更可能性を備えたものとは言えない。
【０００９】
欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０ １７４ ７２８において、独立請求項１の２つの部分が依拠する空気循環冷却システムが開示されている。この欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０ １７４ ７２８では、再生可能な熱交換器が再生可能な熱交換器と膨張タービンとを取り囲む拡張された外装内に配置されている。タービンバイパス弁もまたタービンから隔てられた熱交換器の端部において拡張された外装内に配置されていて、このシステムの入口の空気の一部を直接システムの出口へ送り、タービン及び熱交換器をバイパスさせている。
【００１０】
従って、アクセス可能性、様々な状況変化に対する応答性、及び冷却装置の占有する体積の最小化に関して十分な融通性を備えたバイパスシステムを提供するような、航空機などに適応できる空気循環機械に用いるための実質的にＡＣＭの内部に配置されたＡＣＭコンポーネントのバイパスシステムが必要とされている。
【００１１】
発明の開示
本発明の目的は、上述された問題点を解決するための、コンポーネントバイパスシステムを備えた空気循環機械を提供することである。
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明に基づけば、占有された空間内で用いるための空気調節システムであって、空気圧縮機と、空気供給入口と、圧縮空気出口とを備えた圧縮機システムと、タービンと、タービン入口と、タービン出口とを備えたタービンシステムであって、圧縮された空気が前記圧縮空気出口から前記タービン入り口へ送られて前記占有された空間へ調節された空気を供給し且つ前記圧縮機を駆動するために前記空気が膨張され且つ冷却される、前記タービンシステムと、第１の内部空間を画定する圧縮機ハウジング部分と、第２の内部空間を画定するタービンハウジング部分とを備えたハウジングと、前記タービンシステムと前記圧縮機システムとの少なくとも一方の空気の流れをバイパスするために用いられる少なくとも１つのバイパス弁手段とを有し、前記バイパス弁手段が、前記タービンハウジング部分と前記圧縮機ハウジング部分との少なくとも一方に整合するための手段と、前記タービン入り口と前記空気供給源入り口との少なくとも一方に隣接して配置された空気入力開口部と、前記タービン出口と前記圧縮空気出口との少なくとも一方に隣接して配置された空気出力開口部と、前記タービン及び前記圧縮機の少なくとも一方をバイパスするために、前記空気入力開口部から前記空気出力開口部への空気の流れを許可して、前記タービン出口と前記圧縮機出口との少なくとも一方における空気の温度及び圧力の少なくとも一方を制御するための弁部分手段とを有し、前記弁部分手段が、前記第１の内部空間と前記第２の内部空間との少なくとも一方のなかに実質的にその全体が配置されており、前記少なくとも１つのバイパス弁手段が、前記圧縮機ハウジング部分と前記タービンハウジング部分との少なくとも一方に取り外し可能に接続されている、空気調節システムが提供される。
【００１３】
発明を実施するための最良の形態
図面を詳しく参照すると、図２には、参照符号１２が付された半径方向のタービンバイパス弁と、参照符号１４が付された軸線方向のタービンバイパス弁とを含む空気循環機械（ＡＣＭ）１０の斜視図が描かれている。空気循環機械１０の構成要素には、圧縮機システム１６と、第１ステージのタービンシステム１８と、第２ステージのタービンシステム２０と、空気循環機械のハウジング２２とからなる形態の空気調節部材を含む。圧縮機システム１６が以下に詳しく説明される。第１ステージのタービンシステム１８は、第１のタービン入口２８と第１のバイパスポート３０とを含む。第２ステージのタービンシステム２０は、第２のタービン入口３２と第２のタービンバイパスポート３４とを含む。ハウジング２２は、圧縮機部分のハウジング３６と、第１ステージのタービン部分のハウジング３８と、第２ステージのタービン部分のハウジング４０とを含み、各ハウジングが内側の空間を画定している。
【００１４】
図２Ａには、半径方向の弁１２が、弁を受容するバイパスポート３０（図２参照）に取り付けられ、第１ステージのタービン入口２８内の入口プレナム４２に隣接して配置された様子が描かれている。これにより、入口２８からの空気の流れをバイパスさせて直接出口プレナム４４へ向かわせる。第１ステージのタービンハウジングの部分３８（図２参照）は、部分３８の外側の環状チャネル４５を含み、このチャネルは入口２８とバイパスポート３８の各々に向かって延在しこれらの入口２８とポート３８を流体連結するキャビティを画定している。後に詳述するように、弁１２は、ハウジング５０内でピストンが往復運動する構造を有する。図２Ａにおいては、右下に示す弁１２の断面を上側部分と下側部分に分けて、上側部分には閉じた位置（符号ＣＰ）が下側部分には開いた位置（符号ＯＰ）を表示している。閉じた位置（ＣＰ）においては、ピストンにより、空気の流れは実質的に阻止され、バイパスは行われない。弁１２の開いた位置（ＯＰ）においては、図示されているようにタービン入口プレナム４２から出口プレナム４４への空気のバイパスが行われる。
【００１５】
図３から図４には、半径方向のタービンバイパス弁１２の構成要素が詳しく表されている。半径方向のタービンバイパス弁１２は、ハウジング５０内で往復運動をするピストン４８の形態の弁部分４６を含む。ハウジング５０は、ハウジング５０を入口プレナム４２と流体連結する少なくとも一つの好ましくは複数の入力開口部５２を含む。入力開口部５２は、図５及び図５Ａに描かれているように、一方の端部から他方の端部へ向けて先細りの形状を有し、ピストン４８が出口プレナム４４及び図２Ａに示す閉じた位置へ向かって移動するときに、開口部５２が徐々にその寸法を減少させ空気の流れを遮断するようになっている。このような先細りの形状によって、弁が閉じる間に非常に狭く且つ薄い開口部が形成されることで先細り形状となっていない即ち長方形の開口部を閉じるときに生ずる高い周波数の雑音もしくは笛が鳴るような音が、防止される。この構造では、第１ステージのタービン入口２８からの空気は、入口プレナム４２、及びチャネル４５を通して、開口部５２へ向かって自由に流れ得る。ハウジング５０は、出口プレナム４４と流体連結された出口開口部５１を備えた内部空間５４を画定する。従って、弁部材４６が、図２Ａに示す開いた位置（ＯＰ）にあるとき、空気は、入口プレナム４２から出口プレナム４４へと、図２に示す第１ステージのタービン１８を通ることなしに、チャネル４５、開口部５２、及び弁部材４６の内部空間５４を通って流れる。
【００１６】
ピストン４８は実質的にＩ型の断面を有し、ピストン４８とハウジング５０との間にリング型のキャビティ５６が画定される。従って、ピストン４８は、両端に配置された表面５７ａと５７ｂ（図４）とを備えた端部プレートを含み、両端の間隔を置いて配置された表面とリング型のキャビティとによって、ピストン４８の端部における実質的に平衡した空気の圧力が形成され、これによってハウジング５０内のピストンの動きが容易となる。リング型のキャビティ５６により、乱流が少なく、圧力低下が少なく、且つ空間全体にわたって空気の流れがより多くなるピストン４８の周り及び下の空気の流れが形成される。弁部材４６は、リンケージ５８（図３）を介して駆動され、このリンケージ５８は回転シャフト６０に接続されていて、このシャフト６０はモーター６２及びギア６４によって駆動されている。従って、モーター６２はギア列６４に接続されてこのギア列６４を駆動し、このギア列６４が回転シャフト６０に係合してこのシャフト６０を回転させている。ギア比は、弁部材４６が所定の速度で開いた位置と閉じた位置との間を移動するように所定のシャフトの回転数を得るように選択されている。手動のレンチノブ６６がギア列６４に接続されていて、モーター６２が機能停止した場合、もしくは他の問題が生じた場合に、ギア列６４を動かすことができるようになっている。位置インジケータ６８が回転シャフト６０に接続されていて、空気循環機械のハウジングの外側まで延在し、弁部材４６の位置を手動で観測できるようになっている。
【００１７】
リンケージ５８は、クランクアーム７０とリンク７２とからなる。クランクアーム７０は、回転シャフト６０から実質的に直角に延在している。従って、第５図において実線及び破線によって描かれているように、シャフト６０が回転するときに、クランクアーム７０の端部７４は円形の軌道７６上を移動する。リンク７２は、一方の端部７８でピストン４８と枢支されるように接続され、もう一方の端部８０においてクランクアーム７０の端部７４に接続されている。従って、端部７４が回転シャフト６０の回転によって円形の軌道７６上を移動するとき、リンク７４とピストン４８は、振動するように動き、即ち、弁部材４６のハウジング５０内を前後に動き、開口部５２を出口プレナム４４に対して露出させもしくは遮蔽する。この往復運動によって、弁部材４６は、図２Ａに示されているように、閉じた位置（ＣＰ）と開いた位置（ＯＰ）とに移動する。
【００１８】
ピストン４８の外側面と、ハウジング５０の内側面５３（図５）との間の空隙は、図５Ａ及び図６に例示されているように、ピストンリングのシール５７及び５９を用いて、これらの面の間を空気が流れることのないように密閉されている。図６にはリング５７のみが例示されているが、以下の説明は、リングシール５９に対しても同様に成り立つことが理解されよう。ハウジング５０の内側面５３は、その両方の端部に閉鎖面５５を含んでいる。この閉鎖面は内径Ｄを有する。内側面５３はさらに、内径ＤＤを備えた移動面６１を有する。内径Ｄは、内径ＤＤよりも短く、ピストン４８の外側面とハウジング５０の内側面との溝との間でリングシール５７及び５９を圧縮して、閉じた位置にあるときに均一な閉鎖シールが形成されるような寸法となっている。ピストン４８が内径ＤＤの移動面６１上を動く間は、シールの近傍に緩やかな係合が形成されて、ピストンの移動が容易となるようにされている。閉鎖するためにピストン４８が内径ＤＤから内径Ｄへ移動することを容易にするために、面取り部分Ｃが内側面の変化領域６３（図６）に設けられている。従って、内側シールは、段階的に圧縮されて閉鎖面５５に対して閉鎖されるようになっている。
【００１９】
半径方向のバイパス弁１２は、図２Ａ、図４、及び図５に例示されているようにＡＣＭ１０に接続されている。即ち、これらの図面に例示されたように、半径方向弁１２は、フランジ８４（図４及び図５）を備えた外側ハウジング８２（図４及び図５）を含み、このフランジは、弁部材４６のハウジング５０を第１ステージのタービン１８のバイパスポート３０内に保つようにＡＣＭのハウジング２２と整合している。従って、図４に例示されているようにファスナー８６が用いられて、ＡＣＭ１０のハウジング２２へ半径方向のバイパス弁１２を固定するために用いられている。弁１２がＡＣＭのハウジング２２と接続された状態では、半径方向の弁１２の弁部材４６は実質的にその全体が第１ステージのタービンハウジング３８（図２）内に配置されていて、一方、ハウジングのピストン４８と、モーター６２及びギア列６４を含むアクチュエータのみが、ハウジング２２の外側に配置されていて、チャネル４５が入口４２と弁部材４６とを流体連結させている（図２Ａ参照）。このような配置によって、及び図１に例示された従来技術の外付けの半径方向バイパスシステムと比較してわかるように、ハウジング２２の外側に配置された構成要素及び配管を必要とせず、これによって、ＡＣＭによって占有される体積及び空間を減少させることができる。
【００２０】
図面に例示されているように、図２Ａ、図４、及び図５に例示されたように取り付けられて半径方向のバイパス弁１２が動作しているとき、弁１２は、空気の一部を入口プレナム４２から出口プレナム４４へ送り、タービン１８をバイパスするように働く。温度センサー（図示されていない）が第１ステージのタービンバイパスポート３０の下流側に設けられていて、コントローラ（図示されていない）へ温度情報を提供する。検出された温度情報に基づいて、コントローラーはモーター６２に命令を送り、ギア列６４とリンケージ５８とを駆動して、弁部材４６を下流側の温度を調節するために適切となるように開いた位置もしくは閉じた位置へ移動させる。従って、図２Ａの下側部分に例示されたように、及び第４図の実線で描かれたように、開いた位置（ＯＰ）では、空気の流れは、入口プレナム４２からチャネル４５を通して、ピストン４８を通過し出口プレナム４４へ達して、第１ステージのタービン１８をバイパスする。このバイパスした空気は、タービンをバイパスしなかった他の空気と混合されて、二つの混合された空気の温度差に基づいて、出口プレナム４４の所望の温度が調節される。
【００２１】
本発明のタービンバイパス弁の第２の実施例、即ち、軸線方向のバイパス弁１４が、図２の組立られた配置において例示され、図７の部分断面図に例示され、且つ図８の模式図に例示されている。モーター６２、ギア列６４、回転シャフト６０、レンチノブ６６及び位置インジケーター６８は、弁を駆動させるためのクランクアーム７０とともに、半径方向のバイパス弁１２に関して説明されたものと実質的に等しいので、以下に更に説明されることはないが、同じ参照符号が付されている。軸線方向のバイパス弁の１４のリンケージ及び実際の弁部材は、バイパス弁１２のものと異なるので以下に説明される。弁部材及びリンケージに加えて、軸線方向弁１４が第２ステージのタービン２０に用いられているのが好ましく、図２に例示されているように空気循環機械１０の軸線方向に配置されるように設計されているので、以下にさらに説明が行われる。
【００２２】
図７から図９には、好ましくはスプール弁の形式の弁部分８８有する弁１４が例示されていて、この弁１４はロッド９２上を往復運動する摺動式の実質的にリング形状をした弁ピストン９０を含んでいる。ロッド９２は中空形状もしくは円筒形状であり、図８に例示されているように、タービンシュラウド９４のピストンガイド拡張部として機能し、且つ軸線方向のタービン出口と整合するためのハウジングとして機能する。ロッド９２の外側面９５は、第２ステージのタービン２の入口プレナム９６に隣接しており、ロッド９２の内側面９８は、第２ステージのタービン２０の出口プレナム１００に隣接している。ロッド９２は、外側面９５から内側面９８へ延在する複数の入力開口部１０２を含み、弁部材８８が開いた位置にあるときに、空気の流れが入口プレナム９６から出口プレナム１００へむかって直接形成され、これにより第２ステージのタービン２０をバイパスするようになっている。閉じた位置では、空気は外側面９５に対して循環され、入力開口部１０２が露出されていないので、空気は第２ステージのタービン２０をバイパスせず、第２ステージのタービン２０内を矢印によって描かれているように通る。弁ピストン９０は、弁ロッド９２の外側面９５の上を移動して、軸線方向弁１４を開閉するように開口部１０２を覆い及び露出する。従って、弁ピストン９０は好ましくは弁ロッド９２の外側面９５に、その形状が対応する内側面１０４を備えた円筒形である。モーター６２、ギア列６４、回転シャフト６０、クランクアーム７０、及びリンケージ１０６（図８）によって、弁ピストン９０がロッド９２の外側面９５の上を移動し、軸線方向のバイパス弁１４を開閉する。図８及び図９に例示されているように、リンケージ１０６は好ましくはピストン９０を跨ぐ鎖骨型のもしくはＵ字型のリンケージ１０９に取り付けられた中心から離れた回動点を備えたレバー１０７の形状である。尚、図８では、左側のバイパス弁１４の部分のみを９０度回転させて示し（即ち、本来のロッド９２が紙面に対して垂直な向きとなるところを紙面に水平な方向を向く形で示し）、かつリンケージ１０６の各要素（図９に正しい形状を示した）を模式的に示すことによって、レバー１０７が回動点１０８を中心に回動することによって、回転シャフト６０の回転をロッド９２上でのピストン９０の摺動に変換するリンケージ１０６の機能を分かり易く示してある。クランクアーム７０が角度変位したとき、レバーアーム１０７と鎖骨リンケージ１０９とが回動点１０８を中心として回動し、ピストン９０の平衡点１１１Ａ及び１１１Ｂを押したり引いたりするので、弁ピストン９０を開いた位置及び閉じた位置の間で往復運動させる。従って、開口部１０２が露出及び閉鎖され、各々、軸線方向の弁１４を開き及び閉じる。弁ピストン９０は、図７に例示されているようにシール１１０および１１２によってロッド９２に対して気密されている。軸線方向の弁１４は、図７に例示されているように、半径方向のバイパス弁１２に関して説明されたのと同じように、フランジ１２０及びファスナー１２２を介して、ハウジング４０の外側壁部分１１３に接続されている。ファスナー１２２によって、軸線方向の弁１４は、点検、修理及び保守のために容易に取り外すことができる。
【００２３】
軸線方向の弁１４が動作中に、半径方向の弁１２に関して説明されたものと同様の温度センサー及びコントローラーが用いられて、軸線方向の弁１４の開閉が制御される。実際、半径方向の弁に用いられた物と同様のコントローラーが、良好に用いられて、別個の温度センサー（図示されていない）が第２ステージのタービン２０のバイパスポート３４（図２）の下流側に配置されてコントローラーへ温度の情報をフィードバックする。従って、検出された温度に基づいて、軸線方向の弁１４は弁部材８８の動きによって開閉されて、空気がタービンをバイパスするようにするため、及び空気によってタービンをブロックするために用いられる。従って、温度センサー（図示されていない）によって検出されたように、第２ステージのタービン出口の下流側での温度を上げることが必要な場合、コントローラー（図示されていない）はモーター６２に命令を与えてギア列６４を駆動させて、シャフト６０を回転させてクランクアーム７０を動かし、これにより図８に例示されているように、弁ピストン９０を開いた位置へ移動させる。開いた位置に達するために、弁ピストン９０はロット９０に沿って移動し、開口部１０２を露出させ、この開口部を空気が流れるようにして、第２ステージのタービンシステムへ流れ込む空気の一部をこの第２ステージのタービンをバイパスするようにさせ、直接出口プレナム１１０へ向かうようにする。しかしながら、下流側に配置された温度センサーが、温度が低下されること若しくは保持されるべきことをコントローラーに対して指示した場合、モーター、ギア列、回転シャフト、及びクランクアームは、開口部が完全に覆われていない場合には、リンケージ１０７及び１０９を介して弁ピストン９０を反対の方向へ移動させ、開口部１０２を覆う。このような構成により、空気が弁ピストン９０の外側面１１４に対して流れ、第２ステージのタービン２０へ流れ込み、膨張及び冷却が行われる。
【００２４】
圧縮機バイパス弁２１４の実施例に対して、バイパスチェック弁２１４を備えた図２のＡＣＭ１０を反対側から描いた図１０と、図１０Ａとが参照され、圧縮機システム１６が、ガスタービンエンジン（図示されていない）などの供給源からの空気を受容するための入口２２０と、入口からの空気が圧縮のために送られる圧縮機２２２と、圧縮機２２２からの圧縮された空気を圧縮機２２２から排出するための出口２２４とを含む。圧縮機ハウジング部分２３４は、空気供給源入口２２０と出口２２４との間のバイパスポート２３６を含み、このバイパスポートにはバイパス弁２１４が以下に詳しく説明されるように、ハウジング２３４の外側面２２５からハウジング２３４の内側の壁によって画定される内部空間２２７へ向けて延在している。尚、図１０Ａは、後述するように内部空間２２７に装着されたバイパス弁２１４の機能を説明するための断面図であり、理解を容易にするために、空気入口２２０及び空気出口２２４の直径方向に沿った断面とともに、バイパス弁２１４の部分についてのみ内部空間２２７に装着されたバイパス弁２１４の直径方向に沿った別の断面を示した図である。空気出口２２４からの圧縮された空気は、タービン部分１６へ送られ、このタービン部分１６はタービン入口２８とタービンと、タービンバイパスポート３０とを、図２に例示されているように含んでいる。従って、空気は圧縮機２２２の出口２２４からタービン入口２８へ送られ、このタービン入口２８で空気は回転するタービンブレードを通過して、膨張し冷却される。タービンブレート部分において圧縮された空気から抽出されたエネルギーは、圧縮機２２２及びファンを駆動するために用いられる。その結果、冷却された空気はタービン出口（図示されていない）から出力され、続いて、乗務員、乗客もしくはその他の者が占有する空間もしくはキャビンへ向けて送られる。
【００２５】
図１０のバイパス弁２１４を含む圧縮機システム１６の断面図を参照すると、バイパス弁２１４が圧縮機の空気供給入口２２０とバイパスポート２３６内の空気出口２２４との間に配置されていることが分かる。従って、バイパスポート２３６は、バイパス弁２１４を受容する開口部を含んだ圧縮機ハウジング部分２３４を有する。図１０Ａに例示されているように、バイパス弁２１４が圧縮機ハウジング部分２３４取り付けられた状態では、第１の通路２３８が空気を入口２２０からバイパス弁２１４の入力開口部２４４へ送るために設けられている。更に、第２の通路２４２が設けられて、圧縮機２２２を出た空気をバイパス弁２１４の出口開口部２４４へ送るようになっている。従って、空気供給入口２２０での空気の圧力Ｐ１が、空気出口２２４の空気の圧力Ｐ２よりも大きい場合、以下により詳しく説明されるように、バイパス弁２１４は、図１０Ａにおいて破線で示す開いた位置へ移動し、これにより、空気は入口２２０から、第１の通路２３８及び入力開口部２４０を通って、開口部２４４から流出し、最後に第２の通路２４２を通って出口２２４へ達する。このようにして、入口２２０と出口２２４との間の接続により、両者の間の過剰な圧力差がなくなるようにされる。
【００２６】
図１１Ａ及び図１１Ｂを参照しながら、バイパス弁２１４が以下に詳しく説明される。バイパス弁２１４は、実質的にＩ型の断面を備えたボディもしくはハウジング部分２４６を含み、このボディもしくはハウジング部分２４６は、プレート２４８を有する第１端部と、プレート２５０を有する第２端部とを含む。好ましくは、この第１の端部のプレートと第２の端部のプレートの各々は、図１１Ａに例示されているように円形の形状を有する。第１の端部のプレート２４８及び第２の端部のプレート２５０は、中間支持体２５２によって接続されている。リング型のキャビティ２５４（２５６）が中間支持体２５２の周囲に形成され、このキャビティ２５４（２５６）は、第１の端部のプレートと第２の端部のプレートの内側壁と中間支持体２５２の内側壁とによって画定されている。
【００２７】
リング型キャビティ２５４は、図１０Ａに例示されているように、第１の通路２３８と第２の通路２４２との一体形成された部分を形成している。バイパス弁２１４の弁部分に対して、フラップ又はバッフル２５８及び２６０が、第２の端部プレート２５０の外側面２６２の上に配置されている。フラップ２５８及び２６０は、ピン２６４によって第２の端部プレート２５０に回動するように接続されている。任意的な構成として、バネ２６５がフラップ２５８及び２６０を付勢するように設けられていて、この二つのフラップが、図１１Ａ及び図１０Ａにおいて実線で示した閉じた位置となるように付勢している。この付勢力は、重力によってフラップが開くような姿勢にＡＣＭが配置されているような場合に、閉じた状態を保つことのできるものであれば十分である。フラップ２５８及び２６０は、空気が流れることによって入口側及び出口側に圧力が加わり、結果ピン２６４を中心として回動するようになっていて、この場合、フラップを開くためには、入口側の圧力が、バネ２６５が付勢する力と圧力Ｐ１とを凌駕しなければならず、フラップを閉じるためには出口側の圧力が圧力Ｐ２を凌駕しなければならない。従って、上述されたように、空気入口供給源２２０における圧力Ｐ１が空気出口２２４での圧力Ｐ２（とバネ２６５の最小の付勢力の合計（もしバネが使われている場合））よりも大きい場合、フラップ２５８及び２６０は、図１１Ｂにおいて破線で描かれているように、空気の流れとほとんど平行となるように回動する。一方、圧力Ｐ２が圧力Ｐ１よりも大きい場合、フラップ２５８及び２６０、そして弁２１４は、図１１Ｂの実線で描かれているように閉じた状態を保つ。
【００２８】
バイパス弁２１４は、フランジ２６６によって圧縮機ハウジング部分２３４に接続され、または整合されており、このフランジ２６６は図１０及び図１１Ａに例示されているように、ハウジングに対してバイパス弁２１４を固定するための複数のファスナー２６７を受容するようになっている。図１０からわかるように、バイパス弁２１４をハウジング２３４のポート２３６に配置するように接続することによって、バイパス弁２１４は、空気循環機械１０によって占有される空間の体積に実質的に寄与しないことになる。従って、実質的な空間の節約が、空気循環機械１０に本発明のバイパス弁２１４を用いることによって達成される。加えて、バイパス弁２１４は複数のファスナーによって圧縮機ハウジング部分２３４に接続されているので、バイパス弁２１４は、保守、修理、及びその他の例によって容易に取り除くことができる。
【００２９】
稼動中に、バイパス弁２１４が圧縮機ハウジング部分２３４のポート２３６内に保持された状態で、空気循環機械は入口２２０を通して空気供給源（図示されていない）からの空気を受け入れる。通常の動作時には、空気供給入口２２０から入ってくる空気の圧力Ｐ１は、出口２２４を通る圧縮機２２２を出てくる空気の圧力よりも実質的に低い。この様な状況の下で、フラップ２５８及び２６０は、第２端部２５０に対して閉じた状態を保ち、バイパス弁２１４を閉じている。付勢バネ２６５は、フラップが誤って開いてしまうような方向にＡＣＭが向けられている状態になるような特定の状況において閉じた状態を保持することを援助する。タービンシステム１６を介しているような下流側のタービンを介した空気の流れを調節することにより、空気供給入口２２０に流れ込む空気の圧力Ｐ１は、空気出口２２４を通る圧縮機２２２から流れ出る空気の圧力Ｐ２とバネ２６５の最小の付勢力との合計よりも大きくなる。このようなシナリオでは、バイパス弁２１４は、空気入口２２４での圧力Ｐ２を凌駕してフラップ２５８及び２６０に作用するより高い空気の圧力によって、開かれる。従って、空気がバイパス弁２１４のキャビティ２５４を通過して流れ、圧力Ｐ２の空気と混合されて、圧縮機２２２から流れ出る。このようにして、圧縮機２２２における圧力低下が制御され圧力Ｐ１とＰ２とが等しくなり、最終的に通常の動作状態となる。このようにして、バイパス弁２１４を通して圧縮機２２２をバイパスして空気が流れ、デフューサ（図示されていない）の下流側に空気が配置されるので、圧縮機の空気力学的効率には影響が及ぼされない。
【００３０】
本発明の第１の利点は、空気循環機械と共に用いられるＡＣＭの構成要素であるバイパスシステムが提供されることであり、このバイパスシステムは空気循環機械の内部に実質的に配置されていて、除去、調節、交換、保守、もしくはその他の生じ得る目的のためにアクセスすることが容易となっている。本発明の他の利点は、少なくともタービン及び圧縮機バイパスシステムの一方が提供されることであり、このタービン及び圧縮機バイパスシステムは、バイパスシステムに関連する外付けの接続用ダクト、クランプ、シールなどを用いる必要性がなく、空気循環機械から取り外すためにアクセスすることが容易である。本発明の更に他の利点は、空気循環機械の空気力学的特性を乱すことのないタービン及び圧縮機バイパスシステムの少なくとも１つを提供することである。本発明の更に他の利点は、空気循環機械によって占有される空間の体積を、その空気循環機械のハウジングの体積に実質的に保つような実質的に内部に配置されたバイパス弁の形態が提供されることである。本発明の更に他の利点は、ＬＲＵとして除去及び交換することが容易な実質的に内部に配置されたバイパス弁の形態のタービン及び圧縮機バイパスシステムの少なくとも一方が提供されることである。
【００３１】
本発明がその最良の実施形態に関して提示され説明されてきたが、当業者には、これまで、説明された最良の実施形態及びその他さまざまな変更、省略、追加が、形態及び細部に亘って、本発明の技術的視点を逸脱せずに可能なことは、容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】半径方向のタービンのバイパスを行うための従来技術のバイパスシステムの斜視図である。
【図１Ｂ】軸線方向のタービンのバイパスを行うための従来技術のバイパスシステムの斜視図である。
【図１Ｃ】圧縮機のバイパスを行うための従来技術のバイパスシステムの斜視図である。
【図２】本発明のタービンバイパスシステムの一部組立斜視図であり、組立のための配置で描かれており、半径方向及び軸線方向のバイパス弁を含む空気循環機械が取り付けられている。
【図２Ａ】半径方向の実施例のタービンバイパスシステムが据え付けられた、図２の線２Ａ−２Ａから見た空気循環機械のタービン入口プレナムの部分断面図である。
【図３】本発明に基づく、図２及び図２Ａのシステムで用いられる半径方向のタービンバイパス弁の機能を表す概略図である。
【図４】タービンバイパス弁システムの第１の実施例の側断面図である。
【図５】図４に例示されたタービンバイパス弁の上断面図である。
【図５Ａ】図５のバイパス弁に関連するピストンを介した先細り形状の空気流通開口部とその外観の簡略図である。
【図６】図５に表された符号６の部分の拡大図である。
【図７】本発明の基づく、第２のタービン部分内には位置された軸線方向のバイパス弁の、図２の線７−７に沿った部分断面図である。
【図８】本発明の基づく軸線方向のタービンバイパス弁の機能を表す概略図である。
【図９】図２の線９−９に沿った、第８図に描かれた軸線方向のタービンバイパス弁の断面図である。
【図１０】ＡＣＭが取り付けられた状態の圧縮機バイパスチェック弁を含む、本発明の圧縮機バイパスシステムの部分的に組み立てられた状態での斜視図である。
【図１０Ａ】本発明に基づくＡＣＭの圧縮機部分の、図１０の線１０Ａ−１０Ａに沿った部分断面図であり、圧縮機部分の圧縮機入口と圧縮機出口との間に据え付けられた圧縮機バイパスチェック弁を表している。
【図１１Ａ】本発明に基づく圧縮機バイパスチェック弁の正面図である。
【図１１Ｂ】本発明に基づく圧縮機バイパスチェック弁の部分的な側断面図である。

Claims (25)

1. 占有された空間内で用いるための空気調節システムであって、
   空気圧縮機（２２２）と空気供給入口（２２０）と圧縮空気出口（２２４）とを備えた圧縮機システム（１６）と、
   タービンと、タービン入口（２８；３２）と、タービン出口とを備えたタービンシステム（１８；２０）であって、圧縮された空気が前記圧縮空気出口（２２４）から排出されて、前記タービン入り口（２８；３２）で膨張及び冷却されて、前記圧縮機（２２２）を駆動するため及び前記占有された空間に調節された空気を供給するために用いられる、前記タービンシステムと、
   第１の内部空間（２２７）を画定する圧縮機ハウジング部分（３６；２３４）と、第２の内部空間を画定するタービンハウジング部分（３８，４０）とを備えたハウジング（２２）と、
   前記タービンシステム（１８；２０）と前記圧縮機システム（１６）の少なくとも一方での空気の流れをバイパスするために用いられる少なくとも１つのバイパス弁手段（１２；１４；２１４）とを有し、
   前記バイパス弁手段（１２；１４；２１４）が、
   前記タービンハウジング部分（３８；４０）と前記圧縮機ハウジング部分（３６；２３４）の少なくとも一方と整合させるための手段（８２，８４；１２０；２４６）と、前記タービン入り口（２８；３２）と前記空気供給入り口（２２０）の少なくとも一方に隣接して配置された空気入力開口部（５２；１０２；２４０）と、
   前記タービン及び前記圧縮機（２２２）の少なくとも一方をバイパスするために前記空気入力開口部（５２；１０２；２４０）から前記空気出力開口部（５１；２４４）への空気の流れを許可して、前記タービン出口及び前記圧縮空気出口（２２４）の少なくとも一方での前記空気の温度及び圧力の少なくとも一方を制御するための弁部分手段（４６；８８）とを有し、
   前記弁部分手段（４６；８８）が、前記第１の内部空間と前記第２の内部空間の少なくとも一方の中にその実質的にその全体が配置され、
   前記バイパス弁手段（１２，１４，２１４）の少なくとも１つが、前記圧縮機ハウジング部分（３６；２３４）と前記タービンハウジング部分（３８；４０）の少なくとも一方に取り外し可能に接続されていることを特徴とする空気調節システム。
2. 前記タービンハウジング部分（４０）が、前記バイパス弁手段（１４）を係合させるための手段（１１３）を含み、
   前記係合させるための手段（１１３）が、前記タービンハウジング部分（４０）に対して軸線方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
3. 前記バイパス弁手段（１４）が、前記タービンハウジング部分（４０）に対して前記係合させるための手段（１１３）内で軸線方向に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の空気調節システム。
4. 前記タービンハウジング部分（３８）が、前記バイパス弁手段（１２）を係合させる手段を含み、
   前記整合させるための手段が、前記タービンハウジング部分に対して半径方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
5. 前記バイパス弁手段（１２）が前記タービンハウジング部分（３８）に対して前記係合させるための手段内で半径方向に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の空気調節システム。
6. 前記弁部分手段を通して空気をバイパスして流し前記タービン及び前記圧縮機の一方がバイパスされる開いた位置と、前記空気が前記入力開口部（５２；１０２）へ入ることを阻止する閉じた位置とへ、前記弁部分手段（４６；８８）を駆動するための手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
7. 前記駆動するための手段が、前記入力開口部（５２；１０２）を開閉するための前記弁手段（４６；８８）を移動させるべく前記弁部分手段（４６；８８）に接続されたリンケージ（５８；１０６）を有することを特徴とする請求項６に記載の空気調節システム。
8. 前記駆動させるための手段が、モータ（６２）と、前記入力開口部（５２；１０２）を開閉するための前記リンケージを移動するための前記リンケージ（５８；１０６）に接続されたギア列（６４）とを更に有することを特徴とする請求項７に記載の空気調節システム。
9. 前記弁部分手段（４６；８０）が、前記入力開口部を開閉するために移動可能な摺動部材（４８；９０）を有することを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
10. 前記バイパス弁手段（１２；１４）を前記タービンハウジング部分（３８；４０）に取り外し可能に接続するための手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
11. 前記取り外し可能に接続する手段が、
    前記バイパス弁手段（１２）の前記タービンハウジング部分（３８）に固定するためのファスナー手段（８６）を受容するハウジング（８２）を含む前記バイパス弁手段（１２）を有することを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
12. 前記圧縮機ハウジング部分（２３４）が、
    外側壁と、
    前記第１の内部空間（２２７）を画定する内側壁と、
    前記バイパス弁手段（２１４）を受容するための前記空気供給入口（２２０）と前記圧縮空気出口（２２４）との間に配置されたポート（２３６）とを含むことを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
13. 前記バイパス弁手段（２１４）が、前記外側壁から前記内部へ延在し、前記弁部分手段（２１４）が、前記圧縮機ハウジング部分（２３４）の前記第１の内部空間（２２７）内に実質的にその全体が配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の空気調節システム。
14. 前記整合させる手段が、第１の端部（２４８）と第２の端部（２５０）とを備えたバイパス弁ハウジング（２４６）を有し、
    前記バイパス弁ハウジング（２４６）が前記圧縮機ハウジング部分（２３４）の前記ポート（２３６）内に配置され、
    前記第１端部（２４８）が前記圧縮機ハウジング（２３４）の外側に配置され、
    前記第２の端部（２５０）が前記第１の内部空間（２２７）内に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の空気調節システム。
15. 前記弁部分手段が、前記入力開口部（２４０）と前記出力開口部（２４４）との間に配置された少なくとも１つの移動可能なフラップ（２５８）を有することを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
16. 前記弁部分手段が、前記整合させるための手段に接続され且つ前記整合させるための手段に対して回動する少なくとも２つの回動バタフライフラップ（２５８，２６０）を有することを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
17. 前記弁部分手段を駆動するための手段を更に有することを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
18. 前記駆動させるための手段が、前記空気供給入り口（２２０）を前記空気入力開口部（２４０）へ接続する第１の空気通路（２３８）と、前記圧縮空気出口（２４４）を前記空気出力開口部（２２４）へ接続する第２の空気通路（２４２）とを有し、
    前記弁部分手段が、入力サイド及び出力サイドを含み、
    前記第１の空気通路（２３８）を通して前記入力サイドに作用する供給側の空気が、前記第２の空気通路（２４２）を通して前記出力サイドに作用する空気よりも低い圧力を有する時、前記弁部分手段が、前記バイパス弁（２１４）を通って空気が流れることを禁止するように閉鎖され、前記第１の空気通路（２３８）を通して前記入力サイドに作用する供給側の前記空気が、前記第２の空気通路（２４２）を通して前記出力サイドに作用する空気よりも高い圧力を有する時、前記弁部分手段が、前記バイパス弁（２１４）を通して空気を流れることを許容するように開き、
    これによって、圧力差が調節されることを特徴とする請求項１７に記載の空気調節システム。
19. 前記弁部分手段が、前記入力開口部（２４０）と前記出力開口部（２２４）との間に配置された複数の移動可能なフラップ（２５８，２６０）を有することを特徴とする請求項１８に記載の空気調節システム。
20. 前記複数の移動可能なフラップ（２５８，２６０）が、前記整合させるための手段（２４６）に接続され且つ前記整合させるための手段に対して回動する少なくとも１つの回動バタフライフラップ（２５８，２６０）を有することを特徴とする請求項１９に記載の空気調節システム。
21. 前記移動可能なフラップ（２５８；２６０）を閉じた状態に付勢するための手段（２６５）を更に有することを特徴とする請求項２０に記載の空気調節システム。
22. 前記少なくとも１つのバイパス弁手段が、前記圧縮機システム（１６）に用いるための圧縮機バイパス弁（２１４）を有し、
    前記タービンシステム（１８）内の空気の流れをバイパスするために用いられる内部に配置された取り外し可能なタービンバイパス弁手段（１２）を更に有することを特徴とする請求項１に記載の空気調節システム。
23. 前記タービンバイパス弁手段（１２）が、前記タービンハウジング部分（３８）と整合させるための手段（８２，８４）と、前記タービン入り口（２８）に隣接して配置されたタービン空気入力開口部（５２）と、前記タービン出口に隣接して配置されたタービン空気出力開口部（５１）と、前記タービンをバイパスするために前記タービン空気入力開口部（５２）から前記タービン空気出力開口部（５１）への空気の流れを許可することにより前記タービン出口での前記空気の温度を制御するためのタービン弁部分手段（４６）とを有し、
    前記タービン弁部分手段（４６）が、前記第２の内部空間内に実質的にその全体が配置されていることを特徴とする請求項２２に記載の温度調節システム。
24. 前記タービンバイパス弁手段（１２）が、半径方向のタービンバイパス弁（１２）を有し、
    第２タービンと、第２タービン入口（３２）と第２タービン出口とを備えた第２のタービンシステム（２０）を更に有し、
    前記タービンシステムから前記第２のタービン入り口（３２）へ供給される空気が、前記占有された空間へ調節された空気を供給するために膨張され且つ冷却され、
    前記ハウジング（２２）が、第３の内部空間を画定する第２のタービンハウジング部分（４０）を含み、
    前記第２のタービンシステム（２０）が、前記第２のタービンシステム（２０）内を流れる空気をバイパスするために用いられる内部に配置された取り外し可能な軸線方向のタービンバイパス弁手段（１４）を含むことを特徴とする請求項２３に記載の空気調節システム。
25. 前記軸線方向のタービンバイパス弁手段（１４）が、前記第２のタービンハウジング部分（４０）と整合させるための第３の手段（１２０）と、前記第２のタービン入り口（３２）に隣接して配置された第２のタービン空気入力開口部（１０２）と、前記第２のタービンをバイパスするために前記第２のタービン空気入力開口部（１０２）から前記第２のタービン空気出力開口部への空気の流れを許可することによって、前記第２のタービン出口における前記空気の温度を制御するための第２のタービン弁部分手段（８８）とを有し、
    前記第２のタービン弁部分手段（８８）が、前記第３の内部空間内に実質的にその全体が配置されていることを特徴とする請求項２４に記載の空気調節システム。

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