JP3915263B2 - 航空機用空気調和装置 - Google Patents
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- Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機内に予圧用空気を供給し、同時に機内の冷房、暖房、換気を行い得るようにした航空機用空気調和装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機は、居住室や電子機器室等の予圧室に適温、適圧の調和空気を供給すべく、一般に空気調和装置を備えている。この空気調和装置は、調温、調圧以外にも、除湿の役割、予圧室に酸素を送り込む役割、筐体から漏れる空気を補う役割など、様々な役割を兼ねている。そして、これらの役割を果たすために、外気の取り込みが不可欠なものである。
【０００３】
このような外気の取り込みに際して、全てをラムエア換気に頼ったのでは多大なドラッグ損失が発生し、また高高度飛行中は希薄なラムエアから予圧に必要な圧力等を得ることは期待できない。このため、常に十分な圧力と量の外気が存在するエンジン又は補助動力部から高温、高圧の抽気を得、これを調温、調圧して、調和空気として予圧室に供給するエアサイクルシステム（ＡＣＳ）が確立されている。
【０００４】
このエアサイクルシステムは、タービンとコンプレッサを単軸結合したエアサイクルマシン（ＡＣＭ）を主体として構成されるもので、抽気を１次熱交換器でラムエアとの熱交換により冷却した後にコンプレッサで圧縮し、更に２次熱交換器でラムエアとの熱交換により冷却した後にタービンで断熱膨脹させるようにしたものであり、ハイプレッシャ・ウォータ・セパレーティング方式を用いる場合は、抽気をタービン入力前に除湿し、タービン出口温度を氷点下に下げることができるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、エアサイクルシステムはエンジンの高圧段から抽気するため、常時冷房に必要な空気量｛例えば１００人乗り旅客機で約１００（ｌｂ／ｍｉｎ）｝を供給すると、抽気量が大量となる。そして、燃費は抽気量に敏感であるため｛例えば１．１（ｌｂ／ｈｒ・Ｆｕｅｌ）／（ｌｂ／ｍｉｎ・抽気）｝、抽気の増大は燃費の悪化に直結することとなる。
【０００６】
一方、エアサイクルシステムとは別にベーパサイクルシステム（ＶＣＳ）等を設置して予圧室を別途に冷却するようにし、これによりエアサイクルシステムの抽気量を減らす事も考えられるが、このようにすると全く別個独立した冷却機構が２系統必要になるため、システムが大型複雑化し、部品点数が増える分だけ信頼性低下も避け難いものとなる。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、抽気量を抑え、それにより燃費を向上し、しかも簡易な構成で所要の冷却能力を発揮し得るようにした航空機用空気調和装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構成を採用したものである。すなわち、本発明に係る航空機用空気調和装置は、航空機のエンジンの低圧段から高温高圧の抽気を最低必要新鮮換気量だけ取り出し、これを空調部で調温、調圧した後、予圧室に供給するようにしたものにおいて、前記空調部を、抽気をラムエアによって予冷するための熱交換器と、この熱交換器を通過した抽気を更に冷却するためのベーパサイクルシステム（ＶＣＳ）とから構成してなることを特徴とする。
【０００９】
このような構成により、抽気の冷却を主としてベーパサイクルシステムにより行えば、ベーパサイクルシステムはエアサイクルマシンを使うエアサイクルシステムと違ってエンジンの高圧段から抽気する必要はなく、低圧段から最低必要新鮮換気量だけ抽気すればよいので、エアサイクルマシンを主体として構成したエアサイクルシステムを使用する場合に比べて抽気圧力が低く抽気量が少なくて済み、これによりエンジン推力への影響を大巾に低減して、燃費向上を図ることができる。しかも、このような構成は、エアサイクルシステムとベーパサイクルシステムの双方を採用して冷却を分担する場合に比べて、ベーパサイクル自体の容量は大きくならざるを得ないものの、２つの冷却系統を別途独立に構成する場合に比べれば、全体の容積を確実に低減することができ、また部品点数が少なくなる分だけ信頼性向上も図ることができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を、図１〜図４を参照して説明する。
この実施例の航空機用空気調和装置は、図１に示すように、エンジン１と、居住室や電子機器室等の予圧室２との間を、空調部３を介して接続したものであり、この空調部３を、抽気Ｘを予冷するための熱交換器４と、この熱交換器４及びその下流に配置した調圧弁８を通過した後の抽気Ｘを更に冷却するためのベーパサイクルシステム５とから構成している。
【００１１】
具体的に説明すると、エンジン１から取り出された抽気Ｘは、先ず抽気調圧弁６で調圧され、プリクーラ７及び熱交換器４で予冷却される。プリクーラ７及び熱交換器４は、抽気ＸをラムエアＬとの熱交換により冷却するもので、ラムドア４ａ、７ａの開閉により必要な流量のみが流れ、不必要に過大なラムエアＬを流すことによるラムペナルティが抑えられる。駐機時、若しくは低速飛行時においては、熱交換器４におけるラムエアＬの取り込みはファン４ｂにより行われる。
【００１２】
一方、ベーパサイクルシステム５は、エバポレータ５ａ、コンプレッサ５ｂ、コンデンサ５ｃ、リザーバタンク５ｄ及び膨脹弁５ｅを順次通過するように閉成された冷媒循環回路５Ｘを主体とし、次のようなベーパサイクルを通じて前記エバポレータ５ａに導入される抽気Ｘを冷却するようにしている。すなわち、冷媒循環回路５Ｘには、代替フロン等の冷媒Ｃが封入されており、この冷媒Ｃがエバポレータ５ａ内で抽気Ｘの保有する熱を奪って蒸発することにより抽気Ｘを冷却する。エバポレータ５ａを出た冷媒Ｃは、コンプレッサ５ｂにより圧縮され、コンデンサ５ｃでファン５ｃ１により取り込まれるラムエアＬとの熱交換により凝結する。凝結した冷媒Ｃはリザーバタンク５ｄに蓄えられ、必要な分だけ膨脹弁５ｅにて膨脹し、低温の気体ー液体混合状態になって、再びエバポレータ５ａに導かれる。これに対して、エバポレータ５ａを通過して冷却された抽気Ｘは、下流に配置したウォータセパレータ９にて水分を除去された後、予圧室２に導かれる。
【００１３】
なお、抽気Ｘの流量は最低必要新鮮換気量にまで減らしてあるので、抽気Ｘのみをエバポレータ５ａにて冷却し、与圧室２へ供給する方式にて冷房能力を満足させようとすると、与圧室２への供給空気は非常に低温（氷点下）であることが必要であり、直接与圧室２へ供給するには冷たすぎる。従って、調圧弁８の下流にミキシングチャンバ１０を設けるとともに、ファン１１ａを有する再循環ライン１１を介して予圧室２から排気を取り出してミキシングチャンバ１０に入力するように構成し、ここで抽気Ｘに排気を混合して、エバポレータ５ａにて冷却され与圧室２へ供給される調和空気の流量を、抽気Ｘの４倍程度の量まで増やすことにより、与圧室２へ直接供給するのに適した温度（４５°Ｆ程度）の調和空気を供給して、必要な冷房能力を満足できるようにしている。図中、符号１２で示すものはウォータセパレータ９からの排水を排出するためのラインであり、符号１３で示すものはアウトフローバルブである。
【００１４】
以上のような構成により、抽気Ｘの冷却を主としてベーパサイクルシステム５により行えば、ベーパサイクルシステム５はエアサイクルマシンを使うエアサイクルシステムと違ってエンジン１の高圧段から抽気する必要はなく、低圧段から最低必要新鮮換気量だけ抽気すればよいので、エアサイクルマシンを主体として構成したエアサイクルシステムを使用する場合に比べて抽気圧力が低くて済む（例えば４０psia→２０psia）。また、例えば１００人乗り旅客機の場合は、抽気量を約１００（ｌｂ／ｍｉｎ）から５０（ｌｂ／ｍｉｎ）に半減することができ、これらによりエンジン推力への影響を大巾に低減して燃費を約２倍程度にまで向上させることが可能となる。なお、ベーパサイクルシステム５においては、電動コンプレッサ５ｂ及びラムエア用ファン５ｃ１を使うので、電力が必要であるが、電力を使うことによる燃費への影響は、同じ冷房をエアサイクルシステムのみで行うことによる抽気抽出による燃費への影響の約１／１０程度以下であり、大勢に影響はない。しかも、本実施例のような構成は、エアサイクルシステムとベーパサイクルシステムの双方を採用して冷却を分担する場合に比べて、ベーパサイクル５自体の容量は大きくならざるを得ないものの、２つの冷却系統を別途独立に構成する場合に比べれば、全体の容積を２／３程度にまで確実に低減することができ、また部品点数が２／３程度にまで少なくできる分だけ信頼性を約１．５倍程度にまで確実に向上させることが可能となる。図２〜図４はこれらの比較例を示しているものである。
【００１５】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、図５に示すように、調圧弁８及びミキシングチャンバ１０をウォータセパレータ９の下流に配置し、予圧室２から再循環ライン１１を介して取り出される排気をエバポレータ５ａを通さずに再循環させるようにしてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、抽気を調温、調圧するための空調部を、抽気をラムエアによって予冷するための熱交換器と、この熱交換器を通過した抽気を更に冷却するためのベーパサイクルシステムとから構成したものである。
このため、抽気圧力と流量を減らして低燃費を実現することができる上に、エアサイクルシステムとベーパサイクルシステムを独立に設置する場合に比べて、小型で信頼性の高いシステムとすることができる。
【００１７】
また、高高度を巡行する場合等は、エンジン抽気の冷却は予冷用の熱交換器のみで十分に行えるので、ベーパサイクルシステムはアイドル状態で動作させることができ、より一層の燃料消費削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概略的なシステム図。
【図２】同実施例の作用を説明するための図。
【図３】同実施例の作用を説明するための図。
【図４】同実施例の作用を説明するための図。
【図５】本発明の変形例を示す概略的なシステム図。
【符号の説明】
１…エンジン
２…予圧室
３…空調部
４…熱交換器
５…ベーパサイクルシステム
Ｌ…ラムエア
Ｘ…抽気
【発明の属する技術分野】
本発明は、機内に予圧用空気を供給し、同時に機内の冷房、暖房、換気を行い得るようにした航空機用空気調和装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機は、居住室や電子機器室等の予圧室に適温、適圧の調和空気を供給すべく、一般に空気調和装置を備えている。この空気調和装置は、調温、調圧以外にも、除湿の役割、予圧室に酸素を送り込む役割、筐体から漏れる空気を補う役割など、様々な役割を兼ねている。そして、これらの役割を果たすために、外気の取り込みが不可欠なものである。
【０００３】
このような外気の取り込みに際して、全てをラムエア換気に頼ったのでは多大なドラッグ損失が発生し、また高高度飛行中は希薄なラムエアから予圧に必要な圧力等を得ることは期待できない。このため、常に十分な圧力と量の外気が存在するエンジン又は補助動力部から高温、高圧の抽気を得、これを調温、調圧して、調和空気として予圧室に供給するエアサイクルシステム（ＡＣＳ）が確立されている。
【０００４】
このエアサイクルシステムは、タービンとコンプレッサを単軸結合したエアサイクルマシン（ＡＣＭ）を主体として構成されるもので、抽気を１次熱交換器でラムエアとの熱交換により冷却した後にコンプレッサで圧縮し、更に２次熱交換器でラムエアとの熱交換により冷却した後にタービンで断熱膨脹させるようにしたものであり、ハイプレッシャ・ウォータ・セパレーティング方式を用いる場合は、抽気をタービン入力前に除湿し、タービン出口温度を氷点下に下げることができるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、エアサイクルシステムはエンジンの高圧段から抽気するため、常時冷房に必要な空気量｛例えば１００人乗り旅客機で約１００（ｌｂ／ｍｉｎ）｝を供給すると、抽気量が大量となる。そして、燃費は抽気量に敏感であるため｛例えば１．１（ｌｂ／ｈｒ・Ｆｕｅｌ）／（ｌｂ／ｍｉｎ・抽気）｝、抽気の増大は燃費の悪化に直結することとなる。
【０００６】
一方、エアサイクルシステムとは別にベーパサイクルシステム（ＶＣＳ）等を設置して予圧室を別途に冷却するようにし、これによりエアサイクルシステムの抽気量を減らす事も考えられるが、このようにすると全く別個独立した冷却機構が２系統必要になるため、システムが大型複雑化し、部品点数が増える分だけ信頼性低下も避け難いものとなる。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、抽気量を抑え、それにより燃費を向上し、しかも簡易な構成で所要の冷却能力を発揮し得るようにした航空機用空気調和装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構成を採用したものである。すなわち、本発明に係る航空機用空気調和装置は、航空機のエンジンの低圧段から高温高圧の抽気を最低必要新鮮換気量だけ取り出し、これを空調部で調温、調圧した後、予圧室に供給するようにしたものにおいて、前記空調部を、抽気をラムエアによって予冷するための熱交換器と、この熱交換器を通過した抽気を更に冷却するためのベーパサイクルシステム（ＶＣＳ）とから構成してなることを特徴とする。
【０００９】
このような構成により、抽気の冷却を主としてベーパサイクルシステムにより行えば、ベーパサイクルシステムはエアサイクルマシンを使うエアサイクルシステムと違ってエンジンの高圧段から抽気する必要はなく、低圧段から最低必要新鮮換気量だけ抽気すればよいので、エアサイクルマシンを主体として構成したエアサイクルシステムを使用する場合に比べて抽気圧力が低く抽気量が少なくて済み、これによりエンジン推力への影響を大巾に低減して、燃費向上を図ることができる。しかも、このような構成は、エアサイクルシステムとベーパサイクルシステムの双方を採用して冷却を分担する場合に比べて、ベーパサイクル自体の容量は大きくならざるを得ないものの、２つの冷却系統を別途独立に構成する場合に比べれば、全体の容積を確実に低減することができ、また部品点数が少なくなる分だけ信頼性向上も図ることができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を、図１〜図４を参照して説明する。
この実施例の航空機用空気調和装置は、図１に示すように、エンジン１と、居住室や電子機器室等の予圧室２との間を、空調部３を介して接続したものであり、この空調部３を、抽気Ｘを予冷するための熱交換器４と、この熱交換器４及びその下流に配置した調圧弁８を通過した後の抽気Ｘを更に冷却するためのベーパサイクルシステム５とから構成している。
【００１１】
具体的に説明すると、エンジン１から取り出された抽気Ｘは、先ず抽気調圧弁６で調圧され、プリクーラ７及び熱交換器４で予冷却される。プリクーラ７及び熱交換器４は、抽気ＸをラムエアＬとの熱交換により冷却するもので、ラムドア４ａ、７ａの開閉により必要な流量のみが流れ、不必要に過大なラムエアＬを流すことによるラムペナルティが抑えられる。駐機時、若しくは低速飛行時においては、熱交換器４におけるラムエアＬの取り込みはファン４ｂにより行われる。
【００１２】
一方、ベーパサイクルシステム５は、エバポレータ５ａ、コンプレッサ５ｂ、コンデンサ５ｃ、リザーバタンク５ｄ及び膨脹弁５ｅを順次通過するように閉成された冷媒循環回路５Ｘを主体とし、次のようなベーパサイクルを通じて前記エバポレータ５ａに導入される抽気Ｘを冷却するようにしている。すなわち、冷媒循環回路５Ｘには、代替フロン等の冷媒Ｃが封入されており、この冷媒Ｃがエバポレータ５ａ内で抽気Ｘの保有する熱を奪って蒸発することにより抽気Ｘを冷却する。エバポレータ５ａを出た冷媒Ｃは、コンプレッサ５ｂにより圧縮され、コンデンサ５ｃでファン５ｃ１により取り込まれるラムエアＬとの熱交換により凝結する。凝結した冷媒Ｃはリザーバタンク５ｄに蓄えられ、必要な分だけ膨脹弁５ｅにて膨脹し、低温の気体ー液体混合状態になって、再びエバポレータ５ａに導かれる。これに対して、エバポレータ５ａを通過して冷却された抽気Ｘは、下流に配置したウォータセパレータ９にて水分を除去された後、予圧室２に導かれる。
【００１３】
なお、抽気Ｘの流量は最低必要新鮮換気量にまで減らしてあるので、抽気Ｘのみをエバポレータ５ａにて冷却し、与圧室２へ供給する方式にて冷房能力を満足させようとすると、与圧室２への供給空気は非常に低温（氷点下）であることが必要であり、直接与圧室２へ供給するには冷たすぎる。従って、調圧弁８の下流にミキシングチャンバ１０を設けるとともに、ファン１１ａを有する再循環ライン１１を介して予圧室２から排気を取り出してミキシングチャンバ１０に入力するように構成し、ここで抽気Ｘに排気を混合して、エバポレータ５ａにて冷却され与圧室２へ供給される調和空気の流量を、抽気Ｘの４倍程度の量まで増やすことにより、与圧室２へ直接供給するのに適した温度（４５°Ｆ程度）の調和空気を供給して、必要な冷房能力を満足できるようにしている。図中、符号１２で示すものはウォータセパレータ９からの排水を排出するためのラインであり、符号１３で示すものはアウトフローバルブである。
【００１４】
以上のような構成により、抽気Ｘの冷却を主としてベーパサイクルシステム５により行えば、ベーパサイクルシステム５はエアサイクルマシンを使うエアサイクルシステムと違ってエンジン１の高圧段から抽気する必要はなく、低圧段から最低必要新鮮換気量だけ抽気すればよいので、エアサイクルマシンを主体として構成したエアサイクルシステムを使用する場合に比べて抽気圧力が低くて済む（例えば４０psia→２０psia）。また、例えば１００人乗り旅客機の場合は、抽気量を約１００（ｌｂ／ｍｉｎ）から５０（ｌｂ／ｍｉｎ）に半減することができ、これらによりエンジン推力への影響を大巾に低減して燃費を約２倍程度にまで向上させることが可能となる。なお、ベーパサイクルシステム５においては、電動コンプレッサ５ｂ及びラムエア用ファン５ｃ１を使うので、電力が必要であるが、電力を使うことによる燃費への影響は、同じ冷房をエアサイクルシステムのみで行うことによる抽気抽出による燃費への影響の約１／１０程度以下であり、大勢に影響はない。しかも、本実施例のような構成は、エアサイクルシステムとベーパサイクルシステムの双方を採用して冷却を分担する場合に比べて、ベーパサイクル５自体の容量は大きくならざるを得ないものの、２つの冷却系統を別途独立に構成する場合に比べれば、全体の容積を２／３程度にまで確実に低減することができ、また部品点数が２／３程度にまで少なくできる分だけ信頼性を約１．５倍程度にまで確実に向上させることが可能となる。図２〜図４はこれらの比較例を示しているものである。
【００１５】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、図５に示すように、調圧弁８及びミキシングチャンバ１０をウォータセパレータ９の下流に配置し、予圧室２から再循環ライン１１を介して取り出される排気をエバポレータ５ａを通さずに再循環させるようにしてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、抽気を調温、調圧するための空調部を、抽気をラムエアによって予冷するための熱交換器と、この熱交換器を通過した抽気を更に冷却するためのベーパサイクルシステムとから構成したものである。
このため、抽気圧力と流量を減らして低燃費を実現することができる上に、エアサイクルシステムとベーパサイクルシステムを独立に設置する場合に比べて、小型で信頼性の高いシステムとすることができる。
【００１７】
また、高高度を巡行する場合等は、エンジン抽気の冷却は予冷用の熱交換器のみで十分に行えるので、ベーパサイクルシステムはアイドル状態で動作させることができ、より一層の燃料消費削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概略的なシステム図。
【図２】同実施例の作用を説明するための図。
【図３】同実施例の作用を説明するための図。
【図４】同実施例の作用を説明するための図。
【図５】本発明の変形例を示す概略的なシステム図。
【符号の説明】
１…エンジン
２…予圧室
３…空調部
４…熱交換器
５…ベーパサイクルシステム
Ｌ…ラムエア
Ｘ…抽気
Claims (1)
- 航空機のエンジンの低圧段から高温高圧の抽気を最低必要新鮮換気量だけ取り出し、これを空調部で調温、調圧した後、予圧室に供給するようにしたものにおいて、
前記空調部を、抽気をラムエアによって予冷するための熱交換器と、この熱交換器を通過した抽気を更に冷却するためのベーパサイクルシステムと、予圧室からの排気を取り出す再循環ラインと、再循環ラインを介して取り出した排気を抽気に混合するミキシングチャンバとから構成して、排気を抽気に混合することにより予圧室に供給するべき調和空気の流量を増量して予圧室に直接供給するのに適した温度に調整できるようにした航空機用空気調和装置。
Priority Applications (1)
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| JP23441398A JP3915263B2 (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 航空機用空気調和装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP23441398A JP3915263B2 (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 航空機用空気調和装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP3915263B2 true JP3915263B2 (ja) | 2007-05-16 |
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| JP23441398A Expired - Fee Related JP3915263B2 (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 航空機用空気調和装置 |
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Families Citing this family (3)
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