JP4023018B2

JP4023018B2 - 航空機の環境制御装置

Info

Publication number: JP4023018B2
Application number: JP01011299A
Authority: JP
Inventors: 孝裕鈴木; 頼和重定; 理佐藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2019-01-19
Also published as: JP2000203496A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機内に与圧用空気を供給し、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の環境制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機は、キャビンやコクピット等の与圧室に適温、適圧の調和空気を供給すべく、一般に環境制御装置を備えている。この環境制御装置は、調温、調圧以外にも、除湿の役割、与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、大気をそのまま取り込んだ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大気から与圧に必要な圧力等を直接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、調和空気として与圧室に供給する空気調和機構（ＡＣＳ）が設けられている。
【０００４】
この空気調和機構は、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】
一方、与圧室からは、抽気給気量に見合う量の排気を機外に排出することで、与圧室を換気しながら所定圧力に保つようにしており、そのために排気流路にアウトフローバルブを設け、前記空気調和機構とは独立に機能する与圧制御機構を構成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構成において、従来は前述した１次、２次熱交換器の熱交換用低温空気として大気をそのまま取り込むようにしている。このため、これが飛行抵抗（ラム・ペナルティ）となり、航空機の燃費に悪影響を与えているという問題がある。
【０００７】
そこで、大気の取り込みを極力抑制して燃費をより向上させるべく、与圧室を排気流路を介して前記熱交換器に接続し、与圧室からの排気を大気と共に熱交換用低温空気として熱交換器に導入し得るように構成することが、一つの有効な手段として考えられる。すなわち、与圧室からの排気は、大気よりは高温であるが、エンジン抽気に比べれば遙かに低温であり、熱交換用低温空気として十分に機能し得る。このため、熱交換用低温空気として導入する大気の一部をこの与圧室からの排気で賄えば、大気の取り込み量を減らすことができ、これにより飛行抵抗を低減して燃費向上を図ることができるからである。
【０００８】
しかしながら、単にこのような構成だけで、空気調和機構と与圧制御機構を別個独立に制御したのでは、一方の制御が他方の制御に悪影響を与えることがある。例えば、空気調和機構の始動時に大気導入路が急激に開かれて大量の大気がファン等により導入されると、与圧制御機構が働く前に与圧室内の空気もこれに連動して大量に吸い出される。このため、与圧室内に急激な圧力降下が生じ、搭乗者に不快感を与えてしまう。また、与圧室からの排気量を急激に増大させる必要がある場合に、排気流路が急激に開かれて大量の排気が与圧室より放出されると、熱交換用低温空気が一挙に増量する。このため、空気調和機構が働く前に熱交換器において抽気が過冷却され、与圧室に供給する空気の異常な温度低下を招く。
【０００９】
本発明は、これらの不都合を伴うことなく、大気取込量を極力抑制して燃費向上を図れるようにした航空機の環境制御装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【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の環境制御装置は、航空機のエンジン又は補助動力部から高温高圧の圧縮空気を抽出し、その抽気を、大気導入路により大気を直接取り込んで熱交換用低温空気として用いる熱交換器を備えた空気調和機構で調温、調圧して与圧室に供給するとともに、与圧室内の空気を与圧制御機構で与圧制御しながら排出することで室内を換気するようにしたものにおいて、前記与圧室を排気流路を介して前記熱交換器に接続し、与圧室からの排気を前記大気導入路からの大気と合流させて熱交換用低温空気として熱交換器に導入し得るように構成するとともに、前記大気導入路及び排気流路にそれぞれ第１、第２の流量制御手段を設ける。
【００１１】
そして、第１の流量制御手段を開いて急激に大量の大気を導入する際には第２の流量制御手段を通常制御位置よりも閉じぎみに制御して排気量を抑制するようにしたとともに、第２の流量制御手段Ｂを開いて急激に大量の排気を放出する際には第１の流量制御手段を通常制御位置よりも閉じぎみに制御して大気導入量を抑制するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
すなわち、前者の構成によれば、空気調和機構の始動時に排気流路を介し与圧室内の空気が大量に吸い出されることを防止して急激な与圧低下を回避することができ、後者の構成によれば、与圧室の排気増加時に熱交換用低温空気が増えて与圧室に供給すべき抽気が過冷却となることを防止して適正な与圧室温度を維持することができる。このように、本発明によれば、空気調和機構及び与圧制御機構の一方の制御が他方の制御に影響を及ぼす状態を事前に感知し、その影響を軽減する方向にフィードフォワード的にそれら両機構を制御するので、それらの機構を別個独立に機能させる場合に比べて所期の動作を適正に発揮させることができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を、図面を参照して説明する。
この実施例に係る航空機の環境制御装置は、エンジン１（補助動力部でもよい）と、キャビン２ａやコクピット２ｂ等の与圧室２との間を、空気調和機構３を介して接続するとともに、与圧室２の圧力を制御する与圧制御機構３０を設けた構成からなるもので、空気調和機構３は、コンプレッサ４及びタービン５からなるエアサイクルマシン６と、コンプレッサ４の入口４ａに抽気Ｘを導入する抽気ライン７と、コンプレッサ４の出口４ｂとタービン５の入口５ａとを接続するブートストラップ回路８と、タービン５の出口５ｂから出た空気を与圧室２に移送するための給気ライン９と、ブートストラップ回路８および給気ライン９の一部を利用して構成される除湿機構１０とを具備してなる。
【００１４】
抽気ライン７には、抽気Ｘが異常な高温状態で空気調和機構３に流入することを防ぎ、空気調和機構３を適正に作動させるとともに空気調和機構３に向かう配管を鉄等の重厚なものに代えて軽量であるが融点の低いアルミニウム等でまかなうことを可能にするプリクーラ１１と、エンジン１の運転状態に関わりなく一定圧、一定流量の抽気Ｘを確保するためのプレッシャレギュレータ１２及び流量制御バルブ１３と、その抽気Ｘを熱交換用低温空気１６との熱交換に供して冷却するための１次熱交換器１４とが配置してある。
【００１５】
エアサイクルマシン６は、コンプレッサ４とタービン５の間をシャフト１５で単軸結合した構成からなるもので、タービン５の発生動力をコンプレッサ４に入力するようにしている。
ブートストラップ回路８は、コンプレッサ４で圧縮し昇温した空気を熱交換用低温空気１６との熱交換によって効率良く冷却するための２次熱交換器１７を具備し、この２次熱交換器１７を通過した空気をタービン５に入力して、該タービン５において断熱膨脹仕事をさせるようにしている。
【００１６】
給気ライン９は、タービン５の出口５ｂと与圧室２との間を連通させるものである。
除湿機構１０は、前記ブートストラップ回路８に配置したリヒータ１８、コンデンサ１９及びウォータエキストラクタ２０からなる。コンデンサ１９は、ブートストラップ回路８においてコンプレッサ４で圧縮され露点の上がった空気を効率良く冷却して水分を凝縮させる目的と、給気ライン９においてタービン５の出口５ｂから流出する空気の極端な低温状態を解消する目的とを兼ねて、両空気を熱交換させるものである。ウォータエキストラクタ２０は、内部に流入した空気を旋回流状態にすることができる内部構造を有したもので、コンデンサ１９で水分を凝縮させた空気を導いて旋回流により比重の大きい水分のみを遠心力で分離し主として除湿した空気のみを流出させ得るものである。リヒータ１８は、ブートストラップ回路８の上流にあってコンデンサ１９に向かう空気の予冷と、同回路８の下流にあってウォータエキストラクタ２０を出た空気をタービン５の出口５ｂで氷結させないための予熱とを兼ねて、両空気を熱交換させるものである。
【００１７】
一方、与圧制御機構３０は、与圧室２への抽気Ｘの給気量に見合う排気１６ｂを放出することで、与圧室２を所定圧に保つものである。
なお、本実施例では、与圧室２の排気１６ｂの一部を循環させるリサイキュレーション部２３を設けている。このリサイキュレーション部２３は、与圧室２の空気の一部をファン２４により取り込んで前記給気ライン９の末端付近に配置したチャンバ２５に導き、新たに導入される低温空気と合流させるようにしたもので、与圧室２に極端に低い空気が導入されることを防ぐ温度調整機能を主目的としている。
【００１８】
以上のような構成において、本実施例は、前記熱交換用低温空気１６に、機外から導入した大気１６ａ及び与圧室２から排出される排気１６ｂの双方を混合して用いるようにしている。そのために、熱交換用低温空気１６の流通系路１６Ｘの流入端側を分岐させ、一方の分岐端をダクト２１を介して機外の大気１６ａを取り入れ得る位置に連通させるとともに、他方の分岐端を排気流路３１を介して与圧室２の排気部分に接続して、与圧室２から排出される排気１６ｂのほぼ全量を新たに取り入れる大気１６ａと合流させて両熱交換器１７、１４に導入するようにしている。
【００１９】
また、前記エアサイクルマシン６のシャフト１５に大気導入用のファン２２を一体回転可能に取り付け、また前記ダクト２１に大気導入用のラムドア２１ａを設けて、ラムドア２１ａを例えばエンジン１のスロットル開度等に応じてコントローラ１００で制御することにより熱交換器１７、１４へ供給する大気１６ａの導入量を調節するとともに、与圧室２の排気部分にアウトフローバルブ３０ａを設け、このバルブ３０ａを所定与圧となるようにコントローラ２００で制御することにより排気放出量を調節するようにしている。ラムドア２１ａ及びコントローラ１００は本発明に係る第１の流量制御手段Ａを構成し、アウトフローバルブ３０ａ及びコントローラ２００は本発明に係る第２の流量制御手段Ｂを構成している。
【００２０】
ここで、この航空機の環境制御装置の作動について説明しておく。先ず、エンジン１からの抽気Ｘは抽気ライン７の始端にあるプリクーラ１１で降温され、プレッシャレギュレター１２及び流量制御バルブ１３で一定圧、一定量とされて、１次熱交換器１４で冷却された後にエアサイクルマシン６のコンプレッサ４に入力され、圧縮される。このコンプレッサ４を出た空気は、２次熱交換器１７で効率良く冷却され、リヒータ１８で更に冷却された後、コンデンサ１９に入力されて水分を凝縮される。その水分は、次段に配置したウォータエキストラクタ２０で除去され、除湿後の空気がリヒータ１８により適度に昇温されてタービン５に入力される。その後、タービン５で断熱膨脹仕事をすることによって自ら自冷した空気は、コンデンサ１９を通過した後、チャンバ２５で与圧室２の循環空気と合流することにより適温となって与圧室２の入口より該与圧室２に導入される。
【００２１】
一方、与圧室２からの排気１６ｂは排気流路３１を通じて機外から取り込まれる大気１６ａと共に熱交換用低温空気１６として両熱交換器１７、１４に導入され、それらの熱交換器１７、１４を通過する抽気Ｘから熱を奪った後、再び機外に排出される。
このように、上記の構成によれば、与圧室２からの排気１６ｂは大気１６ａよりは高温であるが、抽気Ｘに比べれば遙かに低温であり、熱交換用低温空気１６として十分に機能し得る。このため、熱交換用低温空気１６として導入する大気１６ａの一部をこの与圧室２からの排気１６ｂで賄えば、大気１６ａの取り込み量を減らせることになり、これにより飛行抵抗を低減して燃費向上を図ることができる。
【００２２】
例えば、従来例に相当する図２（ａ）の構成で、同図中括弧書きで示すように抽気流量（すなわち排気流量）と機外からの大気の取込量とが１：２であるとする。これに対して、図１を模式化した図２（ｂ）では、熱交換用低温空気１６の総量は（ａ）の場合と同じであるが、機外からの大気１６ａの取込量は（ａ）の１／２で済む。したがってラムペナルティが１／２になる。
【００２３】
そして、本実施例は更に、前記コントローラ１００、２００の付加的な制御機能として、第１の流量制御手段Ａのラムドア２１ａを急激に開いてファン２２により大量の大気１６ａを導入する際には第２の流量制御手段Ｂのアウトフローバルブ３０ａを通常制御位置よりも閉じぎみに制御して排気量を抑制するようにし、また、第２の流量制御手段Ｂのアウトフローバルブ３０ａを開いて急激に大量の排気１６ｂを放出する際には第１の流量制御手段Ａのラムドア２１ａを通常制御位置よりも閉じぎみに制御して大気導入量を抑制するようにしている。
【００２４】
具体的な作動例としては、空気調和機構３の始動時には大気導入路２１を介して与圧室２内の空気が大量に吸い出されることを予測する信号がコントローラ１００からコントローラ２００に入力され、これによりアウトフローバルブ３０ａが事前に閉じられて、急激な与圧低下が回避される。また、与圧制御機構３０のアウトフローバルブ３０ａが機内空気の排気１６ｂを急激に大きくした場合には、熱交換器１７、１４を冷却する熱交換用低温空気量が増加することを予測する信号がコントローラ２００からコントローラ１００に入力され、これによりラムドア２１ａが事前に閉じられて、空気調和機構３から与圧室２へ向かう抽気Ｘの急激な過冷却が回避される。
【００２５】
このように、本実施例によれば、空気調和機構３及び与圧制御機構３０の一方の制御が他方の制御に影響を及ぼす状態を事前に感知してその影響を軽減する方向に両コントローラ１００、２００を通じてフィードフォワード的に制御するので、両機構３、３０を独立に機能させる場合に比べてそれら両機構３、３０の適正な動作を確保し、搭乗者により快適な居住性を提供することが可能となる。
【００２６】
なお、流量制御手段の構成は配置を始め、各部の具体的な構成は図示実施例のもの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。また、スロットルのオンオフ動作のように抽気の圧力が急激に変化する場合、空気調和機構３から与圧室２内への供給空気量が変化する。このため、その変化を予測する信号を与圧制御機構３０に送ることによって、与圧室２内の急激な圧力変化による不快現象を避けるようにすることもできる。さらに、上記実施例ではエアサイクルマシン６に３ホイールタイプを用い、除湿機構１０に露点を高くして水分を凝縮させるＨＰＷＳ方式を採用したが、２ホイールタイプ＋ＬＰＷＳ（ロープレッシャウォータセパレータ）方式のものや、２ホイールタイプ＋ＨＰＷＳ方式のもの、３ホイールタイプ＋ＬＰＷＳ方式のもの、４ホイールタイプ＋ＨＰＷＳ方式のものなど、種々の空気調和機構を主体として航空機の環境制御装置を構成することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、与圧室からの排気を熱交換用低温空気として用いることにより、大気の取込量を抑制してラムペナルティを低減し、これにより燃費を大巾に向上させた航空機の環境制御装置を構築することができる。また、本発明は、空気調和機構と与圧制御機構とを連動して制御するので、従来に比べて木目細かい空調制御ができ、搭乗者の居住性もより快適なものにすることが可能となる。すなわち、空気調和機構の始動時には事前に排気流路を絞って与圧室内の圧力低下につながる空気の吸出現象を防止し、また、与圧室の排気増加時には事前に大気導入路を絞って与圧室の過冷却につながる熱交換用への低温空気の増量現象を防止するので、両機構の制御が相互に悪影響を及ぼし合うことを回避して与圧室に本来の快適な制御状態を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すシステム図。
【図２】同実施例を模式化して従来構成と対比して示す図。
【符号の説明】
１…エンジン
２…与圧室
３…空気調和機構
１４…１次熱交換器
１６…熱交換用低温空気
１６ａ…大気
１６ｂ…排気
１７…２次熱交換器
２１…大気導入路
３０…与圧制御機構
３１…排気流路
Ａ…第１の流量制御手段
Ｂ…第２の流量制御手段
Ｘ…抽気

Claims

航空機のエンジン又は補助動力部から高温高圧の圧縮空気を抽出し、その抽気を、大気導入路により大気を直接取り込んで熱交換用低温空気として用いる熱交換器を備えた空気調和機構で調温、調圧して与圧室に供給するとともに、与圧室内の空気を与圧制御機構で与圧制御しながら排出することで室内を換気するようにしたものにおいて、
前記与圧室を排気流路を介して前記熱交換器に接続し、与圧室からの排気を前記大気導入路からの大気と合流させて熱交換用低温空気として熱交換器に導入し得るように構成するとともに、前記大気導入路及び排気流路にそれぞれ第１、第２の流量制御手段を設け、第１の流量制御手段を開いて急激に大量の大気を導入する際には第２の流量制御手段を通常制御位置よりも閉じぎみに制御して排気量を抑制するようにしたとともに、第２の流量制御手段を開いて急激に大量の排気を放出する際には第１の流量制御手段を通常制御位置よりも閉じぎみに制御して大気導入量を抑制するようにしたことを特徴とする航空機の環境制御装置。