JP4039105B2 - 航空機用空気調和装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定翼機および回転翼機を含む航空機に搭載される空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機における空気調和装置として、エンジンの圧縮部で圧縮されたエンジン抽出空気をラジアルコンプレッサで断熱圧縮し、これを冷却した後に膨張タービンにより断熱膨張することで冷気を得るエアサイクル式冷却装置が従来から使用されている。
【０００３】
軍用機の中には、ミッション中に燃料タンクに被弾した場合に爆発するのを防ぐためにＯＢＩＧＧＳ（On Board Inert Gas Generation System）を備えるものがある。そのＯＢＩＧＧＳは、エンジン抽出空気を窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する選択透過膜を有する空気分離部を備え、その空気分離から排出される窒素富化ガスを燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域に供給する。近年の民間航空機における事故調査から、燃料タンク内の空間に溜まった空気と燃料蒸気との混合物に機内の配線などから生じたスパークが引火し、火災が発生することが判明している。そのような火災を防止するため、民間航空機においても上記ＯＢＩＧＧＳを採用することが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＯＢＩＧＧＳにおいては、空気分離部から排出される酸素濃縮空気は機外空間に放出され、有効利用されることなく無駄になっている。また、空調装置から独立したＯＢＩＧＧＳでは、空調用とは別にエンジン抽出空気を空気分離部に導入するためエンジン負荷が増大する上に、ＯＢＩＧＧＳ用と空調用との両方の配管等が必要となる。一方、従来の空気調和装置自体も、これを構成するコンプレッサやタービンにおける空気流量が飛行条件の変化に伴い大きく変動し、効率の良い運転条件の維持が困難であった。さらに、飛行中の安全確保のためには空気調和装置においてもフェールセーフのため冗長性が要求されている。
本発明は上記問題を解決することのできる航空機用空気調和装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の航空機用空気調和装置は、コンプレッサによって圧縮された空気を膨張タービンにより膨張させることでキャビン内に導入される冷気を生成する複数の冷却処理ユニットと、そのキャビンからの流出空気を圧縮する混合前コンプレッサを有する複数の圧縮処理ユニットとを備え、エンジンからの抽出空気と各圧縮処理ユニットの混合前コンプレッサによって圧縮された空気とが、混合後に各冷却処理ユニットのコンプレッサに導入可能とされ、各冷却処理ユニットは、そのコンプレッサにより圧縮された空気を窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する空気分離部を有し、その窒素富化ガスは航空機の燃料周囲領域に導入可能とされ、その酸素濃縮空気はキャビンに導入可能とされ、各冷却処理ユニットは、互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされ、各圧縮処理ユニットは、互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされ、作動状態とされる冷却処理ユニットの数と作動状態とされる圧縮処理ユニットの数とが設定変更可能とされている。
本発明によれば、空気分離部から排出された酸素濃縮空気をキャビンに供給することで有効利用できる。
また、キャビンから流出する空気により、空気分離部を含む冷却処理ユニットに必要な空気量のかなりの部分が賄われるため、エンジン抽出空気量を抑制してエンジン負荷を軽減できる。
また、複数の冷却処理ユニットと圧縮処理ユニットはそれぞれ互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能であるため、冷却処理ユニットや圧縮処理ユニットの構成要素が部分的に故障しても空気調和装置として機能することができる。
さらに、作動状態とされる冷却処理ユニットの数と作動状態とされる圧縮処理ユニットの数とを設定変更できるので、冷却処理ユニットの個々のコンプレッサとタービンおよび圧縮処理ユニットの個々の混合前コンプレッサにおける作動している場合の空気流量の変動を小さくでき、ほぼ定格状態での運転を可能にして運転効率を向上して省エネルギー化を図ることができる。すなわち、飛行状態の相違に応じてキャビンに必要な空調空気の圧力や温度および窒素富化ガスの必要流量が異なることから、冷却処理ユニットと圧縮処理ユニットを通過する全空気流量（質量流量）も飛行状態の相違に応じて相違する。例えば、駐機時に冷却処理ユニットのコンプレッサと膨張タービンとを冷房のためにフル作動させる時に冷却処理ユニットの全空気流量が最大になり、駐機時以外の時に最小値あるいは最小値に近い値になり、全空気流量の最大値が最小値の２倍程度になるような場合がある。このような場合、冷却処理ユニットを２ユニットとし、駐機時は２ユニットを作動状態とし、それ以外の時は１ユニットを作動状態とすることで、冷却処理ユニットを構成するコンプレッサとタービンを常に略定格に近い効率の高い領域で運転できる。また、圧縮処理ユニットを通過する全空気流量は、冷却処理ユニットを通過する全空気流量からエンジン抽出空気流量を差し引いた値に等しくなる。中型機や大型機のようにエンジン抽出空気流量を減らしてエンジン負荷の低減を図るような場合、圧縮処理ユニットの全空気流量の最大値と最小値の差は大きくなる。例えば、圧縮処理ユニットの全空気流量の最大値が最小値の３倍程度になる場合、圧縮処理ユニットを３ユニットとし、駐機時は３ユニットを作動状態とし、高々度からの降下時のようにエンジン抽出空気を冷却処理ユニットに供給しない時は２ユニットを作動状態とし、それ以外の時は１ユニットを作動状態とすることで、圧縮処理ユニットを構成する混合前コンプレッサを常に略定格に近い効率の高い領域で運転できる。また、小型機のようにエンジン抽出空気流量の最大要求量が小さく、相対的に余裕がある場合、圧縮処理ユニットの全空気流量の最大値と最小値の差は小さくなり、例えば最大値が最小値の２倍程度になる。このような場合は圧縮処理ユニットを２ユニットとし、駐機時は２ユニットを作動状態とし、それ以外の時は１ユニットを作動状態とすることで、圧縮処理ユニットを構成する混合前コンプレッサを常に略定格に近い効率の高い領域で運転可能になる。
【０００６】
なお、各冷却処理ユニットにおいて、タービンの回転をシャフトを介してコンプレッサに伝達することで、膨張仕事を圧縮動力に変換してエネルギの無駄をより少なくできる。その回転シャフトを支持する軸受けとして動圧ガス軸受けを採用する場合、シャフト回転速度が一定化されるので、回転数が低下することなく動圧が維持されるため軸受けとシャフトとの接触機会を少なくし、軸受け寿命を向上できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に示す第１実施形態の航空機用空気調和装置は、エンジン１からの抽出空気を、プリクーラ２と呼ばれる熱交換器により冷却し、流量制御バルブ３９で流量調整し、後述の循環空気と混合した後にラジアルコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮する。その流量制御バルブ３９は図外コントローラからの信号により開度調整可能とされている。これにより昇温された空気をメインクーラ４と呼ばれる熱交換器により冷却した後、再生熱交換機４ａで冷却し、水分捕捉のためにウォータセパレータ７に導く。そのウォータセパレータ７で水分除去された空気は、互いに並列に接続された複数の空気分離ユニットＵに導かれる。各空気分離ユニットＵは、互いに並列に接続された空気分離部１６と分離バイパス流路７５とを有する。その分離バイパス流路７５は開閉バルブ４１により開閉され、その開閉バルブ４１はコントローラからの信号により開度調整される。その空気分離部１６はコンプレッサ３で圧縮された空気を酸素濃縮空気と窒素富化ガスとに分離する。その酸素濃縮空気と分離バイパス流路７５から流出する空気は膨張タービン５でほぼ断熱的に膨張される。これにより、コンプレッサ３と膨張タービン５とにより構成されるエアサイクル式冷却装置により冷気が生成される。その冷気は再生熱交換機４ａからミキシングチャンバ１３を介して航空機のコックピット空間を含むキャビン８に導入される。そのプリクーラ２およびメインクーラ４においては、ラム空気路９を通る機外空気により冷却が行われる。その膨張タービン５の膨張仕事は、シャフト６を介してコンプレッサ３に伝えられることで圧縮動力として利用される。そのシャフト６は動圧ガス軸受けにより支持されるのが好ましい。そのコンプレッサ３とタービン５を結ぶシャフト６に、コンプレッサ３の駆動に必要な動力を補助するためのモータ６ａが取り付けられている。
【０００８】
そのラジアルコンプレッサ３、メインクーラ４、再生熱交換機４ａ、膨張タービン５、モータ６ａ、ウォータセパレータ７および空気分離ユニットＵにより冷却処理ユニットＡが構成されている。本実施形態の冷却処理ユニットＡの数は２とされている。各冷却処理ユニットＡは互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされている。本実施形態では、各冷却処理ユニットＡそれぞれにおけるエンジン抽出空気導入口の開閉バルブＶ１、Ｖ２と、後述の各圧縮処理ユニットＢとの接続口の開閉バルブＶ３、Ｖ４とがコントローラからの信号により開閉されることで、各冷却処理ユニットＡは作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされている。
【０００９】
エンジン１からの抽出空気を上記エアサイクル式冷却装置を通ることなくキャビン８に導くためのバイパス空気流路１１が設けられている。そのバイパス空気流路１１はホットエアモジュレートバルブ１２により開閉される。そのホットエアモジュレートバルブ１２はコントローラからの信号により開度調整可能とされている。これにより、バイパス空気流路１１を流れる空気流量が調整可能とされている。抽出空気の一部は、そのホットエアモジュレートバルブ１２を開くことで、コンプレッサ３と膨張タービン５とから構成されるエアサイクル式冷却装置で冷却されることなく、バイパス空気流路１１からミキシングチャンバ１３を介してキャビン８に導かれる。そのキャビン８内の空気は、空気調和装置からの供給分から機体の漏れや機外への空気流路からの放出分を差し引いた分に相当する量だけ流出空気流路４０に流出され、その流出空気流路４０においてフィルター４２により埃や匂いが除去される。その流出空気流路４０に流出された空気の一部はファンＦ１を介してミキシングチャンバ１３に導かれる。
【００１０】
その流出空気流路４０から分岐する補助空気流路７１が再生熱交換機７２に接続されている。キャビン８から流出空気流路４０を介して流出した空気の一部はファンＦ２により補助空気流路７１に導かれた後に再生熱交換機７２により加熱される。その補助空気流路７１と流出空気流路４０とに、吸着部８３が空気流路切替機構５０を介して接続される。すなわち図２に示すように、多数の吸着部８３が回転ドラム８０の内部にハニカム状に設けられ、その長手方向は回転軸方向に延びる。各吸着部８３内に吸着剤が充填されている。その吸着剤は、空気に含まれる分子を吸着し、また、吸着時よりも温度が上昇することで吸着した分子を放出するもので、例えばシリカゲルのような水分子吸着物質や、ゼオライトのような酸素分子吸着物質から構成できる。本実施形態では、その吸着剤として水分子吸着物質が用いられる。その回転ドラム８０の両端面にセパレータ８１が相対回転可能にシール部材（図示省略）を介して接合されている。各セパレータ８１は、外輪８１ａと内輪８１ｂとを２本のアーム８１ｃにより接続することで構成され、航空機の機体側に固定される。各セパレータ８１の内輪８１ｂにより、回転ドラム８０の中心シャフト８０ａが軸受（図示省略）を介して回転可能に支持される。その中心シャフト８０ａにモータ８２が接続され、そのモータ８２がコントローラ２５からの信号により駆動されることで回転ドラム８０は回転する。各セパレータ８１における外輪８１ａと内輪８１ｂとの間は、２本のアーム８１ｃにより２つの領域８１ｄ、８１ｅに区画されている。各セパレータ８１における一方の領域８１ｄは配管継手８４を介して補助空気流路７１に接続され、他方の領域８１ｅは配管継手８５を介して流出空気流路４０に接続される。これにより、その回転ドラム８０の回転により、各吸着部８３それぞれを補助空気流路７１に接続する状態と流出空気流路４０に接続する状態とに切替える空気流路切替機構５０が構成されている。なお、吸着部８３と空気流路切替機構５０の構造は特に限定されず、例えば複数の容器内に吸着剤を充填することで吸着部を構成し、各吸着部を補助空気流路７１と流出空気流路４０とに交互に接続する切り替えバルブにより空気流路切替機構を構成してもよい。
【００１１】
その補助空気流路７１から吸着部８３に導かれた空気は第３切替えバルブ２７に導かれる。その第３切替えバルブ２７は、そこに導かれた空気を機外空間１４に放出する状態と、ミキシングチャンバ１３を介してキャビン８に導く状態とにコントローラからの信号により空気流路を切替え可能である。
【００１２】
その補助空気流路７１を流れる空気の温度は再生熱交換機７２により加熱されることで例えば１００℃〜１４０℃になり、一方、キャビン８から流出空気流路４０に導かれる空気の温度は例えば２０℃〜３０℃になる。これにより、キャビン８から流出空気流路４０を介して導入される空気が流れる時は低温になるので、吸着部８３の吸着剤はキャビン８から流出される空気に含まれる有効成分（本実施形態では水分子）を吸収する。一方、補助空気流路７１を介して導入される空気が流れる時は高温になるので、吸着部８３の吸着剤は流出空気流路４０を介して導入される空気から吸収した水分子を補助空気流路７１を介して導入される空気中に放出することで再生する。例えば、各吸着剤がシリカゲルである場合、２０℃ではシリカゲル１．０ｋｇに０．２５ｋｇ以上の水分子を吸着できるが、１００℃ではシリカゲル１．０ｋｇに０．０２ｋｇ以下の水分子しか吸着できない。これにより、キャビン８から流出される空気中の水分子を、吸着剤により吸着した後にキャビン８に還流する空気中に放出することでキャビン８に戻し、キャビン８の快適性を向上することができる。しかも、吸着剤は再度利用できるように再生される。各吸着部８３の吸着剤を酸素分子吸着物質として機能するゼオライトとした場合は、キャビン８から流出される空気中の酸素分子を、吸着剤により吸着した後にキャビン８に還流する空気中に放出することでキャビン８に戻し、キャビン８の快適性を向上することができる。しかも、吸着剤を再度利用できるように再生できる。各吸着剤を水分子を吸着する吸着剤と酸素分子を吸着する吸着剤の双方により構成すれば、水分と酸素の両方を吸着できるので、キャビン８の快適性をより向上できる。この場合、そのシリカゲルとゼオライトは交互に層状に配置するのが好ましい。
【００１３】
その空気流路切替機構５０により、流出空気流路４０から吸着部８３に導かれた空気は、モータ１８で駆動される混合前コンプレッサ１７に導かれる。その混合前コンプレッサ１７によりキャビン８からの流出空気が圧縮される。その混合前コンプレッサ１７により昇圧された空気は、再生熱交換機７２において補助空気流路７１を流れる空気と熱交換し、放熱器１９においてラム空気路９を通る機外空気により冷却された後に、第４切替えバルブ３６に導かれる。その第４切替えバルブ３６は、コントローラからの信号により、導かれた空気をミキシングチャンバ１３を介してキャビン８に導く状態と、エアサイクル式冷却装置に導く状態とに空気流路を切替え可能である。
【００１４】
その混合前コンプレッサ１７、放熱器１９、モータ１８、第４切替えバルブ３６、空気流路切替機構５０、再生熱交換機７２、吸着部８３、ファンＦ２によって、キャビン８からの流出空気の圧縮処理ユニットＢが構成されている。本実施形態の圧縮処理ユニットＢの数は３とされている。各圧縮処理ユニットＢは、互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされている。本実施形態では、各圧縮処理ユニットＢそれぞれにおける流出空気流路４０との接続口の開閉バルブＶ５、Ｖ６、Ｖ７と、補助空気流路７１との接続口の開閉バルブＶ８、Ｖ９、Ｖ１０とがコントローラからの信号により開閉されることで、各圧縮処理ユニットＢは作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされている。
【００１５】
そのキャビン８から流出空気流路４０を介して流出する空気が第４切替えバルブ３６を介して再びキャビン８に戻されることでリサキュレーション空気流路が構成される。第４切替えバルブ３６は、キャビン８から流出する空気をミキシングチャンバ１３を介して直接キャビン８に戻す場合とエアサイクル式冷却装置を介して戻す場合との切り換えを行う。これにより、そのキャビン８から流出する空気は再びキャビンに戻る循環空気となる。そのキャビン８に戻る循環空気とエンジン１からの抽出空気とが混合されるように、その循環空気の空気流路と抽出空気の空気流路とが接続される。本実施形態では、その第４切替えバルブ３６を介してエアサイクル式冷却装置に導かれる循環空気は、流量制御バルブ３９を介して供給される抽出空気と混合される。これにより、エンジン１からの抽出空気と各圧縮処理ユニットＢの混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気とが混合された後に各冷却処理ユニットＡのコンプレッサ３に導入可能とされている。その混合された循環空気と抽出空気とがコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮された後に、上記空気分離部１６に導入される。
【００１６】
図３に示すように、複数（本実施形態では４ユニット）の空気分離ユニットＵそれぞれは、上記ウォータセパレータ７に接続される空気導入口Ｕ１と、互いに接続されると共に上記膨張タービン５に接続される酸素濃縮空気排出口Ｕ２と、互いに接続されると共に上記燃料周囲領域１５に接続される窒素富化ガス排出口Ｕ３とを有する。
【００１７】
図４に示すように、各空気分離部１６は選択透過膜１６ａを有する。その選択透過膜１６ａは、空気中の窒素（Ｎ₂ ）の透過率が酸素（Ｏ₂ ）の透過率よりも高くされている。これにより、コンプレッサ３により圧縮された空気は、再生熱交換機４ａで冷却されてウォータセパレータ７を通過した後に、空気分離部１６により窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離される。その窒素富化ガスは燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域１５に導かれた後に機外空間１４に放出される。その酸素濃縮空気は膨張タービン５に導かれる。上記開閉バルブ４１はコントローラからの信号により開度調整可能とされ、選択透過膜１６ａを通過する空気流量が調整可能とされている。なお、選択透過膜１６ａの外側は、燃料周囲領域１５におけると同様ほぼ機外圧力となっている。本実施形態では、各空気分離部１６を構成する選択透過膜１６ａは多数の中空糸膜からなり、それら中空糸膜は容器１６ｃに収納されると共にエポキシ等の樹脂製バインダ１６ｂの中に両端が埋設されることで束ねられ、そのバインダ１６ｂにより容器１６ｃの内周と中空糸膜の両端外周との間が封鎖される。その容器１６ｃの一端開口は、各中空糸膜の一端開口と上記空気導入口Ｕ１とに接続されることでコンプレッサ３により圧縮された空気を導入するための空気の導入ポート１６ｄとされる。その容器１６ｃの他端開口は、各中空糸膜の他端開口と上記酸素濃縮空気排出口Ｕ２とに接続される酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅとされる。その容器１６ｃの両端間に形成された開口は、各中空糸膜の両端間外周と上記窒素富化ガス排出口Ｕ３とに接続される窒素富化ガスの排出ポート１６ｆとされている。その窒素富化ガスの排出ポート１６ｆから排出される窒素富化ガスが燃料周囲領域１５に導入され、その酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅから排出される酸素濃縮空気が膨張タービン５を介してキャビン８に導入される。上記コンプレッサ３と膨張タービン５との間の空気流路における空気の導入ポート１６ｄの上流と酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅの下流とが上記分離バイパス流路７５により連絡され、その分離バイパス流路７５の開度が上記開閉バルブ４１により変更される。
【００１８】
各空気分離部１６における空気の導入ポート１６ｄを開閉する導入側バルブ１６ｇと、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅを開閉する酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｈと、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆを開閉する窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉとが設けられている。各バルブ１６ｇ、１６ｈ、１６ｉにより空気の導入ポート１６ｄ、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅおよび窒素富化ガスの排出ポート１６ｆは同時に全閉可能とされている。その導入側バルブ１６ｇ、酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｈ、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉは手動により作動するものでもよいし、アクチュエータにより作動されるものでもよく、アクチュエータにより作動される場合はアクチュエータをオペレータのスイッチ操作により制御してもよいしコントローラにより制御してもよい。なお、図３に示すように、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉと燃料周囲領域１５との間の配管は、空気分離部１６と航空機の機外とを連絡する外部連絡流路を構成する。その外部連絡流路に絞り部Ｅ１が設けられている。その絞り部Ｅ１は固定絞りでも可変絞り弁でもよい。これにより、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉが開き状態で固着される事態が生じても、キャビン８に供給されるべき空気が機外に過剰に流出するのを阻止できる。例えば、その窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉが全開になることで絞り部Ｅ１の上流側と下流側の圧力比が最大（例えば約１．９以上）になっても規定流量（例えば１０ＬＢＳ／ｍｉｎ（４．５ｋｇ／ｍｉｎ））以上のガスは絞り部Ｅ１の下流では流れないようにできる。
【００１９】
上記実施形態の空気調和装置を備えた航空機が地上にある時の冷房状態においては、流量制御バルブ３９を開状態にすることで、コンプレッサ３と膨張タービン５とから構成されるエアサイクル式冷却装置をフルに作動することができる。この場合、開閉バルブ４１は必要に応じて開度を選択すればよい。すなわち、開閉バルブ４１を全開とすることで、空気分離部１６に空気を導入しないようにできる。これにより、地上において燃料が積み込まれることで燃料タンクの内部における空洞容積が小さくなり、地上走行（タキシング）を含めても燃料消費が僅かであり、気圧の変化がないことにより、燃料周囲領域１５への窒素富化ガスの追加供給が不要な場合に対応できる。
あるいは、開閉バルブ４１を閉じることで、空気分離部１６に空気を導入することができる。これにより、航空機が地上で待機している間に燃料タンクから蒸発する燃料ガスを、空気分離部１６から供給する窒素富化ガスにより希釈して安全性を向上することが可能になる。
また、地上が高温多湿である場合、開閉バルブ４１を閉じることで、選択透過膜１６ａは水分透過率が高いことから空気中の水分を機外に放出することができる。これにより、膨張タービン５に導入される空気中の水分が減少し、凝縮熱の発生が低減されるので、冷却能力を向上すると共にキャビン８内の湿度を低減することが可能になる。
また、高温多湿の地上での冷房状態において、キャビン８から流出した空気から水分を捕捉した吸着部８３の吸着剤の再生を行うことができる。その再生に用いられた水分を多く含んだ空気は、第３切替えバルブ２７を介して機外空間１４に放出される。これにより、地上での冷房時は、キャビン８内の水分を吸着部８３において補足して放出するので、キャビン８内の湿度上昇を抑制して快適性を向上でき、さらに、キャビン８から流出されて吸着部８３から流出する水分除去された空気は、第４切替えバルブ３６からキャビン８に還流される。
なお、航空機が地上にあってエンジンが停止している際は、エンジン１に代えてＡＰＵ（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ）などの高圧空気供給ユニット１′からの抽出空気を空気調和装置に供給することが可能とされている。
【００２０】
航空機が離陸し上昇する状態においては、エンジン１の出力が上がるために抽出空気の圧力が高くなる。このため、エアサイクル式冷却装置におけるタービン５での膨張比が大きくなり、より低温の空気が供給される。この場合、エアサイクル式冷却装置から供給される空気によりキャビン８内の温度が過剰に低下するのを防止する必要がある。また、航空機の上昇状態においては外気の温度と水蒸気量とが急激に低下するため、キャビン８内の湿度が過剰に低下するのを防止する必要がある。そのため、吸着部８３において再生された暖かく水分を含む空気が、第３切替えバルブ２７を介してキャビン８に供給される。また、放熱器１９を航空機の上昇中の状態に応じて機能させることで、キャビン８から流出されて吸着部８３から流出する水分除去された空気は、切替えバルブ３６からキャビン８に還流され、キャビン８は適切な温度、湿度に維持される。
また、上昇状態においては、離陸のための滑走状態から開閉バルブ４１の開度を次第に絞ることで、空気分離部１６に供給される空気を次第に増加させる。これにより、燃料消費に応じた量の窒素富化ガスが空気分離部１６から燃料周囲領域１５に供給される。さらに抽出空気の供給圧が高いため、膨張タービン５の膨張エネルギの方がコンプレッサ３の圧縮仕事よりも著しく大きい場合は、モータ６ａを発電機として機能させエネルギ回収をすることも考えられる。
【００２１】
航空機が高々度で巡航する状態においては、キャビン８から流出されて吸着部８３から流出する水分除去された空気は、混合前コンプレッサ１７で昇圧された後に切替えバルブ３６からコンプレッサ３に導かれる。これにより、上昇終了後にエンジン１の出力が絞られることで抽出空気量を減少させても、エアサイクル式冷却装置および空気分離部１６に導入される空気量を確保できる。この時、開閉バルブ４１がかなり絞られる。空気分離部１６において酸素が濃縮された空気が膨張タービン５に導入される。さらに、吸着部８３において加湿された空気が第３切替えバルブ２７からキャビン８に導入される。これにより、キャビン８に導入される空気量を確保し、キャビン８内の酸素分圧低下を防止し、さらに湿度を維持することで快適性を維持できる。また、空気分離部１６からは窒素富化ガスが燃料周囲領域１５に供給される。
なお、高々度で巡航する際は機外空気は低温となるため、熱交換器２、４に流入する機外空気を絞る弁や、機外空気が熱交換器２、４をバイパスするためのバイパス流路と流路切替え弁をラム空気路に設けるのが好ましい。
【００２２】
航空機が降下する状態においては、燃料タンクの内部における空洞容積は燃料が消費された結果大きくなっており、また、降下による気圧上昇があることから、燃料周囲領域１５へ窒素富化ガスを大量供給する必要がある。一方、エンジン１の出力は降下時は絞られるため、エアサイクル式冷却装置に供給される抽出空気圧力が低く、高圧の抽出空気の確保が難しくなる。そこで、キャビン８から流出される空気を圧縮処理ユニットＢから切替えバルブ３６を介してコンプレッサ３に導き、エアサイクル式冷却装置における高圧の抽出空気量の低下を補う。また、開閉バルブ４１が全閉とされて空気分離部１６からは窒素富化ガスが燃料周囲領域１５に供給される。さらに、吸着部８３において加湿された空気も第３切替えバルブ２７からキャビン８に導入され、キャビン８への空気供給量の低下を防止する。特に高々度ではエンジン１の出力が絞られると、もともとの取り込まれる外気圧が低いため、エンジン抽気圧自体も低くなっており、圧縮処理ユニットＢからの空気圧と比べても低く、混合できる状態ではないため、流量制御バルブ３９を全閉とし、ホットエアモジュレートバルブ１２を開いてエンジン抽出空気をキャビン８に直接導入する。
【００２３】
上記飛行条件の相違に応じて、作動状態とされる冷却処理ユニットＡの数と作動状態とされる圧縮処理ユニットＢの数とが設定変更可能とされている。
例えば、空気調和装置に供給される空気の全量が従来のようにエンジン抽出空気によって賄われるとした場合、乗客の快適性を確保する必要性から空気調和装置に供給されるエンジン抽出空気流量が２５０ＬＢＳ／ｍｉｎ（１１３．４ｋｇ／ｍｉｎ）程度を必要とする航空機を考える。そのような航空機において上記実施形態の空気調和装置を用いた場合の、各冷却処理ユニットＡへのエンジン抽出空気導入位置Ｐ１でのエンジン抽出空気流量、各冷却処理ユニットＡと各圧縮処理ユニットＢとの接続位置Ｐ２での空気流量、各冷却処理ユニットＡからの窒素富化ガス出口位置Ｐ３での窒素富化ガス流量、各冷却処理ユニットＡからの冷気出口位置Ｐ４での冷気流量を、飛行条件の相違に応じて計算した。なお、空気分離部１６により酸素濃度を上昇させ、吸着部８３により水分を供給できることから、従来よりもエアサイクル式冷却装置による冷気の供給量を減らしてもキャビン８の冷却と酸素分圧の維持に十分な供給量が確保されることとした。
【００２４】
その結果、各冷却処理ユニットＡへのエンジン抽出空気導入位置Ｐ１でのエンジン抽出空気流量は上空では６０〜７０ＬＢＳ／ｍｉｎ（２７．２〜３１．８ｋｇ／ｍｉｎ）程度、地上と降下時では７０〜９０ＬＢＳ／ｍｉｎ（３１．８〜４０．８ｋｇ／ｍｉｎ）程度であった。冷却処理ユニットＡと圧縮処理ユニットＢとの接続位置Ｐ２での空気流量、すなわち圧縮処理ユニットＢでの流量合計は６０〜２４０ＬＢＳ／ｍｉｎ（２７．２〜１０８．９ｋｇ／ｍｉｎ）程度で、地上で最大となり、次いで高々度からの下降時で多くなり、それ以外の飛行条件では６０〜８０ＬＢＳ／ｍｉｎ（２７．２〜３６．３ｋｇ／ｍｉｎ）程度であった。この、それ以外の場合の値を基準にすると、地上では３倍程度、高々度からの下降時には２倍程度となった。窒素富化ガスの流量は地上と上昇時と巡航時は１０ＬＢＳ／ｍｉｎ（４．５ｋｇ／ｍｉｎ）、離陸のための滑走時は５ＬＢＳ／ｍｉｎ（２．３ｋｇ／ｍｉｎ）、降下時は２０ＬＢＳ／ｍｉｎ（９．１ｋｇ／ｍｉｎ）とした。冷気出口位置Ｐ４での冷気流量は、地上で２５０〜２９０ＬＢＳ／ｍｉｎ（１１３．４〜１３１．５ｋｇ／ｍｉｎ）、それ以外の飛行条件では１００〜１５０ＬＢＳ／ｍｉｎ（４５．４〜６８．０ｋｇ／ｍｉｎ）であった。
よって、冷却処理ユニットＡとして、１ユニットでの定格運転状態あるいは定格運転に近い状態で窒素富化ガスを最大２０ＬＢＳ／ｍｉｎ（９．１ｋｇ／ｍｉｎ）まで排出でき、冷気を１００〜１５０ＬＢＳ／ｍｉｎ（４５．４〜６８．０ｋｇ／ｍｉｎ）程度排出できるものを用い、圧縮処理ユニットＢとして定格運転状態あるいは定格運転に近い状態で圧縮空気を６０〜８０ＬＢＳ／ｍｉｎ（２７．２〜３６．３ｋｇ／ｍｉｎ）程度排出できるものを用い、作動状態となる冷却処理ユニットＡの数を地上での駐機状態にある時は２、それ以外の飛行条件である時は１、作動状態となる圧縮処理ユニットＢの数を地上での駐機状態にある時は３、高々度からの下降時は２、それ以外の飛行条件である時は１とすることで、コンプレッサ３、膨張タービン５、混合前コンプレッサ１７を定格運転に近い高効率での運転を維持しながら、キャビン８内の酸素分圧と温度を快適な状態に維持できる。なお、暖房の必要度に応じてホットエアモジュレートバルブ１２を介して温度の高いエンジン抽出空気がキャビン８に供給される。
【００２５】
上記各位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４での空気流量を、航空機が地上での駐機状態にある時、離陸のための滑走時、１００００フィート（３０４８ｍ）での上昇時、４２０００フィート（１２８０２ｍ）での巡航時、４２０００フィート（１２８０２ｍ）からの下降時、２５０００フィート（７６２０ｍ）からの下降時において求めた具体例を以下の表１に示す。なお、地上駐機状態にある時は高圧空気供給ユニット１′からの抽出空気を空気調和装置に供給している。また、４２０００フィート（１２８０２ｍ）からの下降時は流量制御バルブ３９を全閉とし、各冷却処理ユニットＡへのエンジン抽出空気導入位置Ｐ１での流量は零であり、ホットエアモジュレートバルブ１２を開いてエンジン抽出空気（７０ＬＢＳ／ｍｉｎ（３１．８ｋｇ／ｍｉｎ））をキャビン８に直接導入する。
【００２６】
【表１】

【００２７】
上記計算結果は一例であって飛行条件やキャビン８内の酸素分圧や温度の設定条件等の相違により結果は変化するが、上記計算結果に近い値になる。よって、冷却処理ユニットＡのコンプレッサ３の流量は、位置Ｐ１でのエンジン抽出空気流量と、位置Ｐ２での空気流量との和を作動状態となる冷却処理ユニットＡの数で除した値になる。また、圧縮処理ユニットＢの混合前コンプレッサ１７の流量は、位置Ｐ２での空気流量を作動状態となる圧縮処理ユニットＢの数で除した値になる。また、空気調和装置における圧力がキャビン８の内圧基準で決まる場合、キャビン８の内圧は地上では１．０気圧（１０１３．２５ｈｐａ）、高度４２０００フィート（１２８０２ｍ）の巡航時では０．７６気圧（７７０．０７ｈｐａ）となり、上空での体積流量は気圧差だけ増加する結果、膨張タービン５と混合前コンプレッサ１７は遠心翼車を通過する空気体積の変化量が少ないことから略一定の条件で運転され続けることになる。上記計算結果によれば、キャビン８内の酸素濃度は高度４２０００フィート（１２８０２ｍ）の巡航時では約２３％に維持でき、乗客の快適性に寄与する一方で、エンジン抽出空気は従来値である約２５０ＬＢＳ／ｍｉｎ（１１３．４ｋｇ／ｍｉｎ）の１／４程度に減らすことができる。
【００２８】
上記実施形態によれば、酸素濃縮空気をキャビン８に供給することで有効利用でき、また、循環空気とエンジン１からの抽出空気とが混合後に空気分離部１６に導入されるので、エンジン抽出空気量を抑制してエンジン負荷を軽減できる。また、複数の冷却処理ユニットＡと圧縮処理ユニットＢはそれぞれ互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能であるため、冷却処理ユニットＡや圧縮処理ユニットＢの構成要素が部分的に故障しても空気調和装置として機能することができる。また、作動状態とされる冷却処理ユニットＡの数と作動状態とされる圧縮処理ユニットＢの数とを設定変更できるので、冷却処理ユニットＡの個々のコンプレッサ３と膨張タービン５および圧縮処理ユニットＢの個々の混合前コンプレッサ１７における作動している場合の空気流量の変動を小さくでき、ほぼ定格状態での運転を可能にして運転効率を向上して省エネルギー化を図ることができる。
【００２９】
図５〜図７は本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置に関し、第１実施形態と同様部分は同一符号で示して相違点を説明する。
図５に示すように、第２実施形態においては、ラジアルコンプレッサ３で圧縮され、メインクーラ４、再生熱交換機４ａで冷却され、ウォータセパレータ７で水分除去された空気は、常開の空気流路７５′と互いに並列に接続された複数の空気分離ユニットＵ′とに導かれる。各空気分離ユニットＵ′は第１〜第３コントロールバルブ４１ａ、４１ｂ、４１ｃに接続される。各コントロールバルブ４１ａ、４１ｂ、４１ｃはコントローラからの信号により開度調整される。各空気分離ユニットＵ′から窒素富化ガスと酸素濃縮空気とが排出され、窒素富化ガスは第１コントロールバルブ４１ａを介して燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域１５に導かれた後に、放出路を通って機外空間１４に放出される。酸素濃縮空気は、第２コントロールバルブ４１ｂを介して機外空間１４に放出可能とされ、第３コントロールバルブ４１ｃを介してキャビン８に導入可能とされている。各コントロールバルブ４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度調整により空気分離ユニットＵ′を通過する空気流量が調整可能とされている。その空気流路７５′に導かれた空気は膨張タービン５でほぼ断熱的に膨張される。これにより、コンプレッサ３と膨張タービン５とにより構成されるエアサイクル式冷却装置により冷気が生成される。その冷気は第１実施形態と同様にキャビン８に導入される。そのラジアルコンプレッサ３、メインクーラ４、再生熱交換機４ａ、膨張タービン５、モータ６ａ、ウォータセパレータ７および空気分離ユニットＵ′により冷却処理ユニットＡ′が構成されている。本実施形態の空気調和装置においては冷却処理ユニットＡ′の数は第１実施形態と同様に２とされ、各冷却処理ユニットＡ′は、コントローラからの信号によりバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４が開閉されることで互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされている。なお、圧縮処理ユニットＢは第１実施形態と同様の構成とされ、その数は３とされ、コントローラからの信号によりバルブＶ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０が開閉されることで互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされている。
【００３０】
図６に示すように、複数（本実施形態では４ユニット）の空気分離ユニットＵ′それぞれは、互いに接続されると共に上記空気流路７５′に接続される空気導入口Ｕ１′と、互いに接続されると共に上記第１コントロールバルブ４１ａを介して上記燃料周囲領域１５に接続される窒素富化ガス排出口Ｕ３′と、互いに接続される酸素濃縮空気排出口Ｕ２′とを有する。各酸素濃縮空気排出口Ｕ２′は第２コントロールバルブ４１ｂを介して機外空間１４に接続され、第３コントロールバルブ４１ｃを介してキャビン８に接続される。
【００３１】
図７に示すように、各空気分離部１６′は選択透過膜１６ａ′を有する。その選択透過膜１６ａ′は、空気中の酸素（Ｏ₂ ）の透過率が窒素（Ｎ₂ ）の透過率よりも高くされている。これにより、コンプレッサ３により圧縮された空気は、再生熱交換機４ａで冷却されてウォータセパレータ７を通過した後に、空気分離部１６′により窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離される。本実施形態では、各空気分離部１６′を構成する選択透過膜１６ａ′は多数の中空糸膜からなり、それら中空糸膜は容器１６ｃ′に収納されると共にエポキシ等の樹脂製バインダ１６ｂ′の中に両端が埋設されることで束ねられ、そのバインダ１６ｂ′により容器１６ｃ′の内周と中空糸膜の両端外周との間が封鎖される。その容器１６ｃ′の一端開口は、各中空糸膜の一端開口と上記空気導入口Ｕ１′とに接続されることでコンプレッサ３により圧縮された空気を導入するための空気の導入ポート１６ｄ′とされる。その容器１６ｃ′の他端開口は、各中空糸膜の他端開口と上記窒素富化ガス排出口Ｕ３′とに接続される窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′とされている。その容器１６ｃ′の両端間に形成された開口は、各中空糸膜の両端間外周と上記酸素濃縮空気排出口Ｕ２′とに接続される酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′とされる。これにより、空気の導入ポート１６ｄ′は上記ウォータセパレータ７に接続され、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′から排出される窒素富化ガスは燃料周囲領域１５に導入可能とされている。また、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅから排出される酸素濃縮空気は膨張タービン５を介することなくキャビン８に導入可能とされている。すなわち、選択透過膜１６ａ′を透過することで減圧された酸素濃縮空気を膨張タービン５を介することなくキャビン８に導入でき、コンプレッサ３出口と膨張タービン５入口との間に圧力降下する物の存在を減少させた結果この間の圧力差を小さくすることにより構成されるエアサイクル式冷却装置の効率低下を防止できる。
【００３２】
各空気分離部１６′における空気の導入ポート１６ｄ′を開閉する導入側バルブ１６ｇ′と、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′を開閉する酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｈ′と、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′を開閉する窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉ′とが設けられている。各バルブ１６ｇ′、１６ｈ′、１６ｉ′により空気の導入ポート１６ｄ′、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′および窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′は同時に全閉可能とされている。これにより、空気の導入ポート１６ｄ′、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′を全閉状態にすれば、空気分離部１６の破損に対処できるだけでなく保守点検や交換を空調空気を流動させた状態で容易に行うことができる。なお、第１コントロールバルブ４１ａと燃料周囲領域１５との間の配管と、第２コントロールバルブ４１ｂと機外空間１４との間の配管は空気分離部１６′と機外とを連絡する外部連絡流路を構成する。図６に示すように、各外部連絡流路に絞り部Ｅ１、Ｅ２が設けられている。各絞り部Ｅ１、Ｅ２は固定絞りでも可変絞り弁でもよい。これにより、第１コントロールバルブ４１ａや第２コントロールバルブ４１ｂが開き状態で固着される事態が生じても、キャビン８に供給されるべき空気が機外に過剰に流出するのを阻止できる。他は第１実施形態と同様とされている。
【００３３】
本発明は上記各実施形態に限定されない。例えば上記各実施形態では冷却処理ユニットＡの数を２、圧縮処理ユニットＢの数を３としたが、これに限定されるものでなく、例えば小型機のようにエンジン抽出空気流量の最大要求量が小さく、相対的に余裕がある場合、圧縮処理ユニットの全空気流量の最大値と最小値の差は小さくなり、例えば最大値が最小値の２倍程度になる場合、圧縮処理ユニットの数を冷却処理ユニットと同様に２とすることで、圧縮処理ユニットを構成する混合前コンプレッサを常に略定格に近い効率の高い領域で運転可能になる。また、空気分離ユニットＵ又はＵ′は複数の冷却処理ユニットＡ又はＡ′で共用したり、水分の吸着部８３を複数の圧縮処理ユニットＢで共用してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、空気分離部から排出される窒素富化ガスだけでなく酸素濃縮空気も有効利用でき、航空機のエンジン負荷を低減し、フェールセーフ機能を奏することができ、飛行条件に応じた適正な運転ができる航空機用空気調和装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置の構成説明図
【図２】本発明の実施形態の航空機用空気調和装置における吸着部の構成説明図
【図３】本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置における空気分離ユニットの配置説明図
【図４】本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置における空気分離ユニットの構成説明図
【図５】本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置の構成説明図
【図６】本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置における空気分離ユニットの配置説明図
【図７】本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置における空気分離ユニットの構成説明図
【符号の説明】
１ エンジン
３ コンプレッサ
５ 膨張タービン
８ キャビン
１５ 燃料周囲領域
１６、１６′ 空気分離部
１６ａ、１６ａ′ 選択透過膜
１７ 混合前コンプレッサ
Ａ、Ａ′ 冷却処理ユニット
Ｂ 圧縮処理ユニット

Claims (1)

1. コンプレッサによって圧縮された空気を膨張タービンにより膨張させることでキャビン内に導入される冷気を生成する複数の冷却処理ユニットと、
   そのキャビンからの流出空気を圧縮する混合前コンプレッサを有する複数の圧縮処理ユニットとを備え、
   エンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気と各圧縮処理ユニットの混合前コンプレッサによって圧縮された空気とが、混合後に各冷却処理ユニットのコンプレッサに導入可能とされ、
   各冷却処理ユニットは、そのコンプレッサにより圧縮された空気を窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する空気分離部を有し、
   その窒素富化ガスは航空機の燃料周囲領域に導入可能とされ、その酸素濃縮空気はキャビンに導入可能とされ、
   各冷却処理ユニットは、互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされ、
   各圧縮処理ユニットは、互いに独立して作動状態と停止状態との間で切り替え可能とされ、
   作動状態とされる冷却処理ユニットの数と作動状態とされる圧縮処理ユニットの数とが設定変更可能とされている航空機用空気調和装置。

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