JP4114277B2

JP4114277B2 - 航空機用空気調和装置

Info

Publication number: JP4114277B2
Application number: JP15636699A
Authority: JP
Inventors: 承治瓜生
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: JP2000344198A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機用空気調和装置に係わり、特に、エンジンからのブリード・エアを機外の冷気をおびたラムエアを利用して、エア・サイクル・システムとベーパ・サイクル・システムの組み合わせで空気調和を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用空気調和装置は、機内（キャビン）の冷房、暖房、換気を行うと同時に、与圧用空気を供給するもので、与圧系統と冷暖房系統に大別される。与圧系統のない小型機は、エンジンの排気管の熱や、別に設けたヒータからの熱で機内を暖め、冷房は外気を機内に取入れることによって行われている。一方、与圧室のある大型機は、エンジンの圧縮機からの高温・高圧になった空気の一部を取り出し（これをエンジン・フリード・エアまたは抽気という）、（Ａ）機外の冷気を利用（これをラム・エアという）したり、（Ｂ）冷媒を使用したべーパ・サイクル冷却方式を利用したり、（Ｃ）エア・サイクル・冷却方式を利用したりし、これらの組合わせで冷暖房を行っている。旧型の大型機及び現在のタービン・ヘリコプタは、（Ａ）と（Ｂ）の組合わせのベーパ・サイクル方式を採用し、新型のジェット機は（Ａ）と（Ｃ）の組み合わせのエア・サイクル方式を採用している。
従来の装置はエア・サイクル・システム（ＡＣＳと呼ぶ）として、低圧下で水分を分離する方式（ＬＰＷＳ方式と呼ぶ）が用いられていたが、エンジンからの抽気量が多く、エンジン又はＡＰＵ（補助動力装置で、飛行していない時、ここから抽気している。通常、機体の後方に備えられている）の燃費が悪いため、高圧下で水分を分離する方式（３−ＷｈｅｅｌＨＰＷＳ方式と呼ぶ）が採用されている。この３−ＷｈｅｅｌＨＰＷＳ方式はラム・エアを導入するファンとコンプレッサとタービンが一軸に装備され、調和空気中の湿度を高圧下で除去し、ＡＣＳ出口温度を氷点下に下げることができる。そのため従来のＬＰＷＳ方式よりも必要な冷房能力を得るために使う抽気量が少なくて済むので、エンジン又はＡＰＵの燃費が向上する。ＡＣＳ出口空気は直接キャビンヘ供給するには冷えすぎるので、再循環ラインを通って戻ってきたキャビンからの排気の一部と混合し、快適な温度に調整してからキャビンに供給される。さらに、ＡＣＳだけでは冷房能力が不足する場合は、搭載している電子機器等の冷却用にＡＣＳとは独立して、冷媒等を用いた冷却装置を備えたべーパ・サイクル・システム（ＶＣＳと呼ぶ）を設けて冷却を行う。
図２に従来の航空機用空気調和装置のシステムを示す。エンジンから抽気１される空気を抽気調圧弁２で調節し、その空気をＡＣＳに入力する。このＡＣＳで調和空気中の湿度が除去され、ＡＣＳ出口から氷点下に近い空気がミキシングチャンバ１５に導入される。一方、コックピット及びキャビン１７から再循環フアン１６により排気される暖かい空気が再循環ラインを通してミキシングチャンバ１５に導入され、前記ＡＣＳから導入された氷点下に近い空気と混合され、快適な温度に調整されてからコックピット及びキャビン１７に導入される。さらに、ＡＣＳだけでは冷房能力が不足する場合は、ＡＣＳとは独立してＶＣＳが設けられ、搭載している電子機器等の冷却を行う。そして、コックピット及びキャビン１７内の圧力を所定の快適な圧力にするために、アウトフローバルブ（図示していない）が設けられ、自動的に制御されて、余分な空気を外部に出している。
次に、ＡＣＳの動作について説明する。エンジンで高温・高圧になった空気の一部が抽気調圧弁２で調圧されて取出され、ＡＣＳに入力される。そして外気の冷気をおびたラムエア３によって冷却された１次熱交換器１９で冷却された後、コンプレッサ２１により圧縮され、再び２次熱交換器２０で冷却され、水蒸気の一部は凝縮する。一方、ラムエア３はファン１８によって外部に放出される。冷却された空気は、リヒータ２４の高温側回路に入り、コンデンサ２３からの冷却された空気の低温側回路との熱交換によりさらに冷却される。リヒータ２４を出た高圧空気は、次にタービン２１で断熱膨張した低温空気によって、コンデンサ２３でさらに冷却され、含まれていた水蒸気のほとんどすべてが凝縮する。タービン２２を出た空気はコンデンサ２３でリヒータ２４からの空気と熱交換され、０℃以下でミキシンクチャンバ１５に導かれる。
さらに、ＡＣＳだけでは冷房能力が不足する場合は、搭載している電子機器等の冷却用にＡＣＳとは独立して、フロン等の冷媒を用いた冷却装置を備えたべーパ・サイクル・システムＶＣＳ（図示せず）が併用される。
【０００３】
上記のように、従来の大型機の航空機用空気調和装置は、エンジンの圧縮機で高温・高圧になった空気の一部を取り出し（抽気）、機外の冷気（ラムエア）を利用し、エア・サイクル・システムを主とし、補助的に独立してべーパ・サイクル・システムを併用して空気調和を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空気調和装置は、以上のように構成されており、３−ＷｈｅｅｌＨＰＷＳ方式のＡＣＳでは、エンジンまたはＡＰＵからの調和空気用抽気を除湿し、ＡＣＳ出口を氷点以下（華氏数度ｄａｒが限界）に下げているが、タービン２２の出口温度が低すぎると、高温側空気の水分がコンデンサ２３の表面で氷結し、冷房能力が極端に低下する。そのため、コンデンサ２３での氷結を避けるために、供給空気温度を華氏数度ｄａｒまで下げるのが限界であると同時に、エンジンからの抽気量を削減することに限界があるという問題があった。
また、ＡＣＳのみで常時冷房に必要な空気量を、コックピット及びキャビン１７に供給すると、例えば、１００人乗り旅客機で約１００ｌｂ／Ｍｉｎを要するので、フリード・エア抽出による燃料消費量が増加し、燃費が悪化する。燃費はエンジンからの抽気量に非常に敏感であり、その関係は１．１＊（燃料ｌｂ／ｈｒ）／（抽気量ｌｂ／Ｍｉｎ）となる。また、ＶＣＳをＡＣＳと別に独立して設置すると、システムが大型・複雑化し、重量が増加し、信頼性が低下するという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、従来のＡＣＳの出口に設けられた氷結問題を起こすコンデンサを使用せずに、抽気空気をマイナス華氏数十度まで冷却ができ、エンジンからの抽気量が少なくて燃費が良く、コックピット及びキャビンに快適に必要にして十分な冷却・除湿された空気量を供給することができる、軽量でコンパクトなシステムの高効率・高信頼性の航空機用空気調和装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の航空機用空気調和装置は、航空機エンジンの圧縮機から高温・高圧になった空気の一部を抽気するとともに、機外の冷気をおびたラムエアを利用し温調を行うエア・サイクル・システムと、冷媒を蒸発させるエバポレータを用いたベーパ・サイクル・システムにより機内を空気調和する航空機用空気調和装置において、ブリード・エアが取込まれるエア・サイクル・システムの熱交換器の後にリヒータを備え、前記リヒータの高温側を通過した空気がベーパ・サイクル・システムの前記エバポレータで冷却され、エバポレータを通過した空気がウォータセパレータを通過してエア・サイクル・システムの前記リヒータの低温側に導入され、その出力空気がタービンで断熱膨張されてミキシングチャンバに導入される冷却回路を備えるものである。
【０００７】
本発明の航空機用空気調和装置は、上記のように構成されており、フリード・エアが取込まれるエア・サイクル・システムの熱交換器下流の高圧回路に、リヒータを介して、べーパ・サイクル・システムのエバポレータを配置することで、除湿能力を高めることができ、そして、リヒータからの冷却された空気がタービンで断熱膨張されて、マイナス華氏数十度までに冷却され、ミキシングチャンバに導入される。従って、ベーパ・サイクル・システムで高温高圧空気が冷却されることで、タービン出口空気をそのまま下流に供給でき、従来のコンデンサが不要になり氷結の問題もなく、システム出力温度をマイナス華氏数十度まで下げることができ、少ない抽出量で高い冷房能力を有するシステムを構築できる。
そして、冷却の一部をべーパ・サイクル・システムでまかなうことができるため、従来冷房のために必要であったブリード`エアの流量を、乗客が必要とする最低新鮮空気量まで減らすことが可能であり、且つ抽気圧力も低くてすむことから、ブリード・エア抽出による燃料消費量が低減できる。さらに、エア・サイクル・システムとベーパ・サイクル・システムを独立に配置する場合に比べて、軽量、コンパクト、高信頼性を達成できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の航空機用空気調和装置の一実施例を図１を参照しながら説明する。本装置は、エンジンの圧縮機で高温・高圧になった空気の一部を抽気１しその圧力を調圧する調圧弁２と、抽気１した空気を熱交換器４で冷却、さらにリヒータ５で冷却、そしてタービン６で断熱膨張させて、水蒸気を取除くエア・サイクル・システム（ＡＣＳ）と、前記リヒータ５で熱交換され冷却された空気の水蒸気を凝縮させるエバポレータ７を有するベーパ・サイクル・システム（ＶＣＳ）と、ＡＣＳからの低温の空気とコックピット及びキャビン１７の空気の一部とを混合させて快適な温度にするミキシングチャンバ１５とから構成されている。
本装置は、上記のような構成で抽気１された空気が調圧弁２−熱交換器４―リヒータ５−エバポレータ７−ウォータセパレータ８−再びリヒータ５―タービン６−ミキシングチャンバ１５−コックピット及びキャビン１７の経路を流れる。抽気１された空気はＡＣＳのリヒータ５からＶＣＳのエバポレータ７に入り、ウォータセパレータ８から再びリヒータ５に入る。ＡＣＳの高温・高圧回路にＶＣＳの冷却回路を挿入して、高圧回路で冷却して水分を取除くシステムである。
ＡＣＳは、抽気を冷却する熱交換器４と、ラムエア３及びラムエア９を導くファン１８と、送られてきた空気を冷却するリヒータ５と、リヒータ５からの空気を断熱膨張させるタービン６とから構成されている。
ＶＣＳは、冷媒（代替フロン）を蒸発させるエバポレータ７と、気化した冷媒を圧縮する電動コンプレッサ１１と、そのモータ１２と、ラムエア９と熱交換され液化するところのコンデンサ１０と、液化した冷媒を入れるリザーバタンク１３と、断熱膨張させる膨張弁１４と、エバポレータ７で冷却時に生じる水分を分離するウォータセパレータ８とから構成されている。
【０００９】
次に本装置の動作について説明する。ＡＣＳの熱交換器４でラムエア３により外気温近くまで冷却されたフリード・エアは、ＶＣＳのエバポレータ７で冷却された空気とリヒータ５において熱交換することによってさらに冷却される。リヒータ５の高温側を通過したこの空気は、ＶＣＳのエバポレータ７でフロンと熱交換することで冷却され大部分の水分が凝縮され、この水分のほとんどがウォータセパレータ８で除去される。ウォータセパレータ８で除去されなかった水分は、このままタービン６に入るとタービン６が損傷するので、リヒータ５で高温空気と熱交換することにより、水分を蒸発させる。リヒータ５を出た低温側空気は、タービン６で断熱膨張することにより、ドライ・エア・レイトでマイナス華氏数十度まで冷やされる。タービン６の動力はファン１８に伝えられ、このファン１８はＡＣＳの熱交換器４及びＶＣＳのコンデンサ１０の冷却空気であるラムエア３及びラムエア９を導く働きをする。
ＶＣＳでは、冷媒（代替フロン）がエバポレータ７内で蒸発することにより抽気空気を冷却する。エバポレータ７を出た冷媒は、コンプレッサ１１により圧縮されコンデンサ１０でラムエア９と熱交換されて液化し、リザーバタンク１３に入る。リザーバタンク１３からの液体冷媒は膨張弁１４で断熱膨張し低温の気液混合状態となりエバポレータ７へ導かれる。
【００１０】
従来のＨＰＷＳ方式のＡＣＳ（図２）では、コンデンサ２３においてタービン２２を出た低温空気は高温・高圧の空気を冷却していたため、コンデンサ２３の氷結及び抽気量削減の限界の問題があったが、本装置では、ＶＣＳを使うことでコンデンサが不要になり、氷結の問題がなくなり、さらにタービン出口の低温空気をそのまま下流に供給できるため従来のＡＣＳに比べて単位抽気量当たりの冷却能力が大幅に向上する。
【００１１】
上記の実施例では、ＡＣＳはエアサイクルマシンがタービン６とファン１８からなるシンプルサイクルであるが、これをエアサイクルマシンがコンプレッサとタービン６からなるブートストラップ方式、あるいはエアサイクルマシンがコンプレッサとタービン６とファン１８からなるシンプルブートストラップ方式にすることも可能である。この時は重量が増加するが、抽気圧力が低くても大きな冷房能力を発揮できる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の航空機用空気調和装置は上記のように構成されており、従来の装置はタービン出口にコンデンサを備え、タービン出口空気温度が低すぎると高温側空気の水分がコンデンサ表面で氷結し、冷房能力を低下させ、華氏数度までが限界であったが、コンデンサの代わりにＶＣＳで高温高圧回路で空気を冷却することでタービン出口の空気をそのまま下流に供給できるので、装置出口温度をマイナス華氏数十度まで下げることができ、冷房のために必要であったブリード・エアの抽気量を、乗客が必要とする最低新鮮空気量まで減らすことができる。そのためブリード・エア抽気による燃料消費量が低減し、燃費が良くなる。さらに、エア・サイクル・システムとベーパ・サイクル・システムを独立に配置する場合に比べて、軽量でコンパクトにでき、高信頼性のシステムが得られる。
現代の航空機においては、電子機器の増加に伴い発熱量が格段に大きくなってきており、本装置はこれらを少ない抽気量で冷却できるため、エンジンにかかる負担が小さく、低燃費につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の航空機用空気調和装置の一実施例を示す図である。
【図２】従来の航空機用空気調和装置を示す図である。
【符号の説明】
１…抽気２…調圧弁
３…ラムエア４…熱交換器
５…リヒータ６…タービン
７…エバポレータ８…ウォータセパレータ
９…ラムエア１０…コンデンサ
１１…コンプレッサ１２…モータ
１３…リザーバタンク１４…膨張弁
１５…ミキシングチャンバ１６…再循環ファン
１７…コックピット及びキャビン１８…ファン
１９…１次熱交換器２０…２次熱交換器
２１…コンプレッサ２２…タービン
２３…コンデンサ２４…リヒータ

Claims

航空機エンジンの圧縮機から高温・高圧になった空気の一部を抽気するとともに、機外の冷気をおびたラムエアを利用し温調を行うエア・サイクル・システムと、冷媒を蒸発させるエバポレータを用いたベーパ・サイクル・システムにより機内を空気調和する航空機用空気調和装置において、ブリード・エアが取込まれるエア・サイクル・システムの熱交換器の後にリヒータを備え、前記リヒータの高温側を通過した空気がベーパ・サイクル・システムの前記エバポレータで冷却され、エバポレータを通過した空気がウォータセパレータを通過してエア・サイクル・システムの前記リヒータの低温側に導入され、その出力空気がタービンで断熱膨張されてミキシングチャンバに導入される冷却回路を備えることを特徴とする航空機用空気調和装置。