JP4144379B2

JP4144379B2 - 航空機用空調システム

Info

Publication number: JP4144379B2
Application number: JP2003058398A
Authority: JP
Inventors: 孝一小原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004268617A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機用空調システムに係り、特に空調装置のラムエア回路などに空気を流すためのイジェクタと冷却能力向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用空調システムは、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）冷媒を使用したべ一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）の組合せのべ一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、搭載機器などの冷却には（Ｂ）を組み合わせている。
【０００３】
従来の空調システムは、エアサイクルマシン（以下、ＡＣＭと呼ぶ）として、低圧下で水分を分離する方式（以下、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（以下、ＨＰＷＳ方式と呼ぶ）が採用されている。このＨＰＷＳ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、または、イジェクタでラムエアを導入し、一軸に装備されたコンプレッサとタービンによって調和空気中の湿度を高圧下で除去し、ＡＣＭ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。ＡＣＭ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、搭載している電子機器等の冷却用に、ＡＣＭだけでは冷房能力が不足する場合は、冷媒等を用いた冷却装置を備えたべ一パサイクルマシン（ＶＣＭと呼ぶ）を設けて冷却を行う。
【０００４】
図２に従来の航空機用空調システムの空調回路を示す。エンジン１１で高温・高圧になった空気の一部が抽気制御用のバルブ１１ａで調圧されて取り出され、ＡＣＭに入力される。
地上あるいは低高度飛行においては、バルブ１４ａを開、バルブ１２ａ及びバルブ１４ｂを閉にして、抽気された空気は、外気の冷気をおびたラムエアによって冷却された一次熱交換器１４で冷却された後、バルブ１４ａを経由しコンプレッサ１５により圧縮され、再び二次熱交換器１６で冷却され、水蒸気の一部は凝縮する。一方、ラムエアはファン１３によって外部に放出される。二次熱交換器１６で冷却された空気はリヒータ１７の高温側回路に入り、コンデンサ１８からの冷却された空気の低温側回路との熱交換により冷却される。そして、コンデンサ１８を出た高圧空気はリヒータ１７を通ってタービン２０に入り、タービン２０で断熱膨張し低温空気となってコンデンサ１８に入り、そして、コンデンサ１８を出た空気は、０℃以下でミキシングチャンバ２１に導かれる。
高高度飛行においては、バルブ１４ａを閉、バルブ１２ａ及びバルブ１４ｂを開にして、エンジン１１から高温・高圧の空気が抽気され、一部、外気１２からの空気がＡＣＭに取り込まれる。そして、抽気された高温の空気は一次熱交換器１４でラムエアによって冷やされ、バルブ１４ｂを経由して直接タービン２０に送り込まれる。外気１２から取り込まれた空気は、バルブ１２ａを経由してコンプレッサ１５で圧縮され、二次熱交換器１６でラムエアによって冷却され、リヒータ１７の高温側回路に入り、コンデンサ１８で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。コンデンサ１８を出た空気はリヒータ１７に入る。リヒータ１７を出た高圧空気と、抽気による一次熱交換器１４からバルブ１４ｂを経由して送り込まれた空気とが、同時にタービン２０で断熱膨張し低温空気となってコンデンサ１８に入り、そして、コンデンサ１８を出た空気は、０℃以下でミキシングチャンバ２１に導かれる（例えば、特許文献１参照。）。
そして、ＡＣＭ出口空気は直接キャビン２２へ供給するには冷えすぎるので、再循環ライン（ファン２２ａ、バルブ２２ｂ）を通って戻ってきたキャビン２２からの排気の一部をミキシングチャンバ２１で混合し、快適な温度に調整してからキャビン２２に供給される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−００２５９６号公報（第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空調システムは以上のように構成されているが、機体が地上に静止している状態で、ラムエア回路などに空気を流すためには、ファン１３（タービン２０とコンプレッサ１５とファン１３が同軸に装備された３Ｗｈｅｅｌ−ＨＰＷＳ方式など）、または、イジェクタ（高速流の気体を流し、その負圧領域と粘性流によって周囲の気体を吸引するように構成した機器）などにより、空気をラムエア回路に引き込む必要がある。ラムエアを導入するためには、ファン１３を装備することが一番容易であるが、戦闘機などでは取り付けスペースの制限や高速飛行時のファン１３のウインドミル事象の懸念から、イジェクタを利用することが一般的である。しかし、イジェクタを用いると必要なラムエアを確保することができるが、イジェクタの１次流量は機外にそのまま排気されるため、エネルギーとして有効に利用されていないという問題がある。
また、空調システムへ供給される抽気圧力が低い場合、例えば、駐機状態でエンジン１１がアイドル状態の時などは、冷却能力が低下する。この状態で冷却能力を向上させるためには、タービンのノズル径を大きくするなどして、流量を増加させる必要が生じる。しかし、タービンのノズル径を大きくすることで、空調システムへの流量を増加させることは可能であるが、流量増加がさらなる空調システム入口の圧力低下を生じ、他の空調システム作動条件との関連から低抽気圧力状態でノズル径を決定できないなどの問題がある。
【０００７】
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、ラムエア回路に効率よく空気を取り込み、かつ、抽気圧力を高めることができる航空機用空調システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【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調システムは、航空機エンジンの高温・高圧になった空気の一部を取り出し、ラムエア回路に機外のラムエア冷気を導入し、エアサイクルマシンにより機内を空気調和する航空機用空調システムであって、エアサイクルマシンの前段にタービンとその同軸上にコンプレッサを備えたイジェクタタービンを設け、前記タービンにエンジン抽気を導入しその排気を前記ラムエア回路に設けられ前記エアサイクルマシンに導入されるエンジン抽気を冷却する一次熱交換器及び前記エアサイクルマシンのコンプレッサで圧縮されたエンジン抽気を冷却する二次熱交換器の下流からラムエアの流路に流して機外からの空気を引き込み、前記コンプレッサによってエンジン抽気を圧縮し抽気圧力を高めて前記エアサイクルマシンに導入することができるようにしたものである。
【０００９】
本発明の航空機用空調システムは上記のように構成されており、エアサイクルマシンの前段にタービンとその同軸上にコンプレッサを備えたイジェクタタービンを設け、イジェクタタービンが抽気した高圧空気を一気に膨張させることで、運動エネルギーを得て高速の１次流量を生成し、それをラムエア回路に送り、負圧領域を生じさせ、機外の空気をラムエア回路に引き込む。
また、上記のコンプレッサに高温・高圧の抽気の一部を取り込み、タービン同軸上に装備されたコンプレッサの動力を利用して抽気を予圧し、ＡＣＭの一次熱交換器に送り、その後、２段目のコンプレッサで圧縮して二次熱交換器に送り、２段の圧縮によって冷却能力を向上させる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の航空機用空調システムの一実施例を、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の航空機用空調システムの空調回路を示す図である。本発明の航空機用空調システムは、エンジン１からの高温・高圧の抽気を取り込み圧縮して一次熱交換器４に導入するコンプレッサ２と、その同軸上に設けられエンジン１からの抽気を取り込みその排気をラムエア回路に導入するタービン３と、ラムエア回路に設けられた一次熱交換器４及び二次熱交換器６と、一次熱交換器４で熱交換された空気を圧縮し二次熱交換器に導入するコンプレッサ５と、二次熱交換器６からの空気を高温側回路に導入し冷却するリヒータ７と、リヒータ７で熱交換された空気を高温側回路に導入しタービン１０で断熱膨張された低温側回路によって冷却され水分を凝縮するコンデンサ８と、凝縮した水分を遠心分離して除くウォータエクストラクタ９と、水分が除かれリヒータ７の低温側回路経由で導入された空気を断熱膨張するタービン１０とから構成される。
【００１１】
本航空機用空調システムと従来のシステムと異なるところは、従来のシステムは、図２に示すように、エンジン１１からの抽気を、直接、一次熱交換器１４に導入し、コンプレッサ１５で圧縮し、二次熱交換器１６、タービン２０の断熱膨張で低温にしているが、本システムでは、コンプレッサ２を設け、抽気を２段のコンプレッサ２、５によって圧縮し、エンジン抽気の圧力が低下しても、また、空調流量が増加しても、空調システム入口の圧力を低下することなく、冷房能力を向上しているところである。
また、一次熱交換器４及び二次熱交換器６の冷却用のラムエア引き込みは、従来のシステムでは、図２に示すように、コンプレッサ１５及びタービン２０との同軸上に備えられたファン１３によって行われていたが、本システムでは、コンプレッサ２の同軸上に設けられたタービン３に、エンジン１からの抽気が導入され、抽気した高圧空気を一気に膨張させることで、運動エネルギーを得て高速の１次流量を生成し、それをラムエア回路に送り、負圧領域を生じさせ、機外の空気をラムエア回路に引き込んでいるところである。
そして、タービン３の動力を同軸上に装備されたコンプレッサ２の動力として利用し、エンジン１から高温・高圧の抽気を効率よく取り入れている。
【００１２】
次に、本航空機用空調システムの動作について説明する。エンジン１からの高温・高圧の空気が、抽気制御用のバルブ１ａを介してコンプレッサ２に取り込まれ、圧縮されて一次熱交換器４に導入される。イジェクタタービンのコンプレッサ２の同軸上に設けられたタービン３にエンジン１からの空気が制御用のバルブ１ｂを介して取り込まれ、抽気した高圧空気を一気に膨張させ、高速の１次流量を生成し、ラムエア回路に送り、負圧領域を生じさせ、機外の空気をラムエア回路に引き込む。このラムエアにより一次熱交換器４及び二次熱交換器６が冷却される。そしてコンプレッサ２で圧縮され一次熱交換器４で熱交換された空気は、コンプレッサ５で圧縮されて二次熱交換器６に導入され熱交換される。二次熱交換器６を出た空気はリヒータ７の高温側回路に導入され冷却されて、コンデンサ８の高温側回路に導入される。コンデンサ８ではタービン１０の断熱膨張によって冷却された空気の低温側回路と熱交換され、空気中の水分のほとんどが凝縮する。そして、ウォータエクストラクタ９で遠心分離によって分離され除去される。水分が除去された空気はリヒータの低温側回路を経由してタービン１０に導入される。導入された空気はタービン１０で断熱膨張され、さらに低温にされてコンデンサ８に導入される。そこで高温側の空気と熱交換されて後に、キャビン側へ供給される。このとき、コンデンサ８からの空気は０℃以下になるので、キャビンに直接供給するのでなく、中間にミキシングチャンバと再循環回路を設け、キャビンの暖かい空気の一部を再循環ファンとバルブ調節によって再循環空気量を制御して取り出し、ミキシングチャンバで両空気が混合され、快適な温度に調整されてからキャビンに導入される。
【００１３】
本空調システムは、２段のコンプレッサ２およびコンプレッサ５によって抽気が圧縮されるので、エンジン１からの抽気圧力が低い場合、例えば、駐機状態でエンジン１がアイドル状態の時などでも、冷却能力が低下することがない。このため、タービンのノズル径を大きくする必要もなく、流量を増加させない。そして流量増加による空調システム入口の圧力低下を生じさせない。
また、イジェクタタービンを用いて抽気した高圧空気をタービンノズルで一気に膨張させることにより高速の１次流量を生成し、タービン３の軸力として運動エネルギーを得て、そのエネルギーをタービン３と同軸上のコンプレッサ２に回収して有効に利用し、上記の高速の一次流量をラムエア回路に送り、負圧領域を生じさせ、機外の空気をラムエア回路に引き込む。
【００１４】
上記の実施例では、コンプレッサ２とコンプレッサ５の間に一次熱交換器４が設けられているが、一次熱交換器４の下流にコンプレッサ２をコンプレッサ５と直列に配置しても良い。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の航空機用空調システムは上記のように構成されており、イジェクタタービンをエアサイクルマシンの前段に設け、タービンによって、抽気された高圧空気を一気に膨張させ、その運動エネルギーを得て高速の１次流量を作り、ラムエア回路に送って機外の空気を引き込むことができる。これにより、タービン軸力としてエネルギーを回収することができ、従来のように、ファンやイジェクタを使用する必要も無く、エネルギー効率を向上することができる。また、タービンからの排気空気温度が十分に低い場合、タービン排気を利用して冷却を行うことができる。
そして、イジェクタタービンのタービン動力を同軸上に装備されたコンプレッサの動力として利用し、高温・高圧の抽気の一部を取り込み、コンプレッサで抽気を予圧してＡＣＭに送り、２段目のコンプレッサによって圧縮するので、冷却能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の航空機用空調システムの一実施例を示す図である。
【図２】従来の航空機用空調システムの空調回路を示す図である。
【符号の説明】
１、１１、１１ａ、１２ａエンジン
１ａ、１ｂ、１４ａ、１４ｂ、２２ｂバルブ
２、５、１５コンプレッサ
３、１０、２０タービン
４、１４一次熱交換器
６、１６二次熱交換器
７、１７リヒータ
８、１８コンデンサ
９ウォータエクストラクタ
１２外気
１３、２２ａファン
２１ミキシングチャンバ
２２キャビン

Claims

航空機エンジンの高温・高圧になった空気の一部を取り出し、ラムエア回路に機外のラムエア冷気を導入し、エアサイクルマシンにより機内を空気調和する航空機用空調システムであって、エアサイクルマシンの前段にタービンとその同軸上にコンプレッサを備えたイジェクタタービンを設け、前記タービンにエンジン抽気を導入しその排気を前記ラムエア回路に設けられ前記エアサイクルマシンに導入されるエンジン抽気を冷却する一次熱交換器及び前記エアサイクルマシンのコンプレッサで圧縮されたエンジン抽気を冷却する二次熱交換器の下流からラムエアの流路に流して機外からの空気を引き込み、前記コンプレッサによってエンジン抽気を圧縮し抽気圧力を高めて前記エアサイクルマシンに導入することができるようにしたことを特徴とする航空機用空調システム。