JP4144475B2

JP4144475B2 - 空調装置

Info

Publication number: JP4144475B2
Application number: JP2003298749A
Authority: JP
Inventors: 勲野内
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP2005067356A

Description

本発明は、エアサイクルシステムとベーパサイクルシステムとを組み合わせて空気調和を行う航空機用の空調装置に関する。

航空機のキャビンやコックピット等の与圧を必要とする機内与圧室の空気調和に使用される空調装置は、機内与圧室の温度調節、換気および与圧等を行う機能を有しており、これにはエンジンのコンプレッサからの高温・高圧になった空気の一部（抽気）を取り出し、これを空調に必要な冷却空気に変換するエアサイクルシステム（ＡＣＳ）を採用しているが、補助として冷媒をサイクリックに圧縮膨張させて空気を冷却するベーパサイクルシステム（ＶＣＳ）を単独的に、あるいは複合的に組み合わせたシステムを採用している。

図５に、従来のエアサイクルシステムを採用した空調装置の構成例を示す。エンジン抽気Ｂ１は一次熱交換器１１を通してラムエアＡにより冷却された後、コンプレッサ４で高温・高圧の圧縮空気に変換され、続いて二次熱交換器１２を通ってラムエアＡにより冷却された後、リヒータ５の高温側回路に入り、コンデンサ６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。これにより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７を出た空気はコンデンサ６でリヒータ５からの空気と熱交換され、０℃以下でミキシングチャンバ８に導かれるとともに、再循環ファン９によって取り込まれた機内与圧室と混合されて機内与圧室Ｒに供給される。

図６に示す空調装置は、エアサイクルシステム１０とベーパサイクルシステム２０を独立的に併設して、ミキシングチャンバ８で混合して機内与圧室Ｒに冷却空気を供給するようにしたもので、大型の航空機や搭載電子機器が多い場合に適用される。

また、図７に示す空調装置は、ベーパサイクルシステムによりエアサイクルシステムの冷却効率を高めるようにしたもので、ラムファン３、熱交換器１１ａ、タービン７からなるエアサイクルマシン（ＡＣＭ）と、リヒータ５、ウオータエキストラクタ（ウオータトラップ）１３からなるリヒータ回路からなるエアサイクルシステム１０と、冷媒の冷却サイクルを形成するコンプレッサ２４、コンデンサ２１、膨張弁２２及びエバポレータ２３からなるベーパサイクルシステム２０ａを備えるとともに、リヒータ回路を通るエンジン抽気Ｂ１の冷却を前記エバポレータ２３で行うようにしたものである。（例えば、特許文献１、２参照）

特許２００１−３２８５９６号公報特許２００２−１２７９９４号公報

従来の航空機用の空調装置は以上のように構成されているが、エアサイクルシステムでのエンジンからの抽気流量を低減した時の冷却能力の低下を補うため、図６に示すようにベーパサイクルシステムを独立的に加えた場合、ベーパサイクルシステムが大型となり、電力消費が多大となり、延いてはエンジン及び補助動力装置の発電設備に負担がかかるという問題がある。

また、ベーパサイクルシステムを図７に示すように、エアサイクルシステム内にその機能を強化するように配設した場合、抽気量の低減による冷却能力の低下を補償したり、エアサイクルシステム自体の冷却能力の大幅な向上は困難であるという問題がある。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、エンジン抽気量を低減しても、必要な冷却能力が得られる空調装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の空調装置は、航空機のエンジンまたは補助動力装置からの高温・高圧の抽気をコンプレッサにより圧縮した後、該コンプレッサと短軸結合されたタービンにおいて断熱膨張させて低温空気として供給するエアサイクルシステムと、気体冷媒をコンプレッサにより圧縮した後コンデンサで冷却して液体冷媒とし、膨張バルブとエバポレータにより液体冷媒を気化させて冷却する冷却サイクルにより空気を冷却するベーパサイクルシステムを用いて機内与圧室の空気調和を行うものであって、前記タービンを２段にし、その第１段タービンと第２段タービンの間にウオータエキストラクタと熱交換器を配設し、前記第１タービンの出口空気が前記ウオータエキストラクタを通過した後に前記熱交換器を通過して前記第２段タービンに導入され、該熱交換器に前記ベーパサイクルシステムのコンデンサからの液体冷媒を通すとともに、機内与圧室からの再循環空気を前記エバポレータで冷却してミキシングチャンバで第２段タービンの出口空気と混合して機内与圧室に供給するように構成されている。
本発明の空調装置は、上記のように構成されており、熱交換器を介してベーパサイクルシステムとエアサイクルシステムの間で相補的に熱エネルギーの移動が行われるので、小型で低消費電力のベーパサイクルシステムを用いて、抽気量を低減した場合のＡＣＳの冷却能力の低下を補うことができる。

本発明の空調装置は、ベーパサイクルシステム（ＶＣＳ）からエアサイクルシステム（ＡＣＳ）にエナジーリカバリーが行われているので、ＡＣＳへのエンジン抽気流量を低減したときの冷却能力の低下を小さくすることができるとともに、ＡＣＳの冷却能力の低下が小さくなる分、それを補うＶＣＳは小型、軽量で低消費電力のものを使用することができる。

本発明の空調装置の実施例を図面を参照しながら説明する。なお、従来の構成部品と同一のものの一部には同一符号を付している。図１は本発明の空調装置のエアサイクルシステム（ＡＣＳ）１とベーパサイクルシステム（ＶＣＳ）２を組み合わせて構成した空調系統を示す図である。前記エアサイクルシステム１は、エンジン抽気Ｂ１をラムエアＡによって冷却する一次熱交換器１１と、冷却されたエンジン抽気Ｂ１を機内与圧室（客室、コックピット、電子機器設置室などの調温調圧を必要とする室）Ｒの空調に必要な冷却空気Ｂ４に変換するエアサイクルマシン３０と、再循環ファン９によって機内与圧室Ｒから吸出された再循環空気Ｂ５を後述するエバポレータ２３を介して冷却空気Ｂ４と混合するミキシングチャンバ８から構成されている。

前記エアサイクルマシン３０は、前記一次熱交換器１１を通過したエンジン抽気Ｂ１を圧縮するコンプレッサ３１と、その出口から取り出された高温高圧の圧縮空気をラムエアＡによって冷却する二次熱交換器１２を通過した圧縮空気を断熱膨張して中圧空気Ｂ２に変換する第１段タービン３２と、その中圧空気Ｂ２中の水分を分離するウオータエキストラクタ１３を出た低圧空気Ｂ３とベーパサイクルシステム２を循環する液体冷媒Ｌと熱交換するためのシステム間熱交換器１４を通過した空気を断熱膨張させる第２段タービン３３とで構成され、各回転軸は互いに連結されている。

また、前記ベーパサイクルシステム２は、ラムエアＡ等との熱交換によって高温高圧の気体冷媒Ｇを凝縮して液体冷媒Ｌに変換するコンデンサ２１と、その凝縮された液体冷媒Ｌを前記システム間熱交換器１４に通過させた後、この液体冷媒Ｌを膨張させ低圧冷媒に変える膨張弁２２と、低圧冷媒を蒸発させ、その蒸発熱により接触する物体を冷却させるエバポレータ（ＥＶＰ）２３と、このエバポレータ２３で気化された気体冷媒を圧縮するコンプレッサ２４と、このコンプレッサ２４の回転軸に連結された電動モータ２５と、再循環ファン９により機内与圧室Ｒから吸出された再循環空気Ｂ５を冷却するエバポレータ２３から構成されている。

次に、本空調装置の動作について説明する。エンジンから抽出された高温高圧のエンジン抽気Ｂ１は、一次熱交換器１１でラムエアＡと熱交換して冷却された後コンプレッサ３１で圧縮される。その圧縮空気は二次熱交換器１２で再度ラムエアＡと熱交換して冷却された後、第１段タービン３２で断熱膨張して約０℃の霧状中圧空気Ｂ２に変換される。この中圧空気Ｂ２は、ウオータエキストラクタ１３で水分が分離除去された後、前記ベーパサイクルシステム２のコンデンサ２１を出た４０〜５０℃の液体冷媒Ｌからシステム間熱交換器１４を介して熱エネルギーを吸収し、約４０℃の高温になった低圧空気Ｂ３は第２段タービン３３で再度断熱膨張して約０℃以下の低温空気になってミキシングチャンバ８に入力される。第２段タービン３３で再度断熱膨張する前に熱エネルぎーを吸収したことにより、断熱膨張のエネルギーが増大し、冷却能力が増大する。

一方、ベーパサイクルシステム２の液体冷媒Ｌは、低圧空気Ｂ３からシステム間熱交換器１４を介して冷却エネルギーを吸収して温度が下がった状態で膨張弁２２に入力され低圧冷媒となってエバポレータ２３に入力される。機内与圧室Ｒ内の内部空気の一部は再循環ファン９によって吸出され、この再循環空気Ｂ５は前記エバポレータ２３によって冷却された後、前記冷却空気Ｂ４とともに前記ミキシングチャンバ８に入力混合され、その混合空気は機内与圧室Ｒに入力される。

本発明の空調装置は上記のように作動することにより、前記システム間熱交換器１４を介して、ベーパサイクルシステム２の液体冷媒Ｌが有する熱エネルギーの一部はエアサイクルシステム１の低圧空気Ｂ３に熱交換により吸収されるとともに、前記低圧空気Ｂ３の有する冷却エネルギーの一部は同じく熱交換により前記液体冷媒Ｌに吸収される。すなわち、エアサイクルシステム１とベーパサイクルシステム２は、相補的にそれぞれの冷却効率を向上させる方向にエネルギーの交換（エネルギーリカバリー）が行われる。また、ベーパサイクルシステム２のエバポレータ２３によって機内与圧室Ｒの再循環空気Ｂ５を冷却して、これをエアサイクルシステム１からの冷却空気Ｂ４と混合して機内与圧室Ｒに供給するようにしているので、エアサイクルシステム１による冷却空気Ｂ４の冷却度が低下しても、再循環空気Ｂ５の冷却度を増すことにより直接的に補うことができる。

図２〜４は本発明の空調装置の冷却能力をさらに向上させることができるエアサイクルシステムの他の実施例を示したものである。図２のエアサイクルシステムは、エアサイクルシステム１のコンプレッサ３１にラムエアＡの吸入用のラムファン３を設けることにより、地上でのラムエアＡの流入を可能にしたものである。また、図３のエアサイクルシステムは、インバータ３７からの電力で駆動される電動モータ３５をコンプレッサ３１に連結したもので、低圧力のエンジン抽気または外気の利用を可能にしたものである。そしてまた、図４のエアサイクルシステムは、第１段タービン３２、コンプレッサ３１及びラムファン３４からなるエアサイクルマシンと第２段タービン３３、電動モータ３５及びコンプレッサ３６からなるエアサイクルマシンを形成して、その間にウオータエキストラクタ１３とシステム間熱交換器１４を挿入することにより冷却能力の向上を図ることができる。

本発明の実施例の構成を示すシステム構成図である。実施例に係わるエアサイクルシステムの他の実施例を示す図である。実施例に係わるエアサイクルシステムの他の実施例を示す図である。実施例に係わるエアサイクルシステムの他の実施例を示す図である。従来のエアサイクルシステムによる空調装置の構成例を示す図である。従来のエアサイクルシステムとベーパサイクルシステムを組み合わせた空調装置の構成例を示す図である。従来のエアサイクルシステムとベーパサイクルシステムを組み合わせた空調装置の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１エアサイクルシステム
２ベーパサイクルシステム
８ミキシングチャンバ
９再循環ファン
１１一次熱交換器
１２二次熱交換器
１３ウオータエキストラクタ
１４システム間熱交換器
２１コンデンサ
２２膨張弁
２３エバポレータ
２４コンプレッサ
２５電動モータ
３０エアサイクルマシン
３１コンプレッサ
３２第１段タービン
３３第２段タービン
Ａラムエア
Ｂ１エンジン抽気
Ｂ２中圧空気
Ｂ３低圧空気
Ｂ４冷却空気
Ｂ５再循環空気
Ｇ気体冷媒
Ｌ液体冷媒
Ｒ機内与圧室

Claims

航空機のエンジンまたは補助動力装置からの高温・高圧の抽気をコンプレッサにより圧縮した後、該コンプレッサと短軸結合されたタービンにおいて断熱膨張させ低温にして供給するエアサイクルシステムと、気体冷媒をコンプレッサにより圧縮した後コンデンサで冷却して液体冷媒とし、膨張バルブとエバポレータにより液体冷媒を気化させて冷却する冷却サイクルにより空気を冷却するベーパサイクルシステムを用いて機内与圧室の空気調和を行う空調装置において、前記タービンを２段にし、その第１段タービンと第２段タービンの間にウオータエキストラクタと熱交換器を配設し、前記第１タービンの出口空気が前記ウオータエキストラクタを通過した後に前記熱交換器を通過して前記第２段タービンに導入され、該熱交換器に前記ベーパサイクルシステムのコンデンサからの液体冷媒を通すとともに、機内与圧室からの再循環空気を前記エバポレータで冷却してミキシングチャンバで第２段タービンの出口空気と混合して機内与圧室に供給するようにしたことを特徴とする空調装置。