JP4174606B2 - 航空機用空気調和装置 - Google Patents
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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の機内温度、湿度、酸素分圧、圧力を制御するのに利用でき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は、エンジンの圧縮部で圧縮された抽出空気を、機外空気と熱交換して冷却した後にラジアルコンプレッサで断熱圧縮し、これを再度機外空気と熱交換して冷却した後に、膨張タービンにより断熱膨張することで、調温、調圧された冷気を得るエアサイクル式冷却装置が従来から主に使用されている。
【０００３】
すなわち、図１６に示す従来の航空機用空気調和装置は、エンジン１０１からの抽出空気を、プリクーラ１０２と呼ばれる熱交換器により冷却した後、ラジアルコンプレッサ１０３でほぼ断熱的に圧縮し、これにより昇温された空気をメインクーラ１０４と呼ばれる熱交換器により冷却し、膨張タービン１０５でほぼ断熱的に膨張させる。これにより冷気が得られる。そのプリクーラ１０２およびメインクーラ１０４においては、ラム空気路１０９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１０５の膨張仕事は、シャフト１０６を介してコンプレッサ１０３に伝えられることで、圧縮動力として利用される。なお、航空機が地上にある時や低空飛行時においては、外気温度が高く、空気の水分含有量が多いため、膨張タービン１０５での膨張時に空気中の水分が凝縮して霧状の水滴が発生する。そのため、膨張タービン１０５の下流に水分捕捉のためのウォータセパレータ１０７が配置される。そのウォータセパレータ１０７を通過した冷気が航空機のコックピット空間を含むキャビン１０８内に供給されることで冷房が行われる。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１０１に代えてＡｕｘｉｌｉａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔと呼ばれる補助エンジンなどの高圧空気供給ユニット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。
【０００４】
高々度等において暖房を行うため、エンジン１０１からの抽出空気をキャビン１０８に導くためのバイパス空気流路１１１が設けられ、そのバイパス空気流路１１１はホットエアモジュレートバルブ１１２により開閉される。抽出空気の一部は、そのホットエアモジュレートバルブ１１２を開くことで、コンプレッサ１０３と膨張タービン１０５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、ウォータセパレータ１０７の下流に配置されたミキシングダクト１１３に導かれる。そのミキシングダクト１１３において、エアサイクル式冷却装置により冷却された抽出空気と冷却されていない抽出空気とが混合される。よって、ホットエアモジュレートバルブ１１２の開度を調整することで適度な温度の空気が得られる。その適度な温度の空気がキャビン１０８内に供給されることで暖房を行うことができる。なお、高々度を巡航する際にはラム空気路１０９は絞られているため、プリクーラ１０２やメインクーラ１０４においてエンジン１０１からの抽出空気は過剰に冷却されず、ある程度高温に維持される。そのキャビン１０８内の空気は、空気調和装置からの供給分から、機体からの漏れ分を除いた分に相当する量だけ減圧弁１１０から直接に機外空間１１４に放出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空気調和装置では、キャビンで人間が快適に過ごすのに必要な温度、酸素濃度、湿度、圧力の制御を行うには、エンジン１０１からの抽出空気量を増大させる必要がある。そのため、エンジン負荷の低減とキャビン内の快適性とを両立するのは困難であった。
【０００６】
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。
【０００７】
【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、航空機のキャビン内に主空気流路を介して導入されるエンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気を冷却装置により冷却する航空機用空気調和装置であって、そのキャビン内の空気を流出するための流出空気流路と、そのキャビン内に空気を導入するための補助空気流路と、空気に含まれる水分子を吸着し、吸着時よりも温度が上昇することで吸着した水分子を放出する吸着剤により各々構成されている複数の吸着部と、空気流路切替機構と、その空気流路切替機構を制御するコントローラとを備え、前記補助空気流路は、前記主空気流路から分岐される空気流路、又は、前記流出空気流路から分岐される空気流路により構成され、各吸着部は、その空気流路切替機構により、そのキャビン内の空気よりも高温の空気が流れる補助空気流路に接続される状態と、その流出空気流路に接続される状態とに切替え可能とされ、そのコントローラによる空気流路切替機構の制御により、各吸着部は、その補助空気流路に接続される状態と流出空気流路に接続される状態とに切替えられ、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気は、前記吸着部を通過した後に前記キャビン内に導入可能とされ、前記補助空気流路を流れる空気を、前記吸着部を通過した後、機外空間に放出する状態と、キャビンに導く状態とに空気流路が切替え可能とされ、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気を、前記吸着部を通過した後に、前記キャビンに導く状態と、前記冷却装置に導く状態とに空気流路が切替え可能とされている。
本発明の構成によれば、キャビンから流出空気流路に流出された空気が各吸着部を通過する時、その空気中に含まれる分子は各吸着部における吸着剤に吸着される。補助空気流路を流れる空気が各吸着部を通過する時、その空気はキャビンから流出された空気よりも高温であるため、各吸着部における吸着剤に吸着された分子は補助空気流路を流れる空気中に放出される。各吸着部は、その補助空気流路に接続される状態と流出空気流路に接続される状態とに切替えられるので、キャビンから流出された空気中に含まれる分子を再びキャビン内に戻すことができる。また、各吸着部における吸着剤は再び空気中の分子を吸着できるように再生される。その吸着剤が水分子を吸着および放出することで、キャビン内の湿度を維持するのに寄与できる。その吸着剤が酸素分子を吸着および放出することで、キャビン内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。しかも、吸着部と、その吸着部への空気の流れを切り換える機構を付加するという簡単な構成でキャビン内空気の再生ができるので、本発明は小型の航空機にも容易に適用できる。
少なくとも一つの吸着部が前記補助空気流路に接続されている時、少なくとも一つの別の吸着部が流出空気流路に接続されているのが好ましい。これにより、効率良く吸着部による空気中の分子の吸着と放出とを行うことができる。
前記流出空気流路を流れる空気の少なくとも一部を、前記吸着部を通過した後、飛行時の条件や機内空気の条件に応じて機外空間に放出可能な放出機構を備えるのが好ましい。これにより、キャビン内の圧力を適正に維持するために空気を機外空間に放出する前に、その空気に含まれる分子を吸着できるので、その空気に含まれる水や酸素等の分子を有効に再利用できる。例えば、キャビン内の水蒸気もしくは酸素の濃度を目標値に維持することがさらに容易になり搭乗者の快適性を大幅に向上できる。特に、搭乗者が少ないためにキャビン内での水蒸気発生が少ない場合における湿度低下防止に有効である。
さらに、前記流出空気流路を流れる空気の少なくとも一部を、前記吸着部を通過した後に前記放出機構により機外空間に放出する状態と、前記吸着部を通過することなく前記放出機構により機外空間に放出する状態とに切り替える放出切替え機構を備えるのが好ましい。これにより、機内空気に含まれる分子を再利用する必要性が高い場合は機内空気を吸着部の通過後に機外空間に放出し、再利用する必要性が低い場合は機内空気を吸着部を通過させることなく機外空間に放出できる。例えば、高々度を飛行中にあっては機内空気を吸着部の通過後に機外空間に放出し、高温多湿の地上にあっては機内空気を吸着部を通過させることなく機外空間に放出する。これにより、地上等においては吸着剤によって吸着された水分を排出するだけでなく、機外空間に放出する空気にも水分を含めることができるので、キャビンの湿度を快適な範囲に維持できる。
キャビンから流出された空気を再びキャビン内に送り込むことができ、エンジンからの抽出空気量を増大させることなく、キャビン内の圧力と温度を制御するのに必要な空気量を確保することができる。しかも、吸着部において吸着された水分をキャビン内に戻すことでキャビン内の湿度を維持できる。
航空機の飛行状態に応じてエンジンからの抽出空気量や外気の温度、湿度、酸素濃度、圧力が変化した場合、キャビン内の温度、湿度、酸素濃度、圧力を最適に維持することができる。また、機内の湿度が過剰な場合、吸着剤から放出された水分を含む空気を機外空間に放出できる。さらに、キャビンから流出した空気を再度冷却装置に送っている場合、冷却装置の結露を防止できる。
【０００９】
その補助空気流路を流れる空気流量が調整可能とされているのが好ましい。これにより、冷却装置により冷却してキャビン内に導入する空気量と、冷却することなくキャビン内に導入する空気量との比を調整し、キャビン内の温度を適正に維持できる。
【００１０】
その空気調和装置における空気流路を流れる空気が通過する位置に配置され、その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備え、その窒素富化ガスは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内に導入可能とされているのが好ましい。
これにより、燃料火災の発生を防止でき、且つ、キャビン内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。
【００１１】
前記選択透過膜は、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気が前記吸着部を通過した後に流れる空気流路に設けられているのが好ましい。
これにより、キャビンから流出された空気を酸素濃縮空気として再びキャビン内に送り込むことができ、エンジンからの抽出空気量を増大させることなく、キャビン内の圧力を制御するのに必要な空気量を確保することができる。しかも、選択透過膜に導入される空気からは吸着部において水分が除去されているので、その選択透過膜を通過して機外に放出される水分を低減し、キャビン内の湿度を維持できる。また、燃料への水分の混入も防止できる。
【００１４】
前記補助空気流路は、前記エンジン抽出空気を前記冷却装置を通ることなくキャビンに導くためのバイパス空気流路により構成されているのが好ましい。
これにより、高温のエンジン抽出空気が吸着部を通過することで吸着剤から分子を放出させ、吸着剤を再生することができる。
【００１５】
前記補助空気流路は、前記キャビンから流出する空気を再びキャビンに導くための循環空気流路により構成され、その循環空気流路を流れる空気を、前記吸着剤の通過前に加熱する手段が設けられているのが好ましい。
これにより、吸着剤を再生するためにエンジン抽気を消費する必要がなくなり、エンジン負荷増大を防止することができる。
その循環空気流路を流れる空気を、航空機に搭載される電装品から発せられる熱により加熱してもよい。
【００１６】
前記補助空気流路は、前記キャビンから流出する空気を再びキャビンに導くための循環空気流路により構成され、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気を、前記吸着部の下流において圧縮する圧縮手段が設けられ、その圧縮手段の下流に、その圧縮された空気と前記循環空気流路を流れる空気との間で熱交換を行う熱交換器が設けられ、その熱交換器において、その循環空気流路を流れる空気が前記吸着剤の通過前に加熱される手段が設けられているのが好ましい。これにより、前記流出空気が圧縮されることで発生する熱によって循環空気流路を流れる空気の温度を上げることができ、他に熱源を設ける必要がなくなり、エネルギ消費を減少させることができる。その圧縮された空気をキャビンから循環空気流路を介して流出する空気により冷却することで、圧縮後の空気温度をかなり低下させることができ、再冷却が必要となった場合でも、その冷却装置を小さくすることができる。
また、前記熱交換器において冷却された圧縮後の流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が設けられ、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内に導入可能とされているのが好ましい。これにより、選択透過膜を通過する空気量をエンジン抽気を消費することなく得ることができ、また、選択透過膜に至る前に水分が除去される結果、水分は選択透過膜を通って流出することがなく水分放出と燃料への水分混入を防止できる。また、選択透過膜に導かれる空気を圧縮することで、効率良く窒素富化ガスを得ることができる。
窒素富化ガスが大量に必要な場合、吸着剤により水分吸着される空気量が増大するので吸着剤を再生するのに必要な空気が増大する。この場合、選択透過膜に導かれる前に圧縮される空気も増大するので、そのキャビンから循環空気流路を介して流出する空気を加熱する熱量を増大させることができる。その加熱された空気により吸着剤を再生するのに必要な高温空気を確保できる。すなわち、空気の流量バランスの良いシステムを得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は比較例に係る航空機用空気調和装置を示し、エンジン１からの抽出空気を主空気流路９０を介して航空機のコックピット空間を含むキャビン８内に導入する。すなわち、そのエンジン１からの抽出空気は、プリクーラ２と呼ばれる熱交換器により冷却した後、ラジアルコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮し、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、膨張タービン５でほぼ断熱的に膨張させる。これにより冷気が得られる。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。なお、航空機が地上にある時や低空飛行時においては、外気温度が高く、空気の水分含有量が多いため、膨張タービン５での膨張時に空気中の水分が凝縮して霧状の水滴が発生する。そのため、膨張タービン５の下流に水分捕捉のためのウォータセパレータ７が配置される。そのウォータセパレータ７を通過した冷気が航空機のコックピット空間を含むキャビン８内に供給されることで冷房が行われる。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に代えて高圧空気供給ユニット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。
【００１８】
高々度等において暖房を行うため、エンジン１からの抽出空気を、上記コンプレッサ３と膨張タービン５により構成されるエアサイクル式冷却装置を通ることなく、キャビン８に導くための補助空気流路としてバイパス空気流路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２５からの信号により開度調整可能とされ、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、ウォータセパレータ７の下流に配置されたミキシングダクト１３に導かれる。そのミキシングダクト１３において、エアサイクル式冷却装置により冷却された抽出空気と冷却されていない抽出空気とが混合される。よって、ホットエアモジュレートバルブ１２の開度を調整することで適度な温度の空気が得られる。その適度な温度の空気がキャビン８内に供給されることで暖房を行うことができる。なお、高々度を巡航する際にはラム空気路９は絞られているため、プリクーラ２やメインクーラ４においてエンジン１からの抽出空気は過剰に冷却されることがなく、ある程度高温に維持される。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からの漏れ分や機内圧力を調整するバルブ（図示せず）から放出される分を差し引いたものに相当する量だけ、流出空気流路４０から流出される。
【００１９】
そのバイパス空気流路１１と流出空気流路４０に、第１吸着部２３と第２吸着部２４とが空気流路切替機構５０を介して接続される。各吸着部２３、２４は、容器２３ａ、２４ａに充填された吸着剤２３ｂ、２４ｂを備える。各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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。例えば、各吸着剤２３ｂ、２４ｂは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。
【００２０】
その空気流路切替機構５０により、各吸着部２３、２４はバイパス空気流路１１に接続される状態と、流出空気流路４０に接続される状態とに切替え可能とされている。本比較例においては、バイパス空気流路１１を流れる抽出空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、そのバイパス空気流路１１を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。また、流出空気流路４０を流れる空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、その流出空気流路４０を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。本比較例の空気流路切替機構５０は第１切替えバルブ２１と第２切替えバルブ２２とを有する。
その第１切替えバルブ２１は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第１吸着部２３に導くと共に、第２吸着部２４から流出する空気を機外空間１４に導く。その第２状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第２吸着部２４に導くと共に、第１吸着部２３から流出する空気を機外空間１４に導く。
その第２切替えバルブ２２は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、第１吸着部２３から流出する空気をミキシングダクト１３を介してキャビン８に導くと共に、キャビン８から流出空気流路４０に導かれた空気を第２吸着部２４に導く。その第２状態では、第２吸着部２４から流出する空気をミキシングダクト１３を介してキャビン８に導くと共に、キャビン８から流出空気流路４０に導かれた空気を第１吸着部２３に導く。
【００２１】
その空気流路切替機構５０は航空機に搭載されるコントローラ２５により制御される。その制御により、各吸着部２３、２４は、バイパス空気流路１１に接続される状態と流出空気流路４０に接続される状態とに切替えられる。すなわち、両切替えバルブ２１、２２は、コントローラ２５から内蔵タイマー等により設定された設定時間毎に送られる切替信号により、第１状態と第２状態とに切替えられる。この際、第１切替えバルブ２１が第１状態では第２切替えバルブ２２が第１状態とされ、第１切替えバルブ２１が第２状態では第２切替えバルブ２２が第２状態とされる。すなわち、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過し、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過するように、その空気流路切替機構５０は制御される。
【００２２】
これにより、そのホットエアモジュレートバルブ１２を開くことでバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気は、第１切替えバルブ２１を介して両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれた後に、第２切替えバルブ２２からミキシングダクト１３を介してキャビン８内に供給される。一方、そのキャビン８から流出空気流路４０に流出される空気は、第２切替えバルブ２２から両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれた後に、減圧弁１０を通って機外空間１４とほぼ同じ圧力となり最終的には機外空間１４に放出される。
【００２３】
そのエンジン１からプリクーラ２を介してバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気の温度は１００℃〜１４０℃であり、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２０℃〜３０℃である。これにより、キャビン８から流出される空気が流れる時は低温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気に含まれる分子を吸収する。エンジン１からの抽出空気が流れる時は高温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気から吸収した分子を抽出空気中に放出することで再生される。例えば、各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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２３ｂ、２４ｂにより吸着し、エンジン１からの抽出空気中に放出することでキャビン８に戻してキャビン８の快適性を向上する。しかも、吸着剤２３ｂ、２４ｂは再度利用できるように再生される。また、各吸着部２３、２４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ることで、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、そのシリカゲルと酸素分子吸着物質として機能するゼオライトは交互に層状に配置するのが好ましい。
【００２４】
また、吸着剤２３ｂ、２４ｂとして酸素分子吸着物質を用いる場合、キャビン８から流出し吸着部２３、２４を通って流出される空気の酸素濃度は低下する。よって、その酸素濃度の低下した空気を、図において破線で示す燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域１５に導くことで燃料火災を防ぐことができる。
【００２５】
上記比較例によれば、キャビン８から流出された空気中に含まれる有効成分となる分子を、エンジン１からの抽出空気によって再びキャビン８内に戻すことができる。また、各吸着剤２３ｂ、２４ｂは再び空気中の分子を吸着できるように再生される。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが水分子を吸着および放出することで、キャビン８内の湿度を維持するのに寄与できる。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが酸素分子を吸着および放出することで、キャビン８内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。しかも、吸着部２３、２４と空気流路切替機構５０とを付加するという簡単な構成でキャビン８内空気の再生ができるので、本発明は小型の航空機にも容易に適用できる。そのバイパス空気流路１１を流れる空気流量が調整可能とされているので、エアサイクル式冷却装置により冷却してキャビン８内に導入する空気量と冷却することなくキャビン８内に導入する空気量との比を調整することで、キャビン８内の温度を適正に維持できる。さらに、一つの吸着部がバイパス空気流路１１に接続されている時、別の吸着部が流出空気流路４０に接続されるので、効率良く吸着部２３、２４による空気中の分子の吸着と放出とを行うことができる。
【００２６】
図２は別の比較例に係る航空機用空気調和装置を示す。上記比較例と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
この比較例においては、流出空気流路４０における空気流路切替機構５０の下流に、モータ１８で駆動されるコンプレッサ１７が配置され、このコンプレッサ１７の下流に空気分離部１６が配置されている。その空気分離部１６は、多数の中空糸が組込まれた選択透過膜１６ａをチャンバ１６ｂにより覆うことで構成されている。すなわち選択透過膜１６ａは、キャビン８から流出される空気が吸着部２３、２４を通過した後に流れる空気流路に設けられている。また、吸着部２３、２４の吸着剤２３ｂ、２４ｂは少なくとも水分子を吸着可能とされている。本比較例では、その選択透過膜１６ａは、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の透過率が酸素（Ｏ2 ）の透過率よりも高くされている。吸着部２３、２４から流出した空気は、コンプレッサ１７により選択透過膜１６ａにおける窒素透過に適した圧力に昇圧される。これにより、その選択透過膜１６ａを透過した窒素富化ガス（本比較例ではＮ2 ＝９２％以上）が燃料周囲領域１５に供給され、必要以上に供給された分は放出路を通って機外空間１４に放出される。その選択透過膜１６ａを透過しなかった空気の酸素分圧は大きくなる。この酸素分圧の大きな酸素濃縮空気は、その空気分離部１６とキャビン８とを連絡する再生空気流路１９によりキャビン８に再度導かれる。他は上記比較例と同様とされている。
【００２７】
上記別の比較例においては、選択透過膜１６ａにより分離する窒素富化ガスにより燃料火災の発生を防止でき、酸素濃縮空気によりキャビン８内の酸素濃度を高めに設定できる。そのため、キャビン内気圧を低めに設定しても酸素の分圧は地上程度に確保され、乗客が息苦しさを感じないレベルに維持するのに寄与できる。また、吸着剤２３ｂ、２４ｂは少なくとも水分子を吸着可能とされ、キャビン８から流出される空気が吸着部２３、２４を通過した後に流れる空気流路に選択透過膜１６ａを設けている。これにより、キャビン８から流出された空気を酸素濃縮空気として再びキャビン８内に送り込むことができる。よって、エンジン１からの抽出空気量を増大させることなく、キャビン８内の圧力を制御するのに必要な空気量を確保することができる。しかも、選択透過膜１６ａに導入される空気からはキャビン８において水分が除去されているので、その選択透過膜１６ａを通過して機外に放出される水分を低減し、キャビン８内の湿度を維持できる。また、選択透過膜１６ａに導かれる空気を圧縮することで、効率良く窒素富化ガスを得ることができる。
【００２８】
図３〜図６は本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置を示す。上記比較例と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。図３は航空機が地上にある時の状態、図４は離陸後の上昇時の状態を、図５は高々度での巡航時の状態、図６は降下時の状態を示す。
【００２９】
本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で流量調整した後、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はコントローラ２５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に導かれた抽出空気は開閉バルブ４１と空気分離部１６に導かれる。その開閉バルブ４１はコントローラ２５からの信号により開度調整される。その空気分離部１６で選択透過膜１６ａを通過せずに残った空気と、その開閉バルブ４１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、これにより冷気が得られる。その冷気は再生熱交換機４ａ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。そのコンプレッサ３とタービン５を結ぶシャフト６には、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。航空機が降下する際はエンジン１からの抽出空気圧が低いので、モータ６ａによる動力アシストによって、空気分離部１６にとっては適正となる圧力にまで昇圧することが可能となる。
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などの高圧空気供給ユニット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。
【００３０】
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２５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。
【００３１】
そのバイパス空気流路１１と流出空気流路４０に、第１吸着部２３と第２吸着部２４とが空気流路切替機構５０を介して接続される。本実施形態の空気流路切替機構５０は第１切替えバルブ２１と第２切替えバルブ２２とを有する。各吸着部２３、２４は、容器２３ａ、２４ａに充填された吸着剤２３ｂ、２４ｂを備える。各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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。本実施形態では、その吸着剤２３ｂ、２４ｂとして水分子吸着物質が用いられ、例えばシリカゲルから構成できる。
【００３２】
その空気流路切替機構５０により、各吸着部２３、２４はバイパス空気流路１１に接続される状態と、流出空気流路４０に接続される状態とに切替え可能とされている。本実施形態においては、バイパス空気流路１１を流れる抽出空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、そのバイパス空気流路１１を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。また、流出空気流路４０を流れる空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、その流出空気流路４０を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。
その第１切替えバルブ２１は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第１吸着部２３に導くと共に、第２吸着部２４から流出する空気を混合前コンプレッサ１７に導く。その第２状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第２吸着部２４に導くと共に、第１吸着部２３から流出する空気を混合前コンプレッサ１７に導く。
その第２切替えバルブ２２は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、第１吸着部２３から流出する空気を第３切替えバルブ２７に導くと共に、キャビン８から流出する空気を第２吸着部２４に導く。その第２状態では、第２吸着部２４から流出する空気を第３切替えバルブ２７に導くと共に、キャビン８から流出する空気を第１吸着部２３に導く。
【００３３】
その空気流路切替機構５０は航空機に搭載されるコントローラ２５により制御される。その制御により、各吸着部２３、２４は、バイパス空気流路１１に接続される状態と流出空気流路４０に接続される状態とに切替えられる。すなわち、両切替えバルブ２１、２２は、コントローラ２５から内蔵タイマー等により設定された設定時間毎に送られる切替信号により、第１状態と第２状態とに切替えられる。この際、第１切替えバルブ２１が第１状態では第２切替えバルブ２２が第１状態とされ、第１切替えバルブ２１が第２状態では第２切替えバルブ２２が第２状態とされる。すなわち、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過し、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過するように、その空気流路切替機構５０は制御される。
【００３４】
これにより、そのホットエアモジュレートバルブ１２を開くことでバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気は、第１切替えバルブ２１を介して両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれた後に、第２切替えバルブ２２に導かれる。その吸着部２３、２４から第２切替えバルブ２２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、キャビン８に導く状態とにコントローラ２５からの信号により空気流路を切替え可能である。
【００３５】
そのキャビン８から流出空気流路４０に流出される空気は、第２切替えバルブ２２から両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれる。しかる後に、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により昇圧された空気は、ベーパサイクル式熱交換ユニット３０のエバポレータ３５において冷却された後に、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２５からの信号により、導かれた空気をキャビン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。その熱交換ユニット３０は、ＨＦＣ１３４ａなどの冷媒を用いた冷却サイクルにより構成される。すなわち、その冷媒は、モータ３１により駆動されるコンプレッサ３２によって圧縮され、コンデンサ３３においてラム空気路９を通る機外空気に熱を放出することで凝縮される。その凝縮された冷媒は膨張弁３４において減圧されることで温度が低下する。その低温になった冷媒は、エバポレータ３５において上記のように空気から熱を吸収することで蒸発する。
【００３６】
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通過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から流出して再びキャビン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。その混合された循環空気と抽出空気とが、エアサイクル式冷却装置のコンプレッサ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。
【００３７】
そのエンジン１からプリクーラ２を介してバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気の温度は１００℃〜１４０℃であり、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２０℃〜３０℃である。これにより、キャビン８から流出される空気が流れる時は低温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気に含まれる有効成分（ここでは水分子）を吸収する。エンジン１からの抽出空気が流れる時は高温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気から吸収した水分子を抽出空気中に放出することで再生する。例えば、各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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２３ｂ、２４ｂにより吸着し、エンジン１からの抽出空気中に放出することで、キャビン８に戻してキャビン８の快適性を向上する。しかも、吸着剤２３ｂ、２４ｂは再度利用できるように再生できる。各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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、そのシリカゲルと酸素分子吸着物質として機能するゼオライトは交互に層状に配置するのが好ましい。
【００３８】
上記空気分離部１６は、本実施形態では処理能力が大きく大型航空機に適したものとされている。その空気分離部１６は多数の細管状の選択透過膜１６ａを束ねてチャンバ１６ｂにより覆うことで構成され、窒素富化ガスと酸素濃縮空気とを生成する。そのため、その選択透過膜１６ａは、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）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、再生熱交換機４ａで冷却され、ウォータセパレータ７を通過した抽出空気を、選択透過膜１６ａを透過して窒素富化ガス（本実施形態ではＮ2 ＝９２％以上）とすることができる。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、放出路を通って機外空間１４に放出される。その選択透過膜１６ａを透過しなかった空気の酸素濃度は上がる。この酸素が濃縮された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２５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。
【００３９】
図３に示す地上で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、ホットエアモジュレートバルブ１２を多少開くことで、各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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２３、２４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、熱交換ユニット３０のエバポレータ３５での結露を防止して冷房能力の低下を阻止できる。このため、熱交換ユニット３０もフル作動が可能であり、エアサイクル式冷却装置と併せて、キャビン８の冷房能力を大きくできる。また、キャビン８から流出されて吸着部２３、２４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。
【００４０】
図４に示す機体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２３、２４において再生された暖かく水分を含む抽出空気が、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、熱交換ユニット３０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２３、２４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、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。
【００４１】
図５に示す高々度での巡航時の状態においては、キャビン８から流出されて吸着部２３、２４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で昇圧された上切替えバルブ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２３、２４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。
【００４２】
図６に示す機体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の出力は降下時は極端に絞られるため、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、抽気量確保が難しくなる。そこで、キャビン８から流出される空気を切替えバルブ３６からコンプレッサ３に導くことで循環空気量を増やし、エアサイクル式冷却装置における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、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２３、２４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。この場合、キャビン８における暖房が過剰にならないように、熱交換ユニット３０を作動させ、キャビン８の温度を調整する。
【００４３】
上記第１実施形態によれば、キャビン８から流出された空気中に含まれる必要な成分分子を再びキャビン８内に戻すことができる。また、各吸着剤２３ｂ、２４ｂは再び空気中の分子を吸着できるように再生される。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが水分子を吸着および放出することで、キャビン８内の湿度を維持するのに寄与できる。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが酸素分子を吸着および放出する場合には、キャビン８内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。しかも、吸着部２３、２４と空気流路切替機構５０とを付加するという簡単な構成でキャビン８内空気の再生ができる。そのバイパス空気流路１１を流れる空気流量が調整可能とされているので、エアサイクル式冷却装置により冷却してキャビン８内に導入する空気量と、冷却することなくキャビン８内に導入する空気量との比を調整し、キャビン８内の温度を適正に維持できる。
また、選択透過膜１６ａにより分離する窒素富化ガスにより燃料火災の発生を防止でき、酸素濃縮空気によりキャビン８内の酸素濃度を維持する（すなわち、機内が地上よりも低い気圧となっても、酸素分圧は地上でのレベルを維持する）のに寄与できる。そのキャビン８から流出空気流路４０を介して流出される空気は、吸着剤２３ｂ、２４ｂにより少なくとも水分子を吸着され、吸着部２３、２４を通過した後に混合前コンプレッサ１７により圧縮され、さらにコンプレッサ３で昇圧された後に、空気分離部１６の選択透過膜１６ａに供給される。これにより、キャビン８から流出された空気を酸素濃縮空気として再びキャビン８内に送り込むことができ、エンジン１からの抽出空気量を増大させることなく、キャビン８内の圧力を制御するのに必要な空気量を確保することができる。また、選択透過膜１６ａに導かれる空気を圧縮することで、効率良く窒素富化ガスを得ることができる。さらに、航空機の飛行状態に応じてエンジン１からの抽出空気量や外気の温度、湿度、酸素濃度、圧力が変化した場合に、キャビン８内の温度、湿度、酸素濃度、圧力を最適に維持することができ、さらに吸着剤２３ｂ、２４ｂから放出された水分を含む抽出空気を湿度が過剰になる場合には機外空間１４に放出することでエアサイクル式冷却装置の結露を防止することも可能になる。
【００４４】
上記第１実施形態によれば、空気分離部１６により窒素を分離した残りの酸素濃縮空気はキャビン８に戻されることで有効利用される。また、エアサイクル式冷却装置と空気分離部１６の両者が機能する場合において、エンジン１からの抽出空気量の増加を抑制してエンジン１の負荷を低減できる。そのエアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３を利用して、混合された循環空気と抽出空気の圧力を、空気分離部１６の選択透過膜１６ａにより空気成分を分離する上で必要な圧力まで昇圧できる。また、混合前コンプレッサ１７により抽出空気との混合前に循環空気を抽出空気圧力と同程度に加圧し、循環空気が逆流するのを防止して混合を円滑に行うことができる。その酸素濃縮空気は膨張タービン５により膨張され、その膨張タービン５の出力がコンプレッサ３を駆動するための動力として用いられる。よって、膨張タービン５の膨張仕事を有効利用することができる。そのコンプレッサ３と混合前コンプレッサ１７は、駆動に必要な動力をモータ６ａ、１８から供給されるので、その冷却装置のコンプレッサ３の圧縮仕事と混合前コンプレッサ１７の圧縮仕事の合計と、膨張タービン５の膨張仕事との差を、そのモータ６ａ、１８の動力により補うことができる。さらに、循環空気をベーパサイクル式熱交換ユニット３０により冷却することで、キャビン８に供給される空気温度を適切に調整することができる。
【００４５】
図７は吸着部および空気流路切替機構の変形例を示す。この変形例においては、回転ドラム８０の内部に、その回転軸方向に延びる多数の吸着部８３がハニカム状に設けられ、各吸着部８３内にシリカゲル等の吸着剤が充填されている。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を介してバイパス空気流路１１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をバイパス空気流路１１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が構成されている。他は上記実施形態と同様とされる。
【００４６】
図８は本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置を示す。上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
本第２実施形態においては、補助空気流路として第１実施形態におけるバイパス空気流路１１に代えて循環空気流路９２が設けられている。また、第１実施形態における各吸着部２３、２４および空気流路切替機構５０に代えて、図７の変形例に示す吸着部８３と回転ドラム８０を用いた空気流路切替機構が用いられている。さらに、ベーパサイクル式熱交換ユニット３０は用いられていない。
【００４７】
すなわち、その循環空気流路９２は、キャビン８から流出する空気を再びキャビン８に導くため、その一端９２ａはフィルター４２の下流において流出空気流路４０に接続され、他端９２ｂは主空気流路９０と共にキャビン８に接続されている。また循環空気流路９２の途中には、空気を流すためのファン９２ｃが設けられている。
【００４８】
その回転ドラム８０の各端面に接合されたセパレータ８１における一方の領域８１ｄは循環空気流路９２に接続され、他方の領域８１ｅは流出空気流路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、その回転ドラム８０内の吸着部８３を循環空気流路９２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が構成されている。
【００４９】
その空気流路切替機構におけるモータ８２がコントローラ２５により制御されることで回転ドラム８０は回転する。その回転ドラム８０の回転により、各吸着部８３は、循環空気流路９２に接続される状態と流出空気流路４０に接続される状態とに切替えられる。各吸着部８３が循環空気流路９２に接続される時、その循環空気流路９２にキャビン８から導かれた空気は吸着部８３に導かれ、その吸着部８３を通過した後に第３切替えバルブ２７に導かれる。各吸着部８３が流出空気流路４０に接続される時、その流出空気流路４０を介してキャビン８から流出する空気は吸着部８３に導かれ、その吸着部８３を通過した後に混合前コンプレッサ１７に導かれる。これにより、その混合前コンプレッサ１７は、キャビン８から流出空気流路４０を介して流出される空気を、吸着部８３の下流において圧縮する圧縮手段を構成する。その混合前コンプレッサ１７の下流に、その混合前コンプレッサ１７により圧縮された空気と循環空気流路９２を流れる空気との間で熱交換を行う熱交換器３５ａが設けられている。その循環空気流路９２を流れる空気は、その熱交換器３５ａにより、その吸着部８３に充填されている吸着剤を通過する前に加熱される。そのキャビン８から流出空気流路４０を介して流出される空気は、熱交換器３５ａにおいて冷却された後に第４切替えバルブ３６に導かれる。他は第１実施形態と同様の構成とされている。
【００５０】
上記第２実施形態によれば、キャビン８から循環空気流路９２を介して流出する空気は、混合前コンプレッサ１７により圧縮された空気により加熱され、その加熱された空気が吸着部８３の吸着剤を通過する。よって、吸着剤を再生するためにエンジン抽気を消費する必要がなく、エンジン負荷の増大を防止できる。また、選択透過膜１６ａに導かれる空気を混合前コンプレッサ１７により圧縮することで、エンジン１からの抽出空気圧と同等の圧力が得られ、効率の良い混合が可能となる。その圧縮された空気をキャビン８から循環空気流路９２を介して流出する空気により冷却することで、圧縮後の空気温度をかなり低下させることができ、混合までの間に再冷却が必要となった場合でも、その冷却装置を小さくすることができる。窒素富化ガスが大量に必要な場合、吸着部８３の吸着剤により水分吸着される空気量が増大するので吸着剤を再生するのに必要な空気が増大する。この場合、選択透過膜１６ａに導かれる前に圧縮される空気も増大するので、キャビン８から循環空気流路９２を介して流出する空気を加熱する熱量を増大させることができる。その加熱された空気により吸着剤を再生するのに必要な高温空気を確保できる。すなわち、空気の流量バランスの良いシステムを得ることができる。他は第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００５１】
図９は本発明の第３実施形態の航空機用空気調和装置を示す。上記第２実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
本第３実施形態においては、第２実施形態における吸着部８３と回転ドラム８０を用いた空気流路切替機構に代えて、第１実施形態における吸着部２３、２４および切替えバルブ２１、２２を用いた空気流路切替機構５０が用いられている。他は第２実施形態と同様とされている。なお、この第３実施形態において、エンジン１からの抽出空気をプリクーラ２を介してキャビン８に導く温度調節用配管を設け、その温度調節用配管途中に介在させる弁の開度調節によりキャビン８内の温度調節を可能としてもよい。また、その温度調節用配管と、主空気流路９０と、第３切替えバルブ２７および第４切替えバルブ３６を介してキャビン８に導入される空気とを、そのキャビン８への導入前に混合するミキシングチャンバを設けてもよい。これにより、そのミキシングチャンバにおいて混合される空気の温度、湿度を適正なものにできる。さらに、そのミキシングチャンバにキャビン８内の空気をファンを内蔵する配管により導き、そのミキシングチャンバにおいて混合される空気の温度、湿度をより適正なものにしてもよい。また、熱交換器３５ａから第４切替えバルブ３６へ流れる空気をラム空気によりさらに冷却する放熱器を設けてもよい。
【００５２】
図１０は本発明の第４実施形態の航空機用空気調和装置を示し、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。この第４実施形態においては、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。タービン５から流出する冷気は、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。エンジン１からの抽出空気の一部は、ホットエアモジュレートバルブ１２を開くことで、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。
【００５３】
キャビン８から流出空気流路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。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。
【００５４】
補助空気流路７１と流出空気流路４０とに、図７に示された吸着部８３が空気流路切替機構５０′を介して接続される。すなわち、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、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。
【００５５】
補助空気流路７１から再生熱交換機７２を介して吸着部８３に導かれた空気は第３切替えバルブ２７に導かれる。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（図示省略）からの信号により空気流路を切替え可能である。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され、第１実施形態の熱交換ユニット３０に代わって機能する放熱器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、しかる後に第４切替えバルブ３６に導かれる。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。
【００５６】
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℃になる。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（ここでは水分子）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。
【００５７】
混合前コンプレッサ１７の上流かつ吸着部８３の下流において、流出空気流路４０から第１放出空気流路９４が分岐する。また、吸着部８３の上流において流出空気流路４０から第２放出空気流路９５が分岐する。その第１放出空気流路９４と第２放出空気流路９５とに放出切替え機構を構成する放出切替えバルブ９６が接続されている。その放出切替えバルブ９６に放出機構を構成するアウトフローバルブ９７が接続されている。その放出切替えバルブ９６はコントローラからの信号により第１放出状態と第２放出状態との間で切替え可能とされている。放出切替えバルブ９６は第１放出状態である時、第１放出空気流路９４を通過した空気をアウトフローバルブ９７に導くと共に、第２放出空気流路９５からアウトフローバルブ９７への空気の流れを遮る。放出切替えバルブ９６は第２放出状態である時、第１放出空気流路９４からアウトフローバルブ９７への空気の流れを遮ると共に、第２放出空気流路９５を通過した空気をアウトフローバルブ９７に導く。このようにアウトフローバルブ９７を空気調和装置に組込むことで、装置全体のユニット化に寄与できる。
【００５８】
アウトフローバルブ９７の開度はコントローラからの信号により変更される。コントローラは、例えば圧力センサにより検出したキャビン８の内圧と高度計により求めた機体の高度から、抽出空気供給量から空気の漏れ量と燃料周囲領域１５への窒素富化ガス供給量を差し引いた適正な値を求め、その求めた値に基づきアウトフローバルブ９７の開度を決定する。なお、その抽出空気供給量から空気の漏れ量と燃料周囲領域１５への窒素富化ガス供給量を差し引いた値を流量センサを用いて直接に求めるようにしてもよい。
【００５９】
その放出切替えバルブ９６が第１放出状態である時、流出空気流路４０を流れる空気の一部を吸着部８３の通過後にアウトフローバルブ９７により機外空間１４に放出できる。これにより、キャビン８内の圧力を適正に維持するために空気を機外空間１４に放出する前に、その空気に含まれる分子を吸着できるので、その空気に含まれる水や酸素等の分子を有効に再利用できる。例えば、キャビン８内の水蒸気もしくは酸素の濃度を目標値に維持することがさらに容易になるため、搭乗者の快適性を大幅に向上できる。特に、搭乗者が少ないためにキャビン８内での水蒸気発生が少ない場合における湿度低下防止に有効である。
また、流出空気流路４０を流れる空気の一部を吸着部８３の通過後にアウトフローバルブ９７により機外空間１４に放出する状態と、吸着部８３を通過することなくアウトフローバルブ９７により機外空間１４に放出する状態との間で切り替えることができる。これにより、機内空気に含まれる分子を再利用する必要性が高い場合は機内空気を吸着部８３の通過後に機外空間１４に放出し、再利用する必要性が低い場合は機内空気を吸着部８３を通過することなく機外空間１４に放出できる。例えば、高々度を飛行中にあっては機内空気を吸着部８３の通過後に機外空間１４に放出し、高温多湿の地上等にあっては機内空気を吸着部８３を通過させることなく機外空間に放出できる。すなわち地上等においては排出空気も余分な水蒸気を機外空間１４に排出するのに貢献できる。さらに、吸着部８３を再生することで水分を含んだ補助空気流路７１の通過空気を、第３切替えバルブ２７を介して機外空間１４に排出できる。このような高温多湿の地上等における余分な水蒸気の機外空間１４への排出によって、空気調和装置内での結露発生量を減らして冷却能力を高め、キャビン８内の湿度を快適な範囲に維持できる。
【００６０】
図１１、図１２は第４実施形態の変形例に係る放出機構と放出切替え機構を示す。この変形例においては第１放出空気流路９４は設けられない。混合前コンプレッサ１７の上流かつ吸着部８３の下流において、流出空気流路４０の途中に放出切替えバルブ９６が接続される。その放出切替えバルブ９６に第２放出空気流路９５とアウトフローバルブ９７が接続されている。放出切替えバルブ９６は図１１に示す第１放出状態である時、流出空気流路４０を流れる吸着部８３を通過した空気の全部をアウトフローバルブ９７に導くと共に、第２放出空気流路９５を流れる空気を流出空気流路４０を介して混合前コンプレッサ１７に導く。放出切替えバルブ９６は図１２に示す第２放出状態である時、流出空気流路４０を流れる吸着部８３を通過した空気の全部を混合前コンプレッサ１７に導くと共に、第２放出空気流路９５を流れる空気をアウトフローバルブ９７に導く。放出切替えバルブ９６を高々度で第１放出状態にすることで、空気中の水分あるいは酸素を効果的に回収できる。また、放出切替えバルブ９６を高温多湿の地上で第２放出状態にすることで余分な水蒸気を機外空間１４に排出でき、さらに、吸着部８３を再生することで水分を含んだ補助空気流路７１の通過空気を第３切替えバルブ２７を介して機外空間１４に排出できる。これにより、余分な水蒸気を機外空間１４に効果的に排出し、空気調和装置内での結露発生量を減らして冷却能力を高め、キャビン８内の湿度を快適な範囲に維持できる。
【００６１】
図１３〜図１５は本発明の第５実施形態の航空機用空気調和装置を示し、第４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。この第５実施形態においては、コンプレッサ３から膨張タービン５に空気を導くための常開の空気流路７５′を備える。その空気流路７５′を流れる空気の一部が、互いに並列に接続された複数の空気分離ユニットＵ′を構成する空気分離部１６′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る。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、また、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。
【００６２】
図１４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。
【００６３】
図１５に示すように各空気分離部１６′を構成する選択透過膜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、ウォータセパレータ７を通過した空気は、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。選択透過膜１６ａ′は多数の中空糸膜からなる。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る。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、これによりウォータセパレータ７に接続される空気導入ポート１６ｄ′として機能する。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、これにより窒素富化ガス排出ポート１６ｆ′として機能する。窒素富化ガス排出ポート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、これにより酸素濃縮空気排出ポート１６ｅ′として機能する。酸素濃縮空気排出ポート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に導入できる。これにより、コンプレッサ３の出口と膨張タービン５の入口との間の圧力差を小さくし、エアサイクル式冷却装置の効率低下を防止できる。各空気分離部１６′における空気の導入ポート１６ｄ′を開閉するバルブ１６ｇ′が設けられている。他は第４実施形態と同様で、同様部分は同一符号で示す。
【００６４】
本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、上記第１、第３実施形態における吸着部の数を３つ以上にし、吸着部の数の増加に応じて切替えバルブの数を増やしてもよい。例えば吸着部の数を３つ以上とする場合、何れか一つまたは複数個の吸着部を流出空気流路に接続し、残りの吸着部をバイパス空気流路に接続し、設定時間毎に、流出空気流路に接続される吸着部と流出空気流路に接続される吸着部とを予め設定した順序で変化させてもよい。
各実施形態において、吸着部２３、２４、８３を構成する吸着剤２３ｂ、２４ｂはシリカゲルやゼオライトに限らず、空気に含まれる他の物質の吸着能力を有するものを使用しても良い。
各実施形態における膨張タービンを多段にしてもよい。
各実施形態におけるコントローラ２５は、吸着部２３、２４、８３の内部や出入口につながる配管等に設けた温度センサ、水分センサ、酸素センサ等からの信号に基づいて切替動作信号を出力させてもよい。
各実施形態では、空気調和装置の状態を変更するため、航空機の状態に応じたコントローラからの信号により、各バルブの開度を調節したり各切替えバルブを切替えたが、これに代えて、空気調和装置における空気や冷媒の流路に温度センサや流量センサを設け、それらセンサからの信号に応じて各バルブの開度を調節したり各切替えバルブを切替えてもよい。
第１、第３実施形態において、各吸着剤２３ｂ、２４ｂを通過するエンジン１からの抽気空気として、プリクーラ２に入る前のものを供給してもよい。この場合、空気の温度が高いため少量の空気の供給で各吸着剤２３ｂ、２４ｂを再生できる。
各実施形態においては、吸着部２３、２４、８３を通過した空気を主空気流路９０を流れる空気との混合の前に冷却したが、その混合の後に空気を冷却するようにしてもよい。
各実施形態では、主空気流路９０を流れる空気をコンプレッサ３により圧縮される前に吸着部２３、２４、８３を通過した空気と混合したが、これに代えて、主空気流路９０を流れる空気をコンプレッサ３により圧縮した後に吸着部２３、２４、８３を通過した空気と混合し、その混合した空気をメインクーラ４により冷却してもよい。
第１、第３実施形態におけるベーパサイクル式熱交換ユニット３０として、状況に応じて機体外から取り入れた熱により空気を加熱する暖房モードに切替え可能なものを用いてもよい。
また、第２、第３実施形態において、循環空気流路９２を流れる空気を、熱交換器３５ａにより加熱することに代えて、あるいは熱交換器３５ａより加熱すると共に、航空機に搭載される電装品から発せられる熱により加熱するようにしてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジン負荷を増大することなく、キャビン内の温度、湿度、酸素濃度、圧力を適正に維持して快適性を向上でき、燃料火災の発生防止に寄与でき、さらに冷却装置の結露を防止できる大型航空機と小型航空機の何れにも適した空気調和装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】比較例における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図２】別の比較例における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図３】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が地上にある時の構成説明図
【図４】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が上昇時の構成説明図
【図５】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が高々度での巡航時の構成説明図
【図６】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が降下時の構成説明図
【図７】本発明の変形例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８】本発明の第２実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図９】本発明の第３実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図１０】本発明の第４実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図１１】本発明の第４実施形態の変形例において、第１放出状態である放出切替えバルブとアウトフローバルブを示す図
【図１２】本発明の第４実施形態の変形例において、第２放出状態である放出切替えバルブとアウトフローバルブを示す図
【図１３】本発明の第５実施形態の航空機用空気調和装置の構成説明図
【図１４】本発明の第５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１５】本発明の第５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１６】従来の航空機用空気調和装置の構成説明図
【符号の説明】
１ エンジン
８ キャビン
１１ バイパス空気流路
１５ 燃料周囲領域
１６ａ 選択透過膜
２３ 第１吸着部
２３ｂ 吸着剤
２４ 第１吸着部
２４ｂ 吸着剤
２５ コントローラ
４０ 流出空気流路
５０ 空気流路切替機構
８３ 吸着部
９０ 主空気流路
９２ 循環空気流路
９６ 放出切替えバルブ
９７ アウトフローバルブ
【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の機内温度、湿度、酸素分圧、圧力を制御するのに利用でき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は、エンジンの圧縮部で圧縮された抽出空気を、機外空気と熱交換して冷却した後にラジアルコンプレッサで断熱圧縮し、これを再度機外空気と熱交換して冷却した後に、膨張タービンにより断熱膨張することで、調温、調圧された冷気を得るエアサイクル式冷却装置が従来から主に使用されている。
【０００３】
すなわち、図１６に示す従来の航空機用空気調和装置は、エンジン１０１からの抽出空気を、プリクーラ１０２と呼ばれる熱交換器により冷却した後、ラジアルコンプレッサ１０３でほぼ断熱的に圧縮し、これにより昇温された空気をメインクーラ１０４と呼ばれる熱交換器により冷却し、膨張タービン１０５でほぼ断熱的に膨張させる。これにより冷気が得られる。そのプリクーラ１０２およびメインクーラ１０４においては、ラム空気路１０９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１０５の膨張仕事は、シャフト１０６を介してコンプレッサ１０３に伝えられることで、圧縮動力として利用される。なお、航空機が地上にある時や低空飛行時においては、外気温度が高く、空気の水分含有量が多いため、膨張タービン１０５での膨張時に空気中の水分が凝縮して霧状の水滴が発生する。そのため、膨張タービン１０５の下流に水分捕捉のためのウォータセパレータ１０７が配置される。そのウォータセパレータ１０７を通過した冷気が航空機のコックピット空間を含むキャビン１０８内に供給されることで冷房が行われる。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１０１に代えてＡｕｘｉｌｉａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔと呼ばれる補助エンジンなどの高圧空気供給ユニット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。
【０００４】
高々度等において暖房を行うため、エンジン１０１からの抽出空気をキャビン１０８に導くためのバイパス空気流路１１１が設けられ、そのバイパス空気流路１１１はホットエアモジュレートバルブ１１２により開閉される。抽出空気の一部は、そのホットエアモジュレートバルブ１１２を開くことで、コンプレッサ１０３と膨張タービン１０５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、ウォータセパレータ１０７の下流に配置されたミキシングダクト１１３に導かれる。そのミキシングダクト１１３において、エアサイクル式冷却装置により冷却された抽出空気と冷却されていない抽出空気とが混合される。よって、ホットエアモジュレートバルブ１１２の開度を調整することで適度な温度の空気が得られる。その適度な温度の空気がキャビン１０８内に供給されることで暖房を行うことができる。なお、高々度を巡航する際にはラム空気路１０９は絞られているため、プリクーラ１０２やメインクーラ１０４においてエンジン１０１からの抽出空気は過剰に冷却されず、ある程度高温に維持される。そのキャビン１０８内の空気は、空気調和装置からの供給分から、機体からの漏れ分を除いた分に相当する量だけ減圧弁１１０から直接に機外空間１１４に放出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空気調和装置では、キャビンで人間が快適に過ごすのに必要な温度、酸素濃度、湿度、圧力の制御を行うには、エンジン１０１からの抽出空気量を増大させる必要がある。そのため、エンジン負荷の低減とキャビン内の快適性とを両立するのは困難であった。
【０００６】
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。
【０００７】
【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、航空機のキャビン内に主空気流路を介して導入されるエンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気を冷却装置により冷却する航空機用空気調和装置であって、そのキャビン内の空気を流出するための流出空気流路と、そのキャビン内に空気を導入するための補助空気流路と、空気に含まれる水分子を吸着し、吸着時よりも温度が上昇することで吸着した水分子を放出する吸着剤により各々構成されている複数の吸着部と、空気流路切替機構と、その空気流路切替機構を制御するコントローラとを備え、前記補助空気流路は、前記主空気流路から分岐される空気流路、又は、前記流出空気流路から分岐される空気流路により構成され、各吸着部は、その空気流路切替機構により、そのキャビン内の空気よりも高温の空気が流れる補助空気流路に接続される状態と、その流出空気流路に接続される状態とに切替え可能とされ、そのコントローラによる空気流路切替機構の制御により、各吸着部は、その補助空気流路に接続される状態と流出空気流路に接続される状態とに切替えられ、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気は、前記吸着部を通過した後に前記キャビン内に導入可能とされ、前記補助空気流路を流れる空気を、前記吸着部を通過した後、機外空間に放出する状態と、キャビンに導く状態とに空気流路が切替え可能とされ、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気を、前記吸着部を通過した後に、前記キャビンに導く状態と、前記冷却装置に導く状態とに空気流路が切替え可能とされている。
本発明の構成によれば、キャビンから流出空気流路に流出された空気が各吸着部を通過する時、その空気中に含まれる分子は各吸着部における吸着剤に吸着される。補助空気流路を流れる空気が各吸着部を通過する時、その空気はキャビンから流出された空気よりも高温であるため、各吸着部における吸着剤に吸着された分子は補助空気流路を流れる空気中に放出される。各吸着部は、その補助空気流路に接続される状態と流出空気流路に接続される状態とに切替えられるので、キャビンから流出された空気中に含まれる分子を再びキャビン内に戻すことができる。また、各吸着部における吸着剤は再び空気中の分子を吸着できるように再生される。その吸着剤が水分子を吸着および放出することで、キャビン内の湿度を維持するのに寄与できる。その吸着剤が酸素分子を吸着および放出することで、キャビン内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。しかも、吸着部と、その吸着部への空気の流れを切り換える機構を付加するという簡単な構成でキャビン内空気の再生ができるので、本発明は小型の航空機にも容易に適用できる。
少なくとも一つの吸着部が前記補助空気流路に接続されている時、少なくとも一つの別の吸着部が流出空気流路に接続されているのが好ましい。これにより、効率良く吸着部による空気中の分子の吸着と放出とを行うことができる。
前記流出空気流路を流れる空気の少なくとも一部を、前記吸着部を通過した後、飛行時の条件や機内空気の条件に応じて機外空間に放出可能な放出機構を備えるのが好ましい。これにより、キャビン内の圧力を適正に維持するために空気を機外空間に放出する前に、その空気に含まれる分子を吸着できるので、その空気に含まれる水や酸素等の分子を有効に再利用できる。例えば、キャビン内の水蒸気もしくは酸素の濃度を目標値に維持することがさらに容易になり搭乗者の快適性を大幅に向上できる。特に、搭乗者が少ないためにキャビン内での水蒸気発生が少ない場合における湿度低下防止に有効である。
さらに、前記流出空気流路を流れる空気の少なくとも一部を、前記吸着部を通過した後に前記放出機構により機外空間に放出する状態と、前記吸着部を通過することなく前記放出機構により機外空間に放出する状態とに切り替える放出切替え機構を備えるのが好ましい。これにより、機内空気に含まれる分子を再利用する必要性が高い場合は機内空気を吸着部の通過後に機外空間に放出し、再利用する必要性が低い場合は機内空気を吸着部を通過させることなく機外空間に放出できる。例えば、高々度を飛行中にあっては機内空気を吸着部の通過後に機外空間に放出し、高温多湿の地上にあっては機内空気を吸着部を通過させることなく機外空間に放出する。これにより、地上等においては吸着剤によって吸着された水分を排出するだけでなく、機外空間に放出する空気にも水分を含めることができるので、キャビンの湿度を快適な範囲に維持できる。
キャビンから流出された空気を再びキャビン内に送り込むことができ、エンジンからの抽出空気量を増大させることなく、キャビン内の圧力と温度を制御するのに必要な空気量を確保することができる。しかも、吸着部において吸着された水分をキャビン内に戻すことでキャビン内の湿度を維持できる。
航空機の飛行状態に応じてエンジンからの抽出空気量や外気の温度、湿度、酸素濃度、圧力が変化した場合、キャビン内の温度、湿度、酸素濃度、圧力を最適に維持することができる。また、機内の湿度が過剰な場合、吸着剤から放出された水分を含む空気を機外空間に放出できる。さらに、キャビンから流出した空気を再度冷却装置に送っている場合、冷却装置の結露を防止できる。
【０００９】
その補助空気流路を流れる空気流量が調整可能とされているのが好ましい。これにより、冷却装置により冷却してキャビン内に導入する空気量と、冷却することなくキャビン内に導入する空気量との比を調整し、キャビン内の温度を適正に維持できる。
【００１０】
その空気調和装置における空気流路を流れる空気が通過する位置に配置され、その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備え、その窒素富化ガスは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内に導入可能とされているのが好ましい。
これにより、燃料火災の発生を防止でき、且つ、キャビン内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。
【００１１】
前記選択透過膜は、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気が前記吸着部を通過した後に流れる空気流路に設けられているのが好ましい。
これにより、キャビンから流出された空気を酸素濃縮空気として再びキャビン内に送り込むことができ、エンジンからの抽出空気量を増大させることなく、キャビン内の圧力を制御するのに必要な空気量を確保することができる。しかも、選択透過膜に導入される空気からは吸着部において水分が除去されているので、その選択透過膜を通過して機外に放出される水分を低減し、キャビン内の湿度を維持できる。また、燃料への水分の混入も防止できる。
【００１４】
前記補助空気流路は、前記エンジン抽出空気を前記冷却装置を通ることなくキャビンに導くためのバイパス空気流路により構成されているのが好ましい。
これにより、高温のエンジン抽出空気が吸着部を通過することで吸着剤から分子を放出させ、吸着剤を再生することができる。
【００１５】
前記補助空気流路は、前記キャビンから流出する空気を再びキャビンに導くための循環空気流路により構成され、その循環空気流路を流れる空気を、前記吸着剤の通過前に加熱する手段が設けられているのが好ましい。
これにより、吸着剤を再生するためにエンジン抽気を消費する必要がなくなり、エンジン負荷増大を防止することができる。
その循環空気流路を流れる空気を、航空機に搭載される電装品から発せられる熱により加熱してもよい。
【００１６】
前記補助空気流路は、前記キャビンから流出する空気を再びキャビンに導くための循環空気流路により構成され、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気を、前記吸着部の下流において圧縮する圧縮手段が設けられ、その圧縮手段の下流に、その圧縮された空気と前記循環空気流路を流れる空気との間で熱交換を行う熱交換器が設けられ、その熱交換器において、その循環空気流路を流れる空気が前記吸着剤の通過前に加熱される手段が設けられているのが好ましい。これにより、前記流出空気が圧縮されることで発生する熱によって循環空気流路を流れる空気の温度を上げることができ、他に熱源を設ける必要がなくなり、エネルギ消費を減少させることができる。その圧縮された空気をキャビンから循環空気流路を介して流出する空気により冷却することで、圧縮後の空気温度をかなり低下させることができ、再冷却が必要となった場合でも、その冷却装置を小さくすることができる。
また、前記熱交換器において冷却された圧縮後の流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が設けられ、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内に導入可能とされているのが好ましい。これにより、選択透過膜を通過する空気量をエンジン抽気を消費することなく得ることができ、また、選択透過膜に至る前に水分が除去される結果、水分は選択透過膜を通って流出することがなく水分放出と燃料への水分混入を防止できる。また、選択透過膜に導かれる空気を圧縮することで、効率良く窒素富化ガスを得ることができる。
窒素富化ガスが大量に必要な場合、吸着剤により水分吸着される空気量が増大するので吸着剤を再生するのに必要な空気が増大する。この場合、選択透過膜に導かれる前に圧縮される空気も増大するので、そのキャビンから循環空気流路を介して流出する空気を加熱する熱量を増大させることができる。その加熱された空気により吸着剤を再生するのに必要な高温空気を確保できる。すなわち、空気の流量バランスの良いシステムを得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は比較例に係る航空機用空気調和装置を示し、エンジン１からの抽出空気を主空気流路９０を介して航空機のコックピット空間を含むキャビン８内に導入する。すなわち、そのエンジン１からの抽出空気は、プリクーラ２と呼ばれる熱交換器により冷却した後、ラジアルコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮し、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、膨張タービン５でほぼ断熱的に膨張させる。これにより冷気が得られる。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。なお、航空機が地上にある時や低空飛行時においては、外気温度が高く、空気の水分含有量が多いため、膨張タービン５での膨張時に空気中の水分が凝縮して霧状の水滴が発生する。そのため、膨張タービン５の下流に水分捕捉のためのウォータセパレータ７が配置される。そのウォータセパレータ７を通過した冷気が航空機のコックピット空間を含むキャビン８内に供給されることで冷房が行われる。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に代えて高圧空気供給ユニット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。
【００１８】
高々度等において暖房を行うため、エンジン１からの抽出空気を、上記コンプレッサ３と膨張タービン５により構成されるエアサイクル式冷却装置を通ることなく、キャビン８に導くための補助空気流路としてバイパス空気流路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２５からの信号により開度調整可能とされ、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、ウォータセパレータ７の下流に配置されたミキシングダクト１３に導かれる。そのミキシングダクト１３において、エアサイクル式冷却装置により冷却された抽出空気と冷却されていない抽出空気とが混合される。よって、ホットエアモジュレートバルブ１２の開度を調整することで適度な温度の空気が得られる。その適度な温度の空気がキャビン８内に供給されることで暖房を行うことができる。なお、高々度を巡航する際にはラム空気路９は絞られているため、プリクーラ２やメインクーラ４においてエンジン１からの抽出空気は過剰に冷却されることがなく、ある程度高温に維持される。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からの漏れ分や機内圧力を調整するバルブ（図示せず）から放出される分を差し引いたものに相当する量だけ、流出空気流路４０から流出される。
【００１９】
そのバイパス空気流路１１と流出空気流路４０に、第１吸着部２３と第２吸着部２４とが空気流路切替機構５０を介して接続される。各吸着部２３、２４は、容器２３ａ、２４ａに充填された吸着剤２３ｂ、２４ｂを備える。各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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。例えば、各吸着剤２３ｂ、２４ｂは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。
【００２０】
その空気流路切替機構５０により、各吸着部２３、２４はバイパス空気流路１１に接続される状態と、流出空気流路４０に接続される状態とに切替え可能とされている。本比較例においては、バイパス空気流路１１を流れる抽出空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、そのバイパス空気流路１１を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。また、流出空気流路４０を流れる空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、その流出空気流路４０を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。本比較例の空気流路切替機構５０は第１切替えバルブ２１と第２切替えバルブ２２とを有する。
その第１切替えバルブ２１は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第１吸着部２３に導くと共に、第２吸着部２４から流出する空気を機外空間１４に導く。その第２状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第２吸着部２４に導くと共に、第１吸着部２３から流出する空気を機外空間１４に導く。
その第２切替えバルブ２２は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、第１吸着部２３から流出する空気をミキシングダクト１３を介してキャビン８に導くと共に、キャビン８から流出空気流路４０に導かれた空気を第２吸着部２４に導く。その第２状態では、第２吸着部２４から流出する空気をミキシングダクト１３を介してキャビン８に導くと共に、キャビン８から流出空気流路４０に導かれた空気を第１吸着部２３に導く。
【００２１】
その空気流路切替機構５０は航空機に搭載されるコントローラ２５により制御される。その制御により、各吸着部２３、２４は、バイパス空気流路１１に接続される状態と流出空気流路４０に接続される状態とに切替えられる。すなわち、両切替えバルブ２１、２２は、コントローラ２５から内蔵タイマー等により設定された設定時間毎に送られる切替信号により、第１状態と第２状態とに切替えられる。この際、第１切替えバルブ２１が第１状態では第２切替えバルブ２２が第１状態とされ、第１切替えバルブ２１が第２状態では第２切替えバルブ２２が第２状態とされる。すなわち、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過し、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過するように、その空気流路切替機構５０は制御される。
【００２２】
これにより、そのホットエアモジュレートバルブ１２を開くことでバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気は、第１切替えバルブ２１を介して両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれた後に、第２切替えバルブ２２からミキシングダクト１３を介してキャビン８内に供給される。一方、そのキャビン８から流出空気流路４０に流出される空気は、第２切替えバルブ２２から両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれた後に、減圧弁１０を通って機外空間１４とほぼ同じ圧力となり最終的には機外空間１４に放出される。
【００２３】
そのエンジン１からプリクーラ２を介してバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気の温度は１００℃〜１４０℃であり、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２０℃〜３０℃である。これにより、キャビン８から流出される空気が流れる時は低温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気に含まれる分子を吸収する。エンジン１からの抽出空気が流れる時は高温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気から吸収した分子を抽出空気中に放出することで再生される。例えば、各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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２３ｂ、２４ｂにより吸着し、エンジン１からの抽出空気中に放出することでキャビン８に戻してキャビン８の快適性を向上する。しかも、吸着剤２３ｂ、２４ｂは再度利用できるように再生される。また、各吸着部２３、２４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ることで、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、そのシリカゲルと酸素分子吸着物質として機能するゼオライトは交互に層状に配置するのが好ましい。
【００２４】
また、吸着剤２３ｂ、２４ｂとして酸素分子吸着物質を用いる場合、キャビン８から流出し吸着部２３、２４を通って流出される空気の酸素濃度は低下する。よって、その酸素濃度の低下した空気を、図において破線で示す燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域１５に導くことで燃料火災を防ぐことができる。
【００２５】
上記比較例によれば、キャビン８から流出された空気中に含まれる有効成分となる分子を、エンジン１からの抽出空気によって再びキャビン８内に戻すことができる。また、各吸着剤２３ｂ、２４ｂは再び空気中の分子を吸着できるように再生される。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが水分子を吸着および放出することで、キャビン８内の湿度を維持するのに寄与できる。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが酸素分子を吸着および放出することで、キャビン８内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。しかも、吸着部２３、２４と空気流路切替機構５０とを付加するという簡単な構成でキャビン８内空気の再生ができるので、本発明は小型の航空機にも容易に適用できる。そのバイパス空気流路１１を流れる空気流量が調整可能とされているので、エアサイクル式冷却装置により冷却してキャビン８内に導入する空気量と冷却することなくキャビン８内に導入する空気量との比を調整することで、キャビン８内の温度を適正に維持できる。さらに、一つの吸着部がバイパス空気流路１１に接続されている時、別の吸着部が流出空気流路４０に接続されるので、効率良く吸着部２３、２４による空気中の分子の吸着と放出とを行うことができる。
【００２６】
図２は別の比較例に係る航空機用空気調和装置を示す。上記比較例と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
この比較例においては、流出空気流路４０における空気流路切替機構５０の下流に、モータ１８で駆動されるコンプレッサ１７が配置され、このコンプレッサ１７の下流に空気分離部１６が配置されている。その空気分離部１６は、多数の中空糸が組込まれた選択透過膜１６ａをチャンバ１６ｂにより覆うことで構成されている。すなわち選択透過膜１６ａは、キャビン８から流出される空気が吸着部２３、２４を通過した後に流れる空気流路に設けられている。また、吸着部２３、２４の吸着剤２３ｂ、２４ｂは少なくとも水分子を吸着可能とされている。本比較例では、その選択透過膜１６ａは、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の透過率が酸素（Ｏ2 ）の透過率よりも高くされている。吸着部２３、２４から流出した空気は、コンプレッサ１７により選択透過膜１６ａにおける窒素透過に適した圧力に昇圧される。これにより、その選択透過膜１６ａを透過した窒素富化ガス（本比較例ではＮ2 ＝９２％以上）が燃料周囲領域１５に供給され、必要以上に供給された分は放出路を通って機外空間１４に放出される。その選択透過膜１６ａを透過しなかった空気の酸素分圧は大きくなる。この酸素分圧の大きな酸素濃縮空気は、その空気分離部１６とキャビン８とを連絡する再生空気流路１９によりキャビン８に再度導かれる。他は上記比較例と同様とされている。
【００２７】
上記別の比較例においては、選択透過膜１６ａにより分離する窒素富化ガスにより燃料火災の発生を防止でき、酸素濃縮空気によりキャビン８内の酸素濃度を高めに設定できる。そのため、キャビン内気圧を低めに設定しても酸素の分圧は地上程度に確保され、乗客が息苦しさを感じないレベルに維持するのに寄与できる。また、吸着剤２３ｂ、２４ｂは少なくとも水分子を吸着可能とされ、キャビン８から流出される空気が吸着部２３、２４を通過した後に流れる空気流路に選択透過膜１６ａを設けている。これにより、キャビン８から流出された空気を酸素濃縮空気として再びキャビン８内に送り込むことができる。よって、エンジン１からの抽出空気量を増大させることなく、キャビン８内の圧力を制御するのに必要な空気量を確保することができる。しかも、選択透過膜１６ａに導入される空気からはキャビン８において水分が除去されているので、その選択透過膜１６ａを通過して機外に放出される水分を低減し、キャビン８内の湿度を維持できる。また、選択透過膜１６ａに導かれる空気を圧縮することで、効率良く窒素富化ガスを得ることができる。
【００２８】
図３〜図６は本発明の第１実施形態の航空機用空気調和装置を示す。上記比較例と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。図３は航空機が地上にある時の状態、図４は離陸後の上昇時の状態を、図５は高々度での巡航時の状態、図６は降下時の状態を示す。
【００２９】
本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で流量調整した後、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はコントローラ２５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に導かれた抽出空気は開閉バルブ４１と空気分離部１６に導かれる。その開閉バルブ４１はコントローラ２５からの信号により開度調整される。その空気分離部１６で選択透過膜１６ａを通過せずに残った空気と、その開閉バルブ４１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、これにより冷気が得られる。その冷気は再生熱交換機４ａ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。そのコンプレッサ３とタービン５を結ぶシャフト６には、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。航空機が降下する際はエンジン１からの抽出空気圧が低いので、モータ６ａによる動力アシストによって、空気分離部１６にとっては適正となる圧力にまで昇圧することが可能となる。
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などの高圧空気供給ユニット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。
【００３０】
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２５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。
【００３１】
そのバイパス空気流路１１と流出空気流路４０に、第１吸着部２３と第２吸着部２４とが空気流路切替機構５０を介して接続される。本実施形態の空気流路切替機構５０は第１切替えバルブ２１と第２切替えバルブ２２とを有する。各吸着部２３、２４は、容器２３ａ、２４ａに充填された吸着剤２３ｂ、２４ｂを備える。各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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。本実施形態では、その吸着剤２３ｂ、２４ｂとして水分子吸着物質が用いられ、例えばシリカゲルから構成できる。
【００３２】
その空気流路切替機構５０により、各吸着部２３、２４はバイパス空気流路１１に接続される状態と、流出空気流路４０に接続される状態とに切替え可能とされている。本実施形態においては、バイパス空気流路１１を流れる抽出空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、そのバイパス空気流路１１を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。また、流出空気流路４０を流れる空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、その流出空気流路４０を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。
その第１切替えバルブ２１は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第１吸着部２３に導くと共に、第２吸着部２４から流出する空気を混合前コンプレッサ１７に導く。その第２状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第２吸着部２４に導くと共に、第１吸着部２３から流出する空気を混合前コンプレッサ１７に導く。
その第２切替えバルブ２２は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、第１吸着部２３から流出する空気を第３切替えバルブ２７に導くと共に、キャビン８から流出する空気を第２吸着部２４に導く。その第２状態では、第２吸着部２４から流出する空気を第３切替えバルブ２７に導くと共に、キャビン８から流出する空気を第１吸着部２３に導く。
【００３３】
その空気流路切替機構５０は航空機に搭載されるコントローラ２５により制御される。その制御により、各吸着部２３、２４は、バイパス空気流路１１に接続される状態と流出空気流路４０に接続される状態とに切替えられる。すなわち、両切替えバルブ２１、２２は、コントローラ２５から内蔵タイマー等により設定された設定時間毎に送られる切替信号により、第１状態と第２状態とに切替えられる。この際、第１切替えバルブ２１が第１状態では第２切替えバルブ２２が第１状態とされ、第１切替えバルブ２１が第２状態では第２切替えバルブ２２が第２状態とされる。すなわち、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過し、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過するように、その空気流路切替機構５０は制御される。
【００３４】
これにより、そのホットエアモジュレートバルブ１２を開くことでバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気は、第１切替えバルブ２１を介して両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれた後に、第２切替えバルブ２２に導かれる。その吸着部２３、２４から第２切替えバルブ２２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、キャビン８に導く状態とにコントローラ２５からの信号により空気流路を切替え可能である。
【００３５】
そのキャビン８から流出空気流路４０に流出される空気は、第２切替えバルブ２２から両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれる。しかる後に、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により昇圧された空気は、ベーパサイクル式熱交換ユニット３０のエバポレータ３５において冷却された後に、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２５からの信号により、導かれた空気をキャビン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。その熱交換ユニット３０は、ＨＦＣ１３４ａなどの冷媒を用いた冷却サイクルにより構成される。すなわち、その冷媒は、モータ３１により駆動されるコンプレッサ３２によって圧縮され、コンデンサ３３においてラム空気路９を通る機外空気に熱を放出することで凝縮される。その凝縮された冷媒は膨張弁３４において減圧されることで温度が低下する。その低温になった冷媒は、エバポレータ３５において上記のように空気から熱を吸収することで蒸発する。
【００３６】
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通過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から流出して再びキャビン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。その混合された循環空気と抽出空気とが、エアサイクル式冷却装置のコンプレッサ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。
【００３７】
そのエンジン１からプリクーラ２を介してバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気の温度は１００℃〜１４０℃であり、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２０℃〜３０℃である。これにより、キャビン８から流出される空気が流れる時は低温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気に含まれる有効成分（ここでは水分子）を吸収する。エンジン１からの抽出空気が流れる時は高温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気から吸収した水分子を抽出空気中に放出することで再生する。例えば、各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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２３ｂ、２４ｂにより吸着し、エンジン１からの抽出空気中に放出することで、キャビン８に戻してキャビン８の快適性を向上する。しかも、吸着剤２３ｂ、２４ｂは再度利用できるように再生できる。各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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、そのシリカゲルと酸素分子吸着物質として機能するゼオライトは交互に層状に配置するのが好ましい。
【００３８】
上記空気分離部１６は、本実施形態では処理能力が大きく大型航空機に適したものとされている。その空気分離部１６は多数の細管状の選択透過膜１６ａを束ねてチャンバ１６ｂにより覆うことで構成され、窒素富化ガスと酸素濃縮空気とを生成する。そのため、その選択透過膜１６ａは、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）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、再生熱交換機４ａで冷却され、ウォータセパレータ７を通過した抽出空気を、選択透過膜１６ａを透過して窒素富化ガス（本実施形態ではＮ2 ＝９２％以上）とすることができる。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、放出路を通って機外空間１４に放出される。その選択透過膜１６ａを透過しなかった空気の酸素濃度は上がる。この酸素が濃縮された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２５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。
【００３９】
図３に示す地上で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、ホットエアモジュレートバルブ１２を多少開くことで、各吸着剤２３ｂ、２４ｂ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２３、２４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、熱交換ユニット３０のエバポレータ３５での結露を防止して冷房能力の低下を阻止できる。このため、熱交換ユニット３０もフル作動が可能であり、エアサイクル式冷却装置と併せて、キャビン８の冷房能力を大きくできる。また、キャビン８から流出されて吸着部２３、２４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。
【００４０】
図４に示す機体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２３、２４において再生された暖かく水分を含む抽出空気が、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、熱交換ユニット３０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２３、２４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、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。
【００４１】
図５に示す高々度での巡航時の状態においては、キャビン８から流出されて吸着部２３、２４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で昇圧された上切替えバルブ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２３、２４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。
【００４２】
図６に示す機体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の出力は降下時は極端に絞られるため、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、抽気量確保が難しくなる。そこで、キャビン８から流出される空気を切替えバルブ３６からコンプレッサ３に導くことで循環空気量を増やし、エアサイクル式冷却装置における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、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２３、２４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。この場合、キャビン８における暖房が過剰にならないように、熱交換ユニット３０を作動させ、キャビン８の温度を調整する。
【００４３】
上記第１実施形態によれば、キャビン８から流出された空気中に含まれる必要な成分分子を再びキャビン８内に戻すことができる。また、各吸着剤２３ｂ、２４ｂは再び空気中の分子を吸着できるように再生される。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが水分子を吸着および放出することで、キャビン８内の湿度を維持するのに寄与できる。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが酸素分子を吸着および放出する場合には、キャビン８内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。しかも、吸着部２３、２４と空気流路切替機構５０とを付加するという簡単な構成でキャビン８内空気の再生ができる。そのバイパス空気流路１１を流れる空気流量が調整可能とされているので、エアサイクル式冷却装置により冷却してキャビン８内に導入する空気量と、冷却することなくキャビン８内に導入する空気量との比を調整し、キャビン８内の温度を適正に維持できる。
また、選択透過膜１６ａにより分離する窒素富化ガスにより燃料火災の発生を防止でき、酸素濃縮空気によりキャビン８内の酸素濃度を維持する（すなわち、機内が地上よりも低い気圧となっても、酸素分圧は地上でのレベルを維持する）のに寄与できる。そのキャビン８から流出空気流路４０を介して流出される空気は、吸着剤２３ｂ、２４ｂにより少なくとも水分子を吸着され、吸着部２３、２４を通過した後に混合前コンプレッサ１７により圧縮され、さらにコンプレッサ３で昇圧された後に、空気分離部１６の選択透過膜１６ａに供給される。これにより、キャビン８から流出された空気を酸素濃縮空気として再びキャビン８内に送り込むことができ、エンジン１からの抽出空気量を増大させることなく、キャビン８内の圧力を制御するのに必要な空気量を確保することができる。また、選択透過膜１６ａに導かれる空気を圧縮することで、効率良く窒素富化ガスを得ることができる。さらに、航空機の飛行状態に応じてエンジン１からの抽出空気量や外気の温度、湿度、酸素濃度、圧力が変化した場合に、キャビン８内の温度、湿度、酸素濃度、圧力を最適に維持することができ、さらに吸着剤２３ｂ、２４ｂから放出された水分を含む抽出空気を湿度が過剰になる場合には機外空間１４に放出することでエアサイクル式冷却装置の結露を防止することも可能になる。
【００４４】
上記第１実施形態によれば、空気分離部１６により窒素を分離した残りの酸素濃縮空気はキャビン８に戻されることで有効利用される。また、エアサイクル式冷却装置と空気分離部１６の両者が機能する場合において、エンジン１からの抽出空気量の増加を抑制してエンジン１の負荷を低減できる。そのエアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３を利用して、混合された循環空気と抽出空気の圧力を、空気分離部１６の選択透過膜１６ａにより空気成分を分離する上で必要な圧力まで昇圧できる。また、混合前コンプレッサ１７により抽出空気との混合前に循環空気を抽出空気圧力と同程度に加圧し、循環空気が逆流するのを防止して混合を円滑に行うことができる。その酸素濃縮空気は膨張タービン５により膨張され、その膨張タービン５の出力がコンプレッサ３を駆動するための動力として用いられる。よって、膨張タービン５の膨張仕事を有効利用することができる。そのコンプレッサ３と混合前コンプレッサ１７は、駆動に必要な動力をモータ６ａ、１８から供給されるので、その冷却装置のコンプレッサ３の圧縮仕事と混合前コンプレッサ１７の圧縮仕事の合計と、膨張タービン５の膨張仕事との差を、そのモータ６ａ、１８の動力により補うことができる。さらに、循環空気をベーパサイクル式熱交換ユニット３０により冷却することで、キャビン８に供給される空気温度を適切に調整することができる。
【００４５】
図７は吸着部および空気流路切替機構の変形例を示す。この変形例においては、回転ドラム８０の内部に、その回転軸方向に延びる多数の吸着部８３がハニカム状に設けられ、各吸着部８３内にシリカゲル等の吸着剤が充填されている。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を介してバイパス空気流路１１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をバイパス空気流路１１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が構成されている。他は上記実施形態と同様とされる。
【００４６】
図８は本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置を示す。上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
本第２実施形態においては、補助空気流路として第１実施形態におけるバイパス空気流路１１に代えて循環空気流路９２が設けられている。また、第１実施形態における各吸着部２３、２４および空気流路切替機構５０に代えて、図７の変形例に示す吸着部８３と回転ドラム８０を用いた空気流路切替機構が用いられている。さらに、ベーパサイクル式熱交換ユニット３０は用いられていない。
【００４７】
すなわち、その循環空気流路９２は、キャビン８から流出する空気を再びキャビン８に導くため、その一端９２ａはフィルター４２の下流において流出空気流路４０に接続され、他端９２ｂは主空気流路９０と共にキャビン８に接続されている。また循環空気流路９２の途中には、空気を流すためのファン９２ｃが設けられている。
【００４８】
その回転ドラム８０の各端面に接合されたセパレータ８１における一方の領域８１ｄは循環空気流路９２に接続され、他方の領域８１ｅは流出空気流路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、その回転ドラム８０内の吸着部８３を循環空気流路９２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が構成されている。
【００４９】
その空気流路切替機構におけるモータ８２がコントローラ２５により制御されることで回転ドラム８０は回転する。その回転ドラム８０の回転により、各吸着部８３は、循環空気流路９２に接続される状態と流出空気流路４０に接続される状態とに切替えられる。各吸着部８３が循環空気流路９２に接続される時、その循環空気流路９２にキャビン８から導かれた空気は吸着部８３に導かれ、その吸着部８３を通過した後に第３切替えバルブ２７に導かれる。各吸着部８３が流出空気流路４０に接続される時、その流出空気流路４０を介してキャビン８から流出する空気は吸着部８３に導かれ、その吸着部８３を通過した後に混合前コンプレッサ１７に導かれる。これにより、その混合前コンプレッサ１７は、キャビン８から流出空気流路４０を介して流出される空気を、吸着部８３の下流において圧縮する圧縮手段を構成する。その混合前コンプレッサ１７の下流に、その混合前コンプレッサ１７により圧縮された空気と循環空気流路９２を流れる空気との間で熱交換を行う熱交換器３５ａが設けられている。その循環空気流路９２を流れる空気は、その熱交換器３５ａにより、その吸着部８３に充填されている吸着剤を通過する前に加熱される。そのキャビン８から流出空気流路４０を介して流出される空気は、熱交換器３５ａにおいて冷却された後に第４切替えバルブ３６に導かれる。他は第１実施形態と同様の構成とされている。
【００５０】
上記第２実施形態によれば、キャビン８から循環空気流路９２を介して流出する空気は、混合前コンプレッサ１７により圧縮された空気により加熱され、その加熱された空気が吸着部８３の吸着剤を通過する。よって、吸着剤を再生するためにエンジン抽気を消費する必要がなく、エンジン負荷の増大を防止できる。また、選択透過膜１６ａに導かれる空気を混合前コンプレッサ１７により圧縮することで、エンジン１からの抽出空気圧と同等の圧力が得られ、効率の良い混合が可能となる。その圧縮された空気をキャビン８から循環空気流路９２を介して流出する空気により冷却することで、圧縮後の空気温度をかなり低下させることができ、混合までの間に再冷却が必要となった場合でも、その冷却装置を小さくすることができる。窒素富化ガスが大量に必要な場合、吸着部８３の吸着剤により水分吸着される空気量が増大するので吸着剤を再生するのに必要な空気が増大する。この場合、選択透過膜１６ａに導かれる前に圧縮される空気も増大するので、キャビン８から循環空気流路９２を介して流出する空気を加熱する熱量を増大させることができる。その加熱された空気により吸着剤を再生するのに必要な高温空気を確保できる。すなわち、空気の流量バランスの良いシステムを得ることができる。他は第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００５１】
図９は本発明の第３実施形態の航空機用空気調和装置を示す。上記第２実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
本第３実施形態においては、第２実施形態における吸着部８３と回転ドラム８０を用いた空気流路切替機構に代えて、第１実施形態における吸着部２３、２４および切替えバルブ２１、２２を用いた空気流路切替機構５０が用いられている。他は第２実施形態と同様とされている。なお、この第３実施形態において、エンジン１からの抽出空気をプリクーラ２を介してキャビン８に導く温度調節用配管を設け、その温度調節用配管途中に介在させる弁の開度調節によりキャビン８内の温度調節を可能としてもよい。また、その温度調節用配管と、主空気流路９０と、第３切替えバルブ２７および第４切替えバルブ３６を介してキャビン８に導入される空気とを、そのキャビン８への導入前に混合するミキシングチャンバを設けてもよい。これにより、そのミキシングチャンバにおいて混合される空気の温度、湿度を適正なものにできる。さらに、そのミキシングチャンバにキャビン８内の空気をファンを内蔵する配管により導き、そのミキシングチャンバにおいて混合される空気の温度、湿度をより適正なものにしてもよい。また、熱交換器３５ａから第４切替えバルブ３６へ流れる空気をラム空気によりさらに冷却する放熱器を設けてもよい。
【００５２】
図１０は本発明の第４実施形態の航空機用空気調和装置を示し、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。この第４実施形態においては、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。タービン５から流出する冷気は、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。エンジン１からの抽出空気の一部は、ホットエアモジュレートバルブ１２を開くことで、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。
【００５３】
キャビン８から流出空気流路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。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。
【００５４】
補助空気流路７１と流出空気流路４０とに、図７に示された吸着部８３が空気流路切替機構５０′を介して接続される。すなわち、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、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。
【００５５】
補助空気流路７１から再生熱交換機７２を介して吸着部８３に導かれた空気は第３切替えバルブ２７に導かれる。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（図示省略）からの信号により空気流路を切替え可能である。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され、第１実施形態の熱交換ユニット３０に代わって機能する放熱器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、しかる後に第４切替えバルブ３６に導かれる。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。
【００５６】
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℃になる。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（ここでは水分子）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。
【００５７】
混合前コンプレッサ１７の上流かつ吸着部８３の下流において、流出空気流路４０から第１放出空気流路９４が分岐する。また、吸着部８３の上流において流出空気流路４０から第２放出空気流路９５が分岐する。その第１放出空気流路９４と第２放出空気流路９５とに放出切替え機構を構成する放出切替えバルブ９６が接続されている。その放出切替えバルブ９６に放出機構を構成するアウトフローバルブ９７が接続されている。その放出切替えバルブ９６はコントローラからの信号により第１放出状態と第２放出状態との間で切替え可能とされている。放出切替えバルブ９６は第１放出状態である時、第１放出空気流路９４を通過した空気をアウトフローバルブ９７に導くと共に、第２放出空気流路９５からアウトフローバルブ９７への空気の流れを遮る。放出切替えバルブ９６は第２放出状態である時、第１放出空気流路９４からアウトフローバルブ９７への空気の流れを遮ると共に、第２放出空気流路９５を通過した空気をアウトフローバルブ９７に導く。このようにアウトフローバルブ９７を空気調和装置に組込むことで、装置全体のユニット化に寄与できる。
【００５８】
アウトフローバルブ９７の開度はコントローラからの信号により変更される。コントローラは、例えば圧力センサにより検出したキャビン８の内圧と高度計により求めた機体の高度から、抽出空気供給量から空気の漏れ量と燃料周囲領域１５への窒素富化ガス供給量を差し引いた適正な値を求め、その求めた値に基づきアウトフローバルブ９７の開度を決定する。なお、その抽出空気供給量から空気の漏れ量と燃料周囲領域１５への窒素富化ガス供給量を差し引いた値を流量センサを用いて直接に求めるようにしてもよい。
【００５９】
その放出切替えバルブ９６が第１放出状態である時、流出空気流路４０を流れる空気の一部を吸着部８３の通過後にアウトフローバルブ９７により機外空間１４に放出できる。これにより、キャビン８内の圧力を適正に維持するために空気を機外空間１４に放出する前に、その空気に含まれる分子を吸着できるので、その空気に含まれる水や酸素等の分子を有効に再利用できる。例えば、キャビン８内の水蒸気もしくは酸素の濃度を目標値に維持することがさらに容易になるため、搭乗者の快適性を大幅に向上できる。特に、搭乗者が少ないためにキャビン８内での水蒸気発生が少ない場合における湿度低下防止に有効である。
また、流出空気流路４０を流れる空気の一部を吸着部８３の通過後にアウトフローバルブ９７により機外空間１４に放出する状態と、吸着部８３を通過することなくアウトフローバルブ９７により機外空間１４に放出する状態との間で切り替えることができる。これにより、機内空気に含まれる分子を再利用する必要性が高い場合は機内空気を吸着部８３の通過後に機外空間１４に放出し、再利用する必要性が低い場合は機内空気を吸着部８３を通過することなく機外空間１４に放出できる。例えば、高々度を飛行中にあっては機内空気を吸着部８３の通過後に機外空間１４に放出し、高温多湿の地上等にあっては機内空気を吸着部８３を通過させることなく機外空間に放出できる。すなわち地上等においては排出空気も余分な水蒸気を機外空間１４に排出するのに貢献できる。さらに、吸着部８３を再生することで水分を含んだ補助空気流路７１の通過空気を、第３切替えバルブ２７を介して機外空間１４に排出できる。このような高温多湿の地上等における余分な水蒸気の機外空間１４への排出によって、空気調和装置内での結露発生量を減らして冷却能力を高め、キャビン８内の湿度を快適な範囲に維持できる。
【００６０】
図１１、図１２は第４実施形態の変形例に係る放出機構と放出切替え機構を示す。この変形例においては第１放出空気流路９４は設けられない。混合前コンプレッサ１７の上流かつ吸着部８３の下流において、流出空気流路４０の途中に放出切替えバルブ９６が接続される。その放出切替えバルブ９６に第２放出空気流路９５とアウトフローバルブ９７が接続されている。放出切替えバルブ９６は図１１に示す第１放出状態である時、流出空気流路４０を流れる吸着部８３を通過した空気の全部をアウトフローバルブ９７に導くと共に、第２放出空気流路９５を流れる空気を流出空気流路４０を介して混合前コンプレッサ１７に導く。放出切替えバルブ９６は図１２に示す第２放出状態である時、流出空気流路４０を流れる吸着部８３を通過した空気の全部を混合前コンプレッサ１７に導くと共に、第２放出空気流路９５を流れる空気をアウトフローバルブ９７に導く。放出切替えバルブ９６を高々度で第１放出状態にすることで、空気中の水分あるいは酸素を効果的に回収できる。また、放出切替えバルブ９６を高温多湿の地上で第２放出状態にすることで余分な水蒸気を機外空間１４に排出でき、さらに、吸着部８３を再生することで水分を含んだ補助空気流路７１の通過空気を第３切替えバルブ２７を介して機外空間１４に排出できる。これにより、余分な水蒸気を機外空間１４に効果的に排出し、空気調和装置内での結露発生量を減らして冷却能力を高め、キャビン８内の湿度を快適な範囲に維持できる。
【００６１】
図１３〜図１５は本発明の第５実施形態の航空機用空気調和装置を示し、第４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。この第５実施形態においては、コンプレッサ３から膨張タービン５に空気を導くための常開の空気流路７５′を備える。その空気流路７５′を流れる空気の一部が、互いに並列に接続された複数の空気分離ユニットＵ′を構成する空気分離部１６′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る。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、また、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。
【００６２】
図１４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。
【００６３】
図１５に示すように各空気分離部１６′を構成する選択透過膜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、ウォータセパレータ７を通過した空気は、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。選択透過膜１６ａ′は多数の中空糸膜からなる。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る。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、これによりウォータセパレータ７に接続される空気導入ポート１６ｄ′として機能する。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、これにより窒素富化ガス排出ポート１６ｆ′として機能する。窒素富化ガス排出ポート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、これにより酸素濃縮空気排出ポート１６ｅ′として機能する。酸素濃縮空気排出ポート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に導入できる。これにより、コンプレッサ３の出口と膨張タービン５の入口との間の圧力差を小さくし、エアサイクル式冷却装置の効率低下を防止できる。各空気分離部１６′における空気の導入ポート１６ｄ′を開閉するバルブ１６ｇ′が設けられている。他は第４実施形態と同様で、同様部分は同一符号で示す。
【００６４】
本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、上記第１、第３実施形態における吸着部の数を３つ以上にし、吸着部の数の増加に応じて切替えバルブの数を増やしてもよい。例えば吸着部の数を３つ以上とする場合、何れか一つまたは複数個の吸着部を流出空気流路に接続し、残りの吸着部をバイパス空気流路に接続し、設定時間毎に、流出空気流路に接続される吸着部と流出空気流路に接続される吸着部とを予め設定した順序で変化させてもよい。
各実施形態において、吸着部２３、２４、８３を構成する吸着剤２３ｂ、２４ｂはシリカゲルやゼオライトに限らず、空気に含まれる他の物質の吸着能力を有するものを使用しても良い。
各実施形態における膨張タービンを多段にしてもよい。
各実施形態におけるコントローラ２５は、吸着部２３、２４、８３の内部や出入口につながる配管等に設けた温度センサ、水分センサ、酸素センサ等からの信号に基づいて切替動作信号を出力させてもよい。
各実施形態では、空気調和装置の状態を変更するため、航空機の状態に応じたコントローラからの信号により、各バルブの開度を調節したり各切替えバルブを切替えたが、これに代えて、空気調和装置における空気や冷媒の流路に温度センサや流量センサを設け、それらセンサからの信号に応じて各バルブの開度を調節したり各切替えバルブを切替えてもよい。
第１、第３実施形態において、各吸着剤２３ｂ、２４ｂを通過するエンジン１からの抽気空気として、プリクーラ２に入る前のものを供給してもよい。この場合、空気の温度が高いため少量の空気の供給で各吸着剤２３ｂ、２４ｂを再生できる。
各実施形態においては、吸着部２３、２４、８３を通過した空気を主空気流路９０を流れる空気との混合の前に冷却したが、その混合の後に空気を冷却するようにしてもよい。
各実施形態では、主空気流路９０を流れる空気をコンプレッサ３により圧縮される前に吸着部２３、２４、８３を通過した空気と混合したが、これに代えて、主空気流路９０を流れる空気をコンプレッサ３により圧縮した後に吸着部２３、２４、８３を通過した空気と混合し、その混合した空気をメインクーラ４により冷却してもよい。
第１、第３実施形態におけるベーパサイクル式熱交換ユニット３０として、状況に応じて機体外から取り入れた熱により空気を加熱する暖房モードに切替え可能なものを用いてもよい。
また、第２、第３実施形態において、循環空気流路９２を流れる空気を、熱交換器３５ａにより加熱することに代えて、あるいは熱交換器３５ａより加熱すると共に、航空機に搭載される電装品から発せられる熱により加熱するようにしてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジン負荷を増大することなく、キャビン内の温度、湿度、酸素濃度、圧力を適正に維持して快適性を向上でき、燃料火災の発生防止に寄与でき、さらに冷却装置の結露を防止できる大型航空機と小型航空機の何れにも適した空気調和装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】比較例における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図２】別の比較例における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図３】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が地上にある時の構成説明図
【図４】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が上昇時の構成説明図
【図５】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が高々度での巡航時の構成説明図
【図６】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が降下時の構成説明図
【図７】本発明の変形例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８】本発明の第２実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図９】本発明の第３実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図１０】本発明の第４実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図１１】本発明の第４実施形態の変形例において、第１放出状態である放出切替えバルブとアウトフローバルブを示す図
【図１２】本発明の第４実施形態の変形例において、第２放出状態である放出切替えバルブとアウトフローバルブを示す図
【図１３】本発明の第５実施形態の航空機用空気調和装置の構成説明図
【図１４】本発明の第５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１５】本発明の第５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１６】従来の航空機用空気調和装置の構成説明図
【符号の説明】
１ エンジン
８ キャビン
１１ バイパス空気流路
１５ 燃料周囲領域
１６ａ 選択透過膜
２３ 第１吸着部
２３ｂ 吸着剤
２４ 第１吸着部
２４ｂ 吸着剤
２５ コントローラ
４０ 流出空気流路
５０ 空気流路切替機構
８３ 吸着部
９０ 主空気流路
９２ 循環空気流路
９６ 放出切替えバルブ
９７ アウトフローバルブ
Claims (11)
- 航空機のキャビン内に主空気流路を介して導入されるエンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気を冷却装置により冷却する航空機用空気調和装置であって、
そのキャビン内の空気を流出するための流出空気流路と、
そのキャビン内に空気を導入するための補助空気流路と、
空気に含まれる水分子を吸着し、吸着時よりも温度が上昇することで吸着した水分子を放出する吸着剤により各々構成されている複数の吸着部と、
空気流路切替機構と、
その空気流路切替機構を制御するコントローラとを備え、
前記補助空気流路は、前記主空気流路から分岐される空気流路、又は、前記流出空気流路から分岐される空気流路により構成され、
各吸着部は、その空気流路切替機構により、そのキャビン内の空気よりも高温の空気が流れる補助空気流路に接続される状態と、その流出空気流路に接続される状態とに切替え可能とされ、
そのコントローラによる空気流路切替機構の制御により、各吸着部は、その補助空気流路に接続される状態と流出空気流路に接続される状態とに切替えられ、
前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気は、前記吸着部を通過した後に前記キャビン内に導入可能とされ、
前記補助空気流路を流れる空気を、前記吸着部を通過した後、機外空間に放出する状態と、キャビンに導く状態とに空気流路が切替え可能とされ、
前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気を、前記吸着部を通過した後に、前記キャビンに導く状態と、前記冷却装置に導く状態とに空気流路が切替え可能とされている航空機用空気調和装置。 - 少なくとも一つの吸着部が前記補助空気流路に接続されている時、少なくとも一つの別の吸着部が流出空気流路に接続されている請求項１に記載の航空機用空気調和装置。
- その補助空気流路を流れる空気流量が調整可能とされている請求項１または２に記載の航空機用空気調和装置。
- その空気調和装置における空気流路を流れる空気が通過する位置に配置され、その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備え、
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内に導入可能とされている請求項１〜３の中の何れかに記載の航空機用空気調和装置。 - 前記選択透過膜は、前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気が前記吸着部を通過した後に流れる空気流路に設けられている請求項４に記載の航空機用空気調和装置。
- 前記補助空気流路は、前記抽出空気を前記冷却装置を通ることなくキャビンに導くためのバイパス空気流路により構成されている請求項１〜５の中の何れかに記載の航空機用空気調和装置。
- 前記補助空気流路は、前記キャビンから流出する空気を再びキャビンに導くための循環空気流路により構成され、
その循環空気流路を流れる空気を、前記吸着剤の通過前に加熱する手段が設けられている請求項１〜６の中の何れかに記載の航空機用空気調和装置。 - 前記補助空気流路は、前記キャビンから流出する空気を再びキャビンに導くための循環空気流路により構成され、
前記キャビンから前記流出空気流路を介して流出される空気を、前記吸着部の下流において圧縮する圧縮手段が設けられ、
その圧縮手段の下流に、その圧縮された空気と前記循環空気流路を流れる空気との間で熱交換を行う熱交換器が設けられ、
その熱交換器において、その循環空気流路を流れる空気が前記吸着剤の通過前に加熱される請求項１に記載の航空機用空気調和装置。 - その熱交換器において冷却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選択透過膜が設けられ、
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内に導入可能とされている請求項８に記載の航空機用空気調和装置。 - 前記流出空気流路を流れる空気の少なくとも一部を、前記吸着部を通過した後、機外空間に放出可能な放出機構を備える請求項１に記載の航空機用空気調和装置。
- 前記流出空気流路を流れる空気の少なくとも一部を、前記吸着部を通過した後に前記放出機構により機外空間に放出する状態と、前記吸着部を通過することなく前記放出機構により機外空間に放出する状態との間で切り替える放出切替え機構を備える請求項１０に記載の航空機用空気調和装置。
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