JP4206615B2

JP4206615B2 - 航空機用空調装置

Info

Publication number: JP4206615B2
Application number: JP2000185418A
Authority: JP
Inventors: 昌尚安藤; 孝一小原; 承治瓜生; 理佐藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2020-06-20
Also published as: JP2002002596A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機内に予圧用空気を供給し、同時に機内の冷暖房を伴う換気を行い得るようにした航空機用の空調装置（以下、「空調装置」と略称する）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、航空機は、居住室や電子機器室等の予圧室に適温、適圧の調和空気を供給すべく、一般に空調装置を備えている。この空調装置は、調温、調圧を始めとして、除湿の役割、予圧室に酸素を送り込む役割、筐体から漏れる空気を補う役割など、様々な役割を兼ねている。そして、これらの役割を果たすために、外気の取り込みが不可欠なものである。
【０００３】
このような外気の取り込みに際して、高高度飛行中は外気をそのまま取り込んでも予圧に必要な圧力や酸素量を得ることは期待できない。このため、常に十分な量の外気が存在するエンジンから抽気を得、そのエンジン抽気を調温、調圧して、調和空気として予圧室に供給する空調装置が確立されている。
【０００４】
そして、この空調装置の中枢を担うエアサイクルマシンＡＣＭは、図3に概略的に示すように、エンジン抽気ＢＡによってタービンＴを駆動し、そのタービン動力を単軸結合されたコンプレッサＣに伝えて、このコンプレッサＣにより、前記タービンＴに送り込むエンジン抽気ＢＡを圧縮するように構成されているのが一般的である。図において符号５で示すものは、コンプレッサＣから出たエンジン抽気ＢＡをタービンＴに送り込むためのブートストラップ回路であり、ＰＨＸ、ＳＨＸは熱交換器である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、旅客機のような乗客の多い機体では、必要換気空気量が非常に多い。このため、全てをエンジン抽気に頼ったのでは、エンジン抽気量が増加し、エンジンに対するペナルティ（燃料消費量）が大きくなる結果、航空機の大幅な効率低下につながるという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解消するために、本発明は、タービンとコンプレッサを単軸結合したエアサイクルマシンを主体として構成されるものにおいて、前記タービンにエンジン抽気を導入することによってエアサイクルマシンを駆動し得るように構成するとともに、前記コンプレッサに外気を導入して換気空気用として昇圧し得るように構成していることを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、エンジン抽気によるタービン動力で外気を圧縮し、これを換気空気として用いることができるので、これによりエンジン抽気量を低減し、エンジンの燃料ペナルティを抑えることができる。
【０００８】
なお、外気は、通常はラムエアダクトから取り込まれるが、ファンブリードから抽気して取り込むようにしてもよい。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
＜第1実施例＞
図１に示す空調装置は、エンジン１と、居住室や電子機器室等の予圧室２との間を、空調部３を介して接続したもので、この空調部３は、コンプレッサＣ及びタービンＴからなるエアサイクルマシンＡＣＭを主体とし、このエアサイクルマシンＡＣＭに、コンプレッサＣの入口Ｃ１に抽気を導入する抽気ライン４と、コンプレッサＣの出口Ｃ２とタービンＴの入口Ｔ１とを連通させるブートストラップ回路５と、タービンＴの出口Ｔ２から出た空気を予圧室２に移送するための給気ライン６とを接続して構成されるものである。
【００１０】
抽気ライン４には、エンジン抽気ＢＡをラムエアＬＡとの熱交換により冷却して異常な高温抽気が空調部３に流入することを防ぐ１次熱交換器ＰＨＸが配置してある。
【００１１】
エアサイクルマシンＡＣＭは、コンプレッサＣとタービンＴの間を軸Ｓで単軸結合した構成からなるもので、タービンＴの発生動力をコンプレッサＣに入力し得るようにしている。
【００１２】
ブートストラップ回路５は、コンプレッサＣで圧縮し昇温させた空気をラムエアＬＡとの熱交換によって効率良く冷却するための２次熱交換器ＳＨＸを具備し、この２次熱交換器ＳＨＸを通過した空気をタービンＴに入力して、該タービンＴにおいて断熱膨脹仕事をさせるようにしている。
【００１３】
給気ライン６は、タービンＴの出口Ｔ２と予圧室２との間を接続するものである。
【００１４】
以上の構成において、本実施例は、１次熱交換器ＰＨＸの出口とコンプレッサＣの入口Ｃ１との間から分岐してブートストラップ回路５を経ずに直接タービンＴの入口Ｔ１につながるバイパス通路７を設け、このバイパス通路７の入口と前記コンプレッサＣの入口Ｃ１の上流とにそれぞれバルブＢ、Ａを設けるとともに、前記コンプレッサＣの入口Ｃ１に外気を直接導入するために、バルブＣを有するラムエア通路８を接続している。さらに、前記ブートストラップ回路５中、２次熱交換器ＳＨＸの出口とタービンＴの入口Ｔ１との間から分岐してタービンＴを経ずに直接給気ライン６につながるバイパス通路９を設け、このバイパス通路９の入口と前記タービンＴの入口Ｔ１の上流とにそれぞれバルブＥ、Ｄを設けている。
【００１５】
次に、この空調装置の作動について説明する。この空調装置は、バルブＡ〜Ｅの開閉によって、ノーマルモードかラムモードかが選択される。先ず、ノーマルモードについて説明する。このモードではバルブＡ、Ｄを開、バルブＢ、Ｃ、Ｅを閉にする。これにより、エンジン１からの抽気ＢＡは抽気ライン４の始端にある１次熱交換器ＰＨＸで降温されて、エアサイクルマシンＡＣＭのコンプレッサ入口Ｃ１からコンプレッサＣに入力され、圧縮される。コンプレッサ出口Ｃ２から出た空気は、２次熱交換器ＳＨＸで効率良く冷却され、タービン入口Ｔ１からタービンＴに入力される。その後、タービンＴで断熱膨脹仕事をすることによって自ら自冷した空気は、適温となってタービン出口Ｔ２から出て、予圧室２に導入される。
【００１６】
また、上空でラムエアを取り入れる場合には、ラムモードに切り換える。このラムエアモードではバルブＡ、Ｄを閉、バルブＢ、Ｃ、Ｅを開にする。これにより、エンジン抽気ＢＡはバイパス通路７を経て直接タービンＴに導入され、このタービンＴの駆動に供される。そして、このタービン動力によって駆動されるコンプレッサＣには、ラムエア通路８を通じて外気が直接取り込まれ、このコンプレッサＣで圧縮された後、２次熱交換器ＳＨＸで冷却され、バイパス通路９を流れた後、前記タービンＴから出てくるエンジン抽気ＢＡと合流されて、適温適圧の換気空気となって与圧室２に導入される。
【００１７】
このような構成によれば、エンジン抽気ＢＡによるタービン動力で外気を圧縮し、この昇圧した外気を換気空気として用いることができるので、これによりエンジン抽気量を低減し、エンジンの燃料ペナルティを抑えることができる。
【００１８】
例えば、高度３５０００ｆｔ（１０７００ｍ）をＭ＝０．７６で巡航している時に、外気圧力が３．４ｐｓｉａ（０．０２３ＭＰａ）、温度が−５４℃（ＳＴＤＤａｙの場合）である場合、キャビン内の与圧である１２ｐｓｉａ（０．０８３ＭＰａ）まで外気を圧縮するケースを考える。エンジン抽気が４５ｐｓｉａ（０．３１ＭＰａ）の時、このシステムは図3に示した従来システムに比べて、エンジン抽気量を約２７％低減することが期待できる。また、重量ペナルティ、ラムペナルティ、電気ペナルティまでを考慮したトータルの効率を見た場合にも、燃料消費量を約１５％程度にまで削減することが可能となる。
【００１９】
また、この実施例は、外気を取り込むに際して電動モータ等を使用していないため、コスト的に有利であり、停電時等を考慮した場合にシステムにより高い信頼性を確保しておくことができる。
＜第2実施例＞
図２に示す空調装置は、上記実施例の空調装置を変形させたもので、エアサイクルマシンＡＣＭを3ホイールタイプにするとともに、ブートストラップ回路５の一部に除湿機構１０を設けたものである。なお、上記第1実施例と共通する部分には同一符号を付し、その説明を省略している。
【００２０】
この実施例では、両熱交換器ＳＨＸ、ＲＨＸに供すべきラムエアＬＡをラムエアダクトに配置されたファンＦ１によって取り込まれるようにしており、このファンＦ１を前記エアサイクルマシンＡＣＭの軸Ｓに取り付けたものである。このように単一の軸ＳにコンプレッサＣ、タービンＴ及びファンＦ１の３つの翼車を取り付けたエアサイクルマシンを３ホイールタイプと称している。このタイプのものは、特にＨｏｔＤａｙにおける駐機時に外気を積極的に取り込むことができる点で有利である。
【００２１】
一方、除湿機構１０は、前記ブートストラップ回路５に配置したリヒータＲＨ、コンデンサＣＯＮＤ及びウォータセパレータＷＳからなる。コンデンサＣＯＮＤは、ブートストラップ回路５においてコンプレッサＣで圧縮され露点の上がった空気を効率良く冷却して水分を凝縮させる目的と、給気ライン６においてタービンＴの出口Ｔ２から流出する空気の極端な低温状態を解消する目的とを兼ねて、両空気を熱交換させるものである。ウォータセパレータＷＳは、例えば内部に流入した空気を旋回流状態にすることのできる内部構造を有したもので、コンデンサＣＯＮＤで水分を凝縮させた空気を導いて旋回流により比重の大きい水分のみを遠心力で分離し主として除湿した空気のみを流出させ得るものである。リヒータＲＨは、ブートストラップ回路５の上流にあってコンデンサＣＯＮＤに向かう空気の予冷と、同回路５の下流にあってウォータセパレータＷＳを出た空気をタービンＴの出口Ｔ２で氷結させないために予熱することとを兼ねて、両空気を熱交換させるものである。
【００２２】
このように、高圧空気中にて露点を高くして水分を凝縮させる除湿機構１０はＨＰＷＳ（ハイプレッシャ・ウオータ・セパレータ）方式と称される。
【００２３】
以上の構成を付加したものであっても、基本的には前記実施例と同様、バルブＡ〜Ｅの切換操作のみでノーマルモードとラムエアモードの切り換えを行うことができ、これにより特に高高度飛行中におけるエンジン抽気を減らし、ペナルティを低く抑えて、高効率の巡航を高い信頼性の下に行うことが可能となる。
【００２４】
なお、各部の具体的な構成は、図示実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、外気は、ラムエアダクトから取り込む以外に、エンジンのファンブリードから抽気して取り込んでもよい。このファンブリードは、外気を取り込んで圧縮するために流速が与えられているだけであり、圧縮や燃焼のエネルギが付与される前段階のものであるため、実質的なエンジン抽気への影響は低く抑えられるものである。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特に高高度を巡航中に、エンジン抽気を導入してタービンを駆動し、その動力をコンプレッサに伝えて、このコンプレッサで別途取り込んだ外気を圧縮するようにして、エンジン抽気に最低限エアサイクルマシンの駆動に必要な摂取量を確保すれば足りるようにしたものである。このため、大量の換気空気を必要とする旅客機等においても、エネルギ準位の高いエンジン抽気の抽気量を減らしてペナルティの大幅な削減を図ることができ、ひいてはラムペナルティ等の他のパラメータを含めたトータルでのシステム効率も有効に向上させることが可能となる。また、エアサイクルマシンの駆動をあくまで機械的に行うようにしているため、電気系統を採用する場合に比べて、コストの削減が図れ、信頼性も確実に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す概略的なシステム図。
【図２】本発明の第２実施例を示す概略的なシステム図。
【図３】図１に対応した従来システムを示す概略的なシステム図。
【符号の説明】
ＡＣＭ…エアサイクルマシン
ＢＡ…エンジン抽気
Ｃ…コンプレッサ
Ｔ…タービン

Claims

タービンとコンプレッサを単軸結合したエアサイクルマシンを主体として構成されるものにおいて、前記タービンにエンジン抽気を導入することによってエアサイクルマシンを駆動し得るように構成するとともに、前記コンプレッサに外気を導入して換気空気用として昇圧し得るように構成し、
バルブの切換操作を通じて、
エンジン抽気を前記コンプレッサに入力し、コンプレッサから出た空気を前記タービンに入力して自冷させた上で与圧室に導入するノーマルモードと、
エンジン抽気を前記コンプレッサを迂回するバイパス通路を介して前記タービンに入力しつつ、外気を前記コンプレッサに入力し、このコンプレッサから出た空気をタービンを迂回するバイパス通路を介してタービンから出た空気に合流させて与圧室に導入するラムエアモードと
を背反的に切り換えることを特徴とする航空機用空調装置。