JP4207370B2 - 空調システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却サイクル機能を備えた空調システムに関し、さらに詳しくは航空機に搭載される空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の航空機に使用されている空調システムの一構成例を示したものであるが、コンデンサ２１と、膨張弁２２と、エバポレータ２３と、コンプレッサー２４とから構成される冷却サイクル機能を備えている。前記コンプレッサー２４によって圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、図中矢印Ａで示す方向に循環し、前記コンデンサ２１における冷却用流体との熱交換により液状化された後、膨張弁２２により絞られ低圧の気液二相冷媒となり、エバポレータ２３において被冷却空気との熱交換により冷却能力を弱め低温・低圧のガス冷媒となってコンプレッサー２４に入り、この冷却サイクルを循環する。前記被冷却空気は、エバポレータ２３における冷媒との熱交換により設定温度まで冷却されて航空機内の客室または制御室等の冷却等に用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空調システムは上記のように構成されているが、外部から吸い込んだ空気をエバポレータで冷却する場合、その空気中の湿度に相当した水蒸気も冷却されるが、その水蒸気が液化する際に発生する凝固熱は非常に大きく、それを冷却するには大きな冷却エネルギーを必要とする。例えば、４０℃の乾燥空気１Ｋｇを５℃に冷却するには約３５ＫＪの冷却エネルギーを必要とするのに対し、４００℃、湿度５０％のしめり空気１Ｋｇを冷却するには約８８ＫＪの冷却エネルギーを必要とする。すなわち、このような乾燥空気の冷却エネルギーはしめり空気の場合の約４０％で済むことになる。したがって水蒸気を含んだ高湿度の空気を冷却するには多大の冷却コストと大きな冷却能力を備えた空調システムが必要になるという問題がある。
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、高湿度の空気であっても冷却エネルギーを低減することができる空調システムを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の空調システムは、タービン動力で駆動される吸い込みファンと、この吸い込みファンにより吸い込んだ被冷却空気を冷却するための冷却サイクル機能を持つ冷却装置とを備えた空調システムにおいて、除湿材を保持して回転するデシカントを備え、エンジン抽気を予冷して上記タービンに導入し、前記被冷却空気の湿度を前記デシカントの除湿材により除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却すると共に、前記デシカントの除湿材をエンジン抽気と熱交換した外気または低圧段からのエンジン抽気で再生するようにしたことを特徴とするものである。
【０００５】
また、本発明の空調システムは、上記構成の空調システムにおいて、エンジン抽気を前記タービンに導入し、前記被冷却空気の湿度を前記デシカントの除湿材により除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却すると共に、前記デシカントの除湿材を前記タービンからの高温空気またはエンジン抽気と熱交換した前記高温空気で再生するようにしたことを特徴とするものである。
【０００６】
さらに、本発明の空調システムは、吸入した外気によりエンジン抽気を冷却する熱交換器と、該熱交換器を通過したエンジン抽気を冷却する冷却サイクル機能を持つ冷却装置を備えた空調システムにおいて、除湿材を保持して回転するデシカントを備え、前記熱交換器を通過したエンジン抽気の湿度を前記デシカントの除湿材により除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却すると共に、前記デシカントの除湿材を前記熱交換器を通過した外気により再生するようにしたことを特徴とするものである。
本発明の空調システムは上記の構成を用いることにより、被冷却空気の湿度に相当した冷却エネルギーを低減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１に示す第１実施例の空調システムは、航空機エンジン（図示しない）より放出された高温高圧のエンジン抽気１と外気２または低圧段のエンジン抽気３との熱交換を行う熱交換器４と、エンジン抽気１を外気２または低圧段のエンジン抽気３により予冷したエンジン抽気５を動力源とするタービン６と、このタービン６の動力軸と連結した吸い込みファン７と、除湿材８を保持して回転するデシカント９と、エバポレータ１０、コンプレッサ１１、コンデンサ１２および膨張弁１３よりなる冷却装置１４から構成されている。
【０００８】
前記エンジン抽気５は、タービン６により断熱膨張されて低温常圧空気１５となる。この低温常圧空気１５は、吸い込みファン７により吸い込まれた被冷却空気１６と共に、前記デシカント９の除湿材８を通過して除湿され、エバポレータ１０で熱交換して冷却され空調用エアー１７として客室や操縦室等に送られる。
【０００９】
前記エバポレータ１０の低温のガス冷媒は、前記空調用エアー１７と熱交換して温度が上昇する。このガス冷媒は、コンプレッサ１１で圧縮されることにより高温高圧のガス冷媒となる。そして、このガス冷媒はコンデンサ１２で外気１８と熱交換され液体冷媒となる。この液体冷媒は膨張弁１３で低温低圧の気液二相冷媒になり前記エバポレータ１０で低温ガス冷媒に変換される。この冷却サイクルを繰り返すことにより、前記空調用エアー１７は継続して冷却される。
【００１０】
前記デシカント９はその断面図（図２）に示すように、モータ等により回転する回転容器９ａに除湿材８を収納しそれをフィルタ９ｂで挟んで保持している。そして、低温常圧空気１５および被冷却空気１６の混合空気と熱交換器４によって加熱された高温の外気２または低圧段のエンジン抽気３が除湿材８を通過する通路が回転軸を中心として対照的になるよう配設されている。このデシカント９の回転速度は、除湿材８の湿度除去効果が最大になるような速度に設定される。
【００１１】
前記低温常圧空気１５および被冷却空気１６が除湿材８を通過すると、除湿材８は加湿されるが、デシカント９が回転して除湿材８の加湿部分が高温の外気２または低圧段のエンジン抽気３の通路を通過するとき、その湿度が除去され除湿材としての機能を回復して前記低温常圧空気１５および被冷却空気１６の通路位置に戻る。
前記除湿材８としては、シリカゲルや活性アルミナ等の水分吸着材を使用することができるが、さらに前記混合空気の湿度の平常値に対して吸水率が高い種類のものを選ぶことにより除湿効率を上げることができる。
【００１２】
このように第１実施例においては、エンジン抽気１を動力源としたタービン６の断熱膨張によるエネルギーによって吸い込みファン７を回転させると共に、除湿材８により前記被冷却空気１６とタービン６からの低温常圧空気１５の混合空気の除湿を行うと共に、その除湿材８の再生を同じくエンジン抽気１を利用した高温の外気２によって行うため、除湿に必要な冷却エネルギーの殆どをエンジン抽気１によって賄い、冷却装置の冷却エネルギーを低減したことを特長としている。
例えば、大気圧力で、４０℃、湿度が５０％の外気を５℃まで冷却するには約８８ＫＪのエネルギーを必要とするが、除湿エネルギーを必要としない場合は約５３ＫＪのエネルギーを低減することができる。
【００１３】
図３は本発明の第２実施例の構成を示したもので、エンジン抽気１を予冷せずに直接タービン６に抽入して断熱膨張させ、そのタービン動力で吸い込みファン７を回転駆動し、被冷却空気２または低圧段からのエンジン抽気３を吸入し、デシカント９で除湿すると共に、エバポレータ１０で冷却してこれを空調用エアー１７として送出する。そして、デシカント９の除湿材８の再生はタービン６出口の高温常圧空気２０によって行うようにしたものである。
【００１４】
また、図４は第２実施例の変形例で図３と同じ構成要素には同一番号を付している。この空調システムは、デシカント９の除湿材８の再生効果を上げるため再生熱交換器１９を設けて、タービン６の出口空気の温度をエンジン抽気１でさらに上げるようにしたものである。
【００１５】
さらに、図５は本発明の第３実施例の構成を示したもので、エンジン抽気１の流量を調節するバルブ２１と、このエンジン抽気１と外気２との熱交換を行う熱交換器４と、除湿材８を保持して回転するデシカント９と、前記エンジン抽気１を冷却するためのエバポレータ１０及び外気２を吸引するための吸い込みファン７から構成されている。
前記バルブ２１で流量調節されたエンジン抽気１は、熱交換器４でほぼ外気温度近くに予冷された後、デシカント９の除湿材８を通過して湿度を除去され、冷却装置（図示せず）のエバポレータ１０でさらに空調に必要な低温度まで冷却され空調用エアー１７として送出される。これによって加湿された除湿材８は熱交換器４により加温された外気２の通路位置を回転通過することにより除湿される。本空調システムは、冷却用タービンを使用せず、比較的小容量の空調室の空調に適している。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の空調システムは上記のように構成されており、エンジン抽気のエネルギーを用いて、被冷却空気の除湿、除湿材の再生を行うことにより、エバポレータで必要な冷却量を大幅に低減することができる。
例えば、大気圧で、４０℃、湿度が５０％の外気を５℃迄冷却する時、除湿を行った場合の冷却量は、除湿を行わない場合の冷却量の約４０％となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の空調システムの概略構成図である。
【図２】本発明に係わるデシカントの断面図である。
【図３】本発明の第２実施例の空調システムの概略構成図である。
【図４】本発明の変形例の空調システムの概略構成図である。
【図５】本発明の第３実施例の空調システムの概略構成図である。
【図６】従来の空調システムの概略構成図である
【符号の説明】
１、３、５…エンジン抽気
２、１８…外気
４…熱交換器
６…タービン
７…吸い込みファン
８…除湿材
９…デシカント
９ａ…回転容器
９ｂ…フィルタ
１０、２３…エバポレータ
１１、２４…コンプレッサー
１２、２１…コンデンサ
１３、２３…膨張弁
１４…冷却装置
１５…低温常圧空気
１６…被冷却空気
１７…空調用エアー
１９…再生熱交換器
２０…高温常圧空気
２１…バルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却サイクル機能を備えた空調システムに関し、さらに詳しくは航空機に搭載される空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の航空機に使用されている空調システムの一構成例を示したものであるが、コンデンサ２１と、膨張弁２２と、エバポレータ２３と、コンプレッサー２４とから構成される冷却サイクル機能を備えている。前記コンプレッサー２４によって圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、図中矢印Ａで示す方向に循環し、前記コンデンサ２１における冷却用流体との熱交換により液状化された後、膨張弁２２により絞られ低圧の気液二相冷媒となり、エバポレータ２３において被冷却空気との熱交換により冷却能力を弱め低温・低圧のガス冷媒となってコンプレッサー２４に入り、この冷却サイクルを循環する。前記被冷却空気は、エバポレータ２３における冷媒との熱交換により設定温度まで冷却されて航空機内の客室または制御室等の冷却等に用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空調システムは上記のように構成されているが、外部から吸い込んだ空気をエバポレータで冷却する場合、その空気中の湿度に相当した水蒸気も冷却されるが、その水蒸気が液化する際に発生する凝固熱は非常に大きく、それを冷却するには大きな冷却エネルギーを必要とする。例えば、４０℃の乾燥空気１Ｋｇを５℃に冷却するには約３５ＫＪの冷却エネルギーを必要とするのに対し、４００℃、湿度５０％のしめり空気１Ｋｇを冷却するには約８８ＫＪの冷却エネルギーを必要とする。すなわち、このような乾燥空気の冷却エネルギーはしめり空気の場合の約４０％で済むことになる。したがって水蒸気を含んだ高湿度の空気を冷却するには多大の冷却コストと大きな冷却能力を備えた空調システムが必要になるという問題がある。
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、高湿度の空気であっても冷却エネルギーを低減することができる空調システムを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の空調システムは、タービン動力で駆動される吸い込みファンと、この吸い込みファンにより吸い込んだ被冷却空気を冷却するための冷却サイクル機能を持つ冷却装置とを備えた空調システムにおいて、除湿材を保持して回転するデシカントを備え、エンジン抽気を予冷して上記タービンに導入し、前記被冷却空気の湿度を前記デシカントの除湿材により除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却すると共に、前記デシカントの除湿材をエンジン抽気と熱交換した外気または低圧段からのエンジン抽気で再生するようにしたことを特徴とするものである。
【０００５】
また、本発明の空調システムは、上記構成の空調システムにおいて、エンジン抽気を前記タービンに導入し、前記被冷却空気の湿度を前記デシカントの除湿材により除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却すると共に、前記デシカントの除湿材を前記タービンからの高温空気またはエンジン抽気と熱交換した前記高温空気で再生するようにしたことを特徴とするものである。
【０００６】
さらに、本発明の空調システムは、吸入した外気によりエンジン抽気を冷却する熱交換器と、該熱交換器を通過したエンジン抽気を冷却する冷却サイクル機能を持つ冷却装置を備えた空調システムにおいて、除湿材を保持して回転するデシカントを備え、前記熱交換器を通過したエンジン抽気の湿度を前記デシカントの除湿材により除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却すると共に、前記デシカントの除湿材を前記熱交換器を通過した外気により再生するようにしたことを特徴とするものである。
本発明の空調システムは上記の構成を用いることにより、被冷却空気の湿度に相当した冷却エネルギーを低減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１に示す第１実施例の空調システムは、航空機エンジン（図示しない）より放出された高温高圧のエンジン抽気１と外気２または低圧段のエンジン抽気３との熱交換を行う熱交換器４と、エンジン抽気１を外気２または低圧段のエンジン抽気３により予冷したエンジン抽気５を動力源とするタービン６と、このタービン６の動力軸と連結した吸い込みファン７と、除湿材８を保持して回転するデシカント９と、エバポレータ１０、コンプレッサ１１、コンデンサ１２および膨張弁１３よりなる冷却装置１４から構成されている。
【０００８】
前記エンジン抽気５は、タービン６により断熱膨張されて低温常圧空気１５となる。この低温常圧空気１５は、吸い込みファン７により吸い込まれた被冷却空気１６と共に、前記デシカント９の除湿材８を通過して除湿され、エバポレータ１０で熱交換して冷却され空調用エアー１７として客室や操縦室等に送られる。
【０００９】
前記エバポレータ１０の低温のガス冷媒は、前記空調用エアー１７と熱交換して温度が上昇する。このガス冷媒は、コンプレッサ１１で圧縮されることにより高温高圧のガス冷媒となる。そして、このガス冷媒はコンデンサ１２で外気１８と熱交換され液体冷媒となる。この液体冷媒は膨張弁１３で低温低圧の気液二相冷媒になり前記エバポレータ１０で低温ガス冷媒に変換される。この冷却サイクルを繰り返すことにより、前記空調用エアー１７は継続して冷却される。
【００１０】
前記デシカント９はその断面図（図２）に示すように、モータ等により回転する回転容器９ａに除湿材８を収納しそれをフィルタ９ｂで挟んで保持している。そして、低温常圧空気１５および被冷却空気１６の混合空気と熱交換器４によって加熱された高温の外気２または低圧段のエンジン抽気３が除湿材８を通過する通路が回転軸を中心として対照的になるよう配設されている。このデシカント９の回転速度は、除湿材８の湿度除去効果が最大になるような速度に設定される。
【００１１】
前記低温常圧空気１５および被冷却空気１６が除湿材８を通過すると、除湿材８は加湿されるが、デシカント９が回転して除湿材８の加湿部分が高温の外気２または低圧段のエンジン抽気３の通路を通過するとき、その湿度が除去され除湿材としての機能を回復して前記低温常圧空気１５および被冷却空気１６の通路位置に戻る。
前記除湿材８としては、シリカゲルや活性アルミナ等の水分吸着材を使用することができるが、さらに前記混合空気の湿度の平常値に対して吸水率が高い種類のものを選ぶことにより除湿効率を上げることができる。
【００１２】
このように第１実施例においては、エンジン抽気１を動力源としたタービン６の断熱膨張によるエネルギーによって吸い込みファン７を回転させると共に、除湿材８により前記被冷却空気１６とタービン６からの低温常圧空気１５の混合空気の除湿を行うと共に、その除湿材８の再生を同じくエンジン抽気１を利用した高温の外気２によって行うため、除湿に必要な冷却エネルギーの殆どをエンジン抽気１によって賄い、冷却装置の冷却エネルギーを低減したことを特長としている。
例えば、大気圧力で、４０℃、湿度が５０％の外気を５℃まで冷却するには約８８ＫＪのエネルギーを必要とするが、除湿エネルギーを必要としない場合は約５３ＫＪのエネルギーを低減することができる。
【００１３】
図３は本発明の第２実施例の構成を示したもので、エンジン抽気１を予冷せずに直接タービン６に抽入して断熱膨張させ、そのタービン動力で吸い込みファン７を回転駆動し、被冷却空気２または低圧段からのエンジン抽気３を吸入し、デシカント９で除湿すると共に、エバポレータ１０で冷却してこれを空調用エアー１７として送出する。そして、デシカント９の除湿材８の再生はタービン６出口の高温常圧空気２０によって行うようにしたものである。
【００１４】
また、図４は第２実施例の変形例で図３と同じ構成要素には同一番号を付している。この空調システムは、デシカント９の除湿材８の再生効果を上げるため再生熱交換器１９を設けて、タービン６の出口空気の温度をエンジン抽気１でさらに上げるようにしたものである。
【００１５】
さらに、図５は本発明の第３実施例の構成を示したもので、エンジン抽気１の流量を調節するバルブ２１と、このエンジン抽気１と外気２との熱交換を行う熱交換器４と、除湿材８を保持して回転するデシカント９と、前記エンジン抽気１を冷却するためのエバポレータ１０及び外気２を吸引するための吸い込みファン７から構成されている。
前記バルブ２１で流量調節されたエンジン抽気１は、熱交換器４でほぼ外気温度近くに予冷された後、デシカント９の除湿材８を通過して湿度を除去され、冷却装置（図示せず）のエバポレータ１０でさらに空調に必要な低温度まで冷却され空調用エアー１７として送出される。これによって加湿された除湿材８は熱交換器４により加温された外気２の通路位置を回転通過することにより除湿される。本空調システムは、冷却用タービンを使用せず、比較的小容量の空調室の空調に適している。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の空調システムは上記のように構成されており、エンジン抽気のエネルギーを用いて、被冷却空気の除湿、除湿材の再生を行うことにより、エバポレータで必要な冷却量を大幅に低減することができる。
例えば、大気圧で、４０℃、湿度が５０％の外気を５℃迄冷却する時、除湿を行った場合の冷却量は、除湿を行わない場合の冷却量の約４０％となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の空調システムの概略構成図である。
【図２】本発明に係わるデシカントの断面図である。
【図３】本発明の第２実施例の空調システムの概略構成図である。
【図４】本発明の変形例の空調システムの概略構成図である。
【図５】本発明の第３実施例の空調システムの概略構成図である。
【図６】従来の空調システムの概略構成図である
【符号の説明】
１、３、５…エンジン抽気
２、１８…外気
４…熱交換器
６…タービン
７…吸い込みファン
８…除湿材
９…デシカント
９ａ…回転容器
９ｂ…フィルタ
１０、２３…エバポレータ
１１、２４…コンプレッサー
１２、２１…コンデンサ
１３、２３…膨張弁
１４…冷却装置
１５…低温常圧空気
１６…被冷却空気
１７…空調用エアー
１９…再生熱交換器
２０…高温常圧空気
２１…バルブ
Claims (3)
- タービン動力で駆動される吸い込みファンと、この吸い込みファンにより吸い込んだ被冷却空気を冷却するための冷却サイクル機能を持つ冷却装置とを備えた航空機用空調システムにおいて、除湿材を保持して回転するデシカントを備え、エンジン抽気を予冷した後に前記タービンにて断熱膨張させて得た低温常圧空気と前記被冷却空気とを前記デシカントに導入し、前記デシカントの除湿材により湿度を除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却して空調用エアーを得ると共に、前記デシカントの除湿材をエンジン抽気と熱交換した外気または低圧段のエンジン抽気で再生した後、再生に用いた外気または低圧段のエンジン抽気を機外へ排出するようにしたことを特徴とする航空機用空調システム。
- タービン動力で駆動される吸い込みファンと、この吸い込みファンにより吸い込んだ被冷却空気を冷却するための冷却サイクル機能を持つ冷却装置とを備えた航空機用空調システムにおいて、除湿材を保持して回転するデシカントを備え、低圧段からのエンジン抽気または前記被冷却空気の湿度を前記デシカントの除湿材により除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却して空調用エアーを得ると共に、エンジン抽気を前記タービンに導入し、前記デシカントの除湿材を前記タービンからの高温常圧空気または前記エンジン抽気と熱交換した前記高温常圧空気で再生した後、再生に用いた前記タービンからの高温常圧空気または前記エンジン抽気と熱交換した前記高温常圧空気を機外へ排出するようにしたことを特徴とする航空機用空調システム。
- 吸入した外気によりエンジン抽気を冷却する熱交換器と、該熱交換器を通過したエンジン抽気を冷却するための冷却サイクル機能を持つ冷却装置を備えた航空機用空調システムにおいて、除湿材を保持して回転するデシカントを備え、前記熱交換器を通過したエンジン抽気の湿度を前記デシカントの除湿材により除去した後、前記冷却装置のエバポレータで冷却して空調用エアーを得ると共に、前記デシカントの除湿材を前記熱交換器を通過した外気により再生した後、再生に用いた前記熱交換器を通過した外気を機外へ排出するようにしたことを特徴とする航空機用空調システム。
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