JP4211196B2

JP4211196B2 - 航空機用空気調和装置

Info

Publication number: JP4211196B2
Application number: JP2000147626A
Authority: JP
Inventors: 承治瓜生
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2020-05-19
Also published as: JP2001328596A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機用空気調和装置に係わり、特に、エンジンからのブリ一ドエアを機外の冷気をおびたラムエアを利用して、エアサイクルシステムとベーパサイクルシステムの組み合わせで空気調和を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用空気調和装置は、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。
【０００３】
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、これらの組合わ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）の組合わせのベー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ている。
【０００４】
従来の装置はエアサイクルシステム（ＡＣＳと呼ぶ）として、低圧下で水分を分離する方式（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（３−ＷｈｅｅｌＨＰＷＳ方式と呼ぶ）が採用されている。この３−ＷｈｅｅｌＨＰＷＳ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、調和空気中の湿度を高圧下で除去し、ＡＣＳ出口温度を氷点下に下げることができる。
【０００５】
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。ＡＣＳ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、ＡＣＳだけでは冷房能力が不足する場合は、搭載している電子機器等の冷却用にＡＣＳとは独立して、冷媒等を用いた冷却装置を備えたベーパサイクルシステム（ＶＣＳと呼ぶ）を設けて冷却を行う。
【０００６】
図２に従来の航空機用空気調和装置のシステムを示す。エンジン１から抽気される空気を抽気制御バルブ２で調節し、その空気をＡＣＳ２３に入力する。このＡＣＳ２３で調和空気中の湿度が除去され、ＡＣＳ２３出口から氷点下に近い空気がミキシングチャンバ１１に導入される。一方、コックピット及び客室１２から再循環フアン１３により排気される暖かい空気が再循環ラインを通してミキシングチャンバ１１に導入され、前記ＡＣＳ２３から導入された氷点下に近い空気と混合され、快適な温度に調整されてからコックピット及び客室１２に導入される。さらに、ＡＣＳ２３だけでは冷房能力が不足する場合は、ＡＣＳ２３とは独立してＶＣＳ（図示せず）が設けられ、搭載している電子機器等の冷却を行う。そして、コックピット及び客室１２内の圧力を所定の快適な圧力にするために、アウトフローバルブ（図示していない）が設けられ、自動的に制御されて、余分な空気を外部に出している。
【０００７】
次に、ＡＣＳ２３の動作について説明する。エンジンで高温・高圧になった空気の一部が抽気制御バルブ２で調圧されて取出され、ＡＣＳ２３に入力される。そして、外気の冷気をおびたラムエア６によって冷却された１次熱交換器３で冷却された後、コンプレッサ４により圧縮され、再び２次熱交換器５で冷却され、水蒸気の一部は凝縮する。一方、ラムエア６はファン７によって外部に放出される。冷却された空気は、リヒータ８の高温側回路に入り、コンデンサ９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。リヒータ８を出た高圧空気は、次にタービン１０で断熱膨張した低温空気によって、コンデンサ９でさらに冷却され、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１０を出た空気はコンデンサ９でリヒータ８からの空気と熱交換され、０℃以下でミキシングチャンバ１１に導かれる。
【０００８】
さらに、ＡＣＳ２３だけでは冷房能力が不足する場合は、搭載している電子機器等の冷却用にＡＣＳ２３とは独立して、フロン等の冷媒を用いた冷却装置を備えたベーパサイクルシステムＶＣＳ（図示せず）が併用される。
【０００９】
上記のように、従来の大型機の航空機用空気調和装置は、エンジンの圧縮機で高温・高圧になった空気の一部を取り出し（抽気）、機外の冷気（ラムエア）を利用し、エアサイクルシステムを主とし、補助的に独立してベーパサイクルシステムを併用して空気調和を行っている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空気調和装置は、以上のように構成されており、航空機内のコックピット及び客室１２に、快適に必要にして十分な冷却・除湿された新鮮な空気量の供給（換気）と与圧が必要である。また、最近の電子機器の発達により、機内の熱負荷は増大の一途をたどっており、換気・与圧の要求を満足しながら、いかに効率良く空調を行なうかが課題となっている。エンジン１または補助動力装置（ＡＰＵ）での空気圧縮には燃料が必要であり、これを抽気することは燃料消費を助長する。この抽気を外気（ラムエア６）で冷却する時の外気の取り込みは、気体の推進に対する抗力となるため、燃料消費に影響する。また、装置の重量が重くなることは、搭載重量の増加であるから、燃料消費の増大につながる。即ち、空調のために抽気量、抽気圧力、外気量、および、重量を極力低減することが課題である。
【００１１】
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、燃料消費を低減するために、エンジン１からの抽気量、抽気圧力、外気（ラムエア６）取込み量、および、重量を極力低減した航空機用空気調和装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【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気調和装置は、航空機のメインエンジンまたは補助動力装置の圧縮機から高温・高圧になった圧縮空気の一部を抽気し機外の冷気をおびたラムエアを利用し温調を行うエアサイクルシステムと、冷媒を蒸発させるエバポレータを用いたベ一パサイクルシステムの両システムを用いて機内を空気調和する航空機用空気調和装置において、機外の冷気をおびたラムエアによってベーパサイクルシステムのコンデンサの冷媒を冷却し、メインエンジンまたは補助動力装置から抽気した圧縮空気の予冷却を、そのラムエア通路に直列に配置されたエアサイクルシステムの熱交換器で行ない、さらに、前記コンデンサをバイパスしたラムエアによって抽気を前記熱交換器で外気温度近くまで冷却し、その熱交換器の後にリヒータを備え、前記リヒータの高温側を通過した空気がベ一パサイクルシステムのエバポレータで冷却され、エバポレータを通過した空気がウォータトラップを通り、エアサイクルシステムの前記リヒータの低温側に導入され、その出力空気がタービンで断熱膨張されてミキシングチャンバに導入される冷却回路を備えるものである。
【００１３】
本発明の航空機用空気調和装置は上記のように構成されており、外気（ラムエア）通路に直列にベーパサイクルシステムのコンデンサとエアサイクルシステムの熱交換器が配置され、メインエンジンまたは補助動力装置から抽気した圧縮空気の予冷却が、その熱交換器で行なわれ、さらに、上記コンデンサをバイパスした外気（ラムエア）によって、その熱交換器が外気（ラムエア）温度近くまで冷却される。その後、リヒータの高温側を通過した空気がベーパサイクルシステムのエバポレータで冷却され、再びリヒータの低温側に導入されて、タービンで断熱膨張され、ミキシングチャンバに導入される。
【００１４】
そのため、取込んだ外気（ラムエア）が、ベーパサイクルシステムのコンデンサの冷媒を冷却し、さらに、エアサイクルシステムの熱交換器でエンジンからの抽気の予冷却を行なうので、外気（ラムエア）取り込み量の低減を達成することが出来る。さらに、熱交換器を通過する冷却側の外気通路をコンデンサを通過した外気（ラムエア）用の通路とコンデンサをバイパスした外気（ラムエア）用の通路に区分けすることで、一つの熱交換器としているので、少ない外気（ラムエア）取込み量にて、外気（ラムエア）温度近くまで抽気の冷却が可能である。そのため外気（ラムエア）通路の簡素化、重量および外気（ラムエア）取込み量の低減を達成することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の航空機用空気調和装置の一実施例を図１を参照しながら説明する。図１は本発明の航空機用空気調和装置のエアサイクルシステム（ＡＣＳ１５）とベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）を組み合わせた空調系統を示す図である。本航空機用空気調和装置は、ラムエア６の通路に配置され外気の冷気によって冷却され冷媒が液化するコンデンサ２０と、その凝縮された冷媒を断熱膨張する膨張弁１９と、断熱膨張する冷媒が蒸発してＡＣＳ１５の空気を冷却し熱交換するエバポレータ１７と、蒸発した冷媒を圧縮するコンプレッサ２１とから構成されるベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）と、一方、メインエンジン１または補助動力装置（図示せず）から抽気制御バルブ２を介して抽気した高温・高圧の圧縮空気を、ラムエア６の通路にコンデンサ２０と直列に配置され冷却する熱交換器１６と、その熱交換器１６からの空気がエバポレータ１７で冷却された低温の空気により熱交換されるリヒータ８と、エバポレータ１７で冷却された水蒸気がトラップされるウォータトラップ１８と、リヒータ８を通過した空気を断熱膨張するタービン１０とから構成されるエアサイクルシステム（ＡＣＳ１５）と、そしてタービン１０で断熱膨張により低温になった空気と客室１２から再循環ファン１３および制御バルブ１４を経て再循環される空気とが混合されるミキシングチャンバ１１と、温度・湿度の調整された空気が供給される客室１２とから構成される。
【００１６】
本航空機用空気調和装置は、従来の装置と比べて、次の３つの特徴を備えている。
（１）ラムエア６通路に直列にベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）のコンデンサ２０とエアサイクルシステム（ＡＣＳ１５）の熱交換器１６が配置されている。そして、メインエンジン１または補助動力装置（図示せず）から抽気制御バルブ２を介して抽気した高温・高圧の圧縮空気が熱交換器１６で予備冷却される。
【００１７】
（２）さらに、熱交換器を通過する冷却側の外気（ラムエア６）通路をコンデンサを通過した外気（ラムエア６）用の通路と、コンデンサ２０をバイパスした外気（ラムエア６）用の通路に区分けして、コンデンサ２０をバイパスしたラムエア６によって、その熱交換器１６が外気（ラムエア６）温度近くまで冷却される。
【００１８】
（３）そして、エアサイクルシステム（ＡＣＳ１５）とベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）を用い、抽気がエアサイクルシステム（ＡＣＳ１５）の熱交換器１６で外気（ラムエア６）温度近くまで冷却された後、さらに、ベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）のエバポレータ１７で熱交換されて低温になり、水蒸気がウォータトラップ１８で除かれるシステムである。
【００１９】
次に、本航空機用空気調和装置の動作について説明する。エンジン１で高温・高圧になった空気の一部が抽気制御バルブ２で調圧されて、約２００℃程度で取出されＡＣＳ１５に入力される。そして、熱交換器１６の上流部分で、ベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）のコンデンサ２０を通過して冷媒を冷却し、高温となった約６５℃の外気によって、抽気された空気が約７０℃まで冷却され、引き続き熱交換器１６の下流部分で、コンデンサ２０をバイパスした約３９℃の外気によって約４０℃まで冷却される。
【００２０】
熱交換器１６で冷却された空気は、リヒータ８でベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）で冷却、除湿された空気と再生的に熱交換することで、さらに冷却され、次に、ベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）のエバポレータ１７で除湿に必要な約１５℃程度の低温まで冷却され、ウォータトラップ１８で凝縮した水滴が除去される。次に、ウォータトラップ１８を出た空気は、リヒータ８で加熱されることにより、取り残された水分を蒸発・温度上昇することで、タービン１０の水滴侵入による損傷防止およびタービン１０での回収動力の向上が達成される。
【００２１】
タービン１０では高圧空気が断熱膨張することで０℃以下の低温となり、ミキシングチャンバ１１に導入される。客室１２から再循環ファン１３および制御バルブ１４を経て帰還される空気がミキシングチャンバ１１に導入される。そして、混合されて適切な調和空気となってコックピット（図示せず）および客室１２へ供給される。タービン１０で回収された動力は、エアサイクルマシンとしてタービン１０と同軸上にあるファン７の駆動に使われる。このファン７はコンデンサ２０およびエンジン１からの抽気を冷却する熱交換器１６に送る外気（ラムエア６）を取込む働きをする。上記の実施例の温度は最も暑い夏場での値を示す。
【００２２】
一方、ベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）では、冷媒がエバポレータ１７内で蒸発することにより空気から熱を奪い冷却する。エバポレータ１７を出た冷媒は、コンプレッサ２１で圧縮され、コンデンサ２０で外気（ラムエア６）により冷やされて液化し、液体となった冷媒が膨張弁１９で断熱膨張し、低温の気液二相流体となってエバポレータ１７に入る。
【００２３】
本航空機用空気調和装置は、上記のように取込んだ外気（ラムエア６）が、ベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）のコンデンサ２０の冷媒を冷却し、さらにエアサイクルシステム（ＡＣＳ１５）の熱交換器１６でエンジン１からの抽気の予冷却を行なうので、外気（ラムエア６）取り入れ量を低減することになる。また、熱交換器１６を通過する冷却側外気通路をコンデンサ２０を通過した外気（ラムエア６）用の通路と、コンデンサ２０をバイパスした外気（ラムエア６）用の通路に区分けして、熱交換器１６に上流冷却路と下流冷却路を設けているので、少ない外気（ラムエア６）取入れ量にて、外気（ラムエア６）温度近くまで抽気の冷却が可能である。さらに、ベーパサイクルシステム（ＶＣＳ２２）のエバポレータ１７による冷却を、エアサイクルシステム（ＡＣＳ１５）に効率よく用いることができる。
【００２４】
上記の実施例のエアサイクルシステム（ＡＣＳ１５）では、ラムエアを導入するファンとタービンが一軸に装備された２−Ｗｈｅｅｌ方式について説明したが、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た高圧下で水分を分離する方式（３−ＷｈｅｅｌＨＰＷＳ方式と呼ぶ）のエアサイクルマシンと組み合わせて、調和空気中の湿度を高圧下で除去し、ＡＣＳ１５の出口温度を氷点下に下げることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の空気調和装置は上記のように構成されており、取込んだ外気により、コンデンサの冷媒を冷却し、さらにその外気により熱交換器でエンジンからの抽気の予冷却を行なっているので、外気の取り込み量を低減し、機体の抗力増大を防ぐことが出来る。
【００２６】
また、単一の熱交換器に冷却用の外気の通路を、コンデンサを通過した高温空気とコンデンサをバイパスした低温空気の通路に仕切りを入れて２分割するだけで、単一ファンと単一の外気通路で冷却が可能なため、冷却通路の簡素化により装置の重量が低減できる。
【００２７】
さらに、ベーパサイクルシステムのエバポレータによる冷却を、エアサイクルシステムに効率よく用いることができる。
上記のように、外気（ラムエア）取込み量の低減による機体抗力の減少、外気（ラムエア）による冷却通路の簡素化、それによる装置重量の低減、冷却効率の向上が図られ、燃料消費を低減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気調和装置の一実施例を示す図である。
【図２】従来の航空機用空気調和装置を示す図である。
【符号の説明】
１…エンジン
２…抽気制御バルブ
３…一次熱交換器
４…コンプレッサ
５…二次熱交換器
６…ラムエア
７…ファン
８…リヒータ
９…コンデンサ
１０…タービン
１１…ミキシングチャンバ
１２…客室
１３…再循環ファン
１４…制御バルブ
１５…ＡＣＳ
１６…熱交換器
１７…エバポレータ
１８…ウォータトラップ
１９…膨張弁
２０…コンデンサ
２１…コンプレッサ
２２…ＶＣＳ
２３…ＡＣＳ

Claims

航空機のメインエンジンまたは補助動力装置の圧縮機から高温・高圧になった圧縮空気の一部を抽気し機外の冷気をおびたラムエアを利用し温調を行うエアサイクルシステムと、冷媒を蒸発させるエバポレータを用いたベ一パサイクルシステムの両システムを用いて機内を空気調和する航空機用空気調和装置において、機外の冷気をおびたラムエアによってベーパサイクルシステムのコンデンサの冷媒を冷却し、メインエンジンまたは補助動力装置から抽気した圧縮空気の予冷却を、そのラムエア通路に直列に配置されたエアサイクルシステムの熱交換器で行ない、さらに、前記コンデンサをバイパスしたラムエアによって抽気を前記熱交換器で外気温度近くまで冷却し、その熱交換器の後にリヒータを備え、前記リヒータの高温側を通過した空気がベ一パサイクルシステムのエバポレータで冷却され、エバポレータを通過した空気がウォータトラップを通り、エアサイクルシステムの前記リヒータの低温側に導入され、その出力空気がタービンで断熱膨張されてミキシングチャンバに導入される冷却回路を備えることを特徴とする航空機用空気調和装置。
前記ラムエア通路を前記コンデンサを通過したラムエア用の通路と前記コンデンサをバイパスしたラムエア用の通路に区分けし、前記熱交換器に上流冷却路と下流冷却路を設け、前記コンデンサを通過したラムエア用の通路は前記上流冷却路に、前記コンデンサをバイパスしたラムエア用の通路は前記下流冷却路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の航空機用空気調和装置。