JP4232308B2

JP4232308B2 - 航空機用空気調和装置

Info

Publication number: JP4232308B2
Application number: JP2000027608A
Authority: JP
Inventors: 承治瓜生
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2020-02-04
Also published as: JP2001213398A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として輸送機や旅客機のように比較的大容量の空気調和（以下空調と称する）を必要とする航空機に適用される航空機用空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間が搭乗する航空機では、人が居住する空間である操縦室やキャビン（客室）等の与圧室には、快適な居住ができるような空調を行うため一般に空気調和装置（以下空調装置と称する）を備えている。
航空機の空調装置では、換気、冷暖房と共に与圧が行われている。また、人間の居住には新鮮空気が必要であり外気の取り込みは不可欠なものである。このような外気の取り込みのため、メインエンジンまたは補助動力装置のコンプレッサで圧縮された高温高圧の空気を抽出（抽気）してそれを空気源としている。抽気した高温高圧空気を外気等で冷却して高速回転する膨張タービンに導き、断熱膨張させ寒冷空気を得て、タービンをバイパスする高温空気と混合して調和空気を得て被空気調和室（客室や操縦室など空気調和が施され与圧された空間で以下与圧室と称する）に導き、冷暖房と同時に換気と与圧を兼ねて行うエアーサイクルシステム（以下ＡＣＳと称する）が航空機の空調では主流である。
【０００３】
図２、図３を用いて従来の航空機用空調装置を説明する。
図２は従来の航空機用空調装置の概要構成を示す。該空調装置は、エンジンコンプレッサ５１から抽気した高温高圧の空気を空気源として寒冷空気を生成するＡＣＳ５２、該寒冷の空気と与圧室５４からファン５７で抽出し与圧室５４に戻入する空気とを混合する混合室５３、温度センサー５５、５６とその信号を受け温度制御信号を生成する制御器５８で構成されている。混合室５３で混合・調和された空気は操縦室５４Ａと客室５４Ｂに供給される。与圧室５４には室内の空気を外気に放出する流路に与圧制御弁５９が介設され飛行高度に応じて予め設定されている圧力になるように調圧して概ねエンジンコンプレッサ５１から抽気した流量に見合う空気を室外に排出している。
【０００４】
図３に、図２に示した航空機用空調装置の詳細構成を示す。ＡＣＳはタービン６７Ａ、コンプレッサ６７Ｂ、ファン６７ＣからなるＡＣＭ（エアーサイクルマシーン）と、一次熱交換器６５、二次熱交換器６６、リヒータ６８とコンデンサ６９、水分離器７０からなる除湿機構７１と、混合室５３と、温度センサー５５、５６と、該温度センサーの信号を受け制御信号を生成する制御器５８と、客室５４Ｂから戻入する空気を抽出するファン５７と、流量制御弁６３および温度制御弁６４から構成される。ＡＣＳに供給される高温高圧の空気は、エンジンコンプレッサ５１から抽気され、プレッシャーレギュレータ６２で調圧されプリクーラ６０でエンジンファン６１から抽気した空気で冷却され、前記ＡＣＳに導入される。
【０００５】
次に、ＡＣＳを含む従来の航空機用空調装置の動作を説明する。
エンジンコンプレッサ５１から抽気した高温高圧の空気は、プレッシャレギュレータ６２で調圧された後エンジンファン６１により吸入され抽出した外気とプリクーラ６０により熱交換して４００°Ｆ以下まで冷却され、流量制御弁６３で一定流量とされて、一次熱交換器６５でＡＣＭのファン６７Ｃで導入された外気によりさらに冷却された後ＡＣＭのコンプレッサ６７Ｂに入力され、断熱圧縮される。このコンプレッサ６７Ｂから吐出された空気は、二次熱交換器６６でファン６７Ｃにより導入された外気で冷却され除湿機構７１に導入される。
【０００６】
除湿機構７１では、リヒータ６８で更に冷却された後、コンデンサ６９に入力されてタービン６７Ａを出た寒冷空気により冷却されて水分が凝縮し、水分離器７０に入力され、空気の流れにより生成された旋回流による遠心力でその水分は除去される。除湿後の空気がリヒータ６８で加熱されＡＣＭのタービン６７Ａに入力される。入力された空気は、タービン６７Ａで断熱膨張し、その膨張のエネルギーでタービン翼車が高速で回転し、同軸に配設されたコンプレッサ６７Ｂとファン６７Ｃを駆動して寒冷空気となる。
【０００７】
この寒冷空気はコンデンサ６９を通過した後、混合室５３で与圧室５４から戻入空気を抽出する再循環ラインに介設したファン５７により抽出された空気およびプリクーラ６０と温度調節弁６４を経由した高温空気と混合され適温空気となって与圧室５４の操縦室５４Ａと客室５４Ｂに分配されて導入される。与圧室の温度が設定された温度になるように調和空気の供給ダクトに配設された温度センサー５５と与圧室５４に配設された温度センサー５６の信号は制御器５８に送られ、温度制御弁６４の開度を調節し適温の調和空気を得る制御が制御器５８で行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空調装置は以上のように構成されているが、航空機の空調では人間の居住空間には絶えず新鮮空気の供給が必要であり、空気源となる高温・高圧空気をメインエンジンのコンプレッサまたは補助動力装置のコンプレッサから抽気して供している。操縦室への新鮮空気の分配量は熱負荷に比例して行われている。しかるに、操縦室の熱負荷は電子機器の発熱のため大きいが、新鮮空気を必要とする居住人員は２〜３人と少ない。その結果、操縦室には必要以上の新鮮空気が供給されており、該新鮮空気はメインエンジンのコンプレッサまたは補助動力装置のコンプレッサからの抽気でまかなわれている。
【０００９】
メインエンジンでの空気の圧縮には燃料消費が伴う。また、メインエンジンなどから抽気された空気は温度が高いため外気と熱交換し冷却してから空気源として供される。しかるに、外気の取り込みは機体の推進力に対する抗力となり燃料消費を助長する。航空機の空調のための燃料消費を低減するために、メインエンジンや補助動力装置からの抽気量は極力圧縮することが望まれる。
本発明は、このような課題を解決する航空機用空調装置を提供せんとするものである。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の航空機用空調装置は、航空機のメインエンジンまたは補助動力装置のコンプレッサで圧縮され抽出された新鮮空気と、被空気調和室内から抽出した空気を混合して空気調和を行う航空機用空気調和装置において、前記新鮮空気の流路に分配機構を設け、該新鮮空気を、調和空気を供給する一つ以上の被空気調和室に対し予め決められた割合に分配し、各分配された新鮮空気と被空気調和室内から抽出した空気を混合して調和空気とし、それぞれの被空気調和室に供給される前記調和空気の温度をベーパーサイクルシステムによって制御することによって空気調和を行うようにし、新鮮空気の採取と配分を与圧室内に居住する人員数に応じて行い、抽気量を低減し得るようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明が提供する航空機用空調装置の具体的な実施例を示す図である。
本航空機用空調装置は、エンジンコンプレッサ１から抽気した空気の流量を制御する流量制御弁３４、該流量制御弁を通った空気を外気ダクトに介設されたファン１６により導入された外気で冷却する熱交換器３と、該熱交換器３で冷却された空気を予め定められた割合で分配する分配器４と、一方の分配経路のダクト３２に配設された混合室５、ＶＣＳ２８の一方のエバポレータ７、温度センサー９、１０、与圧室２からの戻入空気を抽出する管路に介設されたファン８からなる操縦室用調和部２９と、他方の分配経路のダクト３３に配設された混合室１１、ＶＣＳ２８の他方のエバポレータ１２、温度センサー１４、１５、与圧室２からの戻入空気を抽出する管路に介設されたファン１３からなる客室用調和部３０と、モータ２０Ａで駆動されるコンプレッサ２０、熱交換器であるコンデンサ２１と外気ダクトに介設されたファン２３、液化された冷媒ガスを貯留するリザーバ２２、膨張弁２５、混合室５から排出された混合空気と液化した冷媒とが熱交換するエバポレータ７および膨張弁２６、混合室１１から排出された混合空気と液化した冷媒とが熱交換するエバポレータ１２が冷媒ガスの循環路を形成するように管路で接続されているベーパーサイクルシステム（以下ＶＣＳと称する）２８と、前記温度センサ９、１０、１４、１５の信号を入力とし調和空気の温度を制御する制御器２７とで構成されている。
【００１２】
次に本発明の航空機用空調装置の動作を図１を参照して説明する。本航空機用空調装置は、エンジンコンプレッサ１により圧縮された高温高圧の空気を抽気して空気源とし、この空気の流量を流量制御弁３４により予め設定された量に調整した後、熱交換器３において外気導入経路に介設されたファン１６により導入された外気と熱交換して冷却し、新鮮空気源としている。この新鮮空気を、与圧室の居住人員一人当たり毎分０．２５キログラムの流量を目安にして予め与圧室２の人員配置に応じて分配比を決めて分配器４で分配して操縦室用調和部２９と客室用調和部３０に供給する。分配器４で分配されダクト３２を通り操縦室用調和部２９の混合室５に導かれた新鮮空気は、ファン８により客室２Ｂから抽出された空気と混合されＶＣＳ２８のエバポレータ７に導かれて液化された冷媒の気化潜熱で冷却され操縦室２Ａに導入される。
【００１３】
エバポレータ７の出口のダクトに介設された温度センサ９と操縦室２Ａに介設された温度センサ１０の信号が制御器２７に送達され、該制御器により操縦室２Ａの温度が予め設定されている温度範囲に入るように膨張弁２５の開度を調節し冷媒の流量を変えて制御される。分配器４で分配されダクト３３を通り客室用調和部３０の混合室１１に導かれた新鮮空気は、ファン１３により客室２Ｂから抽出された空気と混合されＶＣＳ２８のエバポレータ１２に導かれて液化された冷媒の気化潜熱で冷却され客室に導入される。エバポレータ１２の出口のダクトに介設された温度センサ１４と客室２Ｂに介設された温度センサ１５の信号が制御器２７に送達され、客室２Ｂの温度が予め設定されている温度範囲に入るように膨張弁２６の開度を調節し冷媒の流量を変えて制御する。
【００１４】
つぎにＶＣＳ２８の動作を説明する。ＶＣＳ２８においては、冷媒となるガス（例えば代替フロンガス）は、モータ２０Ａにより駆動されるコンプレッサ２０により断熱圧縮され、高温高圧ガスとなり、コンデンサ２１に導かれて外気導入ダクトに介設されたファン２３により導入された外気と熱交換し冷却され大部分は液化し、液化された冷媒はいったんリザーバ２２に溜まる。リザーバ２２から膨張弁２５に導かれ断熱自由膨張し寒冷な気液２相流体となり、エバポレータ７に導かれた冷媒は前記したように操縦室に導入する空気を冷却して気化しコンプレッサ２０に戻る。同様にリザーバ２２から膨張弁２６を介してエバポレータ１２に導かれた気液２相流体の冷媒は前記したように客室に導入する空気を冷却して気化しコンプレッサ２０に戻る。
【００１５】
一方、与圧室２（操縦室２Ａと客室２Ｂ）に導かれた調和空気は、室内を温度調節し、同時に居住する人に新鮮空気を供給し、かつ与圧室２を飛行高度に応じて予めプログラムされた気圧に制御するため与圧制御弁１７を通って概ね供給された新鮮空気の量だけ排出される。また調和空気の一部はファン８および１３により客室２Ｂから一旦抽出されて新鮮空気と混合され、冷却されて調和空気となって与圧室２に戻入され循環する。
【００１６】
次に従来の航空機用空調装置と本発明の航空機用空調装置との新鮮空気の抽気量の相違について説明する。従来の空調装置では、予め客室に居住する人員一人当たりの総換気量毎分約０．４５キログラムの内新鮮空気が毎分０．２５キログラム導入できるようにすることと、操縦室では居住人員は２ないし３名であるが電子機器の発熱による熱負荷が大きいため熱負荷の冷却がまかなえる調和空気を必要流量として来た。この基準で設定された調和空気の供給量は、例えば一般的な１００人乗りの旅客機では、操縦室用に毎分約１４キログラム、客室に毎分約４６キログラム、合計毎分６０キログラムとなる。この内約５６％の新鮮空気が含まれる必要があり、従来の航空機用空調装置では毎分３３．６キログラムの新鮮空気が必要であった。
【００１７】
同じ機体で本発明の航空機用空調装置では新鮮空気の必要量は、総搭乗人員１０３（操縦室３、客室１００）名とすると毎分２５．７５キログラムでよく、その新鮮空気を予め前記分配器４で客室用調和部３０に対して１００、操縦室用調和部２９に対して３の割合で分配し、それぞれの調和部３０、２９で必要換気量が得られるように客室からの戻入空気流量を決めればよい。このように、本発明を適用すれば、従来の航空機用空調装置に比べ抽気量は１０３名搭乗の航空機で毎分７．８５キログラム削減でき、この削減量に見合った燃料消費量が削減でき、より省エネルギー運行が可能となる。
図１の分配器４は三方弁に置換えて、前記したように人員配置により予め決められた分配比となるよう弁の開度を調整するようにしても良い。
【００１８】
【発明の効果】
本発明が提供する航空機用空調装置は、上記のように構成されており、従来操縦室に供給する新鮮空気は熱負荷に応じて供給されていたが、供給する新鮮空気の量を、一人当たりの必要量を満たしかつ被空気調和室に居住する人員数に対応するように予め分配し、与圧室から抽出し戻入する空気と混合して調和空気として供給するようにすることにより、従来の航空機用空調装置に比べ、エンジンまたは補助動力装置からの新鮮空気の抽気量を減少させることができ、燃料消費を低減でき、より省エネルギー運行ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる航空機用空気調和装置の一実施例の構成を示す図である。
【図２】従来の航空機用空気調和装置の概要の構成を示す図である。
【図３】従来の航空機用空気調和装置の主要な構成を示す図である。
【符号の説明】
１…エンジンコンプレッサ２…与圧室
２Ａ…操縦室２Ｂ…客室
３…熱交換器４…分配器
５、１１…混合室７、１２…エバポレータ
８、１３、１６、２３…ファン９、１０、１４、１５…温度センサ
１７…与圧制御弁２０…コンプレッサ
２０Ａ…モータ２１…コンデンサ
２２…リザーバ２５、２６…膨張弁
２７…制御器２８…ＶＣＳ
２９…操縦室用調和部３０…客室用調和部
３２、３３…ダクト３４…流量制御弁

Claims

航空機のメインエンジンまたは補助動力装置のコンプレッサで圧縮され抽出された新鮮空気と、被空気調和室内から抽出した空気を混合して空気調和を行う航空機用空気調和装置において、前記新鮮空気の流路に分配機構を設け、該新鮮空気を、調和空気を供給する一つ以上の被空気調和室に対し予め決められた割合に分配し、各分配された新鮮空気と被空気調和室内から抽出した空気を混合して調和空気とし、それぞれの被空気調和室に供給される前記調和空気の温度をベーパーサイクルシステムによって制御することによって空気調和を行うことを特徴とする航空機用空気調和装置。