JP4243861B2

JP4243861B2 - 航空機用空気調和装置

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Publication number: JP4243861B2
Application number: JP2004270901A
Authority: JP
Inventors: 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP2006082741A

Description

本発明は、固定翼機および回転翼機を含む航空機の空気調和装置に関し、特に一般乗客を輸送するために高々度を巡航する航空機において用いるのに適するものである。

気圧の低い高々度を巡航する航空機においては、心肺機能の低下した高齢者等でも呼吸器系に問題を生じることなく快適に搭乗できることが要望される。しかし、キャビン内空気の圧力を高めると機体強度を上げる必要がある。そこで、圧縮空気を選択透過膜によって高酸素濃度空気と高窒素濃度空気とに分離し、その高酸素濃度空気をキャビンに導入することでキャビン内空気の酸素分圧を高める航空機用空気調和装置（特許文献１参照）を用いることが考えられる。
特開２００３−８１１９５号公報

例えば、高度８０００ｆｔ（２４３８ｍ）を飛行中の航空機のキャビン内酸素分圧を、高度５０００ｆｔ（１５２４ｍ）の機外空気における酸素分圧と同等にするためには、機外空気の圧力が高度８０００ｆｔで７５．３ｋＰａ、高度５０００ｆｔで８４．３ｋＰａであるから、酸素分圧を略１２％上昇させる必要がある。この場合、キャビン内空気の酸素濃度を通常の２０．９５％から２３．４６％に上昇させることになる。また、キャビン内空気は新鮮な機外空気と換気する必要があることから、換気用機外空気と高酸素濃度空気の混合後における酸素濃度を２３．４６％に維持しなければならない。選択透過膜により得られる高酸素濃度空気の酸素濃度を３３．５％とした場合、換気用機外空気に対する高酸素濃度空気の割合Ｒは次式により求められ、略０．２５：１である。
Ｒ＝（２３．４６％−２０．９５％）／（３３．５％−２３．４６％）
すなわち、換気用機外空気流量の略１／４という大流量の高酸素濃度空気を供給する必要がある。このような大流量の高酸素濃度空気を限られた面積の選択透過膜により確保するためには、選択透過膜の上流側圧力と下流側圧力の差圧を大きくしなければならない。

上記従来技術においては、コンプレッサと膨張タービンにより空気冷却サイクルを構成し、コンプレッサにより圧縮した空気を膨張タービンにより膨張させることで冷房用の冷気を生成すると共に、そのコンプレッサにより圧縮した空気を選択透過膜に導くことで高酸素濃度空気を生成している。しかし、高々度においては機外温度が低いため機内の冷房需要は少ないことから、選択透過膜の上流側圧力を大きくすると必要以上に冷気が生成され、大きなエネルギーロスを生じることになる。本発明は、そのような課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。

本発明の航空機用空気調和装置は、圧縮空気を、酸素の透過率が窒素の透過率よりも高い選択透過膜によって高酸素濃度空気と高窒素濃度空気とに分離する空気分離部と、機外空気を機内に吸引する空気取り込み部と、機外空気を前記空気取り込み部に導く機外空気流路と、前記選択透過膜を透過した高酸素濃度空気の少なくとも一部を、前記機外空気流路に導く案内流路と、前記機外空気流路において機外空気と混合された後に前記空気取り込み部により機内に吸引された高酸素濃度空気を、航空機のキャビン内に導く機内空気流路とを備え、前記空気取り込み部は機外空気取込み用圧縮要素により構成され、前記機外空気取込み用圧縮要素は、機外空気をラム圧縮効果により圧縮する手段と、機外空気を機械的に圧縮する手段の中の少なくとも一方により構成され、前記空気分離部は、前記機外空気取込み用圧縮要素において圧縮された圧縮空気を高酸素濃度空気と高窒素濃度空気とに分離する。
本発明によれば、選択透過膜を透過した高酸素濃度空気の少なくとも一部は、機外空気流路を通って空気取り込み部に吸引されるので、選択透過膜の下流側の圧力を低下させることができる。これにより、大きなエネルギーロスを生じることなく選択透過膜の上流側圧力と下流側圧力の差圧を大きくし、高酸素濃度空気の供給流量を増大することができる。

本発明の航空機用空気調和装置において、飛行時の機体と機外空気の速度差によって前記機外空気流路において機外空気の流れが生成されるように、前記機外空気流路は飛行時における機体に対する機外空気の流動方向に沿う空気流生成部分を有し、前記空気流生成部分における機外空気の流れによる静圧減少によって前記案内流路から前記機外空気流路へ高酸素濃度空気が吸引されるように、前記機外空気流路に形成された通孔を介して前記案内流路が前記空気流生成部分に通じるのが好ましい。高々度では機外空気の絶対圧が低くなり、飛行時の機体と機外空気の速度差に基づき機外空気流路において静圧が減少することから、機外空気流路に通じる選択透過膜の下流側の圧力を効率良く低下させ、キャビン内への高酸素濃度空気の供給流量を増大することができる。しかも、高酸素濃度空気は機外空気流路において高速で流動する機外空気と十分に混合されるので、キャビンにおける酸素濃度の均一化を図り、局所的な酸素濃度の過不足を防止できる。

本発明の航空機用空気調和装置は、空気圧縮機構と、空気膨張要素とを備え、前記空気圧縮機構は、前記機外空気取込み用圧縮要素と、前記空気膨張要素とで空気冷却サイクルを構成する冷房用圧縮要素とを有し、前記機内空気流路は、前記機外空気取込み用圧縮要素により圧縮された空気を前記冷房用圧縮要素に導く部分と、前記圧縮機構による圧縮空気を前記空気分離部に導く部分と、前記圧縮機構による圧縮空気を前記空気膨張要素に導く部分と、前記空気冷却サイクルにより冷却された空気を前記キャビン内に導く部分とを有するのが好ましい。これにより、選択透過膜の上流側圧力と下流側圧力の差圧を増大させるための専用の空気圧縮機構が不要になり、小型軽量化が必要な航空機に適したものとなり、さらに保守点検工数が増大することもない。
さらに、機外空気の機体に対する相対速度を空気取り込み部に取り込む際に減少させることで、機外空気の動圧を静圧に変換してラム圧縮することができ、また、制御の容易な電動圧縮装置等により空気取り込み部に取り込まれた機外空気を機械的に圧縮することができる。飛行速度に応じて機外空気のラム圧縮と機械的な圧縮とを互いに補完的に行うのが好ましい。

本発明によれば、航空機の飛行時にキャビン内の酸素分圧を効率良く均一に高めることができる小型軽量の航空機用空気調和装置を提供できる。

図１に示す本発明の実施形態の航空機用空気調和装置は、機内換気用の機外空気を空気取り込み部１により機内に吸引する。空気取り込み部１は、モータ１ａにより駆動される第１段電動圧縮機１ｂと第２段電動圧縮機１ｃとを有する。両電動圧縮機１ｂ、１ｃの駆動により機外空気は空気取り込み口１ｄから機内に吸引される。その吸引された空気は第１段電動圧縮機１ｂにより圧縮された後に熱交換器１ｅにおいて冷却され、しかる後に第２段電動圧縮機１ｃにより圧縮される。その冷却により第２段電動圧縮機１ｃでの圧縮動力の削減と圧縮後の空気温度上昇が抑制される。第１段電動圧縮機１ｂと第２段電動圧縮機１ｃはラジアル型とされ、それぞれの回転シャフトは互いに連結される。熱交換器１ｅにおいては空気はラム空気路Ｒを通る機外空気により冷却される。

機外空気は、航空機の機体に設けられた機外空気流路２を介して空気取り込み部１に導かれる。図２Ａ、図２Ｂに示すように、機外空気流路２は、機体表面Ｓを凹ませることで形成された溝２ａを有する。溝２ａの長手方向は航空機の進行方向（図２Ａにおいて矢印α方向）に沿い、溝２ａの後端に向かうに従い溝２ａの深さは漸次深くなると共に溝２ａの幅は漸次大きくなり、溝２ａの後端が空気取り込み口１ｄとされている。空気取り込み口１ｄはダクト１ｅを介して第１段電動圧縮機１ｂの吸引口に接続される。これにより、溝２ａは、飛行時における機体に対する機外空気の流動方向に沿う空気流生成部分とされ、飛行時の機体と機外空気の速度差によって機外空気流路２において機外空気の流れが生成される。また、空気取り込み口１ｄは、機外空気の機体に対する相対速度を空気取り込み部１に取り込む際に減少させ、機外空気の動圧を静圧に変換してラム圧縮する手段として機能する。その機外空気をラム圧縮効果により圧縮する手段と、機外空気を機械的に圧縮する手段である電動圧縮機１ｂ、１ｃが機外空気取込み用圧縮要素を構成する。

空気取り込み部１において圧縮された空気は、第１流量制御バルブ３ａと第２流量制御バルブ３ｂに導かれる。各流量制御バルブ３ａ、３ｂは、例えば図外コントローラからの信号により開度を指示されるモータ駆動のバタフライバルブにより構成される。

第１流量制御バルブ３ａに導かれた空気は、冷房用圧縮要素である冷房用圧縮機４によりほぼ断熱的に圧縮される。この冷房用圧縮機４と上記機外空気取込み用圧縮要素１ｂ、１ｃ、１ｄとで空気圧縮機構が構成される。空気圧縮機構により圧縮された空気は、熱交換器５により冷却された後、再生熱交換機６、凝縮器７で冷却されることで含有水分が凝縮され、水分捕捉のためにウォータセパレータ８に導かれ、しかる後に再生熱交換機６において凝縮器７の通過前の空気により加熱される。熱交換器５においては空気はラム空気路Ｒを通る機外空気により冷却される。再生熱交換機６において加熱された空気は、一部が膨張タービン１５に導かれ、残部が空気分離部１６に導かれる。膨張タービン１５により再生熱交換機６において加熱された空気がほぼ断熱的に膨張されることで冷気が生成される。これにより、圧縮機４と膨張タービン１５とで空気冷却サイクルが構成される。この空気冷却サイクルにより生成された冷気は、凝縮器７での熱交換により昇温された後にミキシングチャンバ２２を介して航空機のコックピットを含むキャビン２３に導かれる。なお、膨張タービン１５の膨張仕事はシャフト２６を介して圧縮機４に伝えられることで圧縮動力として利用され、シャフト２６を介して圧縮機４の駆動に必要な補助動力がモータ２７により付与される。

第２流量制御バルブ３ｂに導かれた空気は、バイパス空気流路３１により、上記空気冷却サイクルを通ることなくミキシングチャンバ２２を介してキャビン２３に導かれる。

空気分離部１６は、酸素の透過率が窒素の透過率よりも高い選択透過膜１６ａにより構成される。選択透過膜１６ａは、空気圧縮機構による圧縮空気を高酸素濃度空気と高窒素濃度空気とに分離する。

図３に示すように、選択透過膜１６ａは多数の中空糸膜からなり、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、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。容器１６ｃ′の一端開口は、各中空糸膜の一端開口と再生熱交換機６に開閉バルブ１６ｇ′を介して接続される空気導入ポート１６ｄ′として機能する。容器１６ｃ′の他端開口は、各中空糸膜の他端開口に接続される高窒素濃度空気排出ポート１６ｆ′として機能する。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に接続される高酸素濃度空気排出ポート１６ｅ′として機能する。

高窒素濃度空気排出ポート１６ｆ′から排出される高窒素濃度空気は、図１に示すようにコントローラからの信号により開度調整される第１コントロールバルブ２１ａにより流量制御された後に、燃料タンクや燃料配管設置領域等の燃料周囲領域１８に導入され、しかる後に放出路を通って機外空間１９に放出される。

高酸素濃度空気排出ポート１６ｅ′から排出される高酸素濃度空気は、コントローラからの信号により開度調整される第２〜第４コントロールバルブ２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに導かれる。第２コントロールバルブ２１ｂにより流量制御された高酸素濃度空気は機外空間１９に放出され、第３コントロールバルブ２１ｃにより流量制御された高酸素濃度空気はミキシングチャンバ２２を介してキャビン２３に導かれ、第４コントロールバルブ２１ｄにより流量制御された高酸素濃度空気は案内流路３０によって機外空気流路２に導かれる。

図２Ａ、図２Ｂに示すように、案内流路３０は機外空気流路２の溝２ａの底部に形成された通孔２ａ′に接続される。これにより、溝２ａにおける機外空気の流れによって、高酸素濃度空気は案内流路３０から機外空気流路２へ吸引される。すなわち、選択透過膜１６ａを透過した高酸素濃度空気の一部が案内流路３０により機外空気流路２に導かれる。これにより、機外空気流路２において高酸素濃度空気は機外空気と混合された後に空気取り込み部１により機内に吸引され、しかる後に機内空気流路によりキャビン２３内に導かれる。その機内空気流路は、機外空気取込み用圧縮要素１ｂ、１ｃ、１ｄにより圧縮された空気を冷房用圧縮機４に導く部分１０ａと、冷房用圧縮機４と電動圧縮機１ｂ、１ｃとで構成される圧縮機構による圧縮空気を空気分離部１６に導く部分１０ｂと、膨張タービン１５に導く部分１０ｃと、空気冷却サイクルにより冷却された空気をキャビン２３内に導く部分１０ｄとを有し、本実施形態ではさらにバイパス空気流路３１を有する。

キャビン２３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コントローラからの信号により開度調整されるアウトフローバルブ３３を介する機外へ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、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、ファン４３を介してミキシングチャンバ２２に導かれる。これにより、高々度巡航時においてキャビン２３内の圧力を機外圧力よりも高い設定圧力に維持することが可能とされている。

上記構成によれば、選択透過膜１６ａを透過した高酸素濃度空気の少なくとも一部は、機外空気流路２を通って空気取り込み部１に吸引されるので、選択透過膜１６ａの下流側の圧力を低下させることができる。これにより、大きなエネルギーロスを生じることなく選択透過膜１６ａの上流側圧力と下流側圧力の差圧を大きくし、高酸素濃度空気の供給流量を増大することができる。さらに、高々度では機外空気の絶対圧が低くなり、飛行時の機体と機外空気の速度差に基づき機外空気流路２において静圧が減少することから、機外空気流路２に通じる選択透過膜１６ａの下流側の圧力を効率良く低下させ、キャビン２３内への高酸素濃度空気の供給流量を増大することができる。しかも、高酸素濃度空気は機外空気流路２において高速で流動する機外空気と十分に混合されるので、キャビン２３における酸素濃度の均一化を図り、局所的な酸素濃度の過不足を防止できる。また、空気取り込み部１を構成する電動圧縮機１ｂ、１ｃと空気冷却サイクルを構成する冷房用圧縮機４により空気を圧縮することで、選択透過膜１６ａの上流側圧力と下流側圧力の差圧を増大させるための専用の空気圧縮機構が不要になり、小型軽量化が必要な航空機に適したものとなり、さらに保守点検工数が増大することもない。

以下の表１は、航空機の夏季地上待機時と高々度飛行時それぞれにおける、機外、図１のＡ点、Ｂ点、キャビン２３の圧力（ｋＰａ）と、Ｂ点圧力からキャビン２３圧力を差し引いた差圧ΔＰ１と、Ｂ点圧力から機外圧力を差し引いた差圧ΔＰ２の一例を示す。

表１における差圧ΔＰ１は、高酸素濃度空気を機外空気流路２に導くことなくキャビン２３に導く場合の選択透過膜１６ａの上流側圧力と下流側圧力の差圧に対応し、差圧ΔＰ２は、高酸素濃度空気を機外空気流路２に導く場合の選択透過膜１６ａの上流側圧力と下流側圧力の差圧に対応する。よって、飛行時に高酸素濃度空気を機外空気流路２に導くことなくキャビン２３に導く場合の差圧１０７．０ｋＰａに比べ、機外空気流路２を介して空気取り込み部１から機内に導く場合の差圧は１６３．５ｋＰａであるので、高酸素濃度空気の供給流量を増大させることができる。なお、Ｂ点の圧力が必要以上に高くなる場合は選択透過膜の上流側に図１において２点鎖線で示すように圧力制御用のバルブ２１ｅを設けて圧力制御してもよい。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では機外空気流路２に導かれる高酸素濃度空気の流量を第４コントロールバルブ２１ｄにより制御しているが、高酸素濃度空気を機外空気流路２に導く必要のない地上では機外空気流路２における機外空気の流速は零で高酸素濃度空気は機外空気流路２に吸引されないので、第４コントロールバルブ２１ｃをなくしてもよい。また、機外空気取込み用圧縮要素のラム圧縮効果が得られる空気取り込み口１ｄに高酸素濃度空気を導く形態としては、図４Ａ、図４Ｂの変形例に示すように、機外空気流路２の底部に設けた段差２ｂに通孔２ａ′を設けてもよい。機外空気流路における機外空気の流れが、飛行時の機体と機外空気の速度差ではなく、空気取り込み部による機外空気の吸引力により生じるものであってもよい。この場合には機外空気取込み用圧縮要素は、機械的な圧縮効果のみとなるが、飛行速度の遅い航空機の場合はラム圧縮効果は小さいのでこの形態が適する。さらに、選択透過膜を透過した高酸素濃度空気の全部を案内流路により機外空気流路に導いてもよく、要は、選択透過膜を透過した高酸素濃度空気の少なくとも一部を機外空気流路に導くことで選択透過膜の下流側圧力を低下させればよい。

本発明の実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図本発明の実施形態の航空機用空気調和装置における機外空気流路と案内流路を示す断面図本発明の実施形態の航空機用空気調和装置における機外空気流路を示す平面図本発明の実施形態の航空機用空気調和装置における空気分離部の構成を示す説明図本発明の変形例の航空機用空気調和装置における機外空気流路と案内流路を示す断面図本発明の変形例の航空機用空気調和装置における機外空気流路を示す平面図

符号の説明

１空気取り込み部
１ｂ、１ｃ電動圧縮機（機外空気取込み用圧縮要素）
２機外空気流路
２ａ溝（空気流生成部分）
４冷房用圧縮機（冷房用圧縮要素）
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ機内空気流路
１５膨張タービン（空気膨張要素）
１６空気分離部
１６ａ選択透過膜
２３キャビン
３０案内流路

Claims

圧縮空気を、酸素の透過率が窒素の透過率よりも高い選択透過膜によって高酸素濃度空気と高窒素濃度空気とに分離する空気分離部と、
機外空気を機内に吸引する空気取り込み部と、
機外空気を前記空気取り込み部に導く機外空気流路と、
前記選択透過膜を透過した高酸素濃度空気の少なくとも一部を、前記機外空気流路に導く案内流路と、
前記機外空気流路において機外空気と混合された後に前記空気取り込み部により機内に吸引された高酸素濃度空気を、航空機のキャビン内に導く機内空気流路とを備え、
前記空気取り込み部は機外空気取込み用圧縮要素により構成され、前記機外空気取込み用圧縮要素は、機外空気をラム圧縮効果により圧縮する手段と、機外空気を機械的に圧縮する手段の中の少なくとも一方により構成され、
前記空気分離部は、前記機外空気取込み用圧縮要素において圧縮された圧縮空気を高酸素濃度空気と高窒素濃度空気とに分離する航空機用空気調和装置。
飛行時の機体と機外空気の速度差によって前記機外空気流路において機外空気の流れが生成されるように、前記機外空気流路は飛行時における機体に対する機外空気の流動方向に沿う空気流生成部分を有し、
前記空気流生成部分における機外空気の流れによる静圧減少によって前記案内流路から前記機外空気流路へ高酸素濃度空気が吸引されるように、前記機外空気流路に形成された通孔を介して前記案内流路が前記空気流生成部分に通じる請求項１に記載の航空機用空気調和装置。
空気圧縮機構と、
空気膨張要素とを備え、
前記空気圧縮機構は、前記機外空気取込み用圧縮要素と、前記空気膨張要素とで空気冷却サイクルを構成する冷房用圧縮要素とを有し、
前記機内空気流路は、前記機外空気取込み用圧縮要素により圧縮された空気を前記冷房用圧縮要素に導く部分と、前記圧縮機構による圧縮空気を前記空気分離部に導く部分と、前記圧縮機構による圧縮空気を前記空気膨張要素に導く部分と、前記空気冷却サイクルにより冷却された空気を前記キャビン内に導く部分とを有する請求項１または２に記載の航空機用空気調和装置。