JP4332740B2 - 航空機用抽気システム - Google Patents

Description

本発明は、航空機における複数のエンジンからの抽気を、キャビン等の空調を行う空気調和装置に供給するための航空機用抽気システムに関する。

航空機用抽気システムは、エンジンコンプレッサから抽出された高温、高圧の空気である抽気を、調温、調圧を行った後に空気調和装置に供給している。２発以上のエンジンを搭載する航空機において各エンジンから空気を抽出する場合、各エンジンから空気調和装置までのダクトそれぞれでの圧力損失が互いに相違すると、各エンジンからの抽気流量が同一にならず各エンジンの空調による負荷が一致しなくなる。そこで、各エンジンからの抽気流量の不一致を機械的な機構により検出して是正することが提案されている（特許文献１参照）。
米国特許第４，７６５，１３１号公報

各エンジンからの抽気流量の不一致を機械的な機構により検出して是正する場合、部品点数が増大するために航空機の機体重量が増大するという問題がある。本発明はこのような従来の問題を解決することを目的とする。

本発明は、複数のエンジンそれぞれのコンプレッサから抽出した空気を空気調和装置に、各エンジンそれぞれと空気調和装置との間に設けられる抽気機構を介して供給する航空機用抽気システムに適用される。
各抽気機構は、前記コンプレッサにより圧縮された空気を前記空気調和装置に導く抽気ダクトと、前記抽気ダクトにおける抽気の流量調整と逆流防止のための少なくとも一つのバルブと、前記抽気ダクトにおける抽気圧力の検出用圧力センサと、前記抽気ダクトの流れ方向に離れた２位置間での抽気の圧力損失の検出用差圧センサとを有し、各抽気機構における前記抽気ダクトの２位置間での抽気の流量と圧力損失との対応関係は、前記圧力センサによる検出抽気圧力が等しい時は互いに同一とされる。
前記差圧センサによる検出圧力損失をΔＰ、前記圧力センサによる検出抽気圧力をＰ₁ 、予め設定された基準圧力をＰ₀ として、ΔＰ′＝ΔＰ×Ｐ₀ ／Ｐ₁ の関係から修正圧力損失ΔＰ′を演算する手段と、各抽気機構における修正圧力損失を互いに比較する手段と、各抽気機構における修正圧力損失が互いに等しくなるように、前記バルブにより抽気流量を調整する手段とが設けられている。
さらに、前記差圧センサによる検出圧力損失に基づき前記抽気ダクトでの抽気の逆流の有無を判断する手段と、前記逆流が生じた場合は前記バルブを閉鎖する手段とが設けられている。
本発明によれば、各エンジンからの抽気流量の不一致を検出するために機械的な機構を設ける必要がなく、航空機の機体重量を軽減できる。また、抽気流量の不一致を検出するための差圧センサが抽気の逆流検出手段を兼用し、部品点数を削減して重量を軽減できる。さらに、差圧センサは抽気ダクトにおける２位置の差圧を検出できれば足りるため、その検出公差を小さくし、精度良く抽気流量の不一致を是正できると共に、抽気の逆流を僅かな流量でも迅速に検知できる。

各抽気機構は、前記抽気ダクトの流れ方向に離れた２位置をバイパスするバイパスダクトを有し、前記バイパスダクトに前記差圧センサが設けられているのが好ましい。これにより、抽気ダクトから差圧センサに至るまでに抽気温度がバイパスダクトにおいて低下し、抽気温度が高くても検出に支障をきたすことはない。

本発明の航空機用抽気システムによれば、複数のエンジンからの高温抽気の流量を機体重量を増大させることなく精度よく比較し、各エンジンからの抽気流量の不均一や逆流を防止できる。

図１に示す本発明の実施形態の抽気システム１は、航空機における第１〜第４エンジンＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４それぞれのコンプレッサ１２、１３から抽出した空気を、コックピットを含むキャビン内の空調を行う第１、第２航空機用空気調和装置Ａ１、Ａ２に供給するもので、各エンジンＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４それぞれと空気調和装置Ａ１、Ａ２との間に設けられる第１〜第４抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの制御用コントローラ３を備えている。図１においては第２エンジンＥ２と第２抽気機構２ｂの構成を詳細に示すが、第１、第３、第４エンジンＥ１、Ｅ３、Ｅ４と第１、第３、第４抽気機構２ａ、２ｃ、２ｄも同一の構成を有している。

各エンジンＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は、エンジンファン１１、エンジンファン１１により吸引された空気を圧縮する中間段コンプレッサ１２、中間段コンプレッサ１２により圧縮された空気をさらに圧縮する高圧段コンプレッサ１３を有する。

エンジンファン１１により吸引された空気の一部は、冷却空気用ダクト１４を介して熱交換器１５に導かれた後に機体外に排出される。冷却空気用ダクト１４に、熱交換器１５の上流に位置する温度調整用流量制御バルブ１６が設けられている。

中間段コンプレッサ１２により圧縮された空気の一部は第１分岐ダクト１７を介して抽気として抽出され、高圧段コンプレッサ１３により圧縮された空気の一部は第２分岐ダクト１８を介して抽気として抽出される。第１分岐ダクト１７に逆止弁１９が設けられ、第２分岐ダクト１８に高圧抽気流量制御バルブ２０が設けられている。第１分岐ダクト１７と第２分岐ダクト１８は抽気ダクト２１に連結される。各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける抽気ダクト２１は空気調和装置Ａ１、Ａ２に流量制御バルブ２２、２３を介して連結される。これにより、コンプレッサ１２、１３により圧縮された空気は抽気ダクト２１を介して空気調和装置Ａ１、Ａ２に導かれる。

抽気ダクト２１を通過する抽気は熱交換器１５を通過することで冷却される。抽気ダクト２１に、熱交換器１５の上流に位置する抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４と、このバルブ２４の上流に位置する第１圧力センサ２５と、熱交換器１５の下流に位置する第２圧力センサ２６と、第２圧力センサ２６の下流に位置する温度センサ２７が設けられている。

抽気ダクト２１の流れ方向に離れた２位置Ｓ１、Ｓ２をバイパスするバイパスダクト２８に、その上流位置Ｓ１での抽気圧力と下流位置Ｓ２での抽気圧力との圧力差を、その２位置Ｓ１、Ｓ２間での抽気の圧力損失ΔＰとして検出する差圧センサ２９が設けられている。

流量制御バルブ１６、２０、抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４、圧力センサ２５、２６、温度センサ２７、差圧センサ２９はコントローラ３に接続される。温度センサ２７により検出する抽気温度に応じてコントローラ３が流量制御バルブ１６の開度を調整することで、空気調和装置Ａ１、Ａ２に供給される抽気温度を適正化する。また、コントローラ３は第１圧力センサ２５により検出した抽気ダクト２１における抽気圧力Ｐ₁ に応じて流量制御バルブ２０の開度を調整することで、空気調和装置Ａ１、Ａ２に供給される抽気圧が過大になるのを防止し、第２圧力センサ２６により検出した抽気圧力Ｐ₂ に応じて抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４を開閉制御することで、空気調和装置Ａ１、Ａ２に供給される抽気圧を適正化する。

差圧センサ２９により検出される圧力損失ΔＰに基づき、コントローラ３は抽気ダクト２１での抽気の逆流の有無を判断する。本実施形態では圧力損失ΔＰが負になることで抽気の逆流が生じたと判断する。例えば、第２エンジンＥ２のみが停止して第２抽気機構２ｂにおける抽気ダクト２１で抽気圧力が低下したような場合、第２抽気機構２ｂの抽気ダクト２１で抽気の逆流が生じるため圧力損失ΔＰが負になる。コントローラ３は抽気ダクト２１において逆流が生じたと判断すると、その抽気ダクト２１における抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４を閉鎖することで抽気の逆流を防止する。

差圧センサ２９により検出された圧力損失ΔＰと、第１圧力センサ２５により検出された抽気圧力Ｐ₁ と、予め設定された基準圧力としての海面上大気圧力Ｐ₀ から、以下の式（１）に基づき修正圧力損失ΔＰ′が各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ毎にコントローラ３により求められる。
ΔＰ′＝ΔＰ×Ｐ₀ ／Ｐ₁ …（１）
各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける差圧センサ２９による圧力損失ΔＰの検出位置Ｓ１、Ｓ２は互いに等しくされ、また、第１圧力センサ２５による圧力検出位置も互いに等しくされている。これにより、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける抽気ダクト２１の２位置Ｓ１、Ｓ２間での抽気の流量と圧力損失ΔＰとの対応関係は、第１圧力センサ２５による検出抽気圧力Ｐ₁ が等しい時は互いに同一とされている。よって、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける修正圧力損失ΔＰ′を互いに比較することで抽気流量を比較でき、修正圧力損失ΔＰ′を互いに等しくするこで抽気流量を互いに等しくできる。

コントローラ３は、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける修正圧力損失ΔＰ′を互いに比較し、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける予め定めた何れか（例えば第１抽気機構２ａ）での修正圧力損失ΔＰ′を基準値として、修正圧力損失ΔＰ′が基準値よりも小さい抽気機構における抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４の開き信号を出力し、修正圧力損失ΔＰ′が基準値よりも大きい抽気機構における抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４の閉じ信号を出力する。これにより、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける修正圧力損失ΔＰ′が互いに等しくなるように、抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４により抽気流量が調整され、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける抽気流量の不一致を是正できる。なお、基準とする抽気機構において対応するエンジンが停止したり抽気の逆流が生じた場合は、残りの抽気機構における予め定めた何れかでの修正圧力損失ΔＰ′を基準値とすればよい。

上記実施形態によれば、各エンジンＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４からの抽気流量の不一致を検出するために機械的な機構を設ける必要がなく、航空機の機体重量を軽減できる。また、抽気流量の不一致を検出するための差圧センサ２９が抽気の逆流検出手段を兼用し、部品点数を削減して重量を軽減できる。さらに、差圧センサ２９は抽気ダクト２１における２位置Ｓ１、Ｓ２の差圧を検出できれば足りるため、その検出公差を小さくし、精度良く抽気流量の不一致を是正できると共に、抽気の逆流を僅かな流量でも迅速に検知できる。しかも、差圧センサ２９はバイパスダクト２８に設けられるため、抽気ダクト２１から差圧センサ２９に至るまでに抽気温度がバイパスダクト２８において低下し、抽気温度が高くても検出に支障をきたすことはない。

比較例

図２は比較例の抽気システム１０１を示し、上記実施形態と同様部分は同一符号で示す。上記実施形態との相違は、バイパスダクト２８と差圧センサ２９に代えて流量センサ１０２が抽気ダクト２１に設けられている。コントローラ３は、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける流量センサ１０２による検出流量を互いに比較し、各抽気機構２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける予め定めた何れかでの検出流量を基準値として、検出流量が基準値よりも小さい抽気機構における抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４の開き信号を出力し、検出流量が基準値よりも大きい抽気機構における抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ２４の閉じ信号を出力する。また、第１圧力センサ２５により検出される圧力値と第２圧力センサ２６により検出される圧力値との差を圧力損失として、その圧力損失の正負に基づき、コントローラ３は抽気ダクト２１において抽気の逆流が生じていないか否かを判断する。他は上記実施形態と同様とされている。

上記比較例によれば、抽気流量の不一致を検出するために機械的な機構を設ける必要はない。しかし、第１圧力センサ２５と第２圧力センサ２６は、抽気の圧力差でなく圧力そのものを検出する必要があるため、圧力差の検出公差は大きくなる。例えば、各圧力センサ２５、２６の圧力検出レンジは１５０ｐｓｉ（１０３４ｋＰａ）程度であり、個々の検出公差は通常の使用圧力で±２ｐｓｉ（１３．８ｋＰａ）程度になるため、両圧力センサ２５、２６の差である圧力損失の検出公差は±４ｐｓｉ（２７．６ｋＰａ）程度になる。そのため、抽気ダクト２１において逆流が発生した場合、その流量が少ないと逆流を検知できず、迅速な逆流検出が困難である。これに対し本発明による差圧センサ２９であれば、圧力損失ΔＰの検出公差は０．１ｐｓｉ（０．６９ｋＰａ）程度にでき、微小な流量の逆流であっても迅速に検知できる。
また、上記比較例の流量センサ１０２は抽気ダクト２１の抽気流量を直接に検出するため、抽気温度が高いとセンサの許容検出温度を超えてしまい検出できなくなる。これに対し本発明による差圧センサ２９はバイパスダクト２８に設けられるので、抽気が差圧センサ２９に至るまでにバイパスダクト２８において温度低下するので抽気温度が高温でも検出可能である。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えばエンジンの数は複数であれば特に限定されず、空気調和装置の数は単一でも３以上でもよい。エンジンのコンプレッサは単段でも複数段でもよい。上記実施形態では抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブが抽気の流量調整と逆流防止を兼用したが、流量調整と逆流防止を別個のバルブにより行うようにしてもよく、また、そのようなバルブは電動バルブに限定されず、例えば油圧や空圧により作動するバルブであってもよい。予め設定された基準圧力は海面上大気圧力に限定されない。

本発明の実施形態の航空機用抽気システムの構成説明図 本発明の比較例の航空機用抽気システムの構成説明図

符号の説明

２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 抽気機構
３ コントローラ
１２、１３ コンプレッサ
２１ 抽気ダクト
２４ 抽気圧レギュレーティング・シャットオフ・バルブ
２５ 第１圧力センサ
２８ バイパスダクト
２９ 差圧センサ
Ａ１、Ａ２ 空気調和装置
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４ エンジン

Claims (2)

1. 複数のエンジンそれぞれのコンプレッサから抽出した空気を空気調和装置に、各エンジンそれぞれと空気調和装置との間に設けられる抽気機構を介して供給する航空機用抽気システムにおいて、
   各抽気機構は、前記コンプレッサにより圧縮された空気を前記空気調和装置に導く抽気ダクトと、前記抽気ダクトにおける抽気の流量調整と逆流防止のための少なくとも一つのバルブと、前記抽気ダクトにおける抽気圧力の検出用圧力センサと、前記抽気ダクトの流れ方向に離れた２位置間での抽気の圧力損失の検出用差圧センサとを有し、
   各抽気機構における前記抽気ダクトの２位置間での抽気の流量と圧力損失との対応関係は、前記圧力センサによる検出抽気圧力が等しい時は互いに同一とされ、
   前記差圧センサによる検出圧力損失をΔＰ、前記圧力センサによる検出抽気圧力をＰ₁ 、予め設定された基準圧力をＰ₀ として、ΔＰ′＝ΔＰ×Ｐ₀ ／Ｐ₁ の関係から修正圧力損失ΔＰ′を演算する手段と、
   各抽気機構における修正圧力損失を互いに比較する手段と、
   各抽気機構における修正圧力損失が互いに等しくなるように、前記バルブにより抽気流量を調整する手段と、
   前記差圧センサによる検出圧力損失に基づき前記抽気ダクトでの抽気の逆流の有無を判断する手段と、
   前記逆流が生じた場合は前記バルブを閉鎖する手段とが設けられていることを特徴とする航空機用抽気システム。
2. 各抽気機構は、前記抽気ダクトの流れ方向に離れた２位置をバイパスするバイパスダクトを有し、前記バイパスダクトに前記差圧センサが設けられている請求項１に記載の航空機用抽気システム。

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