JP4589396B2 - 航空機の環境制御システム用のエアサイクルマシン - Google Patents

Description

本発明は、環境制御システム（ＥＣＳ）（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）、より詳細にはエアサイクルマシン（ＡＣＭ）（ａｉｒ ｃｙｃｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ）の構成に関する。

なお、本発明は、２００４年９月２２日出願の米国仮特許出願第６０／６１１９４１号の優先権を主張する。

ＥＣＳは、航空機の客室および操縦室など、囲繞空間（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）に調整された空気を供給する。従来のＥＣＳは、液体ループと熱交換関係にある空気対空気サイクル冷却システムを利用してきた。液体ループは、一般に航空電子パッケージ（ａｖｉｏｎｉｃｓ ｐａｃｋａｇｅｓ）など他の熱負荷を冷却する。空気サブシステムと液体サブシステムの間の相互作用は、比較的複雑である。さらに、空気流の順序付け、特に複数タービンのエアサイクルマシン（ＡＣＭ）の場合の順序付けは、ＥＣＳ効率に根本的に影響を及ぼす。多くの場合、多量の熱エネルギーが、浪費される、あるいは非効率的に使用される可能性がある。

従来のシステムの１つでは、抽気の流れは、ジェットエンジンの中圧または高圧段から取り出される。抽気は、空気対空気熱交換器内で熱がラム空気に廃棄されて予冷され、次いでＡＣＭの圧縮器に流される。圧縮後、空気は、第２の空気対空気熱交換器、再生熱交換器および空気対空気再熱式熱交換器を通るように案内される。凝縮された水蒸気が、水抽出器によって抽出され、除湿された空気が、タービンに案内される。タービンからの膨張空気は、別の水収集器を通って液体ループの液体対空気熱交換器に流入する。それにより、航空電子機器を冷却するために使用される液体ループ中の比較的温かい液体が冷却される。空気は、液体対空気熱交換器から、再熱式熱交換器を通過する。次いで、除湿空気は、ＡＣＭの第２のタービンへと渡され、そこで空気が再度膨張され、別の液体対空気熱交換器を通り、液体ループからさらに熱を吸収する。

ＡＣＭは、ＥＣＳの一体部分である。従来のＡＣＭは、静的構造によって囲まれた回転アセンブリを含む。一般に、従来のＡＣＭは、２つのタービンと、圧縮器と、ファンとを含む。従来のＡＣＭは、単一のシャフト上に、２つのタービンと、圧縮器と、ファンとを位置付ける。ラムシステムの独自の動作および設置要件により、ファンロータが、ＡＣＭの外側寄りの一端部に設けられ、これがＡＣＭの効率を低下させるおそれがある。これは、ＥＣＳシステム全体の効率を低下させるおそれがある。

したがって、抽気を冷媒としてより効率的に利用し、ＡＣＭの効率を高めるＥＣＳシステム用の空気流の順序付けを提供することが望ましい。

本発明によるＥＣＳシステムは、第１のタービンと第２のタービンの間で共通のシャフト上に圧縮器を位置付けるＡＣＭを提供する。タービンがＡＣＭの各端部で外側寄りに位置するように、ＲＡＦ（ラム空気ファン）がＡＣＭから離れて位置する。このように外側寄りに配置することにより、各タービンが直線状の軸方向出口ディフューザを使用する状態で、最高の効率が可能になる。圧縮器がタービン間に位置するので、タービンからのバイパス回路は、あまり遠回りせず、より効率的である。ＡＣＭハウジング部分内に形成される一体型バルブポートが、重量軽減設計をもたらし、バイパスの効率を高め、設置を簡単にする。

したがって、本発明は、抽気を冷媒としてより効率的に利用し、ＡＣＭの効率を高める、ＥＣＳシステムのための空気流の順序付けを提供する。

本発明の様々な特徴および利点は、現在好ましい実施形態の以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。

図１は、液体対空気サイクルシステムつまり環境制御システム（ＥＣＳ）１０の全体の概略図を示す。ＥＣＳ１０は、液体サイクルサブシステム１４ａ、１４ｂと熱交換関係にあるエアサイクルサブシステム１２を含む。例示的な実施形態には２つの別々の液体サブシステムが開示されているが、単一の実質上連続したサブシステムも本発明から利益を得ることを理解されたい。

抽気１１は、好ましくは（１５で概略を示す）ガスタービンエンジンから受ける。抽気１１は、ラム空気つまり周囲空気と熱交換関係になるように１次熱交換器１６を通して送られる。１次熱交換器１６は、空気対空気交換器が好ましい。抽気１１が１次熱交換器１６内で冷却された後、得られた、より低温の空気は、通路１８を通り、その通路１８は圧縮器２０と連通し、そこで空気が高圧に圧縮される。圧縮器２０は、好ましくは第１のタービン２２および第２のタービン２４と共に共通のシャフト上に位置する。圧縮器２０およびタービン２２、２４が、エアサイクルマシン（ＡＣＭ）２６を構成する。

圧縮空気は、圧縮器２０を出て、２次熱交換器３０と連通する通路２８を通る。２次熱交換器３０は、好ましくは空気対空気交換器であり、ラム空気流との熱交換によって圧縮空気をさらに冷却する。圧縮され、冷却されかつ水蒸気を含む空気が、２次熱交換器３０を出て、再熱器３４と連通するダクト３２を流通する。

再熱器３４は、水蒸気を含む空気をさらに冷却し、その空気は再熱器３４を出て通路３６を通る。通路３６は、凝縮器３８と連通しており、凝縮器３８は、水を凝縮させ水抽出器４０内に分離することによって、その水蒸気を含む空気をさらに冷却する。水蒸気を含む空気が、再熱器３４から凝縮器３８に直接送られるので、水蒸気からの水は、比較的容易に凝縮する。

除湿された空気は、抽出器４０を出て、通路４２を通って第１の空気対液体熱交換器４４と連通する。この第１の空気対液体熱交換器４４は、エアサイクルサブシステム１２および液体サイクルサブシステム１４ａの一部であり、両者の間に熱交換関係を形成する。さらに、その空気内に残っている可能性がある水分は、第１の空気対液体熱交換器４４を通過することによって空気の温度が上昇するのに伴って除去される。

液体サイクルサブシステム１４ａは、好ましくは閉鎖系であり、ポンプ４６などによって循環されるポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）（ｐｏｌｙａｌｐｈａｏｌｅｐｈｉｎ）などの冷却液を使用する。冷却液は、熱負荷４８のための冷媒として、また通路４２を通る除湿空気のための熱源として働く。熱負荷４８は、一般に、やや多量の熱、典型的には約１６０°Ｆ（７１．１１℃）の熱を発生する航空電子機器サブシステムである。液体サイクルサブシステム１４ａ内の冷却液と通路４２を通して連通される空気との間の熱交換プロセスは、液体を冷却し、負荷４８から熱を除去し、第１の空気対液体熱交換器４４を脱出する空気を加熱する。

除湿され加熱された空気は、第１の空気対液体熱交換器４４を出て、第１のタービン２２と連通する通路５０を通る。この空気は、第１のタービン２２の入口圧力と第２のタービン２４の出口圧力との間で、ＡＣＭ２６の第１のタービンを通して膨張される。第１のタービン２２はまた、空気が膨張ししたがって冷却される結果、空気中に依然として存在している可能性がある水蒸気があればそれを凝縮する手助けをする。

第１の空気対液体熱交換器４４から回収された熱は、第１のタービン２２によって使用され、例えば、その回転速度を上昇させ、その圧力比を増大させ、その出力を増大させ、再熱された空気の膨張を増大させる。さらに、第１のタービン２２は、圧縮器２０および第２のタービン２４と機械的に係合している。したがって、第１のタービン２２によって吸収された熱またはエネルギーは、さらに、圧縮器２０によって有用なエネルギーに変換される。

第１のタービン２２からの吐出圧力は、凝固点のすぐ上の吐出温度（中間圧力）に維持され、その結果、通路５２を通る第１のタービン２２の出口の空気は、凝縮器３８および再熱器３４のためのヒートシンクとして働く。この加熱空気は、再熱器３４を出て、第２のタービン２４と連通する通路５４を通る。凝縮器３８および再熱器３４から回収された熱は、第２のタービン２４によって使用され、例えば、その回転速度を上昇させ、その圧力比を増大させ、その出力を増大させ、再熱された空気の膨張を増大させる。したがって、両タービン２２、２４の性能が、普通なら浪費されるエネルギーによって改善される。さらに、タービン冷却が増大するので、有利には、熱交換器の寸法および／または重量を最小にすることが可能になる。

空気は、ＡＣＭ２６の第２のタービン２４を通して膨張される。第２のタービン２４からの吐出圧力は、好ましくは凝固点のすぐ下の吐出温度に維持される。第２のタービン２４の出口の空気は、第２の空気対液体熱交換器５８と連通する通路５６を通る。第２の空気対液体熱交換器５８は、エアサイクルサブシステム１２および液体サイクルサブシステム１４ｂの一部を形成し、両者の間の熱交換関係を形成する。

液体サイクルサブシステム１４ｂは、好ましくは上述のように閉鎖系である。液体サイクルサブシステム１４ｂの冷却液は、ポンプ６０によって循環され、第２の熱負荷６２のための冷媒として働く。第２の熱負荷６２の動作温度は、好ましくは第１の熱負荷４８の動作温度より低く、典型的には約７５°Ｆ（２３．８９℃）であるが、他の下流の熱負荷をも冷却する。熱負荷の動作温度は、代表的なものであり、他の動作温度も本発明に適用可能であることを理解されたい。

液体サイクルサブシステム１４ｂの冷却液と通路５６を通して連通される空気との間の熱交換プロセスは、液体を冷却し、負荷６２から熱を除去し、第２の空気対液体熱交換器５８を出る空気を加熱する。比較的温かい空気が、第２の空気対液体熱交換器５８を出て、通路６４を通り、この通路６４は、操縦室６６および／または他の空気負荷６８に冷却空気を供給するように連通する。

第１のタービン２２、第２のタービン２４、操縦室６６、および／または空気負荷６８からの供給を調整することが望ましい場合は、温度制御通路７０、７２が、１次熱交換器１６の前および／または後で抽気１１と直接連通する。好ましくは、制御弁７４は、第１のタービン２２および第２のタービン２４のすぐ下流に、また操縦室６６および／または空気負荷６８のすぐ上流に位置し、温かい空気と混合することを可能にする。こうした制御弁の動作は、（図示しないが、デジタルまたはアナログの）マイクロプロセッサをベースとする電子制御システムによって実施することができる。

１次熱交換器１６および２次熱交換器３０は、好ましくは、それぞれの１次ラム空気ファン（ＲＡＦ）システム７６および２次ラム空気ファン（ＲＡＦ）システム７８を含む。特に、ＲＡＦ７６、７８は、ＲＡＦ７６、７８を跨いだ温度上昇がＥＣＳの性能に影響を及ぼさないように、それぞれの熱交換器１６、３０の下流で（矢印Ｅｐ、Ｅｓによって概略的に図示する）ラム排気内に位置する。各ＲＡＦ７６、７８は、ＡＣＭ２６とは独立の速度で各ＲＡＦ７６、７８が駆動されるように電気モータ８０、８２を含み、それにより、発生する騒音が低減され、動作効率全体が高まる。さらに、各ＲＡＦ７６、７８は、独立のＲＡＦ電気モータ８０、８２によって駆動されるので、ＲＡＦ７６、７８は、好ましくは、ライン交換可能ユニット（ＬＲＵ）（Ｌｉｎｅ Ｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ Ｕｎｉｔ）など自己完結型のシステムとして、ＥＣＳシステム１０内に設置され、それにより、システムの重量を低減しながら保守が簡単になり、信頼性および性能が改善される。

図２を参照すると、ＡＣＭ２６は、回転軸Ｘの周りで回転するように、第１のタービン２２と第２のタービン２４の間で、共通のシャフト８４の上に圧縮器２０を位置付ける。シャフト８４は、流体フォイル軸受け８６ａ、８６ｂ、８６ｔ上で支持され、それらの軸受けは、ＡＣＭハウジング８８による反作用を受ける（ｒｅａｃｔｅｄ）。タービン２２、２４をＡＣＭ２６の各端部上で外側寄りに位置付けることは、ＲＡＦ７６、７８をＡＣＭ２６から取り出し、ＥＣＳシステム１０（図１）の他の場所に位置付けることによって達成される。また、圧縮器２０がタービン２２とタービン２４の間に位置するので、タービン２２、２４と連通するバイパス回路９４、９６は、あまり遠回りせず、より効率的である。

外側寄りに配置されたタービン２２、２４を使用することにより、各タービンが直線状の軸方向出口ディフューザ９０、９２を使用する状態で、最高の効率が可能になる。出願人は、比較的大型の外側寄りに位置する軸方向吐出タービンに関して、最大９０％のフランジ間タービン効率を得ている。本発明で開示されたＡＣＭ２６は、その２倍の利益をもたらし、その結果、性能が良好なものとなり、システム重量全体が低減される。

ＡＣＭハウジングアセンブリ８８は、圧縮器２０およびタービン２２、２４に対して所望のクリアランスを提供するように、複数のハウジング部分から製造される。好ましくは、ＡＣＭハウジングアセンブリ８８は、（図３にも示される）第１タービンハウジング部分９８、圧縮器ハウジング部分１００、第２タービンハウジング部分１０２、第１タービン出口部分１０４、第２タービン出口部分１０６を含む。

複数の第１タービン部分ファスナ１０８（１つを図示する）は、第１タービンハウジング部分９８を圧縮器のハウジング１００に取り付ける。環状の圧縮器シム１０１は、圧縮器２０に対して所望のクリアランスを提供し、ハウジング部分９８、１００における製造上の変動に対処するように、第１タービンハウジング部分９８を圧縮器のハウジング１００に対して位置決めする。第１タービン部分ファスナ１０８は、圧縮器２０と緊密に対合する内部圧縮器ハウジング部分１００ａにねじ込まれる。

流体フォイル軸受け８６ａは、第１タービンハウジング部分９８内でシャフト８４を支持する。流体フォイル軸受け８６ｂは、圧縮器ハウジング部分１００内でシャフト８４を支持する。流体フォイルスラスト軸受け８６ｔは、第１タービンハウジング部分９８と圧縮器ハウジング部分１００との間で半径方向に延びる、シャフトの半径方向のフランジ部分８４ｒの間に位置する。シャフトファスナ１０９は、ねじ付きシャフト端部８４ｅに取り付けられ、それぞれスプライン付きインタフェース８４ｓ１、８４ｓ２を介して、タービン２２、２４をシャフト８４に保持する。圧縮器２０は、スプライン付きインタフェース８４ｓ３を介してシャフト８４に係合し、シャフト止め８５およびロックリング８７に隣接して軸方向に保持される。

環状の第１タービン出口シム１１０および複数の第１タービン出口ファスナ１１２（１つを図示する）は、所望のクリアランスを提供し、ハウジング部分９８、１０４における変動に対処するように、第１タービン出口部分１０４を第１のタービン２２に対して位置決めする。ディフューザの出口９０は、第１タービン出口部分１０４に複数の第１タービンディフューザファスナ１１７で取り付けられる。

複数の第２タービン部分ファスナ１１４（１つを図示する）は、第２タービンハウジング部分１０２を圧縮器のハウジング１００に取り付ける。環状のシム１１６は、所望のクリアランスを提供し、ハウジング部分１０６、１００における変動に対処するように、第２タービン出口部分１０６を第２のタービン２４に対して位置決めする。ファスナ１０８、１１４は、好ましくは圧縮器ハウジング部分１００にねじ込まれる。第２タービンのディフューザの出口９２は、第２タービン出口部分１０６に複数の第２タービン出口ファスナ１１８で取り付けられる。

図３を参照すると、下限バイパスバルブポート１２０が、第１タービン入口１２２と直接連通している。補助グラウンドユニット（ＡＧＵ）（ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｇｒｏｕｎｄ ｕｎｉｔ）のバイパスバルブポート１２４が、圧縮器入口１２６と直接連通している。一体型のバルブポートを、単純化されたバイパス回路を用いてＡＣＭ２６に組み合わせることによって、軽量、高効率の設計が得られる。

第１タービン入口１２２、第２タービン入口１３０、圧縮器入口１２６は、少なくとも一部がＡＣＭ軸Ｘの周りに巻かれている。すなわち、第１タービン入口１２２、第２タービン入口１３０、圧縮器入口１２６は、接線方向の経路でもって（図２にも図示された）それぞれの第１のタービン２２、第２のタービン２４、圧縮器２０に向かって、空気流を滑らかに導くように、それぞれのハウジング部分内に形成される。圧縮器出口１３４もまた、圧縮器２０からの空気流を接線方向で滑らかに導くように、圧縮器ハウジング部分の周りに少なくとも一部が巻き付いている。圧縮器入口１２６および圧縮器出口１３４は、コンパクトなＡＣＭパッケージ構成を提供するように、好ましくは共通の方向に導かれている。一体型バルブポートをＡＣＭ２６のハウジング部分に加えることもまた、バイパスの効率を高め、設置を簡単にするので重量軽減設計をもたらす。

「ｆｏｒｗａｒｄ（前）」、「ａｆｔ（後）」、「ｕｐｐｅｒ（上側）」、「ｌｏｗｅｒ（下側）」、「ａｂｏｖｅ（上方）」、「ｂｅｌｏｗ（下方）」など相対的な位置用語は、乗物の通常の運転姿勢を参照するものであり、他の形で限定するものと考えるべきではないことを理解されたい。

前述の説明は、その範囲内へ限定することによって規定されるのではなく、例示的なものである。上記の教示に照らして、本発明の多くの改変形態および変形形態が可能である。本発明の好ましい実施形態を開示してきたが、いくつかの改変形態が本発明の範囲内に含まれることが当業者には理解されよう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内で、具体的に説明したのとは異なる方法で実施できることを理解されたい。こうした理由で、本発明の真の範囲および内容を判定するために特許請求の範囲を検討すべきである。

本発明による環境制御システムの概略図である。 ＡＣＭの断面図である。 ＡＣＭの斜視図である。

Claims (20)

1. エアサイクルマシンのハウジングアセンブリと、
   回転軸の周りで回転するように取り付けられたシャフトと、
   上記シャフトを回転可能に支持する流体フォイル軸受けと、
   上記シャフトに取り付けられ、上記回転軸に沿った第１タービン出口と連通する第１のタービンと、
   上記シャフトに取り付けられ、上記回転軸に沿った第２タービン出口と連通する第２のタービンであって、上記第２タービン出口が上記第１のタービンの軸方向反対側にある第２のタービンと、
   上記第１のタービンと上記第２のタービンの間で上記シャフトに取り付けられた圧縮器であって、上記第１タービン出口と上記第２タービン出口の間に位置する圧縮器入口および圧縮器出口と連通する圧縮器と、
   を備え、
   上記圧縮器は、上記第１のタービンおよび上記第２のタービンの上流に位置することを特徴とする環境制御システム。
2. 上記ハウジングアセンブリが、圧縮器ハウジング部分に取り付けられた第１タービンハウジング部分および第２タービンハウジング部分を含む請求項１に記載の環境制御システム。
3. 上記第１タービン出口が、上記第１タービンハウジング部分に取り付けられ、上記第２タービン出口が、上記第２タービンハウジング部分に取り付けられる請求項２に記載の環境制御システム。
4. 上記圧縮器に対して所望のクリアランスを提供するように、上記第１タービンハウジング部分と上記圧縮器ハウジング部分の間に環状の圧縮器シムをさらに備える請求項３に記載の環境制御システム。
5. 上記第１のタービンに対して所望のクリアランスを提供するように、上記第１タービンハウジング部分と第１タービン出口の間に環状の第１タービン出口シムをさらに備える請求項３に記載の環境制御システム。
6. 上記第２のタービンに対して所望のクリアランスを提供するように、上記第２タービンハウジング部分と第２タービン出口の間に環状の第２タービン出口シムをさらに備える請求項３に記載の環境制御システム。
7. 第１タービン入口と連通する下限バルブポートをさらに備える請求項１に記載の環境制御システム。
8. 圧縮器入口と連通する補助グラウンドユニットバイパスポートをさらに備える請求項１に記載の環境制御システム。
9. 上記シャフトが、第１タービンハウジング部分と圧縮器ハウジング部分の間で延びる径方向のフランジを含む請求項１に記載の環境制御システム。
10. 上記径方向のフランジに隣接して流体フォイルスラスト軸受けをさらに備える請求項９に記載の環境制御システム。
11. 少なくとも一部が上記ハウジングアセンブリの周りに巻かれた、第１タービン入口、第２タービン入口、圧縮器入口をさらに備える請求項１に記載の環境制御システム。
12. 上記圧縮器と連通する圧縮器入口および圧縮器出口をさらに含み、上記圧縮器入口および上記圧縮器出口が共通の半径方向に導かれている請求項１に記載の環境制御システム。
13. 第１のタービンと、第２のタービンと、上記第１のタービンと上記第２のタービンの間に取り付けられた圧縮器と、を有するエアサイクルマシンと、
    上記エアサイクルマシンと連通し、上記エアサイクルマシンから離れて位置するラム空気ファンシステムと、
    を備え、
    上記圧縮器は、上記第１のタービンおよび上記第２のタービンの上流に位置し、この圧縮器と上記ラム空気ファンシステムが連通していることを特徴とする環境制御システム。
14. 上記第１のタービンが、回転軸に沿った第１タービン出口と連通し、上記第２のタービンが、上記回転軸に沿った第２タービン出口と連通し、上記第２タービン出口が上記第１のタービンの軸方向反対側にある請求項１３に記載の環境制御システム。
15. 上記圧縮器が、上記第１タービン出口と上記第２タービン出口の間に位置する圧縮器入口および圧縮器出口と連通する請求項１４に記載の環境制御システム。
16. 上記ラム空気ファンシステムは、上記エアサイクルマシンから独立するとともに、圧縮器と連通するラム空気ファンシステムを駆動する電気モータを備えることを特徴とする請求項１４に記載の環境制御システム。
17. 上記ラム空気ファンシステムは、１次ラム空気ファン（ＲＡＦ）システムおよび２次ラム空気ファン（ＲＡＦ）システムを含むことを特徴とする請求項１４に記載の環境制御システム。
18. １次ラム空気ファン（ＲＡＦ）システムおよび２次ラム空気ファン（ＲＡＦ）システムは、１次熱交換器および２次熱交換器の下流にそれぞれ位置することを特徴とする請求項１７に記載の環境制御システム。
19. 上記圧縮器は、上記シャフトから離れて位置するとともに上記シャフトと独立して駆動するラム空気ファンシステムと連通することを特徴とする請求項１に記載の環境制御システム。
20. ハウジングアセンブリと、
    回転軸の周りで回転するように取り付けられたシャフトと、
    上記シャフトを回転可能に支持する流体フォイル軸受けと、
    上記シャフトに取り付けられ、上記回転軸に沿った第１タービン出口と連通する第１のタービンと、
    上記シャフトに取り付けられ、上記回転軸に沿った第２タービン出口と連通する第２のタービンであって、上記第２タービン出口が上記第１のタービンの軸方向反対側にある第２のタービンと、
    上記第１のタービンと上記第２のタービンの間で上記シャフトに取り付けられた圧縮器であって、上記第１タービン出口と上記第２タービン出口の間に位置する圧縮器入口および圧縮器出口と連通する圧縮器と、
    圧縮器入口と連通する補助グラウンドユニットバイパスポートと、
    を備えるエアサイクルマシン。

Images