JP4625053B2 - ディフューザ、エアサイクル装置および環境制御システム - Google Patents

Description

本発明は環境制御システム（ＥＣＳ）に関し、さらに詳しくは、エアサイクル装置（ＡＣＭ）と熱交換器のインタフェースに関するものである。

なお、本発明は、米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）によって授与された契約番号ＮＡＳ２０９３１４６のもと米国政府の補助によりなされた。米国政府は本発明の一定の権利を有する。

ＥＣＳは、航空機のキャビンやコックピットなどのエンクロージャに空調を施した空気を供給する。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採用している。この液体ループは、一般に、航空電子パッケージなどの他の熱負荷を冷却する。空気と液体のサブシステム間における相互作用はかなり複雑な場合がある。

ＡＣＭは、タービンからの空気流を液体対空気熱交換器にディフューザを介して連通させる。この拡散器は、円形のタービン出口から長方形断面の熱交換器入口に徐々に形状を変化させ、回復することのできない圧力損失を最小化し、効果的に空気流を分配する。このような構成は効果的ではあるものの、かなり大きなパッケージスペースを必要とする場合がある。

従って、内部のパッケージスペースを減少したＡＣＭとディフューザ・熱交換器インタフェースを提供することが望まれている。

本発明によるＥＣＳシステムは、熱交換器の近傍にディフューザプレートを含むディフューザを介して取付けられたＡＣＭを提供する。ディフューザプレートはＡＣＭから空気流を受け、この流れはディフューザプレートに衝突してディフューザプレートの半径方向外側と周辺に向けて流れ、熱交換器に流れ込む。ディフューザプレートの外周縁部は、最小の圧力損失で、従来のＡＣＭの構成に比べパッケージスペースが大幅に小さい空気対液体熱交換器に、空気流を適宜分配するように形成されている。

従って、本発明は内部のパッケージスペースを減少したＡＣＭ、ディフューザ・熱交換器インタフェースを提供する。

図１は液体対空気サイクルシステム、すなわち環境制御システム（ＥＣＳ）１０の概略図である。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空気サイクルサブシステム１２を含む。本実施形態では二つのサブシステムを含む場合を説明するが、一つの実質的に連続なサブシステムに対しても本発明は有利に作用することに留意されたい。

抽気１１は、ガスタービンエンジン（概略的に１５で示す）から受け入れられることが好ましい。抽気１１は、ラムエアまたは外気と熱交換関係となるように、第一熱交換器１６を介して送られる。第一熱交換器１６は空気対空気交換器であることが好ましい。第一熱交換器１６内で抽気１１が冷却されると、この冷却された空気は通路１８を通って、これに連通する圧縮機２０において高圧に圧縮される。圧縮機２０は第一タービン２２および第二タービン２４と同軸上にあることが好ましい。圧縮機２０と、タービン２２，２４によってエアサイクル装置（ＡＣＭ）２６が画定される。

圧縮された空気は圧縮機２０を出て、第二熱交換器３０と連通する通路２８に送られる。第二熱交換器３０は空気対空気熱交換器であることが好ましく、ラムエア流との熱交換で圧縮空気をさらに冷却する。第二熱交換器３０から排出される圧縮および冷却されて水蒸気を含む空気は、再加熱器３４と連通するダクト３２に送られる。

再加熱器３４は水蒸気を含む空気をさらに冷却し、この空気は再加熱器３４から通路３６に排出される。通路３６は凝縮器３８と連通しており、ここで水蒸気を含む空気は凝縮され、水分が水分抽出器４０に分離する。水蒸気を含む空気は再加熱器３４から凝縮器３８に直接送られるため、水分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を通り、第一の空気対液体熱交換器４４に送られる。第一の空気対液体熱交換器４４は、空気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の一部分で、この間に熱交換関係を形成する。さらに、空気中に残存する可能性のある水蒸気は、第一の空気対液体熱交換器４４を通過する際に空気の温度が上昇するにつれて取り除かれる。

液体サイクルサブシステム１４ａは閉じたシステムであることが好ましく、ポンプ４６等によって循環するポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）のような液体冷媒を利用したものであることが好ましい。液体冷媒は熱負荷４８に対する冷媒として機能し、また通路４２を通過する除湿された空気の熱源として機能する。一般に、熱負荷４８は、典型的には華氏１６０度（約７１℃）程度のかなり大きな発熱を伴う航空電子サブシステムである。液体サイクルサブシステム１４ａ中の液体冷媒と通路４２を通過する空気との間の熱交換プロセスは、液体を冷し、熱負荷４８を取り除き、第一の空気対液体熱交換器４４から出る空気を加熱する。

除湿加熱された空気は第一の空気対液体熱交換器４４から出て、第一タービン２２と連通する通路５０に送られる。この空気はＡＣＭ２６の第一タービンにより、第一タービン２２の入口圧力と第二タービン２４の出口圧力との間の圧力で膨張する。第一タービン２２は、空気の膨張と冷却の結果として空気内に残存する可能性のある、水分を凝縮する役割も担っている。

第一の空気対液体熱交換器４４から回収された熱は、第一タービン２２において、例えば回転数の増大や、圧縮率の上昇、動力増強および再加熱空気の膨張促進などの目的に利用される。さらに、第一タービン２２は圧縮機２０および第二タービン２４と機械的に係合している。従って、第一タービン２２に吸収された熱またはエネルギは圧縮機２０によって有用なエネルギに変換される。

第一タービン２２の排気圧は排気空気の温度が氷点よりやや高い温度になるよう（中間圧力）に維持され、通路５２を通過する第一タービン２２からの排気が、凝縮器３８および再加熱器３４のヒートシンクとして作用するようになっている。再加熱器３４からの加熱された空気は第二タービン２４と連通する通路５４に送られる。凝縮器３８および再加熱器３４から回収された熱は、第二タービン２４において、例えば回転数の増大や、圧縮率の上昇、動力増強および再加熱空気の膨張促進などの目的に利用される。このように両タービン２２，２４の性能は、廃熱を利用することによって改善される。さらに、タービンの冷却を強化することは、熱交換器の大きさや重量を最小化する上で有利である。

ＡＣＭ２６の第二タービン２４により空気が膨張される。第二タービン２４からの排出圧は、温度が氷点よりやや低くなるように維持されることが好ましい。第二タービン２４から排出される空気は、第二の空気対液体熱交換器５８と連通する通路５６に送られる。第二の空気対液体熱交換器５８は、空気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の一部分で、この間に熱交換関係を形成する。

液体サイクルサブシステム１４ｂは前述したような閉じたシステムであることが好ましい。液体サイクルサブシステム１４ｂの液体冷媒はポンプ６０により循環され、第二の熱負荷６２の冷媒として機能する。第二の熱負荷６２の動作温度は第一の熱負荷４８よりも低いことが好ましく、一般的には華氏７５度（２４℃）前後であるが、他の下流の熱負荷もまた冷却する。上述した熱負荷の動作温度は典型例であり、他の動作温度の熱負荷についても本発明は有効であることに留意されたい。

液体サイクルサブシステム１４ｂ中の液体冷媒と通路５６と連通する空気との間の熱交換プロセスは、液体を冷却し、熱負荷６２を取り除き、第二の空気対液体熱交換器５８から出る空気を加熱する。この比較的暖かい空気は、第二の空気対液体熱交換器５８を出て、コックピット６６や冷却空気を必要とする他の熱負荷６８と連通する通路６４に送られる。

第一タービン２２、第二タービン２４、コックピット６６や熱負荷６８からの供給を調整する場合には、第一熱交換器１６の前または後の抽気１１に温度調整用通路７０，７２を連通させる。制御弁７４は第一タービン２２および第二タービン２４の下流側で、コックピット６６や熱負荷６８のすぐ上流側に配置し、ここで温まった空気との混合が行われるようにすることが望ましい。このような制御弁の操作は、マイクロプロセッサを有する電子制御システムを用いて行うことができる。

第一熱交換器１６および第二熱交換器３０はそれぞれ第一ラムエアファン（ＲＡＦ）システム７６と、第二ラムエアファン（ＲＡＦ）システム７８と、を含むことが望ましい。とりわけ、ＲＡＦ７６，７８はそれぞれの熱交換器１６，３０のラム排気（図中の矢印Ｅｐ，Ｅｓで示す）の下流側に位置し、ＲＡＦ７６，７８での温度上昇がＥＣＳの性能に影響を与えないようにする。各ＲＡＦ７６，７８は、それぞれ電気モータ８０，８２を含み、ＡＣＭ２６とは独立した速度で駆動されるようになっており、騒音を低減し、性能全般を向上させている。さらに各ＲＡＦ７６，７８は、それぞれ独立したＲＡＦ電気モータ８０，８２によって駆動されるため、ＲＡＦ７６，７８をＥＣＳシステム１０で交換可能なユニット（ＬＲＵ）などの自立式システムとして設置し、保全作業の簡素化、信頼性および性能の向上を図りつつシステム重量の低減を図ることが好ましい。

図２において、ＡＣＭ２６はディフューザ９０を介して空気対液体熱交換器５８の近傍に取付けられている。ただし、本発明は、様々な熱交換器において様々な取付構成をとることに留意されたい。

図３において、ディフューザ９０はディフューザプレート９２を含む。ディフューザプレート９２は、熱交換器５８の上流にあるディフューザ９０（図２）の内壁９４から離して設置することが好ましい。ディフューザプレート９２はＡＣＭからの空気流を受ける。空気流はディフューザプレート９２に当たった後、ディフューザプレート９２の半径方向外側と周辺に向けて流れ、熱交換器５８に流れ込む（図４）。

ディフューザプレート９２はＡＣＭ出口の中心線Ｃに沿って画定される中央突起部９６を含んでいる。ディフューザプレートの外周縁部９８（図３に明示）は、圧力損失を最小にすると共に、空気対液体熱交換器５８に適切な空気流を分配するような形状であることが好ましい。正方形の断面を有する熱交換器に対して、ディフューザプレートの外周形状は概ね円形（図５Ａ）が好ましいが、長方形の断面を有する熱交換器に対しては、楕円形の外周形状９２´（図５Ｂ）が好ましいなど、熱交換器の断面形状に応じて異なる外周形状のディフューザプレートを用いることが好ましい。熱交換器の断面形状に応じた他のディフューザプレート形状も、本発明に用いることができることに留意されたい。

図６に示すように、本発明におけるディフューザの構成を用いたＡＣＭは、従来の構成のＡＣＭ構成（図７）に比べ、パッケージスペースが大幅に小さい。

相対的な位置を意味する「前」、「前方」、「上方」、「下方」、「上」、「下」等の用語は、通常の航空機の運転における表現であり、限定を意図するものでは無いことに留意されたい。

これまでの記述は例示であり、限定を意図するものではない。上述の開示を参照し、本発明に様々な改良や変形を行うことが可能である。以上、本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者であれば、ある種の改良が本発明の範囲にあることを認識するであろう。従って、添付の請求の範囲の範囲内であれば、具体的に記述された以外の方法で本発明を実施することもできるものと理解される。本発明の真の範囲と内容は、以下の請求範囲を検討することによって決められる。

本発明の環境制御システムを示す概略図である。 ＡＣＭの半径方向ディフューザの構成を示す斜視図である。 ＡＣＭの半径方向ディフューザの構成を示す断面斜視図である。 ＡＣＭの半径方向ディフューザ内の空気流を示す断面斜視図である。 熱交換器形状に対してＡＣＭの半径方向ディフューザプレートの形状を示した概略図である。 熱交換器形状に対してＡＣＭの半径方向ディフューザプレートの形状を示した概略図である。 本発明のディフューザを従来のディフューザ（図７）と比較した側面図である。 従来のディフューザを示す側面図である。

Claims (6)

1. 回転軸を画定するシャフトに取付けられた圧縮機と、
   前記シャフトに取付けられたタービンと、
   前記タービンからの前記回転軸に沿った出口と、
   前記出口に取付けられたディフューザと、
   前記ディフューザに取付けられた熱交換器と、
   を備え、
   前記ディフューザは、ディフューザプレートを備え、該ディフューザプレートは、円形の外周縁部と、この外周縁部および前記熱交換器に向けて空気流を分配する前記回転軸に沿った突起部と、を有することを特徴とするエアサイクル装置。
2. 前記突起部が前記回転軸に沿って画定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記熱交換器の断面形状が正方形であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 軸に沿って画定された出口を有するエアサイクル装置と、
   前記エアサイクル装置の近傍に取付けられたディフューザと、
   前記ディフューザに取付けられた熱交換器と、
   を備え、
   前記ディフューザは、ディフューザプレートを備え、該ディフューザプレートは、円形の外周縁部と、この外周縁部および前記熱交換器に向けて空気流を分配する前記軸に沿った突起部と、を有することを特徴とする環境制御システム。
5. 前記ディフューザプレートが前記ディフューザに取付けられていることを特徴とする請求項４に記載の環境制御システム。
6. 前記突起部が前記エアサイクル装置に向かって突出していることを特徴とする請求項４に記載の環境制御システム。

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