JP5156706B2 - 環境調和システムおよび環境調和方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機などの乗物用の環境調和システムに関する。

飛行中、航空機は、調和空気をタービンエンジンの圧縮機から得ている。抽気は、圧縮機から高温で出力され、熱交換器を通流して低温になる。この空気は、最終的に客室に供給される。このような圧縮機からの空気の調和プロセスは、エアサイクルとして周知である。

しかし、この空気調和方法は、空気を調和するために要する以上のエネルギーが使用されるため効率的ではない。これは、圧縮機によってもたらされる圧力が、大部分の運転点において適切な調和に要求される圧力を超えるためである。このように不必要な圧力を生じさせることは、出力の非効率的な使用につながる。環境調和システムを非効率的に使用することにより、必要以上の燃料が航空機によって消費されるため望ましくない。

したがって、航空機に使用されるより効率的な環境調和システムが必要とされている。

環境調和システムは、空気流路内の空気を圧縮する圧縮機を有する。圧縮機はタービンに連結されており、タービンによって駆動される。圧縮機は、空気流路を介して蒸発器と連通している。蒸発器は、圧縮機からの空気を冷却するように構成されている。

当業者であれば、以下に記載する、発明を実施するための形態から本発明の種々の特徴および利点を理解されるであろう。発明を実施するための形態に伴う図面について以下に簡単に説明する。

圧縮機、タービンおよび蒸発器を含む本発明の環境調和システムの概略図。 図１のシステムに付加的な蒸発器を加えた環境調和システムの概略図。

図１を参照すると、航空機などの乗り物用の環境調和システム１０が概略的に示されている。図示するように、空気は、空気供給源５８から空気流路１８を通って、客室５４に使用するために調和される。空気流路１８には、圧縮機１１、熱交換器３０、再熱器３８、蒸発器２６、水分除去器３４およびタービン２２が接続されている。圧縮機１１は、シャフト１２によってタービン２２に接続されている。圧縮機１１は、タービン２２により駆動され、モータ４２から動力を受ける。

外部空気供給源や他の圧縮機（図示せず）からの抽気など空気供給源５８からの空気は、圧縮機１１へと供給される。圧縮機１１は空気を圧縮し、したがって、空気流路１８内の空気を加熱して、この空気を熱交換器３０へと送る。熱交換器３０は、ヒートシンクへと廃熱して、圧縮機１１からの空気の温度を低下させる。熱交換器３０は、１つまたは複数の熱交換器から構成されてもよい。ヒートシンクは、周囲空気によって冷却されてもよい。次いで、空気は、熱交換器３０から再熱器３８に送られ、その後、第１の蒸発器２６へと送られる。第１の蒸発器２６からの空気は、再熱器３８のヒートシンクとして作用し、これにより、蒸発器２６に要求される伝熱が低下する。

第１の蒸発器２６において、空気流路１８内の空気の温度は、効果的に著しく低下する。第１の蒸発器２６は、冷媒を伴うベーパサイクル型の蒸発器（ｖａｐｏｒ ｃｙｃｌｅ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）である。冷媒圧縮機および凝縮器（図示せず）により、第１の蒸発器２６に冷媒ガスが供給され、周知のように第１の蒸発器２６が冷却される。第１の蒸発器２６は、空気流路１８内の空気を冷却し、その結果、空気内の蒸気が凝縮される。この蒸気は、次いで、水分除去器３４によって除去される。その後、空気は、再熱器３８を通って再加熱される。次いで、タービン２２は、空気流路１８に通して空気を客室５４へと流すとともに、空気を膨張させて、さらに空気の温度および圧力を低下させる。

タービン２２は、タービンエンジンの圧縮機（図示せず）の抽気から動力を受ける。モータ４２は、シャフト１２に接続されており、タービンエンジンからの抽気の圧力が十分でない場合に圧縮機１１およびタービン２２に付加的な動力を供給する。モータ４２は、制御ユニット４６によって制御される。制御ユニット４６は、シャフト１２の回転速度を制御するように機能し、したがって、圧縮機１１およびタービン２２の回転速度を制御する。このように、客室５４に供給される空気量が制御される。

モータ４２、したがって、圧縮機１１およびタービン２２の速度が増すと、客室５４への空気流が増加し、モータの速度が減少すると、客室５４への空気流が減少する。圧縮機１１およびタービン２２に対する利用可能な余剰な出力がある場合には、この付加的な出力を熱交換器３０のラム空気ヒートシンクを駆動させるために使用してもよい。

この設計の結果、多くのエネルギーを消費することなく第１の蒸発器２６によって多くの熱が除去されるため、客室５４への空気を調和するのに要する出力が最適化される。熱交換器とともに蒸発器を用いることにより、エアサイクルによる調和とベーパサイクルによる調和との間に効率的なバランスが実現する。さらに、再熱器３８および第１の蒸発器２６は、所望の供給温度および相対的な湿度で調和空気を供給するように設計される。

また、空気供給源の圧力が冷却に最も効果的な場合、空気供給源の圧力を用いてもよく、そうでない場合には、モータ４２からの出力を介して空気供給源の圧力を増加させてもよい。このように、圧縮機１１からの空気を、最大冷却条件を満たすように非設計条件（ｏｆｆ−ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）で過度に加圧する必要がない。モータ４２からシャフト１２への出力によって環境調和システム１０を通流する空気の量を制御することができる。

図２を参照すると、環境調和システム１０に加えられた付加的な蒸発器、つまり第２の蒸発器５０が図示されている。第２の蒸発器５０は、冷媒を伴うベーパサイクル型の蒸発器である。図示されているように、第２の蒸発器５０は、客室５４から空気を得ている。第２の蒸発器５０は、別のベーパサイクル蒸発プロセスを介して客室５４からの空気の過度の熱を除去する。このように、客室５４から再循環された空気は、調和され、空気供給源５８からの新鮮な空気と混合され、これにより、新鮮な空気と再循環空気が効果的に組み合わされる。ある割合の新鮮な空気が再循環空気とともに供給されるため、環境調和システム１０が多くのエネルギーを消費することなく、客室５４内に良質な空気が保たれる。

第２の蒸発器５０に存在する冷媒は、所望のレベルの加熱度に制御される。冷媒は、冷媒流路８６を通って第１の蒸発器２６に供給され、次いで、冷媒圧縮機７０に供給される。この冷媒圧縮機７０は、環境調和システム１０のベーパサイクルの一部である。冷媒圧縮機７０は、第１の蒸発器２６および第２の蒸発器５０のために冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、次いで、冷媒凝縮器７２、または補助冷却器（ｓｕｂｃｏｏｌｅｒ）に送られ、冷媒凝縮器７２は、第１の蒸発器２６および第２の蒸発器５０の一方に冷媒を戻す。第１のバルブ７８および第２のバルブ８２が配設されており、第１および第２のバルブは、バルブ制御ユニット９０により制御される。バルブ制御ユニット９０は、どの程度の割合で冷媒凝縮器７２を第１の蒸発器２６および第２の蒸発器５０に戻すかを決定する。このようにして、第１の蒸発器２６と第２の蒸発器５０との間の冷却要求がつり合う。第１の蒸発器２６および第２の蒸発器５０が冷媒流路８６に沿って直列に整列しているため、要求される全冷媒流が最小となる。また、第１の蒸発器２６は、通常、より高温の空気に曝されるため、所望であればシステムに実質的な加熱度を加えるように用いてもよい。加熱度は、ベーパサイクル冷媒圧縮機７０の排出温度を上昇させるように利用することができ、より効率的な運転を実現する。

上記の記載は、例示的なものであり、限定的なものではない。したがって、当業者であれば、本発明の趣旨から逸脱することなく、開示された実施例に対して種々の修正および変更がなされることを理解されるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによって決定することができる。

１０ 環境調和システム
１１ 圧縮機
１２ シャフト
１８ 空気流路
２２ タービン
２６ 第１の蒸発器
３０ 熱交換器
３４ 水分除去器
３８ 再熱器
４２ モータ
４６ 制御ユニット
５０ 第２の蒸発器
５４ 客室
５８ 空気供給源
７０ 冷媒圧縮機
７２ 冷媒凝縮器
７８ 第１のバルブ
８２ 第２のバルブ
８６ 冷媒流路
９０ バルブ制御ユニット

Claims (16)

1. 空気流路内の空気を圧縮する圧縮機と、
   圧縮機に接続され、圧縮機を駆動し、客室に空気を供給するタービンと、
   圧縮機から空気を受け、該空気を冷却するように構成され、かつ第１のバルブを有する第１の蒸発器と、
   圧縮機と第１の蒸発器との間で空気流路に配置され、圧縮機からの空気を冷却するように構成される熱交換器と、
   第１の蒸発器と冷媒流路に沿って直列に整列し、客室から空気を受け、該の空気を冷却するように構成され、かつ第２のバルブを有する第２の蒸発器と、
   第１の蒸発器により冷却される圧縮機からの空気と第２の蒸発器により冷却される客室からの空気とからなり、客室へと再循環させる空気流を制御するため、前記冷媒流路を通って第１および第２の蒸発器の各々へと流れる冷媒流をつり合わせる制御装置と、
   を備え、
   制御装置は、第１および第２の蒸発器の第１および第２のバルブを制御することによって前記冷媒流をつり合わせることを特徴とする環境調和システム。
2. 空気流路から水を除去する水分除去器を備えることを特徴とする請求項１に記載の環境調和システム。
3. 水分除去器が、第１の蒸発器の下流に配設されることを特徴とする請求項２に記載の環境調和システム。
4. 第１の蒸発器からの空気を再加熱する再熱器を備えることを特徴とする請求項１に記載の環境調和システム。
5. 第１の蒸発器からの空気は、再熱器のヒートシンクとして作用することを特徴とする請求項４に記載の環境調和システム。
6. タービンが、第１の蒸発器の下流で空気流路に配設されることを特徴とする請求項１に記載の環境調和システム。
7. 圧縮機およびタービンに接続されるモータを備えることを特徴とする請求項１に記載の環境調和システム。
8. モータを制御する制御ユニットを備え、該制御ユニットは、モータの速度を制御するように構成されることを特徴とする請求項７に記載の環境調和システム。
9. 圧縮機は、客室の外部に位置する空気供給源から空気を受けるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の環境調和システム。
10. 空気流路の空気を圧縮する圧縮機と、
    圧縮機に接続され、圧縮機を駆動するタービンと、
    圧縮機から空気を受け、該空気を冷却するように構成され、かつ第１のバルブを有する第１の蒸発器と、
    第１の蒸発器の下流に位置し、空気を加熱する再熱器と、
    圧縮機と第１の蒸発器との間で空気流路に配置され、圧縮機からの空気を冷却するように構成される熱交換器と、
    第１の蒸発器と冷媒流路に沿って直列に整列し、客室から空気を受け、該空気を冷却するように構成さ、かつ第２のバルブを有する第２の蒸発器と、
    第１の蒸発器により冷却される圧縮機からの空気と第２の蒸発器により冷却される客室からの空気とからなり、客室へと再循環させる空気流を制御するため、前記冷媒流路を通って第１および第２の蒸発器の各々へと流れる冷媒流をつり合わせる制御装置と、
    を備え、
    タービンは、第１の蒸発器の下流で空気流路に配設され、
    再熱器は、第１の蒸発器の下流の空気を加熱するために、圧縮機から熱を得るように構成され、
    制御装置は、第１および第２の蒸発器の第１および第２のバルブを制御することによって冷媒流をつり合わせることを特徴とする環境調和システム。
11. 空気流路から水を除去する水分除去器を備えることを特徴とする請求項１０に記載の環境調和システム。
12. 水分除去器は、第１の蒸発器とタービンとの間で空気流路に配設されることを特徴とする請求項１１に記載の環境調和システム。
13. 圧縮機およびタービンに接続されるモータを備えることを特徴とする請求項１０に記載の環境調和システム。
14. モータを制御する制御ユニットを備え、該制御ユニットは、モータの速度を制御するように構成されることを特徴とする請求項１３に記載の環境調和システム。
15. 圧縮機は、客室の外部に位置する空気供給源から空気を受けるように構成されることを特徴とする請求項１０に記載の環境調和システム。
16. 請求項１に記載の環境調和システムにおける環境調和方法であって、
    タービンによって駆動される圧縮機を介して空気を圧縮するステップと、
    熱を除去するように空気を蒸発させるステップと、
    空気を再加熱するステップと、
    再加熱された空気をタービンを通して乗物の客室に放出するステップと、
    を含むことを特徴とする環境調和方法。

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