JP5204772B2 - 航空機空調装置および航空機空調装置を作動するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサと、コンプレッサを駆動するモータとを含む航空機空調装置に関する。さらに本発明は、このような航空機空調装置を作動するための方法に関する。

航空機内で使用するための空調装置は、現在では通常は圧縮空気によって作動され、この場合の圧縮空気は、主駆動装置に接続されたコンプレッサから取り出されるか、またはコンプレッサによって生成される。電気的に作動されるコンプレッサが、航空機空調装置のための圧縮空気を生成するために用いられる場合には、コンプレッサに供給される必要のある電気エネルギは、主駆動装置または補助ガスタービン（補助動力装置、ＡＰＵ）によって駆動される発電機により提供される。

現在では、主駆動装置または補助タービンによって駆動される発電機の代わりに、燃料電池システムを使用して航空機内で必要とされる電気エネルギを生成する試みがなされている。しかしながら、燃料電池システムによって生成された、負荷依存性の直流電圧を、機内ネットワークを介して電気エネルギの供給される多数の異なる電力消費部で利用できるようにするためには、燃料電池システムによって生成された電気エネルギを、変圧器（例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器またはＤＣ／ＤＣ変換器）によって変換し、対応するバスシステム（ＡＣバスシステムまたはＤＣバスシステム）を介して個々の電力消費部に供給する必要がある。さらに、不可欠な変圧器は、燃料電池システムによって供給された電気エネルギに不規則性および干渉をもたらし、これにより、燃料電池システムは、このような不規則性および干渉に対して敏感に反応する構成部分の正しい機能を保証するためにもネットワークフィルタを使用する必要が生じる。しかしながら、燃料電池システムによって生成された電気エネルギが変換されるたびに、システム全般の効率を低下させる損失が生じる。さらに、変換器およびネットワークフィルタを使用することにより、必要設置スペースが増大し、その結果、システム全般の重量も増加する。

本発明の課題は、信頼性および効率良く電気エネルギが供給される航空機空調装置を提案することである。

この課題を解決するために、本発明による空調装置は、コンプレッサと、このコンプレッサを駆動するモータとを含んでいる。さらに本発明による航空機空調装置は、コンプレッサを駆動するモータを制御するための制御ユニットに直接に接続された燃料電池システムを含み、この制御ユニットは、燃料電池システムによって直接に生成された電気エネルギを、コンプレッサを駆動するモータを制御するための対応する電気制御信号に変換するように構成されている。燃料電池システムと、コンプレッサを駆動するモータを制御するための制御ユニットとの間の「直接的な」接続とは、ここでは、独立した変圧器およびネットワークフィルタを介在させていない電気的な接続を意味するものと解釈される。同様に燃料電池システムによって「直接に」生成された電気エネルギとは、独立した変圧器を用いて変換された電気エネルギでもなく、ネットワークフィルタを介してフィルタ処理された電気エネルギでもない電気エネルギと解釈される。

換言すれば、本発明による航空機空調装置の制御ユニットは、燃料電池システムによって生成された、負荷依存性の直流電圧を直接に利用することができ、この直流電圧を、コンプレッサを駆動するモータを制御するための対応する制御信号に変換することができるように設計されている。制御ユニットによって発信された電気的な制御信号は、好ましくは、コンプレッサを駆動するモータ（交流モータまたは直流モータ）の構成に適合されている。したがって、制御ユニットは二重の機能を果たす。すなわち、コンプレッサを駆動するモータを所望のよう制御する機能と、コンプレッサを駆動するモータに電気エネルギが供給されることを保証するための機能とを同時に果たす。

本発明による航空機空調装置では、燃料電池システムによって生成された、負荷依存性の直流電圧を変換するための独立した変圧器、および燃料電池システムによって発電された電気エネルギにおける不規則性および干渉をフィルタ処理するためのネットワークフィルタを使用しないで済ますことができる。したがって、本発明による航空機空調装置の電力消費部は、燃料電池システムを用いることによって、エネルギ効率が良く、環境にやさしい信頼性良い形で電気エネルギを供給することができる。同時に本発明による空調装置は、独立した変圧器およびネットワークフィルタがなくてもよいので構成が比較的単純であり、必要な設置スペースがより小さく、かつ重量がより軽い。さらなる利点は、燃料電池システムは、特にエネルギ効率良く作動することができることである。

航空機内において、本発明による空調装置の一部には数えられない電力消費部に、さらなる燃料電池システムを用いて電気エネルギを供給することができるが、航空機空調装置の電力消費部に電気エネルギを供給する燃料電池システムによって電気エネルギを供給することもできる。燃料電池システムによって供給された電気エネルギにおける不規則性および干渉に対して敏感な構成部分は、独立した変圧器およびネットワークフィルタを介在させて、またはネットワークフィルタが組み込まれた変圧器を介在させて燃料電池システムに接続することもできる。これに対して、本発明による空調装置の外部に設けられた敏感ではない消費装置には、燃料電池システムによって生成された電気エネルギを、直接に、すなわち、変圧器およびネットワークフィルタを介在させることなしに供給することもできる。これに対して代替的には、航空機内において、本発明による空調装置の一部には数えられない電力消費部には、従来のように航空機の主駆動装置または補助ガスタービンによって駆動される発電機によって生成された電気エネルギを供給することもできる。

好ましくは、コンプレッサの入口は、コンプレッサ流入ラインを介して航空機空調装置の空気管路に接続されている。航空機空調装置の空気管路には、例えば、外気が貫流し、これにより、コンプレッサ流入ラインを介して外気を航空機空調装置の空気管路からコンプレッサ入口に供給することができる。しかしながら、外気とキャビン排気との混合物をコンプレッサ入口に供給することも可能である。この場合、キャビン排気は、例えばキャビン排気ラインを介して航空機空調装置の空気管路またはコンプレッサ流入ラインに供給することもできる。

これに対して、コンプレッサの出口は、好ましくは航空機キャビンに空気を供給するための空気供給ラインに接続されている。したがって、コンプレッサ内で圧縮され、その際に加熱された空気は、空気供給ラインを介して航空機キャビン内へ案内される。

空気供給ラインを貫流し、コンプレッサによって圧縮された空気を冷却する役割を果たす熱交換器を空気供給ライン内に配置することもできる。好ましくは、熱交換器は、航空機空調装置において外気が貫流する空気管路内に配置されており、これにより、空気供給ラインを貫流する空気をエネルギ効率良く冷却することができる。さらに空気供給ライン内には、空気供給ラインを貫流する空気を除湿するためのコンデンサが設けられていてもよい。さらに、空気供給ライン内にタービンを配置することも可能であり、タービン内では、コンプレッサによって圧縮され、空気供給ラインを貫流する空気が、膨張され、その際に望ましい低い温度に冷却される。タービンは、好ましくはコンプレッサと共に共通のシャフトに配置されており、これにより、タービンの作動中に回収されたエネルギを、モータの駆動力としてだけでなく、コンプレッサを駆動するためにも利用することができる。

本発明による空調装置の燃料電池システムで使用される燃料電池は、陽極領域と、電解質により陽極領域から分離された陰極領域とを含む。燃料電池の作動中には、燃料電池の陰極側に水素を含む燃料ガスが供給され、燃料電池の陽極側に酸素を含む酸化剤、例えば空気が供給される。高分子電解質膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、水素分子が、例えば次の式、
Ｈ_２→２・Ｈ^＋＋２・ｅ⁻
に基づいて、陰極領域内に存在する陰極触媒に反応し、このときに正電荷された水素イオンを形成して電子を電極に放出する。

これに対して、他のタイプの燃料電池、例えば、酸化物セラミック燃料電池（ＳＯＦＣ，固体酸化物型燃料電池）では、陰極反応は、例えば、
Ｏ^２−＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２・ｅ⁻
である。

ＰＥＭ燃料電池では、陰極領域で生成されたＨ^＋イオンは、次いで電解質を通って陽極に拡散し、ここで、陽極領域に存在し、典型的には炭素担体に塗布される陽極触媒で、陽極に供給された酸素および外部の回路を介して陽極に供給された電子に、式
０．５・Ｏ_２＋２・Ｈ^＋＋２・ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
に基づいて反応し、水を形成する。

これに対して、ＳＯＦＣでは陽極反応は、例えば、
０．５・Ｏ_２＋２・ｅ⁻→Ｏ^２−
であり、Ｏ^２イオンは、陽極から陰極へ拡散する。したがって、燃料電池システムの燃料電池からの排ガスは水を含む。

それ故、燃料電池システムの排ガス出口は、好ましくは本発明による空調装置の空気供給ラインに接続されており、これにより、航空機キャビン内に供給された空気を湿潤させるために、燃料電池排ガス内に含まれる水が利用される。したがって、燃料電池システムによって生成された電気エネルギの他に、燃料電池システムの作動時に生成された水をも、本発明による航空機空調装置を作動するために利用することができる。

本発明による航空機空調装置の有利な実施形態では、コンプレッサの出口が、例えば空気流入ラインを介して燃料電池システムの空気入口に接続されており、これにより、燃料電池システムに、すなわち、燃料電池システム内に設けられた燃料電池の陽極側に、コンプレッサにより圧縮された空気が供給される。燃料電池システムの空気流入ラインは、例えば、コンプレッサの出口に接続された空気供給ラインから分岐していてもよい。したがって、本発明による航空機空調装置のコンプレッサは、航空機空調装置のための圧縮空気を生成するためにだけではなく、燃料電池システムに圧縮空気を供給するためにも利用される。水を含む燃料電池システム排ガスによって、航空機キャビンに供給された空気を湿潤させる場合と同様に、航空機空調装置および燃料電池システムのための圧縮空気を生成するためにコンプレッサを使用することにより、相乗効果が得られる。

燃料電池システムには、航空機空調装置のコンプレッサにより、圧縮された外気を供給することができる。しかしながら、これに対して付加的または代替的に、燃料電池システムにキャビン排気を供給することも可能である。このためには、航空機キャビンの排気ラインが、燃料電池システムの空気入口に接続されていてもよい。燃料電池システムに直接にキャビン排気を供給することができる。この場合、航空機キャビンの排気ラインは、例えば燃料電池システムの空気入口または空気流入ラインに直接に接続されている。しかしながら、航空機空調装置の空気管路またはコンプレッサ流入ラインにキャビン排気を付加的に調量することも可能であり、これにより、燃料電池システムには、コンプレッサにより圧縮された、外気とキャビン排気とからなる混合物が供給される。

好ましくは、本発明による航空機空調装置内に組み込まれた燃料電池システムの冷却システムは、航空機空調装置の空気管路内に配置された熱交換器を含む。例えば、熱交換器は、燃料電池システムの冷却回路内に組み込まれていてもよく、これにより、冷却回路内を貫流する冷却液を、航空機空調装置の空気管路内に配置された熱交換器で所望の低い温度に冷却することができる。しかしながら、これに対して付加的または代替的に、燃料電池システムによって生成された排熱を別の形で本発明による航空機空調装置内に供給し、例えば航空機キャビンに供給される空気を加熱するために利用することも可能である。

コンプレッサと、コンプレッサを駆動するモータとを含む本発明による航空機空調装置を作動するための方法では、燃料電池システムに直接に接続された、コンプレッサを駆動するモータを制御するための制御ユニットが、燃料電池システムによって生成された電気エネルギを、コンプレッサを駆動するモータを制御するための対応する制御信号に変換する。

燃料電池システムと、コンプレッサを駆動するモータを制御するための制御ユニットとの間の「直接的な」接続とは、ここでも、独立した変圧器とネットワークフィルタとを介在させない電気的な接続と解釈される。同様に燃料電池システムによって「直接に」生成された電気エネルギとは、独立した変圧器を使用して変換されておらず、かつネットワークフィルタによってフィルタ処理されてもいない電気エネルギと解釈される。

本発明による、航空機空調装置を作動するための方法を実施するための有利な実施形態では、コンプレッサの入口に、コンプレッサ流入ラインを介して、航空機空調装置の空気管路を貫流する外気が供給される。

好ましくは、空気供給ラインを介してコンプレッサの出口から空気が航空機キャビンに供給され、この場合に、空気供給ラインを貫流した空気を、航空機キャビン内に導入される前に、空気供給ライン内に配置された熱交換器によって冷却することができる。熱交換器は、例えば、航空機空調装置の空気管路内に配置されている。さらに、空気供給ラインを貫流し、コンプレッサにより圧縮された空気を、空気供給ライン内に配置されたコンデンサによって除湿することができる。さらに、空気供給ラインを貫流し、コンプレッサにより圧縮された空気を、タービンを介して案内することも可能であり、これにより、空気は膨張され、その際に冷却される。好ましくは、モータによって提供される駆動エネルギの他に、タービンの作動時に回収されたエネルギがコンプレッサを駆動するために利用される。

航空機キャビンに供給された空気を湿潤させるためには、空気供給ラインに、好ましくは燃料電池システムの排ガス出口から、水を含む燃料電池システムの排ガスが供給される。

本発明による、航空機空調装置を作動するための方法の有利な実施形態では、例えば空気供給ラインから分岐した空気流入ラインを介してコンプレッサ出口に接続された、燃料電池システムの空気入口に、コンプレッサにより圧縮された空気が供給される。

これに対して択一的または付加的に、航空機キャビンから導出されたキャビン排気を燃料電池システムに空気を供給するために利用することもできる。燃料電池システムには、航空機キャビンの排気ラインに接続された空気入口を介してキャビン排気が供給される。

燃料電池システムの冷却液は、好ましくは、航空機空調装置の空気管路内に配置された熱交換器内へ案内され、ここで冷却液はエネルギ効率良く所望の低い温度に冷却される。これに対して代替的または付加的に、燃料電池システムによって生成された排熱は、航空機空調装置内にも供給され、例えば航空機キャビンに供給される空気を加熱するために利用することもできる。

本発明による航空機空調装置の概略図である。

次に本発明の実施形態を添付の図面を用いてより詳細に説明する。図面は、本発明による航空機空調装置を概略的に示している。

図示の航空機空調装置１０は、矢印Ｐの方向に外気を貫流する空気管路１２を含む。空気管路１２は、コンプレッサ流入ライン１４を介してコンプレッサ１８の入口１６に接続されている。これにより、空気管路１２を貫流する外気を、コンプレッサ流入ライン１４を介してコンプレッサ１８に供給し、コンプレッサ１８によって圧縮することができる。

航空機空調装置１０のコンプレッサ１８は、電子制御ユニット２２によって制御される交流モータ２０によって駆動される。燃料電池システム２４が、電気エネルギを役割を果たす。電子制御ユニット２２は、送電線２６を介して、直接に、すなわち、独立した変圧器を介在させることなしに燃料電池システム２４に接続されており、これにより、燃料電池システム２４によって直接に生成された、負荷依存性の直流電圧によって電気エネルギを電子制御ユニット２２に供給することができるように設計されている。故障の原因となる変換器を取り除くことにより、燃料電池システム２４と電子制御ユニット２２との間のネットワークフィルタも使用しないで済ますことができる。電子制御ユニット２２は、燃料電池システム２４によって供給された電気エネルギを、対応する電気制御信号に変換し、この電気制御信号は、送電線２８を介してコンプレッサ駆動モータ２０に伝達される。

さらに燃料電池システム２４は、送電線２９を介して、直接に、すなわち、変圧器およびネットワークフィルタを介在させることなしに、空調装置１０の一部には数えられないさらなる電力消費部３０に接続されている。航空機空調装置１０の電子制御ユニット２２と同様に、電力消費部３０には、燃料電池システム２４によって直接に生成される、負荷依存性の直流電圧を供給することができる。

さらに燃料電池システム２４は、送電線３１を介して航空機の電気的なネットワーク３２に電気エネルギを供給する。燃料電池システム２４によって生成された、負荷依存性の直流電圧を、ネットワーク３２を介して電気エネルギを供給される、空調装置１０の外部に設けられた様々な電力消費部（図示していない）のために利用できるようにするために、燃料電池システム２４によって生成された電気エネルギは、組み込まれた変圧器／ネットワークフィルタ３３により変換され、フィルタ処理される。

モータ２０によって駆動されるコンプレッサ１８の出口３４が、航空機キャビン３６に空気を供給するために役立つ空気供給ライン３５に接続されている。空気供給ライン３５内には、空気管路１２内に位置決めされた第１の熱交換器３７が配置されている。この熱交換器３７は、コンプレッサ１８によって圧縮され、その際に加熱された空気を、空気管路１２を貫流する外気に熱伝達することによって冷却する役割を果たす。空気供給ライン３５を貫流する空気を除湿するためのコンデンサ３８が、空気供給ライン３５内において第１の熱交換器３７の下流側に設けられている。

空気供給ライン３５内においてコンデンサ３８の下流側に、タービン４０が配置されている。空気供給ライン３５を貫流し、コンプレッサ１８により圧縮された空気がタービン４０を介して案内されると、空気は膨張し、その際に冷却される。タービン４０は、コンプレッサ１８と共に共通のシャフト４２に配置されており、これにより、コンプレッサ駆動モータ２０の駆動エネルギの他に、タービン４０の作動時に回収されたエネルギを、コンプレッサ１８を駆動するために利用することができる。

空気供給ライン３５を燃料電池システム２４の空気入口４４に接続する空気流入ライン４６が、第１の熱交換器３７の上流側で空気供給ライン３５から分岐している。これにより、コンプレッサ１８により圧縮された空気は航空機キャビン３６に供給されるだけでなく、燃料電池システム２４に空気を供給するためにも利用される。さらに、キャビン排気は航空機キャビン３６の排気ライン４７を介して燃料電池システム２４の空気入口４４に供給される。

燃料電池システム２４システムの、冷却液が貫流する冷却システム４８は第２の熱交換器５０を含み、この第２の熱交換器５０は、第１の熱交換器３７と同様に航空機空調装置１０の空気管路１２内に配置されている。したがって、空気管路１２を貫流する外気は、燃料電池システム２４の冷却システム４８を貫流する冷却液を冷却するために利用することができる。

燃料電池システム２４の排ガス出口５２が、タービン４０の下流側の排ガスライン５４を介して空気供給ライン３５に接続されている。燃料電池システム２４の作動時に水が生成されるので、燃料電池システム２４から得られた水を含む排気を、航空機キャビン３６に供給される空気を湿潤するために利用することができる。

図示の航空機空調装置１０では、空気管路１２を貫流する外気のみがコンプレッサ入口１６に供給される。しかしながら、航空機キャビン３６から導出されたキャビン排気を必要に応じて外気と混合してコンプレッサ入口１６に供給することも可能である。例えば、キャビン排気を空気管路１２またはコンプレッサ流入ライン１４に供給することもできる。

Claims (16)

1. コンプレッサ（１８）と、該コンプレッサ（１８）を駆動するモータ（２０）と、燃料電池システムとを含む航空機空調装置（１０）において、
   前記燃料電池システムが制御ユニット（２２）に第１の送電線（２６）により直接に接続され、
   該制御ユニット（２２）は、前記コンプレッサ（１８）を駆動する前記モータ（２０）に第２の送電線（２８）により接続され、前記燃料電池システム（２４）によって直接に生成された負荷依存性の直流電圧を対応する電気制御信号に変換し、該電気制御信号を前記コンプレッサ（１８）を駆動する前記モータ（２０）に前記第２の送電線（２８）により供給して、前記コンプレッサ（１８）を駆動する前記モータ（１８）を直接に制御するように構成されることを特徴とする航空機空調装置。
2. 請求項１に記載の航空機空調装置において、
   前記コンプレッサ（１８）の入口（１６）が、コンプレッサ流入ライン（１４）を介して前記航空機空調装置（１０）の空気管路（１２）に接続されており、前記コンプレッサ（１８）の前記入口（１６）に、前記航空機空調装置（１０）の前記空気管路（１２）を貫流する外気が供給される航空機空調装置。
3. 請求項１または２に記載の航空機空調装置において、
   前記コンプレッサ（１８）の出口（３４）が、航空機キャビン（３６）内に空気を供給するための空気供給ライン（３５）に接続されている航空機空調装置。
4. 請求項３に記載の航空機空調装置において、
   第１の熱交換器（３７）および／またはコンデンサ（３８）および／またはタービン（４０）が、前記空気供給ライン（３５）内に配置されている航空機空調装置。
5. 請求項３または４に記載の航空機空調装置において、
   前記燃料電池システム（２４）の排ガス出口（５２）が、前記空気供給ライン（３５）に接続されている航空機空調装置。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の航空機空調装置において、
   前記コンプレッサ（１８）の出口（３４）が、前記燃料電池システム（２４）の空気入口（４４）に接続されており、前記燃料電池システム（２４）に、前記コンプレッサ（１８）により圧縮された空気が供給される航空機空調装置。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の航空機空調装置において、
   前記燃料電池システム（２４）の空気入口（４４）が、前記航空機キャビン（３６）の排気ライン（４７）に接続されている航空機空調装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の航空機空調装置において、
   前記燃料電池システム（２４）の冷却システム（４８）が、前記航空機空調装置（１０）の前記空気管路（１２）内に配置された第２の熱交換器（５０）を含む航空機空調装置。
9. コンプレッサ（１８）と、該コンプレッサ（１８）を駆動するモータ（２０）と、燃料電池システム（２４）とを含む航空機空調装置（１０）を作動する方法において、
   前記燃料電池システム（２４）に第１の送電線（２６）により直接に接続され、さらに前記コンプレッサ（１８）を駆動する前記モータ（２０）に第２の送電線（２８）により接続される制御ユニット（２２）が、前記燃料電池システム（２４）によって生成される負荷依存性の直流電圧を対応する電気制御信号に変換し、該電気制御信号を前記コンプレッサ（１８）を駆動する前記モータ（２０）に前記第２の送電線（２８）により供給して、前記コンプレッサ（１８）を駆動する前記モータ（２０）を直接に制御する、航空機空調装置を駆動する方法。
10. 請求項９に記載の航空機空調装置を作動する方法において、
    前記コンプレッサ（１８）の入口（１６）に、コンプレッサ流入ライン（１４）を介して、前記航空機空調装置（１０）の空気管路（１２）を貫流する外気を供給する、航空機空調装置を作動する方法。
11. 請求項９または１０に記載の航空機空調装置を作動する方法において、
    航空機キャビン（３６）に、空気供給ライン（３５）を介して、前記コンプレッサ（１８）の出口（３４）から空気を供給する、航空機空調装置を作動する方法。
12. 請求項１１に記載の航空機空調装置を作動する方法において、
    空気供給ライン（３５）を貫流する空気を、前記空気供給ライン（３５）内に配置された第１の熱交換器（３７）によって冷却し、かつ／または前記空気供給ライン（３５）内に配置されたコンデンサ（３８）によって除湿し、かつ／または前記空気供給ライン（３５）内に配置されたタービン（４０）によって膨張させ、その際に冷却する、航空機空調装置を作動する方法。
13. 請求項１１または１２に記載の航空機空調装置を作動する方法において、
    前記空気供給ライン（３５）に、前記燃料電池システム（２４）の排ガス出口（５２）から、前記燃料電池システム（２４）の排ガスを供給する、航空機空調装置を作動する方法。
14. 請求項９から１３までのいずれか１項に記載の航空機空調装置を作動する方法において、
    前記燃料電池システム（２４）に、前記コンプレッサ（１８）の出口（３４）に接続された空気入口（４４）を介して、前記コンプレッサ（１８）により圧縮された空気を供給する、航空機空調装置を作動する方法。
15. 請求項９から１４までのいずれか１項に記載の航空機空調装置を作動する方法において、
    前記燃料電池システム（２４）に、前記航空機キャビン（３６）の排気ライン（４７）に接続された前記空気入口（４４）を介して、キャビン排気を供給する、航空機空調装置を作動する方法。
16. 請求項９から１５までのいずれか１項に記載の航空機空調装置を作動する方法において、
    前記燃料電池システム（２４）の冷却液を、前記航空機空調装置（１０）の前記空気管路（１２）内に配置された第２の熱交換器（５０）を通して案内する、航空機空調装置を作動する方法。

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