JP7185416B2 - タービン支援キャビン空気圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、タービン支援キャビン空気圧縮機に関する。

従来型電気環境制御システム（ＣＥＣＳ）では、航空機の最大巡行高度の間に航空機のキャビンへ空気を送達するために最大出力状態が必要とされる。最大巡航高度で、ＣＥＣＳの圧縮機の圧力比は、圧力を周囲圧力（例えば、この状態では約３ｐｓｉａ）から、キャビンを加圧し、圧縮熱に関する圧力損失を克服し、キャビンへ空気を輸送し、（空気循環ＥＣＳの場合は）真夏日状態で冷却を生じさせるほど十分に高い値まで増加させる必要性によって決まる。この値を提供するために、ＣＥＣＳは１００％の圧縮機出力がモータ及び電気系統によってもたらされることを必要とする。この最大出力状態が発電機及びモータコントローラのサイズを大きくし、モータ及びモータコントローラの冷却要件を定める場合がある。

１つ以上の実施形態によると、電動圧縮機アセンブリが提供される。電動圧縮機アセンブリは、シャフト、モータ、圧縮機、及びシャフトを介して圧縮機に結合されたタービンを含む。モータはシャフトを介して圧縮機に第１の出力を提供する。タービンは、シャフトを介して圧縮機に第２の出力を提供するために第２の媒体を受け取り、膨張させる。圧縮機は、モータによって提供される第１の出力、及びタービンによって提供される第２の出力に従って第１の媒体を受け取り、圧縮する。

１つ以上の実施形態または上記の電動圧縮機アセンブリ実施形態によると、電動圧縮機アセンブリは、第１の媒体を冷却するように構成される少なくとも１つの熱交換器から成る場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の電動圧縮機アセンブリ実施形態のいずれかによると、該少なくとも１つの熱交換器は、第２の媒体を活用することによって第１の媒体を冷却するように構成できる。

１つ以上の実施形態または上記の電動圧縮機アセンブリ実施形態のいずれかによると、該少なくとも１つの熱交換器は、第２の媒体の流路上でタービンの下流となるように構成される場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の電動圧縮機アセンブリ実施形態のいずれかによると、該少なくとも１つの熱交換器は、第１の媒体の流路上で圧縮機の下流となるように構成される場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の電動圧縮機アセンブリ実施形態のいずれかによると、第１の媒体は新鮮な空気である場合があり、第２の媒体はキャビン排気である場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の電動圧縮機アセンブリ実施形態のいずれかによると、第２の媒体は、電動圧縮機アセンブリを出た後、ラム回路または機外へ流れる場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の電動圧縮機アセンブリ実施形態のいずれかによると、航空機の環境制御システムは電動圧縮機アセンブリを含む場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の電動圧縮機アセンブリ実施形態のいずれかによると、環境制御システムは少なくとも１つの空調パックをさらに含む場合がある。

１つ以上の実施形態によると、環境制御システムが提供される。環境制御システムは、空調パックと、混合回路と、シャフト、モータ、圧縮機、及びシャフトを介して圧縮機に結合されたタービンを含む電動圧縮機アセンブリとを含み、モータはシャフトを介して圧縮機に第１の出力を提供し、タービンはシャフトを介して圧縮機に第２の出力を提供するために第２の媒体を受け取り、膨張させ、圧縮機はモータによって提供された第１の出力及びタービンによって提供された第２の出力に従って第１の媒体を受け取り、圧縮する。

１つ以上の実施形態または上記の環境制御システム実施形態によると、電動圧縮機アセンブリは、第１の媒体を冷却するように構成された少なくとも１つの熱交換器を含む場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の環境制御システム実施形態のいずれかによると、少なくとも１つの熱交換器は、第２の媒体を活用することによって第１の媒体を冷却するように構成できる。

１つ以上の実施形態または上記の環境制御システム実施形態のいずれかによると、少なくとも１つの熱交換器は、第２の媒体の流路上でタービンの下流にある場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の環境制御システム実施形態のいずれかによると、少なくとも１つの熱交換器は、第１の媒体の流路上で圧縮機の下流にある場合がある。

１つ以上の実施形態または上記の環境制御システム実施形態のいずれかによると、第１の媒体は新鮮な空気である場合があり、第２の媒体はキャビン排気である場合がある。

主題は、明細書の終わりの特許請求の範囲で特に指摘され、明瞭に請求される。上記特長及び他の特長、ならびにその優位点は添付図面と併せて解釈される以下の発明を実施するための形態から明らかである。

１つ以上の実施形態に係る環境制御システムの概略図である。 １つ以上の実施形態に係る環境制御システムの概略図である。 １つ以上の実施形態に係る環境制御システムの概略図である。

開示されている装置及び方法の１つ以上の実施形態の詳細な説明は、図を参照して制限ではなく、例証によって本明細書に提示される。

実施形態は、本明細書で、空気がキャビンを出て、キャビン圧力と周囲圧力との間の圧力差からその出力を引き出すことによって動力を供給されるタービンを含む電動圧縮機アセンブリを提供する。結果として、電動圧縮機アセンブリの圧縮機によって必要とされる出力は変わりがないが、電気モータに対する入力はタービンの出力によって削減される。上記の電動圧縮機アセンブリの技術的な効果及び利点は出力レベルの削減を含み、このことはモータコントローラを冷却するより効率的な手段を提供し、ＣＥＣＳに比較してモータコントローラ、発電機、及び分配線のサイズを減少させる。

ここで図１を参照すると、環境制御システム１００の概略図は１つ以上の実施形態に従って示される。環境制御システム１００はボリューム１０２、電動圧縮機アセンブリ１２０、空調パック１３０、及び混合回路１４０を含む。

環境制御システム１００は、異なるソース（例えば、矢印Ａ及びＢ）からの媒体を調整し、混合し、異なるエネルギー源を使用して環境制御システムに動力を提供し、高い電気効率でキャビン加圧及び冷却を提供する（例えば、ボリューム１０２に加圧された媒体を提供する）航空機の環境制御システムの実施例である。媒体は概して空気である場合がある。一方、他の実施例は気体、液体、流体化された固体、またはスラリーを含む。

環境制御システム１００の要素は、弁、管、パイプ等を介して接続される。弁（例えば、流量調節装置または質量流量弁）は、環境制御システム１００の管、パイプ等の中の多様な通路を開放する、閉鎖する、または部分的に妨害することによって媒体の流量を調節する、誘導する、及び／または制御する装置である。弁はアクチュエータによって操作することができ、これにより環境制御システム１００の任意の部分での媒体の流量は所望される値に調整できる。

環境制御システム１００の概略図は、それを航空機に設置できるだろうため、非制限実施形態に従って示される。代替実施形態が考慮されるので、航空機の実施例は制限的になることを意図されていない。

上記の航空機実施形態を考慮して、第１の媒体は、ボリューム１０２に進入するようになっている外気である場合がある新鮮な空気（例えば、矢印Ａ）である場合がある。外気は、例えばインパクトスクープ（ｉｍｐａｃｔ ｓｃｏｏｐ）またはフラッシュスクープ（ｆｌｕｓｈ ｓｃｏｏｐ）等の１つ以上の掬い取り機構によって得ることができる。これらの掬い取り機構は、新鮮な空気または外気の入口と見なすことができる。概して、本明細書に記述される新鮮な空気は、高度に対して航空機の外の周囲圧力にある。

第２の媒体は、ボリューム１０２（例えば、矢印Ｂ）から得ることができる。すなわち、第３の媒体は、ボリューム１０２を離れ、機外に放出する／排出することができる空気である場合があるキャビン排気である場合がある。例えば、キャビン排気は、例えば出口等の目的地に供給できる。出口の実施例は、（機外に排気する）ラム回路及び／または機外を含む場合があるが、これに限定されるものではない。

混合回路１４０は、空調パック１３０及び電動圧縮機アセンブリ１２０から流れる調整された媒体を受け取り、結果として生じる媒体をボリューム１０２に提供する機械的な構成である。

空調パック１３０は、異なる高度で必要とされる特定の操作を達成するために上記媒体からの作業を実行するまたは抽出する場合がある。空調パック１３０は、１つ以上の熱交換器を包み込むシェルを含むラム回路を含む場合がある。シェルは（本明細書に説明されるラム空気等の）媒体を、その対応するパックを通して受け取り、誘導することができる。１つ以上の熱交換器は、ある媒体から別の媒体への効率的な熱伝導のために構築された装置である。熱交換器の実施例は二重管熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、平板熱交換器、プレートアンドシェル熱交換器、断熱ホイール熱交換器、プレートフィン熱交換器、ピロープレート熱交換器、及び流体熱交換器を含む。シェルによって包み込まれた１つ以上の熱交換器はラム熱交換器と呼ばれる場合がある。

空調パック１３０は、圧縮機、タービン、ファン、及びシャフトの多様な組み合わせを含む圧縮装置を含む場合がある。圧縮装置は、媒体に対して熱力学作業を実行するための構成要素を含む機械装置である。圧縮装置の実施例は空気循環機械、３輪空気循環機械、４輪空気循環機械等を含む。また、空調パック１３０は水抽出装置、凝縮器等を含む場合もある。

電動圧縮機アセンブリ１３０は、全体的な出力要件を削減するために使用できる圧縮機及び熱交換器の異なる配置を含む場合がある。例の配置は、ここで図２～図３に関して説明される。

図２は、１つ以上の実施形態に係る環境制御システム２００の概略図である。環境制御システム１００に類似する環境制御システム２００の構成要素は、同じ識別子を使用することによって説明を容易にするために再利用され、再度紹介されない。環境制御システム２００は、第１の電動圧縮機アセンブリ２０１、及び第２の電動圧縮機アセンブリ２０２を含む。２つのアセンブリ２０１及び２０２が示されているが、環境制御システム２００は、１つ以上の実施形態に従って１つのアセンブリ、３つのアセンブリ、またはそれ以上のアセンブリを含む場合があることに留意されたい。

第１の電動圧縮機アセンブリ２０１は、圧縮機２１０、モータ２１２、タービン２１４、及びシャフト２１６を含む。第２の電動圧縮機アセンブリ２０１は、圧縮機２２０、モータ２２２、タービン２２４、及びシャフト２２６を含む。さらに、環境制御システム２００は、媒体２３０、２３１、２３２、２３３、２４０、２４１、２５０、及び２５１とともに弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、及びＶ６も含む。

環境制御システム２００の例の動作では、圧縮機２１０は、モータ２１２によって提供される第１の出力に従って媒体２３０（例えば、新鮮な空気）を受け取り、圧縮する。さらに、媒体２４０（例えば、キャビン排気）は、媒体２４０がタービン２１４全体で膨張することによってタービン２１４に動力源を提供する。同様に、圧縮機２１０は、タービン２１４によって提供される第２の出力に従って媒体２３０（例えば、新鮮な空気）を受け取り、圧縮する。圧縮機２１０は、第１の出力、第２の出力、またはその組み合わせに基づいて媒体２３０を圧縮できる。巡行時の航空機外部の周囲圧力（例えば、この状態で約３ｐｓｉａ）と航空機内部のキャビン圧力（例えば、この状態で約１１ｐｓｉａ）との間の圧力差が、媒体２４０に強制的にタービン２１４を通させるタービン２１４全体での圧力低下を生じさせることに留意されたい。

さらに、圧縮機２２０は、モータ２２２によって提供される第１の出力に従って媒体２３０（例えば、新鮮な空気）を受け取り、圧縮する。さらに、媒体２５０（例えば、キャビン排気）は、媒体２５０がタービン２２４全体で膨張することによってタービン２２４に動力源を提供する。同様に、圧縮機２２０は、タービン２２４によって提供される第２の出力に従って媒体２３０（例えば、新鮮な空気）を受け取り、圧縮する。圧縮機２２０は、第１の出力、第２の出力、またはその組み合わせに基づいて媒体２３０を圧縮する場合がある。巡行時の航空機外部の周囲圧力（例えば、この状態で約３ｐｓｉａ）と航空機内部のキャビン圧力（例えば、この状態で約１１ｐｓｉａ）との間の圧力差が、媒体２５０に強制的にタービン２２４を通させるタービン２２４全体での圧力低下を生じさせることに留意されたい。

図３は、１つ以上の実施形態に係る環境制御システム３００の概略図である。環境制御システム１００及び２００に類似する環境制御システム３００の構成要素は、同じ識別子を使用することによって説明を容易にするために再利用され、再度紹介されない。環境制御システム３００は、第１の電動圧縮機アセンブリ３０１及び第２の電動圧縮機アセンブリ３０２を含む。２つのアセンブリ３０１及び３０２が示されているが、環境制御システム３００は、１つ以上の実施形態に従って１つのアセンブリ、３つのアセンブリ、またはそれ以上のアセンブリを含む場合があることに留意されたい。２つのアセンブリ３０１及び３０２では、熱交換器３１８及び３２８は、圧縮機２１０及び２２１の放出量をタービン２１４及び２２４の放出量で冷却するために追加される。熱交換器３１８及び３２８は、それぞれ媒体２４０及び２５０の流路上のタービン２１４及び２２４の下流にある。熱交換器３１８及び３２８も、媒体２３０の流路上の圧縮機２１０及び２２１の下流にある。環境制御システム２００は、それぞれ熱交換器３１８及び３２８を出る媒体３５０及び３５１を示す。媒体３５０及び３５１は、このようにして航空機の他のどこかで再利用できる。

実施形態の態様は、実施形態に係る方法、装置、及び／またはシステムのフローチャート図、概略図、及び／またはブロック図に関して本明細書に説明される。さらに、多様な実施形態の説明は図解のために提示されているが、網羅的である、または開示されている実施形態に制限されることを意図されていない。多くの修正形態及び変形形態は、説明される実施形態の範囲及び精神から逸脱することなく当業者に明らかになるだろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、実際的な応用、もしくは市場で見られる技術に優る技術的な改善を最もよく説明するために、または当業者が本明細書に開示される実施形態を理解するために選ばれた。

本明細書に使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけであり、制限的であることを意図されていない。本明細書に使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明確に他の意味に解釈すべき場合を除いて複数形も含むことが意図される。本明細書で使用されるとき、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」、及び／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」が、記載されている特長、整数、ステップ、動作、要素、及び／または構成要素の存在を指定するが、もう１つの他の特長、整数、ステップ、動作、要素構成要素、及び／またはそのグループの存在または追加を排除しないことがさらに理解される。

本明細書に説明される流れ図は一実施例に過ぎない。本明細書の実施形態の精神から逸脱することなく、その中で説明されるこの図またはステップ（または動作）に対する多くの変形形態があってよい。例えば、ステップは異なる順序で実行されてよい、またはステップは追加、削除、もしくは修正されてよい。これらの変形形態のすべては、特許請求の範囲の一部と見なされる。

好ましい実施形態が説明されてきたが、当業者が、現在と将来の両方で、以下に続く特許請求の範囲の範囲に入る多様な改善策及び強化策を作り得ることが理解される。これらの特許請求の範囲は、適切な保護を維持すると解釈されるべきである。

Claims (7)

1. シャフトと、
   モータと、
   圧縮機と、
   前記シャフトを介して前記圧縮機に結合されたタービンと、
   前記圧縮機の出口および前記タービンの出口の双方の下流に配置されるとともに前記双方の出口に流体的に結合された少なくとも１つの熱交換器と、
   を備え、少なくとも１つの空調パックに流体的に結合された電動圧縮機アセンブリであって、
   前記モータが前記シャフトを介して前記圧縮機に第１の出力を提供し、
   前記タービンが、前記シャフトを介して前記圧縮機に第２の出力を提供するために第２の媒体を受け取り、膨張させ、
   前記圧縮機が、前記モータによって提供される前記第１の出力、及び前記タービンによって提供される前記第２の出力に従って第１の媒体を受け取り、圧縮し、
   前記第１の媒体は、前記電動圧縮機アセンブリの前記モータに供給され、
   前記少なくとも１つの熱交換器は、前記第１の媒体の流路に沿って前記少なくとも１つの空調パックの上流に配置され、前記第１の媒体は、前記少なくとも１つの熱交換器内で前記第２の媒体によって冷却され、前記少なくとも１つの熱交換器から出力された冷たい前記第１の媒体は、前記少なくとも１つの空調パックに供給され、前記少なくとも１つの空調パックは圧縮装置を有し、前記少なくとも１つの空調パックの作用は、前記圧縮装置で前記第１の媒体から実施され、または引き出される、電動圧縮機アセンブリ。
2. 前記第１の媒体が新鮮な空気であり、前記第２の媒体がキャビン排気である、請求項１に記載の電動圧縮機アセンブリ。
3. 前記第２の媒体が、前記電動圧縮機アセンブリを出た後に、ラム回路にまたは直接的に機外に流れる、請求項１に記載の電動圧縮機アセンブリ。
4. 航空機の環境制御システムが、前記電動圧縮機アセンブリを備える、請求項１に記載の電動圧縮機アセンブリ。
5. 前記環境制御システムが、少なくとも１つの空調パックをさらに備える、請求項４に記載の電動圧縮機アセンブリ。
6. 少なくとも１つの空調パックと、
   前記少なくとも１つの空調パックの下流に配置され、該少なくとも１つの空調パックと連通する回路と、
   シャフト、モータ、圧縮機、前記シャフトを介して前記圧縮機に結合されたタービン、前記圧縮機の出口および前記タービンの出口の双方の下流に配置されるとともに前記双方の出口に流体的に結合された少なくとも１つの熱交換器を備える電動圧縮機アセンブリと、
   を備える、環境制御システムであって、
   前記モータが、前記シャフトを介して前記圧縮機に第１の出力を提供し、
   前記タービンが、前記シャフトを介して前記圧縮機に第２の出力を提供するために第２の媒体を受け取り、膨張させ、
   前記圧縮機が、前記モータによって提供される第１の出力、及び前記タービンによって提供される前記第２の出力に従って第１の媒体を受け取り、圧縮し、
   前記第１の媒体は、前記電動圧縮機アセンブリの前記モータに供給され、
   前記少なくとも１つの熱交換器は、前記第１の媒体の流路に沿って前記少なくとも１つの空調パックの上流に配置され、前記第１の媒体は、前記少なくとも１つの熱交換器内で前記第２の媒体によって冷却され、前記少なくとも１つの熱交換器から出力された冷たい前記第１の媒体は、前記少なくとも１つの空調パックに供給され、前記少なくとも１つの空調パックは圧縮装置を有し、前記少なくとも１つの空調パックの作用は、前記圧縮装置で前記第１の媒体から実施され、または引き出される、環境制御システム。
7. 前記第１の媒体が新鮮な空気であり、前記第２の媒体がキャビン排気である、請求項６に記載の環境制御システム。

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