JPH09511714A - 動力および冷却の一体環境制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 環境制御システムには空気循環機が具備され、この空気循環機はコンプレツサと冷却タービンとモータ・発電機と動力タービンとを包有し、これらのすべては単一のシヤフト上に装着される。動力タービンは航空機のエンジンからブリード空気を導入する。動力タービンは可変構造の入口ノズルを有し、このノズルはここを通る空気の流速を大幅に絞ることなく調整可能である。ノズルの下流の動力タービンはブリード空気を冷却して、その空気から膨張エネルギを抽出する。このエネルギは空気循環機の他の構成要素、特に電力を発生するモータ・発電機を駆動するために使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 動力および冷却の一体環境制御システム （技術分野） 本発明は航空機の環境制御システム（ＥＣＳ）、特に航空機に対し空気の調整 および電力供給の両方を行うＥＣＳに関する。 （背景技術） 航空機の主エンジンは、推進力の提供に加え、発電機あるいはコンプレツサ等 の補助機を駆動する軸駆動力の付与、または環境制御システムに対する新鮮な圧 縮空気の提供を行うものである。この空気は航空機の客室に対する冷暖房、換気 および圧縮を与えるために使用される。主エンジンからの圧縮空気および軸駆動 力の抽出は寄生的損失と呼ばれ、この損失は燃料消費量を増加させることによつ て補われている。当然なこととして、航空機若しくは航空機エンジンの設計者は これら寄生的損失を低減すること、即ち主エンジンの燃料消費量を削減すること に絶えず取り組んでいる。 航空機が地上にあつて主エンジンが停止しているとき、ほとんどの航空機では 補助動力装置（ＡＰＵ）を使用している。このＡＰＵとは、シヤフトに装着され た一以上のコンプレツサと一つのタービン上に装着されたタービンとで構成され る小さいガスタービンエンジンである。燃焼器はコンプレツサとタービンの間に 配設される。動作中、そのコンプレツサにより圧縮空気がＥＣＳに供給され、一 方タービンからの軸駆動力により発電機などの補助機が駆動される。近年の技術 の 進歩によつて現在、主エンジンの停止など飛行中の緊急事態時には、ＡＰＵが起 動し作動することが可能となつた。しかしながら飛行中のエンジン動作状態が正 常である場合、電力および圧縮空気の供給は主エンジンにとつて負担となる。 主エンジンの寄生的損失を低下させる一つの方法においては、ＡＰＵとＥＣＳ が組み合わされて単一のシステムにされ、ＡＰＵのコンプレツサが連続的に圧縮 空気をＥＣＳに供給するよう構成される。このようなシステムはクローニンによ る米国特許出願第 4,494,372号及び第 4,684,081号に開示されている。これらの システムでは、主エンジンからの圧縮空気の抽出のため寄生的損失を取り除くこ とができたとしても、依然主エンジンから軸駆動力を取り出して発電機を駆動す る要がある。クリストフによる米国特許出願第 4,503,666号では、ＡＰＵとＥＣ Ｓを組み合わせて一つのシステムとし、ＡＰＵにより発電機を駆動させる別の一 つの方法が開示されている。一方クローニンとクリストフによるシステムのいず れの場合も、ＡＰＵは燃料を消費する。従つて主エンジンの燃料消費量は減少さ れるが、航空機全体の燃料消費量は必ずしも減少されるものにならない。 しかして燃料消費量を増加させることなく調整空気及び電力の供給を共に可能 にするＥＣＳの提供が望まれていた。 （発明の開示） 本発明の一目的は、燃料の消費量を増加することなく航空機の客室に大量の調 整空気を送ること、あるいは航空機において電力を必要とするものすべてに対し 電力を供給可能なＥ ＣＳを提供することにある。 本発明によれば上記の目的は、客室に放出するブリード空気の膨張エネルギー を利用して発電機を駆動させ、同時にこのブリード空気を冷却可能であるＥＣＳ を提供することにより達成する。このシステムの主要部は、コンプレツサ、冷却 タービン、モータ・発電機と動力タービンで構成され、これら構成要素はすべて 単一のシヤフト上に装着された空気循環機をなす。この動力タービンにおける可 変構造の吸気ノズルは、ブリード空気量を絞ることなくタービンを介し客室に給 送する空気の流速を変更可能である。 本発明の他の目的、特徴及び利点は以下に述べる発明の好適な実施例の詳細な 説明と添付の図面から明らかとなろう。 （図面の簡単な説明） 単一の図の図１は閉ループをなす冷凍空気サイクルを有した本発明による環境 制御システムの簡略図である。 （発明を実施するための最良の形態） 図１を参照するに、閉ループをなす冷凍空気サイクル式環境制御システム（Ｅ ＣＳ）10は電力を航空機に対し供給し、また調整空気を航空機の客室60に対し供 給する。且つまたＥＣＳ10は、主エンジン12からブリード空気の予冷器14を経て 新鮮で圧縮されたブリード空気を導入する。主エンジンが停止したとき、補助動 力装置（ＡＰＵ）16を用いて前述の新鮮な空気を供給可能である。予冷器14ある いはＡＰＵ16のいずれか一から供給されるブリード空気は一次熱交換器20へ給送 され、空気冷却すべくラム空気流と熱交換される。一次熱交 換器20は入口部24から出口部26へ延びるラム空気ダクト22内に装着されている。 入口部24および出口部26は航空機の運転時に大気と連通され、空気流はダクト22 を通過可能である。電動力により駆動される送風機28はタクト22内に配設され、 航空機が停止しているとき空気流を引き起こす。一方一次熱交換器20から流出す る空気を温めることが望ましい場合、エンジンからの空気の一部は側管29を経て 流出し得させ得る。 ブリード空気は一次熱交換器20から空気循環機30へ流動される。空気循環機30 は好ましくは、単一の回転シヤフト32を備え、空気ベアリング若しくは電磁ベア リングのような油液によらない潤滑体を用いたベアリングに軸受けされる。この シヤフト32には冷却タービン34、モータ・発電機36、コンプレツサ38および動力 タービン40が装着される。動力タービン40の可変構造の入口ノズル42には一次熱 交換機20からブリード空気が導入される。可変構造の吸気ノズル42のこの部分は 、客室の気圧と主エンジンの抽気圧力の変化に応じて航空機の客室60に給送する 新鮮な空気の流速を所定値に維持するよう調整可能である。即ち客室60において 、より多くの新鮮な空気を必要としているときノズル42を開放し、さ程必要とし ないときにはノズル42を閉鎖する。ここで重要なことは、ノズル42が開放あるい は閉鎖してもブリード空気が大幅に絞られることはない点にある。可変構造の吸 気ノズル42の下流部に配設され、空気の膨張エネルギを軸駆動力に変換して空気 循環機30を介し特に、航空機の電力を発生するモータ・発電機36を駆動させるよ う機能する動力タービン40において、ブリ ード空気の絞り制御がなされる。航空機が油圧を必要とする場合、電動の油圧ポ ンプをそのシステムに付設すればよい。動力タービン40を通過した空気が膨張し てその温度が下げられる。この冷却空気は次に混合マニホルド44に給送され、こ のときこの空気は冷却され、再循環空気と混合される。 再循環送風機50により客室60から空気が吸引されると、この吸引空気は熱交換 器52へ送られ、ここで冷却され、更にコンプレツサ38の入口部へ送られる。コン プレツサ38はまた、システムの圧縮に用いる一次熱交換器20の上流部から弁61を 経てブリード空気の一部を導入する。コンプレツサ38内においてこの空気は圧縮 され、温度および圧力が上昇される。この空気はコンプレツサ38から二次空気間 熱交換器54に流動され、ここで僅かの圧力の減少を伴つて冷却される。また二次 熱交換器54が一次熱交換器20の下流部のラムダクト20内に装着される。空気は二 次熱交換器54から冷却タービン34に流動され、ここで膨張され外気温度より相当 に低い温度まで冷却される。冷却タービンも軸駆動力を発生して動力タービン40 によるシヤフト32の駆動を補助する。次に冷却され再循環された空気は冷却用放 熱器として使用される熱交換器52へ流動され、ここから更に混合マニホルド44へ 送られ、ここで動力タービン40からの新鮮な空気と混合される。新鮮な混合・循 環空気は水抽出・フイルタ装置46を経て客室60へ給送される。抽出された水は二 次熱交換機54の上流のラムダクト22内に放出される。 しかしてＥＣＳ10は航空機の燃料消費量を増加させること なく、調整された空気を客室60に送り、また同時にモータ・発電機36を駆動可能 である。 環境制御システムの、上述した好適な実施例に対し、多様の設計変更が可能で あることは当業者には理解されよう。例えばこのシステムにおいて、閉ループ冷 凍サイクルに代えて閉ループ冷凍蒸気サイクルを採用して作動させることも可能 である。従つて本発明の上述の説明は一例にすぎず、以下の請求の範囲に含まれ る本発明の範囲及び精神を制限するものではないことは理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラーク，キヤスリン ジエイ. アメリカ合衆国 カリフオルニア州 90254，ハーモサ ビーチ，モンテレイ ブーラバード シヤープ１ 600 (72)発明者 マツリツク，ダン エス. アメリカ合衆国 カリフオルニア州 90274，ローリング ヒルズ イーエステ イ．，レインジ ホース レイン 5017

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単一のシヤフトと、可変構造の吸気ノズルを有しシヤフトに装着されエンジ ンから新鮮な圧縮空気を導入する動力タービンと、シヤフトに装着されるモータ ・発電機と、シヤフトに装着され客室から再循環空気を導入するコンプレツサと 、シヤフトに装着されコンプレツサから再循環空気を導入する冷却タービンと、 冷却タービンから再循環空気を導入し、動力タービンから新鮮な空気を導入して 再循環空気および新鮮空気の混合物を客室に送る混合マニホルドとを備える、一 つの客室と新鮮な圧縮空気を供給する少なくとも一のエンジンとを有した航空機 用の環境制御システム。 ２、更にエンジンと動力タービンとの間に配設され且つ航空機のラムダクト内に 装着された一次熱交換器を備える請求項１のシステム。 ３、更にコンプレツサと冷却タービンとの間に配設され且つ一次熱交換器の下流 のラムダクト内に装着された二次熱交換器を備える請求項２のシステム。