JPS60138367A - 空気サイクル空気調和システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は空気サイクル空気調和システム、一層詳細には
、新鮮空気による第一の負荷の温度調節及び加圧にも再
循環空気による第二の負荷の温度調節にも有用な空気調
和システムに係る。

背景技術 空気サイクル空気調和システムはよく知られており、民
間機及び軍用機の客室及び装置室のような負荷を冷却且
加圧するのに広く用いられている。

このようなシステムが広く用いられている理由の一つは
、比較的小規模の空気ナイクルシステムによって冷却が
行われ得ることである。他の理由は、このようなシステ
ムがガスタービンエンジンを動りとする車輌例えば航空
機及び最近では戦車のような軍用地上車輌に適している
こと、即ち、ガスタービンエンジンの圧縮機吐出部分が
システムに対する加圧された冷媒空気の源どして適して
いることである。

９型的な民間機及び軍用機では、客室（乗務員室）及び
装置室の温度及び圧力の調節は航空機の空気サイクル空
気調和システムにより行われる。

客室内に十分な量の呼吸可能な空気を維持するため、こ
のような負荷の加熱又は冷却及び圧力調節は一般に開ル
ープ空気サイクル空気調和システムにより行われてきた
。このようなシステムでは、負荷からの古い空気は連続
的に機外へ排出され、客室の圧力及び温度は、必要に応
じて加熱又は冷却されて客室の入口に供給される新鮮（
周囲）空気の供給により所望のレベルに維持される。こ
のような間ループ空気サイクル空気調和システムは客室
のような負荷内の効率的な温度及び圧力調節を行うが、
冷却を必要と１”る装置室のような負荷の場合には、冷
媒空気を再循環させて一層効率的に温度調節を行うこと
が可能である。

従って、新鮮空気の連続的供給を必要とする第一の負荷
と再循環される空気により温度を調節され得る第二の負
荷との温度及び圧力調節を最適効率で行うためには、二
つの別々の空気サイクル空気調和システムを使用するこ
とが望ましい。しかし、このような二重システムで温度
及び圧力調節を行う場合、再循環される空気により第二
の負荷を冷却することにより利点が得られる反面、二つ
の別々の空気調和システムを設りることにより費用がか
さみ巨大型になるという欠点が生じ易い。

従って、両負荷の相異なる温度及び圧力調節の必要条件
を共に満足し得る十分な容量を有する従来の単−問ルー
プ空気サイクル空気調和システムを使用する方が効率的
であるという見方もできる。

確かに、単一システムは冗長性が少−なく、従ってまた
二重システムよりも複雑さが少ない。しかし、このよう
な単一システムは二重システムよりも多くの運転動力を
消費する。単−開ループシステムは、必要とされるか否
かに拘らず、何れかの負荷の最もきびしい加熱及び冷却
必要条件を満足するのに十分な出力レベルで作動する必
要がある。二重システムでは、各システムの出力、従っ
てまた入力動力の必要条件はそれぞれの負荷に合せられ
得る。

発明の開示 従って、本発明の目的は、一対の相異なる負荷、一方は
新鮮空気の連続的供給を必要とする負荷、他方は再循環
される空気により加熱又は冷却され得る負荷、の温度及
び圧力を効率的に調節し得る改良された空気ナイクル空
気調和システムを提供することである。

上記及び他の目的は特許請求の範囲及び添付図面に結び
付けての以下の詳細な説明から一層明らかになろう。こ
れらの目的は、システムへの加圧　。

された空気の供給と結び付けられた入力動力が負荷の一
方の温度及び圧力調節のためのシステムの第一の間ルー
プ部分を駆動且チャージし、システムの間ループ部分に
より生ぜしめられる回転軸動力が他方の負荷の温度調節
のためのシステムの閏ループ部分に動力を与える本発明
の単一空気サイクル空気調和システムにより達成される
。好ましい実施例では、システムへの入力動力は例えば
二つの負荷を持つ車輌に動力を与えるガスタービンの圧
縮機吐出部分のような加圧された空気の源により与えら
れる。加圧された空気は、新鮮空気による換気を必要と
する航空機の機室のような第一の負荷に温度調節された
空気を膨張させて供給１゛る第一の（開ループ）タービ
ンを駆動する。第一の負荷への新鮮空気の供給に加えて
、間ループタービンは、第二の負荷へ再循環空気を膨張
させて供給するため比較的一定の再循環空気を圧縮する
閉ループ圧縮機を駆動する。従って、システムをチャー
ジ且駆動する空気源から得られるエネルギの実質的にす
べてが二つの負荷の冷却又は加熱及び加圧に使用される
ことは理解されよう。こうして、一対の空気調和負荷に
対して新鮮空気による温度及び圧力調節と再循環空気に
よる温度調節との双方が、経済的な構造であり入力動力
が最小で済む単一空気ザイクル空気調和システムにより
達成される。

発明を実施づるための最良の形態及び産業上の利用可能
性 第１図を参照すると、全体として参照符号１０を付され
ている本発明の空気サイクル空気調和システムは、民間
機又は航空機の機室のような第一の負荷１４を加熱又は
冷却及び加圧する第一の間ループ部分１２と、再循環す
る適当な冷却液体の比較的一定の源により温度を調節さ
れ得る電気装置室のような室２５を含む第二の負荷２０
を加熱又は冷却する第二の閉ループ部分１６とを有する
。

冷媒空気の適当なヂ゛ヤージを維持し且空気調和システ
ム１０に動力を与えるための空気はガスタービンエンジ
ンの圧縮機部分く図示けず）のような適当な源から主入
ロダクト３０の左側の端を通ってシステムに入る。ダク
ト３２には第一の熱交換器３５及び第二の熱交換器４０
が配置されており、空気はこれらの熱交換器の中で周囲
空気のような任意の適当な冷媒の流れにより冷却される
。

空気の一部分はコンジット４５と操作装置５５により設
定される間ループタービンバイパス弁５０とを通って機
室入ロダクト６０に送られる。供給空気の残りの部分は
蓄熱式熱交換器７０を配置されているタービン入口ダク
ト６５を通って、また次いでタービン７５を通って機室
入ロダクト６０へ送られる。タービン７５は、操作装＠
９０により設定される複数個の可動羽根８５を含んでい
る型式であってよい可変面積入口８０を設けられている
。加圧された空気がタービン７５を通って移動するにつ
れて、空気はタービンロータを回転させる仕事を行い、
また膨張して、空気の１ｌｉＲ［及び圧力が著しく低下
する。タービン７５から排出された冷却空気の一部分は
、コンジット４５によりコンジット６０に送られた未冷
却の空気と混合され、その混合物は水分離器８０を通っ
て流れ、そこで空気流は乾燥されて、最終的に機室１４
に送られる。古い空気は機室１４から出ロ機室圧力調即
弁８５を通って連続的に機外へ排出され、ダクト６０を
通って機室へ連続的に供給される新鮮空気により置換さ
れる。タービン７５から排出された空気の残りの部分は
コンジッ１−９０を通して送られ、制御弁９５及び蓄熱
式熱交換器７０を通過し、そこで空気はタービン７５の
出口に於ける冷却能力を高めるためコンジット６５を通
してタービン７５に供給される空気から熱を吸収する。

コンジット９０を通る空気流を制御する弁９５は弁５０
に機械的に結合されており、それと共に操作＠置５５に
より順次に操作される。蓄熱式熱交換器を通過後にコン
ジット９０内の空気は機外へ排出される。　機室１５の
加熱、冷却及び加圧は、タービン７５を通る膨張且急冷
された空気及びダクト４５を通る比較的暖かい未急冷の
空気の流れを制御Ｉすることにより制御され得る。高い
高度での飛行中のように最大の機室加熱が必要とされる
状況下では、タービン７５の入口ノズル８０は操作装＠
９０により閉じられている。操作装置５５は順次に弁９
５を閉じて蓄熱式熱交換器を通る急冷された空気の流れ
を減少させ、また次いで遮断し、まＩＣ次いで弁５０を
その最大流れ面積まで次第に開いて、供給コンジット３
０から機室へ送られる暖かい空気の量を最大化する。、
ＩＮ室の冷却が必要とされる場合には、操作装置９０は
入口ノズル８０内の案内羽根８５を調節して、タービン
７５に受入れられる空気の量を増加させ、それによりタ
ービンからの冷たい空気の排出流量を増大させる。操作
装＠５５は順次に弁５０を閉じてタービン排出コンジッ
ト６０への未冷却供給空気の流れを遮断し、また次いで
蓄熱式熱交換器７０内のタービン入口空気の予冷を強め
るため弁９５を問き、それによりダクｈ　６０を通って
機室に与えられる冷却を更に強める。

機室１５及び装置室２５の双方の加熱及び冷却需要を満
足するように十分に加圧された供給空気が空気調和シス
テム１０に供給されな（プればならないことは理解され
よう。機室から機外へ排出される冷媒空気内に残存して
いるエネルギがもはや利用され得ないことは明らかであ
る。従って、機外へ排出される冷媒空気の量は最小に止
められなければならない。負荷の一方が閉ループ冷媒空
気のチャージの再循環により冷却され１ｑる装置を含ん
でいる場合には、このような負荷の空気調和は、装置を
通る空気流により間ループタービン７５のロータに与え
られる運動エネルギを閉ループ部分１６内で利用するこ
とによってシステム１０により効率的に行われ得る。タ
ービン７５のロータはその端で閉ループ圧縮機１００の
ロータに軸１０５により連結されており、それによりタ
ービンロータの回転は圧縮機ロータを駆動して、ダクト
１１０を通って流れる空気を予め圧縮する。このダクト
１１０はダクト３０内の入口制御弁１１５を通じて源か
ら空気を供給されている。弁１１５の流れ面積は操作装
＠１２０により設定され、この操作装置は、システムの
閉ループ部分内を循環する冷媒空気の供給が例えばゆっ
くりした漏洩のために補給を必要とするとさ、弁を聞く
。

圧縮された空気は圧縮機１００から圧縮機１２５へ排出
され、そこで空気の圧力は更に高められ、圧縮機１２５
は軸１３５により圧縮機１２５のロータに連結されてい
るタービン１３０のロータの回転により駆動される。圧
縮機１２５から排出された空気はコンジット１３７を通
って吸込み熱交換器１４０に送られ、そこで空気は周囲
空気のような任意の適当な冷媒による熱吸収によって冷
却される。吸込み熱交換器１４０から、空気はコンジッ
ト１４５を通して蓄熱式熱交換器１５０の高圧部分に送
られ、そこで空気は、コンジット１５５を通して蓄熱式
熱交換器１５０の低圧部分へ送られる急冷されたタービ
ン排出空気による熱吸収によって更に冷却される。熱交
換器１５０の高圧部分から、圧縮された空気はコンジッ
ト１６０を通して閉ループ膨張タービン１３０に送られ
、空気の一部分は、操作装置１７５により設定される制
御弁１７０を設けられているコンジット１６５を通って
タービン１３０をバイパスする。分岐コンジット１６５
を通ってタービン１３０をバイパスしない空気はこのタ
ービンを通過し、その中で膨張且急冷され、また圧縮機
１２５に動力を与えるためタービンロータを駆動する。

タービン１３０からの急冷された空気は排出コンジット
１８０を通して負荷２０に送られる。図面に示されてい
るように、負荷２０は負荷熱交換器１８５、装置室２５
及びそれらの間の熱交換流体循環ループ１９０を含んで
おり、矢印の方向の液体の循環はループ内に設けられて
いるポンプ１９５により維持される。熱交換器１８５に
送られたタービン排出空気はループ１９０内を循環する
液体を冷却し、次いで装置室２５に送られ、そこから熱
を吸収し、またその後の冷却のために熱交換器１８５に
戻される。熱交換器１８５から、新たに少し暖められた
タービン排出空気は、閉ループタービン入口空気を予冷
するため、ダクト１５５を通して蓄熱式熱交換器１５０
に送られる。装置室２５の冷却又は加熱需要が小さい場
合には、操作装置１７５はバイパス弁１７０を開いて、
コンジット１３７．１４５及び１６０を通して圧縮機１
２５から吐出された空気でタービン１３０をバイパスし
、こうしてバイパス空気は次いでタービン排出コンジッ
ト１８０を通して負荷熱交換器１８５に送られる。

空気調和システム１０の制御Ｉはアナログ又はデジタル
の汎用又は専用計算機のような任意の適当な制御システ
ムにより行われ得る。−例として、典型的な制御回路が
第２図に示されており、装置室２５内で維持される必要
のある温度（通常は一定）を示す信号（ｊｅ、ｄ）はラ
イン２００を通じて第一の加界又は減粋回路２０５に与
えられる。

信号（Ｔｅ、ａ）は、装置室２５内に配置されている熱
電対２１５のような適当なトランシュデューサからライ
ン２１０を通じて加算点１０５に入力される。加算点２
’０５はこれらの二つの信号の間・の差を形成し、この
差を装置室温度誤差信号（Ｔｅ、ｅ　）としてライン２
２０を通じてアナログ関数発生器又はデジタルデータル
ックアップメモリ２２５に入力づる。メモリ２２５は装
置室温度誤差信号に応答して間ループタービン７５のノ
ズル面積の調節された設定若しくは閉ループバイパス弁
１７０の流れ面積を示す出力信号を与える。

第２図に示されているように、もし誤差信号が暖か過ぎ
る装置室温度を示けば、メモリ２２５の出力信号はまず
バイパス弁１７０を閉じ、次いでタービン入口ノズル８
０を間くべきであることを示す。同様に、もし誤差信号
が低過ぎる装置室温度を示せば、メモリ２２５の出力信
号はまずタービン入口ノズル８０を閉じ、次いでバイパ
ス弁１７０を聞くべきであることを示す。メモリ２２５
からの出力信号がバイパス弁面積の調節の必要を示づ場
合には、この出力信号はライン２３０を通じて操作装置
１７５に与えられ、操作装置１７５が装置室２５内の実
際温度とその所望の温度との間の誤差を最小化するよう
に弁１７０の面積を調節する。メモリ２２５の出力がタ
ービン入口ノズル８０の流れ面積の調節の必要性を示す
場合には、この出力信号はライン２３５を通じて最大選
択回路２４０に与えられる。最大選択回路２４２は別の
信号としてライン２４５を通じて、機宜を所望の温度に
維持するための空気流を得るのに必要なタービンノズル
面積を示す信号が関数発生器又はメモリ２５０から与え
られる。機宜若しくは装置室の過熱を防止するため、最
大選択回路２４０は最大の大きさの入力信号を選択して
、この信号を操作装置９０に通過させ、操作装置９０は
機宜及び装置室の最大の冷却需要を満足するようにその
信号に従ってタービン入口ノズル８０の面積を設定する
。

関数発生器（メモリ）２５０の出力信号は所望の機宜温
度を維持するのに必要とされる機宜空気流を示す。ライ
ン２５５を通じてメモリ２５０に与えられる入力は、実
際の機宜空気流量と所望の温度を維持するのに必要とさ
れる機宜空気流との間の誤差を示′ｒＪ信号である。こ
の信号は、関数発生器２７０からライン２６５を通じて
与えられた信号Ｗｄ　（所要の空気流）″と機宜入口に
於ける流量計２８０のようなトランスデユーサからライ
ン２７５を通じて与えられた信号Ｗａ　（実際空気流）
とから加算点２６０により形成された差である。

タービン７５から機宜への所要の空気流を示す信号に加
えて、メモリ２７０はライン２８５を経て操作装置５５
に、所望の機宜温度を冑るのに必要とされるバイパス弁
５０の設定を示す出力信号を与える。メモリ２７０への
入力信号は、ライン２９０を通じて入力される信号（Ｔ
ｃ、ｅ）を含んでいる。この入力信号は加算点２９０か
らの出力信号であり、ライン３００を通じて機宜１５内
の熱電対２９５から与えられる実際機宜温洩を示す信号
（Ｔｃ、ａ）とライン３０５を通じて加算点２９０に与
えられる所望の機宜温度を示す信号（Ｔｃ、ｄ　）との
間の差である。もし誤差信号が、図面に示されているよ
うに、暖か過ぎる機宜温度を示せば、メモリ２７０から
の出力信号は、まず機宜空気流需要が減ぜられている間
はバイパス弁５０が全開状態に止まり、次いで機宜空気
流需要が一定に止まる間は弁面積が増大し、最後にバイ
パス弁が閉じられた状態に保たれている間は機宜空気流
需要が増大することを示す。同様に、もし誤差信号が冷
た過ぎる機宜温度を示せば、メモリ２７０からの出力信
号は、まず出力信号が一定の機宜空気流需要に於て減少
するバイパス弁面積に一致する一定の値まで機宜空気流
需要が減少する間はバイパス弁が閉じられた状態に止ま
り、次いでバイパス弁が全開状態に止まる間は機宜空気
流需要が増大することを示ず。

以上の説明から、所望の機宜温度が機宜への空気流を制
御することにより維持されることは理解されよう。この
ような空気流制御は、タービン７５０入ロノズル面積と
バイパス弁５０を通じて機宜に与えられる急冷されてい
ない空気の流れとを制御することにより達成される。同
様に、所望の装置室温度は、バイパス弁１７０を通じて
受入れられる急冷されていない空気の流れと圧縮機１０
０によりシステムの閉ループ部分を通じて循環される空
気流全体とを制御することにより維持される。圧縮機１
００の制御は、圧縮機を駆動する開ループタービン７５
を通る空気流の制御により圧縮機への入力動力を制御す
ることによって達成される。

こうして、本発明の空気サイクル空気調和システムが最
大の効率及び最小のハードウェアにより相異なる冷却及
び加圧を行うことは理解されよう。

タービン７５のロータと圧縮機１００のロータとの間の
連結は木質的に、タービン７５が両負荷を冷却すること
、即ち新鮮空気の供給により機宜負荷を冷却覆ること及
び圧縮機１００、従ってまた圧縮機１２５及びタービン
１３０、の駆動により＠置室負荷を冷却覆ることを可能
にする。

本発明をただ一つの実施例により説明してきたが、種々
の変形が可能であることは当業者により理解されよう。

例えば、直列に連結された一対の圧縮機が装置室負荷の
加熱及び冷却に用いられているが、単一の軸上で両ター
ビン７５及び１３０により駆動される単一の圧縮機が本
発明の範囲内で゛使用され得ることは理解されよう。同
様に、両負荷の冷却に蓄熱式熱交換を用いており、負荷
の加熱及び冷却需要がこのような蓄熱式熱交換無しでは
満足されない場合について説明してきたが、経済的な構
造とする目的で、このような蓄熱式熱　１交換は本発明
の範囲内で省略され得る。従って、このような変形も本
発明の範囲内に含まれるものとする。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の空気サイクル空気調和システムの好ま
しい実施例の概要図である。 第２図は本発明の空気調和システムを調節するのに使用
される典型的な制御システムの概要図である。 １０・・・空気サイクル空気調和システム、１２・・・
間ループ部分、１４・・・第一の負荷、１６・・・開ル
ープ部分、２０・・・第二の負荷、２５・・・装置室、
３０・・・主入ロダクト、３５・・・−次熱交換器、４
０・・・二次熱交換器、５０・・・開ループタービンバ
イパス弁。 ５５・・・操作装置、６０・・・機宜入ロダクト、６５
・・・タービン入口ダクト、７０・・・蓄熱式熱交換器
、７５・・・タービン、８０・・・可変面積大０．８５
・・・可動羽根、９０・・・操作装置、９５・・・制御
弁、１１５・・・入口制御弁、１２０・・・操作装置、
１２５・・・圧ｍｅｉ。 １３０・・・タービン、１３５・・・軸、１４０・・・
吸込み熱交換器、１５０・・・蓄熱式熱交換器、１７ｏ
・・・制御弁、１８５・・・熱交換器、１９０・・・熱
交換流体循環ループ、２０５・・・加算回路、２１５・
・・熱電対。 ２２５・・・関数発生器又はメモリ、２４０・・・最大
選択回路、２５０・・・関数発生器（メモリ＞、２６０
・・・加算回路、２７０・・・関数発生器、２８０・・
・流量計、２９０・・・加算回路、２９５・・・熱電対
特許出願人　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレ
イション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 空気ザイクル空気調和システムに於て、連続的に供給さ
   れまた次いで吐出される新鮮空気により渇麿及び圧力め
   維持を必要とする第一の負荷と、 入口及び出口を有し、加圧された空気の源と連通してお
   り、それにより駆動され、前記加圧された空気を膨張且
   急冷して、前記第一の負荷へ吐出する第一のタービンと
   、 前記第一のタービンの入口と前記加圧空気源との間の接
   続を形成する第一の手段と、 入口及び出口を有し、前記第一のタービンに接続されて
   おり、それにより駆動され、循環される空気を加圧する
   第一の圧縮機と、 入口及び出口を有する第二のタービンと、前記第一の圧
   縮機の出口を前記第二のタービンの入口と接続する第二
   の手段とを含んでおり、前記第二のタービンは前記第一
   の圧縮機から供給さる前記空気により駆動され、またそ
   の空気を膨張且急冷すること、また 再循環される急冷された空気により維持される圧力及び
   温度を有し得る第二の負荷を含んでおり、前記急冷され
   た空気は前記第二のタービンから前記第二の負荷へ送ら
   れること、また 前記第二の負荷の出口を前記第一の圧縮機の入口と接続
   する第三の手段を含んでおり、それにより前記第二のタ
   ービンにより前記第二の負荷へ供給された空気は前記第
   一の圧縮機、前記第二のタービン及び前記第二の負荷を
   通じての連続的再循環のために前記第二の負荷から前記
   第一の圧縮機へ、また次いで前記第二のタービンへ戻さ
   れ、それにより前記第一のタービンからの動力のもとに
   前記第二の９狗を効率的に冷却且加圧することを特徴と
   する空気サイクル空気調和システム。