JPS6020205B2 - 航空機用空気調和装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は航空機用空気調和装置の改良に関するもので
ある。

航空機に使用される空気調和装置は、空気を適当な温度
に調整して操縦室および客室（以下キャビンと総称する
）に送り込む装置であるが、キャビンを与圧室にした航
空機における空気調和装置の性能を比較するに当っては
、与圧との関連において検討されなければならない。

そのために空気調和装置の入力と出力とを正当に評価す
る必要がある。入力としては航空機のエンジンよりプリ
ード空気を抽出することによるエンジン推力の低下、熱
交換器に必要な冷却空気をとりこむために生ずる機体に
おける抵抗損失、空気調和装置の運転に消費される電力
などの動力損失があげられ、出力としては、冷房能力、
暖房能力温度制御性能などがあげられる。さて飛行高度
が高くなればなるほど高差圧のキャビン与圧が要求され
るが、一方外気の温度が低下することから冷房負荷は減
少し、高度によては逆に暖房が必要となってくる。

また高度が低くなればそれだけキャビンの与圧に要する
差圧は低くてよいが、反対に冷房負荷は増大する。した
がってエンジンより抽出したブリード空気を、キャビン
の与圧ならびに温度調整に利用することはブリード空気
の有する圧力エネルギーの有効利用につながるので、航
空機用空気調和装置におけるこの方式、すなわちエンジ
ンブリード空気を熱交換器、冷却タービンなどによって
適度に温度調整して直接キャビン供Ｖ給空気として使用
するェアサィクル方式が現在航空機に使用されている空
気調和装置の主流を占めている。第１図を参照しながら
このェァサィクル方式による従来の空気調和装置につい
て若干付言する。

第１図は図中一点購買線にて囲まれた部分を除外すれば
、大型機に現在使用されており、将来は中型小型機に対
してもその採用が予想されるシンプルブーストラップ・
システムと称せられるェアサイクル方式の空気調和装置
系統図の１例を示している。たとえば所定の飛行条件で
エンジンより抽出された約７ｋ９／洲・ａｂｓの圧力と
約２６０℃の温度のブリード空気が予冷却器１の入口よ
り流入し（矢印Ａ）、それによって予冷却がなされ、圧
力調整弁（図示せず）、流量制御弁２を介して一定流量
に制御される。この一定流量の若干冷却されたホットェ
アはその一部はバイパスされ、分配も点３に設けられた
温度制御弁４によってその流量が制御され管路３′が送
りだされ、その残部は一次熱交換器６に流入する。ここ
で冷却されたブリード空気はクーリングタービン７によ
って駈動されるコンブレッサ８に流入し、断熱圧縮され
て圧力および温度が上昇させられ、二次熱交換器９によ
って再び冷却されて、クーリングタービン７に流入し断
熱膨張によって０℃以下の温度に冷却される。この冷却
空気は通常水分を過飽和に含んでいるので次の水分離器
１０によって余分の水分が除去される。一方バイパスさ
れた流量を制御されて管賂３′に送りこまれたホットェ
アはクーリングタービン７の下流１１で、クーリングタ
ービン７から流出するコールドェアと混合され、キャビ
ン１２に送出される。キャビン１２内の温度は、その温
度を検出する感温素子５′からの信号を受け、かつその
温度が温度設定セレクタで指定した温度になるようにす
る温度制御器５を介して爺咳点３をバイパスするホット
ェアの流量を温度制御弁４を作動させて調整しクーリン
グタービン７の下流１１におけるコールドェアとの混合
比を変化させることによって所望の温度に制御された常
時温度設定セレクタで指定した温度に保持される。

なお予冷却器１、一次および二次熱交換器６，９の冷却
はラム・ェア・スクープ（図示せず）を介して、大気か
らとりこまれた冷却空気（矢印Ｂ）によって行われる。

しかし、地上静止時もしくは低速飛行時においては前記
ラムェア・スク−プによって冷却空気を十分にえること
ができないのでクーリングタービン７、コンブレツサ８
の連結回転軸の延長軸に装着したファン１３による冷却
送風（矢印Ｂ）を矢印Ｂに導くことによって行われる。
以上、１００％エンジンブリード空気を空気調和装置の
空気源とするェアサィクル方式とくにその中でもメリッ
トが多いとされているシンプル・フー ストラップ・シ
ステムを採用した従来装置について説明したが、主エン
ジンのみでなく地上静止時におて運転される補助動力装
置ＡＰＵからのブリード空気が利用される場合において
もその空気温度は２５００Ｆから４５００Ｆ程度である
ので、キャビン暖房にはあまり多くの空気流量を必要と
しないが、キャビン冷房には多量のブリード空気を必要
とすることになる。しかし高々度で飛行したり、高緯度
地域を飛行したり、または寒季における飛行の場合のよ
うに外気温度の低い場合には、その他の場合とくらべ冷
房をそれ程必要としないから、前記のブリード空気の消
費量を抑制することが考えられる。すなわちフレッシュ
ェアの供給をキャビンの換気に必要な最小限におさえ、
それ以外は循環空気流量でまかなう手段が考えられる。
この発明は前記した考え方にもとづいてなされたもので
、航空機用空気調和装置において、エンジンないいまＡ
ＰＵからのブリード空気の消費を節約し、燃料消費を効
率的に行うためにキャビン内空気の一部を循環させるこ
とによって、前記空気調和装置の出力対入力の比を高め
ることができる航空機用空気調和装置を提供することを
目的とする。以下この発明にかかる一実施例装置につい
て図面にもとづいて説明する。

第１図はこの装置全体の系統図であって、これはすでに
説明したシンプルフー ストラップ・システムによる装
置に一点鎖線で囲んだ部分の装置を付加してなる装置の
系統図に外ならない。したがってすでに説明した装置の
部分については再説せず、前記付加装置の構成について
説明する。１４は流量制御弁２の圧力検出部２の測定を
妨げないようその下流中央部より予袷されたホットェア
の一部を抽出する管路、１５はキャビン１２内空気の循
環用ファン、１６は循環用ファン１５を駈鰯するタービ
ン、１５′はフィルター、１７は空気循環排出管路１８
に設けられた流量測定用ベンチュリ部、１９は循環空気
流量制御装置、２０はタービン１６競勤用ホットェアの
流量を制御し、循環空気流量を所定流量にするよう循環
用ファン１５の回転を制御する循環流量制御弁である。

つぎにこの装置の前記付加装置の動作について説明する
。

空気循環排出管路１８を矢印方向に還流される空気は、
流量測定用ベンチュリ部１７においてその循環空気流量
が検出されて循環空気流量制御装置１９に入力され、そ
れに対して後記する前記装置１９からの制御信号をうけ
作動する循環空気流量制御弁２０１こよって、流量制御
弁２の下流中央部から抽出された予冷されたホットェァ
の流量が制御され、そのホットェアによって回転駆動さ
れるタービン１６の回転が制御される。

そしてエネルギーの一部をタービン１６に与え、膨張し
て低温にされたブリード空気はフレッシュェアとして、
さきに説明したクーリングタービン７の下流１１にて合
流する。一方キャビン１２から矢印Ｃで示した抽出され
る循環空気は矢印〇の間をつなぐ循環路をへて、フィル
ター１５′により塵挨その他が櫨遇されて、ファン１５
に吸い込まれタービン１６を介して駆動されるファン１
５によって後記する所定流量に制御されて空気循環排出
管路１８に送出され、ベンチュリ部１７をへて、クーリ
ングタービン７の下流１１にて合流し、タービン１２に
もどこれる。流量制御弁２から管路１４によて抽出され
るホットヱア、分岐点３にバイパスされるホットェアお
よび一次熱交換器６に流入するホットェアはすべて、流
量制御弁２のベンチュリ部２″において全プリード空気
流量として検出されて循環空気流量制御装置１９に入力
される。

第２図はキャビン内における換気状態についての説明図
で、縦軸には換気流量を、横軸には中央より左側は冷房
時、右側は暖房時をあらわしている。

所定換気流量の一部がこの装置においては循環空気流量
でまかなわれるが、その流量分については斜線を施して
示してある。冷房時のＴ−Ｔ状態についていえばＶｃが
循環空気流量、Ｖｂがブリード空気流量を示している。
冷房時においてもっとも強力に冷房がなされる場合には
全換気流量が全部ブリード空気すなわちフレッシュェア
でまかなわれ、暖房時においてはブリード空気流量がし
ぼられ、一定の割合で供給される再循環空気流量によっ
て全換気流量の÷部がまかなわれる。さて循環空気流量
制御装置１９には、キャビンの冷房時に対応して図に示
してないが、たとえば飛行高度との関連において第２図
において示したように所定の全換気流量がブリード空気
流量と循環空気流量のそれぞれ所定の比率にてまかなわ
れるように予め設定がなされている。したがって再循環
空気流量制御装置１９が前記した二つの流量設定値と「
前記した流量制御弁２のベンチュリ部２川および空気循
環排出管路１８下流のベンチュリ部１７からのそれぞれ
流量検出値との偏差信号を出力することによって、流量
制御器２′を介してブリード空気流量が制御され、循環
空気流量制御弁２０を介して循環空気流量が制御され、
それぞれの流量が所定値を保つようにされる。一方すで
にのべたように温度制御弁４の作動によって分岐管３を
バイパスするホットェアの流量が調整されてキャビン内
の温度が温度設定セレクタで指定した温度に常時保たれ
る。所定換気流量の一部を循環空気流量でまかなうのに
用いられるファン１５の駆動にブリード空気の一部によ
って駆動されるタービン１６を利用しているため、ファ
ン、タービンともに高速度回転で運転され、電動機駆動
のファンと比較して、ファン駆動機両者ともより一層小
型軽量にまとめられ、またタービン１６を駆動したブリ
ード空気はフレッシュェアとしてキャビン１２に供孫台
されるからブリード空気の有するエネルギーの有効利用
の点においてもすぐれている。

これまでの説明はシンプル・フー ストラツプシステム
に空気循環装置を付加した一実施例装置に対して行って
来たが、ブリード空気を熱交換器をとおして冷却し、冷
却されたブリード空気によってクーリングタービンを運
転し、そのタービンの動力をこれと同軸に取付けたファ
ンによって吸収し、このファンによって前記熱交換器に
必要な冷却空気を引出すようにしたシンプル・システム
と称せられるェアサィクル空気調和装置や、前記のクー
リングタービンの動力をこれと同軸に取付けたコンブレ
ッサによって吸収し、このコンブレツサによってキャビ
ンへ送りこむブリード空気を一度圧縮してから二次熱交
換器で冷却して前記のクーリングタービンへとおし、一
次、二次熱交換器に必要な冷却空気は飛行中の押込み圧
を利用してとりいれるようにしたブー ストラツプシス
テムと称せられるェアサィクル空気調和装置においては
、いずれもクーリングタービンをとおされて断熱膨張さ
せてコールドェアとしたブリード空気と少くとも二次熱
交換器をへずしてバイパスさせたホットェアのままのブ
リード空気とを混合して適温のキャビン換気を行うよう
にしているのであるが、これら両システムに対してもシ
ンプル・フー ストラップシステムと同様にこの空気循
環装置を付加することが可能である。

以上の説明によって明らかなようにこの発明にかかる航
空機用空気調和装置においては、従来のェアサィクル方
式の装置と比較して、エンジンないしはＡＰＵからのプ
リード空気の消費を節約でき、したがって燃料消費を効
率的に行うことが可能であり、空気調和装置の出力対入
力の比を高めることができる。

とくにキャビン内空気の一部を循環させる循環用ファン
の駆動をブリード空気によるタービン駆動を採用したこ
とはファン、駆動機の両者を４・型軽量にすることを可
能にし、機内搭載に好適であるのみならず、タービンを
駆動したブリード空気はフレッシュェアとしてキャビン
に供ｖ給されるのでブリード空気のもつエネルギーの有
効利用の点においてもすぐれた航空機用空気調和装置を
提供しえたものである。図面の簡単な説明第１図はこの
発明にかかる実施例の航空機用空気調和装置全体の主要
系統図を示し、第２図はこの装置によるキャビン内にお
ける換気状態についての説明図である。

１・・・予冷却器、２・・・流量制御弁、２′・・・流
量制御器、２″・・・ベンチュリ部、３・・・分岐管、
４・・・温度制御弁、５・・・温度制御器、５′・・・
感温素子、６・・・一次熱交換器、７・・・クーリング
タービン、８・・・コンブレッサ、９・・・二次熱交換
器、１０・・・水分滋器、１２・・・キャビン、１３…
ファン、１５・・・循環用ファン、１６…タービン、１
７…ベンチユリ部、１９・・・循環空気流量制御装置、
２０・・・循環空気流量制御弁、Ｖｃ・・・循環空気流
量、Ｖｂ・・・ブリード空気流量（フレッシュェア流量
）。

第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 航空エンジンもしくは補助動力装置より抽出され、
   予冷却器１によつて冷却されたブード空気をさらに冷却
   する一次熱交換器６と、この一次熱交換器６により冷却
   されたブリード空気によつて回転駆動されるクーリング
   タービン７と、このクーリングタービン７と同軸に取り
   付けられて回転駆動され、前記予冷却器１および前記一
   次熱交換器６に冷却用空気を外気から取り入れて送り込
   むフアンとからなる装置、もしくは前記予冷却器１と、
   前記一次熱交換器６と、前記クーリングタービン７と、
   このクーリングタービン７と同軸に、前記フアン１３の
   代りに取り付けられて回転駆動され、前記一次熱交換器
   ６によつて冷却されたブリード空気を圧縮するコンプレ
   ツサ８と、このコンプレツサ８によつて圧縮されたブリ
   ード空気を冷却し、前記クーリングタービン７へ送り込
   む二次熱交換器９と、前記予冷却器１、一次熱交換器６
   および前記二次熱交換器９に冷却用空気を、飛行中に外
   気から取り入れるラム・エア・スクープとからなる装置
   、または前記予冷却器１と、前記一次熱交換器６と、前
   記クーリングタービン７と、このクーリングタービン７
   と同軸に取り付けられて回転駆動される前記コンプレツ
   サ８と、前記二次熱交換器９と、前記予冷却器１、一次
   熱交換器６および二次熱交換器９に冷却用空気を外気か
   ら取り入れて送り込む、前記クーリングタービン７と同
   軸に取り付けられて回転駆動されるフアン１３とからな
   る装置の、前記一次熱交換器６を経ずしてバイパスさせ
   た前記ブリード空気の一部よりなるホツトエアと、前記
   クーリングタービン７を通して断熱膨張させた前記ブリ
   ード空気の残部よりなるコールドエアとを合流させる下
   流１１からキヤビン１２内へ、その合流させたブリード
   空気を送り込み、所定の温度のキヤビン換気を行うよう
   にした航空機用空気調和装置において、前記ブリード空
   気をバイパスさせる分岐位置より上流にブリード空気を
   抽出する管路１４を接続し、この管路１４を介して抽出
   したブリード空気によつて駆動されるタービン１６と、
   このタービン１６と同軸上に取り付けられ、前記キヤビ
   ン１２内の換気空気の一部をキヤビン１２から抽出し、
   循環空気流量として前記ホツトエアと前記コールドエア
   とが合流する下流１へ送り込む循環用フアン１５とから
   なるキヤビン換気空気の一部循環手段を付加したことを
   特徴とする航空機用空気調和装置。 ２ キヤビン換気空気の一部循環手段を構成する循環用
   フアン１５の駆動用タービン１６から排出された空気を
   キヤビン内換気空気流量に加えるようにした特許請求の
   範囲第１項記載の航空機用空気調和装置。 ３ キヤビン換気空気の一部循環手段を構成する循環用
   フアン１５の駆動用タービン１６への供給空気を、ブリ
   ード空気の全流量を制御する全ブリード空気流量制御弁
   ２内の流量検出部より下流において抽出し、ブリード空
   気の消費流量の測定に影響を及ぼさないようにしてなる
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の航空機用空気
   調和装置。 ４ キヤビン換気空気の一部循環手段を構成する循環用
   フアン１５の送出し流量を所定流量にするため駆動用タ
   ービン１６への供給ブリード空気流量を制御する供給ブ
   リード空気流量制御弁２０をブリード空気抽出管路１４
   に介在させてなる特許請求の範囲第３項記載の航空機用
   空気調和装置。 ５ 所定キヤビン換気空気流量が、キヤビン１２の循環
   空気流量およびブリード空気流量のそれぞれ所定値の和
   になるよう供給ブリード空気流量制御弁２０と全ブリー
   ド空気流量制御弁２とをそれぞれ制御する循環空気流量
   制御弁１９を設けてなる特許請求の範囲第３項または第
   ４項記載の航空機用空気調和装置。