WO2020095477A1 - 航空機用空調装置 - Google Patents

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WO2020095477A1
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aircraft
electric
compressor
turbine
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PCT/JP2019/026767
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直喜 関
敏和 小林
Original Assignee
株式会社Ihi
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    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
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    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
    • B64D13/08—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned the air being heated or cooled
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    • B64D2013/0603—Environmental Control Systems
    • B64D2013/0648—Environmental Control Systems with energy recovery means, e.g. using turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/50—On board measures aiming to increase energy efficiency

Definitions

  • the present disclosure relates to an air conditioner for an aircraft.
  • the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2018-208876 filed in Japan on November 6, 2018, and the content thereof is incorporated herein.
  • Patent Document 1 discloses an aircraft system (air-conditioning device for aircraft) that supplies conditioned air whose temperature is adjusted with compressed air generated by a compressor to an aircraft cabin.
  • This aircraft system includes a first compressor driven by a turbine and / or a motor and at least one second compressor, and operates only the first compressor when the external pressure is high, and the external pressure is relatively low. At times, the first compressor and the second compressor are operated.
  • Patent Documents 2 to 4 also disclose techniques related to aircraft air-conditioning systems.
  • each system is called an ECS (Environmental Control System) unit or an AirPack.
  • ECS Environmental Control System
  • AirPack AirPack
  • the present disclosure has been made in view of the above-mentioned circumstances, and an object thereof is to provide an aircraft air conditioner capable of increasing redundancy as compared with the related art.
  • an air conditioner for an aircraft provided in an aircraft, wherein two electric motors connected in series to an air flow path are provided.
  • a plurality of basic units each provided with a compressor, a temperature controller that adjusts the temperature of the air discharged from the compressors of the two electric compressors, and a control of the plurality of basic units and the temperature controller And a control device, and each of the plurality of basic units employs an aircraft air conditioner that supplies compressed air discharged from the temperature regulator as conditioned air to an air-conditioned space.
  • control device may individually control two electric motors of the two electric compressors.
  • the two electric compressors and the two electric compressors are axially coupled to each other.
  • the turbine may constitute two electric turbochargers, and the two turbines may recover energy from the conditioned air.
  • each of the plurality of basic units connects the two turbines to the air-conditioned space according to an operation mode.
  • a switch that switches the relationship may be provided.
  • the control device is configured to operate in the first operation mode corresponding to a state in which the aircraft is on the ground among the operation modes.
  • the switch may be controlled so that the conditioned air after energy recovery by two turbines is supplied to the air-conditioned space.
  • the two electric compressors are a first electric compressor, and A second electric compressor located downstream of the first electric compressor, wherein the two turbines are a first turbine axially coupled to the first electric compressor, and the second electric compressor. And a second turbine axially coupled to the control device, wherein the control device controls the harmony after energy is recovered by the second turbine in a second operation mode corresponding to a state in which the aircraft is in the sky among the operation modes.
  • the switching device is controlled so that air is supplied to the conditioned space and the conditioned air recovered from the conditioned space is supplied to the first turbine, and the electric motor of the first electric compressor is used as a generator. Make it work It may be.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of a basic unit according to an embodiment of the present disclosure.
  • this indication it is a mimetic diagram showing the state of the basic unit in the above-ground / air-conditioned space energy non-recovery mode (1st operation mode).
  • this indication it is a mimetic diagram showing the state of the basic unit in the above-mentioned space / air-conditioned space energy recovery mode (2nd operation mode).
  • the aircraft air conditioner according to the present embodiment is an air conditioner provided in an aircraft (passenger aircraft), and includes a plurality of basic units U1 to U6, a temperature controller A, and an air conditioning controller S as shown in FIG. There is.
  • the basic units U1 to U6 pressurize (pressurize) the outside air taken in from the outside of the cabin to a predetermined pressure and supply it to the cabin X, which is a pressurized compartment of the aircraft, and at the same time, collect the air from the cabin X outside the cabin. Exhaust to.
  • FIG. 1 shows six basic units U1 to U6, the number of basic units may be any number as long as it is plural.
  • the guest room X is the air-conditioned space in the present embodiment.
  • the basic units U1 to U6 are all configured in the same manner and, as shown in FIG. 2, are provided with a first turbocharger K1, a second turbocharger K2, a switch D and an air conditioning controller S. Note that, as described above, all the basic units U1 to U6 have the same configuration, so in FIG. 2, “U” is used as a collective reference symbol for all the basic units U1 to U6.
  • the first turbocharger K1 includes the first compressor 1, the first turbine 2, and the first electric motor 3 which are axially coupled to each other, and the first turbine 2 and / or the first electric motor 3 is provided. Is an electric turbocharger that rotationally drives the first compressor 1 by the power of.
  • the first turbocharger K1 compresses the outside air in the first stage by the first compressor 1 and supplies it to the second turbocharger K2.
  • the first compressor 1 and the first electric motor form a first electric compressor.
  • the first compressor 1 in the first turbocharger K1, the first compressor 1 is axially coupled to the first turbine 2 and the first electric motor 3, and is centrifugally compressed by the power of the first turbine 2 and / or the first electric motor 3. It is a machine.
  • the first compressor 1 compresses the outside air in the first stage and supplies it to the second turbocharger K2.
  • the first turbine 2 is a power source that generates power by using compressed air input from the switch D as a working fluid, and supplies the air after power recovery to the switch D.
  • the first electric motor 3 is a power source that generates power by being controlled and driven by the air conditioning control device S, and rotationally drives the first compressor 1.
  • the second turbocharger K2 includes a second compressor 4, a second turbine 5 and a second electric motor 6 which are axially coupled to each other, and the power of the second turbine 5 and / or the second electric motor 6 causes the second compressor 4 to move. It is an electric turbocharger that drives to rotate.
  • the second turbocharger K2 compresses the compressed air (first-stage compressed air) input from the first turbocharger K1 by the second compressor 2 in the subsequent stage and supplies the compressed air to the temperature regulator A.
  • the second compressor 4 and the second electric motor 6 form a second electric compressor.
  • the second compressor 4 is axially coupled to the second turbine 5 and the second electric motor 6, and is centrifugally compressed by the power of the second turbine 5 and / or the second electric motor 6. It is a machine.
  • the second compressor 4 compresses compressed air (first-stage compressed air) to the latter stage and supplies the compressed air (second-stage compressed air) to the temperature controller A.
  • the second turbine 5 is a power source that generates power by using the temperature-adjusted compressed air (temperature-controlled compressed air) input from the temperature controller A as a working fluid, and switches the temperature-controlled compressed air after power recovery. Supply to D.
  • the second electric motor 6 is a power source that generates power by being controlled and driven by the air conditioning control device S, and rotationally drives the second compressor 4.
  • such a basic unit U includes two electric turbochargers, that is, a first turbocharger K1 and a second turbocharger K2 that are connected in series to the air flow path. More specifically, the first compressor 1 of the first turbocharger K1 and the second compressor 4 of the second turbocharger K2 have an air flow in which outside air or compressed air (first-stage compressed air, second-stage compressed air) flows. Connected in series to the road.
  • the aircraft includes an inlet that takes in outside air from the outside of the aircraft into the inside of the aircraft, and an outlet that discharges temperature-controlled compressed air from the inside of the aircraft to the outside of the aircraft.
  • the number of entrances is not limited to one, and the number of exits is not limited to one.
  • the temperature adjuster A is a temperature adjusting device that adjusts the temperature of the compressed air (second stage compressed air) input from the second turbocharger K2 to a predetermined temperature.
  • the temperature controller A supplies temperature-controlled compressed air to the second turbine 5.
  • Such a temperature adjuster A is, for example, a heat source that generates a heat medium of a predetermined temperature and a heat exchanger that adjusts the temperature to a predetermined temperature by exchanging heat between the heat medium and the compressed air.
  • the heat medium is outside air, for example.
  • the switching device D includes a first switching valve 7, a check valve 8 and a second switching valve 9 as shown in the drawing, and has a basic unit U and a passenger compartment X (a space to be conditioned) according to an operation mode of an air conditioner for an aircraft.
  • the first switching valve 7 is a control valve whose opening / closing operation is controlled by the air conditioning controller S, and includes one input port and two output ports.
  • the first switching valve 7 selectively outputs the temperature-controlled compressed air input from the second turbine 5 to the first output port p1 communicating with the passenger compartment X or the second output port p2 communicating with the first turbine 2. Output.
  • the temperature-controlled compressed air supplied from the first switching valve 7 to the passenger compartment X is the conditioned air in the present embodiment.
  • the check valve 8 is an opening / closing valve provided between the second output port p2 of the first switching valve 7 and the passenger compartment X, and opens / closes autonomously according to the pressure relationship between the two. That is, the check valve 8 is opened only when the pressure in the passenger compartment X exceeds the pressure of the second output port p2 of the first switching valve 7 by a predetermined pressure or more, and is closed otherwise. To maintain.
  • the second switching valve 9 is a control valve whose opening / closing operation is controlled by the air conditioning control device S, and has one input port and two output ports.
  • the second switching valve 9 selectively outputs the temperature-controlled compressed air input from the first turbine 2 to the first output port p3 communicating with the passenger compartment X or the second output port p4 communicating with the outside of the machine. ..
  • the temperature-controlled compressed air supplied from the second switching valve 9 to the passenger compartment X is the conditioned air in the present embodiment.
  • the air conditioning control device S is a control device that controls the basic unit U and the temperature controller A.
  • This control device is a computer, and memory such as CPU (Central Processing Unit), RAM (Random Access Memory) and ROM (Read Only Memory), and storage device such as SSD (Solid State Drive) and HDD (Hard Disc Drive), Etc.
  • CPU Central Processing Unit
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • storage device such as SSD (Solid State Drive) and HDD (Hard Disc Drive), Etc.
  • the aircraft air conditioner according to the present embodiment has two operation modes according to the state of the aircraft, the air conditioning controller S controls the basic unit U and the temperature controller A according to the above operation modes.
  • the above two operation modes are a ground / air-conditioned space energy non-recovery mode (first operation mode) and a sky / air-conditioned space energy recovery mode (second operation mode).
  • the first operation mode is an operation mode corresponding to a case where the aircraft is on the ground, that is, a state where the outside air pressure is relatively high.
  • the second operation mode is an operation mode corresponding to the case where the aircraft is in the sky, that is, the state where the outside air pressure is relatively low.
  • the air conditioning control device S controls the basic unit U and the temperature adjuster A as follows according to the first operation mode or the second operation mode.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the state of the basic unit U in the first operation mode.
  • the air conditioning control device S operates the first electric motor 3 and the second electric motor 6 to rotationally drive the first compressor 1 and the second compressor 4, and at the same time, the input port of the first switching valve 7.
  • the check valve 8 maintains the closed state.
  • the outside air is compressed by the first compressor 1 and the second compressor 4 and the temperature is adjusted by the temperature adjuster A, and is supplied to the second turbine 5 as temperature adjusted compressed air. Since this temperature-controlled compressed air functions as a working fluid for the second turbine 5, a part of the thermal energy of the temperature-controlled compressed air is recovered by the second turbine 5, and the second electric motor 6 is assisted as an auxiliary power source. To do.
  • the temperature-controlled compressed air after power recovery is supplied to the first turbine 2 via the first switching valve 7.
  • the temperature-controlled compressed air whose power is recovered by the second turbine 5 is recovered by the first turbine 2 and assists the first electric motor 3 as an auxiliary power source.
  • the temperature-controlled compressed air whose power is recovered by the first turbine 2 is supplied to the passenger compartment X via the second switching valve 9. Then, the temperature-controlled compressed air is discharged from the cabin X to the outside of the aircraft.
  • the temperature-controlled compressed air discharged from the cabin X may be used for cooling the heating circuit such as the power converter, instead of directly discharging the temperature-controlled compressed air from the cabin X to the outside of the aircraft. That is, the exhaust flow path provided between the passenger compartment X and the outflow valve provided in the airframe is laid so as to pass through the heat generating circuit, and the compressed air heated by cooling the heat generating circuit is discharged to the outside of the machine. May be released.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the state of the basic unit U in the second operation mode in the first operation mode.
  • the air conditioning control device S operates the second electric motor 6 to rotationally drive only the second compressor 4. Further, the air conditioning controller S connects the input port of the first switching valve 7 to the first output port p1 and the input port of the second switching valve 9 to the second output port p4.
  • the compressed air temperature at the outlet of the second compressor 4 is significantly higher than the desired air temperature to be supplied to the cabin X regardless of whether the airplane is on the ground or in the sky.
  • the temperature controller A cools it sufficiently. It's difficult.
  • the temperature controller A can sufficiently cool the outside air without increasing the compression rate to the same level as when the airplane is on the ground. .. In such a situation, in the second operation mode, only the second electric motor 6 is operated and only the second compressor 4 is driven.
  • the first electric motor 3 does not function as a power source but the first electric motor 3 functions as a generator, that is, a power source.
  • the pressure of the second output port p2 of the first switching valve 7 is sufficiently lower than the pressure of the passenger compartment X, so the check valve 8 is opened.
  • the outside air is compressed by the first compressor 1 and the second compressor 4 and the temperature is adjusted by the temperature adjuster A, and is supplied to the second turbine 5 as temperature adjusted compressed air.
  • the temperature-controlled compressed air assists the second electric motor 6 as an auxiliary power source by recovering the power of the second turbine 5.
  • the temperature-controlled compressed air after power recovery is supplied to the passenger compartment X via the first switching valve 7.
  • the compressed air in the cabin X flows into the first turbine 2 via the check valve 8 and acts on the first turbine 2 as a working fluid to generate power.
  • the first electric motor 3 functions as a generator that is rotationally driven by the power of the first turbine 2, and generates electric power.
  • the compressed air after the power recovery discharged from the first turbine 2 is discharged to the outside of the machine via the second switching valve 9.
  • regenerative electric power is generated by the first electric motor 3 by recovering a part of the thermal energy of the compressed air in the passenger compartment X.
  • the compressed air in the passenger compartment X is used for cooling a heat generating circuit such as an electric power converter, and the compressed air heated in the heat generating circuit ( Heated compressed air), that is, heated compressed air whose heat energy has been increased by the heat generating circuit, may flow into the first turbine 2.
  • a heat generating circuit such as an electric power converter
  • the aircraft air conditioner provided in the aircraft includes the two electric compressors (the first compressor 1 and the first electric motor) that are connected in series to the air flow path. 3 and a plurality of basic units U1 to U6 each provided with a second compressor 4 and a second electric motor 6), and the air discharged from the compressors (second compressor 4) of the two electric compressors.
  • a temperature adjuster A for adjusting temperature, a plurality of basic units U1 to U6 and a controller S for controlling the temperature adjuster A are provided, and each of the plurality of basic units U1 to U6 is the temperature adjuster.
  • the compressed air discharged from A is supplied to the air-conditioned space X as conditioned air.
  • control device S controls the two electric compressors (the first compressor 1 and the first electric motor 3, and the second compressor 4 and the second electric motor 6) to be two electric motors (the first electric motor 3, And the second electric motor 6) is individually controlled. Further, the two electric compressors and the two electric compressors (the first compressor 1 and the first electric motor 3, and the second compressor 4 and the second electric motor 6) are axially coupled to each other.
  • the turbines (the first turbine 2 and the second turbine 5) constitute two electric turbochargers K1 and K2, and the two turbines (the first turbine 2 and the second turbine 5) are separated from the conditioned air. Perform energy recovery.
  • each of the plurality of basic units U1 to U6 is a switch D for switching the connection relationship between the two turbines (first turbine 2 and second turbine 5) and the air-conditioned space X according to an operation mode. Equipped with.
  • the switch D is controlled so as to supply the conditioned air to the air-conditioned space X.
  • the two electric compressors (the first compressor 1 and the first electric motor 3, and the second compressor 4 and the second electric motor 6) are the first electric compressor (the first compressor 1 and the first electric motor).
  • the two turbines (the first turbine 2 and the second turbine 5) are connected to the first electric compressor (the first compressor 1 and the first electric motor 3) by axial coupling.
  • a second turbine 5 that is axially coupled to the second electric compressor (the second compressor 4 and the second electric motor 6), and the control device S causes the aircraft to be in the sky in the operation mode.
  • the conditioned air after energy recovery by the second turbine 5 The switching device D is controlled so that the conditioned air recovered from the air-conditioned space X and recovered from the air-conditioned space X is supplied to the first turbine 2, and the first electric compressor (first compression)
  • the electric motor (first electric motor 3) of the machine 1 and the first electric motor 3) functions as a generator.
  • first turbocharger K1 and the second turbocharger K2 since the basic unit U compresses the outside air by the cooperation of the first turbocharger K1 and the second turbocharger K2, two electric turbochargers are used instead of one electric turbocharger. (First turbocharger K1 and second turbocharger K2) are connected in series to the air flow path. As a result, the first turbocharger K1 and the second turbocharger K2 can be configured to be relatively small.
  • the present embodiment it is possible to install more basic units U than the number of conventional systems without increasing the installation volume. Therefore, the redundancy can be increased as compared with the conventional one without increasing the installation volume. Further, according to the present embodiment as described above, it is possible to reduce the compression load of the first turbocharger K1 and the second turbocharger K2.
  • the air conditioning control device S individually controls the first electric motor 3 of the first turbocharger K1 and the second electric motor 6 of the second turbocharger K2. Therefore, it is possible to easily change the sharing of the first compressor 1 and the second compressor 4. That is, the sharing of the first compressor 1 and the second compressor 4 can be easily changed without changing the flow rates of the air flowing into the first compressor 1 and the second compressor 4 by switching the pipes and the like. As a result, it is possible to easily deal with fluctuations in the external atmospheric pressure.
  • the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and the following modified examples can be considered.
  • the cabin X is the air-conditioned space
  • the present disclosure is not limited to this.
  • the cargo room in which the cargo is housed is the air-conditioned space. That is, the aircraft to which the present disclosure is applied is not limited to passenger aircraft, and can be applied to various types of aircraft.
  • the basic unit U including the two electric turbochargers that is, the first turbocharger K1 and the second turbocharger K2 is adopted, but the present disclosure is not limited to this.
  • a basic unit including two electric compressors may be adopted. That is, it is possible to employ a basic unit that includes a first electric compressor that includes the first compressor 1 and the first electric motor 3, and a second electric compressor that includes the second compressor 4 and the second electric motor 6. It is possible. In this case, since power recovery by the first turbine 2 or the second turbine 5 is not performed at all, the compressed air output from the temperature controller A is directly supplied to the passenger compartment X (air-conditioned space) as conditioned air. And discharged from the cabin X (air-conditioned space) to the outside of the aircraft.
  • the switch D including the first switching valve 7, the check valve 8 and the second switching valve 9 is adopted, but the present disclosure is not limited to this. There may be various forms of the configuration method of the switching device in the present disclosure.
  • the temperature controller A is installed at the outlet of the second compressor 4, but another temperature controller B may be installed at the outlet of the first compressor 1.

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Abstract

航空機に設けられる航空機用空調装置であって、空気流路に対して直列接続された２台の電動圧縮機（１、３、４、６）を各々に備える複数の基本ユニット（Ｕ１～Ｕ６）と、２台の電動圧縮機の圧縮機（４）から排出される空気の温度を調整する温度調整器（Ａ）と、複数の基本ユニット（Ｕ１～Ｕ６）及び温度調整器（Ａ）を制御する制御装置（Ｓ）とを備え、複数の基本ユニット（Ｕ１～Ｕ６）の各々は、温度調整器（Ａ）から排出される圧縮空気を調和空気として被空調空間（Ｘ）に供給する航空機用空調装置。

Description

航空機用空調装置
　本開示は、航空機用空調装置に関する。本願は、２０１８年１１月６日に日本に出願された日本国特願２０１８－２０８８７６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　下記特許文献１には、圧縮機で生成された圧縮空気を温度調整した調和空気を航空機客室に供給する航空機システム（航空機用空調装置）が開示されている。この航空機システムは、タービンあるいは／及びモータで駆動される第１圧縮機と少なくとも１つの第２圧縮機とを備え、外気圧が高い時に第１圧縮機のみを作動させ、外気圧が比較的低い時には第１圧縮機と第２圧縮機とを作動させる。下記の特許文献２～４にも、航空機用空調装置に関連する技術が開示されている。
日本国特開２００７－０４５３９８号公報 日本国特開２００４－１４２５０１号公報 日本国特開２００３－３１２５９４号公報 日本国特開２００５－３４９９１２号公報
　ところで、航空機用空調装置は、冗長性を確保する必要から２系統あるいは３系統設けられることが一般的である。各系統は、ＥＣＳ（Environmental Control System）ユニットあるいはＡｉｒ Ｐａｃｋと呼ばれるものである。２系統（あるいは３系統）が並列動作することにより客室を所定の圧力環境かつ温度環境に保持するが、２系統（あるいは３系統）のうち何れかが動作停止しても十分な空調性能を発揮する必要があるから調和空気の供給容量に大きなマージン（通常動作時の２倍程度）が設定されている。これにより、設置空間と重量の制約から系統数を増大させること、つまり冗長性を向上させることが困難である。
　本開示は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも冗長性を高めることが可能な航空機用空調装置を提供することを目的とするものである。
　上記目的を達成するために、本開示では、航空機用空調装置に係る第１の態様として、航空機に設けられる航空機用空調装置であって、空気流路に対して直列接続された２台の電動圧縮機を各々に備える複数の基本ユニットと、前記２台の電動圧縮機の圧縮機から排出される空気の温度を調整する温度調整器と、前記複数の基本ユニット及び前記温度調整器を制御する制御装置とを備え、前記複数の基本ユニットの各々は、前記温度調整器から排出される圧縮空気を調和空気として被空調空間に供給する航空機用空調装置、を採用する。
　本開示では、航空機用空調装置に係る第２の態様として、上記第１の態様において、前記制御装置は、前記２台の電動圧縮機の２台の電動機を個別に制御してもよい。
　本開示では、航空機用空調装置に係る第３の態様として、上記第１または第２の態様において、前記２台の電動圧縮機と、前記２台の電動圧縮機とそれぞれ軸結合する２台のタービンとは、２台の電動ターボチャージャを構成し、前記２台のタービンは前記調和空気からエネルギ回収を行ってもよい。
　本開示では、航空機用空調装置に係る第４の態様として、上記第３の態様において、前記複数の基本ユニットの各々は、動作モードに応じて前記２台のタービンと前記被空調空間との接続関係を切り替える切替器を備えてもよい。
　本開示では、航空機用空調装置に係る第５の態様として、上記第４の態様において、前記制御装置は、前記動作モードのうち前記航空機が地上にある状態に対応する第１動作モードにおいて、前記２台のタービンでエネルギ回収した後の前記調和空気を前記被空調空間に供給するように、前記切替器を制御してもよい。
　本開示では、航空機用空調装置に係る第６の態様として、上記第４の態様または第５の態様において、前記２台の電動圧縮機は、第１電動圧縮機と、前記空気流路において前記第１電動圧縮機よりも下流側に位置する第２電動圧縮機とから構成され、前記２台のタービンは、前記第１電動圧縮機と軸結合する第１タービンと、前記第２電動圧縮機と軸結合する第２タービンとから構成され、前記制御装置は、前記動作モードのうち前記航空機が上空にある状態に対応する第２動作モードにおいて、前記第２タービンでエネルギ回収した後の前記調和空気を前記被空調空間に供給し、前記被空調空間から回収した前記調和空気を前記第１タービンに供給するように、前記切替器を制御し、前記第１電動圧縮機の電動機を発電機として機能させてもよい。
　本開示によれば、従来よりも冗長性を高めることが可能な航空機用空調装置を提供することが可能である。
本開示の一実施形態に係る航空機用空調装置の基本構成を示す模式図である。 本開示の一実施形態における基本ユニットの詳細構成を示すブロック図である。 本開示の一実施形態において、地上／被空調空間エネルギ非回収モード（第１動作モード）における基本ユニットの状態を示す模式図である。 本開示の一実施形態において、上空／被空調空間エネルギ回収モード（第２動作モード）における基本ユニットの状態を示す模式図である。
　以下、図面を参照して、本開示の一実施形態について説明する。本実施形態に係る航空機用空調装置は、航空機（旅客機）に設けられる空調装置であって、図１に示すように複数の基本ユニットＵ１～Ｕ６、温度調整器Ａ及び空調制御装置Ｓを備えている。基本ユニットＵ１～Ｕ６は、機外から機内に取り込んだ外気を所定圧に加圧（与圧）して航空機の与圧区画である客室Ｘに供給すると共に、客室Ｘから回収した空気を機外に排気する。
　なお、この図１では６台の基本ユニットＵ１～Ｕ６を示しているが、基本ユニットの台数は複数であれば何台であってもよい。また、客室Ｘは、本実施形態における被空調空間である。
　基本ユニットＵ１～Ｕ６は、全て同一に構成されており、図２に示すように第１ターボチャージャＫ１、第２ターボチャージャＫ２、切替器Ｄ及び空調制御装置Ｓを備えている。なお、上述したように全ての基本ユニットＵ１～Ｕ６は同一に構成されているので、図２では、全ての基本ユニットＵ１～Ｕ６を総称する符号として「Ｕ」を用いている。
　このような基本ユニットＵにおいて、第１ターボチャージャＫ１は、互いに軸結合する第１圧縮機１、第１タービン２及び第１電動機３を備えており、第１タービン２あるいは／及び第１電動機３の動力によって第１圧縮機１を回転駆動する電動ターボチャージャである。この第１ターボチャージャＫ１は、外気を第１圧縮機１で初段圧縮して第２ターボチャージャＫ２に供給する。なお、第１圧縮機１及び第１電動機は、第１電動圧縮機を構成している。
　すなわち、第１ターボチャージャＫ１において、第１圧縮機１は、第１タービン２及び第１電動機３に軸結合しており、第１タービン２あるいは／及び第１電動機３の動力で回転する遠心圧縮機である。この第１圧縮機１は、外気を初段圧縮して第２ターボチャージャＫ２に供給する。第１タービン２は、切替器Ｄから入力される圧縮空気を作動流体として動力を発生させる動力源であり、動力回収後の空気を切替器Ｄに供給する。第１電動機３は、空調制御装置Ｓによって制御駆動されることによって動力を発生する動力源であり、第１圧縮機１を回転駆動する。
　第２ターボチャージャＫ２は、互いに軸結合する第２圧縮機４、第２タービン５及び第２電動機６を備えており、第２タービン５あるいは／及び第２電動機６の動力によって第２圧縮機４を回転駆動する電動ターボチャージャである。この第２ターボチャージャＫ２は、第１ターボチャージャＫ１から入力された圧縮空気（初段圧縮空気）を第２圧縮機２で後段圧縮して温度調整器Ａに供給する。なお、第２圧縮機４及び第２電動機６は、第２電動圧縮機を構成している。
　すなわち、第２ターボチャージャＫ２において、第２圧縮機４は、第２タービン５及び第２電動機６に軸結合しており、第２タービン５あるいは／及び第２電動機６の動力で回転する遠心圧縮機である。この第２圧縮機４は、圧縮空気（初段圧縮空気）を後段圧縮して圧縮空気（後段圧縮空気）を温度調整器Ａに供給する。第２タービン５は、温度調整器Ａから入力される温度調整後の圧縮空気（温調圧縮空気）を作動流体として動力を発生させる動力源であり、動力回収後の温調圧縮空気を切替器Ｄに供給する。第２電動機６は、空調制御装置Ｓによって制御駆動されることによって動力を発生する動力源であり、第２圧縮機４を回転駆動する。
　すなわち、このような基本ユニットＵは、空気流路に対して直列接続された２台の電動ターボチャージャ、つまり第１ターボチャージャＫ１及び第２ターボチャージャＫ２を備える。より具体的には、第１ターボチャージャＫ１の第１圧縮機１と第２ターボチャージャＫ２の第２圧縮機４とは、外気あるいは圧縮空気（初段圧縮空気、後段圧縮空気）が流通する空気流路に対して直列接続されている。
なお、航空機は、機外から機内に外気を取り込む入口と、機内から機外に温調圧縮空気を排出する出口とを備え、空気流路は、入口と出口とを結ぶ流路である。なお、入口は１つとは限らず、出口も１つとは限らない。　
　温度調整器Ａは、第２ターボチャージャＫ２から入力される圧縮空気（後段圧縮空気）を所定温度に温度調節する温度調整装置である。この温度調整器Ａは、温調圧縮空気を第２タービン５に供給する。このような温度調整器Ａは、例えば所定温度の熱媒を生成する熱源と、この熱媒と圧縮空気とを熱交換させることにより所定温度に温度調節する熱交換器である。上記熱媒は、例えば外気である。
　切替器Ｄは、図示するように第１切換弁７、逆止弁８及び第２切換弁９を備え、航空機用空調装置の動作モードに応じて基本ユニットＵと客室Ｘ（被空調空間）との接続関係を切り替える。すなわち、第１切換弁７は、空調制御装置Ｓによって開閉動作が制御される制御弁であり、１つの入力ポートと２つの出力ポートとを備えている。この第１切換弁７は、第２タービン５から入力された温調圧縮空気を、客室Ｘに連通する第１出力ポートｐ1あるいは第１タービン２に連通する第２出力ポートｐ2に択一的に出力する。このような第１切換弁７から客室Ｘに供給される温調圧縮空気は、本実施形態における調和空気である。
　逆止弁８は、第１切換弁７の第２出力ポートｐ2と客室Ｘとの間に設けられた開閉弁であり、両者の圧力関係に応じて自律開閉する。すなわち、この逆止弁８は、客室Ｘの圧力が第１切換弁７の第２出力ポートｐ2の圧力に対して所定圧以上に大きくなったときにのみ開状態となり、これ以外のときには閉状態を維持する。
　第２切換弁９は、空調制御装置Ｓによって開閉動作が制御される制御弁であり、１つの入力ポートと２つの出力ポートとを備えている。この第２切換弁９は、第１タービン２から入力された温調圧縮空気を、客室Ｘに連通する第１出力ポートｐ3あるいは機外に連通する第２出力ポートｐ4に択一的に出力する。このような第２切換弁９から客室Ｘに供給される温調圧縮空気は、本実施形態における調和空気である。
　空調制御装置Ｓは、基本ユニットＵ及び温度調整器Ａを制御する制御装置である。この制御装置は、コンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）といったメモリ、及びＳＳＤ（Solid State Drive）やＨＤＤ（Hard Disc Drive）といった記憶装置、等から構成されている。本実施形態に係る航空機用空調装置は航空機の状態に応じた２つの動作モードを備えているが、空調制御装置Ｓは、上記動作モードに応じて基本ユニットＵ及び温度調整器Ａを制御する。
　次に、このように構成された航空機用空調装置の動作について、図３及び図４を参照して詳しく説明する。
　上述した２つの動作モードは、地上／被空調空間エネルギ非回収モード（第１動作モード）及び上空／被空調空間エネルギ回収モード（第２動作モード）である。第１動作モードは、航空機が地上にある場合つまり外気圧が比較的高い状態に対応する動作モードである。これに対して、第２動作モードは、航空機が上空にある場合つまり外気圧が比較的低い状態に対応する動作モードである。空調制御装置Ｓは、このような第１動作モードあるいは第２動作モードに応じて以下のように基本ユニットＵ及び温度調整器Ａを制御する。
　図３は、第１動作モードにおける基本ユニットＵの状態を示す模式図である。第１動作モードにおいて、空調制御装置Ｓは、第１電動機３及び第２電動機６を作動させて第１圧縮機１及び第２圧縮機４を回転駆動させると共に、第１切換弁７の入力ポートを第２出力ポートｐ2に連通させ、また第２切換弁９の入力ポートを第１出力ポートｐ3に連通させる。なお、この場合、第１切換弁７の第２出力ポートｐ2の圧力は客室Ｘの圧力に対して十分に高いので、逆止弁８は閉状態を維持する。
　この結果、外気は第１圧縮機１と第２圧縮機４で圧縮されると共に温度調整器Ａで温度調整され、温調圧縮空気として第２タービン５に供給される。この温調圧縮空気は第２タービン５に対して作動流体として機能するので、温調圧縮空気の熱エネルギの一部は第２タービン５で動力回収され、補助動力源として第２電動機６を補助する。そして、動力回収後の温調圧縮空気は、第１切換弁７を介して第１タービン２に供給される。
　そして、第２タービン５で動力回収された温調圧縮空気の熱エネルギの一部は、第１タービン２で動力回収され、補助動力源として第１電動機３を補助する。そして、第１タービン２で動力回収された温調圧縮空気は、第２切換弁９を介して客室Ｘに供給される。そして、この温調圧縮空気は、客室Ｘから機外に排出される。
　ここで、この温調圧縮空気を客室Ｘから機外に直接排出するのではなく、客室Ｘから排出された温調圧縮空気を電力変換器等の発熱回路の冷却に供してもよい。すなわち、客室Ｘと機体に備えられたアウトフローバルブとの間に設けられた排気流路を発熱回路を経由するように敷設し、発熱回路を冷却することによって加熱された圧縮空気を機外に放出してもよい。
　このような第１動作モードに対して、図４は、第２動作モードにおける基本ユニットＵの状態を示す模式図である。第２動作モードにおいて、空調制御装置Ｓは、第２電動機６を作動させて第２圧縮機４のみを回転駆動させる。また、空調制御装置Ｓは、第１切換弁７の入力ポートを第１出力ポートｐ1に連通させ、また第２切換弁９の入力ポートを第２出力ポートｐ4に連通させる。
　第２圧縮機４の出口での圧縮空気温度は、飛行機が地上にある場合でも、上空にある場合でも、客室Ｘに供給する所望の空気温度より大幅に高い。ここで、飛行機が地上にあり、外気温が高い条件の場合、外気の圧縮率を上げて第２圧縮機４の出口での圧縮空気温度をより高めないと、温度調整器Ａで十分に冷やすことが難しい 。一方で、飛行機が上空にあり、外気温は地上より大幅に低い場合、外気の圧縮率を飛行機が地上にある場合と同程度まで上げなくても、温度調整器Ａで十分に冷やすことができる。第２動作モードでは、このような事情から第２電動機６のみを作動させて第２圧縮機４のみを駆動させる。
　このような第２動作モードでは、第１電動機３を動力源として機能させるのではなく、第１電動機３を発電機つまり電力源として機能させる。この場合、第１切換弁７の第２出力ポートｐ2の圧力は客室Ｘの圧力に対して十分に低いので、逆止弁８は開状態となる。
　この結果、外気は第１圧縮機１及び第２圧縮機４で圧縮されると共に温度調整器Ａで温度調整され、温調圧縮空気として第２タービン５に供給される。この温調圧縮空気は、第２タービン５で動力回収されることにより、補助動力源として第２電動機６を補助する。そして、動力回収後の温調圧縮空気は、第１切換弁７を介して客室Ｘに供給される。
　そして、客室Ｘの圧縮空気は、逆止弁８を介して第１タービン２に流入し、作動流体として第１タービン２に作用して動力を発生させる。そして、第１電動機３は、第１タービン２の動力によって回転駆動される発電機（Generator）として機能し、電力を発生させる。そして、第１タービン２から排出された動力回収後の圧縮空気は、第２切換弁９を介して機外に排出される。
　このような第２動作モードでは、客室Ｘの圧縮空気が有する熱エネルギの一部をエネルギ回収することによって第１電動機３で回生電力を発生させる。より多くの回生電力を得るためには、つまりエネルギ回収効率をより向上させるためには、客室Ｘの圧縮空気が有する熱エネルギがより大きい方がよい。
　このような事情から、客室Ｘの圧縮空気が有する熱エネルギを増大させるために、例えば客室Ｘの圧縮空気を電力変換器等の発熱回路の冷却に供し、当該発熱回路が加熱された圧縮空気（加熱圧縮空気）つまり発熱回路によって熱エネルギが増大した加熱圧縮空気を第１タービン２に流入させてもよい。
　以上に説明したように、本実施形態によれば、航空機に設けられる航空機用空調装置は、空気流路に対して直列接続された２台の電動圧縮機（第１圧縮機１と第１電動機３、および第２圧縮機４と第２電動機６）を各々に備える複数の基本ユニットＵ１～Ｕ６と、前記２台の電動圧縮機の圧縮機（第２圧縮機４）から排出される空気の温度を調整する温度調整器Ａと、前記複数の基本ユニットＵ１～Ｕ６及び前記温度調整器Ａを制御する制御装置Ｓとを備え、前記複数の基本ユニットＵ１～Ｕ６の各々は、前記温度調整器Ａから排出される圧縮空気を調和空気として被空調空間Ｘに供給する。また、前記制御装置Ｓは、前記２台の電動圧縮機（第１圧縮機１と第１電動機３、および第２圧縮機４と第２電動機６）の２台の電動機（第１電動機３、および第２電動機６）を個別に制御する。また、前記２台の電動圧縮機と、前記２台の電動圧縮機（第１圧縮機１と第１電動機３、および第２圧縮機４と第２電動機６）とそれぞれ軸結合する２台のタービン（第１タービン２、第２タービン５）とは、２台の電動ターボチャージャＫ１、Ｋ２を構成し、前記２台のタービン（第１タービン２、第２タービン５）は、前記調和空気からエネルギ回収を行う。また、前記複数の基本ユニットＵ１～Ｕ６の各々は、動作モードに応じて前記２台のタービン（第１タービン２、第２タービン５）と前記被空調空間Ｘとの接続関係を切り替える切替器Ｄを備える。また、前記制御装置Ｓは、前記航空機が地上にある状態に対応する前記動作モードである第１動作モードにおいて、前記２台のタービン（第１タービン２、第２タービン５）でエネルギ回収した後の前記調和空気を前記被空調空間Ｘに供給するように、前記切替器Ｄを制御する。また、前記２台の電動圧縮機（第１圧縮機１と第１電動機３、および第２圧縮機４と第２電動機６）は、第１電動圧縮機（第１圧縮機１と第１電動機３）と、前記空気流路において前記第１電動圧縮機（第１圧縮機１と第１電動機３）よりも下流側に位置する第２電動圧縮機（第２圧縮機４と第２電動機６）とから構成され、前記２台のタービン（第１タービン２、第２タービン５）は、前記第１電動圧縮機（第１圧縮機１と第１電動機３）と軸結合する第１タービン２と、前記第２電動圧縮機（第２圧縮機４と第２電動機６）と軸結合する第２タービン５とから構成され、前記制御装置Ｓは、前記動作モードのうち前記航空機が上空にある状態に対応する第２動作モードにおいて、前記第２タービン５でエネルギ回収した後の前記調和空気を前記被空調空間Ｘに供給し、前記被空調空間Ｘから回収した前記調和空気を前記第１タービン２に供給するように、前記切替器Ｄを制御し、前記第１電動圧縮機（第１圧縮機１と第１電動機３）の電動機（第１電動機３）を発電機として機能させる。
　このような本実施形態によれば、基本ユニットＵが第１ターボチャージャＫ１と第２ターボチャージャＫ２との協働によって外気を圧縮するので、１台の電動ターボチャージャではなく２台の電動ターボチャージャ（第１ターボチャージャＫ１及び第２ターボチャージャＫ２）を空気流路に対して直列接続する構成を採用する。これにより、第１ターボチャージャＫ１及び第２ターボチャージャＫ２を比較的小型に構成することが可能である。
　したがって、本実施形態によれば、設置容積を増大させることなく基本ユニットＵの個数を従来の系統数よりも多く設置することが可能である。よって、設置容積を増大させることなく冗長性を従来よりも高めることが可能である。また、このような本実施形態によれば、第１ターボチャージャＫ１及び第２ターボチャージャＫ２の圧縮負荷を軽減することが可能である。
　また、本実施形態によれば、空調制御装置Ｓが、第１ターボチャージャＫ１の第１電動機３と第２ターボチャージャＫ２の第２電動機６とを個別に制御する。そのため、第１圧縮機１と第２圧縮機４との分担を容易に変更することが可能である。つまり、配管等の切換によって第１圧縮機１と第２圧縮機４とに流入する空気の流量を変えることなく、第１圧縮機１と第２圧縮機４との分担を容易に変更できる。これにより、外気圧の変動に対して容易に対応することが可能である。
　さらに、本実施形態によれば、第２動作モードにおいて、客室Ｘの圧縮空気からエネルギ回収をする。これにより、エネルギ効率の良い航空機用空調装置を提供することが可能である。
　なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。（１）上記実施形態では、客室Ｘを被空調空間とした場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば空調の必要がある貨物を輸送する航空機（貨物機）の場合には、貨物が収容される貨物室が被空調空間となる。すなわち、本開示の適用対象航空機は、旅客機に限定されず、様々な形態の航空機に適用可能である。
（２）上記実施形態では、２台の電動ターボチャージャ、つまり第１ターボチャージャＫ１と第２ターボチャージャＫ２とを備える基本ユニットＵを採用したが、本開示はこれに限定されない。例えば２台の電動圧縮機を備える基本ユニットを採用してもよい。つまり、第１圧縮機１と第１電動機３とを備える第１電動圧縮機と、第２圧縮機４と第２電動機６とを備える第２電動圧縮機とを備える基本ユニットを採用することも可能である。なお、この場合には、第１タービン２あるいは第２タービン５による動力回収は一切行わないので、温度調整器Ａから出力される圧縮空気は、そのまま調和空気として客室Ｘ（被空調空間）に供給され、客室Ｘ（被空調空間）から機外に排出される。
（３）上記実施形態では、第１切換弁７、逆止弁８及び第２切換弁９を備える切替器Ｄを採用したが、本開示はこれに限定されない。本開示における切替器の構成方法には種々の形態があり得る。
（４）上記実施形態では，温度調節器Ａを第２圧縮機４の出口に設置したが，別の温度調節器Ｂを第１圧縮機１の出口に設置してもよい。
　その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
　本開示によれば、従来よりも冗長性を高めることが可能な航空機用空調装置を提供することが可能である。
　Ｕ１～Ｕ６　基本ユニット
　Ａ　温度調整器
　Ｋ１　第１ターボチャージャ（電動ターボチャージャ）
　Ｋ２　第２ターボチャージャ（電動ターボチャージャ）
　Ｄ　切替器
　Ｓ　空調制御装置
　Ｘ　客室（被空調空間）
　１　第１圧縮機
　２　第１タービン
　３　第１電動機
　４　第２圧縮機
　５　第２タービン
　６　第２電動機
　７　第１切換弁
　８　逆止弁
　９　第２切換弁

Claims (6)

  1. 　航空機に設けられる航空機用空調装置であって、
    　空気流路に対して直列接続された２台の電動圧縮機を各々に備える複数の基本ユニットと、
    　前記２台の電動圧縮機の圧縮機から排出される空気の温度を調整する温度調整器と、
    　前記複数の基本ユニット及び前記温度調整器を制御する制御装置と、
    を備え、
    　前記複数の基本ユニットの各々は、前記温度調整器から排出される圧縮空気を調和空気として被空調空間に供給する航空機用空調装置。
  2. 　前記制御装置は、前記２台の電動圧縮機の２台の電動機を個別に制御する請求項１に記載の航空機用空調装置。
  3. 　前記２台の電動圧縮機と、前記２台の電動圧縮機とそれぞれ軸結合する２台のタービンとは、２台の電動ターボチャージャを構成し、　前記２台のタービンは、前記調和空気からエネルギ回収を行う請求項１または２に記載の航空機用空調装置。
  4. 　前記複数の基本ユニットの各々は、動作モードに応じて前記２台のタービンと前記被空調空間との接続関係を切り替える切替器を備える請求項３に記載の航空機用空調装置。
  5. 　前記制御装置は、前記動作モードのうち前記航空機が地上にある状態に対応する第１動作モードにおいて、前記２台のタービンでエネルギ回収した後の前記調和空気を前記被空調空間に供給するように、前記切替器を制御する請求項４に記載の航空機用空調装置。
  6. 　前記２台の電動圧縮機は、第１電動圧縮機と、前記空気流路において前記第１電動圧縮機よりも下流側に位置する第２電動圧縮機とから構成され、
    　前記２台のタービンは、前記第１電動圧縮機と軸結合する第１タービンと、前記第２電動圧縮機と軸結合する第２タービンとから構成され、
    　前記制御装置は、前記動作モードのうち前記航空機が上空にある状態に対応する第２動作モードにおいて、前記第２タービンでエネルギ回収した後の前記調和空気を前記被空調空間に供給し、前記被空調空間から回収した前記調和空気を前記第１タービンに供給するように、前記切替器を制御し、前記第１電動圧縮機の電動機を発電機として機能させる請求項４または請求項５に記載の航空機用空調装置。
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