(57)【要約】【課題】エンジンからの抽気量をできるだけ減らし、一部を外気から取り込み必要な冷房能力を得ることができる航空機用空調装置を提供する。【解決手段】地上あるいは低高度飛行時は、エンジン抽気を一次熱交換器３ａで冷却し、一方外気１６をコンプレッサ４ａで圧縮し二次熱交換器５ａで冷却し、抽気と外気を同時にタービン１０ａに流入し断熱膨張させて低温空気にし、ミキシングチャンバ１１に送り、又高高度飛行時は、エンジン抽気を一次熱交換器３ａを通しタービン１０ａに流入し断熱膨張させて低温空気にし、一方外気１６をコンプレッサ４ａで圧縮し二次熱交換器５ａを通し、流量／サージコントロールバルブ１７ａを開いてタービン１０ａの出口側に送り、低温にした抽気と一緒にミキシングチャンバ１１に送り、コックピット・キャビン１２に供給する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機エンジンの圧縮機から高温・高圧になった空気の一部を取り出し、機外の冷気を利用し、エア・サイクル・システムにより機内を空気調和する航空機用空調装置であって、地上あるいは低高度飛行においては、エンジン抽気をラムエア冷却による一次熱交換器を通し、一方外気をコンプレッサで圧縮しラムエア冷却による二次熱交換器を通して、タービンに抽気と外気をデュアルノズルから流入し、高高度飛行においては、エンジン抽気をラムエア冷却による一次熱交換器を通しタービンにデュアルノズルから流入し、一方外気をコンプレッサで圧縮しラムエア冷却による二次熱交換器を通してタービンの出口側に送るエア・サイクル・システムを設け、供給空気の一部を外気から取り込むことによりエンジン抽気量を減らすことができるようにしたことを特徴とする航空機用空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機用空調装置に係り、特に、地上あるいは低高度飛行時にエンジン抽気量を減らすエア・サイクル・システム（ＡＣＳ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用空調装置は、機内（キャビン）の冷房、暖房、換気を行うと同時に、与圧用空気を供給するもので、与圧系統と冷暖房系統に大別される。与圧系統のない小型機は、エンジンの排気管の熱や、別に設けたヒータからの熱で機内を暖め、冷房は外気を機内に取入れることによって行われている。一方、与圧室のある大型機は、エンジンの圧縮機からの高温・高圧になった空気の一部を取り出し（これをエンジン・フリード・エアまたは抽気という）、（Ａ）機外の冷気を利用（これをラム・エアという）したり、（Ｂ）冷媒を使用したべ一パ・サイクル冷却方式を利用したり、（Ｃ）エア・サイクル・冷却方式を利用したりし、これらの組合せで冷暖房を行っている。旧型の大型機及び現在のタービン・ヘリコプタは、（Ａ）と（Ｂ）の組合せのべ一パ・サイクル方式を採用し、新型のジェット機は（Ａ）と（Ｃ）の組み合わせのエア・サイクル方式を採用している。
【０００３】
従来の装置はエア・サイクル・システム（ＡＣＳと呼ぶ）として、低圧下で水分を分離する方式（ＬＰＷＳ方式と呼ぶ）が用いられていたが、エンジンからの抽気量が多く、エンジン又はＡＰＵ（補助動力装置で、飛行していない時、ここから抽気している。通常、機体の後方に備えられている）の燃費が悪いため、高圧下で水分を分離する方式（３−ＷｈｅｅｌＨＰＷＳ方式と呼ぶ）が採用されている。この３−ＷｈｅｅｌＨＰＷＳ方式はラムエアを導入するファンとコンプレッサとタービンが一軸に装備され、調和空気中の湿度を高圧下で除去し、ＡＣＳ出口温度を氷点下に下げることができる。そのため従来のＬＰＷＳ方式よりも必要な冷房能力を得るために使う抽気量が少なくて済むので、エンジン又はＡＰＵの燃費が向上する。ＡＣＳ出口空気は直接キャビンヘ供給するには冷えすぎるので、再循環ラインを通って戻ってきたキャビンからの排気の一部と混合し、快適な温度に調整してからキャビンに供給される。さらに、ＡＣＳだけでは冷房能力が不足する場合は、搭載している電子機器等の冷却用にＡＣＳとは独立して、冷媒等を用いた冷却装置を備えたべ一パ・サイクル・システム（ＶＣＳと呼ぶ）を設けて冷却を行う。
【０００４】
図３に従来の航空機用空調装置のシステムを示す。地上あるいは低高度においては、エンジン１から抽気される空気を抽気制御バルブ２で調節し、バルブ２１を開、バルブ２２とバルブ２３を閉にして、その空気をＡＣＳ１９に入力する。このＡＣＳ１９で調和空気中の湿度が除去され、ＡＣＳ１９の出口から氷点下に近い空気がミキシングチャンバ１１に導入される。また、上空の高い高度においては、バルブ２１を閉、バルブ２２とバルブ２３を開にして、エンジン１から抽気された高温・高圧の空気と、一部外気１６から空気を取り込み、このＡＣＳ１９で調和空気中の湿度が除去され、ＡＣＳ１９の出口から氷点下に近い空気がミキシングチャンバ１１に導入される。一方、コックピット・キャビン１２から再循環ファン１３と制御バルブ１４により排気される暖かい空気が、再循環ラインを通してミキシングチャンバ１１に導入され、前記ＡＣＳ１９から導入された氷点下に近い空気と混合され、快適な温度に調整されてからコックピット・キャビン１２に導入される。さらに、ＡＣＳ１９だけでは冷房能力が不足する場合は、ＡＣＳ１９とは独立してＶＣＳ（図示していない）が設けられ、搭載している電子機器等の冷却を行う。そしてコックピット・キャビン１２内の圧力を所定の快適な圧力にするために、アウトフローバルブ（図示していない）が設けられ、自動的に制御されて、余分な空気を外部に出している。
【０００５】
次に、ＡＣＳ１９の動作について説明する。エンジンで高温・高圧になった空気の一部が抽気制御バルブ２で調圧されて取出され、ＡＣＳ１９に入力される。
地上あるいは低高度飛行においては、バルブ２１を開、バルブ２２及びバルブ２３を閉にして、抽気された空気は、外気の冷気をおびたラムエア６によって冷却された一次熱交換器３で冷却された後、バルブ２１を経由しコンプレッサ４により圧縮され、再び二次熱交換器５で冷却され、水蒸気の一部は凝縮する。一方、ラムエア６はファン７によって外部に放出される。二次熱交換器５で冷却された空気はリピータ８の高温側回路に入り、コンデンサ９からの冷却された空気の低温側回路との熱交換により冷却される。そして、リヒータ８を出た高圧空気は、タービン１０で断熱膨張した低温空気によって、コンデンサ９でさらに冷却され、含まれていた水蒸気のほとんどすべてが凝縮する、そして、コンデンサ９を出た空気は、リヒータ８を通ってタービン１０に入り、タービン１０を出た空気はコンデンサ９でリヒータ８からの空気と熱交換され、０℃以下でミキシングチャンバ１１に導かれる。
高高度飛行においては、バルブ２１を閉、バルブ２２及びバルブ２３を開にして、エンジン１から高温・高圧の空気が抽気され、一部、外気１６からの空気がＡＣＳ１９に取り込まれる。そして、抽気された高温の空気は一次熱交換器３でラムエア６によって冷やされ、バルブ２３を経由して直接タービン１０に送り込まれる。外気１６から取り込まれた空気は、バルブ２２を経由してコンプレッサ４で圧縮され、二次熱交換器５でラムエア６によってさらに冷却され、リヒータ８の高温側回路に入り、コンデンサ９からの冷却された空気の低温側回路との熱交換によりさらに冷却される。リヒータ８を出た高圧空気と、抽気による一次熱交換器３からバルブ２３を経由して送り込まれた空気とが、同時にタービン１０で断熱膨張され、コンデンサ９でリヒータ８からの空気と熱交換され、０℃以下でミキシングチャンバ１１に導かれる。
さらに、ＡＣＳ１９だけでは冷房能力が不足する場合は、搭載している電子機器等の冷却用にＡＣＳ１９とは独立して、フロン等の冷媒を用いた冷却装置を備えたべ一パ・サイクル・システムＶＣＳ（図示せず）が併用される。
上記のように、従来の大型機の航空機用空調装置は、エンジンの圧縮機で高温・高圧になった空気の一部を取り出し（抽気）、機外の冷気（ラムエア）を利用し、エア・サイクル・システムを主とし、補助的に独立してベーパ・サイクル・システムを併用して空気調和を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空調装置は以上のように構成されているが、地上あるいは低高度飛行においては、エンジン抽気から空調用の空気をＡＣＳ１９（エア・サイクル・システム）に取り込んで供給し、高高度飛行においては、エンジン抽気のほかに、一部外気１６をＡＣＳ１９に取り込み、エンジン抽気を減らしている。エンジン抽気を減らすことにより、必要な冷房能力を得るために使う抽気量が少なくて済み、エンジン（又はＡＰＵ）１の燃費を向上させることができる。そのため、地上あるいは低高度飛行においても、エンジン抽気の低減をすることができないかという課題がある。地上あるいは低高度飛行、及び高高度飛行において、抽気量をできるだけ減らして必要な冷房能力を得るために、ＡＣＳ１９を改造しなければならないという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、地上あるいは低高度飛行においても、エンジン（又はＡＰＵ）からのエンジン抽気量をできるだけ滅らし、一部を外気から取り込み必要な冷房能力を得ることができる航空機用空調装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の航空機用空調装置は、航空機エンジンの圧縮機から高温・高圧になった空気の一部を取り出し、機外の冷気を利用し、エア・サイクル・システムにより機内を空気調和する航空機用空調装置であって、地上あるいは低高度飛行においては、エンジン抽気をラムエア冷却による一次熱交換器を通し、一方外気をコンプレッサで圧縮しラムエア冷却による二次熱交換器を通して、タービンに抽気と外気をデュアルノズルから流入し、高高度飛行においては、エンジン抽気をラムエア冷却による一次熱交換器を通しタービンにデュアルノズルから流入し、一方外気をコンプレッサで圧縮しラムエア冷却による二次熱交換器を通してタービンの出口側に送るエア・サイクル・システムを設け、供給空気の一部を外気から取り込むことによりエンジン抽気量を減らすことができるようにしたものである。
【０００９】
本発明の航空機用空調装置は上記のように構成されており、地上あるいは低高度飛行においては、エンジン抽気を一次熱交換器に通し、一方外気をコンプレッサで圧縮し二次熱交換器を通して、冷却された抽気と外気を別々のノズル（デュアルノズル）からタービンに流入し、断熱膨張させ、低温空気にして含まれていた水蒸気のほとんどすべてを凝縮する。
高高度飛行においては、エンジン抽気を一次熱交換器に通しタービンにノズルから流入し、断熱膨張させ、低温空気にして含まれていた水蒸気のほとんどすべてを凝縮する。一方低圧の外気をコンプレッサで圧縮し二次熱交換器を通して流量／サージコントロールバルブを開いてタービンの出口側に送り、低温にされた抽気と一緒にミキシングチャンバに送りコックピット・キャビンに供給する。
地上あるいは低高度飛行においては、エンジン抽気を一次熱交換器とタービンの断熱膨張により低温にし、一方、上空に比べて比較的温度が高く高圧の外気を、コンプレッサで圧縮し二次熱交換器とタービンの断熱膨張により低温にすることができるので、一部外気を取り込み、抽気量を減らして冷却された空気を供給することができる。
高高度飛行においては、エンジン抽気を一次熱交換器とタービンの断熱膨張により低温にし、一方、地上に比べて温度が低く低圧の外気を、コンプレッサで圧縮し二次熱交換器で冷却してから、流量／サージコントロールバルブを開いて直接タービンの出口側に送り、低温にされた抽気と一緒にミキシングチャンバに送ることができるので、一部外気を取り込み、抽気量を減らして冷却された空気を供給することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の航空機用空調装置の一実施例を、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の航空機用空調装置のシステムダイアグラムを示す図である。本発明の航空機用空調装置は、エンジン（又はＡＰＵ）１からの抽気及び外気１６から空気を取り込み冷却・除湿するＡＣＳ（エア・サイクル・システム）１９ａと、コックピット・キャビン１２の空気の一部を取り出し再循環させる再循環流路部と、ＡＣＳ１９ａからの低温の空気と再循環流路部からの暖かい空気を混合しコックピット・キャビン１２に供給するミキシングチャンバ１１とから構成される。
【００１１】
本航空機用空調装置と従来の装置と異なるところは、地上あるいは低高度飛行時において、従来の装置では、図３に示すように、エンジン（又はＡＰＵ）１からの抽気を一次熱交換器３、コンプレッサ４、二次熱交換器５、タービン１０で低温にしているが、本装置では、エンジン抽気を一次熱交換器３ａに通し、一方、上空に比べて比較的温度が高い高圧の外気１６を取り込み、コンプレッサ４ａ、二次熱交換器５ａを通し、抽気と外気１６をデュアルノズル２０ａからタービン１０ａに送り込み低温にして、ミキシングチャンバ１１に供給している。
本装置では、エンジン抽気をコンプレッサ４ａ及び二次熱交換器５ａに通すことなく、一次熱交換器３ａを通してタービン１０ａに流し、断熱膨張による冷却のみを用いて、一部を外気１６から補給している。このように本装置では、地上あるいは低高度飛行時において、一部、外気１６を取り込み、エンジン抽気を減らし、エンジン（又はＡＰＵ）１の燃費を向上させている。
【００１２】
また、高高度飛行において、従来の装置では、図３に示すように、エンジン抽気を一次熱交換器３、バルブ２３、タービン１０に通し、一方外気１６をバルブ２２、コンプレッサ４、二次熱交換器５、タービン１０に通し低温にしているが、本装置では、エンジン抽気を一次熱交換器３ａ、デュアルノズル２０ａ、タービン１０ａに通し、一方、高高度で温度が低い低圧の外気１６を取り込み、コンプレッサ４ａ、二次熱交換器５ａを通すが、低圧のためタービン１０ａに流れにくくなり流量が低下するので、チェックバルブ１８ａが閉じ、流量／サージコントロールバルブ１７ａを開いて、冷却された外気１６をタービン１０ａの出口に流し、冷却された抽気と一緒にミキシングチャンバ１１に供給している。このように両装置では、高高度飛行時において、システムは異なるが、一部、外気１６を取り込み、エンジン抽気を減らしている。
【００１３】
次に、本航空機用空調装置の動作と各部構成について説明する。ＡＣＳ（エア・サイクル・システム）１９ａは、地上あるいは低高度飛行時において、エンジン（又はＡＰＵ）１から高温・高圧のエンジン抽気が、抽気制御バルブ２を介して取り込まれ、外気から取り込まれたラムエアにより冷却された一次熱交換器３ａで熱交換され冷却される。一方、上空より温度が高く圧力の高い外気１６が、コンプレッサ４ａで圧縮され、外気から取り込まれたラムエアによって冷却された二次熱交換器５ａで熱交換され冷却される。流量／サージコントロールバルブ１７ａが閉じられた状態で、チェックバルブ１８ａを通過して冷却された外気１６が、デュアルノズル２０ａから、冷却された抽気と共にタービン１０ａに送られる。タービン１０ａで断熱膨張した低温空気によって、含まれていた水蒸気のほとんどすべてが凝縮する。そして、０℃以下でミキシングチャンバ１１に導かれる。
また、ＡＣＳ（エア・サイクル・システム）１９ａは、高高度飛行において、エンジン（又はＡＰＵ）１から高温・高圧のエンジン抽気が、抽気制御バルブ２を介して取り込まれ、外気から取り込まれたラムエアによって冷却された一次熱交換器３ａで熱交換され冷却され、デュアルノズル２０ａからタービン１０ａに送られる。そして、タービン１０ａで断熱膨張し低温空気になる。一方、高高度で温度が低く低圧の外気１６がコンプレッサ４ａに取り込まれ圧縮され、外気から取り込まれたラムエアによって冷却された二次熱交換器５ａで熱交換され冷却される。このとき、低圧のためタービン１０ａに流れにくくなり流量が低下すると、コンプレッサ４ａがサージになるため、チェックバルブ１８ａを閉じ、流量／サージコントロールバルブ１７ａを開いて、冷却された外気１６がタービン１０ａの出口に流され、冷却された抽気と一緒にミキシングチャンバ１１に供給される。流量／サージコントロールバルブ１７ａは、タービン１０ａの出口に流量を流すことにより、コンプレッサ４ａがサージに入るのを防止すると同時に、ミキシングチャンバ１１への流量を適切な値にする役割も果たす。
再循環流路部は、コックピット・キャビン１２の暖かい空気の一部を取り出しミキシングチャンバ１１に再循環させる流路で、再循環ファン１３と制御バルブ１４で構成される。再循環ファン１３の回転速度と制御バルブ１４の開度を調節して再循環空気量を制御する。
ミキシングチャンバ１１は、ＡＣＳ１９ａに、エンジン抽気の高温・高圧の空気と、一部外気１６からの空気とが取り込まれ、空気調和中で湿度が除去され、出口から氷点下に近い空気がミキシングチャンバ１１に導入され、一方、コックピット・キャビン１２から再循環流路部の再循環ファン１３により取り込まれる暖かい空気が、制御バルブ１４を介して、再循環ラインを通してミキシングチャンバ１１に導入され、両空気が混合され、快適な温度に調整されてからコックピット・キャビン１２に導入される。
【００１４】
図２に、本航空機用空調装置の他の実施例を示す。なお図２において、図１と同一の符号で示される部品については、同一の機能を有するので詳細な説明は省略する。本装置は、コンプレッサ４ｂとタービン１０ｂとファン７ｂが同軸に設けられ、ファン７ｂによってラムエア６ｂを取り込んで二次熱交換器５ｂ及び一次熱交換器３ｂを冷却する３−ＷｈｅｅｌＰＷＳ方式で、タービン１０ｂの出口に水分離器１５ｂを設けたものである。また、水分離は低圧での分離（ＬＰＷＳ）又は高圧での分離（ＨＰＷＳ）のいずれでもよい。
地上あるいは低高度飛行時において、エンジン（又はＡＰＵ）１から高温・高圧のエンジン抽気が、抽気制御バルブ２を介して取り込まれ、外気から取り込まれたラムエア６ｂによって冷却された一次熱交換器３ｂで、熱交換され冷却される。一方、上空より温度が高く圧力の高い外気１６が、コンプレッサ４ｂで圧縮され、外気から取り込まれたラムエア６ｂによって冷却された二次熱交換器５ｂで熱交換され冷却される。流量／サージコントロールバルブ１７ｂが閉じられた状態で、冷却された外気１６がチェックバルブ１８ｂを通過して、デュアルノズル２０ｂから、冷却された抽気と共にタービン１０ｂに送られる。タービン１０ｂで断熱膨張した低温空気は水分離器１５ｂで含まれていた水蒸気のほとんどすべてが凝縮し、水分が除かれる。そして、０℃以下でミキシングチャンバ１１に導かれる。
また、ＡＣＳ（エア・サイクル・システム）１９ｂは、高高度飛行において、エンジン（又はＡＰＵ）１から高温・高圧のエンジン抽気が、抽気制御バルブ２を介して取り込まれ、外気から取り込まれたラムエア６ｂによって冷却された一次熱交換器３ｂで熱交換され冷却され、デュアルノズル２０ｂからタービン１０ｂに送られる。そして、タービン１０ｂで断熱膨張した低温空気は、水分離器１５ｂで含まれていた水蒸気のほとんどすべてが凝縮し水分が除かれる。一方、高高度で温度が低く低圧の外気１６が、コンプレッサ４ｂに取り込まれ圧縮され、ラムエア６ｂによって冷却された二次熱交換器５ｂで熱交換され冷却される。このとき、流量が少なくなり、低圧のためタービン１０ｂに流れにくくなり、流量が低下するとコンプレッサ４ａがサージになるため、チェックバルブ１８ｂを閉じ、流量／サージコントロールバルブ１７ｂを開いて、冷却された外気１６が水分離器１５ｂの出口に流され、冷却された抽気と一緒にミキシングチャンバ１１に供給される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の航空機用空調装置は上記のように構成されており、地上あるいは低高度飛行においては、エンジン抽気を一次熱交換器で冷却し、一方外気をコンプレッサで圧縮し二次熱交換器で冷却し、抽気と外気を同時にタービンに流入し断熱膨張させて低温空気にし、ミキシングチャンバに送り、また、高高度飛行においては、エンジン抽気を一次熱交換器を通しタービンに流入し断熱膨張させて低温空気にし、一方外気をコンプレッサで圧縮し二次熱交換器を通して、流量／サージコントロールバルブを開き、タービンの出口側に送り、低温にした抽気と一緒にミキシングチャンバに送り、コックピット・キャビンに供給することができる、このように、一部外気を取り込み、必要な冷房能力を得るために使う抽気量を少なくして、エンジン（又はＡＰＵ）の燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の航空機用空調装置の実施例を示す図である。
【図２】本発明の航空機用空調装置の他の実施例を示す図である。
【図３】従来の航空機用空調装置の流量回路を示す図である。
【符号の説明】
１…エンジン（又はＡＰＵ）
２…抽気制御バルブ
３、３ａ、３ｂ…一次熱交換器
４、４ａ、４ｂ…コンプレッサ
５、５ａ、５ｂ…二次熱交換器
６、６ｂ…ラムエア
７、７ｂ…ファン
８…リヒータ
９…コンデンサ
１０、１０ａ、１０ｂ…タービン
１１…ミキシングチャンバ
１２…コックピット・キャビン
１３…再循環ファン
１４…制御バルブ
１５ｂ…水分離器
１６…外気
１７ａ、１７ｂ…流量／サージコントロールバルブ
１８ａ、１８ｂ…チェックバルブ
１９、１９ａ、１９ｂ…ＡＣＳ
２０ａ、２０ｂ…デュアルノズル
２１、２２、２３…バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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