(57)【要約】【課題】高高度での空気調和のために必要なエンジン燃料の消費を低減する。【解決手段】機外空気またはターボファンエンジンのファン抽気１１Ａを圧縮して機内へ供給するコンプレッサ１２ａと機外への排気空気１１Ｃを動力源とする排気タービン１２ｂからなるエアサイクルマシン１２を有する排気利用形空調システムＡとＡＰＵまたはエンジンコンプレッサからの抽気１Ａを作動エネルギーとして利用するエアサイクル形空調システムＢとを備え、高高度巡航中のみ前記排気利用形空調システムＡを作動させ、前記抽気１１Ａを不要にすることにより燃料消費を低減させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機外空気またはターボファンエンジンのファン抽気を新鮮空気として取り入れ、該新鮮空気を圧縮して機内へ供給するコンプレッサと機外へ排気する排気空気を動力源とする排気膨張タービンからなるエアサイクルマシンを備えた排気利用形空調システムと、補助動力装置またはエンジンのコンプレッサからの抽気を冷却して機内与圧室内に新鮮空気として供給するエアサイクル方式のエアサイクル形空調システムを並設するとともに、高高度巡航中は排気利用形空調システムを稼働させ、地上及び低高度飛行中はエアサイクル形空調システムを稼働させるように切り換える切換機構を設けたことを特徴とする航空機用空気調和装置。
【請求項２】
排気膨張タービンに電動モータを連結し、機外空気を圧縮する際に、排気膨張タービンで得られる動力とともに電動モータにより必要な動力を得ることができるエアサイクルマシンを備えたことを特徴とする請求項１記載の航空機用空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機の機内温度及び圧力を制御する航空機用空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用空気調和装置には、従来一般的にエアサイクルシステムが用いられてきた。これは、温度調節以外に高高度での機内において与圧が必要であること、高圧のエンジン抽気が使用できること、小型軽量であることの条件を満たすものであるという理由によるものである。近年、一般的に用いられているシステムは、図４に示すような３ホイール、ＨＰＷＳ（Ｈｉｇｈ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｗａｔｅｒ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）方式と呼ばれるシステムである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このＨＰＷＳ方式の空調システムでは、エンジンのコンプレッサまたはＡＰＵ（補助動力装置）からの高温・高圧空気である抽気１Ａを一次熱交換器２でラムエア１Ｂにより冷却し、コンプレッサ３１、抽気タービン３２及びファン３３からなるエアサイクルマシン（ＡＣＭ）３のコンプレッサ３１で圧縮し、二次熱交換器４で再度ラムエア１Ｂにより冷却後、リヒータ５１、コンデンサ５２及びウオータエキストラクタ５３からなる除湿機構５で除湿した後、前記エアサイクルマシン３の抽気タービン３２で断熱膨張させ、低温空気１Ｃを得ている。この抽気タービン３２の有する動力は、コンプレッサ３１及び抽気１Ａまたは低速飛行時にラムエア１Ｂを引き込むためのファン３３の駆動に利用される。前記低温空気１Ｃは、ミキシングチャンバ６において、機内与圧室７から循環する循環空気１Ｄと混合され適度な温度で与圧され、機内与圧室７に供給される。
【０００４】
これらのエアサイクルによる空調システムは、飛行時に仮にその空調システムの一系統が故障しても一定の空気調和が行えるように、一般に一機あたり同一の予備空調システムＣを予備として切替バルブ８を介して切替え可能に搭載している。また、機内与圧室７内の圧力を一定に保ために、ＣＰＣＳ（Ｃａｂｉｎ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる機内与圧制御システムが作動しており、与圧制御のためにアウトフローバルブ７から機外へ排気空気１Ｅが排出されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−９６７９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のエアサイクル方式を用いた航空機用空気調和装置は、上記のように構成されているが、エアサイクル方式による空調システムは、飛行中はエンジン・コンプレッサからの高温・高圧の抽気１Ａのエネルギーによって駆動されるものであるので、エンジンから高圧空気を直接抽気する必要がある。このことは、エンジン側にとってはそれだけの高圧空気を余分に作り出す必要が生じるだけでなく、エンジンそのものの効率を低下させることとなり、機体にとって大きな負担となっている。このため、航空機用空気調和装置は、低圧・低流量で効率良く機内空気調和を行うことができるものであって、機体の燃費低減に寄与するものであることが必要である。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、エンジンへの負担の低減（すなわち空調装置が消費する燃料の低減）を達成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。
【０００７】
【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気調和装置は、機外空気またはターボファンエンジンのファン抽気を新鮮空気として取り入れ、該新鮮空気を圧縮して機内へ供給するコンプレッサと機外へ排気する排気空気を動力源とする排気膨張タービンからなるエアサイクルマシンを備えた排気利用形空調システムと、補助動力装置またはエンジンのコンプレッサからの抽気を冷却して機内与圧室内に新鮮空気として供給するエアサイクル方式のエアサイクル形空調システムを並設するとともに、高高度巡航中は排気利用形空調システムを稼働させ、地上及び低高度飛行中はエアサイクル形空調システムを稼働させるように切り換える切換機構を設けた。
また、排気膨張タービンに電動モータを連結し、機外空気を圧縮する際に、排気膨張タービンで得られる動力とともに電動モータにより必要な動力を得るようにした。
本発明の航空機用空気調和装置は、上記のように構成されており、飛行中はエンジン・コンプレッサから抽気を取る必要がなくなり、排気利用形空調システムの作動により燃料消費量は大幅に低減される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を参照して説明する。なお、図中の記号において図４の従来例と同じ部品には同一記号を付した。図１は本実施例による航空機用空気調和装置の構成を示すシステム構成図である。本航空機用空気調和装置は、図１に示すように基本的には、例えば、客室や操縦室などの与圧が必要な機内与圧室Ｒの気温、気圧を制御対象とし、この機内与圧室Ｒを一定温度、一定気圧に保持するために、空調によって得られる低温空気を機内与圧室Ｒからの循環空気１Ｄと混合し、この混合空気を前記機内与圧室Ｒに供給するミキシングチャンバ６と、このミキシングチャンバ６を共用して高高度巡航時に機内の空気調和を行う排気利用形空調システムＡと、地上及び低高度飛行時に機内の空気調和を行うエアサイクル形空調システムＢから構成されている。
【０００９】
前記機内与圧室Ｒには、排気利用形空調システムＡが稼働中に排気空気１１Ｃを送る排気ライン１６とエアサイクル形空調システムＢ稼働中に排気空気１１Ｃを機外に排出するアウトフローバルブ７が設けられるとともに、外気又はエンジン・ファンからの抽気１１Ａ取入れ口には制御バルブ１０ａ、ＡＰＵ又はエンジン・コンプレッサからの抽気１Ａ取入れ口には制御バルブ１０ｂ、そして排気利用形空調システムＡ、エアサイクル形空調システムＢからの供給空気の流路切替え用に切替バルブ８がそれぞれ設けられている。
【００１０】
前記排気利用形空調システムＡは、予め設定された高度（通常、巡航高度を設定する）以上の高高度での飛行時に空調を行うシステムで、通常、機内与圧室Ｒ内の気圧を海面高度２４００ｍにおける気圧（５７０ｍｍＨｇ）に保つようにするもので、外気またはエンジン・ファンからの抽気１１Ａを圧縮するためのコンプレッサ１２ａと、機内与圧室Ｒと機外の圧力差（例えば、６，０００〜１３，７００ｍの高度を航行する場合は、最大４６０ｍｍＨｇ）を利用して機外へ放出される排気空気１１Ｃを入口空気として膨張させる排気タービン１２ｂと、必要な場合にはさらに動力を付加させるための電動モータ１２ｃとからなるエアサイクルマシン１２を主要構成要素とし、さらに機内与圧室Ｒへ供給する供給空気１１Ｅの供給圧力／流量を調整するための制御バルブ１３、機内与圧室Ｒに供給できる圧力までに圧縮したコンプレッサ１２ａの出口空気の温度を調整するための熱交換器１４、機内与圧室Ｒへ供給空気１１Ｅを供給するための供給ライン１５、排気空気１１Ｃを排気タービン１２ｂに導くための排気ライン１６およびその流量を制御するための制御バルブ１７等を具備している。
【００１１】
上記のように構成された排気利用形空調システムＡにおいて、機内与圧室Ｒから排気される排気空気１１Ｃは、機内圧力および排気空気流量を制御する制御バルブ１７を経て排気タービン１２ｂに導かれ断熱膨張した後、機外へ排気される。これにより排気タービン１２ｂに動力が発生し、得られた動力は排気タービン１２ｂと短軸結合されたコンプレッサ１２ａの駆動に利用される。排気タービン１２ｂだけでは十分な動力を供給することができない場合には、さらに電動モータ１２ｃを連結してその動力でコンプレッサ１２ａの駆動をアシストする。コンプレッサ１２ａは、上記の動力を得て外気またはエンジン・ファンからの抽気１１Ａを機内に供給するに足る圧力まで圧縮する。この圧縮された供給空気１１Ｅは、熱交換器１４においてラムエア１１Ｂとの熱交換により適温に温度調節された後、機内供給圧力及び流量を制御する制御バルブ１３によって、コンプレッサ１２ａの出口での圧力及び流量を調節して機内与圧室Ｒに供給される。
【００１２】
前記エアサイクル形空調システムＢは、図４に示した従来の空調システムと同様で、図２に示したようなＡＰＵまたはエンジン・コンプレッサからの抽気１Ａをコンプレッサ３１で圧縮し、この圧縮された抽気をリヒータ５１、コンデンサ５２及びウオータエキストラクタ５３からなる除湿機構５により除湿した後、抽気タービン３２に導入して、その発生動力で前記コンプレッサ３１を作動させるエアサイクルマシン３を有する空調システムが用いられる。
【００１３】
図３は、上記排気利用形空調システムＡ及びエアサイクル形空調システムＢの動作を制御する制御装置２０と航空機用空気調和装置内の制御バルブ１０ａ、制御バルブ１０ｂ、切替バルブ８、高度計２１及び気圧計２２との接続を示したもので、制御装置２０によって航空機が地上あるいは低高度内を飛行時は、高度計２１と予め設定された高度が比較されて、制御バルブ１０ａを閉、制御バルブ１０ｂを開、切替バルブ８を図２に示すようにエアサイクル形空調システムＢ側に切り替えられる。その結果、ＡＰＵ又はエンジン・コンプレッサからの抽気１Ａはエアサイクル形空調システムＢのコンプレッサ３１に導入される。抽気タービン３２から抽出された圧縮空気は、除湿された後、切替バルブ８を通ってミキシングチャンバ６で機内与圧室Ｒの空気と混合された状態で機内与圧室Ｒに供給される。そして、機内与圧室Ｒ内の気圧計２２の信号と気圧設定値が比較され、所定の気圧になるようアウトフローバルブ７が制御される。
【００１４】
次に、航空機の高高度（巡航高度以上）での飛行時は、制御バルブ１０ａを開、制御バルブ１０ｂを閉、切替バルブ８を図１に示すように排気利用形空調システムＡに切り替える。その結果、外気又はエンジン・ファンからの抽気１１Ａがコンプレッサ１２ａに導入される。コンプレッサ１２ａで圧縮された空気はラムエア１１Ｂで冷却され低温空気はミキシングチャンバ６で機内与圧室Ｒの空気と混合されて機内与圧室Ｒに供給される。機内与圧室Ｒ内の気圧は制御バルブ１７により制御される。
【００１５】
前記排気利用形空調システムＡは、高高度でのみ作動するものであるが、高高度では大気中の湿度は極めて低いことから、エアサイクル形空調システムＢに用いられたような除湿機構５を不要とし、非常にシンプルな構成になる上、万一故障しても、もう一つのエアサイクル形空調システムＢを作動させることにより、従来システムと同様に最低限の空調を賄うことができる。
【００１６】
本発明の航空機用空気調和装置は、空調用エア源として外気又はエンジンファンからの抽気を利用する排気利用形空調システムＡとＡＰＵまたはエンジン・コンプレッサからの抽気を利用するエアサイクル形空調システムＢを運行高度に応じて切り替え使用することを特徴とするものであり、実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、エアサイクル形空調システムＢとしてその抽気タービン出力軸に排気タービンを連結して効率を高めたものを用いることもできる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の航空機用空気調和装置は、高高度巡航時における空調システムに排気タービンを設けるとともに、新鮮空気源として外気またはエンジン・ファンからの抽気を利用し、必要な場合には電力を使用してエアサイクルマシンを駆動することにより、燃料消費の最も多い高高度巡航時間中にエンジン・コンプレッサからの抽気を完全に不要にすることができ、航空機の燃費の大幅な低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施例に係わるエアサイクル形空調システムの構成を示すシステム構成図である。
【図３】実施例に係わる制御手段とその制御端を示すブロック図である。
【図４】従来の航空機用空気調和装置のシステム構成図である。
【符号の説明】
１Ａ  抽気
１Ｄ  循環空気
６  ミキシングチャンバ
７  アウトフローバルブ
８  切替バルブ
１０ａ  制御バルブ
１０ｂ  制御バルブ
１１Ａ  抽気
１１Ｂ  ラムエア
１１Ｃ  排気空気
１１Ｅ  供給空気
１２  エアサイクルマシン
１２ａ  コンプレッサ
１２ｂ  排気タービン
１２ｃ  電動モータ
１３  制御バルブ
１４  熱交換器
１５  供給ライン
１６  排気ライン
１７  制御バルブ
Ａ  排気利用形空調システム
Ｂ  エアサイクル形空調システム
Ｒ  機内与圧室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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