(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンがコンプレッサを駆動する駆動力の低下や冷房能力の低下を招くことなく、効果的にタービン入口における空気の温度を上昇させる。【解決手段】内部でエンジン抽気を断熱膨張させることにより駆動されるタービン３、及びこのタービンとともに回転しエンジン抽気を圧縮し、タービンに吐出するコンプレッサ４を結合したエアサイクルマシンＡＣＭと、コンプレッサの出口とタービンの入口とを連通するブートストラップ回路６と、タービンの出口３ｂと予圧室２とを接続する給気ライン中に設けられた水分離器１１と、ブートストラップ回路中に配され、コンプレッサで圧縮し昇温させた空気を冷却する熱交換器８，９と、外気を２次熱交換器９に供給するためのラムエア通路１０とを具備する空調装置において、外部の高温空気を利用してブートストラップ回路６を流通する空気の過冷却を抑制する３次熱交換器１６をさらに備える。【選択図】図１
2012255613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部でエンジン抽気を断熱膨張させることにより駆動されるタービン及びこのタービンとともに回転しエンジン抽気を圧縮し前記タービンに吐出するコンプレッサを結合したエアサイクルマシンと、前記コンプレッサの出口と前記タービンの入口とを連通するブートストラップ回路と、前記タービンの出口と予圧室とを接続する給気ライン中に設けられ空気中の水分を取り除く水分離器と、前記ブートストラップ回路中に配され前記コンプレッサで圧縮し昇温させた空気を外気との熱交換により冷却する冷却用熱交換器と、外気を前記冷却用熱交換器に供給するための外気通路とを具備する空調装置であって、外部の高温空気を利用して前記ブートストラップ回路内を流通する空気の過冷却を抑制する過冷却抑制手段をさらに具備することを特徴とする空調装置。
【請求項２】
前記過冷却抑制手段が、前記冷却用熱交換器を通過した空気と外部の高温空気との熱交換を行う過冷却抑制用熱交換器である請求項１記載の空調装置。
【請求項３】
前記過冷却抑制手段が、前記外気通路内に外部の高温空気を導入するための外部高温空気導入路と、タービン入口の空気の温度を測定可能なタービン入口温度センサと、前記外部高温空気導入路中に設けられ前記タービン入口温度センサが示す温度が所定温度を下回る場合に開弁し外気通路内への外部の高温空気の導入を許可する高温空気弁とを備えている請求項１記載の空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機等に主に用いられる空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図４に示すように、航空機等に主に用いられる空調装置において、内部でエンジン抽気を断熱膨張させることにより駆動されるタービンａ３及びこのタービンａ３とともに回転しエンジンａ１から抽出した抽気を圧縮し前記タービンａ３に吐出するコンプレッサａ４を結合したエアサイクルマシンａＡＣＭと、このエアサイクルマシンａＡＣＭにエンジン抽気を供給する抽気ラインａ５と、前記コンプレッサａ４の出口（以下、コンプレッサ出口ａ４ａと称する）と前記タービンａ３の入口（以下、タービン入口ａ３ａと称する）とを連通するブートストラップ回路ａ６と、前記タービンａ３の出口（以下、タービン出口ａ３ｂと称する）と予圧室ａ２とを接続する給気ラインａ７と、この給気ラインａ７に設けられ空気中の水分を取り除く水分離器ａ１１と、前記コンプレッサａ４に供給するエンジン抽気を外気（以下、ラムエアと称する）との熱交換により冷却する予冷却用熱交換器たる１次熱交換器ａ８と、前記ブートストラップａ６回路中に配され前記コンプレッサａ４で圧縮し昇温させた空気をラムエアとの熱交換により冷却する冷却用熱交換器たる２次熱交換器ａ９と、ラムエアを前記１次熱交換器ａ８及び２次熱交換器ａ９に供給するための外気通路たるラムエア通路ａ１０とを具備する構成が広く採用されている。また、この空調装置ａＡＣは、タービン出口ａ３ｂにおける空気の温度を測定可能なタービン出口温度センサａ１２と、抽気ラインａ５と給気ラインａ７とを連通するアンチアイスラインａ１３と、このアンチアイスラインａ１３中に設けてなるアンチアイスバルブａ１４と、このアンチアイスバルブａ１４の開閉させる制御を行う制御装置ａ１５とをさらに具備する。詳述すると、タービン出口温度センサａ１２は、タービン出口ａ３ｂの温度を示す信号ａを制御装置ａ１５に出力する。制御装置ａ１５は、前記タービン出口温度センサａ１２から出力される信号ａが示す空気の温度が所定温度以下である場合にアンチアイスバルブａ１４を開弁させるための信号ｐを出力し、その他の場合にはアンチアイスバルブａ１４を閉弁させるための信号ｐを出力する。（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このような空調装置ａＡＣにおいて、タービン入口ａ３ａにおける空気の温度が低い場合には、タービンａ３内部で空気が断熱膨張する際に空気中の水分が氷結し、氷結した水分がタービン翼等に付着する結果、エアサイクルマシンａＡＣＭの運転状態が不安定となって故障するなどの不具合が発生しうる。このような不具合の発生を防止するために、２次熱交換器ａ９とタービンａ３との間に空気の温度を上昇させるための過冷却抑制手段を設けることが考えられている。このような過冷却抑制手段の一例として、例えば以下に述べるようなものが考えられる。このものは、前記図４に示すように、コンプレッサａ４と２次熱交換器ａ９との間に一端部を接続してなるとともに２次熱交換器ａ９とタービンａ３との間に他端部を接続してなるバイパス流路ａ２１と、このバイパス流路ａ２１中に設けられるバイパス弁ａ２２と、タービン入口ａ３ａの空気の温度を測定可能なタービン入口温度センサａ２３とを備えている。そして、前記制御装置ａ１５は、タービン入口温度センサａ２３からの信号ｂを受け付けこの信号ｂが示す温度が所定温度以下である場合に前記バイパス弁ａ２１を開弁するための信号ｑを出力する。
【０００４】
しかし、このような構成では、バイパス流路ａ２１の上流側端部と下流側端部との間の差圧は２次熱交換器ａ９の圧力損失分のみであるので小さく、バイパス流路ａ２１の流量を十分確保できないことがある。一方で、この差圧を大きくすべく、２次熱交換器ａ９とバイパス流路ａ２１の下流側端部との間に絞りを設けると、タービン入口ａ３ａに達する空気流量が低下することに伴うタービンａ３がコンプレッサａ４を駆動する駆動力の低下や、絞りを設けたことによるこの空調装置ａＡＣを通過する空気流量の低下に伴い、この空調装置ａＡＣの冷房能力が低下するという別の不都合が生じる。さらに、バイパス流路ａ２１を通過する流量が大きくなると、２次熱交換器ａ９に導かれる空気の流量は小さくなるので、２次熱交換器ａ９を通過する空気の温度が大きく低下し、「タービン入口における空気の温度を上昇させる」効果が相殺されてしまうというさらに別の不都合も生じうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４４３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は以上の点に着目し、タービンがコンプレッサを駆動する駆動力の低下や冷房能力の低下を招くことなく、効果的にタービン入口における空気の温度を上昇させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る空調装置は、内部でエンジン抽気を断熱膨張させることにより駆動されるタービン及びこのタービンとともに回転しエンジン抽気を圧縮し前記タービンに吐出するコンプレッサを結合したエアサイクルマシンと、前記コンプレッサの出口と前記タービンの入口とを連通するブートストラップ回路と、前記タービンの出口と予圧室とを接続する給気ライン中に設けられ空気中の水分を取り除く水分離器と、前記ブートストラップ回路中に配され前記コンプレッサで圧縮し昇温させた空気を外気との熱交換により冷却する冷却用熱交換器と、外気を前記冷却用熱交換器に供給するための外気通路とを具備する空調装置であって、外部の高温空気を利用して前記ブートストラップ回路内を流通する空気の過冷却を抑制する過冷却抑制手段をさらに具備することを特徴とする。
【０００８】
このようなものであれば、ブートストラップ回路中の冷却用熱交換器より上流部分の空気のみを利用してタービン入口における空気温度を上昇させる従来のものと比較して、外部の高温空気を直接利用してブートストラップ回路を流通する空気の過冷却を抑制することにより、タービンがコンプレッサを駆動する駆動力の低下や冷房能力の低下を招くことなく、効果的にタービン入口における空気の温度を上昇させることができる。
【０００９】
このような空調装置の一例として、前記過冷却抑制手段が、前記冷却用熱交換器を通過した空気と外部の高温空気との熱交換を行う過冷却抑制用熱交換器であるものが挙げられる。このようなものであれば、前記冷却用熱交換器を通過した空気がさらに過冷却抑制用熱交換器を通過する際に、外部の高温空気との熱交換により温度が上昇するので、コンプレッサと冷却用熱交換器との間に一端部を接続してなるとともに冷却用熱交換器とタービンとの間に他端部を接続してなるバイパス流路を省略してもタービン入口における空気の温度を上昇させることができる。
【００１０】
このような空調装置の他の一例として、前記過冷却抑制手段が、前記外気通路内に外部の高温空気を導入するための外部高温空気導入路と、タービン入口の空気の温度を測定可能なタービン入口温度センサと、前記外部高温空気導入路中に設けられ前記タービン入口温度センサが示す温度が所定温度を下回る場合に開弁し外気通路内への外部の高温空気の導入を許可する高温空気弁とを備えているものが挙げられる。このようなものであれば、タービン入口を通過する空気の温度が所定温度を下回る場合に高温空気弁が開弁して外気通路内へ外部の高温空気が導入されるので、熱交換器においてブートストラップ回路内の空気と熱交換を行う空気の温度が上昇することによりブートストラップ回路内の空気の過冷却を防止できる。従って、簡単な構成によりタービン入口における空気の温度を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、タービンがコンプレッサを駆動する駆動力の低下や冷房能力の低下を招くことなく、効果的にタービン入口における空気の温度を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一実施形態に係る空調装置を概略的に示す図。
【図２】本発明の第二実施形態に係る空調装置を概略的に示す図。
【図３】本発明の第三実施形態に係る空調装置を概略的に示す図。
【図４】従来の空調装置を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の第一実施形態について、図１を参照しつつ以下に示す。
【００１４】
本実施形態に係る空調装置ＡＣ１は、図１に概略図を示すように、エンジン１と与圧室２との間に設けられる。具体的には、この空調装置ＡＣ１は、内部でエンジン抽気を断熱膨張させることにより駆動されるタービン３及びこのタービン３とともに回転しエンジン１から抽出した抽気を圧縮し前記タービン３に吐出するコンプレッサ４を単軸結合したエアサイクルマシンＡＣＭと、このエアサイクルマシンＡＣＭにエンジン抽気を供給する抽気ライン５と、前記コンプレッサ４の出口（以下、コンプレッサ出口４ａと称する）とタービン３の入口（以下、タービン入口３ａと称する）とを連通するブートストラップ回路６と、前記タービン３の出口（以下、タービン出口３ｂと称する）と予圧室２とを接続する給気ライン７と、前記抽気ライン５中に設けられ外気との熱交換によりエンジン抽気を冷却する１次熱交換器８と、前記ブートストラップ回路６中に設けられコンプレッサ４で圧縮し昇温させた空気を外気との熱交換により冷却する２次熱交換器９と、外気を前記１次熱交換器８及び２次熱交換器９に供給する外気通路たるラムエア通路１０と、前記給気ライン７に設けられ空気中の水分を取り除く水分離器１１とを具備する。ここで、２次熱交換器９が請求項中の冷却用熱交換器である。
【００１５】
また、この空調装置ＡＣ１は、タービン出口３ｂにおける空気の温度を測定可能なタービン出口温度センサ１２と、抽気ライン５と給気ライン７とを連通するアンチアイスライン１３と、このアンチアイスライン１３中に設けてなるアンチアイスバルブ１４と、このアンチアイスバルブ１４の開閉させる制御を行う制御装置１５と、ブートストラップ回路６を流通する空気の過冷却を抑制すべく前記２次熱交換器９を通過した空気と外部の高温空気、具体的にはアンチアイスライン１３内を流通する空気との熱交換を行う過冷却抑制手段である過冷却抑制用熱交換器すなわち３次熱交換器１６とをさらに具備する。詳述すると、タービン出口温度センサ１２は、タービン出口３ｂの温度を示す信号ａを制御装置１５に出力する。制御装置１５は、前記タービン出口温度センサ１２から出力される信号ａが示す空気の温度が所定温度以下である場合にアンチアイスバルブ１４を開弁させるための信号ｐを出力し、その他の場合にはアンチアイスバルブ１４を閉弁させるための信ｐを出力する。
【００１６】
すなわち本実施形態においては、エンジン抽気は、まず抽気ライン５内を流通し、この抽気ライン５中に設けられた１次熱交換器８を通過する際にラムエア通路１０を流通するラムエアと熱交換を行い冷却される。次いで、コンプレッサ４内で断熱圧縮されてコンプレッサ出口４ａからブートストラップ回路６に導かれる。このブートストラップ回路６中に設けられた２次熱交換器９を通過する際に再度ラムエア通路１０を流通するラムエアと熱交換を行い冷却される。その後、３次熱交換器１６を通過し、タービン３内で断熱膨張して給気ライン７に導入される。ここで、タービン入口３ａにおける空気の温度が低い場合には、タービン３内で空気が断熱膨張してその温度が氷点下に低下して空気中に含まれる水分が氷結し、氷結した水分がタービン３のタービン翼に付着することがあり得るが、この場合は、タービン出口温度センサ１２の出力信号ａが示すタービン出口３ｂにおける空気温度も所定温度を下回るので、制御装置１５がアンチアイスバルブ１４を開弁するための信号ｐを出力する制御を行う。このとき、アンチアイスライン１３内を高温のエンジン抽気が流通し、３次熱交換器１６を通過しタービン入口３ａに達するブートストラップ回路６内の空気は加熱されることになる。
【００１７】
以上に述べたように、本実施形態に係る空調装置ＡＣ１の構成によれば、少なくともタービン出口温度センサ１２が示すタービン出口３ｂにおける空気温度が所定温度を下回る際に、３次熱交換器１６にエンジン抽気を直接導入してブートストラップ回路６を流通する空気を加熱、すなわち空気の過冷却を抑制している。従って、コンプレッサ４と２次熱交換器９との間に一端部を接続してなるとともに２次熱交換器９とタービン３との間に他端部を接続してなるバイパス流路、及びこのバイパス流路の両端の差圧を大きくしバイパス通路の流量を確保するための絞りを設ける構成で生じる、タービン３がコンプレッサ４を駆動する駆動力の低下や冷房能力の低下といった不都合を招くことなく、効果的にタービン入口３ａにおける空気の温度を上昇させることにより、氷結した水分がタービン３のタービン翼に付着することを防ぐことができる。
【００１８】
次いで、本発明の第二実施形態について、図２を参照しつつ以下に示す。
【００１９】
本実施形態に係る空調装置ＡＣ２は、以下の点を除いて、上述した第一実施形態に係る空調装置ＡＣ１と同一の構成を有する。なお、上述した第一実施形態に係る空調装置ＡＣ１におけるものに対応する部位には、同一の符号及び名称を付している。
【００２０】
具体的には、この空調装置ＡＣ２は、第一実施形態に係る空調装置ＡＣ１におけるものに対応する各部に加えて、コンプレッサ４と２次熱交換器９との間に一端部を接続してなるとともに２次熱交換器９とタービン３との間に他端部を接続してなるバイパス流路２１と、このバイパス流路２１中に設けられるバイパス弁２２と、タービン入口３ａの空気温度を検知可能なタービン入口温度センサ２３とをさらに有する。また、制御装置１５は、タービン入口温度センサ２３からの信号ｂを受け付けこの信号ｂが示すタービン入口３ａの空気温度が所定温度を下回る場合に前記バイパス弁２２を開弁させるための信号ｑを出力する制御をも行う。
【００２１】
この実施形態においても、タービン３を通過する空気の温度が低い場合には３次熱交換器１６を通過する空気がエンジン抽気と熱交換を行うことにより加熱されるので、バイパス流路２１の両端の差圧を大きくすべく設けられる絞りを設けなくともタービン入口３ａに達する空気の温度を高くしタービン３内での空気中の水分の氷結を防ぐことができるという効果が得られる。
【００２２】
次いで、本発明の第三実施形態について、図３を参照しつつ以下に示す。
【００２３】
本実施形態に係る空調装置ＡＣ３は、以下の点を除いて、上述した第二実施形態に係る空調装置ＡＣ２と同一の構成を有する。なお、上述した第二実施形態に係る空調装置ＡＣ２におけるものに対応する部位には、同一の符号及び名称を付している。
【００２４】
具体的には、この空調装置ＡＣ３は、第二実施形態に係る空調装置ＡＣ２における３次熱交換器１６に代えて、前記ラムエア通路１０内に外部の高温空気、具体的にはエンジン抽気を導入するための外部高温空気導入路３２と、タービン入口３ａの排気の温度を測定可能なタービン入口温度センサ２３と、前記外部高温空気導入路３２中に設けられ前記タービン入口温度センサ２３が示す温度が所定温度を下回る場合に開弁しラムエア通路１０内への外部の高温空気の導入を許可する高温空気弁３３とを有する過冷却抑制手段３１を具備する。制御装置１５は、タービン入口温度センサ２３からの信号ｂを受け付けこの信号が示すタービン入口３ａの空気温度が所定温度を下回る場合に前記高温空気弁３３を開弁させるための信号ｒを出力する制御をも行う。
【００２５】
また、この空調装置ＡＣ３は、上述した第二実施形態に係る空調装置ＡＣ２と同様に、コンプレッサ４と２次熱交換器９との間に一端部を接続してなるとともに２次熱交換器９とタービン３との間に他端部を接続してなるバイパス流路２１と、このバイパス流路２１中に設けられるバイパス弁２２とをさらに有し、制御装置１５は、タービン入口温度センサ２３からの信号ｂを受け付けこの信号が示すタービン入口３ａの空気温度が所定温度を下回る場合に前記バイパス弁２２を開弁させるための信号ｑを出力する制御をも行う。但し、これらバイパス流路２１及びバイパス弁２２は省略してよい。
【００２６】
すなわち本実施形態においては、エンジン抽気は、まず抽気ライン５内を流通し、この抽気ライン５中に設けられた１次熱交換器８を通過する際にラムエア通路１０内を流通するラムエアと熱交換を行い冷却される。次いで、コンプレッサ４内で断熱圧縮されてコンプレッサ出口４ａからブートストラップ回路６に導かれる。このブートストラップ回路６中に設けられた２次熱交換器９を通過する際に再度ラムエア通路１０内を流通するラムエアと熱交換を行い冷却される。その後、タービン３内で断熱膨張して給気ライン７に導入される。ここで、タービン入口３ａにおける空気の温度が低い場合には、制御装置１５が高温空気弁３３を開弁する制御を行う。このとき、ラムエア通路１０に高温のエンジン抽気が導入されるので、１次熱交換器８及び２次熱交換器９においてブートストラップ回路６内を流通する空気と熱交換を行うラムエアの温度が上昇する。
【００２７】
以上に述べたように、本実施形態によれば、少なくともタービン入口温度センサ２３が示すタービン入口３ａにおける空気温度が所定温度を下回る際に、高温空気弁３３が開弁し、１次熱交換器８及び２次熱交換器９においてブートストラップ回路６内を流通する空気と熱交換を行う空気の温度が上昇するので、１次熱交換器８及び２次熱交換器９におけ空気の過冷却を防止でき、タービン３がコンプレッサ４を駆動する駆動力の低下や冷房能力の低下といった不都合を招くことなく、簡単な構成で効果的にタービン入口３ａにおける空気の温度を上昇させることができる。
【００２８】
なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。
【００２９】
例えば、上述した第一実施形態及び第二実施形態では、タービン出口の温度が所定温度以下である場合にアンチアイスバルブ１４を開弁し、タービン出口３ｂの温度が所定温度を上回る場合にアンチアイスバルブを閉弁するようにしているが、全閉状態と全開状態との間で開度を連続的又は段階的に変更可能な弁をアンチアイスバルブ１４として採用し、タービン出口３ｂの温度が第一の所定温度を下回る場合にアンチアイスバルブ１４を開弁するとともにタービン出口３ｂの温度が第一の所定温度より高温側の第二の所定温度を上回る場合にアンチアイスバルブ１４を閉弁し、タービン出口３ｂの温度が第一の所定温度を上回り第二の所定温度を下回る場合にはタービン出口３ｂの温度が低下するにつれアンチアイスバルブ１４の開度を増大させる制御を行うようにしてもよい。
【００３０】
また、上述した第三実施形態では、タービン入口３ａの温度が所定温度以下である場合に高温空気弁３３を開弁し、タービン入口３ａの温度が所定温度を上回る場合に高温空気弁３３を閉弁するようにしているが、全閉状態と全開状態との間で開度を連続的又は段階的に変更可能な弁を高温空気弁３３として採用し、タービン入口３ａの温度が第一の所定温度を下回る場合に高温空気弁３３を開弁するとともにタービン入口３ａの温度が第一の所定温度より高温側の第二の所定温度を上回る場合に高温空気弁３３を閉弁し、タービン入口３ａの温度が第一の所定温度を上回り第二の所定温度を下回る場合にはタービン出口の温度が低下するにつれ高温空気弁３３の開度を増大させる制御を行うようにしてもよい。
【００３１】
その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。
【符号の説明】
【００３２】
３…タービン
３ａ…タービン入口
３ｂ…タービン出口
４…コンプレッサ
４ａ…コンプレッサ出口
６…ブートストラップ回路
７…給気ライン
９…２次熱交換器（冷却用熱交換器）
１０…ラムエア通路（外気通路）
１１…水分離器
１２…タービン出口温度センサ
１５…制御装置
１６…３次熱交換器（過冷却抑制手段、過冷却抑制用熱交換器）
２３…タービン入口温度センサ
３１…過冷却抑制手段
３２…外部高温空気導入路
３３…高温空気弁
【図１】
2012255613.tif 000003
【図２】
2012255613.tif 000004
【図３】
2012255613.tif 000005
【図４】
2012255613.tif 000006