(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの抽出空気を冷却することで機内の換気用空気にする冷却装置を備え、
その冷却装置は膨張タービンとコンプレッサとを有し、
エンジンからの抽出空気を、前記コンプレッサにより圧縮した後に前記膨張タービンにより膨張させる低高度状態と、前記コンプレッサにより圧縮することなく前記膨張タービンにより膨張させる高々度状態との間で状態変更可能とされ、
その高々度状態において、ラム空気を前記コンプレッサにより圧縮することで前記換気用空気に混合される換気用空気とすることが可能とされている航空機用空調システムにおいて、
前記膨張タービンに接続される第２膨張タービンが設けられ、
前記コンプレッサに直列に接続されると共に前記両膨張タービンの中の一方の出力により駆動される第２コンプレッサが設けられ、
前記コンプレッサは両膨張タービンの中の他方の出力により駆動され、
前記膨張タービンと第２膨張タービンとは、前記低高度状態では互いに直列に接続され、前記高々度状態では互いに並列に接続され、
その膨張タービンの入口ノズル面積は第２膨張タービンの入口ノズル面積よりも大きくされ、
その低高度状態では、エンジンからの抽出空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮され、しかる後に前記膨張タービンにより膨張された後に前記第２膨張タービンにより膨張され、
その高々度状態では、エンジンからの抽出空気は前記コンプレッサと第２コンプレッサにより圧縮されることなく前記膨張タービンと第２膨張タービンとにより膨張され、ラム空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮されることを特徴とする航空機用空調システム。
【請求項２】
エンジンからの抽出空気を冷却することで機内の換気用空気にする冷却装置を備え、
その冷却装置は膨張タービンとコンプレッサとを有し、
エンジンからの抽出空気を、前記コンプレッサにより圧縮した後に前記膨張タービンにより膨張させる低高度状態と、前記コンプレッサにより圧縮することなく前記膨張タービンにより膨張させる高々度状態との間で状態変更可能とされ、
その高々度状態において、ラム空気を前記コンプレッサにより圧縮することで前記換気用空気に混合される換気用空気とすることが可能とされている航空機用空調システムにおいて、
前記コンプレッサに直列に接続されると共に前記膨張タービンの出力により前記コンプレッサと共に駆動される第２コンプレッサが設けられ、
前記低高度状態では、エンジンからの抽出空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮され、
前記高々度状態では、ラム空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮されることを特徴とする航空機用空調システム。
【請求項３】
その膨張タービンの入口ノズル面積が、その高々度状態において低高度状態よりも大きくなるように可変とされている請求項２に記載の航空機用空調システム。
【請求項４】
エンジンからの抽出空気を冷却することで機内の換気用空気にする冷却装置を備え、
その冷却装置は膨張タービンとコンプレッサとを有し、
エンジンからの抽出空気を、前記コンプレッサにより圧縮した後に前記膨張タービンにより膨張させる低高度状態と、前記コンプレッサにより圧縮することなく前記膨張タービンにより膨張させる高々度状態との間で状態変更可能とされ、
その高々度状態において、ラム空気を前記コンプレッサにより圧縮することで前記換気用空気に混合される換気用空気とすることが可能とされている航空機用空調システムにおいて、
そのコンプレッサを駆動する膨張タービンの入口ノズル面積が、その高々度状態において低高度状態よりも大きくなるように可変とされていることを特徴とする航空機用空調システム。
【請求項５】
エンジンからの抽出空気を冷却することで機内の換気用空気にする冷却装置を備え、
その冷却装置は膨張タービンとコンプレッサとを有し、
エンジンからの抽出空気を、前記コンプレッサにより圧縮した後に前記膨張タービンにより膨張させる低高度状態と、前記コンプレッサにより圧縮することなく前記膨張タービンにより膨張させる高々度状態との間で状態変更可能とされ、
その高々度状態において、ラム空気を前記コンプレッサにより圧縮することで前記換気用空気に混合される換気用空気とすることが可能とされている航空機用空調システムにおいて、
前記膨張タービンに接続される第２膨張タービンが設けられ、
前記コンプレッサに直列に接続されると共に前記両膨張タービンの中の一方の出力により駆動される第２コンプレッサが設けられ、
前記コンプレッサは両膨張タービンの中の他方の出力により駆動され、
前記膨張タービンと第２膨張タービンとは、前記低高度状態では互いに直列に接続され、前記高々度状態では互いに並列に接続され、
その低高度状態では、エンジンからの抽出空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮され、しかる後に前記膨張タービンにより膨張された後に前記第２膨張タービンにより膨張され、
その高々度状態では、エンジンからの抽出空気は前記コンプレッサと第２コンプレッサにより圧縮されることなく前記膨張タービンと第２膨張タービンとにより膨張され、ラム空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮されることを特徴とする航空機用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定翼機および回転翼機を含む航空機の空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機における空調システムとして、エンジンからの抽出空気を冷却することで機内の換気用空気にする冷却装置を備え、その冷却装置は、膨張タービンと、その膨張タービンの出力により駆動されるコンプレッサとを有する所謂エアサイクルマシンにより主構成されている。エンジンからの抽出空気はコンプレッサでほぼ断熱圧縮され、ラム空気との熱交換で冷却され、しかる後に膨張タービンでほぼ断熱膨張されることで、機内の換気用空気となる冷気が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
旅客機のような乗客の多い航空機においては換気に必要な空気量が多いことから、全てをエンジンからの抽出空気で賄おうとするとエンジンの燃料消費量が増大してしまう。そこで、エンジンからの抽出空気を、前記コンプレッサにより圧縮した後に前記膨張タービンにより膨張させる低高度状態と、前記コンプレッサにより圧縮することなく前記膨張タービンにより膨張させる高々度状態との間で状態変更可能とし、その高々度状態において、ラム空気を前記コンプレッサにより圧縮することで前記換気用空気に混合される換気用空気を得ることが可能とされている航空機用空調システムが提案されている。
【０００４】
図４の比較例に示す航空機用空調システムは、低高度状態においてはエンジン１０１からの抽出空気を第１熱交換器１０２により冷却した後、単一のコンプレッサ１０３で圧縮し、これにより昇温された空気を第２熱交換器１０４により冷却し、さらに再生器１０５で冷却し、コンデンサ１０６で凝縮させ、ウォータセパレータ１０７で水分除去し、再生器１０５で冷却用に用いた後に単一の膨張タービン１０８で膨張させる。これにより得られた冷気をコンデンサ１０６で冷却用に用いた後にキャビン１０９に換気用空気として供給している。そのコンプレッサ１０３は回転シャフトＲを共有することで膨張タービン１０８の出力により駆動される。そのコンプレッサ１０３により駆動するファン１１０が熱交換器１０２、１０４における冷却用のラム空気を吸引している。
その第１熱交換器１０２とコンプレッサ１０３とを接続する配管に第１開閉バルブ１１５を設け、第２熱交換器１０４と再生器１０５とを接続する配管に第２開閉バルブ１１６を設けている。また、ラム空気をチェックバルブ１１７を介してコンプレッサ１０３に導入するための配管１１８を設け、第１熱交換器１０２と膨張タービン１０８とを接続する配管１１９に第３開閉バルブ１２０を設け、第２熱交換器１０４をコンデンサ１０６とキャビン１０９との間の配管に接続する配管１２１に第４開閉バルブ１２２を設けている。
低高度状態においては第１開閉バルブ１１５、第２開閉バルブ１１６が開かれ、チェックバルブ１１７、第３開閉バルブ１２０、第４開閉バルブ１２２が閉じられる。高々度状態においては第１開閉バルブ１１５、第２開閉バルブ１１６が閉じられ、チェックバルブ１１７、第３開閉バルブ１２０、第４開閉バルブ１２２が開かれる。
これにより高々度状態では、第１熱交換器１０２を介して膨張タービン１０８に圧縮されることなく導入されたラム空気が膨張されることで換気用空気とされる。また、チェックバルブ１１７を介して圧縮されることなくコンプレッサ１０３に導入されたラム空気が圧縮された後に第２熱交換器１０４で冷却されることで換気用空気とされ、膨張タービン１０８により膨張された換気用空気と混合されてキャビン１０９に導入される。
【０００５】
高々度状態においてはラム空気圧力が低いことから、ラム空気を機内空気として適正な圧力まで昇圧するにはコンプレッサ１０３の圧縮動力を大きくし、また、圧縮比を高くする必要がある。しかし、高々度においてはエンジン出力を絞って巡航することが要求されるため、換気に必要な空気量が多い場合、コンプレッサ１０３での圧縮のための大きな動力を確保し、また、圧縮比を高くするのが困難であった。
本発明は上記従来技術の問題点を解決することのできる空調システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンからの抽出空気を冷却することで機内の換気用空気にする冷却装置を備え、その冷却装置は膨張タービンとコンプレッサとを有し、エンジンからの抽出空気を、前記コンプレッサにより圧縮した後に前記膨張タービンにより膨張させる低高度状態と、前記コンプレッサにより圧縮することなく前記膨張タービンにより膨張させる高々度状態との間で状態変更可能とされ、その高々度状態において、ラム空気を前記コンプレッサにより圧縮することで前記換気用空気に混合される換気用空気とすることが可能とされている航空機用空調システムに適用される。
【０００７】
本発明の第１の特徴は、前記膨張タービンに接続される第２膨張タービンが設けられ、前記コンプレッサに直列に接続されると共に前記両膨張タービンの中の一方の出力により駆動される第２コンプレッサが設けられ、前記コンプレッサは両膨張タービンの中の他方の出力により駆動され、前記膨張タービンと第２膨張タービンとは、前記低高度状態では互いに直列に接続され、前記高々度状態では互いに並列に接続され、その膨張タービンの入口ノズル面積は第２膨張タービンの入口ノズル面積よりも大きくされ、その低高度状態では、エンジンからの抽出空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮され、しかる後に前記膨張タービンにより膨張された後に前記第２膨張タービンにより膨張され、その高々度状態では、エンジンからの抽出空気は前記コンプレッサと第２コンプレッサにより圧縮されることなく前記膨張タービンと第２膨張タービンとにより膨張され、ラム空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮される点にある。
本発明によれば、高々度においてはラム空気をエンジンにより圧縮することなく機内に導入してコンプレッサと第２コンプレッサにより圧縮すると共に、エンジン抽出空気をコンプレッサと第２コンプレッサで圧縮することなく互いに並列接続された膨張タービンと第２膨張タービンに導入して膨張させる。そのコンプレッサと第２コンプレッサにより圧縮した空気と膨張タービンと第２膨張タービンにより膨張させた空気とを混合して換気用空気とする。低高度では膨張タービンと第２膨張タービンは互いに直列接続されるため、膨張タービンの入口ノズル面積は第２膨張タービンの入口ノズル面積よりも大きくされる。よって、膨張タービンと第２膨張タービンを流れる全体の空気流量を、互いに直列接続される低高度におけるよりも互いに並列接続される高々度で多くすることができる。これにより、高々度においてラム空気を圧縮するためのタービン動力を増大することができる。また、ラム空気をコンプレッサと第２コンプレッサにより２段圧縮することで、コンプレッサ１台当たりの圧力比が低くてよいため、ラム空気の圧縮比を高くすることができる。
【０００８】
本発明の第２の特徴は、前記コンプレッサに直列に接続されると共に前記膨張タービンの出力により前記コンプレッサと共に駆動される第２コンプレッサが設けられ、前記低高度状態では、エンジンからの抽出空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮され、前記高々度状態では、ラム空気は前記コンプレッサにより圧縮された後に前記第２コンプレッサにより圧縮される点にある。
これにより、ラム空気をコンプレッサと第２コンプレッサにより２段圧縮することで、コンプレッサ１台当たりの圧力比が低くてよいため、ラム空気の圧縮比を高くすることができる。
【０００９】
本発明の第３の特徴は、そのコンプレッサを駆動する膨張タービンの入口ノズル面積が、その高々度状態において低高度状態よりも大きくなるように可変とされている点にある。
これにより、膨張タービンを流れる全体の空気流量を高々度で多くすることができ、高々度においてラム空気を圧縮するためのタービン動力を増大することができる。この第３の特徴を第２の特徴と組み合わせもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に示す航空機用の空調システムＡは、第１のエアサイクルマシンαと第２のエアサイクルマシンβとから構成される冷却装置を備える。その第１のエアサイクルマシンαは、エンジン１からの抽出空気を膨張させる第２膨張タービン８と、この第２膨張タービン８の出力により駆動されるコンプレッサ３とを有する。その第２のエアサイクルマシンβは、エンジン１からの抽出空気を膨張させる膨張タービン６と、この膨張タービン６の出力により駆動される第２コンプレッサ４とを有する。その冷却装置によりエンジン１からの抽出空気を冷却することで機内の換気用空気にする。その空調システムＡは低高度状態と高々度状態との間で状態変更可能とされている。
【００１１】
低高度状態においては、エンジン１からの抽出空気を第１熱交換器２により冷却した後、コンプレッサ３により圧縮し、さらにコンプレッサ３に対して直列に接続された第２コンプレッサ４により圧縮し、これにより昇温された空気を第２熱交換器５により冷却した後に膨張タービン６により膨張させ、ウォータセパレータ７により水分除去し、さらに膨張タービン６に対して低高度では直列に接続される第２膨張タービン８により膨張させる。これにより得られた冷気をキャビン９に換気用空気として供給している。そのコンプレッサ３は第２膨張タービン８と回転シャフトＲ１を共有することで第２膨張タービン８の出力により駆動され、第２コンプレッサ４は膨張タービン６と回転シャフトＲ２を共有することで膨張タービン６の出力により駆動される。そのコンプレッサ３により駆動するファン１０が熱交換器２、５における冷却用のラム空気を吸引している。なお、航空機が地上にあってエンジン１が停止している際は、エンジン１に代えてＡｕｘｉｌｉａｒｙ  Ｐｏｗｅｒ  Ｕｎｉｔと呼ばれる高圧空気供給ユニットから高圧空気が空調システムＡに供給される。
【００１２】
その第１熱交換器２とコンプレッサ３とを接続する配管に第１開閉バルブ１１を設け、第２熱交換器５と膨張タービン６とを接続する配管に第１チェックバルブ１２を設け、ウォータセパレータ７と第２膨張タービン８とを接続する配管に第２チェックバルブ１３を設けている。また、ラム空気を第３チェックバルブ１４を介してコンプレッサ３に導入するための配管１５を設け、第１熱交換器２と両膨張タービン６、８とを接続する配管１６に第２開閉バルブ１７を設け、第２熱交換器５を第２膨張タービン８とキャビン９との間の配管に接続する配管１８に第３開閉バルブ１９を設けている。
【００１３】
その第１開閉バルブ１１、第１チェックバルブ１２、第２チェックバルブ１３が開かれ、第３チェックバルブ１４、第２開閉バルブ１７、第３開閉バルブ１９が閉じられることで低高度状態となる。その第１開閉バルブ１１、第１チェックバルブ１２、第２チェックバルブ１３が閉じられ、第３チェックバルブ１４、第２開閉バルブ１７、第３開閉バルブ１９が開かれることで高々度状態になる。なお、開閉バルブ１１、１７、１９は電磁バルブとされ、航空機に搭載される制御装置からの信号により開閉され、チェックバルブ１２、１３、１４は空気圧差により開閉される。その開閉バルブ１１、１７、１９の開閉信号は、高度に応じて自動的に出力されてもよいし、オペレータの操作により出力されてもよい。
【００１４】
高々度状態では、第１熱交換器２を介して膨張タービン６と、この膨張タービン６に対して並列に接続される第２膨張タービン８とに、コンプレッサ３と第２コンプレッサ４により圧縮されることなく導入されたラム空気が、膨張タービン６と第２膨張タービン８とにより膨張させられる。これにより得られた冷気が換気用空気とされる。また、第３チェックバルブ１４を介してエンジン１により圧縮されることなくコンプレッサ３に導入されたラム空気が、そのコンプレッサ３により圧縮された後に第２コンプレッサ４によりさらに圧縮され、第２熱交換器５で冷却されることで換気用空気とされ、各膨張タービン６、８により膨張された換気用空気と混合されてキャビン９に導入される。
【００１５】
上記実施形態によれば、高々度においてはラム空気をエンジン１により圧縮することなく機内に導入してコンプレッサ３と第２コンプレッサ４により圧縮すると共に、エンジン抽出空気をコンプレッサ３と第２コンプレッサ４で圧縮することなく互いに並列接続された膨張タービン６と第２膨張タービン８に導入して膨張させる。そのコンプレッサ３と第２コンプレッサ４により圧縮した空気と膨張タービン６と第２膨張タービン８により膨張させた空気とを混合して換気用空気としている。低高度では膨張タービン６と第２膨張タービン８は互いに直列接続されるため、膨張タービン６の入口ノズル面積は第２膨張タービン８の入口ノズル面積よりも大きくされる。よって、膨張タービン６と第２膨張タービン８を流れる全体の空気流量を、互いに直列接続される低高度におけるよりも互いに並列接続される高々度で多くすることができる。これにより、高々度においてラム空気を圧縮するためのタービン動力を増大することができる。また、ラム空気をコンプレッサ３と第２コンプレッサ４により２段圧縮することで、コンプレッサ１台当たりの圧力比が低くてよいため、ラム空気の圧縮比を高くすることができる。なお、図において２点鎖線で示すように、ラム空気圧縮動力を増すため、シャフトＲ１、Ｒ２を駆動するモータＭ１、Ｍ２を設けてもよい。また、高々度において第３チェックバルブ１４を介してファン１０により送風されるラム空気をコンプレッサ３に導入して圧縮することにより、エンジン１の燃料消費を低減するようにしてもよい。
【００１６】
本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、図２に示す第１変形例は、図４に示す空調システムのコンプレッサ１０３に直列に接続される第２コンプレッサ１２５を設けている。また、膨張タービン１０８の出力シャフトＲ′の回転を同じ回転シャフトＲのコンプレッサ１０３と第２コンプレッサ１２５に伝達することで、コンプレッサ１０３と第２コンプレッサ１２５は膨張タービン１０８の出力により駆動される。他は図４の空調システムと同様で、同一部分は同一符号で示す。この第１変形例によれば、ラム空気をコンプレッサ１０３と第２コンプレッサ１２５により２段圧縮することで、コンプレッサ１台当たりの圧力比が低くてよいため、ラム空気の圧縮比を高くすることができる。
【００１７】
その図２の第１変形例の空調システムにおいて、膨張タービン１０８の入口ノズル面積を可変とし、その面積を高々度において低高度よりも大きくすることで、膨張タービン１０８を流れる全体の空気流量を高々度で多くすることができる。これにより、高々度においてラム空気を圧縮するためのタービン動力を増大することもできる。なお、膨張タービン１０８の入口ノズル面積を可変とする機構は公知の機構を用いればよい。
【００１８】
図３に示す第２変形例は、図２に示す第１変形例の空調システムの膨張タービン１０８を第２膨張タービンとして、この第２膨張タービン１０８に直列に接続される膨張タービン１２７を設けている。その第２膨張タービン１０８とコンプレッサ１０３とが回転シャフトＲ２を共用し、膨張タービン１２７と第２コンプレッサ１２５とが回転シャフトＲ１を共用する。他は第１変形例と同様で、同一部分は同一符号で示す。この第２変形例によれば、ラム空気をコンプレッサ１０３と第２コンプレッサ１２５により２段圧縮することで、コンプレッサ１台当たりの圧力比が低くてよいため、ラム空気の圧縮比を高くすることができる。
【００１９】
図４に示す空調システムにおいて、膨張タービン１０８の入口ノズル面積を可変とし、その面積を高々度において低高度よりも大きくするものを本発明の第３変形例とすることができる。これにより、膨張タービン１０８を流れる空気流量を高々度で多くすることができ、高々度においてラム空気を圧縮するためのタービン動力を増大することもできる。
【００２０】
上記実施形態、変形例におけるファン１０、１１０は、第２コンプレッサ４と第２コンプレッサ１２５の何れにより駆動してもよいし、エアサイクルマシンとは独立した電動機またはタービンにより駆動してもよいし、ファン１０、１１０をなくしてもよい。また、ラム空気をファン以外の例えばエジェクタにより取り込むようにしてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、高々度において換気用空気としてエンジン抽出空気だけでなくラム空気を圧縮して用いることで、多くの換気用空気を供給することが可能になる航空機用の空調システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の空調システムの構成説明図
【図２】本発明の第１変形例の空調システムの構成説明図
【図３】本発明の第２変形例の空調システムの構成説明図
【図４】本発明の比較例の空調システムの構成説明図
【符号の説明】
１、１０１  エンジン
３、１０３  コンプレッサ
４、１２５  第２コンプレッサ
６、１０８、１２７  膨張タービン
８、１０８  第２膨張タービン
【図１】
0003870760.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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