(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
調整された供給空気を空調負荷に供給する一体型環境制御システムであって、
ａ．前記供給空気を機械的に圧縮かつ冷却する第１のシャフト手段（７０，７２，７４，７６）と、
ｂ．前記供給空気を機械的に圧縮かつ冷却する第２のシャフト手段（７８，８０，８２，８４）と、
ｃ．冷却用流体との熱交換関係により前記供給空気を冷却する共通熱伝達構成要素手段（８８，８６，９０，９２）であって、
前記第１および第２のシャフト手段の上流に設けられたダクト（１００）内に配設されるとともに、前記供給空気を冷却する少なくとも１つの共通熱交換器と、
圧縮された供給空気を、減圧、冷却された供給空気と熱交換関係で通過させるように配設された共通コンデンサ（９２）であって、前記減圧、冷却された供給空気が三次冷却用流体として機能する共通コンデンサ（９２）と、
を有する共通熱伝達構成要素手段（８８，８６，９０，９２）と、
ｄ．前記第１のシャフト手段（７０，７２，７４，７６）及び前記第２のシャフト手段（７８，８０，８２，８４）に前記供給空気を個別に給送し、かつ前記共通熱伝達構成要素（８６，８８，９０，９２）を通して前記供給空気を前記空調負荷に共通に給送する供給流体給送手段と、
ｅ．遮断バルブ手段（９８，９６）であって、当該遮断バルブ手段（９８，１６０，９６，１５８）が、前記第１のシャフト手段（７０，７２，７４，７６）或いは前記第２のシャフト手段（７８，８０，８２，８４）から調整された供給空気の流れが停止していることを検出した場合に、前記第１のシャフト手段（７０，７２，７４，７６）あるいは前記第２のシャフト手段（７８，８０，８２，８４）への前記供給空気の給送を選択的に遮断し、これにより、停止していないシャフト手段及び前記共通熱伝達構成要素手段（８６，８８，９０，９２）によって、前記供給空気を調整し続ける遮断バルブ手段（９８，９６）と、
を備える一体型環境制御システム。
【請求項２】
前記第１のシャフト手段（７０，７２，７４，７６）が、第１のシャフト（７０）を備え、前記第１のシャフト（７０）に第１のファン（７２）、第１のコンプレッサ（７４）及び第１のタービン（７６）が機械的に固定されており、
前記第２のシャフト手段（７８，８０，８２，８４）が、第２シャフト（７８）を備え、前記第２のシャフト（７８）に第２のファン（８０）、第２のコンプレッサ（８２）及び第２のタービン（８４）が機械的に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項３】
前記共通熱伝達構成要素手段（８６，８８，９０，９２）が、前記冷却用流体を配向するダクト（１００）内に設けられた共通一次熱交換器（８６）及び共通二次熱交換器（８８）を有し、前記冷却用流体が、前記共通一次熱交換器（８６）及び共通二次熱交換器（８８）を通る前記供給空気と熱交換関係にあることを特徴とする請求項２に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項４】
前記共通熱伝達構成要素手段（８６，８８，９０，９２）が、圧縮された供給空気を、冷却された供給空気と熱交換関係で通過させるように配設された共通再熱器（９０）をさらに備え、前記冷却された供給空気が二次冷却用流体として機能することを特徴とする請求項３に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項５】
前記冷却用流体が、前記一体型環境制御システム（１０）の外側から導入されるとともに、前記共通一次熱交換器（８６）、前記共通二次熱交換器（８８）、前記第１のファン（７２）並びに前記第２のファン（８０）を収容するラム空気ダクト（１００）を通るラム空気からなり、前記第１のファン（７２）及び第２のファン（８０）の回転により、前記共通一次熱交換器（８６）及び前記共通二次熱交換器（８８）を通る前記ラム空気の移動が促進されることを特徴する請求項３に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項６】
前記供給流体給送手段が、第１のコンプレッサライン（１１９）で前記供給空気を前記第１のコンプレッサ（７４）に給送し、個別の第２のコンプレッサライン（１２０）で前記供給空気を前記第２のコンプレッサ（８２）に給送し、第１のタービン給送ライン（１３６）で前記供給空気を前記第１のタービン（７６）に給送し、個別の第２のタービン給送ライン（１３８）で前記供給空気を前記第２のタービン（８４）に給送し、共通の給送ラインで前記供給空気を前記共通熱伝達構成要素手段（８６，８８，９０，９２）を通して前記空調負荷に給送することを特徴とする請求項２に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項７】
前記遮断バルブ手段が、
ａ．前記第１タービン（７６）或いは前記第２のタービン（８４）への前記供給空気の給送を選択的に遮断するとともに、前記第１のタービン給送ライン（１３６）に固定された第１の遮断バルブ（９６）及び前記第２のタービン給送ライン（１３８）に固定された第２の遮断バルブ（９８）と、
ｂ．前記第１及び第２の遮断バルブ（９６，９８）に電気的に接続された検出手段（１６２，１６４）であって、前記検出手段（１６２，１６４）が前記第１のタービン（７６）或いは前記第２のタービン（８４）からの調整された供給空気の流れが停止していることを検出した場合に、前記第１或いは第２のシャフト（７０，７８）の回転を停止させるように、前記第１のタービン（７６）あるいは前記第２のタービン（８４）への前記供給空気の給送を選択的に遮断し、これにより、前記システム（１０）が冗長動作モードで作動している間に、前記供給空気は、前記回転シャフト（７０，７８）上の前記コンプレッサ（７４，８２）及び前記タービン（７６，８４）により機械的に圧縮かつ冷却され続けるとともに、前記共通熱伝達構成要素手段（８６，８８，９０，９２）により冷却され続ける検出手段（１６２，１６４）と、
を備える請求項６に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項８】
前記検出手段（１６２，１６４）が、
前記第１のコンプレッサ（７４）及び第１の遮断バルブ（９６）に電気的に接続されるとともに、前記第１のコンプレッサ（７４）内の前記供給空気の温度をモニタし、前記第１のコンプレッサ（７４）内における不当な供給空気温度を検出した場合には、前記第１の遮断バルブ（９６）を遮断する第１のコンプレッサ温度モニタ（１６２）と、
前記第２のコンプレッサ（８２）及び第２の遮断バルブ（９８）に電気的に接続されるとともに、前記第２のコンプレッサ（８２）内の前記供給空気の温度をモニタし、前記第２のコンプレッサ（８２）内における不当な供給空気温度を検出した場合には、前記第２の遮断バルブ（９８）を遮断する第２のコンプレッサ温度モニタ（１６４）と、
を備えることを特徴とする請求項７に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項９】
前記共通熱伝達構成要素手段（８６，８８，９０，９２）が、前記冷却用流体を配向するダクト（１００）内に設けられた共通一次熱交換器（８６）及び共通二次熱交換器（８８）をさらに有し、前記冷却用流体が、前記共通一次熱交換器（８６）及び共通二次熱交換器（８８）を通る前記供給空気と熱交換関係にあることを特徴とする請求項８に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項１０】
前記共通熱伝達構成要素手段（８６，８８，９０，９２）が、圧縮された供給空気を、冷却された供給空気と熱交換関係で通過させるように配設された共通再熱器（９０）をさらに備え、前記冷却された供給空気が二次冷却用流体として機能し、
圧縮された供給空気を、減圧、冷却された供給空気と熱交換関係で通過させるように配設された共通コンデンサ（９２）をさらに備え、前記減圧、冷却された供給空気が三次冷却用流体として機能することを特徴とする請求項９に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項１１】
前記冷却用流体が、前記一体型環境制御システム（１０）の外側から導入され、ラム空気ダクト（１００）を通るラム空気からなり、前記ラム空気ダクト（１００）は、前記共通一次熱交換器（８６）、前記共通二次熱交換器（８８）を収容し、第１のファンハウジング（１０６）内に前記第１のファン（７２）を収容し、第２のファンハウジング（１０８）内に前記第２のファン（８０）を収容しており、これにより、前記第１のファン（７２）及び前記第２のファン（８０）の回転によって、前記ラム空気は、第１に前記共通一次熱交換器（８６）及び前記共通二次熱交換器（８８）を通り、次いで、前記第１のファンハウジング（１０６）及び前記第２のファンハウジング（１０８）を通って導かれることを特徴とする請求項１０に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項１２】
前記第１のファンハウジング（１０６）が、前記第１のファン（７２）の下流に配設された第１のラム排出逆止めバルブ（１１０）をさらに備え、
前記第２のファンハウジング（１０８）が、前記第２のファン（８０）の下流に配設された第２のラム排出逆止めバルブ（１１２）をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項１３】
前記供給流体給送手段が、前記第１のコンプレッサ（７４）の上流に位置する前記第１のコンプレッサライン（１１９）に固定された第１のコンプレッサ逆止めバルブ（１２１）を備え、前記第１のコンプレッサ逆止めバルブ（１２１）は、前記システム（１０）が冗長動作モードで動作しており、第１のコンプレッサ（７４）が動作していない場合に、供給空気が前記第１のコンプレッサ（７４）を通って逆流しないように防止し、
前記供給空気給送手段が、前記第２のコンプレッサ（８２）の上流に位置する前記第２のコンプレッサライン（１２０）に固定された第２のコンプレッサ逆止めバルブ（１２２）を備え、前記第２のコンプレッサ逆止めバルブ（１２２）は、前記システム（１０）が冗長動作モードで動作しており、第２のコンプレッサ（８２）が動作していない場合に、供給空気が前記第２のコンプレッサ（８２）を通って逆流しないように防止することを特徴とする請求項７に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項１４】
前記検出手段（９０，１５８，９８，１６０）は、
前記第１のコンプレッサ（７４）及び第１の遮断バルブ（９６）に電気的に接続されるとともに、前記第１コンプレッサ（７４）内の前記供給空気の温度をモニタし、前記第１のコンプレッサ（７４）内における不当な供給空気温度を検出した場合には、前記第１の遮断バルブ（９６）を遮断する第１のコンプレッサ温度モニタ（１６２）と、
前記第２のコンプレッサ（８２）及び第２の遮断バルブ（９８）に電気的に接続されるとともに、前記第２のコンプレッサ（８２）内の前記供給空気の温度をモニタし、前記第２のコンプレッサ（８２）内における不当な供給空気温度を検出した場合には、前記第２の遮断バルブ（９８）を遮断する第２のコンプレッサ温度モニタ（１６４）と、
を備えることを特徴とする請求項１３に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項１５】
前記供給流体ラインが、前記第１のコンプレッサ（７４）の上流に位置する前記第１のコンプレッサライン（１１９）に固定された第１のコンプレッサ逆止めバルブ（１２１）を備え、前記第１のコンプレッサ逆止めバルブ（１２１）は、前記システム（１０）が冗長動作モードで動作しており、第１のコンプレッサ（７４）が動作していない場合に、供給空気が前記第１のコンプレッサ（７４）を通って逆流しないように防止し、
前記供給流体ラインが、前記第２のコンプレッサ（８２）の上流に位置する前記第２のコンプレッサライン（１２０）に固定された第２のコンプレッサ逆止めバルブ（１２２）を備え、前記第２のコンプレッサ逆止めバルブ（１２２）は、前記システム（１０）が冗長動作モードで動作しており、第２のコンプレッサ（８２）が動作していない場合に、供給空気が前記第２のコンプレッサ（８２）を通って逆流しないように防止することを特徴とする請求項１４に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項１６】
圧縮された供給空気を、冷却された供給空気と熱交換関係で通過させるように配設された共通再熱器（９０）をさらに備え、前記冷却された供給空気が二次冷却用流体として機能し、
圧縮された供給空気を、減圧、冷却された供給空気と熱交換関係で通過させるように配設された共通コンデンサ（９２）をさらに備え、前記減圧、冷却された供給空気が三次冷却用流体として機能することを特徴とする請求項１５に記載の一体型環境制御システム１０。
【請求項１７】
前記ラム空気ダクト（１００）は、前記第１のファン（７２）を収容する第１のファンハウジング（１０６）と、前記第２のファン（８０）を収容する第２のファンハウジング（１０８）と、備え、これにより、前記第１のファン（７２）及び第２のファン（８０）の回転によって、前記ラム空気冷却用流体は、第１に前記共通一次熱交換器（８６）及び共通二次熱交換器（８８）を通り、次いで、前記第１のファンハウジング（１０６）及び第２のファンハウジング（１０８）を通って導かれることを特徴とする請求項１６に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【請求項１８】
前記第１のファンハウジング（１０６）が、前記第１のファン（７２）の下流に配設された第１のラム排出逆止めバルブ（１１０）をさらに備え、
前記第２のファンハウジング（１０８）が、前記第２のファン（８０）の下流に配設された第２のラム排出逆止めバルブ（１１２）をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の一体型環境制御システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、航空機室のような空調負荷に対して調整空気を供給するための環境制御システムに関連し、特にタービン駆動式の空気循環器を利用して、加圧、除湿、並びに冷却された空気を供給するための環境制御システムに関連する。
発明の背景
航空機客室のような与圧環境は、調整空気を絶えず供給され続けることにより、所定の気圧に保たれている。一般的に、調整空気は、機械的構成要素と熱伝達的構成要素の組み合わせからなる空気循環器を備える環境制御システムにより、航空機室すなわち空調負荷に対して供給される。例えば、通常の空気循環器は、一般的にファン、コンプレッサ並びにタービンからなる機械的構成要素を備えており、そのファン、コンプレッサ並びにタービンの可動部は、周知の方法において一本のシャフトにより互いに機械的に接続される。そのような環境制御システムの熱伝達構成要素は、典型的には一次及び二次熱交換器、再熱器、並びに集水器を備えるコンデンサからなる。調整空気を空調負荷に供給するために、調整されるべき供給空気と熱伝達流体は、粒体伝達ライン及びダクトを用いて、環境制御システムの機械的構成要素並びに熱伝達構成要素内を流される。
航空機飛行環境では、航空機の循環制御システム内の空気循環器のような機械を利用して、航空機の客室及びフライトデッキ等に調整空気を供給しており、圧縮され、加熱されたブリード空気のような供給空気は、一般的に航空機のガスタービンエンジンのコンプレッサ段から、調整を行うための空気循環器内に配向、すなわち抽気される。ブリード或いは供給空気は最初に、一次熱交換器内部において、ラム空気或いは外気のような冷却用空気と熱交換関係となる状態で流される。次に供給空気は空気循環器のコンプレッサにおいて圧縮され、さらに二次熱交換器内部において、冷却用流体と熱交換関係となる状態で流され、その後空気循環器タービンに配向される。圧縮供給空気がタービンにもたらす作用により、タービンに機械的に固定されたシャフトが回転し、そのシャフトが、コンプレッサのロータの駆動を、並びに一般に冷却流体或いはラム空気の流れの中に配置されるファンの回転を助力する。最終的に、膨張され、その後タービン内部で冷却された供給空気は、当技術分野では周知の方法において、空調負荷に放出される。
効率を高め、かつ航空機における動作上の欠点を減らすために、空気循環器駆動式の環境制御システムの基本的な動作についての多くの改善例が開発されている。例えば、再循環された空調負荷すなわち機室内空気が、タービンから放出された空気の下流に注入され、タービンから放出される空気を増大させ、それにより、空気流をより高速で流せるようにしている。さらに、再熱器及び集水器を備えたコンデンサが、供給空気との熱交換関係となる状態で配置され、タービンに入る湿気を減らすと同時に、供給空気からの除湿を促進している。これらの並びに他の改善例は、米国特許第４，２０９，９９３号及び第４，３７４，４６９号（Ｒａｎｎｅｎｂｅｒｇ）、第４，４３０，８６７号及び第４，４４５，３４２号（Ｗａｒｎｅｒ）、並びに第５，４６１，８８２号（Ｚｙｗｉａｋ）に記載されており、ここで参照して一部としており、すべて、ここに記載される一体型環境制御システムと同じ譲渡人に譲渡されている。
航空機の動作環境では、２つの設計パラメータが環境制御システムの作業処理能力を示す。その２つのパラメータは、１つは空調負荷の体積及び圧力要件であり、もう１つはシステム冗長度に関する要件である。空調負荷（例えば、客室、フライトデッキ等）を適当な与圧状態に維持することは、航空機の安全な運行上重要であり、最近の環境制御システムは、環境制御システムの構成部品の故障に備えて、冗長処理能力を有するように設計されている。最も一般的な冗長構造は、並列に作業する２つ或いはそれ以上の空気循環器を備えることであり、各循環器の調整空気出力は、混合器を通った後、空調負荷に配向される。通常のシステムは２つの循環器を用いており、当分野では「Ｔｗｏ  Ｐａｃｋ  ＥＣＤ」と呼ばれている。
空気循環器の１つ、コンプレッサ、タービン等が故障した場合には、その機械、すなわちパックは、自動的に停止し、残ったパックが冗長動作モードにおいて動作し、動作レベルを低下させて空調負荷に調整空気を供給する。従って、空調負荷に調整空気を供給するための最低限の、すなわち低下した動作要件は、そのようなＴｗｏ  Ｐａｃｋ  ＥＣＳの各空気循環器に対する設計を制限するようになる。言い換えると、各空気循環器は、特定の航空機空調負荷の低下時動作要件に耐えうる動作能力を持たなければならない。そのような環境制御システムにより低下時の性能であっても、航空機が引き続き予定された目的地に向けて飛行し続けることができるが、飛行を継続する前に、環境制御システムの修理或いは交換が必要となることも多い。
結果として、既知の環境制御システムでは、航空機の最適な応急処置を行うことができない。さらに構造的な制限があるため、既知の環境制御システムは、システム冗長度要件を満足するために、体積が大きく、重量が重く、かつ製造コストが高くならざるを得ない。
従って、本発明の全般的な目的は、先行技術が抱える体積、重量、コスト、並びに応急処置の問題を克服する一体化環境制御システムを提供することである。
本発明のより特定の目的は、冗長動作モード時に、低下したシステム動作能力を高める一体型環境制御システムを提供することである。
本発明の別の特定の目的は、流体伝達ライン、ダクト並びに関連するバルブの全体量を削減し、それによりシステム全体の潜在的な故障箇所を減少させる一体型環境制御システムを提供することである。
本発明のさらに別の特定の目的は、より安価に製造でき、冗長動作モード時の性能を高めることができ、さらに既知のシステムより安全に動作する一体型環境制御システムを提供することである。
本発明が有するこれらの及び他の目的、並びに利点は、添付の図面に関連して以下の記載される内容により、容易に明らかになるであろう。
発明の開示
航空機の客室のような空調負荷に調整空気を供給するための一体化された環境制御システムを開示する。一体型環境制御システムは、それぞれがファンを備える少なくとも２本のシャフト、コンプレッサ、並びにシャフトに機械的に固定されるタービンと、一次及び二次熱交換器、再熱器、並びに集水器を備えるコンデンサを有する共通の熱伝達構成要素と、個別のファン、コンプレッサ、タービン並びに共通の熱伝達構成要素を通して、空調負荷に供給空気を配向する流体伝達ラインと、各タービンに流体伝達する状態で固定される遮断バルブとを備え、それにより任意のシャフトに固定されたある特定のタービンからの冷却された供給空気の流れを停止する場合には、遮断バルブが、その遮断されたバルブ上で、その特定のタービンへの供給空気の伝達を遮断し、残りのシャフト及びそのそれぞれのファン、コンプレッサ、タービン、並びに共通の熱伝達構成要素により、供給空気の受給、調整、並びに空調負荷への供給を継続する。
特定の実施例においては、一体型環境制御システムは、機械的に固定された第１のファンを備える第１のシャフト、第１のコンプレッサ、並びに第１のタービンと、機械的に固定された第２のファンを備える第２のシャフト、第２のコンプレッサ、並びに第２のタービンとを有する。圧縮され、加熱された、航空機のガスタービンエンジンのコンプレッサ段から排出されるブリード空気のような供給空気は、ラム空気や外気のような冷却用流体と熱交換関係となる状態で、共通の一次熱交換器を通って配向される。またラム空気は第１及び第２のファンと流体伝達する状態にある。次に供給空気は、個別の流体ラインを通って第１及び第２のコンプレッサに配向されて、圧縮され、共通の流体ライン内を通り、それから冷却用流体との熱交換関係状態をなす共通の二次熱交換器に戻される。圧縮された供給空気は、共通の再熱器並びに集水器を備える共通のコンデンサを通って、共通の流体ライン内に配向され、共通の再熱器を通して戻され、次に個別のラインを通って第１及び第２のタービンに配向され、減圧して冷却された後、タービンに作用し、タービンがそれぞれのシャフト及びコンプレッサ及び各シャフトに固定されたファンの可動部を回転させる。その後冷却用空気は、第１及び第２のタービンを離れ、互いに混合され、コンデンサ内で第２の冷却用流体になり、最終的に、調整空気として、空調負荷、すなわち客室に配向される。
第１及び第２の遮断バルブが、共通の再熱器と、第１及び第２のタービンとの間をなす第１及び第２のタービン給送ライン上に配置され、その結果、第１或いは第２のシャフトのいずれかに機械的に固定された任意の構成要素のような、任意の非共通構成要素が故障した場合に、第１及び第２の遮断バルブは、その故障したバルブ上で、供給空気がタービンにさらに伝達されることがないように遮断し、それにより故障したシャフトの機械的構成要素により、それ以上供給空気の調整が行われないように停止される。その後一体化環境制御システムは、供給空気が、故障していないコンプレッサ及びタービン、すなわち残りのシャフトと、共通の一次及び二次熱交換器、共通の再熱器、並びに共通のコンデンサを通って調整され続けるように、冗長動作モードにおいて動作を継続する。
一体型環境制御システムの熱伝達構成要素の熱交換処理能力は、そのシステムが設計される基になる空調負荷の特定の調整空気に関する要件を満足するほど十分に大きくなければならない。そのため、一体型環境制御システムが冗長動作モードにおいて動作しているとき、供給空気は、共通一次及び二次熱交換器、共通再熱器、並びに共通コンデンサの全熱交換処理能力に向けられる。従って、本発明の一体型環境制御システムは、通常の「Ｔｗｏ  Ｐａｃｋ  ＥＣＳ」システムと、すなわち本発明の構成要素と同じ大きさ或いは動作時処理能力のファン、コンプレッサ並びにタービンを備える、多重シャフト、並列システムと比較して、冗長動作モードにおける性能を高められる。熱伝達構成要素を一体化することにより、本発明は必然的に、既知の環境制御システムより、動作モード中に利用可能な熱交換表面積の割合を大きくている。従って、従来技術と比較して、本発明の環境制御システムは、動作性能が向上し、重量、大きさ（すなわち設置時の外周）並びにコストを低減すると同時に、構成要素、流体伝達ライン並びに関するバルブの全数も低減し、それによりシステムの潜在的な故障箇所を減少させ、システムの信頼性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一本型環境制御システムの概略図である。
第２図は、先行技術の簡単にした概略図である。
発明を実施するための最良の形態
詳細に図面を見ると、本発明の一体型環境制御システムが第１図に示され、全体的に参照番号１０で示される。概ね「Ｔｗｏ  Ｐａｃｋ  ＥＣＳ」として特徴付けられる先行技術の環境制御システムは、第２図の簡略化した概略図に示されており、参照番号１２により示される。ＴｗｏＰａｃｋＥＣＳ１２は、Ａ側ファン１６が機械的に固定されたＡ側シャフト１４、Ａ側コンプレッサ１８、並びにＡ側タービン２０と、Ｂ側ファン２４が機械的に固定されたＢ側シャフト２２、Ｂ側コンプレッサ２６、並びにＢ側タービン２８とを備える。Ａ側一次熱交換器３０及びＡ側二次熱交換器３２は、Ａ側ラム空気ダクト３４内に固定されており、ダクト３４を通して、冷却用流体としてラム空気或いは外気を配向し、またＡ側ファン１６と流体伝達する状態にもある。Ｂ側一次熱交換器３６及びＢ側二次熱交換器３８は、Ｂ側ラム空気ダクト４０内に固定されており、ダクト４０を通して、冷却用流体としてラム空気或いは外気を配向し、またＢ側ファン２４と流体伝達する状態にもある。Ａ側再熱器４２及びＡ側コンデンサ４４は、Ａ側集水器４６と流体伝達する状態にあり、同様にＢ側再熱器４８及びＢ側コンデンサ５０は、Ｂ側集水器５２と流体伝達する状態にある。
Ａ側供給流体ライン５４は、概ねＡ側熱交換器３０、コンプレッサ１８、二次熱交換器３２、再熱器４２、コンデンサ４４、集水器４６並びにタービン２０を通って、ガスタービンエンジン（図示せず）のコンプレッサ段からのブリード空気のような供給空気を配向し、その供給空気は、航空機室、すなわち空調負荷５６の気圧、温度、並びに湿度に関する要件を満足するように調整される。Ｂ側供給流体ライン５８は同様に、概ねＢ側熱交換器３６、コンプレッサ２６、二次熱交換器３８、再熱器４８、コンデンサ５０、集水器５２並びにタービン２８を通って、供給空気を配向する。Ａ側流体ラインは、Ａ側タービン２０からＡ側コンデンサを通り、混合器６０内に調整空気を配向し、Ａ側タービン２０からの調整空気は、Ｂ側タービン２８からＢ側供給流体ライン５８を通って配向される調整空気と混合される。その混合された調整供給空気は、混合器６０から接合キャビン誘導ライン６２を通り、ＴｗｏＰａｃｋＥＣＳ１２の外側に、かつ航空機室５６内に配向される。機室５６内にある期間晒された後、キャビン戻りライン６４が、Ａ側タービン２０及びＢ側タービン２８のすぐ下流にある流体ライン５４、５８上の点において、Ａ側供給流体ライン５４及びＢ側供給流体ライン５８内に別々に、キャビン空気の一部をＴｗｏＰａｃｋＥＣＳ１２に戻し、当技術分野では周知の方法において、その中で任意の蓄積された氷を溶解させる。
上に掲載した任意の「Ａ側」構成要素が故障し、Ａ側供給流体ラインからの調整供給空気の出力が停止された場合には、「Ｂ側」構成要素からの調整供給空気の出力は、航空機客室、すなわち空調負荷５６に対する低下時の要件を満足するために十分な出力でなければならない。それらの低下時要件に基づき、航空機は、予定された目的地に向けて飛行を継続することができ、そのとき「Ｂ側」、すなわち停止していない側の構成要素が冗長動作モードにおいて好適に作動する。先行技術のＴｗｏＰａｃｋＥＣＳ１２がそのような冗長動作モードにおいて動作しているとき、その多くの熱伝達構成要素、すなわちＡ側及びＢ側一次及び二次熱交換器３０，３２，３６，３８、並びにＡ側及びＢ側再熱器及びコンデンサ４２，４４，４８，５０の全熱交換表面積のほぼ半分のみしか利用できないことは明らかである。
第１図に非常に分かりやすく示されるように、本発明の一体型環境制御システムの好適な実施例は、機械的な構成要素として第１のファン７２、第１のコンプレッサ７４、並びに第１のタービン７６が機械的に固定された第１のシャフト７０のような、供給空気を機械的に圧縮し、かつ冷却するための第１のシャフト手段と、機械的な構成要素として第２のファン８０、第２のコンプレッサ８２、並びに第２のタービン８４が機械的に固定された第２のシャフト７８のような、供給空気を機械的に圧縮し、かつ冷却するための第２のシャフト手段と、共通の一次熱交換器８６、共通の二次熱交換器８８、共通の再熱器９０並びに共通のコンデンサ９２のような、冷却流体との熱交換関係を通して、供給空気を冷却し、かつその湿度を制御するための共通の熱伝達構成要素手段と、第１のシャフト手段と第２のシャフト手段との機械的な構成要素内に別々に供給空気を給送し、かつ共通の熱伝達構成要素手段を通して、調整空気を受給する空調負荷に対して共通に供給空気を給送するための、供給流体ライン９４のような供給流体給送手段と、第１のタービン７６或いは第２のタービン８４のいずれかから流出する冷却された供給空気流に、任意の停止が発生した場合に、第１のタービン７６或いは第２のタービン８４のいずれかの給送を選択的に遮断するための、第１の遮断バルブ９６及び第２の遮断バルブ９８のような遮断バルブ手段とを備え、その結果、停止されていない、すなわち残りのシャフト手段の機械的構成要素と、共通熱伝達構成要素手段の熱伝達構成要素とにより、供給空気は調整され続ける。
一体型環境制御システム１０は、共通の一次及び二次熱交換器８６，８８を収容するラム空気ダクト１００を備える。ラム空気ダクト１００の受給端１０４は、システム１０を収容する航空機外側の外気のような、一体型環境制御システム１０の外側の供給源（図示せず）から冷却するべき流体としてラム空気を受給する。ラム空気ダクト１００の第１のファンハウジング１０６は、共通の一次及び二次熱交換器８６，８８の下流でラム空気を受給しており、第１のファン７２を収容するような構造をなし、第１のシャフトによる第１のファン７２の回転は、ラム空気ダクト１００を通過するラム空気の流れを助力する。同様に第２のファンハウジング１０８は共通の一次及び二次熱交換器８６，８８の下流で第２のファン８０を収容し、第２のファン８０の回転が、ラム空気ダクト１００を通るラム空気の流れを助力する。第１のラム流出逆止めバルブ１１０は、第１のファンハウジング１０６内の第１のファン７２の下流に配置され、第２のファン８０が動作中で、第１のファン７２が回転していない場合に、流体や異物が第１のファンハウジング１０６内に流れ込まないようにする。第２のラム流出逆止めバルブ１１２は、第２のファンハウジング１０８内の第２のファン８０の下流に配置され、第１のファン７２が動作中で、第２のファン８０が回転していない場合に、流体や異物が第２のファンハウジング１０８内に流れ込まないようにする。第１及び第２のファンハウジング１０６、１０８は、ラム空気ダクト１００を通過するラム空気を、一体型環境制御システム１０の外側に、すなわちシステム１０を収容する航空機の「機外」に排出できるような構造をなしており、それは共通の語句「機外へ」により第１図に示される。
供給流体ライン９４は、（第１図に示されるような）「ブリード空気」のような供給空気を、一体型環境制御システム内に受給し、かつ導入する供給注入口１１４を備える。典型的に供給空気は熱く、圧縮されたブリード空気であり、当技術分野で周知の方法において、ガスタービンエンジン（図示せず）或いは補助動力装置（図示せず）のコンプレッサ段から配向される。主要供給バルブ１１６は、供給注入口１１４を通り抜け、さらに共通の一次熱交換器ライン１１８に入る供給空気流を調整しており、供給空気は、冷却用ラム空気と熱交換関係となる状態で、共通一次熱交換器８６に入り、その中を進み、通り抜ける。次に、供給空気は、一部は、第１のコンプレッサ７４に入り、その中を進み、通り抜けるように配向する第１のコンプレッサライン１１９と、残りの部分は、第２のコンプレッサ８２に入り、その中を進み、通り抜けるように配向する第２のコンプレッサライン１２０とに分配され、供給空気は、第１及び第２のコンプレッサ７４，８２により、当分野では周知の方法において所定の圧力まで圧縮される。第１のコンプレッサライン１１９は、第１のコンプレッサ逆止めバルブ１２１を備え、第２のコンプレッサライン１２０は、第２のコンプレッサ逆止めバルブを備え、第１或いは第２の遮断バルブ９６，９８が、第１或いは第２のタービン７６，８４への供給空気流を遮断している状態のように、いずれかのコンプレッサを通る正規の供給空気流が停止されているときに、供給空気が第１及び第２のコンプレッサ７４，８２を通って逆流するのを防止する。
圧縮された後、供給空気は、第１及び第２のコンプレッサライン１１９、１２０から流出し、共通の第２の熱交換器ライン１２４に入り、共通の二次熱交換器８８に配向され、その中をラム空気と熱交換関係となる状態で通り抜ける。次に供給空気は、共通の第２の二次熱交換器８８を離れ、供給空気が共通の再熱器９０及び共通のコンデンサ９２に入り、さらに通り抜けるように配向する再熱器給送ライン１２６に入り、さらに供給空気が集水器１３０（第１図では便宜上「Ｗ／Ｃ」で示される）に入るように配向する集水器給送ライン１２８に入る。共通コンデンサ９２では、供給空気が第１及び第２のタービン７６，８４から排出される冷却された供給空気と熱交換関係となる状態で通り抜け、共通コンデンサ９２の内部で供給空気の温度は降下し、それにより供給空気内の湿分を凝縮する。凝縮された湿分は、当分野では周知の方法において、供給空気から集水器１３０内に除去される。次に二次再熱器注入ライン１３２は、供給空気を共通再熱器９０に戻し、さらに供給空気がそこを通り抜けるように配向し、供給空気は、再熱器給送ライン１２６内の共通再熱器９０を通り抜ける供給空気と熱交換関係の状態をなす二次冷却流体として通過する。再熱器給送ライン１２６内の供給空気は、コンデンサ９２内で冷却されていないので、二次再熱器注入ライン１３２内の供給空気より高温である。従って、二次再熱器注入ライン１３２内の供給空気は、再熱器給送ライン１２６内の供給空気からいくらか熱を吸収し、供給空気内に蒸気の形態をなすいくらかの同伴湿分（entrainedmoisture）を生じ、第１或いは第２のタービン７６，８４に入る前に気相に変わり、それによりタービンへの湿分による損傷を最小化する。
それから供給空気は、二次再熱器注入ライン１３２から出て、再熱器排出ライン１３４に入り、さらに分配され、一部は第１のタービン給送ライン１３６に流入し、第１のタービン７６に配向され、一方供給空気の残りの部分は、第２のタービン給送ライン１３８を通り、第２のタービン８４に配向される。第１及び第２のタービン７６，８４内では、個別の供給空気は減圧され、そのため冷却されて、同時にタービン７６、８４に作用することにより、当分野では周知の方法において、第１のタービンは第１のシャフト７０を回転させ、第２のタービン８４は第２のシャフト７８を回転させる。第１のタービン７６内の供給空気は、第１のタービンを通過して、第１のタービン排出ライン１４０に入り、第２のタービン８４内にある供給空気の残りの部分は、第２のタービンを通過し、第２のタービン排出ライン１４２に入る。
第１及び第２のタービン排出ライン１４０、１４２は、供給空気の個別部分を共通のコンデンサハウジング１４４に配向し、その中で供給空気は再び混合され、共通コンデンサ９２の内部にある再熱器給送ライン１２６の供給空気に対する三次冷却用流体として機能する。それから冷却された供給空気は、共通コンデンサハウジング１４４を通過し、共通キャビン給送ライン１４６に入り、航空機室５６内に、調整空気として配向される（第１図では語句「航空機室内への供給」により示される）。
キャビン再循環ライン１４８は、航空機の特定の動作環境の関数であり、刻々と変化する航空機圧力要件及びラム空気条件に依存する一体型環境制御システム１０における全空調負荷要件をいくらか軽減するために、ある期間航空機室５６内にあった供給空気を、周知の方法で（第１図では語句「航空機室内からの戻り」により示される）、機室５６から共通コンデンサハウジング１４４に配向する。例えば、搭乗時或いは低高度時の機室与圧要件及びラム空気温度は、近代の航空機の巡航高度での与圧要件及びラム空気温度と著しく異なる。当技術分野では周知のように、環境制御システムにより給送される供給空気内への機室内の供給空気の再循環を変化させることは、全ラム空気要件等を軽減する際の助力となる。
システムバイパスライン１５０は、主要供給バルブ１１６と共通一次熱交換器８６との間の供給流体ライン９４と流体伝達する状態にある。システムバイパスライン１５０は、供給空気のバイパス部分を、バイパス制御バルブ１５２を通して、第１のタービンバイパスライン１５４及び分岐した第２のタービンバイパスライン１５６に配向する。第１のタービンバイパスライン１５４は、供給空気のバイパス部分のいくらかを第１のタービン排出ライン１４０に配向し、一方第２のタービンバイパスライン１５６は、供給空気のバイパス部分の残りを第２のタービン排出ライン１４２に配向する。当分野では周知の方法において、バイパス制御バルブ１５２を調整することにより、供給空気として機能する加圧及び加熱された可変量のブリード空気が、第１及び第２のタービン７６，８４の下流に直接注入され、任意の蓄積された氷を溶融し、かつタービン７６，８４を離れる供給空気の温度を調整することができる。
第１のタービン７６或いは第２のタービン８４のいずれかへの供給空気の給送を選択的に遮断するための遮断バルブ手段は、第１或いは第２のタービン７６，８４から流出する冷却された供給空気の流れの停止を検出するための検出手段を有する。検出手段は、第１の遮断バルブ９６を制御する第１の遮断バルブアクチュエータ１５８及び第２の遮断バルブ９８を制御する第２の遮断バルブアクチュエータ１６０のいずれとも電気的接続状態にあり、第１のコンプレッサ７４に入出力される供給空気の温度変化をモニタする第１のコンプレッサ温度モニタ１６２、並びに第２のコンプレッサ８２に入出力される供給空気の温度変化をモニタする第２のコンプレッサ温度モニタ１６４のように、環境制御システムの故障箇所をモニタし、かつ分離するために通常用いられる種々の既知の検出用機構の任意のものから構成することができる。
本発明の一体型環境制御システム１０の動作では、機械的構成要素（第１及び第２のファン７２，８０、第１及び第２のコンプレッサ７４，８２、並びに第１及び第２のタービン７６，８４）は、そのそれぞれの第１及び第２のシャフト（そのシャフトの回転により、そのシャフトに固定される機械的構成要素の可動部が回転することを示している）に機械的に固定されているので、第１或いは第２のシャフト７０、７８のいずれかに固定される任意の機械的構成要素の１つの故障は、必然的にシャフトに固定されたコンプレッサの機械的性能に影響を与える。例えば、もし第１のタービン７６が始動しても、タービン内部で生じる通例のベアリングの劣化或いは任意の理由により、所定の動作レベルより低速で回転するなら、第１のシャフト７０もまた低速で回転し、順に第１のコンプレッサ７４の動作も低下し、第１のコンプレッサ７４から出力される供給空気の温度に影響を与えることになる。その検出手段の第１のコンプレッサ温度モニタ１６２は、第１のコンプレッサに対して、所定温度からの変化を検出し、自動的に第１の遮断バルブアクチュエータ１５８を作動させ、第１の遮断バルブ９６を遮断し、それにより、供給空気は第１のタービンに作用するのを停止し、その結果第１のシャフト７０の回転が停止する。そのような状況では、一体型環境制御システム１０は、冗長動作モードにおいて航空機室５６への調整空気の供給を継続し、供給空気は、（第２のファン８０、第２のコンプレッサ８２、並びに第２のタービン８４からなる）停止していない、すなわち残った第２のシャフト手段の機械的構成要素、並びに共通熱伝達構成要素手段の（共通一次及び二次熱交換器８６，８８、共通再熱器９０、並びに共通コンデンサ９２及び集水器１３０からなる）熱伝達構成要素により、調整され続ける。共通熱伝達構成要素手段は、一体型環境制御システム１０の特定の実施例が設計される特定の空調負荷の調整空気要件を満足するように、十分な熱伝達処理能力を持たなければならない。従って、一体型環境制御システム１０が、残りのシャフト手段の機械的構成要素のみの供給空気調整能力を利用する冗長動作モードにおいて動作するとき、供給空気はなおも共通の熱伝達構成要素手段の全熱交換処理能力に向けられる。従って、一体型環境制御システム１０は、第２図に示されるＴｗｏＰａｃｋＥＣＳ１２のような通常の非一本型環境制御システムに比べて、冗長動作モードにおける性能を高めることができる。さらに、冗長動作モードにおけるその高められた動作性能のために、一体型環境制御システム１０は、既知の非一体型環境制御システムの機械的構成要素より小さな動作能力を有する機械的構成要素を用いて、特定の空調負荷の最低限の調整空気要件を満足することができるであろう。また一体型環境制御システム１０は、少なくとも既知の非一体型環境制御システムと同じ低さの冗長動作モード頻度（ここでは意図的に、一体型環境制御システムが冗長動作モードにおいて動作する必要が生じる故障の頻度と定義される）を与える。それは、既知の環境制御システムを用いる本技術分野における経験事例が、故障は主に、熱伝達構成要素よりも機械的構成要素（例えばファン、コンプレッサ或いは／並びにタービン）に関連しており、さらに一体型環境制御システム１０が、既知の非一体型環境制御システムと同じ機械的構成要素の潜在的冗長性を有する一方で、熱伝達構成要素並びにその関連するハウジング及び給送／排出ラインを簡略化するためである。
本発明の一体型環境制御システム１０は、好適で、しかも特定の実施例に関して記載されているが、システム１０は別の実施例でも実現できることを特に留意されたい。特に、上記シャフト手段は、ファンがシャフトに固定されず、各シャフト手段が機械的に固定されたコンプレッサ及びタービンのみを有し、かつラム空気ダクトが特定のファンハウジングを含まないような実施例に対しては、変更することもできる。ある別の実施例に対する別の構造的な変更例では、３つ以上のシャフト手段が１つの共通の熱伝達手段を利用している。さらに、明白な構造上の変更が、本発明の精神から逸脱することなく行われることは、当業者により理解されるであろう。従って、本発明の範囲を定めるためには、前述の明細書より、主に添付の請求項を参照されたい。
【図１】
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【図２】
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