(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２個のエンジンから抽気を行い得るようにするとともに、少なくとも１個のエンジンから抽気路を介して入力される抽気エアをラムエアによって冷却する第１次熱交換器と、この第１次熱交換器にて冷却され第１出力流路を介して出力された抽気エアを昇圧するコンプレッサと、このコンプレッサにて昇圧され導入流路を介して入力された抽気エアをラムエアにて冷却する第２次熱交換器と、この第２次熱交換器にて冷却され第２出力流路を介して出力された抽気エアを断熱膨張させて冷却するタービンとを備え、このタービンから出力した抽気エアを供給路を介してキャビンに供給するように構成されたエアサイクルシステムを一系統設置するとともに、前記抽気路と別個に設けられ前記少なくとも２個のエンジンの少なくとも１個からの抽気エアを前記第１次熱交換器と第２次熱交換器のそれぞれの入力側のいずれかに選択して供給する副抽気路と、前記供給路とは別個に設けられ前記第１次熱交換器と第２次熱交換器のそれぞれの第１、第２出力流路に接続されて前記両熱交換器から出力される冷却された抽気エアを非可逆でキャビンに供給する副供給路を設け、前記エアサイクルシステムによる空気調和か前記副抽気路と副供給路による空気調和のいずれかを利用できるように構成したことを特徴とする航空機の空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機におけるキャビン等の冷房、暖房、換気等を行う空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機におけるキャビン等の空気調和装置においては、エンジンから抽気したエア（空気）が利用される。この抽気エアは高温（約５００°Ｆ）なので所定の温度まで冷却するが、そのためにはコンプレッサとタービンを結合し抽気エアの圧送と冷却を行うエアサイクルマシン（ＡＣＭ）と、ラムエアを利用する熱交換器を有機的に結合したエアサイクルシステム（ＡＣＳ）からなる空気調和装置が設けられている。また、空気調和のためのエアはエンジンからの抽気エアを利用するが、エンジンの故障等が発生することも考えられ安全を保障するために、この抽気は２個以上のエンジンから抽気され、４エンジンの航空機ではすべてのエンジンから抽気する場合もある。
【０００３】
このような空気調和装置の具体的な構成は図２、図３に示すとおりである。図２は、エアサイクルシステム（ＡＣＳ）を２個併設した例であり、図３はエアサイクルシステム（ＡＣＳ）とバックアップ方式との結合形の例である。まず、エアサイクルシステム（ＡＣＳ）を併設した例を図２にしたがって説明する。図に示すように、エアサイクルシステムＡＣＳ１とＡＣＳ２が併設されていて、いずれのシステムも機能するよう配備されるとともに、常時は両方のシステムを作動させて快適な調和空気をキャビンに供給する。一方のエアサイクルシステムの故障時には他方の故障していないエアサイクルシステムのみを作動させ、必要最低限の調和空気をキャビンに供給する。
【０００４】
図において、Ｅ１〜Ｅ４は航空機のエンジンで、Ｌ１、Ｌ６はこれらエンジンＥ１〜Ｅ４から空気調和装置への空気（エア）を抽気するための抽気路である。抽気路Ｌ１はエンジンＥ１から延設されていて抽気エアをエアサイクルシステムＡＣＳ１の第１次熱交換器Ｋ１に供給し、Ｌ６はエンジンＥ２から延設されていて抽気エアをエアサイクルシステムＡＣＳ２の第１次熱交換器Ｋ１に供給する。
【０００５】
エアサイクルシステムＡＣＳ１とＡＣＳ２は、同一の構成であるのでエアサイクルシステムＡＣＳ１を代表としてその構成を説明すると、このエアサイクルシステムは抽気エアをエンジンＥ１からキャビンＫＢに供給する系にその冷却を行う熱交換器構と昇圧、冷却、圧送を行うエアサイクルマシンで構成されている。すなわち、熱交換器構としては、ラム流路ＲＭに導かれた冷気のエア（ラムエア）によって抽気エアを冷却する第１次熱交換器Ｋ１と第２次熱交換器Ｋ２が設けられている。他方エアサイクルマシンとしては、抽気エアを昇圧するコンプレッサＣと抽気エアを断熱膨張するタービンＴが、共に一体で高速回転するよう結合されて構成されている。そしてこれら第１次熱交換器Ｋ１と第２次熱交換器Ｋ２およびコンプレッサＣ、タービンＴが抽気エアの流路系で連接されている。具体的には、まず第１次熱交換器Ｋ１で冷却された抽気エアは、その第１出力流路Ｌ２を介してコンプレッサＣに供給される。そして、このコンプレッサＣによって所定圧力に昇圧された抽気エアは、導入路Ｌ３を介して第２次熱交換器Ｋ２に導かれ冷却が行われる。そしてこの第２次熱交換器Ｋ２にて冷却された抽気エアは、第２出力流路Ｌ４を介してタービンＴに導かれ、ここで断熱膨張されて、更に冷却が行われる。ただし、冷却されたタービンＴから出力される抽気エアが氷結しないよう、コンプレッサＣ前段の抽気エアが氷結防止用弁Ｖ３を介してタービンＴの出力側に導かれており、氷結されない状態でタービンＴから供給路Ｌ５を介してキャビンＫＢに導かれるようになっている。なお、Ｗはウオータセパレータで抽気中の水分を除去するものでもある。
【０００６】
図２に示すように第１次熱交換器Ｋ１への抽気路Ｌ１には、抽気エアの圧力を調整する圧力調整弁Ｖ１が介設され、また、この第１次熱交換器Ｋ１の第１出力流路Ｌ２には流量を調節する流量調節弁Ｖ２が介設され、さらに供給路Ｌ５には空調されたエアの供給をオンオフする開閉弁（シャットオフバルブ）Ｖ４が介設されている。エンジンＥ１から抽気した抽気エアは約４００°Ｆ〜５００°Ｆで、これが第１次熱交換器Ｋ１で２５０°Ｆ〜２００°Ｆに冷却されコンプレッサにより一旦３００°Ｆ〜３５０°Ｆに昇温された後、さらに第２次熱交換器Ｋ２にて２００°Ｆ〜１５０°Ｆ程度まで冷却され、最後にタービンにより断熱膨張し空気調和に適正な３０°Ｆ〜５０°Ｆ程度までに冷却される。ラム流路ＲＭは通常航空機の胴体（腹部）や後方垂直翼部等に設けられていて、このラム流路ＲＭから冷たい外気が矢印のように導かれるようになっている。
【０００７】
以上説明したエアサイクルシステムＡＣＳ１と同じ構成のエアサイクルシステムＡＣＳ２が併設されている。ただ、図２において抽気エアの流路系すなわちＬ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０はエンジンＥ２からの抽気エアを取り扱うということで、エアサイクルシステムＡＣＳ１のそれらとは異なる符号で示している。すなわち、Ｌ６は第１次熱交換器Ｋ１に抽気エアを供給する抽気路であり、Ｌ７は第１次熱交換器Ｋ１の第１出力流路、Ｌ８はコンプレッサＣからの出力を第２次熱交換器Ｋ２に導く導入路、Ｌ９はこの第２次熱交換器Ｋ２にて冷却された抽気エアをタービンＴに導く第２出力流路である。そしてＬ１０はタービンＴから出力された抽気エアをキャビンに供給する供給路である。
【０００８】
そして、この両エアサイクルシステムＡＣＳ１とＡＣＳ２は、それぞれの抽気路Ｌ１とＬ６が連結路ＡＬで連接されており、かつ連結弁ＡＶが介設されている。この連結弁ＡＶは通常は閉弁しており、エアサイクルシステムを構成する一部、たとえばエアサイクルマシンのコンプレッサＣ、あるいはタービンＴが故障したり、熱交換器Ｋ１、Ｋ２のいずれかが機能しなくなった場合、さらには流路系上の弁機構Ｖ１〜Ｖ４が機能しなくなったとき等は、そのエアサイクルシステム（たとえばＡＣＳ１）全体が使用できず、他のエアサイクルシステム（たとえばＡＣＳ２）を利用するようになっている。連結弁ＡＶは、たとえばエンジンＥ１の抽気によってエンジンＥ２を始動する場合に開弁し、抽気を通す働きをする。
【０００９】
以上説明したように、図２はエアサイクルシステムを二系統設置した例であるが、空気調和装置の構成の簡略化を図るために、一方のエアサイクルシステムを省略しバックアップ機構を採用した方式が提供されている。図３はこの方式の構成を示すもので、図２と同一部分、具体的にはエアサイクルシステムＡＣＳ１については、図２と同一の機能を有するものであり、詳細な説明は省略する。
【００１０】
図３において、Ｌ１１はエンジンＥ２からの抽気エアを第３次熱交換器Ｋ３に導く抽気路であり、またＬ１２はこの第３次熱交換器Ｋ３にて冷却されたエアをキャビンＫＢに導く供給路である。第３次熱交換器Ｋ３による冷却はラム流路ＲＭに導かれたエア（ラムエア）により行われるように構成されている。Ｖ６とＶ７はそれぞれの抽気路Ｌ１１と供給路Ｌ１２に介設された開閉弁（シャットオフバルブ）である。
【００１１】
以上の構成によれば通常はエアサイクルシステムＡＣＳ１により調和空気が生成されているが、たとえばエアサイクルシステムＡＣＳ１の一部が故障または機能不調となって非常事態が発生した場合は、開閉弁Ｖ６、Ｖ７が抽気路Ｌ１１と供給路Ｌ１２を開成し、エンジンＥ２からの抽気エアが第３次熱交換器Ｋ３に供給され冷却されてキャビンＫＢに供給される。この供給はエアサイクルシステムＡＣＳ１による空気調和と同様の快適な空気調和は行われないとしても、乗客、乗務員等の機内生態に支障のない最低限の調和空気を供給するものであり、空気調和装置の機能を維持するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図２の空気調和装置ではエアサイクルシステムＡＣＳ１は、非常事態が発生した場合にもキャビンの空気調和装置を正常に機能させる必要から二系統設置されるわけである。この両エアサイクルシステムは同一であり、したがって一方のシステムが故障したりして非常事態となっても他のエアサイクルシステムが同様に機能し最低限必要なキャビンの空気調和機能は維持される。しかしながら、このエアサイクルシステム自体は、エンジンからの抽気エアの供給系やラムエアの導入系等がエアサイクルマシンとともに複雑に組み込まれており、このエアサイクルシステムを二系統設置するとより構成が複雑となる。さらに同一機能を２個併設することで重量化し故障が発生する間隔の平均値、すなわち平均故障間隔（ＭＴＢＦ）も小さくなる。また価格も高くなり経済上も問題がある。エアサイクルシステムを一系統にし、バックアップ系統を結合する図３に示す空気調和装置においては、バックアップ系統による空気調和でキャビンでの乗客の生態に支障が生じるものではなく、図２に示す例に比較すれば構造が簡略となって前記ＭＴＢＦは大きくなり、重量も小さく価格も安価であるが、非常事態が発生しない場合は、使用しないバックアップ系統を搭載することになり、それだけ重量は大きくなり、ラムエアの導入が増えてラムエアペナルティ、すなわちラムエアによる空気抵抗が大きくなって燃費が悪くなるという問題を有している。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決する空気調和装置を提供せんとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、エアサイクルシステムは一系統のみにする構成を基本とし、少なくとも２個以上のエンジンからの抽気エアはいずれも、この一系統のエアサイクルシステムにおけるラムエアによる熱交換器の作用を受けるよう構成したもので、エアサイクルシステムは一系統にして、簡略化、軽量化、低価格化が図られる空気調和装置を提供するものである。具体的には、抽気路とは別個に設けられ、少なくとも２個のエンジンからの抽気エアを第１次熱交換器と第２次熱交換器のそれぞれの入力側のいずれかに選択して供給する副抽気路と、第１次熱交換器と第２次熱交換器のそれぞれから出力された抽気エアを非可逆でキャビンに供給する副供給路を設ける。エアサイクルシステムからの抽気エアをキャビンに供給する供給路と前記副供給路に流路の開閉を行う開閉器を設置する。このような構成により重量化されることなく、かつ非常事態においても抽気エアの空気調和を充分行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明が提供する空気調和装置の構成は図１に示されているが、その特徴とする点は少なくとも２個のエンジンのいずれかのエンジンからの抽気エアを第１次と第２次の熱交換器のそれぞれの入力側に選択して供給できるように構成するとともに、この第１次と第２次の熱交換器のそれぞれから出力された抽気エアを非可逆でキャビンに供給するように構成されている点である。
【００１６】
この図１において、図２と同一の符号で示される部品ないし機構は、図２と同一であり詳細な説明は省略する。図においてＬ１３はエンジンＥ２から延設された副抽気路で、終端部は２つの分岐路Ｌ１４、Ｌ１５にわかれて、それぞれ開閉弁Ｖ９、Ｖ１０を介して第１次熱交換器Ｋ１と第２次熱交換器Ｋ２の入力側（抽気路Ｌ１と導入路Ｌ３）にそれぞれ接続されている。すなわち、分岐路Ｌ１４は抽気路Ｌ１に、分岐路Ｌ１５は導入路Ｌ３に接続されている。さらに、この副抽気路Ｌ１３は連結路ＡＬを介してエンジンＥ１にも連接されており、したがってエンジンＥ１、Ｅ２のいずれからの抽気もその抽気エアを副抽気路Ｌ１３を介して第１次熱交換器Ｋ１と第２次熱交換器Ｋ２の入力側に供給することができる。開閉弁Ｖ９とＶ１０は制御信号の入力にていずれかが流路を開成することになり、副抽気路Ｌ１３からの抽気エアを選択して両熱交換器Ｋ１とＫ２のいずれかの入力側に供給するようになっている。
【００１７】
他方、これら第１次熱交換器Ｋ１と第２次熱交換器Ｋ２のそれぞれの出力側流路Ｌ２、Ｌ４には、供給路Ｌ５とは別個にキャビンＫＢに終端が接続された副供給路Ｌ１６に連接されている。したがって、これら両熱交換器Ｋ１、もしくはＫ２にて冷却された抽気エアは、この供給路Ｌ１６からキャビンＫＢに供給されることになる。なお、Ｖ１５、Ｖ１６はこの供給路Ｌ１６に介設されたチェック弁（逆止弁）で、両熱交換器Ｋ１、Ｋ２のたがいの出力が供給路Ｌ１６を介して連通されないようにするためのものである。すなわち冷却された抽気エアが非可逆的にキャビンＫＢに供給されるよう構成されている。なお、副供給路Ｌ１６に介在された弁Ｖ１７は、制御信号にて作動する開閉弁（シャットオフバルブ）である。Ｅ３、Ｅ４もエンジンである。なお、本発明におけるエアサイクルシステムＡＳＣは、従来のエアサイクルシステムＡＣＳ１、ＡＣＳ２とは厳密にはその構成が異なるので、その符号を異ならしめている。
【００１８】
本発明による空気調和装置は以上の構成であるから、正常時においてはエンジンＥ１からの抽気エアがエアサイクルシステムＡＣＳにて調整されキャビンＫＢに供給される。この場合は圧力調整弁Ｖ１、流量調節弁Ｖ２が作動し、開閉弁（シャットオフバルブ）Ｖ４が流路を開成する。
【００１９】
そして、エアサイクルシステムＡＣＳ等が故障したときは、つぎのような形で空気調和の作動が行われる。
【００２０】
（１）たとえば、エアサイクルマシンのコンプレッサＣ、またはタービンＴが機能しなくなり非常事態が発生した場合、または流量調節弁Ｖ２が故障した場合や、圧力調整弁Ｖ１が閉固着した場合は、エアサイクルシステムＡＣＳ１が使用できないわけであり、開閉弁Ｖ４の作動を停止させて供給路Ｌ５を閉塞させ、同時に圧力調整弁Ｖ１を閉じる。そして開閉弁Ｖ９（またはＶ１０）を開成作動させると同時に開閉弁Ｖ１７を開成作動させる。すると、エンジンＥ２からの抽気エアが第１次熱交換器Ｋ１（または第２次熱交換器Ｋ２）に供給される。そして、抽気エアは第１次熱交換器Ｋ１（または第２次熱交換器Ｋ２）にて冷却され、チェック弁Ｖ１５（またはチェック弁Ｖ１６）を経てキャビンＫＢに供給されキャビンＫＢの空気調和機能は充分に維持される。
【００２１】
（２）またエアサイクルシステムＡＣＳ１の故障として、第１次熱交換器Ｋ１が空気漏れするなどして機能しなくなり非常事態となったときは、開閉弁Ｖ４を閉塞させるとともに開閉弁Ｖ１７を開成させる。さらに開閉弁Ｖ１０を開成させる。すると、エンジンＥ２からの抽気エアは、副抽気路Ｌ１３から第２次熱交換器Ｋ２への導入路Ｌ３に供給され、第２次熱交換器Ｋ２にて冷却される。そして冷却された抽気エアはチェック弁１６を経て副供給路Ｌ１６に導かれ、キャビンＫＢへと供給されて、空気調和機能が維持されることになる。第２次熱交換器Ｋ２が故障した場合は副抽気路Ｌ１３、開閉弁Ｖ９、第１次熱交換器Ｋ１、チェック弁Ｖ１５、副供給路Ｌ１６を用いて調和空気を供給する。  （３）非常事態の例として、エンジンＥ１あるいはその抽気路Ｌ１が故障した場合も（１）と同様にして調和空気を確保する。
【００２２】
このようにいかなる非常事態の発生においても、キャビンＫＢの空気調和装置の機能が維持されるのである。
【００２３】
本発明の空気調和装置は、このようにしてその構成は簡略にして非常事態においても空気調和機能が常に維持され、軽量、低価格、ラムエアペナルティの少ない空気調和装置を提供する。
【００２４】
本発明の空気調和装置は以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく種々の変形例を包含する。特にエアサイクルシステムの構成については図示例の配置に限定されるものではなく、また他の機能を追加したシステムも利用できるものである。たとえば、エアサイクルマシンについては、１個のコンプレッサと１個のタービンの組合せのみならず、これにファンを付加したもの、あるいは２個のタービンを連結組み合わせた変形エアサイクルマシンとすることも可能である。さらに、水分離を１気圧程度の低圧域下で行う低圧形分離方式の他に４〜５気圧の高圧域下で行う高圧形分離方式など種々の方式の採用や組合せがある。
【００２５】
【発明の効果】
本発明が提供する航空機の空気調和装置は以上説明したとおりであるから、エアサイクルシステムは実質上一系統となり、従来のように一系統追加して装備したり、バックアップ系統を装備しなくても空気調和機能は維持され、かつそれがより簡略な構成で保障される。したがって、航空機全体の軽量化と低燃費化が図られ安価にして信頼性のある空気調和装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による航空機の空気調和装置の構成を示す図である。
【図２】従来における航空機の空気調和装置の構成を示す図である。
【図３】従来における航空機の空気調和装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４……エンジン
ＫＢ……キャビン
Ｋ１……第１次熱交換器
Ｋ２……第２次熱交換器
Ｋ３……第３次熱交換器
ＡＣＳ、ＡＣＳ１、ＡＣＳ２……エアサイクルシステム
Ｃ……コンプレッサ
Ｔ……タービン
Ｌ１、Ｌ６、Ｌ１１……抽気路
Ｌ２、Ｌ７……第１出力流路
Ｌ３、Ｌ８……導入路
Ｌ４、Ｌ９……第２出力流路
Ｌ５、Ｌ１０、Ｌ１２……供給路
Ｌ１３……副抽気路
Ｌ１４、Ｌ１５……分岐路
Ｌ１６……副供給路
ＡＬ……連結路
Ｖ１……圧力調整弁
Ｖ２……流量調整弁
Ｖ３……氷結防止弁
Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ９、Ｖ１０、Ｖ１７……開閉弁
Ｖ１５、Ｖ１６……チェック弁
ＡＶ……連結弁
【図１】
0003951421.tif 000002
【図２】
0003951421.tif 000003
【図３】
0003951421.tif 000004