(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気を冷却装置により冷却して航空機のキャビン内に導入する航空機用空気調和装置であって、
そのキャビンから流出する空気を再びキャビンに戻すリサキュレーション空気流路を備え、
そのキャビンから流出して再びキャビンに戻る循環空気と前記抽出空気とが混合されるように、そのリサキュレーション空気流路と抽出空気の空気流路とが接続され、
その循環空気を、その抽出空気との混合前に圧縮する混合前コンプレッサが、前記リサキュレーション空気流路に備えられ、
その混合された循環空気と抽出空気を、窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する選択透過膜を有する空気分離部が前記リサキュレーション空気流路に備えられ、
その窒素富化ガスは航空機の燃料周囲領域に導入可能とされ、その酸素濃縮空気はキャビン内に導入可能とされ、
前記冷却装置はコンプレッサと膨張タービンとを備え、
その混合された循環空気と抽出空気とは、その冷却装置のコンプレッサにより圧縮された後に前記空気分離部に導入される航空機用空気調和装置。
【請求項２】
前記酸素濃縮空気は前記膨張タービンにより膨張され、
その膨張タービンの出力が、前記冷却装置のコンプレッサおよび前記混合前コンプレッサの中の少なくとも一方を駆動するための動力として用いられる請求項１に記載の航空機用空気調和装置。
【請求項３】
前記冷却装置のコンプレッサおよび前記混合前コンプレッサの中の少なくとも一方は、駆動に必要な動力の少なくとも一部をモータから供給される請求項１または２に記載の航空機用空気調和装置。
【請求項４】
その混合前コンプレッサにより圧縮された循環空気を冷却可能なベーパサイクル式熱交換ユニットを備える請求項１〜３の中の何れかに記載の航空機用空気調和装置。
【請求項５】
前記抽出空気が流れる補助抽出空気流路と、
前記混合前コンプレッサの上流において、前記補助抽出空気流路と前記循環空気の空気流路とに接続される切替えバルブとを備え、
前記切替えバルブは第１状態と第２状態との間で切替え可能とされ、
前記切替えバルブが第１状態である時、前記循環空気は前記混合前コンプレッサに導かれると共に、前記補助抽出空気流路から前記循環空気の空気流路への前記抽出空気の流れが遮られ、
前記切替えバルブが第２状態である時、前記補助抽出空気流路から前記循環空気の空気流路へ前記抽出空気が導かれると共に、前記循環空気の流れが遮られる請求項１〜４の中の何れかに記載の航空機用空気調和装置。
【請求項６】
前記混合前コンプレッサは複数段の圧縮部を有し、
その複数段の圧縮部のうちの少なくとも２以上の圧縮部を、直列に接続する状態と、並列に接続する状態に接続切替え可能な機構が設けられている請求項５に記載の航空機用空気調和装置。
【請求項７】
前記混合前コンプレッサは複数段の圧縮部を有し、
その複数段の圧縮部のうちの少なくとも２以上の圧縮部を、前記切替えバルブが第１状態である時に直列に接続する状態と、前記切替えバルブが第２状態である時に並列に接続する状態に接続切替え可能な機構が設けられている請求項５に記載の航空機用空気調和装置。
【請求項８】
前記冷却装置において前記コンプレッサから前記膨張タービンに空気を導くための常開の空気流路を備え、その常開の空気流路を流れる空気の一部が前記空気分離部に導かれ、前記選択透過膜は酸素透過率が窒素透過率よりも高くされ、その選択透過膜を透過した酸素濃縮空気は前記膨張タービンを介することなく前記キャビンに導入可能とされている請求項１に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、固定翼機および回転翼機を含む航空機の機内温度、酸素分圧、圧力を制御すると共に、燃料系統に酸素濃度を下げた空気を供給する空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機における空気調和装置として、エンジンの圧縮部で圧縮された抽出空気を、機外空気と熱交換して冷却した後にラジアルコンプレッサで断熱圧縮し、これを再度機外空気と熱交換して冷却した後に、膨張タービンにより断熱膨張することで、調温、調圧された冷気を得るエアサイクル式冷却装置が従来から主に使用されている。
【０００３】
軍用機の中には、ミッション中に燃料タンクに被弾した場合に爆発するのを防ぐため、燃料タンクに窒素ガスまたは窒素濃度を高めた空気を注入するＯＢＩＧＧＳ（On Board Inert Gas Generation System）を備えるものがある。また、近年の民間航空機における事故調査から、燃料タンク内の空間に溜まった空気と燃料蒸気との混合物に機内の配線などから生じたスパークが引火し、火災が発生することが判明している。そのような火災を防止するため、民間航空機においても上記ＯＢＩＧＧＳを採用することが検討されている。
【０００４】
そのＯＢＩＧＧＳは、空気成分の分離機能を有する空気分離部により構成されている。その空気分離部として、透過率が酸素透過率よりも高い選択透過膜を用いるタイプのものがある。その選択透過膜にエンジンからの抽出空気を導入することで窒素富化ガスを生成している。
【０００５】
図１４に示す従来の航空機用空気調和装置は、エンジン１０１からの抽出空気を、プリクーラ１０２と呼ばれる熱交換器により冷却した後、ラジアルコンプレッサ１０３でほぼ断熱的に圧縮し、これにより昇温された空気をメインクーラ１０４と呼ばれる熱交換器により冷却し、膨張タービン１０５でほぼ断熱的に膨張させる。これにより冷気が得られる。そのプリクーラ１０２およびメインクーラ１０４においては、ラム空気路１０９を通る機外空気により冷却が行われる。その膨張タービン１０５の膨張仕事は、シャフト１０６を介してコンプレッサ１０３に伝えられることで、圧縮動力として利用される。なお、航空機が地上にある時や低空飛行時においては、外気温度が高く、空気の水分含有量が多いため、膨張タービン１０５での膨張時に空気中の水分が凝縮して霧状の水滴が発生する。そのため、膨張タービン１０５の下流に水分捕捉のためのウォータセパレータ１０７が配置される。そのウォータセパレータ１０７を通過した冷気が航空機のコックピット空間を含むキャビン１０８内に供給されることで冷房が行われる。なお、航空機が地上にあってエンジンが停止している際は、エンジン１０１に代えてＡｕｘｉｌｉａｒｙ  Ｐｏｗｅｒ  Ｕｎｉｔと呼ばれる補助エンジンなどの高圧空気供給ユニットからの抽出空気を空気調和装置に供給することが可能とされている。
【０００６】
高々度等において暖房を行うため、エンジン１０１からの抽出空気をキャビン１０８に導くためのバイパス空気流路１１１が設けられ、そのバイパス空気流路１１１はホットエアモジュレートバルブ１１２により開閉される。抽出空気の一部は、そのホットエアモジュレートバルブ１１２を開くことで、コンプレッサ１０３と膨張タービン１０５とから構成されるエアサイクル式冷却装置で冷却されることなく、ウォータセパレータ１０７の下流に配置されたミキシングダクト１１３に導かれる。そのミキシングダクト１１３において、エアサイクル式冷却装置により冷却された抽出空気と冷却されていない抽出空気とが混合される。よって、ホットエアモジュレートバルブ１１２の開度を調整することで適度な温度の空気が得られる。その適度な温度の空気がキャビン１０８内に供給されることで暖房を行うことができる。なお、高々度を巡航する際にはラム空気路１０９は絞られているため、プリクーラ１０２やメインクーラ１０４においてエンジン１０１からの抽出空気は過剰に冷却されず、ある程度高温に維持される。そのキャビン１０８内の空気は、空気調和装置からの供給分から、機体からの漏れ分を除いた分に相当する量だけ減圧弁１１０から直接に機外空間１１４に放出される。
【０００７】
従来のＯＢＩＧＧＳは、上記コンプレッサ１０３および膨張タービン１０５により構成されるエアサイクル式冷却装置とは独立して、空気分離部１１６を備えている。すなわち、プリクーラ１０２を通過した抽出空気を、エアサイクル式冷却装置に導入される前に分流する分岐空気流路１１１ａが設けられ、その分岐空気流路１１１ａに空気分離部１１６が設けられている。その空気分離部１１６は、多数の中空糸が組込まれた選択透過膜１１６ａをチャンバ１１６ｂにより覆うことで構成されている。その選択透過膜１１６ａは、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の透過率が酸素（Ｏ2 ）の透過率よりも高くされている。エンジン１０１の抽出空気は、その選択透過膜１１６ａを透過する窒素富化ガスと、残りの酸素濃縮空気とに分離される。その選択透過膜１１６ａによる窒素分離能力は抽出空気圧力に応じて変動する。その窒素富化ガスは燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域１１５に供給され、必要以上に供給された分は放出路を通って機外空間１１４に放出される。その選択透過膜１１６ａを透過しなかった酸素濃縮空気は減圧弁１１０ａから機外空間１１４に放出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空気分離部１１６は、空気調和装置を構成するエアサイクル式冷却装置とは独立して設けられている。そのため、空気分離部１１６により窒素を分離した残りの酸素濃度が高められた空気が、有効利用されることなく無駄になる。さらに、エアサイクル式冷却装置と空気分離部１１６の両方を並行して使用した場合、エンジンからの抽出空気量が増えるためにエンジン負荷が増加する。
【０００９】
また、航空機の降下時はエンジン出力が絞られるため、エンジンの抽出空気圧力が低下する。その抽出空気圧力が低下すると選択透過膜１１６ａによる窒素分離能力が低下する。一方、巡航の後に降下する航空機は燃料を消費した状態になっており、燃料タンク内の空間容積が大きくなるため窒素富化ガスが大量に必要とされる。その結果、必要とされる窒素富化ガスの供給が不足する。
【００１０】
さらに、従来の空気調和装置によりキャビン１０８に供給された空気は機外に放出されていた。すなわち、機外圧に比べてキャビン１０８の内圧は上空では高くなるため、その圧力差を有する空気が有効利用されることなく無駄になる。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決することの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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気を冷却装置により冷却して航空機のキャビン内に導入する航空機用空気調和装置であって、そのキャビンから流出する空気を再びキャビンに戻すリサキュレーション空気流路を備え、そのキャビンから流出して再びキャビンに戻る循環空気と前記抽出空気とが混合されるように、そのリサキュレーション空気流路と抽出空気の空気流路とが接続され、その循環空気を、その抽出空気との混合前に圧縮する混合前コンプレッサが、前記リサキュレーション空気流路に備えられ、その混合された循環空気と抽出空気を、窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する選択透過膜を有する空気分離部が前記リサキュレーション空気流路に備えられ、その窒素富化ガスは航空機の燃料周囲領域に導入可能とされ、その酸素濃縮空気はキャビン内に導入可能とされ、前記冷却装置はコンプレッサと膨張タービンとを備え、その混合された循環空気と抽出空気とは、その冷却装置のコンプレッサにより圧縮された後に前記空気分離部に導入される。
本発明によれば、空気分離部により窒素を分離した残りの酸素濃縮空気は、キャビンに戻ることで有効利用される。また、冷却装置と空気分離部の両方を並行して使用する場合、エンジンからの抽出空気量の増加を抑制してエンジン負荷を低減できる。
また、冷却装置のコンプレッサを利用して、混合された循環空気と抽出空気の圧力を、空気分離部の選択透過膜により空気成分を分離する上で必要な圧力まで昇圧できる。
さらに、抽出空気との混合前に循環空気を抽出空気圧力と同程度に加圧し、循環空気が逆流するのを防止して混合を円滑に行うことができる。
【００１３】
前記コンプレッサから前記膨張タービンに空気を導くための常開の空気流路を備え、その常開の空気流路を流れる空気の一部がその常開の流路から分岐する流路を介して前記空気分離部に導かれ、前記選択透過膜は酸素透過率が窒素透過率よりも高くされ、その選択透過膜を透過した酸素濃縮空気は前記膨張タービンを介することなく前記キャビンに導入可能とされているのが好ましい。これにより、選択透過膜を透過することで減圧された酸素濃縮空気を膨張タービンを介することなくキャビンに導入でき、一方、常開の流路を通った空気はコンプレッサ出口と膨張タービン入口との間の圧力降下量を小さくし、エアサイクル式冷却装置の効率低下を防止できる。
【００１４】
前記酸素濃縮空気は前記膨張タービンにより膨張され、その膨張タービンの出力が、前記冷却装置のコンプレッサおよび前記混合前コンプレッサの中の少なくとも一方を駆動するための動力として用いられるのが好ましい。
これにより、膨張タービンの膨張仕事を有効利用することができる。
さらに空気調和装置は、前記抽出空気が流れる補助抽出空気流路と、前記混合前コンプレッサの上流において、前記補助抽出空気流路と前記循環空気の空気流路とに接続される切替えバルブとを備え、前記切替えバルブは第１状態と第２状態との間で切替え可能とされ、前記切替えバルブが第１状態である時、前記循環空気は前記混合前コンプレッサに導かれると共に、前記補助抽出空気流路から前記循環空気の空気流路への前記抽出空気の流れが遮られ、前記切替えバルブが第２状態である時、前記補助抽出空気流路から前記循環空気の空気流路へ前記抽出空気が導かれると共に、前記循環空気の流れが遮られる機能を有するのが好ましい。その切替えバルブが第２状態である時、混合前コンプレッサにより循環空気に代えて抽出空気が圧縮され、また、補助抽出空気流路は循環空気の空気流路を介して抽出空気の空気流路に接続される。よって、抽出空気の圧力が極端に低くなる場合においては、抽出空気をそのまま冷却装置に供給することなく、混合前コンプレッサにより圧縮された抽出空気を、混合前コンプレッサにより圧縮された循環空気に代えて冷却装置に供給できる。これにより、例えば機体が降下する状態においては切替えバルブを第２状態にするような運用が好ましい。すなわち、機体の降下時は燃料タンクにおける空洞容積は燃料が消費された結果大きくなっており、また、降下による気圧上昇があることから、燃料周囲領域へ窒素富化ガスを大量供給する必要がある。このため、冷却装置に供給される空気圧力は、空気分離部において十分な流量の窒素富化ガスを得られる値でなければならない。そのため、エンジンの出力が絞られることで抽出空気圧力が大幅に低下する降下時においては、抽出空気をそのまま冷却装置に供給するのは困難になる。一方、降下時であっても抽出空気の圧力は未だ循環空気の圧力よりも高い場合が多い。よって、混合前コンプレッサにより循環空気に代えて抽出空気を圧縮することで、抽出空気の圧力と循環空気の圧力との差圧の分だけ、混合前コンプレッサの作動に要するエネルギを低減できる。その結果、装置全体の消費電力すなわち消費エネルギをより低減できる。
さらに、前記混合前コンプレッサは複数段の圧縮部を有し、その複数段の圧縮部のうちの少なくとも２以上の圧縮部を、直列に接続する状態と、並列に接続する状態に接続切替え可能な機構が設けられているのが好ましい。この場合、その複数段の圧縮部を、前記切替えバルブが第１状態である時に直列に接続し、前記切替えバルブが第２状態である時に並列に接続するのが好ましい。これにより、各段の混合前コンプレッサにおける圧縮比を切替えバルブが第１状態である時と第２状態である時とで略同一にすれば、混合前コンプレッサにおける流量を切替えバルブが第２状態である時は第１状態である時の略段数倍にできる。よって、機体が降下する状態においては切替えバルブを第２状態にすることで電力消費の増大を防止できる。よって、機体の降下時における空気流量確保のために混合前コンプレッサの数を増大させる必要がない。
【００１５】
前記冷却装置のコンプレッサおよび前記混合前コンプレッサの中の少なくとも一方は、駆動に必要な動力の少なくとも一部をモータから供給されるのが好ましい。
これにより、その冷却装置のコンプレッサの圧縮仕事と混合前コンプレッサの圧縮仕事の合計と、膨張タービンの膨張仕事との差を、そのモータの動力により補うことができる。
【００１６】
その混合前コンプレッサにより圧縮された循環空気を冷却可能なＣＯＰ（成績係数）の高いベーパサイクル式熱交換ユニットを備えるのが好ましい。
これにより、キャビンに供給される空気温度を少ない入力エネルギで適切に調整することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に示す第１実施形態の航空機用空気調和装置は、エンジン１からの抽出空気を、プリクーラ２と呼ばれる熱交換器により冷却し、流量制御バルブ３９で流量調整した後、ラジアルコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮する。その流量制御バルブ３９はコントローラ（図示省略）からの信号により開度調整可能とされている。これにより昇温された空気をメインクーラ４と呼ばれる熱交換器により冷却した後、再生熱交換機４ａで冷却し、水分捕捉のためにウォータセパレータ７に導く。そのウォータセパレータ７に導かれた抽出空気は開閉バルブ４１と空気分離部１６に導かれる。その開閉バルブ４１はコントローラからの信号により開度調整される。その空気分離部１６で選択透過膜１６ａを通過せずに残った空気と、その開閉バルブ４１から流出する空気は膨張タービン５でほぼ断熱的に膨張され、これにより冷気が得られる。その冷気は再生熱交換機４ａを介して航空機のコックピット空間を含むキャビン８に導入される。そのプリクーラ２およびメインクーラ４においては、ラム空気路９を通る機外空気により冷却が行われる。その膨張タービン５の膨張仕事は、シャフト６を介してコンプレッサ３に伝えられることで、圧縮動力として利用される。なお、航空機が地上にあってエンジンが停止している際は、エンジン１に代えてＡＰＵなどの高圧空気供給ユニットからの抽出空気を空気調和装置に供給することが可能とされている。
【００１８】
一方、キャビン８の暖房のため、エンジン１からの抽出空気を、上記コンプレッサ３と膨張タービン５により構成されるエアサイクル式冷却装置を通ることなく、キャビン８に導くためのバイパス空気流路１１が設けられている。そのバイパス空気流路１１はホットエアモジュレートバルブ１２により開閉される。そのホットエアモジュレートバルブ１２はコントローラからの信号により開度調整可能とされ、バイパス空気流路１１を流れる空気流量が調整可能とされている。抽出空気の一部は、そのホットエアモジュレートバルブ１２を開くことで、コンプレッサ３と膨張タービン５とから構成されるエアサイクル式冷却装置で冷却されることなく、バイパス空気流路１１に導かれる。そのバイパス空気流路１１に導かれた抽出空気はキャビン８に導かれる。そのキャビン８内の空気は、空気調和装置からの供給分から機体の漏れや機外への空気流路からの放出分を差し引いた分に相当する量だけ流出空気流路４０に流出され、その流出空気流路４０においてフィルター４２により埃や匂いが除去される。
【００１９】
そのキャビン８から流出する空気を再びキャビン８に戻すリサキュレーション空気流路が構成される。これにより、そのキャビン８から流出する空気は再びキャビンに戻る循環空気となる。そのキャビン８から流出空気流路４０に流出される循環空気は、モータ１８で駆動される混合前コンプレッサ１７に導かれる。そのキャビン８から流出して再びキャビン８に戻る循環空気と、エンジン１からの抽出空気とが混合されるように、その循環空気の空気流路と抽出空気の空気流路とが接続される。本実施形態では、その混合前コンプレッサ１７により昇圧された循環空気は、熱交換器３５ａにおいてラム空気路９を通る機外空気により冷却された後に、流量制御バルブ３９を介して供給される抽出空気と混合される。その混合された循環空気と抽出空気とが、エアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮された後に、開閉バルブ４１の開度に応じて、上記空気分離部１６に導入される。
【００２０】
上記空気分離部１６は、本実施形態では処理能力が大きく大型航空機に適したものとされている。その空気分離部１６は多数の細管状の選択透過膜１６ａを束ねてチャンバ１６ｂにより覆うことで構成され、窒素富化ガスと酸素濃縮空気とを生成する。そのため、その選択透過膜１６ａは、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の透過率が酸素（Ｏ2 ）の透過率よりも高くされている。これにより、再生熱交換機４ａで冷却され、ウォータセパレータ７を通過した抽出空気を、選択透過膜１６ａを透過して窒素富化ガス（本実施形態ではＮ2 ＝９２％以上）とすることができる。その窒素富化ガスは燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域１５に導かれた後に、放出路を通って機外空間１４に放出される。その選択透過膜１６ａを透過しなかった空気の酸素濃度が上がる。この酸素が濃縮された酸素濃縮空気は膨張タービン５に導かれる。上記開閉バルブ４１はコントローラからの信号により開度調整可能とされ、選択透過膜１６ａを通過する空気流量が調整可能とされている。なお、選択透過膜１６ａの外側は、燃料周囲領域１５におけると同様ほぼ機外圧力となっている。
【００２１】
上記実施形態によれば、空気分離部１６により窒素を分離した残りの酸素濃縮空気はキャビン８に戻されることで有効利用される。また、エアサイクル式冷却装置と空気分離部１６の両者が機能する場合において、エンジン１からの抽出空気量の増加を抑制してエンジン１の負荷を低減できる。そのエアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３を利用して、混合された循環空気と抽出空気の圧力を、空気分離部１６の選択透過膜１６ａにより空気成分を分離する上で必要な圧力まで昇圧できる。また、混合前コンプレッサ１７により抽出空気との混合前に循環空気を抽出空気圧力と同程度に加圧し、循環空気が逆流するのを防止して混合を円滑に行うことができる。その酸素濃縮空気は膨張タービン５により膨張され、その膨張タービン５の出力がコンプレッサ３を駆動するための動力として用いられるので、膨張タービン５の膨張仕事を有効利用することができる。その混合前コンプレッサ１７は、駆動に必要な動力をモータ１８から供給されるので、その冷却装置のコンプレッサ３の圧縮仕事と混合前コンプレッサ１７の圧縮仕事の合計と、膨張タービン５の膨張仕事との差を、そのモータ１８の動力により補うことができる。
【００２２】
図２は本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置を示す。上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
この第２実施形態においては、モータ１８で駆動される混合前コンプレッサ１７が、エアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３および膨張タービン５と一体的に回転する。これにより、そのモータ１８は補助駆動源として用いられる。また、熱交換器３５ａに代えて、ベーパサイクル式熱交換ユニット３０が設けられている。その混合前コンプレッサ１７により昇圧された循環空気は、熱交換ユニット３０のエバポレータ３５により冷却された後に、チェック弁３９ａを介してエアサイクル式冷却装置に導かれることで、流量制御バルブ３９を介して供給される抽出空気と混合される。そのチェック弁３９ａは、混合前コンプレッサ１７により循環空気が十分に加圧される前に、エンジン１からの抽出空気が逆流するのを防止する。その熱交換ユニット３０は、ＨＦＣ１３４ａなどの冷媒を用いた冷却サイクルにより構成される。すなわち、その冷媒は、モータ３１により駆動されるコンプレッサ３２によって圧縮され、コンデンサ３３においてラム空気路９を通る機外空気に熱を放出することで凝縮される。その凝縮された冷媒は膨張弁３４において減圧されることで温度が低下する。その低温になった冷媒は、エバポレータ３５において上記のように空気から熱を吸収することで蒸発する。ベーパサイクル式熱交換ユニット３０を採用することで、エネルギ消費効率（ＣＯＰ）を高くすることができるため、少ないエネルギでより多くの熱を放出することが可能になる。他は第１実施形態と同様とされている。
本第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、循環空気をベーパサイクル式熱交換ユニット３０により冷却することで、キャビン８に供給される空気温度を適切に調整することができる。膨張タービン５の出力がコンプレッサ３と混合前コンプレッサ１７を駆動するための動力として用いられるので、膨張タービン５の膨張仕事を有効利用することができる。そのコンプレッサ３と混合前コンプレッサ１７は、駆動に必要な動力をモータ１８から供給されるので、そのコンプレッサ３の圧縮仕事と混合前コンプレッサ１７の圧縮仕事の合計と、膨張タービン５の膨張仕事との差を、そのモータ１８の動力により補うことができる。
【００２３】
図３〜図６は本発明の第３実施形態の航空機用空気調和装置を示す。上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。図３は航空機が地上にある時の状態、図４は離陸後の上昇時の状態を、図５は高々度での巡航時の状態、図６は降下時の状態を示す。
【００２４】
本実施形態の航空機用空気調和装置は、エンジン１からの抽出空気を、プリクーラ２と呼ばれる熱交換器により冷却し、流量制御バルブ３９で流量調整した後、ラジアルコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮する。その流量制御バルブ３９はコントローラ２５からの信号により開度調整可能とされている。これにより昇温された空気をメインクーラ４と呼ばれる熱交換器により冷却した後、再生熱交換機４ａで冷却し、水分捕捉のためにウォータセパレータ７に導く。そのウォータセパレータ７に導かれた抽出空気は開閉バルブ４１と空気分離部１６に導かれる。その開閉バルブ４１はコントローラ２５からの信号により開度調整される。その空気分離部１６で選択透過膜１６ａを通過せずに残った空気と、その開閉バルブ４１から流出する空気は膨張タービン５でほぼ断熱的に膨張され、これにより冷気が得られる。その冷気は再生熱交換機４ａを介して航空機のコックピット空間を含むキャビン８に導入される。そのプリクーラ２およびメインクーラ４においては、ラム空気路９を通る機外空気により冷却が行われる。その膨張タービン５の膨張仕事は、シャフト６を介してコンプレッサ３に伝えられることで、圧縮動力として利用される。そのコンプレッサ３とタービン５を結ぶシャフト６には、コンプレッサ３の駆動に必要な動力を補助するためのモータ６ａが取り付けられている。航空機が降下する際はエンジン１からの抽出空気圧が低いので、モータ６ａによる動力アシストによって、空気分離部１６にとっては適正となる圧力にまで昇圧することが可能となる。
なお、航空機が地上にあってエンジンが停止している際は、エンジン１に代えてＡＰＵなどの高圧空気供給ユニットからの抽出空気を空気調和装置に供給することが可能とされている。
【００２５】
エンジン１からの抽出空気を上記エアサイクル式冷却装置を通ることなくキャビン８に導くためのバイパス空気流路１１が設けられている。そのバイパス空気流路１１はホットエアモジュレートバルブ１２により開閉される。そのホットエアモジュレートバルブ１２はコントローラ２５からの信号により開度調整可能とされている。これにより、バイパス空気流路１１を流れる空気流量が調整可能とされている。抽出空気の一部は、そのホットエアモジュレートバルブ１２を開くことで、コンプレッサ３と膨張タービン５とから構成されるエアサイクル式冷却装置で冷却されることなく、バイパス空気流路１１に導かれる。そのキャビン８内の空気は、空気調和装置からの供給分から機体の漏れや機外への空気流路からの放出分を差し引いた分に相当する量だけ流出空気流路４０に流出され、その流出空気流路４０においてフィルター４２により埃や匂いが除去される。
【００２６】
そのバイパス空気流路１１と流出空気流路４０に、第１吸着部２３と第２吸着部２４とが空気流路切替機構５０を介して接続される。本実施形態の空気流路切替機構５０は第１切替えバルブ２１と第２切替えバルブ２２とを有する。各吸着部２３、２４は、容器２３ａ、２４ａに充填された吸着剤２３ｂ、２４ｂを備える。各吸着剤２３ｂ、２４ｂは、空気に含まれる分子を吸着し、また、吸着時よりも温度が上昇することで吸着した分子を放出する。例えば、各吸着部２３、２４は、シリカゲルのような水分子吸着物質や、ゼオライトのような酸素分子吸着物質から構成できる。本実施形態では、その吸着剤２３ｂ、２４ｂとして水分子吸着物質が用いられる。
【００２７】
その空気流路切替機構５０により、各吸着部２３、２４はバイパス空気流路１１に接続される状態と、流出空気流路４０に接続される状態とに切替え可能とされている。本実施形態においては、バイパス空気流路１１を流れる抽出空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、そのバイパス空気流路１１を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。また、流出空気流路４０を流れる空気が第１吸着部２３と第２吸着部２４とを交互に通過するように、その流出空気流路４０を第１吸着部２３と第２吸着部２４とに交互に接続する。
その第１切替えバルブ２１は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第１吸着部２３に導くと共に、第２吸着部２４から流出する空気を混合前コンプレッサ１７に導く。その第２状態では、エンジン１からバイパス空気流路１１に導かれた空気を第２吸着部２４に導くと共に、第１吸着部２３から流出する空気を混合前コンプレッサ１７に導く。
その第２切替えバルブ２２は、図中破線で示す第１状態と図中実線で示す第２状態とに切替えられる。その第１状態では、第１吸着部２３から流出する空気を第３切替えバルブ２７に導くと共に、キャビン８から流出する空気を第２吸着部２４に導く。その第２状態では、第２吸着部２４から流出する空気を第３切替えバルブ２７に導くと共に、キャビン８から流出する空気を第１吸着部２３に導く。
【００２８】
その空気流路切替機構５０は航空機に搭載されるコントローラ２５により制御される。その制御により、各吸着部２３、２４は、バイパス空気流路１１に接続される状態と流出空気流路４０に接続される状態とに切替えられる。すなわち、両切替えバルブ２１、２２は、コントローラ２５から内蔵タイマー等により設定された設定時間毎に送られる切替信号により、第１状態と第２状態とに切替えられる。この際、第１切替えバルブ２１が第１状態では第２切替えバルブ２２が第１状態とされ、第１切替えバルブ２１が第２状態では第２切替えバルブ２２が第２状態とされる。すなわち、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過し、そのバイパス空気流路１１を流れる抽出空気が両吸着部２３、２４の中の他方を通過する時は、その流出空気流路４０を流れる空気が両吸着部２３、２４の中の一方を通過するように、その空気流路切替機構５０は制御される。
【００２９】
これにより、そのホットエアモジュレートバルブ１２を開くことでバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気は、第１切替えバルブ２１を介して両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれた後に、第２切替えバルブ２２に導かれる。その吸着部２３、２４から第２切替えバルブ２２に導かれた空気は第３切替えバルブ２７に導かれる。その第３切替えバルブ２７は、そこに導かれた空気を機外空間１４に放出する状態と、キャビン８に導く状態とにコントローラ２５からの信号により空気流路を切替え可能である。
【００３０】
そのキャビン８から流出空気流路４０に流出される空気は、第２切替えバルブ２２から両吸着部２３、２４の中の何れか一方に導かれる。しかる後に、モータ１８で駆動される混合前コンプレッサ１７に導かれる。その混合前コンプレッサ１７により昇圧された空気は、ベーパサイクル式熱交換ユニット３０のエバポレータ３５において冷却された後に、第４切替えバルブ３６に導かれる。その第４切替えバルブ３６は、コントローラ２５からの信号により、導かれた空気をキャビン８に導く状態と、エアサイクル式冷却装置に導く状態とに空気流路を切替え可能である。その熱交換ユニット３０は、ＨＦＣ１３４ａなどの冷媒を用いた冷却サイクルにより構成される。すなわち、その冷媒は、モータ３１により駆動されるコンプレッサ３２によって圧縮され、コンデンサ３３においてラム空気路９を通る機外空気に熱を放出することで凝縮される。その凝縮された冷媒は膨張弁３４において減圧されることで温度が低下する。その低温になった冷媒は、エバポレータ３５において上記のように空気から熱を吸収することで蒸発する。
【００３１】
そのキャビン８から流出空気流路４０を介して流出する空気が第４切替えバルブ３６を介して再びキャビン８に戻されることでリサキュレーション空気流路が構成される。第４切替えバルブ３６は、キャビン８から流出する空気を直接キャビン８に戻す場合とエアサイクル式冷却装置を通過して戻す場合との切り換えを行う。これにより、そのキャビン８から流出する空気は再びキャビンに戻る循環空気となる。そのキャビン８から流出して再びキャビン８に戻る循環空気と、エンジン１からの抽出空気とが混合されるように、その循環空気の空気流路と抽出空気の空気流路とが接続される。本実施形態では、その第４切替えバルブ３６を介してエアサイクル式冷却装置に導かれる循環空気は、流量制御バルブ３９を介して供給される抽出空気と混合される。その混合された循環空気と抽出空気とが、エアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮された後に、上記空気分離部１６に導入される。
【００３２】
そのエンジン１からプリクーラ２を介してバイパス空気流路１１に導かれる抽出空気の温度は１００℃〜１４０℃であり、一方、キャビン８から流出空気流路４０に導かれる空気の温度は２０℃〜３０℃である。これにより、キャビン８から流出される空気が流れる時は低温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気に含まれる有効成分（ここでは水分子）を吸収する。エンジン１からの抽出空気が流れる時は高温になるので、吸着剤２３ｂ、２４ｂはキャビン８から流出される空気から吸収した水分子を抽出空気中に放出することで再生する。例えば、各吸着剤２３ｂ、２４ｂがシリカゲルである場合、２０℃ではシリカゲル１．０ｋｇに０．２５ｋｇ以上の水分子を吸着できるが、１００℃ではシリカゲル１．０ｋｇに０．０２ｋｇ以下の水分子しか吸着できない。これにより、キャビン８から流出される空気中の水分子を、吸着剤２３ｂ、２４ｂにより吸着し、エンジン１からの抽出空気中に放出することで、キャビン８に戻してキャビン８の快適性を向上する。しかも、吸着剤２３ｂ、２４ｂは再度利用できるように再生できる。各吸着剤２３ｂ、２４ｂを酸素分子吸着物質として機能するゼオライトとした場合は、キャビン８から流出される空気中の酸素分子を、吸着剤２３ｂ、２４ｂにより吸着し、エンジン１からの抽出空気中に放出することでキャビン８に戻してキャビン８の快適性を向上する。しかも、吸着剤２３ｂ、２４ｂを再度利用できるように再生できる。各吸着剤２３ｂ、２４ｂを水分子を吸着する吸着剤と酸素分子を吸着する吸着剤の双方により構成すれば、水分と酸素の両方を吸着できるので、キャビン８の快適性をより向上できる。この場合、そのシリカゲルとゼオライトは交互に層状に配置するのが好ましい。
【００３３】
上記空気分離部１６は、本実施形態では処理能力が大きく大型航空機に適したものとされている。その空気分離部１６は多数の細管状の選択透過膜１６ａを束ねてチャンバ１６ｂにより覆うことで構成され、窒素富化ガスと酸素濃縮空気とを生成する。そのため、その選択透過膜１６ａは、空気中の窒素（Ｎ2 ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）の透過率が酸素（Ｏ2 ）の透過率よりも高くされている。これにより、再生熱交換機４ａで冷却され、ウォータセパレータ７を通過した抽出空気を、選択透過膜１６ａを透過して窒素富化ガス（本実施形態ではＮ2 ＝９２％以上）とすることができる。その窒素富化ガスは燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域１５に導かれた後に、放出路を通って機外空間１４に放出される。その選択透過膜１６ａを透過しなかった空気の酸素濃度が上がる。この酸素が濃縮された酸素濃縮空気は膨張タービン５に導かれる。上記開閉バルブ４１はコントローラ２５からの信号により開度調整可能とされ、選択透過膜１６ａを通過する空気流量が調整可能とされている。なお、選択透過膜１６ａの外側は、燃料周囲領域１５におけると同様ほぼ機外圧力となっている。
【００３４】
図３に示す地上での冷房状態においては、流量制御バルブ３９を開状態にすることで、コンプレッサ３と膨張タービン５とから構成されるエアサイクル式冷却装置をフルに作動することができる。
この場合、開閉バルブ４１は必要に応じて開度を選択すればよい。すなわち、開閉バルブ４１を全開とすることで、空気分離部１６に空気を導入しないようにできる。これにより、地上において燃料が積み込まれることで燃料タンクの内部における空洞容積が小さくなり、地上走行（タキシング）を含めても燃料消費が僅かであり、気圧の変化がないことにより、燃料周囲領域１５への窒素富化ガスの追加供給が不要な場合に対応できる。
あるいは、開閉バルブ４１を閉じることで、空気分離部１６に空気を導入することができる。これにより、航空機が地上で待機している間に燃料タンクから蒸発する燃料ガスを、空気分離部１６から供給する窒素富化ガスにより希釈して安全性を向上することが可能になる。
また、地上が高温多湿である場合、開閉バルブ４１を閉じることで、選択透過膜１６ａは水分透過率が高いことから空気中の水分を機外に放出することができる。これにより、膨張タービン５に導入される空気中の水分が減少し、凝固熱の発生が低減されるので、冷却能力を向上すると共にキャビン８内の湿度を低減することが可能になる。
また、高温多湿の地上での冷房状態において、ホットエアモジュレートバルブ１２を多少開くことで、各吸着剤２３ｂ、２４ｂの再生を行うことができる。その再生に用いられた水分を多く含んだ空気は、第３切替えバルブ２７を介して機外空間１４に放出される。これにより、地上での冷房時は、キャビン８内の水分を吸着部２３、２４において補足して放出するので、キャビン８内の湿度上昇を抑制して快適性を向上でき、さらに、熱交換ユニット３０のエバポレータ３５での結露を防止して冷房能力の低下を阻止できる。このため、熱交換ユニット３０もフル作動が可能であり、エアサイクル式冷却装置と併せて、キャビン８の冷房能力を大きくできる。また、キャビン８から流出されて吸着部２３、２４から流出する水分除去された空気は、第４切替えバルブ３６からキャビン８に還流される。
【００３５】
図４に示す機体が離陸し上昇する状態においては、エンジン１の出力が上がるために抽出空気の圧力が高くなる。このため、エアサイクル式冷却装置におけるタービン５での膨張比が大きくなり、より低温の空気が供給される。この場合、エアサイクル式冷却装置から供給される空気によりキャビン８内の温度が過剰に低下するのを防止する必要がある。また、航空機の上昇状態においては外気の温度と水蒸気量とが急激に低下するため、キャビン８内の湿度が過剰に低下するのを防止する必要がある。そのため、吸着部２３、２４において再生された暖かく水分を含む抽出空気が、第３切替えバルブ２７を介してキャビン８に供給される。また、熱交換ユニット３０を航空機の上昇中の状態に応じて機能させることで、キャビン８から流出されて吸着部２３、２４から流出する水分除去された空気は、切替えバルブ３６からキャビン８に還流され、キャビン８は適切な温度、湿度に維持される。
また、上昇状態においては、開閉バルブ４１の開度を次第に絞ることで、空気分離部１６に供給される空気を次第に増加させる。これにより、燃料消費に応じた量の窒素富化ガスが空気分離部１６から燃料周囲領域１５に供給される。さらに抽出空気の供給圧が高いため、膨張タービン５の膨張エネルギの方がコンプレッサ３の圧縮仕事よりも著しく大きい場合は、モータ６ａを発電機として機能させエネルギ回収をすることも考えられる。
【００３６】
図５に示す高々度での巡航時の状態においては、キャビン８から流出されて吸着部２３、２４から流出する水分除去された空気は、混合前コンプレッサ１７で昇圧された上切替えバルブ３６からコンプレッサ３に導かれる。これにより、上昇終了後にエンジン１の出力が絞られることで抽出空気量を減少させても、エアサイクル式冷却装置および空気分離部１６に導入される空気量を確保できる。この時、開閉バルブ４１がかなり絞られる。空気分離部１６において酸素が濃縮された空気が膨張タービン５に導入される。さらに、吸着部２３、２４において加湿された空気が第３切替えバルブ２７からキャビン８に導入される。これにより、キャビン８に導入される空気量を確保し、キャビン８内の酸素分圧低下を防止し、さらに湿度を維持することで快適性を維持できる。また、空気分離部１６からは窒素富化ガスが燃料周囲領域１５に供給される。
なお、高々度で巡航する際は機外空気は低温となるため、熱交換器２、４に流入する機外空気を絞る弁や、機外空気が熱交換器２、４をバイパスするためのバイパス流路と流路切替え弁をラム空気路に設けるのが好ましい。
【００３７】
図６に示す機体が降下する状態においては、燃料タンクの内部における空洞容積は燃料が消費された結果大きくなっており、また、降下による気圧上昇があることから、燃料周囲領域１５へ窒素富化ガスを大量供給する必要がある。一方、エンジン１の出力は降下時は極端に絞られるため、エアサイクル式冷却装置に供給される抽出空気圧力が低く、抽気量確保が難しくなる。そこで、キャビン８から流出される空気を切替えバルブ３６からコンプレッサ３に導くことで循環空気量を増やし、エアサイクル式冷却装置における抽出空気量の低下を補う。また、開閉バルブ４１が全閉とされ、空気分離部１６からは窒素富化ガスが燃料周囲領域１５に供給される。さらに、吸着部２３、２４において加湿された空気も第３切替えバルブ２７からキャビン８に導入され、キャビン８への空気供給量の低下を防止する。この場合、キャビン８における暖房が過剰にならないように、熱交換ユニット３０を作動させ、キャビン８の温度を調整する。
【００３８】
上記第３実施形態によれば、キャビン８から流出された空気中に含まれる必要な成分分子を再びキャビン８内に戻すことができる。また、各吸着剤２３ｂ、２４ｂは再び空気中の分子を吸着できるように再生される。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが水分子を吸着および放出することで、キャビン８内の湿度を維持するのに寄与できる。その吸着剤２３ｂ、２４ｂが酸素分子を吸着および放出する場合には、キャビン８内の酸素濃度を維持するのに寄与できる。しかも、吸着部２３、２４と空気流路切替機構５０とを付加するという簡単な構成でキャビン８内空気の再生ができる。そのバイパス空気流路１１を流れる空気流量が調整可能とされているので、エアサイクル式冷却装置により冷却してキャビン８内に導入する空気量と、冷却することなくキャビン８内に導入する空気量との比を調整し、キャビン８内の温度を適正に維持できる。
また、選択透過膜１６ａにより分離する窒素富化ガスにより燃料火災の発生を防止でき、酸素濃縮空気によりキャビン８内の酸素濃度を維持する（すなわち、機内が地上よりも低い気圧となっても、酸素分圧は地上でのレベルを維持する）のに寄与できる。そのキャビン８から流出空気流路４０を介して流出される空気は、吸着剤２３ｂ、２４ｂにより少なくとも水分子を吸着され、吸着部２３、２４を通過した後に混合前コンプレッサ１７により圧縮され、さらにコンプレッサ３で昇圧された後に、空気分離部１６の選択透過膜１６ａに供給される。これにより、キャビン８から流出された空気を酸素濃縮空気として再びキャビン８内に送り込むことができ、エンジン１からの抽出空気量を増大させることなく、キャビン８内の圧力を制御するのに必要な空気量を確保することができる。また、選択透過膜１６ａに導かれる空気を圧縮することで、効率良く窒素富化ガスを得ることができる。さらに、航空機の飛行状態に応じてエンジン１からの抽出空気量や外気の温度、湿度、酸素濃度、圧力が変化した場合に、キャビン８内の温度、湿度、酸素濃度、圧力を最適に維持することができ、さらに吸着剤２３ｂ、２４ｂから放出された水分を含む抽出空気を湿度が過剰になる場合には機外空間１４に放出することでエアサイクル式冷却装置の結露を防止することも可能になる。
【００３９】
上記第３実施形態によれば、空気分離部１６により窒素を分離した残りの酸素濃縮空気はキャビン８に戻されることで有効利用される。また、エアサイクル式冷却装置と空気分離部１６の両者が機能する場合において、エンジン１からの抽出空気量の増加を抑制してエンジン１の負荷を低減できる。そのエアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３を利用して、混合された循環空気と抽出空気の圧力を、空気分離部１６の選択透過膜１６ａにより空気成分を分離する上で必要な圧力まで昇圧できる。また、混合前コンプレッサ１７により抽出空気との混合前に循環空気を抽出空気圧力と同程度に加圧し、循環空気が逆流するのを防止して混合を円滑に行うことができる。その酸素濃縮空気は膨張タービン５により膨張され、その膨張タービン５の出力がコンプレッサ３を駆動するための動力として用いられる。よって、膨張タービン５の膨張仕事を有効利用することができる。そのコンプレッサ３と混合前コンプレッサ１７は、駆動に必要な動力をモータ６ａ、１８から供給されるので、その冷却装置のコンプレッサ３の圧縮仕事と混合前コンプレッサ１７の圧縮仕事の合計と、膨張タービン５の膨張仕事との差を、そのモータ６ａ、１８の動力により補うことができる。さらに、循環空気をベーパサイクル式熱交換ユニット３０により冷却することで、キャビン８に供給される空気温度を適切に調整することができる。
【００４０】
図７は吸着部８３および空気流路切替機構５０′の変形例を示す。この変形例においては、回転ドラム８０の内部に、その回転軸方向に延びる多数の吸着部８３がハニカム状に設けられ、各吸着部８３内にシリカゲル等の吸着剤が充填されている。その回転ドラム８０の両端面にセパレータ８１が相対回転可能にシール部材（図示省略）を介して接合されている。各セパレータ８１は、外輪８１ａと内輪８１ｂとを２本のアーム８１ｃにより接続することで構成され、航空機の機体側に固定される。各セパレータ８１の内輪８１ｂにより、回転ドラム８０の中心シャフト８０ａが軸受（図示省略）を介して回転可能に支持される。その中心シャフト８０ａにモータ８２が接続され、そのモータ８２がコントローラ２５からの信号により駆動されることで回転ドラム８０は回転する。各セパレータ８１における外輪８１ａと内輪８１ｂとの間は、２本のアーム８１ｃにより２つの領域８１ｄ、８１ｅに区画されている。各セパレータ８１における一方の領域８１ｄは配管継手８４を介してバイパス空気流路１１に接続され、他方の領域８１ｅは配管継手８５を介して流出空気流路４０に接続される。これにより、その回転ドラム８０の回転により、各吸着部８３をバイパス空気流路１１に接続する状態と流出空気流路４０に接続する状態とに切替える空気流路切替機構５０′が構成されている。他は上記実施形態と同様とされる。
【００４１】
図８は本発明の第４実施形態の航空機用空気調和装置を示し、第３実施形態と同様部分は同一符号で示して相違点を説明する。この第４実施形態においては、航空機が地上にあってエンジンが停止している際は、エンジン１に代えてＡＰＵなどの高圧空気供給ユニット１′からの抽出空気を空気調和装置に供給する。タービン５から流出する冷気は、再生熱交換機４ａからミキシングチャンバ１３を介して航空機のコックピット空間を含むキャビン８に導入される。エンジン１からの抽出空気の一部は、ホットエアモジュレートバルブ１２を開くことで、バイパス空気流路１１からミキシングチャンバ１３を介してキャビン８に導かれる。
【００４２】
キャビン８から流出空気流路４０に流出された空気の一部は、ファンＦ１を介してミキシングチャンバ１３に導かれる。流出空気流路４０から分岐する補助空気流路７１が再生熱交換機７２に接続されている。キャビン８から流出空気流路４０を介して流出した空気の一部は、ファンＦ２により補助空気流路７１に導かれた後に再生熱交換機７２により加熱される。
【００４３】
補助空気流路７１と流出空気流路４０とに、図７に示された吸着部８３が空気流路切替機構５０′を介して接続される。すなわち、各セパレータ８１における一方の領域８１ｄは配管継手８４を介して補助空気流路７１に接続され、他方の領域８１ｅは配管継手８５を介して流出空気流路４０に接続される。これにより、回転ドラム８０の回転により、各吸着部８３それぞれを補助空気流路７１に接続する状態と流出空気流路４０に接続する状態とに切替える空気流路切替機構５０′が構成されている。
【００４４】
補助空気流路７１から再生熱交換機７２を介して吸着部８３に導かれた空気は第３切替えバルブ２７に導かれる。第３切替えバルブ２７は、そこに導かれた空気を機外空間１４に放出する状態と、ミキシングチャンバ１３を介してキャビン８に導く状態とにコントローラ（図示省略）からの信号により空気流路を切替え可能である。流出空気流路４０から吸着部８３に導かれた空気は、第５切替えバルブ９０を介してモータ１８で駆動される混合前コンプレッサ１７に導かれる。その混合前コンプレッサ１７により昇圧された空気は、再生熱交換機７２において補助空気流路７１を流れる空気と熱交換され、第３実施形態の熱交換ユニット３０に代わって機能する放熱器１９においてラム空気路９を通る機外空気により冷却され、しかる後に第４切替えバルブ３６に導かれる。第４切替えバルブ３６は、コントローラからの信号により、導かれた空気をミキシングチャンバ１３を介してキャビン８に導く状態と、エアサイクル式冷却装置に導く状態とに空気流路を切替え可能である。
【００４５】
補助空気流路７１を流れる空気の温度は再生熱交換機７２により加熱されることで例えば１００℃〜１４０℃になる。一方、キャビン８から流出空気流路４０に導かれる空気の温度は例えば２０℃〜３０℃になる。これにより、キャビン８から流出空気流路４０を介して導入される空気が流れる時は低温になるので、吸着部８３の吸着剤はキャビン８から流出される空気に含まれる有効成分（ここでは水分子）を吸収する。一方、補助空気流路７１を介して導入される空気が流れる時は高温になるので、吸着部８３の吸着剤は流出空気流路４０を介して導入される空気から吸収した水分子を補助空気流路７１を介して導入される空気中に放出することで再生する。
【００４６】
エンジン１から流量調節バルブ８９を介して送られる抽出空気が流れる補助抽出空気流路９１が設けられている。混合前コンプレッサ１７の上流かつ吸着部８３の下流において、補助抽出空気流路９１と循環空気が流れる流出空気流路４０とに第５切替えバルブ９０が接続される。第５切替えバルブ９０はコントローラからの信号により第１状態と第２状態との間で切替え可能とされている。第５切替えバルブ９０は第１状態である時、循環空気を混合前コンプレッサ１７に導くと共に、補助抽出空気流路９１から流出空気流路４０への抽出空気の流れを遮る。第５切替えバルブ９０は第２状態である時、補助抽出空気流路９１から流出空気流路４０へ抽出空気を導くと共に、循環空気の流れを遮る。
【００４７】
これにより、第５切替えバルブ９０が第１状態である時は第３実施形態と同様の作用効果を奏する。第５切替えバルブ９０が第２状態である時は、補助抽出空気流路９１は流量制御バルブ８９の下流において流出空気流路４０を介して混合前コンプレッサ１７に接続される。これにより、混合前コンプレッサ１７により循環空気に代えて抽出空気が圧縮され、その圧縮された抽出空気はエアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３に導かれる。また、第５切替えバルブ９０が第２の状態になった時は、流量制御バルブ３９は全閉となる。よって、混合前コンプレッサ１７により圧縮された循環空気に代えて、混合前コンプレッサ１７により圧縮された抽出空気によりエアサイクル式冷却装置のコンプレッサ３に供給される空気の全量が賄われる。これにより、機体が降下する状態において第５切替えバルブ９０を第２状態にすることで電力消費の増大を防止できる。すなわち、機体の降下時は燃料タンクにおける空洞容積は燃料が消費された結果大きくなっており、また、降下による気圧上昇があることから、燃料周囲領域１５へ窒素富化ガスを大量供給する必要がある。一方、降下時でも抽出空気の圧力は循環空気の圧力よりも高い。よって、混合前コンプレッサ１７により循環空気に代えて抽出空気を圧縮することで、抽出空気の圧力と循環空気の圧力との差圧分だけ、混合前コンプレッサ１７の作動に要するエネルギを低減できる。その結果、装置全体の消費エネルギを削減できる。
【００４８】
例えば、機体が４２０００ｆｔ（１２８００ｍ）から降下を開始する時、キャビン８の内圧が１１．３ｐｓｉ（７７．９ｋＰａ）、抽出空気の圧力が約２０ｐｓｉ（１３８ｋＰａ）、空気分離部１６を正常に作動させるためにコンプレッサ３の入口での空気圧が３０ｐｓｉ（２０７ｋＰａ）程度必要である場合を想定する。この場合、循環空気を混合前コンプレッサ１７により圧縮することでコンプレッサ３の入口での空気圧を確保すると、混合前コンプレッサ１７の圧縮比は２．６５になる。これに対し、抽出空気を混合前コンプレッサ１７により圧縮することでコンプレッサ３の入口での空気圧を確保すると、混合前コンプレッサ１７の圧縮比は１．５になる。すなわち、混合前コンプレッサ１７の圧縮比は小さくなるので消費エネルギを削減できる。他は第３実施形態と同様で、同様部分は同一符号で示す。
【００４９】
図９、図１０は第４実施形態の変形例に係る混合前コンプレッサ１７′と接続切替え機構を示す。この混合前コンプレッサ１７′は遠心翼車により構成される２段の圧縮部１７ａ、１７ｂを有する。一方の圧縮部１７ａの入口は第５切替えバルブ９０に接続される。一方の圧縮部１７ａの出口は第６切替えバルブ９２に接続される。他方の圧縮部１７ｂの入口は第７切替えバルブ９３に接続される。他方の圧縮部１７ｂの出口は再生熱交換機７２に接続される。第６切替えバルブ９２と第７切替えバルブ９３は接続切替え機構を構成する。第５切替えバルブ９０が図９に示す第１状態である時、第６切替えバルブ９２と第７切替えバルブ９３は一方の圧縮部１７ａの出口を他方の圧縮部１７ｂの入口に接続する。第５切替えバルブ９０が図１０に示す第２状態である時、第６切替えバルブ９２は一方の圧縮部１７ａの出口を再生熱交換機７２に接続し、第７切替えバルブ９３は他方の圧縮部１７ｂの入口を第５切替えバルブ９０に接続する。すなわち２段の圧縮部１７ａ、１７ｂは、第５切替えバルブ９０が第１状態である時は直列に接続され、第５切替えバルブ９０が第２状態である時は並列に接続される。これにより、混合前コンプレッサ１７′における圧縮率を第５切替えバルブ９０が第１状態である時と第２状態である時とで略同一にすれば、混合前コンプレッサ１７′における流量を第５切替えバルブ９０が第２状態である時は第１状態である時の略２倍にできる。よって、機体が降下する状態において第５切替えバルブ９０を第２状態にすることで電力消費の増大を防止できる。よって、機体の降下時における空気流量確保のために混合前コンプレッサ１７′の数を増大させる必要がない。なお、混合前コンプレッサ１７′は３段以上の圧縮部を有するものであってもよい。この場合においては、直列に接続する状態と並列に接続する状態との間で切替えられる圧縮部は少なくとも２段でよい。
【００５０】
例えば各圧縮部１７ａ、１７ｂにおける圧縮率を１．６〜１．７、コンプレッサ３の入口での空気圧が３０ｐｓｉ（２０７ｋＰａ）程度、流量が１２０ＬＢＳ／ｍｉｎ（５４．４ｋｇ／ｍｉｎ）程度を必要とし、循環空気の圧力は１１．３ｐｓｉ（７７．９ｋＰａ）、温度は８０°Ｆ（２９９．８Ｋ）、抽出空気の圧力は２０ｐｓｉ（１３８ｋＰａ）、温度は２００°Ｆ（３６６．５Ｋ）、混合前コンプレッサ１７の効率は７５％である場合を想定する。この場合、循環空気を混合前コンプレッサ１７で圧縮するとすれば圧縮仕事のために１１７ｋＷの電力が必要で、且つ２段圧縮にする必要があった。これに対して抽出空気を混合前コンプレッサ１７で圧縮することで、５４．７ｋＷの電力と単段圧縮で足りる。なお、第６切替えバルブ９２と第７切替えバルブ９３の作動は、第５切替えバルブ９０との連動は必須ではない。例えば地上において気温が高くない場合は冷房能力を高める必要はないため、コンプレッサ３入口圧をあまり高くする必要はない。同時に燃料周囲領域１５への窒素富化ガス供給量も少なくてよいため、空気分離部の選択透過膜に作用する圧力も高めなくてよい。このような場合には、第５切替えバルブ９０が第１状態である時に両圧縮部１７ａ、１７ｂが並列に接続されてもよい。
【００５１】
図１１〜図１３は本発明の第５実施形態の航空機用空気調和装置を示し、第４実施形態と同様部分は同一符号で示して相違点を説明する。この第５実施形態においては、コンプレッサ３から膨張タービン５に空気を導くための常開の空気流路７５′を備える。その空気流路７５′を流れる空気の一部が、互いに並列に接続された複数の空気分離ユニットＵ′を構成する空気分離部１６′に導かれる。各空気分離ユニットＵ′は、第１〜第３コントロールバルブ４１ａ、４１ｂ、４１ｃに接続される。各コントロールバルブ４１ａ、４１ｂ、４１ｃはコントローラからの信号により開度調整される。各空気分離ユニットＵ′から窒素富化ガスと酸素濃縮空気とが排出される。窒素富化ガスは、第１コントロールバルブ４１ａを介して燃料周囲領域１５に導かれた後に、放出路を通って機外空間１４に放出される。酸素濃縮空気は、第２コントロールバルブ４１ｂを介して機外空間１４に放出可能とされ、また、第３コントロールバルブ４１ｃを介してキャビン８に導入可能とされている。各コントロールバルブ４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度調整により空気分離ユニットＵ′を通過する空気流量が調整可能とされている。その空気流路７５′に導かれた空気は膨張タービン５でほぼ断熱的に膨張される。
【００５２】
図１２に示すように、複数（本実施形態では４ユニット）の空気分離ユニットＵ′それぞれは、互いに接続されると共に上記空気流路７５′に接続される空気導入口Ｕ１′と、互いに接続されると共に上記第１コントロールバルブ４１ａを介して上記燃料周囲領域１５に接続される窒素富化ガス排出口Ｕ３′と、互いに接続される酸素濃縮空気排出口Ｕ２′とを有する。各酸素濃縮空気排出口Ｕ２′は、第２コントロールバルブ４１ｂを介して機外空間１４に接続され、第３コントロールバルブ４１ｃを介してキャビン８に接続される。
【００５３】
図１３に示すように各空気分離部１６′を構成する選択透過膜１６ａ′は、空気中の酸素（Ｏ2 ）の透過率が窒素（Ｎ2 ）の透過率よりも高くされている。これにより、ウォータセパレータ７を通過した空気は、空気分離部１６′により窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離される。選択透過膜１６ａ′は多数の中空糸膜からなる。それら中空糸膜は、容器１６ｃ′に収納されると共にエポキシ等の樹脂製バインダ１６ｂ′の中に両端が埋設されることで束ねられる。そのバインダ１６ｂ′により容器１６ｃ′の内周と中空糸膜の両端外周との間が封鎖される。その容器１６ｃ′の一端開口は、各中空糸膜の一端開口と上記空気導入口Ｕ１′とに接続され、これによりウォータセパレータ７に接続される空気導入ポート１６ｄ′として機能する。その容器１６ｃ′の他端開口は、各中空糸膜の他端開口と上記窒素富化ガス排出口Ｕ３′とに接続され、これにより窒素富化ガス排出ポート１６ｆ′として機能する。窒素富化ガス排出ポート１６ｆ′から排出される窒素富化ガスが燃料周囲領域１５に導入される。その容器１６ｃ′の両端間に形成された開口は、各中空糸膜の両端間外周と上記酸素濃縮空気排出口Ｕ２′とに接続され、これにより酸素濃縮空気排出ポート１６ｅ′として機能する。酸素濃縮空気排出ポート１６ｅから排出される酸素濃縮空気は、膨張タービン５を介することなくキャビン８に導入可能とされている。すなわち、選択透過膜１６ａ′を透過することで減圧された酸素濃縮空気を膨張タービン５を介することなくキャビン８に導入できる。これにより、コンプレッサ３の出口と膨張タービン５の入口との間の圧力差を小さくし、エアサイクル式冷却装置の効率低下を防止できる。各空気分離部１６′における空気の導入ポート１６ｄ′を開閉するバルブ１６ｇ′が設けられている。他は第４実施形態と同様で、同様部分は同一符号で示す。
【００５４】
本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、上記実施形態における吸着部の数を３つ以上にし、吸着部の数の増加に応じて切替えバルブの数を増やしてもよい。例えば吸着部の数を３つ以上とする場合、何れか一つまたは複数個の吸着部を流出空気流路に接続し、残りの吸着部をバイパス空気流路に接続し、設定時間毎に、流出空気流路に接続される吸着部とバイパス空気流路に接続される吸着部とを予め設定した順序で変化させてもよい。吸着部２３、２４を構成する吸着剤２３ｂ、２４ｂはシリカゲルやゼオライトに限らず、空気に含まれる他の物質の吸着能力を有するものを使用しても良い。
上記実施形態における各膨張タービンを多段にしてもよい。
コントローラ２５は、吸着部２３、２４の内部や出入口につながる配管等に設けた温度センサ、水分センサ、酸素センサ等からの信号に基づいて切替動作信号を出力させてもよい。また、上記実施形態では、航空機の状態に応じたコントローラからの信号により各バルブ１２、３９、４１の開度を調節したり、各切替えバルブ  ２１、２２、２７、３６を切替えることで、図４〜図６に示すように空気調和装置の状態を変更したが、これに代えて、空気調和装置における空気や冷媒の流路に温度センサや流量センサを設け、それらセンサからの信号に応じて各バルブ１２、３９、４１の開度を調節したり、各切替えバルブ２１、２２、２７、３６を切替えてもよい。
エンジン１からの抽気空気は、プリクーラ２に入る前のものを供給してもよく、この場合、空気の温度が高いため少量の空気の供給で各吸着剤２３ｂ、２４ｂを再生できる。上記実施形態ではベーパサイクル式熱交換ユニット３０により循環空気を抽出空気との混合前に冷却したが、混合された循環空気と抽出空気とを冷却するようにしてもよい。
上記実施形態ではコンプレッサ３により圧縮される前の抽出空気を循環空気と混合したが、コンプレッサ３により圧縮された抽出空気を混合前コンプレッサ１７で圧縮された後の循環空気と混合し、しかる後にメインクーラ４により混合された抽出空気と循環空気とを冷却するようにしてもよい。
さらに、ベーパサイクル式熱交換ユニット３０として、状況に応じて機体外から取り入れた熱により循環空気を加熱する暖房モードに切替え可能なものを用いてもよい。
混合前コンプレッサ１７は複数ユニット搭載し、第５切替えバルブ９０を第１状態にしたユニットと第２状態にしたユニットを混在するような運用を行ってもよい。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジン負荷を増大することなく、空気分離ユニットに導入される空気の量と圧力を確保でき、装置の小型軽量化により民間航空機でのＯＢＩＧＧＳの実用化により燃料火災の発生防止に寄与でき、しかもキャビン内の快適性を向上できる航空機用空気調和装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図２】本発明の第２実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図３】本発明の第３実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が地上にある時の構成説明図
【図４】本発明の第３実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が上昇時の構成説明図
【図５】本発明の第３実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が高々度での巡航時の構成説明図
【図６】本発明の第３実施形態における航空機用空気調和装置の航空機が降下時の構成説明図
【図７】本発明の変形例の航空機用空気調和装置における吸着部の構成説明図
【図８】本発明の第４実施形態における航空機用空気調和装置の構成説明図
【図９】本発明の第４実施形態の変形例において、第５切替えバルブが第１状態である時の混合前コンプレッサと接続切替え機構を示す図
【図１０】本発明の第４実施形態の変形例において、第５切替えバルブが第２状態である時の混合前コンプレッサと接続切替え機構を示す図
【図１１】本発明の第５実施形態の航空機用空気調和装置の構成説明図
【図１２】本発明の第５実施形態の航空機用空気調和装置における空気分離ユニットの配置説明図
【図１３】本発明の第５実施形態の航空機用空気調和装置における空気分離ユニットの構成説明図
【図１４】従来の航空機用空気調和装置の構成説明図
【符号の説明】
１  エンジン
３  コンプレッサ
５  膨張タービン
６ａ  モータ
８  キャビン
１５  燃料周囲領域
１６  空気分離部
１６ａ  選択透過膜
１７、１７′  混合前コンプレッサ
１７ａ、１７ｂ  圧縮部
１８  モータ
３０  ベーパサイクル式熱交換ユニット
９０  第５切替えバルブ
９１  補助抽出空気流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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