(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサによって圧縮された空気を膨張タービンにより膨張させることでキャビン内に導入される冷気を生成する冷却処理ユニットと、
そのキャビンからの流出空気を圧縮する混合前コンプレッサを有する圧縮処理ユニットと、
エンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気の流量制御バルブと、
その流量制御バルブに開度を指示するコントローラとを備え、
その流量制御バルブにより流量制御された前記抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気とが、混合後に冷却処理ユニットのコンプレッサに導入可能とされ、
その冷却処理ユニットは、そのコンプレッサにより圧縮された空気を窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する空気分離部を有し、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に導入可能とされ、
その流量制御バルブよりも下流であって、且つ、前記抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合位置よりも上流の空気流路に、その空気流路の開度変更用補助バルブが設けられ、
その流量制御バルブを通過すると共に混合前コンプレッサによって圧縮された空気と混合される前の前記抽出空気の圧力を検出する導入圧センサが設けられ、
その導入圧センサによる検出空気圧力が設定圧力未満である時、その補助バルブの開度は流量制御バルブの最大開度以上とされ、
その導入圧センサによる検出空気圧力が設定圧力以上である時、その補助バルブの開度を流量制御バルブへの指示開度以下にする手段が設けられている航空機用空気調和装置。
【請求項２】
コンプレッサによって圧縮された空気を膨張タービンにより膨張させることでキャビン内に導入される冷気を生成する冷却処理ユニットと、
そのキャビンからの流出空気を圧縮する混合前コンプレッサを有する圧縮処理ユニットと、
エンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気の流量制御バルブと、
その流量制御バルブに開度を指示するコントローラとを備え、
その流量制御バルブにより流量制御された前記抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気とが、混合後に冷却処理ユニットのコンプレッサに導入可能とされ、
その冷却処理ユニットは、そのコンプレッサにより圧縮された空気を窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する空気分離部を有し、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に導入可能とされ、
その流量制御バルブよりも下流であって、且つ、前記抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合位置よりも上流の空気流路に、その空気流路の開度変更用補助バルブが設けられ、
その流量制御バルブを通過した前記抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合後における空気の圧力を、その冷却処理ユニットのコンプレッサによる圧縮前に検出する第１圧力センサが設けられ、
その混合前コンプレッサにより圧縮された空気の圧力を、前記抽出空気との混合前に検出する第２圧力センサが設けられ、
その第２圧力センサによる検出空気圧力から第１圧力センサによる検出空気圧力を差し引いた差圧が設定値以上である時、その補助バルブの開度は流量制御バルブの最大開度以上とされ、
その差圧が設定値未満である時、その補助バルブの開度を流量制御バルブへの指示開度以下にする手段が設けられている航空機用空気調和装置。
【請求項３】
コンプレッサによって圧縮された空気を膨張タービンにより膨張させることでキャビン内に導入される冷気を生成する冷却処理ユニットと、
そのキャビンからの流出空気を圧縮する混合前コンプレッサを有する圧縮処理ユニットと、
エンジンまたは高圧空気供給ユニットからの抽出空気の流量制御バルブと、
その流量制御バルブに開度を指示するコントローラとを備え、
その流量制御バルブにより流量制御された前記抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気とが、混合後に冷却処理ユニットのコンプレッサに導入可能とされ、
その冷却処理ユニットは、そのコンプレッサにより圧縮された空気を窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する空気分離部を有し、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に導入可能とされ、
その流量制御バルブよりも下流であって、且つ、前記抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合位置よりも上流の空気流路に、その空気流路の開度変更用補助バルブが設けられ、
その流量制御バルブを通過すると共に混合前コンプレッサによって圧縮された空気と混合される前の前記抽出空気の圧力を検出する導入圧センサが設けられ、
その流量制御バルブを通過した前記抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合後における空気の圧力を、その冷却処理ユニットのコンプレッサによる圧縮前に検出する第１圧力センサが設けられ、
その混合前コンプレッサにより圧縮された空気の圧力を、前記抽出空気との混合前に検出する第２圧力センサが設けられ、
その導入圧センサによる検出空気圧力が設定圧力未満であり、且つ、その第２圧力センサによる検出空気圧力から第１圧力センサによる検出空気圧力を差し引いた差圧が設定値以上である時、その補助バルブの開度は流量制御バルブの最大開度以上とされ、
その導入圧センサによる検出空気圧力が設定圧力以上である時、および、その差圧が設定値未満である時の中の少なくとも一方である時、その補助バルブの開度を流量制御バルブへの指示開度以下にする手段が設けられている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エンジン抽出空気をラジアルコンプレッサで断熱圧縮し、これを冷却した後に膨張タービンにより断熱膨張することで冷気を得るエアサイクル式冷却装置が従来から使用されている。
【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にＯＢＩＧＧＳ（On Board Inert Gas Generation System）を備えるものがある。そのＯＢＩＧＧＳは、エンジン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を備え、その空気分離から排出される窒素富化ガスを燃料タンク内部や燃料配管領域等の燃料周囲領域に供給する。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】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＯＢＩＧＧＳにおいては、空気分離部から排出される酸素濃縮空気は機外空間に放出され、有効利用されることなく無駄になっている。また、空気分離部への供給される空気は空気調和装置へ送られる空気とは独立して供給されていたため、空気分離部に導入するエンジン抽出空気量を確保するためにエンジン負荷が増大する。一方、空調装置においては、構成機器の故障時においてもキャビン内の圧力および温度の異常変動を防止し、安全性を確保するということも必要とされている。
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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の航空機用空気調和装置は、コンプレッサによって圧縮された空気を膨張タービンにより膨張させることでキャビン内に導入される冷気を生成する冷却処理ユニットと、そのキャビンからの流出空気を圧縮する混合前コンプレッサを有する圧縮処理ユニットと、エンジン抽出空気の流量制御バルブと、その流量制御バルブに開度を指示するコントローラとを備え、その流量制御バルブにより流量制御されたエンジン抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気とが、混合後に冷却処理ユニットのコンプレッサに導入可能とされ、その冷却処理ユニットは、そのコンプレッサにより圧縮された空気を窒素富化ガスと酸素濃縮空気とに分離する空気分離部を有し、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に導入可能とされている。
これにより、空気分離部から排出された酸素濃縮空気をキャビンに供給することで有効利用できる。
また、空気分離部を空気調和装置を構成する冷却処理ユニットと一体化し、さらにキャビンから流出する空気により、空気分離部を含む冷却処理ユニットに必要な空気量のかなりの部分を賄うため、エンジン抽出空気量を抑制してエンジン負荷を軽減できる。
【０００６】
本発明においては、その流量制御バルブよりも下流であって、且つ、エンジン抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合位置よりも上流の空気流路に、その空気流路の開度変更用補助バルブが設けられる。
本発明の第１の特徴は、その流量制御バルブを通過すると共に混合前コンプレッサによって圧縮された空気と混合される前のエンジン抽出空気の圧力を検出する導入圧センサが設けられ、その導入圧センサによる検出空気圧力が設定圧力未満である時、その補助バルブの開度は流量制御バルブの最大開度以上とされ、その導入圧センサによる検出空気圧力が設定圧力以上である時、その補助バルブの開度を流量制御バルブへの指示開度以下にする手段が設けられている点にある。
本発明の第２の特徴は、その流量制御バルブを通過したエンジン抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合後における空気の圧力を、その冷却処理ユニットのコンプレッサによる圧縮前に検出する第１圧力センサが設けられ、その混合前コンプレッサにより圧縮された空気の圧力を、そのエンジン抽出空気との混合前に検出する第２圧力センサが設けられ、その第２圧力センサによる検出空気圧力から第１圧力センサによる検出空気圧力を差し引いた差圧が設定値以上である時、その補助バルブの開度は流量制御バルブの最大開度以上とされ、その差圧が設定値未満である時、その補助バルブの開度を流量制御バルブへの指示開度以下にする手段が設けられている点にある。
本発明の第３の特徴は、その流量制御バルブを通過すると共に混合前コンプレッサによって圧縮された空気と混合される前のエンジン抽出空気の圧力を検出する導入圧センサが設けられ、その流量制御バルブを通過したエンジン抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合後における空気の圧力を、その冷却処理ユニットのコンプレッサによる圧縮前に検出する第１圧力センサが設けられ、その混合前コンプレッサにより圧縮された空気の圧力を、そのエンジン抽出空気との混合前に検出する第２圧力センサが設けられ、その導入圧センサによる検出空気圧力が設定圧力未満であり、且つ、その第２圧力センサによる検出空気圧力から第１圧力センサによる検出空気圧力を差し引いた差圧が設定値以上である時、その補助バルブの開度は流量制御バルブの最大開度以上とされ、その導入圧センサによる検出空気圧力が設定圧力以上である時、および、その差圧が設定値未満である時の中の少なくとも一方である時、その補助バルブの開度を流量制御バルブへの指示開度以下にする手段が設けられている点にある。
【０００７】
本発明によれば、その流量制御バルブが故障により開き状態で固着しても、キャビン内の圧力および温度の異常変動を防止し、安全性を確保できる。
すなわち、飛行条件に応じてエンジンパワーが上昇すると、エンジン抽出空気の圧力も上昇する。もし、そのエンジン抽出空気が流量制御バルブにより絞られることなく混合前コンプレッサによって圧縮された空気と混合されると、その混合された空気の圧力が混合前コンプレッサによって圧縮された空気の圧力以上になる。すると、冷却処理ユニットのコンプレッサによる圧縮後の空気圧力もさらに上昇するため、キャビン内の圧力上昇および温度低下が過大になるおそれがある。また、空気分離部の選択透過膜が高圧力の作用により取り付け部位から外れたり破れることで、空気や膜の破片が燃料周囲領域に漏出するおそれがある。さらに、圧縮処理ユニットにおいて空気の逆流現象が生じ、混合前コンプレッサがサージ運転状態となって翼車等が破損するおそれがある。
これに対して本発明の構成によれば、流量制御バルブが故障により開き状態で固着し、流量制御バルブを通過するエンジン抽出空気の圧力が増大しても、補助バルブの開度を流量制御バルブへの指示開度以下にすることができる。これにより、エンジン抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気の混合後における圧力が混合前コンプレッサによって圧縮された空気の圧力以上になるのを阻止できる。よって、冷却処理ユニットのコンプレッサによる圧縮後の空気圧力が過大になるのを防止し、キャビン内の圧力および温度を適正に維持できる。また、空気分離部の選択透過膜は過大な圧力の作用を受けることがないので、空気の漏れや破損が防止される。また、圧縮処理ユニットにおいて混合前コンプレッサがサージ運転状態になることはなく破損を防止できる。その第２圧力センサによる検出空気圧力から第１圧力センサによる検出空気圧力を差し引いた差圧の設定値は、混合前コンプレッサによって圧縮された空気とエンジン抽出空気とを混合後に冷却処理ユニットのコンプレッサに導入できるように設定すればよい。すなわち、その差圧が設定値以上である時は、流量制御バルブを通過したエンジン抽出空気と混合前コンプレッサによって圧縮された空気との混合直後における空気圧と、混合前コンプレッサにより圧縮された直後の空気圧との間に適正な差圧が確保され、その間を規定の空気量が流れ、混合前コンプレッサが閉塞状態に至るような状況にはならない。その差圧が確保されるように補助バルブを流量制御バルブに代えて動作させるようにしてもよい。
【０００８】
【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で流量制御する。その流量制御されたエンジン抽出空気は、混合前コンプレッサ１７により圧縮された空気と混合された後にラジアルコンプレッサ３でほぼ断熱的に圧縮される。そのエンジン抽出空気の流量制御バルブ３９は、例えば図外コントローラからの信号により開度を指示されるモータ駆動のバタフライバルブにより構成される。ラジアルコンプレッサ３で圧縮されることで昇温された空気はメインクーラ４と呼ばれる熱交換器により冷却された後、再生熱交換機４ａで冷却され、水分捕捉のためにウォータセパレータ７に導かれる。そのウォータセパレータ７で水分除去された空気は、互いに並列に接続された複数の空気分離ユニットＵに導かれる。各空気分離ユニットＵは、互いに並列に接続された空気分離部１６と分離バイパス流路７５とを有する。その分離バイパス流路７５は開閉バルブ４１により開閉され、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はコンプレッサ３で圧縮された空気を酸素濃縮空気と窒素富化ガスとに分離する。その酸素濃縮空気と分離バイパス流路７５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る。これにより、コンプレッサ３と膨張タービン５とにより構成されるエアサイクル式冷却装置により冷気が生成される。その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。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。そのシャフト６は動圧ガス軸受けにより支持されるのが好ましい。そのコンプレッサ３とタービン５を結ぶシャフト６に、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。そのラジアルコンプレッサ３、メインクーラ４、再生熱交換機４ａ、膨張タービン５、モータ６ａ、ウォータセパレータ７および空気分離ユニットＵにより冷却処理ユニットＡが構成されている。この冷却処理ユニットＡは複数であってもよい。
【０００９】
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。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。その流出空気流路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。
【００１０】
その流出空気流路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。その補助空気流路７１と流出空気流路４０とに、吸着部８３が空気流路切替機構５０を介して接続される。すなわち図２に示すように、多数の吸着部８３が回転ドラム８０の内部にハニカム状に設けられ、その長手方向は回転軸方向に延びる。各吸着部８３内に吸着剤が充填されている。その吸着剤は、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もので、例えば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、その吸着剤として水分子吸着物質が用いられる。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、その回転ドラム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。なお、吸着部８３と空気流路切替機構５０の構造は特に限定されず、例えば複数の容器内に吸着剤を充填することで吸着部を構成し、各吸着部を補助空気流路７１と流出空気流路４０とに交互に接続する切り替えバルブにより空気流路切替機構を構成してもよい。
【００１１】
その補助空気流路７１から吸着部８３に導かれた空気は第３切替えバルブ２７に導かれる。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、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からの信号により空気流路を切替え可能である。
【００１２】
その補助空気流路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（本実施形態では水分子）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。例えば、各吸着剤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、吸着剤により吸着した後にキャビン８に還流する空気中に放出することでキャビン８に戻し、キャビン８の快適性を向上することができる。しかも、吸着剤は再度利用できるように再生される。各吸着部８３の吸着剤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、吸着剤により吸着した後にキャビン８に還流する空気中に放出することでキャビン８に戻し、キャビン８の快適性を向上することができる。しかも、吸着剤を再度利用できるように再生できる。各吸着剤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。
【００１３】
その空気流路切替機構５０により、流出空気流路４０から吸着部８３に導かれた空気は、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。その混合前コンプレッサ１７によりキャビン８からの流出空気が圧縮される。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し、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。その混合前コンプレッサ１７、放熱器１９、モータ１８、第４切替えバルブ３６、空気流路切替機構５０、再生熱交換機７２、吸着部８３、ファンＦ２によって、キャビン８からの流出空気の圧縮処理ユニットＢが構成されている。この圧縮処理ユニットＢは複数であってもよい。
【００１４】
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ミキシングチャンバ１３を介して直接キャビン８に戻す場合とエアサイクル式冷却装置を介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。これにより、上記流量制御バルブ３９により流量制御されたエンジン抽出空気と混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気とが、混合後に冷却処理ユニットＡのコンプレッサ３に導入可能とされている。その混合された循環空気と抽出空気とがコンプレッサ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。
【００１５】
上記流量制御バルブ３９よりも下流であって、且つ、エンジン抽出空気と混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気との混合位置よりも上流の空気流路に、その空気流路の開度変更用補助バルブＶＬ１が設けられている。その流量制御バルブ３９を通過すると共に混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気と混合される前のエンジン抽出空気の圧力を検出する導入圧センサＳαが設けられている。本実施形態では、流量制御バルブ３９と補助バルブＶＬ１との間の空気流路に導入圧センサＳαは配置されている。
【００１６】
流量制御バルブ３９を通過したエンジン抽出空気と混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気との混合後における空気の圧力を、その冷却処理ユニットＡのコンプレッサ３による圧縮前に検出する第１圧力センサＳ１が設けられている。本実施形態では、エンジン抽出空気と混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気との混合位置とコンプレッサ３との間に第１圧力センサＳ１が設けられている。この第１圧力センサＳ１は冷却処理ユニットＡの一部を構成する。
【００１７】
混合前コンプレッサ１７により圧縮された空気の圧力をエンジン抽出空気との混合前に検出する第２圧力センサＳ２が設けられている。その第２圧力センサＳ２は、混合前コンプレッサ１７の出口から、その混合前コンプレッサ１７により圧縮された空気が熱交換によって放熱を行う位置に至るまでの間に配置するのが好ましい。本実施形態では、混合前コンプレッサ１７と再生熱交換機７２との間に第２圧力センサＳ２が設けられている。この第２圧力センサＳ２は圧縮処理ユニットＢの一部を構成する。
【００１８】
図３に示すように、流量制御バルブ３９、補助バルブＶＬ１、導入圧センサＳα、第１圧力センサＳ１および第２圧力センサＳ２はコントローラ２５に接続されている。
導入圧センサＳαによる検出空気圧力が設定圧力未満であり、且つ、第２圧力センサＳ２による検出空気圧力から第１圧力センサＳ１による検出空気圧力を差し引いた差圧が設定値以上である時、補助バルブＶＬ１の開度は流量制御バルブ３９の最大開度以上とされる。例えば、補助バルブＶＬ１は全開状態とされ、その全開状態での開度は流量制御バルブ３９の全開状態での開度以上とされる。その導入圧センサＳαの設定圧力は、流量制御バルブ３９が正常に動作している時の導入圧センサＳαの検出値よりも大きな値とされる。その差圧の設定値は、混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気とエンジン抽出空気とを混合後にコンプレッサ３に導入できるように設定すればよく、例えば零とされる。コントローラ２５は、導入圧センサＳαによる検出空気圧力が設定圧力以上である時、および、第２圧力センサＳ２による検出空気圧力から第１圧力センサＳ１による検出空気圧力を差し引いた差圧が設定値以上である時の中の少なくとも一方である時、補助バルブＶＬ１の開度をコントローラ２５による流量制御バルブ３９への指示開度以下にし、本実施形態では補助バルブＶＬ１を全閉状態にする。なお、補助バルブＶＬ１を全閉状態とするのでなく、流量制御バルブ３９と同様に開度変化するようにコントローラ２５により制御することで流量制御バルブ３９の代替えとして用いてもよく、要は補助バルブＶＬ１の開度が流量制御バルブ３９の本来の開度以下になればよい。
なお、流量制御バルブ３９が正常動作状態に復帰したか否かのチェック手段を設け、正常動作状態に復帰した場合は再び流量制御バルブ３９の開度をコントローラ２５により制御すると共に補助バルブＶＬ１の開度を流量制御バルブ３９の最大開度以上にしてもよい。そのチェック手段は、例えば流量制御バルブ３９の開度検出センサを設け、その開度検出センサの検出開度と流量制御バルブ３９への指示開度とが一致するか否か判断する機能をコントローラ２５に設けることで構成してもよい。
【００１９】
図４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、上記ウォータセパレータ７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膨張タービン５に接続される酸素濃縮空気排出口Ｕ２と、互いに接続されると共に上記燃料周囲領域１５に接続される窒素富化ガス排出口Ｕ３とを有する。
【００２０】
図５に示すように、各空気分離部１６は選択透過膜１６ａを有する。その選択透過膜１６ａは、空気中の窒素（Ｎ2 ）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、コンプレッサ３により圧縮された空気は、再生熱交換機４ａで冷却されてウォータセパレータ７を通過した後に、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。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に導かれた後に機外空間１４に放出される。その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。本実施形態では、各空気分離部１６を構成する選択透過膜１６ａは多数の中空糸膜からなり、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、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とに接続されることでコンプレッサ３により圧縮された空気を導入するための空気の導入ポート１６ｄとされる。その容器１６ｃの他端開口は、各中空糸膜の他端開口と上記酸素濃縮空気排出口Ｕ２とに接続される酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅとされる。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窒素富化ガス排出口Ｕ３とに接続される窒素富化ガスの排出ポート１６ｆとされている。その窒素富化ガスの排出ポート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、その酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅから排出される酸素濃縮空気が膨張タービン５を介してキャビン８に導入される。上記コンプレッサ３と膨張タービン５との間の空気流路における空気の導入ポート１６ｄの上流と酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅの下流とが上記分離バイパス流路７５により連絡され、その分離バイパス流路７５の開度が上記開閉バルブ４１により変更される。
【００２１】
各空気分離部１６における空気の導入ポート１６ｄを開閉する導入側バルブ１６ｇと、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅを開閉する酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｈと、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆを開閉する窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉとが設けられている。各バルブ１６ｇ、１６ｈ、１６ｉにより空気の導入ポート１６ｄ、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅおよび窒素富化ガスの排出ポート１６ｆは同時に全閉可能とされている。その導入側バルブ１６ｇ、酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｈ、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉは手動により作動するものでもよいし、アクチュエータにより作動されるものでもよく、アクチュエータにより作動される場合はアクチュエータをオペレータのスイッチ操作により制御してもよいしコントローラにより制御してもよい。なお、図４に示すように、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉと燃料周囲領域１５との間の配管は、空気分離部１６と航空機の機外とを連絡する外部連絡流路を構成する。その外部連絡流路に絞り部Ｅ１が設けられている。その絞り部Ｅ１は固定絞りでも可変絞り弁でもよい。これにより、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉが開き状態で固着される事態が生じても、キャビン８に供給されるべき空気が機外に過剰に流出するのを阻止できる。例えば、その窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉが全開になることで絞り部Ｅ１の上流側と下流側の圧力比が最大（例えば約１．９以上）になっても規定流量（例えば１０ＬＢＳ／ｍｉｎ（４．５ｋｇ／ｍｉｎ））以上のガスは絞り部Ｅ１の下流では流れないようにできる。
【００２２】
上記実施形態の空気調和装置を備えた航空機が地上にある時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、凝縮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、キャビン８から流出した空気から水分を捕捉した吸着部８３の吸着剤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８３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、キャビン８から流出されて吸着部８３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。
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（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ  Ｐｏｗｅｒ  Ｕｎｉｔ）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ことが可能とされている。
【００２３】
航空機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８３において再生された暖かく水分を含む空気が、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、放熱器１９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８３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、離陸のための滑走状態から開閉バルブ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。
【００２４】
航空機が高々度で巡航する状態においては、キャビン８から流出されて吸着部８３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で昇圧された後に切替えバルブ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８３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。
【００２５】
航空機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、高圧の抽出空気の確保が難しくなる。そこで、キャビン８から流出される空気を圧縮処理ユニットＢから切替えバルブ３６を介してコンプレッサ３に導き、エアサイクル式冷却装置における高圧の抽出空気量の低下を補う。また、開閉バルブ４１が全閉とされて空気分離部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８３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。特に高々度ではエンジン１の出力が絞られると、もともとの取り込まれる外気圧が低いため、エンジン抽気圧自体も低くなっており、圧縮処理ユニットＢからの空気圧と比べても低く、混合できる状態ではないため、流量制御バルブ３９を全閉とし、ホットエアモジュレートバルブ１２を開いてエンジン抽出空気をキャビン８に直接導入する。
【００２６】
上記実施形態によれば、酸素濃縮空気をキャビン８に供給することで有効利用でき、また、循環空気とエンジン１からの抽出空気とが混合後に空気分離部１６に導入されるので、エンジン抽出空気量を抑制してエンジン負荷を軽減できる。そして、流量制御バルブ３９が故障により開き状態で固着し、流量制御バルブ３９を通過するエンジン抽出空気の圧力が増大しても、補助バルブＶＬ１の開度を流量制御バルブ３９への指示開度以下にすることができる。これにより、エンジン抽出空気と混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気の混合後における圧力と混合前コンプレッサ１７によって圧縮された空気の圧力との差圧が、混合前コンプレッサ１７から混合部に必要な空気流量を確保できなくなる設定値未満になるのを阻止できる。よって、冷却処理ユニットＡのコンプレッサ３による圧縮後の空気圧力が過大になるのを防止し、キャビン８内の圧力および温度を適正に維持できる。また、空気分離部１６の選択透過膜１６ａは過大な圧力の作用を受けることがないので、空気の漏れや破損が防止される。さらに、圧縮処理ユニットＢにおいて混合前コンプレッサ１７がサージ運転状態になることはなく破損を防止できる。
【００２７】
図６〜図８は本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置に関し、第１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。
図６に示すように、第２実施形態においては、ラジアルコンプレッサ３で圧縮され、メインクーラ４、再生熱交換機４ａで冷却され、ウォータセパレータ７で水分除去された空気は、常開の空気流路７５′と互いに並列に接続された複数の空気分離ユニットＵ′とに導かれる。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、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。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、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。これにより、コンプレッサ３と膨張タービン５とにより構成されるエアサイクル式冷却装置により冷気が生成される。その冷気は第１実施形態と同様にキャビン８に導入される。そのラジアルコンプレッサ３、メインクーラ４、再生熱交換機４ａ、膨張タービン５、モータ６ａ、ウォータセパレータ７および空気分離ユニットＵ′により冷却処理ユニットＡ′が構成されている。
【００２８】
図７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。
【００２９】
図８に示すように、各空気分離部１６′は選択透過膜１６ａ′を有する。その選択透過膜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、コンプレッサ３により圧縮された空気は、再生熱交換機４ａで冷却されてウォータセパレータ７を通過した後に、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。本実施形態では、各空気分離部１６′を構成する選択透過膜１６ａ′は多数の中空糸膜からなり、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、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′とに接続されることでコンプレッサ３により圧縮された空気を導入するための空気の導入ポート１６ｄ′とされる。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′とに接続される窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′とされている。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′とに接続される酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′とされる。これにより、空気の導入ポート１６ｄ′は上記ウォータセパレータ７に接続され、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′から排出される窒素富化ガスは燃料周囲領域１５に導入可能とされている。また、酸素濃縮空気の排出ポート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、コンプレッサ３出口と膨張タービン５入口との間に圧力降下する物の存在を減少させた結果この間の圧力差を小さくすることにより構成されるエアサイクル式冷却装置の効率低下を防止できる。
【００３０】
各空気分離部１６′における空気の導入ポート１６ｄ′を開閉する導入側バルブ１６ｇ′と、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′を開閉する酸素濃縮空気排出側バルブ１６ｈ′と、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′を開閉する窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉ′とが設けられている。各バルブ１６ｇ′、１６ｈ′、１６ｉ′により空気の導入ポート１６ｄ′、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′および窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′は同時に全閉可能とされている。これにより、空気の導入ポート１６ｄ′、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅ′、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ′を全閉状態にすれば、空気分離部１６′の破損に対処できるだけでなく保守点検や交換を空調空気を流動させた状態で容易に行うことができる。なお、第１コントロールバルブ４１ａと燃料周囲領域１５との間の配管と、第２コントロールバルブ４１ｂと機外空間１４との間の配管は空気分離部１６′と機外とを連絡する外部連絡流路を構成する。図６に示すように、各外部連絡流路に絞り部Ｅ１、Ｅ２が設けられている。各絞り部Ｅ１、Ｅ２は固定絞りでも可変絞り弁でもよい。これにより、第１コントロールバルブ４１ａや第２コントロールバルブ４１ｂが開き状態で固着される事態が生じても、キャビン８に供給されるべき空気が機外に過剰に流出するのを阻止できる。
【００３１】
他は第１実施形態と同様とされ、第１実施形態と同様に補助バルブＶＬ１、導入圧センサＳα、第１圧力センサＳ１、第２圧力センサＳ２が設けられ、同様の作用効果を奏する。
【００３２】
本発明は上記各実施形態に限定されない。
例えば、上記各実施形態において第１圧力センサＳ１と第２圧力センサＳ２とをなくし、導入圧センサＳαによる検出空気圧力が設定圧力未満である時、補助バルブＶＬ１の開度を流量制御バルブ３９の最大開度以上とし、導入圧センサＳαによる検出空気圧力が設定圧力以上である時、コントローラ２５により補助バルブＶＬ１の開度を流量制御バルブ３９への指示開度以下にするようにしもてよい。
また、上記各実施形態において導入圧センサＳαをなくし、第２圧力センサＳ２による検出空気圧力から第１圧力センサＳ１による検出空気圧力を差し引いた差圧が設定値以上である時、補助バルブＶＬ１の開度を流量制御バルブ３９の最大開度以上とし、その差圧が設定値未満である時、コントローラ２５により補助バルブＶＬ１の開度を流量制御バルブ３９への指示開度以下にしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、空気分離部から排出される窒素富化ガスだけでなく酸素濃縮空気も有効利用でき、航空機のエンジン負荷を低減し、エンジン抽出空気の流量制御バルブの固着時におけるフェールセーフ機能を奏することが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実施形態の航空機用空気調和装置の構成説明図
【図２】本発明の実施形態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３】本発明の実施形態の航空機用空気調和装置における補助バルブの制御系を示す図
【図４】本発明の第１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５】本発明の第１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６】本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置の構成説明図
【図７】本発明の第２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８】本発明の第２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
【符号の説明】
１  エンジン
３  コンプレッサ
５  膨張タービン
８  キャビン
１５  燃料周囲領域
１６、１６′  空気分離部
１６ａ、１６ａ′  選択透過膜
１７  混合前コンプレッサ
３９  流量制御バルブ
Ａ、Ａ′  冷却処理ユニット
Ｂ  圧縮処理ユニット
Ｓα  導入圧センサ
Ｓ１  第１圧力センサ
Ｓ２  第２圧力センサ
ＶＬ１  補助バルブ
【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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