(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機エンジンの圧縮機から高温・高圧になった空気の一部を取り出し、機外の冷気を利用し、エア・サイクル・システムとベーパ・サイクルシステムにより機内を空気調和する航空機用空気調和装置において、ブリード・エアが取込まれるエア・サイクル・システムの熱交換器の後に、ベーパ・サイクルシステムのエバポレータを配置し、そのエバポレータを通過した空気を高圧ウォータセパレータを介してエア・サイクル・システムに導入する高圧冷却回路を備え、エア・サイクル・システムに導入された空気はリヒータによってキャビンからの再循環空気との熱交換により加熱された後にタービンで断熱膨張され、前記リヒータを出た再循環空気の一部と混合された後に低圧ウォータセパレータを介してキャビンへ導入されることを特徴とす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、航空機用空気調和装置に係わり、特に、エンジンからのブリード・エアを機外の冷気をおびたラムエアを利用して、エア・サイクル・システムとベーパ・サイクルシステムの組み合わせで空気調和を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用空気調和装置は、機内（キャビン）の冷房、暖房、換気を行うと同時に、与圧用空気を供給するもので、与圧系統と冷暖房系統に大別される。与圧系統のない小型機は、エンジンの排気管の熱や、別に設けたヒータからの熱で機内を暖め、冷房は外気を機内に取入れることによって行われている。一方、与圧室のある大型機は、エンジンの圧縮機で高温・高圧になった空気の一部を取り出し（これをエンジン・ブリード・エアまたは抽気という）、（Ａ）機外の冷気を利用（これをラムエアという）したり、（Ｂ）冷媒を使用したベーパ・サイクル冷却方式を利用したり、（Ｃ）エア・サイクル・冷却方式を利用したりし、これらの組合わせで冷暖房を行っている。旧型の大型機、及び現在のタービン・ヘリコプタは、（Ａ）と（Ｂ）の組合わせのベーパ・サイクル方式を採用し、新型のジェット機は（Ａ）と（Ｃ）の組み合わせのエア・サイクル方式を採用している。
【０００３】
従来の装置はエア・サイクル・システム（ＡＣＳと呼ぶ）として、低圧下で水分を分離する方式（ＬＰＷＳ方式と呼ぶ）が用いられていたが、エンジンからの抽気量が多く、エンジン又はＡＰＵ（補助動力装置で、飛行していない時、ここから抽気している。通常、機体の後方に備えられている）の燃費が悪いため、高圧下で水分を分離する方式（ＨＰＷＳ方式と呼ぶ）が採用されている。このＨＰＷＳ方式は調和空気中の湿度を高圧下で除去し、ＡＣＳ出口温度を氷点下に下げることができる。そのため従来のＬＰＷＳ方式よりも必要な冷房能力を得るために使う抽気量が少なくて済むので、エンジン又はＡＰＵの燃費が向上する。ＡＣＳ出口空気は直接キャビンへ供給するには冷えすぎるので、再循環ラインを通って戻ってきたキャビンからの排気の一部と混合し、快適な温度に調整してからキャビンに供給される。さらに、ＡＣＳだけでは冷房能力が不足する場合は、搭載している電子機器等の冷却用にＡＣＳとは独立して、冷媒等を用いた冷却装置を備えたベーパ・サイクルシステム（ＶＣＳと呼ぶ）を設けて冷却を行う。
【０００４】
図２に従来の航空機用空気調和装置のシステムを示す。エンジン２１から抽気される空気を抽気調節弁２２で調節し、あらかじめプリクーラ２３で冷やし、その空気をＡＣＳ５２に入力する。このＡＣＳ５２で調和空気中の湿度が除去され、ＡＣＳ出口から氷点下に近い空気がミキシングチャンバ３６に導入される。一方、キャビン４０から再循環ファン３８により排気される暖かい空気が再循環ライン３７を通してミキシングチャンバ３６に導入され、前記ＡＣＳ５２から導入された氷点下に近い空気と混合され、快適な温度に調整されてからキャビン４０に導入される。さらに、ＡＣＳ５２だけでは冷房能力が不足する場合は、ＡＣＳ５２とは独立してＶＣＳ５３が設けられ、搭載している電子機器等の冷却を行う。そして、キャビン４０内の圧力を所定の快適な圧力にするために、アウトフローバルブ３９が設けられ、自動的に制御されて、余分な空気を外部に出している。
【０００５】
次に、ＡＣＳ５２の動作について説明する。エンジン２１で高温・高圧になった空気の一部が抽気調圧弁２２で調圧されて取出され、プリクーラ２３で予め冷却されてＡＣＳ５２の調圧弁２４に入力される。そして、外気の冷気をおびたラムエア２７によって冷却された１次熱交換器２５でさらに冷却され、コンプレッサ３１により圧縮され、再び２次熱交換器２６で冷却され、水蒸気の一部は凝縮する。ラムエア２７はファン２８によってラムドア２９から放出される。冷却された空気は、リヒータ３３に入り熱交換によりさらに冷却される。リヒータ３３を出た高圧空気は、次にタービン３２で断熱膨張した低温空気によって、コンデンサ３４でさらに冷却され、含まれていた水蒸気のほとんどすべてが凝縮する。次に、ウォータエキストラクタ３５が凝縮した水分の大部分を除去する。ウォータエキストラクタ３５を出た空気は、リヒータ３３で２次熱交換器２６を出た空気と熱交換し、ウォータエキストラクタ３５で取り去れなかった水分は蒸発し、タービン３２に入って断熱膨張される。タービン３２を出た空気はコンデンサ３４で冷却され、０℃以下でミキシングチャンバ３６に導かれる。
【０００６】
次に、ＶＣＳ５３の動作について説明する。冷媒（代替フロン）がエバポレータ４２内で蒸発することにより、循環ファン４１でキャビン４０からエバポレータに導入された空気を冷却する。エバポレータ４２を出た冷媒は、モータ４３で駆動されるコンプレッサ４４により圧縮され、コンデンサ４５でラムエアと熱交換されて液化する。液化した冷媒はリザーバタンク４９に入る。リザーバタンク４９からの液体冷媒は、膨張弁４８で断熱膨張し低温の気液混合状態となり、再びエバポレータ４２に導かれる。
上記のように、従来の大型機の航空機用空気調和装置は、エンジンの圧縮機で高温・高圧になった空気の一部を取り出し（抽気）、機外の冷気を利用（ラムエア）し、エア・サイクル・システムを主とし、補助的に独立してベーパ・サイクル・システムを併用して空気調和を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空気調和装置は以上のように構成されているが、ＡＣＳ５２のみで常時冷房に必要な空気量をキャビン４０に供給すると、例えば、１００人乗り旅客機で約１００ｌｂ／Ｍｉｎを要するので、ブリード・エア抽出による燃料消費量が増加し、燃費が悪化する。燃費はエンジン２１からの抽気量に非常に敏感であり、その関係は１．１＊（燃料ｌｂ／ｈｒ）／（抽気量ｌｂ／ｍｉｎ）となる。また、ＶＣＳ５３をＡＣＳ５２と別に独立して設置すると、システムが大型・複雑化し、重量が増加し、信頼性が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、エンジン２１からの抽気量が少なくて燃費が良く、キャビン４０に快適に必要にして十分な冷却・除湿された空気量を供給することができる、軽量でコンパクトなシステムの高効率・高信頼性の航空機用空気調和装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の航空機用空気調和装置は、航空機エンジンの圧縮機から高温・高圧になった空気の一部を取り出し、機外の冷気を利用し、エア・サイクル・システムとベーパ・サイクルシステムにより機内を空気調和する航空機用空気調和装置において、ブリード・エアが取込まれるエア・サイクル・システムの熱交換器の後に、ベーパ・サイクルシステムのエバポレータを配置し、そのエバポレータを通過した空気を高圧ウォータセパレータを介してエア・サイクル・システムに導入する高圧冷却回路を備え、エア・サイクル・システムに導入された空気はリヒータによってキャビンからの再循環空気との熱交換により加熱された後にタービンで断熱膨張され、前記リヒータを出た再循環空気の一部と混合された後に低圧ウォータセパレータを介してキャビンへ導入されることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の航空機用空気調和装置は、上記のように構成されており、ブリード・エアが取込まれるエア・サイクル・システムの熱交換器下流の高圧回路に、ベーパ・サイクルシステムのエバポレータを配置することで、除湿能力を高めることができ、冷却の一部をベーパ・サイクルシステムでまかなうことができるため、従来冷房のために必要であったブリード・エアの流量を乗客が必要とする最低新鮮空気量まで減らすことが可能であり、且つ抽気圧力も低くてすむことから、ブリード・エア抽出による燃料消費量が低減できる。さらに、エア・サイクル・システムとベーパ・サイクルシステムを独立に配置する場合に比べて、軽量、コンパクト、高信頼性を達成できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の航空機用空気調和装置の一実施例を図１を参照しながら説明する。本装置は、エンジンの圧縮機で高温・高圧になった空気の一部を取込み（抽気）、冷却、リヒート、断熱膨張させて、水蒸気を取り除くエア・サイクル・システムＡＣＳ５０と、抽気された空気をＡＣＳ５０の熱交換器で冷却した後、その空気を取込み、さらに冷却して水蒸気の一部を取り除くベーパ・サイクル・システムＶＣＳ５１と、ＡＣＳ５０からの低温の空気とキャビン２０の空気の一部とを混合させて快適な温度にするミキシングチャンバ１８とから構成されている。
ＡＣＳ５０は抽気を冷却する熱交換器３と、ラムエア２を導くファン４と、送られてきた空気を再加熱するリヒータ１４と、断熱膨張させるタービン１５と、暖かい空気を混合させる温度コントロールバルブ１６と、水蒸気を取除く低圧ウォータセパレータ１７とから構成されている。
ＶＣＳ５１は、冷媒（代替フロン）を蒸発させるエバポレータ５と、気化した冷媒を圧縮する電動コンプレッサ６と、そのモータ７と、ラムエア９と熱交換され液化するところのコンデンサ８と、液化した冷媒を入れるリザーバタンク１１と、断熱膨張させる膨張弁１２とから構成されている。
【００１２】
次に本装置の動作について説明する。ＡＣＳ５０の熱交換器３でラムエア２により外気温近くまで冷却されたブリード・エアは、ＶＣＳ５１のエバポレータ５でさらに冷却され、水蒸気の一部は凝縮し高圧ウォータセパレータ１３で除去される。ここで凝縮した水は完全に除去されず、残った水はＡＣＳ５０のリヒータ１４で、キャビン２０から再循環ファン１９で送られてきた再循環空気との熱交換により加熱され再び水蒸気となる。リヒータ１４を出た高圧空気は、次にタービン１５で断熱膨張することにより０℃以下となり、含まれていた水蒸気はほとんど全てが細かい雪状になる。この空気は、リヒータ１４を出た再循環空気の一部と混合されることにより、０℃よりやや高い温度にされるので雪状になっていた水分は細かい水滴となり、低圧ウォータセパレータ１７で水分は分離される。低圧ウォータセパレータ１７を出た空気は、再循環空気の残りとミキシングチャンバ１８で混合され適度な温度となってキャビン２０に供給される。
【００１３】
ＶＣＳ５１では、冷媒（代替フロン）がエバポレータ５内で蒸発することによりブリード・エアを冷却する。エバポレータ５を出た冷媒は、電動コンプレッサ６により圧縮され、コンデンサ８でラムエア９と熱交換されて液化する。液化した冷媒はリザーバタンク１１に入る。リザーバタンク１１からの液体冷媒は、膨張弁１２で断熱膨張し低温の気液混合状態となり、再びエバポレータ５に導かれる。
本装置は、ＶＣＳ５１のエバポレータ５をＡＣＳ５０の高圧部に配置することにより除湿能力が高まり、冷却の一部をＶＣＳ５１でまかなうため、従来冷房のため必要であったブリード・エアの流量を、乗客が必要とする最低新鮮空気量まで減らす（約２０％）ことが可能であり、且つ抽気圧力も約２０％低くてすむことから、ブリード・エア抽出による燃料消費量を低減できる。
ＶＣＳ５１を使用することで電動コンプレッサ６およびコンデンサファン１０のための電力が必要となるが、電力を使うことによる燃費への影響は、同じ冷房をＡＣＳ５０のみで行う場合のブリード・エア抽出による燃費への影響の約１／１０であり、結果として燃料消費料の低減が可能である。
【００１４】
上記の実施例ではタービン１５の動力により、熱交換器３へのラムエア２を導くためのファン４を駆動しているが、この動力でコンデンサファン１０または再循環ファン１９を駆動することも可能である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の航空機用空気調和装置は上記のように構成されており、ベーパ・サイクル・システムのエバポレータを、エア・サイクル・システムの熱交換器下流に配置して、高圧回路中で冷却除湿能力を高めることができるので、冷房のために必要であったブリード・エアの抽気量を、乗客が必要とする最低新鮮空気量まで減らすことができる。そのためブリード・エア抽気による燃料消費量が低減し、燃費が良くなる。さらに、エア・サイクル・システムとベーパ・サイクルシステムを独立に配置する場合に比べて、軽量でコンパクトにでき、高信頼性のシステムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の航空機用空気調和装置の一実施例を示す図である。
【図２】  従来の航空機用空気調和装置を示す図である。
【符号の説明】
１…抽気                            ２…ラムエア
３…熱交換器                        ４…ファン
５…エバポレーア                    ６…電動コンプレッサ
７…モータ                          ８…コンデンサ
９…ラムエア                      １０…コンデンサファン
１１…リザーバタンク                １２…膨張弁
１３…高圧ウォータセパレータ        １４…リヒータ
１５…タービン                      １６…温度コントロールバルブ
１７…低圧ウォータセパレータ        １８…ミキシングチャンバ
１９…再循環ファン                  ２０…キャビン
２１…エンジン                      ２２…抽気調圧弁
２３…プリクーラ                    ２４…調圧弁
２５…１次熱交換器                  ２６…２次熱交換器
２７…ラムエア                      ２８…ファン
２９…ラムドア                      ３０…排水管
３１…コンプレッサ                  ３２…タービン
３３…リヒータ                      ３４…コンデンサ
３５…ウォータエキストラクタ        ３６…ミキシングチャンバ
３７…再循環ライン                  ３８…再循環ファン
３９…アウトフローバルブ            ４０…キャビン
４１…循環ファン                    ４２…エバポレータ
４３…モータ                        ４４…コンプレッサ
４５…コンデンサ                    ４８…膨張弁
４９…リザーバタンク                ５０…ＡＣＳ
５１…ＶＣＳ                        ５２…ＡＣＳ
５３…ＶＣＳ
【図１】
0004110667.tif 000002
【図２】
0004110667.tif 000003