(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビン空気入口およびキャビン空気出口を有する与圧可能な航空機キャビン用の多モード補助電源装置ベースの環境制御システムであって、
ラム空気入口と、
環境制御システム排出口と、
入口および出口を有するキャビン空気冷却システムとを備えており、
前記環境制御システム排出口は前記キャビン空気入口に接続されており、さらに、
前記ラム空気入口および前記キャビン空気冷却システムの前記入口間に接続されたコンプレッサ、及び該コンプレッサに機械的に連結された燃焼タービンおよび動力回収タービンを含み、該燃焼及び動力回収タービンが前記環境制御システム排出口および前記キャビン空気出口間に接続されているターボ機械と、
前記コンプレッサおよび前記燃焼及び動力回収タービンに接続された電動発電機と、
互いに熱交換関係にある第１流路および第２流路を有する熱交換器とを備えており、前記第１流路は前記コンプレッサと前記キャビン空気冷却システムの流路を相互接続することができ、前記第２流路は前記キャビン空気出口と前記燃焼及び動力回収タービンとを相互接続することができる多モード補助電源装置ベースの環境制御システム。
【請求項２】
前記キャビン空気冷却システムは、電動式蒸気圧縮冷却システムである請求項１記載の多モード補助電源装置ベースの環境制御システム。
【請求項３】
さらに、前記燃焼タービンおよび前記第２流路間に接続された燃焼器を備えている請求項１記載の多モード補助電源装置ベースの環境制御システム。
【請求項４】
さらに、前記燃焼器を前記キャビン空気出口から隔離する手段を含む請求項３記載の多モード補助電源装置ベースの環境制御システム。
【請求項５】
さらに、前記コンプレッサおよび前記燃焼タービンを相互接続して前記熱交換器を迂回する第１選択的作動式ダクトと、前記熱交換器および前記動力回収タービンを相互接続するか、あるいは前記熱交換器および前記燃焼タービンを相互接続するか、あるいは前記熱交換器からの流れを完全に遮断することができる第２選択的作動式ダクトシステムとを備えた請求項１記載の多モード補助電源装置ベースの環境制御システム。
【請求項６】
２つ以上の前記ターボ機械と、２つ以上の前記熱交換器と、２つ以上の前記電動発電機とが存在し、前記ターボ機械の各々が前記熱交換器の対応のものに接続されると共に、前記電動発電機の対応のものに接続されている請求項１記載の多モード補助電源装置ベースの環境制御システム。
【請求項７】
キャビン空気入口およびキャビン空気出口を有する与圧可能な航空機キャビン用の多モード補助電源装置ベースの環境制御システムであって、
ラム空気入口と、
環境制御システム排出口と、
入口および出口を有するキャビン空気冷却システムとを備えており、
前記環境制御システム排出口は前記キャビン空気入口に接続されており、さらに、
前記ラム空気入口および前記キャビン空気冷却システムの前記入口間に接続されたコンプレッサ、及び該コンプレッサに機械的に連結された複数のタービンを含み、該複数のタービンが前記環境制御システム排出口および前記キャビン空気出口間に接続されているターボ機械と、
前記コンプレッサおよび前記複数のタービンに接続された電動機と、
互いに熱交換関係にある第１流路および第２流路を有する熱交換器とを備えており、前記第１流路は前記コンプレッサと前記キャビン空気冷却システムの流路とを相互接続することができ、前記第２流路は前記キャビン空気出口と前記複数のタービンとを相互接続することができる多モード補助電源装置ベースの環境制御システム。
【請求項８】
キャビン空気入口およびキャビン空気出口を有する与圧可能な航空機キャビン用の多モード補助電源装置ベースの環境制御システムであって、
ラム空気入口と、
環境制御システム排出口と、
入口および出口を有するキャビン空気冷却システムとを備えており、
前記環境制御システム排出口は前記キャビン空気入口に接続されており、さらに、
前記ラム空気入口および前記キャビン空気冷却システムの前記入口間に接続されたコンプレッサ、及び該コンプレッサに機械的に連結された燃焼タービンおよび動力回収タービンをそれぞれが含み、該燃焼及び動力回収タービンが前記環境制御システム排出口および前記キャビン空気出口間に接続されている１つまたは複数のターボ機械と、
それぞれが前記コンプレッサおよび前記燃焼及び動力回収タービンに接続された１つまたは複数の発電機と、
それぞれが第１流路および第２流路を互いに熱交換関係に有する１つまたは複数の熱交換器とを備えており、前記第１流路は前記コンプレッサと前記キャビン空気冷却システムの流路とを相互接続することができ、前記第２流路は前記キャビン空気出口と前記燃焼及び動力回収タービンとを相互接続することができ、
少なくとも１つの前記ターボ機械は、前記コンプレッサおよび前記燃焼タービンを相互接続して前記熱交換器を迂回する選択的作動式ダクトと、前記熱交換器および前記動力回収タービンを相互接続するか、あるいは前記熱交換器の１つまたは複数を前記燃焼タービンの対応のものに相互接続するか、あるいは前記熱交換器から前記燃焼及び動力回収タービンのいずれかに向かう流れを停止させることができる第２選択的作動式ダクトシステムとを含む多モード補助電源装置ベースの環境制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、与圧キャビンを有する形式の航空機、特に、そのような航空機用の与圧および環境制御システムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
予想されるように、商業用航空機の操縦者およびその供給者は、航空機の作動コストを削減する方法を絶えず追求している。この追求の１つの焦点は、キャビン与圧および環境制御システム（以下、「ＥＣＳ（environmental control systems）」と称す）である。現在のところ、そのような航空機のタービンエンジンからの推進エンジンブリード空気を換気および与圧の両方に用いており、ブリード空気は、キャビン内を循環中の空気の一部と入れ替える新しい空気として使用される。エンジンからのブリード空気を使用することは、航空機に必要な補助電源および環境制御機能を準備する際の唯一最大の作動コスト要因であろう。
【０００３】
さらに、タービンエンジン技術の改良に伴って、エンジンのバイパス比が増加しており、エンジン中心部の空気流が減少し、与圧および循環に使用できるブリード空気がさらに減少している。従って、航空機ＥＣＳでのブリード空気の使用をできる限り避けることが望ましい。本発明は、この目的の達成を目指している。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の主目的は、ＥＣＳの作動にブリード空気を使用する必要性を最小限に抑えるか、またはまったくなくす（minimizes and/or avoid）新しい改良型航空機用ＥＣＳを提供することである。また、本発明の目的は、航空機キャビン排気流からエネルギを回収すると共に、補助電源装置のモードを含む多モードで作動することができるＥＣＳを提供することである。
【０００５】
本発明の例示的な１つの実施形態は、キャビン空気入口およびキャビン空気出口と、ラム空気入口と、航空機排気出口とを有する航空機キャビンを含む与圧キャビン形航空機用の多モードＥＣＳシステムにおいて上記目的を達成する。キャビン空気入口に接続された出口と共に与圧および換気空気入口を有する蒸気圧縮キャビン空気冷却システムが設けられており、また、ラム空気入口および冷却システム入口間に接続されたコンプレッサと、コンプレッサに機械的に連結されてコンプレッサを駆動する燃焼タービンおよび動力回収タービンとを備えたターボ機械も設けられている。動力回収タービンは、航空機排気出口およびキャビン空気出口間に接続することができる。燃焼タービンは、コンプレッサ出口か、キャビン空気出口に接続することができる。電動発電機は、コンプレッサおよびタービンに接続されており、電動機として作動する時にコンプレッサを駆動するよう作動可能であり、発電機として作動する時にタービンによって駆動される。燃焼器は、燃焼タービンに接続されており、燃焼ガスをそのタービンに選択的に供給してそれを駆動することによって、補助電源装置としての作動を可能にし、また、互いに熱伝導関係にある第１および第２流体流路を有する熱交換器が設けられている。第１流体流路は、コンプレッサおよび冷却システム入口を相互接続することができる一方、第２流路は、キャビン空気出口および動力回収タービンを相互接続することができる。熱交換器を使用することによって、コンプレッサから流出する圧縮空気からキャビン空気出口流に熱が排除され、キャビン空気出口流をいずれかのタービンの駆動に使用する前にそれにエネルギを加えることによって、キャビン空気出口流からエネルギを回収することができる。
【０００６】
他の目的および利点は、添付図面を参照した以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００７】
【好適な実施形態の説明】
密封可能かつ与圧可能なキャビン１０を有する航空機と組み合わせた、本発明の１つの実施形態が図１に示されている。従来通りに、２つ以上のガスタービン主推進エンジンが航空機の推進用に設けられており、それらのエンジンは、それぞれ従来の始動発電機１２（２つだけを図示）を含む。始動発電機１２は、従来構造の２つの同一の電動機速度制御システム１４に電力を供給し、包括的に１６で示した様々な配線が所望通りに部品の交差接続を行っている。
【０００８】
説明をキャビン１０に戻すと、このキャビン１０は、キャビン空気入口２０とキャビン空気出口２２とを含み、２つのそのような出口２２が図示されている。与圧調整空気が入口２０を通ってキャビン１０に流入し、配線１６で接続されて始動発電機１２から電力を受け取る従来構造の電動式蒸気圧縮冷却システム（全体を２４で示す）から送られる。冷却システム２４は、キャビン１０のキャビン空気入口２０に接続されたキャビン空気用出口２６と共に入口２８を有する。冷却システムの入口２８は、図示のように最終的に２つのコンプレッサ３２の出口３０に接続されている。コンプレッサ３２は、従来構造のようにすることができるラム空気入口３４に接続されている。その結果、ラム空気は、各コンプレッサ３２によってキャビン圧力まで圧縮されてから冷却システムの入口２８を介して冷却システム２４へ送られ、最終的にキャビン１０内で散布される。周知のように、キャビン空気の一部分を再循環させる何らかの設備を従来通りに使用できるが、図示されていない。
【０００９】
コンプレッサ３２の各々に電動発電機３６が機械的に連結されており、この電動発電機３６は、電動機として機能する時、対応の電動機速度制御システム１４によって制御され、対応のコンプレッサ３２を駆動するために必要な電力の全部または一部を供給する。
【００１０】
各電動発電機３６は、また、対応のコンプレッサ３２および当然ながらこの電動発電機３６と共に低圧動力回収タービン４１を含むターボ機械（包括的に４０で示す）の一部を形成する燃焼タービン３８に接続されている。各電動発電機３６は、対応の燃焼タービン３８によって駆動されて、以下の説明から一層明らかになる補助電源装置機能を与えることができる。もちろん、燃焼タービン３８は、対応のコンプレッサ３２も駆動する。動力回収タービン４１は、各電動発電機３６が対応のコンプレッサ３２を駆動するのを支援するために用いることができる。
【００１１】
各燃焼タービン３８および動力回収４１の出口は、膨張ガスを対応のタービン３８または４１から航空機の外部すなわち大気に排出する航空機排出口４２に接続されている。各燃焼タービン３８の入口４４は、燃料を燃焼させて対応のタービン３８を駆動することができる燃焼高温ガスを発生する従来の燃焼器４６に接続されている。各燃焼器４６用の燃焼空気は、図示のように最終的に対応のコンプレッサ３２の出口３０に接続されているダクト４８を介して供給される。各動力回収タービン４１は、動力回収のためにキャビン１０のキャビン空気出口２２に接続することができる入口４９を有する。
【００１２】
それぞれ包括的に５０で示された２つの空気／空気熱交換器は、各ターボ機械４０に１つずつ設けられている。各熱交換器５０は、第１流体流路すなわち導管５２を有しており、この導管５２は、弁５３を介して対応のコンプレッサ３２のコンプレッサ出口３０に接続されると共に、冷却システムの入口２８に接続されている。各熱交換器５０は、また、第１流体流路５２と熱交換関係にある第２流体流路すなわち導管５４を有しており、この第２流体流路５４は、キャビン１０の対応のキャビン空気出口２２に接続されていると共に、対応の燃焼タービン３８用の燃焼器４６か、動力回収タービン４１用の入口４９に接続されることができる。燃焼器４６または入口４９のいずれに接続するかは、弁５６によって決定される。この構造の結果、比較的低温のキャビン排気は、コンプレッサ３２から送られる比較的高温の圧縮ラム空気を、該ラム空気が入口２８から冷却システム２４に流入する前に冷却し、それによって冷却システム２４に対する熱負荷が大幅に減少する。また、各熱交換器５０内で熱を圧縮ラム空気からキャビン排気に排除することによって、対応の排気流にエネルギが加えられ、その排気流が対応の動力回収タービン４１内で膨張するか、燃焼器４６内で燃料を燃焼させる時に実施できる仕事量が増加する。
【００１３】
場合によっては、所与のターボ機械４０のためにコンプレッサの出口３０を燃焼器４６に接続するために、ダクト５８などのバイパスダクトを設けることが望ましいであろう。この場合、パイバスダクト５８は、弁５３に接続され、この弁５３によって空気流を第１流体流路５２またはバイパスダクト５８のいずれかに送ることができる。
【００１４】
図１は、補助電源装置として作動するように構成されたシステムを示している。この作動モードでは、弁５３は、圧縮ラム空気をコンプレッサ３２から燃焼器４６へ送るよう構成され、燃焼器４６でラム空気は燃焼タービン３８を駆動するガスを発生するための燃料の燃焼を支援するために使用される。次に、この燃焼タービンが電動発電機３６を駆動し、電動発電機３６は発電モードで作動して電力を生成する。弁５６は、いかなる流れも通過させないで、燃焼器４６をシステムの他の部分から隔離することができるように構成されている。
【００１５】
このような構成である時、航空機用の主推進エンジンの電気系統によって生成される電力とは別に且つそれに加えて電力がターボ機械４０で生成されているので、本システムは真の補助電源装置モードで作動している。
【００１６】
図２は、エネルギ回収を行うと共に純粋なキャビン与圧および換気モードにあるシステムの構成を示している。この作動モードでは、弁５３は、ラム空気流をコンプレッサ３２の出口３０から熱交換器５０を経て蒸気圧縮冷却システム２４の入口２８へ送る。冷却されたラム空気は、次に、キャビン空気入口２０を経てキャビンに流れ、最終的にキャビン空気出口２２から熱交換器５０内の第２流体流路５４を通り、熱交換器５０内で第１流体流路５２内の流入ラム空気流から冷却されたラム空気側へと熱が排除される。このように加熱されたキャビン排気は、弁５６によって動力回収タービン４１の入口４９へ送られる。この流れのエネルギは、動力回収タービン４１によって回収されて、この動力回収タービン４１は、電動発電機３６がラム空気のコンプレッサ３２を駆動するのを支援する。この作動モードでは、燃焼器４６は使用されず、回収された動力の一部は、燃焼タービン３８内の風損に打ち勝つために使用されるであろう。
【００１７】
図３は、キャビン与圧および換気モードで作動中であると共に、主推進エンジンの電気系統によって生成された電力に加えて電力を生成するシステムの構成を示している。この場合、弁５３は、図２のものと同様にラム空気を熱交換器５０および蒸気圧縮冷却システム２４に送るように構成されている。次に、ラム空気は、冷却されてキャビンへ送られる。キャビンから排出された空気は、熱交換器５０に戻され、この熱交換器５０で流入ラム空気流からの熱が冷却された空気へと排除される。この排気流は、次に、弁５６によって燃焼器４６へ送られて燃料の燃焼を支援する。これによって生成されたガスは、次に、燃焼タービン３８を駆動するのに使用される。この燃焼タービン３８は、コンプレッサ３２を作動させると共に、電動発電機３６を駆動する。この電動発電機３６は、発電機として構成されて、このように生成した動力を追加電力に変換する。このため、このモードでは、キャビンの与圧／換気を行うと共に、正味発電が可能である。
【００１８】
図１〜図３に示されている本発明の二重システム形態では、右側のシステムは、キャビン１０の与圧および換気を行うように作動し続ける一方、左側のシステムを補助電源装置モードで使用することができる。これまで以上に電気装備を使用する未来の航空機の一例として、従来技術を用いた約２７５人乗り航空機には、４台の従来型与圧装置を設置する必要があり、３台の装置が約１２１９２メートル（４０，０００フィート）の高度で必要な空気流量を供給することができるであろう。この高度では、各装置は、毎秒４５３グラム（１ポンド）の空気流量を与えることができるであろう。このため、最新の補助電源装置比出力定格を使用すれば、それぞれが高度１２１９２メートル（４０，０００フィート）で毎秒４５３グラム（１ポンド）のコンプレッサ空気量を有する４台の装置は、海面で約４００馬力の正味出力の能力を有し、１台当たり毎秒４５３グラム（１ポンド）の空気量で約１００馬力の能力を有する。これによって、１台が海面で約２５０キロワットの正量電力（conditioned electrical power）を生成することができるであろう。この電力は、次に、電動発電機３６が適当な大きさであれば地上作動の支援か、主推進エンジンの始動かに使用できるであろう。
【００１９】
さらに、低高度から中高度の飛行で、航空機が着氷状態に直面する場合、補助電源装置モードにおいて本システムは、航空機の熱電着氷防止用に一部の余分な電力を生成することができるであろう。あるいは、ほとんどの商業用航空機での現在の着氷防止方法と同様に、熱気衝突着氷防止用の高温ブリード空気を必要な表面に送るように、コンプレッサ３２を作動させることができる。低高度ではキャビンと排気との間の圧力比が低すぎて充分な電力を生成することができないため、低高度では、正味発電を伴ったキャビン与圧モードではなく、補助電源装置モードを用いることが必要であろう。
【００２０】
高位置で（at altitude）動力回収タービン４１が電動発電機３６を支援するようにしたキャビン与圧モードを使用すれば、主推進エンジンの始動発電機１２が生成しなければならない電力量が最小限に抑えられる。エンジンの始動発電機１２の１つまたは複数が故障した場合、そのような故障によって生じるエネルギ損失を補うために、キャビン排気流を燃焼タービン３８に送ることによってキャビン与圧モードを正味発電機にすることができる。
【００２１】
従って、本発明により作成された与圧航空機用の補助電源装置ベースの環境制御システムは、熱交換器５０をうまく使用することによってキャビンの冷却および換気を行う蒸気圧縮冷却システムの熱負荷を大幅に減少させることができる手段を提供しながら、多モードで作動することができる。さらに、燃焼タービン３８および動力回収タービン４１の両方またはいずれか一方に流入する前に熱交換器５０内で排気空気流に熱が排除されるため、システムのエネルギ回収が大幅に向上し、これによってシステム効率が増加する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  様々な構成部材が補助電源装置作動モードになるように構成されているところを示す、本発明に従った多モードＥＣＳシステムの概略図である。
【図２】  多モードＥＣＳシステムがエネルギ回収を伴ったキャビン与圧および換気モードになる構成状態にある構成部材を示す、図１と同様な図である。
【図３】  発電を伴ったキャビン与圧モードになる構成状態にある構成部材を示す、図１および図２と同様な図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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