(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサにより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生成される冷気をキャビン内に導入する航空機用空気調和装置において、
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と、
その窒素富化ガスを航空機の燃料周囲領域に導入する手段と、
その酸素濃縮空気をキャビンに導入する手段と、
そのキャビン内の酸素濃度を検出する手段と、
そのキャビン内の酸素濃度が設定値以上になると、その酸素濃縮空気を航空機の機外空間に排出する手段と、
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とを備え、
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航空機のエンジンからの抽出空気とが混合後に前記空気分離部に導入されることを特徴とする航空機用空気調和装置。
【請求項２】
コンプレッサにより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生成される冷気をキャビン内に導入する航空機用空気調和装置において、
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と、
その窒素富化ガスを航空機の燃料周囲領域に導入する手段と、
その酸素濃縮空気をキャビンに導入する手段と、
そのキャビン内の酸素濃度を検出する手段と、
そのキャビン内の酸素濃度が設定値以上になると、そのキャビンに導入されることになる空気中から酸素を選択的に捕捉すると共に、その捕捉した酸素を含む酸素濃縮空気を航空機の機外空間に排出する手段とを備えることを特徴とする航空機用空気調和装置。
【請求項３】
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と、空気に含まれる酸素分子の吸着機能を有する吸着材の中の少なくとも一方を有する酸素選択捕捉ユニットを備え、
そのキャビン内の酸素濃度が設定値以上になると、その酸素選択捕捉ユニットにより前記空気分離部から排出される酸素濃縮空気から酸素を選択的に捕捉する請求項２に記載の航空機用空気調和装置。
【請求項４】
前記コンプレッサと膨張タービンとの間の空気流路における前記空気分離部の上流と下流とを連絡する空気流路が設けられている請求項３に記載の航空機用空気調和装置。
【請求項５】
その酸素濃度の設定値は航空機の高度に応じて変更される請求項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】
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航空機のエンジンからの抽出空気とが混合後に前記空気分離部に導入される請求項２〜４の中の何れか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燃料系統に窒素富化ガスを供給する機能を備えた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させ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、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。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、空調装置とは独立したＯＢＩＧＧＳでは、空調用とは別に、エンジン抽気が空気分離部に導入されるため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。そこで、空気分離部から排出される酸素濃縮空気をキャビンに供給し、キャビンの圧力が地上よりも低い状態に調節されても酸素濃度を大きくすることで息苦しさ等を解消することができる。つまり、分離された酸素濃縮空気はキャビンに注入されるのである。しかし、この機能だけではキャビンに酸素濃縮空気を供給した場合、乗客がほとんど搭乗していない場合や貨物輸送専用の航空機においては、供給される酸素濃縮空気と消費される酸素とのバランスが崩れ、酸素濃度が上がり過ぎるため、万一火災が発生した場合には、その火勢を増大せしめる恐れがあり、少なくとも地上の気圧における酸素分圧を超えて、顕著に高くならない対策が必要であった。また飛行条件、たとえば降下速度が速いなどの時には、燃料系統に送る窒素富化ガスの量が増大するため、やはり酸素濃縮空気が過剰となり、同様の問題を生じる。
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】
本発明は、コンプレッサにより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生成される冷気をキャビン内に導入する航空機用空気調和装置において、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と、その窒素富化ガスを航空機の燃料周囲領域に導入する手段と、その酸素濃縮空気をキャビンに導入する手段とを備える。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。
【０００６】
本発明は、そのキャビン内の酸素濃度を検出する手段と、そのキャビン内の酸素濃度が設定値以上になると、その酸素濃縮空気を航空機の機外空間に排出する手段と、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航空機のエンジンからの抽出空気とが混合後に前記空気分離部に導入されることを一つの特徴とする。これにより、キャビンの酸素濃度が高くなり過ぎるのを防止でき、空気分離部を含む空気調和装置に必要な空気量のうち、かなりの部分がリサキュレーションで賄われるためエンジン抽出空気量を抑制してさらにエンジン負荷を軽減できる。
【０００７】
本発明は、そのキャビン内の酸素濃度が設定値以上になると、そのキャビンに導入されることになる空気中から酸素を選択的に捕捉すると共に、その捕捉した酸素を含む酸素濃縮空気を航空機の機外空間に排出することをもう一つの特徴としている。これによりキャビンの酸素濃度が高くなり過ぎるのを防止できる。この場合、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航空機のエンジンからの抽出空気とが混合後に前記空気分離部に導入されるのが好ましい。これにより、空気分離部を含む空気調和装置に必要な空気量のうち、かなりの部分がリサキュレーションで賄われるためエンジン抽出空気量を抑制してさらにエンジン負荷を軽減できる。
【０００８】
その酸素濃度の設定値は航空機の高度に応じて変更されるのが好ましい。これにより、高高度においてはキャビン内の圧力が低く調節されるため低高度におけるよりも酸素分圧も同様に低下してしまう。しかし、火勢の状況は酸素分圧が大きく影響するため、酸素濃度の設定値を火災に影響しない範囲で大きくし、低高度では高高度よりも酸素濃度の設定値を小さくして火災への影響を小さくすることができる。
【０００９】
本発明において、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と、空気に含まれる酸素分子の吸着機能を有する吸着材の中の少なくとも一方を有する酸素選択捕捉ユニットを備え、そのキャビン内の酸素濃度が設定値以上になると、その酸素選択捕捉ユニットにより前記空気分離部から排出される酸素濃縮空気から酸素を選択的に捕捉するのが好ましい。これによりキャビン内の酸素濃度が設定値以上になると効果的に酸素濃度を低減することができる。
この場合、前記コンプレッサと膨張タービンとの間の空気流路における前記空気分離部の上流と下流とを連絡する空気流路が設けられているのが好ましい。これにより、酸素濃縮空気を航空機の機外空間に排出する場合でも膨張タービンにおける空気流量を確保できるため、冷却能力の低下を抑制できる。
【００１０】
【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、後述の循環空気と混合した後に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は図外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で水分除去された空気は、互いに並列に接続された分離バイパス流路７５と複数の空気分離部１６とに導入される。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は導入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。その空気分離部１６と開閉バルブ４１により空気分離ユニットＵが構成される。その空気分離部１６から流出する酸素濃縮空気は酸素濃度切替えバルブ１２７に導かれる。その酸素濃度切替えバルブ１２７は酸素濃縮空気を航空機の機外に放出する手段を構成し、そこに導かれた酸素濃縮空気を機外空間１４に放出する状態と、膨張タービン５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。その膨張タービン５は濃度切替えバルブ１２７を介して導入される酸素濃縮空気と分離バイパス流路７５から流出する空気をほぼ断熱的に膨張する。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。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。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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。その圧縮処理ユニットＢおよび上記冷却処理ユニットＡの数は単一に限定されず複数であってもよい。
【００１５】
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８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。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。
【００１６】
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（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。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。
【００１７】
図３、図４示すように、複数（本実施形態では４つ）の空気分離部１６は互いに並列に接続され、それぞれ選択透過膜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。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。各容器１６ｃの一端開口は、各中空糸膜の一端開口に通じる空気の導入ポート１６ｄとされる。各容器１６ｃの他端開口は、各中空糸膜の他端開口に通じる酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅとされる。各容器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に通じる窒素富化ガスの排出ポート１６ｆとされる。
【００１８】
各空気の導入ポート１６ｄそれぞれは、導入側バルブ１６ｇにより開閉され、その導入側バルブ１６ｇを介してウォータセパレータ７に接続される。これにより、コンプレッサ３によって圧縮された空気が各空気分離部１６に空気の導入ポート１６ｄから導入される。各酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅそれぞれは上記酸素濃度切替えバルブ１２７に接続される。各窒素富化ガスの排出ポート１６ｆは互いに接続され、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉにより開閉され、その窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉ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にガス流路を介して接続される。その酸素濃度切替えバルブ１２７はコントローラ２５に接続され、そのコントローラ２５にキャビン８内の酸素濃度の検出センサ２５ａが接続されている。各酸素濃度切替えバルブ１２７はコントローラ２５によりキャビン８内の酸素濃度の検出値が設定値以上になると酸素濃縮空気を機外空間１４に放出する状態に切り替えられ、その検出値が設定値未満になると酸素濃縮空気を膨張タービン５に導く状態に切り替えられる。この機外空間１４に至る流路中には減圧できる機能（弁や絞りなど）が付与（図示省略）されているのは言うまでもない。なお、各導入側バルブ１６ｇ、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉの開度は、酸素濃度の検出値に応じてコントローラ２５により変更されてもよいし、手動により変更されてもよい。また、そのコントローラ２５に航空機の高度センサを接続し、その酸素濃度の設定値を航空機の高度に応じて変更してもよい。これにより、高高度においては低高度におけるよりも酸素分圧の低下が大きいことから、酸素濃度の設定値を火災発生のおそれのない範囲で大きくし、低高度では高高度よりも酸素濃度の設定値を小さくして火災発生のおそれを小さくすることができる。
【００１９】
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。各空気分離部１６における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。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、キャビン８の酸素濃度が設定値未満であれば膨張タービン５を介してキャビン８に導入され、酸素濃度が設定値以上であれば機外空間１４に放出される。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の上流と酸素濃度切替えバルブ１２７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。その開閉バルブ４１はコントローラ２５からの信号あるいは手動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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、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。
【００２２】
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内の酸素濃度低下を防止し、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。さらに、分離バイパス流路７５の開度を開閉バルブ４１により調節することで、飛行条件に応じて窒素富化空気の流量と空調空気の流量との比を調節できる。そして、キャビン８内の酸素濃度が高くなると酸素濃縮空気を航空機の機外空間１４に排出することで、キャビン８の酸素濃度が高くなり過ぎて火災が発生し易くなるのを防止できる。また、酸素濃縮空気を航空機の機外空間に排出する場合でも分離バイパス流路７５により膨張タービン５における空気流量を確保できるため、冷却能力の低下を抑制できる。
【００２５】
図５および図６は第２実施形態を示し、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。本第２実施形態においては、第１実施形態とは異なった酸素濃縮空気を航空機の機外に放出する手段を備える。すなわち酸素濃縮空気を機外空間１４に放出する手段として、第１実施形態の酸素濃度切替えバルブ１２７に代えて酸素選択捕捉ユニット１３０を備えている。その酸素選択捕捉ユニット１３０は、空気分離部１６から排出されると共にキャビン８に導入されることになる酸素濃縮空気中から、酸素を選択的に捕捉すると共に、その捕捉した酸素を含む酸素濃縮空気を機外空間１４に排出する。
【００２６】
その酸素選択捕捉ユニット１３０は、図１において破線で示すように本実施形態では空気分離部１６と膨張タービン５との間に配置される。すなわち、その酸素選択捕捉ユニット１３０は、４つの空気分離部１６の中の２つの空気分離部１６における酸素濃縮空気排出ポート１６ｅに接続される酸素選択捕捉エレメント１３１と、両酸素選択捕捉エレメント１３１に接続される開閉バルブ１３３とを有する。４つの空気分離部１６の中の残りの２つの空気分離部１６においては、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅは膨張タービン５に直接に接続される。なお、酸素選択捕捉ユニット１３０に接続される２つの空気分離部１６は残りの空気分離部１６よりも空気分離能力が小さくされている。
【００２７】
図６に示すように、各酸素選択捕捉エレメント１３１は選択透過膜１３１ａを有する。その選択透過膜１３１ａは酸素（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、各酸素選択捕捉エレメント１３１は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を、より酸素が濃縮された酸素濃縮空気と、酸素濃縮が解除された酸素濃縮解除空気とに分離する。本第２実施形態では、各選択透過膜１３１ａは多数の中空糸膜からなり、それら中空糸膜は容器１３０ａに収納されると共にエポキシ等の樹脂製バインダ１３０ｂの中に両端が埋設されることで束ねられ、そのバインダ１３０ｂにより容器１３０ａ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１３０ａの一端開口は各中空糸膜の一端開口と酸素濃縮空気排出ポート１６ｅとに接続されることで酸素濃縮空気の導入ポート１３０ｄとされる。その容器容器１３０ａの他端開口は各中空糸膜の他端開口と膨張タービン５とに接続される酸素濃縮解除空気の排出ポート１３０ｆとされている。その容器１３０ａ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開閉バルブ１３３とに接続される酸素濃縮空気の排出ポート１３０ｅとされる。その開閉バルブ１３３はコントローラ２５に接続され、そのコントローラ２５にキャビン８内の酸素濃度の検出センサ２５ａが接続されている。開閉バルブ１３３の開度はコントローラ２５によりキャビン８内の酸素濃度の検出値に応じて制御され、酸素濃度の検出値が大きくなるにつれて大きくなるものとされている。これにより、キャビン８の酸素濃度が高くなれば酸素濃縮空気を機外空間１４に放出し、キャビン８の酸素濃度が高くなり過ぎるのを防止できる。他は第１実施形態と同様である。なお、酸素選択捕捉ユニット１３０を、図１において破線で示すように混合前コンプレッサ１７と吸着部８３との間、第４切替えバルブ３６とコンプレッサ３との間、あるいはプリクーラ２と流量制御バルブ３９との間の空気流路に配置してもよく、この場合、その空気流路を互いに並列な２つの流路に分割し、一方の流路に酸素選択捕捉ユニット１３０を接続すればよい。
【００２８】
図７は第２実施形態の変形例を示し、第２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。この変形例においては、第２実施形態とは異なった酸素選択捕捉ユニット１３０′を備える。すなわち、全ての空気分離部１６における酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅが酸素選択捕捉ユニット１３０′に接続される。各酸素選択捕捉ユニット１３０′の酸素選択捕捉エレメント１３１は空気分離部１６と連結具１４０により連結されている。各酸素選択捕捉エレメント１３１の酸素濃縮解除空気の排出ポート１３０ｆは、それぞれ開閉バルブ１４１により開閉され、各開閉バルブ１４１を介して切り替え弁１４２に接続される。その切り替え弁１４２は導入された酸素濃縮解除空気を膨張タービン５に導く状態と機外空間１４に導く状態とに切り替え可能とされている。各空気分離部１６における窒素富化ガスの排出ポート１６ｆは、それぞれ開閉バルブ１４３により開閉され、各開閉バルブ１４３と窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉを介して燃料周囲領域１５に接続される。各酸素選択捕捉エレメント１３１における酸素濃縮空気の排出ポート１３０ｅは、それぞれ開閉バルブ１４４により開閉され、各開閉バルブ１４４と開閉バルブ１３３を介して機外空間１４に接続される。各空気分離部１６と各酸素選択捕捉エレメント１３１に接続される導入側バルブ１６ｇ、開閉バルブ１４１、１４３、１４４とが共通シャフトを介してバルブアクチュエータ７３により駆動されることで空気の導入ポート１６ｄ、酸素濃縮解除空気の排出ポート１３０ｆ、窒素富化ガスの排出ポート１６ｆ、酸素濃縮空気の排出ポート１３０ｅが開閉される。また、開閉バルブ４１がバルブアクチュエータ７３とは別の第２バルブアクチュエータ１７３により駆動されることで分離バイパス流路７５が開閉される。さらに冗長性を持たせるため、窒素富化ガス排出側バルブ１６ｉが補助バルブアクチュエータ２７３により駆動されることで窒素富化ガスの排出ポート１６ｆが開閉され、また、補助開閉バルブ１４１が第２補助バルブアクチュエータ２７３により駆動されることで分離バイパス流路７５が開閉される。
【００２９】
図８および図９は第３実施形態を示し、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。本第３実施形態においては、第２実施形態とは異なった酸素選択捕捉ユニット２３０を備えている。その酸素選択捕捉ユニット２３０は空気分離部１６と膨張タービン５との間に配置されている。４つの空気分離部１６の中の２つの空気分離部１６における酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅが膨張タービン５に直接に接続され、残りの２つの空気分離部１６における酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅが酸素選択捕捉ユニット２３０に接続される。その酸素選択捕捉ユニット２３０は、第１、第２切り替えバルブ２４1 、２４２と、第１、第２酸素選択捕捉エレメント２３１、２３２と、減圧弁２３３とを有する。
【００３０】
その第１切り替えバルブ２４１は、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅを第１酸素選択捕捉エレメント２３１に接続すると共に第２酸素選択捕捉エレメント２３２を機外空間１４に接続する第１状態と、酸素濃縮空気の排出ポート１６ｅを第２酸素選択捕捉エレメント２３２に接続すると共に第１酸素選択捕捉エレメント２３１を機外空間１４に接続する第２状態との間で切替え可能とされている。図９に示すように、各酸素選択捕捉エレメント２３１、２３２は、メッシュに収納された多数のビーズ状のゼオライト等の酸素分子吸着物質２３１ａ、２３２ａを容器２３１ｂ、２３２ｂに収納することで構成され、各切り替えバルブ２４１との接続用ポート２３１ｃ、２３２ｃ、２３１ｄ、２３２ｄを有する。その第２切り替えバルブ２４２は、第１切り替えバルブ２４１が第１状態である時に第１酸素選択捕捉エレメント２３１を膨張タービン５に接続すると共に第２酸素選択捕捉エレメント２３２を減圧弁２３３に接続する第１状態と、第１切り替えバルブ２４１が第２状態である時に第２酸素選択捕捉エレメント２３２を膨張タービン５に接続すると共に第１酸素選択捕捉エレメント２３１を減圧弁２３３に接続する第２状態との間で切替え可能とされている。酸素選択捕捉ユニット２３０に接続された２つの空気分離部１６の導入側バルブ１６ｇと両切り替えバルブ２４１、２４２はコントローラ２５に接続され、そのコントローラ２５にキャビン８内の酸素濃度の検出センサ２５ａが接続されている。両切り替えバルブ２４１、２４２はコントローラ２５からの信号により第１状態と第２状態との間での切替えが同期して繰り返し行われる。その切替えは設定時間毎に行えばよい。酸素選択捕捉ユニット２３０に接続された導入側バルブ１６ｇは、酸素濃度の検出値が設定値未満では閉じられ、設定値以上になると開かれる。これにより、酸素濃度の検出値が設定値以上になると、両酸素選択捕捉エレメント２３１、２３２に第１切り替えバルブ２４１から交互に導入される酸素濃縮空気は、酸素分子吸着物質２３１ａ、２３２ａにより酸素分子を吸着されることで酸素濃縮解除空気とされ、膨張タービン５に導入される。両酸素選択捕捉エレメント２３１、２３２に第２切り替えバルブ２４２から交互に導入される酸素濃縮空気は、減圧弁２３３により減圧されているため、酸素分子吸着物質２３１ａ、２３２ａが吸着した酸素分子が放出されることで酸素濃縮空気とされ、機外空間１４に排出される。すなわち圧力スイング方式により酸素分子吸着物質２３１ａ、２３２ａによる酸素の吸着と放出とを行うことができる。これにより、キャビン８の酸素濃度が高くなれば酸素濃縮空気を機外空間１４に放出し、キャビン８の酸素濃度が高くなり過ぎるのを防止できる。他は第１実施形態と同様である。
【００３１】
第３実施形態においては酸素選択捕捉ユニット２３０は空気分離部１６と膨張タービン５との間の空気流路に配置されるが、これ以外の空気流路に配置されてもよく、例えば図１において２点鎖線で示すように、混合前コンプレッサ１７と吸着部８３との間、第４切替えバルブ３６とコンプレッサ３との間、あるいはプリクーラ２と流量制御バルブ３９との間の空気流路に酸素選択捕捉ユニット１３０を配置してもよく、この場合、その空気流路を互いに並列な２つの流路に分割し、一方の流路に酸素選択捕捉ユニット２３０を接続すればよい。また、例えば吸着部８３から流出する空気と吸着部８３に導入される空気とを第１酸素選択捕捉エレメント２３１と第２酸素選択捕捉エレメント２３２に交互に導入することで、酸素分子吸着物質２３１ａ、２３２ａによる酸素の吸着と放出とを圧力スイング方式ではなく温度スウィング方式により行ってもよい。
【００３２】
図１０〜図１２は本発明の第４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１０に示すように、第４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。
【００３３】
図１１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。その第２コントロールバルブ４１ｂはコントローラ２５に接続され、そのコントローラ２５にキャビン８内の酸素濃度の検出センサ２５ａが接続されている。第２コントロールバルブ４１ｂの開度はコントローラ２５によりキャビン８内の酸素濃度の検出値に応じて制御され、酸素濃度の検出値が大きくなるにつれて大きくなるものとされている。これにより、キャビン８の酸素濃度が高くなれば酸素濃縮空気を機外空間１４に放出し、キャビン８の酸素濃度が高くなり過ぎるのを防止できる。
【００３４】
図１２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の出口と膨張タービン５の入口との間に圧力降下するもの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。
【００３５】
各空気分離部１６′は、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′とを有する。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。各バルブ１６ｇ′、１６ｈ′、１６ｉ′は第１実施形態と同様のバタイフライ弁等により構成できる。また、各空気分離部１６′も空気配管に対して第１実施形態と同様にフランジ部を介して着脱可能に連結され、その連結部は各バルブ１６ｇ′、１６ｈ′、１６ｉ′よりも空気分離部１６′側に配置される。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、空気分離部の破損に対処できるだけでなく空気分離部１６′の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１１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。他は第１実施形態と同様とされている。
【００３６】
本発明は上記各実施形態に限定されない。例えば、第４実施形態において第２実施形態や第３実施形態や変形例に示した酸素選択捕捉ユニット１３０、１３０′、２３０を用い、キャビン内の酸素濃度が過大になるのを防止するようにしてもよい。また、酸素選択捕捉ユニットとして、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と、空気に含まれる酸素分子の吸着機能を有する吸着材の両方を有するものを用いてもよい。
【００３７】
【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、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、しかもキャビンの酸素濃度が高くなり過ぎることによる火勢の拡大を防止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構成説明図
【図５】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と酸素選択捕捉ユニットの配置説明図
【図６】本発明の第２実施形態の航空機用空気調和装置における酸素選択捕捉エレメントの構成説明図
【図７】本発明の第２実施形態の変形例における酸素選択捕捉ユニットの斜視図
【図８】本発明の第３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と酸素選択捕捉ユニットの配置説明図
【図９】本発明の第３実施形態の航空機用空気調和装置における酸素選択捕捉エレメントの構成説明図
【図１０】本発明の第４実施形態の航空機用空気調和装置の構成説明図
【図１１】本発明の第４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１２】本発明の第４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
２５  コントローラ
２５ａ  酸素濃度の検出センサ
４１ｂ  第２コントロールバルブ
７５  分離バイパス流路
１２７  酸素濃度切替えバルブ
１３０、１３０′  酸素選択捕捉ユニット
２３１ａ、２３２ａ  酸素分子吸着物質
【図１】
0004082066.tif 000002
【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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