(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機のエンジン又は補助動力部から高温高圧の圧縮空気を抽出し、その抽気を、熱交換器を備えた空気調和機構で調温、調圧して与圧室に供給するとともに、与圧室内の空気を与圧制御機構で与圧制御しながら排出することで室内を換気するようにしたものにおいて、
前記熱交換器が、機外から直接取り込んだ大気と、排気流路を介して当該熱交換器に接続された与圧室からの排気とを熱交換用低温空気として用いてなり、当該熱交換器を通過する前記抽気を前記熱交換用低温空気との熱交換に供して冷却するためのものであり、
抽気から熱を奪い冷却した前記熱交換用低温空気を機外に排出することを特徴とする航空機の環境制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機内に与圧用空気を供給し、同時に機内の冷房、暖房、換気を行い得るようにした航空機の環境制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機は、キャビンやコクピット等の与圧室に適温、適圧の調和空気を供給すべく、一般に環境制御装置を備えている。この環境制御装置は、調温、調圧以外にも、除湿の役割、与圧室に酸素を送り込む役割、筐体から漏れる空気を補う役割など、様々な役割を兼ねている。そして、これらの役割を果たすために、外気の取り込みが不可欠なものである。
【０００３】
このような外気の取り込みに際して、大気をそのまま取り込んだのでは多大なドラッグ損失が発生し、また高高度飛行中は希薄な大気から与圧に必要な圧力等を直接得ることは期待できない。このため、常に十分な圧力と量の外気が存在するエンジン又は補助動力部から高温、高圧の抽気を得、これを調温、調圧して、調和空気として与圧室に供給する空気調和機構が確立されている。
【０００４】
この空気調和機構は、タービンとコンプレッサを単軸結合したエアサイクルマシン（ＡＣＭ）を主体として構成されるもので、抽気を１次熱交換器で冷却した後にコンプレッサで圧縮し、更に２次熱交換器で冷却した後にタービンで断熱膨脹させるようにしたものであり、ハイプレッシャ・ウォータ・セパレーティング方式を用いる場合は、抽気をタービン入力前に除湿し、タービン出口温度を氷点下に下げることができるようにしている。
【０００５】
一方、与圧室からは、抽気給気量に見合う量の排気を機外に排出することで、与圧室を換気しながら所定圧力に保つようにしており、そのために排気流路にアウトフローバルブを設け、前記空気調和機構とは独立に機能する与圧制御機構を構成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構成において、従来は前述した１次、２次熱交換器の熱交換用低温空気として大気をそのまま取り込むようにしている。このため、これが飛行抵抗（ラム・ペナルティ）となり、航空機の燃費に悪影響を与えているという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、大気の取り込みを極力抑制することにより、燃費をより有効に向上させた航空機の環境制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構成を採用したものである。すなわち、本発明に係る航空機の環境制御装置は、航空機のエンジン又は補助動力部から高温高圧の圧縮空気を抽出し、その抽気を、熱交換器を備えた空気調和機構で調温、調圧して与圧室に供給するとともに、与圧室内の空気を与圧制御機構で与圧制御しながら排出することで室内を換気するようにしたものにおいて、前記熱交換器が、機外から直接取り込んだ大気と、排気流路を介して前記熱交換器に接続された与圧室からの排気とを熱交換用低温空気として用いてなり、当該熱交換器を通過する前記抽気を前記熱交換用低温空気との熱交換に供して冷却するためのものであり、抽気から熱を奪い冷却した前記熱交換用低温空気を機外に排出することを特徴とする。
【０００９】
与圧室からの排気は、大気よりは高温であるが、エンジン抽気に比べれば遙かに低温であり、熱交換用低温空気として十分に機能し得る。このため、熱交換用低温空気として導入する大気の一部をこの与圧室からの排気で賄えば、大気の取り込み量を減らすことができ、これにより飛行抵抗を低減して燃費向上を図ることができる。しかも、与圧室からの排気は従来は単に機外に廃棄されていたに過ぎないものであり、別途新たに冷却機構等を持ち込むことにもならない。その上、従来は互いに独立に機能していた空気調和機構と与圧制御機構とを一体的に動作させることになるため、従来に比べてより木目細かい空調制御を行うことができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を、図１〜図３を参照して説明する。
この実施例に係る航空機の環境制御装置は、エンジン１（補助動力部でもよい）と、キャビン２ａやコクピット２ｂ等の与圧室２との間を、空気調和機構３を介して接続した構成を主体とするもので、空気調和機構３は、コンプレッサ４、タービン５及びファン２２からなるエアサイクルマシン６と、コンプレッサ４の入口４ａに抽気Ｘを導入する抽気ライン７と、コンプレッサ４の出口４ｂとタービン５の入口５ａとを接続するブートストラップ回路８と、タービン５の出口５ｂから出た空気を与圧室２に移送するための給気ライン９と、ブートストラップ回路８および給気ライン９の一部を利用して構成される除湿機構１０とを具備してなる。
【００１１】
抽気ライン７には、抽気Ｘが異常な高温状態で空気調和機構３に流入することを防ぎ、空気調和機構３を適正に作動させるとともに空気調和機構３に向かう配管を鉄等の重厚なものに代えて軽量であるが融点の低いアルミニウム等でまかなうことを可能にするプリクーラ１１と、エンジン１の運転状態に関わりなく一定圧、一定流量の抽気Ｘを確保するためのプレッシャレギュレータ１２及び流量制御バルブ１３と、その抽気Ｘを熱交換用低温空気１６との熱交換に供して冷却するための１次熱交換器１４とが配置してある。
【００１２】
エアサイクルマシン６は、コンプレッサ４とタービン５の間をシャフト１５で単軸結合した構成からなるもので、タービン５の発生動力をコンプレッサ４及びファン２２に入力するようにしている。
ブートストラップ回路８は、コンプレッサ４で圧縮し昇温した空気を熱交換用低温空気１６との熱交換によって効率良く冷却するための２次熱交換器１７を具備し、この２次熱交換器１７を通過した空気をタービン５に入力して、該タービン５において断熱膨脹仕事をさせるようにしている。
【００１３】
給気ライン９は、タービン５の出口５ｂと与圧室２との間を連通させるものである。
除湿機構１０は、前記ブートストラップ回路８に配置したリヒータ１８、コンデンサ１９及びウオータエキストラクタ２０からなる。コンデンサ１９は、ブートストラップ回路８においてコンプレッサ４で圧縮され露点の上がった空気を効率良く冷却して水分を凝縮させる目的と、給気ライン９においてタービン５の出口５ｂから流出する空気の極端な低温状態を解消する目的とを兼ねて、両空気を熱交換させるものである。ウオータエキストラクタ２０は、内部に流入した空気を旋回流状態にすることができる内部構造を有したもので、コンデンサ１９で水分を凝縮させた空気を導いて旋回流により比重の大きい水分のみを遠心力で分離し主として除湿した空気のみを流出させ得るものである。リヒータ１８は、ブートストラップ回路８の上流にあってコンデンサ１９に向かう空気の予冷と、同回路８の下流にあってウオータエキストラクタ２０を出た空気をタービン５の出口５ｂで氷結させないための予熱とを兼ねて、両空気を熱交換させるものである。
【００１４】
なお、与圧室２では、抽気給気量に見合う量の排気１６ｂを排出することで与圧室２を換気しながら所定圧力に保つようにしており、そのために排気部分にアウトフローバルブ３０ａを設けるとともに、このアウトフローバルブ３０ａを主体として前記空気調和機構３とは別個独立に機能する与圧制御機構３０を構成している。また、本実施例では、与圧室２の排気１６ｂの一部を循環させるリサイキュレーション部２３を設けている。このリサイキュレーション部２３は、与圧室２の空気の一部をファン２４により取り込んで前記給気ライン９の末端付近に配置したチャンバ２５に導き、新たに導入される低温空気と合流させるようにしたもので、与圧室２に極端に低い空気が導入されることを防ぐ温度調整機能を主目的としている。
【００１５】
以上のような構成において、本実施例は、前記熱交換用低温空気１６に、機外から導入した大気１６ａ及び与圧室２から排出される排気１６ｂの双方を混合して用いるようにしている。そのために、熱交換用低温空気１６の流通系路１６Ｘの流入端側を分岐させ、一方の分岐端をダクト２１を介して機外の大気１６ａを取り入れ得る位置に連通させるとともに、他方の分岐端を排気流路３１を介して与圧室２の排気部分に接続して、与圧室２から排出される排気１６ｂのほぼ全量を新たに取り入れる大気１６ａと合流させて両熱交換器１７、１４に導入するようにしている。また、前記ウォータエキストラクタ２０で除去した水は、系路２０ａを介して熱交換器１７、１４を通過する前の大気１６ａ及び排気１６ｂからなる熱交換用低温空気１６中に噴霧するようにしている。
【００１６】
なお、本実施例ではファン２２を前記エアサイクルマシン６のシャフト１５によって駆動するようにしているが、このように単一のシャフト１５にコンプレッサ４、タービン５及びファン２２の３つの翼車を取り付けたエアサイクルマシン構造を３ホイールタイプと称する。一方、高圧空気中にて露点を高くして水分を凝縮させる上記のような除湿機構１０はＨＰＷＳ（ハイプレッシャ・ウオータ・セパレーティング）方式と称される。
【００１７】
次に、この航空機の環境制御装置の作動について説明する。先ず、エンジン１からの抽気Ｘは抽気ライン７の始端にあるプリクーラ１１で降温され、プレッシャレギュレター１２及び流量制御バルブ１３で一定圧、一定量とされて、１次熱交換器１４で冷却された後にエアサイクルマシン６のコンプレッサ４に入力され、圧縮される。このコンプレッサ４を出た空気は、２次熱交換器１７で効率良く冷却され、リヒータ１８で更に冷却された後、コンデンサ１９に入力されて水分を凝縮される。その水分は、次段に配置したウオータエキストラクタ２０で除去され、除湿後の空気がリヒータ１８により適度に昇温されてタービン５に入力される。その後、タービン５で断熱膨脹仕事をすることによって自ら自冷した空気は、コンデンサ１９を通過した後、チャンバ２５で与圧室２の循環空気と合流することにより適温となって与圧室２の入口より該与圧室２に導入される。
【００１８】
一方、与圧室２からの排気１６ｂは排気流路３１を通じて機外から取り込まれる大気１６ａと共に熱交換用低温空気１６として両熱交換器１７、１４に導入され、それらの熱交換器１７、１４を通過する抽気Ｘから熱を奪った後、再び機外に排出される。
以上のように構成される本実施例の航空機の環境制御装置によれば、与圧室２からの排気１６ｂは大気１６ａよりは高温であるが、抽気Ｘに比べれば遙かに低温であり、熱交換用低温空気１６として十分に機能し得る。このため、熱交換用低温空気１６として導入する大気１６ａの一部をこの与圧室２からの排気１６ｂで賄えば、大気１６ａの取り込み量を減らすことができ、これにより飛行抵抗を低減して燃費向上を図ることができる。
【００１９】
例えば、従来例に相当する図２（ａ）の構成で、同図中括弧書きで示すように抽気流量（すなわち排気流量）と機外からの大気の取込量とが１：２であるとする。これに対して、図１を模式化した図２（ｂ）では、熱交換用低温空気１６の総量は（ａ）の場合と同じであるが、機外からの大気１６ａの取込量は（ａ）の１／２で済む。したがってラムペナルティが１／２になる。
【００２０】
次に、この場合の冷却能力について考えると、大気１６ａは最高温度１０３°Ｆ、最大湿度１５４ｇｒａｉｎ／ｌｂである。一方、与圧２からの排気１６ｂは、運用状態により変わるが、最高温度１２０°Ｆ、湿度８０ｇｒａｉｎ／ｌｂである。従って、熱交換用低温空気１６の全てを大気１６ａで賄う場合の温度が１０３°Ｆ、湿度が１５４ｇｒａｉｎ／ｌｂであるのに対して、熱交換用低温空気１６を大気１６ａを１、排気１６ｂを１の割合で混合した場合の温度は１１１．５°Ｆ、湿度は１１７ｇｒａｉｎ／ｌｂとなり、本実施例による熱交換用低温空気１６は（ａ）に比べて温度が高い。
【００２１】
しかし、本実施例の熱交換用低温空気１６は湿度が低いため、図３に示すように水噴霧した場合に熱交換用低温空気１６の温度をより大きく下げることができる。すなわち、これにより本実施例の方が熱交換器１７、１４での熱交換量が大きく、より低温の供給空気が得られることがわかる。従って、本実施例は従来方式に相当する（ａ）に比べて同等以上の冷房能力を有することとなる。
【００２２】
加えて、与圧室２からの排気１６ａは従来は単に機外に廃棄していたに過ぎないものであり、別途新たに冷却機構等を持ち込むことにもならない。その上、従来は互いに独立に機能していた空気調和機構３と与圧制御機構３０とを一体的に動作させることになるため、従来に比べてより木目細かい空調制御を行うことができる。
【００２３】
なお、各部の具体的な構成は、図示実施例のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。例えば、上記実施例ではエアサイクルマシン６に３ホイールタイプを用い、除湿機構１０に露点を高くして水分を凝縮させるＨＰＷＳ方式を採用したが、２ホイールタイプ＋ＬＰＷＳ（ロープレッシャウォータセパレーティング）方式のものや、２ホイールタイプ＋ＨＰＷＳ方式のもの、３ホイールタイプ＋ＬＰＷＳ方式のもの、４ホイールタイプ＋ＨＰＷＳ方式のものなど、種々の空気調和機構を主体として航空機の環境制御装置を構成することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、与圧室からの排気を熱交換用低温空気として用いることにより、大気の取込量を抑制してラムペナルティを低減し、これにより燃費を大巾に向上させた航空機の環境制御装置を構築することができる。また、与圧制御機構の排気を空気調和機構の冷却に用いることで、両機構を連動して制御することが容易となり、従来に比べて木目細かい空調制御を行うことが可能となって、搭乗者の居住性もより快適なものにすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すシステム図。
【図２】同実施例を模式化して従来構成と対比して示す図。
【図３】同実施例の作用説明図。
【符号の説明】
１…エンジン
２…与圧室
３…空気調和機構
１４…１次熱交換器
１６…熱交換用低温空気
１６ａ…大気
１６ｂ…排気
１７…２次熱交換器
３０…与圧制御機構
３１…排気流路
Ｘ…抽気
【図１】
0004170492.tif 000002
【図２】
0004170492.tif 000003
【図３】
0004170492.tif 000004