JP7014305B2 - 航空機用エネルギ回収装置 - Google Patents

Description

本開示は、航空機用エネルギ回収装置に関する。本願は、２０１８年１０月１８日に日本に出願された日本国特願２０１８－１９６３６１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

下記特許文献１には、航空機における電動駆動ユニットを冷却するシステムとして、客室から排気されたベンチレーションエアと熱交換を行う熱交換器を電動駆動ユニットに隣接配置すると共に、当該熱交換器からベンチレーションエアを吸引する電動ブロワユニットを設け、電動駆動ユニットの発熱量に応じて電動ブロワの回転数を変えることによって上記熱交換器を通過するベンチレーションエアの通過量を調節するものが開示されている。下記の特許文献２～４にも、航空機用空調装置に関連する技術が開示されている。

国際公開第２０１６／０３５４６２号 日本国特表第２０１５－５００１６２号 日本国特表第２０１４－５３３６２４号 米国特許第４４１９９２６号

ところで、上記背景技術では、熱交換器を通過することによって加熱されたベンチレーションエアを機外にそのまま排気している。すなわち、上記背景技術では、航空機で発生する余剰エネルギを有効活用することなく廃棄している。しかしながら、航空機における全体的なエネルギ効率を考慮すると、航空機の余剰エネルギの有効活用が望まれる。

本開示は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、航空機の余剰エネルギの有効活用を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本開示では、航空機用エネルギ回収装置に係る第１の態様として、航空機の客室と当該客室から排出される客室排気を機外に放出する開口部との間に設けられ、前記客室排気のみによって運転されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機とを備える航空機用エネルギ回収装置、を採用する。

本開示では、航空機用エネルギ回収装置に係る第２の態様として、上記第１の態様において、前記タービン及び前記発電機は、前記航空機の圧力隔壁の後方に設けられてもよい。

本開示では、航空機用エネルギ回収装置に係る第３の態様として、上記第１または第２の態様において、前記開口部は、前記航空機の与圧・空調システムを構成するアウトフローバルブ（Out Flow Valve）でもよい。

本開示では、航空機用エネルギ回収装置に係る第４の態様として、上記第１～第３のいずれかの態様において、前記発電機の出力を前記航空機の直流電源バスの直流電圧に変換する電力変換器をさらに備えてもよい。

本開示では、航空機用エネルギ回収装置に係る第５の態様として、上記第１の態様において、前記タービンは、前記客室から排出された複数の前記客室排気を合計した流体のみによって運転されてもよい。

本開示では、航空機用エネルギ回収装置に係る第６の態様として、上記第１～第４のいずれかの態様において、前記客室の排気を用いて航空機の電気機器を冷却する冷却ユニットをさらに備え、前記タービンは、前記冷却ユニットから排出される加熱排気によって運転されてもよい。

本開示では、航空機用エネルギ回収装置に係る第７の態様として、上記第６の態様において、前記冷却ユニットが複数設けられる場合、前記タービン及び前記発電機は、前記冷却ユニットに対応して複数設けられてもよい。

本開示では、航空機用エネルギ回収装置に係る第８の態様として、上記第６の態様において、前記冷却ユニットは、熱交換器を備え、前記加熱排気は、前記冷却ユニットの前記熱交換器を介して、前記電気機器を冷却すると共に前記電気機器の熱により加熱・昇温された前記客室排気であってもよい。

本開示によれば、航空機の余剰エネルギの有効活用を実現することが可能である。

本開示の第１実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置の機能構成を示すブロック図である。 本開示の第１実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置の詳細構成を示すブロック図である。 本開示の第２実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置の機能構成を示すブロック図である。 本開示の第３実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置の機能構成を示すブロック図である。 本開示の第４実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置の詳細構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の第１～第４実施形態について説明する。

（第１実施形態）
最初に、本開示の第１実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置について説明する。この航空機用エネルギ回収装置は、図１に示すように航空機Ａ１に備えられるものである。より詳細には、航空機用エネルギ回収装置は、航空機Ａ１の与圧・空調システム（図示略）に付帯的に設けられるものであり、回収ユニットＤとして航空機Ａ１に設けられている。

ここで、航空機Ａ１の機体後部には、アウトフローバルブＶ（Out Flow Valve）が設けられている。このアウトフローバルブＶは、上記与圧・空調システムを構成すると共に、客室から排出される空気（客室排気）を機外に放出する開口部である。より詳細には、アウトフローバルブＶは、開口度を調節することにより客室排気の機外への放出量を調節する流量調節弁でもある。

上記与圧・空調システムは、機外の空気（外気）を圧力調整（与圧調整）及び温度調整して客室（キャビン）に供給すると共に、当該客室内の空気を客室排気としてアウトフローバルブＶから機外に排出する。より詳細には、この与圧・空調システムは、専用の圧縮機の出力あるいはエンジン（ガスタービン）で生成される圧縮空気の一部を温度調節、圧力調整及び流量調整して客室内に供給すると共に、アウトフローバルブＶの開度を調節し、バルブを通過する空気流量を制御することにより、客室内の圧力（機内圧力）を適切に調整する。

航空機Ａ１には、各種の電気機器（図示略）を収容する第１、第２の電気室Ｒ１、Ｒ２が設けられている。これら第１、第２の電気室Ｒ１、Ｒ２のうち、第１の電気室Ｒ１には、上記電気機器に加え、複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎと電源バスＢとが少なくとも収容されている。一方、第２の電気室Ｒ２には、回収ユニットＤが少なくとも備えられている。第１の電気室Ｒ１は、例えば客室の床下に設けられており、第２の電気室Ｒ２は、アウトフローバルブＶの近傍つまり客室の後方に設けられている。

複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎは、第１の電気室Ｒ１に収容された複数の電気機器に各々対応して設けられており、上記客室排気を取り込むことにより当該客室排気との熱交換によって電気機器を冷却する冷却システム（AACS：Autonomous Air Cooling System）を備えている。これは、冷却ユニットＣ１～Ｃｎが、客室排気を取り込むことにより当該客室排気との熱交換によって電気機器を冷却することを意味する。これら冷却ユニットＣ１～Ｃｎは、電気機器の冷却過程で客室排気を加熱・昇温させた加熱排気を回収ユニットＤに排出する。なお、このような冷却システム（ＡＡＣＳ）については、上述した特許文献１に詳細が記載されている。また、上記「ｎ」は自然数を示す値である。

上記第１の電気室Ｒ１には、各種の電気機器の１つとして、航空機Ａ１の各電気負荷に電源を供給する電源装置（主電源装置）が備えられている。上記電源バスＢは、このような主電源装置と各種の電気負荷とを電気的に接続する電源ラインであり、例えば主電源装置から出力される直流電力を直流負荷に伝送する直流電源バスである。電気負荷とは、電子部品または電子回路であり、直流負荷とは、直流電力により動作する電子部品または電子回路である。

回収ユニットＤは、第１実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置である。この回収ユニットＤは、客室排気を用いて電気機器を冷却する冷却ユニットＣ１～Ｃｎと、客室排気を機外に放出するアウトフローバルブＶ（排気口）との間に設けられている。この回収ユニットＤは、各冷却ユニットＣ１～Ｃｎから供給される加熱排気から流体エネルギを直流電力（電気エネルギ）として回収する装置である。

このような回収ユニットＤ（航空機用エネルギ回収装置）は、図２に示すように回収タービンｄ１、発電機ｄ２及び電力変換器ｄ３を備えている。なお、回収ユニットＤは、さらに冷却ユニットＣ１～Ｃｎを備えるものとしてもよい。タービンｄ１は、各冷却ユニットＣ１～Ｃｎを挟んだ状態で客室とアウトフローバルブＶ（排気口）との間に設けられ、客室排気のみによって運転される回転機械である。

すなわち、このタービンｄ１は、エンジン等の動力源によって回転駆動されるものではなく、専ら複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎから排出される客室排気の合計流体のみによって回転駆動され、客室排気の合計流体の運動エネルギを回転動力に変換して回収する。複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎから排出される客室排気の合計流体とは、複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎから排出される客室排気を合計した流体、若しくは、客室から排出された複数の客室排気を合計した流体を意味する。具体的に、客室とタービンｄ１との間において、複数の第１流路と、当該複数の第１流路とタービンｄ１とを連結する第２流路とが設けられており、客室から排出された複数の客室排気は、複数の第１流路をそれぞれ流通し、合流（合計）し、第２流路を流通し、タービンｄ１に供給される。また、このタービンｄ１は、動力回収した後の客室排気（回収後排気）をアウトフローバルブＶに出力する。

発電機ｄ２は、回転軸が上記タービンｄ１と軸結合しており、タービンｄ１の回転動力によって回転することによって交流電力を発生する回転電気（回転電気機械）である。より詳細には、この発電機ｄ２は、例えば三相交流電力を出力する三相交流発電機であり、三相交流に対応したスロット数のステータと極数のロータとを備えている。この発電機ｄ２は、タービンｄ１の回転動力で回転するロータと固定配置されたステータとの電磁誘導に基づいてステータ巻線に発生する三相交流電力を電力変換器ｄ３に出力する。

電力変換器ｄ３は、上記発電機ｄ２から入力される交流電力を所定電圧（直流電圧）の直流電力に変換する電力回路である。この電力変換器ｄ３は、インバータ回路と昇降圧回路とを少なくとも備えている。上記交流電力が例えば三相交流電力の場合、インバータ回路は、三相交流電力に対応すると共に各々に２つのスイッチング素子が直列接続された３つのスイッチングレグを備えている。各スイッチングレグのスイッチング素子が適宜ＯＮ／ＯＦＦすることにより、位相が互いに１２０°異なる三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）からなる三相交流電力を当該三相交流電力の振幅に応じた直流電圧の直流電力に変換する。

また、上記昇降圧回路は、インバータ回路から入力される直流電力を所定のスイッチング素子でスイッチングすることにより、上記直流電力とは異なる直流電圧の直流電力に変換するチョッパ回路である。すなわち、この昇降圧回路は、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作のデューティ比を調節することにより、上述した電源バスＢの電圧（電源電圧）に合致した直流電圧の直流電力を生成して電源バスＢに出力する。

次に、本第１実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置つまり回収ユニットＤの時系列的な動作について詳しく説明する。

航空機Ａ１の飛行中において、上述した与圧・空調システムは、常時作動して客室内の圧力及び温度を最適な数値に設定する。すなわち、与圧・空調システムの作動によって、客室には空気（外気）が常時供給され、また客室からは客室排気がアウトフローバルブＶから機外に常時排出される。

また、各冷却ユニットＣ１～Ｃｎは、与圧・空調システムの作動に伴って第１の電気室Ｒ１を通過する客室排気を用いることにより、第１の電気室Ｒ１に収容された各電気機器を冷却する。すなわち、客室排気は、各冷却ユニットＣ１～Ｃｎの熱交換器を介して各電気機器を冷却すると共に、各電気機器の熱によって加熱・昇温し、加熱排気として回収ユニットＤに供給される。換言しますと、冷却ユニットＣ１～Ｃｎは、熱交換器を備え、加熱排気は、冷却ユニットの熱交換器を介して、電気機器を冷却すると共に電気機器の熱により加熱・昇温された客室排気である。このような加熱排気は、タービンｄ１に供給される。

この加熱排気は、第１の電気室Ｒ１を通過することによって熱エネルギが付与され、運動エネルギをも加味した流体エネルギが上昇した客室排気である。このような加熱排気は、第２の電気室Ｒ２を通過する間に回収ユニットＤのタービンｄ１を駆動する。すなわち、加熱排気は、タービンｄ１に対して作動流体として作用し、自らの流体エネルギを回転動力としてタービンｄ１に回収される。

回収ユニットＤでは、タービンｄ１が発電機ｄ２に軸結合しているので、タービンｄ１の回転動力によって発電機ｄ２が駆動され、交流電力が発生する。すなわち、回収ユニットＤでは、タービンｄ１が加熱排気から回収した回転動力（運動エネルギ）が発電機ｄ２によって交流電力（電気エネルギ）に変換される。そして、この交流電力は、回収ユニットＤの電力変換器ｄ３によって電源バスＢの電圧（電源電圧）に合致した直流電圧の直流電力に変換されて電源バスＢに供給される。

このような第１実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置（回収ユニットＤ）によれば、加熱排気の流体エネルギが最終的に電気エネルギとして回収されて各電気負荷で消費される。そのため、航空機Ａ１で発生する余剰エネルギを有効活用することができる。

ここで、本第１実施形態におけるタービンｄ１は、エンジン等の動力源が発生する動力を用いて運転されるのではなく、専ら加熱排気のみを用いて運転される。したがって、発電機ｄ２の出力は、専ら加熱排気によって支配される。つまり、発電機ｄ２の出力は、航空機Ａ１に本来的に備えられる与圧・空調システムの運転状態によって支配される。したがって、本第１実施形態によれば、エンジン等の動作状態に依存することなく、航空機Ａ１で発生する余剰エネルギを回収することが可能である。

また、本第１実施形態によれば、タービンｄ１で動力回収した後の加熱排気（回収後排気）をアウトフローバルブＶに供給する。そのため、回収後排気を機体の空力特性を損なうことなく機外に放出することが可能である。

さらに、本第１実施形態によれば、第１の電気室Ｒ１とは別体として設けられた第２の電気室Ｒ２に回収ユニットＤに収容する。そのため、回収ユニットＤの設置自由度を向上させることが可能である。

（第２実施形態）
次に、本開示の第２実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置について説明する。本第２実施形態は、回収ユニットＤ（航空機用エネルギ回収装置）の設置場所が上述した第１実施形態とは異なる。周知のように航空機Ａ２の機体後部（客室後方）には、図３に示すように与圧区画を形成するための圧力隔壁Ｋが設けられている。

本第２実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置（回収ユニットＤ）は、航空機Ａ２の機体において、上記圧力隔壁Ｋの後方に備えられている。旅客機等の機体の場合、圧力隔壁Ｋの後方空間には、ＡＰＵ（Auxiliary Power Unit：補助動力装置）が設けられている。このＡＰＵは、航空機Ａ２の各部に圧縮空気、油圧及び電力を供給するための小型エンジンであり、上述した与圧・空調システムに圧縮空気や電力を供給するために用いられる。

このような圧力隔壁Ｋの後方空間は、スペース的な自由度が比較的高いので、回収ユニットＤを容易に追加設備することが可能である。また、図３では、回収ユニットＤから出力される直流電力を電源バスＢに供給する形態、つまり、回収ユニットＤを電源バスＢに連系させる形態を示している。しかしながら、必要に応じて回収ユニットＤをＡＰＵ（補助動力装置）の電源バス（直流電源バス）に連携させてもよい。

このような第２実施形態によれば、圧力隔壁Ｋの後方空間に航空機用エネルギ回収装置（回収ユニットＤ）に設ける。そのため、既存の航空機への航空機用エネルギ回収装置（回収ユニットＤ）の追加設備が極めて容易である。

（第３実施形態）
次に、本開示の第３実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置について説明する。本第３実施形態は、複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎに対応する複数の回収ユニットＤ１～Ｄｎ（航空機用エネルギ回収装置）を備える点において、上述した第１、第２実施形態とは異なる。

すなわち、複数の回収ユニットＤ１～Ｄｎのうち、第１の回収ユニットＤ１は第１の冷却ユニットＣ１から供給される加熱排気からエネルギ回収を行い、第２の回収ユニットＤ２は第２の冷却ユニットＣ２から供給される加熱排気からエネルギ回収を行い、（中略）、第ｎの回収ユニットＤｎは第ｎの冷却ユニットＣｎから供給される加熱排気からエネルギ回収を行う。これら回収ユニットＤ１～Ｄｎは、個々の冷却ユニットＣ１～Ｃｎに付帯する形態で第１の電気室Ｒ１に収容される。

このような第３実施形態によれば、複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎに対応して複数の回収ユニットＤ１～Ｄｎを設ける。すなわち、冷却ユニットＣ１～Ｃｎと回収ユニットＤ１～Ｄｎとが一対一で対応するように、冷却ユニットＣ１～Ｃｎと同数の回収ユニットＤ１～Ｄｎを設ける。換言すると、冷却ユニットＣ１～Ｃｎと同数のタービンｄ１を設け、冷却ユニットＣ１～Ｃｎと同数の発電機ｄ２を設ける。そのため、第１、第２実施形態よりも設置スペースに制約が発生する可能性があるが、各冷却ユニットＣ１～Ｃｎから排出される個々の加熱排気に特化した形で各回収ユニットＤ１～Ｄｎを設計することが可能である。よって、個々の回収ユニットＤ１～Ｄｎを小型化することができると共に、各冷却ユニットＣ１～Ｃｎの性能変更に対して容易に対応することができる

（第４実施形態）
次に、本開示の第４実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置について説明する。本第４実施形態は、タービンｄ１で動力回収した後の加熱排気（回収後排気）を流量調節機能を備えない排気口に供給する点において、上述した第１～第３実施形態とは異なる。本第４実施形態における排気口は、アウトフローバルブＶとは異なり、流量調節機能を備えない開口部（単純開口）である。

すなわち、第４実施形態に係る航空機用エネルギ回収装置は、図５に示すように各冷却ユニットＣ１～Ｃｎとタービンｄ１との間つまり当該タービンｄ１の上流側に流量調節弁Ｆを設け、当該流量調節弁Ｆで流量調節された加熱排気をタービンｄ１に供給して動力回収を行う。そして、タービンｄ１で動力回収した後の回収後排気を排気口に供給する。

このような航空機用エネルギ回収装置は、アウトフローバルブＶが本来的に備えている流量調節機能を流量調節弁Ｆで代替えすることにより、回収後排気を排気口を介して機外に放出することを可能とするものである。なお、流量調節弁Ｆの設置位置は、タービンｄ１の上流側に限定されず、タービンｄ１の下流側であってもよい。

なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態は複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎの設置を前提にしているが、本開示はこれに限定されない。すなわち、本発明は、複数の冷却ユニットＣ１～Ｃｎを備えない与圧・空調システムに適用可能である。

（２）上記実施形態では、各回収ユニットＤ、Ｄ１～Ｄｎに電力変換器ｄ３を設けたが、本開示はこれに限定されない。例えば、発電機ｄ２が発生させた交流電力を航空機Ａ１～Ａ３が本来的に備えている発電機の出力（交流電力）と連携させてもよい。

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

本開示によれば、航空機の余剰エネルギの有効活用を実現することが可能である。

Ａ１～Ａ３ 航空機
Ｂ 電源バス
Ｃ１～Ｃｎ 冷却ユニット
Ｄ、Ｄ１～Ｄｎ 回収ユニット（航空機用エネルギ回収装置）
ｄ１ タービン
ｄ２ 発電機
ｄ３ 電力変換器
Ｒ１ 第１の電気室
Ｒ２ 第２の電気室
Ｖ アウトフローバルブ（開口部）

Claims (5)

1. 航空機の客室と前記客室から排出される客室排気を機外に放出する開口部との間に設けられ、前記客室排気のみによって運転されるタービンと、
   前記タービンによって駆動される発電機と、
   前記客室排気を用いて前記航空機の電気機器を冷却する冷却ユニットとを備え、
   前記タービンは、前記冷却ユニットから排出される加熱排気によって運転され、
   前記冷却ユニットが複数設けられる場合、前記タービン及び前記発電機は、前記冷却ユニットに対応して複数設けられる航空機用エネルギ回収装置。
2. 前記タービン及び前記発電機は、前記航空機の圧力隔壁の後方に設けられる請求項１に記載の航空機用エネルギ回収装置。
3. 前記開口部は、前記航空機の与圧・空調システムを構成するアウトフローバルブである請求項１または２に記載の航空機用エネルギ回収装置。
4. 前記発電機の出力を前記航空機の直流電源バスに合致した直流電圧に変換する電力変換器をさらに備える請求項１～３のいずれか一項に記載の航空機用エネルギ回収装置。
5. 前記タービンは、前記客室から排出された複数の前記客室排気を合計した流体のみによって運転される請求項１に記載の航空機用エネルギ回収装置。

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