JPH05509390A - サイクルを簡略化した環境制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 サイクルを簡略化した環境制御装置 説明 技術分野 この発明は、空気調整を行うエアサイクル環境制御装置１こ関する。

背景技術 希薄な大気中において運転されるように設計された航空機にお（１ては、客室内 の空気を冷却し、濾過し、圧縮し、又は他の方法により調和するエアサイクル環 境制御装置が用いられて０る。大部分の装置においては、エンジンのコンプレ・ ソサ又は／及び補助）くワーユニットにより供給される圧縮周囲空気はエアサイ クルターボ装置をこおいて膨張され、これにより、冷却された新鮮な空気力（客 室に供給されるようになっている。この冷却された新鮮空気を供給するためのコ ストには二つの要素が絡んでいる。第一には、装置（こ必要な部品のサイズ及び 数のために、航空機の総重量が相当に増大してしまうこと、そして第２には、標 準サイズの航空機の冷却要求を満たすためにも、供給される圧縮周囲空気に蓄積 された相当量のエネルギーが必要であること、が挙げられる。高騰する燃料費及 び増大する環境問題に直面する産業界においては、装置全体の性能を犠牲（こす ることなく、これら装置の重量及びエネルギー要求を減少するために相当の努力 が払われている。

圧縮周囲空気は容易に利用可能であるため、飛行中の航空機内の環境制御装置に とって有効な動力源である。大部分の装置においては、圧縮周囲空気は航空機外 から導入された空気により冷却される熱交換器を通過することによりおよそ周囲 空気温度にまで冷却される。圧縮周囲空気はタービン内において膨張することに より、その温度がさらに低下する。ここで、膨張空気の温度がその露点よりも低 くなると、膨張空気に含まれる全ての水蒸気が液化する。また、膨張により圧縮 周囲空気の温度がさらに下がって凝固点よりも低くなると、液化した水が氷結す る。この氷結による氷の量が大きくなると、装置内の空気流を制限して装置の性 能を低下させ、場合によっては作動不能状態に至らしめる。

多数の従来装置において、二つの技術の一方あるいは双方が用いられており、こ れにより、装置の作動を妨げることとなる氷が形成されないようにしている。こ れらの技術の第一は、単に、タービンのアウトレットから送出される空気の温度 を上記凝固点よりも高く維持できるようにタービンを設計することである。この ようにすることにより、氷の形成を防ぐことができるとともに、装置の総重量に 占める割合の大きいかさ張る構成部品である熱交換器のサイズを縮小することが 可能となる。しかしながら、この種の装置においては、タービンアウトレットに おける空気の温度が上記凝固点よりも低くなる装置に比して、所望の冷却量を生 み出すためにはるかに大きなエネルギーが必要とされる。

従来装置における第二の技術は、タービンをタービンアウトレットにおける空気 温度が上記凝固点よりも低くなるように作動させる一方、氷の存在を検出する機 能並びに非許容レベルの氷の発生が示された領域へ除氷用の暖流を送る機能の双 方を装置に備えることである。この種の装置の利点は、除氷機構を選択的に作動 させることができるため、氷が検出されたときのみ装置からエネルギーを引き出 すことが可能である。しかしながら、除氷用の暖流を送出するためにはそのため のハードウェアを付加することが必要であり、装置の総重量の増大を招く。米国 特許第３．１７７、６７９号番ごおいては、二台のタービンの各々のアウト１ノ ツトに配されたサーモスタットが凝固点よりも低い温度を示したとき、タービン アウトレットと暖気源とを連絡するダクト内のバルブが開くように構成されてい る。米国特許第４．１２７．０１１号においては、プレナムがタービンアウトレ ットを包囲している。タービンアウトレット内の温度が凝固点より仰くなると、 バルブが開いて暖気をブレナム内に送りこみ、タービンアウトレットの内面に氷 が蓄積するのを阻止する。

この第二の技術の代替技術として、タービンアウトレットにおける温度が凝固点 よりも低くなるようにタービンを作動させ、このタービンアウトレットからの空 気に連続する暖気流を混合してその温度を上昇させるものがある。米国特許第３ ．８７７、２４６号において、この技術を用いた二台のタービンを有する装置が 開示されている。第一のタービンのアウトレットからの空気が暖気と混合され、 これにより、タービンアウトレットの温度が凝固点よりも低くなることを可能に している。尚、上記第一のタービンのアウトレットからの空気と上記暖気は何れ も客室から循環され圧縮されたものである。この混合気は次いで第二のタービン 内において膨張する。客室に流入する前に、この第二のタービンからの吐出空気 は沈降分離装置を通過して含有水蒸気が除去される。尚、第二のタービンの下流 における空気温度を凝固点よりも高く維持するために、第二のタービンのインレ ットとアウトレットを連絡するダクト内に配されたバルブの動作が調節される。

単一のタービンを備えた同様の装置が米国特許第２．６２８．４８１号に開示さ れている。客室からの循環空気はまず濾過され次いで分離される。この分離循環 空気の第一の半分はタービンからの吐出空気と直接混合される。この混合気に含 まれる水蒸気は次いで水分離器において除去される。次いで、この水分離器から の空気流は航空機内に流入する前に客室からの循環空気の第二の半分と混合され る。

米国再発行特許第３２．１００号（米国特許第４．２０９．９９３号の再発行特 許）及び米国特許第４．４３０．８６７号には、タービン下流の空気温度を凝固 点よりも高く維持するために同じく循環空気に含まれる熱を利用した単一タービ ンを有する装置が開示されている。圧縮された供給空気は、タービンインレット に流入する前にまず主コンデンサの暖通路を通過して含有水蒸気が除去される。

この主コンデンサの暖通路からの除湿された空気は次いでタービンにおいて膨張 する。米国再発行特許第３２．１００号においては、このタービンからの吐出空 気は次いで客室からの循環暖気と混合され、主コンデンサの冷通路を通過する。

米国特許第４．４３０．８６７号においては、タービンからの吐出空気は客室内 に流入する前にまず熱交換器の冷通路を通過する。

熱交換器の暖通路を通過した流体は客室内に配された補助コンデンサの冷通路を まず通過する。循環空気はこの補助コンデンサの暖通路を通過することにより、 客室に流入する前に除湿される。補助コンデンサの冷通路において暖められた流 体は、次いで、熱交換器に戻る前に主コンデンサの冷通路を通過する。

米国再発行特許第３２．１００号及び米国特許第４．４３０．８６７号に開示さ れた装置は何れも、タービンにおける膨張前に空気流から水蒸気を除去する手段 を設けることにより、タービンをより効率的な車両固点において作動させること を可能にしている。しかしながら、これらの装置においては、タービンのインレ ットに向かう空気流から水蒸気が液化されるときに発生する気化熱を回収するこ とができず、この結果、サイクル効率及び冷却容量の総合損失が生じる。

発明の開示 比熱の回収を介してエアサイクル環境制御装置の効率を増大することにある。

本発明のさらなる目的は、そのような装置において、変化する周囲状況下にあっ て最良の装置効率を得るためにサイクルを変更する手段を提供することにある。

本発明によれば、装置の第一のタービンからの空気は、第一のタービンに流入す る圧縮周囲供給空気内の水蒸気の液化に用いられた後第二のタービンにおいて膨 張される。

さらに本発明によれば、装置に供給される圧縮周囲空気の特性の変化に伴い装置 効率を低下させることとなったサイクル部分あるいは不必要となったサイクル部 分をバイパスさせる手段が設けられている。

気化熱を回収することにより実現される熱効率の増大により、本発明の実施例に おいては、同じ重量及びサイズの従来装置に比してより大きな空気流量及び冷却 容量を、あるいは、重量及びサイズがより大きい従来装置と同等の空気流量及び 冷却容量を提供することができる。

加えて、第一のタービンにおいて抽出されなかったエネルギーが第二のタービン により回収されるので、第−及び第二のタービンの膨張比を、第一のタービンの 吐出空気流の温度が凝固点よりも高く維持されるように選定することができる。

これにより、コンデンサ内における氷結の問題を緩和することができるため、適 当な除氷手段を設ければ足りることとなる。

巡航飛行高度における乾燥した低圧大気下において、本発明においてはさらに、 第一のタービン及びコンデンサの双方を選択的にノくイパスさせて空気流を第二 のタービンに直接流入させる。第一のタービンのノズル口は第二のタービンに比 して小さく、また、コンプレッサは空気流を制限するため、これら二つの構成部 品をバイパスさせることにより装置を流れる体積流量を増大することができる。

大気圧がより低くなり第二のタービンのノズル口によっても充分な質量流量が得 られないときは、第二のタービンもまたバイパスされ、これにより、装置内を最 大流量が流れることとなる。

本発明に関する上述の及び他の目的、特徴並びに利点は、添付図面に示される本 発明の典型的な実施例に関する以下の詳細な説明により一層明瞭となるであろう 。

図面の簡単な説明 単一の図は、本発明を組み入れたエアサイクル環境制御装置を示す概略図である 。

発明を実施するための最良の態様 図を参照すると、圧縮状態にて供給された周囲空気９は、ダクト１０を介してエ アサイクル環境制御装置内に送入される。この空気の供給源（図示せず）は、補 助パワーユニット、ガスタービンエンジンの圧縮部の何れか又は双方である。装 置に送入される圧縮空気の流量は、ダクト１４を介して主熱交換器１６の暖通路 へ接続されるバルブ１２により調節される。この暖通路内において空気を冷却す るために、比較的温度の低い外部周囲空気１７が航空機（図示せず）の外部に設 けられた開口部２０及び冷却通路を介して導入される。気流速度が低い運転時に この冷却通路を介して充分な空気流を導入するために、シャフト２３を介して一 対のタービン２４．２６により駆動されるファン２２がダクト２８を介して冷却 通路のアウトレットに連絡しており、冷却通路を介して暖められた外部周囲空気 ２９を引き寄せるとともにダクト３０を介して航空機外に排出する。この排気ダ クト１６内のバルブ３２を調節することにより冷却流量を制御してもよい。

主熱交換器１６の暖通路において冷却された後、主熱交換器からの吐出空気３３ はダクト３４を介して二台のタービン２４．２６により駆動されるコンプレッサ ３６に導入される。この圧縮工程により加熱されたコンプレッサからの吐出空気 ３７は次いでダクト３８を介して側熱交換器４０の暖通路に導入され、ここで、 上記主熱交換器１６における冷却方法と同様にして、冷却通路を流れる外部周囲 空気１７により冷却される。

側熱交換器４０の暖通路を通過した吐出空気４７は次いでダクト４８を介してコ ンデンサ４６の液化流路へ流入する。このコンデンサ４６内の伝熱面の温度は、 側熱交換器からの吐出空気４７の所望の露点又はより低い値に維持される。これ により、側熱交換器からの吐出空気４７は、ダクト５６を介して第一のタービン ２４に流入する前に除湿される。第一のタービンにおける膨張により冷却された 後、第一のタービンからの吐出空気はダクト５０を介してコンデンサ４６の冷却 通路に流入して、伝熱面を冷却し、液化した水蒸気の気化熱を吸収する。従って 、第一のタービン２４の膨張比は、装置を流れる質量流量が与えられれば、第一 のタービンからの吐出空気４９の温度がコンデンサ４６の暖通路内における氷結 の発生を防ぐのに充分な程度に高く維持されるように選定される。通常、第一の タービンからの吐出空気４６の所望の温度は、華氏３５度乃至４０度（摂氏１． ７度乃至４．４度）である。もし、第一のタービンの実際の吐出温度が所望値よ りも低くなった場合、あるいは、何等かの手段によりコンデンサ４６内の氷の存 在が検出された場合には、バルブ５８が開いて第一のタービンへの除湿された導 入空気５９をダクト６０を介して通過させ、第一のタービンの吐出空気４９と混 合させてこれを暖める。

氷の蓄積を検出するために種々の方法が用いられる。圧力センサ（図示せず）を コンデンサ４６の暖通路のインレット及びアウトレットに設けてもよい。もし、 暖通路内の圧力降下が所定値を越えたときは、空気流を制限するのに充分な氷が 通路内に形成されたと結論してよい。この代替方法として、高圧冷気源に連通ず るオリフィス（図示せず）のアウトレットを配してコンデンサ４６の暖通路内に 高圧冷気を導入させてもよい。オリフィスのサイズは、通過流量が僅かとなるよ うに選択される。オリフィス内に流入する空気をモニタする流量センサあるいは 圧力センサが圧力の増大又は流量の減少を示したときは、オリフィスのノズル口 に氷が形成され該ノズル口が閉塞されたと結論してよい。

側熱交換器の吐出空気４７がコンデンサ４６の液化通路を通過すると、これに含 有される水蒸気が液化するときに気化熱が発生し、この気化熱は冷却通路内の第 一のタービンからの吐出空気４９により回収される。従って、コンデンサの冷却 通路からの吐出空気６１に蓄積される回収可能な総エネルギーは、上記の回収さ れた気化熱と第一のタービン２４により回収されなかったエネルギーの合計とな る。このエネルギーを回収するために、コンデンサ冷却通路からの吐出空気６１ はダクト６３を通過し、第２のタービン２６において膨張される。

航空機の客室６２内に導入される空気流の量及び温度を調節するために、第二の タービンからの吐出空気６５はミキサ６４に導入され、ここで客室からの循環空 気６９と混合される。ファン６８によりこの循環空気６９は客室６２からダクト ６６及びフィルタ６７を介して引き込まれる。ファン６８の回転速度は、ダクト ７０を介してミキサ６４に導入される循環空気６９の質量流量が全体の循環要Ａ 求を満足するように制御される。

本発明に基づく装置は、周囲の状態及び作動条件が変化し、普通ならば装置全体 の作動性及び効率の低下を招く場合にも対応できる。

圧縮周囲空気９の圧力が低下しすぎた場合、例えばホットワイヤ風速計７２によ り検出される質量流量が客室における新鮮空気の流量要求を満たすのに必要なレ ベルよりも下がる。この結果、主バイパスバルブ７２が開いて、側熱交換器から の吐出空気４７がコンデンサ４６及び第一のタービン２４をバイパスしてダクト ７４を介して第二のタービンに直接循環することとなる。主バイパスバルブ７２ が開く典型的な例として、航空機が高い高度において巡航飛行をしている場合が あり、このとき、外部周囲空気１７、従って供給空気９の圧力及び湿度は低い。

両タービン２４．２６の膨張比及びノズルのサイズは、湿度が問題となる低い高 度における高圧周囲空気下において装置効率が最良となるように選定される。

第二のタービンは、第一のタービンにより既に膨張された空気を膨張するように 設計されているため、第一のタービンのノズルに比して空気流に対する制限が遥 かに小さい大径のノズルを備えている。

従って、第二のタービン２６に直接流入する空気流は、まずコンデンサ４６と第 一のタービン２４へ流入する空気流に比して制限される度合いがはるかに小さい 。空気流に対する制限を減少することにより、供給空気の圧力が低い場合にもよ り大きい体積流量を維持することが可能であり、これにより、充分な質量流量の 空気を客室に導入することができる。

主バイパスバルブ７２が全開となり、且つ、ホットワイヤ風速計７３が圧縮周囲 空気９の質量流量が依然として装置のために必要な最小流量よりも小さいことを 示した場合、副バイパスバルブ７６もまた開くこととなる。この結果、空気流は 第一のタービン２４とコンデンサ４６に加えて第二のタービン２６もバイパスす ることとなり、側熱交換器からの吐出空気４７は副バイパスダクト７８を介して 直接ミキサ６４に流入することとなる。この場合、タービン２４゜２６の何れも 作動しないため、コンプレッサ３６とファン２２は停止する。このため、コンプ レッサ３６は空気流を制限するように機能し、コンプレッサのアウトレットの圧 力はインレットの圧力よりも低くなる。この結果、コンプレッサのインレットと アウトレットを接続するダクト４４内に配されるチェックバルブ４２が開放され る。これにより、主熱交換器からの吐出空気３３は、コンプレッサをバイパスし て側熱交換器４０に直接流入することとなる。このような状況においては、圧縮 周囲空気９は主熱交換器１６から側熱交換器４０に、モしてミキサ６４へと直接 流入し、装置に最大流量の空気が流れることとなる。

たとえ圧縮周囲空気９の質量流量が充分であっても、副バイパスバルブ７６を調 節して、装置の冷却容量及び装置を流れる体積流量を調節することが可能である 。第二のタービンからの吐出空気６５の体積流量あるいは温度が過度に低くなっ た場合、副バイパスバルブ７６が開放される。

典型的な実施例に基づいて発明を示し記載してきたが、発明の精神及び範囲を逸 脱することなく当該実施例において種々の変更、省略及び追加が可能であること は当業者により理解されるべきである。

要約 エアサイクル環境制御装置において、圧縮周囲供給空気（９）番ま第一のタービ ン（２４）において膨張される前にコンデンサ（４，６）ｊこより水蒸気を除去 される。第一のタービン（２４）力Ａらの冷却された吐出空気（４９）は次いで コンデンサ（４６）にお（１て冷却剤として用（Ａられ、ここで、液化した水蒸 気の気化熱を吸収する。コンデンサ（４６）を通過した後、暖められた冷却剤は 第二のタービン（２６）　ｌこお０て膨張される。

供給空気の圧力が所定値よりも低くなると、効率を低下させるあるいは不必要と なったサイクル部分がノくイノくスされる。

国際調査報告　。、Ｔ７，１゜０１／ｎｌｃ＋２０１１．−−１−１１□−＋１ ６．＋＋−ＰＣＴ／ＵＳ　９＋１０３５２９国際調査報告 ＵＳ９１０３５２９

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．水蒸気を含み圧縮して供給される周囲空気を除湿するための手段と、 上記除湿手段からの除湿された吐出空気を第一のタービンに供給するための手段 と、 上記第一のタービンからの吐出空気を上記除湿手段の冷却通路に供給するための 手段と、及び 上記冷却通路からの吐出空気を第二のタービンに供給するための手段と、 を備えた封体内の空気を調整するためのエアサイクル環境制御装置。
2. ２．上記第一のタービンは、上記第一のタービンの吐出空気の温度が上記供給空 気の露点と上記除湿手段の凝固点との間となるような膨張比を有するクレーム１ に記載の装置。
3. ３．上記第一のタービンを通過した上記除湿された吐出空気の一部をバイパスさ せるための手段を有するクレーム１に記載の装置。
4. ４．上記供給空気の一部を上記第二のタービンに直接供給するための手段を有す るクレーム１に記載の装置。
5. ５．上記供給空気の一部を上記第二のタービンのアウトレットに直接供給するた めの手段を有するクレーム１に記載の装置。
6. ６．水蒸気を含む圧縮された周囲空気を供給する源と、上記供給空気を受容し冷 却し、該供給空気と熱交換をする関係においてより低温の周囲空気を供給される 主熱交換器と、上記主熱交換器からの吐出空気を受容し、第一及び第二のタービ ンにより駆動されるコンプレッサと、 上記コンプレッサからの吐出空気を受容し冷却し、該コンプレッサ吐出空気と熱 交換する関係においてより低温の周囲空気を供給される副熱交換器と、 上記副熱交換器からの吐出空気を受容し該副熱交換器吐出空気から水蒸気を除去 し、上記副熱交換器吐出空気と熱交換する関係において冷却流体を供給されるコ ンデンサと、上記コンデンサからの吐出空気を受容し膨張させる上記第一のター ビンと、 上記第一のタービンからの吐出空気を上記冷却流体として上記コンデンサを通過 させる手段と、及び 上記冷却流体として上記コンデンサを通過した空気を受容し膨張させる上記第二 のタービンと、 を備えたエアサイクル制御装置。
7. ７．上記コンデンサ内の氷結を検出する手段と、該氷結検出手段に応答して、上 記第一のタービンを通過した上記コンデンサ吐出空気の一部をバイパスするため の手段を有するクレーム６に記載の装置。
8. ８．上記供給空気の質量流量を決定する手段を有するクレーム６に記載の装置。
9. ９．上記質量流量決定手段に応答して、上記副熱交換器吐出空気の一部を上記第 二のタービンのインレットに直接導入するための手段を有するクレーム８に記載 の装置。
10. １０．上記質量流量決定手段に応答して、上記副熱交換器吐出空気の一部を上記 第二のタービンのアウトレットに直接導入するための手段を有するクレーム８に 記載の装置。
11. １１．圧縮されて供給される周囲空気から水蒸気を液化除去する工程と、 上記液化工程において除湿された空気を第一のタービンにおいて膨張させる工程 と、 上記第一のタービンにおいて膨張した空気を上記液化工程において冷却剤として 用いる工程と、及び 上記液化工程において暖められた上記冷却剤を第二のタービンにおいて膨張させ る工程と、 を有する封体内の空気を調整する方法。
12. １２．上記供給空気の質量流量を評価する工程をさらに有するクレーム１１に記 載の方法。
13. １３．上記供給空気の質量流量が第一の所定値よりも小さくなったときに、上記 供給空気を上記第二のタービンのインレットに直接供給する工程をさらに有する クレーム１２に記載の方法。
14. １４．上記供給空気の質量流量が第二の所定値よりも小さくなったときに、上記 供給空気を上記第二のタービンのアウトレットに直接供給する工程をさらに有す るクレーム１２に記載の方法。