JPH0765785B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ブートストラップ方式の気体回転機械を利用
した、航空機等の空気調和装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来の空気調和装置には、ブートストラップ方式の気体
回転機械を利用したものがある。この方式の気体回転機
械は、第２図および第３図に示すように、コンプレッサ
１とタービン２とを備えており、それらのインペラ1aと
インペラ2aとをハウジングＨを挟んでシャフト３により
単軸結合している。そして、コンプレッサ１にはベンチ
ュリ等の流量制御手段４を介して高温高圧の空気（ブリ
ードエア）が導入されるようにしてあり、この空気を前
記コンプレッサ１で順次圧縮するともに、該コンプレッ
サ１のディフューザ1bより吐出される高温空気を、管路
５を介してタービン２のノズル2bに導くようにしてい
る。この際、前記管路５の途中に介在させた熱交換器６
において、この高温空気をラムエア等と効率よく熱交換
させて冷却させるようにしている。そして、前記ノズル
2bから噴出させた高圧空気に前記インペラ2aを付勢させ
てタービン２を回転駆動するようにしており、この際イ
ンペラ2aに仕事を与えた空気は、断熱膨脹することによ
り自冷して、空調に必要な低温低圧の空気となることが
できるものである。なお、前記タービ２の回転トルクは
シャフト３を介して前記インペラ1aに入力され、コンプ
レッサ１の駆動に使用される。

一方、この空気調和装置は以上のようなブートストラッ
プ方式の冷却サイクルに並行して、前記流量制御手段４
を通過した高温空気を、前記コンプレッサ１を介さずに
直接前記タービン２の吐出側へ導くために、温度コント
ロールバイパス流路７を設けている。そして、このバイ
パス流路７には温度コントロールバルブ８が介設されて
おり、そのバルブ開度を調節することによって、前記タ
ービン２から吐出された冷却空気に、適量の高温空気を
混合させて、キャビン等へ供給するために必要な最適温
度の空気を得ているものである。

ところで、このように利用される気体回転機械は非常な
高速域で回転駆動させるため、その軸受には動圧気体軸
受を採用するのが常套手段となっている。動圧気体軸受
は、シャフトとこれを取巻く軸受面との間に気体膜を形
成し、この気体膜に生じる気体圧で該シャフトを軸受面
より浮上させて支持するようにしたものであって、この
種気体回転機械には、軸受の寿命、保守および軽量化の
観点から他の軸受よりも格段に奏効し得るものである。
第３図においては、ジャーナル軸受9aおよびスラスト軸
受9bにともに動圧気体軸受が採用されており、特にスラ
スト軸受9bに対しては、シャフト３に発生する過大なス
ラスト力を分散させるため、該シャフト３にスラストラ
ンナ10を突設して軸受面積の増大を図っている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、このように構成される空気調和装置は、以下
に述べるようにその始動時に困難を要している。

先ず、温度コントロールバルブ８を全開にした状態で始
動させる場合には、全体としての空気流量が増加するこ
とになる。これにより、流量制御手段４での圧力損失が
大きくなり、コンプレッサ１が吸入する空気量（すなわ
ち、タービン２に供給される空気量）が不十分となっ
て、気体回転機械の回転が十分に加速されない状態とな
る。しかるに、前述した動圧気体軸受9a、9bは、該気体
回転機械の始動時には気体膜が形成されていない。した
がって、シャフト３はそれらの軸受面と固体接触した状
態で長時間低速回転することになり、空調装置が定常運
転に入ることができないばかりか軸受の摩耗が進行し
て、該軸受が早期に使用不能となる不都合を招くことに
なる。

一方、前記温度コントロールバルブ８を全閉にした状態
で始動させる場合には、前述した場合よりも、全体とし
ての空気流量が減少して流量制御手段４での圧力降下が
比較的少なくなり、導入した空気は大きな圧力低下を伴
わずにその全量がコンプレッサ１に吸入される。しかる
に、始動初期には該コンプレッサ１が停止しており圧縮
作用を営んでいない。したがって、該コンプレッサ１の
吸入側と吐出側とでは、大きな圧力損失が生じることに
なる。これにより、タービン２に供給されてインペラ2a
に作用し得る空気圧は、前記コンプレッサ１のインペラ
1aに作用する空気圧に対し大幅に圧力降下したものにな
り、両インペラ1a、2aを結合するシャフト３には、アン
バランスなスラスト力が発生することになる。例えば、
コンプレッサ１内の空気圧をPc、タービン２内の空気圧
をPt、シールの施されたシャフト細径部の断面積Ｓとす
ると、スラスト力は図中右方向に向かって、およそＦ＝
（Pc−Pt）・Ｓの大きさで該シャフト３に発生すること
になる。しかして、このスラスト力は、スラストランナ
10からスラスト軸受9bの軸受面に直接作用するため、該
軸受面には過大な摩擦抵抗が生じて、始動不良や甚だし
きは始動不能に至ることになる。したがって、この場合
も前述した場合と同様に、空調装置を定常運転させるこ
とが難しく、また軸受の摩耗量が増大するため、該軸受
の寿命が低下して、早期の使用不能となる不具合を免れ
ない。

また、以上のような始動時のタービン２への過給不足に
対処するためには、コンプレッサ１に供給する空気をよ
り高圧にする必要があるが、この手法によると、流量制
御手段４での圧力損失やシャフト３に発生するスラスト
力がそれに伴って増大するため、始動特性の改善には殆
ど奏効し得ない。

本発明は、以上説明した不具合に対処すべくなされたも
のであって、簡単な構造によりこれらの不具合を解消
し、温度コントロールバルブの調節開度の如何に拘ら
ず、気体回転機械の確実な始動とともに、スムーズに定
常運転されるようにした空気調和装置を実現することを
目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために次のような手段を
採用したものである。

すなわち、本発明の空気調和装置は、従来の装置におい
て、流量制御手段の上流側とコンプレッサの吐出側とを
直接連通させるコンプレッサバイパス流路を設け、この
コンプレッサバイパス流路に、前記流量制御手段の上流
側の圧力が前記コンプレッサの吐出側の圧力よりも高い
場合にのみ開成する逆止弁を介設したことを特徴として
いる。

［作用］ このような手段であれば、始動時に温度コントロールバ
ルブを全開にしてコンプレッサ側より高温高圧の空気を
導入した際には、この高温高圧の空気が温度コントロー
ルバイパス流路を介してタービンの吐出側に導かれると
同時に、コンプレッサの吐出側が流量制御手段の上流側
に対して大きく圧力降下しているためその差圧で逆止弁
が開成し、圧力降下する以前の空気が、コンプレッサバ
イパス流路を介して前記コンプレーサの吐出側に直接流
出することになる。これにより、タービンにはインペラ
を付勢するに十分な高圧空気が供給されることになり、
気体回転機械は確実に始動できることになる。

また、温度コントロールバルブを全閉にしてコンプレッ
サ側より高温高圧の空気を導入した際には、この空気は
温度コントロールバイパス流路へ流入することなくコン
プレッサに吸入されるが、コンプレッサの吸入側と吐出
側との間には前述したように大きな圧力損失が発生す
る。そのため、主にこの圧力損失に基づいて逆止弁が開
成し、タービンにはコンプレッサバイパス流路を介して
コンプレッサと略同圧のガスが供給されることになる。
これにより、コンプレッサのインペラとタービンのイン
ペラとに作用するスラスト力がバランスするので、シャ
フトのスラスト負荷に起因する回転抵抗が低減されて、
気体回転機械は確実に始動されることになる。

そして、始動した気体回転機械は、温度ロールバルブの
開度の如何に拘らず、回転速度の上昇に伴ってコンプレ
ッサの吸入側と吐出側との差圧が小さくなり、さらには
圧力関係が逆転するので、逆止弁が閉じてコンプレッサ
バイパス流路は自動的に遮断されることになる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、既に第３図に図示したような動圧気体軸受を
利用した気体回転機械を用いて、本発明に係る空気調和
装置を構成したものの一例を示すシステム説明図であ
る。このシステムは、既に第２図に図示したシステム
に、さらに以下に述べるコンプレッサバイパス流路11と
逆止弁12とを付設したものであって、第２図と共通する
部分は同一符号を付してその説明を省略する。

しかして、かかるシステムにおいて、流量制御手段であ
るベンチュリ４の上流側とコンプレッサ１の吐出側とを
コンプレッサバイパス流路11で直接連通させており、こ
のコンプレッサバイパス流路11に、前記流量制御手段４
の上流側の圧力が前記コンプレッサ１の吐出側の圧力よ
りも高い場合にのみ開成して高圧空気の流通を許容する
逆止弁12を介設している。

このような構成のものであると、温度コントロールバル
ブ８のバルブ開度の如何に拘らず、気体回転機械の始動
時にこコンプレッサバイパス流路11が有効に作動して、
コンプレッサ１のインペラ1aとタービン２のインペラ2a
との一体回転起動が確実になされることになる。

すなわち、始動時に温度コントロールバルブ８を全開に
してコンプレッサ１側より高圧の空気を導入した際に
は、この高圧空気が温度コントロールバイパス流路７を
介してタービン２の吐出側に直接流出すると同時に、ベ
ンチュリ４の上流側とコンプレッサ１の吐出側との間に
生ずる差圧のために逆止弁12が開成して、圧力降下する
以前の高温高圧の空気が、コンプレッサバイパス流路11
を介して前記コンプレッサ１の吐出側に直接流入される
ことになる。これにより、タービン２には始動に十分な
空気が供給されるので、前記コンプレッサ１に導入する
空気が比較的低圧であっても、気体回転機械は確実に始
動できることになる。なお、この場合、コンプレッサ１
からの空気吐出量（すなわち、タービ２への空気流入
量）は、ディフューザ1bおよびノズル2bによってある程
度にまで規制されるので、バイパスされる空気量が過剰
になる虞れはない。

また、温度コントロールバルブ８を全閉にしてコンプレ
ッサ１側より高温高圧の空気を導入した際には、温度コ
ントロールバイパス流路７には流入しないので、この高
温高圧の空気がコンプレッサ１に吸入されると同時に、
始動時に存在する該コンプレッサ１の吸入側と吐出側と
の圧力損失に基づいて逆止弁12が開成し、タービン２に
はコンプレッサバイパス流路11からコンプレッサ１と略
同圧の空気が供給されることになる。これにより、コン
プレッサ１のインペラ1aとタービン２のインペラ2aとに
作用するスラスト力がバランスするので、シャフト３の
スラスト負荷に起因する回転抵抗が低減される。したが
って、コンプレッサ１に導入する空気が比較的低圧であ
っても、気体回転機械はやはり確実に始動できることに
なる。

なお、温度コントロールバルブ８の開度を全開と全閉と
の間に調節した場合でも、同様の作動によって気体回転
機械の始動が確実になされることは言うまでもない。

そして、以上のように好適にスタートした気体回転機械
は、回転速度の上昇に伴ってコンプレッサ１の圧縮作用
が増大すると、その吸入側と吐出側との差圧が小さくな
り、さらには圧力関係が逆転するので、逆止弁が閉じて
コンプレッサバイパス流路12は自動的に遮断され、圧力
損失を防ぎ逆流を阻止することになる。

以上にようにして、本実施例の空気調和装置は、コンプ
レッサ１の空気吸入不足による加速不良や、コンプレッ
サ１部分での圧力損失に基づくスラスト力の発生に起因
して、気体回転機械が始動できないという不具合が確実
に解消され、比較的導入する空気が比較的低圧であって
も該気体回転機械の始動が確実になされるとともに、速
やかに定常運転に入ることができることになる。したが
って温度調節も、始動性への影響を配慮することなし
に、常に最適なバルブ開度の選択が可能となるものであ
る。そして、動圧気体軸受が激しく摩耗することがなく
なるため、該軸受の寿命が増大して保守にも便ならしめ
るものとなる。さらには、コンプレッサバイパス流路11
の開閉は逆止弁12によって自動的になされるので、外部
から随時開閉操作を行なう繁雑さを伴わない。

以上、本発明の一実施例について述べたが、コンプレッ
サバイパス流路の設定態様や逆止弁の種類等は、所期の
作動が得られる範囲で種々のものを用いることが可能で
ある。また、流量制御手段はベンチュリのみに限らず、
流量コントロールバルブ等の全ての流量制御装置に置き
変えることができる。

［発明の効果］ 本発明は、以上のようなコンプレッサバイパス流路と逆
止弁とを用い、気体回転機械の始動時にタービンへの高
圧空気を一時的に補給するように構成したことにより、
該気体回転機械の確実な始動とともにスムーズに定常運
転に入ることができ、併せて軸受の寿命を増大させ、そ
の保守を便ならしめた空気調和装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る空気調和装置の一実施例を示す
システム説明図である。また、第２図および第３図は従
来の空気調和装置を示し、第２図は第１図に対応するシ
ステム説明図、第３図は気体回転機械の構造を示す断面
図である。 １……コンプレッサ 1a……インペラ 1b……ディフューザ、２……タービン 2a……インペラ、2b……ノズル ３……シャフト ４……流量制御手段（ベンチュリ） ５……管路、６……熱交換器 ７……温度コントロールバイパス流路 ８……温度コントロールバルブ 9a……動圧気体軸受（ジャーナル軸受） 9b……動圧気体軸受（スラスト軸受） 10……スラストランナ 11……コンプレッサバイパス流路 12……逆止弁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンプレッサのインペラとタービンのイン
   ペラとを動圧気体軸受により支持させたシャフトで連結
   し、流量制御手段を介して前記コンプレッサに吸入させ
   た高温空気を前記タービンから冷却して吐出させ得るよ
   うに構成するとともに、前記流量制御手段を通過した高
   温空気をコンプレッサを介さずに直接前記タービンの吐
   出側へ導く温度コントロールバイパス流路を設け、この
   バイパス流路に介設した温度コントロールバルブのバル
   ブ開度を調節することにより高温空気の冷却空気に対す
   る混合比を調節し得るようにした空気調和装置におい
   て、前記流量制御手段の上流側と前記コンプレッサの吐
   出側とを直接連通させるコンプレッサバイパス流路を設
   け、このコンプレッサバイパス流路に、前記流量制御手
   段の上流側の圧力が前記コンプレッサの吐出側の圧力よ
   りも高い場合にのみ開成する逆止弁を介設したことを特
   徴とする空気調和装置。