JP4906225B2 - ２つのエアサイクルマシンを利用する環境制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、環境制御装置に関し、特に、水蒸気を含む圧縮空気を調和して調和空気として供給するエアサイクル式環境制御装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
空気を調和するエアサイクル式環境制御装置は、事業用航空機および軍用航空機の両方において、客室や機器室などの熱負荷を冷却および／または加圧することが知られている。これらの装置は、いくつかの理由で普及しており、このような理由には、比較的小さい寸法のエアサイクル装置によって充分な冷却量が供給されることや、例えば航空機や戦車などの軍用陸上車両であるガスタービンエンジン駆動の乗り物に対する適応性などが含まれる。
【０００３】
典型的な装置では、主エンジンの圧縮部または補助動力装置の圧縮部のいずれかまたは両方によって供給される圧縮された周囲空気が、エアサイクルターボ機械で膨張し、乗り物の機室および／または機器室に低温でかつ新鮮な空気が供給される。
【０００４】
１９９２年２月１１日にジョン エル．ワーナに付与され、本出願人に譲渡された米国特許第５，０８６，６２２号には、周知のエアサイクル式環境制御装置が開示されており、この環境制御装置は、共通のシャフト２３を介して一対のタービン２４，２６によって駆動される圧縮機３６とファン２２とを利用する。この環境制御装置では、圧縮空気が、一次熱交換器１６で冷却されてから、圧縮機３６で圧縮され、続いて二次熱交換器４０で再度冷却される。ファン２２は、一次および二次熱交換器１６，４０を通って冷却用周囲空気の流れを導く。圧縮空気は、一次および二次熱交換器１６，４０を通過した後、凝縮器４６でさらに冷却され、この凝縮器は、圧縮空気の水蒸気を凝縮させて圧縮空気を除湿する。除湿された圧縮空気は、次に、タービン２４を通って導かれて膨張し、シャフト２３に動力を与えるとともに、凝縮器４６で冷媒として使用可能となるように圧縮空気を冷却する。圧縮空気は、続いて、タービン２６を通してさらに膨張し、シャフト２３に動力を与えるとともに、機室６２に供給可能となるように圧縮空気を冷却する。この装置は、大型の事業用航空機などのいくつかの用途では十二分に機能するが、小型の地域用航空機などを含む全ての用途に最適な装置ではない。
【０００５】
１９９９年５月３０日にマーリ等に付与された米国特許第５，８８７，４４５号は、互いに独立して回転する２つのエアサイクルマシン３９，４０を利用する他のエアサイクル式環境制御装置１０を開示している。エアサイクルマシン３９は、高圧タービン２４によって駆動される圧縮機１６を含み、エアサイクルマシン４０は、一次および二次熱交換器１２，１３を通るラム空気の流れを補充するために低圧タービン２８によって駆動されるファン３２を含む。この装置１０は、さらに高圧タービン２４への抽気の流れを除湿する再熱器１９、凝縮器２６、水分離器２１を含む。この装置は、意図する機能を充分に達成することができるが、特定の用途では、タービン２４，２８の間の出力分配を最適にして装置１０を動作させるために、定常的な動作条件において、凝縮器２６内の凝縮水が凍結する温度まで高圧タービン２４を通して抽気を膨張させることが必要となるおそれがあり、凝縮器２６に着氷が生じてしまう。このため、このような着氷を許容するように凝縮器を設計することが必要となり、凝縮器の寸法、重量、コスト、および複雑さが増加してしまう。
【０００６】
【発明の開示】
本発明の主な目的は、改善されたエアサイクル式環境制御装置を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、圧縮空気の流れに含まれる凝縮水の着氷を考慮して設計された凝縮器を必要とせずに、定常的な動作条件で最適化することができるエアサイクル式環境制御装置において除湿を提供することである。
【０００８】
本発明のまた他の目的は、巡航高度において航空機内に増加した調和空気の流れを効率的に提供することができるエアサイクル式環境制御装置を提供することである。
【０００９】
いくつかの目的を挙げたが、本発明の実施例では上述した目的の全てを達成しないこともある。
【００１０】
本発明の態様では、水蒸気を含む圧縮空気を調和して調和空気として供給する方法が提供される。
【００１１】
１つの形態では、上記方法は、圧縮空気を圧縮機で再圧縮し、再圧縮空気を凝縮させるとともにこの再圧縮空気から水蒸気を取り除いて、該再圧縮空気を除湿し、第１のタービンを通して除湿された空気を膨張させて、該除湿された空気を第１の温度まで冷却し、凝縮時に、再圧縮空気から膨張かつ除湿された空気に熱を放出し、第１のタービンと第２のタービンが連動して回転していない状態で、熱の放出の後に、除湿された空気を第２のタービンを通してさらに膨張させて、該除湿された空気を第２の温度まで冷却するとともに、再圧縮時に圧縮機を駆動することを含む。上記方法は、１つの特徴として、選択的に再圧縮空気の大部分を凝縮させず、かつ除湿された空気を第１のタービンを通して膨張させずに、該再圧縮空気の大部分を第２のタービンに導いてここで膨張させることをさらに含む。
【００１２】
本発明の１つの形態では、上記方法は、ファンを駆動する第１のタービンを含む第１のエアサイクルマシンを使用し、圧縮機を駆動する第２のタービンを含む第２のエアサイクルマシンを使用し、第１のエアサイクルマシンと第２のエアサイクルマシンとが連動して回転していない状態で、最初に圧縮機、次に第１のタービン、続いて第２のタービンを通るように圧縮空気を導くことを含む。上記方法は、１つの特徴として、圧縮空気の流れの大部分を、選択的に凝縮器および第１のタービンを通るように導かずに圧縮機から第２のタービンに導くことをさらに含む。
【００１３】
本発明の他の態様では、水蒸気を含む圧縮空気を調和して調和空気として供給する環境制御装置が提供される。この装置は、圧縮空気を再圧縮して、この再圧縮空気を装置に供給する圧縮機と、圧縮機の下流に位置し、かつ再圧縮空気を受け入れるとともに、装置に除湿された圧縮空気を供給するために再圧縮空気内の水蒸気の少なくとも一部を凝縮させる凝縮器と、凝縮器の下流に位置し、かつ除湿された圧縮空気を受け入れるとともに、除湿された圧縮空気を冷却するために該除湿された圧縮空気を膨張させる第１のタービンと、第１のタービンの下流に位置し、かつ膨張かつ除湿された圧縮空気を受け入れる第２のタービンと、を有する。第２のタービンは、膨張かつ除湿された圧縮空気をさらに膨張させて該膨張かつ除湿された圧縮空気を冷却するとともに圧縮機を駆動するために、第１のタービンの回転に対して独立して回転可能となっている。
【００１４】
上記環境制御装置は、１つの特徴として、冷却空気の流れを生じさせるように第１のタービンによって駆動されるファンと、第１のタービンの上流に位置し、かつ圧縮空気および再圧縮空気の少なくとも一方から冷却空気の流れに熱を放出する少なくとも１つの熱交換器と、をさらに有する。
【００１５】
上記環境制御装置は、１つの特徴として、凝縮器および第１のタービンの上流に位置するとともに、再圧縮空気の大部分を、選択的に最初に凝縮器および第１のタービンに通過させずに第２のタービンに迂回させるバイパス弁をさらに有する。
【００１６】
本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の実施形態および添付図面によって明らかになる。
【００１７】
【発明を実施するための最良の形態】
図を参照すると、エアサイクル式環境制御装置８は、連動して回転していない状態において、互いに独立して回転する２つのエアサイクルマシン９，１０を含む。エアサイクルマシン９は、共通のシャフト１３を介してファン１２を駆動するタービン１１を含み、タービン１１とファン１２は、軸１４を中心に回転するように共通のシャフト１３に固定されている。エアサイクルマシン１０は、共通のシャフト１７を介して圧縮機１６を駆動するタービン１５を含み、タービン１５と圧縮機１６は、軸１８を中心に回転するように共通のシャフト１７に固定されている。環境制御装置８は、さらに、圧縮機１６の上流に位置する一次熱交換器１９、圧縮機１６の下流に位置する二次熱交換器２０、二次熱交換器２０の下流に位置する再熱器２１、再熱器２１の下流に位置する凝縮器２２、凝縮器２２の下流に位置する水分離器２４、バイパス逆止弁２６、および３つのバイパス制御弁２８，３０，３２を含む。以下でより詳細に説明するように、再熱器２１、凝縮器２２、水分離器２４、タービン１１、およびバイパス制御弁３０は、環境制御装置８の除湿ループを定める。適切な管路すなわち空気ダクト３６が、環境制御装置８の種々の部品間で圧縮空気の流れを導くように設けられている。
【００１８】
ファン１２、一次熱交換器１９、および二次熱交換器２０は、周囲空気の冷却空気流れ３９をそれぞれ一次および二次熱交換器２０，１９の冷媒流路４０，４２を通るように導く、航空機のラム空気ダクトなどの周囲空気ダクト３８内に配置されている。ファン１２は、流路４０，４２を通って周囲空気の流れ３９を引き込むように機能する。周囲空気の流れ３９がラム空気の流れである場合には、ファン１２は、冷媒流路４０，４２を通る周囲流れ３９の速度を補充すなわち増加させるように機能する。ラム空気の流れがない場合には、ファン１２が、流路４０，４２を通る周囲空気の流れの速度を生じさせる主な供給源となる。ラム空気の流れが、流路４０，４２を通る周囲空気の流れに充分な速度を与える場合には、ファン１２は、速度を補充する必要がなく、ファン１２を迂回して周囲空気の流れを導くためのバイパス弁４４がダクト３８内に設けられている。
【００１９】
環境制御装置８の１つの動作モードでは、ガスタービンエンジンの圧縮部からの抽気などの圧縮空気供給源４６からの水蒸気を含む圧縮空気４８が、一次熱交換器１９の流路５０を通るように導かれ、ここで冷媒流路４２を通って流れる周囲空気３９によって冷却される。流路５０は、圧縮機１６の入口５２に圧縮空気を導く。圧縮機１６は、圧縮空気４８を再度圧縮するとともに、出口５４を通して二次熱交換器２０を通る流路５６へと再圧縮空気５３を導く。再圧縮空気５３は、二次熱交換器２０の冷媒流路４０を通って流れる外部周囲空気の流れ３９によって冷却される。再圧縮空気５３は、二次熱交換器２０で冷却された後に、再熱器２１の流路を通るように導かれ、ここで凝縮器２２の流路６２に流入する前にさらに冷却される。凝縮器２２では、再圧縮空気の水蒸気を凝縮させるために、再圧縮空気５３の温度を減少させる。これによって再圧縮空気が除湿され、この再圧縮空気は、次に凝縮水と共に流れから凝縮水を収集すなわち抽出する水分離器２４に導かれる。抽出される最適な量の水蒸気は、用途によって変動しうるが、多くの用途では、除湿ループ３４の動作時には再圧縮空気から水蒸気の少なくとも大部分を抽出することが望ましい。除湿された再圧縮空気６３は、続いて再熱器２１の冷媒流路６４を通って導かれ、ここで流路６０の再圧縮空気５３からの熱が、除湿された再圧縮空気６３に放出される。除湿された再圧縮空気６３は、再熱器２１で最初に取り除かれた熱エネルギを回復した後に、タービン１１を通して膨張し、ファン１２を駆動するとともに装置８に冷却かつ膨張された圧縮空気の流れを提供する。再熱器２１は、流れに残留する凝縮水滴を蒸発させるとともに、流れに含まれる水蒸気の温度を充分に高い温度まで上昇させて、タービン１１の着氷を防止するために除湿された再圧縮空気６３に充分な量の熱を放出するように設計されることが好ましい。膨張した圧縮空気６５は、タービン１１を出た後に凝縮器２２の冷媒流路６６を通って導かれ、ここで流路６２を通って流れる再圧縮空気５３から冷媒流路６６を通って流れる膨張された圧縮空気６５へと蒸発潜熱を含む熱が放出される。膨張した圧縮空気６５は、凝縮器２２で最初に取り除かれた熱エネルギを回復した後に、タービン１５に導かれる。膨張した圧縮空気は、タービン１５でさらに膨張し、冷却されるとともに圧縮機１６を駆動する。タービン１１とファン１２は、タービン１５と圧縮機１６の回転に対して独立して回転しており、すなわち第１のエアサイクルマシン９と第２のエアサイクルマシン１０とは連動して回転していない。さらに膨張した圧縮空気は、調和空気６７としてタービン１５から放出され、この調和空気６７は、負荷側へおよび／または追加の調和のために追加の部品へと導くことができる。
【００２０】
バイパス制御弁３０，３２は、タービン１１，１５の膨張比および出口温度をそれぞれ制御するために、適切な制御装置（図示省略）によって調整することができる。用途によっては、特定の動作条件の下で、選択的に総圧縮空気流をバイパスすることができるように弁３０，３２を設け、エアサイクルマシン９，１０の片方または両方を無能とすることが好ましい場合もある。
【００２１】
バイパス逆止弁２６は、圧縮機が動作していないときもしくは圧縮空気４８に僅かな追加圧力しか与えていないときに、圧縮空気４８が圧縮機１６をバイパスすることを可能とする。
【００２２】
多くの用途では、環境制御装置８の最適な性能のために、圧縮機は、ファン１２よりも多くのエネルギを要する。このため、タービン１５は、タービン１１よりも多くのエネルギを圧縮空気流から抽出し、タービン１１にわたる膨張比は、タービン１５にわたる膨張比よりも小さくなる。例えば、いくつかの用途では、タービン１１が、膨張によって圧縮空気流から抽出されるエネルギの２０％〜４０％を受け取り、タービン１５が、膨張によって圧縮空気流から抽出されるエネルギの残りの部分を受け取ることが最適である。装置８は、除湿ループ３４内で一般的に低い膨張比を有するタービン１１を利用することで、凝縮器２２への流路内の着氷を防止するように第１のタービン１１からの膨張した圧縮空気６５を充分に高温に保つことができる。定常的な動作条件において凝縮器２２内で着氷を防止するように装置８を構成することが好ましいが、いくつかの用途では、凝縮器内の着氷を定常的な動作条件で許容し、このような着氷に適応可能な凝縮器を提供することが有利なこともある。
【００２３】
また、ファン１２を駆動するタービン１１を除湿ループ３４と関連づけるとともに、さらにバイパス制御弁２８を設けることによって、さもなければ装置の全体的な性能および効率を低下させるおそれがある周囲および動作の条件変化に対して装置を適応させることができる。例えば、圧縮空気供給源４６からの圧縮空気４８の圧力が、環境制御装置８によって充分な質量流量の調和空気６７を供給するのに不充分な場合には、再圧縮空気５３を最初に除湿ループ３４に通過させずにタービン１５に導くことによって、再圧縮空気５３のいくらかまたは（約９５％までの）ほぼ全てが除湿ループ３４を迂回するように、バイパス制御弁２８を適切な制御装置によって調整することができる。航空機用途では、航空機が巡航高度のときには外部周囲空気の低い圧力および湿度のために圧縮空気４８の圧力および湿度が低いので、再圧縮空気５３の大部分を迂回させるようにバイパス制御弁２８を構成することが一般に望ましい。再圧縮空気５３は、除湿ループ３４を迂回するので、空気５３は、除湿ループ３４に関連する圧力降下を経験せず、装置８からより大きい質量流量の調和空気６７が得られる。さらに、多くの用途では、上述したタービン１５の比較的大きい膨張比によって生じる比較的制限されていないノズル流れ領域のためにこの現象が強まる。例えば、多くの用途では、タービン１５のノズル流れ領域は、最適な性能を得るためにタービン１１のノズル流れ領域の約倍になっている。これにより、航空機の巡航高度などの圧縮空気供給圧力が低い条件において、装置を通る質量流量が（バイパスがない装置８に比べて約１５％）増加する。
【００２４】
図には、環境制御装置８の好適な実施例が示されているが、当業者であれば分かるように、本発明は、多くの実施例によって実現することができる。例えば、一次および二次熱交換器１９，２０の両方を有することが好ましいが、いくつかの用途では熱交換器１９，２０の一方をなくすことが有利でありうる。他の例としては、ファン１２は、シャフト１３を介してタービン１１によって直接駆動されることが好ましく、圧縮機１６は、シャフト１７を介してタービン１５によって直接駆動されることが好ましいが、用途によっては、駆動シャフト１３，１７の代わりに歯車列などの異なる駆動機構を設けることが有利でありうる。さらに他の例としては、装置が再熱器２１を含むことが好ましいが、装置によっては再熱器２１をなくすことが有利でありうる。同様に、熱交換器１９，２０を通る周囲空気の流れを補充するファン１２を設けることが好ましいが、いくつかの用途では、ファン１２をなくしてタービン１１から抽出された動力を利用して発電機などの他の部品を駆動することができる。他の例としては、二次熱交換器２０の流路４０は、一次熱交換器の流路４２の上流に示されているが、用途によっては、流路４０を流路４２の下流に設けるか、またはこれらの流路を直列ではなく並列に設けることが有利でありうる。同様に、一次および二次熱交換器１９，２０の冷却に周囲空気を使用することが好ましいが、用途によっては、燃料流れなどの異なる冷媒を利用することが有利でありうる。再熱器２１、凝縮器２２、および水分離器２４は、異なる部品として図示されているが、これらの部品の１つまたは複数を一体型構造として組み込むことができる。
【００２５】
開示されたエアサイクル式環境制御装置８では、各々のエアサイクルマシン９，１０を最適化することができ、これは、小型の地域用航空機などの特定の用途で有利でありうる。エアサイクルマシン９，１０の最適化によって、ワーナに付与された米国特許第５，０８６，６２２号に開示された従来の環境制御装置に比べて、上述の用途の凝縮サイクルの性能をかなり改善することができる。例えば、装置８によって、タービン１１のハブ直径を比較的小さくすることが可能となり、これにより、ブレード高さをより高くし、かつ効率を増加させることができる。さらに他の例では、装置８によって、タービン１１の排気損失を減少させることができ、米国特許第５，０８６，６２２号などの４輪のエアサイクルマシンに比べて、より効率の高いタービン１１を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を含むエアサイクル式環境制御装置の概略説明図である。

Claims (11)

1. 水蒸気を含む圧縮空気を調和して調和空気として供給する環境制御装置であって、この環境制御装置は、
   前記圧縮空気を再圧縮して、この再圧縮空気を前記装置に供給する圧縮機と、
   前記圧縮機の下流に位置し、かつ前記再圧縮空気を受け入れるとともに、前記装置に除湿された圧縮空気を供給するために前記再圧縮空気内の水蒸気の少なくとも一部を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器の下流に位置し、前記除湿された圧縮空気を受け入れるとともに、前記除湿された圧縮空気を冷却するために該除湿された圧縮空気を膨張させ、かつこの膨張かつ除湿された圧縮空気を前記凝縮器の冷媒流路に供給する第１のタービンと、
   前記第１のタービンの下流に位置し、かつ前記冷媒流路を出た前記膨張かつ除湿された圧縮空気を受け入れる第２のタービンと、を有し、前記第２のタービンは、前記膨張かつ除湿された圧縮空気をさらに膨張させて該膨張かつ除湿された圧縮空気を冷却するとともに前記圧縮機を駆動するために、前記第１のタービンの回転に対して独立して回転可能となっており、
   前記第１のタービンの膨張比は、前記第２のタービンの膨張比よりも低いことを特徴とする環境制御装置。
2. 前記第１のタービンの上流に位置し、かつ前記第１のタービンへの除湿された圧縮空気の流れから凝縮水を取り除く水分離器をさらに有することを特徴とする請求項１記載の環境制御装置。
3. 前記水分離器の下流でかつ前記第１のタービンの上流に位置し、かつ前記凝縮器に流れる再圧縮空気から前記除湿された圧縮空気に熱を伝達する熱交換器をさらに有することを特徴とする請求項２記載の環境制御装置。
4. 冷却空気の流れを生じさせるように前記第１のタービンによって駆動されるファンと、前記第１のタービンの上流に位置し、かつ前記圧縮空気および前記再圧縮空気の少なくとも一方から前記冷却空気の流れに熱を放出する少なくとも１つの熱交換器と、をさらに有することを特徴とする請求項１記載の環境制御装置。
5. 前記凝縮器および前記第１のタービンの上流に位置するとともに、前記再圧縮空気の大部分を、選択的に最初に前記凝縮器および前記第１のタービンに通過させずに前記第２のタービンに迂回させるバイパス弁をさらに有することを特徴とする請求項１記載の環境制御装置。
6. 水蒸気を含む圧縮空気を調和して調和空気として供給する方法であって、
   前記圧縮空気を圧縮機で再圧縮し、
   前記再圧縮空気を凝縮器で凝縮させるとともにこの再圧縮空気から水蒸気を取り除いて、該再圧縮空気を除湿し、
   第１のタービンを通して前記除湿された空気を膨張させて、該除湿された空気を第１の温度まで冷却し、
   前記凝縮時に、前記再圧縮空気から前記膨張かつ除湿された空気に熱を放出し、
   前記第１のタービンと第２のタービンが連動して回転していない状態で、前記熱の放出の後に、前記膨張かつ除湿された空気を前記第２のタービンを通してさらに膨張させて、該膨張かつ除湿された空気を第２の温度まで冷却するとともに、前記再圧縮時に前記圧縮機を駆動することを含み、
   前記第１のタービンの膨張比は、前記第２のタービンの膨張比よりも低いことを特徴とする方法。
7. 前記圧縮空気および前記再圧縮空気の少なくとも一方を、前記凝縮の前に少なくとも１つの熱交換器で冷却することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記冷却時に前記熱交換器を通って冷却空気の流れを引き込むために、前記第１のタービンによってファンを駆動することをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 選択的に前記再圧縮空気の大部分を凝縮させず、かつ除湿された空気を前記第１のタービンを通して膨張させずに、該再圧縮空気の大部分を前記第２のタービンに導いてここで膨張させることを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
10. 水蒸気を含む圧縮空気を調和して調和空気として供給する方法であって、
    ファンを駆動する第１のタービンを含む第１のエアサイクルマシンを使用し、
    圧縮機を駆動する第２のタービンを含む第２のエアサイクルマシンを使用し、
    前記第１のエアサイクルマシンと前記第２のエアサイクルマシンとが連動して回転していない状態で、最初に圧縮機、次に前記第１のタービン、続いて前記第２のタービンを通るように前記圧縮空気を導くことを含み、
    前記圧縮空気を導くことは、この圧縮空気が圧縮機を通った後でかつ該圧縮空気が前記第１のタービンを通る前に、凝縮器を通るように前記圧縮空気を導くとともに、前記圧縮空気が前記第１のタービンを通った後でかつ該圧縮空気が前記第２のタービンを通る前に前記凝縮器の冷媒流路を通るように前記圧縮空気を導くことをさらに含み、
    前記第１のタービンの膨張比は、前記第２のタービンの膨張比よりも低いことを特徴とする方法。
11. 圧縮空気の流れの大部分を、選択的に前記凝縮器および前記第１のタービンを通るように導かずに前記圧縮機から前記第２のタービンに導くことを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。

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