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JP4023006B2 - Air conditioner for aircraft - Google Patents

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JP4023006B2
JP4023006B2 JP27806698A JP27806698A JP4023006B2 JP 4023006 B2 JP4023006 B2 JP 4023006B2 JP 27806698 A JP27806698 A JP 27806698A JP 27806698 A JP27806698 A JP 27806698A JP 4023006 B2 JP4023006 B2 JP 4023006B2
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air
temperature
aircraft
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compressor
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として輸送機や旅客機のように比較的大容量の空気調和(以下空調と称する)を必要とする航空機に好適に適用される航空機用空気調和装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
人間が搭乗する航空機では、人が居住する空間である操縦室やキャビン(客室)等の与圧室には、快適な居住ができるような空調を行うため一般に空気調和装置(以下空調装置と称する)を備えている。
航空機の空調装置では、換気、冷暖房と共に与圧が行われている。このため、外気の取り込みは不可欠なものである。このような外気の取り込みのため、主エンジンまたは補助動力装置のコンプレッサで圧縮された高温高圧の空気を抽気してそれを空気源としている。抽気した高温高圧空気を外気等で冷却して高速回転する膨張タービンに導き、断熱膨張させ寒冷空気を得て、タービンをバイパスする高温空気と混合して調和空気を得て被空気調和室(客室や操縦室など空気調和が施され与圧された空間で以下与圧室と称する)に導き、冷暖房と同時に換気と与圧を兼ねて行うエアーサイクルシステム(以下ACSと称す)が主流である。
【0003】
近時、ACSでは除湿機構にハイプレッシャウオータセパレーティング(HPWS)方式が採用され効果的な除湿が行われる結果空調の空気源の露点が下げられ、ACSで得られる寒冷の温度が10°F程度の氷点下にされている。これにより、必要な冷房能力を得るために必要となる抽気量が下げられ、抽気による燃料消費(以下燃費と称す)が改善されてきた。また、ACS出口の寒冷空気を直接与圧室に入力するには冷たすぎるので、与圧室内で温度の上がった空気を抽出し、前記寒冷空気と混合して適温の空気にして入力する再循環ラインが設けられるようになった。
【0004】
しかし、ACSのみで空調する場合には依然として大きな抽気量が必要である。一方、地上の空調装置では、冷媒ガス(例えば代替フロンガス)がコンプレッサで圧縮され、高温高圧ガスとなりコンデンサに導かれ外気と熱交換して冷却され、大部分が液化した後膨張弁に導かれ、膨張弁で断熱自由膨張し寒冷流体(気液混合の2相流体)となりエバポレータに導かれて、液相部の気化潜熱により循環する空気を冷却し、熱を吸収して気化し、コンプレッサに戻るベーパーサイクルシステム(以下VCSと称す)が主流である。
【0005】
VCSでは冷媒ガスを圧縮するためにコンプレッサを駆動するモータへの電力供給が必要となるが、エネルギー効率が高いため必要な電力の航空機における消費燃料換算では、同一の冷房容量に対して必要な燃料は、ACSに比較して約十分の一となる。
しかしVCSでは、モータと圧縮機、コンデンサ、エバポレータが必要であり、従来その質量が大きくなり、航空機に搭載するには無理がある。ところが、近時、冷媒ガスの圧縮のために毎分数万から十万回転のタービンコンプレッサが開発され、さらに高速回転をする高周波モータと駆動電源技術の進歩や冷媒ガスのシール技術の進歩により航空機に搭載可能な小形軽量のVCSが実現可能となっている。
【0006】
図7はこのような従来の航空機用空調装置の構成を概略的に示すものであり、図8はより具体的な構成を明らかにしている。
すなわち、従来の航空機用空調装置は、エンジンコンプレッサ51と与圧室52との間を空調部50を介して接続したもので、空調部50は、ACS53と、ACS53と独立なVCS54とからなる。ACS53は、タービン55Aと同軸に配設されたコンプレッサ55Bおよびファン55Cからなるエアーサイクルマシーン(以下ACMと称する)55と、コンプレッサの入口に抽気を導入する抽気ライン80と、コンプレッサ55Bの出口とタービン55Aの入口とを接続するブートストラップ回路81と、タービン55Aの出口から出た空気を与圧室52に移送する給気ライン83と、ブートストラップ回路81および給気ライン83の一部を利用して構成される除湿機構82と、与圧室の空気の一部をファン64を介して抽出する再循環ライン69と、再循環ライン69の空気と給気ライン83の寒冷空気とを混合するミキシングチャンバ63と、抽気ライン80から温度制御弁66を介して高温空気を分岐させミキシングチャンバ63に導く高温空気ライン84と、与圧室の温度を快適に維持するとともに運転制御等を行う制御機構85を具備してなる。
【0007】
また空調部50から供給される空気は与圧室52で熱負荷を冷却または加熱して圧力制御弁75から機外に放出される。このとき与圧室52の圧力は飛行高度に応じてあらかじめプログラムされた圧力に制御される。
抽気ライン80には、抽気が異常な高温状態でACS53に流入することを防ぎ、ACS53を適正に作動させるとともに、ACS53に向かう配管を、融点は低いが軽量であるアルミ合金等でまかなうことを可能にするための、抽気とダクト90を流れるエンジンファン91から導かれた外気との熱交換器であるプリクーラ56と、エンジンコンプレッサ51の運転状態に係わりなく一定圧、一定流量の抽気を確保するためのプレッシャレギュレータ57および流量制御弁65と、その抽気ライン80を流れる高温高圧空気を外気ダクト86からファン55Cにより取り込まれた外気と熱交換により冷却するための1次熱交換器58とが介設されている。
【0008】
他方VCS54は、モータ70Aで駆動されるコンプレッサ70、熱交換器であるコンデンサ71と外気を導くファン89と外気ダクト87、膨張弁88、熱交換器であるエバポレータ72から構成される。そして、コンプレッサ70、コンデンサ71、膨張弁88、エバポレータ72は冷媒ガスの循環路を形成するように管路で接続されている。エバポレータ72には被冷却空気ラインとして、与圧室52の空気を導くファン73が介設された再循環ライン74が接続されている。
【0009】
従来における航空機用空調装置は以上のとおりであり、まず、エンジンコンプレッサ51からの抽気は、抽気ライン80の上流にあるプレッシャレギュレータ57で調圧された後プリクーラ56により400°F以下まで冷却され、流量制御弁65で一定流量とされて、1次熱交換器58でACM55のファン55Cで導入された外気により冷却された後ACM55のコンプレッサ55Bに入力され、断熱圧縮される。このコンプレッサ55Bを出た空気は、2次熱交換器59でファン55Cにより導入された外気で冷却され除湿機構82に導入される。除湿機構82では、リヒータ60で更に冷却された後、コンデンサ61に入力されてタービン55Aを出た寒冷空気により冷却されて水分が凝縮され、水分離器62に入力され、空気の流れにより生成された旋回流による遠心力でその水分は除去される。除湿後の空気がリヒータ60で加熱されACM55のタービン55Aに入力される。入力された空気は、タービン55Aで断熱膨張し、その膨張のエネルギーで同軸に配設されたコンプレッサ55Bとファン55Cを駆動して寒冷空気となる。この寒冷空気はコンデンサ61を通過した後、ミキシングチャンバ63で与圧室52から再循環ライン69のファン64により抽出された空気と混合され適温空気となって与圧室52の入口より与圧室52に導入される。
【0010】
他方VCS54においては、冷媒となるガス(例えば代替フロンガス)は、モータ70Aにより駆動されるコンプレッサ70により断熱圧縮され、高温高圧ガスとなり、コンデンサ71に導かれてファン89により外気ダクト87から導入された外気と熱交換し冷却され大部分は液化し、膨張弁88に導かれ断熱自由膨張し寒冷な気液2相流体となる。この気液2相流体は、エバポレータ72で与圧室52からファン73で抽出され、再循環ライン74を流れる高温となった空気を、その液相部の気化潜熱で冷却しガスとなって再びコンプレッサ70の入口に戻る。このようにしてVCS54のエバポレータ72が与圧室空気の再循環ライン74に介設され、VCS54が作動されることによりACS53の冷却負荷の一部の冷却を分担する。
【0011】
空調部50には、さらに与圧室温度センサ67、ダクト温度センサ68、温度制御弁66、コントローラ77、コントロールパネル78からなる温度制御機構が包含されている。与圧室温度センサ67が検出する温度がコントロールパネル78で設定された温度になるようコントローラ77が温度制御弁66の開度を制御する。温度制御弁66の開度に応じてACM55をバイパスしてミキシングチャンバ63に導入される高温空気の量が制御され与圧室52の温度が設定温度になるように作動する。このときダクト温度センサ68により与圧室に供給される空気の温度が監視され極端な冷気や暖気が供給されないようにされている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
従来の航空機用空調装置は以上のように作動するが、上述のACSのみで空気調和を行うと、コンプレッサからの抽気量が絶えず大きい状態で燃料消費量が大きくなる。一方エネルギ効率の良好なVCSのみで運転するためには大容量の装置が必要となることと、換気と与圧のための空気源が別に必要となり航空機用空調装置としては適さない。
また、ACSとVCSを併用する場合それぞれを独立して設置するとダクトやファンが別々に必要となる。
本発明は、このような課題を解決する航空機用空調装置を提供せんとするものである。
【0013】
【問題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の航空機用空調装置は、ACSで得られた寒冷空気と、与圧室内の空気を抽出し、再度戻入する再循環ラインの空気とを混合して適温の空気を得る再循環ラインにVCSのエバポレータを組入れ再循環空気を冷却し得るようにし、重複するダクトやファンを省くことができるようにしたことを特徴とする。
また、起動時から冷房を必要とする場合においては、室温が任意に定めた一定の温度に達するまではACSのみで大量の空気を供給する急速冷却運転ができ、一定温度到達後は、与圧室内の空気を抽出して再度戻入する再循環ラインにVCSのエバポレータを組入れ、再循環空気を冷却するようにし、ACSへの供給空気量を換気のために必要である量まで削減して低燃費運転をすることができるようにしたことを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明が第1に提供する航空機用空調装置の具体的な実施例を示す図であり、図2は本発明を概念的に示す図である。
図に示すようにこの実施例の航空機用空調装置は、エンジンコンプレッサ1と与圧室2との間を空調部40を介して接続したものである。ACS3は、タービン5Aと同軸に配設されたコンプレッサ5Bおよびファン5CからなるACM5と、コンプレッサ5Bの入口に抽気を導入する抽気ライン30と、コンプレッサ5Bの出口とタービン5Aの入口とを接続するブートストラップ回路31と、タービン5Aの出口から出た寒冷空気を与圧室2に移送する給気ライン33と、ブートストラップ回路31および給気ライン33の一部を利用して構成される除湿機構32と、与圧室2の空気の一部をファン14を介して抽出する再循環ライン19と、再循環ライン19の空気と給気ライン33の寒冷空気とを混合するミキシングチャンバ13と、抽気ライン30から温度制御弁16を介して高温空気を分岐させミキシングチャンバ13に導く高温空気ライン34と、与圧室2の温度を快適に維持する制御等を行う制御機構35とを具備してなる。
【0015】
また空調部40から供給される空気は与圧室2で熱負荷を冷却または加熱して圧力制御弁25から機外に放出される。このとき与圧室2の圧力は飛行高度に応じてあらかじめプログラムされた圧力に制御される。
抽気ライン30には、抽気が異常な高温状態でACS3に流入することを防ぎ、ACS3を適正に作動させるとともに、ACS3に向かう配管を融点は低いが軽量であるアルミ合金等でまかなうことを可能にするための、抽気と外気ダクト38を流れるエンジンファン39から導かれた外気との熱交換器であるプリクーラ6と、エンジンコンプレッサ1の運転状態に係わりなく一定圧、一定流量の抽気を確保するためのプレッシャレギュレータ7および流量制御弁15と、その抽気ライン30を流れる高温高圧空気を外気ダクト36を流れる外気と熱交換して冷却するための1次熱交換器8とが介設されている。
【0016】
一方、VCS4は、モータ20Aで駆動されるコンプレッサ20、熱交換器であるコンデンサ21と外気を導くファン23と外気ダクト37、膨張弁24、熱交換器であるエバポレータ22から構成される。そして、コンプレッサ20、コンデンサ21、膨張弁24、エバポレータ22は冷媒ガスの循環路を形成するように管路で接続されている。
【0017】
以上の構成において、つぎに作動を説明すると、まず、エンジンコンプレッサ1からの抽気は、抽気ライン30の上流にあるプレッシャレギュレータ7で調圧された後プリクーラ6により400°F以下まで冷却され、流量制御弁15で一定流量とされて、1次熱交換器8でACM5のファン5Cで導入された外気により冷却された後ACM5のコンプレッサ5Bに入力され、断熱圧縮される。このコンプレッサ5Bを出た空気は、2次熱交換器9でファン5Cにより導入された外気により冷却され除湿機構32に導入される。除湿機構32では、リヒータ10で更に冷却された後、コンデンサ11に入力されてタービン5Aを出た寒冷空気により冷却されて水分が凝縮され、水分離器12に入力され空気の流れにより生成された旋回流による遠心力でその水分は除去される。除湿後の空気がリヒータ10で加熱されACM5のタービン5Aに入力される。入力された空気は、タービン5Aで断熱膨張し、その膨張のエネルギーでタービン5Aが高速回転し、同軸に配設されたコンプレッサ5Bとファン5Cを駆動して寒冷空気となる。この寒冷空気はコンデンサ11を通過した後、ミキシングチャンバ13で与圧室2から再循環ライン19のファン14により抽出されVCS4のエバポレータ22をとおった空気と混合され適温空気となって与圧室2の入口より与圧室2に導入される。
【0018】
他方、VCS4において、冷媒となるガス(例えば代替フロンガス)は、モータ20Aにより駆動されるコンプレッサ20により断熱圧縮され、高温高圧ガスとなり、コンデンサ21に導かれてファン23により外気ダクト37から導入された外気と熱交換し冷却され大部分は液化し、膨張弁24に導かれ断熱自由膨張し寒冷な気液2相流体となる。この気液2相流体は、エバポレータ22で与圧室2からファン14で抽出され、再循環ライン19を流れる高温となった空気を、その液相部の気化潜熱で冷却しガスとなって再びコンプレッサ20の入口に戻る。このようにしてVCS4のエバポレータ22が与圧室空気の再循環ライン26に介設され、VCS4が作動することによりACS3の冷却負荷の一部の冷却を分担する。
【0019】
空調部40にはさらに与圧室温度センサ17、ダクト温度センサ18、温度制御弁16、コントローラ27、コントロールパネル28からなる温度制御機構が包含されている。与圧室温度センサ17が検出する温度がコントロールパネル28で設定された温度になるようコントローラ27が温度制御弁16の開度を制御する。温度制御弁16の開度に応じてACM5をバイパスしてミキシングチャンバ13に導入される高温空気の量が制御され与圧室2の温度が設定温度になるように作動する。このときダクト温度センサ18により与圧室2に供給される空気の温度が監視され極端な冷気や暖気が供給されないようにされている。
【0020】
次に、本発明が第1に提供する上記航空機用空調装置を、図2および図3を用いて説明する。本発明の航空機用空調装置では、図2に示すようにVCS4がACS3の給気ラインから導かれる寒冷空気とミキシングする与圧室空気の再循環ラインに介設されている。図3は、100人乗りクラスの航空機の同一の冷房容量をまかなう空調装置について、与圧室温度を80°Fとし、かつ同一の冷房能力を実現させるとき従来のACS53と本発明のACS3の冷房能力および従来のVCS54と本発明のVCS4の冷房能力は同じになることを示し、図2および図7に示すAからEまでの各部を流れる空気の温度と流量を対比して示している。
【0021】
すなわち、ACS3とVCS4を併設する本発明の第1に提供する航空機用空調装置では、ACS3とVCS4を併設するという点で従来型の空調装置と同一で、しかもVCS4をACS3側の再循環ラインに介設することにより従来型の空調装置と同一の冷房能力を有し、かつ図7に示した従来装置におけるファン73とダクト90および91が設けられておらず、軽量化と小形化がはかられている。
【0022】
つぎに本発明が第2に提供する航空機用空調装置について説明する。この航空機用空調装置は、図1に示す装置において、航空機が夏場地上で停止中などで空調を起動するときなどの急速冷却が必要なときには、コントローラ27が与圧室2の温度を検知し、その温度が一定温度(例えば86°F)以上にあるときにはVCS4は停止し、ACS3のみで運転して大流量の冷房空気を給気し(急冷モード)、一定温度(例えば86°F)に達した後は自動的にACS3の給気量を通常最低限必要となる換気量まで大幅(ACS3のみで通常の冷房を行う場合に必要な空気の約50%)に減じ、VCS4を起動させてVCS4も冷却に併用する(低燃費モード)ように機能するものである。この急冷モードと低燃費モードの切り替えは、コントロールパネルから手動で行うこともできる。またVCS4を、冷房始動時から作動させると、運転の初期に与圧室2の室温が86°Fより十分高いこともあり、そのような条件下でVCS4を作動させると冷媒ガスの圧力が上がり耐圧を保証するために、常時86°F以下で使用するVCS4より大型で重い装置が必要となる。このため、本発明では一定温度(例えば86°F)まではACS3のみで運転し、86°F以下でVCS4を併用する低燃費モードに切り替えるようにしている。
【0023】
本発明が、第2に提供する航空機用空調装置がたとえば100人乗りクラスの航空機に適用されたときにおける急冷モードと低燃費モードでの図2に示すA、B、C、E各部の温度と流量、それぞれのモードでの冷房能力、燃料消費量が図4に示されている。なお、エンジンコンプレッサからの抽気量1lb/minに要する燃料の消費量は1.1lb/hrとし、VCSを駆動する電力を得るのに必要な燃料は、ACSで同じ冷房能力を得る場合の約1/10とする。図4で明らかなように低燃費モードでの燃料消費量は、急冷モードのACS3のみによる場合の約52%であり、通常の運航時はほとんど低燃費モードで運用できるので空調に必要な燃費が大幅に改善できる。またACS3と併用されるVCS4は、低燃費モードのみで使用するため、必要な容量は低燃費モードのACS3の冷房能力の1/3程度の小さいものですみ、小型軽量化がはかれる。
【0024】
なお、各部の具体的な構成は、図示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。上記実施例では、ACS3の空気源はエンジンコンプレッサ1からの抽気としているが、補助動力装置のコンプレッサから抽気を得るようにしても全く同様の作動が得られる。また、ACM5に3ホイールタイプを用い、除湿機構32に、空調空気の露点をより低くできるHPWSを採用しているが、図5から図6に示す各システムを本発明に適用しても良い。図5に示すものは、タービン5Aと同軸にコンプレッサ5Bを配設した2ホイールタイプACM5とHPWSタイプの除湿機構32とを組み合わせたものである。図中のエジェクタ41はACM5のファン5Cの代替として使用され、ノズルの集合体で構成されており、エンジンコンプレッサ1からの抽気の一部を外気に通じた外気ダクト36内に高速で噴出させ、これにより外気を引き込んで必要な冷却空気の流れを作るものである。
図6に示すものは、除湿機構32として単にタービン5Aの出口に水分離器12を配置するロウプレッシャウオータセパレティング(LPWS)方式を用い、図5と同様な2ホイールタイプのACM5を用いたものである。
【0025】
【発明の効果】
本発明が、第1に提供する航空機用空調装置は、上記のように構成されておりACSとVCSを併用し、VCSをACSの寒冷空気と混合して適温の調和空気を得るための与圧室空気の再循環ラインに介設することにより、それぞれを独立に配設する場合に比してファンやダクトの一部が削除できるので小形軽量化ができる。
さらに、本発明が、第2に提供する航空機用空調装置は、ACSとVCSの特長を生かし、急冷モードではVCSを使用せずACSのみで急速冷却し、低燃費モードではVCSを併用することにより、VCSは小型軽量のもので良く、かつACS用の抽気量を大幅に削減して運転できるため空調に要する燃費を大幅に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1の発明に係わる航空機用空気調和装置の一実施例の構成を示す図である。
【図2】本発明の請求項1の発明に係わる航空機用空気調和装置の主要な構成を示す図である。
【図3】図2と図7の各部を流れる空気の温度、流量等を対比して説明する図である。
【図4】本発明の請求項2に係わる航空機用空気調和装置の運転モードに応じて各部を流れる空気の温度、流量、燃料消費量などを説明する図である。
【図5】本発明の変形例を示す図である。
【図6】本発明の変形例を示す図である。
【図7】従来の航空機用空気調和装置の主要な構成を示す図である。
【図8】従来の航空機用空気調和装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1…エンジン・コンプレッサ 2…与圧室
3…エアーサイクルシステム(ACS)4…ベーパサイクルシステム(VCS)
5…エアーサイクルマシーン(ACM)6…プリクーラ
7…プレッシャレギュレータ 8…1次熱交換器
9…2次熱交換器 10…リヒータ
11…コンデンサ 12…水分離器
13…ミキシングチャンバ 14…ファン
15…流量制御弁 16…温度調節弁
17…与圧室温度センサ 18…ダクト温度センサ
19…再循環ライン 20…コンプレッサ
20A…モータ 21…コンデンサ
22…エバポレータ 23…ファン
24…膨張弁 25…圧力制御弁
26…冷媒循環ライン 27…コントローラ
28…コントロールパネル 30…抽気ライン
31…ブートストラップ回路 32…除湿機構
33…給気ライン 34…高温空気ライン
35…制御機構 36、37、38…外気ダクト
39…エンジンファン 40…空調部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an air conditioner for aircraft that is suitably applied to aircraft that require relatively large capacity air conditioning (hereinafter referred to as air conditioning), such as transport aircraft and passenger aircraft.
[0002]
[Prior art]
In an aircraft on which a human is boarded, an air conditioner (hereinafter referred to as an air conditioner) is generally used in a pressurized room such as a cockpit or a cabin (a cabin), which is a space in which a person lives, in order to perform air conditioning so that a comfortable living is possible. ).
In an air conditioner for an aircraft, pressurization is performed together with ventilation and air conditioning. For this reason, the intake of outside air is indispensable. In order to take in such outside air, high-temperature and high-pressure air compressed by the compressor of the main engine or auxiliary power unit is extracted and used as an air source. The extracted high-temperature and high-pressure air is cooled with outside air and led to an expansion turbine that rotates at high speed, adiabatically expanded to obtain cold air, mixed with high-temperature air that bypasses the turbine to obtain conditioned air, and an air-conditioned room (guest room) The mainstream is an air cycle system (hereinafter referred to as ACS) which is led to an air-conditioned space such as a cockpit or a pressurized space, hereinafter referred to as a pressurized chamber), and performs ventilation and pressure simultaneously with cooling and heating.
[0003]
Recently, ACS has adopted a high pressure water separating (HPWS) system as a dehumidifying mechanism, and as a result of effective dehumidification, the dew point of the air source of the air conditioning is lowered, and the cold temperature obtained by ACS is about 10 ° F. Has been below freezing. As a result, the amount of extraction required to obtain the required cooling capacity has been reduced, and fuel consumption by the extraction (hereinafter referred to as fuel efficiency) has been improved. Further, since the cold air at the ACS outlet is too cold to be directly input to the pressurized chamber, the recirculation is performed by extracting the air whose temperature has increased in the pressurized chamber and mixing it with the cold air to obtain the appropriate temperature. A line has been established.
[0004]
However, when air-conditioning is performed using only ACS, a large extraction amount is still necessary. On the other hand, in the air conditioner on the ground, refrigerant gas (for example, alternative chlorofluorocarbon gas) is compressed by a compressor, becomes high-temperature and high-pressure gas, is led to a condenser, is cooled by exchanging heat with outside air, is mostly liquefied and then led to an expansion valve, The expansion valve adiabatically expands freely, becomes a cold fluid (two-phase fluid of gas-liquid mixture), is led to the evaporator, cools the circulating air due to the latent heat of vaporization in the liquid phase, absorbs the heat, vaporizes, and returns to the compressor A vapor cycle system (hereinafter referred to as VCS) is the mainstream.
[0005]
In VCS, it is necessary to supply power to the motor that drives the compressor in order to compress the refrigerant gas. However, because of high energy efficiency, the fuel required for the same cooling capacity is required for the same cooling capacity in terms of fuel consumption in an aircraft. Is about one tenth compared to ACS.
However, in VCS, a motor, a compressor, a condenser, and an evaporator are required, and its mass has been increased so far, making it impossible to mount it on an aircraft. Recently, however, turbine compressors of several tens of thousands to 100,000 revolutions per minute have been developed for refrigerant gas compression, and aircrafts have been developed due to advances in high-frequency motors and high-speed motors that rotate at high speed and advances in refrigerant gas sealing technology. A small and lightweight VCS that can be mounted on a PC can be realized.
[0006]
FIG. 7 schematically shows the configuration of such a conventional aircraft air conditioner, and FIG. 8 clarifies a more specific configuration.
In other words, the conventional aircraft air conditioner is configured such that the engine compressor 51 and the pressurizing chamber 52 are connected via the air conditioning unit 50, and the air conditioning unit 50 includes the ACS 53 and the VCS 54 independent of the ACS 53. The ACS 53 includes an air cycle machine (hereinafter referred to as ACM) 55 including a compressor 55B and a fan 55C disposed coaxially with the turbine 55A, an extraction line 80 for introducing extraction into the inlet of the compressor, an outlet of the compressor 55B, and the turbine The bootstrap circuit 81 that connects the inlet of the 55A, the supply line 83 that transfers the air that has exited from the outlet of the turbine 55A to the pressurized chamber 52, and a part of the bootstrap circuit 81 and the supply line 83 are used. A dehumidifying mechanism 82 configured as described above, a recirculation line 69 for extracting a part of the air in the pressurized chamber through the fan 64, and mixing for mixing the air in the recirculation line 69 and the cold air in the air supply line 83. High temperature air is branched from the chamber 63 and the bleed line 80 via the temperature control valve 66, and the mixing chamber A hot air line 84 leading to 3, comprises a control mechanism 85 for performing operation control such as to comfortably maintain the temperature of the pressurized chamber.
[0007]
Air supplied from the air conditioning unit 50 is discharged or discharged from the pressure control valve 75 after cooling or heating the heat load in the pressurizing chamber 52. At this time, the pressure in the pressurizing chamber 52 is controlled to a preprogrammed pressure according to the flight altitude.
The bleed line 80 prevents the bleed air from flowing into the ACS 53 in an abnormally high temperature state, allows the ACS 53 to operate properly, and covers the piping toward the ACS 53 with an aluminum alloy or the like that has a low melting point but is lightweight. In order to secure the bleed air with a constant pressure and a constant flow rate regardless of the operating state of the precooler 56 and the engine compressor 51, which are heat exchangers between the bleed air and the outside air led from the engine fan 91 flowing through the duct 90. And a primary heat exchanger 58 for cooling the high-temperature and high-pressure air flowing through the bleed line 80 by heat exchange with the outside air taken in by the fan 55C from the outside air duct 86. Has been.
[0008]
On the other hand, the VCS 54 includes a compressor 70 driven by a motor 70A, a condenser 71 that is a heat exchanger, a fan 89 that guides outside air, an outside air duct 87, an expansion valve 88, and an evaporator 72 that is a heat exchanger. The compressor 70, the condenser 71, the expansion valve 88, and the evaporator 72 are connected by a pipe line so as to form a refrigerant gas circulation path. The evaporator 72 is connected to a recirculation line 74 provided with a fan 73 for guiding the air in the pressurized chamber 52 as a cooled air line.
[0009]
The conventional air conditioner for aircraft is as described above. First, the air extracted from the engine compressor 51 is cooled to 400 ° F. or less by the precooler 56 after being adjusted by the pressure regulator 57 upstream of the air extraction line 80. The flow rate is adjusted to a constant flow rate by the flow rate control valve 65, cooled by the outside air introduced by the fan 55C of the ACM 55 in the primary heat exchanger 58, and then input to the compressor 55B of the ACM 55 for adiabatic compression. The air exiting the compressor 55B is cooled by the external air introduced by the fan 55C in the secondary heat exchanger 59 and introduced into the dehumidifying mechanism 82. In the dehumidifying mechanism 82, after further cooling by the reheater 60, the water is condensed by being cooled by the cold air that has been input to the condenser 61 and exited from the turbine 55A, and is input to the water separator 62, which is generated by the flow of air. The water is removed by the centrifugal force generated by the swirling flow. The dehumidified air is heated by the reheater 60 and input to the turbine 55A of the ACM 55. The input air is adiabatically expanded by the turbine 55A, and the compressor 55B and the fan 55C arranged coaxially are driven by the energy of the expansion to become cold air. After passing through the condenser 61, the cold air is mixed with the air extracted from the pressurizing chamber 52 by the fan 64 of the recirculation line 69 in the mixing chamber 63 to be appropriately heated air, and the pressurizing chamber is supplied from the inlet of the pressurizing chamber 52. 52.
[0010]
On the other hand, in the VCS 54, the refrigerant gas (for example, alternative chlorofluorocarbon gas) is adiabatically compressed by the compressor 70 driven by the motor 70 </ b> A, becomes a high-temperature high-pressure gas, is led to the condenser 71, and is introduced from the outside air duct 87 by the fan 89. It is cooled by exchanging heat with the outside air, and most of it is liquefied, and is led to the expansion valve 88 so as to be thermally insulated and freely expanded to become a cold gas-liquid two-phase fluid. This gas-liquid two-phase fluid is extracted by the evaporator 72 from the pressurizing chamber 52 by the fan 73 and the high-temperature air flowing through the recirculation line 74 is cooled by the latent heat of vaporization of the liquid phase portion to become gas again. Return to the inlet of the compressor 70. In this way, the evaporator 72 of the VCS 54 is interposed in the pressurized chamber air recirculation line 74, and the VCS 54 is operated to share a part of the cooling load of the ACS 53.
[0011]
The air conditioning unit 50 further includes a temperature control mechanism including a pressurized chamber temperature sensor 67, a duct temperature sensor 68, a temperature control valve 66, a controller 77, and a control panel 78. The controller 77 controls the opening degree of the temperature control valve 66 so that the temperature detected by the pressurizing chamber temperature sensor 67 becomes the temperature set by the control panel 78. The amount of high-temperature air introduced into the mixing chamber 63 by bypassing the ACM 55 is controlled according to the opening degree of the temperature control valve 66, and the temperature of the pressurizing chamber 52 is set to the set temperature. At this time, the temperature of the air supplied to the pressurized chamber is monitored by the duct temperature sensor 68 so that extreme cold air or warm air is not supplied.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
A conventional aircraft air conditioner operates as described above. However, if air conditioning is performed using only the above-described ACS, the amount of fuel consumption increases in a state where the amount of extraction from the compressor is constantly large. On the other hand, in order to operate only with VCS with good energy efficiency, a large-capacity device is required, and an air source for ventilation and pressurization is required separately, which is not suitable as an air conditioner for aircraft.
Further, when ACS and VCS are used in combination, a duct and a fan are separately required if they are installed independently.
The present invention intends to provide an aircraft air conditioner that solves such problems.
[0013]
[Means for solving problems]
In order to solve the above-described problems, an aircraft air conditioner according to the present invention mixes cold air obtained by ACS with air in a recirculation line that extracts air in a pressurized chamber and returns again. It is characterized by incorporating a VCS evaporator in the recirculation line for obtaining the air so that the recirculated air can be cooled, and the redundant ducts and fans can be omitted.
In addition, when cooling is required from the start-up, rapid cooling operation can be performed in which a large amount of air is supplied only with ACS until the room temperature reaches a predetermined temperature. A VCS evaporator is installed in the recirculation line that extracts the indoor air and reintroduces it to cool the recirculated air, reducing the amount of air supplied to the ACS to the amount necessary for ventilation and reducing fuel consumption. It is characterized by being able to drive.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a specific embodiment of an aircraft air conditioner provided by the present invention first, and FIG. 2 is a diagram conceptually showing the present invention.
As shown in the figure, the aircraft air conditioner of this embodiment is such that the engine compressor 1 and the pressurizing chamber 2 are connected via an air conditioning unit 40. The ACS 3 includes an ACM 5 including a compressor 5B and a fan 5C arranged coaxially with the turbine 5A, a bleed line 30 for introducing bleed air to the inlet of the compressor 5B, and a boot connecting the outlet of the compressor 5B and the inlet of the turbine 5A. A strap circuit 31, an air supply line 33 for transferring cold air from the outlet of the turbine 5A to the pressurizing chamber 2, and a dehumidifying mechanism 32 configured by using a part of the bootstrap circuit 31 and the air supply line 33. A recirculation line 19 for extracting a part of the air in the pressurized chamber 2 through the fan 14, a mixing chamber 13 for mixing the air in the recirculation line 19 and the cold air in the air supply line 33, and the extraction line The high-temperature air line 34 is branched from the high-temperature air 30 through the temperature control valve 16 and led to the mixing chamber 13, and the temperature of the pressurizing chamber 2 Comprising and a control mechanism 35 for controlling the like to comfortably maintain.
[0015]
The air supplied from the air conditioning unit 40 is discharged or discharged from the pressure control valve 25 after cooling or heating the heat load in the pressurizing chamber 2. At this time, the pressure in the pressurizing chamber 2 is controlled to a preprogrammed pressure according to the flight altitude.
The bleed line 30 prevents the bleed from flowing into the ACS 3 in an abnormally high temperature state, allows the ACS 3 to operate properly, and allows the piping toward the ACS 3 to be covered with a light-weight aluminum alloy having a low melting point. The precooler 6 is a heat exchanger between the bleed air and the outside air guided from the engine fan 39 flowing through the outside air duct 38, and the bleed air with a constant pressure and a constant flow rate is ensured regardless of the operating state of the engine compressor 1. And the primary heat exchanger 8 for cooling the high-temperature and high-pressure air flowing through the extraction line 30 with the outside air flowing through the outside air duct 36 for cooling.
[0016]
On the other hand, the VCS 4 includes a compressor 20 driven by a motor 20A, a condenser 21 that is a heat exchanger, a fan 23 that guides outside air, an outside air duct 37, an expansion valve 24, and an evaporator 22 that is a heat exchanger. The compressor 20, the condenser 21, the expansion valve 24, and the evaporator 22 are connected by a pipe line so as to form a refrigerant gas circulation path.
[0017]
In the above configuration, the operation will be described next. First, the bleed air from the engine compressor 1 is cooled to 400 ° F. or less by the precooler 6 after being regulated by the pressure regulator 7 upstream of the bleed line 30. The flow rate is made constant by the control valve 15, cooled by the outside air introduced by the fan 5 </ b> C of the ACM 5 in the primary heat exchanger 8, then input to the compressor 5 </ b> B of the ACM 5 and adiabatically compressed. The air leaving the compressor 5B is cooled by the external air introduced by the fan 5C in the secondary heat exchanger 9 and introduced into the dehumidifying mechanism 32. In the dehumidifying mechanism 32, after further cooling by the reheater 10, the moisture is condensed by being cooled by the cold air that is input to the condenser 11 and exits the turbine 5 </ b> A, and is input to the water separator 12 and generated by the flow of air. The water is removed by the centrifugal force generated by the swirling flow. The dehumidified air is heated by the reheater 10 and input to the turbine 5A of the ACM5. The input air is adiabatically expanded by the turbine 5A, and the turbine 5A rotates at high speed with the energy of the expansion, and the compressor 5B and the fan 5C arranged coaxially are driven to become cold air. After passing through the condenser 11, the cold air is extracted from the pressurizing chamber 2 by the fan 14 of the recirculation line 19 in the mixing chamber 13 and mixed with the air passing through the evaporator 22 of the VCS 4 to be appropriately heated air. Is introduced into the pressurizing chamber 2 from the inlet.
[0018]
On the other hand, in the VCS 4, a gas (for example, alternative chlorofluorocarbon gas) serving as a refrigerant is adiabatically compressed by the compressor 20 driven by the motor 20 </ b> A, becomes a high-temperature high-pressure gas, and is led to the condenser 21 and introduced from the outside air duct 37 by the fan 23. It is cooled by exchanging heat with the outside air, and most of it is liquefied, and is led to the expansion valve 24 so that it is adiabatic free expansion and becomes a cold gas-liquid two-phase fluid. This gas-liquid two-phase fluid is extracted by the evaporator 22 from the pressurizing chamber 2 by the fan 14 and the high-temperature air flowing through the recirculation line 19 is cooled by the latent heat of vaporization in the liquid phase portion to become gas again. Return to the inlet of the compressor 20. In this way, the evaporator 22 of the VCS 4 is interposed in the recirculation line 26 of the pressurized chamber air, and the cooling of the part of the cooling load of the ACS 3 is shared by the operation of the VCS 4.
[0019]
The air conditioning unit 40 further includes a temperature control mechanism including a pressurized chamber temperature sensor 17, a duct temperature sensor 18, a temperature control valve 16, a controller 27, and a control panel 28. The controller 27 controls the opening degree of the temperature control valve 16 so that the temperature detected by the pressurizing chamber temperature sensor 17 becomes the temperature set by the control panel 28. The amount of high-temperature air introduced into the mixing chamber 13 by bypassing the ACM 5 according to the opening degree of the temperature control valve 16 is controlled so that the temperature of the pressurizing chamber 2 becomes a set temperature. At this time, the temperature of the air supplied to the pressurizing chamber 2 is monitored by the duct temperature sensor 18 so that extreme cold air or warm air is not supplied.
[0020]
Next, the aircraft air conditioner provided first by the present invention will be described with reference to FIGS. In the aircraft air conditioner of the present invention, as shown in FIG. 2, the VCS 4 is interposed in a recirculation line of pressurized chamber air that mixes with cold air guided from the air supply line of the ACS 3. FIG. 3 shows the cooling of the conventional ACS 53 and the ACS 3 of the present invention when the pressure chamber temperature is set to 80 ° F. and the same cooling capacity is realized for an air conditioner that covers the same cooling capacity of a 100-seater class aircraft. The capacity and the cooling capacity of the conventional VCS 54 and the VCS 4 of the present invention are the same, and the temperature and flow rate of the air flowing through each part from A to E shown in FIGS. 2 and 7 are shown in comparison.
[0021]
In other words, the aircraft air conditioner provided in the first aspect of the present invention with ACS3 and VCS4 is the same as the conventional air conditioner in that ACS3 and VCS4 are provided, and VCS4 is used as a recirculation line on the ACS3 side. By interposing, it has the same cooling capacity as the conventional air conditioner, and is not provided with the fan 73 and the ducts 90 and 91 in the conventional device shown in FIG. It is.
[0022]
Next, an aircraft air conditioner second provided by the present invention will be described. In the aircraft air conditioner shown in FIG. 1, the controller 27 detects the temperature of the pressurizing chamber 2 when rapid cooling is required, such as when the air conditioner is started on the ground in the summer, etc. When the temperature is above a certain temperature (for example, 86 ° F.), the VCS 4 stops, operates only with ACS 3 and supplies a large amount of cooling air (rapid cooling mode), and reaches a certain temperature (for example, 86 ° F.). After that, the ACS3 air supply amount is automatically reduced to the minimum required ventilation amount (approximately 50% of the air required for normal cooling with only ACS3), and the VCS4 is activated to start the VCS4. Also functions in combination with cooling (low fuel consumption mode). Switching between the rapid cooling mode and the low fuel consumption mode can also be performed manually from the control panel. In addition, when the VCS4 is operated from the start of cooling, the room temperature of the pressurizing chamber 2 may be sufficiently higher than 86 ° F. at the initial stage of operation. When the VCS4 is operated under such conditions, the pressure of the refrigerant gas increases. In order to guarantee the breakdown voltage, a larger and heavier device than the VCS 4 that is always used at 86 ° F. or less is required. For this reason, in the present invention, only the ACS 3 is operated up to a certain temperature (for example, 86 ° F.), and the mode is switched to the low fuel consumption mode using the VCS 4 together at 86 ° F. or less.
[0023]
The temperature of each part of A, B, C, and E shown in FIG. 2 in the rapid cooling mode and the low fuel consumption mode when the aircraft air conditioner provided by the present invention is secondly applied to a 100-seater class aircraft, for example. The flow rate, cooling capacity in each mode, and fuel consumption are shown in FIG. Note that the amount of fuel consumed to extract 1 lb / min from the engine compressor is 1.1 lb / hr, and the fuel required to obtain power for driving the VCS is about 1 when the same cooling capacity is obtained with ACS. / 10. As is apparent from FIG. 4, the fuel consumption in the low fuel consumption mode is about 52% of that in the case of only the ACS3 in the rapid cooling mode, and it can be operated in the low fuel consumption mode during normal operation. Can greatly improve. Further, since the VCS 4 used in combination with the ACS 3 is used only in the low fuel consumption mode, the required capacity is as small as about 1/3 of the cooling capacity of the ACS 3 in the low fuel consumption mode, and the size and weight can be reduced.
[0024]
The specific configuration of each part is not limited to the illustrated example, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. In the above embodiment, the air source of the ACS 3 is extracted from the engine compressor 1, but the same operation can be obtained even if the extracted air is obtained from the compressor of the auxiliary power unit. Further, although the 3-wheel type is used for the ACM 5 and the HPWS capable of lowering the dew point of the conditioned air is adopted for the dehumidifying mechanism 32, each system shown in FIGS. 5 to 6 may be applied to the present invention. FIG. 5 shows a combination of a two-wheel type ACM5 in which a compressor 5B is disposed coaxially with the turbine 5A and a HPWS type dehumidifying mechanism 32. The ejector 41 in the figure is used as an alternative to the fan 5C of the ACM 5 and is composed of a group of nozzles. A part of the bleed air from the engine compressor 1 is ejected at a high speed into the outside air duct 36 communicating with the outside air. This draws in the outside air and creates the necessary cooling air flow.
6 uses a low pressure water separating (LPWS) system in which the water separator 12 is disposed at the outlet of the turbine 5A as the dehumidifying mechanism 32, and uses a two-wheel type ACM 5 similar to FIG. It is.
[0025]
【The invention's effect】
The aircraft air conditioner provided by the present invention first is configured as described above, and uses both ACS and VCS, and pressurization for obtaining conditioned air of appropriate temperature by mixing VCS with cold air of ACS. By interposing it in the room air recirculation line, a part of the fan and duct can be eliminated as compared with the case where each is independently provided, and thus the size and weight can be reduced.
Furthermore, the aircraft air conditioner second provided by the present invention takes advantage of the features of ACS and VCS, and does not use VCS in the rapid cooling mode, but rapidly cools only by ACS, and in combination with VCS in the low fuel consumption mode. The VCS can be small and light, and can be operated with a greatly reduced amount of ACS extraction, so that the fuel efficiency required for air conditioning can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of an aircraft air conditioner according to the invention of claim 1 of the present invention;
FIG. 2 is a diagram showing a main configuration of an aircraft air conditioner according to the first aspect of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating the temperature, flow rate, and the like of air flowing through each part of FIGS. 2 and 7 for comparison.
FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature, flow rate, fuel consumption, and the like of air flowing through each part in accordance with the operation mode of the aircraft air conditioner according to claim 2 of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a modification of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a modification of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a main configuration of a conventional aircraft air conditioner.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a conventional aircraft air conditioner.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine compressor 2 ... Pressurizing chamber 3 ... Air cycle system (ACS) 4 ... Vapor cycle system (VCS)
5 ... Air cycle machine (ACM) 6 ... Precooler 7 ... Pressure regulator 8 ... Primary heat exchanger 9 ... Secondary heat exchanger 10 ... Reheater 11 ... Condenser 12 ... Water separator 13 ... Mixing chamber 14 ... Fan 15 ... Flow rate Control valve 16 ... Temperature control valve 17 ... Pressure chamber temperature sensor 18 ... Duct temperature sensor 19 ... Recirculation line 20 ... Compressor 20A ... Motor 21 ... Capacitor 22 ... Evaporator 23 ... Fan 24 ... Expansion valve 25 ... Pressure control valve 26 ... Refrigerant circulation line 27 ... Controller 28 ... Control panel 30 ... Extraction line 31 ... Bootstrap circuit 32 ... Dehumidification mechanism 33 ... Air supply line 34 ... High temperature air line 35 ... Control mechanism 36, 37, 38 ... Outside air duct 39 ... Engine fan 40 ... Air conditioning unit

Claims (1)

コンプレッサで圧縮された高圧の空気を断熱膨張させ、寒冷空気を得てそれを冷却源とするエアーサイクルシステムと、冷媒ガスを圧縮しコンデンサで冷却し液化させた後、断熱自由膨張させて寒冷流体を得て、エバポレータで前記寒冷流体の気化潜熱により被冷却流体を冷却するベーパサイクルシステムを共に備えて空気調和を行う航空機用空気調和装置において、被空気調和室内の空気を抽出し、再度戻入する再循環ラインに、前記ベーパサイクルシステムの前記エバポレータを組入れ再循環空気を冷却し得るようにし、起動時から冷房を必要とする場合など急速冷却が必要な場合においては、前記被空気調和室の室温が任意に定めた一定の温度に達するまでは前記エアーサイクルシステムのみで運転し、一定温度到達後は、エアーサイクルによる冷却系の供給空気量を換気に必要な量まで削減し、前記ベーパサイクルシステムとの併用により前記再循環空気を冷却するようにしたことを特徴とする空気調和装置。High-pressure air compressed by the compressor is adiabatically expanded to obtain cold air and the cooling source is used as an air cycle system, and the refrigerant gas is compressed by a condenser, cooled by a condenser, liquefied, and then adiabatic free expansion is performed to generate a cold fluid In an air conditioner for an aircraft that is equipped with a vapor cycle system that cools the fluid to be cooled by the latent heat of vaporization of the cold fluid with an evaporator, and extracts the air in the air conditioning chamber and returns it again The evaporator of the vapor cycle system is incorporated in the recirculation line so that the recirculated air can be cooled. When rapid cooling is required such as when cooling is required from the start-up, the room temperature of the air-conditioned room is Is operated only by the air cycle system until the temperature reaches a predetermined temperature. Reducing the supply air volume of the cooling system by Le to an amount necessary for ventilation, air-conditioning apparatus is characterized in that so as to cool the recirculating air by the combined use of the vapor cycle system.
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