JP6134326B2 - 航空機内のエネルギーの回収方法およびエネルギーの回収アーキテクチャ - Google Patents

Description

本発明は、航空機内で消散されたエネルギーの最適回収方法および該方法を実施することができるアーキテクチャに関する。

本発明は、加圧可能な客室を備えた航空機、特に、民間航空機に適用される。

通常、航空機には、エネルギー消費を制御するために回収される必要がある２つのタイプのエネルギー源、すなわち、飛行高度で加圧される客室の空気圧、および熱連鎖（空調、客室空気、排気ガス）に消散される熱がある。

これらのタイプのエネルギーを回収することによって、非推進性エネルギー消費側への任意の１つのタイプのエネルギーの供給、すなわち、空気圧エネルギーおよび電気エネルギーの供給に必要な寸法、質量、最終的には消費量を最小限に抑えることができる。

客室内の加圧空気は飛行中のみに使用できるので、このエネルギーの回収は客室加圧率が十分である時、すなわち、およそ３である時の飛行高度に限定される。既存の解決策は、ターボチャージャもしくは回収タービン、電気もしくは空気圧の駆動力源、負荷圧縮機、および熱変換器を含む。

例えば、米国特許第４４１９９２６号明細書には、ターボチャージャの圧縮機を使用して、ＥＣＳ空調パック（ＥＣＳは、「Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ」（環境制御システム）の略である）を作動させる負荷圧縮機に追加段の圧縮空気を供給する技術が開示されている。その結果、負荷圧縮機を駆動する電動機の動力または消費量は低減される。さらに、客室から流出する加圧空気によって作動されるターボチャージャの回収タービンは、圧縮空気を冷却し、そのことにより全体の圧縮力が低減され、ひいては電動機の消費量またはサイズが低減される。

一変形形態は、１つの回収タービンのみを使用して、交流発電機または他の発電システムを介して負荷圧縮機を駆動することができることを開示している。この場合、客室から流出する空気と負荷圧縮機によって圧縮された空気との間で熱交換が行われ、圧縮機から流出する流れの温度を低下させることができる。この温度低下により、ＥＣＳの性能を損なわずに、圧縮率をより低くすることができ、ひいては、消費量を低減することができる。

しかし、これらのタイプのアーキテクチャは、飛行高度でのエネルギー回収に限定される。それは、低い高度または地上では、加圧率が不十分である、または０である場合に、客室から流出する加圧空気が生成されないためである。地上では、実際に、ガスを排気するための排気ノズルに接続されるガス発生器を含むとともに、補助動力装置（略してＡＰＵ）を形成する小型のターボシャフトエンジンによって空気圧式客室換気が行われる。さらに、ＡＰＵは、主エンジンを始動させ、電力または空気動力を種々の消費側（ポンプ、負荷圧縮機、モータなど）に供給するのに使用される。このタイプのＡＰＵは、航空機に搭載することができる、または地上で、作動される種々部材に接続することができる。いずれの場合も、ＡＰＵは、十分に確実に、飛行中に動作することができ、また必要に応じて、部分的または完全に、主エンジンによって消費側に供給される非推進動力を補うことができる。

米国特許第４４１９９２６号明細書

本発明の目的は、単一のアーキテクチャを使用して、飛行高度と地上の両方で、エネルギーの最適回収を可能にすることである。そのためには、本発明は、客室内の循環空気の圧縮、空調、さらに飛行高度での加圧調整空気の圧縮に役立つように、飛行機が地上にある時に、排気から熱エネルギーを回収することを目的とする。

より具体的には、本発明の対象は、負荷圧縮機によって作動されるＥＣＳ空調システムおよび補助動力生成を使用して空気流の圧力および温度が調整された客室を備えた航空機内のエネルギー回収方法である。本発明の方法は、
航空機が地上にある時（「地上モード」として知られている）、補助動力装置によって消散された熱エネルギー（普通なら失われるエネルギー）は、その排気における熱交換によって回収されて、補助動力装置の他に機械エネルギーを生成するために回収ターボチャージャのサイクルを作動させ、
航空機が飛行高度にあり（「飛行高度モード」として知られている）、客室内の空気が十分なレベルまで加圧されている時、少なくとも一部は、客室から流出した時に回収されて排気における熱交換によって加熱された空気によって駆動される前記ターボチャージャが、ＥＣＳを作動させるのに必要な圧縮率を提供するために、負荷圧縮機の圧縮に加えて、さらに圧縮を発生させること
に基づくものである。

特定の実施形態によれば、
客室から流出する空気とＥＣＳシステムに流入する圧縮空気との間で、第２の熱交換が行われ、
飛行高度モードでは、ターボチャージャは、ＥＣＳシステムの入口で第２の空気圧縮段を形成し、
航空機が飛行高度モードにある時、補助生成の動力を増大させるために、排気で生じた熱交換の上流側で、ターボチャージャによって圧縮された空気と客室から流出する圧縮空気とが混合され、
航空機が飛行高度モードにある時、補助生成の動力を増大させるために、ターボチャージャによって生成される空気圧縮は、第２の圧縮段を形成するためにＥＣＳシステムの入口で、またはガス発生器からの排気における熱交換の上流側の客室空気出口のいずれかで混合されるように切り替え可能である。

さらに、本発明は、前記方法を実施することができるエネルギー回収のためのアーキテクチャに関する。そのようなアーキテクチャは、排気ノズルを有し、供給ダクトを介して客室のＥＣＳ空調システムに圧縮空気を供給するために負荷圧縮機に動力を伝達するシャフトを備えたガス発生器を組み込んだ補助動力装置を含む。さらに、このアーキテクチャは、直接またはトランスミッションケースもしくは任意の他の接続手段を介してＡＰＵのシャフトに接続された回収ターボチャージャを含む。前記ターボチャージャは、排気ノズルに取り付けられた熱交換器に装着された導管の下流側分岐部内の空気によって作動される回収タービンを含む。前記導管は、熱交換器の上流側に分岐部を有し、熱交換器は、客室の空気出口および回収ターボチャージャの圧縮機を前記上流側分岐部に接続するチャネルに接続される。

好適な実施形態によれば、
客室から流出する空気とＥＣＳシステムに流入する圧縮空気とが熱を伝達することができるように、供給ダクトと客室出口チャネルとの間に第２の交換器が取り付けられ、
ターボチャージャがＥＣＳシステムの入口で第２の空気圧縮段を形成することができるように、ＥＣＳシステムの供給ダクトと回収ターボチャージャの圧縮機の入口チャネルとの間、および前記圧縮機の出口チャネルと排気ノズルの熱交換器に装着された導管の上流側分岐部との間にそれぞれ、空気循環を切り替えるための手段が配置され、
圧縮機の出口チャネルからの空気および客室出口チャネルからの空気は、回収タービンに取り付けられた可変ピッチ分配器のフロー面積を調節することにより実質的にバランスが保たれた圧縮率を有し、
空気循環を切り替える手段は、中央管理装置によって制御される電動弁であり、
さらに有利には、チャネルに、特に、空気入口チャネルおよび客室出口に接続するチャネルに、逆止め弁が設けられて、これらのチャネルが特定の動作モードで機能していない時に空気がこれらのチャネルに戻らないようにする。

本発明の他の態様、特徴、および利点は、添付図面を参照して特定の例示的な実施形態に関して詳述した以下の非限定的な説明を読めば、明らかになるであろう。

航空機が地上にある時の本発明による第１の例のエネルギー回収アーキテクチャの動作説明図である。 航空機が客室を加圧するのに十分な高度にある時のアーキテクチャ例の動作説明図であり、客室出口からの空気のみが回収タービンを駆動する時の図である。 客室出口とＥＣＳ空調システムにつながるダクトとの間に交換器を含む前記例のアーキテクチャの変形形態で、航空機が地上にある時の動作説明図である。 航空機が十分な高度にある時の図３の例の動作説明図であり、客室から流出する空気と圧縮機から流出する空気とが一緒になって回収タービンを駆動する時の図である。

本明細書内では、「上流側」および「下流側」という用語は、空気循環の方向に基づいた位置を説明する。

図１を参照すると、航空機内のエネルギー回収アーキテクチャは、基本的には、回収タービン１１、圧縮機１２、駆動シャフト１３、および補助動力装置２０（略してＡＰＵ）のガス排出ノズル１４内に配置された熱交換器１から成る回収ターボチャージャ１０を含む。ＡＰＵは、伝動シャフト２１用のタービンエンジン２ａを含む。このタービンエンジンは、通常、圧縮機、燃焼室、および駆動タービンから成る。

このシャフト２１は、一方が、直接もしくはトランスミッションケース（図示せず）もしくはそれと同等の手段などの接続手段を介してターボチャージャ１０の駆動シャフト１３に接続され、他方が、外気入口Ｅ１のための負荷圧縮機２２に接続される。前記圧縮機２２は、圧縮空気供給ダクトＣ１によって、客室４０のＥＣＳ空調システム３０を作動させる。そのようなＥＣＳシステム３０は、ミキサ３２を介して再循環回路Ｃ２によって客室コンパートメント４０内の空気を入れ替える空調パック３１を含む。客室圧力制御システム３３（略してＣＰＣＳ）は、出口空気流を計測することによって客室の圧力を調整する。

このアーキテクチャでは、空気は、ＡＰＵ２０のノズル１４内に配置されている熱交換器１に装着された導管Ｃ３内を循環することができる。導管Ｃ３の上流側分岐部Ｃ３ａは、客室４０の出口および回収ターボチャージャ１０の圧縮機１２の出口にそれぞれ接続されたチャネル４１、４２に接続される。チャネル４２と分岐部Ｃ３ａとの交差部に三方弁Ｖ１が取り付けられる。導管Ｃ３の下流側分岐部Ｃ３ｂは、回収タービン１１に接続される。

さらに、チャネル４２は、圧縮機１２の出口を供給ダクトＣ１に接続し、チャネル４３は、ダクト／チャネル交差部に配置された弁Ｖ２を介してダクトＣ１を圧縮機１２の入口に接続する。この圧縮機１２の外気入口チャネルＥ２は、チャネル４３に接続される。したがって、ターボチャージャ１０の圧縮機１２に接続しているチャネル４２、４３は、負荷圧縮機２２の下流側でダクトＣ１に取り付けられる。

航空機が地上にある時、客室４０内の空気は加圧されない。ＡＰＵ２０が始動されて客室４０の換気が可能になり、エンジンを始動させ、適切なトランスミッションケースを介して空気圧エネルギー消費側および電気エネルギー消費側を作動させる。

その後、「地上モード」では、エネルギーはＡＰＵ２０のノズル１４の熱交換器１内の空気循環によって回収されて、回収ターボチャージャ１０を駆動する。弁Ｖ２、Ｖ１は、圧縮機１２が外気入口Ｅ２のみによって作動されるように、それぞれチャネル４３の供給を遮断するために回転が調節され、空気が前記圧縮機１２から流出すると、圧縮空気がチャネル４２から導管Ｃ３の分岐部Ｃ３ａへと循環する。その後、熱交換器１で加熱された圧縮空気が、下流側分岐部Ｃ３ｂを介してターボチャージャ１０の回収タービン１１へと供給される。

このような状況において、回収タービン１１は、シャフト１３を介して、ＡＰＵ２０を駆動し、ＡＰＵ２０は、消費燃料を減らすことができると同時に、特に、負荷圧縮機２２を駆動するために同じ動力を発生させることに寄与する。有利には、上流側分岐部Ｃ３ａ内を循環する加圧空気が客室４０に接続するチャネルへと戻らないように、チャネル４１に戻り止め弁Ｋ１が設けられる。

航空機が十分な高度にある時、例えば、３０００ｍもしくは４０００ｍ上方にある時、客室４０は十分に加圧され、アーキテクチャは図２に示されるような「飛行高度」モードに切り替わる。一方のモードから他方のモードに変更するためには、弁Ｖ１、Ｖ２は、有利には電動弁であり、中央管理装置（図示せず）は、モード切り替えを行うことができるようにプログラムされる。つまり、この中央管理装置は、２つのモードの動作に適応するように、また一方のモードから他方のモードへの変更に適応するように、チャネル交差部における弁の所定の設定形態に対応した電気信号を送信する。

「飛行高度」モードでは、加圧状態の空気が、客室４０から流出すると、熱交換器１の上流側分岐部Ｃ３ａに接続するチャネル４１に送られる。したがって、このモードでのエネルギー回収は客室加圧によりもたらされる。「地上」モードでは、回収タービン１１は、下流側チャネルＣ３ｂを介して、熱交換器１からの温かい加圧空気の循環によって駆動される。その後、タービンは、シャフト１３を介して、ＡＰＵ２０を駆動し、その結果、ＡＰＵ２０は、消費燃料を減らすことができると同時に、特に、負荷圧縮機２２を駆動するために同じ動力を発生させることに寄与する。

同時に、弁Ｖ１、Ｖ２は、圧縮機１２が、第１の圧縮段としての機能を果たす負荷圧縮機２２の下流側で、圧縮空気を供給するダクトＣ１における第２の圧縮段としての機能を果たすように設定される。そのためには、弁Ｖ２、Ｖ１は、ダクトＣ１が圧縮機１２の入口に接続しているチャネル４３と連通し、チャネル４２がダクトＣ１と連通するように、それぞれ管理装置によって回転制御される。有利には、チャネル４３内を循環する加圧空気がチャネルＥ２に戻らないように、空気入口チャネルＥ２に戻り止め弁Ｋ２が設けられる。

図３および図４に示されている変形形態のアーキテクチャによれば、客室４０から流出する加圧空気とターボチャージャ１０による圧縮後の空気との両方を利用することによって、「飛行高度」モードで二重のエネルギー回収が行われる。

図３を参照すると、変形形態のアーキテクチャはさらに、上述のアーキテクチャと同じ参照番号の同じ部材を使用する。この場合、回収ターボチャージャ１０の圧縮機１２の入口／出口チャネル４２、４３は、供給ダクトＣ１に接続されない。つまり、チャネル４３は外気入口Ｅ２のみによって作動され、チャネル４２は熱交換器１の上流側分岐部Ｃ３ａによって延長される。

さらに、負荷圧縮機１２の出口の供給ダクトＣ１と客室４０の出口のチャネル４１との間に、別の熱交換器２が設けられる。この熱交換器２は、「飛行高度」モードで使用される（図４）。

「地上」モード（図３）では、エネルギー回収は、第１のアーキテクチャ（図１）を使用して、ＡＰＵ２０のノズル１４の熱交換器１内の空気を循環させて回収タービン１１を駆動し、その後、部分的にＡＰＵおよび負荷圧縮機２２を駆動することによって行われるエネルギー回収と同じである。このアーキテクチャは、弁が必要でないという利点がある。

図４に示されている「飛行高度」モードでは、客室４０から流出した、チャネル４１からの加圧空気は、最初に、熱交換器２を通過することによって加熱される。この熱交換器は、さらに、ＥＣＳの動作に関して、２つの圧縮段を有する上述の形態のアーキテクチャによる圧縮に比べて、このアーキテクチャによって供給ダクトＣ１内で生成された圧縮が低圧縮であるのを補償するために、ダクトＣ１内の空気の温度を下げることもできる。実際に、圧縮機１２は、この場合、ダクトＣ１内の空気を圧縮するための第２の圧縮段の機能を果たさない。

本発明は、上述の図示されている例に限定されない。

例えば、「飛行高度」モードで、第１のアーキテクチャから変形形態のアーキテクチャに切り替えることも可能である。つまり、管理装置によって自動で、またはパイロットによって手動で、客室の出口からの単純な回収（図２）から、客室からの出口チャネル４１と圧縮機１２からの出口チャネル４２とを組み合わせた二重の回収（図４）に変更することも可能である。

そのためには、第１の形態のアーキテクチャ（図１および図２）の弁Ｖ１、Ｖ２は、可逆的に、航空機が飛行高度にある時に、「地上」モードで定義された位置から「飛行高度」モードで定義された位置に切り替える、さらにその逆に切り替えることができるように制御される。熱交換器は、弁が「地上」モードで定義された位置にある時にダクトＣ１内の最も低い圧力レベルに対応できるように、常に保持されるのが有利である。

Claims (10)

1. 負荷圧縮機（２２）によって作動される環境制御システム（ＥＣＳ）（３０）および補助動力装置（ＡＰＵ）（２０）を使用して空気流の圧力および温度が調整された客室（４０）を備えた航空機内のエネルギー回収方法であって、
   航空機が地上にある時（「地上モード」として知られている）、ＡＰＵ（２０）によって消散された熱エネルギーは、その排気ノズル（１４）における熱交換（１）によって回収されて、ＡＰＵ（２０）の他に機械エネルギーを生成するために回収ターボチャージャ（１０）のサイクルを作動させ、
   航空機が飛行高度にあり（「飛行高度モード」として知られている）、客室（４０）内の空気が十分なレベルまで加圧されている時、少なくとも一部は、客室（４０）から流出した時に回収されて排気ノズル（１４）における熱交換（１）によって加熱された空気によって駆動される前記回収ターボチャージャ（１０）が、ＥＣＳ（３０）を作動させるのに必要な圧縮率を提供するために、負荷圧縮機の圧縮に加えて、さらに圧縮を発生させること
   に基づくことを特徴とする、方法。
2. 客室（４０）から流出する比較的冷たい空気とＥＣＳ（３０）に流入する比較的温かい圧縮空気との間で、第２の熱交換（２）が行われる、請求項１に記載の方法。
3. 回収ターボチャージャ（１０）が、飛行高度モードにおいて、ＥＣＳ（３０）の入口で第２の空気圧縮段を形成する、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 航空機が飛行高度モードにある時、ＡＰＵ（２０）の動力を増大させるために、排気ノズル（１４）で生じた熱交換の上流側で、回収ターボチャージャ（１０）によって圧縮された空気と客室（４０）から流出する圧縮空気とが混合される、請求項１または請求項２に記載の方法。
5. 航空機が飛行高度モードにある時、ＡＰＵ（２０）の動力を増大させるために、回収ターボチャージャ（１０）によって生成される空気圧縮が、第２の空気圧縮段を形成するためにＥＣＳ（３０）の入口で混合されるように、またはガス発生器からの排気における熱交換の上流側の客室（４０）の空気出口で混合されるように、切り替え可能である、請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載の方法を実施することができるエネルギー回収アーキテクチャであって、アーキテクチャは、排気ノズル（１４）を有し、供給ダクト（Ｃ１）を介して客室（４０）のＥＣＳ（３０）に圧縮空気を供給するために負荷圧縮機（２２）に動力を伝達するシャフト（２１）を備えたガス発生器（２ａ）を組み込んだＡＰＵ（２０）を含み、さらに、ＡＰＵ（２０）のシャフト（２１）に接続された回収ターボチャージャ（１０）を含み、回収ターボチャージャ（１０）は、排気ノズル（１４）に取り付けられた熱交換器（１）に装着された導管（Ｃ３）の下流側分岐部（Ｃ３ｂ）内を循環する空気によって作動される回収タービン（１１）を含み、この導管（Ｃ３）は、熱交換器（１）の上流側に上流側分岐部（Ｃ３ａ）を有し、上流側分岐部（Ｃ３ａ）は、客室（４０）の空気出口および回収ターボチャージャ（１０）の圧縮機（１２）の空気出口をこの上流側分岐部（Ｃ３ａ）に接続するチャネル（４１、４２）に接続される、アーキテクチャ。
7. 客室（４０）から流出する空気とＥＣＳ（３０）に流入する圧縮空気とが熱を伝達することができるように、供給ダクト（Ｃ１）と客室出口チャネル（４１）との間に第２の交換器（２）が取り付けられる、請求項６に記載のアーキテクチャ。
8. 回収ターボチャージャ（１０）がＥＣＳ（３０）の入口で第２の空気圧縮段を形成することができるように、ＥＣＳ（３０）への供給ダクト（Ｃ１）と回収ターボチャージャ（１０）の圧縮機（１２）の入口チャネルとの間、および前記圧縮機（１２）の出口チャネル（４２）と排気ノズル（１４）の熱交換器（１）に装着された導管（Ｃ３）の上流側分岐部（Ｃ３ａ）との間にそれぞれ、空気循環を切り替えるための手段（Ｖ２、Ｖ１）が配置される、請求項６または請求項７のいずれかに記載のアーキテクチャ。
9. 圧縮機（１２）の出口チャネル（４２）からの空気および客室出口チャネル（４１）からの空気が、回収タービン（１１）に取り付けられた可変ピッチ分配器のフロー面積を調節することにより実質的にバランスが保たれた圧縮率を有する、請求項６〜請求項８のうちのいずれか一項に記載のアーキテクチャ。
10. 空気循環を切り替える手段が、中央管理装置によって制御される電動弁（Ｖ１、Ｖ２）である、請求項６〜請求項９のうちのいずれか一項に記載のアーキテクチャ。

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