環境制御システム

航空学において、航空機の環境制御システム( ECS )は、乗務員と乗客に空気の供給、温度制御、客室の加圧を提供する重要なコンポーネントです。その他の機能には、航空電子機器の冷却、煙検知、消火などがあります。

以下に説明するシステムは、現在生産されているボーイングの旅客機に特有のものですが、エアバスや他の会社の旅客機でも詳細は基本的に同じです。例外はコンコルドで、飛行高度が高く、客室の気圧がやや高かったため、補助空気供給システムが装備されていました。^[1]

ジェット旅客機では、燃焼器の上流にある各ガスタービン エンジンの圧縮機段から空気が抽出されて ECS に供給されます。この抽出空気の温度と圧力は、使用する圧縮機段とエンジンの出力設定によって異なります。マニホールド圧力調整遮断弁 (MPRSOV) は、下流のシステムに必要な圧力を維持するために、必要に応じて流量を制限します。

システムに空気を流すには一定の最小供給圧力が必要ですが、エンジンがブリード空気を圧縮するのに使用するエネルギーは推進に利用できず、燃料消費に悪影響を与えるため、供給圧力はできる限り低くすることが望ましいです。このため、空気は通常、異なるコンプレッサー段の位置にある 2 つ (または Boeing 777などの一部の機種では3 つ) のブリード ポートのいずれかから引き込まれます。エンジンの圧力が低い場合 (低推力または高高度)、空気は最高圧力のブリード ポートから引き込まれます。圧力が上昇し (推力が増大するか高度が低下する)、所定のクロスオーバー ポイントに達すると、高圧遮断弁 (HPSOV) が閉じ、燃料性能の損失を最小限に抑えるために、より低圧のポートから空気が選択されます。エンジン圧力が低下すると、この逆のことが起こります。

望ましい温度を達成するために、ブリード空気はプレクーラーと呼ばれる熱交換器を通過します。エンジン ファンからブリードされた空気は、エンジンストラットにあるプレクーラーに吹き付けられ、サービス ブリード空気から余分な熱を吸収します。ファン空気調節バルブ (FAMV) は、冷却空気の流れを変えて、サービス ブリード空気の最終的な空気温度を制御します。

注目すべきは、ボーイング787は客室の加圧にブリードエアを使用していないことである。代わりに、機体は翼の前方にある専用の吸気口から空気を取り入れる。^{[2] [3]}

冷気ユニット (CAU) を機能させるための主なコンポーネントは、エア サイクル マシン(ACM) 冷却装置です。初期のボーイング 707航空機を含む一部の航空機では、家庭用エアコンで使用されるものと同様の蒸気圧縮冷凍が使用されていました。

ACM はフレオンを使用しません。空気自体が冷媒です。ACM は、重量とメンテナンス要件が軽減されるため、蒸気サイクル装置よりも好まれます。

ほとんどのジェット旅客機にはPACK が装備されています。 空調 (AC) PACK の位置は、航空機の設計によって異なります。 一部の設計では、胴体の下にある 2 つの翼の間にある翼胴フェアリングに取り付けられています。他の航空機 (ダグラス エアクラフト DC-9 シリーズ) では、AC PACK は尾部にあります。マクドネル ダグラス DC-10 / MD-11およびロッキードL-1011の航空機 PACK は、フライト デッキの下の航空機の前部にあります。 ほぼすべてのジェット旅客機には 2 つの PACK がありますが、ボーイング 747、ロッキードL-1011、マクドネル ダグラス DC-10/ MD-11などの大型航空機には 3 つの PACK があります。

AC パックに流れるブリード空気の量は、フロー制御バルブ (FCV) によって調整されます。各 PACK に 1 つの FCV が取り付けられています。通常は閉じている遮断バルブにより、左側のブリード システムからの空気が右側の PACK に到達するのを防ぎます (その逆も同様)。ただし、1 つのブリード システムが失われた場合には、このバルブが開くことがあります。

FCV の下流には冷気ユニット (CAU) があり、これは冷凍ユニットとも呼ばれます。CAU にはさまざまな種類がありますが、すべて標準的な基本原理を使用しています。ブリード空気は一次ラムエア熱交換器に入り、ラムエア、膨張、またはその両方の組み合わせによって冷却されます。次に冷気はコンプレッサーに入り、再加圧されて空気が再加熱されます。二次ラムエア熱交換器を通過すると、高圧を維持しながら空気が冷却されます。次に空気はタービンを通過し、空気が膨張して熱をさらに減らします。ターボチャージャーユニットと同様に、コンプレッサーとタービンは 1 つのシャフト上にあります。タービンを通過する空気から抽出されたエネルギーは、コンプレッサーの動力として使用されます。次に、空気の流れは再加熱器に向けられ、その後凝縮器に送られ、水抽出器による水抽出の準備が整います。^[4]

次に、空気は水分離器に送られ、そこで空気は長さに沿ってらせん状に回転し、遠心力によって水分がふるいを通り、外壁に向かって飛ばされ、そこから排水口に送られ、機外に排出されます。その後、空気は通常、水分離器コアレッサーまたはソックを通過します。ソックはエンジンのブリードエアからの汚れやオイルを保持し、キャビンの空気を清潔に保ちます。この水分除去プロセスにより、氷が形成されてシステムが詰まるのを防ぎ、地上での作業や低高度での操縦室とキャビンの曇りを防ぎます。

氷点下ブートストラップ CAU の場合、水分はタービンに到達する前に抽出されるため、氷点下の温度に達することができます。

PACK 出口空気の温度は、ラムエア システム (下記) を通る流量を調整し、ACM 周囲の熱いブリード空気の一部をバイパスして ACM タービンの下流の冷たい空気と混合する温度制御バルブ (TCV) を調整することによって制御されます。

ラムエア入口は小さなスクープで、通常は翼胴フェアリング上にあります。ほぼすべてのジェット旅客機は、ラムエア入口に調節ドアを使用して、一次および二次ラムエア熱交換器を通る冷却空気の流量を制御します。

ラムエア回収率を高めるために、ほぼすべてのジェット旅客機はラムエア排気口に調整ベーンを使用しています。ラムシステム内のラムエアファンは、航空機が地上にいるときに熱交換器全体にラムエアの流れを提供します。ほぼすべての最新の固定翼航空機は、ACM タービンで駆動される ACM と共通のシャフト上のファンを使用しています。

AC PACK の排気は加圧された胴体にダクトで送られ、そこで再循環ファンからの濾過された空気と混合され、混合マニホールドに送られます。ほぼすべての最新のジェット旅客機では、空気の流れはおよそ 50% が外気で、50% が濾過された空気です。

現代のジェット旅客機は、あらゆる細菌や凝集したウイルスの 99% 以上を捕捉する高効率の微粒子捕捉HEPAフィルターを使用しています。

ミックスマニホールドからの空気は、機体のさまざまなゾーンにある頭上の分配ノズル^[5]に送られます。各ゾーンの温度は、TCV の上流にある AC PACK から供給される低圧高温の空気であるトリム空気を少量追加することで調整できます。空気は個々のガスパーベントにも供給されます。^[a]ベントの回転式コントロールを回すと、空気をまったく出力しない状態からかなり強い風を出す状態まで換気を調整できます。

ガスパー^[a]は通常、航空機に搭載された AC PACK から空気を受け取ります。AC PACK は、航空機のジェット エンジンの圧縮段から圧縮されたクリーンな空気を受け取ります。地上では、補助動力装置(APU) または地上の供給源から圧縮されたクリーンな空気を受け取ります。ガスパーのマスター コントロールはコックピットにあります。ガスパーは、ブリード エアの要求によるエンジンの負荷を最小限に抑える必要がある特定の飛行段階 (離陸中や上昇中など) で一時的にオフになることがよくあります。

胴体への空気の流れはほぼ一定で、流出バルブ (OFV) の開度を変えることで圧力が維持されます。ほとんどの現代のジェット旅客機には、胴体の下部後端近くに 1 つの OFV がありますが、ボーイング 747 や 777 などの一部の大型航空機には 2 つの OFV があります。

OFV が閉じてしまった場合に備えて、胴体を過圧および低圧から保護するために、少なくとも 2 つの正圧リリーフ バルブ (PPRV) と少なくとも 1 つの負圧リリーフ バルブ (NPRV) が備えられています。

航空機の客室気圧は、客室高度 8,000 フィート以下に加圧されるのが一般的です。つまり、圧力は 1 平方インチあたり 10.9 ポンド (75 kPa) で、これは 8,000 フィート (2,400 m) の周囲圧力です。客室高度が低いほど圧力が高くなることに注意してください。客室気圧は、各航空機の高度と客室高度を関連付ける客室気圧スケジュールによって制御されます。エアバスA350やボーイング 787などの新しい航空機は、客室の最高高度が低くなるため、飛行中の乗客の疲労を軽減するのに役立ちます。

一般的なジェット旅客機の巡航高度の空気は、一般的に非常に乾燥していて冷たいため、長時間の飛行中に機内に送り込まれる外気は、腐食や電気的な故障の原因となる結露を引き起こす可能性があるため、排除されます。したがって、低高度で湿った空気に遭遇して吸い込まれると、ECS は上記の加温および冷却サイクルと水分分離器によってそれを乾燥させるため、外部の相対湿度が高くても、機内の相対湿度は通常 10% を超えることはありません。

客室内の湿度が低いと、真菌や細菌の増殖を防ぐという健康上の利点があるが、湿度が低いと皮膚、目、粘膜が乾燥して脱水症状を引き起こし、疲労、不快感、健康上の問題につながる。ある調査では、客室乗務員の大多数が湿度が低いために不快感や健康上の問題を報告している。^{[6] 2003年の}米国議会への声明で、民間航空機の客室内空気質委員会の委員は「相対湿度が低いと一時的な不快感（目、鼻腔、皮膚の乾燥など）が生じる可能性があるが、その他の短期的ま​​たは長期的な影響は確認されていない」と述べた。^[7]

一部の航空機では、結露防止の必要性から、相対湿度を極端に低いレベルに保つために、ECSに客室湿度制御システムが追加されることがあります。^[8]さらに、ボーイング787とエアバスA350は、構造に耐腐食性の高い複合材を使用することで、長距離飛行でも客室相対湿度16%で運航できます。

ブリード空気はエンジンから供給されますが、燃焼器の上流のエンジンから排出されます。空気は、コンプレッサーの失速時(基本的にはジェット エンジンのバックファイア) を除いて、エンジンを逆流することはできません。そのため、ブリード空気には、航空機自体のエンジンの通常の動作による燃焼汚染物質が含まれていないはずです。

しかし、場合によってはカーボンシールからブリードエアにオイル（潜在的に危険な化学物質を含む）が漏れる可能性があり、業界ではヒュームイベントと呼ばれています。^[9]オイルシールの故障はエンジン寿命を縮めるため、通常は迅速に対処されます。

このオイル汚染やエンジンベイ内の他の発生源によるオイル汚染は、一部の擁護団体から健康被害の懸念を引き起こし、いくつかの学術機関や規制当局による研究を引き起こしました。しかし、信頼できる研究では、煙による健康被害の存在を裏付ける証拠は得られていません。^{[10] [11] [12]}

• ASHRAE ハンドブックの HVAC アプリケーション編、アメリカ暖房換気空調技術者協会 ( ASHRAE )、ジョージア州アトランタ、1999 年。