JP2005518889A - 呼吸ガス供給システム - Google Patents

Abstract

航空機内で呼吸可能ガスを供給するための呼吸ガス供給システム（１０）であって、少なくとも２モードで動作して、可変酸素濃度の生成ガスを生じる酸素富化装置（１２）と、高濃度生成ガスを１つまたは複数の呼吸ガス出口（１７）に送る第１供給管（２２）と、低濃度生成ガスを、例えば通常の高高度飛行中に呼吸用に航空機キャビン（１１）に送る第２供給管（２４）と、第１動作モードで高濃度生成ガスを呼吸ガス出口（複数可）（１７）に、または低濃度生成ガスを、例えば通常の呼吸用に航空機キャビン（１１）に供給するように上記酸素富化装置（１２）を制御し、かつ、生成ガスをそれぞれの上記供給管（２２、２４）へ向かわせるダイバータ弁（２０）を制御する制御手段（３０）と、を備えた呼吸ガス供給システム。

Description

［発明の記載］
本発明は、航空機内で乗員及び／または乗客に呼吸可能なガスを供給するための呼吸ガス供給システムに関する。

航空機では、高高度でのキャビン減圧時などの緊急時用に、圧縮酸素または酸素富化ガス（oxygen enriched gas）の供給源を設けることが既知である。そのような供給源は通常、重くかさばるガスボトル内に収容されている。したがって、周囲空気を呼吸することができる高度まで航空機の高度が下がる間の呼吸に十分な限られた緊急用ガス供給源を設けるだけであるのが一般的である。

通常の飛行中、呼吸されるキャビン空気の大部分は再循環され、この再循環によって、長距離飛行で特に顕著な空気の質の低下が生じる。しかし、再循環する空気の比率を減少させることによってキャビン空気を新鮮なものにするには、燃料消費に関して費用上の大きな不利益を招く可能性がある。その理由は、周囲空気を呼吸用にキャビンに導入する前には、周囲空気をキャビン圧力まで加圧し、おそらくは加熱する必要があるからである。ただしエンジンコンプレッサからの圧縮空気を使用してもよいが、この場合には通常、使用前に冷却することが必要である。

いずれにしても、大部分のキャビン空気が補給されても、キャビン空気内の最高空気濃度は周囲空気の酸素濃度を超えることはないが、キャビンは海面高さではなく海抜約５０００〜８０００ｆｔの気圧状態にされるので、酸素の分圧は理想より低くなるであろう。したがって、従来型システムでは、たとえば、３５，０００〜４０，０００ｆｔの一般的な巡航高度で飛行中の航空機内の通常呼吸空気の酸素濃度は常に所望値より低い。

航空機エンジンから流出し得る圧縮空気から非酸素ガスを吸着し、それによって高濃度の酸素の生成ガスを呼吸用に所定圧力で供給するための、モレキュラーシーブベッド（molecular sieve beds）形式の装置を使用することが既知である。しかし、そのような装置自体は、重くかさばり、燃料の経済性が主要考慮事項である民間航空機には広く採用されていないが、軍用機において非加圧キャビン内で高度飛行中及び／または高Ｇ操縦中に乗員に呼吸用の供給量を供給するのに通常使用されている。

本発明の第一の態様によれば、航空機内で呼吸可能ガスを供給するための呼吸ガス供給システムであって、少なくとも２モードで動作して、可変酸素濃度の生成ガスを生成する酸素富化装置と、高濃度生成ガスを１つまたは複数の呼吸ガス出口に送る第１供給管と、低濃度（less highly enriched）生成ガスを呼吸用に送る第２供給管と、第１動作モードで高濃度生成ガスを呼吸ガス出口（複数可）に、または低濃度生成ガスを呼吸用に供給するように前記酸素富化装置を制御し、かつ、生成ガスをそれぞれの供給管へ向かわせるダイバータ弁を制御する制御手段と、を備えた呼吸ガス供給システムが提供される。

好ましくは、上記第１動作モードにおいて、高濃度生成ガスは、例えば緊急用に用いられる複数のガス出口に送られ、上記第２動作モードにおいて、低濃度生成ガスは、通常の高高度飛行中に呼吸用に航空機キャビンに送られる。

したがって、本発明によるシステムでは、緊急減圧の際にある供給量の呼吸可能ガスを供給する機能が、通常呼吸用として酸素富化ガスを航空機キャビンに供給する機能を有する装置を共有して達成することができる。新鮮なキャビン空気を経済的に供給するという問題は、通常呼吸用及び緊急呼吸用に別々のシステムを設けずに、その両方が共有するシステムを設けて、酸素富化空気をキャビンに供給することによって改善される。

好ましくは、酸素富化装置は、循環式に動作可能な複数のモレキュラーシーブベッドを備えて、ベッドは、チャージ（charge）段階中に非酸素ガスを吸着し、それによって呼吸用の生成ガスを発生させると共に、ベント（vent）段階中に非酸素ガスを大気に放出して、それによってベッドから非酸素ガスを除去するようにする。

望ましくは、第２動作モードで発生した生成ガスは、酸素濃度が約４０〜６０％、さらに詳しくは約５０％であるが、第１動作モードで発生した生成ガスは、酸素濃度が約７０〜９０％、さらに一般的には約８０％である。しかし、第２動作モードで発生した生成ガスは好ましくは、通常呼吸用にキャビンに導入される前に、たとえば、空調装置からの再循環キャビン空気で希釈されて、その結果、キャビンで通常に呼吸される空気の酸素濃度が周囲空気の酸素濃度より大して高くならず、たとえば、火災の危険を招かないようにすることができる。通常は、キャビン内の呼吸空気の濃度は、約２２〜２３％に調整される。

動作期間中のチャージ対ベント比を変化させることによって、たとえば、所定高度に対して望ましい酸素濃度が得られるように生成ガス内の酸素濃度を制御するか、あるいは固定比を維持して、動作期間を変化させることが既知である。そのような制御を行うためには、生成ガス内の酸素濃度を検知する酸素センサと、高性能制御手段とを設ける必要がある。

あるいは、最高濃度の酸素を発生させ、その後、その高濃度生成ガスを希釈して呼吸用に望ましい酸素濃度が得られるように、酸素富化装置のモレキュラーシーブベッドを動作させることが既知である。

一般的に、モレキュラーシーブベッドは、最も効率的に動作して、１：１のチャージ対ベント比で最高酸素濃度の所与流量の生成ガスを発生させるが、複数のモレキュラーシーブベッドを有する酸素富化装置の場合、変化する動作条件、すなわち変動生成ガス需要及び変動酸素濃度を受容できるようにしながら最も効率的に動作することは単純ではなく、この理由は、異なる寸法、したがって異なる重量のモレキュラーシーブベッドは、最も効率的に動作して、所与の流量の生成ガスに対して異なる酸素濃度を発生させるからである。たとえば、酸素濃度が５０％の所与の流量の生成ガスを発生させたい場合、最適寸法のモレキュラーシーブベッドがあるが、それは、たとえば、酸素濃度が８０％の別の所与の酸素ガス流を発生させるものと異なるであろう。

本発明によれば、好ましくは、酸素富化装置は、Ｎ個のモレキュラーシーブベッドを有し、第１動作モードでは、Ｘ＜ＮであるＸ個のベッドが動作して、流量Ｙで高濃度生成ガスを発生させ、第２動作モードでは、Ｎ個のベッドすべてが動作して、Ｚ＞Ｙである流量Ｚで低濃度生成ガスを発生させる。

通常キャビン呼吸用には、緊急時用のものより大量の生成ガスを発生する必要があり、したがって、通常キャビン呼吸が、生成ガス量に対する最大需要を示すことが理解されよう。

最大予想需要を満たすために必要な最小能力の装置を設けることによって、酸素富化装置の寸法及び重量を最適化してよい。

好ましくは、制御手段は、酸素富化装置を動作モード間で切り換え、かつ最大需要未満での動作時の酸素富化装置の使用を最適化することができる。たとえば、制御手段は、最大需要未満を満たす必要がある時に動作するように、Ｎ個のモレキュラーシーブベッドのうちからＸ個を選択し、またこれらの選択ベッドを最も効率的に動作させるための動作サイクルを選択するようにプログラムしてよい。

最大需要中、Ｎ個のベッドすべてが動作する第２動作モードでは、好ましくは各ベッドが約１：Ｎのチャージ対ベント比で順次動作し、それにより、各ベッドは、任意の動作期間内のほぼ同一時間にわたって非酸素ガスのチャージ、すなわち吸着を行って生成ガスを発生すると共に、可能な最大時間にわたってベントを行う。

Ｎ個のベッドのうちのＸ個が動作する第１動作モードでは、Ｘ個のベッドの各々が約１：Ｘのチャージ対ベント比で順次動作し、それにより、各ベッドは、任意の動作期間内のほぼ同一時間にわたって非酸素ガスのチャージ、すなわち吸着を行って生成ガスを発生すると共に、可能な最大時間にわたってベントを行うが、選択されなかったＮ−Ｘ個のベッドは動作しない。

しかし、需要がより少ないという条件では、別法として、Ｘ個のベッドを最適に動作させて、呼吸可能ガスの発生を需要に合わせるようにしてよい。たとえば、従来の慣行に従って、Ｘ個のベッドを可変または固定のチャージ対ベント比で動作させてもよい。

本発明の第二の態様によれば、本発明の第一の態様において、呼吸ガス供給システムを備えた航空機が提供される。

本発明の第三の態様によれば、本発明の第一の態様に係る呼吸ガス供給システムを動作させる方法であって、第１動作モードで高濃度生成ガスを１つまたは複数の呼吸ガス出口に供給すること、及び第２動作モードで低濃度生成ガスを呼吸用に供給することを含む方法が提供される。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明を説明する。

図面を参照すると、航空機Ａのキャビン１１内の乗員及び／乗客に呼吸可能ガスを供給するための呼吸ガス供給システム１０は、酸素富化装置１２を備えており、本例では、酸素富化装置は、複数のモレキュラーシーブベッド、すなわちＮ個のベッドを有し、各ベッドが循環式に動作して、チャージ段階中に圧縮供給空気１４から非酸素ガスを吸着し、それによって呼吸用の生成ガスを生成すると共に、ベント段階中に非酸素ガスを放出して大気に排出し、それによってベッドから非酸素ガスを除去する。

本例では、圧縮供給空気１４がエンジンコンプレッサから得られ、酸素富化装置１０のベッドへの空気流及びベッドからの排出空気流は、図面では簡単な形で示されているにすぎない制御弁１５装置によって制御される。

使用時、酸素富化装置１２は、ダイバータ弁２０の位置に応じて、通常呼吸用に航空機キャビン１１に、またはキャビン１１の突然の緊急減圧の場合などの緊急時用にキャビンの呼吸マスク１７に生成ガスを供給する。

ダイバータ弁２０が第１位置にある時、たとえば、「Ｔ形」弁１８を介して呼吸マスク１７を接続した第１供給管２２に生成ガスが送り込まれる。ダイバータ弁２０が第２位置にある時、生成ガスは第２供給管２４に送り込まれ、その後、混合装置２５を経て通常呼吸用にキャビン１１に送られるが、混合装置２５にキャビン空調装置２６からの再循環キャビン空気を供給して、キャビン１１に導入前に生成ガスを希釈してよい。

ダイバータ弁２０は、制御手段３０によって制御され、制御手段は、チャージ／ベント弁装置１５や、酸素富化装置１２のモレキュラーシーブベッドの動作も制御する。

通常呼吸用にキャビン１１に導入する必要がある生成ガスの量は、緊急時呼吸用に必要な生成ガスの量より相当に多い。それは、キャビン１１内の温度を制御するために、ある程度のキャビン空気をキャビン１１から排出し、その空気の補充をしなければならないからである。一方、通常呼吸用の生成ガス中の酸素濃度は、キャビン圧力が失われる時の緊急状態の場合より相当に低くする必要があるであろう。

大きい生成ガス流量が必要であることから、通常呼吸の場合に生成ガスの需要が最大となる。酸素富化装置１２のモレキュラーシーブベッドは、最大ガス流量で生成ガス内に約５０％の酸素濃度を発生させるように、通常の巡航高度で飛行中の航空機内で最適に動作し得る。

したがって、酸素富化装置１２の設計において、生成ガスの最大発生能力は、そのような酸素濃度の所与の生成ガス流量を供することにある。しかし、これは加圧キャビン内での通常呼吸には高濃度すぎるので、混合装置内で第２供給管２４内の５０％濃度酸素を再循環キャビン空気と混合することによって生成ガスを希釈して、キャビン１１に供給される生成ガス／再循環空気混合物を所望酸素濃度にする。たとえば、５０００ｆｔの気圧状態にしたキャビンの場合、生成ガス／再循環空気の酸素濃度が２２〜２３％程度であることが望ましい。

最大生成ガス需要がある場合、好ましくは酸素富化装置１２のＮ個のモレキュラーシーブベッドを１：Ｎのチャージ対ベント比で順次動作させる。したがって各ベッドが圧縮供給空気１４から非酸素ガスをほぼ同一量だけ吸着し、そのため、ベッドは等しく老朽し、また、各ベッドは任意の動作期間内に可能な最長期間にわたってベントを行うであろう。

緊急減圧状況での呼吸用に高濃度酸素富化生成ガスが必要である時の酸素富化装置１２の第１動作モードでは、少量の生成ガスが必要とされ、そのため、酸素富化装置１２に供給される圧縮空気量を減少させることができる。同時に、より高濃度の生成ガスが必要である場合でも、ガス流量が減少するため、酸素富化装置１２に対する需要は減少する。したがって、Ｎ個のモレキュラーシーブベッドすべてを動作させ続ける必要はない。むしろ、Ｎ個のうちのＸ個のベッドを制御手段３０で選択して動作させてよい。

酸素富化装置１２のＸ個のベッドを１：Ｘのチャージ対ベント比で順次動作させてよい。したがって、Ｘ個のベッドの各々が、圧縮供給空気１４から非酸素ガスをほぼ同一量だけ吸着し、また、各ベッドは任意の動作期間内に可能な最長期間にわたってベントを行うであろう。Ｎ個のベッドすべてを等しく老朽させることを望む場合、第１動作モードで動作するように選択されるＸ個のベッドを順番に入れ替えてよい。

しかし、別法として、選択されたＸ個のベッドを最適動作が得られるように制御してもよい。たとえば、所望の酸素濃度で所望流量の生成ガスを得るために、酸素富化装置１２の１対または多数対のモレキュラーシーブベッドを可変のチャージ対ベント比で、あるいは代わりに固定のチャージ対ベント比などで動作させてもよい。

望ましくは、ダイバータ弁２０によって第１供給管２２へ分流される第１動作モードでの生成ガスの酸素濃度は、高度約４０，０００ｆｔで巡航中の通常の民間航空機の減圧キャビン１１内で生命を維持するのに十分である約８０％である。

緊急時供給量が酸素富化装置１２によって供給されるので、緊急時用に貯蔵されている限定供給量の圧縮酸素を使用する従来型システムの場合のように、周囲空気を快適に呼吸できるようになる低高度、たとえば、１０，０００ｆｔまで航空機の高度を急降下させる必要がなく、所望ならば、航空機巡航高度を維持するか、あるいはおそらく、緊急減圧状態において従来システムで必要とされるよりはるかに低速で安心感を与えるように降下してよい。

酸素富化装置１２の需要が最大である第２動作モードでは、好ましくはＮ個のベッドすべてが約１：Ｎのチャージ対ベント比で順次動作し、それにより、各ベッドは、任意の動作期間内のほぼ同一時間にわたって非酸素ガスのチャージ、すなわち、吸着を行って生成ガスを発生し、また可能な最大時間にわたってベントを行う。

図面から、酸素富化装置１２の適正動作を監視するために、酸素富化装置１２の下流側であるがダイバータ弁２０の上流側に酸素モニタ３２があることがわかるであろう。酸素モニタ３２から制御手段３０への入力を制御手段が使用して、酸素富化装置１２の選択されたＸ個のベッド用の動作管理方式を確定することができる。また、キャビン内の酸素濃度が許容レベルより低くなるか、それを超える場合、それをチェックし、かつ／または補正動作をとるために、別の入力を制御手段３０に供給するための酸素センサ３３がキャビン１１内にある。また、所望ならば、キャビン空気内の酸素濃度を高度に応じて精密に制御できるようにするために、別の入力を制御手段３０に供給することができる高度センサ３４を設けてもよい。

本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を加えることができる。たとえば、第１動作モードにおいて、緊急減圧状況用に生成ガスを供給する代わりに、酸素富化装置１２からの生成ガスを他の目的で、たとえば、航空機に病人または負傷者が搭乗している場合に治療目的で高濃度酸素ガスを供給したり、あるいは、乗員だけに酸素供給を行うために使用することができる。

上記説明及び特許請求の範囲または添付図面に開示されている特徴は、特定の形で、あるいは開示された機能を実行するための手段、または開示されている結果を達成するための方法または処理によって適宜表されているが、そのような特徴を個別に、あるいは任意に組み合わせて使用して、本発明を広範な形で実現することができる。

本発明に従った呼吸ガス供給システムの概略図である。 図１の呼吸ガス供給システムを有する航空機の説明図である。

Claims (11)

1. 航空機（Ａ）内で呼吸可能ガスを供給するための呼吸ガス供給システム（１０）であって、
   少なくとも２モードで動作して、可変酸素濃度の生成ガスを生成する酸素富化装置（１２）と、
   高濃度生成ガスを１つまたは複数の呼吸ガス出口（１７）に送る第１供給管（２２）と、
   低濃度生成ガスを呼吸用に送る第２供給管（２４）と、
   第１動作モードで高濃度生成ガスを前記呼吸ガス出口（１７）に、または低濃度生成ガスを呼吸用に供給するように前記酸素富化装置（１２）を制御し、かつ、前記生成ガスをそれぞれの前記供給管（２２、２４）へ向かわせるダイバータ弁（２０）を制御する制御手段（３０）と
   を備えた呼吸ガス供給システム。
2. 前記第１動作モードにおいて、高濃度生成ガスは、複数のガス出口（１７）に送られ、前記第２動作モードにおいて、低濃度生成ガスは、通常の高高度飛行中に呼吸用に航空機キャビン（１１）に送られる、請求項１に記載の呼吸ガス供給システム。
3. 前記酸素富化装置（１０）は、複数のモレキュラーシーブベッド（１２）を有し、該ベッドは循環式に動作して、チャージ段階中に非酸素ガスを吸着し、それによって呼吸用の生成ガスを発生すると共に、ベント段階中に非酸素ガスを大気に放出して、それによって前記ベッドから非酸素ガスを除去し、前記第２動作モードで発生した生成ガスは、酸素濃度が約４０〜６０％、さらに詳しくは約５０％であるのに対して、第１動作モードで発生する生成ガスは、酸素濃度が約７０〜９０％、さらに一般的には約８０％である、請求項１または２に記載の呼吸ガス供給システム。
4. 前記第２動作モードで発生した生成ガスは、通常呼吸用に再循環キャビン（１１）内へ導入される前に、使用できるように前記キャビン（１１）空気で希釈することによって、使用できるように希釈され、それにより、前記キャビン（１１）内で通常に呼吸される空気の酸素濃度は、周囲空気の酸素濃度より大して高くない、請求項２または３に記載の呼吸ガス供給システム。
5. 前記酸素富化装置（１２）は、Ｎ個のモレキュラーシーブベッドを有し、前記第１動作モードでは、Ｘ＜ＮであるＸ個のベッドが動作して、流量Ｙで高濃度生成ガスを発生させ、前記第２動作モードでは、Ｎ個のベッドすべてが動作して、Ｚ＞Ｙである流量Ｚで低濃度生成ガスを発生させる、請求項３または４に記載の呼吸ガス供給システム。
6. 前記制御手段（３０）は、前記酸素富化装置（１２）を動作モード間で切り換え、かつ最大需要未満での動作時の前記酸素富化装置（１２）の使用を最適化することができる、請求項５に記載の呼吸ガス供給システム。
7. 前記制御手段（３０）は、最大需要未満を満たす必要がある時に動作するように、前記Ｎ個のモレキュラーシーブベッド（１２）のうちからＸ個を選択し、また該選択ベッドを動作させるための動作サイクルを選択するようにプログラムされている、請求項６に記載の呼吸ガス供給システム。
8. 前記第２動作モードでは、前記Ｎ個のベッドすべてが動作して、各ベッドが約１：Ｎのチャージ対ベント比で順次動作する、請求項５または６に記載の呼吸ガス供給システム。
9. 前記Ｎ個のベッドのうちのＸ個が動作する第１動作モードでは、前記Ｘ個のベッドの各々が、約１：Ｘのチャージ対ベント比で順次動作する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の呼吸ガス供給システム。
10. 航空機（Ａ）であって、請求項１〜９のいずれか１項に記載の呼吸ガス供給システム（１０）を備えた航空機。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の呼吸ガス供給システム（１０）を動作させる方法であって、第１動作モードで高濃度生成ガスを１つまたは複数の呼吸出口（１７）に供給すること、及び第２動作モードで低濃度生成ガスを呼吸用に供給することを含む方法。
    

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