JP2006232269A - 圧縮機のサージ防止機能を備える機上不活性ガス発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サージ制御弁が故障した場合に、より信頼できる簡単なサージ防止システムを提供する。
【解決手段】空気分離モジュールの下流通路内に配置された窒素高濃度空気流制御弁、第１と第２のサージ制御通路内にそれぞれ配置された第１段のサージ制御弁と第２段のサージ制御弁を具備する弁アッセンブリ。弁は、共通のアクチュエータからの入力に応答して相互に動くよう、連動関係にあるか又は相互接続されている。サージ制御弁は、窒素高濃度空気流制御弁が狭い面積を与えるように動くと開放される。
【選択図】図１

Description

本発明は、機上不活性ガス発生装置に関する。詳細には、本発明は、装置の空気分離モジュールに供給される加圧空気を増大させるための方法及び装置に関する。

機上不活性ガス発生装置は、航空機において、貨物区域や燃料タンクなどの様々な領域に不活性ガスを供給するのにますます使用されるようになっている。通常、装置は空気分離モジュールに圧縮空気を供給するための、直列に配列された２つの圧縮機又は段を備える。モジュールの負担（ｗｅｉｇｈｔ）を低減するために、空気分離モジュールに高圧をかけることが望ましい。モジュールへの吸込圧力が低下すると、モジュールの負担が大幅に増大することになる。

通常、加圧空気をモジュールに供給するのに装置では遠心圧縮機が使用される。圧縮機を通る流れが所望の流速以下まで低減するときに発生する過渡現象である、サージ状態で圧縮機が作動することのないことが確実であることが望ましい。サージは、圧縮機を損傷したり、破壊したりする可能性がある。不活性ガス発生装置が、通常広範囲にわたる流速下で運転されるため、サージを防ぐことは難しい。

従来の装置の一つは、空気分離モジュールの下流に配置された窒素高濃度空気流弁を備える。窒素高濃度空気流弁は、弁を通る流量を変更するのに、狭い面積位置と広い面積位置の範囲の間を変調することによるか、あるいは、広い面積位置と狭い面積位置の間でスイッチを切り替えることによって作動する。従来の装置は又、第１の圧縮機の下流にサージ制御弁を備えることにより、選択的に加圧空気を機外に排気する。サージ制御弁は、圧縮機が、窒素高濃度空気流弁が装置を通る流量を制限するより狭い面積へと閉じる際にサージ状態にならないよう第１の圧縮機を通る流量を増大するのに、閉じ位置と開放位置の間で移動する。

窒素高濃度空気流弁とサージ制御弁は、別個のアクチュエータを採用する。窒素高濃度空気流弁が、狭い面積位置にあるときにサージ制御弁が作動しない場合、第１の圧縮機がサージ状態となるため、圧縮機が機械的に故障する。

従って、サージ制御弁が故障した場合に、より信頼できる簡単なサージ防止システムが必要とされている。

本発明の機上不活性ガス発生装置の一例は、相互に流体的に連通した第１と第２の圧縮機に設けられる。熱交換器により、第１と第２の圧縮機の間が流体的に連結される。熱交換器は、ラム空気ダクト内に配置される。第１のサージ制御通路は、第１の圧縮機出口下流に配置される。第１のサージ制御通路は、ラム空気ダクトへ出る。第２のサージ制御通路は、第２の圧縮機出口下流の空気分離モジュールの前に配置される。第２のサージ制御通路は、ラム空気ダクトへ通気する。窒素高濃度空気流弁は、空気分離モジュールの下流に配置される。

弁アッセンブリは、窒素高濃度空気流制御弁と、通路の空気分離モジュールの下流内に配置される第１段のサージ制御弁と、第１と第２のサージ制御通路内に配置される第２段のサージ制御弁を具備する。窒素高濃度空気流弁は、空気分離モジュールの下流に配置される。共通のアクチュエータからの入力に応答して相互に動くよう、弁は連動関係にあるか又は相互接続される。窒素高濃度空気流制御弁がより狭い面積を提供するよう動くとき、サージ制御弁は開く。

このように、アクチュエータを排除することにより装置は簡略化され、アクチュエータの故障時における装置の信頼性を増強することができる。

本発明のこれら並びにその他の特徴は、以下の詳細な説明及び図面から最適に理解することができる。

図１は、本発明の機上不活性ガス発生装置１０の一例を非常に概略して示している。装置１０は、圧縮器システム１４からの圧縮空気によって生じた熱を除去する熱交換システム１２を備える。圧縮空気は、空気分離モジュールシステムに加圧空気を供給する。

熱交換システム１２は、ラム空気吸気ダクト１８とラム空気排気ダクト２１の間に配置される。ラム空気ダクト１８，２１を通る流量は、ラム空気吸気ダクト１８と熱交換システム１２の間に配置された制御弁２０で調整される。

例えばキャビンからの空気２６は、システム１０に入り、次いで圧縮機システム１４の第１の圧縮機２８内へ入る。第１の圧縮機２８は電気モータ３０で駆動される。圧縮空気は第１の圧縮機２８を出ると、通路３１を通り、熱交換システム１２の中間冷却器２４内へ流れ、そこでラム空気により圧縮空気は熱を取り除かれる。中間冷却器２４からの冷却された空気は通路３３を通って、第２の圧縮機３６の入口へと流れる。圧縮空気は第２の圧縮機３６の出口から出ると、熱交換システム１２の主熱交換器２２へと通路３７を通って流れる。主熱交換器２２を通る空気は、通路３９へ流れる前にラム空気によって冷却される。フィルタ３８が通路３９内に配置されている。ろ過された空気は空気分離システム１６の入口から空気分離モジュール４０に入る。空気分離モジュール４０は、燃料タンクや貨物区域などの航空機の指定区域のための、窒素などの不活性ガスを発生させる。空気分離モジュール４０で生成した透過液は、透過液通路４２を通って、ラム空気排気ダクト２１まで流れる。

第１のサージ制御通路３２は、通路３１とラム空気排気ダクト２１の間に配置される。第２のサージ制御通路４６は、通路３７とラム空気排気ダクト２１の間に配置される。第１と第２のサージ制御通路３２，４６は、第１段と第２段のサージ制御弁５４，５６をそれぞれ備える。サージ制御弁５４，５６は、それぞれの通路３２，４６を通る流量を選択的に調整する。具体的には、圧縮機２８，３６を通る流量は、計画流量以下に減少した場合、圧縮機２８，３６を損傷、あるいは破壊する可能性のあるサージが発生し得る。平常、サージ制御弁５４，５６は閉じているが、ラム空気排気ダクト２１へ流れを通気するようサージ制御弁５４，５６を開放することにより、圧縮機２８，３６を安定化させることができる。

窒素高濃度空気流制御弁５２は、空気分離モジュール４０から下流への通路４３内に配置される。窒素高濃度空気流制御弁５２と、第１段と第２段のサージ制御弁５４，５６は、アクチュエータ５１からの入力に応答して可動な弁アッセンブリ５０を構成する。例えば、弁５２，５４，５６は、一緒に「連動」し、アクチュエータ５１からの入力に応答して相互に伴って動くよう、共通軸５７上に取り付けることができる。このように、弁５２，５４，５６の全てを作動するのに単一のアクチュエータ５１を用いることができるため、装置１０を簡略化することが可能である。

図２を参照すると、弁５２，５４，５６は、サージ制御弁５４，５６が開放位置に動くと、窒素高濃度空気流制御弁５２が閉じる位置に動くように互いに相対して配置されている。その結果、窒素高濃度空気流制御弁５２が閉じ位置に移動するため、装置１０からの空気流が制限され、圧縮機２８，３６を通る流量を増大するために圧縮機２８，３６に対する背圧を低減するよう第１と第２の圧縮機２８，３６からの圧縮空気を大気中へ排気することができ、それにより、サージ状態を防止することができる。

本発明の装置は、アクチュエータが故障した場合における信頼性が改善されている。具体的には、潜在的にサージに対して本質的により安定な開放位置にある窒素高濃度空気流制御弁５２が、その位置において故障しない限りサージ制御弁５４，５６は閉じ位置で故障する可能性はない。弁アッセンブリ５０の故障状態を検出するのに、窒素高濃度空気流制御弁５２の下流に流量センサ５８を配置することができる。コントローラ６０が流量センサ５８に接続される。コントローラ６０は、アクチュエータ５１及び／又は（説明のための接続が図示されていない）位置センサに接続することができる。流量センサ５８により、所望の弁アッセンブリの位置に対して窒素高濃度空気流が検出された場合、コントローラ６０により、圧縮機２８，３６が損傷しないよう、装置を停止させることができる。

第１段と第２段の制御通路３２，４６は、ラム空気排気ダクト２１内で、それら通路の出口にエゼクタを具備してもよい。エゼクタ４８は熱交換システム１２の出口側に低圧領域を生じさせるため、熱交換システム１２を通る流量を増大させることが可能となる。

本発明の好ましい実施態様を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲内における一定の変更が可能であることは認めるであろう。そのため、本発明の真の範囲及び内容を決定するために、特許請求の範囲の記載を検討すべきである。

本発明の機上不活性ガス発生装置の一例を例示する概略図である。 効果的な開放面積対窒素高濃度空気流弁のアクチュエータ及び第１段と第２段のサージ弁の移動量の割合を示すグラフである。

符号の説明

１０…機上不活性ガス発生装置
１２…熱交換システム
３０…モータ
４０…空気分離モジュール
５２…窒素高濃度空気流制御弁
５４，５６…サージ制御弁
５７…共通軸
６０…コントローラ

Claims (14)

1. 相互に流体的に連通する第１と第２の圧縮機と、
   空気分離モジュールと、分離モジュールと第１の圧縮機の間に流体的に配置される第２の圧縮機を流体的に接続する通路を備える、空気分離モジュールと、
   第１の圧縮機の出口と流体的に連通する第１のサージ制御通路並びに第２の圧縮機の出口と流体的に連通する第２のサージ制御通路であって、第１と第２のサージ制御通路内のそれぞれに配置された、開放位置に移動する第１段と第２段のサージ制御弁に応答して大気中に排気する、第１と第２のサージ制御通路、
   から構成されることを特徴とする、機上不活性ガス発生装置。
2. 前記サージ制御弁が相互に連結され、共通のアクチュエータにより前記サージ制御弁が閉じ位置から開放位置に移動することを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 窒素高濃度空気流制御弁が、前記空気分離モジュールの下流に配置され、この窒素高濃度空気流制御弁は前記サージ制御弁に接続され、前記共通のアクチュエータにより、弁は一緒に移動することを特徴とする、請求項２記載の装置。
4. 前記窒素高濃度空気流制御弁が、狭い面積位置と広い面積位置の間で移動可能であり、前記サージ制御弁が前記閉じ位置から開放位置に動くときに、前記アクチュエータは、前記窒素高濃度空気流制御弁をその広い面積位置から狭い面積位置へと動かすことを特徴とする、請求項３記載の装置。
5. 前記サージ制御通路が、ラム空気ダクトへ出ることを特徴とする、請求項１記載の装置。
6. 前記サージ制御通路が、前記ラム空気ダクト内のその出口側に配置され、前記ラム空気ダクト内に配置された熱交換器を通る流量を増大させる低圧領域を形成するエゼクタを備えることを特徴とする、請求項１記載の装置。
7. 前記第１と第２のサージ制御通路が、前記ラム空気ダクトへの第１の圧縮機の出口と第２の圧縮機の出口にそれぞれ流体的に接続されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
8. 前記第１と第２の圧縮機が電気モータによって駆動されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
9. 相互に流体的に連通する第１と第２の圧縮機と、
   空気分離モジュールと、分離モジュールと第１の圧縮機の間に流体的に配置される第２の圧縮機を流体的に接続する通路を備える、空気分離モジュールと、
   いずれか一方の圧縮機の出口と流体的に連通し、その中に配置され、開放位置に移動するサージ制御弁に応答して大気中に排気する、サージ制御通路と、
   前記空気分離モジュールの下流に配置され、前記サージ制御弁に接続され、かつ、前記サージ制御弁が前記開放位置に移動するときに、広い面積位置から狭い面積位置に移動する、窒素高濃度空気流制御弁、
   から構成されることを特徴とする、機上不活性ガス発生装置。
10. 前記サージ制御弁と前記窒素高濃度空気流制御弁が共通のアクチュエータで作動することを特徴とする、請求項９記載の装置。
11. （ａ） 装置の圧縮機内の流体を圧縮するステップと、
    （ｂ） 空気分離モジュールに圧縮流体を供給するステップと、
    （ｃ） 窒素高濃度空気流弁と圧縮機段サージ制御弁を、空気分離モジュールと圧縮機のそれぞれに設けるステップと、
    （ｄ） 弁を同時に作動させるステップ、
    を含んでなることを特徴とする、機上不活性ガス発生装置を操作する方法。
12. 前記ステップ（ｄ）が、他の弁が閉じるときに１つの弁を開くことを含むことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 前記ステップ（ｄ）が、弁に共通の単一のアクチュエータを操作することを含むことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
14. 前記サージ制御弁が大気中へ排気することを特徴とする、請求項１１記載の方法。

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