JP2008534342A - 航空機用供給システム - Google Patents
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Abstract
現代の航空機は多量の水を運ぶ。本発明のある典型的な実施形態は蒸気発生部（１０９）を含む供給システムを示す。この蒸気発生部には水素（１０４）及び酸素（１０１乃至１０３）が供給されて、高温水蒸気（１１３）が生成され、この水蒸気は、エネルギー（１１６）及び水（１１８）の供給に使用できる。これによって供給の冗長性を提供するとともに、離陸時の重量を低減できる。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本出願は、２００５年３月２４日に提出した米国特許仮出願第６０／６６５０３３号と、２００５年３月２４日に提出した独国特許出願第１０ ２００５ ０１３ ８２４．１号の出願日の利益を請求し、その開示内容をここに参照として援用する。
本発明は、航空機用供給システムに関する。特に、本発明は航空機用供給システムと、航空機における供給システムの使用方法と、航空機への供給方法と、同様の供給システムを備えた航空機に関する。
現代の航空機、特に大型航空機、つまり旅客定員数の多い航空機は、飛行中に水を必要とする様々なシステムへの供給を行うために、多量の水を運ぶことを要する。例えば、これらのシステムには、機上でのキッチン、トイレ、シンク、シャワーがある。水量は航空機の重量を増加させ、よって航空機の効率を低下させる。
本発明の目的は、機上での水量を低減させる、航空機用供給システムを提供することである。
本発明の典型的な実施形態によると、供給システム、つまり航空機用の供給システムが提供され、該供給システムは蒸気発生部を備え、該蒸気発生部は水素及び酸素から水蒸気を生成するように構成され、この水蒸気は、給水又は航空機の駆動のために使用できる。また酸素は、例えば、「通常の」空気に含まれる酸素とすることができる。さらに、供給システムは混合器を備え、該混合器は、生成される水蒸気の温度又は量を制御するために、蒸気発生部に供給される水の量を制御するように構成される。
このような蒸気発生部については、バイオリアクタ、食品、包装、医療器具、繊維製品の蒸気殺菌処理若しくは温度調節又は薬学分野にて純水の生成に使用する蒸気発生器とすることができる。
供給システムに蒸気発生部を設けることで、航空機用に効率の良い供給を、高いパワー強度で保証することができ、これにより、このようなユニットを、例えば、総重量が小さく、高効率で応答の速い用途に使用できる。
Ｈ２／Ｏ２蒸気発生部は高効率とされ、数秒内で起動できる。比較的小型で軽量の集合物によって非常の大きな蒸気出力を生成できる。
本発明の別の典型的な実施形態では、供給システムはまた、供給ユニットを含み、該ユニットは水素及び酸素を蒸気発生部に供給するために使用される。このことは、蒸気発生部が常に充分な原材料を供給されることを保証する。
本発明の別の典型的な実施形態では、供給システムはまた、エネルギー変換部を含み、このエネルギー変換部は、蒸気発生部によって生成される水蒸気に蓄えられたエネルギーを、空気圧エネルギー、電気エネルギー、油圧エネルギー、機械的エネルギー、ヒートポンプのエネルギー、熱エネルギー、航空機エンジンの駆動エネルギー、及び航空機の推進エネルギーより成る群から選択した１つ以上の形態に変換するように設計される。
エネルギー変換部の使用により、別の形態のエネルギーを得るために、蒸気発生部で生成した高温水蒸気を利用できるようになる。例えば、エネルギー変換部は、蒸気タービンとして設計でき、これは水蒸気によって駆動されて、例えば電気的又は機械的エネルギーを生み出す。また、水蒸気のエネルギーを、航空機の推進用に直接使用し、又は航空機の推進用に間接的に使用することが可能であり、これは、航空機エンジンを駆動し又は航空機の推進力を生成するための駆動に該エネルギーを利用することで行われる。
本発明の別の典型的な実施形態では、供給システムはまた、パワー生成又は蒸気発生部への供給を制御するための制御部を含み、該制御部はまた、航空機エンジンのための駆動エネルギー又は航空機の推進エネルギーを提供するために、供給システムを必要に応じて接続するように設計される。
結果として、供給システムは、例えば、必要に応じて作動又は接続でき、航空機の始動プロセスのために推進パワーをさらに提供し、また例えば、推進システムの故障を想定して、始動プロセスのための緊急用の予備的な推進パワーを提供する。これは航空機の安全性をさらに高め、エンジンの負担を始動プロセス中に軽減できる。これによって始動段階での安全性が高まる。また、このことにより動力装置の耐用年数を延ばすことができる。
本発明の別の典型的な実施形態では、供給システムが、水分離器を用いた水ユニットを含み、この水分離器は、蒸気発生部の水蒸気から水を分離するように設計される。
水分離器を設けることで、水蒸気から水を迅速かつ効率的に得ることができ、これにより充分な量の水が常に、機上での動作に利用できるように保証される。
本発明の別の典型的な実施形態では、水ユニットは、一時的な貯水のために、中間の貯水部を有する。これにより、水の需要が増加した場合に、給水量が不足する虞をなくすことができ、その理由は、起こり得るピーク需要を賄うために、充分な量の真水が常に、一時的に貯えられるからである。
本発明の別の典型的な実施形態では、供給システムは、エネルギー変換部に水蒸気を供給し、あるいは電気エネルギー又は推進エネルギーを（例えば、下流のエネルギー変換システムによって）得るために、燃料電池を含む。
例えば、燃料電池又は燃料電池システムは蒸気発生部の側に配置でき、水蒸気の生成中、あるいは動力装置又は航空機内の電気消費部にエネルギーを提供する間、蒸気発生部を支援することができる。このことは航空機供給の冗長性をもたらし、システム安全性をさらに高め、また常に充分な量とされかつ需要に応じて調達されるエネルギー及び水の供給が与えられる。
本発明の別の典型的な実施形態では、供給ユニットは、水素を発生させる少なくとも１つの水素発生器、又は酸素を発生させる酸素発生器を有する。これによって蒸気発生部に供給される原材料（水素、酸素）を、少なくとも部分的に航空機の機上で直接的に生成できる。例えば、水素発生器は改質器とされ、これにはケロシン又は他の航空燃料が供給される。また酸素発生器は、例えば機上の酸素発生システム（ＯＢＯＧＳ）とすることができる。
本発明の別の典型的な実施形態では、供給ユニットは周囲空気ユニット又は酸素貯蔵ユニットからの酸素を供給するように設計される。また、供給ユニットは水素貯蔵ユニットからの水素を供給するように設計される。水素で駆動される動力装置の場合、例えば、水素貯蔵ユニットは、動力装置の供給に必要な水素をも供給する水素貯蔵ユニットとすることができる。よって、別の水素貯蔵ユニットは必要でなくなる。また、酸素貯蔵ユニットについては、保守要員が迅速かつ容易に交換できる酸素貯蔵ユニット（例えば、航空機の酸素システムの一部をなす）とすることができる。
本発明の別の典型的な実施形態では、供給システムはまた、冷却空気又は蒸発器に供給される水の量を調整するための混合器を含む。
混合器を設けることによって、例えば、蒸気温度又は蒸気量を適宜に設定することができる。
本発明の別の典型的な実施形態では、同様の供給システムが、航空機において水の生成のために使用される。
本発明の典型的な実施形態では、蒸気発生部は、航空機の機上で真水を得るための使用でき、これにより、輸送する真水の総量を大幅に低減できる。
本発明の別の典型的な実施形態では、同様の供給システムが、航空機において該航空機の駆動エネルギーを得るために使用される。これにより、航空機を駆動するためのエネルギーを、高い効率でもって、水素及び酸素から直接に得ることができる。
本発明の別の典型的な実施形態は、航空機に水を供給する方法を記載する。ここで本方法は、蒸気発生部において水素及び酸素を生成するステップと、混合器によって、生成される水蒸気の温度又は量を制御するために、蒸気発生部に供給される水の量を制御するステップと、蒸気発生部から水ユニットに至る水蒸気から水を分離するステップを有する。
本発明の別の典型的な実施形態では、方法はまた、蒸気発生部で生成される水を用いて航空機を駆動するステップを有する。ここで蒸気は、動力装置を介して直接除かれるが、これは、結果として推進力を生み出し、又は航空機エンジンを駆動するために間接的に使用し、あるいは、結果として推進力を間接的に生み出すためである。
本発明の別の典型的な実施形態は、同様の供給システムを有する航空機を提供する。
本発明の好ましい典型的な実施形態について、図１を参照して以下に説明する。
図１は、本発明の典型的な実施形態による供給システムが如何にして動作するかを示すブロック図である。図１から分かるように、供給システムは基本的に供給ユニット１０１乃至１０８、蒸気発生部１０９、及びエネルギー変換部１１６を有する。供給ユニット１０１乃至１０８はここで、外気供給部１０１、酸素貯蔵ユニット１０２、及び酸素富化ユニット１０３を含み、各々がライン１０５，１０６，１０７によって蒸気発生部１０９に接続されている。
酸素富化ユニット１０３は、例えば飛行中に酸素を発生させる、機上の酸素発生システム（ＯＢＯＧＳ）の形態をとることができる。またポンプ１３０を設けることができ、これは例えば、外気が蒸気発生部１０９に供給される前に外気供給部１０１からの外気を圧縮する。勿論、ポンプ１３０はライン１０５乃至１０７の別位置に設置することもできる。また複数のポンプ１３０を設けることで冗長度を与え又は柔軟性を高めることもできる。
また、外気の流入や、酸素貯蔵ユニット１０２からの酸素、又は酸素富化若しくは酸素発生ユニット１０３からの高濃度の酸素を制御する複数の弁１２３を設けることも可能である。これらの弁１２３はここで、ユニット１０１乃至１０３の出口（図１には示していない）に直接取り付けられている。また、三方弁１２３を設けることができ、これはライン１０５乃至１０７の接続ポイントに取り付けられ、流量比や混合比を各々に調整する。
留意すべきは、酸素供給ユニット１０１乃至１０３が任意の所望の組み合わせで設けられることである。例えば、ある典型的な実施形態では、酸素貯蔵ユニットのみが圧縮ガスシリンダの形態で設けられるものとされる。また別の典型的な実施形態では、酸素富化ユニット１０３を、酸素貯蔵ユニット１０２の強化のために使用する。このことは、システムの安全性を高め、リソースを節減するための冗長性を保証する。
また、供給ユニットは、水素を発生させるための水素発生器又は水素貯蔵ユニット１０４を有する。両システムはまた、並列に使用することもできる。水素貯蔵ユニットは、例えば、水素圧縮ガスシリンダ又は水素タンクとすることができ、これはまた、航空機エンジンへの供給にも使用できる。水素生成システムは、例えば、改質器として設計でき、これはケロシンから水素ガスを発生させる。但し、他の水素発生ユニットも可能である。
また、外部制御可能な弁１２２を、蒸気発生部１０９に水素を供給するライン１０８に取り付けることもできる。
蒸気発生部１０９は水素ガス及び酸素ガスを与えられて、高温水蒸気を生成する。そして水蒸気はライン１１３及び制御弁１２６を介して、エネルギー変換部１１６へと送られ、該変換部は、水蒸気に蓄えられたエネルギーを、別の形態のエネルギーへと少なくとも部分的に変換する。このために、例えば蒸気タービンを設け、エネルギーを、電気システム、油圧システム、機械システム又は空気圧システムに放出することができる。さらには、蒸気発生部１０９によって発生される蒸気はまた、例えば、航空機キャビン又は他の設備の空気調節や加湿のために使用することもできる。
また蒸気発生部１０９は、ライン１１１及び制御弁１２４によって、例えば、エネルギー消費部又は推進システム１１５に接続されて、航空機に対する直接の推進力を生成することができる。
また、供給システムは燃料電池システム１１０を有することができ、これは電気エネルギー、水、及び熱を発生させる。燃料電池システム１１０によって生成される水は、水蒸気の形態で弁１２７及びライン１１４を通ってエネルギー変換部１１６へと放出することができるが、これは該システムが蒸気発生部を補助し、強化し、又は該システムを結果的に該蒸気発生部と置き換えるためである。
また、燃料電池システム１１０は、制御弁１２５及びライン１１２を介して、エネルギー消費部又は推進システム１１５に接続できる。この場合、水蒸気を推進システム１１５に供給できる。さらには、燃料電池システム１１０からの電流は、エネルギー消費部又は推進システム１１５のために利用することができる。
また制御部１２９は、制御弁１２２乃至１２８、及び混合器１３２、あるいはまた蒸気発生部１０９又は燃料電池システム１１０を制御し又は調整するために設けることができる。この制御部を使用して蒸気発生部１０９又は燃料電池１１０で得られるパワーを制御できる。例えば、蒸気発生部１０９への酸素及び水素の供給を調整できる。さらに制御部１２９はどの消費部が蒸気発生部１０９又は燃料電池システム１１０に接続されるかを制御できる。例えば、制御部は、航空機エンジンへの駆動エネルギー又は航空機への推進エネルギーを提供する必要に応じて、供給システムの接続を行うように設計できる。
エネルギー変換部１１６は、ライン１１７及び制御ユニット１２８（例えば、弁、スイッチ等）を介して、エネルギー消費部、複数のシステム、及び推進システム１１５に接続される。
Ｈ２／Ｏ２蒸気発生部の後段で熱蒸気から水を得るために、スロットル、冷却器等が、Ｈ２／Ｏ２蒸気発生部の後段で熱蒸気から水を得るための蒸気タービン１１６の代わりに、又はこれに追加して、水分離器１１８と組み合わせて使用できる。結果として得られる排気ガスは、ライン１１９を介して排出できる。また、中間の貯水ユニット１２０がライン１３１を介して対応する水消費部１２１に接続され、該ユニットは一時的に水を貯えるために設けることができる。この水を飲料水として使用する場合に、ミネラルを必要に応じて水に供給することもできる。
また混合器１３２を設けることもでき、例えば制御弁を含み、外気に加えて水タンク１３３からの水を蒸気発生部１０９に供給できる。例えば、これによって、生成する水蒸気の温度及び量の制御や調整を行える。
弁１２２乃至１２８及び混合器１３２は、開ループ又は閉ループの制御ユニット１２９に接続され、個々に動作できる。これらの弁１２２乃至１２８、混合器１３２、蒸気発生部１０９及び燃料電池システム１１０は、それぞれに対応するライン又は無線により作動できる。
水素／酸素蒸気発生部１０９は、システム、つまり、水素と酸素（又は空気）を制御された条件下で互いに反応させて水蒸気を形成するシステムで構成される。
蒸気温度は、例えば、その後に水を加えることで、２００℃と３３００℃の間に設定できる。また、空気は、熱蒸気を冷却するために加えることができる。
蒸気発生部１０９は高レベルの効率をもち、数秒以内に起動できる。その結果、小型軽量の集合物を用いて非常に高い蒸気出力を生成できる。副産物は水蒸気であり、これは水に凝縮することができる。蒸気温度については、９５％の熱効率をもって数秒以内で広い温度範囲内に設定できる。
また水は、高温燃焼ガスに注入されて蒸発することで、純粋な水蒸気の状態パラメータについての特定の調整が可能となる。これにより、蒸気パラメータを最短時間内に設定できるようになる。この熱蒸気発生部の利点としては、高純度、短い応答時間、状態パラメータの制御能力、そして幾何学的寸法が小さいことが挙げられる。
純粋な酸素に代わって、空気又は空気と酸素の混合気を使用してもよい。蒸気発生部１０９又は燃料電池システム１１０において発生する水蒸気は、蒸気タービンの駆動に使用でき、これは所望の形態のエネルギーを得るために利用できる。特に、空気圧エネルギーシステム、電気エネルギーシステム、油圧エネルギーシステム、機械的エネルギーシステム、ヒートポンプエネルギーシステム、及び熱エネルギーシステム（例えば、加熱システム）が提供される。
このプロセスでは、エネルギーに加えて水が有利に生成され、これを航空機システムで使用できる。その結果、飛行中、より少ない水を機上にもつだけで済むが、これは飛行中、連続して又は需要に応じて水を生成できるからである。このことは、離陸時における航空機の重量にとって積極的な効果をもつ。本プロセスで空気を用いる場合には、例えば、水素及び追加システムの重量を機上にもつことを要するだけで済む。こうして、数百キログラムまでの重量節減ができる。その結果、航空機をさらに効率的に運航させることができ、これに加えて、生成した機械的エネルギーを図１に示すエネルギーシステムの１つに対して同時に使用できるが、これはシステム全体の効率を高めるためである。また、航空機の推進力をこのエネルギーによって生み出すこともできる。
特に高いパワー強度によって、供給システムは、短期又は長期の予備パワーを設ける場合にも好適となる。例えば，エネルギーは航空機の動力装置に放出することができる。また、始動段階、つまり航空機が飛行中よりも多くのパワーを必要とするときに、動力装置を補助するパワーを生成する目的で供給システムを短時間使用することができる。これについては、動力装置の故障を想定した場合や、始動プロセス中において、連続的な支援として起こり得る。この場合にパワーは、推進用パワーの形態で直接的に与えられるか、あるいは、動力装置に導入できる以上のパワーの形態で与えることができる。また、航空機システムとの組み合わせも可能である。
本発明の実施については、図示した好ましい実施形態に限定されない。それどころか、本発明による既述の解決策及び原理を基本的に異なる構成の実施形態で利用した、数多くの変形例が考えられる。
また、「備える」という語は、その他の任意の要素又はステップを排除せず、また、「１つの」は、複数を排除しないことに留意すべきである。さらには、前記実施形態の１つを参照して述べた特徴又はステップは、他の前述の実施形態の異なる特徴又はステップと組み合わせて使用できることにも留意されたい。請求項における参照符号は、限定の意味に解すべきでない。
Claims (15)
- 航空機用の供給システムであって、
蒸気発生部（１０９）と、混合器（１３２）を備え、
前記蒸気発生部（１０９）が水素及び酸素から水蒸気を生成するように構成され、該水蒸気が給水又は航空機の駆動に使用可能とされ、
前記混合器（１３２）が、前記蒸気発生部（１０９）に供給される水の量を制御して、生成した水蒸気の温度又は量を制御するように構成された供給システム。 - 供給ユニット（１０１乃至１０８）をさらに備え、該供給ユニット（１０１乃至１０８）が水素及び酸素を前記蒸気発生部（１０９）に供給するように構成された、請求項１に記載の供給システム。
- エネルギー変換部（１１６）をさらに備え、該エネルギー変換部（１１６）は、前記蒸気発生部（１０９）によって生成される水蒸気に蓄えられたエネルギーを、空気圧エネルギー、電気エネルギー、油圧エネルギー、機械的エネルギー、ヒートポンプのエネルギー、熱エネルギー、航空機エンジンの駆動エネルギー、及び航空機の推進エネルギーより成る群から選択したエネルギーの１つ以上に変換するように構成される、請求項１又は２に記載の供給システム。
- エネルギー生成を制御し、又は前記蒸気発生部（１０９）の供給を制御するために制御部（１２９）をさらに備え、該制御部（１２９）は、航空機エンジンへの駆動エネルギー又は航空機の推進エネルギーを与える必要に応じて、供給システムを接続するようにさらに構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の供給システム。
- 水分離器を有する水ユニット（１１８，１１９，１２０）をさらに備え、該水分離器が前記蒸気発生部（１０９）の水蒸気から水を分離するように構成された、請求項１から４のいずれか１項に記載の供給システム。
- 前記水ユニット（１１８，１１９，１２０）がさらに、一時的な貯水のために中間の貯水ユニット（１２９）を有する、請求項５に記載の供給システム。
- 燃料電池（１１０）をさらに備え、該燃料電池（１１０）が、エネルギー変換部（１１６）に水蒸気を供給し、又は電気エネルギー若しくは推進エネルギーを得るために使用可能とされる、請求項１から６のいずれか１項に記載の供給システム。
- 供給ユニット（１０１乃至１０８）が、水素を発生させる水素発生器（１０４）及び酸素を発生させる酸素発生器（１０３）より成る群から選択した１つ以上のユニットを有する、請求項２から７のいずれか１項に記載の供給システム。
- 供給ユニット（１０１乃至１０８）が周囲空気ユニット（１０１）又は酸素貯蔵ユニット（１０２）からの酸素を供給するように構成されるとともに、前記供給ユニット（１０１乃至１０８）が水素貯蔵ユニット（１０４）からの水素を供給するように構成される、請求項２から７のいずれか１項に記載の供給システム。
- 前記混合器（１３２）がさらに、前記蒸気発生部（１０９）に供給される冷却空気の量を制御するように構成される、請求項１から９のいずれか１項に記載の供給システム。
- 航空機において水を生成するために、請求項１から１０のいずれか１項に記載の供給システムを使用する方法。
- 航空機において航空機用の駆動エネルギーを得るために、請求項１から１０のいずれか１項に記載の供給システムを使用する方法。
- 航空機に水を供給する方法であって、
蒸気発生部（１０９）において水素及び酸素から水蒸気を生成するステップと、
混合器（１３２）によって、生成した水蒸気の温度又は量を制御するために、蒸気発生部（１０９）に供給される水の量を制御するステップと、
水ユニット（１１８，１１９，１２０）において、前記蒸気発生部（１０９）の水蒸気から水を分離するステップと、を有する方法。 - 前記蒸気発生部（１０９）によって生成される水蒸気で航空機を駆動するステップをさらに有する、請求項１３に記載の方法。
- 請求項１から１０のいずれか１項に記載の供給システムを備えた航空機。
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