JP2010142801A - 空気分離モジュールに所定の温度の空気を供給する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】航空機のエンジンブリードなどの高温の圧縮空気は、空気分離モジュールに送られるまでに、ダクトや熱換器における熱の損失が大きい。
【解決手段】圧縮空気源２２０が、ダクト２６０と、圧縮空気を空気分離モジュール２１５まで直接的に送る第１の経路２４０と、を介して、高温の圧縮空気を通流させるとともに、熱交換器２３０内を通る第２の経路２２５を介して高温の圧縮空気を通流させる。熱交換器２３０内を通る第２の経路２２５は、熱交換器２３０の下流に配置されている弁２４５によって調節される。センサ２５０が、空気分離モジュール２１５に流入するときの空気の温度を測定し、コントローラ２５５が、センサ２５０からのフィードバックを受けるとともに、第１の経路と第２の経路からの温度の異なる空気の混合物が適当な温度となって空気分離モジュールに供給されるように、弁２４５の位置を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気分離モジュールに所定の温度の空気を供給する装置および方法に関する。

航空機には、燃料タンク事故を少なくするために、搭載型不活性ガス発生システム（ＯＢＩＧＧＳ：ｏｎ ｂｏａｒｄ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を使用しているものがある。燃料タンク内のエアスペースに存在する危険性のある燃料／空気混合物（このような混合物は「アレージ（ｕｌｌａｇｅ）」として知られる）は、該アレージの酸素含有率を減らすことによって、希釈され、最小限に抑えられる。ＯＢＩＧＧＳは、アレージに窒素リッチの空気（ＮＥＡ：ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｅｎｒｉｃｈｅｄ ａｉｒ）を添加することによって希釈を行う。ＯＢＩＧＧＳは、周囲空気から酸素を分離し、酸素が奪われて比較的不活性なＮＥＡを燃料タンクに圧送する。

ＯＢＢＩＧＳは、空気分離モジュール（ＡＳＭ：ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）内の通気膜（ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ）を使用することによってＮＥＡを生成することができる。空気分離モジュールは、一般に、両端に入口および出口を備えるとともに、側面にベントポートを備えた円筒状のシェル内に、中空の通気性繊維部材の束が詰められたものからなる。圧縮空気が空気分離モジュール入口から入って中空の繊維を通るときに、この繊維壁を通しての拡散によって、酸素が空気流から分離される。酸素は、側面のベントポートを介して流出し、ここで捕集することもができるが、この酸素は排気ガスとして機外に捨てられることが多い。

残りの空気は、窒素リッチであると考えられる。なぜなら、空気中のガスの通常レベルでは、空気からすべての酸素が除かれた場合、残りの空気の約９７％は、窒素だからである。しかし、ＮＥＡに含まれる通常の酸素濃度は、ゼロではないことが多い。

残ったＮＥＡは、１つまたは複数の燃料タンクを不活性にして燃焼の可能性を低減することを目的として、出口ポートを介して空気分離モジュールから流出し、該１つまたは複数の燃料タンクのアレージスペースに供給される。空気分離モジュールは、管を通過する酸素の通気の点では、通常１８０°Ｆ〜２００°Ｆ（約８２℃〜約９３℃）の高温において、最も効率よく作動する。

ＮＥＡ発生に使用される圧縮空気は、通常、航空機内のエンジンブリードシステムまたは他の圧縮源からのものである。エンジンブリードシステムでは、圧縮された高温の空気は、普通は、熱交換器によって最適な温度まで冷却されてから空気分離モジュールまで通気される。

本発明の非制限的な一実施例によると、空気分離モジュールに所定の温度の空気を供給する装置であって、ある温度の空気を空気分離モジュールに送る第１の経路と、ある温度の空気を空気分離モジュールに送る第２の経路と、第２の経路が内部を通り、かつその空気の温度を第２の温度になるように調節する熱交換器と、第２の経路を通して流れる空気の量を制御する弁と、を備え、この弁による制御によって、第１の経路と第２の経路を介して空気分離モジュールに送られる空気の温度が空気分離モジュールを作動させるための所望の温度よりも低い場合、ほぼすべての空気が第１の経路を通して流れるようにすることを特徴とする装置が提示される。

本明細書中に示される他の非制限的な実施例によると、所望の温度範囲で作動し、かつ所望の温度範囲よりも低い温度環境下で用いられる空気分離モジュールに、所定の温度の空気を供給する方法であって、空気分離モジュールに第１の空気流を供給し、選択的に熱交換器に第２の空気流を供給し、第１の空気流と第２の空気流とを混合することによって所望の温度範囲で空気を送ることができる場合には、第１の空気流と第２の空気流とを混合すること、を含む方法が提示される。

空気分離モジュールに空気を供給する従来技術のＯＢＩＧＧＳを示す概略図。 空気分離モジュールに空気を供給する従来技術のＯＢＩＧＧＳを示す概略図。 空気分離モジュールに空気を供給する本発明のＯＢＩＧＧＳの一実施例の概略図。 空気分離モジュールに空気を供給する本発明のＯＢＩＧＧＳの他の実施例の概略図。

図１Ａに、空気分離モジュール１５に圧縮空気を供給する従来技術のＯＢＩＧＧＳ１０を示す。航空機エンジン（図示せず）などの圧縮空気源２０が、ダクト６０と２つの別個の経路を介して空気分離モジュール１５に圧縮空気を供給する。第１の経路２５は、弁を介することなく、熱交換器３０を介して、高温の圧縮空気の第１の部分を供給する。熱交換器３０は、高温の圧縮空気を取り入れ、周囲空気または航空機内の他の冷却空気源３５（図示せず）を使って、この高温の圧縮空気を冷却する。第２の経路４０は、弁４５を介して、高温の圧縮空気の第２の部分を供給し、この第２の部分は、熱交換器３０を通過した空気の下流で第１の経路２５内の空気と混合する。

空気分離モジュール１５は、一般に、効率良く作動するために、１８０°Ｆ〜２００°Ｆ（約８２℃〜約９３℃）付近の温度の空気を要求する。圧縮空気源２０からの空気は、一般に、３００°Ｆ〜５００°Ｆ（約１４９℃〜約２６０℃）の範囲の温度で供給される。センサ５０が、空気分離モジュールに流入するときの空気の温度を測定し、コントローラ５５が、センサ５０からのフィードバックを受けて、第１の経路２５と第２の経路４０からの異なる温度の空気の混合物が適当な温度となって空気分離モジュールに供給されるように、弁４５の位置を制御する。

図１Ｂに、空気分離モジュール１１５に圧縮空気を供給する第２の従来技術のＯＢＩＧＧＳ６５のシステムを示す。このシステムによると、空気分離モジュール１１５に送られる空気のすべてが、熱交換器１３０に送られて冷却されてから空気分離モジュール１１５に供給される。このシステムは、熱交換器１３０に供給される冷却空気の量を弁１４５で制御することによって、空気分離モジュールに送られる空気の温度を調節する。センサ１５０が、空気分離モジュール１１５に流入するときの空気の温度を測定し、コントローラ１５５が、センサ１５０からのフィードバックを受けて、空気分離モジュール１１５に送られる空気が空気分離モジュール１１５を効率良く作動させるのに適当な温度範囲まで冷却されるように、熱交換器１３０へ冷却空気を導く弁１４５の位置を制御する。

図１Ａおよび図１Ｂに示す従来技術のシステムには、問題点がある。圧縮空気源２０，１２０、熱交換器３０，１３０および空気分離モジュール１５，１１５を繋いでいるダクト６０，１６０や経路４０，１４０，２５，１２５内を流れている時に、熱の損失が大きい。例えば、高度３０，０００フィート（約９，１４４メートル）における外気温は、−３０°Ｆ（約−３４℃）以下になり得る。そのような低温においては、システム内で大きな熱の損失が生じることがある。この熱の損失によって、空気分離モジュールに送られる空気の最高温度が、空気分離モジュールを効率良く作動させるのに適当な温度範囲よりも低くなることがある。ダクト内の熱の損失の問題をさらに複雑にすることとして、航空機エンジン（図示せず）は、高所での要求動力が小さく、エンジンブリードエアの温度がブリードエア温度範囲の最低温度となり得るということがある。

例えば、図１Ａの例においては、熱交換器３０内を流れている冷却空気が調節されず、高所における非常に冷たい空気が熱交換器３０内を流れるので、高温の空気を第２の経路４０に導く弁４５が完全に開いている場合でも、ダクト６０および経路２５，４５に冷たい空気が作用することと相俟って、１８０°Ｆ（約８２℃）よりも温度が低下してしまうことがある。この場合には、熱交換器３０を通る第１の経路２５内の圧縮空気の温度が下がり過ぎてしまうので、弁４５を介して第２の経路４０に流れる高温の圧縮空気の量では、混合空気の温度を１８０°Ｆ〜２００°Ｆ（約８２℃〜約９３℃）まで上昇させることができない。

また、図１Ｂの例においては、高温の圧縮空気のすべてが、熱交換器１３０を通って流れる。冷却空気源１３５から熱交換器１３０へ流れる冷却空気を調節することができるとしても、ダクト１６０および経路１２５，１４０内における熱の損失と、熱交換器１３０の放熱効果とによって、空気分離モジュールに供給される空気の温度が１８０°Ｆ（約８２℃）よりも低くなってしまうことがある。これは、冷却空気源１３５から熱交換器１３０内へ冷却空気が流れることを可能にする弁１４５が完全に閉じている場合にも、当てはまる。

図２は、空気分離モジュール２１５に圧縮空気を供給する本発明のＯＢＩＧＧＳ７０の非制限的な一実施例を示す。この実施例においては、圧縮空気源２２０が、ダクト２６０と、圧縮空気を空気分離モジュール２１５まで直接的に送る第１の経路２４０と、を介して、高温の圧縮空気を通流させる。この圧縮空気源２２０は、また、熱交換器２３０内を通る第２の経路２２５を介して高温の圧縮空気を通流させる。熱交換器２３０内を通る第２の経路２２５は、熱交換器２３０の下流に配置されている弁２４５によって調節される。センサ２５０が、空気分離モジュール２１５に流入する空気の温度を測定し、コントローラ２５５が、センサ２５０からのフィードバックを受けて、第１の経路と第２の経路からの温度の異なる空気の混合物が適当な温度となって空気分離モジュールに供給されるように、弁２４５の位置を制御する。

図２を参照すると、熱交換器２３０を通る低温空気流を制御する弁２４５が閉じられている場合、高温の圧縮空気は、第１の経路２４０を通って直接的に空気分離モジュールまで流れる。換言すれば、従来技術とは異なり、高温の圧縮空気の出力を、先に熱交換器２３０に通すこと（図１Ａおよび図１Ｂを参照）なく、直接的に空気分離モジュールまで送ることができるので、ダクト２６０、第２の経路２２５および熱交換器２３０における熱の損失によって空気分離モジュール２１５に流入するときの空気の温度が要求温度よりも低下することがない。熱交換器２３０、経路２２５，２４０およびダクト２６０を流れている圧縮空気の熱の損失が大き過ぎる場合、冷却は必要ではない。

図３は、空気分離モジュール３１５に圧縮空気を供給するＯＢＩＧＧＳ７０の他の実施例である。この実施例においては、圧縮空気源３２０は、ダクト３６０と、圧縮空気を空気分離モジュール３１５まで直接的に送る第１の経路３４０と、を介して、高温の圧縮空気を通流させる。この圧縮空気源３２０は、また、熱交換器３３０内を通る第２の経路３２５を介して高温の圧縮空気を通流させる。第１の経路３４０内を流れている空気と、第２の経路３２５内を流れている空気と、の比率は、熱交換器３３０の上流に配置されている弁３４５によって調節される。センサ３５０が、空気分離モジュール３１５に流入するときの空気の温度を測定し、コントローラ３５５が、センサ３５０からのフィードバックを受けて、第１の経路と第２の経路からの異なる温度の空気の混合物が適当な温度となって空気分離モジュールに供給されるように、弁３４５の位置を制御する。

さらに図３を参照すると、熱交換器３３０を通る低温空気流を制御する弁３４５が閉じられている場合、高温の圧縮空気は、第１の経路３４０を通って直接的に空気分離モジュールまで流れる。換言すれば、従来技術とは異なり、高温の圧縮空気の出力を、先に熱交換器３３０を通すこと（図１Ａおよび図１Ｂを参照）なく、空気分離モジュールまで直接的に送ることができるので、ダクト３６０、第２の経路３２５や熱交換器３３０における熱の損失によって空気分離モジュール３１５に流入するときの空気の温度が要求温度よりも低下することがない。熱交換器３３０、経路３２５，３４０およびダクト３６０を流れている圧縮空気の熱の損失が大き過ぎる場合、冷却は必要とされない。

以上の説明は、本発明の範囲を限定するためのものではなく、例示するためのものである。本明細書中にさまざまな非制限的な実施例を開示したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、上記の教示を参照して、さまざまな変更および修正がなされ得ることを理解されるであろう。そのため、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、具体的に説明した以外の態様で本発明が実施され得ることを理解されたい。

２１５…空気分離モジュール
２２０…圧縮空気源
２３０…熱交換器
２３５…冷却空気源
２５５…コントローラ
３１５…空気分離モジュール
３２０…圧縮空気源
３３０…熱交換器
２３５…冷却空気源
２３０…熱交換器
２５５…冷却空気源

Claims (10)

1. 空気分離モジュールに所定の温度の空気を供給する装置であって、
   ある温度の空気を上記空気分離モジュールに送る第１の経路と、
   ある温度の空気を上記空気分離モジュールに送る第２の経路と、
   上記第２の経路が内部を通り、かつその空気の温度を第２の温度になるように調節する熱交換器と、
   上記第２の経路を通して流れる空気の量を制御する弁と、
   を備え、
   上記弁による制御によって、上記第１の経路と第２の経路を介して上記空気分離モジュールに送られる空気の温度が上記空気分離モジュールを作動させるための所望の温度よりも低い場合、ほぼすべての空気が上記第１の経路を通して流れるようにすることを特徴とする装置。
2. 上記第１の経路と第２の経路が上記熱交換器の下流で合流することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 上記第１の経路および第２の経路に、ある温度の圧縮空気を供給する圧縮空気源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 上記弁は、上記熱交換器の上流に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 上記弁は、上記熱交換器の下流に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 所望の温度範囲で作動し、かつ該所望の温度範囲よりも低い環境下で用いられる空気分離モジュールに、所定の温度の空気を供給する方法であって、
   上記空気分離モジュールに第１の空気流を供給し、
   選択的に熱交換器に第２の空気流を供給し、
   上記第１の空気流と第２の空気流とを混合することによって上記所望の温度範囲で空気を送ることができる場合には、上記第１の空気流と第２の空気流とを混合すること、
   を含む方法。
7. 上記混合された空気流を上記分離モジュールに供給することをさらに含む請求項６に記載の方法。
8. 上記混合することによって上記所望の温度範囲で空気を送ることができない場合には、上記第１の空気流と第２の空気流とを混合しないことをさらに含む請求項６に記載の方法。
9. 選択的に第２の空気流を供給することが、上記熱交換器の上流での弁の調整を含む請求項６に記載の方法。
10. 選択的に第２の空気流を供給することが、上記熱交換器の下流での弁の調整を含む請求項６に記載の方法。

Images