JP2017137862A - 航空機点火システムに用いられる固体スパーク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】航空機のジェットエンジンに用いられる、容量性放電点火の励振器を提供する。
【解決手段】固体スパーク装置は、航空機点火システムのＣＤＩ励振器における２端子スパークギャップとして動作する。装置は、トリガ変圧器と、トリガ回路と、制御回路とを含む。トリガ回路は、変圧器の第１コイルに電気的に接続され、トリガ電圧までトリガ回路が充電されたことに応じて第１コイルに電流を供給するように接続された複数の回路素子を含む。トリガ変圧器の第１コイルに流れる電流は、変圧器の第２コイルに出力を誘導する。制御回路は、第２コイルに電気的に接続される。制御回路は、第２コイルからの出力によって制御されるスイッチを含む。スイッチは、トリガ回路によって活性化されたとき、励振器からのエネルギーを航空機点火システムの点火器に放電する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般にタービンエンジン点火システムに関し、より特定的には、航空機のジェットエンジンに用いられる、容量性放電点火（ＣＤＩ（Capacitive Discharge Ignition））の励振器に関する。

航空機の多くは、タービンエンジンによって動かされる。タービンエンジン（またはガスタービンともいう）は、下流側のタービンと結合した上流側の回転式圧縮機と、燃焼チャンバーとを有する内燃機関の１つのタイプである。燃焼チャンバーでは、燃料が噴射され燃焼することにより、高速度を有する高圧の排気が生成される。空気がタービンエンジンに入ると、燃料が追加され、容量性放電点火（ＣＤＩ）システムのような適切な点火システムを用いて点火される。容量性放電システムは、燃焼室内の点火器にスパーク放電を生成し、燃料を点火する励振器を含む。典型的には、容量性放電点火システムにおける励振器の部分は、スパークギャップガス放電管（ＳＧＴ（Spark-gap Gas-discharge Tube））を用いて当該スパーク放電を作り出す。ＳＧＴは、空気を介在させて離れて配置された二つの電極または不活性ガス環境下のスパークギャップを含む。ＳＧＴは、点火器と電源から電荷を受ける蓄積コンデンサとの間に電気的に接続される。蓄積コンデンサの電圧がＳＧＴのトリガ電圧を超えると、ＳＧＴは、導通を開始してコンデンサから蓄積されたエネルギーを放出し、最終的に点火器をスパークさせる。

典型的なＳＧＴの構成では、ＳＧＴの２つの電極は、封入され、ガラス容器の中で大気から封止される。ガラス容器には、エネルギーを放出することにより点火器でスパークを作り出すための一定の電圧レベルを容易にするガスが含まれる。多くのＳＧＴは、ＳＧＴ内の点火を維持するために、放射性のある不活性ガスを用いる。放射性のあるガスで満たされたガラスＳＧＴの使用は、ガラス部材の破壊およびガス漏れのリスクを引き起こし、これにより、ＣＤＩシステムの動作に影響を及ぼしている。

したがって、破壊および漏れの関連リスクなしにＳＧＴの機能を備える代替品を提供することが望まれている。さらに、点火器に供給される一定のスパーク電圧を供給する代替品を提供することが望まれている。

発明の概要
本発明のある局面に従えば、航空機点火システムに用いられる固体スパーク装置が提供される。固体スパーク装置は、トリガ変圧器と、トリガ回路と、制御回路とを含む。トリガ回路は、トリガ変圧器の第１コイルに電気的に接続され、トリガ電圧までトリガ回路が充電されたことに応じて第１コイルに電流を供給するように接続された複数の回路素子を含む。トリガ変圧器の第１コイルに流れる電流は、変圧器の第２コイルに出力を誘導する。制御回路は、第２コイルに電気的に接続される。制御回路は、第２コイルからの出力によって制御されるスイッチを含む。

少なくともいくつかの実施例では、この構成によって、固体スパーク装置は、タービンエンジン点火システムのための励振器の回路に配置され、蓄積コンデンサまたは他の容量性蓄電素子から点火器にスパークエネルギーを供給することができる。固体スパーク装置は、蓄積コンデンサと点火器との間に直列に配置されてもよい。このとき、固体スパーク装置は、２端子装置として提供される。２端子装置は、蓄積コンデンサが点火器のための所望のスパーク電圧に充電される間、蓄積コンデンサから受けた電流を充電することで動作する。

様々な異なる実施例に従えば、固体スパーク装置は、技術的に適切に組み合わされる、以下の１つ以上の特徴を含んでいてもよい。

・固体スパーク装置は、点火器と蓄積コンデンサとの間に直列に接続可能な２端子装置である。

・固体スパーク装置の複数の回路素子は、蓄積コンデンサがスパーク電圧に充電されたときにトリガ回路がトリガ電圧に充電されるように構成される。ここで、スパーク電圧は、３０００〜４２００ボルトの範囲内であり、好ましくは約４０００ボルトである。

・トリガ回路の複数の回路素子の１つは、ダイアック（ＤＩＡＣ（Diode for Alternating Current））である。当該ＤＩＡＣは、トリガ電圧以下の降伏電圧を有し、トリガ回路がトリガ電圧に充電されたときにオンに切り替えられ、トリガ変圧器の第１コイルに電流を供給する。

・トリガ回路の複数の回路素子は、コンデンサと、コンデンサがトリガ電圧に充電されるように配線された複数の抵抗素子とを含む。

・スイッチは、第２コイルからの出力を受けるように接続されたゲートを有するシリコン制御整流子（ＳＣＲ（Silicon Controlled Rectifier））である。

・複数の回路素子は、蓄積コンデンサから受けた電圧がスパーク電圧に達するまで、第１コイルへの電流の供給を妨げる。

・複数の回路素子は、トリガ回路の入力を介して充電されるコンデンサを含む。ここで、トリガ回路は、コンデンサの電圧がトリガ電圧に達したときに第１コイルを通してコンデンサを放電するように構成される。

・トリガ回路がコンデンサを含む場合、トリガ回路は、コンデンサと第１コイルとの間に電気的に接続されたスイッチを含んでもよい。コンデンサがトリガ電圧に充電されたことに応じて、トリガ回路のスイッチは、第１コイルを通してコンデンサを放電する。また、トリガ回路は、トリガ回路の入力とコンデンサとの間に接続された分圧器を含んでもよい。

本発明の好ましい例示的な実施形態は、同様の符号が同様の要素を表す添付の図面とともに、以下に記載される。

図１は、タービンエンジン点火システムの例示的な実施形態のブロック図である。 図２は、図１に示すタービンエンジンの点火システムの一部を構成する励磁器の概略図である。

例証される実施例の詳細な説明
図１は、タービンエンジン点火システム２の例示的な実施形態を示す概略的なブロック図である。タービンエンジン点火システム２は、スパークギャップガス放電管（ＳＧＴ）を必要としないで、点火器のためのスパークエネルギーを供給する固体装置を含む。タービンエンジン点火システム２は、電源４と、容量性蓄電素子６と、点火器８と、固体スパーク装置１０とを含む。一般的には、電源４は、図示されるようにコンデンサ６であってもよい容量性蓄電素子に電荷を印加する。コンデンサ６が十分な電荷を蓄積すると、点火器８が放電し、これにより、燃焼開始スパークが作り出される。コンデンサ６と固体スパーク装置１０とは、点火器８へのコンデンサ６の放電を調整するスイッチとして動作するスパーク装置の励磁器をともに構成し、十分なエネルギーがコンデンサ６に存在するときにのみ放電させる。これにより、十分に強力なスパークを保証する。

図２には、タービンエンジン点火システム２に用いられる、例示的な固体スパーク装置１０の概略図が示される。固体スパーク装置１０は、トリガ回路１２と、制御回路１４と、トリガ変圧器１６とを含む。固体スパーク装置１０は、コンデンサ６に電気的に接続される。コンデンサ６は、最終的に、スパークを生じさせる電圧／電流を点火器８に供給する。システム１０のトリガ回路１２は、コンデンサ６からの入力と、トリガ変圧器１６の１次コイル１７とに電気的に接続される。トリガ回路１２は、その機能を実現するための多数の回路素子を含む。当該多数の回路素子は、分圧器１８と、コンデンサ２０と、スイッチ２２とを含む。分圧器１８とコンデンサ２０との両方は、スイッチ２２に電気的に接続される。本実施例では、スイッチ２２は、ダイアック（ＤＩＡＣ）を用いることによって実現されてもよい。ただし、他のタイプのスイッチを代わりに用いてもよい。

分圧器１８は、２つの抵抗２４，２６から構成される。抵抗２６は、コンデンサ２０に並列に配線される。抵抗２４は、印加される電圧に耐え得る十分に大きい抵抗値を有し、コンデンサ６を通る漏れ電流を低減する。所望のスパークエネルギーを点火器８に提供するために十分なスパーク電圧にコンデンサ６が充電されるまでトリガ回路１２から１次コイル１７への出力電圧が０となるように、トリガ回路１２におけるスイッチ２２および抵抗２４，２６が選択される。コンデンサ６がスパーク電圧（例として、３０００ボルト）に達すると、以下に述べるように、トリガ回路１２が１次コイル１７に電流を出力し、固体スパーク装置１０は、コンデンサ６に蓄積されたエネルギーを点火器８に放電させる。

抵抗２４，２６の抵抗値は、コンデンサ６に対する所望のスパーク電圧とＤＩＡＣスイッチ２２の降伏電圧とに基づいて選択される。したがって、分圧器１８の抵抗２４，２６は、容量性蓄電素子６がスパーク電圧に達したときに、スイッチ２２の降伏電圧に応じたトリガ電圧または降伏電圧と等しいトリガ電圧までコンデンサ２０が充電されるような抵抗値を有する。トリガ回路１２に用いられる抵抗の数および抵抗値は、点火器８に放出される所望のスパーク電圧に依存する。ある実施例では、コンデンサ６がスパーク電圧に達したときにコンデンサ６から点火器８に放電されるように構成されたスパーク装置におけるスパーク電圧を３０００ボルト（Ｖ）とすることができる。この実施例では、スイッチ２２は、約２６０ボルト（Ｖ）の降伏電圧を有するＤＩＡＣであってもよい。降伏電圧とは、スイッチが導通状態になるときの電圧である。スイッチが導通状態になると、電流が１次コイル１７に供給され、変圧器１６に電力が通される。当該電圧においてトリガを得るために、抵抗２４は、３０ＭΩの抵抗を用いて実施され、抵抗２６は、２８４ｋΩの抵抗を用いて実施される。

他の実施例では、コンデンサ６のスパーク電圧およびスイッチ２２のトリガ電圧として、異なる電圧を用いることができる。たとえば、スパーク電圧は、４０００ボルトであってもよいし、たとえば４２００ボルト（Ｖ）までの範囲であってもよい。トリガ回路１２は、所望の電圧トリガ点を達成するために所望のまたは必要な異なる抵抗値または個数の抵抗を用いて実現されてもよい。

容量性蓄電素子６の電圧レベルが増大または強くなるとき、分圧器１８およびコンデンサ２０の電圧も同一のまたは類似の割合で増大する。コンデンサ２０の両端電圧がトリガ電圧に達すると、スイッチ２２の両端電圧が降伏電圧を満たし、電流がコンデンサ２０から１次コイル１７に流れる。スイッチ２２からの電流は、１次コイル１７に流れ、トリガ変圧器１６の２次コイル１９に流れる電流を誘導する。２次コイル１９に生じた誘導電流は、制御回路１４のステアリングダイオード２８に流れる。

制御回路１４は、トリガ変圧器１６の２次コイル１９に電気的に接続され、ステアリングダイオード２８と抵抗３０とを備える。ステアリングダイオード２８と抵抗３０とは、スイッチ３４のゲート３２に電気的な入力を供給する。２次コイル１９に流れる誘導電流は、ステアリングダイオード２８を通じてゲート３２に流れる。２次コイル１９からゲート３２に達する電流によってスイッチ３４が閉じ、スイッチ３４が導通する。その結果、コンデンサ６からの電荷がスイッチ３４を介して点火器８に流れ、これによりスパークを作り出す。２次コイル１９における誘導電流が減少すると、コンデンサのエネルギーが放出された後に、ゲート３２に流れる電流が停止し、スイッチ３４が開く。この処理は、コンデンサ６の次の充電によって、次のスパークのために繰り返される。スパーク速度（spark rate）は、当業者に公知または自明な他の技術を用いるとともに、抵抗２４，２６の抵抗値に基づいてある程度制御される。

スイッチ３４は、ＭＯＳ制御半導体スイッチのような、サイリスタまたはシリコン制御整流子（ＳＣＲ）を用いて実現される。ある特定の実施例において、固体スパーク装置１０に用いられるスイッチ３４として、米国特許第７，８８０，２８１号公報に記載のスイッチアッセンブリーを用いることができる。当該公報の開示全体は、ここに参照によって本明細書に引用される。抵抗３０は、スイッチ３４のゲート３２にローインピーダンスを供給するために用いられる。これにより、電磁干渉（ＥＭＩ）または他のスイッチングノイズの影響を低減できる。

前述の説明は、本発明自体の説明ではなく、本発明の１つ以上の好ましい例示的な実施例の説明であることが理解される。本発明はここに開示された特定の実施例に限定されず、もっぱら下記の請求項によって規定される。上記で認定される抵抗およびスイッチは、一般には、抵抗またはスイッチを含む用語「回路素子」によって認定される。さらに、前述の説明に包含された記述は特定の実施例に関し、用語または句が上記に明らかに定義される場合を除いては、本発明の範囲または請求項中に用いられた用語の定義に対する制限として解釈されてはならない。さまざまな他の実施例および開示された実施例へのさまざまな変更および修正が当業者には明らかになる。そのようなすべての他の実施例、変更および修正は、添付の請求項の範囲内にあるように意図される。

この明細書および請求項中に用いられたように、用語「たとえば」、「例として」、「例えば」、「のような」、および動詞「備える」、「有する」、「含む」、ならびにそれらの他の動詞形は、列挙される１つ以上の構成要素または他の項目に関連して用いられた場合は各々無制限のものとして解釈され、その列挙が他の付加的な構成要素または項目を排除するようには考慮されないことを意味する。他の用語は、それが異なる解釈を必要とするコンテキストにおいて用いられるのでなければ、その合理的な最も広い意味を用いて解釈されるべきである。

Claims (11)

1. 航空機点火システムに用いられる固体スパーク装置であって、
   第１コイルと第２コイルとを有するトリガ変圧器と、
   前記第１コイルに電気的に接続されたトリガ回路とを備え、
   前記トリガ回路は、トリガ電圧まで前記トリガ回路が充電されたことに応じて前記第１コイルに電流を供給するように接続された複数の回路素子を含み、前記トリガ変圧器の前記第１コイルに流れる電流は、前記第２コイルに出力を誘導し、
   前記固体スパーク装置は、前記第２コイルに電気的に接続される制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記第２コイルからの前記出力によって制御されるスイッチを含む、固体スパーク装置。
2. 前記固体スパーク装置は、点火器と、前記点火器にスパークを作り出すために十分なスパーク電圧まで充電する容量性蓄電素子との間に直列に接続可能な２端子装置である、請求項１に記載の固体スパーク装置。
3. 前記スパーク電圧は、３０００〜４２００ボルトの範囲内であり、
   前記複数の回路素子は、前記容量性蓄電素子が前記スパーク電圧に充電されたときに前記トリガ回路が前記トリガ電圧に充電されるように構成される、請求項２に記載の固体スパーク装置。
4. 前記スパーク電圧は４０００ボルトである、請求項３に記載の固体スパーク装置。
5. 前記複数の回路素子の１つはダイアック（Diode for Alternating Current（ＤＩＡＣ））である、請求項１に記載の固体スパーク装置。
6. 前記トリガ回路の前記複数の回路素子は、コンデンサと、前記コンデンサが前記トリガ電圧に充電されるように配線された複数の抵抗素子とを含む、請求項１に記載の固体スパーク装置。
7. 前記スイッチは、前記第２コイルからの前記出力を受けるように接続されたゲートを有するシリコン制御整流子（Silicon Controlled Rectifier（ＳＣＲ））である、請求項１に記載の固体スパーク装置。
8. 前記複数の回路素子は、容量性蓄電素子から受けた電圧がスパーク電圧に達するまで、前記第１コイルへの電流の供給を妨げる、請求項１に記載の固体スパーク装置。
9. 前記複数の回路素子は、前記トリガ回路の入力を介して充電されるコンデンサを含み、
   前記トリガ回路は、前記コンデンサの電圧が前記トリガ電圧に達したときに前記第１コイルを通して前記コンデンサを放電するように構成される、請求項１に記載の固体スパーク装置。
10. 前記トリガ回路の前記複数の回路素子は、前記コンデンサと前記第１コイルとの間に電気的に接続されたスイッチを含み、
    前記コンデンサが前記トリガ電圧に充電されたことに応じて、前記トリガ回路の前記スイッチは、前記第１コイルを通して前記コンデンサを放電する、請求項９に記載の固体スパーク装置。
11. 前記トリガ回路は、前記トリガ回路の入力と前記コンデンサとの間に接続された分圧器を含む、請求項１０に記載の固体スパーク装置。

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