JP2020522422A - コックピット及び乗員休憩所の空気品質センサ - Google Patents

Abstract

開示されるのは、コックピット、乗員休憩所、又は航空機の他のエリア内の空気品質のエリアセンサである。有毒ガス、燃料蒸気、一酸化炭素、及び他の蒸気は、航空機の搭乗員に重大なリスクを引き起こす可能性がある。有毒ガスは、航空機のパイロットに眠気、不注意、又は混乱を引き起こし、航空機に搭乗している全ての者を危険にさらし得る。測定値を取得して、酸素マスクを着用するなど、有毒ガスを軽減することができるように、このような事象をモニタして客室乗員に警告する必要性が存在する。この問題を引き起こす可能性がある、遭遇する蒸気の多くが無色及び／又は無臭であり、したがって、特に、蒸気が多量であって曝露がパイロットの認識能力を低下させるのに十分長くても、常に搭乗員によって検出されるとは限らない。

Description

今日、航空機客室内の空気品質を測定するシステムは、酸素マスクに、又は環境空気中の揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ，ＶＯＣ）物質をモニタする環境冷却システム（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，ＥＣＳ）と結び付けられている。ＥＣＳシステム及びＶＯＣシステムは、ＥＣＳシステム及びＶＯＣシステムが取り付けられたホストと共に電気的に機能する。ＥＣＳシステム及びＶＯＣシステムは、気流システム及び警告システムを航空機レベルで制御する。一般に、ＥＣＳシステム及びＶＯＣシステムは、ポンプシステムの吸気又は排気に存在する。航空機客室、コックピット、及び乗員休憩所エリア内で循環する空気の全てが、単一のセンサを通して混じり合う。センサが混じり合った空気を測定するため、センサは、航空機環境内の全ての空気を総合的に測定する。酸素マスクに関するシステムのＥＣＳ及びＶＯＣは、酸素と他の化合物との混合物を制御して、緊急事態の間、パイロット又は乗客に高品質の空気を送達する。本明細書に開示された実施形態は、「エンジンからの外気、ＡＰＵの地上の空気供給源、及び再循環させた客室空気の比率を最適化する航空機環境制御システム（Ａｉｒｃｒａｆｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｏｕｔｓｉｄｅ ａｉｒ ｆｒｏｍ ｅｎｇｉｎｅｓ， ＡＰＵ’ｓ， ｇｒｏｕｎｄ ａｉｒ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｅｄ ｃａｂｉｎ ａｉｒ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｏｃｃｕｐａｎｔ ｃｏｍｆｏｒｔ ａｎｄ ｍａｘｉｍｉｚｅ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ）」という名称の特許文献１などの総合的な空気品質をモニタするために使用される典型的な集中化されたダクトセットとは異なる。

上述したように、航空機は空気品質センサを使用して、燃料、液剤、欠陥のある電子機器からの蒸気の放出などの事象をモニタする。この検知技術は、客室を通した混じり合った空気を測定し、空気品質劣化の特異点を分離しない。一酸化炭素などのいくつかのガスは、透明かつ無臭である可能性があり、十分に高濃度に存在する場合でも、航空機搭乗員に認識低下を生じさせ得る。一酸化炭素が検知の低下を生じさせると、パイロットは誤りを犯し、又は判断力低下に陥る。このような誤り及び判断力低下は、大惨事につながり得る。正確なガス供給源の位置を検出することができる航空機システムであれば、航空の安全に特に有利であり、かつ役立つ。

電子機器、リチウム電池のガス放出などの活性な機器事象は、これらの事象において一般に有毒ガスが急速に拡散することから、即時の通知を必要とする。乗員休憩所エリアなどの密閉エリアでは、数分程度で空気品質低下が起こり、呼吸圧迫、認識能力の喪失を生じさせ得る。

これらは、搭乗員に近い電子機器周辺の局所的な空気品質をモニタする小型のモジュール式センサユニットの必要性を残す。特に、制限された気流を有し得る、かつガス放出する電子機器の発生源に近接する乗員休憩所などのエリアにおけるこのようなユニットの必要性が存在する。ガス発生源の例としては、キャパシタの液漏れ事象、又は、電池不具合の初期段階における、リチウム電池によって電源供給される装置が挙げられ得る。モニタリング及び事象警告は、事象がパイロットの認識能力を低下させる可能性があるため、起こり得る航空機飛行安全障害を防止する。

米国特許第９，９５７，０５２（Ｂ２）号明細書 米国特許出願第１５／４２７１３１号明細書

本装置は、任意の表面上、パネルの後ろ、電子機器の近く、パイロット又は乗務員の近くに配置することが可能である、電池によって電源供給されるセンサ又はエネルギーハーベスティングセンサである。このセンサは、必要に応じて、リアルタイムに、又はリアルロケーションで空気品質をモニタする。実施形態において、センサは、検出された空気品質をデータ収集システムに送信する無線装置を含んでもよい。データ収集システムが、センサ周辺の環境空気の健全性をモニタしてもよい。空気品質データを操作し、記憶収集システムに送信して、飛行中又は飛行後のいずれかで分析することが可能である。分析がこの空気品質データを使用して、航空機の特定エリア内の乗務員のリスクをより良く理解することができる。

実施形態において、本空気品質センサは、予め指定された蒸気濃度を判定するのに有効な検出器を含む。センサは、また、それぞれ検出器に結合された、電源及びマイクロコントローラを含む。ハウジングが、検出器を内包し、ハウジングを通して延在する取入れ口及び取出し口を有する。

ポンプ無しセンサアセンブリの上面図を示す。 ポンプ付きセンサアセンブリの上面図を示す。 ポンプ無しセンサアセンブリの側断面図及び上面図を示す。 ポンプを含むセンサアセンブリの側断面図及び上面図を示す。 センサアセンブリの回路図を示す。 圧電式気動素子を含むポンプの側断面図を示す。

図１ａは、コックピット、乗員休憩所、又は空気品質の検知が望まれる航空機の任意の他のエリアにセンサ１０がアクセスできるようにするセンサ通気口１４を含むセンサ１０を表す。センサ１０は、（図２に示すような）マイクロコントローラ（ｕＣ）２６の制御下で周囲空気の周期的なサンプルを取得する。センサ１０及びｕＣ２６は、（図３に示すように）双方向の集積回路間（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ，Ｉ２Ｃ）バス４４を介して通信する。ｕＣ２６は、コマンドストリングを送信してセンサ１０をウェイクさせ、センサ１０に測定を実行させ、次いでセンサ１０をスリープに戻す。センサ１０を低電力モードにすることによって省電力を保全し、適切な条件でのエネルギーハーベスティングからのセンサ１０への電力供給を容易にする。「自律データ収集ネットワークシステム（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｄａｔａ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）」という名称のジョーパー（Ｊｏｕｐｅｒ）による特許文献２は、エネルギーハーベスティングによる、センサ及び通信ネットワークへの電源供給を記載している。特許文献２の開示は、その全体が参照により本明細書に援用される。

実施形態において、センサ１０は、抵抗素子を備えたマイクロ加熱プレートを含んでもよい。加熱プレートは、３５０Ｃなどの高温に達してもよい。ＶＯＣ素子が抵抗素子に接触し、ＶＯＣは変化の値を読み取る。これらの、値の変化は、センサ１０によって読み取られる１０億分の１（ｐｐｂ）空気品質測定値に相関する。ＶＯＣセンサ２８は、ＣＯ、ＣＯ２、及びＮＯ２などのいくつかの有機化合物の存在をモニタすることが可能である。ＶＯＣセンサ２８は、また、他の還元（ＣＯ）ガス又は酸化（ＮＯ２）ガスをモニタし、それら還元ガス又は酸化ガスを測定することが可能である。センサ１０は、ｐｐｂで表した全揮発性有機化合物（Ｔｏｔａｌ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ，ＴＶＯＣ）レベルを報告してもよい。このレベルは、８００ｐｐｂなどのＴＶＯＣの公称レベルと比較される。選択されたレベルを、環境内の公称ＴＶＯＣレベルによって考慮し、これを上回るレベルが記録されると、センサ１０は、この上回るレベルが閾値を上回る場合に、ＩＮＴを設定することが可能である。センサは、好ましくは、各読みに対する比較に向けて、ｕＣ２６内の不揮発性メモリに値を記憶することができる。ｕＣ２６に値を記憶することによって、センサ１０の位置に基づいて、種々の環境レベルに対してシステムの機能性を調整することができる。ｕＣ２６は、ＴＶＯＣレベルに大幅な変化があったときに、空気品質が、大幅に低下し、客室乗員による介入を必要とすることを知らせてもよい。

初期化中、ｕＣ２６は、ＶＯＣセンサ２８を、センサ１０の周囲の空気を周期的にサンプリングするモードに設定する。設定されると、センサ２８は、特定のレートで空気品質サンプリングを実行する。例えば、ＶＯＣセンサ２８は、１５秒毎に空気品質サンプルを取得してもよい。サンプリングの周期は、モニタされるエリア、必要とされる電池寿命、及びシステム要件に関連する。この周期は、センサが、近接する能動機器である場合のミリ秒から、センサが乗員休憩所などのエリア内にある場合の毎分まで、任意であり得る。

図１ｂは、センサ１０中に空気を移動させて局所的なエリアにおける空気のサンプリングを支援するために使用され得るポンプ３０を表す（図４に示すような圧電式気動素子など。圧電式気動素子の代表的な例は、Ｃｕｒｉｅｊｅｔ（登録商標）による液体／ガスマイクロポンプである）。この処理は、十分な測定値を取得するために、必要に応じて繰り返されてもよい。センサ中に空気を移動させることにより、サンプリングの直前に周期的に空気を吸引することによって、センサ１０のサンプリングエリアが増大することとなる。センサ１０内の空気の入替えは、センサ１０が事象を検出する能力を高める。ただし、これは、全ての動作例には必要とされない。

ポンプ３０が使用される場合、ｕＣ２６は、ＶＯＣセンサ２８のサンプリングの前に、１０〜１０００ミリ秒といった十分に長い期間にわたってポンプ３０を稼働させてもよい。このことにより、センサ１０内でサンプリングされる空気の十分な入替えが可能になる。ポンプ３０は、ＶＯＣセンサ２８の外壁３２に開口した取入れ口１６に配置される。ポンプ３０を稼働させると、センサハウジング１８の外壁３２を貫通する取入れ口１６を介して空気が吸引される。ポンプ３０の排気は、ＶＯＣセンサ２８の取入れ口１６内に空気を供給する。ＶＯＣセンサ２８の外壁３２を貫通するセンサ通気口１４は、センサ１０のハウジング１８を通して既にセンサ１０内にある空気を排気する。これにより、既にセンサ１０内にある空気とセンサ１０の外の空気との十分な入替えが可能になる。

図２ａ及び図２ｂは、それぞれ、ポンプ３０を備えたセンサ１０と、ポンプ３０を備えないセンサ１０とのアセンブリ図である。これらの実施形態において、センサ１０は、ＬＥＤ２４、ｕＣ／無線装置２６、ＶＯＣセンサ２８、任意選択的なポンプ３０、及びこれらの構成要素の各々をまとめて閉囲する外壁３２を有する。電気回路網において、構成要素の各々が接続されている。ｕＣ／無線装置２６は、ＶＯＣセンサ２８及びＩ２Ｃバス４４に接続されている。ｕＣ２６及びＶＯＣセンサ２８に電源供給するために、ｕＣ／無線装置２６に電池２２アセンブリが接続されている。

図３は、例示的なシステムの概略図である。図３は、単一のモジュール内のマイクロコントローラ及び送信／受信無線装置２６を示す。マイクロコントローラ２６と、空気循環に供されるマイクロポンプ３０と、ＶＯＣセンサ１０は、システムに電源供給する電池２２と共に、システム一式をなす。

図３は、さらに、一式に供されるマイクロポンプ３０を含む実施形態を表すが、マイクロポンプ３０は、あらゆる実施形態には必要とされない。図３は、センサ１０に接続されて、Ｉ２Ｃバス４４を介してセンサ１０と通信するｕＣ／無線装置２６を表す。図３は、さらに、データインタフェース及びクロックインタフェースを含む実施形態について、既知の状態へのプルアップを与える抵抗Ｒ３及びＲ４ ４６を表す。ＩＮＴ４６、ＲＥＳＥＴ４８、及びＷＡＫＥ５０の接続部は、センサの動作状態を制御して、動作状態をＷＡＫＥモード又はＳＬＥＥＰモードにし、ＲＥＳＥＴ４８は、センサ１０のファームウェア問題が生じた場合にセンサ１０をリセットすることが可能であり、ＩＮＴ４６は、センサ１０がｕＣ２６に対する測定を完了したことを知らせる、センサ１０からの割込み出力である。ＬＥＤ２４は、例として、電源ＯＮ、毎秒１回という第１のレートでの点滅による動作状態、又は毎秒２回という第２のレートでの点滅による故障に対する光インジケータとして使用される。電池２２は、回路図上の全ての構成要素に動作電源を供給する。圧電ポンプ３０は、任意選択的に、ＶＯＣセンサ２８中に空気を移動させて、ポンプが無ければ必要になるであろう空気入替え時間の間待機することなく、空気のサンプリングを増加させる方法を提供することが可能である。

図４は、ハウジング３６及びダイヤフラム３８に結合された圧電式気動素子３４を使用するポンプ３０の実施形態を表す。このポンプは、圧電式気動素子３４を第１の方向に移動させる場合に入力ポート４０を通して空気を吸引し、第２の方向に移動させる場合に出力ポート４２を通して空気を排出するように、圧電式気動素子３４が電気制御下で移動することを可能にする。圧電式気動素子３４の移動方向は、圧電式気動素子３４への電流の供給を正とするか、又は負とするかによって制御される。

Claims (19)

1. センサ１０であって、
   蒸気濃度を判定するのに有効な検出器と、
   前記検出器と電気的に相互接続された電源と、
   前記検出器とデータ通信するマイクロコントローラ２６と、
   前記検出器に接続された無線装置２６と、
   前記検出器を内包するハウジング１８であって、前記ハウジング１８から延在する取入れ口１６及び取出し口を有する、ハウジング１８とによって特徴付けられるセンサ１０。
2. 前記蒸気濃度が予め指定されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ１０。
3. 前記蒸気が、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）及び一酸化炭素からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ１０。
4. 前記電源が、電池２２及びエネルギーハーベスタからなる群から選択されることを特徴とする、請求項３に記載のセンサ１０。
5. 前記取入れ口１６を通して前記ハウジング１８内に空気を吸引するのに有効なポンプ３０によってさらに特徴付けられる、請求項４に記載のセンサ１０。
6. 前記ポンプが圧電素子を含むことを特徴とする、請求項５に記載のセンサ１０。
7. 前記ポンプが、前記検出器に接続された取出し口を有することを特徴とする、請求項６に記載のセンサ１０。
8. 前記検出器が、前記筐体の前記取出し口に接続された取出し口を有することを特徴とする、請求項７に記載のセンサ１０。
9. 前記検出器が通報システムに接続されていることを特徴とする、請求項８に記載のセンサ１０。
10. 前記検出器が、通報システムに無線接続されていることを特徴とする、請求項９に記載のセンサ１０。
11. 前記通報システムが航空機内に組み込まれていることを特徴とする、請求項１０に記載のセンサ１０。
12. 航空機内の空気を検知する方法であって、
    ポンプ３０を使用してセンサ１０内に空気を移動させることと、
    前記センサ１０を使用して前記空気を分析することと、
    分析結果のセットを出力することとによって特徴付けられる方法。
13. さらに、前記センサ１０を閉じられた環境内に設置することによって特徴付けられる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記閉じられた環境が航空機環境である、請求項１３に記載の方法。
15. さらに、予め設定された組成限界を特定することによって特徴付けられる、請求項１４に記載の方法。
16. さらに、空気組成限界を検知することによって特徴付けられる、請求項１５に記載の方法。
17. さらに、空気品質データを記憶することによって特徴付けられる、請求項１６に記載の方法。
18. さらに、検知される空気組成が、予め設定された組成限界を超えたときを、航空機乗員に通知することによって特徴付けられる、請求項１７に記載の方法。
19. さらに、検知される空気組成が、予め設定された組成を超えると、地上要員に通知することによって特徴付けられる、請求項１８に記載の方法。