JP4299729B2 - 航空機内で空気に含まれる酸素を濃縮する装置、およびこの装置を作動させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機内で空気に含まれる酸素を濃縮する装置、およびこの装置を作動させる方法に関する。

空気に含まれる酸素を濃縮する装置は特許文献１から公知となっている。過圧源から送り出される水蒸気を含んだ高温の空気が熱交換器で冷却されて、水分離器に到達し、この水分離器によって凝集水が取り除かれる。吸着動作と脱着動作を交互に繰り返す並列に配置された２つの分子ふるい層により、酸素を濃縮した生成ガスがつくられる。使用されていない分子ふるい層での脱着のために、生成ガスの一部は、再生動作状態にある分子ふるい層を貫流する洗浄気体流として用いられる。分子ふるい層に前置されている切換弁が、吸着段階と脱着段階とを切り換える。

この公知の装置は、生成された生成ガスを連続的に消費部配管へと供給する。この場合、使用開始後に、吸着段階で作動する分子ふるい層の能力を全面的に利用できるわけではないのが普通である。全面的な吸着能力が得られるのは、分子ふるい層が定常的な動作点に達した時点である。したがって初期段階の間、生成ガス流は、作動のために必要な閾値を下回る酸素割合しか有していない。

独国特許出願公開第１０１４２９４６Ａ１号明細書

本発明の課題は、前述した種類の装置を改良して、生成ガスが事前設定された最低要求を満たすようにすることである。さらに、この装置を作動させる方法を提供することが目的である。

装置についての課題の解決は、請求項１の構成要件によって行われる。すなわち、航空機内で空気に含まれる酸素を濃縮する装置において、空気を排出するための過圧源（１１０）と、水分離器（１５０）と、窒素を交互に吸着および脱着するために並列に配置された２つの分子ふるい層（２００）と、各分子ふるい層（２００）の間の洗浄気体流を可能にする流動伝達装置（２１０）と、酸素が濃縮された生成ガス流の流量を測定する流量センサ（２５０）と、生成ガス流の酸素濃度を測定する酸素測定装置（２６０）と、分子ふるい層（２００）から出てくる生成ガス流に対する切換装置（２７０）と、が直列の並びで設けられており、切換装置（２７０）の第１の切換位置では排出通路（３２０）への流動接続が成立し、第２の切換位置では消費部配管（３１０）への流動接続が成立し、生成ガス流の流量と酸素濃度との積としての酸素出力が事前設定された閾値に達したとき、もしくはこれを上回ったときに第１の切換位置から第２の切換位置への切換信号を生成する手段が設けられていることを特徴とする装置を提供する。

また、方法についての課題の解決は、請求項５の構成要件によって行われる。

本発明の利点は、基本的に、測定された生成ガスの流量と酸素濃度との積としての酸素出力に依存して、排出通路への流動接続を成立させて生成ガスを周囲に流出できるようにするか、または、酸素出力が十分である場合には生成ガスを消費部配管へ供給するという点にある。そのために生成ガスの流量が流量センサで測定され、酸素濃度が酸素濃度測定装置で測定され、制御・評価ユニットで酸素出力が算出されて、閾値と比較される。酸素出力が閾値を下回っていれば、生成ガスは使用されないまま排出される。しかし分子ふるい層が動作温度に達しており、酸素出力が閾値に達していれば、もしくは閾値を上回っていれば、生成ガスは切換装置によって消費部配管へ供給され、呼吸の目的のために利用することができる。

その有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。すなわち、前述の装置においては、排出通路（３２０）に絞り部位（２８０）が設けられているとよい。

また、排出通路は、生成ガス流と洗浄気体流のための共通の流動通路として構成されるのが好都合である。洗浄気体流は、使用されていない分子ふるい層の脱着段階中に生じるものである。洗浄気体流に加えて、水分離器で分離された凝集水も、排出通路に供給することができる。つまり、排出通路（３２０）が、水分離器（１５０）によって分離された凝集水を受け入れるように施工されているとよい。

空気に含まれる酸素を濃縮する装置を作動させる本発明の方法は、空気を排出するための過圧源と、水分離器と、窒素を交互に吸着および脱着するために並列に配置された２つの分子ふるい層と、各分子ふるい層の間の洗浄気体流を可能にする流動伝達装置と、が直列の並びで設けられている装置を対象とするものである。

この方法は、次の各ステップを備えることを特徴としている。すなわち、吸着段階にある分子ふるい層から出てくる生成ガス流を流量センサと酸素測定装置で分析し、流量と酸素濃度との積としての酸素出力が事前設定された酸素出力の閾値を下回っている準備段階中には生成ガス流を排出通路に誘導し、酸素出力が事前設定された閾値に達している、もしくは上回っている動作段階中には生成ガス流を消費部配管に供給する。つまり、航空機内で空気に含まれる酸素を濃縮する装置を作動させる方法において、前記装置では、空気を排出するための過圧源（１１０）と、水分離器（１５０）と、窒素を交互に吸着および脱着するために並列に配置された２つの分子ふるい層（２００）と、各分子ふるい層（２００）の間の洗浄気体流を可能にする流動伝達装置（２１０）と、が直列の並びで設けられており、次の各ステップを備えており、すなわち、吸着段階にある分子ふるい層（２００）から出てくる生成ガス流の流量を流量センサ（２５０）で測定し、生成ガス流の酸素濃度を酸素測定装置（２６０）で測定し、生成ガス流の流量と酸素濃度との積としての酸素出力が事前設定された閾値を下回っている準備段階中には生成ガス流を排出通路に誘導し、酸素出力が事前設定された閾値に達している、もしくは上回っている動作段階中には生成ガス流を消費部配管（３１０）に供給することを特徴とする方法を提供する。

この方法における前述の装置には、排出通路（３２０）に絞り部位（２８０）が設けられているとよい。また、排出通路（３２０）が、生成ガス流と洗浄気体流との共通の流動通路として構成されているとよい。さらに、排出通路（３２０）に、水分離器（１５０）によって分離された凝集水を導くようにするとよい。

本発明の一実施形態が図面に示されており、以下において詳しく説明する。

ただ１枚の図面は、高温のタービン空気を排出するための過圧源としてのタービン１１０と、熱交換器１２０と、温度センサ１３０と、急閉鎖連結部１４０と、タービン空気から遊離した水を取り除くための水分離器１５０と、給気に対する遮断弁１６０と、減圧器１７０と、分子ふるい層２００についての充填、放出を交互にするための切換弁１８０と、排出通路３２０のための遮断弁１９０と、並列に配置された分子ふるい層２００と、流動伝達装置２１０と、逆遮断弁２２０と、生成ガス集積容器２３０と、生成ガスフィルタ２４０と、流量センサ２５０と、酸素センサ２６０と、生成ガスに対する切換弁２７０と、絞り部位２８０と、急閉鎖連結部２９０と、消費部配管３１０と、測定・制御ユニット３００と、が直列の並びで配置された空気に含まれる酸素を濃縮する装置を示している。

本発明の一実施形態による装置は次のように作動する：

タービン１１０から排出される水蒸気を含んだ高温のタービン空気が、熱交換器１２０でおよそ摂氏３０度まで冷却される。温度センサ１３０が熱交換器１２０の後でタービン空気の温度を測定し、その値をさらに処理するために測定・制御ユニット３００へ転送する。急閉鎖連結部１４０の後には水分離器１５０が配置されており、ここで凝集水が取り除かれて排出通路３２０を介して運び出される。遮断弁１６０および１９０は、分子ふるい層２００への水分の侵入を防ぐために本装置の作動時にのみ開き、その他の時間には閉じている。急閉鎖連結部１４０，２９０によって、本装置をタービン１１０および消費部配管３１０から完全に切り離すことができる。

減圧器１７０は、圧力をおよそ２〜３バールの作業圧力まで低減させる。切換弁１８０を介して空気が左側の分子ふるい層２００へ供給されて、ここで窒素が吸着される。右側の分子ふるい層２００は脱着段階にあり、以前に固定された窒素を周囲に放出している。吸着が終了するとすぐに切換弁１８０が切り換わり、右側の分子ふるい層２００が吸着動作のために利用される。

酸素が富化された生成ガスは、逆遮断弁２２０を介して生成ガス集積容器２３０に到達する。分子ふるい層２００の再生を向上させるために、生成された生成ガスの一部は、流動伝達装置２１０を介して、右側に配置された分子ふるい層２００へ誘導される。この場合、図面に示している切換弁１８０の切換位置は脱着段階にある。生成ガスは、分子ふるい層２００の後で生成ガスフィルタ２４０で清浄化される。次いで生成ガス流が流量センサ２５０で測定され、酸素濃度が酸素測定装置２６０で測定されて、測定・制御ユニット３００へ伝えられる。

切換弁２７０は、いわゆる「暖機段階」または「準備段階」の間には、生成ガスが絞り部位２８０を介し排出通路３２０に達して周囲に流出するように測定・制御ユニット３００により制御される。準備段階は、測定された酸素濃度が事前設定された酸素濃度の閾値を下回っている限り続けられる。そのために測定・制御ユニット３００では、測定された酸素濃度を事前設定された閾値と常時比較している。閾値に達し、もしくは閾値を上回り、相応の飛行高度に達すると、すぐに切換弁２７０は、測定・制御ユニット３００から切換パルスを受けとり、生成ガスを消費部配管３１０を介して図面には図示しない航空機の酸素分配網に達するように作動する。

測定・制御ユニット３００では、酸素濃度と、流量センサ２５０で測定された生成ガス流との積から酸素出力を算出する。酸素濃度に代えて、酸素出力の閾値を測定・制御ユニット３００で事前に選択しておくこともでき、それにより、準備段階から動作段階への切換は、酸素出力が酸素出力の閾値に達したとき、もしくは閾値を超えたときに行われることになる。

空気に含まれる酸素を濃縮する装置。

符号の説明

１１０ 過圧源（タービン）
１２０ 熱交換器
１３０ 温度センサ
１４０，２９０ 急閉鎖連結部
１５０ 水分離器
１６０，１９０ 遮断弁
１７０ 減圧器
１８０，２７０ 切換装置（弁）
２００ 分子ふるい層
２１０ 流動伝達装置
２２０ 逆遮断弁
２３０ 生成ガス集積容器
２４０ 生成ガスフィルタ
２５０ 流量センサ
２６０ 酸素測定装置
２８０ 絞り部位
３００ 測定・制御ユニット
３１０ 消費部配管
３２０ 排出通路

Claims (8)

1. 航空機内で空気に含まれる酸素を濃縮する装置において、
   空気を排出するための過圧源（１１０）と、
   水分離器（１５０）と、
   窒素を交互に吸着および脱着するために並列に配置された２つの分子ふるい層（２００）と、
   各分子ふるい層（２００）の間の洗浄気体流を可能にする流動伝達装置（２１０）と、
   酸素が濃縮された生成ガス流の流量を測定する流量センサ（２５０）と、
   生成ガス流の酸素濃度を測定する酸素測定装置（２６０）と、
   分子ふるい層（２００）から出てくる生成ガス流に対する切換装置（２７０）と、が直列の並びで設けられており、
   切換装置（２７０）の第１の切換位置では排出通路（３２０）への流動接続が成立し、第２の切換位置では消費部配管（３１０）への流動接続が成立し、生成ガス流の流量と酸素濃度との積としての酸素出力が事前設定された閾値に達したとき、もしくはこれを上回ったときに第１の切換位置から第２の切換位置への切換信号を生成する手段が設けられていることを特徴とする装置。
2. 排出通路（３２０）に絞り部位（２８０）が設けられている請求項１記載の装置。
3. 排出通路（３２０）が、生成ガス流と洗浄気体流との共通の流動通路として構成されている請求項１又は請求項２記載の装置。
4. 排出通路（３２０）が、水分離器（１５０）によって分離された凝集水を受け入れるように施工されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 航空機内で空気に含まれる酸素を濃縮する装置を作動させる方法において、
   前記装置では、
   空気を排出するための過圧源（１１０）と、
   水分離器（１５０）と、
   窒素を交互に吸着および脱着するために並列に配置された２つの分子ふるい層（２００）と、
   各分子ふるい層（２００）の間の洗浄気体流を可能にする流動伝達装置（２１０）と、が直列の並びで設けられており、
   次の各ステップを備えており、すなわち、
   吸着段階にある分子ふるい層（２００）から出てくる生成ガス流の流量を流量センサ（２５０）で測定し、
   生成ガス流の酸素濃度を酸素測定装置（２６０）で測定し、
   生成ガス流の流量と酸素濃度との積としての酸素出力が事前設定された閾値を下回っている準備段階中には生成ガス流を排出通路に誘導し、
   酸素出力が事前設定された閾値に達している、もしくは上回っている動作段階中には生成ガス流を消費部配管（３１０）に供給することを特徴とする方法。
6. 排出通路（３２０）に絞り部位（２８０）が設けられている請求項５記載の方法。
7. 排出通路（３２０）が、生成ガス流と洗浄気体流との共通の流動通路として構成されている請求項５又は請求項６記載の方法。
8. 排出通路（３２０）に、水分離器（１５０）によって分離された凝集水を導く請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。

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