JP4417091B2 - 低動力窒素富化空気生成システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、窒素富化空気供給源を提供することにより航空機燃料タンクを不活性化する方法および装置に関し、詳細には、排出気体を用いて第２の圧縮機を駆動することにより作動空気圧力を上昇させて空気分離モジュールの効率を最適化するシステムに関する。

理解されるように、燃料タンク内で生じる燃料蒸気は、酸素の存在下で燃えやすくなる。爆発または燃焼の可能性は、燃料タンク内に存在する酸素の量を低減または除去することにより実質的に低減することができる。当業技術内では、航空機に、搭載型不活性ガス生成システムを備え付けることが知られている。不活性ガス生成システムは、窒素富化空気を燃料タンク内の蒸気空間に供給する。窒素富化空気は、燃料タンク内の可燃性条件を低減または除去する実質的に低減された酸素含有量を有する。

一般に、不活性ガス生成システムは、モータにより駆動されて第１の圧力における空気を吸入するとともに第２の圧力において空気を排気する圧縮機を含む。第２の圧力は、空気分離モジュールに必要とされる最適な作動圧力を得るために、第１の圧力よりかなり高いものである。当業者には理解されるように、空気分離モジュールは、他の搭載システムから通常利用できる圧力を超える高い圧力において最も効率的に作動する。従って、圧縮機は、空気の圧力を空気分離モジュールの圧力に上昇させる。圧縮機と圧縮機を駆動するモータとは、かなりの量の重量を航空機に与える。航空機上の重量および空間は、貴重であり、どのような低減または増加も、航空機の作動に実質的な影響を与える。

従って、システム全体の重量および大きさを低減しながら、空気分離モジュールのための最適な作動圧力を得る、航空機に搭載される不活性ガスを生成する不活性化システムを開発することが望ましい。

本発明の実施態様は、排気により駆動されて空気圧力を空気分離モジュールの最適な作動圧力に増加する第２の圧縮機を含む、空気の流れの中の酸素含有量を低減する不活性化システムである。

本発明の不活性化システムは、機室空気を第２の圧力に上昇させる第１の圧縮機を含む。第２の圧力は、空気分離モジュールのための最適な空気圧力レベルより下の中間レベルにある。第１の圧縮機から排気された空気は、第２の圧縮機に送られる。第２の圧縮機は、燃料分配システムへ排出される酸素が減少された空気により駆動されるタービンにより駆動される。第２の圧縮機は、空気圧力を第１の圧縮機から排出される中間圧力から空気分離モジュールのための最適な作動圧力レベルに上昇させる。

第１の圧縮機は、空気圧力を中間圧力に上昇させるように使用されるだけであり、従って、圧縮機と圧縮機を駆動するモータとは、空気圧力を空気分離モジュールのための最適な作動圧力に上昇させるように構成された単一の圧縮機より小型かつ軽量である。

第２の圧縮機から排気される空気は、空気分離モジュールのための最適な作動圧力にある。空気は、空気分離モジュールに流入し、酸素は、空気の流れから実質的に低減または除去される。次に、空気分離モジュールから排出された空気は、第２の圧縮機を駆動するタービンに送られる。空気分離モジュールから排出されかつタービンを駆動する空気の圧力は、燃料分配システムにより必要とされるよりかなり高い圧力にある。従って、高圧空気内で利用できる過剰のエネルギーが、第２の圧縮機を駆動するのに使用される。第２の圧縮機を、高圧空気内で提供されるエネルギーで駆動することは、そうでなければ単に大気へと排気されるであろうエネルギーを利用して、第１の圧縮機の容量および重量を実質的に低減し、その結果として、不活性化システム全体の重量および大きさの低減を達成する。

従って、本発明の不活性化システムは、システム内に入力された過剰のエネルギーを利用して第２の圧縮機を駆動することで、燃料タンクを不活性化するのに使用される気体内の酸素の低減を最適化することによって、小型かつ軽量のシステムを提供する。

本発明のさまざまな特徴および利点が、一般に好ましい実施態様の以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。

図１を参照すると、本発明の実施態様は、全体が１０により示される不活性化システムである。不活性化システム１０は、１２により示されるように、航空機の機室から抜き出される空気から酸素を除去する空気分離モジュール４８を含む。空気分離モジュール４８は、最適な作動圧力において空気から酸素を除去するのに最も効率的に作動する。最適な作動圧力を得るために、第１の圧縮機１６が備えられる。備えられた第１の圧縮機１６は、モータ１８により駆動される。モータ１８と圧縮機１６は、必要とされる作動圧力の一部に空気の圧力を上昇させるだけの大きさおよび容量である。

第２の圧縮機３０は、タービン５２により駆動され、タービン５２は、出口７０を通って不活性化システムから排出される空気圧力を利用する。出口７０から燃料分配システム５４へ排出される空気は、燃料分配システム内の条件の圧力に適合する圧力になることが必要とされるだけである。燃料分配システム５４内で必要とされる圧力は、空気分離モジュール４８の必要とされる作動圧力よりかなり低い。燃料分配システム５４内で必要とされる圧力と空気分離モジュール４８により必要とされる作動圧力の差は、第２の圧縮機３０を駆動するのに使用される。

不活性化システム１０は、空気圧力を空気分離モジュール４８の作動圧力よりは低い中間レベルに上昇させる第１の圧縮機１６を含む。空気分離モジュール４８の作動圧力と燃料分配システム５４により必要とされる圧力の圧力差は、通常は、制御弁によって過剰な圧力を排出することにより補正されるであろう。本発明は、通常は失われる過剰のエネルギーをタービンを駆動しかつ第２の圧縮機３０を駆動するのに使用する。第２の圧縮機３０は、第１の圧縮機１６から排気される中間圧力から空気分離モジュール４８を最適に作動させるのに必要とされる作動圧力へと空気圧力を上昇させるのに必要とされる付加的動力を提供する。

作動中は、不活性化システム１０は、機室空気１２を機室空気弁１４を通して吸入する。理解されるように、機室空気が、第１の圧縮機１６内に吸入されるのが好ましいとはいえ、エンジンから排気される空気または航空機の機外に存在する空気などの航空機に利用可能な他の空気供給源も、第１の圧縮機１６に使用されかつ送られることができるであろう。機室空気１２は、空気分離モジュール４８を最適に作動させるのに必要とされる作動圧力よりかなり低い第１の圧力にある。理解されるように、航空機の内部機室は、一般に、約８，０００フィート（約２４３８．４メートル）の高度をシミュレートするように与圧される。第１の圧縮機１６は、機室内に存在する第１の圧力より高い第２の圧力において空気を排気する。

第１の圧縮機１６からの排気空気は、第１の熱交換器２０を通って流れる。第１の熱交換器２０は、酸素の分離に好適な条件を提供する所望の温度に空気温度を低減する。好ましい実施態様においては、第１の熱交換器２０は、空気を周囲空気回路７４を通して流す周囲空気ファン７２により供給される周囲空気と熱を交換する。周囲空気回路７４は、７６で示すように加熱された空気を機外へ放出する。好ましくは、周囲空気が、第１の圧縮機１６から排気される空気を冷却する冷却媒体として使用されるが、当業者に知られているような他の冷却手段および熱交換器も、本発明で考慮されるものであろうし、本発明の範囲内に含まれるであろう。

第１の熱交換器２０から排出された空気は、再生熱交換器２２に流入する。再生熱交換器２２は、第１の回路２４および第２の回路２６を含む。第１の回路２４は、第１の熱交換器２０から第２の圧縮機３０へと空気を導く。第１の回路２４および第２の回路２６は、熱的に接触している。第２の回路２６内の空気は、第１の回路２４内の空気のための冷却媒体として作用する。再生熱交換器２２から排気される空気は、出口２８を通って圧縮機３０へと排出される。

第２の圧縮機３０は、タービン５２により駆動される。そして次に、タービン５２は、回路６８内の第３の圧力または作動圧力における空気により駆動される。第２の圧縮機３０に流入する空気は、第１の圧縮機１６から排出される空気と共通の第２の圧力にある。第２の圧縮機３０から排出される空気は、３２により示される回路内の第３の圧力において排出される。第３の圧力は、第２の圧力より高く、かつ、空気分離モジュール４８内の空気から酸素を除去するのに最適なレベルである作動圧力である。第３の圧力は、圧縮機１６によっては達成できないであろう圧力である。圧縮機１６は、空気分離モジュール４８により必要とされる作動圧力のレベルまで圧力のレベルを上昇させる必要がないので、より小さな容量を有する、よりいっそう小型でかつ軽量の構成となる。タービン５２により駆動される第２の圧縮機３０は、空気分離モジュール４８の作動圧力に空気を上昇させるのに必要とされる付加的な仕事およびエネルギーを提供する。

回路３２を通って第２の圧縮機３０から排出される空気は、第２の熱交換器３４に流入するか、または、バイパス回路３６を通って進む。温度検出器４０が、空気の温度を測定し、回路３２内の空気のこの温度を制御器６２に伝達する。温度検出器４０は、６０により示される電気回路によって制御器６２に取り付けられる。制御器６２は、温度検出器４０により検出された予め決められた温度に応じて制御弁３８の開の信号を送る。理解されるように、第２の圧縮機３０から排出される空気の温度が高い温度ならば、この空気は、第２の熱交換器３４を通して送られるであろう。そうでなければ、バイパス弁３８が、開にされることになり、空気は、第２の熱交換器の周りにバイパスされ、水収集器４２内へと直接移動する。

バイパス回路３６または第２の熱交換器３４から排出される空気は、水収集器４２に流入する。水収集器４２は、当業者に知られるどのような構成または種類のものとすることもできる。過剰の水は、この時点で空気の流れから除去され、Ｈ₂Ｏ貯蔵器に放出されるか、または、単に機外に放出されるが、これらのいずれも４４により示される。

水収集器４２から排出された空気は、濾過器４６に流入する。濾過器４６は、空気供給物内に蓄積し得る汚染物質および微粒子を除去する。濾過後に、空気は、空気分離モジュール４８に流入する。空気分離モジュール４８は、当業者に知られるどのような種類または構成とすることもできる。空気分離モジュールの具体的な種類は、用途に依存するものであり、当業者に知られるどのような種類の空気分離モジュールも使用できかつ本発明に適合できることは、本発明で考慮されることである。空気分離モジュール４８は、酸素を別個の酸素回路または貯蔵タンク６６へと除去する。理解されるように、空気から除去され６６により示される酸素は、用途の必要条件に依存して、航空機輸送装置の他のシステム内に使用され得るか、または、単に機外へと放出され得る。空気分離モジュール４８から排出される空気は、第３の圧力にある。この第３の圧力は、第２の圧縮機３０によって上昇されており、回路５０内で示される。酸素検出器５８が、この回路内に配置されており、酸素含有量情報を測定しかつ制御器６２に伝達する。

空気分離モジュール４８から排出された空気は、第２の回路２６を通り再生熱交換器２２を通って移動する。この空気は、燃料分配システム５４により必要とされるよりかなり高いレベルにある回路５８内の第３の温度となる。再生熱交換器とタービン５２の間の回路６８は、この第３の圧力にある空気を含む。空気は、タービン５２に流入し、圧縮機３０を駆動する。空気圧力は、タービン５２の入口と流れ測定装置５６を通る出口との間で降下する。圧力降下によって、圧縮機３０を駆動するのに利用される実質的な量のエネルギーが放出される。

タービン５２から排出された空気は、流れ測定装置５６を通って流れる。流れ測定装置５６は、当業者に知られるどのような種類または構成のものとすることもできる。流れ測定装置５６は、システム１０から排出される空気の圧力をモニタする。流れ測定装置５６は、燃料分配システム５４へ送られる酸素が減少された空気の量を調整する。また、システム１０は、回路７８と、第２の圧縮機３０から排出される空気とタービン５２に流入する空気の間の圧力差をモニタする圧力検出器６４とを含む。

本発明の不活性化システム１０は、第１の圧縮機１６の大きさおよび重量が低減されているので、小型の構成であり、かつ、従来構成の不活性化システムよりかなり軽量である。第１の圧縮機１６の大きさおよび重量の低減は、第２の圧縮機３０を使用することによってのみ可能となる。第２の圧縮機３０は、タービン５２により駆動される。そして次に、タービン５２は、不活性化システム１０から燃料分配システムへ排出される空気によって駆動される。不活性化システムと燃料分配システム５４の間の圧力降下は、タービン５２により利用され、かつ不活性化システム１０内の圧力を上昇させるのに使用される、実質的な量のエネルギーを放出し、それによって、空気分離モジュール４８を通る空気の圧力が、酸素６２を放出しかつ分離するのに最適な圧力となる。

上述した説明は、例示であって、単なる具体的な列挙ではない。本発明は、例示的な仕方で説明してきたものであり、使用した用語は、限定としてよりは本質的に説明の用語の範疇に入ることが意図されていることを理解する必要がある。本発明の多くの変更物および変形物が、上述した教示に照らして可能である。本発明の好ましい実施態様が開示されてきたが、当業者ならば、特定の変更物が、本発明の範囲内にあることを理解するであろう。理解されるように、添付の請求項の範囲内において、本発明は、具体的に説明される以外にも実施され得る。この理由で、添付の請求項は、本発明の正当な範囲および内容を決定するために検討される必要がある。

詳細な説明に付随する、本発明の不活性化システムの概略図として簡潔に記述され得る図である。

符号の説明

１０…不活性化システム
１６…第１の圧縮機
１８…モータ
２０…第１の熱交換器
２２…再生熱交換器
３０…第２の圧縮機
３４…第２の熱交換器
３６…バイパス回路
３８…制御弁
４２…水収集機
４６…濾過器
４８…空気分離モジュール
５２…タービン
５４…燃料分配システム
５６…流れ測定装置
５８…酸素検出器
６２…制御器

Claims (17)

1. 第１の圧力において空気を吸入するとともに、第１の圧力より高い第２の圧力において空気を出力する、第１の圧縮機と、
   タービンにより駆動され、第２の圧力において第１の圧縮機から空気を吸入するとともに、第２の圧力より高い第３の圧力において空気を排気する、第２の圧縮機と、
   第２の圧縮機から第３の圧力において空気を受け取り、空気から酸素を除去するための空気分離モジュールと、
   を含む、空気の酸素含有量を低減することにより可燃性を低減する、燃料分配システムのための不活性化システムであって、
   前記タービンは、入口と出口を含み、この入口は、第３の圧力において空気を受け取り、この出口は、酸素が減少された空気を第３の圧力より低い第４の圧力において燃料分配システムへと排気し、
   第３の圧力は、第１の圧縮機の圧力容量より高い圧力であることを特徴とする不活性化システム。
2. 前記第１の圧縮機を駆動するためのモータを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記第１の圧縮機から排気された空気を冷却するための第１の熱交換器を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記第２の圧縮機から排気された空気を冷却するための第２の熱交換器を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記第２の圧縮機から排気された空気から水を除去するための水収集装置を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記空気分離モジュールに流入する前に空気中の汚染物質を収集するための濾過器を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 前記タービンに流入する前に空気を加熱するための第３の熱交換器を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 前記燃料分配システムは、燃料タンクであり、前記システムは、燃料タンク内の空気を酸素が減少された空気と置き換えて可燃性を低減することを特徴とする請求項１記載のシステム。
9. 前記タービンは、第３の圧力における空気により駆動されて、第２の圧縮機を駆動し、空気分離モジュールに流入する空気の圧力を増加して、酸素除去を最適化することを特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 制御器と、空気の流れを制御するための電気的に作動される制御弁とを含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
11. 予め決められた範囲内にある空気の温度に応じて、第２の熱交換器の周りに空気をバイパスさせるためのバイパス回路を含むことを特徴とする請求項４記載のシステム。
12. 前記制御器と連通するとともに、空気分離モジュールから排出される酸素含有量をモニタする酸素検出器を含むことを特徴とする請求項１０記載のシステム。
13. 前記タービンから燃料分配システムへと排気される空気の流れを測定するための流れ測定装置を含むことを特徴とする請求項１０記載のシステム。
14. 燃料分配システム内の空気から酸素を除去する方法であって、
    ａ． 第１の圧縮機で空気を第１の圧力から第１の圧力より高い第２の圧力に圧縮し、
    ｂ． 第２の圧縮機で第２の圧力における空気を第２の圧力より高い第３の圧力に圧縮し、
    ｃ． 空気分離モジュールで空気から酸素を除去し、
    ｄ． 入口において第３の圧力における空気を受け取りかつ第３の圧力より低い第４の圧力において空気を燃料分配システムへと排気するタービンにより第３の圧力における空気から回収されたエネルギーで第２の圧縮機を駆動する、
    ことを含み、
    第３の圧力は、第１の圧縮機の圧力容量より高い圧力であることを特徴とする方法。
15. 熱交換器で第１の圧縮機から排気される空気を冷却することをさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 酸素を除去する前に空気から汚染物質を濾過することを含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
17. 前記第３の圧力は、空気分離モジュールのための最適な作動圧力であることを特徴とする請求項１４記載の方法。

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