JP4490963B2 - 航空機キャビン大気組成制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機内の加圧空間の居住性および非居住性のエリアでのエアの窒素濃度と酸素濃度の間のバランスの選択的制御のためのシステムおよび方法に関する。より詳しくは、本発明は、航空機の別々のエリアでの酸素と窒素の間のバランスを変化させて、大気組成がその必要性をより適切にサポートするゾーンを作成するシステムに関する。本発明は、航空機に入り込むエア中で利用可能な酸素をより高い割合で居住エリアに導くとともに、エア中で利用可能な窒素をより高い割合で非居住エリア、特に、より高い可燃性リスク及び／又は火災の場合にアクセス制限されるエリアに導くことによって、このゾーン組成の最適化を達成する。

加圧された航空機キャビン内で利用可能な減少したエア圧力は、多くの乗客が生理的に適応するものよりかなり低い酸素の分子濃度をもたらす。このことは、血液および組織の酸素供給のレベル低減（図１、図２を参照）と、身体の補償および適応しようとする努力に関係した生理的な変化の開始とを生じさせる。結果として生ずる生理的ストレスには、呼吸器効力の減少、心臓および呼吸器のレートでの補償的増加、血液凝固因子のレベル増加、赤血球の生産増加などがある。これらの生理的な変化は、例えば、疲労、精神的および身体的能力の減少、眠気、視力障害、睡眠障害、引いては血液凝固形成などを含む種々の負のインパクトをもたらし、あるいはこれらに関与する。実際、商業エアラインは、航空機内部で８０００ｆｔと等価な圧力を維持することが適法に許されるのに対して、７５００ｆｔ程度の早期において視力が低下し始めてしまうことは、充分に許容されている。それ自体、運航乗務員の能力において一定の妥協が受け入れ可能であると判断されたものであるが、望ましいことではない。本発明は、民間航空機上の乗客および運航乗務員が受ける有害な影響を、未然に防ぐことができない場合、低減するための方法およびシステムを提供する。

標準大気圧は、海面で１４．７ｐｓｉａである。対応する酸素圧力（分圧）は、海面で約３．０７ｐｓｉａである。大気圧が減少した場合、エアは膨張して、エアを構成する酸素および他のガスの分子濃度は、ドルトン(Dalton)の法則に従って比例的に減少する。

加圧された航空機キャビンは、航空機が最高運航高度で運用する場合、おおよそ１０．９１ｐｓｉａ（８０００ｆｔ等価のキャビン高度）から１１．７８ｐｓｉａ（６０００ｆｔ等価のキャビン高度）までのエア圧力を提供する。これらの減少したキャビン圧力は、おおよそ２．２８６ｐｓｉａから２．４６８ｐｓｉａまでの酸素分圧をもたらす。

航空機加圧システムは、人間が生存し得る程度よりかなり高い高度で航空機が飛行しつつ、乗客および乗務員の居住を可能にするキャビン圧力レベルを維持する。現行の加圧システムは、標準の海面大気圧の７４〜８０％の間のキャビンエア圧力を維持している。

予想しない低圧経験、そして能力に悪影響を及ぼす低酸素条件に対する予防法として、コックピット乗務員には、航空機が充分な加圧を維持できない場合に使用する圧力デマンド(pressure demand)酸素マスクが提供されている。直接の酸素源は、煙がコックピットを充満した場合、あるいは民間航空規則によって要求される他の一定のシナリオの下でも使用することができる。

非常用酸素は、キャビン内のエア圧力が乗客安全の切迫した危険レベルに低下した場合に自動的に動作するドロップダウン(drop down)マスクの形態で、乗客キャビンに提供される。治療用酸素の出口は、医療状態に起因して連続補給酸素を必要とする乗客に使用するために設けられることがある。航空機には、航空機に加圧の問題が生じて、座席から離れることを必要とする業務の場合に、短期間だけ乗務員が使用するために、携帯用の「ウォークアラウンド(walk-around)」酸素ボトルがしばしば設けられる。しかしながら、これらの補給的な酸素供給システム全てに共通な問題は、酸素源と使用者用の供給マスクとの間に接続されるチューブを必要とすることである。こうしたチューブは、航空機の区分室に占有される他のコードと同様に、特に緊急事態では障害物として認識されている。状況が既に大混乱している緊急事態において、伸縮性の固定ストラップを有し、絡み合う可能性がある酸素供給チューブおよびマスクの配備は、キャビン環境に有害なインパクトを与えることが予想される。

上述したように、航空機設計における従来の見識は、航空機キャビンの居住性向上に関する加圧に焦点を絞っていた。従来、航空機は、海面等価となるように加圧されているが、現実には６０００〜８０００フィートのオーダーの等価高度が実際に達成されている。その結果、酸素濃度で相応の減少が許容されている。これらの相応の酸素濃度は、一般には、知覚できる乗員の快適さを維持するのに適切であることから、キャビン乗員が受ける重大な悪影響には殆ど注意が向いていない。

航空機上で経験する酸素濃度の減少に応じた一定の生理的変化、例えば、呼吸器および心臓のレートの増加など、が起こることに多くの乗客が気付かないことから、「知覚される快適さ(perceived comfort)」と称する。多くの人々が飛行機に乗らないように助言されているのは、そのためである。例えば、生理的変化に対して特に脆弱になる手術を最近受けた人々は、飛行機に乗らないように助言されるであろう。さらに、心臓麻痺や心臓発作などの病気の体質を持つ人々は、医療管理者から飛行機に乗らないようにしばしば助言される。こうした病気について認識していない危険因子を持つ年配その他の人々は、飛行機に乗ることになるが、結果として、衰弱させたり生命を脅かす事故を被るという必要以上のリスクに身を置くことになる。航空機内で減少した酸素濃度は、こうした事故に寄与する可能性があるが、上述のように、従来は、航空機の加圧限界は、これらの治療に対して制限する制約として考えられていた。

圧力についての焦点は、少なくとも部分的には、胴体(fuselage)の外装を横断してより高い差分圧力を生成する、より高いレベルの加圧を許容するようには、機体が設計されていない点である。実際、横断する高い圧力差分に耐える機体能力に関するこの限界は、加圧についての従来の許容限界のために、従来から乗客に対して減少した酸素レベルを強要していた。さらに、運航コストを著しく増加させ、航空機の性能を制限することから、航空機のオペレータは、内部加圧を増加させるのに対して抵抗するものである。

近年、航空旅行に関して高い注意を集めた深部静脈血栓(deep vein thrombosis: DVT)症候群または状態は、キャビン乗員と該産業に密接した業務に重大なリスクを課している。深部静脈血栓の事故が公衆の眼を集めたため、報道機関はこれにつけこんで、この症候群を「エコノミークラス症候群」と名付けた。当初は、航空機の座席、特にエコノミークラスの閉じ込められて窮屈な性質と、その結果として乗客の運動を強制する制限に注目が集まった。しかしながら、一定の研究は、より小さな座席の窮屈な性質のみが深部静脈血栓の誘発に関与し、その原因ではないことを示した。実際、これらの同様な研究は、この疾患が主として航空旅行中に経験した他の条件から由来することを示す傾向にある。

深部静脈血栓の誘発に関与するものと知られ、あるいは予想されているこれらの要因には、血液の流れを相当低減する運動の制限があり、これによって血栓形成、航空機の乾燥した内部空気によって生じ、アルコールの利尿効果によって悪化し得る脱水症状、および種々の態様に関する圧力といった高いリスクに人々をさらすことになる。血栓進展の増加傾向は、航空機の条件の結果として、この症候群の顕著な特徴である。高い重要性の一態様は、あまり注目されてはいないが、高度適応によって生ずる生理的効果である。減少した圧力および酸素濃度の相当な減少に曝された場合、身体は、即座に補償しようとする。この現象は、低い高度での能力を増強するために、高い高度でしばしばトレーニングする運動選手によって少なくとも良く理解されている。身体は、一定の身体的変化を作ることによって調整することは知られている。特に、赤血球の濃度が増加して、酸素を運ぶ能力を改善する。しかしながら、航空機の乗客にとっては、この効果は有害である。飛行中に経験する減少した圧力および酸素レベルに曝された人間は、血液中の一定の凝固因子がほぼ直ちに増加することが観察されている。この増加は、飛行直前の人間でのレベルの３倍から８倍の間で変化することが測定されている。こうした高いレベルの反応は、身体が重大な外傷(trauma)や傷害に対する反応として経験するものと等価である。

本発明の特徴は、飛行中に経験する酸素濃度の減少と、その結果、増加する血液凝固因子との間の連結であり、これは従前は評価されていないものであり、航空旅行の結果として経験する深部静脈血栓症の事故に究極のインパクトを与える。

本発明はまた、航空機の加圧システムの実際の制限から由来する疲労、快適性、生理的ストレスの問題に対処するものであり、これは、既存の酸素供給制御システムでは対処できなかった、あるいは適切に構成できなかったものである。
［発明の概要］

例示の実施形態において、本発明は、キャビンに向かうエアの酸素含量を比例的に増加させると同時に、非居住エリアに向かうエアの酸素含量を比例的に減少させることによって、航空機キャビンおよび非居住エリアでの酸素濃度を制御するための装置および方法の形態をとる。この装置は、余剰な酸素を取り込んで、圧力センサはキャビンエア中の酸素濃度を監視する。酸素含量は、継続的に監視され、減少したエア圧力のインパクトに関連して酸素を処置するのに充分に高濃度化した酸素ではあるが、材質の可燃性を安全かつ認定可能なレベルを超えて増加させる大気生成を防止するために、酸素の高濃度化の程度を制限するような、乗客キャビンでの大気を達成し維持するように調整される。そして、この装置は、加圧された非居住エリアでの酸素含量を継続的に監視して、減少した燃焼維持能力を持つ大気を維持し、そして、キャビンでの発煙／火災検出の場合に、キャビンの酸素／窒素バランスを自然なレベルに再均衡させるのに使用する窒素貯蔵庫を実現する。

本発明は、キャビンエアのガス組成を変化させ、酸素の分圧を増加させる。増加した酸素分圧は、キャビンエア圧力あるいは胴体の内部と外部の間の差分圧力を変化させることなく、そして航空機の圧力容器内での全体酸素含量を増加させることなく、達成される。キャビンの酸素分圧は、所望の大気酸素の高濃度化を提供するとともに、キャビン内の材質可燃性をＦＡＡ認定レベルを超えて増加させる大気生成を防止するように、監視され、調整される。これに関して、酸素濃度が、海面で本来遭遇する濃度、即ち、安全運航にとって本質的に許容される濃度より常に少なくなる点が指摘されるべきである。

少なくとも１つの実施形態において、酸素の生成は、炎を抑制する窒素の生成の副産物を有する。本発明の他の態様では、この副産物である窒素は、火災危険に特に敏感な航空機のエリア及び／又は部屋に供給される。例えば、窒素は、ケーブル敷設ダクト、手荷物室、無線ラック室、電気配線や他の高い火災リスクの組立品が集中しているその他のエリアに注入することができる。窒素はまた、機上燃焼が生ずる発火または発煙しているエリアへの配給用に貯蔵される。更なる態様において、本発明は、望ましくない上昇した燃焼リスク条件を判断したり、現実の燃焼状況が検出され、信号を出力した場合に、貯蔵された窒素を上昇した酸素濃度エリアに急速に混合させる能力を提供することを検討している。

窒素ベースの火災抑制の構成および方法への付加として、航空機の戻りエアダクトに煙および火災センサが好都合に配置でき、これにより現行システムのものより早期の検出および消火が可能になる。

本発明の更なる特徴および利点は、本発明の好ましい実施形態についての次の詳細な説明で提示することにする。

図１は、簡単にモニタした航空飛行に対する生理反応をグラフで表示している。図１の例において、被験者の心臓の脈拍数１０（直線化したもの１１）は、経験した酸素飽和レベル１２（直線化したもの１３）と比較される。経験したキャビン環境の詳細は、図２に示しており、温度１５、圧力１６、相対湿度１７（直線化したもの１８）が図１の旅行時間に関して記録されている。増加する脈拍数と減少する酸素飽和レベルとの関係が、容易に理解される。しかしながら、この著しい身体反応は、乗客にほとんど知らされないままである。海面での同様な反応は、図３に示しており、脈拍数２１は、エア中の酸素含量（百分率ベース２０、飽和ベース２２）に明らかに追従している。

従って、上述のように、一態様において、本発明は、加圧を増加させることなく、航空機乗員室内の大気酸素濃度を上昇させることを構成する。幾つかの異なるシステムおよび技術は、キャビン酸素濃度レベルを増加させるのに好適なものとして検討される。最も初歩的な意味では、ボトル酸素が利用可能であるが、こうしたシステムが必要とする増加重量および機上スペース専有など、一定の不具合が認められる。機能的には、こうしたシステムは許容されるであろう。液体酸素もまた、適切な供給源として機能するが、商業的使用には現実的ではなく、費用効率が高くないであろう。

航空機乗員キャビン内の濃度レベル増加のための酸素を提供する好ましいシステムは、利用可能な大気エアからの分離によって高濃度酸素を生成するものである。例えば、薄膜(membrane)フィルタ法、電気化学法、超伝導磁気スクリーン、分子ふるい(sieve)などがある。特に好ましいのは、酸素が外気エアの他の組成成分から物理的に分離される分子ふるい法である。

こうした分子ふるいの例示的な実施形態において、ゼオライト材料が、加圧された外気エアが印加されるベッドの中に形成される。その結果、酸素は、そこを通過することが許容され、エアの他の成分、主として窒素（二酸化炭素や水分なども）が引き止められ、分子吸収によってゼオライトベッドの中に吸収される。当業者が理解できるように、ベッドは飽和するようになり、吸収した成分のパージが必要になる。これは、多くの方法で達成できるが、最も一般的な方法は、付与された圧力を解放して、吸収したガスをゼオライト材料から拡散させることである。

航空機が運用する低圧力環境のため、一定の空気搬送分子ふるいエアセパレータは、低圧大気に露出させるために、ふるいベッドを機外へパージする能力に依存している。この方法は、加圧に寄与しないパージガスをもたらして、窒素豊富な流れとしての使用に活用できない。本発明の他の態様は、パージガスを機外へ導くことなく、必要な低圧ベッド露出を作成する手段を含み、これにより窒素豊富な副産物を生成する。こうしたシステムの航空機設置のかなり簡略した例が、図４に示している。

本発明の一態様によれば、生成された高酸素濃度エアは、乗員キャビンへのエア供給に配給される。適切に配置された酸素濃度センサに基づいて、システムは、キャビン内で所定レベルを維持するように調整する。さらに、窒素豊富ガスの副産物は、増加した火災発生の遅延が望ましい領域に供給される。概略的には、これし図４に示しており、エア供給が取り込みエアダクト６５を通じて、ガスセパレータ７０に導入され、高濃度の酸素および窒素が生産される。酸素豊富のエアフローまたはエア供給８０は、乗客キャビン５０へ搬送されるとともに、窒素豊富のエアフローまたはエア供給９０は、高まった火災発生リスクを有する区画室４８へ案内される。逆止弁８８，９８は、豊富化したフロー８０，９０の一方向導通を確立するために設けられる。

相互区画室エア混合器は、ファン７２として示している。この特徴は、酸素送給の乗客キャビンにおいて、低減した可燃性環境が望ましいことを示す状態が検出された場合、高濃度化したガスの急速な再混合を可能にするために設けられる。１つの明らかな例は、酸素送給キャビンでの燃焼または発煙の検出である。

図５および図６は、ここで開示した発明が用いられる例示的な航空機についての平面図および立面図である。航空機内部３５は、外気エア環境２５の中を飛行する機体３０の内側で規定されている。マクロレベルでは、床３７は、コックピット４０、玄関(vestibule)５４、乗員／乗客キャビン５０、洗面室／調理室(galley)エリア５８を含む幾つかの床上キャビンを規定している。手荷物区画室４３は、居住可能エリアの後方に設けられ、加圧ゾーンの内側であるが、飛行中にはキャビンからアクセスできない場合が多い。

非加圧の後部区画室４６は、圧力障壁３８の後方に示しており、機上のガスプロセス設備の主要な構成部分を収納している。ガス分離ユニット７０が描かれており、そこに、典型的には動力エンジンの１つからのエア供給６０が向けられる。このエンジン加熱エア（例えば、４８０°Ｆ）は膨張して、吸気ダクト６５において、例えば、３２°Ｆまでの温度低下が生ずる。この供給エアの圧力は、一連の圧力ブロア６８を利用することによって上昇して、これらの間で熱交換器が用いられ、温度上昇した加圧エアの流れを減少させている。

そして、加圧されたエアは、セパレータ７０で処理され、高濃度の酸素８０および窒素９０の流れが発生する。窒素は、吸引ポンプ９１を用いて抜き取られ、これらの間で熱交換器９３が用いられ、窒素豊富エアの温度を管理可能な範囲内に維持している。

酸素豊富エア８０の配給流速は、可変通過弁８４によってコンピュータ制御される。酸素豊富エア８０は、シャトル弁８６の配置に応じて、ダクト８２を通じて航空機３０の前方に導いてもよく、あるいはポート８７を通じて廃棄してもよい。ダクト８２は、床３７の下方に配置され、圧力障壁３８を横切って加圧ゾーンおよび非加圧ゾーンの両方を通過する。逆止弁８８は、ダクト８２での単一方向の酸素流れを確保する。スイッチ弁８１は、酸素豊富エア８０が、床を通り過ぎて上方に導かれて、乗客キャビンの正規のエア配給ダクトの中へ導くか、あるいは個別の管ベースの直接乗客マスク配給システム８９に転送するかを決定する。

酸素豊富エアが、乗員キャビンでのエア配給システムへ運ばれる場合、間隔が連続的に減少している一連の開口または配給ポート８５を有するピッコロチューブ８３が用いられる。図８に示すように、開口の間隔配置は、目的のキャビンエリアへの酸素豊富エア配給が実質的に均等になることを確保する。

生成された窒素豊富エアの流れ９０は、同様に、航空機の前方に運ばれて、逆止弁９８、制御配給ダクト９２を通じて、所望の場所へ様々に配給される。図６および図９で最も理解できるように、窒素豊富エアは、床下の区画室へ配給され、基本的にはそこに貯蔵され、無線室(radio bay)４９などのエリアにはより直接的に配給される。そして、間隔が連続的に減少している一連の開口または配給ポート９５を持つピッコロチューブ９４が用いられる。さらに、窒素豊富エアの分流は、要求に応じて窒素豊富エアの適用を増加／減少させるために、制御弁９６の操作によって実施できる。例えば、もし燃焼状況が手荷物区画室４３内の後部無線室４９で検出されると、望ましくは、より多量の、あるいはおそらくは生成した窒素の全てが無線室４９で排出することが可能である。

一般に、航空機３０でのエア流れの方向は、後尾に向けられている。洗面所／調理室エリア５８から乗客キャビンから遠ざかるように臭いを迂回させるため、排出エアダクト５９が排気ファン７２に接続されている。吸引されたエアは、床デッキ３７の下方へ窒素豊富な区画室の中へ排出される。都合が良いことに、排気ファン７２は、方法的には逆回転可能であり、より低い酸素濃度が望ましい場合、窒素豊富エアを乗客キャビンの中へ急速に導入することができる。この特徴は、再混合(remixing)と称してもよい。

酸素／窒素システムの制御は、コンピュータベースの制御部７４の指示の下で、少なくとも部分的に自動化することが考えられる。少なくとも１つの態様では、床上酸素分圧センサ７６および床下酸素分圧センサ７８を利用することによって、情報が得られる。入手できるデータについての適切なアルゴリズム処理に基づいて、システムの幾つかの制御弁は、設定した条件に基づいて多様に操作することができる。コンピュータベースの制御部７４の例示的方法は、図１０の論理／関数テーブルに記載されている。

こうしたゼオライトベースの分子ふるいシステムに関して、性能および構成での一定の改良も考えられる。例として、ゼオライトは温度に敏感であるため、本発明の一態様は、好ましくは、吸収した成分、主としては窒素、の解放を増強するパージサイクル期間に加熱することによって、ゼオライトベッドの温度を変化させことを含む。同様に、他の実施形態では、ゼオライトベッドに電荷を付与して、分子ふるい効果を変化させることが可能である。これに関連して、電荷の度合いを可変として、当該ベッドの特性が操作可能なようにしてもよいことは理解される。

イギリスのロンドンから米国のアトランタへ飛行する航空機ＭＤ１１で、示した時間間隔で取得した、対応する被験者の脈拍数(pulse rate)と対比した酸素飽和のグラフ表示である。 図１に対応するグラフ表示であり、温度、圧力および相対湿度ＲＨ（％）を対比して示している。 海面で酸素飽和レベルおよび組成百分率を変化させたときの被験者の脈拍数のグラフ表示である。 本発明の一実施形態に従って構成された例示的なシステムについてかなり簡略した概略図であり、窒素および酸素が分離され、隔離したエリアに貯蔵され、貯蔵庫間で急速な再混合能力を持つ。 本発明の一実施形態に従って構成され、航空機の機体内部に配置された例示的なシステムについての概略平面図である。 図５に示すものとほぼ対応するシステムについての概略立面図である。 本発明の利用に好適な例示的なガスセパレータについての詳細な概略図である。 ピッコロチューブの形態を取る端部を含む、例示的な酸素配給ダクトについてのの詳細な概略図である。 段階的(graduated)ピッコロチューブを含む、例示的な窒素配給ダクトについてのの詳細な概略図である。 種々のシステムが可変の入力アレイに応答することを説明するＯ_２／Ｎ_２制御の論理／関数テーブルである。

Claims (1)

1. 航空機の乗員キャビン内の大気酸素濃度を増加させるための方法であって、
   航空機上で外気エアから酸素を分離して、高濃度の酸素供給源を確保することと、
   該高濃度酸素供給源から酸素を航空機の乗員キャビンに分配して、乗員キャビン内の大気酸素濃度を、経験する内部キャビン圧力で本来生ずる酸素分圧より高いレベルに増加させることと、
   より低い大気酸素濃度が必要な場合、該高濃度酸素供給源から酸素を機外に排出することとを含む方法。

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