JP4740691B2 - 飛行機用ドレンシステム - Google Patents

Description

本発明は、飛行機用のドレンシステムに関する。特に、本発明は、飛行機用ドレンシステム、飛行機内でのドレンシステムの使用方法及びドレンシステムを搭載した飛行機に関する。

現行型の商用飛行機の巡航高度における外気は、−６０℃程度の低温である。調理室領域又は手洗器及び貨物室ドレンから排出され且つ蓄積された液体は、前もって加熱することなしに機外に排出することはできない。加熱しなければ、上記液体は、即座に凍って氷片となり、ドレンマストを詰まらせるからである。このことが、現行型ドレンマストを加熱する理由である。

技術の現状におけるドレンマスト又はドレンシステムは、例えば、排出すべき液体の加熱によりエネルギー需要の増大を伴うという欠点を持っている。この追加のエネルギーは、搭載された供給システムによって発生させる必要がある。また、既知のドレンシステムに設けられる追加の発熱体は、スペース的な要求を増大させることにもなり得る。

本発明の目的は、スペース的な要求を減少させると共にエネルギー効率が高い飛行機用の改良型ドレンシステムを提供することにある。

本発明の例示の実施形態によれば、飛行機用のドレンシステムは、マストと、少なくとも１つの熱交換器及び冷却液と、を有し、マストは、飛行機からの液体又はガスの排出及び飛行機内への空気の吸込みのうち何れか一方を行うように構成され、少なくとも１つの熱交換器及び冷却液は、マストを加熱するために設けられる。

排出すべき液体は、例えば、飛行機の調理室領域内の手洗器及び調理シンクから排出され且つ蓄えられた雑排水、即ち、僅かに汚染された状態の水を含んでいてもよいし、それからなっていてもよい。排出すべきガスは、例えば、飛行機内で実施される熱的プロセス又は電気化学的プロセス、例えば、燃料電池プロセスによって生じた排ガスを含んでいてもよいし、それからなっていてもよい。

排出すべき液体又はガスの凍結又はその氷片の生成を阻止するために、排出すべき液体又はガスをこのようにドレンシステム内で加熱するのがよい。また、ドレンシステムにより、外気を飛行機内に吸い込むことを可能にする。外気は、例えば、飛行内で実施されている熱的プロセス又は電気化学的プロセス、例えば、燃料電池プロセスに送られる。その結果、ドレンシステムは、飛行機からの液体又はガスを排出するのに適しているだけでなく、外気を飛行機内に吸込むのにも有利である。

本発明の別の例示の実施形態によれば、冷却液は、飛行機内で実施されている熱的又は電気化学的プロセスに送られるのがよい。この場合、冷却液は、熱的又は電気化学的プロセスによって加熱され、熱的又は電気化学的プロセスを冷却するために用いられる。

飛行機内で実施される熱的又は電気化学的プロセス、例えば、燃料電池プロセスによって生じる廃熱は、何らかの仕方で機外に排出する必要があるので、この廃熱をドレンシステムのハウジングを介して捨てることが有利である。この場合、ドレンシステムを加熱するために必要な熱は、同時に、ドレンシステムを介して排出される液体又はガスが巡航高度又は他の寒冷条件で凍結することを阻止するために利用可能にする。

本発明の別の例示の実施形態によれば、ドレンシステムは、更に、圧力制御ユニットを有し、マストは、端部領域を有し、この端部領域は、空気を飛行機内に吸込むために、飛行機の機首方向に対して約０°〜４５°の角度だけ傾けられている。これは、動圧が、空気速度に起因してマスト内に生じることを意味している。この動圧は、圧力制御ユニットにより調節することができる。

飛行機の機首方向に対して約０°〜４５°の角度だけ傾けられているマストの構成により、外気を高い動圧で取り入れることを可能にする。それが必要な場合、圧力制御ユニットによって動圧を十分に下げ、その結果、吸込んだ外気を、例えば、飛行機内で実施されている燃料電池プロセスに所望のプロセス圧力及び所望の温度で送出してもよい。

本発明の別の例示の実施形態によれば、ドレンシステムは、更に、空気圧縮機と切換弁とを有し、空気圧縮機は、動圧を発生させ、空気圧縮機は、切換弁により客室空気に切り換え可能である。

この場合、空気速度が十分に高くなく、又は、飛行機が飛行中でなければ、搭載された燃料電池に給気するのに必要な動圧を発生させることが有利である。この場合、空気圧縮機は、客室空気を用いてもよく、その結果、予備加熱プロセスを少なくとも部分的になくしてもよい。

本発明の別の例示の実施形態によれば、ドレンシステムは、更に、冷却表面を有し、冷却液は、熱的又は電気化学的プロセスに送られる前に冷却表面によって冷却される。

これにより、冷却液の温度を更に低くするために、低い外部温度を利用することを可能にする。この場合、冷却プロセスは、冷却表面の助けによってドレンシステム内で起こり、その結果、追加の構成部品は不要である。本発明により、低い外部温度を巧妙に利用し、それと同時に、装置全体のスペースに関する要件を緩和する。

本発明の別の例示の実施形態によれば、排出すべき液体は、飛行機の作動中に飛行機内に蓄えられた雑排水を含んでいてもよいし、それからなっていてもよく、排出すべきガスは、熱的又は電気化学的プロセスにより生じた排出空気を含んでいてもよいし、それからなっていてもよい。

その結果、４つの機能、即ち、ドレンマスト又はマストの加熱、飛行機の内部で実施されている燃料電池プロセス等の熱的又は電気化学的プロセスの冷却、このプロセスへの外気の送り込み、及びこのプロセスにより生じる過剰ガスの排出を１つの装置に組み込んでもよい。また、この装置により、飛行機のセル構造を操作する必要なしに冷却機能を実現する、即ち、冷却の目的で飛行機の外板に追加の冷却器又は追加の空気取り入れ管を設けることは不要である、という利点が得られる。これは、空気抵抗の増大を防止することを意味する。

本発明の別の例示の実施形態によれば、ドレンシステムは、更に、電気ヒータを有し、マストは、電気ヒータで更に加熱される。

電気ヒータにより、より多くの熱エネルギーをマストに送ることを可能にする。これは、例えば、飛行機に搭載されている燃料電池が過剰の熱エネルギを十分に生じさせない場合、ドレンマストを十分に加熱することを確保するために必要である。

本発明の別の例示の実施形態によれば、マストを加熱する加熱能力又は熱的又は電気化学的プロセスを冷却するための冷却能力を増大させるために、ヒートポンププロセスをスイッチオンしてもよいし、切替え式に設けてもよい。

ヒートポンププロセスは、冷却用媒体と連続して実施され、その結果、ドレンマストのための加熱器のレベルを高温にし、更には、冷却器の流れ温度を低温にする。それにより、例えば、燃料電池の効率を増大させることを可能にし、又は、マスト、管又はパイプの中を通る液体又はガスの排出速度を増大させることを可能にする。

本発明の別の例示の実施形態は、マスト及び冷却液を有するドレンシステムによって、飛行機からの液体又はガスを排出する又は空気を飛行機に吸込む方法に関する。この方法によれば、マストを冷却液及び熱交換器によって加熱し、マストを、飛行機からの液体又はガスを排出するために、又は、空気を飛行機内に吸い込むために使用する。

排出された液体又はガス、又は、取り込まれた外気を、このようにドレンシステム内で加熱することができる。その結果、凍結及び氷片の形成を効果的に防止することができる。

本発明の例示の実施形態を、図面を参照して説明する。
図面において、同一又は実質的に同一の要素を同一の参照符号で示す。

図１は、本発明の例示の実施形態による冷却／加熱プロセスの概略図である。図１から理解できるように、本発明のドレンシステム１００は、飛行機に搭載されることが必要な冷却／加熱システムの構成要素をなしており、例えば、飛行機からの雑排水又はガスを排出し、或いは、外気を飛行機内に吸い込むためのものである。ドレンシステム１００は、一連の熱交換器１６，１７，１８，１９，２０を有しており、これらの熱交換器１６，１７，１８，１９，２０は、飛行機内で実施される熱的又は電気化学的プロセスによって生じる排出空気の高い温度及び飛行機の外部の比較的低い温度を有利に利用するように設計されている。この種類の熱交換器は、出願時の技術状態においてよく知られているので、それを詳細には説明しない。しかしながら、多種多様なシステムを熱交換器として使用してもよいことに注意すべきである。これに関して、熱が、回路５，６内の冷却液からパイプ及びマスト２３，２４，２８，２９，３０，３１，３２，３３及びこの中に収容されているガス又は液体に伝達され、又は、熱がそれと逆の方向に伝達されることに注目すべきである。

熱交換器１６は、燃料電池プロセス等の熱的又は電気化学的プロセス２２によって生じた排出空気２４を凝縮させるように構成された凝縮器用の熱交換器である。出てきた凝縮液１０３は排出される。熱的又は電気化学的プロセス２２に送られるエネルギー担体２７は、追加の空気２５が混合される間、本質的には、エネルギー、酸素及び新鮮な水等に変換される。このプロセス中に生じた過剰な熱は、排出空気２４と共に捨てられる。排出空気２４の熱エネルギーの一部分は、熱交換器１６によって冷却液回路５，６に伝達される。

冷却液回路５，６は、冷却／加熱媒体戻りライン５と、冷却／加熱媒体フローライン６とを有している。冷却／加熱媒体は、例えば、パイプ又はパイプラインシステム５，６内で搬送される液体である。

熱交換器１７は、冷却プロセス２３の形態をなし、熱的プロセス２２を一定の場所で一定の時間に冷却することを可能にする。これに関し、熱的又は電気化学的プロセスの効率を向上させることができる。加えて、冷却プロセス２３は、冷却液回路のフローライン６中の温度を上昇させ、その結果、冷却液を今や水又は空気の加熱に利用することができる。

加熱／冷却媒体として用いられる液体を循環ポンプ１４によって再循環させる。冷却能力又は加熱能力を、ポンプ速度及びこれに対応して制御される対応した寸法形状の追加の冷却器／加熱器で調節することができる。熱的又は電気化学的プロセス２２によって生じた排ガス１１を、燃料電池装置又は反応器２２から排ガスライン２８，２９を通して排出する。排ガス１１を飛行機から排出する間、排ガス１１が凍結することを防止するために、及び、排ガス中に含まれる水が排ガスライン２９を凍結させることを防止するために、排ガスを熱交換器１８によって加熱するのがよい。冷却液回路によって排ガスを加熱するための熱交換器１８に加えて、ドレンマスト即ちパイプ２９のための別の加熱器１２を設けてもよい。この追加の加熱器は、例えば、電気ヒータ１２１である。その結果、排出パイプ２９は、それが凍結することを効果的に防止される。

飛行機の作動中に飛行機内に蓄積した雑排水７を、飛行機から排出する前に加熱するために、また、排出水を飛行機の外に運び出すパイプライン３０，３１が凍結しないように保護するために、冷却液回路５，６によって入手できる熱を利用する別の熱交換器１９が設けられるのがよい。もし冷却液回路５，６が熱エネルギを十分に供給することができないならば、雑排水出口１０が凍結することも防止するように雑排水ドレンマスト３１を電気的に加熱する加熱器１２を、熱交換器１９に加えて設けるのがよい。また、加熱器１２，１２１を組合せて、単一の加熱器にしてもよい。

ラム空気を加熱するための熱交換器２０が設けられている。ラム空気は、外部からラム空気パイプ３２を通してドレンシステム１００に送り込まれる外気９を含んでいる。空気を飛行機内に吸い込むためのマスト９の端部領域は、飛行機の機首方向に対して約０°〜４５°の角度をなし、その結果、空気速度により、マスト９内に動圧が生じる。次いで、捕捉されたラム空気は、ラム空気パイプ３２を経て熱交換器２０に送られ、熱交換器２０中のプロセス温度まで加熱される。加熱されたラム空気を切換弁２６に送るために、パイプライン３３が用いられる。切換弁２６は、ラム空気に追加して又はその代わりに、客室空気を送ることを可能にする。

次いで、ライン３４を経て送られた客室空気及びライン３３を経て送られたラム空気は、圧縮機１５によって更に圧縮される。これは、ラム空気の十分な動圧を発生させることができない不十分な速度で飛行機が飛行しているとき又は飛行機が飛行していないとき、特に必要である。圧縮機１５は、例えば、飛行機に搭載された内部エネルギー源によってエネルギーが供給される電気圧縮機である。

送られたラム空気又は客室空気の圧力を、下流側圧力制御弁２１によって適当に調節するのがよい。引続いて、本発明に従って加熱される外気を、追加の空気２５の形態で熱的又は電気化学的プロセス２２に送る。

図１から理解できるように、ドレンシステムは、一部分が飛行機の内側１０１に、一部分が飛行機の外側１０２に配置されている。内側領域１０１と外側領域１０２との間の境界は、胴体１及びその外板２によって構成されている。この場合、ドレンシステム１００の外板３は、その少なくとも一部分が外側領域１０２に配置されたドレンシステム１００の一部分を包囲している。

熱交換器１６，１７，１８，１９，２０を通過した後に冷却液回路５，６の中を流れる冷却液を更に冷却するための冷却器４が用いられる。冷却器４は、外気と直接接触した状態で、飛行機の外側領域１０２に位置している。これにより、飛行機が一定の高度にあり且つ外部温度がそれに応じて低い場合、冷却液の有効な冷却を確保する。

図２は、本発明によるドレンシステムの実施形態の概略図である。図２から確認できるように、ドレンシステム１００の大部分は、飛行機１の外側領域に配置され、ドレンシステム１００は、冷却用リブからなる冷却器４を備えた外板３を有している。ドレンシステム１００は、更に、調理室及び手洗器からの液体を排出するのに役立つ雑排水ドレンマスト７，３１を有している。マスト即ちパイプ７，３１は、液体加熱器３７内に収納され、加熱液体の送りラインがマスト３１の出口端部３５に配置され、その戻りラインが液体加熱器３７の上端部３６に配置されている。

液体加熱器３７は、熱交換器１８，１９，２０を有しており、液体加熱器が作動停止しているとき又は不十分な熱エネルギしか送っていないときの加熱機能を確保するために、電気ヒータ（図２には示さず）によって包囲されている。

液体加熱器３７のフローライン６は、燃料電池プロセス等の熱的又は電気化学的プロセス（図１参照）の冷却回路によって供給され、燃料電池プロセスにおいて、セルの冷却又は水の凝縮は、冷却回路によって実現される。ドレンマストの側部に設けられた液体加熱器３７の戻りライン５は、ドレンマストハウジングの外板上３に設けられた冷却器４を貫いて延びている。これにより、戻りライン５内での冷却液の有効な冷却を確保する。冷却液は、航空機内の戻りライン５で実施される熱的又は電気化学的プロセスに必要な冷却温度まで冷却される。

加熱液即ち冷却液は又、循環ポンプ（図２には示さず）によって再循環される。冷却又は加熱能力を、ポンプ速度及びこれに対応して制御される一定の寸法形状の追加の冷却器／加熱器で調節するのがよい。

また、ドレンマストの側部における加熱能力及び飛行機の内部における冷却能力を増大させるために、冷却すべき搭載型の熱的又は電気化学的プロセスとドレンシステム１００の加熱器との間にヒートポンププロセスを、好ましくは切替え式に、設けることも可能である。これにより、例えば、飛行機の内部における燃料電池装置の効率を最適にすることが可能である。

パイプ３２が連結されたラム空気開口部９が、ドレンシステム１００の前側に位置しており、熱的又は電気化学的プロセス（図１の符号２２を参照）に必要な空気がパイプ３２を経て送られ、液体加熱器３７によってプロセス温度まで加熱される。

燃料電池プロセスによって生じた任意の過剰なガスを排出する（いわゆる、パージする）ための出口パイプ１１が、ドレンシステム１００の後側に位置している。過剰なガスが水分を含んでいることがあるので、パイプ２９も又、加熱される必要がある。

飛行機が一定の高度に位置しているとき又はその他の周囲寒冷状態に晒されているときにドレンシステム１００から排出される液体が凍結することを防止するために、上述したドレンシステム１００は、飛行機内で実施されている燃料電池プロセス等の熱的又は電気化学的プロセスによって生じた廃熱を、いわゆるドレンマストのハウジングを介して運び去り、それと同時に、ドレンシステム１００が必要とする熱エネルギを発生させることを可能にする。

ドレンシステムの利点は、４つの機能を一体にして１つの構成にしたことにあり、４つの機能は、ドレンシステム１００の加熱と、飛行機の内部で実施されている燃料電池プロセス等の熱的又は電気化学的プロセスの冷却と、熱的又は電気化学的プロセスへの外気の供給と、熱的又は電気化学的プロセスによって生じる過剰なガスの排出である。また、この構成により、飛行機のセル構造を冷却機能の実現のために操作する必要はないという利点が得られ、即ち、冷却目的のために追加の冷却器及び空気供給パイプを飛行機の外板の上に設ける必要はない。これは、空力抵抗の著しい増大を阻止することを意味する。

燃料電池が必要とする空気の、ドレンマストを介する吸引式取込みは、ラム空気パイプ３２によって実現され、ラム空気を向流原理に従って冷却／加熱媒体で予熱できるという追加の利点が得られ、その結果、ラム空気は、引続いてこれを最適動作温度で燃料電池に送ることができる。

本発明の実施は、図示した好ましい実施形態に限定されない。これとは対照的に、上述した解決策及び本発明の原理を、基本的に異なる設計の実施形態で利用する種々の変形例を実現することが考えられる。
最後に、原文明細書における用語“comprising”は、任意他の要素又は工程を排除するものではなく、用語“one”又は“a”は、複数の要素を排除するものではない。また、上述した実施形態の１つと関連して開示した特徴又は工程は、上述した他の実施形態と関連して開示した他の特徴又は段階と組合せて利用してもよいことを理解すべきである。特許請求の範囲に用いられる参照符号は、本発明を限定するものと理解してはならない。

本発明の例示の実施形態による冷却／加熱プロセスの概略図である。 本発明の例示の実施形態によるドレンシステムの概略図である。

符号の説明

１ 飛行機の胴体
２ 外板
４ 冷却器
５，６ 冷却液回路
７ 雑排水
１１ 排ガス
１２，１２１ 電気ヒータ
１５ 圧縮機
１６，１７，１８，１９，２０ 熱交換器
圧力制御弁２１
２２ 熱的及び電気化学的プロセス
２３，２４，２８，２９，３０，３１，３２，３３ パイプ及びマスト
２６ 切換弁
１００ ドレンシステム

Claims (15)

1. 飛行機用のドレンシステムであって、
   燃料電池と、
   飛行機から液体又はガスを排出するためのマストと、
   ラム空気を燃料電池の燃料電池プロセスに送るためのパイプラインと、
   冷却液と、を有し、
   ドレンシステムは、冷却液によってマスト及びパイプラインを加熱するようになっており、
   冷却液は、燃料電池の燃料電池プロセスに送られ、
   燃料電池プロセスは、冷却液を加熱するようなっており、
   冷却液は、燃料電池プロセスを冷却するために使用され、
   冷却液は、冷却回路内に配置されている、ことを特徴とするドレンシステム。
2. 熱交換器をさらに備えており、マストは、熱交換器によって加熱されるようになっている、請求項１に記載のドレンシステム。
3. 更に、圧力制御ユニットを有し、
   前記マストは、端部領域を有し、
   前記マストの端部領域は、空気を飛行機内に吸い込むために０°〜４５°の角度だけ飛行機の機首方向に対して傾けられ、その結果、飛行中の飛行機の空気速度により、前記マスト中に動圧を発生させ、
   前記動圧は、前記圧力制御ユニットにより調節されることを特徴とする請求項１に記載のドレンシステム。
4. 更に、空気圧縮機と、切換弁と、を有し、
   前記空気圧縮機は、前記動圧を発生させ、前記切換弁は、客室空気に切り換え可能であることを特徴とする請求項３に記載のドレンシステム。
5. 更に、冷却表面を有し、
   冷却液は、それが前記熱的又は電気化学的プロセスに送られる前、前記冷却表面によって冷却されることを特徴とする請求項２に記載のドレンシステム。
6. 排出すべき液体は、飛行機の作動中に飛行機内に蓄えられた雑排水を含み、
   排出すべきガスは、前記熱的又は電気化学的プロセスによって生じた排出空気を含むことを特徴とする請求項１に記載のドレンシステム。
7. 前記マストは、飛行機の外板を貫通し、
   前記ドレンシステムは、飛行機の胴体の下側に且つ飛行機の外部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のドレンシステム。
8. 前記熱的又は電気化学的プロセスは、燃料電池プロセスであることを特徴とする請求項１に記載のドレンシステム。
9. 更に、電気ヒータを有し、
   前記マストは、前記電気ヒータで更に加熱されることを特徴とする請求項１に記載のドレンシステム。
10. 更に、ヒートポンプを有し、
    前記マストを加熱する加熱能力又は前記熱的又は電気化学的プロセスを冷却するための冷却能力を増大させるために、前記ヒートポンプを切替え式に設けることを特徴とする請求項１に記載のドレンシステム。
11. 請求項１に記載のドレンシステムの飛行機への使用方法。
12. 請求項１に記載のドレンシステムを有する飛行機。
13. 飛行機からの液体又はガスを、マスト及び冷却液を有するドレンシステムにより排出する方法であって、
    マストによって飛行機から液体又はガスを排出する工程と、
    パイプラインによって、燃料電池の燃料電池プロセスにラム空気を送る工程と、
    飛行機の燃料電池プロセスに冷却液を送る工程と、
    燃料電池プロセスによって冷却液を加熱する工程と、
    冷却液によって燃料電池プロセスを冷却する工程と、
    冷却液によってマスト及びパイプラインを加熱する工程と、を備え、
    冷却液は、燃料電池プロセス、マスト、及びパイプラインの間で冷却回路を形成する、ことを特徴とする方法。
14. 冷却回路は、熱的又は電気的プロセスを実行している装置に入らない、又はこの装置から出ないような閉ループを形成する、請求項１に記載のドレンシステム。
15. （１）飛行機内にラム空気を吸い込み、及び（２）飛行機から液体又はガスを飛行機から排出する、の少なくとも一つを行うように構成され、且つ作動可能なマストを備え、このマストは、飛行機内で行われている熱的又は電気的プロセスにラム空気を送るように作動可能であり、
    さらに、ラム空気に代えて、又はラム空気に加えて客室空気を熱的又は電気的プロセスに送るように作動可能な切換弁と、
    熱的又は電気的プロセスに送られる空気を圧縮するように作動可能な空気圧縮機と、
    熱的又は電気的プロセスに送られる空気の圧力を調整するように作動可能な圧力制御ユニットと、
    冷却液を収容するチューブと、を備え、
    このチューブは、冷却液によって生じた熱の一部でマストを加熱するように位置決めされ、且つ作動可能であり、
    このチューブは、さらに、冷却液を熱的又は電気的プロセスに送ることができるように位置決めされ、且つ作動可能であり、
    このチューブは、さらに、熱的又は電気的プロセスによって生じた熱の一部で冷却液を加熱するように位置決めされ、且つ作動可能である、請求項１に記載のドレンシステム。

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