JP4787832B2 - 航空機への空気供給 - Google Patents

Description

本出願は２００４年８月１６日出願の米国仮出願の特許出願番号第６０／６０２，４４４号の出願日の利益を有する。また、２００４年８月１６日に出願されたドイツ特許出願番号第１０ ２００４ ０３９ ６６９．８号において開示されたことは本願明細書に引用されたものとする。

本発明は航空機の空気の冷却に関する。特に本発明は、航空機における空気冷却装置、航空機における空気の冷却方法、航空機における対応する空気冷却装置の使用法、同様に対応する空気冷却装置を含む航空機に関する。

航空機において、いわゆるオンボード（航空機上）の不活性ガス生成システム（以下ＯＢＩＧＧＳといい、すなわち航空機の不活性ガスを生成するシステムである）が、用いられる。これらのＯＢＩＧＧＳシステムは、例えば酸素を燃料タンクから移すために使われる窒素を生成するのに役立つ。

エンジンからのまたは補助タービン（ＡＰＵｓ）からの冷やされた抽気（Ｚａｐｆｌｕｆｔ）が、不活性ガスを生成するための空気の源として使われる。２００度の温度を有する熱い抽気は、特定の温度に冷され、特定の圧力に弛緩されなければならない。従来の解決法では、抽気が冷やされる空冷式の熱交換機を提供する。抽気の量および圧力は、遮断バルブを用いて調整される。冷却するために、外部の空気が、使われる。そして、航空機が飛行中に、それは、ラムエアチャネル（ラム空気流路）によってラムエア（ラム空気）として提供される、航空機が陸上にあるときは、接地点は付加的な装置（ファン、ジェットポンプ）によって提供される。ＯＢＩＧＧＳのための抽気の温度は、バイパス弁および温度センサによって調整される。

ＯＢＩＧＧＳシステムのために抽気の準備をするにあたり、空気を冷却された熱交換基と、ファンまたはジェットポンプの追加的な装備を有する個別のラムエアチャネルとは、地上の作業のために提供される。追加的なラムエアチャネルを備えると、必然的に航空機の重量が追加される。既存の航空機にラムエアチャネルを取り付けることは、多くの問題と関連する。また、追加的なラムエアチャネルは飛行中における相当の空気抵抗を作出する。二つの追加的な開口（ラムエアチャネルの入口及び出口）は、構造を弱め、対応する補強を必要とし、結果的に追加的な重量となる。

航空機における改良された空気冷却を提供することが本発明の目的である。

本発明の一実施例によれば、請求項１において記載されるように、上記の目的は航空機における空気冷却装置によって解決される。該装置は第一抽気位置と、第一ラインと、第二ラインと、を含み、前記第一抽気位置を経由して第一の冷却空気は第一空気調整装置から抽気される。抽気が完了した後、第一ラインを経由して、第一空気冷却装置は供給空気を冷却するために供給される。そして、抽気が完了した後、供給空気は不活性ガス生成システムへ供給される。

空気調整装置から冷却空気を抽気することによって、陸上、飛行中の両方において、空気冷却装置に冷却空気を供給することが確実にされる。これは個別のラムエア入口チャネルを必要とせず、その結果航空機全体の重量が効果的に減じられ、航空機胴体の安定性も高められる。また、空気調整装置から冷却空気を用い、追加的なラムエアチャネルを回避することで、そのような追加的なラムエアチャネルを原因とする追加的な空気抵抗が回避される。有利に、本発明による空気冷却装置は、航空機においてより小型で簡単に取り付けられる。

本発明の他の実施例によれば、請求項２において記載されるように、第一抽気位置は、第一空気調整装置のラムエアチャネルの中または上に配置される。供給空気の冷却は、熱交換機の中で行われる。抽気が行われた後、供給空気を冷却する前に、第一冷却空気は第一温度を有する。冷却が行われる前に、供給空気は第二温度を有する。第一温度は第二温度より低い。

第一抽気位置を空気調整装置のラムエアチャネルの中に配置することにとって、有利に空気調整装置における冷却のために用いられる吐出空気（ラムエア）は、供給空気を冷却することに用いられる。有利に、供給空気の冷却は、熱交換機の中で行われ、その結果、効果的な熱の移行が確実にされる。

本発明の他の実施例によれば、請求項３において記載されているように、空気冷却装置はさらに排気路を有する。供給空気の冷却が行われた後、第一冷却空気は排気路を経由して抜き取ることができ、排気路の通過域は制御可能または調整可能である。有利に、飛行中に熱交換機のための冷却空気の必要量が、冷却空気の供給量を超えた場合、冷却空気の処理能力が増加するよう、排気路の通過域を開けることが可能となる。

本発明の他の実施例によれば、請求項４において記載されるように、空気冷却装置は第二抽気位置を含む。第二抽気位置を経由して、第二空気は第二空気調節装置の第二ラムエアチャネルから抽気される。抽気が行われた後、供給空気を冷却する前、第二空気は第三温度を有し、第三温度は第二温度よりも低い。また、抽気が行われた後、第一冷却空気は第二冷却空気と混合され、混合が行われた後、供給空気を冷却するために用いられる。

有利に、冷却空気の準備に関連する代理機能性は確保される。二つの抽気位置（または関連づけられたパイプラインまたはバルブ等）のうちの一つが故障した場合、熱交換機への適当な冷却空気の供給が、対応する他の抽気位置よって行われる。このことは、機上（オンボード）の作動の安全を相当改良する。

本発明の他の実施例によれば、請求項５において記載されるように、空気冷却装置は第一バルブを含む。第一バルブを経由して、供給空気の全体量は制御可能または調整可能である。

有利に、第一バルブを経由して、ＯＢＩＧＧＳシステムへの空気の供給は遮断されることができ、例えば熱交換機の機能不良の間、ＯＢＩＧＧＳシステムへ非常に熱い空気（供給空気）が流れることが止められる。このことは、機上（オンボード）の作動の安全を相当改良する。

本発明の他の実施例によれば、請求項６において記載されるように、空気冷却装置は温度センサを含む。温度センサによって第四温度が測定可能である。第四温度は冷却が行われた後の供給空気の温度に対応する。

熱交換機の背後の供給空気または冷却が行われた後の供給空気の温度を監視することで、有利に供給空気の温度における望まない変化を考慮に入れることができる。または、そのような温度変化は対応する調整メカニズムまたは制御メカニズムによって対応される。たとえば、温度センサは重複するように設計されてよい。

本発明の他の実施形態によれば、請求項７に記載されているように、冷却装置はさらに第二バルブと熱交換機のブリッジを含み、ブリッジを横切る通過域は第二バルブによって制御可能または調整可能である。

たとえば、本発明による供給空気をブリッジ（橋渡し）またはバイパス（側管を通す）することはが第二バルブによって対応して調整される。このようにして、熱交換機の背後の供給空気の温度の調整が可能となる。この方法で、たとえば、熱交換機の区憂う回路において直接干渉することなくオンと調節を達成することができる。

本発明の他の実施形態によれば、請求項８に記載されているように、冷却装置はさらに第一制御装置を含む。第一制御装置は第一バルブまたは第二バルブを制御または調整し、または第一温度センサを経由して第五温度を測定する。

有利に、バルブの電子的制御もしくは調整、温度の電子的監視は、空冷回路の重要なパラメータ、たとえば供給空気の全体的な処理容量や、熱交換機によって空冷されていない熱交換機を通る空気の量を、迅速で正確に入手することを可能にする。

本発明の他の実施形態によれば、請求項９に記載されているように、空気冷却装置はさらに第二制御装置、第二温度センサ、第三バルブの群れからなる少なくとも一つの要素を含む。これに関連して第一制御装置は第二制御装置と異なる設計であり、第一制御装置が故障した場合、第二制御装置が第一制御装置の機能を引き継ぐ。第一温度センサが故障した場合、第二温度センサが第一温度センサの機能を引き継ぐ。第一バルブが故障した場合、第三バルブが第一温度センサの機能を引き継ぐ。

このことは航空機が機上で危機的な状況にある場合でも、たとえば一つまたは複数のシステムが故障すると、たとえば異なる設計の複数の制御装置を取り付け、それぞれの制御装置を異なる配置とするような制御装置の代理機能性に基づいて、制御バルブもしくは調整バルブ、または温度センサの代理機能性のために、信頼できる供給空気の冷却や、ＯＢＩＧＧＳシステムへ供給する供給空気の対応する調整や制御が確実にされる。

本発明のさらなる目的、実施形態および効果はさらなる独立項において提供される。

本発明の他の実施形態によれば、請求項１２に記載されているように、航空機における空気冷却の方法は述べられる。方法は、第一抽気位置を経由して第一空気調節装置から第一空気を抽気摺る高知恵と、第一冷却空気から供給空気を冷却する工程と、冷却が行われた後、不活性ガス生成システムへ供給空気を供給する工程と、を含む。有利に、方法は、追加的なラムエア入口チャネルを追加する必要なく、ＯＢＩＧＧＳシステムのための供給空気の冷却を提供することが述べられる。この効果により、航空機の追加的な空気抵抗が回避され、追加的なラムエア入口チャネルの結果航空機の構造を振りに予分けることが防止される。

発明のさらなる効果は従属項において述べられる。

下記に、本発明の好ましい実施形態が、図面を参照して述べられる。

次の図面の記述において、同一の参照符号は同一または類似する要素に用いられる。

図１は空気冷却装置の代表的な略図である。空気冷却装置は特に、ＯＢＩＧＧＳシステム（図１に図示せず）のために抽気２６を冷却するために用いられる。装置はシステムへ供給される抽気２６を冷却する熱交換機１７を原則的に含む。

抽気２６は、エンジンまたは補助電源装置（ＡＰＵｓ）から供給される。典型的に、抽気または供給空気２６はおよそ２００℃であり、この温度は熱交換機内で低減される。この効果のため、抽気２６は入口ライン１８を経由して熱交換機１７に供給され、冷却され、その後ライン１９を経由して空気流としてＯＢＩＧＧＳへ供給される。熱交換機は空冷されたものである。この配置において、空気の冷却は、ラムエアチャネル２２、２３を経由して運ばれる冷却空気１０によって行われる。さらに、陸上ではジェットポンプまたはファン２４が備えられ、対応する空気冷却の処理容量が確保される。続いて、冷却空気２５は周囲へ流される。

温度センサ１２は熱交換機における抽気２６を監視するために提供される。さらに、安全装置である遮断バルブ１３が備えられ、これによりＯＢＩＧＧＳシステムへの抽気の流れ３が止められる。さらに、熱交換機はパイプライン２１およびバイパスバルブによってバイパス（側管）を通され、温度調節が可能となる。

抽気の量および圧力は、バルブ１３によって制御できる。別々の熱交換機１７とラムエアチャネル２２、２３が存在すると、航空機の追加的な重量が生じる。別々の熱交換機１７とラムエアチャネル２２、２３を既存の航空機に取り付けることは、多くの問題と関連づけられる。ラムエアチャネル２２、２３は飛行中の追加的な空気抵抗の原因となる。二つの追加的な開口（ラムエアチャネルの入口及び出口）は構造を弱め、対応する補強を必要とし、追加的な重量が生じる。さらに、追加的な熱交換機１７は追加的な維持努力も要する。

図２は本発明による空気冷却装置を通じて冷却空気を抽気するために用いられる空気調整装置４の代表的な略図である。図２に示すように、航空機の空気生成システム（ＡＧＳ）の空気調整装置４（包み）は、圧縮機６と、タービン２０１と、コンデンサ２０２と、水分離機２０３と、リヒータ２０４と、主熱交換機７と、熱交換機２０５と、いわゆる空気旋回機ファン２０６と、複数のバルブ２０８、２０９、２１０と、を有する空気冷却回路を含む。

航空機の空気生成システムは客室や操縦席の空気調整や圧力をかけることに用いられる新鮮な空気を生成するために用いられる。エンジンまたは補助電源装置からの抽気が空気生成の空気源に用いられる。温度がおよそ２００℃の熱い抽気は、空気生成システムにおいて冷却され、緩和される。飛行中にラムエアチャネル２８からのラムエア１０として供給され、地上では空気旋回機ファン２０６によって供給される外部の空気は、冷却のために用いられる。空気生成システム（ＡＧＳ）は二つの類似する空気調整装置４を含む。

本発明の実施形態によれば、空気調整装置内において空気の抽気が可能な位置に、位置が設けられる。これに関連して、抽気された冷却空気の温度は、これによって冷却される供給空気の温度よりも低い。たとえば、第一抽気位置は空気調整装置４のラムエアチャネル２８であってよい。

図３は本発明の実施形態による空気冷却装置の代表的な略図である。図３に示すように、空気冷却装置は原則的に第一抽気位置、第二抽気位置、供給ライン１８、１９および熱交換機を含む。もちろん、たとえば、さらなるラムエア入口チャネル８、９の上のようなさらなる抽気位置が備えられてもよい。このように代理機能性がさらに増加して、システムの故障の可能性が低減される。

これに関連して空気冷却装置の第一抽気位置は、第一のＡＧＳ熱交換機または空気調整装置４のラムエアチャネル８の中または上に配置され、このラムエアチャネル８を通じて冷却空気１０が流れる。冷却空気１０は、対応する低い温度の外部の空気である。これと対照的に、第二のＡＧＳ熱交換機または空気調整装置５は、ラムエアチャネル９を通じて外部の空気が流れる。

両方の抽気位置１、２、はパイプライン２２で連結され、抽気された冷却空気が熱交換機１７に供給される。少なくなくとも一つのパック４、５の電源が入れられ、作動可能であり、少なくとも一つのラムエア入口チャネル８、９が部分的にでも相手さえいれば、冷却空気をＯＢＩＧＧＳ熱交換機に供給することは、地上でも飛行中でも確実にできる。このことはラムエアチャネル８、９の両方の冷却空気の平行した分岐を必要とする。戻らないバルブ６、７、が分岐ライン２２に取り付けられ、故障して飛行中にラムエアチャネル８、９、が閉じたままになった場合に、空気が逆流することを防止する。冷却空気の量は調整されなくてよい。空気調整装置４、５のラムエア入口チャネル８、９と分岐ライン２２は、ＡＧＳやＯＢＩＧＧＳのすべての飛行中の状態や作動の状態のもとに、ＯＢＩＧＧＳ熱交換機１７のために冷却空気が必要となる量が適量になるように寸法を決められる。

すべての飛行条件及び作動条件のもとで、ＯＢＩＧＧＳ熱交換機１７に冷却空気の必要な量を供給することができないこととなった場合に、ＯＢＩＧＧＳ出口チャネル２３が調整可能なように設計される。この場合、ＯＢＩＧＧＳ出口チャネル２５は蓋（またはバルブのようなもの）２７を含む。これは、冷却空気の量が、達成されるべきＯＢＩＧＧＳのために抽気の必要な温度に関して適切だった場合には、最適な固定位置にある。一方、冷却空気の量が十分でなかった場合には、前記蓋（またはバルブのようなもの）２７はＯＢＩＧＧＳ出口チャネル２３における大きな負の圧力を生成し、このためＯＢＩＧＧＳ熱交換機を横切る圧力に差が生じて、冷却空気の処理量が増す。

ファンまたはジェットポンプなどの追加的な装置２４によって、熱交換機１７への冷却空気１０、１１の適切な供給は地上において確実にされる。

たとえばエンジンまたは補助電源装置によって供給される供給空気２６は、パイプライン１８を経由して熱交換機１７へ供給される。次の事項はＯＢＩＧＧＳシステムに供給される抽気に適用される必要事項である。航空機の種類によって、毎秒０．０１から０．１２ｋｇの量が供給されなくてはならない。温度は７６℃プラスマイナス６℃であり、抽気の最小限の圧力はおよそ１．７バール（相対的な圧力である）である。また、安全性の理由から、ＯＢＩＧＧＳシステム（空気供給を含む）全体の故障の可能性は１０^−４以上であってはならない。限界値として１０^−９がいわゆるオーバーヒート（過熱）（タンクの供給温度が２００℃を超える可能性）が提供される。

本発明の実施形態によれば、これらの要求はシステム全体で満たされなくてはならない。

ＯＢＩＧＧＳシステムに供給される冷却された供給空気１６に必要な温度は、熱交換機１７およびバイパスラインと対応するバルブ２０を経由して供給される。このようにして、バイパス２１を経由して、冷却されていない供給空気と、熱交換機１７から出てパイプライン１９中にある冷却された供給空気とを混合することができる。このことは、たとえばパイプライン１９の供給空気の温度が、ＯＢＩＧＧＳシステムに必要な温度を下まわった場合に要求される。

パイプライン１９の供給空気の温度は温度センサ１２によって測定される。また、バルブ１３、３６は、ＯＢＩＧＧＳシステムに供給される供給空気の合計量を制御又は調整するために備えられる。この目的のため、二つのバルブ１３、３６、温度センサ１２およびバイパスバルブ２０は、ライン２８から３５を経由して対応する制御装置１４、１５に連結される。これに関連して制御装置１４、１５はバルブ１３、２０および３６を制御または調整し、温度センサ１２を監視し、このようにパイプライン１９の中の供給空気の温度を制御または調整する。

空気冷却装置の故障の可能性を最小限にするため、および／またはシステムを最大限利用可能とするために、さまざまな代理機能性が提供される。たとえば、さまざまな空気調整装置４、５が冷却空気を供給するために提供されてよく、さまざまなバルブ１３、３６はＯＢＩＧＧＳへの空気の供給を安全に遮断するために提供されてよい。さらに、逆止めバルブ６、７とは別に、さらに逆止めバルブが提供されてよい。また、さらなるバイパス２１および対応するさらなるバルブ２０が提供されてよい。このためバイパスの一つまたはバルブの一つが故障した場合でも、さらなる供給空気バイパスが利用できる。また、複数の温度センサ１２がシステムの安全性をさらに高めるために提供されてよい。

温度及び供給空気の流れを調整することは、異なる設計の制御装置１４、１５によって行われる。特に、制御装置１４、１５は航空機の異なる位置に配置され、制御装置の両方ともが同時に損傷する可能性を最小限とする。制御装置１４、１５の一つが故障した場合、対応する他方の制御装置１４、１５が故障した制御装置の機能を引き継ぐ。

本発明は、空気を冷却するＯＢＩＧＧＳ熱交換機に供給するにあたり、重量がより軽い、より小型の解決方法における有利な効果を提供する。このことは別々のラムエア入口チャネルを必要とせず、このため特に、重量が節約される。さらに、本発明による解決方法によると、航空機においてより小型の取り付けが結果としてできる。なぜなら追加的なラムエア入口チャネルの必要がなく、追加的な航空機抵抗が回避され、ラムエア入口チャネルに起因し、取り付けに関連して航空機の構造が弱まることもないからである。さらに、これに関連する追加的な補強や追加的な重量も必要でない。

本発明の実施は図に示される好ましい実施形態に限定されない。その代わり、基本的に異なる実施形態であっても、示される解決方法をと本発明の原則を用いる複数の変形例が考えられる。

加えて、「含む」の語は他の要素や工程を排除するものではなく、「或る」または「一つの」は複数あることを排除するものではない。さらに上記の実施形態の一つを参照して記載された特徴または工程は、他の上記に記載された実施形態の特徴または工程と結びつけて使用されてよい。請求項中の参照記号は制限として解釈されるものではない。

空気供給装置の代表的な概略図である。 空気調整装置の代表的な概略図である。 本発明の実施形態による空気冷却の代表的な概略図である。

Claims (11)

1. 航空機のための空気冷却装置であって、第一の抽気位置と、第一ラインと、第二ラインと、排気管と、を含み、
   前記第一の抽気位置は第一空気調整装置から第一冷却空気を抽気するよう設計され、
   前記第一ラインは、抽気が行われた後、供給空気を冷却するために前記第一冷却空気を供給するように設計され、
   前記第二ラインは、前記供給空気を不活性ガス生成システムへ供給するよう設計され、
   前記供給空気の冷却が行われた後、前記第一冷却空気は前記排気管を経由して排出され、
   前記排気管の通路は、該通路内に設けられた可動蓋により前記排気管における負圧を制御可能または調整可能である、
   空気冷却装置。
2. 前記第一の抽気位置は前記第一空気調整装置のラムエアチャネルに配置され、
   前記供給空気の冷却は熱交換器内で行われ、
   抽気が行われた後、前記供給空気を冷却する前に、前記第一冷却空気は第一温度を有し、
   冷却が行われる前に、前記供給空気は第二温度を有し、
   前記第一温度は、前記第二温度よりも低い請求項１記載の空気冷却装置。
3. さらに、第二の抽気位置を含み、
   前記第二の抽気位置を経由して第二冷却空気は第二空気調整装置の第二ラムエアチャネルから抽気され、
   抽気が行われた後、前記供給空気を冷却する前に第二冷却空気は第三温度を有し、
   前記第三温度は前記第二温度より低く、
   抽気が行われた後、第一冷却空気は第二冷却空気と混合され、混合が行われた後、前記供給空気を冷却するために使用される請求項２に記載の空気冷却装置。
4. さらに、第一バルブを含み、
   前記第一バルブを経由して前記供給空気の全体量は制御可能または調整可能である請求項１から３のいずれかに記載の空気冷却装置。
5. さらに、第一温度センサを含み、
   前記第一温度センサによって第四温度が測定可能であり、
   前記第四温度は冷却が行われた後の前記供給空気の温度である請求項４に記載の空気冷却装置。
6. さらに、第二バルブと、前記熱交換器のブリッジと、を含み、
   前記ブリッジを交差する通過域は前記第二バルブによって制御可能または調整可能である請求項５に記載の空気冷却装置。
7. さらに、第一制御装置を含み、
   前記第一制御装置は前記第一バルブまたは前記第二バルブを制御もしくは調整するか、または前記第一温度センサによって第五温度を測定する請求項６に記載の空気冷却装置。
8. さらに、第二制御装置と、第二温度センサと、第三バルブと、の群から選ばれる少なくとも一つの要素を含み、
   前記第二制御装置が含まれている場合において、前記第一制御装置は前記第二制御装置と設計が異なり、
   前記第二制御装置が含まれている場合において、前記第一制御装置が故障したときには、前記第二制御装置が前記第一制御装置の機能を引き継ぎ、
   前記第二温度センサが含まれている場合において、前記第一温度センサが故障した場合には、前記第二温度センサが前記第一温度センサの機能を引き継ぎ、
   前記第三バルブが含まれている場合において、前記第一バルブが故障した場合には、前記第三バルブが前記第一バルブの機能を引き継ぐ請求項７に記載の空気冷却装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の空気冷却装置を含む航空機。
10. 航空機における空気冷却方法であって、
    第一抽気位置を経由して第一空気調整装置から第一冷却空気を抽気する工程と、
    供給空気を前記第一冷却空気によって冷却する工程と、
    前記供給空気の冷却が行われた後、不活性ガス生成システムへ前記供給空気を供給する工程と、
    前記供給空気の冷却が行われた後、前記第一冷却空気を排気管から排出する工程と、
    前記排気管の通路内に設けられた可動蓋により前記排気管における負圧を制御または調整する工程と、を含む空気冷却方法。
11. さらに、第二抽気位置を経由して第二空気調整装置から第二空気を抽気する工程と、
    第一の抽気された冷却空気と第二の抽気された冷却空気とを前記供給空気の冷却のために供給する工程と、
    前記供給空気の冷却が行われた後、排気管を経由して前記第一および第二冷却空気を出す工程と、を含み
    前記第一抽気位置は前記第一空気調整装置のラムエアチャネルに配置され、
    前記第二抽気位置は前記第二空気調整装置のラムエアチャネルに配置され、
    前記供給空気の冷却は熱交換器内で行われる請求項１０に記載の方法。

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