JP4832070B2 - 機上不活性ガス発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、機上不活性ガス発生装置に関する。詳細には、本発明は、装置の空気分離モジュールに供給される加圧空気を増大させるための方法及び装置に関する。

機上不活性ガス発生装置は、航空機において、貨物区域や燃料タンクなどの様々な領域に不活性ガスを供給するのにますます使用されるようになっている。通常、装置は空気分離モジュールに圧縮空気を供給するための、直列に配列された２つの圧縮機又は段を備える。モジュールの重量を低減するために、空気分離モジュールに高圧をかけることが望ましい。モジュールへの吸込圧力が低下すると、モジュールの重量が大幅に増大することになる。

実証済みの圧縮機を利用しながらその効率を増大し、かつより小型の空気分離モジュールの使用を可能にする、機上不活性ガス発生装置を提供する。

モジュールに圧縮空気を供給するのに、通常、装置内では遠心圧縮機が使用されている。提案される装置の１つでは、圧縮機を駆動するのに電気モータが採用されている。圧縮機のロータ・ブレードの設計に限界があるため、電気モータは、圧縮機を駆動するのに使用可能な電力の全てを利用しない。さらに多くの電力が使用可能であるにも関わらず、そのような過剰の電力は、モジュールへの加圧を増大させるようなさらななる高速で圧縮機を駆動するのには使用されないのである。具体的には、所与の流速と一定したモータ速度のために、圧縮機の圧力比を増大し、かつ、増大した圧力をモジュールのインレットに付与するのに、ロータ・ブレードの高さを減少しなければならない。ブレードと圧縮機のハウジングの間の空隙高さが実質的に固定されているため、ロータ・ブレードの高さを減少することによって、空隙の高さに対するロータ・ブレードの高さの比が減少してしまい、それにより、圧縮機の効率が未知の予測不能なレベルにまで低下してしまう。そのため、装置の完全性が弱まる。

産業界では、市場用途においてすでに実証済みのロータ・ブレード設計を利用することが望ましい。これは、顧客のリスクを低減し、かつ、システムのリードタイムと開発費用を低減する一方で、圧縮機の性能が予測通りであるという信頼性が高まる。

従って、実証済みの遠心ポンプロータの設計を利用する一方で、空気分離モジュールへ増大した吸込圧力を付与する、機上不活性ガス発生装置が必要とされている。

本発明の第１の態様は、
相互に流体的に連通する第１と第２の圧縮機を備え、第２の圧縮機は第１の圧縮機と流体的に連通するインレット及びアウトレットを有する、第１及び第２の圧縮機と、
空気分離モジュールと前記アウトレットを流体的に連通させる通路を備える、空気分離モジュールと、
前記アウトレットと空気分離モジュールの間に配置され、それらの間から流体を排気して圧縮機を通る流れを増大させる、排気通路、
を含んでなることを特徴とする、機上不活性ガス発生装置に関する。排気通路は、熱交換器と前記アウトレットの間に配置され、この熱交換器は、排気通路と前記空気分離モジュールの間に配置されてよい。また、第１と第２の圧縮機の間に中間冷却器が配置される。排気通路は、エジェクタを備えてもよい。このエジェクタは、ラム空気ダクト内に配置され得る。また、このエジェクタは、熱交換器のアウトレット側に配置される場合、それにより熱交換器を通る流れを増大させる低圧領域が生じる。一方、サージ制御通路は、第１の圧縮機のアウトレットと前記ラム空気ダクトを流体的に連結するものである。サージ制御通路内にはサージ制御弁が配置され、このサージ制御弁は、第１の圧縮機の低流量状態において選択的に開放される。電気モータが第２の圧縮機を駆動する。第２の圧縮機が遠心圧縮機であってよい。

本発明の第２の態様は、
（ａ）装置の最後の圧縮段において流体を圧縮するステップと、
（ｂ）空気分離モジュールに、圧縮された空気を供給するステップと、
（ｃ）空気分離モジュールの上流において圧縮された空気を排気するステップ、
を含んでなることを特徴とする、機上不活性ガス発生装置の操作方法に関する。装置は、直列に配列され、流体的に連通する第１と第２の圧縮機を備え、第２の圧縮機によって最後の圧縮段が提供される。また、ステップ（ａ）は、最後の圧縮段に連結されるモータを電気的に駆動することを含んでよい。ステップ（ｃ）は、最後の圧縮段を通る流れを増大し、かつ、前記空気分離モジュールへの圧力を増大することを含む。

本発明の機上不活性ガス装置は、相互に流体的に連通する第１及び第２の圧縮機を提供する。第２の圧縮機は、インレットとアウトレットを備える。インレットを、第１の圧縮機と流体的に連通させることによって、２つの圧縮機を直列にする。第２の圧縮機は、一例では、装置における最後の圧縮段である。

空気分離モジュールは、通路により、第２の圧縮機のアウトレットと流体的に連結されている。排気通路は、アウトレットと分離モジュール内部の間の流体を排気するために、アウトレットと空気分離モジュールの間に配置される。排気通路により、第２の圧縮機からの流れがより速い速度に増大するため、空気分離モジュールへの吸込圧力が増大し、より小型の空気分離モジュールの使用が可能となる。

排気通路は、ラム空気アウトレットダクトを介して大気中へ圧縮機流体を排出するため、ラム空気ダクトを通る空気流が増加し、装置の熱交換器の効率が増大する結果となる。

従って、本発明は、実証済みの遠心圧縮機のロータ設計を利用しつつ、空気分離モジュールへの増大した吸込圧力を与える機上不活性ガス発生装置を提供するものである。

本発明のこれら並びにその他の特徴は、以下の詳細な説明並びに図面、及び簡単な説明から十分に理解することができるであろう。

図１は、本発明の機上不活性ガス発生装置１０を極めて概略的に示している。装置１０は、圧縮機システム１４からの圧縮空気によって発生した熱を除去する熱交換システム１２を備える。圧縮空気は、加圧空気を空気分離モジュールシステム１６に供給する。

熱交換システム１２は、ラム空気インレットダクト１８とラム空気アウトレットダクト２１の間に配置される。ラム空気ダクト１８，２１の間を通る流れは、ラム空気インレットダクト１８と熱交換システム１２の間に配置される制御弁２０で制御される。

例えば、客室から空気２６は装置１０の圧縮機システム１４の第１の圧縮機２８内へ入る。第１の圧縮機２８は、電気モータ３０で駆動される。圧縮空気は、第１の圧縮機２８を出て通路３１を通り、ラム空気により圧縮空気の熱が除去される熱交換システム１２の中間冷却器２４を通って流れる。

通路３１とラム空気アウトレットダクト２１の間にサージ制御通路３２が配置される。サージ制御弁３４は、サージ制御通路３２内に設けられる。サージ制御弁３４は、第１の圧縮機２８の過渡的な状態に応答して、サージ制御通路３２を通る流れを選択的に管理する。具体的には、第１の圧縮機２８を通る流れが設計流量を下回る量に減少するとき、サージにより第１の圧縮機が損傷を受けたり、破壊されたりする可能性がある。弁４４によって空気分離モジュール４０への流れが減少するとき、弁３４によってラム空気アウトレットダクト２１への流れが開放されて第１の圧縮機２８が安定する。

中間冷却器２４から冷却された空気が通路３３を通って第２の圧縮機３６のインレットまで流れる。第２の圧縮機３６も又、電気モータ３０で駆動される。圧縮空気は、第２の圧縮機３６のアウトレットから出て通路３７を通り、熱交換システム１２の主熱交換器２２へ流れる。主熱交換器２２を通る空気流は、通路３９へ流れる前にラム空気によって冷却される。通路３９内にはフィルタ３８が配置されている。ろ過された空気は、空気分離システム１６のインレットにおける空気分離モジュール４０に入る。空気分離モジュール４０は、燃料タンクや貨物区域などの航空機の領域のための窒素などの不活性ガスを生成する。空気分離モジュール４０によって生成された透過物は、透過通路４２を通って、ラム空気アウトレットダクト２１へ流れる。不活性ガスは、窒素高濃度空気弁４４を介して通路４３を通って流れる。

可能な限り空間を大きくするために、空気分離モジュール４０の重量と寸法を最小化できるよう、空気分離モジュール４０のインレットに高圧を与えることが望ましい。しかしながら、第２の圧縮機３６には検証済みの遠心ロータ・ブレード設計を利用することが望ましいことから、従来の寸法形状の機上不活性ガス発生システムでは、所望の程度までモジュール４０のインレット圧を高めることができない。

本発明の一例において、排気通路４６は、第２の圧縮機３６と空気分離モジュールの間に配置される。詳細には、排気通路４６は通路３７と流体的に連通している。第２の圧縮機３６で圧縮された流体は、ラム空気アウトレットダクト２１へ排出される。第２の圧縮機３６を通る流体が増大することにより、通路３７，３９内の、特に空気分離モジュール４０のインレットにおける圧力が増大する。排気通路４６を用いることにより、遠心型の第２の圧縮機３６の圧力比が増大する一方で、実証済みの構造設計を有する圧縮機ロータ・ブレードを使用することができるようになる。さらには、従来において、使用可能ではあるが使用されていなかった電力を利用することができるという利点を有する。

排気通路４６の出口は、簡単なオリフィスプレートや、例えば図示するようなエジェクタノズル４８であってよい。エジェクタ４８を用いることにより、熱交換システム１２を通る空気流量が増大するようラム空気アウトレットダクト２１内に低圧領域が生じ、それにより熱交換システム１２の効率が増大する。

本発明の好ましい実施態様を説明してきたが、本発明の範囲内における一定の変更は実行可能であることは当業者には認識されるであろう。そのため、本発明の範囲及び内容を確認するために特許請求の範囲を検討すべきである。

本発明の機上不活性ガス装置の一例を示す概略図である。

Claims (12)

1. 相互に流体的に連通する第１と第２の圧縮機を備え、第２の圧縮機は第１の圧縮機と流体的に連通するインレット及びアウトレットを有する、第１及び第２の圧縮機と、
   空気分離モジュールと前記アウトレットを流体的に連通させる通路を備える、空気分離モジュールと、
   前記アウトレットと前記空気分離モジュールの間に配置され、それらの間から流体を排気して圧縮機を通る流れを増大させる、排気通路、
   を含んでなり、
   前記排気通路が、熱交換器と前記アウトレットの間に配置され、該熱交換器は、前記排気通路と前記空気分離モジュールの間に配置されることを特徴とする、機上不活性ガス発生装置。
2. 前記第１と第２の圧縮機の間に中間冷却器が配置されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 相互に流体的に連通する第１と第２の圧縮機を備え、第２の圧縮機は第１の圧縮機と流体的に連通するインレット及びアウトレットを有する、第１及び第２の圧縮機と、
   空気分離モジュールと前記アウトレットを流体的に連通させる通路を備える、空気分離モジュールと、
   前記アウトレットと前記空気分離モジュールの間に配置され、それらの間から流体を排気して圧縮機を通る流れを増大させる、排気通路、
   を含んでなり、
   前記排気通路がエジェクタを備えることを特徴とする、機上不活性ガス発生装置。
4. 前記エジェクタが、ラム空気ダクト内に配置されることを特徴とする、請求項３記載の装置。
5. 前記エジェクタが、熱交換器のアウトレット側に配置され、該エジェクタにより熱交換器を通る流れを増大させる低圧領域が生じることを特徴とする、請求項４記載の装置。
6. サージ制御通路が、前記第１の圧縮機のアウトレットと前記ラム空気ダクトを流体的に連結することを特徴とする、請求項４記載の装置。
7. 前記サージ制御通路内にサージ制御弁が配置され、このサージ制御弁は、前記第１の圧縮機の低流量状態において選択的に開放されることを特徴とする、請求項６記載の装置。
8. 電気モータが第２の圧縮機を駆動することを特徴とする、請求項１記載の装置。
9. 前記第２の圧縮機が遠心圧縮機であることを特徴とする、請求項８記載の装置。
10. 直列に配列されるとともに、流体的に連通する第１と第２の圧縮機を備えた機上不活性ガス発生装置の操作方法であって、
    （ａ）前記装置の前記第２の圧縮機において流体を圧縮するステップと、
    （ｂ）空気分離モジュールに、前記圧縮された流体を供給するステップと、
    （ｃ）空気分離モジュールの上流において前記圧縮された流体をラム空気ダクトへと排気するステップ、
    を含んでなることを特徴とする、機上不活性ガス発生装置の操作方法。
11. 前記ステップ（ａ）が、前記第２の圧縮機に連結されるモータを電気的に駆動することを含むことを特徴とする、請求項１０記載の方法。
12. 前記ステップ（ｃ）が、前記第２の圧縮機を通る流れを増大し、かつ、前記空気分離モジュールへの圧力を増大することを含むことを特徴とする、請求項１０記載の方法。

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