JP5385127B2 - 航空機内に搭載された、非常用電力を発生するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、飛翔体、例えば航空機内に搭載された非常用電力を発生するための装置及び方法に関する。

≪高度な電気≫飛行機に引き続く≪全電気式≫飛行機は、現在の飛行機と比較すると、きわめて多くの変化を余儀なくしている。とりわけ操縦室及び客室の空気調和のために使用されるエンジンからの抽気の使用の排除は、大きな変化をもたらしている。エンジンからの抽気の使用を排除するためには、高度な電気飛行機という概念に従って、機上で利用することができる電気による操縦室及び客室の前記空気調和を保証しなければならない。

きわめて大きな電力を必要とするこの空気調和を提供するために、民間旅客機の機上で現在利用することができる数量としては４台の個別の電動機を使用して空気圧縮機を駆動することができる。

図１は、非常用電源のための従来のデバイスを備えた全電気式飛行機における電力系統の簡易構造を示したものである。

この構造は、三相（ＡＣ）交流（たとえば２３０／４００ボルトＡＣ）及び直流高電圧（たとえば＋／−２７０ボルトＤＣ）との混合配電における一次発電を有している。

この構造では、一次発電は、それぞれ三相２３０ボルトＡＣ配電をバスバーに供給している４台の発電機ＧＥＮ１、ＧＥＮ２、ＧＥＮ３及びＧＥＮ４によって供給されており、これらのバスバーは、１０、１１、１２及び１３で参照されている。

＋／−２７０ボルトＤＣの直流高電圧の発生（１５、１６、１７、１８で参照されているバスバー）は、たとえば整流自動変圧器ユニットＡＴＲＵ１、ＡＴＲＵ２、ＡＴＲＵ３及びＡＴＲＵ４を使用して、前段の交流電圧を整流することによって得られる。

電圧インバータＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３及びＭＣ４を介して、空気調和システムＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、ＥＣＳ４のユニットに直流高電圧が供給されている。

従ってこの飛行機電気回路系統は、故障時における飛行機の機上での電気可用性が改善された、完全に分離された４つの領域２０、２１、２２及び２３を備えている。

この回路の≪エッセンシャル≫部分（臨界負荷２５）は、≪エッセンシャル≫直流高電圧バスバー＋／−２７０ボルトＤＣ、２６に接続されている。図１に示されているように、このバスバー２６は、通常、高電圧バスバー１５によって供給されている。

図２に示されているように、すべての一次発電（ＧＥＮ１、ＧＥＮ２、ＧＥＮ３、ＧＥＮ４）が失われた場合、非常用発電機ＥＭＥＲ ＧＥＮをこのエッセンシャルバスバー２６に供給することができる。その場合、供給されるのは回路の臨界負荷２５のみである。

この非常用発電機ＥＭＥＲ ＧＥＮは、飛行機に有効に利用されているラムエアータービンすなわちＲＡＴであってもよい。≪高度な電気≫飛行機又は≪全電気式≫飛行機の場合、このタービンは発電機を駆動することができ、従って非常用回路の臨界負荷に供給することができる。

類似したタイプの他の発電機を考慮することも可能であり、たとえばケロシン又はヒドラジンで動作するＡＰＵタイプ（補助動力装置）のタービン、燃料電池、等々も可能である。

ラムエアータイプの非常用発電機の使用にはいくつかの欠点がある。ラムエアータイプの非常用発電機は、無視することができない質量及び体積を有している。このタイプの非常用発電機は、空気に適切に露出することができる戦略的なポイントに配置しなければならず、その配置によってその性能のレベルが決まるため、航空機への搭載が制限されている。適切に配置することができない場合、同じ量の電気を発電するために必要なサイズ及び重量が増加することになる。他のどのような非常用発電機であっても（ＡＰＵ、燃料電池、等々）、その使用に際しては同じような欠点がある。

すべての一次発電が失われた瞬間から非常用発電機ＥＭＥＲ ＧＥＮが有効にスタートアップするまでの間、非常用電力デバイスが動作しない第１の移行期間が存在する。

非常用発電機ＥＭＥＲ ＧＥＮのスタートアップ時間は、実際は相当に長い。数秒を越えることがある。一次発電が失われた時点からこの非常用発電機がスタートアップするまでの間のこの移行期間の間、臨界負荷には電力が全く供給されず、これを許容することはできない。

ラムエアータービンの場合、着陸時に場合によっては１秒の移行期間が観察されることがある。前記タービンは、着陸後の低速度では、事実上、役に立たない。さらに、航空機の車輪にブレーキをかける際にもかなりの電力が必要であり、その電力を提供することができるように義務付けられている。

本発明の目的は、非常用電力源としてラムエアータービンを使用する際の技術的な問題、及び前記移行期間の存在に関わる技術的な問題を解決することである。

本発明は、複数の発電機と、外部空気取入口を有する複数の空気調和ユニットとを備えた、航空機たとえば飛行機に搭載される電力デバイスであって、非常用発電機として機能するように空気調和ユニットに命じるための手段と、蓄電機器とを備えたことを特徴とする電力デバイスに関している。

有利には、電力デバイスは、航空機の臨界負荷及び蓄電機器が接続されているエッセンシャルバスバーと、空気調和ユニットとリンクした静止コンバータをエッセンシャルバスバーに接続するための手段とを備えている。この蓄電機器は、蓄電池、スーパコンデンサ、運動アキュムレータ（慣性フライホイール）、等々などのいくつかのデバイスを備えることができる。有利には、蓄電機器は、１つが＋２７０ボルトＤＣのため、もう１つが−２７０ボルトＤＣのための２つの個別サブシステムを備えている。有利には、蓄電機器は、蓄電池又はスーパコンデンサを介した電気化学蓄電を使用しており、２つの蓄電サブアセンブリ及び２つの静止ＤＣ／ＤＣコンバータを備えている。有利には、蓄電機器は、能動フィルタリング機能を備えている。

また、本発明は、複数の発電機と、外部空気取入口を有する複数の空気調和ユニットとを備えた、航空機たとえば飛行機の機上で電気を発生する方法であって、正常の動作中、空気調和ユニットに高電圧が供給されることを特徴とし、また、非常用として機能している間、空気調和ユニットが非常用発電機として使用されることを特徴とし、かつ、蓄電機器によって、正常の機能から非常用として機能するまでの間の移行期間中及び飛行機の着陸時における電気の供給が保証されることを特徴とする方法に関している。

有利には、正常に機能している間、インバータとして使用されている静止コンバータを介して空気調和ユニットに供給され、また、非常用として機能している間、空気調和ユニットを使用して、整流器として使用されている静止コンバータを介して、航空機の臨界負荷及び蓄電機器が接続されているエッセンシャルバスバーに供給される。

本発明は、上で定義したようなデバイスを備えた航空機に関しており、また、上で定義したような方法を実施することができるデバイスを備えた航空機に関している。

本発明によればきわめて多くの利点が提供され、詳細には次のような利点が提供される。
− 空気調和ユニットの動力可逆性の使用、より詳細には空気圧縮機の動力可逆性の使用により、それらを非常用発電機として使用することができる。それらの高出力が与えられると、ＲＡＴ、ＡＰＵ、燃料電池タイプ、等々の他のあらゆる発電機の排除を検討することが可能である。重要なことは、空間及び重量が節約されることである。
− 蓄電機器の搭載により、非常用発電機が非活動状態になった場合のその移行期間中における電力系統の可用性が保証される。この機能は、一次発電が全面的に故障した後の少しの間及び航空機の着陸時に、とりわけ有用な機能である。
− 蓄電機器と空気調和ユニットの連携により、様々な戦略を指令することができる。非常用発電機毎に指令を再構成することにより、回路内における電圧の品質及び可用性を良好に管理することができる。さらに、電気回路内における電圧の品質を改善するための能動フィルタとして、通常モードで蓄電機器を使用することも可能である。
− 空気調和ユニットの使用により、電力発電が故障した後の移行期間の長さを短縮することができる。これらのユニットは、故障が発生する前に既に稼動しているため、それらは既に高速で回転している。従って、空気圧縮機モード（正常の機能）から発電機モード（非常時の機能）へのこれらのユニットの切換えは、ほぼ瞬時に実施される。これは、スタートアップを必要とするラムエアータービン、ＡＰＵ、燃料電池、等々などの非常用発電機では得られない利点である。

本発明における非常用発電機は、図１及び図２に表わす空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、ＥＣＳ４が非常用発電機として使用される電気回路構成を提供する。

簡潔に言えば、空気調和ユニットは、飛行機の機外から取り込んだ空気を圧縮する。各空気調和ユニットにおいて、空気圧縮機は、インバータとして使用される静止コンバータＭＣ（static converter）によって給電される電動回転装置によって駆動される。圧縮機は、可逆動力、すなわち、そのタービンに空気を注入することによってその機械軸を回転させることができる動力を有している。また、電動回転装置及びコンバータＭＣも、可逆動力を有している。本発明によれば、航空機が十分な速度で移動している限り、非常用発電機として使用される空気調和ユニットの各々によって電力回路に給電される。

従って、図３は、これら空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４が非常用電気を発生させる全電気式航空機の電気回路を単純化した構成を表わしており、図１及び図２に既に使用されている構成要素には同一の参照番号を付している。

図３に表わすように、正常動作の状態では、空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４はバスバー１５、１６、１７及び１８によって給電されている。

図４に表わすように、非常動作の状態では、空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４は非常用発電機として使用される。静止コンバータＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３、及びＭＣ４は、自身の初期のバスバー１５、１６、１７及び１８から開放される。その後に、これらコンバータは、エッセンシャルバスバー＋／−２７０ボルトＤＣ、２６に結合される。従って、これらコンバータは、整流器として使用され、インバータとしては使用されない。

非常モードにおける空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４の出力が、空気圧縮機能のために使用される電動機モードの出力よりも小さい場合であっても、各空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４の公称出力が大きいので、各空気調和ユニットから大部分の電力を取り出すことができる。

図３及び図４に表わすように、正常動作モードから非常動作モードに切り替えるための時間において、空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３及びＥＣＳ４を電動機モードから発電機モードに切り換えるために必要な非常に短い一時的な期間は、蓄電機器３０によって確保される。この蓄電システムによって、航空機の着陸時において航空機を制動するために必要な電気が確実に供給可能とされる。着陸時における航空機の速度は、空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４から十分な電力を得るためには遅すぎる。

優位には、この蓄電機器は２つの独立した蓄電サブシステムから成る。一方の蓄電サブシステムは＋２７０ボルトＤＣのためのサブシステムであり、他方の蓄電サブシステムは−２７０ボルトＤＣのためのサブシステムである。これらサブシステムは、エッセンシャルバスバー２６に直接結合されている。蓄電が蓄電池又はスーパコンデンサを介して電気化学的に行なわれる場合には、この蓄電機器３０は２つの蓄電サブアセンブリＳＤ１、ＳＤ２と２つの静止コンバータＳＣ１、ＳＣ２とを備えている。

この蓄電機器３０は、正常に機能している場合であっても、電気回路に永久的に結合されている。この方法によれば、この蓄電装置は充電状態を維持することができる。従って、一次発電が故障した場合に、この蓄電装置は介入可能とされる（intervene）。

この蓄電機器３０の重要な機能の１つは、可逆回路負荷によって放電される電力を吸収することである。また、正常動作モードにおける電圧の品質を改善する観点から、能動フィルタリング機能をこの蓄電機器３０に追加することも可能である。

図４は、空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４が非常動作モードにおける場合の電気回路の構造を表わす。これら異なる空気調和ユニットのために実施可能な管理戦略の１つは、回路電圧の調整を蓄電サブアセンブリＳＤ１及びＳＤ２に割り当てることである。その後に、空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４は、臨界負荷２５によって必要とされる電流を提供するように指令される。この方法によれば、蓄電サブアセンブリＳＤ１及びＳＤ２は、電気回路の電圧の品質を良好に維持することができる。従って、空気調和ユニットＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、及びＥＣＳ４が着陸時に大部分の電力を提供することができない場合には、これら蓄電サブアセンブリが即座に動作可能とされる。

従来技術で知られている、航空機に搭載された、正常に機能している非常用発電のためのデバイスを示す図である。 従来技術で知られている、航空機に搭載された、非常用として機能している非常用発電のためのデバイスを示す図である。 本発明による、航空機に搭載された、正常に機能している非常用発電デバイスを示す図である。 本発明による、航空機に搭載された、非常用として機能している非常用発電デバイスを示す図である。

符号の説明

１５ バスバー
１６ バスバー
１７ バスバー
１８ バスバー
２５ 臨界負荷
２６ ＋／−２７０ボルトＤＣエッセンシャルバスバー
３０ 蓄電機器

Claims (11)

1. 航空機内に搭載された発電装置であって、前記装置は、
   一次発電を保証する複数の発電機（ＧＥＮ１〜ＧＥＮ４）と、
   一次発電が全面的に故障した後に非常用回路の臨界負荷に供給を行うために、通常モードから、前記航空機の外部の空気の力を利用する非常モードへと切り替わるように指令可能な複数の空気調和ユニット（ＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、ＥＣＳ４）と、
   非常用機能のもとでは、前記複数の空気調和ユニットに、前記航空機の外部の空気を供給する外部空気取入口と、
   非常用発電機として機能するように前記複数の空気調和ユニットに指令するための指令ユニットと、
   一次発電が全面的に故障した後、並びに空気調和ユニット（ＥＣＳ１、ＥＣＳ２、ＥＣＳ３、ＥＣＳ４）から十分な電力を得ることができない前記航空機の着陸の間に、非常モードで電力の供給を保証することができる蓄電装置（３０）と、を備えていることを特徴とする発電装置。
2. 前記航空機の臨界負荷（２５）及び前記蓄電装置（３０）が接続されたエッセンシャルバスバー（２６）と、前記空気調和ユニット（ＥＣＳ１〜ＥＣＳ４）とリンクした静止コンバータ（ＭＣ１〜ＭＣ４）を前記エッセンシャルバスバー（２６）に接続するための手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記蓄電装置（３０）が、蓄電池、スーパコンデンサ又は運動アキュムレータを備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
4. 前記蓄電装置（３０）が、１つが＋２７０ＶＤＣのため、もう１つが−２７０ＶＤＣのための２つの個別サブシステムを備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
5. 前記蓄電装置（３０）が、２つのサブアセンブリ（ＳＤ１、ＳＤ２）及び２つの静止ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＳＣ１、ＳＣ２）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
6. 前記蓄電装置（３０）が能動フィルタリング機能を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
7. 前記航空機が飛行機であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の発電装置。
8. 複数の発電機（ＧＥＮ１〜ＧＥＮ４）と、外部空気取入口を有する複数の空気調和ユニット（ＥＣＳ１〜ＥＣＳ４）とを備えた、航空機の機上で電気を発生する方法であって、前記方法は、
   正常に機能している間は、前記空気調和ユニット（ＥＣＳ１〜ＥＣＳ４）に高電圧を供給し、かつ、非常用として機能している間は、電圧を発生させるために前記空気調和ユニットに対して前記外部空気取入口によって供給される前記航空機の外部の空気の力を利用する非常用発電機として前記空気調和ユニットを利用することと、
   蓄電装置によって、正常の機能から非常用として機能するまでの間の移行期間中及び前記航空機の着陸時における電気の供給を保証することと、を備えることを特徴とする方法。
9. 正常に機能している間、インバータとして使用されている静止コンバータ（ＭＣ１〜ＭＣ４）を介して前記空気調和ユニットに供給され、また、非常用として機能している間、前記空気調和ユニットを使用して、整流器として使用されている前記静止コンバータ（ＭＣ１〜ＭＣ４）を介して、前記航空機が備える臨界負荷及び前記蓄電装置が接続されているエッセンシャルバスバーに供給されていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 請求項１から７のいずれかに記載の発電装置を備えていることを特徴とする航空機。
11. 請求項８に記載の方法を実施するために使用することができる発電装置を備えていることを特徴とする航空機。

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