KR20220066320A

KR20220066320A - Ｏｂｏｇｓ를 위한 향상된 조성 제어

Info

Publication number: KR20220066320A
Application number: KR1020227012684A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 씨 피크
Original assignee: 코브햄 미션 시스템즈 대븐포트 엘에스에스 인코포레이티드
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-05-24
Also published as: CA3153259C; US11577101B2; US20210086003A1; EP4034463A1; CA3153259A1; WO2021061983A1; EP4034463A4

Abstract

온보드 산소 발생 시스템(OBOGS)을 위한 제어 시스템은, OBOGS로부터 출력되는 산소 농도를 측정하도록 구성된 산소 센서에 통신 가능하게 결합된 게인 제어부를 포함한다. 게인 제어부는, OBOGS의 불균형 베드 사이클링 모드와 균형 베드 사이클링 모드 간의 선택적 전환을 행하여, 수요에 기초한 목표 산소 농도를 생성한다. 대응하는 방법은, OBOGS로부터 출력되는 산소 농도를 측정하도록 구성된 산소 센서에 통신 가능하게 결합된 게인 제어부를 제공하는 단계; 적은 수요가 OBOGS에 부과될 때 불균형 베드 사이클링 모드에서 작동하도록 OBOGS를 제어하는 단계로서, 상기 게인 제어부는 고정된 사이클 시간에 있어서 짧은 베드 사이클 및 대응하는 긴 사이클을 제공하는 것인 단계; 많은 수요가 OBOGS에 부과될 때 균형 베드 사이클링 모드에서 작동하도록 OBOGS를 전환시키는 단계를 포함한다. 균형 베드 사이클링 모드는, 줄어든 베드 사이클 시간으로 작동한다.

Description

ＯＢＯＧＳ를 위한 향상된 조성 제어

본 발명은 항공기의 OBOGS(onboard oxygen generating system)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 매우 많은 생성물 산소를 필요로 하는 조건 하에서 그리고 베드(bed) 내의 시브 재료(sieve material)의 효율이 시간 경과에 따라 저하될 때, PSA(pressure swing adsorption) 분리 프로세스를 통해 분리될 수 있는 산소의 체적을 개선시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

제어된 산소 농도에서 작동하는 PSA 시스템의 작동은 수년 동안 사용되어 왔다. 그러한 시스템 중 하나가 미국 특허 제6,383,256호('256 특허)에 설명되어 있다. '256 특허에 개시된 방법은 고정된 시간 사이클의 PSA 프로세스를 이용하는데, 여기서 생성물 가스의 산소 농도는 ‘하나의 베드가 산소를 분리하는 시간’ 대 ‘또 다른 베드가 산소를 분리하는 시간’의 조정을 통해 제어된다. 2개의 베드의 분리 지속 시간을 상이하게 함으로써, 상기 시스템은 생성물 가스 내로 효과적으로 더 많은 질소를 허용하며, 이에 따라 산소 농도를, 바람직하게는 항공기 고도에 따라 요구되는 산소 분압까지 감소시킨다.

일반적으로 허용되기는 하지만, '256 특허에 개시된 방법의 한 가지 단점은, 베드들이 동일한 타임 베이스(time base)에 도달하면, 상기 방법은, 농축할 수 있는 산소의 양을 더 이상 최적화할 수 없다는 것이다. 따라서, 요구량이 매우 많거나 또는 시간 경과에 따라 시브 재료의 효율이 저하되면, 상기 시스템은 충분한 산소를 전달하는 기능을 잃을 수 있다.

베드 사이클 시간이 짧아질수록 더 빠른 산소 생산 속도를 제공할 수 있는 것으로 알려져 있다. 앞서 언급한 성능상 단점에 대한 답은, 기준 PSA 주기 시간을 더 짧게 만드는 것이라고 가정할 수 있다. 그러나, 짧은 사이클 시간으로 작동하면 몇 가지 단점을 갖게 된다. 첫째, 사이클 시간이 짧아짐에 따라, 상기 시스템은 베드의 가압 및 감압을 위해 비례적으로 더 많은 공기를 사용하게 된다. OBOGS에 엔진의 블리드 에어(bleed air)가 공급되는 항공기의 작동의 경우, 이는 항공기 블리드 에어 시스템에 불이익을 준다. 추가적으로, 이는, 시스템에서 더 큰 평균 압력 강하를 유발하여, 잠재적으로 호흡 조절기 및 조종사에 대해 원하는 압력보다 더 낮은 압력을 공급할 수 있다. 다른 압축 공기가 공급되는 시스템에서는, 유동에 대한 추가적인 요구에 의해 더 많은 전력뿐만 아니라 더 큰 평균 압력 강하가 초래된다.

따라서, 수요가 많은 이벤트(event) 동안 및/또는 시스템의 시브(sieve)가 시간 경과에 따라 덜 효율적이게 될 때, 생성될 수 있는 산소의 양을 증가시키면서도, 전력 소비, 블리드 공기 소비를 줄이고, 수요가 적은 기간 동안의 압력 강하를 줄이는 방법에 관한 요구가 존재한다.

본 발명은, 온보드 산소 발생 시스템(OBOGS)으로부터 출력되는 산소 농도를 측정하도록 구성된 산소 센서에 통신 가능하게 결합된 게인 제어부(gain control)를 포함하는, OBOGS를 위한 제어 시스템을 제공함으로써 전술한 요구를 해결한다. 상기 게인 제어부는 OBOGS의 불균형 베드 사이클링 모드(unbalanced bed cycling mode)와 균형 베드 사이클링 모드(balanced bed cycling mode) 간의 선택적 전환을 행하여 수요에 따라 목표 산소 농도를 생성한다.

본 발명의 추가적인 양태에 따르면, 수요에 따라 온보드 산소 발생 시스템(OBOGS)의 불균형 베드 사이클링 모드와 균형 베드 사이클링 모드 간의 전환을 행하기 위한 방법은, OBOGS로부터 출력되는 산소 농도를 측정하도록 구성된 산소 센서에 통신 가능하게 결합된 게인 제어부를 제공하는 단계; 적은 수요가 OBOGS에 부과될 때 불균형 베드 사이클링 모드에서 작동하도록 OBOGS를 제어하여, 상기 게이 제어부는 고정된 사이클 시간에 있어서 짧은 베드 사이클 및 대응하는 긴 사이클을 제공하는 단계; 많은 수요가 OBOGS에 부과될 때 균형 베드 사이클링 모드에서 작동하도록 OBOGS를 전환시키는 단계를 포함한다. 상기 균형 베드 사이클링 모드는, 수요에 따라, 불균형 베드 사이클링 모드에 비해 동등하거나 줄어든 베드 사이클 시간 하에서 작동한다.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 실시예를 사용하여 획득한 산소 생성의 대표적인 플롯이고,
도 2는 본 발명에 따른 방법의 실시예를 사용하여 온보드 산소 발생 시스템의 산소 생성을 제어하기 위한 시스템이다.

이제 도면으로 돌아가면, 특히 도 1을 참고하면, OBOGS를 사용한 산소 생성을 제어하는 방법을 예시하는 흐름도(100)가 도시되어 있다. 대체로 도시된 바와 마찬가지로, 본 발명에 따르면, 이하에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 긴 베드 사이클은, 통상 작동 중에 불균형 베드 사이클(102)에서 이용될 수 있으며, 짧은 사이클 시간을 갖는 베드들 간의 균형 사이클 시간(104)을 이용함으로써 제어 시스템이 그 최대 출력에 도달하였을 때 산소 생성이 증가된 상태에서 이용될 수 있다.

예로서, 흐름도(100)는 산소 전달 스케줄을 충족하도록 설계된 시스템과 같은, 보다 새로운 OBOGS에서 사용될 수 있다. 이러한 시스템의 제어 출력은, 특정 고도에서 규정된 수준(106)으로, 농축되는 산소의 양을 제어하기 위해 베드 사이클 시간을 조정한다.

농축되는 산소의 양을 제어하기 위한 균형 베드 사이클(104)의 사용은, 수요가 많을 때에도 역시 잘 작동하지만, 수요가 감소함에 따라 상기 베드 사이클 시간은 현저하게 더 길어진다. 이는, 동적 변화가 존재할 때 전달되는 산소의 농도를 제어하는 능력을 감소시켜, 통상적인 적은 수요에서의 제어에 있어서 덜 바람직한 방법이 되게 한다.

산소 농도를 제어하기 위한 불균형 베드 사이클(102)의 사용은, 수요가 적을 때 산소 농도를 제어하는 데 있어서 매우 효과적이지만, 수요가 많은 상황을 지원하기에 충분한 산소를 생성하기 위해서는 사이클 시간이 상당히 짧아야 한다. 그러나, 위에서 설명한 것처럼, 짧은 베드 사이클 시간을 사용하면 훨씬 더 많은 공급 공기가 필요하며, 이는 전력 사용량을 증가시키고, 전체 시스템을 통한 평균 압력 강하를 증가시키며, 시스템에서 산소를 분리하는 데 사용되는 시브 재료를 비롯한 구성요소의 열화 속도를 증가시킨다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는, 수요에 따라 산소 농도 출력을 생성하기 위해 이들 2개의 별개의 유형의 베드 사이클 제어 양자 모두를 사용하여, 수요가 적은 조건(102) 및 수요가 많은 조건(104) 양자 모두에서 작동을 최적화한다. 불균형 사이클만이 독점적으로 사용되는 경우, 주의등은, 산소 제어 방법(100)을 사용할 때의 주의등 경보(108b)와는 반대로, 적은 수요 흐름에서 조종사에 대한 경보(108a)를 발생시킨다. 또한, 추가적으로, 2가지 상이한 모드(불균형 베드 사이클/균형 베드 사이클) 간의 제어 전환은 시스템 불안정을 유발할 수 있다. 그러나, 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 저수요 불균형 베드 사이클 작동(102)과 균형 베드 사이클 작동(104) 간의 끊김 없는 전환이 본 발명에 따라 달성될 수 있다.

구체적으로, 도 2에 일반적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 출력 제어 시스템(110)은, 생성되는 산소에 대한 수요가 증가함에 따라 PSA 농축기(114)로부터 끊김 없는 출력(113; seamless ouput)을 제공하기 위해 시스템 피드백 게인 제어부(112)로부터의 연속 출력을 사용한다. 시스템(110)은 통상적으로, 압력 하에서 산소를 전달하는 베드와 배기되는 베드(들) 간에 타이밍이 동일하지 않은 것인 불균형 베드 사이클 모드(도 1, 102)에서 작동한다. 2개의 베드 기능부의 타이밍 사이의 이러한 불균형은, PSA 프로세스의 효율을 감소시키고, 이에 따라 최대 출력보다 작은 값에서 제어될 수 있는 가스 배출을 형성한다.

산소 센서(115)를 통해 측정된 출력(113)을 목표 농도(117)와 비교하기 위한 제어 신호(116)를 사용하여 베드들에서의 오프셋을 조정함으로써, 출력 농도가 제어될 수 있다. 2개의 베드 간의 시간차가 커질수록 효율이 떨어질 뿐만 아니라 산소 농도가 낮아진다. 반대로, 베드 시간(bed time)들이 서로 근접할수록 해당 베드의 효율이 증가하고 산소 농도가 증가한다.

예로서, PSA 농축기(114)에 대한 수요는 매우 낮을 수도 있고, 2베드 시스템을 이용하는 경우, 베드들 간의 시간차가 클 수 있으며, 이때 (6초의 일정한 사이클 시간에 대해) 롱 베드(long bed)는 4초이고 숏 베드(short bed)는 2초이다. 제어부의 게인은, 짧은 베드 사이클에 해당하는 출력을 제공한다. 이러한 경우에 있어서, 상기 제어부는 2초의 출력을 요구한다. 생성물 가스에 대한 수요가 증가함에 따라, 상기 제어부는 더 큰 출력을 요구하여, 2초에서 2.5초로 증가시키고 결국에는 3초로 증가시킨다. 베드들 간의 시간차는, 제어부에 의해 양 베드의 베드 시간이 3초가 될 때까지 점점 같아지게 되고, 상기 제어부가 3초를 요구할 때 3초가 된다. 수요가 계속 증가하면, 상기 제어부는 3.1초 이상의 출력을 필요로 하게 될 것이다. 그러나, 베드들이 6초의 일정한 사이클 시간으로 최대량의 산소를 농축시키고 있기 때문에 베드는 반응할 수 없다. 그 결과로서, 이는 불균형 베드 제어의 영역이 된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 수요가 계속 증가함에 따라 추가 출력이 끊김 없이(seamlessly) 제공될 수 있다. 게인 제어부(112)를 사용함으로써, 예를 들어 수요가 증가하여 제어부가 3.1초를 요구할 때, 사이클 시간의 불균형을 변화시키는 대신, 제어부는 각 베드의 시간을 동등하게 감소시킨다. 앞서의 경우에 있어서, 게인 제어부가 3.1초 출력을 요구할 때, 3.0초를 초과하는 값은 각 베드에 대한 2.9초의 균형 값으로 변환된다(총 균형 사이클 시간은 5.8초). 제어부(112)는 이러한 전환을 고려할 필요가 없기 때문에, 제어부(112)는 변경 없이 계속 기능을 수행한다. 제어 계산의 결과를 기반으로 하는 베드 타이밍은, 균형 베드로 약간 더 짧은 총 사이클(예컨대, 6초의 일정한 사이클 시간과는 달리 5.8초)을 형성하게 변경된다. 도 1의 104를 참고하라. 그 결과로서, PSA 농축기(114)는 약간 더 많은 산소를 농축시킬 것이다. 수요가 다시 감소되고 제어 출력이 2.9초를 명령하면, 이때 베드는 약간 불균형한 사이클(102)로 제어되어, 생성되는 산소의 양을 감소시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 방법은, 수요가 적을 때 더 빠른 베드 사이클의 불이익 없이, 수요가 많을 때에 농축기의 최대 출력을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 그 결과로서, OBOGS는 동적 변화에 더 민감하게 반응할 수 있으며, 시간 경과에 따른 PSA 시브 재료의 효율 저하를 자동 보정할 수 있다.

본 발명이 그 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은, 이하의 청구범위에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 완전한 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에 대해 다양한 수정이 행해질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims

온보드 산소 생성 시스템(OBOGS; onboard oxygen generating system)으로부터 출력되는 산소 농도를 측정하도록 구성된 산소 센서에 통신 가능하게 결합된 게인 제어부(gain control)를 포함하는, OBOGS용 제어 시스템으로서, 상기 게인 제어부는, OBOGS의 불균형 베드 사이클링 모드(unbalanced bed cycling mode)와 균형 베드 사이클링 모드(balanced bed cycling mode) 간의 선택적 전환을 행하여, 목표 산소 농도를 생성하는 것인 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 불균형 베드 사이클링 모드의 사이클 시간들은, 산소 센서가 목표 산소 농도보다 낮은 산소 농도를 나타낼 때, 더욱 밸런싱(balancing)되도록 제어되는 것인 제어 시스템.
제2항에 있어서, 상기 불균형 베드 사이클링 모드는, 상기 불균형 베드 사이클링 모드의 사이클 시간들이 동등하게 될 때 상기 균형 베드 사이클링 모드로 시프트(shift)되는 것인, 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 균형 베드 사이클링 모드에서 작동할 때의 사이클 시간은, OBOGS로부터 출력되며 측정되는 산소 농도가 목표 산소 농도보다 낮음을 산소 센서가 나타낼 때, 감소하는 것인 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 목표 산소 농도는 항공기 고도에 기초하여 결정되는 것인 제어 시스템.
제1항에 있어서, OBOGS로부터 출력되는 상기 산소 농도가 목표 산소 농도보다 낮을 때, 경고등이 활성화되는 것인 제어 시스템.
수요에 따라 온보드 산소 발생 시스템(OBOGS)의 불균형 베드 사이클링 모드와 균형 베드 사이클링 모드 간의 전환을 행하는 방법으로서,
a. OBOGS로부터 출력되는 산소 농도를 측정하도록 구성된 산소 센서에 통신가능하게 결합된 게인 제어부를 제공하는 단계;
b. 적은 수요가 OBOGS에 부과될 때 불균형 베드 사이클링 모드에서 작동하도록 OBOGS를 제어하는 단계로서, 상기 게인 제어부는, 짧은 베드 사이클 부분 및 긴 베드 사이클 부분을 포함하는 고정된 사이클 시간을 사용하여 OBOGS가 작동하게 하는 것인 단계;
c. 많은 수요가 OBOGS에 부과될 때 균형 베드 사이클링 모드에서 작동하도록 OBOGS를 전환시키는 단계
를 포함하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 균형 베드 사이클링 모드는, 상기 불균형 베드 사이클링 모드에서 사용되는 상기 고정된 사이클 시간에 비해 줄어든 베드 사이클 시간에서 작동하는 것인 방법.