特許 7166070 外部の空気を収集せずに作動する、航空機における不活性化システム、および不活性ガスを生成するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-27

(45)【発行日】2022-11-07

(54)【発明の名称】外部の空気を収集せずに作動する、航空機における不活性化システム、および不活性ガスを生成するための方法

(51)【国際特許分類】

   B64D 37/32 20060101AFI20221028BHJP

   B64D 25/00 20060101ALI20221028BHJP

   B01D 53/22 20060101ALI20221028BHJP

【ＦＩ】

B64D37/32

B64D25/00

B01D53/22

【請求項の数】 6

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018066076

(22)【出願日】2018-03-29

(65)【公開番号】P2018177208

(43)【公開日】2018-11-15

【審査請求日】2021-03-05

(31)【優先権主張番号】1752936

(32)【優先日】2017-04-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】514235879

【氏名又は名称】サフラン エアロテクニクス エスアーエス

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ピエーリック メイレー

(72)【発明者】

【氏名】フレデリック トン － イエッテ

【審査官】姫島 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００８／００６０５２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－０９６１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２９１８９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６４Ｄ ３７／３２

Ｂ６４Ｄ ２５／００

Ｂ０１Ｄ ５３／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

航空機のための不活性化システム（１）であって、前記不活性化システム（１）が、少なくとも空気入口（２）と圧縮機（３）と空気分離モジュール（７）とを連続して備えるガス回路を有し、前記空気分離モジュール（７）が、酸素富化ガスのための出口（８）と不活性ガスのための出口（９）とを有し、前記不活性ガス出口（９）が、前記不活性ガスを膨張および冷却するためにタービン（１０）に接続され、前記タービン（１０）が、前記圧縮機（３）を回転させる電気モータ（４）に機械的に連結され、それによりターボ圧縮機（３－４－１０）を形成する、不活性化システム（１）において、
前記空気分離モジュール（７）が、１００℃以上の温度に対して耐性のあるガス透過膜を有すること、および前記ガス回路が、前記圧縮機（３）の出口に圧縮空気バイパス導管（１３）を有し、前記バイパス導管（１３）内に前記電気モータ（４）が配置され、また前記バイパス導管（１３）が、前記電気モータ（４）の上流で圧力を減少させて前記圧縮空気を冷却するためにサイズ決めされた一部の区域（１４）を有し、それにより前記電気モータ（４）を冷却することを特徴とする、不活性化システム（１）。

【請求項2】

前記ガス透過膜が、１４０℃以上の温度に対して耐性があることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記バイパス導管（１３）が、前記酸素富化ガス出口（８）のところで、それと混合されるように開口していることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

流量調整弁（１７）が、前記酸素富化ガス出口（８）の上流で前記バイパス導管（１３）に配設されることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

請求項１に記載の前記不活性システム（１）を実装する航空機において不活性ガスを生成するための方法であって、
前記不活性化システム（１）の前記ガス回路に空気を供給するステップと、
圧縮機（３）によって前記空気を圧縮するステップと、
１００℃以上の温度に対して耐性のあるガス透過膜を通して前記圧縮空気を高温で循環させ、それにより前記空気の酸素を枯渇させて不活性ガスを生成するステップと、
タービン（１０）によって前記不活性ガスを膨張させ、それにより低温の不活性ガスを生成するステップと
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項6】

前記圧縮機（３）を回転させるために前記タービン（１０）からエネルギーを回収するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば飛行機、ヘリコプターなどの航空機に実装される不活性化のためのシステムの技術分野に関する。

【0002】

本発明は、燃料タンク、貨物室、アビオニクスベイ、電池貯蔵エリアまたは他の任意の航空機の空間を不活性にするのに有利な応用例を含む。

【背景技術】

【0003】

航空学の分野では、例えば窒素または他の任意の不活性ガス、例えば二酸化炭素などの不活性ガスを生成するため、および不活性にされるべき空間にこのような不活性ガスを取り込むため、詳細には前記空間の爆発のリスクを抑えるために安全性の理由のために不活性化システムを利用することがよく知られている。

【0004】

従来技術からの既知の不活性化システムは、既知の様式で空気準備システムを有しており、これにより、例えば少なくとも１つの航空機のエンジンから抽気された高温の空気などの空気流を冷却し、その温度を調節する。この目的のために、空気準備システムは、熱交換器によって空気流を冷却するために、航空機の外部から空気を収集することを必要とする。

【0005】

不活性化システムはまた、例えば高分子膜などのガス透過膜を有する少なくとも１つの空気分離モジュールを有し、この膜を通して空気の流れが加圧されて、この空気の酸素を枯渇させ、窒素が豊富になった不活性ガスを生成する。

【0006】

最後に、不活性化システムは、不活性にするべき空間に不活性ガスを分配するための手段を有する。

【0007】

しかし、従来技術からのこの種の不活性化システムは、その構造に固有のいくつかの欠点を有する。実際、不活性化システムは空気準備システムを有するため、それは余分な機上の質量を招き、システムをいくつつかの信頼性にさらし、積み荷と航空機の統合の無視できないロスを招くことは否定しがたく、とりわけ不活性にすべき空気流を冷却するために、外部の空気の収集導管を航空機の内壁付近に形成することを必要とする。このように航空機の外部から空気を収集することは、抗力を付加することにつながり、このことは航空機の燃料消費を増大させ、ＣＯ_２の排出を高めることになる。

【0008】

加えて、送風機は一般的には、航空機が地上に駐機される際、冷却空気流を生成するために始動され、この段階以外では停止される。このような送風機は、ほとんどの時間使用されない機内の要素で構成されている。結論として、空気準備システムは、その熱慣性が理由で不活性化システムの全体の加熱時間を増大させる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の目標の１つはそれ故、外部の空気を収集する必要がない航空機のための不活性化システムを提供し、その一方で、低温の不活性ガスを生成することも可能にする、つまり航空機を構成している材料に関する認定温度を下回る温度で、例えば本特許出願の出願日に利用可能な最新技術からの航空機のために８０℃を下回る温度で不活性ガスを生成することも可能にすることによって従来技術からの欠点を克服することである。

【0010】

本発明の他の目的は、従来技術のシステムと比べて、信頼性が高く、燃料の節約が向上され、環境に対してより配慮することが可能な不活性化システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

この目的のために、航空機のための不活性化システムは、少なくとも１つの空気の入口と、圧縮機と、空気分離モジュールとを連続して有するガス回路を有することで完成された。空気分離モジュールは詳細には、酸素富化ガスのための出口と、不活性ガスのための出口とを備える。

【0012】

本発明によると、空気分離モジュールは、１００℃以上、および好ましくは１４０℃以上の温度に対して耐性のあるガス透過膜を備え、不活性ガスの出口は、圧力を解放し不活性ガスを冷却するためにタービンに接続される。

【0013】

この方法において、本発明による不活性化システムは、航空機の外部から空気を収集する必要は全くなく、圧縮された空気は、そのまま高温で空気分離モジュールの中に通され、その後で前記空気分離モジュールの出口に配設されたタービンによって自動的に冷却される。

【0014】

前述より、従来技術において取り入れられた空気準備システム、およびとりわけ外部空気の収集導管に接続された熱交換器をなくすことができることから、システムの信頼性を高めることができる。この方法では、本発明による不活性化システムは、航空機に対して余分な抗力を生み出すことがなく、そのためそれは燃料を節約し、ＣＯ_２の排出を抑えることができる。加えて、空気準備システムをなくすことによって、圧縮機と空気分離モジュールの間の距離を実際に最小限まで縮小させることができ、そのためモジュールは、より迅速に温度調整され、その結果より迅速に作動可能である。

【0015】

前述のことが理由で、本発明によるシステムは、外部の空気を収集することなく、低温の不活性ガスを生成することができる。

【0016】

「耐性がある」という用語によって、膜は１５，０００時間を超える耐用年数を有することが理解される。

【0017】

有利には、タービンは、圧縮機を回転させるために配置された電気モータに機械的に接続される。このようにしてターボ圧縮機を実現することができ、タービンの回転によって生成されるエネルギーを、電気モータを回転させるために使用することができ、それによって電気モータのサイズ、質量および電気消費を縮小することができる。本発明によって、空気分離モジュールの出口において不活性ガスに含まれる空気圧エネルギーを回収することができ、例えばタンクに注入する前に不活性ガスの温度を下げることができる。

【0018】

好ましくは、本発明による不活性化システムは、電気モータを冷却するための手段を備える。この方法において、システムは、信頼性があり、その耐用年数は最良である。

【0019】

第１の実施形態によれば、また電気モータを冷却するために、不活性化システムのための空気回路は、圧縮機の出口に、電気モータが中に配置された圧縮空気のバイパス導管を備え、この導管は、電気モータを冷却するために、電気モータから下流で圧力を減少させ、圧縮空気を冷却するようにサイズが決められた一部の区域を有する。

【0020】

第２の実施形態によれば、また不活性化システムに航空機の客室から進入する空気が供給されるシナリオでは、圧縮機から上流の空気回路は、電気モータと、モータを冷却するために、電気モータの下流で空気を吸い込み、それをモータに誘導するための送風機が中に配設されるバイパス導管を備える。

【0021】

この実施形態では、送風機は、航空機が地上にあるときに稼働中であり、その後飛行中は停止されるように意図されている。外部と、空気が例えば収集される航空機の客室との圧力の差はこのとき、送風機を使用する必要なしに空気流を生成することを可能にするのに十分である。

【0022】

第３の実施形態によれば、圧縮機の上流の空気回路は、第１の圧縮機に機械的に接続された低圧縮率の遠心送風機と、電気モータとが配置された空気バイパス導管を備え、この場合、遠心送風機は、モータに向けて空気を誘導することでモータを冷却することができる。

【0023】

好ましくは、およびこれらの３つの実施形態によれば、バイパス導管は、酸素富化ガスと混合させるために、空気分離モジュールの酸素富化ガスの出口の付近に接続される。流量調整弁をとりわけ、酸素富化ガスの出口から上流でバイパス導管に配設することで電気モータを冷却するのに必要な空気流量を調整することができる。

【0024】

本発明の目標はまた、上記に記載される不活性化システムを実装する航空機において不活性ガスを生成するための方法を提供することである。

【0025】

本発明によれば、この方法は、
不活性化システムのガス回路に、例えば航空機の客室内で収集した空気を供給するステップと、
圧縮機を利用して空気を圧縮するステップと、
１００℃以上の温度に対して耐性のあるガス透過膜を通るように圧縮空気を高温で循環させることで空気の酸素を枯渇させ不活性ガスを生成するステップと、
タービンを利用して不活性ガスに対する圧力を解放することで低温の不活性ガスを生成するステップと
を含む。

【0026】

前述より、本発明による不活性ガスを生成するための方法は、上記に記載される不活性化システムと同じ利点を有し、とりわけその作動のために外部の空気を収集する必要がないという主たる利点を有する。

【0027】

有利には、この方法は、圧縮機を回転させるためにタービンからエネルギーを回収することからなるステップを含む。この方法において、不活性ガスに含まれる空気圧エネルギーが回収され、同時にその温度を下げるような役割を果たしている。

【0028】

さらなる利点および特徴は、添付の図面を参照して、本発明による不活性化システムおよび不活性ガスの生成の方法の非制限的な例を介して提供される以下の記載からより明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明による、またターボ圧縮機電気モータを冷却する手段の第１の実施形態による、不活性化システムの概略図である。

【図2】冷却手段の第２の実施形態を示す、図１からのものと同様の概略図である。

【図3】冷却手段の第３の実施形態を示す、図１からのものと同様の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

図１～図３を参照すると、本発明は、例えば燃料タンク、貨物室、電池貯蔵エリアまたは任意の他の空間などの特定の空間を不活性にする役目をする航空機のための不活性化システム（１）に関する。

【0031】

不活性化システム（１）は、例えば航空機の客室から進入する空気が供給されるように意図された入口（２）を備えるガス回路を備える。空気回路は次に、空気を圧縮するために電気モータ（４）によって回転される圧縮機（３）を備える。

【0032】

圧縮機（３）の出口において、圧縮空気は、少なくとも１つの空気分離モジュール（７）に進入する前に、オゾンコンバータ（５）および粒子フィルタ（６）を通り過ぎる。図１～図３を参照すると、記載される不活性化システム（１）は、２つの空気分離モジュール（７）を備える。各々の空気分離モジュール（７）は、詳細には１００℃を超える、および好ましくは１４０℃を超える高温に対して耐性のあるガス透過膜、例えば高分子膜を内部に含む。空気分離モジュール（７）の数は、不活性化システム（１）の所望される性能によって決まる。圧縮機（３）の圧縮率は、膜の最大許容可能温度を超えないように制限される。例えば、空気分離モジュール（７）の入口における空気に関して１３０℃の限界温度の場合、圧縮機（３）の圧縮率は、圧縮機（３）の８０％のポリトローピック効率を考慮するならば、およそ２．５までに制限される。

【0033】

圧縮空気は、ガス透過膜を通り抜けて進むことで、出口（８）を経て排出される酸素富化ガスと、出口（９）によって排出される不活性ガスを構成する酸素が枯渇したガスの両方を生成する。不活性ガスのための出口（９）は、圧力を解放し、不活性ガスを冷却するのに使用されるタービン（１０）に接続される。

【0034】

タービン（１０）は、電気ターボ圧縮機組立体（３－４－１０）を形成するために、圧縮機（３）の電気モータ（４）に機械的に結合される。これによりタービン（１０）の存在が、圧縮機（３）を回転させるために、不活性ガスに含まれる空気圧エネルギーを回収し、その一方で不活にすべき空間に注入する前に、不活性ガスの温度を下げる役目をする。タービン（１０）は、不活性ガスから空気圧のおよそ２０％を回収するのに役立つことが実際に観察された。

【0035】

流量調整弁（１１）が、タービン（１０）から下流で空気回路上に配置されて不活性ガスの流量を調整し、これはその後、図示されない分配システムへと誘導される。

【0036】

システムの信頼性およびその耐用年数を向上させるために、一部の構成要素、とりわけ電気モータ（４）、前記モータ（４）のための電子制御装置（１２）および任意の他の電気モータ構成要素（４）、例えば玉軸受けまたは空気軸受け（図示せず）などを冷却する必要がある。

【0037】

この目的のために、システムは、複数の方法で実装することができる冷却手段を備える。

【0038】

第１の実施形態が図１に示されており、そこでは圧縮機（３）からの圧縮空気の一部が、空気圧を減少させるようにサイズが決められた一部の区域（１４）を備えるバイパス導管（１３）を利用して収集され、この導管内には、放出される空気流によって冷却することができるように電気モータ（４）が配設される。実際には、空気に対する圧力の解放は、その温度を降下させ、これにより、電気モータ（４）を構成している種々の要素を冷却するのに十分である。バイパス導管（１３）は、次に酸素富化ガスの出口（８）付近で、とりわけミキサー（１５）内で酸素富化ガスと混合されるように開放する。こうして形成された混合物は、配管を通って飛行機の外部へと送られる。

【0039】

図２に示される調整の別の態様によると、電気モータ（４）の冷却は、圧縮機（３）の上流に配置されたバイパス導管（１３）であって、バイパス導管（１３）内に配設されたモータ（４）を冷却するために空気を吸い込み、それをモータに向けて誘導するために送風機（ブロワ）（１６）が中に配設されたバイパス導管（１３）を利用して行われる。この送風機（１６）によって、電気モータ（４）を冷却するのに十分なガス流量が生成される。不活性化システム（１）に航空機の客室から進入する空気が供給されるシナリオでは、送風機（１６）は、航空機が地上にあるときに使用され、稼働中であり、その後飛行中は停止される。航空機の外部と、そこから空気が例えば収集される客室との間の圧力の差は、電気モータ（４）を冷却するための流量を生成するのに十分である。空気は動力を与えられていない送風機（１６）を通過して流れ、その流量は、酸素富化ガスの出口（８）から上流でバイパス導管（１３）内に位置決めされた流量調整弁（１７）を利用して有利に調節される。先のものと同様の方法で、バイパス導管（１３）は、酸素富化ガスと混合させるために酸素富化ガスの出口（８）付近で開放する。

【0040】

冷却手段の第３の実施形態が、図３に示されている。この実施形態では、不活性化システムの空気回路（１）は、圧縮機（３）から上流の、遠心送風機（１８）に供給することが意図された空気バイパス導管（１３）を備える。遠心送風機（１８）は、最初の圧縮機（３）に機械的に接続され、バイパス導管（１３）内に配設された電気モータ（４）を冷却するのに十分な冷却用の空気流量を生成するために、より低い圧縮率、例えば１．２の圧縮率を有する。同じように、バイパス導管（１３）は、酸素富化ガスの出口（８）付近で開放する。

【0041】

前述より、本発明は、例えば航空機の客室内で集められた空気が供給される空気回路を備える不活性化システム（１）を提供する。この不活性化システム（１）によって、圧縮機（３）を利用して空気を圧縮することができ、圧縮空気は、そのまま高温で循環させられ、このような高温に対して耐性のあるガス透過膜を通ることで、空気の酸素を枯渇させ、不活性ガスを生成することができる。最新技術とは対照的に、この不活性化システム（１）は、膜の上流で空気を冷却するために外部の空気を収集する必要がなく、前記膜からの出口においてタービン（１０）を介して不活性ガスに対する圧力が解放されることで低温の不活性ガスを生成する。

【0042】

前述のことが理由で、本発明は、空気準備システムをなくすこと、詳細には外部の空気の収集をなくすことができる。システムはそれ故、体積が小さく、信頼性があり、追加の抗力を生むことがなく、またしたがって航空機の燃料消費やＣＯ_２の排出を悪化させることもない。

【符号の説明】

【0043】

１ 不活性化システム
２ 入口
３ 圧縮機
４ 電気モータ
５ オゾンコンバータ
６ 粒子フィルタ
７ 空気分離モジュール
８ 出口
９ 出口
１０ タービン
１１ 流量調整弁
１２ 電子制御装置

【図1】

【図2】

【図3】