(57)【要約】航空機の与圧客室における空気品質を改善するためのシステムは、再循環空気回路を有し、この再循環空気回路によって再循環空気と称される客室空気の一部を、与圧客室から回収し、フィルタ処理し、その後与圧客室に再循環させる。与圧客室に帰還させる空気の酸素分圧を高めるため、再循環空気のすべてまたは一部を、窒素発生器（５２）に通過させ、この窒素発生器（５２）は、供給した再循環空気から窒素および酸素含有廃棄ガスを生成する。窒素発生器（５２）の酸素含有廃棄ガスは、窒素発生器（５２）によって処理されていない残りの再循環空気と共に、与圧客室へ再循環させる。再循環空気のみの供給を受ける窒素発生器（５２）は、窒素を発生するために、飛行中に与圧客室と航空機の外気との間に存在する圧力勾配を利用する。
2009526690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機の与圧客室内における空気の品質を改善するシステムであって、再循環空気と称される客室の空気の一部を、与圧客室から再循環空気回路に取り込み、調整し、その後与圧客室に再循環させ、
再循環空気の全量または部分的な量を窒素発生器（５２）に送給し、この窒素発生器（５２）により、供給された再循環空気から窒素および酸素含有廃棄ガスを生成させ、
窒素発生器（５２）の酸素含有廃棄ガスを、窒素発生器（５２）によって処理されない残りの再循環空気と共に、与圧客室へ再循環させ、ただし
再循環空気のみを窒素発生器（５２）へ供給するものとした、
空気品質改善システムにおいて、
前記窒素発生器（５２）は、窒素を発生するために、飛行中に与圧客室と航空機の外部との間に存在する圧力勾配を利用する
ことを特徴とする、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、窒素発生器（５２）の窒素出口側で外気に放出させるベンチュリ弁（７０）により、前記窒素発生器を通過する最大流量を制限するものとしたことを特徴とする、システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシステムにおいて、再循環空気回路は、再循環ファン（４６）を有するものとし、また、再循環ファン（４６）によって発生した圧力勾配を、窒素を発生させるための窒素発生器（５２）が使用するものとしたことを特徴とする、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムにおいて、窒素発生器（５２）の酸素含有廃棄ガスを、再循環ファン（４６）の吸入側に導入し、再循環ファン（４６）を通過させた後に与圧客室へ再循環させることを特徴とする、システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のシステムにおいて、再循環空気回路は空調フィルタ（５０）を有するものとし、また、窒素発生器（５２）に供給すべき再循環空気を、空調フィルタ８５０）の下流域から取り込むことを特徴とする、システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のシステムにおいて、再循環空気回路は、与圧客室に再流入させる前に、再循環空気が通過する混合室（３２）を有するものとし、また、外気を混合室（３２）において混合することを特徴とする、システム。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のシステムにおいて、生成した窒素を、
航空機の着陸用ギヤ装置に導入することを特徴とする、システム。
【請求項８】
請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のシステムにおいて、生成した窒素を、航空機の燃料タンクに導入ことを特徴とする、システム。
【請求項９】
請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のシステムにおいて、生成した窒素を、航空機のコンポーネントを冷却するための冷却剤として使用することを特徴とする、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムにおいて、航空機のコンポーネントは航空電子コンポーネントとしたことを特徴とする、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機の与圧客室内における空気の品質を改善するシステム（方式）に関し、再循環空気と称される、与圧客室の空気の一部を、与圧客室から再循環空気回路に取り込み、調整し、その後与圧客室に帰還させる。
【背景技術】
【０００２】
航空機の客室を加圧することは長く知られており、酸素マスク等の補助がなくとも比較的高い飛行高度であってもこの航空機客室で過ごすことができる。従来、航空エンジンのコンプレッサ段から捕集する空気、いわゆるブリード空気を使用して、航空機の客室を加圧する。この既に加圧したブリード空気は、航空機の空調システムにおいて所定の客室与圧まで減圧し、航空機の客室に供給する前に冷却、およびさもなければ調整する。取得した空気は、エンジンの推力発生に利用できないため、エンジンから捕集した空気は、エンジンの燃料消費を増やし、したがって、エンジンのコンプレッサは、純粋に推力発生に必要なものよりも大きく設計する。
【０００３】
ブリード空気の必要性を減らすため、航空機客室の空調の分野における当業者には、ブリード空気から発生した外気を与圧客室に絶えず供給し続ける代わりに、再循環空気回路において与圧客室に既に存在する一定の割合の空気を清浄化し、その後、この割合の空気を与圧客室に帰還させることが知られている。
【０００４】
与圧客室を備えた航空機の重量を軽減するため、客室与圧は、高度２５００ｍで得られる空気圧にほぼ対応するように設定する。このようにして、飛行中の与圧客室と外気との間の圧力差を小さく保つことができ、そうすることで強度要件を低減し、また、結果として、航空機胴体構造の重量を軽くすることができる。しかし、欠点は、上述した手段によって、航空機客室における酸素分圧が地上よりもずっと低く、とくに老人および病人の乗客にとって、長時間の飛行が快適でなくなってしまう。例えば、地上における酸素分圧は約２００ｍｂａｒであるが、高度を飛行する民間航空機の客室においては１７５ｍｂａｒしかない。この問題を解決するため、特許文献１（独国特許文献１９６４５７６４号）では、航空機の与圧客室に供給するフレッシュな空気に酸素を混入して補充する。外気に含む酸素分を分離する薄膜モジュールが、フレッシュな空気に酸素を混入補充する装置として提案されている。しかし、この手法は、結果として、ブリード空気の消費量を増大することになる。すなわち、これは、酸素混入補充装置を用いて（付加的な）ブリード空気から得られる酸素分量のみを与圧客室に供給するとともに、この付加的なブリード空気の残りの部分は未使用のままであるからである。
【０００５】
航空機の与圧客室内における酸素分圧を高める他の可能性のある方法としては、特許文献２（英国特許出願公開第２３９７８２１号）に開示されているものがある。この特許文献２において、一つの実施形態によれば、再循環空気を薄膜モジュールに通過させ、酸素を豊富に含み、また窒素を豊富に含むガス流を生成し、酸素を豊富に含むガス流を、航空機の客室に帰還させる。
【特許文献１】独国特許出願公開第１９６４５７６４号明細書
【特許文献２】英国特許出願公開第  ２３９７８２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、ブリード空気を余分に消費することなく、航空機の与圧客室における酸素分圧を高くすること、および、全体効率をより高くして与圧客室の酸素分圧を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１に規定した特徴を持つ本発明システム（方式）により達成される。このシステムによれば、窒素発生器に再循環空気のみを供給し、再循環空気の全量または部分的な量を窒素発生器に送給し、この窒素発生器により、供給された再循環空気から窒素および酸素含有廃棄ガスを生成する。窒素発生器からの酸素含有廃棄ガスを、窒素発生器によって処理しない残りの再循環空気とともに、与圧客室へ再循環させる。
【０００８】
空気から窒素を発生するために、すべての窒素発生器は、処理すべき空気を、例えば、分子篩または薄膜に強制的に通過させる原動力が必要であり、これら分子篩または薄膜が、２種類の可能な窒素分離方法である。従来は、コンプレッサが窒素発生器のコンポーネントである。本発明空気改善システムによれば、窒素発生器は、飛行中の与圧客室と機外との間に存在する圧力勾配を利用する。飛行高度によって、この圧力勾配は数１００ミリバールにも及ぶ。好ましくは、窒素発生器の窒素出口側で外気に放出させるベンチュリ弁により、窒素発生器を通過する最大流量を制限するものとする。
【０００９】
代案として、および／または付加的に、再循環空気回路に設ける再循環ファンによって発生した圧力勾配を使用して、窒素発生器による窒素生成を行う。この再循環ファンによって発生した圧力勾配のみであっても、与圧客室と機外との間に存在する圧力勾配との組み合わせであっても、窒素発生器において窒素を生成する原動力として用いて、窒素発生器の酸素含有廃棄ガスを、好ましくは、再循環ファンの吸引側に導入し、再循環ファンを通過させた後、与圧客室内へ再循環させる。こうして、再循環ファンの差圧全体を、窒素発生器が使用して、窒素分離プロセスを行うことができる。
【００１０】
上述したように、既存の圧力勾配を窒素発生に使用する場合、本発明によれば、上述の窒素発生器のコンプレッサは、小形でよく、またはまったくなくてもよく、コスト、重量および設置スペースを節減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
多くの利点が、航空機空調システムの再循環空気側でのみ窒素を分離する、すなわち、再循環空気からのみ窒素を分離することにより得られる。与圧客室における酸素分圧を高くする本発明によるシステムは、ブリード空気と完全に独立していて、したがって、航空機エンジンの燃料消費量を増大することがない。本発明によるこのシステムがブリード空気から独立しているため、エンジンが稼働していない地上においても動作することができる。さらに、本発明によれば、ブリード空気を用いるときは必要となるが、窒素発生器に供給する空気には適切な圧力および温度値を付与する必要がない。代わりに、与圧客室から取り込み、また窒素発生器に供給する空気は、既に適切な圧力および温度になっている。したがって、必要な技術的複雑さはそれに呼応して少なく、付加的な経路の必要性も高くない。再循環客室空気は、どんな場合でも高効率のフィルタを通して調整されるため、窒素発生器によって生成した酸素含有廃棄ガスの付加的なフィルタ処理も必要ない。除去される窒素量を補償する必要がある場合、再循環空気の総量を単に増やして、全ガス流を一定に維持すればよい。最後に、再循環空気のみを使用するため、またその結果として吸入パラメータにおける変動が小さいため、この窒素発生器は、所要の使用条件に対して随意的に設計することができる。
【００１２】
上述の、飛行中に存在する圧力勾配を窒素発生に用いる場合、生成された窒素は、その圧力が与圧客室における圧力よりも低いスペースに排出する。例えば、生成した窒素は、簡単に航空機胴体から排出することができる。しかし、本発明によるシステムの好ましい実施形態においては、生成した窒素を、機外に単に排出するだけでなく、例えば、航空機の着陸用ギヤ装置に排出する。着陸用ギヤ装置はしばしば、航空機の燃料タンクに近接させて設置し、極めて高温となるコンポーネント（ディスクブレーキ、タイヤ）を設けることがあるため、窒素を取り込むことによって着陸ギヤ装置スペースを不活性化することは危険低減効果を有する。
【００１３】
代案として、および／または付加的に、生成した窒素を、航空機の燃料タンクに導入し、とくに燃料タンクが比較的空いている状態のときに、燃料蒸気の着火の危険性を低くする。
【００１４】
最後に、窒素発生器が飛行中に存在する圧力勾配を窒素発生に利用する、しないに係わらず、生成した窒素を、代案として、および／または付加的に、上述した、航空機コンポーネントを冷却するのに用いる冷却媒体として用いる。これらのコンポーネントとしては、例えば、航空電子コンポーネントがあり、従来は通常の大気を用いて冷却する。ここで、また、窒素を用いて達成される、航空電子コンポーネント冷却「エア」の不活性化は、有利である。窒素発生器によって生成した窒素の温度が、冷却目的に十分低くなければ、生成した窒素を、現代の通常飛行高度では極めて冷たい外気で冷却した熱交換器を通してさらに冷却することができる。
【００１５】
再循環空気を与圧客室から取り込みまた帰還させる、再循環空気回路は、通常、与圧客室から取り込む再循環空気のための空調フィルタを有する。この場合、本発明によるシステムは、好ましくは、窒素発生器に供給する再循環空気を、空調フィルタを通過した後にのみ取り込むように設計する。これは、すなわち、窒素発生器によって処理し、また再循環空気回路に帰還させる空気のそれ以上のフィルタ処理は、必要ないからである。
【００１６】
本発明によるシステムはできるだけ融通性の高い動作ができるように、再循環空気回路は、好ましくは、与圧客室に再流入させる前に、再循環空気が通過する、混合室を有するものとする。この混合室において、外気、すなわち、調整されたブリード空気は、本発明により得られる利点を失うことなく、所要の割合で混合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
航空機の与圧客室における空気品質を改善するための、本発明によるシステムの実施形態を、添付線図的図面につき、さらに詳細に説明する。
【００１８】
第１実施形態を示す図１は、２個のエンジン１２，１４および補助電源ユニット１６を有する航空機に関するものであるが、このシステムの基本的動作が、エンジンの正確な数または補助電源ユニットの存在に依存しないことは自明である。
【００１９】
航空機（図示せず）の客室を加圧するため、エンジン１２および／またはエンジン１４および／または補助電源ユニット１６からの抽気したブリード空気を、ライン１８，１９および２０，２１を経て２個の空調ユニット２２，２４に供給する。遮断弁２６を設けた接続ライン２５は、エンジン１２および／または補助電源ユニット１６からのブリード空気を同時に両方の空調ユニット２２，２４に供給するのに用いる、または、エンジン１４からの空気を同時に両方の空調装置２２，２４に供給するのに用いる。遮断弁２６を閉じると、空調ユニット２２は、エンジン１２および／または補助電源ユニット１６からのみのブリード空気を供給され、空調ユニット２４は、エンジン１４からのみのブリード空気を供給される。
【００２０】
当業者には既知の方法で、空調ユニット２２，２４を使用して、ホットなブリード空気を冷却および調整し、航空機客室に導入することができる。各空調ユニット２２，２４の下流域に制御弁２７，２８を接続し、これら制御弁２７，２８により空調ユニット２２，２４を流れるガス流量を調整することができる。
【００２１】
空調ユニット２２，２４によって調整したブリード空気を、制御弁２７，２８を設けたライン３０，３１を介して混合室３２に導入する。この混合室３２は、航空機の与圧客室における再循環空気と称される空気の一部を回収し、与圧客室からの空気を調整し、その後与圧客室に帰還させる、いわゆる再循環空気回路の一部を形成する。この手法によれば、ブリード空気を節約することができ、この理由としては、与圧客室の圧力の全体量を、常に外部空気（ブリード空気として、与圧客室に供給する前に空調ユニット２２，２４によって適切に調整する）と交換する必要はなく、一部しか必要ないからである。
【００２２】
ライン３３，３４，３５および３６，３７，３８は、混合室３２から、航空機の与圧客室の異なる換気ゾーンにいたる。客室空気は、それぞれに対応する再循環ファン４４，４６によって与圧客室から部分４０および４２で回収し、それぞれに対応する再循環ファン４４，４６の上流域に位置する空調フィルタ４８，５０を経て流れ方向に通過させ、その後混合室３２に導入する。混合室３２において、新鮮な外部空気の望ましい割合が混合されてから、このようにして得られた混合気がライン３３〜３８を介して航空機の与圧客室に帰還する。
【００２３】
図示の実施形態において、再循環空気回路全体は、給気ライン３３，３４，３５、空調フィルタ４８、再循環ファン４４および混合室３２によって形成される左側の再循環空気回路と、給気ライン３６，３７，３８、空調フィルタ５０、再循環ファン４６および混合室３２によって形成される右側の再循環空気回路とを有する。
【００２４】
航空機の与圧客室における空気品質を改善するため、ライン５４を介して右側の再循環空気回路からの再循環空気を供給する、窒素発生器５２を右側の再循環空気回路に設ける。制御弁５６をライン５４内に設置し、再循環ファン４６の下流域で窒素発生器５２に分流した量の空気を調節する。窒素発生器５２に供給される再循環空気から、窒素発生器５２は、窒素および酸素含有廃棄ガスを生成する。例えば分子篩をこの目的で用いる、または、中空ファイバモジュールの形式とした適切な薄膜を用いる。窒素発生器５２に供給する再循環空気と比較して、多くの酸素を含む酸素含有廃棄ガスを、ライン５８を介して窒素発生器から回収し、ライン６２，６４を介して混合室３２に供給し、および／または（ライン３８内に開いているライン６６のみがここに実施例として示す）ラインを介して特定の換気ゾーンへ直接供給する多方弁６０に供給して、与圧客室の酸素分圧を全体的にまたは選択的に高くする。窒素発生器５２によって発生した窒素は、ライン６８を介して逃がし、未使用のまま航空機の外部に排出し、または特別な空間（着陸用ギヤ装置、燃料タンク等）を不活性にするためおよび／または例えば、航空電子コンポーネントを冷却するために航空機内で使用する。
【００２５】
図２に示す第２実施形態は、窒素発生器５２からの酸素含有廃棄ガスが、ライン６９を用いて再循環ファン４６の吸入側に帰還させるという点で、上述した第１実施形態と異なる。このようにして、再循環ファン４６によって発生した全圧差を、窒素発生器を駆動する原動力として用いることができる。したがって、第１実施形態では窒素発生器のコンポーネントとして必要であったコンプレッサ（図示せず）は、省略または極めて小さく設計でき、エネルギー、重量およびコストを節減できる。しかし、第２実施形態においては、酸素含有廃棄ガスが再循環ファン４６を通過後にのみ、この酸素含有廃棄ガスを混合室３２に供給する（または窒素発生器５２に帰還させて、さらに窒素を分離する）ことを示し、ここに示さないさらに他の代替案によれば、酸素含有廃棄ガスを、第１実施形態のように再循環ファン４６を通過した後、１個またはそれ以上のライン３３〜３８へ直接供給して、航空機客室の特定の換気ゾーンにおける酸素分圧を選択的に高くすることは自明である。
【００２６】
図３に示す第３実施形態は、上述した第２実施形態とほぼ対応するが、加えてライン６８の終端にベンチュリ弁７０を設け、窒素発生器５２によって発生した窒素を航空機の外気へ放出する。このようにして、再循環ファン４６によって発生した差圧に加えて、与圧客室と航空機の外気との間に存在する差圧を、窒素発生器５２における駆動圧力勾配として、付加的に利用可能になる。代案（図示せず）によれば、窒素発生器５２の酸素含有廃棄ガスを、再循環ファン４６の吸入側に帰還させず、第１実施形態に示したように窒素発生器５２から放出させる。この代案において、窒素発生器における圧力勾配は、与圧客室と航空機の外気との間に存在する差圧によってのみ存在し、与圧客室と航空機の外気との間の差圧が小さい、または存在しないときは、低空飛行または地面において用いる小さいコンプレッサによって随意的に補充する。
【００２７】
ベンチュリ弁７０は、ベンチュリ弁７０における最も小さい断面積によって画定した所定の値まで、窒素発生器５２の通過量を制限する。物理的な理由によって、ベンチュリ弁を介して供給する上述した圧力差以上では、超音速はベンチュリ弁においては発生しないため、差圧がさらに大きくなることによって、ベンチュリ弁を通過する流れがより高いマスフローとなる。
【００２８】
図示し説明したすべての実施形態において、好ましくは、例えば約２〜５％の、比較的少量の再循環空気が、窒素発生器５２を通過するが、この値は所定の酸素分圧上昇に強く依存する。
【００２９】
窒素発生器５２によって発生した窒素は、好ましくは、外気に排出するだけでなく、不活性化するため、例えば、着陸用ギヤ装置および／または燃料タンクまたは航空機のタンクに導入させる。代案として、または付加的に、発生した窒素は、冷却目的で、冷却剤として使用するが、この目的のために、窒素を再度加圧する必要があり、この再加圧を小形のコンプレッサ（図示さず）により行う。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明によるシステムの第１実施形態における、航空機空調システムの基本設計および他のコンポーネントとの接続状況を示すブロック図である。
【図２】第２実施形態における図１に類似のブロック図である。
【図３】さらに変更した第３実施形態のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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