(57)【要約】機上不活性ガス生成システムは、燃料タンク内の酸素含有量に対する変更を最小化するように周囲状態の変化に従って調整される流量制御弁を含む。空気分離モジュールによって提供される窒素富化空気流の質は流量に応答して変化する。空気分離モジュールを通る流量が多くなると、より少ない流量に比較して除去される酸素が少なくなる。燃料タンク内にもっとも小量の酸素をもたらす空気分離モジュールを通る流量が周囲圧力について決定され、流量制御弁の調整によって制御される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料タンクアレージ内の酸素含有量を制御する方法であって、
（ａ）前記燃料タンクアレージ内の酸素含有量の最小化に必要な窒素富化空気の所望の流量を決定し、
（ｂ）窒素富化空気の前記所望の流量の前記決定に応答して窒素富化空気の実際の流量を制御する、
各ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ステップ（ｂ）は、前記所望の流量の窒素富化空気を提供するために制御弁を調整することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ａ）は、前記燃料タンク内における所望の圧力の維持に必要な合計の流量を決定することを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ステップ（ａ）は、酸素含有量と窒素富化空気の流量との関係を決定することを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記ステップ（ａ）は、前記燃料タンクアレージ内の酸素含有量の変化率を決定し、前記燃料タンクアレージ内の前記酸素含有量に対する変更を最小化する窒素富化空気の前記所望の流量を決定することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
周囲状態に応答して窒素富化空気の前記所望の流量を連続的に再評価するステップを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記所望の流量の前記再評価に基づき、窒素富化空気の前記実際の流量を連続的に調整するステップを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
空気分離モジュールを用いて空気流から酸素を除去するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記空気分離モジュールの透過出口に隣接するエゼクタを介して高圧空気を排出することによって前記空気分離モジュールの前記透過出口に定圧領域を生成することを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
酸素含有空気流を受け取り、窒素富化空気流を排出する空気分離モジュールと、
前記空気分離モジュールから排出された前記窒素富化空気流の流量を制御する流量制御弁と、
を備えることを特徴とする機上不活性ガス生成システム。
【請求項１１】
前記空気分離モジュールから排出された所望の流量の前記窒素富化空気を提供するために前記流量制御弁を調整する制御装置を含むことを特徴とする請求項１０記載のアッセンブリ。
【請求項１２】
前記制御装置は、燃料タンク内の酸素含有量を制御するために必要な流量の決定に応答して前記流量制御弁を調整することを特徴とする請求項１１記載のアッセンブリ。
【請求項１３】
前記制御装置は、周囲圧力に応答して前記燃料タンク内の酸素含有量を制御するために必要な流量を決定することを特徴とする請求項１２記載のアッセンブリ。
【請求項１４】
前記流量制御弁は、最小と最大の流量の間において無限小の数の流量を提供するために調整可能であることを特徴とする請求項１０記載のアッセンブリ。
【請求項１５】
前記流量制御弁は、最大の流量と最小の流量の間において窒素富化空気流を調整することを特徴とする請求項１０記載のアッセンブリ。
【請求項１６】
前記制御装置は、燃料タンクアレージ内の酸素含有量の変化を最小化する流量を決定し、該流量を提供するために前記流量制御弁を調整することを特徴とする請求項１１記載のアッセンブリ。
【請求項１７】
前記制御装置は、周囲状態に応答して前記空気分離モジュールからの酸素除去可能容量を決定し、前記燃料タンクアレージ内に所望の酸素含有量をもたらす流量を提供するために前記流量制御弁を調整することを特徴とする請求項１６記載のアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料タンク不活性化（ｉｎｅｒｔｉｎｇ）システムに関し、より詳細には、燃料タンク内の酸素含有量を制御するためのプロセスおよびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機の燃料タンクは、液体燃料が満たされた部分と、燃料タンクアレージ（ｕｌｌａｇｅ）として知られる燃料蒸気が満たされた部分と、を含む。アレージ内において燃料蒸気と混合された酸素は、潜在的に危険な状態を作り出す。酸素含有空気を不活性ガスと置換するシステムは、この潜在的に危険な状態のリスクを大幅に縮小する。いくつかのシステムは、燃料タンクアレージ内の酸素含有空気との置換に窒素に富んだ空気のタンクを利用している。酸素に富んだ空気と窒素富化空気を置換する機上不活性ガス生成システムは、航空機内での使用のために現在は開発段階にある。
【０００３】
機上不活性ガス生成システムは、燃料タンクアレージを満たす窒素富化空気流を生成するために酸素を除去する空気分離モジュールを利用している。通常、燃料タンクは、周囲環境に通気されており、高度の変化に応答した圧力変化を経験する。周囲圧力変化は、空気分離モジュールの性能ならびに燃料タンクアレージ内への窒素富化空気の流量に影響を及ぼす。このような窒素富化空気の流量変化は、結果として燃料タンク内の酸素量の変化をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現行のシステムは、空気分離モジュールを通る窒素富化空気流を制御するために固定流量オリフィスを利用している。高い圧力、および低い高度においては高流量オリフィスが使用され、そのほかすべての状態の間は低流量オリフィスが使用される。窒素富化空気の流量制御に使用される固定オリフィスは適応的でなく、周囲状態に応答して流量を変えることができない。不都合なことに固定オリフィスを使用すると、特定の条件下で、望ましいとされるより多くの酸素が燃料タンク内にもたらされる可能性がある。
【０００５】
さらに、固定オリフィスの使用は、より低い高度でのより高い圧力に適応するために、より大きな容量の空気分離モジュールを必要とする。したがって、燃料タンクアレージ内の酸素含有量を最小化するためにいろいろ異なる環境条件に適応可能な機上不活性ガス生成システムを開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
機上不活性ガス生成システムは、燃料タンクに伴う酸素含有量に対する変更を最小化するために周囲条件の変化に従って調整される流量制御弁を含む。
【０００７】
この例の機上不活性ガス生成システムは、空気流から酸素を除去し、燃料タンクへ窒素富化空気流を供給する空気分離モジュールを含む。除去された酸素は、機外へ排出される。周囲環境に通気される燃料タンクにおいては、燃料タンク内の圧力および温度が周囲条件と共に変化する。この空気分離モジュールによって提供される窒素富化空気流の質は、周囲条件と共に変化する。空気分離モジュールを通る流量が多くなると、より少ない流量に比較して除去される酸素が少なくなる。
【０００８】
燃料タンクアレージの圧力および温度の変動は、高度に応答して変化し、空気分離モジュールを通る流量の変動を引き起こし、次いで、燃料タンクアレージに提供される窒素富化空気流中の酸素の全量に影響を与える。
【０００９】
窒素富化空気流中にもっとも少量の酸素をもたらす空気分離モジュールを通る流量が決定され、決定された流量を提供するために流量制御弁が調整される。流量制御弁は、燃料タンクアレージ内で生じる酸素含有量の変化が最小になる空気分離モジュールを通る所望の流量を提供するために電子制御装置によって作動される。
【００１０】
本発明のこれらの、およびこのほかの特徴は、以下の明細書ならびに、図面の簡単な説明で説明されている図面から最良の理解が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照すると、機上不活性ガス生成システム（ｏｎ−ｂｏａｒｄ  ｉｎｅｒｔ  ｇａｓ  ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）（ＯＢＩＧＧＳ）１０の例が示されており、マニフォールド抽気流１４から酸素を除去する空気分離モジュール１２を含んでいる。空気分離モジュール１２は、高圧空気流１４から酸素を除去し、燃料タンク１８へ窒素富化空気流１６を供給する。空気分離モジュール１２からの酸素流２２は、機外へ排出される。この例の燃料タンク１８は、周囲環境への通気孔２０を含んでいる。通気孔２０によって、周囲条件の変化に応答して燃料タンク１８内の圧力および温度に変化が生じる。
【００１２】
システム１０は、高圧空気流１４の温度を調整するために設けられた熱交換器３２を含む。この例の熱交換器３２は、抽気流１４とラム空気流路３６から引き込まれたラム空気流３４との間で熱交換を行う。ラム空気流３４は、抽気流１４と比較したときに比較的高い流量で移動する。高流量のラム空気流３４が、熱交換器３２を介し、かつ空気分離モジュール１２を介して空気を引き込むために使用される。
【００１３】
空気分離モジュール１２の出口４０に低圧領域をもたらすためにエゼクタ３８が高圧空気流４７と連通している。この低圧領域は、出口４０における比較的高い流量の高圧空気流３４によってもたらされ、必要な圧力降下を作り出し、この圧力降下によって空気分離モジュール１２を介して抽気流１４が引き込まれる。第２のノズル４２は、熱交換器３２の出口４４に隣接する低圧領域をもたらす。比較的高い流量の高圧空気流３４によってもたらされるこの低い圧力は、熱交換器３２を通る空気流を駆動する圧力降下を作り出す。空気分離モジュール１２および熱交換器３２を通る空気流を駆動するメカニズムは周知であり、当業者であれば、空気流を駆動するためのそのほかの方法およびシステムが本発明の企図内となることを理解するであろう。
【００１４】
空気分離モジュール１２によって提供される窒素富化空気流１６の質は、与えられる周囲状態および流量に変化を加える。空気分離モジュール１２を通る流量が多くなると、より少ない流量に比較して除去される酸素が少なくなる。燃料タンクアレージ２４内の圧力および温度は、通気孔２０を介した周囲状態との連通に起因して周囲状態の変化に応答して変化する。高度が高くなると、燃料タンク１８内の圧力レベルは低くなる。降下の間は、周囲の圧力、したがって燃料タンク１８内の圧力が上昇する。空気分離モジュール１２を通る流量は、このような周囲条件の変化に応答して変化し、燃料タンクアレージ２４に提供される窒素富化空気流１６中の酸素の全量に影響を与える。
【００１５】
燃料タンクアレージ２４内に最適の、またはもっとも小量の酸素をもたらす空気分離モジュール１２を通る流量が決定され、流量制御弁２８の調整によって制御される。燃料タンク１８からの逆流を防止するために流量制御弁２８の下流に逆流防止弁２９が設けられる。
【００１６】
第１のセンサ４６が、圧力および温度情報を制御装置３０に提供する。第２のセンサ２５が、燃料タンク１８内の状態を示す情報を制御装置３０に提供する。次いで制御装置３０は、結果としてもっとも少量の酸素を燃料タンクアレージ２４内にもたらす流量の窒素富化空気流１６を空気分離モジュール１２を通じて提供するために流量制御弁２８を調整する。入口圧力センサ１３および出口圧力センサ１５が、空気分離モジュール１２の流入圧力および流出圧力に関する情報を提供する。温度センサ１７が、抽気流１４の温度に関する情報を提供する。空気分離モジュール１２を通る空気流の体積および流量は限られている。したがって制御装置３０は、燃料タンクアレージ２４内の酸素含有量に最小の変化をもたらす空気分離モジュール１２を通る流量を提供するために流量制御弁２８を調整する。
【００１７】
図２および図３を参照すると、この例の流量制御弁２８が概略的に示されており、モータ５０によって回転される弁板４８を含んでいる。この例のモータ５０は、制御装置３０によって制御されるトルクモータである。モータ５０は、流路５２を開閉して窒素富化空気流１６を制御する。弁板４８は、窒素富化空気流１６を制御する連続可変開口５４を提供するために開閉可能である。ここでは一例の流量制御弁２８を述べているが、この開示の利益を受ける当業者は、空気流の制御を提供する任意の弁が本発明の企図内にある。
【００１８】
制御装置３０は、この分野で周知のとおり、市販のマイクロプロセッサとすることができる。この開示の利益を受ける当業者は、流量制御弁２８を制御するために市販マイクロプロセッサをどのようにプログラムするかについて理解するであろう。
【００１９】
図１を参照すると、燃料タンクアレージ２４内の圧力は、周囲圧力に応答して変化する。降下の間の任意の与えられた点における燃料タンク１８の内側の圧力は、周囲圧力と実質的に等しい。降下の間の燃料タンク１８の内側の圧力は、下記の式によって表すことができる。
【００２０】
【数１】
2008508136.tif 000003
【００２１】
ここで、ＷｉｎおよびＷｏｕｔは、燃料タンク１８の流入および流出の流量である。Ｖｏｌは不活性化される体積、γは定圧比熱および定積比熱の比、Ｔは燃料タンクアレージ２４内のランキン目盛における温度、Ｒは理想気体定数である。降下の間は、空気が燃料タンク１８内に流入するだけであり、流出しない。この理由のため、燃料タンク１８内のアレージ圧力の変化は、周囲圧力の変化率に等しくなり、式２によって表される。
【００２２】
【数２】
2008508136.tif 000004
【００２３】
制御装置３０は、流量制御弁２８のための適切な命令を決定するために周囲条件の変化に関する情報を利用する。これは、周囲圧力をもたらす燃料タンク１８内へのガスの流量を最初に決定することによって決定される。下記の式３は、燃料タンク１８の内側において周囲圧力を維持するために必要とされる燃料タンク１８内へのガスの流量を提供する。
【００２４】
【数３】
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【００２５】
空気分離モジュール１２は容量が限られており、燃料タンク１８内を周囲圧力に維持するのに必要な流量の窒素富化空気流１６をすべての条件下で供給することはできない。したがって、燃料タンク１８に入る空気流の一部は通気孔２０を経由することになる。通気孔２０を通る空気流は、窒素富化空気流１６より多量の酸素を含む。
【００２６】
本発明のこの例のシステム１０は、与えられた条件についてもっとも少ない量の酸素含有量を燃料タンクアレージ２４内にもたらすことになる最適空気流を空気分離モジュール１２を通じて提供するために流量制御弁２８を連続的に調整することによって燃料タンクアレージ２４内の酸素濃度を最小化する。燃料タンク１８内の酸素濃度の変化は、下記の式４によって表される。
【００２７】
【数４】
2008508136.tif 000006
【００２８】
ここで、Ｏ２ｔａｎｋは燃料タンク内の酸素、Ｗａｍｂは通気孔を通る空気の流量、Ｏ２ａｍｂは通気孔を通る流れからの酸素、Ｗｎｅａは窒素富化空気の流量、Ｏ２ｎｅａは窒素富化空気中に含まれる酸素である。合計流量について式３を式４に代入すると、与えられた圧力および流量について燃料タンク１８内の酸素の量を提供する関係が提供される。燃料タンク１８内の酸素の関係は、下記の式５によって提供される。
【００２９】
【数５】
2008508136.tif 000007
【００３０】
空気分離モジュール１２について圧力、温度、および流量の間の既知の関係を利用すれば、窒素富化空気流１６の流量に関連する酸素含有量の量を表す関係が提供される。この関係は下記の式６によって表される。
【００３１】
【数６】
2008508136.tif 000008
【００３２】
ここで、Ｋは、空気分離モジュール１２の動作に関係する係数または係数群である。空気分離モジュール１２によって提供される窒素富化空気流１６中の酸素濃度の知識は、燃料タンク１８内の酸素含有量の知識と併せて空気分離モジュール１２からの流量に関係する燃料タンク１８内の酸素含有量の関係を提供する。下記の式７は、この関係を表すことができる。
【００３３】
【数７】
2008508136.tif 000009
【００３４】
制御装置３０は、燃料タンク１８内の酸素濃度に対する変更を最小化する所望の流量を決定するためにこれらの関係を利用する。酸素濃度に最小の変更を提供する流量は、下記の式８で示される関係によって表される。
【００３５】
【数８】
2008508136.tif 000010
【００３６】
制御装置３０は、連続的に流量制御弁２８を調整するために、および結果として燃料タンク１８内の酸素含有量に最小の変化をもたらす所望流量の窒素富化空気流１６を空気分離モジュール１２を通じて作るために、この関係を利用する。制御装置３０は、流量制御弁２８に対する命令信号を導出するために上に示されている関係を利用する。現在の周囲圧力を提供する燃料タンク１８内への流量が決定される。現在の状態について最小濃度の酸素を提供する空気分離モジュール１２を通る流量が決定され、周囲圧力の維持に必要となる燃料タンク１８内への流量の知識と組み合わされる。その後制御装置３０は、燃料タンク１８内の酸素濃度の変化を最小化する流量を提供するために流量制御弁２８に制御する。
【００３７】
酸素濃度の最小化に必要な空気流量が既知になると、流量制御弁２８が調整され、開口５４が調整される。制御装置３０は、現在の周囲状態に応答して燃料タンク１８内の酸素含有量を最小化するために窒素富化空気流１６の流量を調整する。窒素富化空気流１６が現在の状態に従って連続的に変更されることから、空気分離モジュール１２の容量がより効率的に利用される。空気分離モジュール容量のより効率的な使用は、より小さいサイズならびに容量の空気分離モジュールの使用をもたらす。
【００３８】
本発明の好ましい実施態様を開示してきたが、当業者は、特定の修正が本発明の範囲内となることを認識するであろう。その理由のため、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲ならびに内容を決定するべく考慮されるべきとする。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】機上不活性ガス生成システムの概略図。
【図２】例示の流量制御弁の概略図。
【図３】例示の流量制御弁の別の概略図。
【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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