(57)【要約】  ＯＢＯＧＳ用の空気乾燥システムが提供される。当該システムは、開状態および閉状態を有するバイパスバルブを備える。当該バイパスバルブは加圧空気を提供する空気入口と流体連通する。乾燥ユニットが、バイパスバルブが閉状態であるとき乾燥空気を生成するように構成される。ＯＢＯＧＳユニットは酸素富化空気を生成し、一方でパージバルブは開状態および閉状態を有する。バイパスバルブが閉状態であるとき、パージバルブはその開状態であり、これによって乾燥空気の一部を酸素生成システムユニットへと、そして乾燥空気の一部を乾燥ユニットへと向かわせる。バイパスバルブがその開状態であるとき加圧空気はＯＢＯＧＳユニットへと直接流れる。
2017502880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＯＢＯＧＳ用の空気乾燥システムであって、
ａ．開状態および閉状態を有するバイパスバルブであって、加圧空気を提供する空気入口と流体連通するバイパスバルブと、
ｂ．前記バイパスバルブが閉状態であるとき乾燥空気を生成するように構成された乾燥ユニットと、
ｃ．酸素富化空気を生成するためのＯＢＯＧＳユニットと、
ｄ．開状態および閉状態を有するパージバルブと、を具備し、
前記バイパスバルブがその閉状態であるとき、前記パージバルブはその開状態であり、これによって乾燥空気の一部を前記酸素生成システムユニットへと、そして乾燥空気の一部を前記乾燥ユニットへと向かわせ、かつ、前記バイパスバルブがその開状態であるとき加圧空気は前記ＯＢＯＧＳユニットへと直接流れる、ＯＢＯＧＳ用の空気乾燥システム。
【請求項２】
前記乾燥ユニットは、一つ以上の水透過性中空糸膜フィルターを備える、請求項１に記載の空気乾燥システム。
【請求項３】
前記ＯＢＯＧＳユニットは、ツーベッド分子ふるい圧力スイング吸着アセンブリを備える、請求項１に記載の空気乾燥システム。
【請求項４】
前記乾燥ユニットへと向けられる乾燥空気の一部は乾燥空気の総量の約１０％ないし約３０％である、請求項１に記載の空気乾燥システム。
【請求項５】
前記バイパスバルブは電子的に作動させられるバルブである、請求項１に記載の空気乾燥システム。
【請求項６】
前記バイパスバルブは、加圧空気が特定の圧力限界未満であるとき開状態である、請求項１に記載の空気乾燥システム。
【請求項７】
前記特定の圧力限界は１平方インチ当たり約１０ポンドである、請求項６に記載の空気乾燥システム。
【請求項８】
前記バイパスバルブは、加圧空気が特定の圧力限界未満であって、かつ、前記空気乾燥システムが特定の高度よりも上にあるとき開状態である、請求項１に記載の空気乾燥システム。
【請求項９】
前記特定の圧力限界は１平方インチ当たり約１０ポンドであり、かつ、前記特定の高度は、海水面上、約１０，０００フィートである、請求項８に記載の空気乾燥システム。
【請求項１０】
ＯＢＯＧＳ用の空気乾燥システムであって、
ａ．開状態および閉状態を有するバイパスバルブであって、加圧空気を提供する空気入口と流体連通するバイパスバルブと、
ｂ．前記バイパスバルブが閉状態であるとき乾燥空気を生成するように構成された乾燥ユニットと、
ｃ．酸素富化空気および排気空気を生成するためのＯＢＯＧＳユニットと、
ｄ．開状態および閉状態を有するパージバルブと、を具備し、
前記バイパスバルブがその閉状態であるとき、前記パージバルブはその開状態であり、これによって乾燥空気を前記乾燥ユニットへと向かわせ、かつ、前記バイパスバルブがその開状態であるとき、加圧空気は前記ＯＢＯＧＳユニットへと直接流れると共に前記パージバルブはその閉状態であり、これによって排気空気を環境へと向かわせる、ＯＢＯＧＳ用の空気乾燥システム。
【請求項１１】
前記乾燥ユニットは、一つ以上の水透過性中空糸膜フィルターを備える、請求項１０に記載の空気乾燥システム。
【請求項１２】
前記ＯＢＯＧＳユニットは、ツーベッド分子ふるい圧力スイング吸着アセンブリを備える、請求項１０に記載の空気乾燥システム。
【請求項１３】
前記乾燥ユニットへと向けられる乾燥空気の一部は乾燥空気の総量の約１０％ないし約３０％である、請求項１０に記載の空気乾燥システム。
【請求項１４】
前記バイパスバルブは電子的に作動させられるバルブである、請求項１０に記載の空気乾燥システム。
【請求項１５】
前記バイパスバルブは、加圧空気が特定の圧力限界未満であるとき開状態である、請求項１０に記載の空気乾燥システム。
【請求項１６】
前記特定の圧力限界は１平方インチ当たり約１０ポンドである、請求項１５に記載の空気乾燥システム。
【請求項１７】
前記バイパスバルブは、加圧空気が特定の圧力限界未満であって、かつ、前記空気乾燥システムが特定の高度よりも上にあるとき開状態である、請求項１０に記載の空気乾燥システム。
【請求項１８】
前記特定の圧力限界は１平方インチ当たり約１０ポンドであり、かつ、前記特定の高度は、海水面上、約１０，０００フィートである、請求項１７に記載の空気乾燥システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１３年１２月１８日に出願された米国特許出願第６１／９１７，７７８号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、軍事戦闘機のような航空機のオンボード酸素生成システム（ＯＢＯＧＳ）と組み合わせて使用される空気乾燥システムに関する。特に、本発明は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）ＯＢＯＧＳシステムと共に使用するための中空糸膜フィルターを有する空気乾燥システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
空気乾燥システムは、廃ガスとして生成される窒素富化空気（ＮＥＡ）を伴って酸素富化空気（ＯＥＡ）を生成するために圧縮空気を取り込む。圧縮空気供給源は、航空機エンジンまたは補助動力ユニット（ＡＰＵ）からのブリード空気であってもよく、あるいは供給空気圧縮機を用いて加圧された環境または航空機キャビン空気であってもよい。全ての場合において、圧縮空気は、一定量の水蒸気／湿気を含んでいる。本発明の一実施形態においては、ＰＳＡ分子ふるいによるガス分離の前に、空気は、空気から水蒸気を抽出するために中空糸膜（ＨＦＭ）フィルターを通過する。ＨＦＭフィルターは、続いて、収集された水蒸気を大気中へ放散させ、これによってＨＦＭフィルターユニット内での継続的な水抽出を可能とするために、ＰＳＡ前乾燥空気またはＰＳＡ後ＮＥＡのいずれかによって掃引される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
効果的に機能するために、ＯＢＯＧＳユニットは空気入口においてある程度の圧力を必要とする。本発明にとって重要なことに、ＨＦＭフィルターを掃引するために使用されるパージ流と共にＨＦＭフィルターを横切る圧力降下は、より高い吸入空気圧力がシステムに提供されることを必要とする。しかしながら、戦闘機のような航空機は、ＯＢＯＧＳユニットに対する低い入口圧力のインスタンスにさらされる可能性がある。例えば、エンジンが低スロットル設定である場合、エンジンからのブリード空気圧力は低いであろう。戦闘機のパイロットはまた、高い高度で飛行するとき、あるいは大きなＧフォースを発生させる作戦を実行するときなどに、増大した酸素要求のインスタンスを招くことがある。こうした低い入口圧力／高い酸素要求状況では、本発明の空気乾燥システムの実施形態は、入口を通過する空気がＰＳＡユニットの分子ふるいを直接通過し、これによってパイロットへ供給するためのＯＥＡの生成を最大化するように、ＨＦＭフィルターユニットを迂回するためのバイパスバルブを含む。いったん低い入口圧力／高い酸素要求条件が解消され、そして吸入空気が最初に乾燥ユニットのＨＦＭフィルターを通過すると、ＰＳＡユニットの分子ふるいにより吸着された水は、続いて、ＨＦＭフィルターからのＨＦＭフィルター乾燥空気によって脱離される。
【０００５】
本発明は、一つのシステムに、空気乾燥ユニット、好ましくは中空糸膜フィルターユニットと、好ましくは圧力スイング吸着ユニットを備えるオンボード酸素生成システムとを両方とも含むＯＢＯＧＳのための一体化された空気乾燥システムを提供することによって上記必要性に対処する。本発明のさらなる実施形態は、空気入口からの空気がシステム条件または動作要求によって空気乾燥ユニットをバイパスできるようにバイパスバルブの提供を含む。本発明のさらに別の実施形態は、システムの空気乾燥ユニットに向けられるパージガスの流量を調整するためにパージバルブの提供を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】乾燥ユニットの後方であるがＯＢＯＧＳユニットの前方に配置されたパージバルブを有する本発明の実施形態の概略図である。
【図２】ＯＢＯＧＳユニットの後方に位置するパージバルブを有する本発明の代替実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明に係る航空機のオンボード酸素生成システム（ＯＢＯＧＳ）と共に使用するための空気乾燥システムの第１実施形態１００が図１に示されている。湿った吸入空気は、概して、航空機のエンジンからの温かい加圧されたブリード空気として空気乾燥システムに供給される。空気入口に供給される加圧空気の代替源は、補助動力ユニット（ＡＰＵ）または供給空気圧縮機によって加圧される周囲または航空機客室空気を挙げることができる。吸入空気は、本発明の空気乾燥システムに供給される前に、さらに事前調整されてもよい。例えば、ブリード空気は、空気流中の固形異物（例えば、塵、油圧流体またはその他のエンジン流体）を除去するために、まず、一つ以上の粒子フィルターを通過してもよく、あるいは本空気乾燥システムに入る前に温度および／または圧力が調整されてもよい。特に圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムを使用する場合、吸入空気はＯＢＯＧＳユニットの適切な動作のために十分な圧力であることが重要である。
【０００８】
概して図１に示すように、加圧された吸入空気１０５は、バイパスバルブ１１０を通過することによって空気乾燥システム１００に入る。通常の、すなわちガス乾燥動作中、バイパスバルブ１１０は、吸入空気１０５が、そこで液体または蒸気の形態の水が空気流から除去される乾燥ユニット１２０へと向けられるように閉鎖される。好ましくは、乾燥ユニット１２０は、一つ以上の中空糸膜（ＨＦＭ）フィルターまたはフィルターアレイを備える。ＨＦＭフィルターは選択的に水分子が膜材料を透過することを可能とし、一方、残りのガス（例えば、窒素、酸素、アルゴン、ＣＯ２）は膜を透過しないが、そこでそれらが最終的にＯＢＯＧＳユニット１４０へと向けられるであろう乾燥ユニットの長さを横断する。ある代替実施形態では、乾燥ユニット１２０は、乾燥剤または凝縮器および水トラップアセンブリといった、その他の適切なガス乾燥システム／媒体から構成されてもよい。
【０００９】
乾燥ユニット１２０を出た乾燥空気１１５は、その後、パージバルブ１３０内へと導かれる。乾燥ユニット１２０内に存在する水を除去するために、乾燥空気１１５Ａの一部が、好ましくは入ってくる吸入空気に対して対向流で、乾燥ユニット１２０に向かって戻るように方向転換される。残っている乾燥空気はＯＢＯＧＳユニット１４０へと進む。好ましい実施形態では、乾燥空気の約５％ないし約５０％、より好ましくは約１０％ないし約３０％、最も好ましくは約１５％ないし約２５％が乾燥ユニット１２０へと方向転換される。乾燥ユニット内の乾燥空気１１５Ａの好ましい対向流は、乾燥ユニットにより回収された水を除去し、そして乾燥ユニットが、連続的に、入ってくる湿った吸入空気を乾燥できるように環境に湿気含有空気１３５を排出する。このために、乾燥ユニット１２０は、当該乾燥ユニット内の蒸気量を測定する湿度センサを備えていてもよい。湿度センサは、パージバルブ１３０の開閉の程度を制御可能に調節し、これによって乾燥ユニットへと戻るように方向転換される乾燥空気１１５Ａの量を変化させるために、パージバルブ１３０に対して作用的に結合されてもよい。このようにして、乾燥ユニットをパージするのに必要な量の乾燥空気だけが乾燥ユニットへと方向変換され、一方、残りはＯＢＯＧＳユニット１４０へと移動する。このように、同時にまた乾燥ユニット１２０の乾燥効率を維持しながら、ＯＢＯＧＳユニット１４０に入る乾燥空気の量が最大化される。だが、乾燥吸入空気の一部がＯＢＯＧＳユニット１４０を通過する前に乾燥ユニット１２０へと方向転換されるので、吸気空気圧力は、適切なＯＢＯＧＳ動作のために、この結果として生じる圧力降下に対応するのに十分に高くなければならない。
【００１０】
上述したように、乾燥ユニット１２０へとパージバルブ１３０によって方向転換されていない乾燥空気１１５はオンボード酸素生成システム（ＯＢＯＧＳ）ユニット１４０内へと移動する。本発明の好ましい実施形態では、ＯＢＯＧＳユニット１４０は圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムを備える。好ましい実施形態では、ＰＳＡシステムは、連続的に酸素の富化供給物を生成するツーベッド分子ふるいユニットを含む。各ベッドは窒素吸着ゼオライトからなる分子ふるいを含む。動作時、ベッドの一つには、ゼオライト材料への窒素吸着によって、この空気から選択的に窒素が除去されるように（すなわち酸素富化されるように）、加圧乾燥空気１１５が供給される。二つのベッドの他方は、先に吸着された窒素が低減された圧力でゼオライトから脱離し、これによって窒素吸着活性部位を再生するように、もはや加圧乾燥空気にさらされない。このようにして、乾燥空気１１５は、一方のベッドが継続的に酸素富化空気（ＯＥＡ）１４５を生成し、他方が窒素富化空気（ＮＥＡ）１４７を脱離するように、ＰＳＡシステムの二つのベッド間で選択的に循環させられる。ＯＥＡ１４５は、その後、将来使用するまで保管するために酸素貯蔵タンクに向けられるか、あるいは直ちにパイロットへと向けられる。ＮＥＡ１４７は、外部環境に排出されるか、または航空機内の空隙を不活性化するためのシステムに転用されてもよい。ＰＳＡシステムとして図示および説明したが、ＯＢＯＧＳユニット１４０は、必ずしもこれに限定されるわけではないが真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）または酸素選択膜フィルターシステムといった代替的酸素濃縮システムを含んでいてもよく、そうしたシステムは本発明の範囲内で考慮されるべきである。
【００１１】
上記説明は通常の動作（酸素富化前の空気乾燥）に向けたものであるが、吸入空気圧力がＨＦＭフィルターを横切る圧力降下あるいはパージバルブ１３０を通過する乾燥空気１５５Ａの方向転換による空気圧力の損失に対応するのに十分なほど十分に高くない事例が存在するであろう。ＯＧＯＢＳユニットによる酸素生成の最も高い効率が要求されるような高い酸素要求のさらなる事例が存在するであろう。これらのシナリオのいずれかにおいて、吸入空気の全ては、まず乾燥ユニット１２０を通過することなく、または乾燥ユニットから水分をパージするためのパージバルブにおいて吸入空気の一部を方向転換させることなく、ＯＢＯＧＳユニット１４０に向けられる必要がある。したがって、これらの低圧／高要求事例では、バイパスバルブ１１０は選択的に位置決め（開放）されてもよく、そして、吸入空気１０５の全てが乾燥ユニット１２０を迂回し、その代わりにＯＢＯＧＳユニット１４０内に直接注入されるようにパージバルブ１３０は閉鎖されてもよい。このために、バイパスバルブ１１０は機械的または電気的な圧力制御バルブであってもよく、これは、吸入空気が所定の入口圧力を下回るときに開く（すなわち吸入空気をＯＢＯＧＳユニットに直接向ける）。電気的に作動するバルブの場合には、圧力変換器は、圧力に応じてバイパスバルブを開閉するコンパレーターに給電する増幅器に給電することができる。
【００１２】
バイパスバルブが開いている間、吸入空気は、空気中に存在する水分と共に、ＯＢＯＧＳユニット１４０に直接移動する。その結果、ＰＳＡシステム内のゼオライト物質は水分を吸着し、これによって窒素吸着効率を減少させる。だが、通常の動作が回復し、そして吸入空気が乾燥ユニットを通って導かれるようにバイパスバルブが閉じられるとき、乾燥空気１１５はＰＳＡユニット内のゼオライト物質から水分を脱離させるように機能し、これによって最適な窒素吸着効率を復活させる。このようにして、本発明は、可能な限り小さな乾燥ユニットを用いて最大の乾燥能力を提供しながら、低い圧力条件において可能な限り高い効率で機能する空気乾燥／酸素生成システムを実現する。
【００１３】
さらなる実施形態において、バイパスバルブは、入口圧力が低く、例えば約１０ｐｓｉ未満であり、かつ、高度が高く、例えば海水面上１０，０００フィート超である場合にのみ、乾燥ユニットを迂回するように動作することができる。このようにして、航空機が１０，０００フィート未満の高度で低スロットル状態である場合、バイパスバルブは、入口圧力に関係なく吸入空気が乾燥ユニットを通過するように閉じたままである。飛行機が１０，０００フィートの高度を下回るとき、１０，０００フィート超の高度で飛行するとき、あるいは大きなＧフォースを発生させる飛行作戦を実行するときよりも、非常に少ない酸素要求しか存在しないであろう。同時に、低い高度での吸入空気の水蒸気／湿度は、おそらく、高い高度におけるよりも高く（低い高度における暖かい空気はより高い高度の冷たい空気よりも多くの水を保持している）、これは、最大のＯＢＯＧＳのＰＳＡ効率のために低いかあるいは不十分な吸入空気圧力さえ存在する場合であっても、ＯＢＯＧＳユニット内のゼオライト物質に対して空気を触れさせる前に、そうした空気を乾燥させる必要性を示す。
【００１４】
ここで図２を参照すると、ＯＢＯＧＳ用の空気乾燥システムの代替実施形態が概して参照数字２００で示されている。空気乾燥システム２００は、上述した空気乾燥システム１００に類似したユニットを備えるが、そうしたユニットは流体的に代替配置で接続される。システム１００と同様、加圧された吸入空気２０５は最初にバイパスバルブ２１０内に導かれる。空気乾燥条件（すなわち十分な入口圧力および／または低い酸素要求）の下では、吸入空気２０５は閉じられたバイパスバルブ２１０を通過して乾燥ユニット２２０に流入する。好ましくはＨＦＭフィルターまたはフィルターのアレイからなる乾燥ユニット２２０は、選択的に、供給空気から水を抽出する。しかしながら、システム１００とは異なり、空気乾燥システム２００は、最初にパージバルブを通過することなく、乾燥ユニット２２０を出て、直接、ＯＢＯＧＳユニット２４０内に流動する乾燥空気２１５を有する。このようにして、空気入口に供給される（水蒸気のない）空気の全てのはＯＢＯＧＳユニット２４０によって処理される。このように、システムを横切る圧力降下を同時に最小限に抑えながら、ＯＥＡ２４５の生成が最大化される。すなわち、乾燥空気は、最初にＯＢＯＧＳユニット２４０を通過することなく乾燥ユニット２２０へと方向転換されない。むしろ、ＯＢＯＧＳ排気２４７（すなわちＮＥＡ）はパージバルブ２３０を通過する。開放時、パージバルブ２３０はＯＢＯＧＳ排気２４７を乾燥ユニット２２０のスイープセクション内に導くが、ここで、ＯＢＯＧＳ排気は、乾燥ユニットから水蒸気を掃引し、大気中に水分含有排気２３５を排出することによって、ＨＦＭフィルターによって収集された水分を排出する。
【００１５】
空気乾燥システム１００に関して同様に上述したようにシステム２００が低い圧力および／または高い酸素要求にさらされる場合、バイパスバルブ２１０が開き、これによって乾燥ユニット２２０を迂回して、ＯＢＯＧＳユニット２４０内へと直接、吸入空気２０５を導く。好ましくはパージバルブ２３０は、ＯＢＯＧＳ排気２４７が最初に乾燥ユニット２２０を通って方向転換されることなく大気中に直接排出されるように、同時に閉鎖される。このようにして、システムの圧力降下は最小化され、これが、今度は、ＯＢＯＧＳユニットの酸素濃縮能力を最大化する。さらに、いったん低圧／高酸素要求状況が解決されると、バイパスバルブ２１０は、吸入空気２０５が乾燥ユニット２２０内に導かれるように閉じる。乾燥ユニット２２０を出てＯＢＯＧＳユニット２４０に入る乾燥空気は、ＰＳＡシステムのゼオライト物質上に吸着された水分を脱離させる。また、パージバルブ２３０は、ＯＢＯＧＳ排気２４７が収集された水を乾燥ユニットから除去するために（好ましくは）対向流で乾燥ユニット２２０を通過するように開く。このようにして、全ての状況において最適な湿気制御を実現しながら必要なときに酸素生成効率が最大化される。
【００１６】
本発明について、その好ましい実施形態を参照して説明してきたが、特許請求の範囲において規定される本発明の完全な趣旨および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更をそれに対してなし得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００１７】
１００  空気乾燥システム
１０５  吸入空気
１１０  バイパスバルブ
１１５  加圧乾燥空気
１１５Ａ  乾燥空気
１２０  乾燥ユニット
１３０  パージバルブ
１３５  湿気含有空気
１４０  オンボード酸素生成システム（ＯＢＯＧＳ）ユニット
１４５  酸素富化空気（ＯＥＡ）
１４７  窒素富化空気（ＮＥＡ）
１５５Ａ  乾燥空気
２００  空気乾燥システム
２０５  吸入空気
２１０  バイパスバルブ
２１５  乾燥空気
２２０  乾燥ユニット
２３０  パージバルブ
２３５  水分含有排気
２４０  ＯＢＯＧＳユニット
２４５  ＯＥＡ
２４７  ＯＢＯＧＳ排気
【図１】
2017502880.tif 000003
【図２】
2017502880.tif 000004
【国際調査報告】
2017502880.tif 000005
2017502880.tif 000006