JP6407792B2 - 航空機環境調和システムおよび航空機環境調和システムを作動させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、環境空気調和システム（ＥＣＳ）に関し、より具体的には、航空機で用いられるもの等のエアサイクル環境空気調和システムに関する。

本特許出願は、２０１４年５月２日に出願された米国仮特許出願整理番号第６１／９８８０３１号の優先権を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

周囲空気が乗組員、乗客、積荷、または機器に好適である高度以上で飛行する航空機は、加圧調和空気を提供するように、エアサイクル環境空気調和システムが装備されていることが多い。これらの空気調和システムは、典型的には、圧縮空気源として、タービンファンエンジンもしくは補助動力装置（ＡＰＵ）、または一部の場合においては電動圧縮機からの加圧ブリード空気を利用し、圧縮空気は、航空機のコックピットおよび客室または他の加圧領域のための調和空気を生成するように、エアサイクル環境空気調和システムを通じて空気流路に沿って流れる。これらのシステムに供給される圧縮空気は、典型的には、コックピットおよび客室に供給される調和空気のための通常の温度および圧力をはるかに超える温度および圧力であり、そのため、圧縮空気は、調和空気として排出することができるようになる前までに、空気調和システムによって膨張し、冷却しなければならない。航空エアサイクル環境調和システムは、典型的には、冷却／減圧および圧縮／加熱の複数回のサイクルを通じてブリード空気を処理する。冷却および減圧は、熱交換器（凝縮器を含む）およびタービン（これは、ブリード空気からの仕事の抽出もする）で達成され、一方で、圧縮／加熱は、圧縮機および再熱器で達成される。多くのシステムは、ラム入口流を利用不可能な条件において外部流を増大させるために一般的に含まれる熱交換器ファンを有する、外気を利用してブリード空気を冷却する少なくとも１つの熱交換器を含む。

エアサイクルベースの航空ＥＣＳシステムは、種々の条件下で動作することが必要とされる。これらの条件のうちのいくつかは、大気中微粒子への曝露を伴う可能性があり、これは、外気を用いてブリード空気からの熱を吸収する熱交換器の熱吸収側の上への、または熱吸収側周囲への微粒子粉塵の蓄積をもたらす可能性がある。かかる粉塵の継続的な蓄積は、最終的に、熱交換器の熱吸収側の部分的から完全またはほぼ完全な空気流の遮断を引き起こす可能性があり、これは、冷却性能の低下、ファンサージ等のファン熱交換器ファンの問題、ファンブレードの破損、およびシステム故障をもたらす可能性がある。ファンブレードの破損は、ジャーナル軸受の故障、タービンロータの摩擦、および客室での煙発生も伴う可能性がある。タービンおよび圧縮機ならびにそれらの関連付けられるコンポーネントを含むがこれらに限定されない、他のＥＣＳコンポーネントもまた、摩耗およびコンポーネント破損となり、これも、客室での煙発生をもたらす可能性がある。客室での煙発生は、運航に相当な悪影響を及ぼし、乗客の混乱、非常用機器の展開、および飛行のルート変更をもたらす可能性がある。

本発明のいくつかの態様によると、航空機環境調和システムは、高温圧縮空気を含む空気流を、その温度および圧力を低下させることにより、調和するためのエアサイクルマシンを備える。エアサイクルマシンは、航空機の非加圧領域内の筐体内に配置され、調和加圧空気を生成して、航空機の加圧領域に送る。システムはまた、筐体内に配置される振動センサと、振動センサによって検出される振動に応答するように構成される、振動センサと通信するコントローラとを含む。

本発明のいくつかの態様によると、航空機環境調和システムを作動させる方法は、高温圧縮空気を、その温度および圧力を低下させることによって調和して、航空機の加圧領域に送るための調和加圧空気を生成するように、航空機の非加圧領域内の筐体内に配置されるエアサイクルマシンを作動させることを含む。該方法はまた、エアサイクルマシン内に配置される振動センサの出力を監視することも含む。該方法によると、振動センサによって検出される振動に応答して警報が生成され、警報される。本発明として見なされる主題は、本明細書の末尾の特許請求の範囲において具体的に指摘され、明確に請求される。本発明の前述のおよび他の特徴および利点は、航空機環境調和システムの概略図である添付の図面と併せて、以下の発明を実施するための形態から明らかである。

航空機のための例示的な環境空気調和システムの概略図である。

図を参照して、図は、航空機のための例示的な環境空気調和システム１００を概略的に示す。環境空気調和システム１００は、隔壁１１０によって加圧領域から分離される、航空機の非加圧領域内に配置される筐体１０５（筐体１０５の一部のみが示される）の内側に存在する。図に示されるように、タービンエンジンブリード、ＡＰＵブリード、または電動圧縮機等の圧縮空気源（図示せず）からの圧縮空気１１２は、制御弁１１４および導管１１６を通じて熱交換器１１５（当技術分野で一次熱交換器とも呼ばれる）に送られ、熱交換器１１５は、熱交換器１１５の熱吸収側を通して、または熱吸収側を横切って流れる周囲空気へ熱を放出する。冷却された圧縮空気は、熱交換器１１５から圧縮機１２０に排出される。熱交換器１１５に行く空気の一部は、導管１１７および制御／膨張弁１１９を通じて制御可能に迂回されて、タービン１４４の出力と混合させ、調和空気１４８の温度を制御することができる。圧縮機１２０は、熱交換器１１５からの空気のその一部を圧縮し、これは、空気の加熱をもたらす。さらに圧縮された空気が、圧縮機１２０から導管１２４を通じて熱交換器１２６（当技術分野で二次熱交換器とも呼ばれる）に排出され、熱交換器１２６は、熱交換器１２６の熱吸収側を通して、または熱吸収側を横切って流れる周囲空気へ熱を放出する。

熱交換器１１５および１２６の熱吸収側を通して、または熱吸収側を横切って流れる周囲空気１１３は、航空機の前方を向いた面からのラム空気流でありうる。航空機の前方への動きによって、熱交換器１１５、１２６の動作に十分な空気流が生成されない状態では、ファン１２８の動作によって空気流を補助することができる。逆止／バイパス弁１２９は、ラム空気流が、熱交換器１１５および１２６の必要量に対して十分であるときに、ファン１２８をバイパスできるようにする。熱交換器１１５、１２６は、周囲冷却空気のための流路を共有することができ、単一ユニットに統合することができ、熱交換器１１５は、一次熱交換器と呼ばれることがあり、熱交換器１２６は、二次熱交換器と呼ばれることがある。熱交換器１２６から排出される冷却空気は、導管１３２を通じて熱交換器１３０の熱放出側に送られる。熱交換器１３０の熱放出側において、空気は、空気の露点以下の温度までさらに冷却され、除水ユニット１３５内に流れ、空気から凝縮された水１３６が除去される。除湿空気は、熱交換器１３０の熱吸収側を通じて流れ、除湿空気は、導管１３８を通じてタービン１４０に送られる前に再加熱される。タービン１４０では、空気が、タービン１４０によって膨張され、冷却されると、仕事が抽出される。タービン１４０に行く空気の一部は、必要な場合、弁１４１によって迂回することができ、熱交換器１３０の熱吸収側への入口における空気の温度を氷点より高くすることができる。タービン１４０から排出される、冷却膨張空気は、導管１４２を通じて熱交換器１３０の熱吸収側に送られ、熱交換器１３０は、集水ユニット１３５から排出される除湿空気とともに、熱交換器１３０の熱放出側で空気からの水蒸気を凝縮するのに必要な冷却を提供する。したがって、熱交換器１３０の熱吸収側の気流は、再加熱される。熱交換器１３０はまた、凝縮器／再熱器とも呼ばれることがあり、除水ユニット１３５と単一ユニットに統合することができる。熱交換器１３０の熱吸収側から出る導管１４２からの再加熱された空気は、導管１４３を通じてタービン１４４に流れ、空気は、膨張され、冷却され、その後、調和空気１４８として、導管１４５を通じてシステム１００から排出されて、冷却負荷、例えば、航空機の客室に調和空気を提供する。隔壁１１０の逆止弁１４６は、環境空気調和システム１００が動作していないときに、飛行時にシステム１００を通じた航空機の加圧領域からの流出を防ぐ。

環境空気調和システム１００はまた、タービン１４０および１４４によって抽出される仕事による動力を圧縮機１２０およびファン１２８に伝達する、回転軸等の動力伝達経路１４７も含む。動力伝達経路１４７に関連付けられる可動部分、ならびに圧縮機１２０、ファン１２８、またはタービン１４０および１４４のうちのいずれかまたは全ての可動部分（例えば、軸受、ブッシング、支持部、筐体、翼、ブレード等）に接触する可動部分および任意の部分は、客室の煙発生をもたらす可能性がある破局的なシステム故障をもたらす源または要因となる可能性がある。例えば、経時的に、熱交換器１１５および１２６の熱吸収側は、入口空気１１３からの空気中の粉塵で詰まる可能性がある。これが生じると、ファン１２８のファンブレードは、ファンブレードの円滑な空気力学的動作に十分な空気が熱交換器１１５、１２６を通じて提供されないため、予期しない応力を受ける。閉塞が検出されないままだと、１つ以上のファンブレードが破損する可能性があり、エアサイクルマシンによって航空機客室内に吹き込まれる煙を発生させる軸受故障をもたらす可能性がある。

図に示されるように、環境調和システム１００は、例示的な振動センサ１５２、１５４、１５６、または１５８のうちのいずれか１つ以上等の１つ以上の振動センサを装備することができる。エアサイクルマシン内の可動コンポーネント、およびかかる可動コンポーネントに近接した非可動コンポーネントの振動または他の動きを監視することによって、起こる可能性が高い、または実際の機器故障を示す、予期しない、または異常な振動または他の動きを検出することができる。コントローラ１６０が図に示されており、これは、センサ（複数を含む）１５２、１５４、１５６、１５８と通信し（例えば、無線通信、有線通信、または有線および無線通信の両方）、かつ種々の他のシステムコンポーネント（例えば、電気スイッチ、圧力センサ、温度センサ、流量センサ、制御弁等）と通信することもできる。コントローラは、筐体１０５の内側または外側に位置付けることができ、かつ他のコントローラもしくは航空機システムコントローラとネットワーク接続されるローカルコントローラであることができるか、またはシステムレベルコントローラと統合することができる。図に示されるように、振動センサ１５２、１５４、１５６、および１５８の各々は、それぞれ、回転デバイスファン１２８、圧縮機１２０、タービン１４０、またはタービン１４４の各々と接触して、または近接して位置付けられ、したがって、コントローラ１６０に、問題を示すデバイスを特定するのに具体的な情報を提供することができる。振動センサは、速度センサまたは近接性センサを含むがこれらに限定されない、種々の既知の種類のセンサのうちのいずれかとすることができる。いくつかの実施形態において、振動センサは、加速度計である。加速度計は、それに作用する重力加速度のデータストリームを提供するため、加速度計の読み取りは、振動強度だけでなく、熱交換器１１５、１２６の熱吸収側を通る不十分な空気流を示す、ファン１２８のキャビテーションパターン等の振動パターンやコンポーネントの動きも検出するために使用することができる。加速度計の重力加速度の読み取りはまた、タービン１４０、タービン１４４、圧縮機１２０、ファン１２８、または動力伝達経路１４７の回転速度（即ち、１分当たりの回転）を判断するために使用することができる。正常範囲（例えば、１０，０００〜５０，０００ｒｐｍ）外の回転速度は、起こる可能性が高い、または実際の機器故障を示し得る。

動作時、異常なデバイス動作を特定するためにコントローラ１６０によって用いられる特定の判断基準は、機器およびシステム設計の詳細によって異なるが、故障をシミュレーションした実験によって決定することができる。例えば、ファン１２８と関連付けられる振動センサ１５２の出力は、熱交換器１１５、１２６の熱吸収側が、様々な程度に意図的に閉塞される状態下で観察され得、観察されたデータは、システムの動作中に異常なデータを特定するように、コントローラ１６０に対する条件を設定するために使用することができる。いくつかの機器故障モードは、実際の故障より前（即ち、起こる可能性が高い故障）、または故障の発生（即ち、実際の故障）時に、検出可能な振動または動きの特徴を提供することができ、何らかの機器故障より前に、航空乗組員または保守要員への警報の提供を可能にする。例えば、閉塞した熱交換器１１５、１２６は、キャビテーションを引き起こし得、その振動または動きの特徴は、加速度計によって検出することができる。キャビテーションは、ファンブレードの破損につながり得、これは、直ちに、煙を発生する軸受故障または機器過熱につながり得る。ファンブレードの破損はまた、機器故障の発生時のように、振動センサ１５２からの出力特徴に基づいて検出することができる。振動センサによって検出可能な別の故障モードは、軸受故障である。軸受筐体に取設される、またはそれに近接する振動センサは、振動を通じて、起こる可能性が高い軸受故障を検出することができる。破局的な煙を発生する機器故障の発生時、軸受筐体に取設される、またはそれに近接する振動センサは、明らかな振動特徴を検出することができる。

いくつかの実施形態において、起こる可能性が高い機器故障の第１の種類の警報は、振動センサ（複数を含む）からの第１の組の出力基準に基づいてなされ、第２の種類の警報は、振動センサ（複数を含む）からの第２の組の出力基準に基づいて、機器故障の発生時になされる。当然ながら、複数のセットの判断基準を、複数の種類の警報を生成するために利用することができる。いくつかの例示的な実施形態において、コントローラ１６０は、機内の並列エアサイクルマシンへの切り替えを開始するか、または客室の加圧が不要な高度まで下げるように、乗組員に警報を提供するように構成することができ、したがって、機器損傷を限定的にするか、または回避することができる。代替的に、コントローラは、並列エアサイクルマシンへの切り替えを自動的に開始することができる。警報はまた、熱交換器空気流アセンブリを点検し、整備するために、地上保安要員に対して行うことができ、損傷の徴候を示すか、またはコントローラ１６０によって収集されたデータが、コンポーネントが検出不可能な損傷（例えば、ファンブレードの金属疲労）を受ける可能性がある状態にさらされていることを示すいずれのコンポーネントも交換することができる。同様の制御オプションが故障発生段階に存在し（例えば、乗組員に警報を発すること、自動的に機器を停止し、かつ機内の並列エアサイクルマシンを起動すること、または地上の保安要員に警報もしくはデータ記録を残すこと）、当然ながら、機器を停止する一層の緊急性がある。機器故障の発生時でさえ、機器故障の源における先を見越した検出は、煙の臭いがするか、または客室で煙が認められるまで待つ以前のアプローチと比べると、煙が航空機客室に入ることを防ぐための何らかの手段を講じるための価値ある先手をうったスタートを提供することができる。

本発明は、限定された数の実施形態のみに関連して詳細に記載されているが、一方で、本発明は、そのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、上述されていないが、本発明の主旨および範囲と同等の、任意の数の変形、変更、置換、または同等の配設を組み込むように修正することができる。さらに、本発明の種々の実施形態が記載されているが、本発明の態様は、記載された実施形態のうちのいくつかのみを含む場合があることが理解される。したがって、本発明は、前述の記述によって限定されるものと見なされるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (11)

1. 加圧領域、非加圧領域、および環境調和システム（１００）を有する航空機であって、前記環境調和システム（１００）は、
   前記航空機の非加圧領域内の筐体（１０５）と、
   前記筐体（１０５）内に配置されるとともに、高温圧縮空気の温度および圧力を低下させることによって高温圧縮空気を含む空気流を調和し、前記航空機の加圧領域に送る調和加圧空気を生成するエアサイクルマシンであって、熱交換器ファン（１２８）、タービン（１４０，１４４）、または圧縮機（１２０）のうちの少なくとも１つを含むエアサイクルマシンと、を備えており、
   加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）が前記筐体（１０５）内に配置されており、この加速度計は、前記熱交換器ファン（１２８）、前記圧縮機（１２０）、または前記タービン（１４０，１４４）のうちの１つまたは複数の振動および回転速度を感知するように位置付けられるとともに構成されており、
   前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）と通信し、前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）によって検出される振動に応答するように構成される、コントローラ（１６０）をさらに有し、
   前記エアサイクルマシンは、前記熱交換器ファン（１２８）、前記タービン（１４０，１４４）、および前記圧縮機（１２０）を備え、前記環境調和システムは、前記熱交換器ファン（１２８）、前記タービン（１４０，１４４）、および前記圧縮機（１２０）の各々とそれぞれ関連付けられる別々の加速度計をさらに備えることを特徴とする、航空機。
2. 前記圧縮機（１２０）は、前記調和加圧空気を出力する空気流路に沿って設けられ、前記タービン（１４０，１４４）は、回転軸（１４７）に沿って前記圧縮機（１２０）または前記熱交換器ファン（１２８）に動力を提供する、請求項１に記載の航空機。
3. 前記コントローラ（１６０）は、前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）による振動の検出に応答して警報を発するように構成される、請求項１または２に記載の航空機。
4. 前記コントローラ（１６０）は、前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）による振動の検出に応答して、前記エアサイクルマシンを停止するようにさらに構成される、請求項３に記載の航空機。
5. 前記コントローラ（１６０）は、第２のエアサイクルマシンの運転を開始するようにさらに構成される、請求項３または４に記載の航空機。
6. 前記コントローラ（１６０）は、前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）からの第１の組の出力基準に基づいて、起こる可能性が高い機器故障の警報を提供し、かつ前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）からの第２の組の出力基準に基づいて、機器故障の発生の第２の警報を提供するか、または前記エアサイクルマシンを停止するように構成される、請求項１〜５のいずれかに記載の航空機。
7. 前記コントローラ（１６０）は、前記エアサイクルマシンの地上整備のための警報を提供するように構成される、請求項１〜６のいずれかに記載の航空機。
8. 加圧領域および非加圧領域を有する航空機用の航空機環境調和システム（１００）を作動させる方法であって、
   前記非加圧領域内の筐体（１０５）内に配置されるとともに、熱交換器ファン（１２８）、タービン（１４０，１４４）、および圧縮機（１２０）を備えるエアサイクルマシンを作動させることにより、高温圧縮空気の温度および圧力を低下させて高温圧縮空気を調和して、前記航空機の加圧領域に送る調和加圧空気を生成することを含み、
   前記熱交換器ファン（１２８）、前記圧縮機（１２０）、および前記タービン（１４０，１４４）の各々とそれぞれ関連付けられ、これらの振動および回転速度を感知するように位置付けられるとともに構成される別々の加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）の出力を監視し、
   前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）によって検出される振動に応答して、警報を提供することを含むことを特徴とする、方法。
9. 前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）によって検出される振動に応答して、前記エアサイクルマシンを停止することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 第２のエアサイクルマシンの運転を開始することをさらに含む、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）からの第１の組の出力基準に基づいて、起こる可能性が高い機器故障の警報を提供し、かつ前記加速度計（１５２，１５４，１５６，１５８）からの第２の組の出力基準に基づいて、機器故障の発生の第２の警報を提供するか、または前記エアサイクルマシンを停止することをさらに含む、請求項８〜１０のいずれかに記載の方法。

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