JP2008222157A - 製品ガスと非製品ガスとを分離する装置を制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】供給空気から製品ガスと非製品ガスとを分離する装置を制御する方法を提供する。
【解決手段】装置１５、１６、１７によって生成される製品ガスの酸素濃度を感知することと、酸素濃度の瞬間的要求Ｄを決定することと、酸素濃度を示すプロセス変量信号Ｐをコントローラ２０に供給するとともに要求Ｄを示す要求入力信号２４をコントローラ２０に供給することと、環境パラメータを感知するとともに環境パラメータ入力信号２１をコントローラ２０に供給することと、プロセス変量信号Ｐと要求信号２４とを比較して瞬間的要求Ｄと一致するのに必要な製品ガス中の酸素濃度の変化を示す誤差信号を生成することと、要求Ｄを満たすように装置１５、１６、１７を制御する制御信号を得るように誤差信号を処理することとを含み、誤差信号の処理は、環境パラメータ入力信号２４に応じて制御信号を得るように補償される。
【選択図】図１

Description

［発明の説明］
本発明は、呼吸用酸素等の製品ガスと非製品ガスとを、供給空気から分離する装置を制御する方法に関する。限定はされないがより詳細には、本方法は、乗員が用いるための呼吸用供給空気を提供するように航空機上に設けられる種類の圧力スイング吸着式酸素濃縮装置である分離装置を制御するのに用いられる。このような装置は、機上酸素発生装置又は「ＯＢＯＧ」として知られている。

通常、ＯＢＯＧは、給気及び排気の連続サイクルで運転される。各給気フェーズの間、ガスタービンエンジンの圧縮機部分から抽気された高圧供給空気等の供給空気が、ＯＢＯＧに送り込まれ、その中にあるゼオライト等の吸着材床(bed)が供給空気から主に窒素を吸着して、使用のために酸素を製品ガスラインに送る。各排気フェーズでは、床は供給空気から隔離されて低圧に、すなわち大気圧に開放されるため、吸着された窒素が床から大気へパージされる。

通常の構成では、このような給気及び排気サイクルはそれぞれ、繰り返されるまでに約１０秒間かかり得る。これらのフェーズは、他の１つ又は複数のＯＢＯＧの給気及び排気と協調して、連続した酸素流の生成を可能にすることができる。

航空機では、必要な酸素の濃度は、航空機の高度に伴って、且つ／又は乗員に対して高いＧ力を生成するように航空機が操縦されるのに伴って変わることが理解されるであろう。

要求と一致させるように酸素の濃度を変えるためには、製品ガス中で感知される酸素濃度に応じて、全体的なサイクルタイムを変えることによって、又は一定のサイクルタイム内で給気フェーズ及び排気フェーズの相対割合を変えることによって、給気フェーズ及び排気フェーズの実際の持続時間又は相対持続時間を変えることが知られている。いずれの場合も、ＯＢＯＧが何らかの変化に応答するまでには或る程度の時間がかかり、その結果、製品ガス供給ライン内の酸素の濃度が新たな要求を満たすために変わるにはかなりの時間を要し得ることが理解されるであろう。例えば、要求の変化が激しい状態で、システム安定性を最大にするための制御アルゴリズムを適用することが知られている。

通常、酸素濃度を感知するために、製品ガスのサンプルを酸素濃度センサに供給するが、これが酸素濃度を感知するのにも有限時間を要し、要求の変化からＯＢＯＧが製品ガスの濃度を増減させることによって応答するまでの遅延が増加することにより、結果として、例えば瞬間的に操縦士が受け取る酸素が多すぎるか又は少なすぎることになる。

これは、給気／排気サイクル中に製品ガスラインにおいて、大きな圧力スイング及び酸素濃度の変動があり得るからである。酸素濃度を正確に決定するために、酸素濃度センサに与えられるサンプルは、ある測定時間にわたる平均酸素濃度を示す必要がある。したがって、サンプルは、測定中に製品ガスラインから隔離される必要があり得るが、これは、装置の周期性によって生じる遅延に加えて測定遅延を引き起こす。

本発明によると、供給空気から製品ガスと非製品ガスとを分離する装置を制御する方法であって、装置によって生成される製品ガスの濃度はコントローラからの制御信号に応じて可変であり、製品ガスを生成する装置の効率は環境パラメータに依存し、当該方法は、装置によって生成される製品ガス中の酸素濃度を感知することと、製品ガス中の酸素濃度の瞬間的要求を決定することと、製品ガス中の感知された酸素濃度を示すプロセス変量信号をコントローラに供給するとともに要求を示す要求入力信号をコントローラに供給することと、環境パラメータを感知するとともに環境パラメータ入力信号をコントローラに供給することと、プロセス変量信号と要求信号とを比較して瞬間的要求と一致するのに必要な製品ガス中の酸素濃度の変化を示す誤差信号を生成することと、要求を満たすように装置を制御する制御信号を得るように誤差信号を処理することとを含む、方法において、誤差信号の処理は、環境パラメータ入力信号に応じて制御信号を得るように補償されることを特徴とする、供給空気から製品ガスと非製品ガスとを分離する装置を制御する方法が提供される。

供給空気から呼吸用酸素等の製品ガスと非製品ガスとを分離する装置の、限定はされないが特にＯＢＯＧの効率は、高度、供給空気温度、及び他の環境パラメータの変化に伴って大きく変わることが分かっている。例えば、同じ給気対排気比及びサイクル持続時間の場合、ＯＢＯＧは、高高度の方が低高度よりも２〜３倍高い酸素濃度を生成することができるが、これは、ＯＢＯＧ吸着床が大気圧に開放されるときに高度が高いと排気効率がより高いことに主に起因する。

従来の制御方法では、ＯＢＯＧ効率のこのような変動に特に対処するのではなく、要求と生成されるガスの濃度とのずれのみを制御の手段として用いるが、本発明を利用すると、制御方法は、誤差信号を処理して補償された制御信号を供給する際に、感知された環境パラメータを考慮して装置を制御する。

その結果、環境パラメータの変化を補償しない既知の制御方法よりも厳密に瞬間的要求と一致した濃度で製品ガスを生成するように、装置を制御することができる。

本発明は、限定はされないが特に、乗員が用いるための呼吸用供給ガスを提供するように航空機上に設けられる種類の１つ又は複数の圧力スイングガス吸着式酸素濃縮装置を制御するためのものである。

コントローラによって開かれて供給空気からの空気を上記装置に入れることができる入口弁を、装置または各装置に設けることができ、装置を排気するようにコントローラによって開放可能な排気弁を設けることができる。代替的に、供給空気からの空気を上記装置に入れるか又は装置から排気させることができる入口・排気複合弁が、装置または各装置に設けられる。

環境パラメータは高度であることが好ましく、この場合、本方法は、高度計で高度を感知して環境入力信号をコントローラに供給することを含み得る。

コントローラは、異なる方法によって環境パラメータを補償してもよい。例えば、コントローラは、装置の運転効率を感知された環境パラメータと相関させる、例えばルックアップテーブルに含まれるデータを参照することができ、本方法は、制御信号を得るのにこの参照データを利用することを含み、制御信号はこうして環境パラメータを適切に補償する。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１を参照すると、高圧供給空気から酸素と非酸素ガスとを分離して、酸素を製品ガスとして生成するシステム１０が示されている。このようなシステム１０は、航空機１１内に設けられ、供給空気は、ガスタービンエンジン１２の圧縮機部分から得られる。

供給空気は、３つの圧力スイングガス吸着装置１５、１６、１７のそれぞれがそれぞれの弁１５ａ、１６ａ、１７ａを介して接続される供給ライン１３に送り込まれる。弁１５ａ、１６ａ、１７ａはそれぞれ、それぞれの制御ラインａ、ｂ、ｃを介してコントローラ２０によって制御される電動弁である。

各圧力スイングガス吸着装置１５、１６、１７は、ゼオライト等の吸着材床を含み、それぞれの床に空気が流入するようにそれぞれの弁１５ａ、１６ａ、１７ａが空気供給ライン１３につながると、床が非酸素ガスを吸着する一方で、それぞれの逆止弁１５ｃ、１６ｃ、１７ｃを介して製品ガスライン１８に酸素ガスを進ませる。こうして、製品ガスは、航空機１１の乗員の呼吸用に下流システムで用いるために提供される。

弁１５ａ、１６ａ、１７ａは、コントローラ２０によってそれぞれ選択的に操作される三方弁である。弁１５ａ、１６ａ、１７ａは、空気供給ライン１３をそれぞれの装置１５、１６、１７の吸着床から隔離しながら装置１５、１６、１７のそれぞれの床を低圧の外部大気に通じる排気ライン１９に接続するか、又は装置１５、１６、１７を排気ライン１９から隔離しながら装置１５、１６、１７のそれぞれの床を空気供給ライン１３に接続することができる。

したがって、それぞれの給気フェーズにおいて、各装置１５、１６、１７は供給空気１３から酸素ガスを生成するか又は酸素ガスを濃縮することができ、それぞれの排気フェーズにおいて、主に給気中にそれぞれの床によって吸着された窒素をそれぞれの装置１５、１６、１７からパージすることができる。

排気を補助するために、所望であれば、それぞれの電気制御パージ弁１５ｂ、１６ｂ、１７ｂを開くことによって、それぞれの装置１５、１６、１７を通して(though)少量の製品ガスを戻すことができる。これは、コントローラ２０がそれぞれの制御ラインｄ、ｅ、又はｆに沿ってそれぞれのパージ弁１５ｂ、１６ｂ、１７ｂに信号を送ることによって行われる。さらに別の構成では、弁１５ｂ、１６ｂ、１７ｂは、それぞれの床が供給空気１３から空気を受け取っている間はそれぞれの弁１５ｂ、１６ｂ、１７ｂを開いて、それぞれの床１５、１６、１７を通る空気流を増やすことによって、放出弁として動作させてもよい。

システム１０はさらに、システム１０によって生成される酸素の濃度を感知するために、或る割合の製品ガスを通過させることができる酸素濃度センサ２１を含む。この例では、センサ２１は、製品ガスライン１８からのブランチ１８ａに設けられ、ここにサンプルガスがオリフィスを介して抽気される。感知後、サンプルガスは大気に逃がされる。

次に図２を参照すると、制御アルゴリズム２５が概略的に示されている。これは基本的に、既知の比例積分制御(proportional and integral control)（「ＰＩ」制御）を利用して、出力２６において出力信号を供給する。航空機の高度及び／又は航空機操縦中に乗員が受けるＧ力に応じた酸素の瞬間的要求Ｄが、比較器（comparitor）２２においてプロセス変量Ｐと比較される。プロセス変量Ｐは、この例では、酸素濃度センサ２１によって感知される３つの装置１５、１６、１７が生成する酸素の濃度に応じて変わる。酸素の濃度はシステム１０の性能に依存する。こうして、システム１０によって生成される酸素の濃度を示す信号Ｐは、比較器２２に供給される。

この例での酸素の要求Ｄは、この例では高度計Ａからの出力信号２４から得られる。この要求は、修正された（増幅され処理された）信号であるか、又は高度計Ａからの出力信号２４から計算されるか若しくは高度に応じて要求信号Ｄを供給するルックアップテーブル２５から得られる要求信号である。別の例では、要求Ｄは、Ｇ力センサ又は判定器からの入力を含むか又はこの入力のみに依存してもよい。図１では、このような入力２３をコントローラ２０に供給するこのようなＧ力センサがＧで示されている。したがって、要求信号Ｄは、必要に応じて、高度か、高度及びＧ力か、又はＧ力のみに依存し得る。

いずれの場合も、システム１０によって生成された酸素の濃度が要求Ｄと一致するのに必要な、酸素濃度の任意の変化を示す誤差信号が、２７において生成される。すなわち、誤差信号２７は、酸素の要求Ｄと生成された酸素の濃度Ｐとの間の瞬間的ずれに比例する。

従来の構成では、この比例誤差信号２７は、処理され、例えば増幅器２９によって増幅されて、出力２６を生成するための成分として用いられる。しかしながら、後述するように、比例誤差信号２７は、環境因子に起因するシステム性能の変動を補償して補償済みの誤差信号３３を供給するようにアルゴリズムのゲイン部３０において処理される。補償済みの誤差信号３３は、増幅器２９による増幅後に（増幅された補償済みの比例誤差信号は３５で示す）加算器３６に供給される。

ゲイン部３０と増幅器２９との間では、別の制御ループ３１への補償済みの誤差信号３３の入力が供給され、この制御ループ３１では、要求Ｄと実際の酸素濃度との間の誤差の時間及び大きさに比例する積分誤差信号が３４において得られる。

増幅器２９からの補償済みの比例誤差信号３５及び積分誤差信号３４は、加算器３６で合成されて、本明細書で後述するような使用のために出力２６が生成される。

「ＰＩ」制御アルゴリズムは、安定した制御を提供するために、すなわち、制御が実際の酸素濃度Ｐと要求Ｄとの間の誤差のみに比例して影響を受けることのないように、絶えず変化する要求を性能変化の遅いシステムによって満たす必要のあるシステムを制御するのに一般に用いられる。このような制御アルゴリズムは、要求Ｄと生成された実際の酸素濃度Ｐとの間の誤差の変化率に比例する微分誤差信号を、比例誤差信号３５及び積分誤差信号３４に重ねる、微分制御も含むことができる。このような制御方法は、「ＰＩＤ」制御として知られている。

しかしながら、図１に示す酸素と非酸素とを分離して酸素を製品ガスとして生成するシステム１０では、さらに複雑なのは、システム１０の性能が環境パラメータの変化、限定はされないが特に高度の変化に伴って変化することである。

これは主に、高度が高いほど装置１５、１６、１７の吸着床の排気効率が高いことにより、装置１５、１６、１７における分離プロセスの効率全体が向上するからである。

システム１０は、上記で例示した理由から要求Ｄの変化に対する応答が本質的に遅いため、従来、システム１０がこのような環境因子に対処するのは、結果的、すなわち、高い高度で生成された生成ガス中の高い酸素濃度を酸素濃度センサ２１が感知できるときでしかない。

しかしながら、本発明によれば、既知の「ＰＩ」アルゴリズムは、環境因子の変化、主に高度の変化による酸素分離プロセスの効率の変動を補償するように修正される。

図１では、システム１０が、航空機の高度を判定する高度計Ａを含み、この高度計Ａが、コントローラ２０への環境パラメータ入力２４と、要求Ｄの決定に用いられる入力とを供給することが分かる。

コントローラ２０は、環境パラメータ入力２４を用いて、比較器２２からの比例誤差信号２７に加えられるゲインを変えることによって、高度に伴う分離プロセスの効率の変動を補償する。

加えられる補償は、アルゴリズムのゲイン部３０内に環境パラメータ入力４０を供給する高度計Ａによって感知される高度に応じて変わる。

コントローラ２０は、分離プロセス効率の変動を高度と相関させる参照データを利用することができる。このようなデータはルックアップテーブルに提供されることができる。代替的に、補償は、分離プロセス効率の変動と高度との間の、既知の計算された関係又は経験的に得られた関係に応じて加えられる。いずれの場合も、ゲイン部３０に加えられるゲインは、環境パラメータに応じて決定される。

図２では、増幅器４１が高度計Ａから環境パラメータ入力４０を受け取ることが分かるが、ゲインが絶えず変化するのを防止するために、誤差信号２７のゲインが変わるのは、高度が例えば１０フィートのステップで変化するときだけである。

「ＰＩ」又は「ＰＩＤ」制御アルゴリズムと、環境パラメータに応じて適用されるゲイン補償３０とによって、出力２６は、コントローラ２０が要求Ｄの変化により素早く正確に応答して、要求Ｄを満たすようにシステム１０の性能を調整することを可能にする。

再び図１を参照すると、通常は３つの圧力スイング吸着装置１５、１６、１７が、製品ガスライン１８において所望の酸素濃度を得るために協調操作されることが理解されるであろう。したがって、通常は動作期間中に、３つの装置１５、１６、１７は、常に装置１５、１６、１７の少なくとも１つが給気フェーズにあり、残りの２つの装置１５、１６、１７の少なくとも１つが排気していることで、製品ガスライン１８において一定の供給酸素を確保するように操作され得る。

３つの装置１５、１６、１７が、全体的なサイクルタイムを変えながら、給気持続時間及び排気持続時間の割合をある動作期間中で一定に保って操作されることで、要求Ｄとセンサ２１によって感知される製品ガスの実際の濃度との間のずれに応じて、生成されて製品ガスライン１８に供給される酸素の量及び濃度を変えることができ、環境因子補償が制御アルゴリズムのゲイン部３０に加えられる。

別の好適な例では、３つの装置１５、１６、１７それぞれの給気／排気サイクルタイムは、複数のサイクルの間続く動作期間内で一定に保たれ得るが、各装置１５、１６、１７の給気サイクルタイム対排気サイクルタイムの割合は、要求Ｄとセンサ２１によって感知される製品ガスの実際の濃度との間のずれに応じて、生成されて製品ガスライン１８に供給される酸素の量及び濃度を変えるように、コントローラ２０によって変えられ、環境因子補償が制御アルゴリズムのゲイン部３０に加えられる。

このような制御のいずれを行うためにも、適当な制御信号を制御ラインａ〜ｆに沿って種々の電動弁１５ａ、１６ａ、１７ａ、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂに供給するために、アルゴリズムからの出力２６をコントローラ２０によって処理する必要があることが理解されるであろう。

本発明の範囲から逸脱せずに、種々の変更を行うことができる。

例えば、本発明は、複数の圧力スイング吸着ガス分離装置１５、１６、１７を含むシステム１０に適用されるものとして説明されているが、本発明は、分離プロセスの効率及び性能が高度等の１つ又は複数の環境因子に依存するような、他のいかなるガス分離装置にも適用することができる。

高度の環境パラメータは、記載の圧力スイング吸着装置１５、１６、１７に最も重要なものであるが、供給空気の温度も重要な因子である可能性がある。この場合、（図面の実施形態では）要求Ｄと感知された酸素濃度Ｐとの間の誤差信号２７のゲインを、高度、エンジン１２の性能、及び他の因子に伴って変化し得る供給空気の温度に応じて、制御アルゴリズムのゲイン部３０で補償することができる。実際には、環境パラメータの変化の影響を分離システム１０の性能と相関させることができることにより適当なゲイン補償を加えることができるならば、本発明は、ガス分離システムの性能を変える可能性のある環境因子がある場合は常に適用可能である。

説明した例では、ゲイン補償は、要求Ｄと感知された酸素濃度Ｐとの差に比例する誤差信号２７に加えられるが、別の例では、環境パラメータの変化の補償を制御方法において他の形で用いて、システム１０の制御に用いられる制御信号を供給することができる。

図１に示すシステム１０の変更形態では、圧力スイング吸着装置１５、１６、１７の入口弁１５ａ、１６ａ、及び１７ａが、装置１５、１６、１７の吸着床を供給空気１３又は大気１９に接続するように選択的に動作可能な複合三方弁である代わりに、別の例では別個の入口弁及び排気弁を設けることができる。これらは、コントローラ２０によって独立制御可能な電気制御弁、例えば電磁弁であることが好ましい。

特定の形態で、又は開示された機能を果たすための手段又は開示された結果を得るための方法若しくはプロセスに関して表現されている、上記の説明、又は添付の特許請求の範囲、又は添付図面において開示された特徴は、個別に、又はこのような特徴の任意の組み合わせで、本発明を多様な形態で実現するために適宜利用することができる。

本発明に従って操作され得る複数の圧力スイングガス吸着装置を含むシステムの説明図である。 本発明による図１の装置を制御する制御アルゴリズムの概略図である。

Claims (7)

1. 供給空気（１３）から製品ガスと非製品ガスとを分離する装置（１５、１６、１７）を制御する方法であって、
   前記装置（１５、１６、１７）によって生成される前記製品ガスの濃度は、コントローラ（２０）からの制御信号に応じて可変であり、
   製品ガスを生成する前記装置（１５、１６、１７）の効率は、環境パラメータに依存し、
   前記方法は、
   前記装置（１５、１６、１７）によって生成される前記製品ガス中の酸素濃度を感知することと、
   前記製品ガス中の酸素濃度の瞬間的要求（Ｄ）を決定することと、
   前記製品ガス中の前記感知された酸素濃度を示すプロセス変量信号（Ｐ）を前記コントローラ（２０）に供給するとともに、前記要求（Ｄ）を示す要求入力信号（２４）を前記コントローラ（２０）に供給することと、
   前記環境パラメータを感知するとともに、環境パラメータ入力信号（２１）を前記コントローラ（２０）に供給することと、
   前記プロセス変量信号（Ｐ）と前記要求信号（２４）とを比較して、前記瞬間的要求（Ｄ）と一致するのに必要な前記製品ガス中の酸素濃度の変化を示す誤差信号（２７）を生成することと、
   前記要求（Ｄ）を満たすように前記装置（１５、１６、１７）を制御する制御信号（３３）を得るように、前記誤差信号を処理することと
   を含む、方法において、
   前記誤差信号（２７）の処理は、前記環境パラメータ入力信号（２４）に応じて、前記制御信号（３３）を得るように補償されることを特徴とする、供給空気から製品ガスと非製品ガスとを分離する装置を制御する方法。
2. 感知される前記環境パラメータは、高度及び供給空気温度の少なくとも一方であることをさらに特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 感知される前記環境パラメータは高度であり、
   前記方法は、高度計で前記高度を感知して前記環境入力信号を前記コントローラに供給することを含む
   ことをさらに特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記製品ガスを分離する装置は航空機に設けられ、
   前記方法は、前記航空機の前記高度を感知して前記環境パラメータ入力を供給することを含む
   ことをさらに特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記装置は、乗員が用いるための呼吸用供給ガスを提供するように前記航空機上に設けられる、少なくとも１つの圧力スイングガス吸着式酸素濃縮装置であることをさらに特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記供給空気からの空気を前記装置に入れるように前記コントローラによって開放可能な入口弁が、前記装置または各装置に設けられ、
   前記装置を排気するように前記コントローラによって開放可能な排気弁が設けられる
   ことをさらに特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 前記コントローラは、前記装置の前記運転効率を前記感知された環境パラメータと相関させるデータを参照することによって、前記環境パラメータを補償し、
   前記方法は、前記制御信号を得るのに前記参照データを利用することを含み、それによって、前記制御信号は前記環境パラメータを適切に補償する
   ことをさらに特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。

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