JP6197032B2 - 航空機の乗客用の酸素のハイブリッド式での機上での生成 - Google Patents

Description

本発明は、広くには、航空機に搭乗中の乗員または乗客などに調節された酸素の流れをもたらすためのシステムおよび方法に関する。本発明は、さらに詳しくは、呼吸に適した酸素ガスが航空機の降下時などに航空機に搭乗中の乗員または乗客にとって迅速かつ間欠的に利用可能であることを保証するためのシステムおよび方法に関する。本システムの構成要素として、酸素発生器と、第１の酸素発生器の発熱分解反応からの熱を第２の熱依存性の酸素発生器へと移動させるための熱交換器インターフェイスとが挙げられる。

航空機の乗客に酸素を供給するための伝統的なシステムおよび方法は、典型的には、客席の上方に位置するパッセンジャー・サービス・ユニット（ＰＳＵ）において化学的に生成され、あるいは加圧された気体のシリンダから送出される（典型的には、機上の中央集中型の分配網を通じて送出され、あるいは複数の別々の個人用の気体のシリンダから送出される）気体の酸素に頼っている。

非常用の酸素をフェイスマスクへと供給すべき場合、典型的には、フェイスマスクに取り付けられた呼吸バッグが、酸素の一定の流れを受け取る。酸素が、一般的には、平均的な呼吸速度よりも速く呼吸している乗客の平均的な１回換気量よりも大幅に大きいニーズにすら対応できるように計算される流量にて、連続的に供給される。呼吸バッグおよびマスクへの酸素の連続的な流れは、典型的には、機室の空気によって希釈される。

化学的な生成による酸素システムは、ひとたび作動させられると１回だけしか使用できず、将来の使用のために交換が必要になる使い捨ての装置として設けられる。化学的な生成による酸素システムは、一般に、２２分未満のより短い継続時間の飛行に適する。しかしながら、飛行経路の地勢も、酸素の需要を満たすための化学的な生成による酸素システムの適切性の判断因子である。より長い継続時間の飛行ならびに変化する地勢または骨の折れる地勢を免れない飛行においては、気体の酸素をシリンダに蓄えることができる。ガスの加圧されたシリンダからの酸素を、航空機の分配網において１つ以上の供給源から分配することができ、あるいは個別のシリンダを、各々の乗客または乗員について設けることができる。いずれの場合も、航空機の限られた空間に鑑みて、シリンダからの酸素は、典型的には航空機の照明システムの構成要素から遠くなく、危険の可能性を高めている。例えば、座席の上方の個々のシリンダまたは分配網の出口が、光源の近くである。これらの加圧された酸素のシリンダを乗客へと酸素を分配するための機上の酸素供給システムの一部として取り入れるために航空機のあちこちに必要となる膨大な配管が、定期的な漏れの検査を必要とし、維持のコストを高める。さらに、加圧された酸素のシリンダは、破裂の危険を防止するために充分に頑丈でなければならず、これが重量の増加につながり、結果として燃料の消費および燃料のコストを増やす。

したがって、酸素の生成、貯蔵、分配、または消費のいずれかに関して、そのような航空機の非常用酸素供給システムの効率を高めることは、重量の節約をもたらすことができる。反対に、航空機の非常用酸素供給システムの効率を高めることは、それに対応したサイズの縮小を行わない場合、システムの動作により大きな安全マージンをもたらすと考えられる。したがって、非常用または補足用の酸素供給システムの効率を何らかの方法で高めることが、きわめて望ましいと考えられる。

航空機の機室の乗員に適切に酸素を供給するために必要な送出される追加の酸素の流量は、所与の高度における周囲の大気圧に依存する。ユーザへともたらされる酸素の量および流量を、必要とされるよりも多くの量の酸素が非効率的かつ無駄にもたらされることを回避しつつ、適切な酸素の供給をもたらすように、高度の関数として好都合に変化させることができる。

原料ガスから酸素または酸素豊富化ガスの供給と残留ガスとを生成する分子ふるい酸素発生システム（ＭＳＯＧ）も公知である。そのような分子ふるい酸素発生器の形式の機上酸素発生器装置は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）技術に頼ることで、最大９５％の酸素を含む酸素豊富化ガスを生み出し、残留ガスの流れは、約９％を超える酸素を含む可能性がある。しかしながら、このシステムは、動作の初期の段階において、高い高度において即座に必要とされる可能性がある航空機の乗客の酸素の需要を満たすための適用性が限られている。さらに、このシステムは、酸素の消費を最小化することがなく、あるいは酸素を節約することがない。

分子ふるい酸素発生システムに取り入れられた圧力スイング吸着技術は、加圧されたガスが通常は固体表面へと引き付けられ、その表面に吸着するという原理にもとづく。圧力が高いほど、ガスの吸着が多くなる。圧力が高から低へと下げられ、あるいはスイングされるとき、ガスの放出または脱着が生じる。異なる気体は、異なる固体材料へと異なる程度で吸着され、あるいは引き付けられる傾向にあるため、気体混合物を、圧力スイング吸着によって分離することができる。

したがって、圧力が下げられるとき、固体材料にあまり強くは引き付けられないガスが最初に脱着され、出口流を形成する。ガスが吸着された固体材料の床がその吸着の限度容量に達した後で、圧力がさらに下げられ、より強く引き付けられたガスも放出される。機上酸素発生器（ＯＢＯＧ）に当てはまるとおり、典型的にはエンジンの抽気が圧力スイング吸着装置へと送られ、空気のチッ素成分が空気の酸素成分よりも強く固体材料の床へと吸着され、酸素豊富となった気体の出口流が生成される。

圧力スイング吸着システムのための吸着剤は、選択的な吸着を示す２つ以上のガスの間の区別の能力を有さなければならない。圧力スイング吸着システムに適した吸着剤は、通常は、例えば活性炭、シリカゲル、アルミナ、およびゼオライトなど、大きな表面積ゆえに選択されるきわめて多孔性の材料である。これらの表面に吸着されたガスは、厚さが分子１つ分にすぎず、あるいは最大でも分子数個分にすぎない層を構成することができる。１グラムにつき数百平方メートルの表面積を有する吸着剤が、ガスにて吸着剤の重量のかなりの割合を吸着することを可能にする。ゼオライトおよび炭素分子ふるいと呼ばれるある種の活性炭の分子ふるい特性が、一部のガス分子を、異なるガスについての差別的な吸着の選択性に加えて、サイズにもとづいて排除するように機能する。

第１に搭乗員によって呼吸に使用される酸素を生成し、第２に航空機の燃料タンクの不活性環境として使用されるチッ素を生成するために、分子ふるい床および／または透過膜の技術を利用する別のシステムが公知である。しかしながら、そのようなシステムは、依然として酸素（酸素を呼吸に適した圧力で届けることができるように）およびチッ素の両方について圧縮機を設けることを必要とする。また、生み出すことができる酸素の濃度が、使用される伝統的な機上酸素発生器装置の技術の性質によって制限される。高温が必要であるがゆえに、酸素の全能力が利用可能となるまでに時間遅延が存在する。

他の種類の機上酸素発生器は、典型的には必要とされる熱を供給するために電圧を使用して約６５０°〜７５０°の高い温度で特殊なセラミック材料の内部で空気から触媒作用によって酸素を分離する固体電解質酸素分離（ＳＥＯＳ）技術を利用するセラミック酸素発生器（ＣＯＧ）である。このプロセスは、３０，０００フィートを超える高い高度を含む任意の高度において呼吸に適した圧力の実質的に純粋な酸素ガス生成物を生み出すことができるが、最初に装置が必要とされる動作温度に到達しなければならないため、装置の起動時に酸素をすぐには利用することができない。

セラミック酸素発生器装置は、典型的には、呼吸に適した圧力においてより純粋またはより高度に濃縮された酸素豊富ガスをもたらす能力にもとづいて、分子ふるい酸素発生器装置よりも優れているが、セラミック酸素発生器装置からの酸素も、そのような装置からの酸素の発生に必要な高い温度の要件ゆえに、すぐには利用することができない。

非常の状況が航空機の機上において生じるときに、呼吸に適した濃度、温度、および圧力で迅速に利用することができる酸素が必要である。３０，０００フィートを上回る高い高度においては、９９％以上の純度の酸素ガスが必要とされる。３０，０００フィート以下のより低い高度においては、９０〜９５％の酸素である酸素ガスが、好適であると考えられる。非常の状況として、急激な機室の減圧、急な降下、などを挙げることができる。

セラミック酸素発生器装置を酸素を短時間でもたらす他の供給源と統合することによって、降下時または非常の状況の発生時の短時間での呼吸用の酸素ガスの入手性を犠牲にすることなく、固体電解質酸素分離技術を取り入れるセラミック酸素発生器装置の利点を利用するシステムを提供することが、望ましいと考えられる。理想的には、そのようなシステムは、酸素の節約および酸素の使用の効率の最大化ももたらすと考えられる。

さらに、酸素が安全のために許されるマージンを伴って必要に応じてもたらされるようにフィードバック機構を利用して酸素を乗客または乗員のマスクへと間欠的にもたらすことによって、利用可能な酸素または生成される酸素を節約することが、望ましいと考えられる。

最後に、固体電解質酸素分離技術を取り入れるセラミック酸素発生器システムからの酸素の供給に必要な待機時間を、これらのシステムの要であるセラミック膜をより迅速に加熱することによって短縮することが、きわめて望ましいと考えられる。本発明は、これらのニーズおよび他のニーズを満足させる。

要約すると、一般に、本発明は、航空機の乗客のために酸素を機上で生成するためのハイブリッド式のシステムおよび該ハイブリッド式のシステムを取り入れる方法を提供する。より具体的には、ハイブリッド式のシステムが、化学式の酸素発生器において生じる発熱分解反応からの熱を集めることによって、セラミック酸素発生器のセラミック膜を加熱する。この酸素発生システムは、化学式の酸素発生器およびセラミック酸素発生器という２つの異なる種類の酸素発生器を取り入れ、一方のシステムの固有の熱力学を他方のシステムを利するように利用する点で、ハイブリッド式である。化学式の酸素発生器の反応によって生じる余分な熱を、セラミック酸素発生器へと、２つの発生器の間の熱交換インターフェイスを介してもたらすことができる。化学式の酸素発生器からの熱が、セラミック酸素発生器をより素早く加熱し、より短い時間枠にて使用できる状態にし、加熱のコストも低いがゆえに、セラミック酸素発生器をより実用的にする。

化学式の酸素発生器から供給される酸素を、非常の状況の発生時および航空機の初期の降下の態様の際の第１の段階において乗客へともたらすことができる。セラミック酸素発生器から供給される酸素を、ひとたびセラミック酸素発生器が化学式の酸素発生器における発熱化学分解反応によって生成された熱の助けゆえに通常よりも迅速に動作温度に達したならば、第２の段階において乗客へともたらすことができる。複数の各々の種類の発生器、すなわち化学式の酸素発生器およびセラミック酸素発生器を、適切な安全マージンを有しつつ乗客の需要を満たすために必要に応じて設けることができる。いずれかの種類の発生器から生成された呼吸に適した酸素豊富ガスを、乗客の呼吸パターンおよび酸素の必要性に部分的にもとづいてサブシステム間の相互作用を調節し、酸素の使用の効率を最大にする少なくとも１つの調節器を介して、乗客へと迅速かつ間欠的にもたらすことができる。

本発明の一態様によれば、システムが、非常および初期の降下ならびに高度保持の態様の両方などにおいて航空機の乗員および乗客の必要を満たすように設計される。本明細書に開示されるとおりの本発明の種々の態様によれば、固体電解質酸素分離器の高い動作温度の制約が、別の発生器（化学式の酸素発生器）から必要とされるとおりに迅速に酸素をもたらしつつ、セラミック酸素発生器または固体電解質酸素分離器を加熱することによって克服される。例えば、非常の状況または機室の減圧の発生時に、低酸素症を避けるために、１０秒以内に３．３リットル／分（Ｌ／ｍｉｎ）の量の充分な酸素が航空機の乗客へと供給されなければならない。

本発明のハイブリッド式機上酸素発生システムは、セラミック酸素発生器または固体電解質酸素分離器（ＳＥＯＳ）について必要な動作温度の達成を加速させることによって、システムのうちの固体電解質酸素分離器部分が酸素の供給を引き継ぐことができるようになるまでの時間を短縮すると同時に、それまでの間は化学的に生成される酸素を供給する。より具体的には、化学式の酸素発生器の発熱化学分解反応から生成される熱を、化学式の酸素発生器の酸素発生容器および高温化学コアから逃げ出すときの高温の酸素から利用することができる。次いで、利用される熱を、酸素の分離に用いられる膜の加熱を加速させるために、セラミック酸素発生器または固体電解質酸素分離器へと送ることができる。これらの目的を達成するために、化学式の酸素発生器につきものの発熱化学分解反応から生じる熱が集められ、セラミック酸素発生器システムのセラミック膜の加熱に使用される。

化学式の酸素発生器は、通常は撃針によって機械的に点火される。発生器の撃発キャップ内の火薬類が、スチフニン酸鉛およびテトラゼン混合物を含むことができる。化学式の酸素発生器は、通常は、酸素の発生源として、無機超酸化物、アルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩、および／またはこれらの混合物に依存する。オゾン化物が、化学式の酸素発生器の酸素発生源の別の有望なグループである。一例として、分解反応は、５％未満の水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）および１パーセント未満の過塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ_４）と混合され、固体の塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）および酸素ガス（Ｏ_２）へと分解する固体の塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ_３）からなる酸化剤コアを含むことができる。これが、典型的な民間の航空機において化学的な酸素の生成を担当する分解反応であり、周囲条件において１０グラムの塩化ナトリウムにつき約３．５リットル（Ｌ）の酸素および４，２２０カロリーの熱を生成する。キャニスタの外側の温度は、通常は２６０℃に達し、１５〜２０分間にわたって酸素を生成する。

収穫することができる熱の実際の量を、金属粉を塩素酸ナトリウムの（または、他の）分解反応の燃料または触媒として取り入れることによって、さらに増やすことができる。酸化時に、そのような金属粉は、塩素酸ナトリウムの（または、他の）分解を開始させるために必要な熱を生成する。本発明の酸素発生用の組成物は、典型的には、酸素発生源の分解を持続させるための熱を供給するために、すず粉または鉄粉あるいはこれら２つの粉末の組み合わせなどの金属粉を約０．５〜１５重量％含むが、チタニウム、銅、アルミニウム、マグネシウム、およびこれらの組み合わせなどの他の金属粉も、好適であることができる。

本発明の種々の態様によれば、発熱反応を含むほぼあらゆる化学式の酸素発生器を、固体電解質酸素分離にもとづくシステムの準備のための熱の収穫に利用することができる。典型的には、アルカリ金属塩素酸塩、アルカリ金属過塩素酸塩、および／またはこれらの混合物が、酸素の発生源として使用される。例えば、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ_４）または過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）を、塩素酸ナトリウムの代わりに使用することができる。

発熱化学分解反応に頼る化学式の酸素発生器からの熱を収穫または利用して、固体電解質酸素分離システムの典型的なセラミック膜をより迅速に加熱できることは、固体電解質酸素分離システムの使用をより確実、実用的、かつ低コストにし、待ち時間を短くする。したがって、セラミック酸素発生器を備える固体電解質酸素分離システムが、伝統的なかさばる加圧された酸素のシリンダのより実行可能な代案となる。

固体電解質酸素分離器を迅速に利用することができることのさらなる利点は、より長い継続時間の飛行（典型的には、２２分を超える飛行）に一般的に必要とされるかさばる加圧された酸素シリンダ（典型的には、１８５０〜３０００ｐｓｉｇにある）への依存を減らせることにある。

したがって、本発明は、航空機の乗員または乗客による呼吸のために補足の酸素をもたらすためのハイブリッド式システムを提供する。このハイブリッド式システムは、動作温度への到達のための加熱を必要とする機上酸素発生器と、酸素と熱とを生成するように構成された化学式の酸素発生器とを備える。化学式の酸素発生器が、機上酸素発生器に熱的に連絡しており、したがって化学式の酸素発生器によって生成された熱が、機上酸素発生器へと供給されることで、機上酸素発生器の動作温度への到達が促進される。現時点における好ましい態様においては、機上酸素発生器が、化学式の酸素発生器から熱を受け取るように構成された少なくとも１つの膜を有する固体電解質酸素分離器を含んでいる。固体電解質酸素分離器は、セラミック酸素発生器であってよく、少なくとも１つの膜は、例えばセラミック膜であってよい。別の現時点における好ましい態様においては、熱交換インターフェイスが、機上酸素発生器と化学式の酸素発生器との間に配置され、化学式の酸素発生器と機上酸素発生器との間の熱的な連絡をもたらす。別の現時点における好ましい態様においては、化学式の酸素発生器が、熱交換インターフェイスを少なくとも部分的に覆ってこの熱交換インターフェイスに直接に熱的に接触した化学酸素発生組成物を含む。別の現時点における好ましい態様においては、本ハイブリッド式システムが、化学式の酸素発生器および機上酸素発生器に連絡した関係に接続され、化学式の酸素発生器および機上酸素発生器の少なくとも一方から酸素を受け取るように構成された少なくとも１つの呼吸マスクと、化学式の酸素発生器および機上酸素発生器の両方へと接続され、検出される呼吸パターンにもとづいて少なくとも１つの呼吸マスクへの酸素の流れを調節するように構成されたパルス状酸素送出サブシステムとを備える。別の現時点における好ましい態様においては、本ハイブリッド式システムが、機上酸素発生器および化学式の酸素発生器を制御するように構成されたコントローラを備える。

別の態様においては、航空機の乗員または乗客に呼吸用の補足の酸素をもたらすためのハイブリッド式システムが、初期の段階において酸素を供給するように構成された第１の機上酸素発生器と、後の段階において航空機の機上で酸素を生成するように構成された第２の機上酸素発生器とを備える。第１の機上酸素発生器は、発熱化学分解反応を通じて熱を発生させるように構成された化学式の酸素発生器を含んでおり、第２の機上酸素発生器は、電気加熱によってより長い時間期間にわたって供給されることができる熱によって６５０℃〜７５０℃の温度において空気の供給流から触媒作用によって酸素を分離するように構成された固体電解質酸素分離器を含んでいる。第２の機上酸素発生器が、好都合には第１の機上酸素発生器へと熱的に接続され、したがって化学式の酸素発生器の発熱化学分解反応において生じた熱を第２の機上酸素発生器へと供給して、空気の供給流の６５０℃〜７５０℃の動作温度への初期の到達の速度を高めることができる。コントローラが、第１の機上酸素発生器および第２の機上酸素発生器を制御するように構成される。

現時点における好ましい態様においては、第１の機上酸素発生器が、３０，０００フィートを上回る高い高度における呼吸に適した圧力の酸素を供給するように構成される。別の現時点における好ましい態様においては、固体電解質酸素分離器が、空気の供給流から触媒作用によって酸素を分離するように構成されたセラミック材料を備える。別の現時点における好ましい態様においては、本ハイブリッド式システムが、第１の機上酸素発生器および第２の機上酸素発生器に連絡した関係にあることで、第１の機上酸素発生器および第２の機上酸素発生器の少なくとも一方から酸素を受け取るように構成された１つ以上の呼吸マスクを備える。パルス状酸素送出サブシステムが、好ましくは第１の機上酸素発生器および第２の機上酸素発生器の両方へと接続され、検出される呼吸パターンにもとづいて呼吸マスクへの酸素の流れを調節するように構成される。

さらに、本発明は、航空機に搭乗中の乗員または乗客などに調節された酸素の流れをもたらすための方法を提供する。本方法は、最初に、３０，０００フィートを超える高い高度において第１の機上酸素発生器から酸素の迅速な流れを開始させるために第１のシステムを作動させることを含む。第１のシステムは、少なくとも１つの成分の発熱分解反応を通じて酸素を生成するように構成された化学式の酸素発生器を含み、第１のシステムの前記発熱分解反応からの熱が、少なくとも１つのセラミック膜を備えており、電圧を加えることによって６５０℃〜７５０℃の温度において空気の供給流から触媒作用によって酸素を分離するように構成された固体電解質酸素分離器を有している第２の機上酸素発生器を含んでいる第２のシステムへと供給される。第２のシステムが、６５０℃〜７５０℃の動作温度に達した後で、第２の機上酸素発生器からの酸素の流れを開始させるために作動させられる。第２のシステムから供給される酸素が、第１のシステムから供給される酸素と統合され、第２のシステムが酸素の需要を満たすことができる場合に、第１のシステムが停止させられる。１人以上の乗客または乗員の１つ以上の呼吸パターンが検出され、１人以上の乗客または乗員の１つ以上の呼吸マスクへの酸素の流れが、検出される１つ以上の呼吸パターンにもとづいて酸素の流量を変化させるように構成されたパルス状酸素供給器を通じて第１のシステムまたは第２のシステムからマスクへと酸素をもたらすことによって調節される。別の現時点における好ましい態様においては、第２のシステムの第２の機上酸素発生器が、３０，０００フィート以下の高度における呼吸に適した圧力で高度に濃縮された酸素を供給するように構成される。

本発明の他の特徴および利点が、以下の詳細な説明を本発明の原理を一例として示している添付の図面と併せて検討することによって、明らかになるであろう。

航空機の機上の乗員または乗客などに調節された酸素の流れをもたらすためのシステムの第１の実施形態の概略図である。 化学式の酸素発生器で機上酸素発生器を加熱するための図１のシステムの一部分を拡大した概略図である。 航空機の機上の乗員または乗客などに調節された酸素の流れをもたらすための本発明の実施形態による方法を説明するフロー図である。

セラミック酸素発生器（ＣＯＧ）システムは、電圧を使用して約６５０℃〜７５０℃の高い温度で特殊なセラミック材料の内部で空気から触媒作用によって酸素を分離する固体電解質酸素分離（ＳＥＯＳ）技術を利用する。このプロセスは、３０，０００フィートを超える高い高度を含む任意の高度において呼吸に適した圧力の実質的に純粋な酸素ガス生成物を生み出すが、最初に装置が必要とされる高い動作温度に到達しなければならないため、装置の起動時に酸素をすぐには利用することができないことが欠点である。高い動作温度の要件ゆえに、典型的には、セラミック酸素発生器または固体電解質酸素分離器からの酸素の能力の全体が充分に利用可能になるまでに、時間遅延が存在する。

酸素の生成、供給、および適切な備蓄の維持のためのハイブリッド式のシステムおよび方法が、本明細書において提示される。本発明の１つの好ましい用途は、３０，０００フィートを上回る高い高度、降下時、フィート以下の高度の保持、変化する地勢における飛行経路、および任意の継続時間の飛行などにおいて、航空機の機上の乗客および乗員のために酸素を供給することにある。本発明は、ビジネスジェット機および民間航空機の両方における乗客および乗員への酸素の供給において、いくつかの利点を提供する。

酸素の適切な備蓄の維持を、生成された余分な酸素を非常用の備蓄の補充を通じて将来の使用のために蓄えることによって、達成することができる。システムから供給される酸素を乗客および乗員が必要とする酸素によりぴったりと一致させることによる利用可能な酸素の節約も、適切な備蓄の維持を助ける。

したがって、あくまでも例示の目的で提示され、本発明を限定しようとするものではない図１に示されるとおり、本発明は、航空機において必要に応じて迅速かつ間欠的に酸素の調節された流れを供給するためのシステムを提供する。図１を参照すると、第１の現時点における好ましい実施形態においては、航空機において必要に応じて迅速かつ間欠的に酸素の調節された流れを供給するためのシステム１００が、配線１０６を介して化学式の酸素発生器１１２に電子的に連絡したコントローラまたは制御システム１０２を備える。コントローラは、さらに配線１０５を介してパルス状酸素送出サブシステム１２２に電子的に連絡している。さらに、コントローラは、配線１０８を介してセラミック酸素発生器（ＣＯＧ）または固体電解質酸素分離器（ＳＥＯＳ）の形式の機上酸素発生器１１４に電子的に連絡している。化学式の酸素発生器１１２が、機上酸素発生器１１４との熱的な連絡１１３を有している。熱的な連絡を、技術的に公知の任意の実現可能な手段によって達成することができる。熱的な連絡の領域は、化学式の酸素発生源の構成要素１５０（例えば、塩素酸ナトリウム１５２、過塩素酸ナトリウム１５４、過塩素酸リチウム１５６、など）の発熱化学分解反応によって生成される熱を利用し、機上酸素発生器１１４へともたらし、セラミック膜を加熱し、６５０℃〜７５０℃の動作温度の獲得を加速させることができるよう、熱交換インターフェイス１１５を含むことができる。典型的には、アルカリ金属の塩素酸塩、アルカリ金属の過塩素酸塩、および／またはこれらの混合物を、酸素発生源として使用することができる。さらに、本発明の酸素発生用の組成物は、例えば酸素発生源の分解を持続させるための熱を供給するために、すず粉または鉄粉あるいはこれら２つの粉末の組み合わせなどの金属粉を約０．５〜１５重量％含むことができるが、チタニウム、銅、アルミニウム、マグネシウム、およびこれらの組み合わせなどの他の金属粉も、好適であることができる。

化学式の酸素発生器の分解反応は、典型的には、周囲条件において１０グラムの塩化ナトリウムにつき少なくとも約３．５リットル（Ｌ）の酸素および４，２２０カロリーの熱を生じさせるが、生じる熱は、典型的には、酸化時に化学式の酸素発生器の構成要素の分解反応を促進する金属粉などの追加の成分の作用ゆえにさらに大きい。

さらに図１を参照すると、化学式の酸素発生器１１２は、供給配管１１８を介してパルス状酸素送出サブシステム１２２に連通している。機上酸素発生器１１４も、供給配管１２０を介してパルス状酸素送出サブシステム１２２に連通している。次いで、パルス状酸素送出サブシステム１２２は、乗客および乗員のために設けることができる１つ以上の呼吸マスク１３２、１３４、１３６、および１３８に、低圧配管１２４、１２６、１２８、および１３０を介して連通している。随意により、コントローラおよび／またはパルス状酸素送出サブシステムに電子的に連絡した１つ以上のセンサ１４０または検出器を、さらに後述されるように空気の圧力および／または流れを検出し、空気の圧力および／または流れを表わす対応するセンサ信号をコントローラへと伝えるために、呼吸マスク、パルス状酸素送出サブシステム、酸素供給源、あるいは酸素を供給する供給配管または低圧配管のいずれかに設けることができる。

図１に関して、さまざまな種類のセンサまたは検出器を、酸素供給源、供給配管、パルス状酸素送出サブシステム、および呼吸マスクの各々に設けることができる。本明細書において使用されるとき、参照番号１４０は、これらの場所のうちの任意のいずれかにおける任意の種類のセンサまたは検出器を広く一般的に指し、必ずしも種々の場所の各々において同じである必要はない。例えば、参照番号１４０によって表わされるセンサまたは検出器は、圧力、流量、温度、体積、気体混合物を構成している気体の濃度、酸素の使用の速度、などを測定するためのセンサまたは検出器であってよい。

図２を参照すると、化学式の酸素発生器からの熱を機上酸素発生器の加熱に使用できるよう、化学式の酸素発生器１１２と機上酸素発生器１１４との間の熱的な連絡１１３の領域に加えて、この熱の伝達を達成するための他の構成要素を、さらに設けることができる。例えば、熱交換インターフェイス１１５を、化学式の酸素発生器の一部として、あるいは化学式の酸素発生器と熱依存性の機上酸素発生器との間のシステムの別途の構成要素として、熱的な連絡の領域に設けることができる。化学式の酸素発生器の発熱分解反応に関与する化学成分を、インターフェイス１１５を覆うように分配された酸素発生用の調合物へと組み合わせることによって、より効果的に熱を伝達することができる。例えば、分解して熱を発する化学成分（例えば、塩素酸ナトリウム）およびこのプロセスを触媒または増進する金属粉（例えば、酸化鉄）を、熱交換インターフェイスを横切ってアレイにて塗布でき、あるいは無作為なパターンにて散布することができる。熱交換インターフェイスは、分解時に発せられる熱を熱依存性の固体電解質酸素分離器の形式の機上酸素発生器（ＯＢＯＧ）へともたらすために利用することができるフィルタを備えることができる。化学式の酸素発生器１１２は、典型的には、１つ以上の付随の点火装置またはシーケンサあるいは化学式酸素発生器起動装置（図示されていない）を備える。

機上酸素発生器（ＯＢＯＧ）１１４は、好ましくは、固体電解質酸素分離器（ＳＥＯＳ）を備える。この固体電解質酸素分離器の一例は、セラミック酸素発生器装置である。セラミック酸素発生器の形式の装置は、呼吸に適した圧力の高度に濃縮された酸素ガス（実質的に１００％のＯ_２）を生成することによって、空間の占有および重量の付加につながる圧縮機の必要性を軽減し、あるいは皆無にするという利点をもたらす。

図３を参照すると、本発明の実施形態による方法２００の各ステップが示されている。航空機の機上の乗員または乗客などのために酸素の調節された流れを供給するための方法は、３０，０００フィートを上回る高い高度において典型的には化学式の酸素発生器である第１の機上酸素供給器からの酸素の迅速な流れを開始させるために第１のシステムを作動させるステップ２０２を含む。次いで、第１のシステムの発熱分解反応からの熱が、ステップ２０４において、固体電解質酸素分離器を有する機上酸素発生器を備えている第２のシステムへと供給される。ステップ２０６において、第２のシステムが、６５０℃〜７５０℃の動作温度に達した後に、機上酸素発生器からの酸素の流れを開始させるために作動させられる。第２のシステムからの高度に濃縮された酸素ガスが、典型的には３０，０００フィート以下の高度において呼吸のための酸素を供給するために、ステップ２０８において第１のシステムから供給される酸素と統合される。

その後に、ステップ２１０において、第２のシステムが酸素の需要を満たすことができる場合に、第１のシステムを停止させることができる。ステップ２１２において、乗客または乗員の呼吸パターンが検出され、ステップ２１４において、乗客または乗員の呼吸マスクへの酸素の流れが、検出された呼吸パターンおよび／または生理的な要件にもとづいて酸素の流量を変化させるように構成されたパルス状酸素供給器を介して第１のシステムまたは第２のシステムからマスクへと酸素をもたらすことによって調節される。

例えば非常の状況の発生の直後などの初期の段階において、酸素がきわめて豊富なガスの流れが、第１の機上酸素供給器（例えば、化学式の酸素発生器）からもたらされる。初期の段階は、典型的には、航空機が３０，０００フィートを超える高度にあるときに存在する。非常信号を、熱依存性の機上発生器からの酸素が利用可能になる前の約３〜７分間続く第１の段階における流れを開始させるために使用することができる。その後の段階において、酸素が、第２の機上酸素供給器、すなわち機上酸素発生器から供給される。第２の機上酸素供給器は、航空機の機上で酸素豊富なガスを生成する機上酸素発生器を備える。後の段階は、典型的には、航空機が初期の降下を終え、待機高度に達した後に存在する。しかしながら、機上発生器がセラミック酸素発生器の形式である場合、生み出される酸素ガスの高い純度に鑑みて、３０，０００フィートを超える高度における呼吸にも好適である。化学式の酸素発生器が唯一の酸素供給器である初期の３〜７分間の加熱期間の後で、機上発生器が、通常はすぐに引き継ぎを行うことができる状態である。

機上酸素発生器は、セラミック酸素発生器であってよい。空気の供給流から酸素を分離するためのセラミック膜は、酸素をイオン化して分離するために、特殊なセラミック材料の内面の触媒特性に依存する。航空機への適用時に、セラミック酸素発生器の形式の機上酸素発生器装置のための空気の供給流は、典型的にはエンジンの抽気である。しかしながら、セラミック酸素発生器の形式の機上酸素発生器装置のための供給ガスは、他の供給源から由来してもよい。例えば、供給ガスは、セラミック酸素発生器または分子ふるい酸素発生器などの上流に位置する他の機上酸素発生器装置の生成物の流れから由来することができる。

高い表面温度における酸素のイオン化プロセスが、生物学的な成分または有毒な化学成分の存在の可能性のない実質的に１００％の純粋な酸素であるセラミック膜システムからの生成ガスの生成の一因である。セラミックの動作温度は、約７００℃であり、膜をまたぐ電位差は、１ボルト程度である。セラミック膜酸素発生器は、イオン輸送膜（ＩＴＭ）技術の１つの好ましい部分集団である。

セラミック酸素発生器装置によって生成される高濃度の酸素ガスが、３０，０００フィートを上回る高い高度での呼吸に適する一方で、分子ふるい酸素発生器装置を含む他の形式の機上酸素発生器装置によって生成されるより控え目な濃度の酸素ガスは、より高い高度での呼吸には適さず、より低い高度における呼吸に適する前に加圧のための圧縮機を必要とする。セラミック酸素発生器装置からの高濃度の酸素ガスを、そのようなガスの生成に必要な高い温度の要件の達成を待った後で、任意の高度における呼吸に直接使用することができる。

航空機の機上のセラミック酸素発生器装置を待機させておくことができることは、加圧されたガスのシリンダおよび化学式の酸素発生器への依存を減らす。セラミック酸素発生器の形式の機上酸素発生器装置が利用可能である場合、より小さい加圧されたガスのシリンダを備えればよく、あるいはまったく備えなくてもよい。さらに、セラミック酸素発生器装置によって生成される余分な酸素を、空中でのより小さい加圧されたシリンダの補充に使用することで、地上での加圧気体のシリンダの補充または交換からの維持コストを下げることができる。

本発明は、このセラミック酸素発生器装置および既存の固体電解質酸素分離技術を、酸素をより迅速に供給することができる他の構成要素を備えるシステムに構成要素として取り入れ、構成要素間の酸素の供給を管理することによって、セラミック酸素発生器および固体電解質酸素分離装置において直面される遅延の欠点を克服する。さらに、本発明の実施形態は、セラミック酸素発生器装置の動作温度への到達に必要な時間を短縮すべく加熱プロセスを促進することによって、遅延の欠点も克服する。

例えば、きわめて酸素豊富なガス（おおむね９９％以上の酸素）を生成する化学式の酸素発生器が、非常の状況の発生時におおむね最初の３〜７分間にわたって酸素を供給することができる。最初の３〜７分間の後で、機上酸素発生器が、酸素の供給源として引き継ぎを行うことができるように、動作温度（６５０〜７５０℃）に到達し、充分にサイクルされていると考えられる。

コントローラを、１つ以上の個別の呼吸マスクへと供給を行うパルス状酸素送出サブシステムの１つ以上のパルス状酸素供給器（図示されていない）への種々の供給源からの酸素の供給を協調させるために使用することができる。コントローラは、どの品質の酸素が必要とされるのかを高度にもとづいて判断でき、どの酸素供給源が利用できるかを判断できる。コントローラは、適切な備蓄を維持しつつ乗客および乗員の需要を満たすために必要なとおりに酸素の供給を管理する。

例えば、３０，０００フィートを上回る高い高度において生じる非常の状況において、セラミック酸素発生器装置が非常の状態の発生までオンにされていないがゆえに、セラミック酸素発生器装置からの酸素が迅速には利用できない場合、コントローラは、化学式の酸素発生器に酸素を速やかに供給するように指示することができる。セラミック酸素発生器装置が６５０℃〜７５０℃の動作温度およびサイクリングを達成すると、コントローラは、セラミック酸素発生器装置から利用することができる高度に濃縮された酸素の存在を検出し、これを化学式の酸素発生器からの供給の流れにしみ込ませ、ひとたびセラミック酸素発生器の形式の機上酸素発生器装置が需要を適切に満たすことができるようになると、化学式の酸素発生器からの供給を停止させることができる。

本システムによって航空機において必要に応じて迅速かつ間欠的に酸素の調節された流れをもたらすことができる１つの方法は、呼吸サイクルの呼気段階において乗客または乗員の呼吸マスクへの酸素の流れを規制し、吸気段階において呼吸マスクへの酸素の流れを再開するなどによって酸素を節約することができるパルス状酸素送出サブシステムによる。

例えば、乗客または乗員の呼吸サイクルの吸気段階または呼気段階を検出し、次いでこの情報をコントローラへと通信するために、１つ以上のセンサ１４０を各々の呼吸マスクに連通させて設けることができる。次いで、コントローラが、乗客および乗員の需要を満たしつつ酸素の供給をより良好に管理するために、必要に応じて酸素の流れを節約し、減少させ、停止させ、増加させ、あるいは再開するように、パルス状酸素送出サブシステムおよび酸素の供給源に相応の指示を行う。

他の構成要素を、種々の実施形態に取り入れることができるが、必須ではない。例えば、それら他の構成要素は、主機室減圧リレー、１つ以上の追加のリレー、各々の酸素供給源と酸素供給源から各々の呼吸マスクへの各々の供給配管との間の電気動作のオン／オフ入口バルブ、１つ以上の圧力トランスデューサ、などであってよい。

システムの他の構成要素として、酸素発生器（特には、きわめて高温のセラミック酸素発生器装置）からの濃縮された酸素ガスが生理学的な好みまたは要件に適合した適切な温度で乗客または乗員の呼吸マスクへと供給されることを保証するための例えば供給配管における冷却または加熱装置を挙げることができる。化学式の酸素発生器からの酸素豊富なガスを冷却するための冷却装置を、２つの機能を果たすように構成することができ、すなわち生成される酸素の流れから取り除かれる熱を利用して固体電解質酸素分離器の加熱に振り向け、そのようでない場合よりも迅速かつ低い加熱コストで動作温度を達成することもできる。例えば供給配管における冷却または加熱装置を、不活性ガスが適切な温度で燃料タンクへともたらされることを、この特徴を備える実施形態において保証するために設けることも可能である。

さらに、パルス状酸素送出サブシステム１２２は、個々の呼吸マスクへと酸素の流れを間欠的にもたらすための１つ以上のパルス状酸素供給器（図示されていない）を含むことができる。呼吸マスクの各々が、呼吸バッグを備えることができる。パルス状酸素供給器を、航空機のあらゆる場所の乗客への酸素の供給をさらに分配および調節するために利用することができる。

別の実施形態においては、制御システムの一部として、コントローラに加えて、各々の酸素供給源に、利用可能な体積および酸素の濃度を割り出すための１つ以上のセンサ１４０または検出器を設けることができる。コントローラに連絡した関係の別のセンサまたは検出器（図示されていない）が、高度を読み取ることができる。追加のセンサ１４０および検出器を、酸素の使用の速度などの他の変数を監視するために、個々の呼吸マスク、パルス状酸素送出サブシステム、もしくは呼吸マスクまたはパルス状酸素送出サブシステムへの配管あるいは呼吸マスクまたはパルス状酸素送出サブシステムからの配管のいずれかに設けることができる。

さらに他の実施形態においては、コントローラが、各々の酸素供給源および主機室減圧リレー（図示されていない）に電気的に連絡することができる。より具体的には、コントローラが、各々の酸素供給源と各々の呼吸マスクとの間、各々の酸素供給源とマスクに酸素を供給するパルス状酸素送出サブシステムとの間、またはパルス状酸素送出サブシステムと各々のマスクとの間の電気動作のオン／オフ入口電磁弁（図示されていない）に連絡することができる。

さらなる実施形態においては、セラミック酸素発生器の形式の機上酸素発生器装置が、酸素の濃度がより高い入力流においてより良好に機能できることに鑑みて、セラミック酸素発生器装置の上流に別の機上酸素発生器装置を有することがきわめて好都合かもしれない。この上流の機上酸素発生器は、セラミック酸素発生器装置へと送られる供給流の酸素濃度を、例えばエンジンの抽気などの他の空気の供給の流れの酸素濃度を超えて高めるように機能すると考えられる。

さらなる代案として、化学式の酸素発生器によって生成される酸素を、通常は呼吸に適する前に冷却しなければならず、冷却プロセスにおいて取り除かれる熱を、ハイブリッド式システムの第２の発生器に熱をもたらすために使用することができる。第２の発生器は、固体電解質酸素分離器であり、典型的には６００℃超の動作温度に達するための実質的な加熱に依存するセラミック酸素発生器である。

本発明は、上述の実施形態に限られない。当然ながら、種々の変更および改良が、本発明の技術的範囲および技術的思想から離れることなく可能である。さらなる利点および改良に、当業者であれば容易に想到できるであろう。したがって、種々の改良を、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定められるとおりの全体的な発明概念の技術的思想および技術的範囲から外れることなく、行うことが可能である。

Claims (12)

1. 航空機の乗員または乗客に呼吸用の補足の酸素をもたらすためのハイブリッド式システムであって、
   動作温度への到達のための加熱を必要とする機上酸素発生器と、
   酸素と熱とを生成するように構成された化学式の酸素発生器と、
   を備えており、
   前記化学式の酸素発生器が、前記機上酸素発生器に熱的に連絡しており、前記化学式の酸素発生器によって生成された熱が、前記機上酸素発生器へと供給されることで、前記機上酸素発生器の動作温度への到達が促進され、
   前記機上酸素発生器と前記化学式の酸素発生器との間に配置され、前記化学式の酸素発生器と前記機上酸素発生器との間の熱的な連絡をもたらす熱交換インターフェイスをさらに備えるハイブリッド式システム。
2. 前記機上酸素発生器が、前記化学式の酸素発生器から熱を受け取るように構成された少なくとも１つの膜を有する固体電解質酸素分離器を備えている請求項１に記載のハイブリッド式システム。
3. 前記固体電解質酸素分離器が、セラミック酸素発生器を備えており、前記少なくとも１つの膜が、セラミック膜である請求項２に記載のハイブリッド式システム。
4. 前記化学式の酸素発生器が、前記熱交換インターフェイスを少なくとも部分的に覆って前記熱交換インターフェイスに直接に熱的に接触した化学酸素発生組成物を含んでいる請求項１に記載のハイブリッド式システム。
5. 前記化学式の酸素発生器および前記機上酸素発生器に連絡した関係に接続され、前記化学式の酸素発生器および前記機上酸素発生器の少なくとも一方から酸素を受け取るように構成された少なくとも１つの呼吸マスクと、
   前記化学式の酸素発生器および前記機上酸素発生器の両方へと接続され、検出される呼吸パターンにもとづいて前記少なくとも１つの呼吸マスクへの酸素の流れを調節するように構成されたパルス状酸素送出サブシステムと、
   をさらに備える請求項１に記載のハイブリッド式システム。
6. 前記機上酸素発生器および前記化学式の酸素発生器を制御するように構成されたコントローラをさらに備える請求項１に記載のハイブリッド式システム。
7. 航空機の乗員または乗客に呼吸用の補足の酸素をもたらすためのハイブリッド式システムであって、
   初期の段階において酸素を供給するように構成され、発熱化学分解反応を通じて熱を発生させるように構成された化学式の酸素発生器を含んでいる第１の機上酸素発生器と、
   後の段階において航空機の機上で酸素を生成するように構成され、電圧を加えることによって６５０℃〜７５０℃の温度において空気の供給流から触媒作用によって酸素を分離するように構成された固体電解質酸素分離器を含んでいる第２の機上酸素発生器と、
   前記第１の機上酸素発生器および前記第２の機上酸素発生器を制御するように構成されたコントローラと、
   を備えており、
   前記第２の機上酸素発生器が、前記第１の機上酸素発生器へと熱的に接続され、前記化学式の酸素発生器の発熱化学分解反応において生じた熱を、前記第２の機上酸素発生器へと供給して、前記空気の供給流の６５０℃〜７５０℃の動作温度への到達の速度を高めることができ、
   前記第１の機上酸素発生器と前記第２の機上酸素発生器との間に配置され、前記第２の機上酸素発生器と前記第１の機上酸素発生器との間の熱的な連絡をもたらす熱交換インターフェイスをさらに備えるハイブリッド式システム。
8. 前記第１の機上酸素発生器が、３０，０００フィートを上回る高い高度における呼吸に適した圧力の酸素を供給するように構成されている請求項７に記載のハイブリッド式システム。
9. 前記固体電解質酸素分離器が、前記空気の供給流から触媒作用によって酸素を分離するように構成されたセラミック材料を備えている請求項７に記載のハイブリッド式システム。
10. 前記第１の機上酸素発生器および前記第２の機上酸素発生器に連絡した関係にあることで、前記第１の機上酸素発生器および前記第２の機上酸素発生器の少なくとも一方から酸素を受け取るように構成された少なくとも１つの呼吸マスクと、
    前記第１の機上酸素発生器および前記第２の機上酸素発生器の両方へと接続され、検出される呼吸パターンにもとづいて前記少なくとも１つの呼吸マスクへの酸素の流れを調節するように構成されたパルス状酸素送出サブシステムと、
    をさらに備える請求項７に記載のハイブリッド式システム。
11. 航空機の機上の乗員用または乗客用を含めて、調節された酸素の流れをもたらすための方法であって、
    ３０，０００フィートを超える高い高度において第１の機上酸素発生器から酸素の迅速な流れを開始させるために、少なくとも１つの成分の発熱分解反応を通じて酸素を生成するように構成された化学式の酸素発生器を含む第１のシステムを作動させるステップと、
    前記第１のシステムの前記発熱分解反応からの熱を、少なくとも１つのセラミック膜を備えており、電圧を加えることによって６５０℃〜７５０℃の温度において空気の供給流から触媒作用によって酸素を分離するように構成された固体電解質酸素分離器を有している第２の機上酸素発生器を含んでいる第２のシステムへと供給するとともに、前記熱は、前記第１のシステムと前記第２のシステムとの間に配置された熱交換インターフェイスを経由して前記第１のシステムから前記第２のシステムへと供給される、ステップと、
    前記第２のシステムが６５０℃〜７５０℃の動作温度に達した後で、前記第２の機上酸素発生器からの酸素の流れを開始させるために前記第２のシステムを作動させるステップと、
    前記第２のシステムから供給される酸素を前記第１のシステムから供給される酸素と統合するステップと、
    前記第２のシステムが酸素の需要を満たすことができる場合に前記第１のシステムを停止させるステップと、
    少なくとも１人の乗客または乗員の呼吸パターンを検出するステップと、
    前記少なくとも１人の乗客または乗員の少なくとも１つの呼吸マスクへの酸素の流れを、検出される呼吸パターンにもとづいて酸素の流量を変化させるように構成されたパルス状酸素供給器を通じて前記第１のシステムまたは前記第２のシステムから前記少なくとも１つのマスクへと酸素をもたらすことによって調節するステップと、
    を含む方法。
12. 前記第２のシステムの前記第２の機上酸素発生器が、３０，０００フィート以下の高度における呼吸に適した圧力で高度に濃縮された酸素を供給するように構成されている請求項１１に記載の方法。

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