(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
航空機や車両の空調ダクトは限られたスペースに敷設する必要があるため、建屋等の空調ダクトと比較して直管部が少なく、曲りや分岐が多い。そのため、流れの偏流が起きやすく、空調ダクト内に発生した温度むらが解消されにくい構造になっている。
【0005】
このような問題を解決するため、特許文献1には、
図8に示すように、ダクト41の中心部分に配置されたハブ51と、ハブ51から径方向に突出して複数設けられ、下流に向かうにつれて位相が変化する回転不能なベーン52(整流板に該当)を有する静止型ミキシング機構50が示されている。しかしながら、航空機や車両では、スペースが限られているため、スペースを必要とする上記静止型ミキシング機構50の設置は困難な場合が多い。また、ルートによっては、順方向、逆方向の両方の流れに対応する必要があり、双方の圧力損失許容値を満足する必要があるが、上記静止型ミキシング機構50は、順方向の流れ(
図8中の左側から右側への流れ)に比較して、逆方向の流れ(
図8中の右側から左側への流れ)は大きな抵抗となり、圧力損失が大きくなり、温度均一化と双方向流れの圧力損失抑制を両立することができない。
【0006】
また、オリフィスを空調ダクト内に設置する方法も考えられる。例えば、
図9(a)、(b)に示すように、ダクト41の継ぎ目41aに追加できるオリフィス53を利用することが考えられる。このようなオリフィス53は、ダクト41の継ぎ目41aに設けるため、施工性が良く、温度均一化の効果もあるが、圧力損失が大きくなり、設置できる部分は限られてくる。
【0007】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、流体の混合を促進すると共に、圧力損失の増加を順方向及び逆方向双方の流れに対して抑制することができる混合促進部材及びそれを有する空調システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決する第1の発明に係る混合促進部材は、
空気が供給されるダクト内に設けられる混合促進部材であって、
中央部に1つの開口部を有するオリフィス状の板からなり、
前記開口部の周縁部には外縁方向に向かう複数の切り込みを有する
ことを特徴とする。
【0009】
上記課題を解決する第2の発明に係る混合促進部材は、
上記第1の発明に記載の混合促進部材において、
前記切り込みは、前記開口部の周方向に一定間隔で均等に形成されている
ことを特徴とする。
【0010】
上記課題を解決する第3の発明に係る混合促進部材は、
上記第1又は第2の発明に記載の混合促進部材において、
前記オリフィス状の板及び前記開口部が円形であり、前記オリフィス状の板の直径をD1、前記開口部の直径をD2とすると、
前記切り込みは、開口率が60%〜65%、且つ、D2/D1が0.55〜0.75を満たすように形成されている
ことを特徴とする。
【0011】
上記課題を解決する第4の発明に係る混合促進部材は、
上記第1〜第3のいずれか1つの発明に記載の混合促進部材を複数枚組み合わせた
ことを特徴とする。
【0012】
上記課題を解決する第
1の
参考発明に係る空調システムは、
エンジンの圧縮機から第1の空気が供給される第1のダクトと、
前記エンジンのファンから第2の空気が供給される第2のダクトと、
前記第1のダクトに設けられ、前記第2のダクトから供給された前記第2の空気との熱交換により、前記第1のダクトを流れる前記第1の空気を冷却する冷却手段とを有し、
前記冷却手段より下流側の前記第1のダクトの内部に、上記第1〜第4のいずれか1つの発明に記載の混合促進部材を配置した
ことを特徴とする。
【0013】
上記課題を解決する第
2の
参考発明に係る空調システムは、
上記第5の発明に記載の空調システムにおいて、
前記混合促進部材より下流の前記第1のダクトに、外部空気源から前記圧縮機へ第3の空気を供給する第3のダクトを設け、
前記第1のダクトは、前記圧縮機からの前記第1の空気の順方向の供給と前記外部空気源からの前記第3の空気の逆方向の供給とに共用される
ことを特徴とする。
【0014】
上記課題を解決する第
3の
参考発明に係る空調システムは、
エンジンの圧縮機から第1の空気が供給される第1のダクトと、
前記エンジンのファンから第2の空気が供給される第2のダクトと、
前記第1のダクトに設けられ、前記第2のダクトから供給された前記第2の空気との熱交換により、前記第1のダクトを流れる前記第1の空気を冷却する冷却手段と、
前記冷却手段より下流の前記第1のダクトに設けられ、外部空気源から前記圧縮機へ第3の空気を供給する第3のダクトとを有し、
前記第1のダクトは、前記圧縮機からの前記第1の空気の順方向の供給と前記外部空気源からの前記第3の空気の逆方向の供給とに共用される
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、流体の混合を促進して、ダクト内の温度分布のむらを緩和することができると共に、圧力損失の増加を順方向及び逆方向双方の流れに対して抑制することができる。また、簡易な部品の追加で上記効果を得ることができ、スペースのない場所にも実装可能である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を参照して、本発明に係る混合促進部材及びそれを有する空調システムの実施形態を説明する。
【0018】
[実施例1]
図1は、本実施例の混合促進部材を示す図であり、
図1(a)は、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図であり、
図1(b)は、そのA−A線矢視断面図である。また、
図2は、
図1に示した混合促進部材の変形例を示す図であり、
図2(a)は、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図であり、
図2(b)は、そのB−B線矢視断面図である。また、
図3は、
図1、
図2に示した混合促進部材による温度の標準偏差及び圧力損失を示すグラフであり、
図4は、
図3に示したグラフの作成に用いた解析モデルを示す概略図である。
【0019】
本実施例の混合促進部材21は、
図1(a)、(b)に示すように、円筒形のダクト11の継ぎ目11aに挿入できる平板状のオリフィス状の板21aをベースとしている。ここでは、内側(中央部)に円形の1つの開口部21bを有する円形リング形状又は円形ドーナツ形状のオリフィス状の板21aをベースとしている。この開口部21bの周縁部には、外縁方向(内周側から外周側)に向かって台形状に切り込まれた切り込み21cが複数設けられており、複数の切り込み21cが周方向に一定間隔で均等に形成されている。
【0020】
また、上記混合促進部材21の変形例である混合促進部材22も、
図2(a)、(b)に示すように、円筒形のダクト11の継ぎ目11aに挿入できる平板状のオリフィス状の板22aをベースとしている。ここでも、内側(中央部)に円形の1つの開口部22bを有する円形リング形状又は円形ドーナツ形状のオリフィス状の板22aをベースとしている。この開口部22bの周縁部には、外縁方向(内周側から外周側)に向かって長方形状に切り込まれた切り込み22cが複数設けられており、複数の切り込み22cが周方向に一定間隔で均等に形成されている。
【0021】
つまり、混合促進部材21、22は、整流板ではなく、オリフィス状の板21a、22aの開口部21b、22bに複数の切り込み21c、22cを設けたものである。なお、ここでは、円筒形のダクト11の形状に合わせて、円形のオリフィス状の板21a、22aに円形の開口部21b、22bを設けたものを用いているが、ダクト11の形状に応じて、オリフィス状の板21a、22a、開口部21b、22bの形状も変更しても良い。例えば、角筒形のダクト11であれば、矩形のオリフィス状の板21a、22aに矩形の開口部21b、22bを設けても良い。
【0022】
図9で説明したように、単なるオリフィスでは圧力損失が大きくなる。また、混合も十分ではない。しかしながら、上記切り込み21c、22cを設けることにより、開口率を上げて、圧力損失の増加を抑えることができる。加えて、切り込み21c、22cを設けることにより、縦渦の発生を誘発し、これにより、混合を促進して、ダクト11内の温度むらを低減することができる。また、切り込み21c、22cを周方向に一定間隔で均等に形成することにより、ダクト11の周方向において、均等に混合を促進して、ダクト11内の温度むらを均等に低減することができる。
【0023】
切り込み21c、22cの寸法は、
図3に示すグラフに基づいて、以下のパラメータの数値を満足するように設定する。
(1)開口率が60%〜65%
(2)D2/D1が0.55〜0.75
なお、上記開口率は、ダクト11の内部の断面積(又は、混合促進部材21、22の全面積)に対する切り込み21c、22cを含む全開口部分の面積の比率である。また、D1は混合促進部材21、22の外径(オリフィス状の板21a、22aの直径)であり、D2は混合促進部材21、22の内径(開口部21b、22bの直径)である。
【0024】
ここで、
図3に示すグラフは、後述する解析モデルを解析ツールで解析したものであり、混合促進部材21の開口率及びD2/D1の条件を変更して求めた圧力損失と温度の標準偏差を、後述する基準値に対する比率(%)で示したものである。
【0025】
解析モデルとしては、
図4に示すモデルMを用いている。このモデルMは、後述の
図5及び
図6に示すダクト11、12を模したものである。このモデルMにおいては、流入境界(流量入口)P1が
図5及び
図6におけるプリクーラ33の出口に該当し、壁面境界P2が
図5及び
図6における防氷装置34の入口に該当し、流出境界(流量出口)P3が
図5及び
図6における空気調和装置35の入口に該当し、温度取得位置P4が
図5及び
図6における温度センサ37の設置位置に該当している。なお、このモデルMにおいては、
図5及び
図6に示すダクト13を省いた構成としている。
【0026】
モデルMでは、流入境界P1において、所定の流量、圧力、温度分布を有する空気を流入させている。所定の温度分布としては、平均温度をT℃とすると、ダクト11の径方向の一端から他端に向かって、1.75×T℃から0.25×T℃まで変化する温度分布となっている。混合促進部材21は、流入境界P1の直後に配置されており、流入境界P1及び流出境界P3の圧力を取得することにより、圧力損失を取得しており、また、混合促進部材21から所定距離下流の温度取得位置P4で温度分布を取得することにより、温度の標準偏差を取得している。このように、ここでは、流入境界P1から流出境界P3への流れ(順方向流れ)を評価している。
【0027】
また、混合促進部材21の開口率の条件としては、50%未満、50%以上60%未満、60%以上65%以下、65%超過の4条件とし、混合促進部材21のD2/D1の条件としては、0.55未満、0.55以上0.65未満、0.65以上0.75以下、0.75超過の4条件とした。なお、比較のため、切り込みの無いオリフィスでのデータも併記し、その近似曲線を点線で示している。
【0028】
圧力損失の基準値としては、圧力損失設計目標値を基準値とした。また、温度の標準偏差の基準値としては、圧力損失設計目標値のときの切り込みの無いオリフィスの近似曲線における温度の標準偏差を基準値とした。つまり、グラフ中の圧力損失の100%の位置は、圧力損失設計目標値=圧力損失の基準値であり、グラフ中の温度の標準偏差の100%の位置は、圧力損失設計目標値のときの切り込みの無いオリフィスの近似曲線における温度の標準偏差=温度の標準偏差の基準値である。
【0029】
以上のような解析モデル及び条件を用いて、解析ツールで取得したデータが
図3に示すグラフとなる。取得した
図3のグラフから、圧力損失の100%未満、温度の標準偏差の100%未満となる条件、つまり、上記基準値より圧力損失が小さく、上記基準値より温度の標準偏差が小さい条件を求めると、上記(1)及び(2)の条件を満たすことが必要であることがわかる。
【0030】
従って、混合促進部材21、22の切り込み21c、22cは、上記(1)及び(2)の条件を満たすように形成すれば良い。なお、切り込み21c、22cの形状は、上述した条件を満たせば、台形状や長方形状に限らず、他の形状でも良い。また、切り込み21c、22cの切り込み深さや角度は、圧力損失や温度の標準偏差の目標値に応じて変更すれば良い。また、周方向における切り込み21c、22cの間隔を変更しても良い。混合促進部材21、22の厚さは、空気の流れに対して形状を維持できる強度を得られれば良く、ダクト11の内径、空気流量・流速、混合促進部材21、22の材質などに応じて適宜設定される。例えば、厚さ2〜3mmのAl合金製の混合促進部材21、22が例示される。
【0031】
上述した構成の混合促進部材21、22により、空気の混合を促進して、ダクト11内の温度分布むらを改善することができる。
【0032】
また、上述した構成の混合促進部材21、22では、ダクト11内の流れの向きが変わっても、圧力損失の差が生じにくく、順方向、逆方向の双方の流れに対して圧力損失の増加を抑えることができるため、
図8に示したベーン52(整流板)とは異なり、流れが一方向に固定されず、逆方向への流れが発生するダクトに対しても使用可能である。
【0033】
また、上述した構成の混合促進部材21、22は、ダクト11を組み上げた後でも、追加設置が容易に実施でき、また、スペースのない場所にも実装可能である。
【0034】
このように、簡易な構成の混合促進部材21、22を追加することにより、ダクト11内の温度分布むらを緩和し、且つ、圧力損失の増加を順方向及び逆方向双方の流れに対して抑制することができ、温度分布むらの改善と圧力損失増加の抑制を両立することができる。
【0035】
次に、上述した混合促進部材21の具体的な適用例を
図5及び
図6を参照して説明する。ここで、
図5は、
図1に示した混合促進部材21を適用する空調システムの通常時における系統概略図であり、
図6は、
図5に示した空調システムのエンジン始動時における系統概略図である。
【0036】
図5及び
図6に示す空調システムは、飛行機に使用される空調システムであり、エンジン(ジェットエンジン)31の圧縮機(図示省略)から供給された高温の空気を、エンジン31のファン(図示省略)からの冷たい外気で冷却して、防氷装置34や空調調和装置35へ供給する構成となっている。
【0037】
具体的には、エンジン31の圧縮機にはダクト11(第1のダクト)が接続されて、ダクト11には高温の空気(第1の空気)が供給されている。また、ダクト32(第2のダクト)がエンジン31のファンに接続されて、ダクト32には冷たい外気(第2の空気)が供給されている。ダクト11の上流側には、プリクーラ33(冷却手段)が設けられており、プリクーラ33は、ダクト32から供給された冷たい外気との熱交換により、ダクト11を流れる高温の空気を冷却している。この冷却の際、上述したような温度幅の温度分布を持つ空気となってしまい、そのままでは、防氷装置34や空調調和装置35で防氷や空調を適切に行うことが難しい。
【0038】
そこで、プリクーラ33より下流のダクト11の内部に、上述した構成の混合促進部材21を配置している。この混合促進部材21により、ダクト11内の空気の温度分布むらを改善して、防氷装置34や空調調和装置35に供給することができる。
【0039】
ダクト11には、プリクーラ33での温度制御のために温度をフィードバックする温度センサ37が設けられている。従来は、ダクト11内の空気の温度分布むらの影響により、温度センサ37が平均より高い又は低い空気の温度を検出し、そのため、プリクーラ33が防氷装置34や空調調和装置35に供給する空気の温度を所望の温度に制御できていない可能性もあった。しかしながら、本実施例では、上述したように、混合促進部材21により、ダクト11内の空気の温度分布むらが改善されているので、温度センサ37が平均又は平均に近い空気の温度を検出することになり、その結果、プリクーラ33が防氷装置34や空調調和装置35に供給する空気の温度を、より正確に制御できるようになる。
【0040】
そして、ダクト12は、ダクト11から分岐して、防氷装置34と接続しており、防氷装置34には、ダクト12を介して、温度分布むらが改善され、かつ、所望の温度に制御された空気が供給されることになる。これにより、防氷装置34は防氷を適切に行うことができる。
【0041】
また、ダクト11は、空調調和装置35と接続しており、空調調和装置35には、ダクト11から、温度分布むらが改善され、かつ、所望の温度に制御された空気が供給されることになる。これにより、空調調和装置35は空調を適切に行うことができる。
【0042】
また、混合促進部材21より下流のダクト11には、外部空気源36から圧縮空気(第3の空気)を供給するダクト13が、ダクト11から分岐して設けられている。この外部空気源36は、エンジン31の始動時に、ダクト11、13を介して、圧縮空気をエンジン31の圧縮機へ供給している。この際には、
図6に示すように、ダクト11に
図5とは逆方向に圧縮空気が流れることになる。このとき、ダクト11に設けた混合促進部材21は、順方向、逆方向の双方の流れに対して圧力損失の増加を抑えることができるため、外部空気源36から供給された圧縮空気の圧力損失の増加を抑えて、エンジン31の圧縮機に供給することができる。
【0043】
このように、ダクト11は、エンジン31の圧縮機からの空気の順方向の供給と外部空気源36からの圧縮空気の逆方向の供給とに共用されている。これにより、エンジン31の始動用の専用ダクトを不要として、省スペースを図ることができる。
【0044】
[実施例2]
図7は、本実施例の混合促進部材を示す図であって、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図である。
【0045】
本実施例の混合促進部材は、
図1や
図2に示したような混合促進部材21や混合促進部材22を複数枚組み合わせて構成したものである。
図7では、一例として、
図1に示した混合促進部材21を2枚組み合わせた構成を例示している。このように、同じ混合促進部材を組み合わせて構成しても良いし、異なる混合促進部材を組み合わせて構成しても良い。また、混合促進部材21は、間隔を置いて配置されることが望ましい。具体的には、空気の流れに対して上流側に置かれた混合促進部材21により気流に生じた渦が、充分成長した後に、空気の流れに対して下流側に置かれた混合促進部材21に到達することが望ましい。間隔は、ダクト11の内径、空気流量・流速、ダクト11の形状などに応じて適宜設定される。
【0046】
同じ混合促進部材21を組み合わせて構成する場合には、混合促進部材21の切り込み21cの位相(周方向の位置)を、ずらして配置しても良いし、また、位相を合わせて配置しても良い。また、一方の混合促進部材21を回転可能な構成にして、位相を変更可能にしても良い。
図7では、一例として、図中左側の混合促進部材21に対して、図中右側の混合促進部材21の位相をずらして配置しており、参照のため、図中左側の混合促進部材21において、所定の周方向位置を示す補助線L
11及びL
12を示すと共に、図中右側の混合促進部材21において、所定の周方向位置を示す補助線L
21及びL
22を示している。
【0047】
このようにして、複数枚の混合促進部材を組み合わせることにより、温度勾配が大きい流れや複雑な流れに対応することができ、空気の混合の促進を更に図ることができる。また、複数枚の混合促進部材を組み合わせることにより、ダクト11の温度条件や偏流状況にきめ細かく対応することもできる。特に、熱交換の直後の流れにおいて、予め温度分布が把握できている場合に有効となる。