(57)【要約】【課題】２つの熱交換器の一方の気体流路を他方の気体流路と接続する場合、２つの熱交換器の間の距離が大きい場合でも、熱交換効率が低下しないようにする。【解決手段】高温気体を導入するための高温流路と、低温気体を導入するための低温流路とが、交互に積層され、前記高温流路と前記低温流路とが交差することによって熱交換を行う第一熱交換部と、高温気体を導入するための高温流路と、低温気体を導入するための低温流路とが、交互に積層され、前記高温流路と前記低温流路とが交差することによって熱交換を行う第二熱交換部と、前記第一熱交換部の前記低温流路の入口に導入する低温気体を、前記第二熱交換部の低温流路出口から排出されるための連通路を備え、前記連通路に、前記低温流路と平行かつ前記高温流路と交差する方向にガイド部を設けることにより、２つの熱交換部が離れている場合でも、温度勾配を保ったまま第二熱交換器の低温側入口面へ導き、熱交換効率の低下を抑制する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温気体を導入するための低温流路と、高温気体を導入するための高温流路とが、交互に積層され、前記低温気体の流れる方向と前記高温気体の流れる方向とが交差することによって熱交換を行う第一熱交換部と、低温気体を導入するための低温流路と、高温気体を導入するための高温流路とが、交互に積層され、前記低温流路と前記高温流路とが交差することによって熱交換を行う第二熱交換部とを備え、前記第一熱交換部の第一流路の入口に導入される第一流体を、前記第二熱交換部の前記低温流路の出口から排出するための連通路を備え、前記連通路内に、前記第一流路と平行かつ前記第二流路と交差する方向に延伸する平板状のガイド部を備えることを特徴とする熱交換システム。
【請求項２】
前記ガイド部と、前記第一熱交換部または前記第二熱交換部の少なくとも一方との間に、隙間を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱交換システムを備え、前記第一熱交換部の前記高温流路から排出された高温流体を圧縮手段に導き、前記圧縮手段によって圧縮された高温流体を前記第二熱交換部の前記高温流路に導き、前記第二熱交換部の高温流路から排出された抽気から水分を分離する水分離手段と、前記水分離手段により水分を分離された高温気体を膨張させる膨張手段とを備えることを特徴とする航空機用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換システムに関し、特に高温の気体と低温の気体との間で熱交換を行う航空機用熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より用いられている空調システムの構成の一例として、低温気体流路内を流通する気体と高温気体流路内を流通する気体との間で熱交換を行わせる構成を有するものが広く知られている。このような空調システムでは、例えば、航空機用に用いられ、エンジンからの抽気の供給を、第一熱交換器により機体外から導入されるラム空気との熱交換により冷却した後に、圧縮手段により圧縮し、第二熱交換器でラム空気との熱交換により再度冷却し、更に再生熱交換器における熱交換器により冷却した後に、コンデンサによって冷却する。そして、再生熱交換器及びコンデンサにおける熱交換における冷却により、抽気に含まれる水分を凝縮し、その凝縮された水分を水分離器によって分離して取り除く。水分離器を通過した気体流は、再生熱交換器における水分離前の気体流の冷却を行った後、膨張タービンに導入され、さらに冷却される。膨張タービンによって冷却された空気は、その後、コンデンサにおける冷却空気として用いられる。特許文献１では、第一熱交換器と第二熱交換器の低温気体流路を連通させることにより、機体外から導入するラム空気の量を低減し、機体への抵抗を小さくすることを可能としている。
【０００３】
図７（ａ）に、従来の２つの熱交換器を接続するシステムの構造と、空気の流れの模式図を、図７（ｂ）に、第一熱交換器１０３に導かれる直前の空気の高温気体流路１１４に沿った温度勾配をそれぞれ示す。横軸は第一熱交換器１０３の低温側入口面における高温側入口面からの距離を、縦軸は温度をそれぞれ示す。図７（ａ）では、第一熱交換器１０３と、第二熱交換器１０５とは、低温流路が連通されており、機外から取り入れられるラム空気１１１を、第二熱交換器１０５の低温流路１１３から第一熱交換器に向かって流している。第一熱交換器１０３の高温流路１１４にエンジンからの抽気１１２ａを導入し、低温流路１１３に第二熱交換器１０５の低温流路から排出されたラム空気１１１を導入して、熱交換を行う。その後、第一熱交換器１０３の高温流路から排出された抽気１１２ｂは、コンプレッサーによって圧縮された後、第二熱交換器１０５の高温流路１１４へと導かれ、ラム空気１１１と熱交換される。ここで、第一熱交換器１０３と第二熱交換器１０５との距離が短い場合には、配管１１０を通過する気体流は、図７（ｂ）のＢのような温度勾配を有したまま、第一熱交換器１０３に導かれる。
【０００４】
しかしながら、第一熱交換器１０３と第二熱交換器１０５との距離が大きくなると、高高度飛行時など、ラム空気１１１の流量が少ない場合に、配管１１０内で高温流路１１４の上流側のより温度の高い空気と高温流路１１４の下流側のより温度の低い空気とが混ざり合い、図７（ｂ）のＡのように高温流路１１４の上流側と下流側との温度勾配が小さくなる。そして、高温流路１１４の上流側と下流側とで温度勾配が小さくなると、第一熱交換器の低温流路入口面１１９において、高温流路下流側の気体流が低温とならず、第一熱交換器の高温流路の下流側における温度を十分に下げることができないため、熱交換効率が低下する。このため、第一熱交換器と第二熱交換器との距離は、できるだけ近接している方が望ましい。
【０００５】
その一方で、特許文献２のように、第一熱交換器のコア部と第二熱交換器のコア部との間に配管１１０を設けることなく、第一熱交換器のコア部と第二熱交換器のコア部とを連結して、熱交換器を一体に形成すると、上流側のコア部と、下流側のコア部とで、高温流路に導入される高温気体流の温度が異なる場合には、熱交換器自体に熱歪みが生じ、熱交換器に亀裂が発生するなどの不具合を招くことがある。
【０００６】
このため、第一熱交換器と第二熱交換器とは、熱歪みを発生しない程度に離間しており、第一熱交換器の低温流路出口と、第二熱交換器の低温流路入口とが、配管によって接続する構成とする場合が多い。特に、配管形状や設置スペースといったレイアウトの都合上、第一熱交換器と第二熱交換器との距離を大きくする必要がある場合には、熱交換効率が低下してしまうという問題があった。しかしながら、熱交換効率を補うために、熱交換器自体を大型化すると、重量が増加する上に、本来航空機の駆動源として用いるべきエンジン抽気の空調システムに導入する割合を増やさねばならず、燃料消費の面で不利となる。あるいは、熱交換率の低下を補うために、機体外から導入するラム空気の量を増やした場合は、機体の推進力に対する抵抗を増加させ、燃料消費の増加を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３２１６９７号公報
【特許文献２】特開２００６−１３８５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明では、配管の形状や設置スペースといったレイアウトの都合などにより、第一熱交換器と第二熱交換器との間の距離が大きい場合において、熱交換器に導入されるラム空気の流量が少ない時でも、熱交換効率が低下しないようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記のような問題を解決するために、本発明では、低温気体を導入するための低温流路と、高温気体を導入するための高温流路とが、交互に積層され、前記低温気体の流れる方向と前記高温気体の流れる方向とが交差することによって熱交換を行う第一熱交換部と、低温気体を導入するための低温流路と、高温気体を導入するための高温流路とが、交互に積層され、前記低温流路と前記高温流路とが交差することによって熱交換を行う第二熱交換部とを備え、前記第一熱交換部の第一流路の入口に導入する第一流体を、前記第二熱交換部の前記低温流路の出口から排出されるための連通路を備える熱交換システムにおいて、前記連通路内に、前記第一流路と平行かつ前記第二流路と交差する方向に延伸する平板状のガイド部を備える。
【００１０】
前記ガイド部と、第一熱交換部または第二熱交換部の少なくとも一方との間に、隙間を有していることが望ましい。
【００１１】
あるいは、航空機用空調システムにおいて、前記第一熱交換部の前記第二流路から排出された高温気体を圧縮手段に導き、前記圧縮手段によって圧縮された高温気体を前記第二熱交換部の前記第二流路に導き、前記第二熱交換部の第二流路から排出された高温気体から水分を分離する水分離手段と、前記水分離手段により水分を分離された抽気を膨張させる膨張手段とを備える構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第一熱交換器と第二熱交換器との間の距離が大きい場合でも、高温流路上流側の温度の高い空気と、下流側の温度の低い空気とが混ざり合うことなく、温度勾配を保ったまま、真直ぐに第一熱交換器の低温側入口面に導くことができるため、熱交換効率の低下が最小限に抑えられる。このため、熱交換器のサイズを大型化する必要がなく、コスト及び重量の面で有利となる。
【００１３】
そして、前記ガイド部と、２つの熱交換部のうちの少なくとも一方との間に、隙間を設ければ、２つの熱交換部の温度の違いによって発生するガイド部の熱歪みによる変形を防止することができる。
【００１４】
さらに、前記熱交換システムを航空機空調システムに用いることにより機外から導入するラム空気の量を低減でき、機体の受ける抵抗を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る熱交換システムを用いた航空機用空調システムの構造を示した説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱交換システムの構造及び空気の流れを模式的に示した説明図である。
【図３】熱交換器の概略構成の一例を示す斜視図である。
【図４】図３に示す熱交換器の断面図であり、本考案の実施例１に係る熱交換システムの構造を模式的に示した説明図である。
【図５】図３及び図４に示すコアの斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に係る熱交換システムの構造及び空気の流れを模式的に示した説明図である。
【図７】（ａ）従来の熱交換器の構造及び空気の流れの模式図と、（ｂ）第二熱交換部に導入される気体流の温度勾配を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に示す高圧除湿方式の航空機用空調システム１は、空気冷凍サイクルにより低温空気
を得るもので、第一熱交換器３と第二熱交換器５の低温流路を連通させ、第二熱交換器５の低温流路側から機体外から導入されるラム空気１１を流し、第一熱交換器３の低温流路側へと導く。そして、エンジン２の抽気を、第一熱交換器３により第二熱交換器の低温流路から排出されたラム空気１１との熱交換により冷却した後に、遠心型コンプレッサー４により圧縮し、第二熱交換器５でラム空気との熱交換により再度冷却し、さらに再生熱交換器６における熱交換により冷却した後に、コンデンサ（熱交換部）７において冷却する。再生熱交換器６およびコンデンサ７における冷却により、抽気中の水分を凝縮させる。その凝縮させた水分を、水分離器８において遠心力を利用して分離して取り去っている。そして、水分を分離された抽気を、再生熱交換器６における水分分離前の抽気の冷却に用いた後、膨張タービン９に導入し、その膨張タービン９において膨張させることで低温空気とする。この低温空気をコンデンサ７における抽気の冷却に用いた後に調和空気として航空機のキャビン等の室内に供給している。なお、コンプレッサー４は、膨張タービン９から取り出される動力により駆動される。コンデンサ７においては、そのコンプレッサー４と膨張タービン９との間の抽気流路を流れる抽気と、その膨張タービン９の出口に接続される低温気体流路を流れる低温気体との間で熱交換を行わせることでエンジン抽気を冷却する。
【００１７】
次に、熱交換器の構成及び動作について説明する。図３は、熱交換器の概略構成の一例を示す斜視図であり、図４は、図３に示す熱交換器の断面図である。また、図５は、図３及び図４に示すコアの斜視図である。熱交換器は、金属製のコア１６と、金属製の枠部２５と、金属製の高温側入口連結管２１と、金属製の高温側出口連結管２２と、金属製の低温側入口連結管２３と、金属製の低温側出口連結管２４とを備える。
【００１８】
枠部２５は、四角筒形状であり、高温側出口面１８の周縁部と高温側出口連結管２１と気密に接続するように形成されている。つまり、高温流路１４を流通する気体の進行方向に伸びるように形成されている。これにより、高温側入口連結管２１を流通する気体が、コア１６の高温側入口面１７の複数の高温流路１４で分岐して、その後、高温側出口面１８の複数の高温流路１４から再び集まった気体が、枠部２５を介して高温側出口連結管２２を流通するようになっている。このような枠部２５に用いられる金属としては、コア１６と同一材料が挙げられ、例えば、ステンレス（耐食鋼）や、アルミニウム等が挙げられる。
【００１９】
コア１６は、図５に示すように、直方体形状であり、右側面が高温側入口面１７、左側面が高温側出口面１８、前側面が低温側入口面１９、後側面が低温側出口面２０となり、周囲を枠部２５で囲まれている。そして、コア１６は、内部に高温側入口面１７と高温側出口面１８とを左右方向に連通する複数の筒形状の高温流路１４を有するとともに、低温側入口面１９と低温側出口面２０とを前後方向に連通する複数の筒形状の低温流路１３を有する。複数の高温流路１４と複数の低温流路１３とは、効率よく熱交換が行われるように、上下方向で互いに交互に積層され、高温流路１４を流れる高温流体の流れ方向と低温流路１３を流れる低温流体の流れ方向とは、直角をなして交差している。
なお、高温流路１４の流れ方向と低温流路１３の流れ方向とは、本実施例では直角をなして交差することとしたが、直角ではなく、傾斜をなして交差していても良い。
【００２０】
そして、本発明の熱交換システムについての模式図を図２に示す。なお、図２では、簡素化のため、熱交換器の構成として、コアのみを図示し、連結管及び枠部の図示を省いている。第一熱交換器３の低温流路１３の出口と、第二熱交換器５の低温流路１３とは、配管１０によって接続されている。第二熱交換器５側から機外からのラム空気１１を導入し、第二熱交換器５の低温流路１３から排出された低温気体は、配管１０に設けられた複数の平板からなるガイド部１５を通って第一交換器３の低温流路１３へと導かれる。このように、第一熱交換器３の低温流路１３と、第二熱交換器５の低温流路１３とを連結することにより、機外から取り入れるラム空気の流量を低減することができ、機体に対する空気抵抗を低減することができる。
【００２１】
そして、第一熱交換器３の高温流路１４に、エンジン２からの抽気１２を導き、第一熱交換器３の低温流路１３に導入した第二熱交換器５の低温流路１３から排出されたラム空気１１との間で熱交換を行った後、高温流路から排出された抽気を、コンプレッサー４で圧縮し、第二熱交換器５の高温流路１４へと導き、ラム空気と熱交換を行う。このとき、第二熱交換器５の低温側出口面２０では、高温流路１４の上流側ほど温度が高く、下流側ほど温度が低い状態となり、高温流路の上流側から下流側にかけて温度勾配を有する。
【００２２】
ガイド部１５は、低温流路１３と平行かつ高温流路１４と交差する面方向に広がる平板形状となっており、配管１０の壁面に溶接される。ガイド部１５を設けたことにより、配管１０内で高温流路１４の下流側のより温度の低い気体と、高温流路１４の上流側のより温度の高い気体とが混ざることなく、第二熱交換器５の低温流路１３から排出された気体を、その温度勾配を保ったまま、真直ぐに第一熱交換器３の低温側入口面１９に導くことができる。このため、第一熱交換器３の低温側入口面１９において、高温流路１４の下流側の温度を十分に下げることができ、熱交換効率の低下を食い止めることができる。
【００２３】
平板の枚数は、多い方が熱交換効率の向上には効果的であるが、多すぎると重量や圧力損失の増加を招くため、流路高さに合わせ５〜２０ｍｍ間隔で設けるのがよい。また、ガイド部１５は、空気抵抗を減らすため、滑らかで凹凸のない薄い平面形状とするのが良い。具体的には、ガイド部の厚みは０．５ｍｍ以下とするのが望ましい。また、熱歪みに耐えうる剛性を備える必要がある。ガイド部１５の材質としては、例えば、アルミニウムや、ステンレスといった金属が挙げられる。
【００２４】
また、上述の熱交換システムでは、図３に示す２つの熱交換器を配管１０によって接続し、配管１０にガイド部１５を設ける構成としたが、１つの熱交換器中に２つのコア１６を有し、２つのコアの間にガイド部１５を枠部２５に溶接して設ける構成としても良い。この場合、図６のように、ガイド部１５を、一方のコア１６と一体に形成してもよい。
【００２５】
ガイド部１５とコア１６とが接続されている場合、２つのコア１６の温度ムラによってガイド部に熱歪みが生じるおそれがある。こうした熱歪みに耐えうるよう、２つの熱交換器のうち少なくとも一方のコア１６とガイド部１５との間に隙間を設けてもよい。ただし、隙間が大きすぎると、気体流の漏れが大きくなって熱交換効率が低下するため、５ｍｍ以内とすることが望ましい。
また、本構造は、リヒータ６とコンデンサ７でも適用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１      航空機用空調システム                ２      エンジン
３      第一熱交換器                        ４      コンプレッサー
５      第二熱交換器                        ６      再生熱交換器
７      コンデンサ                          ８      水分離器
９      膨張タービン                        １０    配管
１１    ラム空気                            １２    抽気
１３    低温流路                            １４    高温流路
１５    ガイド部                            １６    コア
１７    高温側入口面                        １８    高温側出口面
１９    低温側入口面                        ２０    低温側出口面
２１    高温側入口連結管                    ２２    高温側出口連結管
２３    低温側入口連結管                    ２４    低温側出口連結管
２５    枠部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014231955.tif 000008
【図７】
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