(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
後端から先端に向けた長手方向に加熱気体が流れる流路と、前記流路と外部を連通し、前記長手方向に沿って設けられる複数の噴出孔と、を有し、内径及び外径が異なる複数の配管が、それぞれの中心軸を偏心させて、前記長手方向に接続されているピッコロチューブと、
前記ピッコロチューブに向けて加熱気体を供給する供給源と、を備え、
前記ピッコロチューブは、
前記流路の面積が、前記長手方向に段階的に小さくなり、前記噴出孔が設けられる側が連続的に連なり、かつ、
前記噴出孔から前記加熱気体の噴出対象面までの距離が、前記ピッコロチューブの前記長手方向にわたって一定となるように配設されている、ことを特徴とする防氷装置。
【請求項２】
後端から先端に向けた長手方向に加熱気体が流れる流路と、前記流路と外部を連通し、前記長手方向に沿って設けられる複数の噴出孔と、を有し、内径が異なるが、外径が同じ複数の配管が、それぞれの中心軸を合せて、前記長手方向に接続されているピッコロチューブと、
前記ピッコロチューブに向けて加熱気体を供給する供給源と、を備え、
前記ピッコロチューブは、
前記流路の面積が、前記長手方向に段階的に小さくなり、前記噴出孔が設けられる側が連続的に連なり、かつ、
前記噴出孔から前記加熱気体の噴出対象面までの距離が、前記ピッコロチューブの前記長手方向にわたって一定となるように配設されている、ことを特徴とする防氷装置。
【請求項３】
後端から先端に向けた長手方向に加熱気体が流れる流路と、前記流路と外部を連通し、前記長手方向に沿って設けられる複数の噴出孔と、を有し、内径及び外径が後端から先端に向けて一定であるが、流路にスペーサが挿入されることで、流路の径が先細りするピッコロチューブと、
前記ピッコロチューブに向けて加熱気体を供給する供給源と、を備え、
前記ピッコロチューブは、
前記流路の面積が、前記長手方向に連続的に小さくなり、かつ、
前記噴出孔から前記加熱気体の噴出対象面までの距離が、前記ピッコロチューブの長手方向にわたって一定となるように配設されている、ことを特徴とする防氷装置。
【請求項４】
前記噴出孔の直径をｄ０、前記噴出孔から前記加熱気体の前記噴出対象面までの距離をＨとすると、
Ｈ／ｄ０が７〜１２を満たす、
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の防氷装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載された防氷装置を備えることを特徴とする、航空機。
【請求項６】
前記防氷装置を備えるのが主翼であることを特徴とする、請求項５に記載の航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機の前縁の着氷を防止する防氷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機が飛行する際には、主翼及び尾翼、エアインテーク等の航空機の進行方向の前縁の外面には空気中に存在する過冷却液滴の衝突による着氷が生じる。この着氷現象は、航空機の飛行に様々な影響を及ぼす。そのため、特に影響が懸念される箇所には、種々の加熱手段により着氷を防止する防氷装置が装備されている。
【０００３】
その一つとして、タービン・エンジンを装備する航空機では、エンジン圧縮機からの高温・高圧の抽出空気であるブリードエアが加熱源として広く用いられている。この種の防氷装置では、ブリードエアを配管で導き、前縁の内面に吹き付けることで加熱が行われている。この配管として、長手方向にブリードエアを噴出する多数の噴出孔が設けられたピッコロチューブと称される部材が用いられている。このピッコロチューブは、例えば、主翼に設けられる場合には、前縁の近傍に、胴体との接続端の側から先端に向けて翼長方向に沿って配置されている。
【０００４】
ピッコロチューブの噴出孔から前縁の内面へ吹き付けるブリードエアの流速を長手方向で均一にすることで、翼長方向にわたって所望する防氷能力を保持することができる。前縁の内面へブリードエアを吹き付ける流速を長手方向で均一にさせるためには、ピッコロチューブのブリードエアが流れる流路におけるブリードエアの圧力、つまり全圧を長手方向で一定に保つことが望まれる。
そこで、例えば特許文献１に示されるように、接続端から先端に向けて、ピッコロチューブの内径、つまりブリードエアが流れる流路の径、つまり流路の面積を段階的に、例えば三段階に小さくして、先細りの形状としている。これにより、ブリードエアが流路を先端に向けて移動するに従いその流速が増加し、全圧がほぼ一定に保たれるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３４９９３号公報（図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図６に示すように、従来の先細りのピッコロチューブ１０１は、流路１０５の径がｄ１０２，ｄ１０３，ｄ１０４と異なる例えば三つの配管１０２，１０３，１０４を用意し、それぞれの配管の中心軸Ｃ１０２，Ｃ１０３,Ｃ１０４を同軸上にして接続しているので、ブリードエアの吹き付け対象面である主翼３の前縁５の内面６までの距離が、長手方向にかけて段階的に異なり、一定にならない。具体的には、ピッコロチューブの接続端よりも先端における噴出孔から前縁の内面までの距離が長くなる。なお、Ｄ１０２，Ｄ１０３．Ｄ１０４は配管１０２，１０３，１０４の外径を示している。
ここで、ピッコロチューブの噴出孔から吹き付け対象面までの距離は、熱伝達率に影響を及ぼすため、接続端から先端にわたって、一定値であることが望ましい。
しかしながら、従来の段階的な先細り形状のピッコロチューブでは、その噴出孔から吹き付け対象面までの距離が一定ではないので、接続端から先端にわたって理想的な熱伝達率を得ることができず、防氷性能にムラが生じ得る。
【０００７】
以上より、本発明は、ピッコロチューブの流路におけるブリードエアの圧力をその長手方向に均等に保つことが可能であるとともに、ピッコロチューブのブリードエアの噴出孔から吹き付け対象面までの距離その長手方向で均等にできる防氷装置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】
本発明の防氷装置は、後端から先端に向けた長手方向に加熱気体が流れる流路と、流路と外部を連通し、長手方向に沿って設けられ複数の噴出孔と、を有するピッコロチューブと、ピッコロチューブに向けて加熱気体を供給する供給源と、を備える。
本願発明のピッコロチューブは、流路が、長手方向に段階的に又は連続的に、流路の開口面積が小さくなり、かつ、噴出孔が設けられる側が連続的に連なる、ことを特徴とする。
本発明の防氷装置において、噴出孔の直径をｄ０、噴出孔から加熱気体の噴出対象面までの距離をＨとすると、Ｈ／ｄ０が７〜１２を満たすことが好ましい。
本発明の防氷装置は、航空機に用いることができ、特に航空機の主翼に適用することが好ましい。
【０００９】
本発明の防氷装置において、ピッコロチューブは、内径及び外径が異なる複数の配管を、それぞれの中心軸を偏心させて、長手方向に接続する形態にできる。
この形態によるピッコロチューブは、複数の配管を接続して作製されるが、噴出孔が設けられる側を直線状に揃えて接続すればよいので、位置決めが容易である。また、その外径に適合した肉厚の配管を用いればよいので、重量の増大を招くことがない。
【００１０】
本発明の防氷装置において、ピッコロチューブは、内径が異なるが、外径が同じ複数の配管を、それぞれの中心軸を合せて、長手方向に接続する形態にできる。
この形態によるピッコロチューブは、外径が同じ配管を用いるので、相互の位置合わせが極めて容易であるため、製造性に優れる。
【００１１】
本発明の防氷装置において、ピッコロチューブは、内径及び外径が後端から先端に向けて連続的に減少する形態にできる。
この形態によるピッコロチューブは、防氷対象との距離に応じた熱伝達率を得ることができるので、防氷性能が優れる。
【００１２】
本発明の防氷装置において、ピッコロチューブは、内径及び外径が後端から先端に向けて一定であるが、スペーサが挿入されることで、流路の径が先細りの形態にもできる。この形態における先細りは、段階的及び連続的の両者を含むことができる。
この形態によるピッコロチューブも、防氷対象との距離に応じた熱伝達率を得ることができるので、防氷性能が優れる。
【００１３】
本発明の防氷装置において、噴出孔は、長手方向に沿って、一列又は複数列に設けることができる。
噴出孔を複数列に設ける場合には、千鳥配列にすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の防氷装置によれば、ピッコロチューブの流路におけるブリードエアの圧力をその長手方向に均等に保つことが可能であるとともに、ピッコロチューブのブリードエアの噴出孔から吹き付け対象面までの距離をその長手方向で均等にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る防氷装置の概略構成を示し、（ａ）は航空機の主翼を含む平面図、（ｂ）は主翼の横断面図である。
【図２】図１のピッコロチューブを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のIIｂ−IIｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のIIｃ−IIｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のIIｄ−IIｄ矢視断面図、（ｅ）は（ａ）のIIｅ−IIｅ矢視断面図である。
【図３】図１のピッコロチューブの変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のIIIｂ−IIIｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のIIIｃ−IIIｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のIIIｄ−IIIｄ矢視断面図である。
【図４】図１のピッコロチューブの他の変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のIVｂ−IVｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のIVｃ−IVｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のIVｄ−IVｄ矢視断面図である。
【図５】図１のピッコロチューブの他の変形例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＶｂ−Ｖｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＶｃ−Ｖｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のＶｄ−Ｖｄ矢視断面図、（ｅ）は（ａ）のＶｅ−Ｖｅ矢視断面図である。
【図６】従来のピッコロチューブを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のVIIｂ−VIIｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のVIIｃ−VIIｃ矢視断面図、（ｄ）は（ａ）のVIIｄ−VIIｄ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る防氷装置の実施形態について説明する。
本実施形態の防氷装置１０は、図１に示すように、航空機１の主翼３の内部に設けられることで、主翼３の前縁５の外面７への着氷を防止するためのものである。
主翼３は、その外殻が例えばアルミニウム合金、ＣＦＲＰ（Carbon  Fiber  Reinforced  Plastics）やＧＦＲＰ（Glass  Fiber  Reinforced  Plastics）などの繊維強化樹脂からなる翼パネル４によって形成されている。翼パネル４は、図１（ｂ）に示すように、曲げ加工により、翼長方向に沿った前縁５の横断面は、湾曲形状をしている。防氷装置１０は、加熱された空気であるブリードエアを前縁５の内面６に向けて噴出することで、外面７への着氷を防止する。
【００１７】
防氷装置１０は、図１（ａ）に示すように、前縁５にブリードエアを噴出させるピッコロチューブ１１と、ブリードエアの供給源であるエンジン１８と、ピッコロチューブ１１とエンジン１８を繋ぎ、ブリードエアをピッコロチューブ１１に導くエア供給管１９と、を備えている。エンジン１８は、航空機１の推力を得るためのものであり、例えば主翼３の下面に取り付けられたジェットエンジンであり、ここで扱われるブリードエアはジェットエンジンの圧縮機から抽出されたものを予冷して、適正な温度を有している。
【００１８】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ピッコロチューブ１１は、前縁５の内面６から所定の距離だけ離れた位置に、主翼３の翼長方向に沿って配設されている。本実施形態のピッコロチューブ１１は、ブリードエアが流れる流路１５が、ブリードエアが流れる向きに沿って段階的に狭くなることに加え、内面６に対向し、ブリードエアが噴出する噴出孔１６が設けられる側が連続的に連なる面を構成することを特徴としている。噴出孔１６は、流路１５とピッコロチューブ１１の外部を連通する。
【００１９】
ピッコロチューブ１１は、図２（ａ）に示すように、エア供給管１９に連なる側である上流側から順に、上流管１２、中流管１３及び下流管１４の三つの部分が配置されたものである。なお、上流、中流及び下流は、これら三つの部分を区別するために用いられる表現であって、三つの部分における相対的な関係を表しているに過ぎない。
【００２０】
上流管１２、中流管１３及び下流管１４は、図２（ｂ）に示すように、いずれも中空円筒状の部材からなり、中空部分がブリードエアの流れる流路１５を構成する。
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、上流管１２、中流管１３及び下流管１４のそれぞれの内径をｄ１２，ｄ１３及びｄ１４、また、それぞれの外径をＤ１２，Ｄ１３及びＤ１４とすると、上流管１２、中流管１３及び下流管１４は以下が成り立つように形成されている。つまり、ピッコロチューブ１１は、上流管１２、中流管１３及び下流管１４のそれぞれにおける流路１５の開口面積Ａ１２、Ａ１３及びＡ１４が、ブリードエアの流れる向きに沿って、段階的に小さくなっている。
ｄ１２ ＞ ｄ１３ ＞ ｄ１４
Ｄ１２ ＞ Ｄ１３ ＞ Ｄ１４
Ａ１２ ＞ Ａ１３ ＞ Ａ１４
【００２１】
ピッコロチューブ１１は、図２（ｂ）に示すように、上流管１２、中流管１３及び下流管１４のそれぞれの中心軸Ｃ１２、Ｃ１３及びＣ１４を偏心させている。ピッコロチューブ１１は、上流管１２、中流管１３及び下流管１４は、それぞれを別体として用意して、溶接、その他の手段により、接続される。
【００２２】
ピッコロチューブ１１は、前縁５の外面７に向けて開口する複数の噴出孔１６が形成されている。図２（ａ）に示すように、噴出孔１６は、ピッコロチューブ１１の長手方向に所定の間隔を隔てて一直線上に並んで形成されている。エア供給管１９からピッコロチューブ１１に流入したブリードエアは、高温かつ高速のジェット噴流として噴出孔１６から前縁５の内面６に向けて噴出される。
【００２３】
ピッコロチューブ１１は、中心軸Ｃ１２、Ｃ１３及びＣ１４を偏心させることにより、噴出孔１６が設けられる外面が連続的な平面からなる。したがって、防氷装置１０は、ピッコロチューブ１１を構成する上流管１２、中流管１３及び下流管１４のそれぞれから翼パネル４の内面６までの距離Ｈ１２、Ｈ１３及びＨ１４を等しくできる。つまり、防氷装置１０は、ピッコロチューブ１１の長手方向にわたって、一定にすることができる。
【００２４】
また、ピッコロチューブ１１は、上流管１２における流路１５の開口径、つまり面積が最も広く、中流管１３、下流管１４の順に小さくなっている。これにより、上流管１２、中流管１３及び下流管１４のそれぞれの流路１５におけるブリードエアの圧力をほぼ一定にすることができる。
【００２５】
以上の通りであり、防氷装置１０によれば、ピッコロチューブ１１の流路１５のブリードエアの圧力を主翼３の長手方向にわたって一定に保つことが可能となり、複数の噴出孔１６からブリードエアが噴出する流速を一定に保つことができる。これにより、主翼３の翼長方向にわたって所望する防氷能力を保持することができる。
【００２６】
また、防氷装置１０によれば、複数の噴出孔１６が設けられる側が連続的に連なっており、ピッコロチューブ１１の複数の噴出孔１６から前縁５の内面までの距離を主翼３の翼長方向にわたって一定に保つことができるので、翼長方向のいずれの位置においても、衝突噴流の最大熱伝達率を得ることができる。これにより、主翼３の翼長方向にわたって防氷性能が向上し、航空機１の安定した飛行に寄与できる。さらに、衝突噴流の最大熱伝達率を得ることができるので、エンジン１８から抽出するブリードエアの量を減らすことができるので、航空機１の燃費向上に寄与できる。
【００２７】
また、一般に、衝突噴流の衝突平板の熱伝達率は、衝突速度、大規模渦に起因する変動速度、変動周期、乱れ強さ等に依存することが知られている。ここでは、二次元衝突噴流における最大熱伝達率αｍａｘは、Ｈ／ｄ０がおよそ９で得られる。これは、噴流の衝突速度(最大流速)が大きく減衰せず、加えて、乱れ強さが増加することによる。なお、ｄ０は噴出孔１６の直径を示し、Ｈは噴出孔１６から前縁５の内面６まで、つまり加熱気体の噴出対象面までの距離を示す。したがって、ピッコロチューブ１１は、噴出したブリードエアが高い熱伝達率を得るために、Ｈ／ｄ０が７〜１２を満たす形状及び前縁５に対する配置を採用することが好ましく、Ｈ／ｄ０が８〜１１であることがより好ましい。
【００２８】
以上説明したピッコロチューブ１１は、内径及び外径が異なる上流管１２、中流管１３及び下流管１４を接続しているが、本発明のピッコロチューブはこれに限定されず、他の構成を採用し得る。そのいくつかの例を、図３〜図５を参照して説明する。図３〜図５に示されるように、いずれのピッコロチューブも、複数の噴出孔１６が設けられる側が連続的に連なっている。
【００２９】
図３に示すピッコロチューブ２１は、外径は同じであるが、内径が異なる上流管２２、中流管２３及び下流管２４を接続して構成される。つまり、ピッコロチューブ２１は、図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、上流管２２、中流管２３及び下流管２４のそれぞれの内径をｄ２２，ｄ２３及びｄ２４、また、それぞれの外径をＤ２２，Ｄ２３及びＤ２４、それぞれの流路面積をＡ２２ ＞ Ａ２３ ＞ Ａ２４とすると、以下が成り立つ。つまり、このピッコロチューブ２１も、流路１５の開口面積が、ブリードエアの流れる向きに沿って、段階的に小さくなっている。
ｄ２２ ＞ ｄ２３ ＞ ｄ２４
Ｄ２２ ＝ Ｄ２３ ＝ Ｄ２４
Ａ２２ ＞ Ａ２３ ＞ Ａ２４
【００３０】
ピッコロチューブ２１は、以上の構成を備えているので、上述したピッコロチューブ１１と同様の作用及び効果を奏する。
しかも、ピッコロチューブ２１は、上流管２２、中流管２３及び下流管２４の外径が同じであるから、それぞれを接続する際の径方向の位置合わせが容易である。ただし、ピッコロチューブ２１は、ピッコロチューブ１１に比べて中流管２３及び下流管２４の肉厚が厚くなるので、軽量化の観点でピッコロチューブ１１が有利である。
【００３１】
次に、図４に示すピッコロチューブ３１は、内径及び外径の両方が後端から先端に向けて連続的に小さくなる。つまり、ピッコロチューブ３１は、図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、上流位置、中流位置のそれぞれの内径をｄ３２，ｄ３３及びｄ３４、また、それぞれの外径をＤ３２，Ｄ３３及びＤ３４、それぞれの流路面積をＡ４２，Ａ４３及びＡ４４とすると、以下が成り立つ。つまり、このピッコロチューブ２１は、流路１５の開口面積が、ブリードエアの流れる向きに沿って、段階的に小さくなっている。
ｄ３２ ＞ ｄ３３ ＞ ｄ３４
Ｄ３２ ＞ Ｄ３３ ＞ Ｄ３４
Ａ３２ ＞ Ａ３３ ＞ Ａ３４
【００３２】
図４に示すピッコロチューブ３１は、以上の構成を備えているので、上述したピッコロチューブ１１と同様の作用及び効果を奏する。
加えて、ピッコロチューブ３１は、内径が連続的に小さくなる、つまり流路１５の開口面積が連続的に小さくなるので、流路１５におけるブリードエアの圧力をより一定に近づけることができる。
なお、ピッコロチューブ３１は、外径が連続的に小さくなるが、長手方向にわたって外径を一定にすることもできる。
【００３３】
図５に示すピッコロチューブ４１は、内径及び外径がともに一定の配管４５を用いるが、配管４５の内部にスペーサ４６を挿入して埋め込むことで、流路１５の開口面積が、ブリードエアの流れる向きに沿って、連続的に小さく、つまり先細りになっている。つまり、ピッコロチューブ４１は、図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、上流位置、中流位置のそれぞれの内径をｄ４２，ｄ４３及びｄ４４、それぞれの外径をＤ４２，Ｄ４３及びＤ４４、それぞれの流路面積をＡ４２，Ａ４３及びＡ４４とすると、以下が成り立つ。
ｄ４２ ＝ ｄ４３ ＝ ｄ４４
Ｄ４２ ＝ Ｄ４３ ＝ Ｄ４４
Ａ４２ ＞ Ａ４３ ＞ Ａ４４
【００３４】
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
以上説明したピッコロチューブ１１等は、複数の噴出孔１６が一列に配列された例を示したが、本発明はこれに限らず、複数の噴出孔１６を複数列、例えば二列に配列することもできる。この噴出孔１６を二列に配列する場合にも、例えば、図３に示すピッコロチューブ２１、あるいは、図４に示すピッコロチューブ３１を用いれば、二列のいずれに属する複数の噴出孔１６から内面６までの距離Ｈを一定にすることができる。
また、以上説明したピッコロチューブ１１等は、航空機１の主翼３に用いているが、本発明のピッコロチューブの用途は主翼３に限るものでなく、航空機の尾翼、アインテーク等の航空機の進行方向の前縁に対して適用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１      航空機
３      主翼
４      翼パネル
５      前縁
６      内面
７      外面
１０    防氷装置
１１    ピッコロチューブ
１２    上流管
１３    中流管
１４    下流管
１５    流路
１６    噴出孔
１８    エンジン
１９    エア供給管
２１    ピッコロチューブ
２２    上流管
２３    中流管
２４    下流管
３１    ピッコロチューブ
４１    ピッコロチューブ
４５    配管
４６    スペーサ
【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】
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