JP2010105516A

JP2010105516A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2010105516A
Application number: JP2008279102A
Authority: JP
Inventors: Michiko Nishimura; 路子西村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP5343511B2

Abstract

【課題】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ためのコア部を具備する熱交換器において、コア部の低温気体流路入口側表面に氷結水分が付着することにより低温空気流路が塞がる不具合の発生を、氷結水分を融解させるための特別な部材を用意することなく抑制する。
【解決手段】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ためのコア部７ａを具備する熱交換器たるコンデンサ７に、前記低温気体流路内を流通する気体に含まれる氷結水分を前記コア部７ａの入口側表面の矢印Ｙで示すように、該表面における矢印Ｘで示す高温気体流の上流側に案内しつつ前記低温気体流路内を流通する気体を前記コア部７ａに導入する低温気体流案内手段たる低温側入口ダクト７ｄをさらに具備させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、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熱交換器に関する。

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として、例えば、航空機用に用いられ、図７に示すように、エンジンｂからの抽気の供給を受けて圧縮手段ｃにより圧縮された抽気を流通させる高温気体流路たる高温空気流路ｄと、膨張手段ｅ内で断熱膨張した低温空気を流通させる低温気体流路たる低温空気流路ｆと、前記高温空気流路ｄ内の抽気と前記低温空気流路ｆ内の低温空気との熱交換を行わせるための熱交換部ｇと、前記低温空気流路ｆ内を流通する低温空気を前記熱交換部ｇを通過させずに流通させるべく前記低温空気流路ｆの前記熱交換部ｇより上流側の部位ｆ１と下流側の部位ｆ２とを連通させて設けたバイパス流路ｈと、バイパス流路ｈに設けられ開度を変更可能な流量調整手段ｉとを具備するものが挙げられる。前記バイパス流路ｈは、空気中の水分が前記膨張手段ｅ内で氷結したもの（以下氷結水分と称する）が熱交換部ｇの低温気体流路入口側表面に付着し、低温空気流路ｆが塞がれることにより十分な量の調温済み空気を供給できなくなる不具合の発生を抑制すべく設けられる。また、前記流量調整手段ｉは、前記低温空気流路ｆが塞がれることにより該低温空気流路ｆ内において発生する前記熱交換部ｇの上流側の部位ｆ１と下流側の部位ｆ２との圧力差に応じて開度を変更し、バイパス流路ｈを通過する低温空気の流量を調整するものである（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００２−３２１６９７号公報

ところで、前記特許文献１の構成を採用すれば、前記バイパス流路ｈを設けることにより、確かに低温空気流路ｆが塞がれることにより十分な量の調温済み空気を供給できなくなる不具合の発生は抑制できる。しかし、このような構成であっても、熱交換部ｇの低温気体流路入口側表面に付着した氷結水分により低温空気流路ｆが塞がれるという問題は依然として存在する。そして、氷結水分により低温空気流路ｆが塞がれた際には、熱交換部ｇ内での高温空気との間の熱交換に供される低温空気の量が減少し、熱交換性能が低下する不具合が発生する。

本発明は、以上に述べた課題を解決すること、すなわち、氷結水分により低温空気流路が塞がる不具合の発生を、氷結水分を融解させるための特別な部材を用意することなく抑制することを目的としている。

本発明にかかる熱交換器は、以上の課題を解決するために、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ためのコア部と、前記低温気体流路内を流通する氷結水分を有する気体を前記コア部の入口側表面に対して高温気体流の上流側に案内しつつ前記コア部に導入する低温気体流案内手段とを具備することを特徴とする。

このようなものであれば、低温気体流案内手段の作用により、低温気体流路内を流通する氷結水分がコア部の入口側表面における高温気体流の上流側に案内される。コア部の低温気体流路の入口側表面に氷結水分が付着し始めるのは、より低温になっている高温気体流の下流側からであるので、高温気体流の下流側と比較して温度が高い上流側では氷結水分が融解しやすくなり、コア部の低温気体流路入口側表面に氷結水分が付着することを抑制し、コア部内の低温気体の流量を確保することができる。従って、氷結水分を融解させるための特別な部材を用意することなく、コア部の低温気体流路入口側表面に氷結水分が付着することにより熱交換効率が低下する不具合の発生を抑制できる。

コア部の設計変更を行うことなく以上の課題を解決するための構成として、前記低温気体流案内手段が、前記コア部内に低温気体流路内を流通する気体を導入させるべく設けられ、前記コア部入口側表面に対して高温気体流の下流側から上流側に向かう傾斜を有するダクト部であるものが挙げられる。このようなものであれば、コア部として従来より広く用いられている直方体状のものをそのまま利用したものであっても、前記ダクト部内を低温空気が通過すれば、低温空気はコア部の表面に達するまでコア部に向かいつつ高温気体流の下流側から上流側に向かう方向に流れ、低温空気に含まれる氷結水分がコア部の入口側表面において空気の流れにより高温空気流の上流側に移動するからである。

一方、このような熱交換器付近の機器配置を大きく変更することなく以上の課題を解決するための構成として、前記コア部の形状を、低温気体流案内手段の流れ方向に対し、コア部の低温気体流路入口側表面の高温気体流下流側が低温気体流の上流側へ傾斜した、該コア部内における高温気体流の下流側に向かうにつれ長手方向寸法が大きくなる形状とし、このコア部の低温気体流路に向かう表面を前記低温気体流案内手段としているものが挙げられる。このようなものであれば、低温空気流路の熱交換器より上流側及び熱交換器より下流側を略同一直線状に配したものであっても、低温空気の流れがコア部の低温気体流路に向かう表面に達すれば、低温空気の流れは高温気体流の下流側から上流側に向かう方向に流れ、低温空気に含まれる氷結水分がコア部の入口側表面において空気の流れにより高温空気流の上流側に移動するからである。

本発明の熱交換器の構成によれば、低温気体流案内手段の作用により、低温気体流路内を流通する氷結水分がコア部の入口側表面における高温気体流の上流側、すなわちより温度が高い部位に案内されつつコア部に導入されるので、氷結水分が融解しやすく、コア部の入口側表面に氷結水分が付着することを抑制し、コア部内の低温気体の流量を確保することができる。従って、氷結水分を融解させるための特別な部材を用意することなく、コア部内の低温気体の流量を確保し、熱交換効率の向上を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る空調システムは、図７に概略を示したものとほぼ同様の構成を有する。すなわち、本実施形態に係る空調システム１は、図１に概略を示すように、エンジン２からの抽気の供給を受けて抽気を圧縮する圧縮手段たるコンプレッサ３と、前記コンプレッサ３により圧縮された抽気を内部で断熱膨張させる膨張手段たるタービン４と、前記コンプレッサ３の出口と前記タービン４の入口との間を連通し前記コンプレッサ３で圧縮した高温のエンジン抽気（以下高温空気と称する）を流通させる高温空気流路５と、前記タービン４内で断熱膨張させた後の空気（以下低温空気と称する）を流通させる低温空気流路６と、前記高温空気流路５内を流通する高温空気と前記低温空気流路６内を流通する低温空気との熱交換を行わせるためのコンデンサ７と、前記低温空気流路６内を流通する低温空気を前記コンデンサ７を通過させずに流通させるべく前記低温空気流路６の前記コンデンサ７より上流側の部位６ａと下流側の部位６ｂとを連通して設けたバイパス流路８とを具備する空調装置を用いるものである。ここで、前記低温空気流路６が本発明の低温気体流路、前記高温空気流路５が本発明の高温気体流路、前記コンデンサ７が本発明の熱交換器にそれぞれ対応する。

前記コンデンサ７は、図２に示すように、平板状のプレートを多数積層しているとともに、互いに隣接するプレート間に、高温空気を通過させるための高温側通路７ａ１と、低温空気を通過させるための低温側通路７ａ２とを交互に設けていて、前記高温側通路７ａ１内の高温空気と前記低温側通路７ａ２内の低温空気との間で熱交換を行わせるようにしている直方体状をなすコア部７ａと、前記コア部７ａに高温空気を導入させるための高温側入口ダクト部７ｂと、前記コア部７ａを通過した高温空気を高温空気流路５に導入させるための高温側出口ダクト部７ｃと、前記コア部７ａに低温空気を導入させるための低温側入口ダクト部７ｄと、前記コア部７ａを通過した低温空気を低温空気流路６に導入させるための低温側出口ダクト部７ｅとを具備する。なお、前記図２では、前記コンデンサ７の一部を破断して示している。

しかして本実施形態では、前記図２に示すように、また、図３に概略的に示すように、前記低温側入口ダクト部７ｄが、コア部の低温気体流路入口側表面に対して前記高温空気流路６における下流側から上流側に向かう傾斜、すなわち前記高温側通路７ａ１の下流側から上流側に向かう傾斜を有し、低温空気を前記高温側通路７ａ１の上流側に案内しつつコア部７ａ内に導入させるための低温気体流案内手段として機能する。

そして、前記バイパス流路８は、前記コンデンサ７の筐体の外部に設けられ、前記低温空気流路６の前記コンデンサ７より上流側の部位６ａと前記コンデンサ７より下流側の部位６ｂとを連通する。なお、本実施形態では、このバイパス通路８中に、コンデンサ７の上流側の部位６ａと下流側の部位６ｂとの圧力差が所定以上になった場合のみに開成するチェック弁９を設けている。

以下、この空調装置内の空気の流れを述べる。

この空調装置は、上述したようにエンジン２から抽気の供給を受ける。この抽気は、まず、前記一次熱交換器１０内でラムエアと熱交換を行いある程度冷却される。次いで、前記コンプレッサ３内で断熱圧縮され、前記高温空気流路５に導かれる。高温空気流路５に導かれた高温空気は、前記二次熱交換器１３内でラムエアと熱交換を行いある程度冷却される。前記二次熱交換器１３で冷却された高温空気流路５内の空気は、次いで、再生熱交換器１４に導かれ、前記コンデンサ７内で低温空気と熱交換を行い冷却された後の空気と熱交換する。再生熱交換器１４を通過した高温空気流路５内の高温空気は、次いで前記コンデンサ７の高温側入口ダクト部７ｂを経て前記コア部７ａに達する。この高温空気は、図３における矢印Ｘに示すように前記コア部７ａ内を流れる。すなわち、このコア部７ａ内で、低温空気流路６内を流通する低温空気と熱交換を行うことにより高温空気が冷却され、高温空気中の水分は凝結する。その後、高温空気は、高温側出口ダクト部７ｃを経て前記水分離器１５に導かれる。前記高温空気中の凝結した水分の大部分は、前記水分離器１５により分離除去される。水分を分離除去された高温空気は、前記再生熱交換器１４に導かれて熱交換を行った後、タービン４内で断熱膨張する。そして、タービン４内で断熱膨張した後の低温空気は、前記低温空気流路６に導入され、少なくとも一部は前記コンデンサ７に導かれる。コンデンサ７に導かれた低温空気は、図３における矢印Ｙに示すように流れる。すなわち、前記低温側入口ダクト部７ｄにより前記高温空気流路５における上流側すなわち前記矢印Ｘで示されるコア部７ａ内における高温側通路７ａ１内の高温空気流の上流側に案内されつつコア部７ａ内に導入され、高温空気との熱交換に供される。そして、コア部７ａ内において前記高温空気との熱交換に供された後、低温側出口ダクト部７ｅを経て与圧室に供給される。

ここで、コア部７ａの入口側表面に達した低温空気は、上述したように前記高温空気流路５における上流側、すなわちコア部７ａ内の高温空気流の上流側に案内されつつコア部７ａ内に導入される。従って、この低温空気に含まれる氷結水分も、コア部7aの入口側表面において空気の流れにより前記高温空気流の上流側に移動する。そして、この氷結水分は、より高温な空気と熱交換を行い融解しやすくなる。

なお、コア部７ａ内の低温空気の流量が減少し、コンデンサ７の上流側の部位６ａと下流側の部位６ｂとの圧力差が所定以上になった場合には、前記チェック弁９が開成し、低温空気流路６を流通する低温空気の一部はバイパス通路８を経て与圧室に導かれる。

すなわち本実施形態に係る構成によれば、コア部７ａの入口側表面に達した低温空気が上述したように前記高温空気流の上流側に案内されることにより、以下のような効果が得られる。すなわち、この低温空気に含まれる氷結水分を、空気の流れによりコア部７ａの入口側表面の前記高温空気流の上流側に移動させ、より高温な空気と熱交換を行い融解しやすくすることにより、氷結水分を除去するための特別な部材を用いることなく、簡単な構成により氷結水分のコア部７ａへの付着を抑制し、コア部７ａを通過する低温空気の流量を確保することができる。従って、少ない部品点数により、また、この構成に必要な部品の合計質量を抑制しつつ、コンデンサ７のコア部７ａの低温気体流路入口側表面に氷結水分が付着することにより熱交換効率が低下する不具合、及び十分な量の調温済み空気を与圧室に供給できなくなる不具合の発生を抑制できる。

また、前記低温側入口ダクト部７ｄが、コア部の低温気体流路入口表面に対して前記高温空気流路６における下流側から上流側に向かう傾斜、すなわち前記高温側通路７ａ１の下流側から上流側に向かう傾斜を有し、低温空気を前記高温側通路７ａ１の上流側に案内しつつ直方体状をなすコア部７ａ内に導入させるための低温気体流案内手段として機能するので、低温空気がこの低温側入口ダクト部７ｄを通過してコア部７ａの表面付近に達した際に、この低温空気の流れは前記高温側通路７ａ１の上流側に導かれる。従って、従来より広く用いられている直方体状のコア部７ａをそのまま利用しつつ、低温空気自体の流れにより氷結水分をコア部７ａの入口側表面にて高温側通路７ａ１の上流側に移動させて融解させるようにできる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、図４に概略的に示すように、図示しない低温空気流路内を流通する空気と図示しない高温空気流路内を流通する空気との間で熱交換を行わせるためのコア部Ａ７ａと、前記コア部Ａ７ａに高温空気を導入させるための高温側入口ダクト部Ａ７ｂと、前記コア部Ａ７ａを通過した高温空気を前記高温空気流路に導入させるための高温側出口ダクト部Ａ７ｃと、前記コア部Ａ７ａに低温空気を導入させるための低温側入口ダクト部Ａ７ｄと、前記コア部Ａ７ａを通過した低温空気を前記低温空気流路に導入させるための低温側出口ダクト部Ａ７ｅとを具備する熱交換器たるコンデンサＡ７を、以下のように構成してもよい。すなわち、前記コア部Ａ７ａの形状を、低温側入口ダクト部Ａ７ｄの流れ方向に対し、コア部Ａ７ａの低温気体流路入口側側表面の高温空気流下流側が低温空気流の上流側へ傾斜した、該コア部Ａ７ａ内における高温空気流の下流側に向かうにつれ長手方向寸法すなわち低温側通路の長さ寸法が大きくなるものとし、このコア部Ａ７ａの低温気体流路に向かう表面すなわち低温側入口ダクト部Ａ７ｄに向かう表面である低温空気流路入口側表面Ａ７ａ３を前記低温気体流案内手段として機能させる態様を採用してもよい。

このような態様であっても、前記図４の矢印Ｙに示すように、低温空気がコア部Ａ７ａの低温空気流路入口側表面Ａ７ａ３に沿って同図の矢印Ｘで示されるコア部Ａ７ａ内の高温空気流の上流側に案内されつつコア部Ａ７ａ内に導入されるので、低温空気に含まれる氷結水分が空気の流れによりコア部Ａ７ａの入口側表面の前記高温空気流の上流側に移動し、より高温な空気と熱交換を行い融解しやすくするので、上述した実施形態のコンデンサ７の構成に係る主な効果、すなわち、特別な部材を別途設けることなく熱交換性能の改善を図ることができる効果を同様に得ることができる。また、この態様では、低温空気流路のコア部Ａ７ａより上流側と下流側とを略同一直線状に位置付けつつ、低温空気の流れがコア部Ａ７ａの低温空気流路入口側表面Ａ７ａ３近傍に達した際に低温空気の流れをコア部Ａ７ａ内の高温空気流の上流側に案内するように低温空気流路側表面Ａ７ａ３の形状を構成しているので、このような熱交換器たるコンデンサＡ７、及び低温空気流路の配置を従来のものと大きく変更する必要がない。

さらに、図５に示すように、低温空気流路Ｂ６内を流通する空気と図示しない高温空気流路内を流通する空気との間で熱交換を行わせるためコア部Ｂ７ａと、前記コア部Ｂ７ａに高温空気を導入させるための高温側入口ダクト部Ｂ７ｂと、前記コア部Ｂ７ａを通過した高温空気を前記高温空気流路に導入させるための高温側出口ダクト部Ｂ７ｃと、前記コア部Ｂ７ａに低温空気を導入させるための低温側入口ダクト部Ｂ７ｄと、前記コア部Ｂ７ａを通過した低温空気を低温空気流路Ｂ６に導入させるための低温側出口ダクト部Ｂ７ｅとを具備する熱交換器たるコンデンサＢ７を、以下のように構成してもよい。すなわち、コンデンサＢ７の低温側入口ダクト部Ｂ７ｄがコンデンサＢ７の表面の法線方向に延伸するものであっても、低温空気流路Ｂ６の低温側入口ダクトＢ７ｄの上流側に隣接する部位Ｂ６ｘが前記高温空気流路５における下流側から上流側に向かう傾斜、すなわち矢印Ｘで示されるコア部Ｂ７ａ内の高温空気流の下流側から上流側に向かう傾斜を有し、前記図５の矢印Ｙに示すように、前記部位Ｂ６ｘ及び低温側入口ダクトＢ７ｄが協働して低温空気を前記高温空気流の上流側に案内させつつコア部Ｂ７ａ内に導入させるための低温気体流案内手段として機能するものであれば、低温空気が前記高温空気流の上流側に案内されるので、低温空気に含まれる氷結水分も空気の流れによりコア部Ｂ７ａの入口側表面の前記高温空気流の上流側に移動し、より高温な空気と熱交換を行い融解しやすくする。従って、上述した実施形態のコンデンサ７の構成に係る主な効果、すなわち、熱交換性能の改善も図ることができる効果を同様に得ることができる。また、この態様では、コンデンサＢ７のコア部Ｂ７ａ及び低温側入口ダクトＢ７ｄには、従来広く用いられているものをそのまま利用できる。すなわち、直方体状をなすコア部と、コア部の表面の法線方向に沿って低温空気を流通させる構成の低温側入口ダクトとをそのまま利用できる。

加えて、図６に示すように、図示しない低温空気流路内を流通する空気と図示しない高温空気流路内を流通する空気との間で熱交換を行わせるためのコア部Ｃ７ａと、前記コア部Ｃ７ａに高温空気を導入させるための高温側入口ダクト部Ｃ７ｂと、前記コア部Ｃ７ａを通過した高温空気を前記高温空気流路に導入させるための高温側出口ダクト部Ｃ７ｃと、前記コア部Ｃ７ａに低温空気を導入させるための低温側入口ダクト部Ｃ７ｄと、前記コア部Ｃ７ａを通過した低温空気を前記低温空気流路に導入させるための低温側出口ダクト部Ｃ７ｅとを具備する熱交換器たるコンデンサＣ７を、以下のように構成してもよい。すなわち、コンデンサＣ７の低温側入口ダクト部Ｃ７ｄ内に、低温空気を前記高温空気流路５における下流側から上流側に案内しつつコア部Ｃ７ａ内に導入させるための低温気体流案内手段たるフィンＣ７ｆを設けたものであっても、前記図６の矢印Ｙに示すように、低温空気が前記高温空気流路５における上流側、すなわち同図の矢印Ｘで示される前記コア部Ｃ７ａ内の高温空気流の上流側に案内されるので、低温空気に含まれる氷結水分も空気の流れにより前記コア部Ｃ７ａの入口側表面の高温空気流の上流側に移動し、より高温な空気と熱交換を行い融解しやすくする。従って、上述した実施形態のコンデンサ７の構成に係る主な効果、すなわち、熱交換性能の改善も図ることができる効果を同様に得ることができる。また、この態様でも、低温空気流路のコンデンサＣ７より上流側の部位とコンデンサＣ７より下流側の部位とを同一直線状に配することができ、従って、このような熱交換器たるコンデンサＣ７、及び低温空気流路の配置を従来のものと大きく変更する必要がない。

そして、航空機用空調装置に限らず、また、空気を流通させるものに限らず、高温気体流体内を流通する気体と氷結成分を有する低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熱交換器であれば本発明を適用してよい。すなわち、航空機用以外に用いられる空調装置であっても、また、空気以外の気体の温度調整に用いるものであっても、上述した実施形態の熱交換器たるコンデンサと同様に、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ためのコア部と、前記コア部に低温気体流路内を流通する気体を導入させるべく設けたダクト部とを具備するものであって、前記ダクト部又はコア部に、前記低温気体流路中の気体の流れを高温気体流路における上流側に案内する低温気体案内手段を具備してなる構成を有するものであれば、本発明の主な効果を得ることはできる。

加えて、コンデンサのコア部を同一筐体内に複数設けるとともに、上述した実施形態におけるコア部間にバイパス通路及びチェック弁を設ける態様を採用してもよい。また、前記チェック弁に替えて、コンデンサの上流側と下流側との間の圧力差に対応して開度を変更する流量調整弁を設けてもよい。一方、高温気体の温度が十分高く、コア部の表面で氷結水分が略全て融解する場合ないし完全に融解する場合には、バイパス通路を省略してもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態に係る熱交換器を用いた航空機用空調システムの構成説明図。同実施形態に係る熱交換器の概略斜視図。同実施形態に係る熱交換器の中央横断面を模式的に示す図。本発明の第１変形例に係る熱交換器の中央正断面を模式的に示す図。本発明の第２変形例に係る熱交換器の中央正断面を模式的に示す図。本発明の第３変形例に係る熱交換器の中央正断面を模式的に示す図。従来の熱交換器を用いた航空機用空調システムの構成説明図。

符号の説明

５…高温空気流路（高温気体流路）
６、Ｂ６…低温空気流路（低温気体流路）
７、Ａ７、Ｂ７、Ｃ７…コンデンサ（熱交換器）
７ａ、Ａ７ａ、Ｂ７ａ、Ｃ７ａ…コア部
７ｄ…低温側入口ダクト部（低温気体案内手段）
Ａ７ａ３…低温空気流路入口側表面（低温気体案内手段）
Ｂ６ｘ…低温空気流路の低温側入口ダクト部隣接部位（低温気体案内手段）
Ｃ７ｆ…フィン（低温気体案内手段）

Claims

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ためのコア部と、前記低温気体流路内を流通する氷結水分を有する気体を前記コア部入口側表面の高温気体流の上流側に案内しつつ前記コア部に導入する低温気体流案内手段とを具備することを特徴とする熱交換器。
前記低温気体流案内手段が、前記コア部内に低温気体流路内を流通する気体を導入させるべく設けられ、前記コア部の低温気体流路入口側表面に対して高温気体流の下流側から上流側に向かう傾斜を有するダクト部である請求項１記載の熱交換器。
前記コア部の形状を、低温気体流案内手段の流れ方向に対し、該コア部の低温気体流路入口側表面の高温気体流下流側が低温気体流の上流側へ傾斜した、該コア部内における高温気体流の下流側に向かうにつれ長手方向寸法が大きくなる形状とし、このコア部の低温気体流路に向かう入口側表面を前記低温気体流案内手段としている請求項１記載の熱交換器。