JP2012092994A

JP2012092994A - 空調システム

Info

Publication number: JP2012092994A
Application number: JP2010238556A
Authority: JP
Inventors: Shoji Uryu; 承治瓜生
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】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、簡単な構成でより効果的に抑制する。
【解決手段】高温気体を流通させる高温気体流路４と、低温気体を流通させる低温気体流路５と、高温気体と低温気体との熱交換を行わせるための第１のコア部６ａ、及び前記高温気体流路４の前記第１のコア部６ａよりも上流側に設けられ、前記高温気体流路４内を流通する高温気体を通過させるための主通路及び前記主通路内の高温気体よりさらに高温である温度調整用高温気体を通過させるための補助通路を有し、主通路内の気体と補助通路内の気体との熱交換を行わせるための第２のコア部６ｂを有する熱交換器たるコンデンサ６と、前記高温気体流路４から分岐して設けてなり、前記第２のコア部６ｂの補助通路に連通する高温バイパス流路７とを具備する。
【選択図】図１

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空調システムに関する。

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３に概略を示すように、図示しないエンジンからの抽気の供給を受けて圧縮手段ｂ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ｃと、膨張手段ｄ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ｅと、前記高温空気流路ｃ内の抽気と前記低温空気流路ｅ内の低温空気との熱交換を行わせるための熱交換部ｆと、前記低温空気流路ｅ内に前記高温空気流路ｃ中の高温空気を導入するための第１の高温バイパス流路ｇと、第１の高温バイパス流路ｇに設けられ開度を変更可能な流量調整手段ｈと、前記第１の高温バイパス流路ｇからの高温空気と前記低温空気流路ｅ中の低温空気とを混合するための混合器ｉと、前記熱交換部ｆの低温気体流路入口付近の部位ｆ１に前記高温空気流路ｃ中の高温空気を導入するための第２の高温バイパス流路ｊとを具備する空調システムａが挙げられる。前記第１及び第２の高温バイパス流路ｇ、ｊは、空気中の水分が前記膨張手段ｄ内で氷結したもの（以下氷結水分と称する）が熱交換部ｆの低温気体流路入口側表面に付着し、低温空気流路ｅ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ｈ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ｅ内において発生する前記熱交換部ｆの上流側の部位ｅ１と下流側の部位ｅ２との圧力差に応じて、前記圧力差が所定値を上回る場合に、第１の高温バイパス流路ｇからの高温空気を低温空気流路ｅ内の低温空気に混合するとともに、前記圧力差が所定値を下回る場合には熱交換器ｆの低温気体流路入口に低温空気のみを導入させるためのものである（例えば、特許文献１を参照）。

ところで、前記特許文献１の構成を採用すれば、前記高温バイパス流路ｇ、ｊを設け、低温気体流路入口に０°Ｃ以上の空気を導入することにより、確かに低温空気流路ｅ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ｅ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ｅが塞がれた際には、熱交換部ｆ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。さらに、前記特許文献１記載の構成では、前記第２の高温バイパス流路ｊからの高温空気が熱交換部ｆの低温気体流路入口付近に常時導入するため、この点からも冷却効率が低下するという問題も存在する。

特開２００２−３２１６９７号公報

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、できるだけ簡単な構成により抑制することを目的としている。

本発明にかかる空調システムは、以上の課題を解決するために、高温気体を流通させる高温気体流路と、低温気体を流通させる低温気体流路と、前記高温気体流路内を流通する高温気体を通過させるための高温側通路及び低温気体流路内を流通する低温気体を通過させるための低温側通路を有し高温気体と低温気体との熱交換を行わせるための第１のコア部、及び前記高温気体流路の前記第１のコア部よりも上流側に設けられ、前記高温気体流路内を流通する高温気体を通過させるための第１の通路及び前記主通路内の高温気体よりさらに高温である温度調整用高温気体を通過させるための第２の通路を有し第１の通路内の気体と第２の通路内の気体との熱交換を行わせるための第２のコア部を有する熱交換器と、前記高温気体流路から分岐して設けてなり前記第２のコア部の補助通路に連通する高温バイパス流路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、高温バイパス流路中の温度調整用高温気体は第１のコア部の高温側通路に導入される高温気体流路からの高温気体よりもさらに高温であるので、第２のコア部により高温気体流路からの高温気体と前記温度調整用高温気体とを熱交換させ、その後高温気体流路からの高温気体を第１のコア部の高温側通路内に流通させることにより、第１のコア部の高温側通路内を流通する高温空気の温度は、第２のコア部を設けない場合と比較してより高くなる。従って、このような高温空気により、第１のコア部の低温側通路内の低温気体、及び第１のコア部の低温側通路の入口側の表面に付着した氷結水分をより速やかに加熱して融解させることができる。すなわち、第１の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より効果的に抑制できる。さらに、高温空気を低温空気に混合したのち熱交換器の低温側通路に導入する従来の態様と異なり、熱交換器の低温側通路には低温気体がそのまま導入されるので、この点から熱交換効率の向上を図ることができる。

本発明の空調システムの構成によれば、高温側補助通路に温度調整用高温気体を流通させ、第２のコア部を介して高温気体流路中の高温気体と熱交換させ、その後高温気体流路中の高温気体を第１のコア部の高温側通路内に導入するようにしているので、第１のコア部の高温側通路を流通する高温空気の温度は第２のコア部を設けない場合と比較して高温となる。従って、第１のコア部の低温側通路の入口に付着した氷結水分をより速やかに融解させることができる。また、高温空気を低温空気に混合する従来の態様と異なり、低温気体流路入口には低温気体がそのまま導入されるので、この点から熱交換効率の向上を図ることができる。

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。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。

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１は、図３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、図示しないエンジン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２と、前記コンプレッサ２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３と、前記コンプレッサ２の出口と前記タービン３の入口との間を連通し前記コンプレッサ２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４と、前記タービン３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５と、前記高温空気流路４内を流通する高温空気と前記低温空気流路５内を流通する低温空気との熱交換を行わせるための熱交換器たるコンデンサ６と、前記高温空気流路４から分岐して設けてなる高温バイパス流路７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５が本発明の低温気体流路、前記高温空気流路４が本発明の高温気体流路にそれぞれ対応する。また、本実施形態では、前記エンジンと前記コンプレッサ２との間にラムエアとの熱交換を行うための図示しない一次熱交換器を設けているとともに、高温空気流路４のコンプレッサ２とコンデンサ６との間の部位、ラムエアとの熱交換を行うための二次熱交換器８を設けている。そして、前記高温バイパス流路７は、前記コンプレッサ２と前記二次熱交換器８との間の部位から分岐して設けている。すなわち、この高温バイパス流路７中を流通する空気は、前記高温空気流路４の前記二次熱交換器８と前記コンデンサ６との間を流通し該コンデンサ６に導入される高温空気よりもさらに高温である。本実施形態では、後述するように、この高温バイパス流路７中を流通する空気を温度調整用高温空気として使用する。

前記コンデンサ６は、図２に示すように、平板状のプレートを多数積層してなる第１のコア部６ａと、この第１のコア部６ａに対して高温空気流路４の上流に向かう側に隣接して該第１のコア部６ａと一体に設けられ、平板状のプレートを多数積層してなる第２のコア部６ｂと、前記第１及び第２のコア部６ａ、６ｂに高温空気流路４からの高温空気を導入させるための高温側第１ダクト部６ｃと、前記第１及び第２のコア部６ａ、６ｂを通過した高温空気を高温空気流路４に導入させるための高温側第２ダクト部６ｄと、前記第１のコア部６ａと低温空気流路５のタービン３側すなわち上流側の部位５ａとの間に位置する低温側第１ダクト部６ｅと、前記第１のコア部６ａと低温空気流路５の与圧室側すなわち下流側の部位５ｂとの間に位置する低温側第２ダクト部６ｆと、前記高温バイパス流路７からの温度調整用高温空気を前記第２のコア部６ｂに導入させるための高温側第３ダクト部６ｇを具備する。なお、前記高温側第３ダクト部６ｇと前記低温側第１ダクト部６ｅとは互いに隣接させて設けていて、これらの間には断熱性を有する隔壁６ｈを設けている。

前記第１のコア部６ａは、互いに隣接するプレート間に、高温空気流路４からの高温空気を通過させるための高温側通路６ａ１と、低温空気流路５からの低温空気を通過させるための低温側通路６ａ２とを交互に設けているとともに、前記高温側通路６ａ１内の高温空気と前記低温側通路６ａ２内の低温空気との間で熱交換を行わせる構成を有する。

前記第２のコア部６ｂは、互いに隣接するプレート間に、高温空気流路４からの高温空気を通過させるための主通路６ｂ１と、高温バイパス流路７からの温度調整用高温空気を通過させるための補助通路６ｂ２とを交互に設けているとともに、前記主通路６ｂ１内の高温空気と前記補助通路６ｂ２内の温度調整用高温空気との間で熱交換を行わせる構成を有する。

一方、前記高温バイパス流路７中には、低温空気流路５のコンデンサ６よりも上流の部位５ａとコンデンサ６よりも下流の部位５ｂとの差圧が所定値を上回る際に開放され、その他の場合には閉止される温度調節用弁７ａを設けている。ここで、温度調節用弁７ａの制御は、図示は省略するが、低温側第１ダクト部６ｅ近傍に設けた第１の圧力センサと、低温側第２ダクト部６ｆ近傍に設けた第２の圧力センサと、これら第１及び第２の圧力センサから圧力を示す信号を受け取り、これらの信号が示す差圧が所定値を上回る場合に温度調節用弁７ａを開放し、前記差圧が所定値を下回る場合に温度調節用弁７ａを閉止すべく該温度調節用弁７ａに信号を発する図示しない制御装置とを具備する。この制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置、入出力インタフェース等を備えた一般的なマイクロコンピュータシステムを利用して形成していて、入出力インタフェースに前記第１及び第２の圧力センサを接続してなる。また、この制御装置の記憶装置には弁開閉制御プログラムを記憶していて、この弁開閉制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、この制御装置が全体として上述した制御を行う。

以下、この空調システム１内の空気の流れを述べる。

この空調システム１は、上述したように、図示しないエンジンから抽気の供給を受ける。この抽気は、まず、図示しない一次熱交換器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２内で断熱圧縮され、前記高温空気流路４に導かれる。高温空気流路４に導かれた高温空気の大部分ないし全部が、前記二次熱交換器８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８で冷却された高温空気流路４内の空気は、次いで、再生熱交換器９に導かれ、前記コンデンサ６の第１のコア部６ａ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９を通過した高温空気流路４内の高温空気は、次いで、図２の矢印Ｘに示すように、前記コンデンサ６の高温側第１ダクト部６ｃを経て前記第２のコア部６ｂを経て第１のコア部６ａに達する。この高温空気は、前記第２のコア部６ｂ内及び前記第１のコア部６ａ内を順次流れる。

ここで、通常の状態、すなわち、コンデンサ６の第１のコア部６ａに多量の氷が付着しておらず、低温空気流路５のコンデンサ６よりも上流の部位５ａとコンデンサ６よりも下流の部位５ｂとの差圧が所定値を上回らない場合には、前記温度調整用弁８ａは閉止されているので、高温空気は高温バイパス通路８に導入されることはなく、全量がコンデンサ６に導入される。このとき、コンデンサ６に導入された高温空気は、第１のコア部６ａ内で低温空気流路５内を流通する低温空気と熱交換を行うことにより冷却され、その際、高温空気中の水分は凝結する。その後、高温空気は、高温側第２ダクト部６ｄを経て水分離器１０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１０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９に導かれて熱交換を行った後、タービン３内で断熱膨張する。そして、タービン３内で断熱膨張した後の低温空気は、前記低温空気流路５に導入され、図２の矢印Ｙに示すように前記コンデンサ６の第１のコア部６ａに導かれ、前記高温空気と熱交換を行った後与圧室に供給される。

一方、コンデンサ６のコア部６ａに氷結水分が付着し、低温空気流路５のコンデンサ６よりも上流の部位５ａとコンデンサ６よりも下流の部位５ｂとの差圧が所定値を上回ると、温度調節用弁７ａが開放され、高温空気流路４に導かれた高温空気の一部が、温度調整用高温空気として前記高温バイパス流路７、及び前記コンデンサ６の高温側第３ダクト部６ｇを経て、図２の矢印Ｚに示すように、第２のコア部６ｂに導入される。このとき、再生熱交換器９を通過した高温空気は、一旦第２のコア部６ｂ内で温度調整用高温空気と熱交換することにより熱せられ、その後、低温空気流路５からの低温空気と熱交換することにより冷却される。その際、温度調整用高温空気と熱交換することにより熱せられた高温空気により、第１のコア部６ａに付着した氷が熱せられ氷が融解する。氷が融解したことにより低温空気流路５のコンデンサよりも上流の部位とコンデンサよりも下流の部位との差圧が所定値を下回ると、温度調節用弁７ａは閉止される。一方、第１のコア部６ａを通過した空気は、前段で述べた場合と同様に、高温側第２ダクト部６ｄ、前記水分離器１０、前記再生熱交換器９を経てタービン３内で断熱膨張し、タービン３内で断熱膨張した後の低温空気は、前記低温空気流路５に導入され、前記コンデンサ６の第１のコア部６ａに導かれ、前記高温空気と熱交換を行った後与圧室に供給される。

すなわち本実施形態に係る構成によれば、高温バイパス通路７から第２のコア部６ｂに温度調整用高温気体を導入し、高温空気流路４内の高温空気と熱交換させることにより、第１のコア部６ａの高温側通路６ａ１内に導入される高温空気の温度が上昇する。従って、第１のコア部６ａの低温側通路６ａ２の入口側表面に付着した氷結水分をより速やかに融解させることができる。従って、第１のコア部６ａの前記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より効果的に抑制できる。

また、高温空気を低温空気に混合したのち熱交換器の低温側通路に導入する従来の態様と異なり、第１のコア部６ａの低温側通路６ａ２には低温気体がそのまま導入されるので、この点から熱交換効率の向上を図ることができる。

さらに、第２のコア部６ｂ内において高温バイパス通路７内を流通する温度調節用高温空気と高温気体流路４内を流通する高温空気との熱交換を行った後、第１のコア部７ａ内において高温気体流路４内を流通する高温空気と低温気体流路５内を流通する低温空気との熱交換を行う本実施形態の構成は、従来のように、高温空気流路内を流通する高温空気が第２のコア部７ｂ及び第１のコア部７ａを順次通過するようにするとともに、高温バイパス通路７内の温度調節用高温空気と低温気体流路４内を流通する低温空気とを混合し、混合した気体を第２のコア部７ｂ及び第１のコア部７ａにそれぞれ導入し、高温気体流路内を流通する高温空気と熱交換を行う構成よりも冷却効率は高い。従って、より小型のコア部６ａ、６ｂを利用して所望の冷却効率を有する熱交換システムを実現できる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、高温バイパス流路は、コンプレッサよりも上流側の部位から分岐させて設けてもよく、また、二次熱交換器と再生熱交換器との間の部位から分岐させて設けてもよい。

また、上述した実施形態では、第１の熱交換器たる第１のコア部と第２の熱交換器たる第２のコア部とを互いに隣接させて一体に設けているが、これら第１及び第２の熱交換器を離間させて別体に設けたものであっても、本発明に係る効果は得られる。さらに、温度調整用弁８ａは、差圧が所定値を上回らない場合であっても供給温度調節のために少し開いた状態にあって、差圧が所定値を上回った場合にはより大きく開くようにしてもよい。

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。

４…高温空気流路（高温気体流路）
５…低温空気流路（低温気体流路）
６…コンデンサ（熱交換器）
６ａ…第１のコア部
６ｂ…第２のコア部
７…高温バイパス流路

Claims

高温気体を流通させる高温気体流路と、低温気体を流通させる低温気体流路と、前記高温気体流路内を流通する高温気体を通過させるための高温側通路及び低温気体流路内を流通する低温気体を通過させるための低温側通路を有し高温気体と低温気体との熱交換を行わせるための第１のコア部、及び前記高温気体流路の前記第１のコア部よりも上流側に設けられ、前記高温気体流路内を流通する高温気体を通過させるための第１の通路及び前記主通路内の高温気体よりさらに高温である温度調整用高温気体を通過させるための第２の通路を有し第１の通路内の気体と第２の通路内の気体との熱交換を行わせるための第２のコア部を有する熱交換器と、前記高温気体流路から分岐して設けてなり前記第２のコア部の補助通路に連通する高温バイパス流路とを具備することを特徴とする空調システム。