JP2013248934A

JP2013248934A - 水分離器

Info

Publication number: JP2013248934A
Application number: JP2012123931A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yamamoto; 将之山本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-12

Abstract

【課題】航空機用空調システムに用いられる水分離器では、配管が長いため、旋回流が下流の配管壁との摩擦による空気の流れ抵抗及び圧力損失が大きくなり、機体が飛行する際の駆動力源となるエンジン抽気のうち、空調システムに使用する割合を増やさねばならず、航空機の燃費を悪化させていた。
【解決手段】航空機用空調システムに用いられる水分離器の旋回流発生要素の下流側に、旋回流の旋回方向に沿って下流側の配管中心に向かって付勢する軸流発生要素を備えることにより、水分離器の圧力損失を低減し、空調システムに供給するエンジン抽気の割合を低減させ、航空機の燃費を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、航空機用の空調システムに用いられる水分離器に関する。

航空機の空調システムに用いられる水分離器は、エンジン抽気中に含まれる水分又はエンジン抽気を熱交換器等により冷却して抽気中に凝結する水分を除去するために用いられる。原子力発電所等、鉛直方向に大きなスペースをとることが容易な箇所に設けられる水分離器では、気体流を下方から上方に向けて流すとともに、旋回流を発生させ、遠心力により水分を分離し外部に排出する構成のものであるが、航空機用空調装置等、鉛直方向に大きなスペースをとることが困難な箇所に設けられる水分離器においては、横向きに延伸した水分離器が提案されている（特許文献１参照）。

図３に従来の水分離器の構成を示す。水分離器１０１に水分を含む空気が導入されると、空気流が旋回流発生用の静翼１０３により螺旋状の旋回流となる。その際、空気中に含まれる水分は遠心力により入口管１０２の内壁に付着しながら螺旋状をなして下流に流れ、下流に設けられた入口管１０２より大径の第１トラップ１０８、第２トラップ１０９に流入する。

流入した旋回流から分離された水分は、第１トラップ１０８、第２トラップ１０９の内
壁に付着しながら螺旋状をなして下流に流れるが、途中で水切り領域１１３、１１７に達した水分は貫通孔１１３ａ、１１７ａを通って桶１１９に入り排水路１２０から外部に排出される。

特開２０１０−１０４９０６号公報特開２００２−３２１６９７号公報

上記のような水分離器では、旋回流発生要素で発生させた旋回流は、下流の配管壁との摩擦によって徐々にそのエネルギーを失い、いずれ軸流となる。特許文献２に示されるような従来の航空機用の空調システムでは、水分離器で水分を除去した空気をタービンによる断熱膨張によって冷却して機内に供給するため、水分離器の圧力損失によってタービン・パワーが低下して冷却能力が低下してしまう。この冷却能力を補うため、主には機体を推進させるための駆動力源として用いられるエンジンの抽気のうち、空調システムで使用する割合を増やさねばならず、燃費を悪化させる要因となっていた。

この問題を解決するために、本発明では、航空機用空調システムに用いられる水分離器において、水分を含む気体を導入させる入口管と、この入口管内に旋回流を発生させるための旋回流発生要素と、旋回流発生要素下流に設けた直管部と、前記入口管の下流側に連通する筒状をなし、外部と連通する水切り孔を有する水切り領域を外壁の一部に設定されたトラップと、前記トラップの下流側に連結された配管の内壁に、前記旋回流を軸流にするための静翼を備える。

本発明によれば、航空機用の空調システムにおいて、旋回流発生要素によって発生した旋回流が、配管壁との摩擦によってエネルギーを失うエネルギーロスを低減し、また旋回流による動圧を静圧に回復させることで、機内に十分な圧力の温調済みの空気を効率よく供給することができ、空調システムに供給するエンジンの抽気の割合を抑え、航空機の燃費を向上させることができる。

本発明の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造を示した説明図である。本発明の実施形態に係る水分離器の構造及び空気の流れを模式的に示した説明図である。従来の水分離器の構造を示した説明図である。

図１に高圧除湿方式の航空機用空調システム１の一例を示す。高圧除湿方式の航空機用空調システムは、空気冷凍サイクルにより低温空気を得るもので、コンプレッサー４により圧縮したエンジン２の抽気を、熱交換器３におけるラム空気との熱交換により冷却し、その冷却した抽気を再生熱交換器５における熱交換によりさらに冷却した後に、コンデンサ６における低温空気との熱交換により冷却することで、その抽気中の水分を露点以下に冷却し、その水分を水分離器８において遠心力を利用して分離している。

水分離器８は、図２に示すように、水分離部９と、圧力回復部１０に分けられ、水分離部９は、水分を含む気体を導入する入口管１２と、この入口管１２内に旋回流を発生させるための旋回流発生用の静翼１３と、前記入口管１２の下流側に連通する筒状をなし、外部と連通する水切り孔である貫通孔２６を有する水切り領域２７を外壁の一部に設定する第１、第２のトラップ１６ａ、１６ｂを有するトラップ部１６とを備える。前記入口管１２は、この水分離器８よりも上流側の配管に接続された、丸パイプ状の部材である。

前記旋回流発生用の静翼１３は、前記入口管１２中に設けられ、この入口管１２の軸心近傍に位置するコア１９と、このコア１９から下流側に向かい軸方向視した際の位相を変化させつつ外方に延伸する複数のフィン２０とを具備する。そして、前記入口管１２内の空気流がこの旋回流発生用の静翼１３のフィン２０間を通過することにより前記入口管１２内の空気流が旋回流となる。

前記トラップ部１６は、本実施形態では、上流側に位置する第１のトラップ１６ａと、下流側に位置する第２のトラップ１６ｂとを直列に設けている。

トラップ１６ａは、上流側の端縁を形成する上流側端壁２１と、下流側の端縁を形成する仕切り壁２３と、これら上流側端壁部２１及び仕切り壁２３の外側縁間を接続する周壁２２とを備えた円筒状をなす部材である。また、このトラップ１６ａの下端部には、上述したように、水切り孔である貫通孔２６を有する水切り領域２７を設けている。この第１のトラップ１６ａの内部には、前記入口管１２を延伸させて設けた第１の返し部１４ａを形成している。

第２のトラップ１６ｂは、上流側の端縁を形成する仕切り壁２３と、下流側の端縁を形成する下流側端壁部２５と、これら仕切り壁２３及び下流側端壁２５の外側縁間を接続する周壁２２とを備えた円筒状をなす部材である。

圧力回復部１０における軸流発生用の静翼２８は、トラップ部１６の下流側に連結された配管３０の内壁に設けられ、上流側の配管内壁から下流側の配管３０の中心方向に向かって延伸するフィン２９を有する。

このような水分離器８に水分を含む空気が導入されると、まず、空気流が旋回流発生用の静翼１３のフィン２０間を通過することにより、螺旋状の旋回流となる。その際、空気中に含まれる水滴は、遠心力により入口管１２の内壁に付着しながら下流に流れる。

その後、空気流は旋回流状態のまま第１のトラップ１６ａ内に導入される。その際、入口管１２の内壁に付着しながら流れていた水滴は、遠心力を受けて周壁２２に達する。そして、周壁２２に沿って螺旋状をなして下流側に進む間に、水切り領域２７の貫通孔２６に達したタンク１７に導かれ、排水路１８を介して外部に排出される。尚、第１返し部１４ａの外壁に沿って一旦上流側に向かう流れが生じるため、入口管１２の内壁に付着しながら流れていた水滴が遠心力を受けて周壁２２に達する際に、下流側に飛散することを防止できる。

また、この第１のトラップ１６ａを通過した空気流は、次いで前記第２返し部２４内を通
過して第２のトラップ１６ｂ内に導入される。その際、第１のトラップ１６ａを飛び超えた水滴は、遠心力を受けて周壁２２に達する。そして、前記周壁２２に沿って螺旋状をなして下流側に進む間に、水切り領域２７の貫通孔２６に達した際にタンク１７に導かれ、排水路１８を介して外部に排出される。尚、第２返し部２４の外壁に沿って一旦上流側に向かう流れが生じるため、第１のトラップ１６ａを飛び超えた水滴が遠心力を受けて周壁２２に達する際に、下流側に飛散することを防止できる。

トラップ部１６を通過した旋回流は、軸流発生用の静翼２８のフィン２９を通過することにより、下流側の配管３０の中心方向へ付勢され、軸流となるように構成し、旋回流の動圧を静圧に変換（静圧回復）している。

また、図２のように軸流発生用の静翼のフィン２９を、旋回流発生要の静翼１３の旋回方向と同じ方向に湾曲させることにより、旋回流とフィンの表面との摩擦を小さくすることができ、更なるエネルギーロスの低減効果が得られる。

水分離器８を通過した軸流は、再生熱交換器５における水分分離前の抽気の冷却に用いた後に、タービン１１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６における抽気の冷却に用いた後に航空機の室内に送り出している。

また、そのタービン１１とコンデンサ６との間にバルブ７を介してエンジン抽気を導入可能とすることで、コンデンサ６の抽気流路での水分の氷結を解消している。

水分離部９のトラップ１６を通過した旋回流を、軸流発生用の静翼２８によって軸流としたことにより、水分離器を通過した空気が配管３０の壁面において摩擦が発生する圧力損失を小さくし、また、旋回流による動圧を静圧に回復させることで、エネルギーロスを低減することが可能となった。このため、十分な圧力の調温済み空気を効率よく機内に供給することができ、空調システムに供給するエンジン抽気の割合を抑え、航空機の燃費を向上することができる。

１航空機用空調システム２エンジン
３熱交換器４コンプレッサー
５再生熱交換器６コンデンサ（熱交換部）
７バルブ８水分離器
９水分離部１０圧力回復部
１１タービン１２入口管
１３旋回流発生用の静翼１４直管部
１４ａ第１返し部１５低温空気流路
１６トラップ部１６ａ第１のトラップ
１６ｂ第２のトラップ１７タンク
１８排水路１９コア
２０旋回流発用の静翼のフィン２１上流側端壁部
２２周壁２３仕切り壁
２４第２返し部２５下流側端壁部
２６貫通孔２７水切り領域
２８軸流発生用の静翼２９軸流発生用の静翼のフィン
３０配管

Claims

航空機用空調システムに用いられる水分離器であって、水分を含む気体を導入させる入口管と、この入口管内に旋回流を発生させるための旋回流発生要素と、旋回流発生要素下流に設けた直管部と、前記入口管の下流側に連通する筒状をなし、外部と連通する水切り孔を有する水切り領域を外壁の一部に設定されたトラップと、前記トラップの下流側に連結された配管の内壁に、前記旋回流を軸流にするための静翼を備えることを特徴とする水分離器。
前記静翼は、前記旋回流と同じ旋回方向に湾曲するフィンからなることを特徴とする、請求項１に記載の水分離器。