JP2014043148A

JP2014043148A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2014043148A
Application number: JP2012185907A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Sekimoto; 峻介関本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-03-13

Abstract

【課題】バタフライバルブを使って配管の流量制御を行う空気調和装置において、入力側流体圧力の高低に関わらず、効率のよい流量調整を可能とする。
【解決手段】密閉された制御室２に入力ポート３、ベントポート４、出力ポート５の３ポートと入力とベントポート４との間にフラッパ６を設け、フラッパの変位制御部２６と、前記出力ポート５の下流側に流体圧により内外径が変化する小ヤング率のシリコンゴムを用いた可変オリフィス８を設ける。この構成により流量の全調整範囲で理想的な特性の流量調整を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気の流量を調整する空気調和装置に関する。

本発明に関連する装置の先行例として、流量調整機構及びそれを用いた航空機用空気調和装置（特許文献１参照）が提案されている。

図５に示す特許文献１の航空機用空気調和装置１００は、配管１０１を流れる流体の通過量を、配管内に設けたバタフライバルブ１０２を開閉制御することにより調整するものである。このバタフライバルブ１０２は別途電気エネルギー等を利用することなく、配管１０１を流れる流体の圧力を利用した流量調整機構１０３と、それを用いた駆動装置１０４により駆動される。

具体的には、流量調整機構１０３は、バタフライバルブ１０２の上流側流体を取込む導入通路１０５と、導入通路１０５に設けた第１オリフィス１０６と、フィルタ１０７と、リリーフ弁１０８と、電磁弁１０９と、第１オリフィス１０６をバイパスするバイパス通路１１０と、バイパス通路１１０に設けられたチェック弁１１１および第２オリフィス１１２から構成されている。

また、駆動装置１０４は、シリンダ１１３と、スプリング１１４の付勢力によりシリンダ１１３のヘッド側（図５の上方）に付勢されるピストン１１５と、ピストン１１５のロッド側に設けられたバタフライバルブ１０２を駆動するリンク機構１１６から構成される。

以上のとおり構成された航空機用空気調和装置１００において、配管１０１には矢印Ａの方向にエンジン抽気が流れている。バタフライバルブ１０２の上流側より導入通路１０５に抽出された流体は、フィルタ１０７および第１オリフィス１０６を経て、電磁弁１０９に導入される。電磁弁１０９は無通電時導入流体をブロックし、駆動装置１０４のシリンダ１１３のヘッド側流体を排気する。電磁弁１０９を通電することにより排気が止められ、導入流体がシリンダ１１３のヘッド側に送り込まれる。ピストン１１５はスプリング１１４の付勢力とバランスする位置までロッド方向（図５の下方）に移動し、リンク機構１１６を介してバタフライバルブ１０２を開口する。従って、バタフライバルブ１０２の開閉速度は単位時間内にシリンダ１１３に送り込まれる流体の流量により決められる。

バタフライバルブ１０２の上流側圧力が所定値より低い場合、バイパス通路１１０のチェック弁１１１が開いて、第１オリフィス１０６を通過する流体と第２オリフィス１１２を通過する流体が合流してシリンダ１１３に供給され、バタフライバルブ１０２の開閉動作速度が遅くならない限度に補正する。また、上流側圧力が所定値より高い場合、チェック弁１１１が閉じ、第１オリフィス１０６を通過する流体だけがシリンダ１１３に供給され、バタフライバルブ１０２の開閉動作速度が速くならない限度に調整される。

また、図６に示す空気調和装置１２０は、配管１２１を流れる流体の通過量を配管内に設けたバタフライバルブ１２２を開閉制御することにより調整するものである。このバタフライバルブ１２２は、流量調整機構１２３から出力される流体を用いた駆動装置１２４により駆動される。

具体的には、流量調整機構１２３は、流体の入力ポート１４４と、入力ポート１４４に対向して設けられたベントポート１２５と、駆動装置１２４のシリンダ１３１へ制御された流体を供給する出力ポート１２６と、それら３ポートが設けられた制御室１２７と、入力ポート１４４とベントポート１２５の間に設けられたフラッパ１２９と、制御室１２７に取付けられたフラッパ１２９の駆動機構１２８と、出力ポート１２６の出口に設けられた固定オリフィス１３０から構成される。

上記のとおり構成された流量調整機構１２３は、フラッパ１２９の駆動機構１２８の出力が０の状態では、フラッパ１２９が入力ポート１４４を閉塞しているため、制御室１２７内の圧力は略０（以下、圧力はゲージ圧とする）に保たれている。従って、駆動装置１２４のピストン１３２はスプリング１３３の付勢力により押し上げられ、配管１２１のバタフライバルブ１２２は、ピストン１３２のロッド側（図６の下方）に設けられたリンク機構１３４により閉じられる。

駆動機構１２８の出力の増加にともない、フラッパ１２９が入力ポート１４４側からベントポート１２５側に変位するため、制御室１２７内に流入する流体の流量が増加し、制御室１２７内の圧力が上昇する。従ってシリンダ１３１の圧力も上昇しピストン１３２はスプリング１３３の付勢力とバランスする位置まで押し下げられ、バタフライバルブ１２２はピストン１３２の移動量に見合った角度だけ開口する。

図３はフラッパ１２９が入力ポート１４４側からベントポート１２５側へ変位する変位量と固定オリフィス１３０の下流側圧力との関係を示す特性曲線である。曲線Ａは入力ポート１４４に供給される流体の圧力が所定値より低く、かつ固定オリフィス１３０が設置されていない場合の出力ポート１２６の圧力とフラッパ１２９の変位量との関係を示す特性曲線である。フラッパ１２９の変位量が０から増加するに従い出力ポート１２６の圧力も０からＳ字状に増加する。

曲線Ｂおよび曲線Ｃは、入力ポート１４４に供給される流体の圧力が所定値より高い場合の関係が示されている。曲線Ｂは、固定オリフィス１３０が設けられていない場合の特性を示し、この場合、駆動機構１２８の出力が０であっても、入力ポート１４４に供給される流体の圧力が高いためフラッパ１２９が入力ポート１４４から離れる傾向にあり、制御室１２７内に流体が漏れて残圧Ｐ_０が発生する。従って、駆動機構１２８の出力が０であっても駆動装置１２４のシリンダ１３１に残圧Ｐ_０がかかり、ピストン１３２はスプリング１３３の付勢力に抗して下方に押し下げられ、バタフライバルブ１２２を開口する。

曲線Ｃは、前記残圧Ｐ_０を相殺するために、出力ポート１２６の下流側に圧損がＰ_０の固定オリフィス１３０を設けた場合の特性を示す。この場合、駆動機構１２８の出力が０の時の固定オリフィス１３０の下流側流体圧力は略０となり、駆動装置１２４のピストン１３２を押し下げることもなく、バタフライバルブ１２２を閉め切ることができる。

特開２００６−１９９０５７号公報

特許文献１の航空機用空気調和装置１００では、流量調整機構１０３に供給される流体の圧力が所定値に対し高いか低いかによって、駆動装置１０４に供給される流量が急激に変化するため制御が不安定になる恐れがある。

また、空気調和装置１２０の例では、フラッパ１２９の変位量が増大するに伴い固定オリフィス１３０の圧損が増大し、下流側圧力が頭打ちになる（図３の曲線Ｃ参照）。そのためフラッパ１２９の変位量が最大値になってもバタフライバルブ１２２を全開させることができない。

上記の課題を解決するため本発明は、密閉された制御室に流体の入力ポートとベントポートと出力ポートを設けるとともに、前記入力ポートと前記ベントポートの間にフラッパを設け、前記フラッパを前記入力ポートの閉塞位置から前記ベントポート方向へ変位させることにより前記制御室内へ流入する流量を制御するフラッパの変位制御部と、前記出力ポートの下流側にオリフィスを設けた流量調整機構を備える空気調和装置において、前記オリフィスは流体圧による軸方向の圧縮・伸長に対し内外径が拡大・縮小変形可能な小ヤング率素材を用いた可変オリフィスであることを特徴とする。

また、前記小ヤング率素材として、ヤング率１〜１０ＭＰａのシリコンゴムを用いたことを特徴とする。

さらに、前記可変オリフィスに流体圧以外の軸方向外力を加える機構を設けたことを特徴とする。

前記可変オリフィスを設けることにより、フラッパの変位量が増大するにともないオリフィス穴が拡大し、固定オリフィスのように下流側圧力が頭打ちにならない（図３の曲線Ｄ参照）。そのためフラッパの変位量が最大値でバタフライバルブを全開することができる。また、ヤング率の小さいシリコンゴムの使用により流体漏れを抑制する効果があり、さらに、流体圧以外の軸方向外力を加える機構を設けることによりオリフィス穴の大きさの初期値を調整可能にする。

本発明の空気調和装置の説明図本発明の可変オリフィスの拡大断面図本発明の流量調整機構の特性曲線図本発明の可変オリフィスの変形例図従来の実施例説明図従来の実施例説明図

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の空気調和装置の説明図、図２は本発明の可変オリフィスの拡大断面図を示す。

本発明の流量調整機構１は、図１に示すとおり流体の入力ポート３と流体を外部へ排気するベントポート４と流体を駆動装置に供給する出力ポート５を設けた密閉された制御室２と、入力ポート３とベントポート４の間に設けたフラッパ６と該フラッパ６を入力ポート３の閉塞位置からベントポート４方向に変位させる電動トルクモータ７を備えた変位制御部２６と、出力ポート５の下流に設けた可変オリフィス８から構成されている。

以上のとおり構成された流量調整機構１の動作は、電動トルクモータ７に供給される電流が０の場合、フラッパ６は入力ポート３を閉塞し、制御室２に流入する流体は無く制御室２内の圧力は０である。電動トルクモータ７に供給される電流が増加するに伴いフラッパ６の入力ポート３からベントポート４側への変位量が増加し、制御室２内に流入する流体の流量が増加する。このことにより制御室２内の圧力は入力ポート３に供給される流体圧力まで上昇する。

出力ポートの下流側に固定オリフィスを設けた従来方式の流量調整機構では、フラッパ６の変位量を増加させて制御室２内の圧力を上昇させても、固定オリフィスの圧損が上昇し固定オリフィス下流側の圧力上昇は頭打ちとなるが（図３の曲線Ｃ参照）、後述の可変オリフィス８を用いた流量調整機構１では、フラッパ６の変位量増加にともないオリフィス穴１６が拡大するため、可変オリフィス８の下流側圧力は圧損による影響を受けず図３の曲線Ｄに示す理想的な特性の制御を行うことができる。

前述の可変オリフィス８について、図２の拡大図をもとに詳述する。本発明の可変オリフィス８は、厚肉円筒状材料の軸方向に圧力が作用する場合、円筒の内外径が径の広がる方向に変形する性質を利用したものである。即ち径方向の変形量は軸方向の圧力の大きさに比例し、材料のヤング率に反比例する。

上記の物性を利用した可変オリフィス８は、図２に示すとおり内部に仕切り壁１０を設けた円筒部材１１と、ヤング率Ｅが１〜１０ＭＰａの円筒状シリコンゴム材で形成され中央に同心円状のオリフィス穴１６が設けられたオリフィス部材９と、オリフィス部材９の上流側端面にオリフィス部材９の径方向と軸方向の伸縮が自在となるよう保持するとともに円筒部材１１の内周からの流体の漏れを防止するシール部材１２を備え、かつオリフィス部材９との接触面が平滑に形成された座金１３とで構成されている。

仕切り壁１０には、中央に円筒部材１１と同心円の穴１５が貫通して設けられ、オリフィス部材９との接触面は平滑に形成されている。また、オリフィス部材９の外径と円筒部材１１の内径との間には、オリフィス部材９の外径が流体圧により伸縮変形するのを妨げないための適度の空間ａが設けられており、空間ａは円筒部材１１に設けられた通路１４により大気と連通している。

以上の通り構成された可変オリフィス８の動作は次の通りである。すなわち可変オリフィス８の入口より流入した流体の圧力によりオリフィス部材９は、座金１３を介して軸方向に圧縮され縮小変形する。一方、オリフィス部材９の外周を大気に連通させているため外径およびオリフィス穴１６は径方向に拡大変形する。流体の圧力が低くなるとオリフィス部材９は軸方向に伸長変形し、外径およびオリフィス穴１６は縮小変形する。このように流体の圧力変動に応じオリフィス部材９は軸方向および径方向に伸縮変形する。オリフィス部材９の軸方向伸縮変形に応じ座金１３は軸方向に進退し、常にオリフィス部材９を仕切り壁１０側に押し付けるとともにオリフィス部材９の上下端面をシールする。

上記の可変オリフィス８を出力ポート５の下流に設けた流量調整機構１を備えた空気調和装置３０を図１に示す。空気調和装置３０は、流量調整機構１と、流量調整機構１から出力される流量調整された流体を受けてバタフライバルブ２０を駆動する駆動装置１７から構成されている。

駆動装置１７は、シリンダ１８と、シリンダ１８内に進退可能に設けられ、かつシリンダ１８に流体による圧力がないときにはスプリング１９の付勢力によりシリンダ１８のヘッド側に押し付けられているピストン２１と、ピストン２１のロッド側に設けられ、バタフライバルブ２０を駆動するリンク機構２２から構成されている。

以上の通り構成された空気調和装置３０において、流量調整機構１の入力ポート３へ供給する流体は、別途供給源（図示略）を用いてもよく、配管２３のバタフライバルブ２０の上流側に設けられた流体の取出し口２４から供給してもよい。

入力ポート３に供給される流体圧力が高い場合、変位制御部２６からの出力が０であってもフラッパ６から漏洩した流体により制御室２内に残圧Ｐ_０が生じるが出力ポート５の下流側に設けた可変オリフィス８により略０まで減圧され、駆動装置１７への影響はない。

本発明が提供する可変オリフィス８を備えた流量調整機構１およびそれを備えた空気調和装置３０は以上のとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではない。

例えば、図４に示すとおり、可変オリフィス８において、一方の端面を座金１３に保持し、他端を軸方向に移動可能な調整ねじ３２に保持したオリフィス部材９に軸方向の外力を付加するばね３１を設けることも可能である。このことによりオリフィス部材９に作用する流体圧が小さい場合でもオリフィス穴１６の初期値を大きくすることができる。

１流量調整機構
２制御室
３入力ポート
４ベントポート
５出力ポート
６フラッパ
７電動トルクモータ
８可変オリフィス
９オリフィス部材
１０仕切り壁
１１円筒部材
１２シール部材
１３座金
１４通路
１５穴
１６オリフィス穴
１７駆動装置
１８シリンダ
１９スプリング
２０バタフライバルブ
２１ピストン
２２リンク機構
２３配管
２４取出し口
２６変位制御部
３０空気調和装置
３１ばね
３２調整ねじ

Claims

密閉された制御室に流体の入力ポートとベントポートと出力ポートを設けるとともに、前記入力ポートと前記ベントポートの間にフラッパを設け、前記フラッパを前記入力ポートの閉塞位置から前記ベントポート方向へ変位させることにより前記制御室内へ流入する流量を制御するフラッパの変位制御部と、前記出力ポートの下流側にオリフィスを設けた流量調整機構を備える空気調和装置において、前記オリフィスは流体圧による軸方向の圧縮・伸長に対し内外径が拡大・縮小変形可能な小ヤング率素材を用いた可変オリフィスであることを特徴とする空気調和装置。
前記小ヤング率素材として、ヤング率１〜１０ＭＰａのシリコンゴムを用いたことを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
前記可変オリフィスに流体圧以外の軸方向外力を加える機構を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の空気調和装置。