JP3023170B2 - 空気データセンサーの水分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、空気データセンサーの通路中の空気から液
体状の水または、雪および氷などの固体状の水を除去す
ること、およびその空気の圧力や温度などのパラメータ
を測定することに関する。

従来技術において、大気から水、雪および氷を除去す
ることは長い間の懸案事項であり、それはしばしば水ト
ラップシステムによって取り扱われてきた。そのような
システムは、セイブ（Seib）他に与えられた米国特許第
3926594号明細書に示されている。セイブは、入口より
出口を高くし、空気と水の混合物を内部チャンバー中で
分離することを教示している。水は、内部チャンバーの
ドレン孔から外部チャンバー中に排水される。外部チャ
ンバーには、水を排出するための別のドレン開口が設け
られている。

本発明の発明者であるヘイゲン（Hagen）他に与えら
れた米国特許第4645517号明細書に示されているような
ドレンマニホルドは、航空機のそのようなシステム中の
過剰の水を除去するのに有用であった。

上述のシステムおよびマニホルドは、航空機から水を
除去するのに配管および種々の機械的装置を必要とす
る。本発明は、そのような配管および機械的装置を減ら
しながら、望ましくない水、雪および氷の除去を可能に
する。

本発明は、液体状または固体状の水が分離された空気
のパラメータを検知するために大気に結合された装置に
関し、その装置は、大気に連通する開放口を有し、その
開放口から適当なチャンバー中の開口に至る通路を規定
するハウジングを含む。水分離装置は、空気から液体状
または固体状の水を分離するために上記通路中に配置さ
れ、空気の流れは実質的に制限しないが、その中を水や
氷は流さないように形成されたポートを含む。水分離装
置に付着した水または氷を蒸発させるように水分離装置
に結合された熱伝達手段であるヒーターを付加すること
によって、全天候性能が改善される。

本発明の一実施態様においては、ハウジングは閉じた
ベッセルを内部に有する。ベッセルは、通路に結合した
開口を有し、通路はさらに開放口に結合されて空気圧通
路を形成している。必要に応じて、圧力、温度または静
圧などの所望のパラメータを測定するために、ベッセル
中にセンサーを配置することができる。測定を行うため
に、所望の設備または読み取り装置に適当な接続がなさ
れる。

水分離装置を開示されたように配置することにより、
従来のドレンコックは不要になる。水がセンサーに接触
しないので、センサーの性能はさらに向上する。

図面の簡単な説明 第１図は本発明に従って構成された好適実施例の一つ
の断面図、 第２図は第１図の線２−２上から見た平面図、 第３図は本発明に従って構成された別の好適実施例の
部分断面図、 第４図はピトー静圧管の空気圧力ライン中に配置され
た本発明の別の好適実施例の一部破断側面図、 第５図は本発明のさらに別の態様を利用したピトー静
圧管の−部断面一部破断部分側面図、 第６図は第５図の線６−６上での断面図、 第７図は第５図の線７−７上での断面図、 第８図は第５図の線８−８上での断面図、 第９図は第８図の線９−９上での断面図である。

実施例の説明 図面を参照すると、第１図および第２図には、本発明
による水分離装置の全体配置が示されている。水分離装
置は全体を10で示され、装置および他の付随する要素を
航空機または他の設備の所望のパラメータが測定される
場所に搭載するための、ベースとなる外部ハウジング11
を含む。穴12および13は、装置10を航空機外壁と同一平
面をなして搭載するように設けられている。

外部ハウジング11は好適にはアルミニウムで作られて
いる。ハウジング11には静圧ポート14および15が形成さ
れている。図には２個の静圧ポートが示されているが、
典型的には６個あるいはそれ以上の多数の静圧ポートが
使用される。チャンバー19もハウジング11中に形成され
ている。内部ハウジング20もアルミニウムで作られてい
る。内部ハウジング20には、内部環状リング22および凹
所24が形成されている。内部ハウジングの中心を通る穴
26、は凹所24をセンサーハウジング92に結合させる。

水分離手段30も、アルミニウムブロックで作られてい
る。手段30中には大きな穴が削られて空洞32が形成され
ている。水分離手段30の上部外周面33をさらに研削し
て、手段30の上面に環状バッフル34が形成されている。
２つの環状リング38および39によって水分離手段30中に
Ｏリング溝36が形成されている。複数のポート41が、ド
リルまたは他の適当な手段によって手段30の下端42中に
形成されている。これらのポートの寸法、形状およびパ
ターンは、空気は通すが水、雪および氷は実質的に通さ
ないように選択されている。

そのような好適実施例の一つが第２図に示されてい
る。ポートの数は、ポートの寸法が小さいことによる空
気力学的遅延が、測定されるパラメータに対して許容で
きるように選択されている。一つの好適実施例において
は、0.0254mm（0.001インチ）の許容誤差で直径が0.406
mm（0.016インチ）の円形ポートが全ての水および氷を
排除し、そして、そのようなポートが41個あれば航空機
の静圧測定に対して十分な応答時間が得られることが見
出だされた。しかし、0.254mm（0.01インチ）から0.762
mm（0.03インチ）の直径のものも用いられてきた。

形状および直径の異なる他のポートも同様に水、氷お
よび雪を十分に排除するであろうと推測され、ポート数
を違えても静圧または温度測定に対して異なりはするが
許容できる応答時間を与えることであろうことが推測さ
れる。これらのポートのパターンは、その上面に生成さ
れた水滴が許容できる数以上の数のポートを閉鎖しない
ように選定される。

内部ハウジング20は、たとえばTIG溶接によって46で
水分離手投30に結合されて、水分離組立体48が形成され
る。次に、電気絶縁性で、好ましくは熱伝導性のポッテ
ィング（potting）コンパウンド56中に埋設されたドー
ナツ状の電気ヒーター板55が外部ハウジング11の内側表
面58上に配置される。続いて、外面に電気絶縁物を塗っ
た別体のうず巻ヒーター62が組立体48のまわりに巻回さ
れる。ヒーター板55およびヒーター62に対する電力は、
ヒーター62に接続された第１のリード線64、ヒーター62
からヒーター板55への第２のリード線66、およびヒータ
ー板55からの第３のリード線68によって供給される。

リード線64および68は、次にそれぞれフィードスルー
64Aおよび68Aを介して、水分離組立体48を貫通して適当
な電源に接続される。ヒーター62は、水分離手段30を加
熱して氷および雪を溶かすとともに、溜まった水を蒸発
させることにより、ポート41に水、氷および雪が付着す
ることがないようにして空気が流通できるようにする。
一つの好適実施例はヒーター62を包含するが、実際の運
転条件における水、雪および氷の状態がそのようなヒー
ターを必要としない場合には、ヒーター62は不要であ
る。ヒーター板55は外部ハウジング11並びに静圧ポート
14および15を加熱し、運転条件によって必要な場合に設
けられる。加熱は、既知の技術を用いて、エンジンブリ
ードエアーを装置10に適当に送風することによっても行
なうことができる。

その後、組立体48は外部ハウジング11のチャンバー19
内に挿入される。ねじ72などの適当なコネクタで組立体
48を適所に固定する。Ｏリング溝36中のＯリング74は、
外部ハウジング11のフランジ76に結合して気密シールを
形成する。作動時、大気の静圧は静圧ポート14および15
に入る。バッフル34は、所望寸法の微粒子物質に対する
バリヤとして作用する。大気は、続いて壁80および空洞
32によって形成された通路手段82に入る。次に、大気は
ポート41によって水、雪および氷並びに他の微粒子物質
をふるい落とされ、そのような水、雪および氷を除かれ
た空気は、凹所24、穴26およびセンサーハウジング92の
チャンバー90によって形成されたベッセル84に入る。

センサーハウジング92は、組立体48に適当に結合され
ている。Ｏリング94は、静圧測定に対してベッセル84を
気密にシールする。センサー96は圧力、温度または他の
タイプのセンサーとすることができるが、好適には静圧
または他の空気圧を検出するセンサーである。そのよう
なセンサーは、センサーの励起および読み出しのための
適当なリード線100および102を有する。一つの好適実施
例中のセンサー96はベッセル84中に配置されているが、
センサー96は、米国特許第4311053号明細書の第１の圧
力入口20への接続のような、従来の配管系を用いてベッ
セル84に結合してもよい。その場合、振動ビームが圧力
変化に応答するように、第２の圧力入口21は閉め切ら
れ、あるいは必要によりベローズ16は除去されることが
できる。

第３図は、本発明の別の好適な実施例である。静圧組
立体は大略を310で示されている。この実施例におい
て、組立体310の構造は第１図に類似していることが理
解されるであろう。この実施例における空気の流れは、
静圧ポート314および315を通り、通路314Aおよび315Aを
通って、水分離手段330のポート341に到る。水、雪およ
び氷はポート341によって大気から除去され、空気はポ
ートを通って、水分離手段330中の大径の穴384A、小径
の穴384Bおよび環状リング384C、並びに内部ハウジング
320中の通路384Dによって形成されたベッセル384に到
る。

ベッセル384は、取付部387に取り付けられる外部継手
によって閉塞される。センサーはベッセル中またはベッ
セル上に適当に配置され、外部継手は静圧に対して気密
にシールされる。この実施例において、空気はポート34
1を通って穴384Aの外周に到る。万が一にも水がポート3
41を通過してしまったとすると、その水はプレート390
に衝突し、直立管392によって、穴384Aの外周および通
路384Dの間に、符号394で示されているように捕捉され
る。その水は、次いでヒーター362によって蒸発させら
れる。この付加的な水バリヤは、このようにして、セン
サーを水に露出させることなしに、水の除去および凝結
の除去に対する付加的な保護をもたらす。

水を除去された空気は、ポート400を通って通路384D
に入る。外部表面並びにポート314および315は、ヒータ
ー板355によって加熱される。ヒーター板355およびヒー
ター362は、第１図の好適実施例で説明されたようにし
て給電される。

第４図は、本発明の別の好適実施例である。ピトー静
圧検知プローブは大略を410で示されている。ピトーポ
ート412は、プローブ410の胴部416の先端414中に設けら
れている。このピトーポートは、ピトー圧力管420から
なる第１の空気圧力ラインを含むピトー圧力チャンバー
418に通じている。ピトー圧力管420は、プローブ410の
胴部416および支柱部分422の内部を通って延び、プロー
ブベース424の外側で終わっている。その位置にはセン
サー426が適当に結合されていて、ピトー圧を検知する
ための気密シールを形成している。

第１の隔壁428および第２の隔壁430が胴部416の内部
に配置され、１またはそれ以上の静圧ポート434を通し
て大気に通じている静圧チャンバー432を規定してい
る。静圧チャンバー432は、プローブの胴部416および支
柱部分422の内部を通って延び、プローブベース424の外
側で終わる静圧管436からなる第２の空気圧力ラインを
含む。静圧管436の終端位置には、センサー438が適当に
結合されていて、静圧を検知するために気密シールを形
成している。

各々複数のポート420Bおよび436Bを有する水分離手段
420Aおよび436Aは、ピトー圧力管420および静圧管436中
にそれぞれ配置されている。水分離ポート420Bおよび43
6Bは、水の通過は実質的に禁止するが、空気の自由な流
れは許容するような寸法、形状および分布パターンを有
するように選択されている。もし必要なら、ピトー圧力
管および静圧管420および436には、図示されているよう
に、大きな水分離手段420Aおよび436Aを収容するための
膨らんだ領域を設けることができる。ヒーター手段440
は、水を蒸散させるために、水分離手段420Aおよび436A
と熱伝導状態にしてプローブ410内に配置されており、
その給電は、所望により、胴部416中に配置された電気
的防氷ヒーター442に対して独立して、あるいはこれと
直列に接続して行なわれる。

所望ならば、センサー426および438は、水分離手段42
0Aおよび436Aの下流のピトー圧力管および静圧管中に、
各々配置することができる。本発明は、たとえば、流れ
角（flow angle）測定にも適用することができる。

本発明は、飛行機、ミサイル、宇宙船などの航空機に
対しては静圧、流れ角又はピトー圧を測定するために有
用であり、固定設備においては気象学上の要求に対して
有用である。

開示されているように、本発明は、水除去のための既
存のシステムより小形である。そのため既存のシステム
より軽量かつ低コストになり、それは全て低燃費、より
大きな実効荷重など航空機の効率改善に結びつく。これ
らの要因は、典型的には各航空機は多数の静圧およびピ
トー圧システムを有し、したがって、全体としての効率
改善は、改善された効率に必要なシステムの数が掛け算
されたものになるので、特に重要である。本発明はま
た、気体圧力の遅延を減少させ、したがってまた、高速
応答を可能にする。というのも、センサーが静圧ポート
に隣接して配置されるので長い気体圧力伝達ラインが不
要になり、小さな圧力変化がそのような長い気体圧力伝
達ラインを通して検知される時の時間遅延が減少するか
らである。

水分離手段中に設けたポートによる水分離は、分離手
段の表面上の水が他の水分子と結合してメニスカス又は
水滴を形成したときに生じる。ポートの寸法または形状
およびパターンは、必要によりヒーターと組み合わされ
たとき、気体圧力の遅延が所定量でかつ許容可能である
ように、十分な穴がそこを流れる空気に対して開放状態
に維持されるように選択されている。

時定数すなわち空気力学的遅延（Ｔ）は、ポートの長
さ（Ｉ）およびベッセル84の体積（Ｖ）の関数で、かつ
ポートの数（Ｎ）および円形ポートの有効直径の４乗
（d⁴）の逆関数であり、すなわちＴ＝ｆ（IV/Nd⁴）であ
る。円筒形以外のポートに対する有効直径は既知の方法
によって決定される。

本発明のさらに変形した態様が第５図乃至第８図に示
されている。プローブ450中に図示されているように、
この態様は、ピトー圧および静圧だけでなく迎え角をも
測定する既知の設計のものであり、従来法にしたがって
胴部452上に検知ポートを有する。ここで使用されてい
る各ポートは、胴部452で検知される流体圧に対する通
路を形成する別々のラインに通じている。これらのライ
ンすなわち通路は、ポート455から静圧を伝達する管す
なわちラインからなる第１の通路454を含む。

管すなわちライン456中に形成された第２の通路は、
ポート457から第１の角度検知圧力信号を伝達し、第３
の管すなわちライン458はポート459から第２の角度検知
圧力信号を伝達する内部通路を有し、さらに第４の管す
なわちライン460はポート461からピトー圧信号を伝達す
る内部通路を有する。これらの各管すなわちライン454,
456,458および460は、支柱部分462の中に実質的に同一
構造に形成され、第５図に図示されている。

第６図に示されているように、管454-460は円形断面
を有してほぼ平行に配置され、一方、支柱部分462は大
略偏平な形状をしていて、中に管が入る内部チャンバー
を有する。ヒーター組立体464は、後述するように、管4
54-460に接してその一部を加熱する一対のＵ字形ヒータ
ー線466および467を含む多数の個別のヒーター線を備え
る。これらの管断面およびヒーターは、第７図および第
８図に示されている。

第８図には、圧力通路を形成するこれらの管の典型例
として、管460が断面図で示されている。管460は流体圧
力を変える大径部分460Aを有するとともに、小径部分46
0Bが管部分の接合部で適所にろう付けされて、領域460C
あたりで直径の不連続部を形成している。この接合部は
流体が漏れないようにシールされている。他の管454,45
6および458も、それぞれ大径部分454A,456Aおよび458
A、並びに小径部分454B,456Bおよび458Bを有する。

水分離手段460Dは管部分460Aの内部に装着され、接合
部460Cから上流側に離間している。水分離手段460D（同
一の水分離手段が各管部分454A,456Aおよび458A中にあ
る）は適所にろう付けまたは鋲留めされ、その外周を管
部分460Aの内面に対して実質的にシールされ、第９図に
460Eで示されている複数のポートを有する。

ヒーター線466および467は、ほぼＵ字形のループ466A
および467Aに成形され、小径の管部分454B,456B,458Bお
よび460Bに接触して加熱する離間した脚部を有する。ヒ
ーターのループ部分からの熱はこれらの管に伝導され
る。ここで、各Ｕ字形ヒーター線部分の一方の脚は接合
部460Cのろう付け接合部、および他の管454-458に対す
る各接合部に接触することにも注意しなければならな
い。

各管454,456,458および460中に配置された水分離手段
は、空気の流れを自由に通すが、水、雪または氷の通過
を実質的に妨げるような寸法、形状および分布パターン
を有するように選択されている。ヒーターループ466Aお
よび467Aは管と熱的に接触しているので、水分離手段46
0D（および各管454,456および458中の水分離手段）上に
たまった水があればそれを蒸発させ、氷または雪がたま
っていればそれを溶かす。水分離手段460D（代表して説
明する）は好適には金属などの熱伝導体であるので、こ
の金属性水分離手段に接触する雪または氷は融点以上に
加熱され、液体は蒸発される。ヒーターループ466Aおよ
び467Aが管部分454B,456B,458Bおよび460B接触するの
で、これらは高温になる。水分離手段中の開口は空気の
出入口となる。

管454,456,458,および460によって形成された各通路
中の水分離手段を貫通するポートによってもたらされる
水分離は、分離手段の表面上の水が他の水と結合してメ
ニスカスまたは水滴を形成するときに生じる。ポートの
パターンは、そこを通って流れる空気またはそこを通し
て作用する圧力に対して有効な数の穴が開放されたまま
に残り、空気力学的遅延が所定量かつ許容可能であるよ
うに選定される。本発明の先の実施態様で述べた時定数
は、ポートの長さおよび流体圧を受け入れる検知チャン
バーまたはベッセルの容積の関数である。

本発明のこの実施態様において、各管454,456,458お
よび460は、気体圧力信号をベッセルからなる圧力検知
チャンバーに戻す。典型的なチャンバーすなわちベッセ
ルは480で示されている。これら個々の圧力信号は、そ
れぞれ個別のセンサーチャンバーすなわちベッセルに伝
達される。

開示された本発明によれば、第１の実施態様の同一平
面マウントは（空気）抵抗を減少させ、機体外表面を滑
らかにしてレーダー反射率を減少させることになるの
で、より一層の性能改善をもたらす。同一平面マウント
はまた、飛行中は異物の衝突（FOD）による物理的損傷
の発生を、そして地上にあるときは他の原因による物理
的損傷の発生をも減少させる。図示されているプローブ
において、水分離手段の使用は別個のドレンチャンバー
を不要にすることによって寸法を減少させ、かつまた重
量を減少させる。

本発明を好適実施例を参照して説明したが、技術に熟
練したものは、本発明の精神および範囲を逸脱すること
なくその態様および細部に変更を加えることができるこ
とを理解するであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 46/00 - 46/54 G01P 5/165

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】胴部および支柱を有し、航空機に搭載され
   る空気データ検知プローブであって、 該胴部は大気に通じる開放口を有し、また、通路手段は
   支柱の中心開口を通ってセンサーハウジング内のチャン
   バーに連通し、空気を前記開放口から受け取るための管
   を含み、水分離手段は開放口とチャンバー間の上記管内
   に配置され、該水分離手段は、水が通過することを実質
   的に妨げる空気流ポートを具備し、空気データセンサー
   を加熱するためのヒーター手段は水分離手段の近傍で上
   記管に熱的に接触して氷または雪を溶解し、開放口と水
   分離手段間の水を蒸発させるヒーター手段を含む装置。
2. 【請求項２】少なくとも一つのパラメータを検知するた
   めに大気に開放している検知ポートを有する空気データ
   検知装置であって、 装置外部から検知チャンバーに流体圧信号を伝達するた
   めに、上記検知ポートに結合されている上記装置中の通
   路手段と、 上記通路手段中に配置された水分離手段とを含み、 上記水分離手段は、そこを貫通する空気流ポートを有す
   る部材を含み、該空気流ポートの寸法が、空気圧信号は
   そこを通過させるが、水がそこを通過するのは実質的に
   排斥するように設定されている空気データ検知装置。
3. 【請求項３】上記装置は航空機に搭載され、航空機の外
   部に開口する検知ポートを有する空気データ検知装置を
   含み、上記水分離手段を保持する通路は、上記水分離手
   段に捕捉された固体状の水を溶解し、かつ水分離手段に
   溜まっている液体状の水を蒸発させるのに十分な熱を発
   生させるヒーターに熱的に接触している請求項２記載の
   装置。