JP3234898B2 - エアーブリージングエンジン用プリクーラの着霜量低減方法 - Google Patents

エアーブリージングエンジン用プリクーラの着霜量低減方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器の着霜量
低減方法に係り、特に、エアーブリージングエンジン用
のプリクーラに対して好適な着霜量低減方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】空気液化サイクルエンジンや予冷ターボ
系エンジンの実用化に際して、高性能なプリクーラ（空
気予冷却器）の開発がキーテクノロジーとなっている。
この様なプリクーラの開発において、最も懸念されてい
るのが熱交換器の伝熱面における着霜の問題である。
【０００３】伝熱面に着霜が起きると、霜層の熱抵抗に
よって熱伝達性能が低下し、また、空気（主流れ）の流
路が狭まることによって、その圧力損失が増大する。特
に、極低温状態の伝熱面に形成される霜層は、密度が低
く、熱伝導率が小さいので、熱交換器の性能に大きな影
響を及ぼす。
【０００４】特に、スペースプレーンに使用されるエア
ーブリージングエンジン用のプリクーラにおいて着霜が
問題となるのは、加速フェーズにある低高度飛行時であ
り、この間（数十〜数百秒程度）に、エンジンの運転を
中断することはできない。即ち、この様な場合には、冷
凍・空調用の熱交換器などにおいて採用されている様な
間欠的な除霜運転を行うことはできない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の様な
問題点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、エアー
ブリージングエンジン用のプリクーラなどの極低温状態
の伝熱面を有する熱交換器において、伝熱面上への着霜
量を低減するための方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、エアーブリー
ジングエンジン用プリクーラの伝熱面上への着霜量を低
減する方法であって、着霜物質を含有する被冷却気体の
流れの中に、前記伝熱面の上流側で極低温流体を混入
し、前記着霜物質を前記流れの中で凝結させ、凝結させ
た前記着霜物質を前記流れとともに前記プリクーラ中を
通過させることを特徴とする。
【０００７】本発明の着霜量低減方法によれば、伝熱面
の上流側で被冷却気体の流れの中に極低温流体を混入す
ることによって、当該流れを露点以下の温度に冷却し、
当該流れの中で着霜物質を凝結させる。凝結した着霜物
質は、被冷却気体の流れに乗って伝熱面上を通過する。
その結果、伝熱面上に堆積する霜の量を減少させること
ができる。
【０００８】例えば、前記熱交換器がエアーブリージン
グエンジン用のプリクーラの場合、前記被冷却気体は空
気であり、前記着霜物質は水蒸気である。
【０００９】なお、代表的な極低温流体は、空気の深冷
分離によって得られる液体酸素または液体窒素である。
また、極低温流体として液化天然ガスを使用すれば、エ
ンジンの燃料の一部として機能させることもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の着霜量低減方法
をエアーブリージングエンジン用のプリクーラに適用す
る場合の模式図を示す。図中、１はプリクーラ、２は伝
熱管（伝熱面）、３はダクト（吸入側のダクト）、４は
ノズル、１１は空気（被冷却気体）、１２は液体水素
（冷媒）、１３は液体酸素（極低温流体）を表す。
【００１１】エアーブリージングエンジン（図示せず）
に予冷された空気を送るプリクーラ１の内部には、伝熱
管２が配置されている。伝熱管２の内部には、冷媒とし
て液体水素１２が供給される。被冷却気体である空気１
１は、ダクト３を介してプリクーラ１に送られ、プリク
ーラ１内で冷却された空気は、エアーブリージングエン
ジンの圧縮機に送られる。
【００１２】ダクト３の途中には、ノズル４が設けられ
ている。このノズル４を介して、ダクト３内に液体酸素
１３が噴霧される。噴霧された液体酸素１３が気化する
ことによって、ダクト３内の空気１１が露点以下の温度
に冷却され、空気の中に含まれている水蒸気が核凝結す
る。核凝結によって形成された氷片は、空気１１の流れ
に乗ってプリクーラ１の内部に運ばれ、伝熱管２の周囲
を通過する。
【００１３】この様に、水蒸気が氷片の状態で伝熱管２
の周囲を通過することによって、水蒸気の状態のままで
通過する場合と比較して、伝熱管２の表面への着霜量が
減少する。その結果、プリクーラ１の熱交換能力が良好
な状態で維持される。
【００１４】図２に、主流（空気）の中に液体酸素を噴
霧した際の、液体酸素の噴霧量と主流の温度降下の関係
についての計算結果を示す。図３に、同様に、液体窒素
を噴霧した際の、液体窒素の噴霧量と主流の温度降下の
関係についての計算結果を示す。
【００１５】なお、本発明の方法をエアーブリージング
エンジン用のプリクーラに適用する際、極低温流体に液
体酸素を用いれば酸化剤として機能し、液化天然ガスを
用いれば燃料の一部として機能するので、いずれの場合
にもエンジン性能を向上させることができる。
【００１６】図４に、本発明の方法を一列管群要素熱交
換器モデル（伝熱管外径８ｍｍ、ピッチ１２ｍｍ）に適
用した場合の、主流（空気）の温度と着霜速度の関係を
示す。これらの実験では、約１００Ｋの低温窒素ガスを
混入することによって主流を冷却した。なお、伝熱面温
度を９０Ｋ、主流中の水蒸気の質量流束を１０．４ｇ／
（ｍ２・ｓ）とした。主流のレイノルズ数は１５７０で
ある。着霜速度は、伝熱管の前面における着霜開始から
１００秒の間に成長した霜層を秤量して求めたものであ
る。
【００１７】
【発明の効果】本発明の熱交換器の着霜量低減方法によ
れば、伝熱面上への着霜速度が減少することによって、
プリクーラの性能を向上させることができる。本発明の
着霜量低減方法を、スペースプレーンに使用されるエア
ーブリージングエンジン用のプリクーラに適用すれば、
プリクーラの運転を中断することなく着霜を防止するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の着霜量低減方法をエアーブリージング
エンジン用のプリクーラに適用する場合の模式図。
【図２】空気の主流の中に液体酸素を噴霧した際の、液
体酸素の噴霧量と主流の温度降下の関係を示す図。
【図３】空気の主流の中に液体窒素を噴霧した際の、液
体窒素の噴霧量と主流の温度降下の関係を示す図。
【図４】一列管群要素熱交換器モデルにおいて、主流の
中に低温窒素ガスを混入した際の、主流の温度と着霜速
度の関係を示す図。
【符号の説明】
１・・・プリクーラ、 ２・・・伝熱管（伝熱面）、 ３・・・ダクト（吸入側のダクト）、 ４・・・ノズル、 １１・・・空気（被冷却気体）、 １２・・・液体水素（冷媒） １３・・・液体酸素（極低温液体）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ２８Ｆ 17/00 ５１１ Ｆ２８Ｆ 17/00 ５１１ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 29/04 F02K 7/00 F02M 31/20 F28F 17/00 511

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エアーブリージングエンジン用プリクー
    ラの伝熱面上への着霜量を低減する方法であって、着霜
    物質を含有する被冷却気体の流れの中に、前記伝熱面の
    上流側で極低温流体を混入し、前記着霜物質を前記流れ
    の中で凝結させ、凝結させた前記着霜物質を前記流れと
    ともに前記プリクーラ中を通過させることを特徴とする
    エアーブリージングエンジン用プリクーラの着霜量低減
    方法。
  2. 【請求項２】 前記被冷却気体は空気であり、前記着霜
    物質は水蒸気であることを特徴とする請求項１に記載の
    エアーブリージングエンジン用プリクーラの着霜量低減
    方法。
  3. 【請求項３】 前記極低温流体は、液体酸素であること
    を特徴とする請求項１または２に記載のエアーブリージ
    ングエンジン用プリクーラの着霜量低減方法。
  4. 【請求項４】 前記極低温流体は、液体窒素であること
    を特徴とする請求項１または２に記載のエアーブリージ
    ングエンジン用プリクーラの着霜量低減方法。
  5. 【請求項５】 前記極低温流体は、液化天然ガスである
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のエアーブリ
    ージングエンジン用プリクーラの着霜量低減方法。
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