JP5361915B2 - 流体の冷却装置及びこれを備える飛行体、ならびに流体の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体の温度を下げるように動作する冷却装置及びこれを備える飛行体、ならびに流体の冷却方法に関する。

航空機などの飛行体に適用される冷却装置は、冷媒の相変化を利用する蒸気循環（Vapor Cycle）型と、エンジンのブリード空気の断熱膨張を利用する冷却機械適用型と、に大別される。

上記２種の冷却装置のうち冷却機械適用型のものでは、冷却装置に供給される気体の温度や圧力を飛行体の速度、高度、大気温度、大気圧力などの運用環境に応じて一定の範囲に制御するために、別途の制御器を設置するのが一般的であった。しかしながら、別途の制御器は、システム全体としてのコストを増加させるだけでなく、飛行体において制御器の設置空間を確保しなければならないという問題があった。

そこで、上記問題を解決するために、別途の制御器を必要としない新しい冷却装置が考えられる。

本発明は、運用環境の影響を最小限に抑えられる冷却装置及びこれを備える飛行体、ならびに流体の冷却方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、流体が流入して第１の冷媒と熱交換するように構成された第１の熱交換器であって、前記流体が前記第１の冷媒の気化温度に近い温度でこの第１の熱交換器から流出するように、前記熱交換により前記第１の冷媒を気化させる第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器に連結され、前記第１の熱交換器から流出した流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機に連結され、前記圧縮機により圧縮された流体を膨張させて前記圧縮された流体の温度を下げるタービンと、相変化物質を貯蔵する相変化熱交換器であって、前記タービンに連結され、この相変化熱交換器から排出される流体の温度を制御するように、前記相変化物質と前記タービンから流出した流体とを熱交換させる相変化熱交換器と、を含んで構成される冷却装置を提供する。

本発明の一態様によれば、前記相変化熱交換器は、前記相変化物質が貯蔵された貯蔵室と、前記タービンから流出した流体が流入及び流出するように形成され、前記貯蔵室を横切るように設けられ、少なくとも一部が互いに平行に配置された複数のチャンネルと、を含んで構成される。前記貯蔵室は、隔膜のない単純空間に形成されてもよい。

本発明の他の態様によれば、前記第１の熱交換器は、前記流体及び前記第１の冷媒がそれぞれ流入及び流出するように構成された本体と、前記本体の内部に設置され、前記第１の冷媒を流動させるための複数の微細流路を備える冷媒流路板と、前記流体を流動させるための複数の微細流路を備え、前記冷媒流路板に積層される流体流路板と、を含んで構成される。前記第１の熱交換器から流出する前記第１の冷媒は、飽和蒸気状態又は過熱蒸気状態であり、前記第１の熱交換器に流入する流体は、前記第１の冷媒の気化温度より高温の空気又は気体であってよい。

本発明のさらに別の態様によれば、前記冷却装置は、前記圧縮機と前記タービンとの間に配置され、前記圧縮機により圧縮された流体を第２の冷媒との熱交換により冷却するように構成された第２の熱交換器をさらに含んで構成される。前記第２の熱交換器は、前記タービンに流入する流体の温度が前記第２の冷媒の気化温度に近くなるように、前記熱交換により前記第２の冷媒を気化させる。前記圧縮機のインペラと前記タービンのロータとは同一の回転軸に支持され、前記第２の熱交換器は前記回転軸と平行に配置されるとよい。

また、上記目的を達成するために、本発明は、飛行体外部の流体を取込可能に構成された飛行体本体と、前記飛行体本体に搭載されてこの飛行体の推力を生成するエンジンであって、前記飛行体本体に取り込まれた流体を加熱するように構成されたエンジンと、前記エンジンにより加熱された流体を冷却可能に配設され、冷却された前記流体を前記飛行体本体において温度調節が求められる温調対象に供給する前記冷却装置と、を含んで構成される飛行体を提供する。

さらに、上記目的を達成するために、本発明は、流体の温度を冷媒の気化温度近くまで下げるように、前記冷媒の気化熱を利用して前記流体を冷却する段階と、温度が下がった前記流体を、圧縮機を用いて圧縮する段階と、前記圧縮機により圧縮された流体の温度を下げるように、前記圧縮機に連結されたタービンを用いて前記圧縮された流体を膨張させる段階と、前記タービンから流出した流体の温度を一定の範囲に維持するように、相変化物質が相変化に際して放出又は吸収する熱を前記タービンから流出した流体と交換させる段階と、を含んで構成される冷却方法を提供する。前記冷却段階は、前記冷媒の気化温度より高温の前記流体を熱交換器に流入させ、前記冷媒が前記熱交換器内で前記流体と熱交換して飽和蒸気状態又は過熱蒸気状態となる段階であってよい。

本発明によれば、運用環境の変化に応じて冷却装置の動作条件が変化した場合であっても、相変化熱交換器により冷却装置から排出される流体の温度を一定の範囲に維持することができる。

また、本発明によれば、気化熱を利用する熱交換器により、熱交換器の出口における流体の温度を冷媒が気化する温度近くに維持することができる。これにより、冷却装置に対する運用環境の影響を最小限に抑えることができる。

本発明の一実施形態による飛行体の構成を示す概念図である。 図１の飛行体に適用される同上実施形態による冷却方法のフローチャートである。 図１の冷却装置の全体的な構成を示す概念図である。 図３の熱交換器の斜視図である。 図３の熱交換器に内蔵される流路板の分解図である。 図３の圧縮機及びタービンの断面図である。 図３の相変化熱交換器の構成を示す概念図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下の説明では、異なる実施形態であっても各実施形態の間で同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号を付し、その説明は最初の説明を援用する。また、以下の説明で用いられる単数の表示は、特に断らない限り複数の場合を含むものとする。

図１は、本発明の一実施形態による飛行体１００の構成を示す概念図である。

飛行体１００は、例えば航空機、ミサイル、ロケットなどであり、同図では航空機を示す。飛行体１００は、飛行体本体１１０、エンジン１２０、冷却装置２００などを備える。

飛行体本体１１０は、飛行体外部の流体、例えば空気（外気）を取り込むように構成され、エンジン１２０は、飛行体本体１１０に搭載されて飛行体１００の推力を生成するとともに、飛行体本体１１０に取り込まれた空気を加熱するように構成される。

ここで、飛行中は飛行体外部の温度（外部温度）が低すぎるので（例えば１０キロメートル上空を飛行するときの外部温度は、零下約５０℃となる）、この低温環境から乗客を守って快適な空間を提供するために暖房装置が必要であるが、本実施形態では、エンジン１２０がこの暖房装置の役割を果たす。

エンジン１２０による加熱で非常に熱くなった空気は、冷却装置２００により冷却される。前記空気は、適切な温度に冷却された後、例えば客室などのように、温度調節が求められる対象（温調対象）１３０に供給される。

飛行体１００の飛行環境に応じて冷却装置２００の運用環境は急激に変化することがあるが、本実施形態では、運用環境の変化に関係なくエンジン１２０により加熱された流体（以下、特に「高温流体」という）を一定の温度に冷却する冷却方法が適用される。

以下、本実施形態において適用される冷却方法について説明する。図２は、本実施形態による冷却方法のフローチャートである。

まず、流体の温度を冷媒の気化温度近くまで下げるように、前記冷媒の気化熱を利用して前記流体を冷却する（Ｓ１００）。

流体は、空気又は気体（本実施形態では、航路上の外気）であって、冷媒の気化温度より高温の状態で熱交換器に流入する。冷媒は、前記熱交換器内で前記流体と熱交換して飽和蒸気状態又は過熱蒸気状態となり、流体は、冷媒の気化に熱を奪われ、冷却される。この気化熱を利用した冷却により運用環境の影響が抑えられ、従って、流体は、常に冷媒の気化温度に近い温度に冷却される。前記熱交換器は、例えば蒸発式熱交換器であってよい。

具体的には、冷却ステップ（Ｓ１００）は、冷媒が気化する区間で冷媒の温度が一定の温度を維持する現象を利用する。

冷媒流路側では一定の温度を維持して冷媒が気化する現象が起こり、流体流路側では一定の温度で気化している冷媒に熱を奪われて流体の温度が下がる。冷媒流路側が一定の温度を維持しているため、流体流路側の出口温度における運用環境の影響が抑えられる。

次に、前記冷却により温度が下がった流体を、圧縮機を用いて圧縮した後（Ｓ２００）、この圧縮された流体の温度を下げるように、前記圧縮機に連結されたタービンを用いて前記圧縮された流体を膨張させる（Ｓ３００）。前記圧縮機により圧縮された流体は、高温圧縮状態であり、前記タービンにおいて断熱膨張して温度を下げる。

最後に、前記タービンから流出した流体の温度を一定の範囲に維持するように、相変化物質がその相変化に際して放出又は吸収する熱を前記タービンから流出した流体と交換させる（Ｓ４００）。

冷却装置の動作条件が良好であり、タービンの出口温度が膨張効果により十分に低くなった場合は、相変化物質は蓄積しているエネルギーを放出して凝固する。ここで、タービンから流出した流体の温度が目標とする範囲の温度より低い場合に、相変化物質から放出されたエネルギーを受けて流体の温度が上がる。

これに対し、冷却装置の動作条件が良好でなく、タービンの出口温度が目標とする範囲の温度より高い場合は、高温流体に含まれるエネルギーが相変化物質に伝達され、流体の排出温度が下がる。このように、タービンから流出した流体が相変化熱交換器において相変化物質と熱交換することで、相変化熱交換器（即ち冷却装置）から排出される流体の温度が制御される。

以下、本実施形態による冷却装置２００の構成について、図３〜図６を参照してより詳細に説明する。図３は図１の冷却装置２００の全体的な構成を示す概念図であり、図４ａは図３の熱交換器の斜視図であり、図４ｂは図３の熱交換器に内蔵される流路板の分解図であり、図５は図３の圧縮機及びタービンの断面図であり、図６は図３の相変化熱交換器の構成を示す概念図である。

図３を参照すると、冷却装置２００は、熱交換器（「第１の熱交換器」に相当する）２１０、圧縮機２２０、タービン２３０を備える。

熱交換器２１０は、流体が流入して冷媒（「第１の冷媒」に相当する）と熱交換するように構成され、前記流体が前記冷媒の気化温度に近い温度でこの熱交換器２１０から流出するように、前記熱交換により前記冷媒を気化させる。

図４ａ及び図４ｂを参照すると、熱交換器２１０の本体２１１は、流体及び冷媒がそれぞれ流入及び流出する流出入口２１２ａ、２１２ｂ、２１３ａ、２１３ｂを備える。

具体的には、本体２１１は、冷媒貯蔵タンク（図示せず）に貯蔵された低温液体状態の冷媒を流入させるための低温部冷媒入口２１２ａと、低温部冷媒入口２１２ａの反対側に形成されて高温流体を供給するための高温部流体入口２１３ａと、低温部冷媒入口２１２ａの反対側に形成されて飽和蒸気状態又は過熱蒸気状態の冷媒を流出させるための低温部冷媒出口２１２ｂと、高温流体を液体状態の冷媒と熱交換して冷却された状態で排出するための高温部流体出口２１３ｂと、を備える。

冷媒は、例えば自然水又は冷却水などであり、高温部流体入口２１３ａから供給される高温流体は、前記冷媒の気化温度より高温の空気又は気体である。

本体２１１の内部に設置された微細流路板２１４、２１５は、冷媒を流動させるための冷媒流路板２１４と高温流体を流動させるための流体流路板２１５とからなる。冷媒流路板２１４と流体流路板２１５とは、隔板２１６を介して交互に積層される。

冷媒流路板２１４は、低温部冷媒入口２１２ａと低温部冷媒出口２１２ｂとの間に介在しており、流体流路板２１５は、高温部流体入口２１３ａと高温部流体出口２１３ｂとの間に介在している。

冷媒流路板２１４は、冷媒を流動させるための複数の微細流路を備え、流体流路板２１５は、流体を流動させるための複数の微細流路を備えている。このように、本実施形態では、数ｍｍ以内の厚さの複数の微細流路板が層状に重ね合わされて熱交換器２１０が構成される。

具体的には、冷媒流路板２１４には所定の間隔をおいて複数の微細流路がエッチング形成されており、冷媒は図中矢印で示す流れ方向２１４ａに移動しながら高温流体から伝達された熱を吸収する。

流体流路板２１５には所定の間隔をおいて複数の微細流路がエッチング形成されており、流体は図中矢印で示す流れ方向２１５ａに移動しながら冷媒との熱交換により冷却される。

ここで、常温で供給された液体状態の冷媒は、流体から伝達された熱を吸収して微細流路内で蒸発するが、水などの液体の蒸発潜熱及び比熱は一般的に大きいため、少ない量の冷媒でも多くの熱を吸収させることができる。

図４ｂに示すように、冷媒流路板２１４の微細流路は、流路方向が少なくとも２回折り返される迷路構造又は蛇行構造をなしている。このような流路構造は、例えば飛行体１００が加速する場合に、蒸発していない液体状態の冷媒が慣性により低温部冷媒出口２１２ｂに到達し、熱交換器２１０からすぐに排出されないようにする機能も果たす。

図３及び図５を参照すると、圧縮機２２０は、熱交換器２１０から流出した流体を圧縮するように熱交換器２１０に連結され、タービン２３０は、圧縮機２２０により圧縮された流体を膨張させて前記圧縮された流体の温度を下げるように圧縮機２２０に連結される。

圧縮機２２０は、回転軸２４０の回転により圧縮機２２０の内部に流入した流体を圧縮する機能を果たす。圧縮機２２０は、圧縮機ケース２２１とインペラ２２２とを備える。

圧縮機ケース２２１は、インペラ２２２を収容する機能を果たし、圧縮機入口２２３と圧縮機出口２２４とを備える。圧縮機入口２２３は、回転軸２４０の軸方向を向くように（換言すれば、その開口端面が回転軸２４０と交差する方向に）形成され、圧縮機出口２２４は、回転軸２４０の半径方向を向くように形成される。

インペラ２２２は、回転軸２４０の一端に装着され、回転軸２４０の回転により回転して圧縮機２２０の内部に流入した流体の圧力を増加させる。

タービン２３０は、圧縮機２２０から流入した流体を断熱膨張により冷却して流出させるとともに、回転軸２４０に駆動力を与える機能を果たす。このように、タービン２３０は、冷却された流体を排出する機能とともに、圧縮機２２０の駆動源としての機能をも果たす。圧縮機２２０は、タービン２３０により生成されたエネルギーを利用して圧縮機２２０の内部に流入した流体を圧縮し、タービン入口２３３に供給する。

タービン２３０は、タービンケース２３１とロータ２３２とを備える。

タービンケース２３１は、ロータ２３２を収容する機能を果たし、タービン入口２３３とタービン出口２３４とを備える。タービン入口２３３は、回転軸２４０の半径方向を向くように形成され、タービン出口２３４は、回転軸２４０の軸方向を向くように形成される。

ロータ２３２は、回転軸２４０に対して圧縮機２２０のインペラ２２２とは反対側の一端に装着され、タービン入口２３３とタービン出口２３４との間の圧力差により回転動作を行う。タービン２３０の内部に流入した流体は、ロータ２３２を回転させてエネルギーを生成し、ロータ２３２を通過した流体は、断熱膨張により冷却されてタービン出口２３４から排出される。図５に示すように、インペラ２２２、ロータ２３２及び回転軸２４０は、一体で回転するように互いに固定されている。

図５に示すように、本実施形態では、圧縮機２２０とタービン２３０との間に第２の熱交換器２５０が配置される。

第２の熱交換器２５０は、圧縮機２２０とタービン２３０との間に配置され、圧縮機２２０により圧縮された流体を第２の冷媒との熱交換により冷却するように構成される。第２の熱交換器２５０は、タービン２３０に流入する流体の温度が前記第２の冷媒の気化温度に近くなるように、前記熱交換により前記第２の冷媒を気化させる。ここで、第２の熱交換器２５０は、圧縮機２２０の前段に配置される熱交換器（第１の熱交換器）２１０と同一又は類似の構造の蒸発式熱交換器であってよく、第２の冷媒には第１の冷媒と同じく自然水又は冷却水などを用いることができる。

本実施形態では、冷却流路を十分に確保しつつ冷却装置２００全体がよりコンパクトな構成となるように、第２の熱交換器２５０が回転軸２４０と平行に配置されている。具体的には、図５に示すように、第２の熱交換器２５０の本体が弧状に湾曲させて形成され、この本体が回転軸２４０に沿うように配置されている。

熱交換器２１０により一次冷却された流体は、圧縮機２２０における圧縮過程で温度Ｔ及び圧力Ｐが上昇し、この過程でタービン２３０により生成されたエネルギーを消費する。断熱圧縮過程について、圧縮機２２０の出口温度Ｔ_２は、比熱比κを用いて一般的に下式により計算される（下付きの数字は、「１」が圧縮前の状態を、「２」が圧縮後の状態を示す）。

ここで、流体を空気とし、圧縮機２２０の圧縮比を２とした場合に、圧縮機２２０の出口温度Ｔ_２は、入口温度Ｔ_１に比べて１．２２倍に上昇する。第２の熱交換器２５０は、冷却装置２００の効率を高めるために、圧縮機２２０の出口側に配置される。

図３及び図６を参照すると、タービン２３０の出口に隣接して相変化熱交換器２６０が配置される。

相変化熱交換器２６０には相変化物質（又は相変化材料）が貯蔵されており、相変化熱交換器２６０は、タービン２３０に連結され、この相変化熱交換器２６０から排出される流体の温度を制御するように、前記相変化物質とタービン２３０から流出した流体とを熱交換させる。

具体的には、相変化熱交換器２６０は、貯蔵室２６１と複数のチャンネル２６２ａ、２６２ｂとを備える。

貯蔵室２６１は、相変化物質を貯蔵するように形成される。相変化物質は、相変化に際してエネルギーを吸収又は放出する物質であり、本実施形態では、流体の温度が相変化物質の相変化温度より高い場合に、相変化のためのエネルギーを流体から吸収して固体から液体に相を変化させ、逆に流体の温度がこの相変化温度より低い場合に、液体から固体に相を変化させてエネルギーを放出する。

貯蔵室２６１は、隔膜のない単純空間に形成され、相変化物質が充填される。貯蔵室２６１が単純空間に形成されることで、相変化物質の固体及び液体間における相変化現象がより順調に起こる。本実施形態では、図６に示すように、貯蔵室２６１を流体がこの相変化熱交換器２６０を通過する方向に隔膜等による仕切りのない空間として形成しているが、隔膜等により複数に分割してもよい。

複数のチャンネル２６２ａ、２６２ｂは、流体が流入及び流出するように形成され、貯蔵室２６１を横切るように設けられ、チャンネルの長さ方向の少なくとも一部において互いに平行に配置される。具体的には、供給される流体の流路は、数ｍｍ以内の幅の微細チャンネルとして実現され、そのような微細チャンネルが形成された数層の流路板２６２を重ね合わせて構成される。これにより、流体及び相変化物質間における熱伝達が効果的に行われ、相変化熱交換器２６０の効率が可及的に高められる。

相変化熱交換器２６０は、冷却装置２００の動作条件に応じ、タービン２３０から排出される流体の冷却状態が過剰であれば流体の温度を上げ、逆に冷却状態が不十分であれば流体の温度を下げる役割を果たす。

このように、本実施形態によれば、液体の蒸発熱や固体の融解熱などのような相変化現象を利用する蒸発熱交換器及び相変化熱交換器により、冷却装置に対する運用環境の影響を抑制し、別途の制御器を備えることなく温度調節を行える冷却装置を実現することができる。

本発明による流体の冷却装置及びこれを備える飛行体、ならびに流体の冷却方法は、以上で述べた実施形態の構成及び方法に限定されるものではなく、開示の実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせて様々な変形を加えることで、様々な実施形態として実現することができる。

１００…飛行体、１１０…飛行体本体、１２０…エンジン、１３０…温調対象、２００…冷却装置、２１０…第１の熱交換器、２１１…本体、２１２ａ…低温部冷媒入口、２１２ｂ…低温部冷媒出口、２１３ａ…高温部流体入口、２１３ｂ…高温部流体出口、２１４…冷媒流路板、２１５…流体流路板、２１６…隔板、２２０…圧縮機、２２１…圧縮機ケース、２２２…インペラ、２２３…圧縮機入口、２２４…圧縮機出口、２３０…タービン、２３１…タービンケース、２３２…ロータ、２３３…タービン入口、２３４…タービン出口、２５０…第２の熱交換器、２６０…相変化熱交換器、２６１…貯蔵室、２６２…流路板、２６２ａ，２６２ｂ…チャンネル。

Claims (6)

1. 飛行体外部の流体を取込可能に構成された飛行体本体と、
   前記飛行体本体に搭載されてこの飛行体の推力を生成するエンジンであって、前記飛行体本体に取り込まれた流体を加熱するように構成されたエンジンと、
   前記エンジンにより加熱された流体を冷却可能に配設され、前記冷却された流体を前記飛行体本体において温度調節が求められる温調対象に供給するように構成された冷却装置と、を含んで構成され、
   前記冷却装置は、
   前記エンジンから流入した流体が第１の冷媒と熱交換するように構成された第１の熱交換器であって、前記流入した流体が前記第１の冷媒の気化温度に近い温度でこの第１の熱交換器から流出するように、前記熱交換により前記第１の冷媒を気化させる第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器に連結され、前記第１の熱交換器から流出した流体を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機に連結され、前記圧縮機により圧縮された流体を膨張させて前記圧縮された流体の温度を下げるタービンと、
   相変化物質を貯蔵する相変化熱交換器であって、前記タービンに連結され、この相変化熱交換器から排出される流体の温度を制御するように、前記相変化物質と前記タービンから流出した流体とを熱交換させる相変化熱交換器と、を含んで構成され、
   前記第１の熱交換器は、
   前記第１の冷媒及び前記エンジンからの流体がそれぞれ流入及び流出するように構成された本体と、
   前記本体の内部に設置され、前記第１の冷媒を流動させるための複数の微細流路を備える冷媒流路板と、
   前記エンジンからの流体を流動させるための複数の微細流路を備え、前記冷媒流路板に積層される流体流路板と、を含んで構成され、
   前記冷媒流路板の微細流路は、その流路方向が少なくとも２回折り返される迷路構造又は蛇行構造からなる、飛行体。
2. 前記相変化熱交換器は、
   前記相変化物質が貯蔵された貯蔵室と、
   前記タービンから流出した流体が流入及び流出するように形成され、前記貯蔵室を横切るように設けられ、少なくとも一部が互いに平行に配置された複数のチャンネルと、
   を含んで構成される、請求項１に記載の飛行体。
3. 前記貯蔵室が、隔膜のない単純空間に形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の飛行体。
4. 前記第１の熱交換器から流出する前記第１の冷媒が、飽和蒸気状態又は過熱蒸気状態であり、
   前記第１の熱交換器に流入する流体が、前記第１の冷媒の気化温度より高温の空気又は気体であることを特徴とする、請求項１に記載の飛行体。
5. 前記圧縮機と前記タービンとの間に配置され、前記圧縮機により圧縮された流体を第２の冷媒との熱交換により冷却するように構成された第２の熱交換器をさらに含み、
   前記第２の熱交換器は、前記タービンに流入する流体の温度が前記第２の冷媒の気化温度に近くなるように、前記熱交換により前記第２の冷媒を気化させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の飛行体。
6. 前記圧縮機のインペラと前記タービンのロータとが同一の回転軸に支持され、
   前記第２の熱交換器が前記回転軸と平行に配置されることを特徴とする、請求項５に記載の飛行体。