JPH04308325A - 動力自給型熱交換装置 - Google Patents
動力自給型熱交換装置Info
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- JPH04308325A JPH04308325A JP3318609A JP31860991A JPH04308325A JP H04308325 A JPH04308325 A JP H04308325A JP 3318609 A JP3318609 A JP 3318609A JP 31860991 A JP31860991 A JP 31860991A JP H04308325 A JPH04308325 A JP H04308325A
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Links
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
- F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
- F02C1/10—Closed cycles
- F02C1/105—Closed cycles construction; details
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱交換装置に関し、特に
、高速民間輸送飛行乗物等で用いる動力自給の完備式熱
交換装置に関する。
、高速民間輸送飛行乗物等で用いる動力自給の完備式熱
交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】高マッハ数エンジン、例えば、商用超音
速輸送機用エンジンと関連する未来の熱交換器では、燃
焼器材料の選定と窒素酸化物低減のためにエンジン燃焼
器壁を冷却することと、タービン材料選定上の理由でエ
ンジンタービン冷却空気を冷却することが一般に知られ
ている。また、この冷却用のヒートシンクとして、エン
ジンで消費される燃料を用いることも知られている。こ
れは、冷却用燃料を高温の燃焼器外壁に沿って循環させ
る従来の単一熱交換器の設計（エンジンオイルを冷却す
るために液体燃料をヒートシンクとして用いる現用航空
機熱交換器と同様のもの）で達成され得る。しかし、こ
のような熱交換器は満足すべきものではない。燃料によ
り冷却される燃焼器壁を通って燃焼室内に漏れる燃料に
より、燃焼器の下流にあるエンジン高圧タービンに有害
な局在熱状態（しばしばホットストリーキングと呼ばれ
る状態）が発生するおそれがある。また、タービン冷却
空気管壁を通る燃料の漏れがエンジンを破壊するような
火災を引起こすおそれがある。
速輸送機用エンジンと関連する未来の熱交換器では、燃
焼器材料の選定と窒素酸化物低減のためにエンジン燃焼
器壁を冷却することと、タービン材料選定上の理由でエ
ンジンタービン冷却空気を冷却することが一般に知られ
ている。また、この冷却用のヒートシンクとして、エン
ジンで消費される燃料を用いることも知られている。こ
れは、冷却用燃料を高温の燃焼器外壁に沿って循環させ
る従来の単一熱交換器の設計（エンジンオイルを冷却す
るために液体燃料をヒートシンクとして用いる現用航空
機熱交換器と同様のもの）で達成され得る。しかし、こ
のような熱交換器は満足すべきものではない。燃料によ
り冷却される燃焼器壁を通って燃焼室内に漏れる燃料に
より、燃焼器の下流にあるエンジン高圧タービンに有害
な局在熱状態（しばしばホットストリーキングと呼ばれ
る状態）が発生するおそれがある。また、タービン冷却
空気管壁を通る燃料の漏れがエンジンを破壊するような
火災を引起こすおそれがある。
【０００３】未来の熱交換装置において、第１熱交換器
を用いて不活性流体、例えばヘリウムで比較的高温の燃
焼器壁または比較的高温のタービン冷却空気を冷却し（
不活性流体以外の熱伝達流体例えば水蒸気または過フッ
化炭化水素ガスも他の用途で使用可能）、次いで、熱エ
ネルギーを不活性流体から燃焼器域の外側に配置した第
２熱交換器内の比較的低温の燃料に伝達することが望ま
しい場合があることも周知のことである。このような熱
交換装置は２次冷却回路を用いて両熱交換器を接続する
もので、この２次冷却回路は、高温域（例えば燃焼器壁
）の近くに配置されて第１熱交換器の一構成部となる一
部分と、低温域（例えば燃料流域）の近くに配置されて
第２熱交換器の一構成部となる一部分とを有する。ヘリ
ウムが２次冷却回路を循環し得るように、なんらかの動
力源により駆動される熱交換装置圧縮機を用いることも
知られている。
を用いて不活性流体、例えばヘリウムで比較的高温の燃
焼器壁または比較的高温のタービン冷却空気を冷却し（
不活性流体以外の熱伝達流体例えば水蒸気または過フッ
化炭化水素ガスも他の用途で使用可能）、次いで、熱エ
ネルギーを不活性流体から燃焼器域の外側に配置した第
２熱交換器内の比較的低温の燃料に伝達することが望ま
しい場合があることも周知のことである。このような熱
交換装置は２次冷却回路を用いて両熱交換器を接続する
もので、この２次冷却回路は、高温域（例えば燃焼器壁
）の近くに配置されて第１熱交換器の一構成部となる一
部分と、低温域（例えば燃料流域）の近くに配置されて
第２熱交換器の一構成部となる一部分とを有する。ヘリ
ウムが２次冷却回路を循環し得るように、なんらかの動
力源により駆動される熱交換装置圧縮機を用いることも
知られている。
【０００４】熱交換装置を駆動する普通の動力源は、例
えば、電動機と、飛行乗物のガスタービンエンジンに連
結した補助動力軸である。このような動力源は結局飛行
乗物のエンジンによるものであるから、エンジンはその
動力の一部が飛行乗物の推進用から熱交換装置圧縮機の
駆動用に切り換えられた時運転効率が低下する。他の動
力源は、エンジン圧縮機から抽出されて熱交換装置ター
ビンを駆動する空気を包含し、このタービンは駆動軸に
より熱交換装置圧縮機に連結されてターボ圧縮機を構成
するものである。このような抽気の使用はエンジン効率
を低下させる。これらの用途等では、２次冷却回路内の
不活性流体の封じ込めにより、２次冷却回路内の不活性
流体の循環に用いる圧送装置と関連するシールから流体
が漏れるという問題が発生する。
えば、電動機と、飛行乗物のガスタービンエンジンに連
結した補助動力軸である。このような動力源は結局飛行
乗物のエンジンによるものであるから、エンジンはその
動力の一部が飛行乗物の推進用から熱交換装置圧縮機の
駆動用に切り換えられた時運転効率が低下する。他の動
力源は、エンジン圧縮機から抽出されて熱交換装置ター
ビンを駆動する空気を包含し、このタービンは駆動軸に
より熱交換装置圧縮機に連結されてターボ圧縮機を構成
するものである。このような抽気の使用はエンジン効率
を低下させる。これらの用途等では、２次冷却回路内の
不活性流体の封じ込めにより、２次冷却回路内の不活性
流体の循環に用いる圧送装置と関連するシールから流体
が漏れるという問題が発生する。
【０００５】家庭用冷蔵庫の熱交換装置におけるように
、圧縮機とその電動機とをハウジング内に封じ込め、そ
してハウジングから電動機の電線だけを出しておくこと
が知られている。この構成は冷却ガスの漏れを防ぐが、
電動機は、超音速飛行乗物において要求されるような多
量の熱の伝達が可能なポンプを駆動することができない
。
、圧縮機とその電動機とをハウジング内に封じ込め、そ
してハウジングから電動機の電線だけを出しておくこと
が知られている。この構成は冷却ガスの漏れを防ぐが、
電動機は、超音速飛行乗物において要求されるような多
量の熱の伝達が可能なポンプを駆動することができない
。
【０００６】また、自動車用放熱器の熱交換装置におけ
るように、水ポンプをエンジンの補助動力軸から駆動す
ることも公知である。この構成は家庭用冷蔵庫の場合よ
り多量の熱の伝達を可能にするが、水ポンプがその動力
軸の密封域で漏れを起こしやすい。
るように、水ポンプをエンジンの補助動力軸から駆動す
ることも公知である。この構成は家庭用冷蔵庫の場合よ
り多量の熱の伝達を可能にするが、水ポンプがその動力
軸の密封域で漏れを起こしやすい。
【０００７】必要なものは、多量の熱を超音速飛行乗物
の高温域から同乗物の低温燃料域に伝達でき、しかも２
次冷却回路から熱伝達ガスを漏らさず、また飛行乗物エ
ンジンからの動力を利用せずそしてエンジン効率を低下
させないような熱交換装置である。
の高温域から同乗物の低温燃料域に伝達でき、しかも２
次冷却回路から熱伝達ガスを漏らさず、また飛行乗物エ
ンジンからの動力を利用せずそしてエンジン効率を低下
させないような熱交換装置である。
【０００８】
【発明の目的】本発明の目的は、多量の熱を高温域から
低温域に伝達できる超音速飛行乗物用熱交換装置を提供
することである。
低温域に伝達できる超音速飛行乗物用熱交換装置を提供
することである。
【０００９】本発明の他の目的は、熱伝達流体の漏れを
起こし難い上記のような熱交換装置を提供することであ
る。
起こし難い上記のような熱交換装置を提供することであ
る。
【００１０】本発明の他の目的は、エンジンの出力と効
率に影響を与えない上記のような熱交換装置を提供する
ことである。
率に影響を与えない上記のような熱交換装置を提供する
ことである。
【００１１】
【発明の概要】本発明の好適実施態様において、高温域
と低温域との間の熱交換用装置は、ガス圧縮機と、ガス
圧縮機を駆動する装置とを含み、この駆動装置は前記圧
縮機に駆動力を供給するためにガスにより駆動される装
置を含む。本熱交換装置はまた第１導管と第２導管とを
含む。第１導管は前記圧縮機のガス出口を前記のガスに
より作動する装置のガス入口に接続するもので、第１導
管の少なくとも一部分を前記高温域付近に配置し得る。 第２導管は前記ガス作動装置のガス出口を前記圧縮機の
ガス入口に接続するもので、第２導管の少なくとも一部
分を前記低温域付近に配置し得る。前記の圧縮機と第１
導管とガス作動装置と第２導管は共に冷却ガス循環路を
構成する。好ましくは、本熱交換装置はさらに、前記圧
縮機と前記ガス作動装置とを内蔵する密閉ハウジングを
含む。
と低温域との間の熱交換用装置は、ガス圧縮機と、ガス
圧縮機を駆動する装置とを含み、この駆動装置は前記圧
縮機に駆動力を供給するためにガスにより駆動される装
置を含む。本熱交換装置はまた第１導管と第２導管とを
含む。第１導管は前記圧縮機のガス出口を前記のガスに
より作動する装置のガス入口に接続するもので、第１導
管の少なくとも一部分を前記高温域付近に配置し得る。 第２導管は前記ガス作動装置のガス出口を前記圧縮機の
ガス入口に接続するもので、第２導管の少なくとも一部
分を前記低温域付近に配置し得る。前記の圧縮機と第１
導管とガス作動装置と第２導管は共に冷却ガス循環路を
構成する。好ましくは、本熱交換装置はさらに、前記圧
縮機と前記ガス作動装置とを内蔵する密閉ハウジングを
含む。
【００１２】本発明の他の好適実施態様において、高温
域と低温域との間の熱交換用装置は、ガスにより駆動さ
れるターボ圧縮機を含む。このターボ圧縮機は圧縮機と
それに連結したタービンとを有する。本熱交換装置はま
た第１導管と第２導管とを含む。第１導管は前記圧縮機
のガス出口を前記タービンのガス入口に接続するもので
、第１導管の少なくとも一部分を前記高温域付近に配置
し得る。第２導管は前記タービンのガス出口を前記圧縮
機のガス入口に接続するもので、第２導管の少なくとも
一部分を前記低温域付近に配置し得る。前記の圧縮機と
第１導管とタービンと第２導管は共に冷却ガス循環路を
構成する。好ましくは、本熱交換装置はさらに、前記タ
ーボ圧縮機を内蔵する密閉ハウジングを含む。
域と低温域との間の熱交換用装置は、ガスにより駆動さ
れるターボ圧縮機を含む。このターボ圧縮機は圧縮機と
それに連結したタービンとを有する。本熱交換装置はま
た第１導管と第２導管とを含む。第１導管は前記圧縮機
のガス出口を前記タービンのガス入口に接続するもので
、第１導管の少なくとも一部分を前記高温域付近に配置
し得る。第２導管は前記タービンのガス出口を前記圧縮
機のガス入口に接続するもので、第２導管の少なくとも
一部分を前記低温域付近に配置し得る。前記の圧縮機と
第１導管とタービンと第２導管は共に冷却ガス循環路を
構成する。好ましくは、本熱交換装置はさらに、前記タ
ーボ圧縮機を内蔵する密閉ハウジングを含む。
【００１３】様々な利点が本発明の熱交換装置から得ら
れる。一実施例において、本熱交換装置は多量の熱を伝
達し得るターボ圧縮機を用いる。ターボ圧縮機は、熱伝
達ガスの漏れを防止するために密閉ハウジング内に設け
られる。高温域と低温域間の温度差により、エンジンの
動力を利用する必要なしにそしてエンジン効率を減らす
ことなく、ターボ圧縮機に動力が与えられる。
れる。一実施例において、本熱交換装置は多量の熱を伝
達し得るターボ圧縮機を用いる。ターボ圧縮機は、熱伝
達ガスの漏れを防止するために密閉ハウジング内に設け
られる。高温域と低温域間の温度差により、エンジンの
動力を利用する必要なしにそしてエンジン効率を減らす
ことなく、ターボ圧縮機に動力が与えられる。
【００１４】
【実施例の記載】添付図面は本発明の好適実施例を示す
。
。
【００１５】本発明の熱交換装置１０は図１と図２に示
してあり、これは高温域１２と低温域１４との間の熱交
換が望まれる任意の場所で用い得るものである。超音速
飛行乗物の場合、高温域１２はエンジンの一部分、例え
ば、燃焼器壁の少なくとも一部分あるいはタービン冷却
空気域の少なくとも一部分を包含し得る。同様に、低温
域１４は飛行乗物燃料域の一部分、好ましくは燃料流れ
域を包含し得る。
してあり、これは高温域１２と低温域１４との間の熱交
換が望まれる任意の場所で用い得るものである。超音速
飛行乗物の場合、高温域１２はエンジンの一部分、例え
ば、燃焼器壁の少なくとも一部分あるいはタービン冷却
空気域の少なくとも一部分を包含し得る。同様に、低温
域１４は飛行乗物燃料域の一部分、好ましくは燃料流れ
域を包含し得る。
【００１６】熱交換装置１０はガスにより駆動されるタ
ーボ圧縮機１６を含み、これはタービン１８と圧縮機２
０とを駆動軸２２で連結したものである。図１に明示の
ように、タービン１８はガス入口２４とガス出口２６を
有し、そして圧縮機２０はガス入口２８とガス出口３０
を有する。熱交換装置１０はさらに第１導管３２と第２
導管３４を含む。第１導管３２は圧縮機２０のガス出口
３０をタービン１８のガス入口２４に接続し、そして第
２導管３４はタービン１８のガス出口２６を圧縮機２０
のガス入口２８に接続している。第１導管３２の少なく
とも一部分を第１熱交換器３３の一構成部として高温域
１２の近くに配置し得る。また第２導管３４の少なくと
も一部分を第２熱交換器３５の一構成部として低温域１
４の近くに配置し得る。熱交換器の設計は当該技術にお
いて周知であり、本発明の一部をなすものではない。 「導管」という用語は広い意味で用いてあり、熱伝達ガ
スを内蔵する熱交換器の構成部を包含する。
ーボ圧縮機１６を含み、これはタービン１８と圧縮機２
０とを駆動軸２２で連結したものである。図１に明示の
ように、タービン１８はガス入口２４とガス出口２６を
有し、そして圧縮機２０はガス入口２８とガス出口３０
を有する。熱交換装置１０はさらに第１導管３２と第２
導管３４を含む。第１導管３２は圧縮機２０のガス出口
３０をタービン１８のガス入口２４に接続し、そして第
２導管３４はタービン１８のガス出口２６を圧縮機２０
のガス入口２８に接続している。第１導管３２の少なく
とも一部分を第１熱交換器３３の一構成部として高温域
１２の近くに配置し得る。また第２導管３４の少なくと
も一部分を第２熱交換器３５の一構成部として低温域１
４の近くに配置し得る。熱交換器の設計は当該技術にお
いて周知であり、本発明の一部をなすものではない。 「導管」という用語は広い意味で用いてあり、熱伝達ガ
スを内蔵する熱交換器の構成部を包含する。
【００１７】図示のように、圧縮機２０と第１導管３２
とタービン１８と第２導管３４は共に冷却ガス循環路を
構成している。熱交換装置１０はまたガス貯槽３６を含
み、これは冷却ガス循環路に接続されて冷却ガス循環路
内の熱伝達ガスの膨縮に役立つ。好ましくは、飛行乗物
用の場合、ヘリウムを熱伝達ガスとして冷却ガス循環路
内に入れる。水蒸気または他のガスも本用途または他の
用途に用い得る。熱交換装置１０では熱伝達液体ではな
く熱伝達ガスを用いる必要があることに注意されたい。 導管３２、３４はヘリウム漏洩問題を起こさないが、タ
ーボ圧縮機１６についてはそうは言えない。
とタービン１８と第２導管３４は共に冷却ガス循環路を
構成している。熱交換装置１０はまたガス貯槽３６を含
み、これは冷却ガス循環路に接続されて冷却ガス循環路
内の熱伝達ガスの膨縮に役立つ。好ましくは、飛行乗物
用の場合、ヘリウムを熱伝達ガスとして冷却ガス循環路
内に入れる。水蒸気または他のガスも本用途または他の
用途に用い得る。熱交換装置１０では熱伝達液体ではな
く熱伝達ガスを用いる必要があることに注意されたい。 導管３２、３４はヘリウム漏洩問題を起こさないが、タ
ーボ圧縮機１６についてはそうは言えない。
【００１８】熱交換装置１０からのヘリウムの漏れを防
ぐため、ターボ圧縮機１６は図２に示すように、密閉ハ
ウジング３７内に封じ込められる。ハウジング３７はタ
ービン流入ポート３８とタービン流出ポート４０と圧縮
機流入ポート４２と圧縮機流出ポート４４を有する。第
１および第２導管３２、３４は図示のように大部分がハ
ウジング３７の外側に配置されている。第１導管３２は
、ハウジング３７の圧縮機流出ポート４４に封着した第
１端部４６と、ハウジング３７のタービン流入ポート３
８に封着した第２端部４８とを有する。同様に、第２導
管３４は、ハウジング３７のタービン流出ポート４０に
封着した第１端部５０と、ハウジング３７の圧縮機流入
ポート４２に封着した第２端部５２とを有する。一実施
例において、ガス貯槽３６はハウジング３７の外側にお
いてハウジング３７の圧縮機流入ポート４２の近くで第
２導管３４に接続される。
ぐため、ターボ圧縮機１６は図２に示すように、密閉ハ
ウジング３７内に封じ込められる。ハウジング３７はタ
ービン流入ポート３８とタービン流出ポート４０と圧縮
機流入ポート４２と圧縮機流出ポート４４を有する。第
１および第２導管３２、３４は図示のように大部分がハ
ウジング３７の外側に配置されている。第１導管３２は
、ハウジング３７の圧縮機流出ポート４４に封着した第
１端部４６と、ハウジング３７のタービン流入ポート３
８に封着した第２端部４８とを有する。同様に、第２導
管３４は、ハウジング３７のタービン流出ポート４０に
封着した第１端部５０と、ハウジング３７の圧縮機流入
ポート４２に封着した第２端部５２とを有する。一実施
例において、ガス貯槽３６はハウジング３７の外側にお
いてハウジング３７の圧縮機流入ポート４２の近くで第
２導管３４に接続される。
【００１９】本発明の熱交換装置１０のターボ圧縮機１
６は高温域１２と低温域１４との温度差から動力を得る
ので動力を自給すると言える。さらに詳述すると、ター
ビン１８を回しターボ圧縮機１６を働かせるのは、圧力
と温度の形態のタービンエンタルピー勾配である。高温
域１２から第１導管３２内のヘリウムに移される熱エネ
ルギーは、ジェットエンジンの燃焼器からその圧縮機を
駆動するタービンに移される熱エネルギーと同様のもの
とみなしてよい。本発明において、高温域１２からの熱
エネルギーは燃焼を不要にする。
６は高温域１２と低温域１４との温度差から動力を得る
ので動力を自給すると言える。さらに詳述すると、ター
ビン１８を回しターボ圧縮機１６を働かせるのは、圧力
と温度の形態のタービンエンタルピー勾配である。高温
域１２から第１導管３２内のヘリウムに移される熱エネ
ルギーは、ジェットエンジンの燃焼器からその圧縮機を
駆動するタービンに移される熱エネルギーと同様のもの
とみなしてよい。本発明において、高温域１２からの熱
エネルギーは燃焼を不要にする。
【００２０】本発明の熱交換装置の実用性を示す計算機
シミュレーションでは、冷却ガス循環路を通る３．４３
ポンド質量毎秒の流量のヘリウムにより毎秒３３２５Ｂ
ＴＵの熱が高温域から抽出され低温域に送られた。高温
域を構成する高温空気流の温度は、第１熱交換器３３で
の高温域１２と第１導管３２内のヘリウムとの間の熱伝
達の効率を０．９３７と仮定した時、１８４５゜Ｒから
１５７１゜Ｒに低下した。圧縮機２０のガス出口３０に
おいて１０１１゜Ｒの温度で７６０．６ｐｓｉａの圧力
が得られ、また、タービン１８のガス入口２４において
１７９２゜Ｒの温度で７５５．６ｐｓｉａの圧力が得ら
れた。低温域を構成する低温燃料流の温度は、第２熱交
換器３５での第２導管３４内のヘリウムと低温域１４と
の間の熱伝達の効率を０．８９９と仮定した時、７６０
゜Ｒから１３６０゜Ｒに上昇した。タービン１８のガス
出口２６において１６３９゜Ｒの温度で５６９．４ｐｓ
ｉａの圧力が得られ、また、圧縮機２０のガス入口２８
において８５７．５゜Ｒの温度で５４４．４ｐｓｉａの
圧力が得られた。
シミュレーションでは、冷却ガス循環路を通る３．４３
ポンド質量毎秒の流量のヘリウムにより毎秒３３２５Ｂ
ＴＵの熱が高温域から抽出され低温域に送られた。高温
域を構成する高温空気流の温度は、第１熱交換器３３で
の高温域１２と第１導管３２内のヘリウムとの間の熱伝
達の効率を０．９３７と仮定した時、１８４５゜Ｒから
１５７１゜Ｒに低下した。圧縮機２０のガス出口３０に
おいて１０１１゜Ｒの温度で７６０．６ｐｓｉａの圧力
が得られ、また、タービン１８のガス入口２４において
１７９２゜Ｒの温度で７５５．６ｐｓｉａの圧力が得ら
れた。低温域を構成する低温燃料流の温度は、第２熱交
換器３５での第２導管３４内のヘリウムと低温域１４と
の間の熱伝達の効率を０．８９９と仮定した時、７６０
゜Ｒから１３６０゜Ｒに上昇した。タービン１８のガス
出口２６において１６３９゜Ｒの温度で５６９．４ｐｓ
ｉａの圧力が得られ、また、圧縮機２０のガス入口２８
において８５７．５゜Ｒの温度で５４４．４ｐｓｉａの
圧力が得られた。
【００２１】駆動軸２２は、図２に示すように、軸受５
３（例えばスリーブ軸受または自己潤滑ガスダイナミッ
ク軸受）により支持され、軸受５３はハウジング３７に
取付けた支持体５４に連結されている。支持体５４と軸
受５３はまたタービン１８を圧縮機２０から隔離するよ
うに機能する。ハウジング３７内で圧縮機２０とタービ
ン１８との間の軸受５３を通るヘリウムの漏れは重要で
はない。なぜなら、前述の計算機シミュレーションから
わかるように、圧縮機ガス出口圧力（７６０．６ｐｓｉ
ａ）はタービンガス入口圧力（７５５．６ｐｓｉａ）と
ほとんど同じだからである。
３（例えばスリーブ軸受または自己潤滑ガスダイナミッ
ク軸受）により支持され、軸受５３はハウジング３７に
取付けた支持体５４に連結されている。支持体５４と軸
受５３はまたタービン１８を圧縮機２０から隔離するよ
うに機能する。ハウジング３７内で圧縮機２０とタービ
ン１８との間の軸受５３を通るヘリウムの漏れは重要で
はない。なぜなら、前述の計算機シミュレーションから
わかるように、圧縮機ガス出口圧力（７６０．６ｐｓｉ
ａ）はタービンガス入口圧力（７５５．６ｐｓｉａ）と
ほとんど同じだからである。
【００２２】本発明の熱交換装置１０はまた、ターボ圧
縮機１６の駆動軸２２を最初に回転する手段５５を含む
。駆動軸２２はそれ自体始動することができないので幾
らかの初期回転力を受ける必要がある。しかし、一度回
転が始まると、熱交換装置１０は動力自給状態になり、
前述のように、高温域１２と低温域１４との温度差から
エネルギーを取り出してターボ圧縮機１６のタービン１
８を駆動しその初期回転から定常状態運転速度まで加速
する。ジェットエンジンが始動を必要とするように、熱
交換装置１０が静止状態で動的に不安定であり、定常運
転に達するまでその駆動軸の始動回転を必要とすること
は驚くに当たらない。
縮機１６の駆動軸２２を最初に回転する手段５５を含む
。駆動軸２２はそれ自体始動することができないので幾
らかの初期回転力を受ける必要がある。しかし、一度回
転が始まると、熱交換装置１０は動力自給状態になり、
前述のように、高温域１２と低温域１４との温度差から
エネルギーを取り出してターボ圧縮機１６のタービン１
８を駆動しその初期回転から定常状態運転速度まで加速
する。ジェットエンジンが始動を必要とするように、熱
交換装置１０が静止状態で動的に不安定であり、定常運
転に達するまでその駆動軸の始動回転を必要とすること
は驚くに当たらない。
【００２３】一実施例（図示せず）において、このよう
な手段５５は、最初少なくとも部分的に真空状態にある
冷却ガス循環路を包含する。ある量のヘリウムが圧縮機
２０のガス入口２８に導入されて駆動軸２２の初期回転
を引起こす。
な手段５５は、最初少なくとも部分的に真空状態にある
冷却ガス循環路を包含する。ある量のヘリウムが圧縮機
２０のガス入口２８に導入されて駆動軸２２の初期回転
を引起こす。
【００２４】他の実施例では、図２に示すように、この
ような手段５５は、ハウジング３７内の圧縮機２０の回
転部に取付けたスタータロータ５６と、このスタータロ
ータに取付けた永久磁石５８（例えばサマリウムコバル
ト超磁石）と、ハウジング３７の外側に配置したステー
タ６０とを含み、ステータ６０に設けた巻線の端部６２
がスイッチを介して電源（図示せず）に接続される。こ
の構成により事実上電動機が設けられ、その回転部はハ
ウジング３７の内側にありそして静止部はハウジングの
外側にある。
ような手段５５は、ハウジング３７内の圧縮機２０の回
転部に取付けたスタータロータ５６と、このスタータロ
ータに取付けた永久磁石５８（例えばサマリウムコバル
ト超磁石）と、ハウジング３７の外側に配置したステー
タ６０とを含み、ステータ６０に設けた巻線の端部６２
がスイッチを介して電源（図示せず）に接続される。こ
の構成により事実上電動機が設けられ、その回転部はハ
ウジング３７の内側にありそして静止部はハウジングの
外側にある。
【００２５】さらに他の実施例では、図３に示すように
、このような手段５５は、駆動軸２２の初期回転を達成
するために磁気結合を用い、そしてハウジング３７内に
おいて圧縮機２０に装着されて駆動軸２２とともに回転
する第１永久磁石と、ハウジング３７の外側に配置され
て第１磁石を周方向に囲むように配置された電動の回転
自在第２永久磁石とを含む。この場合、第１磁石はハウ
ジング３７内に配置した圧縮機２０のスタータロータ５
６の磁石５８である。第２磁石はスタータモータ６８の
モータ軸６６に取付けた磁石６４である。ハウジング３
７の外側の回転第２磁石６４は磁気結合によりハウジン
グ３７内の第１磁石５８を回す。他の磁気結合も用い得
る。例えば、第１永久磁石５８または第２永久磁石６４
の代りに鉄片を用いてもよい。
、このような手段５５は、駆動軸２２の初期回転を達成
するために磁気結合を用い、そしてハウジング３７内に
おいて圧縮機２０に装着されて駆動軸２２とともに回転
する第１永久磁石と、ハウジング３７の外側に配置され
て第１磁石を周方向に囲むように配置された電動の回転
自在第２永久磁石とを含む。この場合、第１磁石はハウ
ジング３７内に配置した圧縮機２０のスタータロータ５
６の磁石５８である。第２磁石はスタータモータ６８の
モータ軸６６に取付けた磁石６４である。ハウジング３
７の外側の回転第２磁石６４は磁気結合によりハウジン
グ３７内の第１磁石５８を回す。他の磁気結合も用い得
る。例えば、第１永久磁石５８または第２永久磁石６４
の代りに鉄片を用いてもよい。
【００２６】作用について述べると、前述の手段５５は
駆動軸２２の初期回転のために一時的に用いられる。次
いで、手段５５は、熱交換装置１０が自力で定常運転状
態に達すると切り離される。熱交換装置を停止したい場
合または熱交換装置による高温域１２と低温域１４との
間の熱伝達の量を調整したい場合、幾つかの方法がある
。低温域を構成する燃料の流量を変えると、圧縮機２０
に入るヘリウムの温度と、圧縮機駆動力と、ターボ圧縮
機回転速度とヘリウム流量とが変わり、従って、熱伝達
量が変わる。他の熱交換装置停止または調整方法は、ヘ
リウムの全部または一部が弁（図示せず）により第１導
管３２の第１端部４６から第１導管３２の第２端部４８
に直接流れて高温域１２をバイパスするようにヘリウム
を流すことである。代替的に、導管３２または３４の片
方におけるヘリウムの流れを単に停止または調整する弁
（図示せず）を用いてもよい。
駆動軸２２の初期回転のために一時的に用いられる。次
いで、手段５５は、熱交換装置１０が自力で定常運転状
態に達すると切り離される。熱交換装置を停止したい場
合または熱交換装置による高温域１２と低温域１４との
間の熱伝達の量を調整したい場合、幾つかの方法がある
。低温域を構成する燃料の流量を変えると、圧縮機２０
に入るヘリウムの温度と、圧縮機駆動力と、ターボ圧縮
機回転速度とヘリウム流量とが変わり、従って、熱伝達
量が変わる。他の熱交換装置停止または調整方法は、ヘ
リウムの全部または一部が弁（図示せず）により第１導
管３２の第１端部４６から第１導管３２の第２端部４８
に直接流れて高温域１２をバイパスするようにヘリウム
を流すことである。代替的に、導管３２または３４の片
方におけるヘリウムの流れを単に停止または調整する弁
（図示せず）を用いてもよい。
【００２７】以上の説明により、当業者は特定用途の熱
交換要件を満たすように本発明の熱交換装置１０を適用
できる。
交換要件を満たすように本発明の熱交換装置１０を適用
できる。
【００２８】本発明は、当業者に明らかなように、少量
または多量の熱を伝達し得る動力自給の完備式熱交換装
置を提供する。本発明の熱交換装置は航空機ジェットエ
ンジンに限定されず、他の熱交換用途にも適用し得るも
のであることを理解されたい。
または多量の熱を伝達し得る動力自給の完備式熱交換装
置を提供する。本発明の熱交換装置は航空機ジェットエ
ンジンに限定されず、他の熱交換用途にも適用し得るも
のであることを理解されたい。
【００２９】本発明の最も広範な態様では、図示の回転
圧縮機２０の代りに任意の圧縮機を用い得る。例えば、
圧縮機は空力型または容積型等でよい。空力圧縮機はフ
ァン型、軸流型、混流型、遠心型、再生型圧縮機等を包
含する。容積型圧縮機はピストン型、羽根型、歯車型、
ローブ型圧縮機等を包含する。同様に、図示の回転ター
ビン１８の代りに圧縮機を駆動する任意の手段を用い得
る。このような駆動手段は、駆動力を圧縮機に与えるた
めにガスにより駆動される手段を包含し、このようなガ
スにより駆動される手段はタービンまたはガスモ−タ等
を包含する。タービンは軸流型、半径流型、再生型ター
ビン等を包含する。ガスモ−タはピストン型、羽根型、
歯車型、ローブ型ガスモ−タ等を包含する。また、圧縮
機２０とそれに連結したタービン１８とを有する前述の
実施例の場合、図示の駆動軸２２の代りに任意の連結手
段、例えば、歯車箱、流体継手、またはクラッチ等を用
いることができる。
圧縮機２０の代りに任意の圧縮機を用い得る。例えば、
圧縮機は空力型または容積型等でよい。空力圧縮機はフ
ァン型、軸流型、混流型、遠心型、再生型圧縮機等を包
含する。容積型圧縮機はピストン型、羽根型、歯車型、
ローブ型圧縮機等を包含する。同様に、図示の回転ター
ビン１８の代りに圧縮機を駆動する任意の手段を用い得
る。このような駆動手段は、駆動力を圧縮機に与えるた
めにガスにより駆動される手段を包含し、このようなガ
スにより駆動される手段はタービンまたはガスモ−タ等
を包含する。タービンは軸流型、半径流型、再生型ター
ビン等を包含する。ガスモ−タはピストン型、羽根型、
歯車型、ローブ型ガスモ−タ等を包含する。また、圧縮
機２０とそれに連結したタービン１８とを有する前述の
実施例の場合、図示の駆動軸２２の代りに任意の連結手
段、例えば、歯車箱、流体継手、またはクラッチ等を用
いることができる。
【００３０】本発明の他の実施例では、上記駆動手段は
また、前述の圧縮機初期始動手段と、ガスにより駆動さ
れる手段によって供給される駆動力に加えて補足駆動力
を圧縮機に供給する手段とを含む。ある用途では、ガス
により駆動される手段が圧縮機を駆動するだけであるが
、他の用途では、上記のような補足駆動力手段が圧縮機
をある所定運転レベルで働かせるのに必要であるかまた
は望ましいかもしれない。このような補足駆動力手段は
、外部から動力を受ける任意のモ−タ等を含み得る。 好適実施例において、圧縮機初期始動手段５５は単に作
用状態に残されるだけで補足駆動力手段として作用する
。このような他の用途では、本発明のガスにより駆動さ
れる手段（例えばタービン１８）の存在により、圧縮機
（例えば圧縮機２０）の駆動に要する外部動力の量（例
えば、モ−タ６８を補足駆動力手段として用いる時の電
力の量）が少なくなる。
また、前述の圧縮機初期始動手段と、ガスにより駆動さ
れる手段によって供給される駆動力に加えて補足駆動力
を圧縮機に供給する手段とを含む。ある用途では、ガス
により駆動される手段が圧縮機を駆動するだけであるが
、他の用途では、上記のような補足駆動力手段が圧縮機
をある所定運転レベルで働かせるのに必要であるかまた
は望ましいかもしれない。このような補足駆動力手段は
、外部から動力を受ける任意のモ−タ等を含み得る。 好適実施例において、圧縮機初期始動手段５５は単に作
用状態に残されるだけで補足駆動力手段として作用する
。このような他の用途では、本発明のガスにより駆動さ
れる手段（例えばタービン１８）の存在により、圧縮機
（例えば圧縮機２０）の駆動に要する外部動力の量（例
えば、モ−タ６８を補足駆動力手段として用いる時の電
力の量）が少なくなる。
【００３１】以上、本発明の様々な好適実施例を説明し
たが、もちろん、本発明の範囲内で様々な改変が可能で
ある。
たが、もちろん、本発明の範囲内で様々な改変が可能で
ある。
【図１】本発明の熱交換装置の流れ概略図である。
【図２】図１の熱交換装置の機械概略図である。
【図３】図１の圧縮機域の機械概略図で、本発明の代替
実施例を示す。
実施例を示す。
１０ 熱交換装置
１２ 高温域
１４ 低温域
１６ ターボ圧縮機
１８ タービン
２０ 圧縮機
２４ タービンガス入口
２６ タービンガス出口
２８ 圧縮機ガス入口
３０ 圧縮機ガス出口
３２ 第１導管
３４ 第２導管
３６ ガス貯槽
３７ ハウジング
５５ 始動手段
５８ 永久磁石
６０ ステータ
６４ 磁石
６８ スタータモータ
Claims (19)
- 【請求項１】 高温域と低温域との間の熱交換用装置
であって、（ａ）ガス入口とガス出口とを有するガス圧
縮機と、（ｂ）この圧縮機に駆動力を供給するものでガ
ス入口とガス出口とを有しガスにより駆動される手段を
含む、前記圧縮機を駆動する手段と、（ｃ）前記圧縮機
の前記ガス出口を前記のガスにより作動する手段の前記
ガス入口に接続する導管で、その少なくとも一部分を前
記高温域付近に配置し得る第１導管と、（ｄ）前記ガス
作動手段の前記ガス出口を前記圧縮機の前記ガス入口に
接続する導管で、その少なくとも一部分を前記低温域付
近に配置し得る第２導管とからなり、前記圧縮機と前記
第１導管と前記ガス作動手段と前記第２導管とが共に冷
却ガス循環路を構成するようになっている熱交換装置。 - 【請求項２】 前記冷却ガス循環路に接続したガス貯
槽をさらに含む請求項１記載の熱交換装置。 - 【請求項３】 前記冷却ガス循環路内に入れたヘリウ
ムをさらに含む請求項１記載の熱交換装置。 - 【請求項４】 前記圧縮機と前記ガス作動手段とを内
蔵する密閉ハウジングをさらに含む請求項１記載の熱交
換装置。 - 【請求項５】 前記駆動手段はまた、前記圧縮機を最
初に始動する手段を含む、請求項１記載の熱交換装置。 - 【請求項６】 前記駆動手段はまた、前記ガス作動手
段により供給される駆動力に加えて補足駆動力を前記圧
縮機に与える手段を含む、請求項１記載の熱交換装置。 - 【請求項７】 高温域と低温域との間の熱交換用装置
であって、（ａ）圧縮機とそれに連結したタービンとを
有し、前記タービンはガス入口とガス出口とを有しそし
て前記圧縮機もガス入口とガス出口とを有するような、
ガスにより駆動されるターボ圧縮機と、（ｂ）前記圧縮
機の前記ガス出口を前記タービンの前記ガス入口に接続
する導管で、その少なくとも一部分を前記高温域付近に
配置し得る第１導管と、（ｃ）前記タービンの前記ガス
出口を前記圧縮機の前記ガス入口に接続する導管で、そ
の少なくとも一部分を前記低温域付近に配置し得る第２
導管とからなり、前記圧縮機と前記第１導管と前記ター
ビンと前記第２導管とが共に冷却ガス循環路を構成する
ようになっている熱交換装置。 - 【請求項８】 前記冷却ガス循環路に接続したガス貯
槽をさらに含む請求項７記載の熱交換装置。 - 【請求項９】 前記冷却ガス循環路内に入れたヘリウ
ムをさらに含む請求項７記載の熱交換装置。 - 【請求項１０】 前記ターボ圧縮機を内蔵する密閉ハ
ウジングをさらに含む請求項７記載の熱交換装置。 - 【請求項１１】 前記ハウジングはタービン流入ポー
トとタービン流出ポートと圧縮機流入ポートと圧縮機流
出ポートとを備え、前記第１および第２導管は大部分が
前記ハウジングの外側に配置され、前記第１導管は、前
記ハウジングの前記圧縮機流出ポートに封着された第１
端部と、前記ハウジングの前記タービン流入ポートに封
着された第２端部とを有し、そして前記第２導管は、前
記ハウジングの前記タービン流出ポートに封着された第
１端部と、前記ハウジングの前記圧縮機流入ポートに封
着された第２端部とを有する、請求項１０記載の熱交換
装置。 - 【請求項１２】 前記ハウジングの外側において前記
ハウジングの前記圧縮機流入ポートに近接して前記第２
導管に接続されたガス貯槽をさらに含む請求項１１記載
の熱交換装置。 - 【請求項１３】 前記圧縮機を最初に始動する手段を
さらに含む請求項１０記載の熱交換装置。 - 【請求項１４】 前記圧縮機は回転圧縮機であり、そ
して前記始動手段は、前記ハウジング内で前記圧縮機に
装着されて前記圧縮機と共に回転する第１磁石と、前記
ハウジングの外側で前記第１磁石を周方向に囲んでいる
電動の回転自在第２磁石とを含む、請求項１３記載の熱
交換装置。 - 【請求項１５】 前記高温域は飛行乗物エンジンの一
部分からなり、そして前記低温域は飛行乗物燃料域の少
なくとも一部分からなる、請求項１０記載の熱交換装置
。 - 【請求項１６】 前記飛行乗物エンジン部分は燃焼器
壁を含み、そして前記高温域は前記燃焼器壁の少なくと
も一部分からなる、請求項１５記載の熱交換装置。 - 【請求項１７】 前記飛行乗物エンジン部分はタービ
ン冷却空気域を含み、そして前記高温域は前記タービン
冷却空気域の少なくとも一部分からなる、請求項１５記
載の熱交換装置。 - 【請求項１８】 前記タービンにより供給される駆動
力に加えて補足駆動力を前記圧縮機に与える手段をさら
に含む請求項７記載の熱交換装置。 - 【請求項１９】 前記圧縮機は回転圧縮機であり、そ
して前記補足駆動手段は、前記ハウジング内で前記圧縮
機に装着されて前記圧縮機と共に回転する第１磁石と、
前記ハウジングの外側で前記第１磁石を周方向に囲んで
いる電動の回転自在第２磁石とを含む、請求項１８記載
の熱交換装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US615,757 | 1990-11-19 | ||
| US07/615,757 US5113669A (en) | 1990-11-19 | 1990-11-19 | Self-powered heat exchange system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04308325A true JPH04308325A (ja) | 1992-10-30 |
Family
ID=24466685
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3318609A Pending JPH04308325A (ja) | 1990-11-19 | 1991-11-07 | 動力自給型熱交換装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5113669A (ja) |
| EP (1) | EP0487241A1 (ja) |
| JP (1) | JPH04308325A (ja) |
| CA (1) | CA2048807A1 (ja) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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| US8397534B2 (en) * | 2008-03-13 | 2013-03-19 | Aff-Mcquay Inc. | High capacity chiller compressor |
| BRPI1007723A2 (pt) | 2009-05-12 | 2018-03-06 | Icr Turbine Engine Corp | sistema de armazenamento e conversão de turbina a gás |
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