JP2018202364A - 混合促進部材及びそれを有する空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】流体の混合を促進すると共に、圧力損失の増加を順方向及び逆方向双方の流れに対して抑制することができる混合促進部材及びそれを有する空調システムを提供する。【解決手段】混合促進部材２１は、内側に開口部２１ｂを有するオリフィス状の板２１ａからなり、開口部２１ｂに複数の切り込み２１ｃを有している。切り込み２１ｃは、開口部２１ｂの周方向に一定間隔で均等に形成されており、オリフィス状の板２１ａ及び開口部２１ｂが円形であり、オリフィス状の板２１ａの直径をＤ１、開口部２１ｂの直径をＤ２とすると、切り込み２１ｃは、開口率が６０％〜６５％、且つ、Ｄ２／Ｄ１が０．５５〜０．７５を満たすように形成されている。空調システムは、そのダクト１１の内部に混合促進部材２１が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、管内を流れる流体の混合を促進する混合促進部材及びそれを有する空調システムに関する。

配管中に回転不能なベーンを設けて、流体を撹拌する機構が知られている（特許文献１）。

特開２０１２−１３５７３７号公報

航空機や車両の空調ダクトは限られたスペースに敷設する必要があるため、建屋等の空調ダクトと比較して直管部が少なく、曲りや分岐が多い。そのため、流れの偏流が起きやすく、空調ダクト内に発生した温度むらが解消されにくい構造になっている。

このような問題を解決するため、特許文献１には、図８に示すように、ダクト４１の中心部分に配置されたハブ５１と、ハブ５１から径方向に突出して複数設けられ、下流に向かうにつれて位相が変化する回転不能なベーン５２（整流板に該当）を有する静止型ミキシング機構５０が示されている。しかしながら、航空機や車両では、スペースが限られているため、スペースを必要とする上記静止型ミキシング機構５０の設置は困難な場合が多い。また、ルートによっては、順方向、逆方向の両方の流れに対応する必要があり、双方の圧力損失許容値を満足する必要があるが、上記静止型ミキシング機構５０は、順方向の流れ（図８中の左側から右側への流れ）に比較して、逆方向の流れ（図８中の右側から左側への流れ）は大きな抵抗となり、圧力損失が大きくなり、温度均一化と双方向流れの圧力損失抑制を両立することができない。

また、オリフィスを空調ダクト内に設置する方法も考えられる。例えば、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、ダクト４１の継ぎ目４１ａに追加できるオリフィス５３を利用することが考えられる。このようなオリフィス５３は、ダクト４１の継ぎ目４１ａに設けるため、施工性が良く、温度均一化の効果もあるが、圧力損失が大きくなり、設置できる部分は限られてくる。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、流体の混合を促進すると共に、圧力損失の増加を順方向及び逆方向双方の流れに対して抑制することができる混合促進部材及びそれを有する空調システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る混合促進部材は、
空気が供給されるダクト内に設けられる混合促進部材であって、
中央部に１つの開口部を有するオリフィス状の板からなり、
前記開口部の周縁部には外縁方向に向かう複数の切り込みを有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る混合促進部材は、
上記第１の発明に記載の混合促進部材において、
前記切り込みは、前記開口部の周方向に一定間隔で均等に形成されている
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る混合促進部材は、
上記第１又は第２の発明に記載の混合促進部材において、
前記オリフィス状の板及び前記開口部が円形であり、前記オリフィス状の板の直径をＤ１、前記開口部の直径をＤ２とすると、
前記切り込みは、開口率が６０％〜６５％、且つ、Ｄ２／Ｄ１が０．５５〜０．７５を満たすように形成されている
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る混合促進部材は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の混合促進部材を複数枚組み合わせた
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る空調システムは、
エンジンの圧縮機から第１の空気が供給される第１のダクトと、
前記エンジンのファンから第２の空気が供給される第２のダクトと、
前記第１のダクトに設けられ、前記第２のダクトから供給された前記第２の空気との熱交換により、前記第１のダクトを流れる前記第１の空気を冷却する冷却手段とを有し、
前記冷却手段より下流側の前記第１のダクトの内部に、上記第１〜第４のいずれか１つの発明に記載の混合促進部材を配置した
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る空調システムは、
上記第５の発明に記載の空調システムにおいて、
前記混合促進部材より下流の前記第１のダクトに、外部空気源から前記圧縮機へ第３の空気を供給する第３のダクトを設け、
前記第１のダクトは、前記圧縮機からの前記第１の空気の順方向の供給と前記外部空気源からの前記第３の空気の逆方向の供給とに共用される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る空調システムは、
エンジンの圧縮機から第１の空気が供給される第１のダクトと、
前記エンジンのファンから第２の空気が供給される第２のダクトと、
前記第１のダクトに設けられ、前記第２のダクトから供給された前記第２の空気との熱交換により、前記第１のダクトを流れる前記第１の空気を冷却する冷却手段と、
前記冷却手段より下流の前記第１のダクトに設けられ、外部空気源から前記圧縮機へ第３の空気を供給する第３のダクトとを有し、
前記第１のダクトは、前記圧縮機からの前記第１の空気の順方向の供給と前記外部空気源からの前記第３の空気の逆方向の供給とに共用される
ことを特徴とする。

本発明によれば、流体の混合を促進して、ダクト内の温度分布のむらを緩和することができると共に、圧力損失の増加を順方向及び逆方向双方の流れに対して抑制することができる。また、簡易な部品の追加で上記効果を得ることができ、スペースのない場所にも実装可能である。

本発明に係る混合促進部材の実施形態の一例を示す図であり、（ａ）は、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ線矢視断面図である。 図１に示した混合促進部材の変形例を示す図であり、（ａ）は、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図であり、（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線矢視断面図である。 図１、図２に示した混合促進部材による温度の標準偏差及び圧力損失を示すグラフである。 図３に示したグラフの作成に用いた解析モデルを示す概略図である。 図１に示した混合促進部材を適用する空調システムの通常時における系統概略図である。 図５に示した空調システムのエンジン始動時における系統概略図である。 本発明に係る混合促進部材の実施形態の他の一例を示す図であって、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図である。 ダクト内に設けた従来の整流板を示す図である。 ダクト内に設けた従来のオリフィスを示す図であり、（ａ）は、当該オリフィスを設けたダクトの断面図であり、（ｂ）は、そのＣ−Ｃ線矢視断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る混合促進部材及びそれを有する空調システムの実施形態を説明する。

［実施例１］
図１は、本実施例の混合促進部材を示す図であり、図１（ａ）は、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図であり、図１（ｂ）は、そのＡ−Ａ線矢視断面図である。また、図２は、図１に示した混合促進部材の変形例を示す図であり、図２（ａ）は、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図であり、図２（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線矢視断面図である。また、図３は、図１、図２に示した混合促進部材による温度の標準偏差及び圧力損失を示すグラフであり、図４は、図３に示したグラフの作成に用いた解析モデルを示す概略図である。

本実施例の混合促進部材２１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒形のダクト１１の継ぎ目１１ａに挿入できる平板状のオリフィス状の板２１ａをベースとしている。ここでは、内側（中央部）に円形の１つの開口部２１ｂを有する円形リング形状又は円形ドーナツ形状のオリフィス状の板２１ａをベースとしている。この開口部２１ｂの周縁部には、外縁方向（内周側から外周側）に向かって台形状に切り込まれた切り込み２１ｃが複数設けられており、複数の切り込み２１ｃが周方向に一定間隔で均等に形成されている。

また、上記混合促進部材２１の変形例である混合促進部材２２も、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒形のダクト１１の継ぎ目１１ａに挿入できる平板状のオリフィス状の板２２ａをベースとしている。ここでも、内側（中央部）に円形の１つの開口部２２ｂを有する円形リング形状又は円形ドーナツ形状のオリフィス状の板２２ａをベースとしている。この開口部２２ｂの周縁部には、外縁方向（内周側から外周側）に向かって長方形状に切り込まれた切り込み２２ｃが複数設けられており、複数の切り込み２２ｃが周方向に一定間隔で均等に形成されている。

つまり、混合促進部材２１、２２は、整流板ではなく、オリフィス状の板２１ａ、２２ａの開口部２１ｂ、２２ｂに複数の切り込み２１ｃ、２２ｃを設けたものである。なお、ここでは、円筒形のダクト１１の形状に合わせて、円形のオリフィス状の板２１ａ、２２ａに円形の開口部２１ｂ、２２ｂを設けたものを用いているが、ダクト１１の形状に応じて、オリフィス状の板２１ａ、２２ａ、開口部２１ｂ、２２ｂの形状も変更しても良い。例えば、角筒形のダクト１１であれば、矩形のオリフィス状の板２１ａ、２２ａに矩形の開口部２１ｂ、２２ｂを設けても良い。

図９で説明したように、単なるオリフィスでは圧力損失が大きくなる。また、混合も十分ではない。しかしながら、上記切り込み２１ｃ、２２ｃを設けることにより、開口率を上げて、圧力損失の増加を抑えることができる。加えて、切り込み２１ｃ、２２ｃを設けることにより、縦渦の発生を誘発し、これにより、混合を促進して、ダクト１１内の温度むらを低減することができる。また、切り込み２１ｃ、２２ｃを周方向に一定間隔で均等に形成することにより、ダクト１１の周方向において、均等に混合を促進して、ダクト１１内の温度むらを均等に低減することができる。

切り込み２１ｃ、２２ｃの寸法は、図３に示すグラフに基づいて、以下のパラメータの数値を満足するように設定する。
（１）開口率が６０％〜６５％
（２）Ｄ２／Ｄ１が０．５５〜０．７５
なお、上記開口率は、ダクト１１の内部の断面積（又は、混合促進部材２１、２２の全面積）に対する切り込み２１ｃ、２２ｃを含む全開口部分の面積の比率である。また、Ｄ１は混合促進部材２１、２２の外径（オリフィス状の板２１ａ、２２ａの直径）であり、Ｄ２は混合促進部材２１、２２の内径（開口部２１ｂ、２２ｂの直径）である。

ここで、図３に示すグラフは、後述する解析モデルを解析ツールで解析したものであり、混合促進部材２１の開口率及びＤ２／Ｄ１の条件を変更して求めた圧力損失と温度の標準偏差を、後述する基準値に対する比率（％）で示したものである。

解析モデルとしては、図４に示すモデルＭを用いている。このモデルＭは、後述の図５及び図６に示すダクト１１、１２を模したものである。このモデルＭにおいては、流入境界（流量入口）Ｐ１が図５及び図６におけるプリクーラ３３の出口に該当し、壁面境界Ｐ２が図５及び図６における防氷装置３４の入口に該当し、流出境界（流量出口）Ｐ３が図５及び図６における空気調和装置３５の入口に該当し、温度取得位置Ｐ４が図５及び図６における温度センサ３７の設置位置に該当している。なお、このモデルＭにおいては、図５及び図６に示すダクト１３を省いた構成としている。

モデルＭでは、流入境界Ｐ１において、所定の流量、圧力、温度分布を有する空気を流入させている。所定の温度分布としては、平均温度をＴ℃とすると、ダクト１１の径方向の一端から他端に向かって、１．７５×Ｔ℃から０．２５×Ｔ℃まで変化する温度分布となっている。混合促進部材２１は、流入境界Ｐ１の直後に配置されており、流入境界Ｐ１及び流出境界Ｐ３の圧力を取得することにより、圧力損失を取得しており、また、混合促進部材２１から所定距離下流の温度取得位置Ｐ４で温度分布を取得することにより、温度の標準偏差を取得している。このように、ここでは、流入境界Ｐ１から流出境界Ｐ３への流れ（順方向流れ）を評価している。

また、混合促進部材２１の開口率の条件としては、５０％未満、５０％以上６０％未満、６０％以上６５％以下、６５％超過の４条件とし、混合促進部材２１のＤ２／Ｄ１の条件としては、０．５５未満、０．５５以上０．６５未満、０．６５以上０．７５以下、０．７５超過の４条件とした。なお、比較のため、切り込みの無いオリフィスでのデータも併記し、その近似曲線を点線で示している。

圧力損失の基準値としては、圧力損失設計目標値を基準値とした。また、温度の標準偏差の基準値としては、圧力損失設計目標値のときの切り込みの無いオリフィスの近似曲線における温度の標準偏差を基準値とした。つまり、グラフ中の圧力損失の１００％の位置は、圧力損失設計目標値＝圧力損失の基準値であり、グラフ中の温度の標準偏差の１００％の位置は、圧力損失設計目標値のときの切り込みの無いオリフィスの近似曲線における温度の標準偏差＝温度の標準偏差の基準値である。

以上のような解析モデル及び条件を用いて、解析ツールで取得したデータが図３に示すグラフとなる。取得した図３のグラフから、圧力損失の１００％未満、温度の標準偏差の１００％未満となる条件、つまり、上記基準値より圧力損失が小さく、上記基準値より温度の標準偏差が小さい条件を求めると、上記（１）及び（２）の条件を満たすことが必要であることがわかる。

従って、混合促進部材２１、２２の切り込み２１ｃ、２２ｃは、上記（１）及び（２）の条件を満たすように形成すれば良い。なお、切り込み２１ｃ、２２ｃの形状は、上述した条件を満たせば、台形状や長方形状に限らず、他の形状でも良い。また、切り込み２１ｃ、２２ｃの切り込み深さや角度は、圧力損失や温度の標準偏差の目標値に応じて変更すれば良い。また、周方向における切り込み２１ｃ、２２ｃの間隔を変更しても良い。混合促進部材２１、２２の厚さは、空気の流れに対して形状を維持できる強度を得られれば良く、ダクト１１の内径、空気流量・流速、混合促進部材２１、２２の材質などに応じて適宜設定される。例えば、厚さ２〜３ｍｍのＡｌ合金製の混合促進部材２１、２２が例示される。

上述した構成の混合促進部材２１、２２により、空気の混合を促進して、ダクト１１内の温度分布むらを改善することができる。

また、上述した構成の混合促進部材２１、２２では、ダクト１１内の流れの向きが変わっても、圧力損失の差が生じにくく、順方向、逆方向の双方の流れに対して圧力損失の増加を抑えることができるため、図８に示したベーン５２（整流板）とは異なり、流れが一方向に固定されず、逆方向への流れが発生するダクトに対しても使用可能である。

また、上述した構成の混合促進部材２１、２２は、ダクト１１を組み上げた後でも、追加設置が容易に実施でき、また、スペースのない場所にも実装可能である。

このように、簡易な構成の混合促進部材２１、２２を追加することにより、ダクト１１内の温度分布むらを緩和し、且つ、圧力損失の増加を順方向及び逆方向双方の流れに対して抑制することができ、温度分布むらの改善と圧力損失増加の抑制を両立することができる。

次に、上述した混合促進部材２１の具体的な適用例を図５及び図６を参照して説明する。ここで、図５は、図１に示した混合促進部材２１を適用する空調システムの通常時における系統概略図であり、図６は、図５に示した空調システムのエンジン始動時における系統概略図である。

図５及び図６に示す空調システムは、飛行機に使用される空調システムであり、エンジン（ジェットエンジン）３１の圧縮機（図示省略）から供給された高温の空気を、エンジン３１のファン（図示省略）からの冷たい外気で冷却して、防氷装置３４や空調調和装置３５へ供給する構成となっている。

具体的には、エンジン３１の圧縮機にはダクト１１（第１のダクト）が接続されて、ダクト１１には高温の空気（第１の空気）が供給されている。また、ダクト３２（第２のダクト）がエンジン３１のファンに接続されて、ダクト３２には冷たい外気（第２の空気）が供給されている。ダクト１１の上流側には、プリクーラ３３（冷却手段）が設けられており、プリクーラ３３は、ダクト３２から供給された冷たい外気との熱交換により、ダクト１１を流れる高温の空気を冷却している。この冷却の際、上述したような温度幅の温度分布を持つ空気となってしまい、そのままでは、防氷装置３４や空調調和装置３５で防氷や空調を適切に行うことが難しい。

そこで、プリクーラ３３より下流のダクト１１の内部に、上述した構成の混合促進部材２１を配置している。この混合促進部材２１により、ダクト１１内の空気の温度分布むらを改善して、防氷装置３４や空調調和装置３５に供給することができる。

ダクト１１には、プリクーラ３３での温度制御のために温度をフィードバックする温度センサ３７が設けられている。従来は、ダクト１１内の空気の温度分布むらの影響により、温度センサ３７が平均より高い又は低い空気の温度を検出し、そのため、プリクーラ３３が防氷装置３４や空調調和装置３５に供給する空気の温度を所望の温度に制御できていない可能性もあった。しかしながら、本実施例では、上述したように、混合促進部材２１により、ダクト１１内の空気の温度分布むらが改善されているので、温度センサ３７が平均又は平均に近い空気の温度を検出することになり、その結果、プリクーラ３３が防氷装置３４や空調調和装置３５に供給する空気の温度を、より正確に制御できるようになる。

そして、ダクト１２は、ダクト１１から分岐して、防氷装置３４と接続しており、防氷装置３４には、ダクト１２を介して、温度分布むらが改善され、かつ、所望の温度に制御された空気が供給されることになる。これにより、防氷装置３４は防氷を適切に行うことができる。

また、ダクト１１は、空調調和装置３５と接続しており、空調調和装置３５には、ダクト１１から、温度分布むらが改善され、かつ、所望の温度に制御された空気が供給されることになる。これにより、空調調和装置３５は空調を適切に行うことができる。

また、混合促進部材２１より下流のダクト１１には、外部空気源３６から圧縮空気（第３の空気）を供給するダクト１３が、ダクト１１から分岐して設けられている。この外部空気源３６は、エンジン３１の始動時に、ダクト１１、１３を介して、圧縮空気をエンジン３１の圧縮機へ供給している。この際には、図６に示すように、ダクト１１に図５とは逆方向に圧縮空気が流れることになる。このとき、ダクト１１に設けた混合促進部材２１は、順方向、逆方向の双方の流れに対して圧力損失の増加を抑えることができるため、外部空気源３６から供給された圧縮空気の圧力損失の増加を抑えて、エンジン３１の圧縮機に供給することができる。

このように、ダクト１１は、エンジン３１の圧縮機からの空気の順方向の供給と外部空気源３６からの圧縮空気の逆方向の供給とに共用されている。これにより、エンジン３１の始動用の専用ダクトを不要として、省スペースを図ることができる。

［実施例２］
図７は、本実施例の混合促進部材を示す図であって、当該混合促進部材を設けたダクトの断面図である。

本実施例の混合促進部材は、図１や図２に示したような混合促進部材２１や混合促進部材２２を複数枚組み合わせて構成したものである。図７では、一例として、図１に示した混合促進部材２１を２枚組み合わせた構成を例示している。このように、同じ混合促進部材を組み合わせて構成しても良いし、異なる混合促進部材を組み合わせて構成しても良い。また、混合促進部材２１は、間隔を置いて配置されることが望ましい。具体的には、空気の流れに対して上流側に置かれた混合促進部材２１により気流に生じた渦が、充分成長した後に、空気の流れに対して下流側に置かれた混合促進部材２１に到達することが望ましい。間隔は、ダクト１１の内径、空気流量・流速、ダクト１１の形状などに応じて適宜設定される。

同じ混合促進部材２１を組み合わせて構成する場合には、混合促進部材２１の切り込み２１ｃの位相（周方向の位置）を、ずらして配置しても良いし、また、位相を合わせて配置しても良い。また、一方の混合促進部材２１を回転可能な構成にして、位相を変更可能にしても良い。図７では、一例として、図中左側の混合促進部材２１に対して、図中右側の混合促進部材２１の位相をずらして配置しており、参照のため、図中左側の混合促進部材２１において、所定の周方向位置を示す補助線Ｌ₁₁及びＬ₁₂を示すと共に、図中右側の混合促進部材２１において、所定の周方向位置を示す補助線Ｌ₂₁及びＬ₂₂を示している。

このようにして、複数枚の混合促進部材を組み合わせることにより、温度勾配が大きい流れや複雑な流れに対応することができ、空気の混合の促進を更に図ることができる。また、複数枚の混合促進部材を組み合わせることにより、ダクト１１の温度条件や偏流状況にきめ細かく対応することもできる。特に、熱交換の直後の流れにおいて、予め温度分布が把握できている場合に有効となる。

本発明は、航空機や車両（例えば、大型バス）などの空調ダクトに好適なものである。

１１、１２、１３、３２ ダクト
１１ａ 継ぎ目
２１、２２ 混合促進部材
２１ａ、２２ａ オリフィス状の板
２１ｂ、２２ｂ 開口部
２１ｃ、２２ｃ 切り込み
３１ エンジン
３３ プリクーラ
３４ 防氷装置
３５ 空調調和装置
３６ 外部空気源

Claims (7)

1. 空気が供給されるダクト内に設けられる混合促進部材であって、
   中央部に１つの開口部を有するオリフィス状の板からなり、
   前記開口部の周縁部には外縁方向に向かう複数の切り込みを有する
   ことを特徴とする混合促進部材。
2. 請求項１に記載の混合促進部材において、
   前記切り込みは、前記開口部の周方向に一定間隔で均等に形成されている
   ことを特徴とする混合促進部材。
3. 請求項１又は請求項２に記載の混合促進部材において、
   前記オリフィス状の板及び前記開口部が円形であり、前記オリフィス状の板の直径をＤ１、前記開口部の直径をＤ２とすると、
   前記切り込みは、開口率が６０％〜６５％、且つ、Ｄ２／Ｄ１が０．５５〜０．７５を満たすように形成されている
   ことを特徴とする混合促進部材。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の混合促進部材を複数枚組み合わせた
   ことを特徴とする混合促進部材。
5. エンジンの圧縮機から第１の空気が供給される第１のダクトと、
   前記エンジンのファンから第２の空気が供給される第２のダクトと、
   前記第１のダクトに設けられ、前記第２のダクトから供給された前記第２の空気との熱交換により、前記第１のダクトを流れる前記第１の空気を冷却する冷却手段とを有し、
   前記冷却手段より下流側の前記第１のダクトの内部に、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の混合促進部材を配置した
   ことを特徴とする空調システム。
6. 請求項５に記載の空調システムにおいて、
   前記混合促進部材より下流の前記第１のダクトに、外部空気源から前記圧縮機へ第３の空気を供給する第３のダクトを設け、
   前記第１のダクトは、前記圧縮機からの前記第１の空気の順方向の供給と前記外部空気源からの前記第３の空気の逆方向の供給とに共用される
   ことを特徴とする空調システム。
7. エンジンの圧縮機から第１の空気が供給される第１のダクトと、
   前記エンジンのファンから第２の空気が供給される第２のダクトと、
   前記第１のダクトに設けられ、前記第２のダクトから供給された前記第２の空気との熱交換により、前記第１のダクトを流れる前記第１の空気を冷却する冷却手段と、
   前記冷却手段より下流の前記第１のダクトに設けられ、外部空気源から前記圧縮機へ第３の空気を供給する第３のダクトとを有し、
   前記第１のダクトは、前記圧縮機からの前記第１の空気の順方向の供給と前記外部空気源からの前記第３の空気の逆方向の供給とに共用される
   ことを特徴とする空調システム。

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