JP2002509595A - 断熱構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、断熱構造体（１）であって、第１冷却流体を構造体（１）の外部に放出する放出式冷却手段（４Ａ）、構造体（１）の外壁の少なくとも一部分を形成し且つ第１冷却流体を放出できるように穿孔されている熱バリヤ（２）、および構造体（１）の熱バリヤ（２）より内側を循環する第２冷却流体を含む対流式冷却手段（４Ｂ）のすべてまたはいずれかを備えており、第１および第２冷却流体は共通の流体から得られることを特徴とする断熱構造体（１）に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 断熱構造体 本発明は、断熱構造体に関する。 そのような断熱構造体は、特に超高温を受ける予定の部材の構成、特にラムジ ェットエンジンの燃焼室、または例えばマッハ１０またはマッハ１２を超える高 速で飛行する装置の断熱用の外板の構成に特に適している。 上記用途で使用できるようにするために、そのような構造体は特定の特徴、特 に、 質量および厚さが小さいこと、および 冷却流体を使用する場合、この流体の流体抵抗が可能な限り最小であると共に 使用量が少ないこと を有していなければならない。 そのような用途を目的とした断熱構造体を製造するために様々な周知の解決策 がある。 第１の周知の解決策は、融除材料を使用するものであり、それから成る薄い表 面層を保護構造体として使用中に融除する。しかし、この従来の解決策には特に 以下の問題点、すなわち、 材料の表面が、従って構造体の形状が使用中に変化し、特に形状がその構造体 を装備した機械または装置の機能に影響がある場合、問題が生じる可能性がある こと、 この構造体は再利用できないこと、さらに特に、 非常に厚い融除材料が必要であり、このために大きい質量が予想されることが ある。 第２の周知の解決策は、対流冷却手段を用いるものである。この手段は、パイ プ内を循環する冷却流体、例えば水素を含む。 前記パイプの高温外部環境に接する１つの壁を薄い超高熱伝導率の材料で形成 することによって、連続的に再生される前記冷却流体に熱を伝達す る。従って、そのような実施例は大量の流体を高流量で必要とする。このため、 一般的に前記流体の圧力が増加するため、パイプの壁を強化する必要があり、従 ってコスト、厚さおよび質量のすべてまたはいずれかが増加する。さらに、熱伝 導性壁とその他の構造体部分との間で線膨張に顕著な違いがあるため、構造体の ひび割れや、最終的に破損する危険性がある。 第３の周知の解決策は、流体を透過させることができる多孔質壁と、この多孔 質壁を通過して高温外部環境に放出される冷却流体とを備えた放出式冷却手段を 用いるものである。この放出によって、構造体の外側に低温の気体から成る境界 層を形成でき、構造体を断熱することができる。しかし、この解決策は一般的に 局所的に有効なだけである。さらに、放出冷却流体は当然ながら失われ、その流 体が少量だけ存在している場合か、特にその流体が構造体を装備した飛行機の燃 料、例えば水素と同じである場合に問題が生じ、飛行機のスラストの制限または 低下を生じる可能性が発生する。 さらに、熱バリヤを使用して部材を断熱する第４の解決策が周知である。この 解決策は、受動的な保護を行い、不透過性で断熱性の材料を使用している。しか し、この解決策は一般的に短期間だけ有効である。 さらに、上記問題点に加えて、上記解決策はいずれも、マッハ１２を超える飛 行用のラムジェットエンジンの燃焼室を効果的かつ十分に保護することができな い。 本発明の目的は、これらの問題点を解決することである。それは、簡単で製造 コストが低く、特に非常に効果的であって、高温の燃焼室または反応器内で、特 に高速飛行のラムジェットエンジンの燃焼室内で、あるいは航空機または宇宙船 の外表面の断熱に使用することができる様々な断熱構造体に関する。 このために、本発明に従った第１の断熱構造体は、 第１冷却流体を該構造体の外部に放出する放出式冷却手段と、 前記構造体の外壁の少なくとも一部分を形成している熱バリヤとを備えており 、この熱バリヤは、第１冷却流体を放出できるように穿孔されてい ることを特徴としている。 このように、前記放出式冷却手段と前記熱バリヤとを組み合わせて使用するこ とによって二重保護効果を生じることができるため、特に有効な断熱が得られる 。 従来は透過できないように製造されていた熱バリヤが、本発明に従った構造で は穿孔されていることがわかるであろう。そのような使い方は従来技術と反対で あるが、この熱バリヤによって得られる断熱効果は、この熱バリヤの穴から低温 流体を放出することによって熱がこれらの穴を通過できないようにする放出式冷 却手段と組み合わせているため、低下しない。 さらに、本発明に従った第２の断熱構造体は、 第１冷却流体を該構造体の外部に放出する放出式冷却手段と、 前記構造体の内側を循環する第２冷却流体を含む対流式冷却手段とを備えてお り、第１および第２冷却流体は同一流体から得られることを特徴としている。 このように、放出式および対流式の前記冷却手段を組み合わせて使用すること によって二重断熱効果を生じることができるため、特に有効な断熱が得られる。 従って、流体の流れは（前記構造体の内部の）第２冷却流体の縦流と（前記構 造体の外部へ出る）第１冷却流体の横流とに分割される。 同一流体を使用することによって、 前記構造体が簡略化され、 圧力および流量の両方またはいずれか一方の１回の調整で、後述するように２ つの流体部分を調整することができ、 前記流体の流れを最適化することができる。 さらに、本発明に従った第３の断熱構造体は、 前記構造体の外壁の少なくとも一部分を形成している熱バリヤと、 構造体のこの熱バリヤより内側を循環する第２冷却流体を含む対流式冷却手段 とを備えていることを特徴としている。 このように、前記熱バリヤと前記対流式冷却手段とを組み合わせて使用 することによって二重断熱効果を生じることができるため、同様に有効な断熱が 得られる。 さらに、対流式冷却手段は超高熱伝導率の外壁を有していなければならないと 教示している従来技術と反対であることがわかるであろう。ここで、上記構造体 の前記外壁は、温度を低下させる熱バリヤで形成されている。 従って、前記対流式冷却手段によって行うべき追加温度低下が軽減される。こ れによって特に、使用される冷却手段、特に前記冷却流体の特性および効率に関 する要求事項を減らすことができる。 さらに、本発明の好適な実施例では、前記断熱構造体は、上記３要素、すなわ ち放出式冷却手段、対流式冷却手段および熱バリヤを同時に備えているため、上 記のすべての効果およびすべての利点を同時に得ることができる。さらに、この 実施例は、流体の流量および構造体の壁の質量を最小にすることによってそれら の要素を最適化することができると同時に、構造体の無傷性や機械的および熱的 安定性を確保することができる。 さらに、本発明に従った構造体は、 前記第１および第２冷却流体の少なくとも一方を含む前記流体が循環する少な くとも１つのパイプと、 このパイプの内部の前記流体の圧力を調整する手段とを備えており、この手段 は、好ましくは前記構造体の外部に加わる圧力の関数である圧力を、例えば最大 外部圧力の二倍以上の圧力を発生することが好都合である。 さらに、前記対流式冷却手段は、熱伝導性ワイヤから成る網状組織を有してお り、この網状組織は流体を透過させることができ、また好ましくは前記パイプ内 にそれの壁の少なくとも１つに接触した状態に配置されていることが好都合であ る。これによって、冷却流体と該冷却手段の（高温の）壁との間の熱交換を最適 化することができる。 流体の流れを最適化するために、 前記熱バリヤは、前記パイプの内部の流体抵抗の関数である流体抵抗を有する ように穿孔されており、好ましくは、前記熱バリヤの流体抵抗は、該パイプの内 部の流体抵抗の１／１０以下であること、および さらに、構造体は、前記パイプ内の前記流体の流量を調整する手段を備えてい ることの両方またはいずれか一方が好都合である。 添付の図面の図は、本発明を実施できる方法を理解しやすくするであろう。こ れらの図において、同一参照番号は同様の部材を示している。 第１図は、本発明に従った構造体を概略的に部分的に示していると共に、この 構造体の外側の圧力を表すグラフも示している。 第２図は、第１図のＩＩ−ＩＩ線に沿った概略断面図である。 第１図および第２図に概略的に示されている本発明に従った構造体１は、超高 温から保護することができる断熱構造体である。 それは特に、高温の燃焼室または反応器内で、特に（例えば長時間超音速飛行 を行うための）高速飛行のラムジェットエンジンの燃焼室内で、または航空機ま たは宇宙船の外表面の断熱に使用することができる。 図示の例では、前記構造体１は平面的な全体形状を有するパネルとして形成さ れている。もちろん、本発明の範囲内において、断熱構造体を異なった形状、例 えば湾曲形状にしてもよい。本発明に従った前記構造体は、特に方向舵装置また はプロペラの前縁部として特に使用することができる。 本発明によれば、前記構造体１は、 前記構造体１の高温を受ける外壁を形成する周知の形式の熱バリヤ２を備えて おり、この熱バリヤ２に貫通穴３が設けられており、さらに、 矢印５Ａに示されているように、熱バリヤ２の該貫通穴３から前記構造体１の 外部へ第１冷却流体を放出する放出式冷却手段４Ａを備えており、この放出流体 は、従来通りに、熱バリヤ２の外面６に低温の境界層を形成し、さらに、 矢印５Ｂに示されているように、前記構造体１内を、特に外壁が熱バリヤ２で 形成されていると共に内壁８を有する平行六面体の室として形成されているパイ プ７内を循環する第２冷却流体を含む対流式冷却手段４Ｂを備えている。 本発明によれば、前記第１および第２流体は、それぞれ矢印５Ａおよび５Ｂに 示されている横流および縦流を有しており、矢印５で流れを示した 同一流体から得られる。このため、これらの手段４Ａおよび４Ｂは、後述の同一 流体供給回路９を有している。 このため、本発明では、特に互いに組み合わされた断熱要素２、４Ａおよび４ Ｂの二重効果によって特に有効な断熱が得られる。従って、構造体１は上記用途 に必要なすべての要求を完全に満たすことができる。 さらに、これらの要素２、４Ａおよび４Ｂの本発明に従った上記組み合わせに よって、前記構造体１は特に簡単でコンパクトであると共に低コストで製造され る。 さらに、本発明によれば、オリフィス１０および１１を介してパイプ７に開い ている前記流体供給回路９は、 前記回路９内の、特にパイプ８内の前記流体の圧力を調整する周知の形式の手 段１２と、 前記回路９内の、従って同様に前記パイプ７内の前記流体の流量を調整する周 知の形式の手段１３とを備えている。 第１図はまた、長手方向Ｘ−Ｘにおいて構造体１の外面６に加わる圧力Ｐを表 す曲線Ｃを表すグラフを示している。 本発明によれば、手段１２は、前記構造体１の外部に加わる圧力Ｐの関数であ る圧力をパイプ７内に発生するように圧力を調整する。 特定の実施例では、それは、最大外部圧力ＰＯの２倍以上の圧力を発生する。 そのような圧力差によって、第１冷却流体を構造体１の外部に超臨界または少 なくとも臨界放出することができる。 従って、高温の外部環境で例えばエンジンのケース内に高温流体の流れがある 場合、そのような放出によってこの高温流体と構造体１の外面６との接触が阻止 されるため、外面を機械的に保護することができる。 さらに、手段４Ｂは、高熱伝導率の金属ワイヤ１５から成る交差構造で形成さ れた立体網状組織１４を有している。この網状組織１４は、前記パイプ７内にそ の壁２および８と接触した状態に配置されて、冷却流体（矢印５Ｂ）と壁２およ び８との間の熱交換を高めることができる。さらに、 網状組織１４は非常に透過性が高いので、流体の流れ（矢印５Ｂ）に対するそれ の流体抵抗はわずかである。 このため、壁８の厚さおよび前記手段４Ｂの質量を減少させることができる。 本発明によれば、穴３（特にその数、寸法および分布）と網状組織１４とを互 いに適合させることによって、それぞれの流体抵抗間に特定関係を得ることがで きる。好ましくは、その目的は、熱バリヤ２の流体抵抗を網状組織１４の流体抵 抗の１／１０以下にすることである。 これによって、放出される流体（矢印５Ａ）の量と再循環して対流式冷却を行 う流体（矢印５Ｂ）の量との比率を正確に調整することができる。 さらに、構造体１の作動効率は特に、本発明に従って調整可能である以下の２ つのパラメータ、すなわち、 ・流体の流れ、および ・放出流体の量と対流に使用される流体の量との比 によって決定され、これらの２つのパラメータは本発明を実施する際に小さい値 に調整される。 さらに、燃料、特に水素を燃焼する図示しない飛行機にこの構造体１を装備す 場合、放出流体の量が少なく、従って本発明による構造体１は飛行機のスラスト および性能を低下させないため、その燃料を冷却流体として使用してもよい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１冷却流体を構造体（１）の外部に放出する放出式冷却手段（４Ａ）と、 構造体（１）の外壁の少なくとも一部分を形成し且つ前記第１冷却流体を放出 できるように穿孔された熱バリヤ（２）と を備えていることを特徴とする断熱構造体。 ２．さらに、前記熱バリヤ（２）より内側を循環する第２冷却流体を含む対流式 冷却手段（４Ｂ）を備えており、前記第１および第２冷却流体は同一流体から得 られることを特徴とする請求項１に記載の構造体。 ３．第１冷却流体を構造体（１）の外部に放出する放出式冷却手段（４Ａ）と、 構造体（１）内を循環する第２冷却流体を含む対流式冷却手段（４Ｂ）と を備えており、前記第１および第２冷却流体は同一流体から得られることを特 徴とする断熱構造体。 ４．さらに、前記構造体（１）の外壁の少なくとも一部分を形成し且つ前記第１ 冷却流体を放出できるように穿孔されていると共に、前記第２冷却流体が前記構 造体（１）の前記熱バリヤ（２）より内側を循環するように構成されていること を特徴とする請求項３に記載の構造体。 ５．構造体（１）の外壁の少なくとも一部分を形成している熱バリヤ（２）と、 構造体（１）の熱バリヤ（２）より内側を循環する第２冷却流体を含む対流式 冷却手段（４Ｂ）と を備えていることを特徴とする断熱構造体。 ６．さらに、第１冷却流体を前記構造体（１）の外部に放出する放出式冷却手段 （４Ａ）を備えており、前記熱バリヤ（２）は第１冷却流体を放出できるように 穿孔されており、前記第１および第２冷却流体は同一流体から得られることを特 徴とする請求項５に記載の構造体。 ７．前記第１および第２冷却流体の少なくとも一方を含む流体が循環する少なく とも１つのパイプ（７）と、 該パイプ（７）の内部の前記流体の圧力を調整する手段（１２）と を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造体。 ８．前記パイプ（７）の内部の前記流体の圧力を調整する前記手段（１２）は、 前記構造体（１）の外部に加わる圧力（Ｐ）の関数である圧力を発生することを 特徴とする請求項７に記載の構造体。 ９．前記手段（１２）は、前記構造体（１）の外部に加わる最大圧力（Ｐ０）の 二倍以上の圧力を発生することを特徴とする請求項８に記載の構造体。 １０．前記対流式冷却手段（４Ｂ）は、熱伝導性ワイヤ（１５）から成る網状組 織（１４）を有しており、該網状組織（１４）は前記流体を透過させることがで きることを特徴とする請求項２〜９のいずれか一項に記載の構造体。 １１．前記網状組織（１４）は前記パイプ（７）内に配置されて、前記パイプ（ ７）の壁（８）の少なくとも１つに接触していることを特徴とする請求項７〜１ ０のいずれか一項に記載の構造体。 １２．前記熱バリヤ（２）は、前記パイプ（７）の内部の流体抵抗の関数である 流体抵抗を有するように穿孔されていることを特徴とする請求項７〜１１のいず れか一項に記載の構造体。 １３．前記熱バリヤ（２）の流体抵抗は、前記パイプ（７）の内部の流体抵抗の １／１０以下であることを特徴とする請求項１２に記載の構造体。 １４．さらに、前記パイプ（７）内の前記流体の流量を調整する手段（１３）を 備えていることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか一項に記載の構造体。