JP2005502855A - 戦術ミサイル用の外部でアクセス可能な熱接地面 - Google Patents

Abstract

戦術ミサイル10はミサイル内で熱源をヒートシンクに接続するヒートパイプ22を含んでいる。システムはヒートパイプ22に接続する取外し可能な外部放熱装置24を含み、ミサイル10は試験されまたは再プログラムされる。外部放熱装置24は熱をヒートパイプ22から引出し、延長された試験および再プログラミング中に電子コンポーネント20a −20f を許容可能な低温に維持する。比較的短い戦術的飛行中、ヒートパイプ22は熱を電子コンポーネント20a −20f からミサイル内のヒートシンクへ伝導する。ヒートシンク22の高い熱伝導率は構造部材および燃料16等の素子がヒートシンクとして使用されることを可能にし、エレメントはここでは熱発生電子コンポーネント20a −20f の熱管理に一体化されていない。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は電子コンポーネントの温度制御、特に戦術ミサイルの電子コンポーネントの温度の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミサイルの飛行中、廃熱が誘導および制御システムにより発生される。この熱は放散されなければならない。熱がシステムから除去されないならば、これらはオーバーヒートし故障する。超音速飛行中、ミサイルの外部表面は非常に熱いためラジエータとして作用しない。したがって過剰な熱は内部で吸収されなければならない。
【０００３】
戦術ミサイルの飛行時間は典型的に非常に短く、せいぜい５または６分間程度である。この時間中、飛行の制御に関わる電子パッケージは実質量の熱を発生する。この熱はミサイル内の適切な寸法の金属のヒートシンクにより吸収される。典型的に、コンピュータチップは銅またはアルミニウムプレートを有し、過剰な熱を蓄積し再放射するために固定されたフィンを有する場合もあり有しない場合もある。このようなヒートシンクは電子パッケージの温度を飛行に必要な短時間の間許容できないレベルよりも下に維持することができるが、これらは重量を付加し、直接的には性能を増加しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
それぞれ熱的に感応するコンポーネントでのヒートシンクの使用はミサイルを燃料と共に保持する構造フレーム等のミサイルの他の内部コンポーネントの熱容量を無効にする。これらの内部コンポーネントの熱容量を使用する熱管理システムはミサイル内の多数の個々のヒートシンクの寸法を減少するかまたは完全にそれを除去する。
【０００５】
戦術ミサイルはまた長く台上試験され再プログラムされる。この試験および再プログラミングは特に戦闘状態のシミュレーションが反復される場合には実際の飛行時間よりも実質的に長くかかる。６分間の飛行に適したヒートシンクは電子パッケージを長い試験または再プログラミングで十分に低温に維持することができない。
【０００６】
過去において電子コンポーネントは簡単に試験およびプログラミングすることにより試験および再プログラミング中に低温に維持された。これは長い試験および再プログラミング時間の欠点を有する。
【０００７】
別の方法では、コンポーネントは試験中に内部ヒートシンクとミサイルハウジング（スキン）との間の一時的な機械的接続を行うことによりオーバーヒートから保護される。これらの機械的な接続はハウジングがヒートシンクよりも低温である限りヒートシンクからハウジングに熱が流れることを可能にする熱ダイオードにより行われている。このような熱ダイオードは重さと費用と付加することによりミサイル性能を劣化する。
【０００８】
アクチブな冷却ループも使用されている。これらの冷却ループはミサイル内の通路を通って流体の熱伝達媒体を循環することにより試験および再プログラミング中に内部の冷却を行う。これは試験および再プログラミング中に電子装置の冷却を可能にし、冷却システムにより占有される空間は戦術飛行中に浪費され、それによってミサイル性能を減少する。
【０００９】
時折には、特別なハードウェアは試験および再プログラミング中にミサイル全体を冷却するために生成される。これは研究所または工場で効率的であるが、通常、冷却装置は戦闘中に、再プログラミング用のフィールドに容易に持込まれない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はミサイル内に熱接地面を生成する。熱接地面はミサイル内の全ての熱的に重要なコンポーネントを接続し、それらを均一な温度に維持する。ミサイル飛行中、接地面は過剰な熱を吸収し、コンポーネントを低温に維持し、熱を素早くミサイル内の吸熱コンポーネントへ分配する。試験および再プログラミング中、接地面はミサイルのスキンの開口を通して外部の放熱装置へ取付けられる。接地面を通る熱の高い流動率とその外部冷却装置は電子装置を試験および再プログラミング中に安全ではない動作温度限度よりも下の定常状態の温度に維持する。
【００１１】
熱接地面はヒートパイプを使用してミサイル内に設けられる。この装置は熱をより熱い領域から低温の領域へ移動するために流体の循環および相変化に依存する。ヒートパイプは冷却を必要とする全ての内部装置と、熱を吸収できる任意の内部構造に接続される。戦術飛行中、液体から気体への相変化およびエネルギが吸収されるヒートパイプのより低温の領域での再凝縮はコンポーネントをオーバーヒートから保護するため十分な熱容量を与える。過剰な熱は迅速にミサイルの構造的な吸熱コンポーネントへ伝達される。試験中、外部冷却装置は過剰な熱をミサイルから出すためにヒートパイプの冷却領域へ接続される。
【００１２】
戦術飛行中に搭載されるコンポーネントは浪費されず浪費される空間は少ないので、本発明はミサイル性能を改良する。さらに廃熱はコンポーネントベースによりコンポーネント上よりも包括的に管理されることができる。
【００１３】
好ましい実施形態は熱接地面を設けるためにヒートパイプを使用する。ヒートパイプは非常に高い熱伝導性を有し、熱が迅速に移動することを可能にする。電気の流れに対して最小の抵抗を有する電気接地面のように、熱接地は熱の流動に対する最小の抵抗を示す。例えばヒートパイプは同様に構成される銅のバスの１０倍の熱伝導性を有する。高い熱伝導性は本発明の重要な特性であり、高い熱伝導性を示す他の装置または材料はヒートパイプの代わりに使用されることができる。例えばカプセル化されたグラファイトファイバ束が使用される。ヒートパイプは高熱のコンポーネントから熱を吸収するためにそこから延在するブランチを含んでいる。ブランチは銅のような金属から作られてもよく、それ自体がヒートパイプであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の種々の特徴および利点は添付図面を伴った以下の詳細な説明を参照してさらに容易に理解されるであろう。
図面で示されているミサイル10は超音速でせいぜい約５または６分間の飛行を意図している戦術ミサイルである。ミサイル10は丸みを付けられたノーズを有する円筒形の形状を有する。ミサイル10はスキンまたはシェル12によりその外部形状を与えられている。ミサイル10は隔壁14a −14c として概略的に示されている内部構造フレームを含んでいる。内部では、ミサイル10は燃料16、電源18、およびその飛行の制御に使用される種々の電子コンポーネント20a −20f を有する。
【００１５】
ミサイル10はミサイル内の全てではないが幾つかのコンポーネントに接続しているヒートパイプ22も含んでいる。丁度電気接地バスに対して電位で行うように、ヒートパイプ22はそれに接続する全てのコンポーネント14、16、20をほぼ同一の温度に維持する熱接地面を形成する。
【００１６】
示されている図は以下説明される外部放熱装置24を示している。この装置は許容可能な低温でヒートパイプ22により設けられる熱接地面を維持するためにミサイルの試験および再プログラミング中に使用される。
【００１７】
ヒートパイプ22は通常のヒートパイプであり、その内部表面に内張りウィック（wick）で直線の芯32を有する中空の金属シリンダ30を含んでいる。熱転送流体は内張りシリンダ30内に位置され、シリンダは密封される。技術でよく知られているように、ヒートパイプは動作流体が蒸発するときに吸熱し、動作流体が凝縮するときに放熱することにより動作する。動作流体はウェック32の毛管作用によりその液体状態で低温領域から高温領域へ移動し、蒸気は高温領域から低温領域へヒートパイプの中心のオープンコアを自由に伝導する。適切なウィック材料および流体は当業者に知られており、迅速に移動するオブジェクトおよび遭遇する温度範囲での応用を考慮に入れる。
【００１８】
ヒートパイプ22はオーバーヒートから保護される必要がある全ての熱発生装置20a −20f とミサイル内のそれぞれの利用可能なヒートシンク14、16に接続されている。種々の技術が熱源をヒートパイプ22に接続するために使用される。高い熱伝導性を有し、熱エネルギがそれが発生されるときと同様の迅速さでヒートパイプに伝導されることが可能である限り、任意の接続が適合している。例えば電子パッケージ20a と20b はヒートパイプ22の外部の少なくとも一部分の周辺に適合されるように成形されている。これらは高い熱伝導性を有する任意の適切なセメントまたは結合装置を使用してヒートパイプ22に取付けられることができる。回路板20c は回路板をヒートパイプ22に取付けるための支持フランジ34を含んでいる。その支持フランジ34は、次にコンピュータチップのような熱源からフランジへ熱を伝導するために回路板に接続されている金属ヒートシンク（図示せず）に接続されるかそれと一体化されている。特に熱コンポーネントでは、放射ブランチ36、38が使用されてもよい。ブランチ36はそれ自体がヒートパイプであり、その１端部は熱を発生するコンポーネント20d に接続され、その他方の端部は中央のヒートパイプ22に接続されている。接続はブランチヒートパイプ36から中央のヒートパイプ22へ熱の迅速な流動を可能にする当業者に知られた任意の適切な手段により行われる。中央のヒートパイプ22からの任意のブランチは平面プレートのヒートパイプ38であり、ここでは熱伝導の付加された効率が必要とされるか熱源はさらに広く拡散される。
【００１９】
ヒートパイプ22はミサイル内の全ての可能なヒートシンクにも接続されている。これらは例示により、隔壁14a −14c および燃料16を含んでいる。熱発生素子がヒートパイプの１端部にあり、吸熱素子が他方の端部にあるように、ミサイル10内に熱発生素子20a −20f と吸熱素子16を配置することが好ましい。図面では、熱発生素子20a −20f はミサイルの前端部方向に位置され、一方、吸熱燃料16は後部に位置される。隔壁14a −14c は構造上の理由でヒートパイプ22の２つの端部間に位置されている。最も高温の素子をヒートパイプ22の１端部に配置し、最も低温の素子を他方の端部に配置することは、低温領域から高温領域へ液体の動作流体の毛管流動を促す。
【００２０】
熱電池18等の幾つかのコンポーネントはヒートパイプから絶縁されている。これは熱を発生するがそれにより悪影響を受けない任意のコンポーネントの適切な処置である。類似した理由で、隔壁14は直接的にスキン12に接続されていない。超音速で、スキン12は空気との摩擦により加熱される。この熱は、スキンを直接隔壁14へ結合せず代わりに絶縁固定システム（図示せず）を使用することにより部分的にミサイル内のコンポーネント14、16、18、20から隔てられる。
【００２１】
ヒートパイプ22は同等の寸法および形状の銅バスが実現する約１０倍の高い熱伝導性を有する。ヒートパイプ22の実際の性能は選択された動作流体を含む多くの要因と、ヒートパイプの材料および直径と、ヒートパイプが動作しなければならない温度範囲に依存している。
【００２２】
ヒートパイプ22は電気回路の接地面に類似した方法で動作し、それに接続された全てのものを共通の温度に維持する。ヒートパイプ22は優秀な熱伝導性を有する。一度熱がヒートパイプ22に取付けられたコンポーネント20により発生されると、その熱は最初にヒートパイプ内の流体を蒸発することにより吸収される。この流体はヒートパイプ22を通って低温領域へ移動し、そこで凝縮して熱を放出し、例えば隔壁14および燃料16へ、または吸熱することができ、ヒートパイプに接続されているミサイル10の任意の他の素子へ移動する。迅速な熱伝導のために、ヒートパイプ22の使用は、電子コンポーネントにより発生される過剰な熱の管理が熱容量、事実上ミサイル全体10（構造的なコンポーネント、例えば14、燃料16、ヒートパイプ22）に基づき、単なる個々の熱発生コンポーネントの特別なヒートシンクではないことを意味している。ミサイル全体をヒートシンクとして使用する能力により、臨界的な電子コンポーネントを最大の許容可能な温度、例えば摂氏８５度（８５℃）よりも下に維持することは容易である。
【００２３】
ミサイル10の静止試験および再プログラミングは実質的な時間がかかる。外部放熱装置24は安定で許容可能な低温にヒートパイプ22を維持するために設けられている。外部の取外し可能な放熱装置24は衝撃、スパークまたは静電荷の成長を防止するためにミサイルおよび他の電気装置に接続されている電気接地ワイヤに類似している。
【００２４】
外部放熱装置24はミサイルスキンの開口40を通って延在し、ヒートパイプ22と熱接続を行う。外部放熱装置24は迅速に熱をヒートパイプ22から引出すことができる。ヒートパイプ22は外部放熱装置24との接触とそこへの熱伝導のための拡大された領域を生成するために突出部42を有する。突出部42のテーパーを有するボア44はこの目的で動作するが、他の形状も可能である。捩子またはクランプ（図示せず）等の機構は良好な熱接続を確実にするために外部放熱装置24とヒートパイプ22との接続を保持する。
【００２５】
外部放熱装置24を例えば液体冷却剤（図示せず）が通過するようにしてもよい。冷却剤は通常の冷凍装置により冷却される。外部放熱装置24はまた別のヒートパイプ46であってもよい。その場合、外部放熱装置のヒートパイプ46は熱伝達のための外端部上のフィン48のような大きい表面領域を有する。外部ファン50は空気流を強制的に流し、熱伝導を増加するために使用される。外部放熱装置としてヒートパイプ46と外部ファン50の使用は冷媒により冷却されるプローブよりも簡潔さと経済的に有効であり、その分野での使用に容易に利用可能である。取付けられた外部放熱装置24により、ミサイルはオーバーヒートせずに試験されまたは再プログラムされる。外部放熱装置24は熱をヒートパイプから引出し、熱を発生する電子コンポーネント20を臨界的な最大値よりも下に維持する。ミサイル10が飛行の準備を整えたとき、外部放熱装置24は取除かれ、スキン12の開口40は適切なプラグで閉じられる。
【００２６】
したがって、本発明は僅かなミサイル性能の犠牲で、電子コンポーネント20を短いミサイル飛行時間とミサイルの延長された台上試験または再プログラミング時間との両者でオーバーヒートから保護する方法および装置を提供することが明白である。説明した実施形態は本発明の原理の応用を表す多数の特別な実施形態の幾つかを単に示すものであることが理解されよう。多数の他の構成は本発明の技術的範囲を逸脱せずに当業者により容易に行われることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】全て本発明にしたがって、ヒートパイプにより相互に接続された内部の熱発生および吸熱コンポーネントと、取外し可能な外部放熱装置とを示すために垂直の断面図で戦術ミサイルのフロントエンド部分を示している図。

Claims (16)

1. ミサイルハウジングと、
   熱源を含みハウジング内に配置されている電子パッケージと、
   熱源に接続されハウジング内に配置されているヒートパイプと、
   ハウジングを通ってヒートパイプへアクセスするアクセスポートと、
   アクセスポートを通ってヒートパイプに接続可能である取外し可能な放熱装置とを具備しているミサイルシステム。
2. ヒートパイプに接続される２以上の電子パッケージを含んでいる請求項１記載のミサイルシステム。
3. さらに、ミサイルハウジング内に吸熱構造素子を含んでおり、吸熱材料はヒートパイプに接続されている請求項２記載のミサイルシステム。
4. 吸熱材料はミサイルの構造素子を含んでいる請求項３項記載のミサイルシステム。
5. 吸熱材料は燃料を含んでいる請求項３記載のミサイルシステム。
6. さらに、ヒートパイプから延在し熱源に接続されている少なくとも１つのブランチを含んでいる請求項３記載のミサイルシステム。
7. ブランチはヒートパイプを含んでいる請求項６記載のミサイルシステム。
8. ブランチは金属の熱伝導体を含んでいる請求項６記載のミサイルシステム。
9. ミサイルは戦術ミサイルである請求項１記載のミサイルシステム。
10. 取外し可能な放熱装置はヒートパイプを含んでいる請求項１記載のミサイルシステム。
11. ヒートパイプは第１の端部部分と第２の端部部分を含み、少なくとも２つの熱源はヒートパイプの第１の端部部分に接続されている請求項１記載のミサイルシステム。
12. 少なくとも２つのヒートシンクがヒートパイプの第２の端部部分に接続されている請求項１１記載のミサイルシステム。
13. 取外し可能な放熱装置はヒートパイプの第２の端部部分に接続されている請求項１２記載のミサイルシステム。
14. 第１の熱源を提供し、第２の熱源を提供し、ヒートパイプを提供し、ミサイル構造の一体性を維持するための構造素子を提供し、熱を第１および第２の熱源からヒートパイプへ伝導するために接続を行い、熱をヒートパイプから構造へ伝導するために接続を行うことを含んでいるミサイル内の温度制御方法。
15. 第１および第２の熱源の温度よりも低い温度で消耗可能な材料を提供し、熱をヒートパイプから消耗可能な材料へ伝導するために接続を行う請求項１４記載の方法。
16. さらに、外部放熱装置をヒートパイプへ接続するステップを含んでいる請求項１４記載の方法。

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