JP2009543997A - 排熱装置 - Google Patents

Abstract

本発明の装置は、最大に作動するための熱的条件を有する熱源を有する機器と、機器に比べて冷たい低温部（５０２）及び低温部に機器の熱を伝達することのできる要素（５０３）を備える。要素（５０３）、は前記最大の熱的条件より低い定められた閾値よりも高い熱的条件で伝達される熱の制限を誘起することができる。

Description

本発明は、排熱装置に関する。

このような装置では、機器において何らかの熱源（例えば電気回路や電子素子）によって放出される熱エネルギー（または熱）を排出することが求められる。

そのために従来は、熱伝導要素を用い、機器を、その機器よりも冷たくて低温源の役割を果たす低温部と接続している。
するとその熱伝導要素を通じ、ある量の熱が、熱伝導要素の熱抵抗に反比例する強度で流れる。それにより機器において発生する熱の少なくとも一部を排出することができ、結果的に機器の過熱が避けられる。

特許文献１では、例えばこの技術を利用し、さらに、機器の動作に関係した理由で、低温での熱のこの排出を減らすことを提案している。

米国特許出願公開２００３／０１９６７８７

本発明の発明者は、特に低温源を形成する部分が温度および／または放出される熱出力の条件に必ずしも合っていないと、この解決法に実際にリスクがあることに気づいた。それは例えば、この低温部が可燃性材料でできていたり、温度上昇に敏感であったりする場合である。

こうした問題を回避するため、本発明では、熱源を有する機器と、その機器よりも冷たい低温部と、その機器の熱を低温部に（特に熱伝導によって）伝えることのできる要素とを備える装置であって、その要素が、所定の熱的条件よりも上に位置するある熱的条件下で、機器と低温部を実質的に断熱するようにされていることを特徴とする装置を提案する。

したがって、（例えば温度または熱出力に関してその要素を通して）この熱的状態に遭遇するとき、すなわち所定の熱的条件を超えるときには、機器において発生する熱はもはや低温部に伝わらないため、低温部の過熱が避けられる。
熱的条件は例えば、要素を通して伝達される熱出力に対応する。この場合、要素は、伝達される熱出力を前記規定の閾値の値に制限することができる。

さらに、機器と低温部は、少なくとも上記の熱的条件ではガス層によって実質的に分離できるため、その条件でも電気現象（例えばアーク放電）が機器から低温源に伝わること、特にアーク放電の伝播が阻止される。

機器及び低温部は例えば、熱条件の如何に関わらず前記層により分離されており、このとき該要素は、前記層を横断する少なくとも１本のヒートパイプを含むことができる。

この枠内で、一定の閾値を超えた場合のヒートパイプが伝達しうる熱出力の制限を活用して、要素により伝達される熱出力はこの閾値に制限される。

可能な１つの解決法によれば、要素が少なくとも１つの成分を含んでいて、その成分が上記のある熱的条件において状態変化する（例えば液体状態から気体状態に移行する）ことで、熱抵抗の増大が引き起こされるそのため同様に伝達される熱の量を制限することを可能にする。ここでは、このような状態変化と一般に結び付いている熱抵抗の増大を利用する。すると成分は、その状態変化の後に上記の層を形成することができる。これは、この層を得るための実際的な方法である。

実際には、要素は、例えば上記のある熱的条件から外れているときに（すなわち所定の熱的条件以下で）熱をよく伝える熱伝導体を含んでいる。

可能な一実施態様によれば、要素の熱抵抗は、上記のある熱的条件において大きくなることができるため、この要素が実質的に孤立するようにされている。したがって、例えばこの要素の熱伝導特性を変えることにより、機器と低温源の間を断熱することが可能になる。

可能な別の一実施態様によれば、要素は、上記のある熱的条件において機器または低温部と接触する構成にされている。この場合には、要素と機器または低温部の間の接触が断たれることで、機器と低温部の間の熱経路が遮断され、ひいては熱伝達の制限が誘発される。

例えばこの場合には、要素が少なくとも１つの成分を含んでいて、その成分が上記のある熱的条件において状態変化することで、上記の接触が断たれる。

この枠組では、成分は、上記のある熱的条件から外れているときに機器から低温部への熱伝導に関与していて、その熱的条件において状態変化することで消えるようにできるため、機器と低温部が実質的に分離される。

場合によってはすぐ前の方法と組み合わせることが可能な別の方法によると、成分が状態変化するときの力学的性質の変化によって要素の一部を移動させることができ、したがって上記の接触が断たれる。

これらの場合にも、要素は、成分の状態変化によってガス層を形成できるように配置できる。したがって状態変化により、熱伝導路を遮断できるだけでなく、電気現象の伝播も回避することができる。

この文脈では、状態変化としては、固体状態から液体状態への移行、または液体状態から気体状態への移行が可能である。

機器としては燃料ポンプが可能であり、低温部としては、例えば航空機の液体燃料が可能である。本発明はこの文脈において特に興味深いが、当然、他の多くの用途（温度上昇に敏感なヒートシンクの諸要素（例えば炭素製の構造体）が過熱しないように保護することなど）がある。

上に提案する構成により、伝達される熱の制限によって、特に、ヒートシンク（例えば燃料）の過熱と、機器からヒートシンクに向かうアーク放電の伝播を阻止しつつ、機器（例えば燃料ポンプの場合のエレクトロニクス素子）から生じる熱を排出することができる。

本発明では、このような装置を備える航空機も提案する。

本発明の他の特徴と利点は、添付の図面を参照して行なう以下の説明に現われるであろう。

第１の実施例を示す図である。 第１の実施例を示す図である。 第１の実施例を示す図である。 第２の実施例を示す図である。 第２の実施例を示す図である。 第２の実施例を示す図である。 図２Ａ〜図２Ｃに示した第２の実施例の変形例を示す図である。 図２Ａ〜図２Ｃに示した第２の実施例の変形例を示す図である。 図２Ａ〜図２Ｃに示した第２の実施例の変形例を示す図である。 第３の実施例を示す図である。 第３の実施例を示す図である。 第３の実施例を示す図である。 第４の実施例を示す図である。 第４の実施例を示す図である。 第４の実施例を示す図である。 第５の実施例を示す図である。 第５の実施例を示す図である。

図１Ａは、正常動作領域にある本発明の第１の実施例を示している。
この実施例では、熱源（図示せず）を有する熱いプレート１０１が、正常動作に対応する公称温度Ｔ_nominaleになった固体材料１０３を介して冷たいプレート１０２（例えば装置の構造体の一部）に接続されている。

材料１０３は熱伝導体であるため、その熱抵抗Ｒ_materiauは比較的小さい。したがって熱源によって熱いプレート１０１で発生する熱は、正常動作条件では、材料１０３を通り、ヒートシンクまたは低温源の役割を果たす冷たいプレート１０２に向かって排出される。

材料１０３は、融点Ｔ_fusionが、望む最高動作温度Ｔ_max以下になるように選択される。例えば冷たいプレート１０２の分解や、他の好ましくない効果（例えば冷たいプレートが航空機の燃料などの可燃性材料の形態で実現されている場合の火災のリスク）を避けるには、このような最高温度が望ましかろう。

したがって図１Ｂに示してあるように、材料１０３の温度Ｔが例えば正常動作領域を外れて材料１０３の融点Ｔ_fusionに達すると、その材料は状態を変える。すなわち材料１０３は固体状態から液体状態に移行する（図１Ｂに参照番号１０３’で示してある）。するとその材料は、熱いプレート１０１と冷たいプレート１０２が接触している最初の状態が消える（ここでは適切な手段によってその材料が流れる）。

そのため熱いプレート１０１と冷たいプレート１０２の間の温度が望ましい最高温度Ｔ_maxよりも高くなると、図１Ｃに示してあるように熱いプレート１０１と冷たいプレート１０２はもはやその材料によって接続されず、空気層１０６によって隔てられる。この空気層の熱抵抗Ｒ_airは、材料の熱抵抗Ｒ_materiauよりも非常に大きい。

したがって冷たいプレート１０２と熱いプレート１０１は、両者を隔てる空気層１０６のおかげで断熱される。空気層は、電気的絶縁体の役割も果たす。そのため熱いプレートから冷たいプレート１０２への（例えばアーク放電の形態の）電気エネルギーの伝達も阻止することができる。この後者の利点が特に興味深いのは、熱いプレート１０１が電気機器または電子機器を備えていて、特に冷たいプレート１０２が望ましい最高温度Ｔ_maxよりも高温に達したときにこの冷たいプレートの位置が危険になる場合である。

例えば材料１０３として、空気層の熱抵抗によって伝達できるよりもはるかに多くの熱を伝えることが可能な熱特性を持つ蝋を用いる。

図２Ａは、正常動作領域における、すなわち望ましい最高温度Ｔ_maxよりもはるかに低い動作温度Ｔ_nominaleにおける本発明の第２の実施例を示している。

この実施例では、熱源を有する機器２０１は冷たいプレート２０２から離れているため、その冷たいプレートから空気層２０６によって隔てられている。さらに、機器２０１は、優れた熱伝導体である（したがって熱抵抗が小さい）材料で形成された排熱部材２０３によって冷たいプレート２０２に接続されている。

排熱部材２０３は、機器２０１の一部とその排熱部材２０３の間に固体状態の接続材料２０４を配置することにより冷たいプレート２０２との接触が維持されている。さらに、圧縮バネ２０５が排熱部材２０３と冷たいプレート２０２の間に配置されている。このバネ２０５は、排熱部材２０３が冷たいプレート２０２と接触しているときには圧縮されている。

排熱部材２０３は、接続材料２０４を通じて機器２０１に接続される一方で、機器２０１のうちで接続材料２０４を受け止めるのとは別の部分において、機器２０１の例えば側壁２０８に直接接続されている。

接続材料２０４の位置における温度が正常動作領域を超えて高くなり、接続材料２０４の融点Ｔ_fusionに達すると、接続材料は固体状態から液体状態へと移行し（図２Ｂには、液体状態の接続材料を参照番号２０４’で示してある）、適切な手段によって装置の外へと流れ出す。

そのため排熱部材２０３はもはや冷たいプレート２０２との接触を維持しておらず、バネ２０５の効果によって冷たいプレート２０２から離れている。排熱部材２０３が移動したため冷たいプレート２０２と接触していないという事実から、機器２０１と冷たいプレート２０２は、熱伝導率が無視できるバネ２０５を除き、空気の厚み（または層）２０６によって隔てられていることがわかる。したがってこれら２つの要素は、図２Ｃに示してあるように、空気層２０６を挟んで実質的に孤立している。

図２Ｄは、今説明したばかりの第２の実施例の変形例が正常動作領域にある状態を示している。

すぐ前に説明した第２の実施例と同様、熱源を有する機器２１１は、冷たいプレート２１２から離れた位置にあるため、空気層２１６によってその冷たいプレートと隔てられている。機器２１１はさらに、熱抵抗が小さな材料で形成されていて一部が空気層２１６によって形成されたスペースの中を延びる排熱部材２１３によって冷たいプレート２１２に接続されている。

しかしこの変形例では、排熱部材２１３は、熱伝導性排熱部材２１３と構造体２１０の一部の間に配置された固体ブロック２１４によって冷たいプレート２１２に支持された状態が維持されている。さらに、第２の実施例と同様、圧縮バネ２１５が、排熱部材２１３と冷たいプレート２１２の間に配置されている。固体ブロック２１４が存在しているため、バネ２１５は、排熱部材２１３が冷たいプレート２１２と接触しているときには圧縮されている。

したがってこの変形例では、固体ブロック２１４は必ずしも排熱に関与しない。

固体ブロック２１４の温度が正常動作領域を超え、ブロック２１４を構成する材料の融点Ｔ_fusionに達すると、このブロックは固体状態から液体状態に移行し（図２Ｅには、溶融したブロックを参照番号２１４’で示してある）、適切な手段によって装置の外へと流れ出す。

そのため排熱部材２１３はもはや冷たいプレート２１２との接触を維持しておらず、バネ２１５の効果によって冷たいプレート２１２から離れている。排熱部材２１３が移動したため冷たいプレート２１２と接触していないという事実から、機器２１１と冷たいプレート２１２は、熱伝導率が無視できるバネ２１５を除き、空気の厚み（または層）２１６によって隔てられていることがわかる。したがってこれら２つの要素は、空気層２１６を挟んで実質的に孤立している。

図２Ｆに示した実施態様では、排熱部材２１３の移動は、この場合にヒートシンクとなることができる構造体２１０の一部と接触するまで続く。

図３Ａは、正常動作状態での本発明の第３の実施例を示している。

この実施例では、熱を発生させる機器３０１と、低温源となる低温部３０２は、それぞれ、容器３０５の上部と下部に位置する。

容器内で機器３０１と低温部３０２の間に設けられたスペースは、熱抵抗が小さな液体形態の接続材料３０３で満たされる。この接続材料は、機器３０１と低温部３０２の間の熱伝導路を形成する。

容器３０５には、機器３０１と、接続材料３０３と、低温部３０２が、気密状態で収容されている。この容器内の接続材料３０３で満たされたスペースに侵入している安全弁３０４だけが、圧力が上に説明した閾値を超えたとき、必要に応じて液体を排出することができる。

接続材料３０３は、気化温度が、低温部３０２における望ましい最高温度にほぼ対応する（それよりもわずかに低いことが好ましい）ようにされている。

そのため例えば機器３０１の故障が理由で接続材料の温度が気化温度を越え（、したがって望ましい最高温度に達す）ると、図３Ｂに示した段階で接続材料３０３は液体状態から気体状態に移行する（気体状態の材料３０３’は、当然、容器３０５内で以前は機器３０１と接触する液体で占められていた上部のスペースに現われる）。

気密容器３０５の中で状態が変化すると、容器内の圧力が上昇して安全弁３０４を作動させる閾値に達し、その結果として接続材料３０３は図３Ｂに示したように排出され始める。

温度が接続材料３０３の気化温度を超えて上昇を続けると、図３Ｂに示した上に説明したばかりで現象が、機器３０１と低温部３０２の間に位置する容器３０５内のスペースが気体状態の接続材料３０３’で完全に満たされるまで続く。

したがって、液体形態の接続材料３０３によって最初に形成されていた熱伝導路は遮断され、低温部３０２は機器３０１から断熱される。なぜなら気体状態の接続材料の熱抵抗は、液体形態の接続材料の熱抵抗よりもはるかに大きいからである。

接続材料の状態変化（すなわち液体状態から気体状態への移行）により、熱伝導路をガス層で置換できたことにも注意されたい。その結果、特に、機器３０１と低温部３０２の間にアーク放電が形成されることを回避できる。

図４Ａは、正常動作状態での、すなわち許される最高温度よりもはるかに低い温度（その中に公称動作温度が含まれる）での本発明の第４の実施例を示している。

この実施例では、容器４０５は、（例えば航空機に備えられた燃料ポンプなどの熱源を有する機器の一部を構成する）熱いプレート４０１の下部延長部の中に形成されている。

容器４０５は気密であり、正常動作領域では、下部に液体成分４０３が含まれている。

排熱部材４０４の一部も容器４０５の内部に収容されている。排熱部材４０４の上部４０６（ここではほぼ水平）が、容器４０５の全面（ここでは水平）に広がってピストンを形成し、容器４０５の例えば空気で満たされた上部を、正常動作領域では液体である成分４０３で満たされた容器４０５の下部から分離している。

したがって正常動作中は、排熱部材が液体成分４０３の上に浮かんでいると考えることができる。

排熱部材４０４は、ロッド（ここではほぼ鉛直）も備えている。そのロッドの下部４０７は、図４Ａに示した正常動作中は、ヒートシンクを形成する低温部（ここでは航空機の液体燃料４０２で形成されている）と接触している。下部４０７は、図４Ａに示されているように、ここでは燃料４０２の中に確かに浸されている。

図４Ａに示した正常動作状態（すなわち、特に公称動作温度）では、伝熱路が、機器４０１と低温部４０２の間に、熱抵抗が比較的小さな材料（すなわちここでは、容器４０５の壁、液体成分４０３、排熱部材４０４）によって形成されている。

容器４０５内の温度が（例えば機器４０１の故障が原因で）公称動作温度を超えて上昇し、液体成分４０３の気化温度（容器４０５の内部で許される最高温度よりもわずかに低いことが好ましい。この最高温度は、例えば燃料４０２が存在するためにその温度を越えると危険が生じるという温度に対応する）に達すると、図４Ｂに示してあるように気相４０３’が容器４０５の下部に出現し、その気相が及ぼす圧力が排熱部材４０４を上方へと移動させる。この排熱部材の上部４０６はピストンを形成していることを思い出されたい。

したがって圧力の効果によって排熱部材４０４が移動すると、排熱部材の鉛直部の少なくとも一部が低温部４０２の外に出される。そのためこの低温部への熱の移動が制限され、この低温部の過熱が阻止される。

しかし温度が液体成分４０３の気化温度を超えてさらに上昇すると、液体成分全体が気体に変化し、容器４０５の下部に及ぼされる圧力が増大し、排熱部材４０４が上方に向かい、下部４０７が、低温源４０２を形成する燃料の外に出て、その燃料から離れる。

この最終位置では、排熱部材４０４の下部４０７と液体燃料４０２の表面の間に位置するスペースは、断熱性かつ電気的絶縁性のガス層（例えば空気）で満たされるため、低温源を形成する機器４０１と液体燃料４０２は、熱的、電気的に十分に孤立し、燃料４０２が燃えるあらゆるリスクが回避される。

図５Ａは、本発明の第５の実施例を表わす。

この第５の例によると、熱源（つまり高温プレート）５０１を含む機器が、機器５０１と低温プレート５０２の間のアークの伝播を避けるべく空気層５０４を用いて低温プレート５０２（例えば航空機の構造要素）から分離されている。

複数のヒートパイプ（すなわち、英語圏の「Ｈｅａｔ−ｐｉｐｅ」という用語により近い熱管）５０３（図５Ａでは２本）が空気層５０４を横断し、各ヒートパイプ５０３は、一方の端部で機器５０１と接触しもう一方の端部で低温プレート５０２と接触している。変形実施形態においては、装置内の熱流束の寸法決定上可能な場合、唯一のヒートパイプを利用することができる。

例えば２相管の形で作製されたヒートパイプは、機器５０１の内部で発生した熱を低温プレート５０２に向かって、〔しかも正常な作動状態で、つまりヒートパイプが伝達する出力（又変形形態ではヒートパイプの温度）が出力閾値Ｐ_seuil（又は温度閾値）を超えない場合に〕排出することを可能にする。（なおここで、温度閾値というのは、温度の絶対値であるか又は例えばヒートパイプの外部温度との関係における相対値である。

従ってヒートパイプ５０３の熱抵抗Ｒ_thは、これらのパイプを通過する熱出力が閾値Ｐ_seuilより低いかぎり（又は温度がその閾値より低いかぎり）、比較的低い。

ただし、ヒートパイプ５０３は、これらのヒートパイプを横断する熱出力がこの閾値Ｐ_seuilより高い場合（又は温度が温度閾値より高い場合）、その熱抵抗Ｒ_thが図５Ｂに例示されている通り大幅に増大するようなものである。

（通常の条件とは異なるヒートパイプの作動条件に対応する）これらの熱条件においては、すなわち伝達された熱出力のこの閾値に達した場合（ヒートパイプの正常な作動からの逸脱）、ヒートパイプにより伝達される出力はこの閾値に制限される。

かくして、たとえ機器がヒートパイプの出力閾値よりも高い熱出力を生成した場合でも、ヒートパイプは飽和し、制限された熱出力しか低温プレートに伝達せず、かくしてこの低温プレートの過度の加熱が回避される。かくして、熱の排出が一部続けられ、それでも低温プレートに対する危険性をひき起こすことはない。

以上の実施形態は、制限的な意味のない本発明の考えられる実施例にすぎないものである。

Claims (9)

1. 最大に作動するための熱的条件を有する熱源を有する機器と、
   その機器よりも冷たい低温部と、
   その機器の熱を低温部に伝達することのできる要素とを備える装置であって、
   前記要素は前記条件よりも低く定められた閾値よりも高い熱的条件で伝達される熱の制限を誘発することができる、ことを特徴とする装置。
2. 前記熱的条件が前記要素を通して伝達される熱出力に対応している、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記要素は伝達される熱出力を前記定められた閾値に制限することができる、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記機器及び低温部が、少なくとも前記熱的条件内で基本的に気体層により分離されている、ことを特徴とする請求項１〜３の１項に記載の装置。
5. 前記機器及び低温部は熱的条件の如何に関わらず前記層により分離されており、前記要素は前記層を横断する少なくとも１本のヒートパイプを含む、ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記機器が燃料用ポンプである、ことを特徴とする請求項１〜５の１項に記載の装置。
7. 前記低温部が液体燃料である、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記低温部が温度の上昇に感応する要素である、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置を備えた、ことを特徴とする航空機。

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