JP2009543998A - 排熱装置 - Google Patents

Abstract

本発明の装置は、熱源を有する機器（１０１）と、その機器よりも冷たい低温部（１０２）と、その機器の熱を低温部に伝えることのできる熱伝導要素（１０３）とを備えている。この要素（１０３）は、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。

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。

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。その場合、機器と低温部は実際に電気的に絶縁される。

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。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。

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、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。

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。

上記の実施態様は本発明を実現した可能な例にすぎず、本発明がこれら実施態様に限定されることはない。

Claims (18)

1. 熱源を有する機器（１０１；２０１；２１１；３０１；４０１）と、その機器よりも冷たい低温部（１０２；２０２；２１２；３０２；４０２）と、その機器の熱を低温部に伝えることのできる要素（１０３；２０３、２０４；２１３、２１４；３０３；４０３、４０４、４０５）とを備える装置であって、
   前記要素が、所定の熱的条件よりも上に位置するある熱的条件下で、前記機器と前記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。
2. 前記機器と前記低温部が、少なくとも前記のある熱的条件において実質的に電気的に絶縁されている、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記機器と前記低温部が、少なくとも前記のある熱的条件においてガス層（１０６；２０６；２１６；３０３’）によって実質的に分離されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記要素の熱抵抗が前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、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記要素が少なくとも１つの成分（３０３）を含んでいて、その成分が前記のある熱的条件において状態変化することで、前記熱抵抗の増大が引き起こされる、ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記状態変化が、液体状態から気体状態への移行である、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記成分が、前記状態変化の後に前記ガス層（３０３’）を形成する、ことを特徴とする請求項３に従属する請求項４を考慮したときの請求項５または６に記載の装置。
8. 前記要素（１０３；２０３；２１３；４０４）が、前記のある熱的条件において前記機器または前記低温部と接触する構成にされている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記要素が、少なくとも１つの成分（１０３；２０３；２１３；４０４）を含んでいて、その成分が前記のある熱的条件において状態変化することで、前記接触が断たれる、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記成分（１０３）が、前記のある熱的条件から外れているときに前記機器から前記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ため、前記機器と前記低温部が実質的に分離される、ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記成分（２０４；２１４；４０３）の状態変化によって前記要素の一部（２０３；２１３；４０４）が移動するときにその成分の力学的性質が変化することで前記接触が断たれる、ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 前記要素が、前記成分の状態変化によって前記ガス層を形成できるように配置されている、ことを特徴とする請求項３に従属する請求項８を考慮したときの請求項９から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記状態変化が、固体状態から液体状態への移行である、ことを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記状態変化が、液体状態から気体状態への移行である、ことを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記機器が燃料のポンプである、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 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から１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記低温部が、温度上昇に敏感な要素である、ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載の装置を備える、ことを特徴とする航空機。

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