JP2010023825A - ダクテッドファンｕａｖの機器の冷却システムおよび冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダクテッドファンＵＡＶに配置される機器の効率の良い冷却方法を提供する。
【解決手段】電子機器は、機器の完全性および信頼性を維持し、機器の余命を延長するために冷却を必要とすることが多い。作動時に、ＵＡＶのファン５は、ＵＡＶのダクト３を横切って方向付けられる外気を含む空気流１１を発生する。ＵＡＶのファンにより発生されるこの空気流を利用して機器７の囲壁１３からの熱伝達を可能にすると、効率のよい熱伝達が達成される。ＵＡＶのファンにより発生される空気流を用いて機器の囲壁から熱を伝達できる、本明細書において説明される方法は、いろいろなダクト形状を有しダクトの内側に機器の囲壁を有するＵＡＶに、またはＵＡＶのダクトに配置される着脱自在の機器の囲壁に使用され得る。
【選択図】図２

Description

アメリカ合衆国政府は、米国陸軍（ＴＡＣＯＭ）により与えられる契約番号Ｗ５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４に従って本発明に関して一定の権利を取得することができる。
本発明は、一般に、ダクテッドファン無人航空機（ＵＡＶ）に配置される機器を冷却するためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、ＵＡＶのファンにより発生される空気流を直接的または間接的に用いてＵＡＶに配置される電子機器を冷却するためのシステムおよび方法に関する。

ＵＡＶは、通信装置、操縦装置、カメラ、センサ、および計算装置などの搭載電子機器を運搬することができる。この機器は、作動時に多量の熱を発生することがある。機器の性能および作動寿命を最適化するために特定の温度範囲内に電子機器を維持することが望ましいので、機器の冷却を行うことが必要な場合がある。

機器は、囲壁の環境内で危険からこの機器を保護するために封止された囲壁に収容され得る。この種の囲壁内に機器を収容することにより、外気が機器の囲壁の中に入ることを防止することができる。機器が、気密封止を有する囲壁などの保護された環境の中に収容される場合には、機器の上を通される外気を必要としない機器のための、他の冷却方法を提供することが望ましいことがある。したがって、ダクテッドファンＵＡＶに配置される機器を冷却するための他の方法が必要とされる。

機器の囲壁を冷却する多くの現行の方法は、機器を冷却するために多量のエネルギーを必要とし、多量のエネルギーを供給することは、ＵＡＶに対して望ましいことではなく、または非実用的であり得る。したがって、ＵＡＶに配置される機器を冷却するエネルギー効率のよい方法が必要とされる。

本発明は、ＵＡＶのファンにより発生される空気流を利用して機器の囲壁からの熱伝達を可能にするものである。電子機器および他の機器は、冷却を必要とすることが多い。過度の熱は、電子機器を損傷し、検出装置を較正不良とし、高温の囲壁の中に配置される電子機器および他の積荷に損傷を与え得る。また、電子機器は作動時に多量の熱を発生し得るので、機器の囲壁内部の温度は、所望の温度を超えて急速に上昇することがある。

ＵＡＶのファンにより発生される空気流を使用することは、既存の冷却源を利用して機器の囲壁からの熱伝達を可能にし、したがって、機器の囲壁の内側でこの機器についてエネルギー効率のよい冷却を可能にする。ＵＡＶのファンにより発生される空気流を用いてＵＡＶの機器の囲壁からの熱伝達を可能にすることは、さまざまな方法で実施されることができ、その結果、熱伝達機構を設計する際に自由度を与える。

さらに、ＵＡＶのファンにより発生される空気流を用いて機器の囲壁から熱を伝達することは、ＵＡＶのダクトの内側に配置される機器の囲壁について達成されることができ、あるいは、ＵＡＶに配置される着脱自在のまたは交換可能な機器の囲壁について達成されることができる。

これらならびに他の態様および利点は、添付の図面を適切に参照して、次の詳細な説明を読み取ることによって当業者に明らかになるであろう。さらに、この概要は、１つの例にすぎず、特許請求される本発明の範囲を限定するように意図されるものではないことが理解される。

目下好ましい実施形態が添付の図面に関連して下に説明され、この添付図面では、同等の参照符号はさまざまな図において同等の要素を指す。

ダクテッドファン航空機の上面図である。 ダクテッドファンおよび電子機器の切欠き側面図である。 通気装置を備える冷却システムを有するダクテッドファンの切欠き側面図である。 ファンを備える冷却システムを有するダクテッドファンの切欠き側面図である。 伝導性ダクト壁を備える冷却システムを有するダクテッドファンの切欠き側面図である。 内側ファンを備える冷却システムを有するダクテッドファンの切欠き側面図である。 少なくとも１つのヒートパイプを備える冷却システムを有するダクテッドファンの切欠き側面図である。 ヒートポンプを備える冷却システムを有するダクテッドファンの切欠き側面図である。 外側フィンを備える冷却システムを有するダクテッドファンの切欠き側面図である。 内側フィンを備える冷却システムを有するダクテッドファンの切欠き側面図である。 構成可能な機器の囲壁を有するダクテッドファン航空機の展開図である。

ＵＡＶのファンにより発生される空気流を利用して機器の囲壁からの熱伝達を可能にすることは、機器の囲壁の近くに既に存在する冷却空気流を用いることによって効率のよい熱伝達を達成する。電子機器は機器の完全性および信頼性を維持し、機器の余命を延長するために冷却を必要とすることがあるので、機器を冷却するためのエネルギー効率のよい方法を提供することが望ましい場合がある。

ＵＡＶのファンにより発生される空気流を用いて機器の囲壁から熱を伝達するための、本明細書において説明される方法は、さまざまなダクト形状を有しダクトの内側に機器の囲壁を有するＵＡＶに、あるいは、ＵＡＶのダクトに配置される着脱自在または構成可能な機器の囲壁に使用され得る。

図１は、ダクテッドファン航空機１（ＵＡＶ）の上面図を示す。ＵＡＶ１は、ファン軸９、ファンブレード５、ファンモータ６、および着陸装置４を備えるファンを有することができる。

図２は、回転軸２の周りに回転するファン軸９およびファンブレード５を有する、ダクテッドファン航空機１（「ＵＡＶ」）の切欠き側面図を示す。ファン軸９の上方に配置されるファンモータ６は、回転軸２の周りにファンブレード５を回転させ、その結果、図３ａ〜図３ｈについてさらに議論される空気流１１を発生する。ステータ６は、ファン軸９に対して固定されるダクト３を保持する。ダクト３は、内側ダクト壁１５および外側ダクト壁１６を有することができる。ダクト壁１５およびダクト壁１６の厚さは、変更することができ、図２に示されるものよりもより厚く、またはより薄くてもよい。ダクト内壁１５とダクト外壁１６との間に形成される領域は、機器の囲壁１３を形成することができる。機器の囲壁１３の内側に、操縦装置、通信装置、センサ、カメラ、情報処理装置、およびペイロードなどの機器７が収容され得る。

機器７は、作動時に多量の熱を発生することがあり、機器７について冷却を行うことが必要な場合がある。機器７の周りが過度に高温であると、処理装置の故障、センサの較正不良、ならびに、センサおよびカメラにより感知される情報の品質の低下を生じることがある。

機器７は、内気（すなわち、機器の囲壁１３の内部の空気）が外気（すなわち、機器の囲壁１３の外部の空気）と混合することを防止するために封止され得る。機器７を封止すると、湿気、大気中の腐食性の化学物質、植物体や岩屑や汚染物などの粒子、ならびに核汚染物質、生物学的汚染物質、または化学的汚染物質のような機器７に有害であり得る環境条件から機器７を保護することができる。機器７は密閉して封止される囲壁の中に閉じ込められて、これらの有害な状態が機器７の性能に影響を及ぼすことを防止することができる。

ＵＡＶ１が飛行中の場合、ファンブレード５は、空気流１１を発生することができる。空気流１１の方向は、ＵＡＶ１の底部に向かって図２に示される方向であることができる。しかし、ＵＡＶ１は、方向を反転できるファンを有することができ、いくつかの方向に空気流１１を方向付けることもでき得る。

外気は、機器の囲壁１３の内側の温度よりも低い温度を有し得るので、空気流１１は、機器７を冷却するために使用され得る。
図３ａ〜図３ｈは、作動中にＵＡＶ１により発生される空気流１１が機器７を冷却するために使用され得るいくつかの方法を例示する。

図３ａは、ダクト３の切欠き図を示し、この図では、ダクト内壁１５は、空気が機器の囲壁１３を出入りできるようにベーン１８が配置される開口１７を有する。ベーン１８は、大きな物体が機器の囲壁１３に入ることを防止しながら外気が機器の囲壁１３に入ることを可能にすることができる。作動中にＵＡＶ１のファンにより発生される空気流１１は、ベーン１８を越えて開口１７を通り抜けて機器の囲壁１３の中に外気を押し進める。外気は、機器の囲壁１３の内側の温度よりも低い温度を有することができ、したがって、外気は、機器の囲壁１３から熱を運び去ることができ、ベーン１８を通して機器の囲壁１３から熱を移動させることができる。

図３ｂは、ダクト内壁１５の開口に配置される第１のファン３５および第２のファン３３を有するダクト３の切欠き図を示す。第１のファン３５は、機器の囲壁１３の上壁２８に沿って機器の囲壁１３の中に空気流３１を生じる。空気流３１は、機器の囲壁１３の後壁２６に接触すると方向を変え、機器の囲壁１３の底壁３０まで下方に進み、機器の囲壁１３の底壁３０に接触すると再び方向を変える。第２のファン３３は、機器の囲壁１３から外へ空気流３１を引き寄せる。空気流３１は、機器の囲壁内に配置される機器７を通り抜けるより長い通路を有することができ、機器７からより多くの熱を運び去ることができるので、図３ｂのシステムは、図３ａのシステムよりも改善された熱伝達を可能にすることができる。

あるいは、単一のファンが、第２のファン３３または第１のファン３５の位置において使用され得る。
単一のファンが第２のファン３３の位置にある場合、空気流１１の圧力により、外気が開口３１を通して機器の囲壁１３に入ることができ、第２のファン３３は、機器の囲壁１３から外気を排気することができる。単一のファンが第１のファン３５の位置にある場合、第１のファン３５は、空気流１１から機器の囲壁１３の中に空気を引き寄せることができ、機器の囲壁１３内の空気の圧力により、空気は開口３３を通して排気され得る。

図３ａおよび図３ｂは、ＵＡＶに搭載配置された機器７から熱を除去する方法を説明するものであり、ここに、外気は、機器の囲壁１３に入り、機器７から熱を除去する。しかし、いくつかの場合には、外気の中に存在し得る所望されていない微粒子物質から機器７を保護するために、外気が機器の囲壁１３に入ることを防止することが望ましい場合がある。機器７は、密閉して封止される機器の囲壁１３の中に配置され得る。図３ｃ〜図３ｈは、外気、機器の囲壁１３には入らずに、機器７を冷却するために使用されるシステムを説明する。

図３ｃは、高熱伝導性材料から成るダクト内壁１５を有するダクト３を示す。例えば、銀、銅、アルミニウムなどの多くの異なる材料が使用され得る。ダクト３は、少なくとも３０Ｗ／ｍ＊Ｋの熱伝導率を有する材料から成り得ることが好ましい。機器７により発生される熱は、熱伝導性ダクト内壁１５に伝達され得る。ＵＡＶ１により発生される空気流１１は、ダクト内壁１５の外表面の上を通り、ダクト内壁１５から熱を除去することができる。したがって、外気を機器の囲壁１３に入らせずに、熱は機器の囲壁１３から除去され得る。

図３ｄは、図３ｃについて説明されたように、高熱伝導性材料から成るダクト内壁１５を有するダクト３を示す。また、図３ｄのシステムは、第１の内側ファン２１および第２の内側ファン２２を有する。第１の内側ファン２１および第２の内側ファン２２は、機器の囲壁１３の内部で内気を循環させる。第１の内側ファン２１は、機器の囲壁１３の上壁２８に沿って水平に内気を押し進めることができる。空気流２３は、ダクト内壁１５に接触し、ダクト内壁１５に沿って進むと下方方向に変化することができ、機器の囲壁１３の底壁３０に接触すると再び方向を変えることができる。第２の内側ファン２２は、機器の囲壁１３の底壁３０に沿って空気流２３を押し進めることができ、この空気流２３は、機器の囲壁１３の後壁２６に接触すると上方へ再び方向を変える。空気流２３は、ダクト内壁１５によって冷却されることができ、機器の囲壁１３の壁２６、壁２８、および壁３０に沿って進むと機器７から熱を運び去ることができる。内気がダクト内壁に沿って進むと、これはダクト内壁１５の熱伝導性材料に熱を伝達することができる。ダクト内壁は、ダクト内壁１５の上を通るより冷たい外気１１である空気流１１によって冷却され得る。したがって、熱は、機器の囲壁１３から外部へ伝達される。２つのファン２１およびファン２２、ならびに時計回りの空気流２３を有することが示されているが、いくつかのファン構成が異なる通路に空気流２３を方向付けるように使用され得る。

図３ｅは、外気流１１と機器の囲壁１３との間に配置されるヒートパイプ２７を有するダクト３の切欠き側面図を示す。３本のヒートパイプ２７が示されるが、任意の数のヒートパイプ２７が機器の囲壁１３から外部へ熱を伝達するために使用され得る。ヒートパイプ２７は、機器７から熱を運び去るように機器の囲壁１３内に配置される１つの側面を有することができる。ヒートパイプ２７の反対側の端部は、例えば、ダクト内壁１５の外側の外気流１１によって冷却される領域に、またはダクト内壁１５が熱伝導性材料から成る場合にはダクト内壁１５の内部に配置され得る。

機器の囲壁１３内のヒートパイプ２７の端部が機器７から熱を運び去ると、ヒートパイプの作動流体は蒸発され、この蒸気圧により、作動流体はヒートパイプ２７の反対側の端部まで運ばれる。ヒートパイプ２７のより冷たい反対側の端部において、作動流体は、凝縮し、機器の囲壁１３内に配置されるヒートパイプ２７の端部まで運ばれる。熱伝達のこの方法は、機器の囲壁１３から外部まで非常に効率のよい熱伝達を可能にすることができる。本発明の実施形態は、専売または市販のさまざまなタイプおよび構造のヒートパイプを利用することができる。

図３ｆは、冷却剤管２７およびポンプ２９を含むヒートポンプを有するダクト３の切欠き側面図を示す。冷却剤管２７は、水、または当業界で知られている他の冷却剤を収容することができる。ポンプ２９は、機器の囲壁１３を通して冷却剤を汲み上げ、この冷却剤は機器７からダクト内壁１５まで熱を運び去り、熱は外気流１１によって運び去られる。冷却剤管２７は、ダクト内壁１５の外側に配置される部分を有するように図３ｆに示されるが、ダクト内壁１５の外側に配置される冷却剤管２７の部分はまた、ダクト内壁の内側にまたはダクト内壁１５に接触して配置されることもできる。ダクト内壁１５は、外気流１１によって冷却されることができ、したがって、ダクト内壁１５の近くに配置される冷却剤管２７から熱を運び去ることができる。

図３ｇは、ダクト内壁１５に配置され、ファン軸９に向かって全体的に延在するフィン４１を有するダクト３の切欠き側面図を示す。フィン４１は、水平な方向付けに図３ｇでは示されるが、フィン４１はまた、垂直な（すなわち、ホバーモードにおけるファン軸９の方向付けの方への）方向付けを有することもできる。熱は、ダクト内壁１５によって機器の囲壁１３から運び去られ得る。フィン４１は、ダクト内壁１５から外気流１１まで熱を伝達することができる。フィン４１は熱を伝達する表面積の増加を可能にするので、フィン４１は、外気流１１がフィン４１なしでダクト内壁１５の上を通るシステムよりも改善された熱伝達を可能にすることができる。

図３ｈは、機器の囲壁１３に配置されるフィン３９を有するダクト３の切欠き側面図を示す。フィン３９は、機器の囲壁１３から内側ダクト壁１５まで熱伝達の増加を可能にすることができる。外気流１１は、ダクト内壁１５に沿って流れ、ダクト内壁１５から外気流１１まで熱を伝達する。

図４に示されるような他の実施形態では、ＵＡＶ１０１は、ダクト枠４５上で構成可変であり得る構成可能な機器の囲壁４３を有することができ、ダクト枠４５の複数の位置に配置され得る。構成可能な機器の囲壁４３は、ファン４９のためのダクトを備えることができる。構成可能な機器の囲壁４３は、着脱自在であってもよく、または永久に取り付けられてもよく、いくつかの位置でダクトに取り付けられてもよい。構成可能な機器の囲壁４３は、例えば、掴み具、接着剤、錠止、自動かんぬき、鋲、ねじなどのさまざまな方法で、または当業界で知られている固着部品のような他の方法でダクト枠４５に取り付けられ得る。構成可変であり得る構成可能な機器の囲壁４３を有することは、ＵＡＶ１の重量および釣合いに自由度を与え、どれくらいの量の積荷、および適切な機器の囲壁をＵＡＶ１０１に配置するかを運転者が選択することを可能にすることができる。

図３ａ〜図３ｈについて説明されたように、外気流１１は、機器の囲壁４３の内壁４７の少なくとも一部を越えて流れる。熱伝達は、機器から内壁４７まで、および内壁４７から外気流１１まで生じ得る。したがって、冷却を必要とする機器を収容する構成可能な機器の囲壁４３を有するＵＡＶ１０１は、図３ａ〜図３ｈについて説明された方法によって冷却され得る。

例示された実施形態は、単なる例であることを理解されたく、本発明の範囲を限定するものと理解されるべきではない。特許請求の範囲は、その旨言及していない限りは、説明された順序や要素に限定されるものと解釈されるべきではない。したがって、添付の特許請求の範囲および均等物の範囲および趣旨に収まるすべての実施形態は、本発明として請求されるものである。

１、１０１ ＵＡＶ
２ 回転軸
３ ダクト
４ 着陸装置
５ ファンブレード
６ ファンモータ、ステータ
７ 機器
９ ファン軸
１１、２３、３１ 空気流
１３ 機器の囲壁
１５ 内側ダクト壁、ダクト内壁
１６ 外側ダクト壁、ダクト外壁
１７ 開口
１８ ベーン
２１ 第１の内側ファン
２２ 第２の内側ファン
２６ 後壁
２７ ヒートパイプ、冷却剤管
２８ 上壁
２９ ポンプ
３０ 底壁
３３ 第２のファン
３５ 第１のファン
３９、４１ フィン
４３ 構成可能な機器の囲壁
４５ ダクト枠
４７ 内壁
４９ ファン

Claims (3)

1. 内側ダクト壁および外側ダクト壁を備える少なくとも１つのダクトであって、
   前記外側ダクトが、湾曲した輪郭を有し、
   前記外側ダクトが、前記内側ダクト壁と接触して、前記内側ダクト壁と前記外側ダクト壁との間に領域を形成し、
   前記領域が少なくとも部分的に閉じ込められ、熱発生機器を収容する、
   前記少なくとも１つのダクトと、
   少なくとも１つのファン軸と、
   空気流が前記ダクト内壁と実質的に平行な方向に流れる複数のファンブレードと、
   前記ファン軸に対して固定される前記ダクトを保持する複数のステータと、
   前記少なくとも１つのファン軸の周りに前記複数のファンブレードを回転させるファンモータと、
   前記ファンブレードからの前記空気流を利用して前記熱発生機器を冷却する前記内側ダクト壁のところの冷却機構と、
   を備える、無人航空機。
2. 請求項１に記載の無人航空機において、
   前記内側ダクト壁に通気開口をさらに備え、
   前記空気流が前記通気開口を通して前記少なくとも部分的に閉じ込められた領域に入る、無人航空機。
3. 請求項２に記載の無人航空機において、
   前記内側ダクト壁に排気ファンをさらに備え、
   前記排気ファンが、前記少なくとも部分的に閉じ込められた領域から空気を排気する、無人航空機。