JP2011521841A - 輸送機関、特に航空機における熱に晒される装置を冷却するシステム及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

輸送機関、特に航空機における熱負荷を受ける装置（１４）を冷却する冷却システム（１０）は、前記熱負荷を受ける装置（１４）から熱を除去するために、熱移送流体が流れ、かつ前記熱負荷を受ける装置（１４）と熱的に結合する冷却回路（１２）を有する。冷却システム（１０）の熱交換機（１８）は輸送機関の外板（２２）を介して外部環境と熱的に結合する部分（２０）を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、輸送機関、特に航空機における熱負荷を受ける装置を冷却するシステム及び冷却方法に関する。

航空機内には、熱を生成し、信頼性ある運転を確実にするために冷却されなければならない多数の異なる技術的装置が設けられている。これらの技術的装置は、例えば航空機の電子制御コンポーネントを含む。また、航空機に乗せて輸送される物品や乗客及び乗組員のために必要な食料は冷却して保たれる必要が頻繁にある。最終的には、航空機の空調システムをサポートすることが望ましい。この航空機に乗せる熱負荷を受ける装置を冷却するために外気を使用する様々な航空機冷却システムが従来から知られている。

例えば、ドイツ連邦共和国特許第３８１２７３９Ｃ１号公報によれば、航空機の外板に近い航空機の調理室の内部に冷却室を配置し、その冷却室と航空機の外板との間に冷却空気チャンバを設けることが知られている。その冷却空気チャンバ内で冷却移送媒体としての空気が航空機の外板が熱遮蔽層なしで設計された状態で熱交換によって冷却され、次いで、その空気は例えば冷却される飲料や食料で満たされたサービスカートを冷却するためにその冷却チャンバに供給される。ドイツ連邦共和国特許第３８１２７３９Ｃ１号公報により公知のこの冷却システムは、冷却移送媒体として空気を使用するので、大量の熱を奪うために多量の空気流が必要であるという不利な点がある。従って、その冷却空気チャンバはかなり大きな設置スペースを取る。また、ドイツ連邦共和国特許第３８１２７３９Ｃ１号に記載の冷却システムによって冷却された熱負荷を受ける装置は、圧力損失、及びその結果その熱負荷を受ける装置からの熱除去が悪化するのを避けるために、航空機の外板と空間的に近い位置に配置されなければならない。

ドイツ連邦共和国特許第４２２７９６５Ａ１号公報には、冷却される熱移流体を流す外面熱交換機を有する、航空機に乗せて貯蔵された食料を冷却するための冷却システムが記載されている。この外面熱交換機は航空機の外板の外表面に取り付けられるので、その外面熱交換機を流れる熱移送流体は外気での熱交換によって冷却される。しかし、その航空機の外板の外表面に取り付けられた外面熱交換機は不都合に空力抵抗を増加させ、その結果航空機の燃料消費量を増加させる。また、その外面熱交換機を流れる熱移送流体のための複数の導管を航空機の外板中に通さなければならず、その結果、設置の複雑さや漏れの危険性が増す。

最後に、ドイツ連邦共和国特許第１０３６１６４５Ａ１号公報には、冷却機が熱を放出するための放熱器としての航空機の加圧された胴体の外側から大気を利用し、かつその航空機の加圧された胴体の外側の周囲に熱い排気を放出することで、航空機に乗せる熱を生成する装置を冷却する冷却システムが記載されている。この冷却機への適切な大気の供給及びこの冷却機からの適切な排気の除去を確実にするために、対応する空気導入口及び排出口が航空機の外板に設けられなければならない。しかし、これもまた、不都合に空力抵抗を増加させ、その結果航空機の燃料消費量を増加させる。

本発明は輸送機関、特に熱負荷を受ける装置を冷却するために大気を利用する航空機における、その熱負荷を受ける装置を冷却するための柔軟に使用可能で、かつ設置スペースを低減した冷却システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、輸送機関、特に航空機における熱負荷を受ける装置を冷却するための本発明の冷却システムは、その熱負荷を受ける装置から熱を除去するために、熱移送流体を流し、かつその熱負荷を受ける装置と熱的に結合する冷却回路を具備する。また、本発明の冷却システムは外部環境と熱的に結合する部分を有する熱交換機を具備する。ここで、「外部環境」とは外側の大気を意味すると解釈される。この本発明の冷却システムの熱交換機は、結果として、冷却回路を流れる熱移送流体を所望の低温まで冷却するために大気又は外気に含まれる冷却エネルギーを利用する。その熱交換機の部分は輸送機関の外板を介して外部環境と熱的に結合している。言い換えれば、その熱交換機の部分と外部環境との間の熱的結合は、その熱交換機の部分の輸送機関の外板への熱的結合によって実現される。しかし、熱交換機自体は輸送機関の内側に配置される。

その熱交換機の部分の外部環境への熱的結合のために輸送機関の外板を利用することによって、熱交換機は特に設置スペースを低減して構成されることができる。また、熱交換機が外部環境に直接結合することで、特に効果的に大量の熱を奪うこともできる。航空機の外板の直近に配置されない熱負荷を受ける装置には、冷却回路を用いて、本発明の冷却システムによる冷却エネルギーが供給されることもできる。その結果、この熱負荷を受ける装置の設置位置は柔軟に選択されることができる。本発明のこの冷却システムの更なる利点は、大気又は外気を含む冷却エネルギーの利用を可能にし、この目的のために、輸送機関の外板の外表面上に熱交換機を取り付ける、又は輸送機関の外板に導管のための空気導入口及び排出口又はリードスルーを形成する必要はないということである。従って、輸送機関の空力抵抗は本発明の冷却システムの熱交換機によって増加されず、輸送機関の燃料消費の増加が効果的に回避され得る。最後に、本発明の冷却システムの場合、大気又は外気に含まれる冷却エネルギーを利用することによって、その適用方法やシステム構成に従って、冷却回路を流れる熱移送流体を冷却するために追加の冷却機の使用を必要に応じて不要にできる。

本発明の冷却システムは航空機に乗せて使用する熱負荷を受ける装置を冷却するために提供されることが好ましい。この場合、外部環境と熱的に結合する熱交換機の部分は航空機の外板を介して外部環境と熱的に結合する。大気又は外気への最適な熱の除去を可能にするため、熱交換機の部分の外部環境への熱的結合を作るためにその熱交換機の部分と熱的に結合する領域において、この航空機の外板には内部断熱材が設けられないことが好ましい。しかし、外部環境からそらした熱交換機の表面に断熱材を設けることができる。

外部環境と熱的に結合する熱交換機の部分は、好ましくは航空機の胴体下方シェルの領域に配置された航空機の外板の部分を介して、外部環境に熱的に結合する。特に航空機の外板に航空機の胴体上方シェルの領域において内部断熱材が連続的に設けられる場合、このような構成は適切である。その上、航空機の外板の内部断熱材が少なくとも航空機の胴体下方シェルの領域の部分に不要にできる。

原則として、本発明の冷却システムが完全に機能するためには、熱交換機の部分の外部環境への熱的結合を作るために熱交換機の部分が輸送機関の外板に熱的に結合する必要性があるだけである。この目的のため、熱交換機は大面積の熱移送を可能とするために例えば輸送機関の外板の内表面に接続されることができる。しかし、この代わりに、熱交換機は、外部環境と熱的に結合する熱交換機の部分が輸送機関の外板自体の部分によって形成されるようにして、輸送機関の外板と一体化されることも考えられる。

この熱交換機は冷却回路に熱的に結合する導管を有することが好ましい。この熱交換機の導管は冷却回路に直接一体化されることができ、冷却回路内を循環する熱移送流体は導管を通って流れることができる。しかし、これの代わりに単に熱交換機の導管と熱移送流体を流す冷却回路との熱的結合も考えられる。この熱交換機の導管は、大気又は外気への最適な熱移送を可能とするために、導管が熱交換機の面積の大部分を占めるように形成されることが好ましい。例えば、この導管は熱交換機の中で複数回巻かれることで伸びることができる。

熱交換機の導管は毛細管形状とすることができる。この毛細管は、熱交換機が運転される際に適切で所望の毛細効果をもたらすのに十分小さい内径を有する。ここで、毛細管は熱交換機を流れる熱移送流体に応じた大きさにされることができる。

熱交換機の導管はマットと一体化され、そのマットの輪郭が、熱交換機の部分が外部環境と熱的に結合する際に介する輸送機関の外板の部分の輪郭に適合することができる。このマットは例えばプラスチック材、発砲プラスチック、又は繊維材製とすることができ、輸送機関の外板の内表面に固定するために設けられることができる。そのマットがある程度柔軟性を有する場合には、特に輸送機関の外板の内表面上へのマットの単純な取り付けが可能である。しかし、これに代わり、熱交換機の導管を輸送機関の外板へ直接固定することも考えられる。

このマットの材質は、マットが所望の熱伝導性特性を有するというような、その適用方法に応じて選択されることができる。例えば、輸送機関の外板に面するマットの表面の領域において、マットと一体化する導管を置き、低熱伝導性を有する材料でそのマットを製造することが考えられる。この場合、マットはある程度の断熱効果を有する。これの代わりに、そのマットは異なる熱伝導性を有する異なる２つの材料から作られることができる。この場合、高熱伝導性を有する層が輸送機関の外板への熱的結合を作り、外部環境への良好な熱移送を確実にすることができる。一方、低熱伝導性を有する層は輸送機関の外板からそらして熱交換機の表面を形成することができ、ある程度の断熱効果を確実にすることができる。

導管が一体化されたマットは、熱交換機の部分が外部環境と熱的に結合する際に介する輸送機関の外板の部分に取り外し可能に固定されることが好ましい。この場合、この導管が一体化されたマットは輸送機関の外板に単純に取り付けられ、また、例えば検査の目的で、再び輸送機関の外板から単純に取り外すことができる。外部環境と熱的に結合する熱交換機の部分を形成する輸送機関の外板の部分に導管が一体化されたマットを取り外し可能に固定するために適した固定手段は、例えば、ねじ、タッチアンドクローズ接続部、接着接合部等を有する。

液体の熱移送流体は本発明の冷却システムの冷却回路を流れることができる。液体の熱移送流体は特に熱負荷を受ける装置から大量の熱を除去しなければならない場合に有利である。さらに、液体の熱移送流体を流す冷却回路は輸送機関に分散するようにして配置される複数の熱負荷を受ける装置から熱を除去する役割を果たす場合に特に有利に用いられることができる。これに代わり、熱負荷を受ける装置から熱の吸収によって蒸発し、冷却中に再び液体状態に変わる２フェーズ熱移送流体が本発明の冷却システムの冷却回路内で用いられることもできる。

さらに、空気がこの冷却回路を通って流れることもできる。これは、冷却される熱負荷を受ける装置が輸送機関の外板の付近に配置される場合、特に適切である。例えば、空気は貨物室又は航空機の他の領域から吸引され、冷却回路を介して本発明の冷却システムの熱交換機に供給されることができる。熱交換機において、貨物室又は航空機の他の領域から吸引された空気は、貨物室又は航空機の他の領域に再び戻される前に大気又は外気を用いた熱交換によって所望の低温まで冷却されることができる。

輸送機関、特に航空機における熱負荷を受ける装置を冷却する本発明の冷却方法は、熱負荷を受ける装置から熱を除去するために、その熱負荷を受ける装置と熱的に結合する冷却回路を通って熱移送流体を運ぶ工程と、熱交換機と冷却回路を流れるその熱移送流体とを熱的に結合させる工程とを有する。熱交換機は供給された熱を熱移送流体によって輸送機関の外板と熱的に結合する部分を介して外部環境に解放する。

本発明は例えばモータビークルや列車などのような輸送機関、特に航空機において有利に用いられることができる。本発明はドイツ連邦共和国特許出願第ＤＥ１０２００７０４９９２６号公報に記載の空調システムを有する航空機において、この航空機では少なくとも航空機の胴体下方シェルの領域における航空機の外板の部分に内部断熱材を設ける必要がないので、特に有利に用いられることができる。ドイツ連邦共和国特許出願第ＤＥ１０２００７０４９９２６号公報の内容は参照によってここに組み入れられる。

ここで、本発明の冷却システムの好ましい態様について以下の添付の概略図を参照しながらより詳細に説明する。

航空機に乗せた熱負荷を受ける装置を冷却する冷却システムを示す。 図１による冷却システムで用いられる熱交換機の断面図を示す。

図１に示す航空機の冷却システム１０は熱負荷を受ける装置１４から熱を除去するために、熱移送流体を流し、かつ熱負荷を受ける装置１４と熱的に結合する冷却回路１２を有する。ポンプの形態の運搬装置１６はその冷却回路１２を通って熱移送流体を運ぶ。熱交換機１８は冷却回路１２と一体化され、冷却回路１２内を循環する熱移送流体はその熱交換機１８を通って流れる。

この冷却回路１２内を循環し、熱負荷を受ける装置１４との熱的接触によって加熱された熱移送流体は熱交換機１８内で大気又は外気への熱除去によって冷却される。言い換えれば、熱交換機１８は熱負荷を受ける装置１４から除去される熱のための放熱器として大気又は外気を用いる。この目的のために、熱交換機１８は外部環境に面し、故に外部環境と熱的に結合され、航空機の外板２２と接続する部分２０を有し、これによって航空機の外板２２と熱的に結合される。その熱交換機の部分２０が外部環境と熱的に結合する際に介する航空機の外板２２の部分は航空機の胴体下方シェル２４の領域に配置され、航空機の胴体上方シェル２６の領域と違って、そこでは航空機の外板２２に内部断熱材（図１には不図示）が設けられない。

特に図２に見られるように、熱交換機１８は航空機の胴体下方シェル２４を補強するストリンガー２８と図２には不図示のフレーム間でシートのように伸びている。熱交換機１８は冷却システム１０の冷却回路１２に一体化され、かつ冷却回路１２内を循環する熱移送流体を流す毛細管形状の導管３０を有する。この導管３０は繊維材製のマット３２と一体化され、そのマット３２の中で多数回巻かれて伸びている。このマット３２の形状と輪郭は熱交換機の部分２０が外部環境と熱的に結合する際に介する航空機の外板２２の部分の形状と輪郭に適合する。言い換えれば、このマット３２の輪郭は航空機の外板２２の湾曲に適合された湾曲を有する。導管３０が一体化されたマット３２は航空機の外板２２に取り外し可能に固定される。

Claims (7)

1. 輸送機関、特に航空機における熱負荷を受ける装置（１４）を冷却する冷却システム（１０）であって、
   前記熱負荷を受ける装置（１４）から熱を除去するために、熱移送流体が流れ、かつ前記熱負荷を受ける装置（１４）と熱的に結合する冷却回路（１２）と、
   前記輸送機関の外板（２２）を介して外部環境と熱的に結合する部分（２０）と、前記冷却回路（１２）と熱的に結合する導管（３０）とを有する熱交換機（１８）とを具備し、
   前記熱交換機（１８）の導管（３０）は毛細管形状であり、かつマット（３２）と一体化され、該マット（３２）の輪郭が、前記熱交換機の部分（２０）が外部環境と熱的に結合する際に介する前記輸送機関の外板（２２）の部分の輪郭に適合するものであることを特徴とする冷却システム。
2. 前記熱交換機（１８）の前記部分（２０）は、航空機の外板（２２）を介して外部環境と熱的に結合することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記熱交換機（１８）の前記部分（２０）は、航空機の胴体下方シェルの領域に配置された前記航空機の外板（２２）の部分を介して外部環境と熱的に結合することを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記熱交換機（１８）は、外部環境と熱的に結合する前記熱交換機（１８）の前記部分（２０）が前記輸送機関の外板（２２）の部分によって形成されるようにして、前記輸送機関の前記外板（２２）と一体化されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却システム。
5. 前記導管（３０）が一体化された前記マット（３２）は、前記熱交換機の部分（２０）が外部環境と熱的に結合する際に介する前記輸送機関の外板（２２）の部分に取り外し可能に固定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却システム。
6. 液体の熱移送流体又は空気が前記冷却回路（１２）を通って流れることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷却システム。
7. 輸送機関、特に航空機における熱負荷を受ける装置（１４）を冷却する冷却方法であって、
   前記熱負荷を受ける装置（１４）から熱を除去するために、前記熱負荷を受ける装置（１４）と熱的に結合する冷却回路（１２）を通って熱移送流体を運ぶ工程と、
   供給された熱を前記熱移送流体によって前記輸送機関の外板（２２）と熱的に結合する部分（２０）を介して外部環境に解放し、かつ導管（３０）によって前記冷却回路と熱的に結合する熱交換機（１８）と前記冷却回路（１２）を流れる前記熱移送流体とを熱的に結合させる工程とを有し、
   前記熱交換機（１８）の前記導管（３０）は毛細管形状であり、かつマット（３２）と一体化され、該マット（３２）の輪郭が、前記熱交換機の部分（２０）が外部環境と熱的に結合する際に介する前記輸送機関の外板（２２）の部分の輪郭に適合することを特徴とする冷却方法。
   
   
   

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