JP2011529418A - 航空機の外皮のための熱伝達装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、航空機の外皮(4)のための熱交換器(70)であって、冷却剤のための少なくとも1つの供給ライン(80)と、冷却剤のための少なくとも1つの放出ライン(82)と、冷却剤が流れる少なくとも一連の冷却剤チャネル(76)とを備え、熱交換器が外皮に取り付けられた場合、冷却剤チャネルは、少なくとも一部の領域において、航空機の周囲環境に熱を放出するために、航空機の外皮上に直接に配置される、熱交換器(70)に関する。この結果、さらなる活動的な冷却装置に依存しない、比較的平坦で効果的な熱交換器となり、この熱交換器の表面は、放散される熱に従って寸法が取られる。さらに、この熱交換器は、熱の放散を向上させるために、その周囲に空気が流れる冷却フィン(86)を備えることができる。
【選択図】図1a

Description

本出願は、2008年7月31日出願の米国仮出願第61/137,472号、および2008年7月31日出願の独国特許出願第10 2008 035 823.1号の出願日の利益を主張し、これらの出願の開示は本明細書において参照により援用される。
本出願は、航空機の外皮のための熱伝達装置、航空機のための冷却システム、航空機の外皮のための熱伝達装置の使用、およびその外皮のための少なくとも1つの熱伝達装置を備える航空機に関する。
現在の民間航空機には所定の冷却要求をもった様々な部品が存在する。例えば、環境制御システムは、航空機に搭乗した乗客に可能な限り最善の熱的な快適性を提供するために、冷却媒体を供給または生成することを必要とするが、他方で、例えば、数多くの電子機器および設備は航空機から外へと運ばれるべき廃熱を生成する。航空機内の電子機器が益々一体化された結果として、熱伝達のための液体冷媒を使用する冷却システムが益々設置されている。このような冷却システムは、実際に航空機内には蓄積できない比較的大量の空気を放出するのに適している。さらに、特に相当な電力が要求されるため、冷却機械を使用した活動的な冷却によってそのような大量の熱を除去するということはまた不利益を被る。
例えば、自動車分野、プラント設計および建設、エレクトロニクス産業等の産業において、装置および他の設備を冷却するために、熱伝達装置の多種多様な技術的解決法および設計が存在する。熱を外皮によって航空機の周囲に運ぶ、航空機での熱交換器の使用は公知である。これは例えば特許文献1に記載されているが、しかしながら、特許文献1に記載の熱交換装置は、食料品のための活動的な冷却システムにおいて用いられ、その冷却システムは他のヒートシンクをサポートする目的のものであり、さらに外皮熱交換器が使用されてもよい。例えば非常に様々な周囲温度に反映される民間航空機の様々な運航条件のため、開示された外皮熱交換器は、周囲空気と比べた場合、著しい温度差における従来の活動的な冷却システムをさらにサポートするのに適しているのみである。
欧州特許第06 55 593 A1号明細書
本発明の目的は、航空機の外皮のための熱伝達装置を提案することであり、熱伝達装置は、真空または蒸発の冷却ユニットにより、バックグランドにおける活動的な冷却に依存せずに、航空機内の装置および設備からの比較的大量の熱を周囲空気に放出するのに適している。さらに、本発明の目的は、航空機のための冷却システムを提案することであり、この冷却システムにおいて、航空機の外皮のための熱伝達装置は、航空機の周囲に熱をできる限り効果的に放出することができる。
この目的は、航空機の外皮のための熱伝達装置であって、冷却剤のための少なくとも1つの供給ラインおよび少なくとも1つの放出ラインと、冷却剤が流れる少なくとも一連の冷却剤ダクトと、を備え、航空機の周囲環境に熱を放散する目的のために、熱伝達装置が航空機の外皮に取り付けられた場合、冷却剤ダクトが、少なくとも一部の領域において、航空機の外皮上に直接に配置される、熱伝達装置によって満たされる。
本発明に係る熱伝達装置は、航空機の外皮と直接に接触する複数の冷却剤によって、可能な限り効率的に熱を伝達することを目的とする。接触抵抗なしで、可能な限り外皮に熱が伝達されることが好ましいが、このことは、冷却剤ダクトが、閉じた表面を備えることは必須ではないが、その代わり、冷却剤ダクトはまた、外皮に対して開いていることが可能なことを等しく意味する。この配置構成において、高温の流体が外皮と直接に接触する場合、有利である。従って、冷却剤ダクトは、少なくとも一部の領域において、航空機の外皮上に直接に配置されることが必要であり、その結果、それらの冷却剤ダクトは、取り付け表面上または外皮に取り付けられる熱伝達装置の片側上において、熱伝達装置を外皮に取り付けることによって、冷却剤ダクトと外皮との間の直接の接触が確立されるような様式で配置されるべきである。
熱伝達装置によって影響を受ける面積の対応する寸法により、大量の熱でさえ放出可能であり、ここで、冷却剤と航空機周囲の空気との間の温度差は相対的に僅かであり、このことは、特に平坦な設計によって可能にされる。要求に応じて、空気−空気熱伝達装置、または液体−空気熱伝達装置、および空気−冷却凝縮器が稼動可能である。本発明に係る熱伝達装置の構造上および統合的な要件は、航空機の特定の条件および要件に合わせられており、その結果、最適な航空機の稼動に重要である性能パラメータは、ほんの僅かにしか影響を受けない。これらは、特に、最小限の(追加的な)空気抵抗、低い電力消費、軽量、および少量の設置スペース要件である。冷却剤(この用語は液体の冷却剤のみに限定されない)が、航空機の外皮の下に直接に導かれず、かつ、例えば、外皮の内部に統合される場合において、航空機の内部で他の設計部材を邪魔しないほんのわずかな半径方向への延長のみの結果となる点において、これは満たされる。最小限の電力消費は、本発明に係る熱伝達装置を介して冷却剤を運ぶための電気ポンプに起因しており、この電力消費は、しかしながら、電気冷却システムの電力消費よりも著しく低い。
飛行運転中、外皮に沿って周囲空気が流れる結果、冷却効果が生じる。この理由のため、本発明に係る熱伝達装置は、冷却電気緊急システム、例えば、比較的大量の廃熱を有する緊急エネルギーシステムとしての燃料電池に対して適切であることが好ましいであろう。地上では、外気への熱の放散が低減され、あまり好ましくない場合には風がないので、熱の放散は、自由対流の一部にまで低減されるであろう。燃料電池からの廃熱が例えば90℃で、地上での最高外部温度が約50℃の場合、十分な面積を有する熱伝達装置を使用することで、特定の温度差において十分な冷却効果が達成されるであろう。
冷却剤ダクトが、互いに別々にされ、閉じた壁を備えることは必須ではないことは留意されるべきである。冷却剤ダクトは、個々に別個となったパイプライン等、または、ウェブ材およびその上に配置された薄層、ならびに外皮に面する開口領域およびこれのために必要とされる対応の密封の形での形状の画定のいずれかによって提供可能である。後者の場合には、冷却剤を完全に別個で、かつ互いに独立して運ぶのではなく、むしろ個々の冷却剤のダクトが互いに通じていることは当然理にかなったことであり得る。
本発明に係る熱伝達装置の特定の有利な実施形態は、冷却剤ダクトを受けるためのハウジングをさらに備える。しかしながら、この文脈では、用語「ハウジング」は、閉じた箱状の物体のことを言及しているのではなく、むしろ、カバー部等によって遮断可能である、ある種のフレームにおける、複数の冷却剤ダクトを空間的に引き合わせたものを言及している。
原則として、このような遮断された熱伝達装置は、プレート熱交換器の構成と類似するかまたはそれに等しいプレート状の構成を含んでよい。以下において、個々の熱交換器は「プレート」と呼ばれる。したがってプレートは、2つの外側表面からなり、そのうちの1つの外側表面は機体の中心に向いており、もう1つの外側表面は航空機の周囲を向いている。高温の流体がプレートに流れて、プレート部材の少なくとも1つの外側表面によって冷却される。プレート部材は、優れた熱伝導を導く外側の表面構造を備える。これに対しては複数の選択が存在し、構造物またはウェブ材が、熱伝導を改善するために設置されてもよい。これらの構造物は、エンボス加工、各々金属成形または深絞り、またはフライス加工(milling)を通じて形成されてもよい。押出されたプレートを用いて、冷却チャネルの他に、構造物が、製造中に直接に設置されてもよい。プレート部材の内側には、できる限り均一に表面上に熱を拡散するために、高温の流体がチャネル、管等を介して導かれる。冷却剤のチャネルは、コイル状または螺旋状に、水平に配置されてよい。プレート部材はまた、接着、はんだ付け、溶接(例えば、連続したローラー溶接(roller welding))によって連結される2つの半々のプレートからなり得る。プレートは、(例えば一枚の大きな材料を焼結することで)熱的に連結されてよい。入念な旋回を生成するウェブ材は、このようにして、より早い段階で設置されてよい。
特に好ましくは、本発明に係る熱伝達装置は、同一平面となるように、その内部機体構造に設置され、その結果、その領域内の機体構造は修正または遮断される必要がある。このため、少なくとも一部の領域において、ハウジングが耐荷重性の機体構造であることは有利である。このように、既存している機体構造は、熱伝達装置のハウジングにより補強可能なので、その結果、その機体構造の機械的特徴が維持される。
特に好ましくは、ハウジングは、ウェブ材および少なくとも1つのカバー部を備える。この文脈では、ウェブ材は、外皮から冷却剤ダクト全体に延び、カバー部によって共に覆われることができるシート状の部材のことを言う。ウェブ材の結果、ハウジングの機械的強度は上昇し、統合が容易となる。
本発明に係る熱伝達装置の特に好ましい実施形態において、カバー部と、冷却剤ダクトとの間に空隙があり、この熱伝達装置は、空気を空隙を介して流す目的のために、少なくとも1つの空気流入口および少なくとも1つの空気流出口を備える。このようにして、冷却剤ダクトの熱放散はさらに増加できる。なぜならば、流れる空気が、冷却剤ダクトの表面から熱を取り除き、その熱は、外皮には接触しない。その結果、さらに効果的な冷却システムが提供可能である。
さらに、本発明に係る熱伝達装置が冷却剤ダクトの間に冷却フィンを提供することは好ましい。冷却剤ダクトが冷却フィンと接触する位置において、冷却剤ダクトは熱を放散できるので、熱伝達装置によって放散可能な熱量がさらに増加する。
本発明に係る熱伝達装置のさらに好ましい実施形態において、ウェブ材および/または冷却フィンは、渦誘発装置および/または空気を旋回させるのに適したスロットを備える。より良い熱伝達が乱流によって達成可能であるので、これは有利である。
本発明に係る熱伝達装置の好ましい実施形態において、冷却剤ダクトは外皮の内側部分上に配置される。この結果、さらなる空気抵抗が生じず、かつ、冷却剤のための供給ラインおよび放出ラインは特に統合しやすくなる。しかしながら、この実施形態においては、後から流れる周囲空気と冷却剤ダクトとの間に直接の接触はない。
本発明に係る熱伝達装置のさらに好ましい実施形態において、冷却剤ダクトは外皮の外側部分上に配置される。上述は、外部上に配置された熱伝達装置から生じるさらなる空気抵抗をできる限り少なくし、他方で、冷却剤ダクト全体に対して良い流れを確保できるように設計される。前述のウェブ材および冷却フィンは、この実施形態に対しても可能であるが、しかし、それらは、同様に、さらなる空気抵抗が最小化されるように設計される。本発明に係る冷却システムのこの実施形態を用いて、放出可能である空気の量は著しく増加可能である。
少なくとも一部の領域において、実質的に円形または角のある断面を有したラインとして、冷却剤ダクトを設計することは、製造が容易である理由により有利である。さらに、各々、ラインの開口部の幅の直径が、重量を抑えるように、できる限り短くなるように選択されるべきであることが考慮されるべきである。なぜならば、同じ圧力が付与されると、比較的小さい断面を有するラインは、より大きな断面を有するラインよりも、著しく薄い壁を必要とするからである。小さな断面を有する多くのラインは表面が増加し、それにより、熱を放散させるためのより高い性能を提供する。同時に、冷却剤ダクトの断面を平らにし過ぎないように設計しないことに注意が払われるべきである。なぜならば、これは、より高い冷却剤の圧力の間、より高い曲率の傾向となるからである。
本発明に係る熱伝達装置の好ましい変形において、角のある断面を有する冷却剤ダクトは、比較的薄い壁を有する複数の個々のダクトを可能とするサンドイッチ状のコア(sandwich core)を備えることができる。
熱伝達装置の有利な改善において、冷却剤ダクトは、受熱プレートと、圧力隔壁および/または航空機の外皮との間の空隙として実現される。これは、本発明に係る熱伝達装置を介して冷却を容易かつ改善する。なぜならば、航空機の周囲または客室からの空気を使用することは特に容易だからである。本発明は、単一のプレートの使用に限定されず、実際には、その間に空隙を有するより大きな大量のプレートが、冷却力をさらに一段と改善するために用いられてもよい。
航空機の周囲から少なくとも1つの空隙へ空気を流すことができるように、少なくとも1つのスリットが航空機の外皮に配置されることはさらに有利である。それにより冷却用の空気を引き込むことは、実際には制限されない。熱伝達装置の計画的に規定された領域に、特定量の冷却空気がその周囲を流れることができる様式で、複数のスリットにおける流れの機械的設計を配置することおよび行うこともまた可能である。
冷却をさらに高めるために、空気を、空隙に、または空隙から運ぶためのブロワーを提供することはさらに有利である。
さらに、自由対流の流れを生成するために、航空機の外皮に、上下に距離を置いた2つのスリットを配置することは理にかなっている。寒冷で熱負荷が低い環境において、十分な冷却は、さらなるエネルギー消費無しで達成可能である。
最後に、空気力学的な流動損失を低減させるために、飛行方向に対して平行にスリットを向けることは理にかなっている。
本発明の目的は、本発明に係る、少なくとも1つの閉じた冷却巡回路および少なくとも1つの熱伝達装置を有する冷却システムによってさらに満たされる。最後に、この目的は、上述の基準に係る、本発明に係る熱伝達装置の使用、および、本発明に係る少なくとも1つの熱伝達装置を備える航空機によって満たされる。
本発明のさらなる特徴、利点、および用途の選択肢が、例示的な実施形態の以下の記載および図面において開示される。全ての記載されたおよび/または図示された特徴はそれ自体および任意の組合せにおいて、個々の特許請求の範囲の請求項またはそれらの相互関係におけるそれらの構成にかかわらず、本発明の主題を形成する。さらに、図面中の同一または類似の部材は同様の参照符号を有する。
図1aから図1dは、航空機の外皮上の熱伝達装置の配置構成の概略図を示す。 図2aから図2fは熱伝達装置の可能な変形を示す。 図3は、熱伝達装置の概略図を示し、空気はそれを介してさらに流れる。 図4aおよび図4bは、熱伝達装置の概略図を示し、それが設置された状態において、空気はそれを介してさらに流れる。 図5aおよび図5bは、熱伝達装置の2つのさらなる例示的実施形態を示し、それを介して空気がさらに流れる。 図6は、航空機における、本発明に係る冷却システムの概略的な全体図を示す。 図7aおよび図7bは、概略図において、交互となるように冷却剤ダクトおよび空気ダクトを有したサンドイッチ状の熱伝達装置を示す。 図8は、外気を受けるためのスリットを有する航空機の外皮の一部を示す。 図9は、断面における熱伝達装置の例示的な実施形態を示す。 図10は、断面における熱伝達装置の例示的な実施形態を示す。 図11は、断面における熱伝達装置の例示的な実施形態を示す。 図12は、断面における熱伝達装置の例示的な実施形態を示す。
図1aは、熱伝達装置2が航空機の外皮4上に配置可能である方法を概略的に示す。この実施形態において、熱伝達装置2は航空機の内側部分6上に配置されており、他方で、図1bの実施形態において、熱伝達装置2は航空機の外側部分8上に配置されている。これらの異なる設置位置において、熱伝達装置2は異なる機械的要件を満たす必要があることに留意されるべきである。熱伝達装置2が航空機の内側部分6上に配置された場合、特定の場合には、熱伝達装置2は、機体に作用する構造的な負荷を吸収するように設計される必要がある。比較的大きな面積の熱伝達装置2の場合(これは、活動的な冷却ユニットがない場合での大量の熱を考慮すると現実的である)には、熱伝達装置2を外皮4に対して同一平面で設置するために、一部の領域においては、その領域(場所)に存在する、フレーム部材、縦通材、および他の強化部材を備えている、機体構造が修正されるか、または遮断される必要がある。このため、熱伝達装置2を通るこの間隙を機械的に閉じる必要がある。従って、熱伝達装置2は、局地的に生じる負荷を完全に吸収するように設計されているハウジング等を備えるべきである。
特に、より大きな熱負荷を散逸させるために、この構造を修正することは理にかなっている場合もある。例えば、完全な機体部7の下側部は、半径方向に10mmから25mmだけ短くなっていてもよい(半径方向のくぼみ9)。半径方向のくぼみ9は、次いで、10〜25mmの厚さの熱伝達装置11で満たされ、その結果、航空機の輪郭は変化せず、空気抵抗が生じない。航空機の耐荷重性の構造および外皮はそのくぼみを除いて変化しない。メンテナンスおよび修理の工程のために、外皮の熱伝達装置は、容易に取外し可能なように設計されてもよい。粗い輪郭の形状遷移が必要ないため、特定の状況において熱を伝達することなく飛行することもまた想定可能である。
しかしながら、図1bに示されるように、本発明に係る熱伝達装置2のために、空気抵抗を最小化する必要性が存在する。なぜならば、約0.8Maの比較的速い飛行速度では、航空機の断面における僅かな変化でさえも、顕著な燃料消費を増加しうる。このため、本発明に係る熱伝達装置2は、図1bに示される設置位置に対して、空気力学的に平滑であるように設計されるべきである。図1bにおいて見ることができるエッジ部は、対応するフェアリング部によって空気力学的に平滑であるようにされるべきである。図1bに示されるような配置構成は、現行の航空機に組み込むか、またはテスト用の飛行機に組み込むために特に適している。
図1cは、冷却剤のラインとして設計された冷却剤ダクト10を示し、この冷却剤ダクト10は、外皮4と同一平面となるように配置される。冷却剤ダクト10と外皮4との間の接触の結果、この冷却剤ダクトと外皮4との間の熱伝達が生じ得る。
図2aは本発明に係る熱伝達装置12の第1の例示的な実施形態を示す。本発明に係る熱伝達装置12はキャリアプレート14を備え、この上には、冷却剤のラインとして設計された複数の冷却剤ダクト16が配置されている。冷却剤ダクト16の間にはカバー部20を支持するウェブ材18がある。ウェブ材18と組み合わせた機体から構造的な負荷を吸収する機械的部品としてのその機能は別として、このカバー部20は、いわゆる「圧力隔壁」としても機能でき、これは、本発明に係る熱伝達装置12の下に、航空機の外皮を介した開口部がある場合、特に必要とされる。飛行中、航空機の周囲と航空機の客室との間の相当な圧力差の結果、圧力隔壁として作用するカバー部20がなければ、空気は客室から周囲環境へと絶え間なく流れることであろう。この目的を成就するために、十分に寸法のある機械的連結、およびカバー部20とウェブ材18との間の十分な密閉を提供することができる。
キャリアプレートを外皮に取り付けるために、一団となった形で配置された冷却剤ダクト16における一部の領域においては、個々の冷却剤ダクト16は、例えば、参照符号22によって示されているように、省略可能である。これらの場所に、ネジによる締結、またはリベットによる締結、あるいは一部の他の適切な取り付けが行われてもよい。
図示された実施形態において、冷却剤ダクト16は実質的に円形の断面を備えてよく、それにより、冷却剤ダクト16は、比較的薄い壁厚の寸法であることができる。なぜならば、角のある断面であれば存在するであろう出っ張り部分が、円形の断面にはないからである。この目的は、可能な限り最大の数の冷却剤ダクト16を使用し、かつそれらの冷却剤ダクトを比較的小さい断面に設計するためのものである。このようにして、冷却剤ダクト16の壁厚がさらに低減でき、本発明に係る熱伝達装置12の半径寸法もまた低減できる。冷却剤ダクト16の数は、それゆえ、必要とする冷却剤の流量次第である。例えば2mmから10mm等のミリメートル領域におけるラインの断面が現実であろう。
図2bは、本発明に係る熱伝達装置24の第2の例示的な実施形態を示し、ここで複数の角のある冷却剤ダクト26がキャリアプレート28上に置かれている。冷却剤ダクト26の開口部の幅は、広くなり過ぎないように選択されるべきであり、その理由は、冷却剤が冷却剤ダクト26へと送り込まれた結果として圧力負荷が増加し得るからである。それゆえ、この例示的な実施形態においてもまた、冷却剤ダクト26の数が比較的多くなるように選択されるべきであり、その結果、壁厚が比較的薄くなるように設計可能である。冷却剤ダクト26の間に、この例示的な実施形態もまた、キャリアプレート28を航空機の外皮へと取り付けるために、窪み部30を備えることができる。
図2cは、図2bからの本発明に係る熱伝達装置24の変形を示し、ここで、熱伝達装置24は、冷却剤ダクト26の間に配置される冷却フィン32をさらに備える。
図2cに類似して、図2dは冷却剤ダクト34の配置構成を示し、ここで、少なくとも一部の領域において、冷却フィン36は隣接する2つの冷却剤ダクト34の間に配置される。
図2eにおいて、サンドイッチパネルを介した本発明に係る熱伝達装置38の実施が提示される。サンドイッチパネル40はキャリアプレート42に置かれ、圧力隔壁44によって覆われる。サンドイッチパネル40内に、個々の冷却剤ダクト48を形成する比較的多数の大きな壁46がある。
最後に、図2fは、実施が容易であるエアダクト45および53、ならびに冷却剤ダクト(高温の流体)47の設計を示す。これらのダクトは、隣接するように配置された波型の鉄シート49およびカバーシート51から製造可能である。これら3つのシート51は、例えば、厚さ0.25mmの鋼箔から製造可能であり、かつはんだ付けまたは溶接(例えばロールシーム(roller seam)溶接)も可能である。アルミニウム、チタニウム、または平板なプラスチックを含む設計もまた想定可能である。エアダクト45内には、厚さ約0.05mmのシート、または熱伝達を上昇させるために空気を旋回させるための旋回体53を備える冷却フィンが配置可能である。この配置構成において、例えば、突き出た箔部分を有するU字型の箔片が適切である。
図3は、本発明に係る熱伝達装置50の特定の例示的実施形態を示し、ここで、先の例示的な実施形態の利点が組み合わされる。例えば、本発明に係る熱伝達装置50は複数の冷却剤ダクト52を備え、それらの間に、個々の冷却フィン54が配置される。図3に示される場合において、各々の場合において、3つの冷却剤ダクト52が1つのグループを形成し、その各々のグループはウェブ材56によって分離されている。冷却剤ダクト52とカバー部58との間に空隙60を形成するようにして、ウェブ材56は寸法を残してある。カバー58は、ウェブ材56およびキャリアプレート62と共に、ハウジングを形成し、ここでキャリアプレート62は航空機の外皮となることもできる。一例として、図3は、空気が冷却剤ダクト52全体に亘って、本発明に係る熱伝達装置50を介して流れることができる方法を示す。空気流入口64により、空気は熱伝達装置50の内部に運ばれ、ウェブ材56の周囲を流れ、このウェブ材は、オフセットされた開口部66を備え、複雑な流れのダクトを形成する。最後に、空気は、空気流出口68から、例えば、航空機の周囲へと流れる。一部の部分では、空気の流れは冷却剤の流れと同じ方向にあり(共通の流れ(co−flow))、他方で、他の部分では、それは逆方向に流れ(逆流)、または、さらなる横方向の流れ部品を用いて、共通の流れから逆流へと変わる。本発明に係る熱伝達装置50のこの配置構成により、図に示すように、冷却の効果は、冷却剤ダクト52と外皮またはキャリアプレート62との間の熱伝達により、ならびに、冷却剤ダクト52と冷却剤フィン54に沿った空気の流れにより、生じる。冷却の効果を向上させるために、例えば、通過する空気を旋回させる渦誘発装置および/または開口部を、リブ材が備えることも可能である。旋回気流または乱気流は熱伝達係数を有するので、この領域内の熱の放散が改善可能である。
図4aに示される、本発明に係る熱伝達装置70は、空気流入部72および空気流出部74を備え、これらを介して航空機の周囲からの空気が流入可能である。空気は冷却剤ダクト76を移動して空気流出部74を介し、航空機の機体を去る。動作を改善するために、ブロワー78を利用することができ、このブロワーは航空機が地上にあるとき、かつ空気の流れがない場合に特に有利である。冷却剤は供給ライン80を介して冷却剤ダクト76に運ばれて、放出ライン82を介してこの冷却剤ダクト76を去る。冷却剤の流れは、例えば空気の流れと反対方向に生じる(逆流)。しかしながら、本発明に係る熱伝達装置はこれに限定されず、本例示的実施形態の代わりに、必要であるかまたは所望される場合には同じ流れ方向が提供されてよい。航空機の外皮4にある開口部72および74に起因して、本発明に係る熱伝達装置70は、圧力隔壁84を備えることが必要である。このようにして、空気が客室から航空機の周囲へ放出されることを回避することができる。
図4bは、本発明に係る熱伝達装置70の上面図であり、熱伝達を最適化する1つのオプションを示す。この趣旨に対しては、個々の冷却剤ダクト88の間に冷却フィン86が存在し、冷却フィン86周囲に、空気流入口72からの空気が流れる。さらに、通過して流れる空気を旋回させることは、熱伝達を改善するためにも理にかなうものであり、ここでこのような旋回は、上述した渦誘発装置または開口部により生じさせることができる。
図5aは、フィン付き管として設計された、複数の冷却剤ダクト92を備える、本発明に係る熱伝達装置90のさらなる例示的実施形態を示し、この冷却剤ダクト92の周囲に、空気流入口94から流入する空気がクロスフローの形で流れる。冷却剤ダクト92の周囲を流れた後、流入した空気は、空気流出部96を介して、本発明に係る熱伝達装置90を去る。上述したように、この実施形態においてもまた、冷却性能を改善するために、ブロワー98が、空気流出口96の領域内に配置可能である。図5aにおいて、冷却剤ダクト92の間に、縦通材としても知られている長手方向の補強部品100があり、これは機体に長手方向の補強を提供する。航空機の外皮4に複数の空気流入口94があるため、この例示的な実施形態においてもまた、圧力隔壁102が空気を客室から周囲環境へと流れ出ないようにすることが必要である。
最後に、図5bは熱伝達装置104のさらなる例を提示し、ここで、航空機の外皮に設置されたフィン付きラジエータ108の形態での冷却剤ダクト106の周囲を空気が流れる。必要であれば、フィン付きラジエータ108は、さらなるブロワー110によってサポートされる。
図6に示されるように、本発明に係る冷却システムにおいて、集合した熱伝達装置112が液体/液体(liquid/liquid)設計において統合され、この設計が、1つまたは複数の熱源114からの熱を吸収し、かつこの熱を1つまたは複数の熱伝達装置116に放出する場合、特に有利である。この設計は非常に効果的である。なぜならば、著しく異なる廃熱の量および高温または低温の廃熱の温度を有している熱源でさえもが、その熱源自体の熱を集合した熱伝達装置112内にある液体物質に放出することができるからである。これにより、航空機内にある複数の熱伝達装置116の能力が等しく用いられ得ることを保証する。このことは、特に大量の熱を生成する各装置に対して専用の熱伝達装置を提供する必要性を未然に防ぐ。
以下の図面は、航空機内での、本発明に係る熱伝達装置のための統合例を示し、これらの熱伝達装置は、上述された原理に従って全て設計されている。
図7aは熱伝達装置118の概略図を示し、ここで加熱された流体のためのダクト120と冷たい流体のためのダクト122が交互になっている。この配置構成において、その設計は、図2eからの熱伝達装置38の設計に実質的に対応し得る。冷たい流体のためのダクト内において空気が運ばれる場合、さらなる冷却フィンの統合もまた、理にかなったものであろう。さらに、熱は外部の限定された正面により放散される。この熱伝達装置の幅は、10mm〜25mmの範囲であってもよい。
図7bはさらなる熱伝達装置124を示し、ここで、複数のプレート126は、空隙128を形成するように、並んで配置されている。各々のプレート126内、またはその上に、例えばダクト内に、高温の流体が運ばれる。個々のプレート126の側で、流体は熱伝達と同伴して流れることができ、好ましくは、各プレート126が冷たい流体および加熱された流体と接触し、ここで冷たい流体および加熱された流体が互いに反対方向である流れの方向を有することができるように、流体が熱伝達と同伴して流れることができる。以下では単純化するために、図7bに係る熱伝達装置は常に1つのみのプレート126と共に示されるが、これは限定として解釈されるものではない。
図8は、以下の断面を明確にするために提供されている。航空機の外皮130の部分は、航空機の飛行方向136に延びた、互いに平行に配置された2つのスリット132および134を備えて示されている。単に例示として、スリット132および134は、窓138の直下にあるが、それらは航空機内の他の場所に配置されてもよい。スリット132および134は、好ましくは数ミリメートルの幅、例えば、15mmである。スリットが機体に沿って長手方向の配置であるため、航空機の空気力学的な流動損失はごくわずかである。
図9は、外皮4と同一平面となるように配置され、その上部および底部で、スリット132および134により外皮から分離されている、後方通風プレート126の半径方向の限られた表面140および142上での、自由対流によって生じる空気誘導を示す。限られた表面142を有する、機体内部に面するプレート126の側に、空隙128がある。飛行中、空気との外部表面摩擦の結果として熱が放散され、この摩擦は常に存在するものである。地上では、冷却は、限られた表面140および142上での自由対流によりサポートされる。自由対流をサポートするために、空隙128は少なくとも10mmの深さを有してよく、ここでプレート126は、例えば、5mmの厚さを備えていてもよい。図示された構造によって形成された熱伝達装置144は、圧力隔壁146により、耐圧性を有する様式で、航空機の内部に対して遮断されている。
しかしながら、自由対流を用いての熱の消散は非常に限られる。寒冷な場所で、かつ軽度の熱負荷が消散されてしまうのであれば、この形態の冷却で十分であり得る。しかし、はるかに多くの冷却効果が強制対流によって達成可能である。これに関連して、図10は熱伝達装置144の変形された設計を示し、ここで、空隙128内の空気を移動させるためのブロワー148を備え、このブロワーは、特に地上での稼動の間の冷却をサポートする。冷却装置を稼動するために必要な電力は、燃料電池または地上での供給により提供可能である。本発明に係る熱伝達装置が燃料電池を冷却するために用いられる場合には燃料電池が特に想定される。
強制対流の場合、空隙128もまた、気道の長さに依存して、10mm未満の長さであってもよい。ブロワー148の構成は、空気供給と空気吸込との両方を実施できる。熱伝達装置150の図示された例示的実施形態により、飛行中に連続して冷却が可能であり、外皮4と同一平面であるように配置されている、限られた表面140上で、地上での対流が連続して可能である。
図11は、単一の空隙134を有する熱伝達装置152上の、限られた表面140および142上の強制的な空気の誘導を示す。この配置構成においては、ブロワー148単独で冷却が達成される。飛行中、ブロワー148が作動していない場合、空気は空隙154および156を通して移動でき、空隙134にある圧力が空気流出口158にある圧力よりも高くなる場合、これらの空隙154および156は、プレート126と、外皮4または圧力隔壁146との間に配置される。地上での通気が所望される場合、空気流出口158は、空隙134の上方に配置される必要がある。冷却効果は、本発明に係る熱伝達装置152の使用により非常に効果的であり、従って、地上での稼動に特に適している。
最後に、図12は本発明に係る熱伝達装置のさらなる例示的な実施形態を示し、この熱伝達装置は外皮4に単一のスリット134を備える。この例示的な実施形態は、ブロワー148が稼動する間、フレーム部材164の内部162で最善の冷却が達成されるという点において際立った特徴を有する。この熱伝達装置は、フレーム部材164の外側に統合される必要はなく、フレーム部材164の内側162で、またはフレーム部材164の間で、航空機に統合可能である。
さらに、客室の床に熱伝達装置160を統合し、このようにして、同時に、高い飛行高度にて、冷たい領域(客室の下にある貨物室等)を暖めることもまた想定可能である。このようにして、設計スペースに影響を殆ど与えずに、大きな領域が開く。これは、圧力がかかった領域内において、圧力隔壁146による、調和的な安定性および気密性を前提とする。これは、例えばフレーム部材等の再構成を導き得るような、航空機の構造の変形をなんら必要としない。
図7aおよび図12の例示的な実施形態に関連して、各々の熱伝達装置を空間的に定めるための手段は、ハウジングとして理解され、その結果、このハウジングは、例えば、外皮および圧力隔壁により、ならびに、密封を提供するのに必要とされるさらなる要素により形成されるということが指摘されるべきである。さらに、これらの例示的な実施形態もまた、少なくともある程度まで、耐荷重機能を備える。もちろん、全ての空隙もまた、さらに冷却を改善するために冷却フィン等を備えることができる。
全ての例示的な実施形態は、航空機の機体のフレーム部材と縦通材との間にあるフリーの外皮領域(free skin field)上への配置に適している。同様に、熱伝達装置がフレーム部材の外側と航空機の外皮との間に配置可能であるような様式で、フレーム部材の外側の直径が変更されることもまた想定可能である。
さらに、「含む、備える、有する(comprising)」は他の要素または工程を排除せず、「1つの(a)」または「1つの(one)」は複数を排除しないことは指摘されるべきである。さらに、上述の例示的な実施形態の1つを参照して記載されている特徴または工程はまた、上述の他の例示的な実施形態の特徴または工程と組み合わせて用いることができることもまた指摘されるべきである。特許請求の範囲の請求項における参照符号は限定として解釈されない。
2 熱伝達装置
4 外皮
6 内側部分
7 機体部分
8 外側部分
9 半径方向の窪み
10 冷却剤ダクト
11 熱伝達装置
12 熱伝達装置
14 キャリアプレート
16 冷却剤ダクト
18 ウェブ材
20 カバー部
22 熱伝達装置を取り付けるための凹部
24 熱伝達装置
26 冷却剤ダクト
28 キャリアプレート
30 熱伝達装置を取り付けるための凹部
32 冷却フィン
34 冷却剤ダクト
36 冷却フィン
38 熱伝達装置
40 サンドイッチパネル
42 キャリアプレート
43 熱伝達装置
44 圧力隔壁
45 空気ダクト
46 壁
47 冷却剤ダクト
48 冷却剤ダクト
49 波型の鉄シート
50 熱伝達装置
51 カバーシート
52 冷却剤ダクト
53 冷却フィンまたは旋回体
54 冷却フィン
56 ウェブ材
58 カバー部
60 空隙
62 キャリアプレート
64 空気流入口
66 開口部
68 空気流出口
70 熱伝達装置
72 空気流入口
74 空気流出口
76 冷却剤ダクト
78 ブロワー
80 供給ライン
82 放出ライン
84 圧力隔壁
86 冷却フィン
88 冷却剤ダクト
90 熱伝達装置
92 冷却剤ダクト
94 空気流入口
96 空気流出口
98 ブロワー
100 縦通材
102 圧力隔壁
104 熱伝達装置
106 冷却剤ダクト
108 フィン付きラジエータ
110 ブロワー
112 集合した熱伝達装置
114 熱源
116 熱伝達装置
118 熱伝達装置
120 ダクト
120 ダクト
124 熱伝達装置
126 プレート
128 空隙
130 外皮
132 スリット
134 スリット
136 飛行方向
138 窓
140 限られた表面
142 限られた表面
144 熱伝達装置
146 圧力隔壁
148 ブロワー
150 熱伝達装置
152 熱伝達装置
154 空隙
156 空隙
158 空気流出口
160 熱伝達装置
162 フレーム部材の内部
164 フレーム部材

Claims (20)

  1. 航空機の外皮のための熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)であって、
    冷却剤のための少なくとも1つの供給ライン(80)と、
    前記冷却剤のための少なくとも1つの放出ライン(82)と、
    冷却剤が流れる少なくとも一連の冷却剤ダクト(10、16、26、34、47、48、52、76、88、92、106、120)と、
    前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、47、48、52、76、88、92、106、120)と、圧力隔壁(146)および/または前記航空機の外皮(4)および/または前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、47、48、52、76、88、92、106、120)を受けるためのハウジングのカバー部(20、58)との間にある、少なくとも1つの空隙(60、128、154、156)と、
    を備え、
    前記航空機の周囲環境に熱を放散する目的のために、熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)が前記航空機の前記外皮(4)に取り付けられた場合、前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、47、48、52、76、88、92、106、120)は、少なくとも一部の領域において、前記航空機の前記外皮(4)上に直接に配置される、熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  2. 前記熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)は、前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、48、52、76、88、92、106、120)を受けるためのハウジングをさらに備える、請求項1に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  3. 前記ハウジングは、少なくとも一部の領域において、耐荷重性の機体構造を形成する、請求項3に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  4. 前記ハウジングは、ウェブ材(18、56)および少なくとも1つのカバー部(20、58)を備える、請求項2または請求項3に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  5. 前記カバー部(20、58)と、前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、48、52、76、88、92、106、120)との間に前記空隙(60)があり、前記空隙は、空気を前記空隙を介して流す目的のために、少なくとも1つの空気流入口(64、72、94)および少なくとも1つの空気流出口(68、78、96)を備える、請求項4に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  6. 1つまたは複数の冷却フィン(32、36、54、86)が、前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、48、52、76、88、92、106、120)の間に配置される、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  7. 前記ウェブ材(18、56)および/または前記冷却フィン(32、36、53、54、86)は、後を流れる空気を旋回させるための渦誘発装置および/または開口部を備える、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  8. 前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、48、52、76、88、92、106、120)は、前記外皮(4)の内側部分(6)上に配置される、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  9. 前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、48、52、76、88、92、106、120)は、前記外皮(4)の外側部分(8)上に配置される、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  10. 前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、48、52、76、88、92、106、120)は、少なくとも一部の領域において、実質的に円形の断面を有するか、または実質的に角のある断面を有するラインを含む、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  11. 前記冷却剤ダクト(10、16、26、34、48、52、76、88、92、106、120)は、サンドイッチ状のコア部(40)内に提供される、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  12. 前記航空機の周囲環境から少なくとも1つの空隙(128、154、156)へと空気を流すことを可能にするために、前記航空機の前記外皮(4)に少なくとも1つのスリット(134、132)をさらに備える、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  13. 前記少なくとも1つの空隙(128、154、156)に、またはその空隙から、空気を運ぶために、ブロワー(148)をさらに備える、請求項12に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  14. 対流を生成するために、前記航空機の前記外皮(4)に、上下方向に距離を置いた2つのスリット(134、132)を備える、請求項12または請求項13に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  15. 前記少なくとも1つのスリット(134、132)は、飛行方向に対して平行に向けられている、請求項12から請求項14のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)。
  16. 少なくとも1つの閉じた冷却剤の巡回路、および請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の少なくとも1つの熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)を備える、航空機のための冷却システム。
  17. 1つまたは複数の熱源(114)から熱を吸収し、かつ、請求項1から請求項16のいずれか一項に記載の、1つまたは複数の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)へ熱を放散するための、集合した熱伝達装置(112)をさらに備える、請求項16に記載の冷却システム。
  18. 航空機における、請求項1から請求項15のいずれか一項の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)の使用。
  19. 請求項1から請求項16のいずれか一項に記載の熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)は、航空機の外皮に取り付けられる、航空機における冷却システムを生成するための方法。
  20. 請求項1から請求項15のいずれか一項に記載の少なくとも1つの熱伝達装置(2、11、43、12、24、30、50、70、90、104、116、118、124、144、150、152、160)を備える、航空機。
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