JP2020037347A - Air vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばマルチコプターなど、回転翼を有する飛行体に関する。 The present invention relates to a flying object having a rotary wing, such as a multicopter.
近年、小型でかつ無人飛行が可能な無人飛行体として、ドローン(マルチコプター)等が普及している。ドローンは、測量、災害救助、自然環境の研究、スポーツの中継、農薬散布等を始め、各種産業において活用されている。
ドローンの機体の構造には様々な形状があるが、一般に、ドローンは、本体部と、本体部から放射状に伸びる複数のフレーム部と、フレーム部の先端部に設けられた推進駆動部と、を備える。推進駆動部は、機体の飛行のための揚力および推力を発生させるユニットであり、回転翼であるプロペラ(ロータ)とプロペラを回転させるモータとを備える。
In recent years, drones (multicopters) and the like have become widespread as small unmanned aerial vehicles capable of unmanned flight. Drones are used in various industries, including surveying, disaster relief, studying the natural environment, broadcasting sports, and spraying pesticides.
Although there are various shapes in the structure of a drone's fuselage, in general, a drone includes a main body, a plurality of frames extending radially from the main body, and a propulsion drive unit provided at a distal end of the frame. Prepare. The propulsion drive unit is a unit that generates lift and thrust for the flight of the airframe, and includes a propeller (rotor) that is a rotating wing and a motor that rotates the propeller.
例えば特許文献1には、本体部からX字状に伸びる4本のフレームを有し、当該フレームの先端部にプロペラ(ロータ)を回転させるためのモータが取り付けられた無人回転翼機が開示されている。ここで、モータは、U相、V相、W相を有する3相ブラシレスDCモータであり、当該モータは、電子スピードコントローラ(ESC)によって回転速度(回転数)が制御される。 For example, Patent Document 1 discloses an unmanned rotary wing machine having four frames extending in an X-shape from a main body portion, and a motor for rotating a propeller (rotor) attached to a tip portion of the frame. ing. Here, the motor is a three-phase brushless DC motor having a U-phase, a V-phase, and a W-phase, and the rotation speed (rotation speed) of the motor is controlled by an electronic speed controller (ESC).
ドローンの寿命は、現状、墜落による破損や行方不明といった事故による要因が大きい。墜落の主な原因としては、飛行中の通信喪失、バッテリ切れ、モータの故障、操縦の未熟さなどがある。そのため、従来、ドローンの長寿命化という点に対しては、上記の点に注目した対応や改良が中心に行われてきた。
ところで、ドローンには、さまざまな電気部品ユニットが搭載されており、これら電気部品ユニットは、駆動時に発熱を伴う。そのため、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制することも、ドローンの長寿命化を図るうえで重要な課題である。ところが、従来、この点についてはほとんど対策が講じられていない。
At present, the life of a drone is largely due to accidents such as crash damage and missing. The main causes of the crash include loss of communication during flight, running out of battery, motor failure, and inexperienced maneuvers. For this reason, conventionally, with respect to extending the life of the drone, measures and improvements focused on the above points have been mainly performed.
By the way, various electric component units are mounted on the drone, and these electric component units generate heat when driven. Therefore, appropriately suppressing the rise in temperature of the electric component unit is also an important issue in extending the life of the drone. However, little measure has been taken so far in this regard.
そこで、本発明は、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制し、飛行体の長寿命化を図ることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to appropriately suppress a rise in the temperature of the electric component unit and extend the life of the flying object.
上記課題を解決するために、本発明に係る飛行体の一態様は、本体部と、前記本体部から伸びる複数のフレーム部と、前記フレーム部の先端部に設けられ、回転翼および前記回転翼を回転させるモータを有する推進駆動部と、前記推進駆動部を駆動するための電気部品ユニットと、を備える飛行体であって、前記フレーム部は、内側に空間を有する中空部材であり、前記フレーム部の外部と前記空間とを連通する複数の給排気口を有し、前記電気部品ユニットは、前記フレーム部の前記空間内であって、少なくとも2つの前記給排気口の間に配置されている。 In order to solve the above-mentioned problem, one aspect of the flying object according to the present invention is provided with a main body, a plurality of frame parts extending from the main body, and a tip part of the frame part, A propulsion drive unit having a motor for rotating the propulsion drive unit, and an electric component unit for driving the propulsion drive unit, wherein the frame unit is a hollow member having a space inside, and the frame A plurality of air supply / exhaust ports communicating between the outside of the unit and the space, and the electric component unit is disposed in the space of the frame unit and between at least two of the air supply / exhaust ports. .
このように、フレーム部を中空の構造とし、複数の給排気口を形成することにより、フレーム部の内側に空気の流れを生じさせることができる。このフレーム部の内側を流れる風は、フレーム部の内側であって、2つの給排気口の間に配置された電気部品ユニットを冷却する冷却風として作用する。したがって、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制することができる。これにより、電気部品ユニットの長寿命化を図ることができ、結果として、当該電気部品ユニットを搭載した飛行体の長寿命化を図ることができる。 In this way, by forming the frame portion to have a hollow structure and forming a plurality of air supply / exhaust ports, it is possible to generate an air flow inside the frame portion. The air flowing inside the frame portion acts as a cooling air for cooling the electric component unit disposed inside the frame portion and between the two air supply / exhaust ports. Therefore, the temperature rise of the electric component unit can be appropriately suppressed. As a result, the life of the electric component unit can be extended, and as a result, the life of the flying object on which the electric component unit is mounted can be extended.
また、上記の飛行体において、前記電気部品ユニットは、前記モータの回転速度を制御する速度制御ユニットを含んでもよい。
速度制御ユニットは、モータの回転速度を制御するために複数のスイッチング素子を備え、かなりの発熱が見込まれる。このように、発熱量の多い速度制御ユニットをフレーム部の内側に配置し、フレーム部の内側を流れる冷却風によって冷却する構造とすることで、速度制御ユニットの温度上昇を適切に抑制し、効果的に飛行体の長寿命化を図ることができる。
In the above-mentioned flying object, the electric component unit may include a speed control unit that controls a rotation speed of the motor.
The speed control unit includes a plurality of switching elements for controlling the rotation speed of the motor, and considerable heat generation is expected. Thus, by arranging the speed control unit that generates a large amount of heat inside the frame portion and cooling it by cooling air flowing inside the frame portion, the temperature rise of the speed control unit can be appropriately suppressed, and the effect can be reduced. It is possible to extend the life of the flying object.
さらに、上記の飛行体において、前記フレーム部は、前記推進駆動部側の端部と前記本体部側の端部とにそれぞれ前記給排気口を有してもよい。この場合、フレーム部の一端から他端までを、冷却風通風路として有効利用することができる。
また、上記の飛行体において、前記給排気口は、前記フレーム部の前記推進駆動部側の端部の上面であって、回転する前記回転翼に対向する位置に形成されていてもよい。この場合、当該給排気口は、回転翼が回転することにより発生する風をフレーム部の内側に容易に取り入れることができる冷却風取入口とすることができる。
さらに、上記の飛行体において、前記給排気口は、前記フレーム部の前記本体部側の端部の下面に形成されていてもよい。この場合、当該給排気口は、上記の冷却風取入口から取り入れられた風を適切にフレーム部の外部に排気することができる冷却風排気口とすることができる。
Further, in the above-mentioned flying object, the frame portion may have the supply / exhaust port at an end on the propulsion drive unit side and an end on the body unit side, respectively. In this case, one end to the other end of the frame can be effectively used as a cooling air passage.
In the above-mentioned flying object, the air supply / exhaust port may be formed on an upper surface of an end of the frame portion on the propulsion drive unit side, at a position facing the rotating rotor. In this case, the air supply / exhaust port may be a cooling air inlet through which wind generated by the rotation of the rotating blades can be easily taken into the inside of the frame portion.
Further, in the above flying object, the air supply / exhaust port may be formed on a lower surface of an end portion of the frame portion on the main body portion side. In this case, the air supply / exhaust port can be a cooling air exhaust port that can appropriately exhaust air taken in from the cooling air intake to the outside of the frame portion.
また、前記電気部品ユニットには、当該電気部品ユニットを冷却する冷却体が取り付けられていてもよい。この場合、より効率的に電気部品ユニットの温度上昇を抑制することができる。
さらに、上記の飛行体において、前記冷却体は、炭素繊維強化炭素複合材料により構成されていてもよい。炭素繊維強化炭素複合材料は、低密度で高熱伝導率を有する材料である。したがって、高い冷却効率を有する軽量な冷却体とすることができ、飛行体の重量を著しく増加することなく、効率的に電気部品ユニットを冷却することができる。
Further, a cooling body for cooling the electric component unit may be attached to the electric component unit. In this case, the temperature rise of the electric component unit can be suppressed more efficiently.
Further, in the above flying object, the cooling body may be made of a carbon fiber reinforced carbon composite material. A carbon fiber reinforced carbon composite material is a material having low density and high thermal conductivity. Therefore, a lightweight cooling body having high cooling efficiency can be provided, and the electric component unit can be efficiently cooled without significantly increasing the weight of the flying body.
本発明によれば、電気部品ユニットを強制空冷することができるので、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制し、飛行体の長寿命化を図ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, since an electric component unit can be forcibly air-cooled, the temperature rise of an electric component unit can be suppressed appropriately, and the life of a flying object can be extended.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態における飛行体10の全体構成例を示す図である。本実施形態では、飛行体10がドローン(マルチコプター)である場合について説明する。
ドローン10は、本体部11と、本体部11から伸びる複数(本実施形態では、4本)のフレーム部12と、を備える。さらに、ドローン10は、フレーム部12の先端部(本体部11側ではない方の端部)にそれぞれ設けられた推進駆動部20を備える。
推進駆動部20は、機体の飛行のための揚力および推力を発生させるユニットであり、モータ21と、モータ21によって回転される回転翼(プロペラ、ロータともいう)22とを備える。ここで、モータ21は、3相ブラシレスDCモータであり、後述するコントローラ32によって回転速度(回転数)が制御される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of a
The
The
本体部11およびフレーム部12には、種々の電気部品ユニットが搭載されている。具体的には、本体部11には、受信ユニット31、コントローラ32、センサユニット33およびバッテリユニット34が搭載されている。また、フレーム部12には、速度制御ユニット35が搭載されている。
これら電気部品ユニットは、本体部11およびフレーム部12を構成する筐体(カバー等を含む)13に覆われている。
Various electric component units are mounted on the
These electric component units are covered by a casing (including a cover or the like) 13 that forms the
図2は、ドローン10のシステム構成の概略を示す図である。
受信ユニット31は、操縦器(不図示)から送信される信号を受信し、受信した信号をコントローラ32に出力する。ここで、操縦器は、操縦者がドローン10の機体を遠隔から操作するための器具である。受信ユニット31は、操縦者が操作する操縦器から送信される信号を受信するためのアンテナを備える。
コントローラ32は、CPU、ROM、RAM等を備え、受信ユニット31により受信された信号やセンサユニット33により検出された信号を受け取り、これらの信号に基づいてドローン10の機体の飛行制御を行う。
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the system configuration of the
The
The
センサユニット33は、各種センサを備える。例えば、センサユニット33は、ジャイロセンサ33a、加速度センサ33b、気圧センサ33c、GPSセンサ33dなどを備える。
ジャイロセンサ33aは、例えば3軸ジャイロであり、ドローン10の機体のロール軸、ピッチ軸およびヨー軸のそれぞれの方向に対して傾きの変化量を検出する。加速度センサ33bは、ドローン10の機体の加速度を検出する。加速度センサ33bは、例えばXYZ軸の3方向の加速度を検出する3軸加速度であってよい。気圧センサ33cは、気圧を検知し、検知した気圧に基づいてドローン10の機体の高度を検出する。GPSセンサ33dは、ドローン10の機体の飛行位置を検出する。
The
The
コントローラ32は、受信ユニット31により受信された信号やセンサユニット33により検出された信号に基づいて、各モータ21の目標回転速度を決定し、各モータ21の回転速度が目標回転速度に一致するように速度制御ユニット35を制御する。
速度制御ユニット35は、1個のモータ21にそれぞれ対応して設けられている。各速度制御ユニット35は、本実施例においては6個のスイッチング素子を有するインバータ回路と、スイッチング素子をオンオフ制御するための駆動回路(ゲートドライバ)とをそれぞれ備える。ここで、スイッチング素子は、FET(電界効果トランジスタ)やMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等である。
The
The
コントローラ32が、速度制御ユニット35を介して各モータ21の回転速度(回転数)を個別に制御することにより、ドローン10は、離陸、着陸、前進、後退などの飛行制御、およびロール、ピッチ、ヨーイングなどの姿勢制御が行われる。
図2に示す各電気部品ユニット(31、32、33、35)には、図1に示すバッテリユニット34から電力が供給される。バッテリユニット34は、例えばリチウム充電池とすることができる。バッテリユニット34は、機体の重心を安定させるために、本体部11の下部中央に設けられている。バッテリユニット34から各電気部品ユニットへの電力の供給は、配線によって直接行われてもよいし、PMU(Power Management Unit)を介して行われてもよい。
The
Electric power is supplied from the battery unit 34 shown in FIG. 1 to the electric component units (31, 32, 33, 35) shown in FIG. The battery unit 34 can be, for example, a lithium rechargeable battery. The battery unit 34 is provided at the lower center of the
ところで、上述したように、速度制御ユニット35は、3相のモータを広い速度範囲で制御するために、それぞれ6個のスイッチング素子を有する。スイッチング素子は、電流が流れることで発熱する発熱体である。速度制御ユニット35は、それぞれが6個のスイッチング素子を有するため、かなりの発熱が見込まれる。そのため、適切に冷却を行わないと、例えばスイッチング素子のジャンクション部の温度が一定温度を超え、スイッチング素子に不具合が生じるおそれがある。また、速度制御ユニット35自体が高温となると、スイッチング素子だけでなく、この速度制御ユニット35に含まれる他の電気部品の不具合発生の原因にもなり得る。
By the way, as described above, the
つまり、速度制御ユニット35の長寿命化を実現するためには、スイッチング素子を適切に冷却し、速度制御ユニット35の過度な温度上昇を抑制することが重要である。
本実施形態では、速度制御ユニット35の温度上昇を抑制するために、フレーム部12を中空の構造とし、速度制御ユニット35を中空のフレーム部12の内側に配置する。そして、中空のフレーム部12の内側を冷却風通風路として利用し、速度制御ユニット35をフレーム部12の内側を通る冷却風によって冷却するようにする。
That is, in order to extend the life of the
In this embodiment, in order to suppress the temperature rise of the
図3は、フレーム部12の断面構造の一例を示す図である。
フレーム部12は、一方向に伸びる中空の(筒状の)部材である。フレーム部12の長手方向に直交する方向における断面形状は、特に限定されるものではなく、フレーム部12は角中空の構造であってもよいし、円中空の構造であってもよい。
フレーム部12は、少なくとも1つの冷却風取入口15と、少なくとも1つの冷却風排気口16と、を備える。冷却風取入口15および冷却風排気口16は、それぞれフレーム部12に形成され、フレーム部12の外部とフレーム部12の内側の空間とを連通させる給排気口である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional structure of the
The
The
図3は、フレーム部12の推進駆動部20側の端部に冷却風取入口15が形成され、フレーム部12の本体部11側の端部に冷却風排気口16が形成された例を示す。速度制御ユニット35は、フレーム部12の内側であって、冷却風取入口15と冷却風排気口16との間に配置されている。
具体的には、冷却風取入口15は、フレーム部12の推進駆動部20側における上面であって、回転翼22に対向する位置(回転翼22の真下)に形成されている。また、冷却風取入口15は、フレーム部12の推進駆動部20側における端面であって、推進駆動部20に対向する位置にも形成されている。冷却風取入口15は、ドローン10の飛行中に発生する風の一部が、フレーム部12の中空の内側に進入するように形成される。
FIG. 3 shows an example in which a cooling
Specifically, the cooling
冷却風排気口16は、フレーム部12の本体部11側における下面に形成されている。冷却風排気口16は、冷却風取入口15からフレーム部12の内側に取り込まれた風が、フレーム部12の外部に排気されるように形成される。
上記の構成により、図3に示すように、ドローン10の飛行中、回転する回転翼22によって発生する風の一部41は、フレーム部12の上面に形成された冷却風取入口15からフレーム部12の内側に進入する。また、回転する回転翼22によって発生する風の一部42は、フレーム部12の端面に形成された冷却風取入口15からフレーム部12の内側に進入する。さらに、機体の前進、後退、上昇、下降などの移動に伴って発生する風の一部43も、フレーム部12の端面に形成された冷却風取入口15からフレーム部12の内側に進入する。
The cooling
With the above-described configuration, as shown in FIG. 3, during the flight of the
フレーム部12の内側に取り込まれた風44は、中空のフレーム部12の内側を本体部11側に向かって流れる。この風44は、フレーム部12の内側に配置された速度制御ユニット35を冷却する冷却風として作用する。つまり、速度制御ユニット35は、フレーム部12の内側を流れる風44により、適切に冷却され、温度の上昇が抑制される。
速度制御ユニット35を冷却した風45は、フレーム部12の本体部11側に形成された冷却風排気口16から排気される。
The
The
なお、図3に示す例では、冷却風取入口15が、フレーム部12の上面(回転翼22に対向する面)と、フレーム部12の端面(推進駆動部20のモータ21に対向する面)とに形成されているが、冷却風取入口15を形成する位置は図3に示す位置に限定されない。冷却風取入口15は、ドローン10の飛行中に発生する風をフレーム部12の内側に取り込み可能な位置に形成されていればよい。また、冷却風取入口15の数も、図3に示す数(2つ)に限定されるものではない。
In the example shown in FIG. 3, the cooling
また、機体の飛行状態によっては、図4に示すように、フレーム部12の下面に形成された冷却風排気口16からフレーム部12の内側に風51が流入する場合もある。例えば、機体が下降している場合、フレーム部12の下面に形成された冷却風排気口16から風が取り込まれる。この場合、フレーム部12の内側に取り込まれた風52は、フレーム部12の内側を通って推進駆動部20側に向かって流れ、その過程で速度制御ユニット35を冷却する。そして、速度制御ユニット35を冷却した風の一部53は、フレーム部12の上面に形成された冷却風取入口15から排気され、残りの一部54は、フレーム部12の端面に形成された冷却風取入口15から排気される。
つまり、機体の飛行状態に応じて、冷却風取入口15は冷却風排気口に、冷却風排気口16は冷却風取入口になり得る。
Further, depending on the flight state of the airframe, as shown in FIG. 4, the
In other words, the cooling
このように、本実施形態におけるドローン10は、本体部11と、本体部11から伸びる複数のフレーム部12と、フレーム部12の先端部にそれぞれ設けられた推進駆動部20と、推進駆動部20を駆動するための電気部品ユニットと、を備える。ここで、フレーム部12は、内側に空間を有する中空部材であり、フレーム部12の外部と内側の空間とを連通する複数の給排気口を有する。また、電気部品ユニットは、フレーム部12の内側(空間内)であって、少なくとも2つの給排気口の間に配置されている。
具体的には、フレーム部12は、本体部11側の端部と推進駆動部20側の端部とにそれぞれ給排気口を有し、電気部品ユニットは、本体部11側に設けられた給排気口と、推進駆動部20側に設けられた給排気口との間に配置される。
As described above, the
Specifically, the
このように、フレーム部12を中空の構造とし、複数の給排気口を形成することにより、フレーム部12の内側には空気の流れが生じる。そして、フレーム部12の内側を流れる風は、フレーム部12の内側であって、2つの給排気口の間に配置された電気部品ユニットを冷却する冷却風として作用する。これにより、電気部品ユニットを強制空冷することができ、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制することができる。したがって、電気部品ユニットの長寿命化を図ることができ、結果として、当該電気部品ユニットを搭載したドローン10の長寿命化を図ることができる。
Thus, by forming the
また、フレーム部12の内側に配置する電気部品ユニットは、モータ21の回転速度を制御する速度制御ユニット35とすることができる。速度制御ユニット35は、複数のモータ21の回転速度を個別に制御するために、複数のモータ21にそれぞれ対応して設けられる。また、モータ21は3相ブラシレスDCモータであり、モータ21の3相に流す電流を制御するために、速度制御ユニット35は、それぞれ6個のスイッチング素子を備える。そのため、速度制御ユニット35は、かなりの発熱が見込まれる。
したがって、速度制御ユニット35をフレーム部12の内側に配置し、フレーム部12の内側を流れる冷却風によって冷却する構造とすることで、発熱量の多い速度制御ユニット35の温度上昇を適切に抑制し、効果的にドローン10の長寿命化を図ることができる。
Further, the electric component unit arranged inside the
Therefore, by arranging the
また、速度制御ユニット35をフレーム部12の内側に配置することで、速度制御ユニット35を本体部11に配置された他の電気部品ユニットから離すことができる。これにより、速度制御ユニット35が備えるスイッチング素子のスイッチングノイズが、他の電気部品ユニットの動作に対して悪影響を及ぼすことを抑制することができる。
例えば、コントローラ32は、モータ21が正常に動作しているか否かを判定するために、モータ21の各相に流れる電流を監視している。速度制御ユニット35がコントローラ32の近傍に配置されている場合、上記のスイッチングノイズの影響により、コントローラ32はモータ21の動作を誤判定してしまうおそれがある。速度制御ユニット35をコントローラ35から離して配置することで、上記の誤判定を抑制することができる。
In addition, by disposing the
For example, the
さらに、フレーム部12の推進駆動部20側の端部に形成された給排気口は、フレーム部12の上面であって、回転する回転翼22に対向する位置に形成することができる。これにより、当該給排気口は、回転翼22が回転することにより発生する風をフレーム部12の内側に容易に取り入れることができる冷却風取入口とすることができる。
また、フレーム部12の本体部11側の端部に形成された給排気口は、フレーム部12の下面に形成することができる。これにより、当該給排気口は、回転翼22に対向する位置に形成された冷却風取入口から取り入れられた風を適切にフレーム部12の外部に排気することができる冷却風排気口とすることができる。
このように、本実施形態におけるドローン10は、フレーム部12の内側に確実に空気を流し、フレーム部12の内側に配置された速度制御ユニット35を適切に冷却することができる。
Further, the air supply / exhaust port formed at the end of the
The air supply / exhaust port formed at the end of the
As described above, the
なお、速度制御ユニット35をより効率的に冷却するために、図5に示すように、速度制御ユニット35の放熱面に、熱伝導性に優れた冷却体36を取り付けてもよい。なお、冷却体36は、速度制御ユニット35が備える発熱体となるスイッチング素子そのものに取り付けてもよいし、スイッチング素子が実装された基板に取り付けてもよい。
ここで、冷却体36の材料としては、例えば炭素繊維強化炭素複合材料を用いることができる。炭素繊維強化炭素複合材料は、炭素繊維を強化材とし、炭素をマトリックスとする複合材である。炭素繊維強化炭素複合材料は、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を成形硬化後、不活性雰囲気中で熱処理し、母材のプラスチックを炭化させることで作られる。なお、炭素繊維強化炭素複合材料は、C/Cコンポジット(C/C composite)、カーボンカーボン(carbon-carbon)、カーボンカーボン複合材料(carbon-carbon composite)、強化カーボンカーボン(reinforced carbon-carbon, RCC)などと呼ばれることもある。以下の説明では、炭素繊維強化炭素複合材料を「C/Cコンポジット」と呼ぶ。
In addition, in order to cool the
Here, as a material of the cooling
以下、本実施形態における冷却体36として使用するC/Cコンポジットの製造方法について説明する。
まず、CFRPを作製する。CFRPは、複数のプリプレグが積層されて構成されている。プリプレグは、炭素繊維に、繊維の方向性を持たせたまま樹脂を含浸させたシート状の部材である。プリプレグを構成する樹脂は、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂である。なお、プリプレグを構成する樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、シアネートエステル、ポリイミド等の熱硬化性樹脂を用いることもできる。
Hereinafter, a method of manufacturing the C / C composite used as the cooling
First, a CFRP is manufactured. CFRP is configured by laminating a plurality of prepregs. The prepreg is a sheet-like member in which carbon fibers are impregnated with a resin while keeping the directionality of the fibers. The resin constituting the prepreg is, for example, a thermosetting epoxy resin. In addition, as a resin constituting the prepreg, for example, a thermosetting resin such as an unsaturated polyester, a vinyl ester, a phenol, a cyanate ester, and a polyimide can also be used.
CFRPは、型の中に、複数のプリプレグを必要層数(5〜10層)積層し、減圧下で120℃〜130℃程度に加熱し、加圧(圧着)して硬化させることで成形される。ここで、本実施形態では、プリプレグとして、繊維の方向が一方向にのみ伸びているUD材(UNI−DIRECTION材)を使用する。この場合、複数のUD材を、繊維の方向が一致するように積層し、CFRPを作製する。なお、プリプレグとして、繊維の方向が異なるように重ね合わせたクロス材を使用することもできる。ただし、この場合、異方性を持たせるように繊維の配向を設定するものとする。
次に、CFRPを、2500℃〜3000℃で2週間ほど熱処理し、C/Cコンポジットを作製する。
CFRP is formed by laminating a plurality of prepregs (5 to 10 layers) in a mold in a required number of layers, heating to about 120 ° C. to 130 ° C. under reduced pressure, pressurizing (compression bonding), and curing. You. Here, in the present embodiment, a UD material (UNI-DIRECTION material) in which the fiber direction extends in only one direction is used as the prepreg. In this case, a plurality of UD materials are laminated so that the directions of the fibers match, and a CFRP is produced. In addition, as the prepreg, a cloth material that is overlapped so that the directions of the fibers are different can also be used. However, in this case, the fiber orientation is set so as to have anisotropy.
Next, the CFRP is heat-treated at 2500 ° C. to 3000 ° C. for about two weeks to produce a C / C composite.
C/Cコンポジットは、冷却体として一般に用いられる銅やアルミなどの金属材料よりも低密度(即ち軽い)であり、高い熱伝導性を有する材料である。
例えば、密度は、銅が約8.9g/cm3、アルミニウムが約2.7g/cm3であるのに対し、C/Cコンポジットは約1.7g/cm3である。また、熱伝導率は、銅が約400W/mK、アルミニウムが約240W/mKであるのに対し、C/Cコンポジットは700W/mKである。
The C / C composite is a material having a lower density (that is, lighter) and a higher thermal conductivity than metal materials such as copper and aluminum generally used as a cooling body.
For example, the density is about 8.9 g / cm 3 for copper and about 2.7 g / cm 3 for aluminum, while the density of the C / C composite is about 1.7 g / cm 3 . The thermal conductivity of copper is about 400 W / mK and that of aluminum is about 240 W / mK, while that of C / C composite is 700 W / mK.
従来、スイッチング素子などの発熱素子を冷却する冷却体としては、熱伝導性の良い金属であるアルミニウムや銅が広く使用されてきた。しかしながら、ドローンの機体に搭載することを考慮すると、冷却体を金属製とすることは、機体の重量を増加させる原因となり、不利である。ドローンにおいて、ペイロードが重要なファクタであり、ペイロードをできるだけ大きくするためには、ドローンの機体そのものの重量をできるだけ軽量にする必要がある。
速度制御ユニット35に冷却体を取り付ければ速度制御ユニット35の冷却効率を上げることができ、速度制御ユニット35、ひいてはドローン10の更なる長寿命化を図ることができるとわかっていたとしても、冷却体が機体の重量を著しく増加させる場合には取り付けることができない。
Conventionally, as a cooling body for cooling a heating element such as a switching element, aluminum or copper, which is a metal having good heat conductivity, has been widely used. However, considering that the cooling body is made of metal, it is disadvantageous to increase the weight of the fuselage in consideration of being mounted on the drone fuselage. In a drone, the payload is an important factor, and in order to make the payload as large as possible, the weight of the drone itself must be as light as possible.
Even if it is known that the cooling efficiency of the
本発明者は、上記の問題を解決する冷却体の材料として、C/Cコンポジットが最適であることを見出した。C/Cコンポジットは、上述したように、高い熱伝導性を有するので、冷却体としての機能を十分に発揮することができる。それに加えて、低密度(軽量)であるので、速度制御ユニット35に取り付けたとしても、機体の重量を著しく増加させることがない。
熱伝導率を密度で除した値である比熱伝導率[W・cm3/mK・g]は、銅が44.9、アルミニウムが74、C/Cコンポジットが411.8である。このように、C/Cコンポジットは、銅やアルミニウムよりも熱伝導率が高くかつ軽量な材料である。したがって、機体の重量増加を抑制しつつ、効率良く速度制御ユニット35を冷却できる材料としては、C/Cコンポジットが非常に優れている。
The present inventor has found that a C / C composite is most suitable as a material for a cooling body that solves the above-mentioned problem. As described above, the C / C composite has high thermal conductivity, and thus can sufficiently exhibit the function as a cooling body. In addition, because of its low density (light weight), even if it is attached to the
The specific heat conductivity [W · cm 3 / mK · g], which is the value obtained by dividing the heat conductivity by the density, is 44.9 for copper, 74 for aluminum, and 411.8 for the C / C composite. Thus, the C / C composite is a material having higher thermal conductivity and lighter weight than copper and aluminum. Therefore, the C / C composite is extremely excellent as a material capable of efficiently cooling the
なお、軽量で熱伝導率の高い冷却材として、CFRPを選択することも考えられるが、本実施形態のように速度制御ユニット35を冷却するための冷却材として使用する場合、強度(剛性)は重要ではない。冷却材として使用する材料には、強度が高いことよりも熱伝導率が高いことが望まれる。したがって、機体の重量増加を抑制しつつ、効率良く速度制御ユニット35を冷却できる材料としては、CFRPよりもC/Cコンポジットの方が優れている。
Note that CFRP may be selected as a lightweight coolant having a high thermal conductivity. However, when the coolant is used as a coolant for cooling the
このように、本実施形態におけるドローン10は、速度制御ユニット35に冷却体36を取り付けてもよい。これにより、速度制御ユニット35をより効率的に冷却することができる。
また、冷却体36の材料として、炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)を用いることで、高効率の冷却だけでなく、冷却体36を取り付けることによる機体の重量増加を最小限に抑えることができる。
As described above, in the
In addition, by using a carbon fiber reinforced carbon composite material (C / C composite) as the material of the cooling
なお、C/Cコンポジットは、炭素繊維の配向によって熱伝導率に異方性を持たせることができる。例えば、プリプレグとしてUD材を用いた一方向性C/Cコンポジットの場合、熱伝導率は、炭素繊維が伸びる方向(炭素繊維の配向方向)に高い。このことを考慮し、C/Cコンポジットを使用した冷却体36を速度制御ユニット35の放熱面に取り付ける場合には、C/Cコンポジットの炭素繊維の配向方向が、冷却風の流れる方向に沿うようにして取り付けるようにしてもよい。これにより、より効率的に速度制御ユニット35を冷却することができる。
The C / C composite can have anisotropy in thermal conductivity depending on the orientation of the carbon fibers. For example, in the case of a unidirectional C / C composite using a UD material as a prepreg, the thermal conductivity is high in the direction in which the carbon fibers extend (the orientation direction of the carbon fibers). In consideration of this, when the cooling
さらに、C/Cコンポジットの熱伝導率の異方性を考慮し、C/Cコンポジットを使用した冷却体36とする場合には、冷却体36の長手方向がC/Cコンポジットの炭素繊維の配向方向に沿って設定されていてもよい。つまり、冷却体36は、熱伝導率の高い方向に伸びる細長い形状としてもよい。これにより、冷却体36による冷却効率を向上させることができる。また、フレーム部12の内側のような細長い空間であっても、適切に冷却体36を配置することができる。
また、冷却体36の表面には、凹凸(フィン、羽根)が形成されていてもよい。この場合、凹凸(フィン、羽根)が伸びる方向が、冷却風の流れる方向に沿うように形成されていてもよい。この場合にも、より効率的に速度制御ユニット35を冷却することができる。
Further, in the case where the cooling
Further, irregularities (fins, blades) may be formed on the surface of the cooling
(変形例)
上記実施形態においては、4つの回転翼22を有するドローン10について説明したが、回転翼の個数および構成は特に限定されない。
また、上記実施形態においては、飛行体がドローンである場合について説明したが、回転翼を有する飛行体であればマルチコプターに限定されない。また、飛行体は、無人回転翼機に限定されるものでもない。
さらに、上記実施形態においては、電気部品ユニットのうち、速度制御ユニット35をフレーム部12の内側(中空部分)に配置する場合について説明したが、推進駆動部20を駆動するための他の電気部品ユニットを配置し、温度上昇を抑制する構造としてもよい。
(Modification)
In the above embodiment, the
Further, in the above embodiment, the case where the flying object is a drone has been described, but the flying object is not limited to a multicopter as long as it has a rotating wing. Further, the flying object is not limited to the unmanned rotary wing aircraft.
Further, in the above-described embodiment, the case where the
10…飛行体(ドローン)、11…本体部、12…フレーム部、15…冷却風取入口(給排気口)、16…冷却風排気口(給排気口)、20…推進駆動部、21…モータ、22…回転翼、31…受信ユニット、32…コントローラ、33…センサユニット、34…バッテリユニット、35…速度制御ユニット、36…冷却体
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記フレーム部は、内側に空間を有する中空部材であり、前記フレーム部の外部と前記空間とを連通する複数の給排気口を有し、
前記電気部品ユニットは、前記フレーム部の前記空間内であって、少なくとも2つの前記給排気口の間に配置されていることを特徴とする飛行体。 A main body part, a plurality of frame parts extending from the main body part, a propulsion drive unit provided at a tip end of the frame part and having a rotor and a motor for rotating the rotor, and a drive unit for driving the propulsion drive unit And an electrical component unit of
The frame portion is a hollow member having a space inside, has a plurality of air supply and exhaust ports that communicate the outside of the frame portion and the space,
The flying object, wherein the electric component unit is disposed in the space of the frame portion and between at least two of the air supply and exhaust ports.
前記推進駆動部側の端部と前記本体部側の端部とにそれぞれ前記給排気口を有することを特徴とする請求項1または2に記載の飛行体。 The frame unit,
The flying object according to claim 1, wherein the air supply / exhaust port is provided at each of an end on the propulsion drive unit side and an end on the body unit side.
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