JP7185069B2 - 推進装置、ロータの防氷方法及び航空機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、推進装置、ロータの防氷方法及び航空機に関する。

近年、都市航空交通（ＵＡＭ：Ｕｒｂａｎ Ａｉｒ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ）用の航空機が実用化に向け、様々なメーカから提案されている。ＵＡＭ用の航空機として使用される無人航空機（ＵＡＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ）はドローンとも呼ばれ、無人のマルチコプタやヘリコプタ等の回転翼航空機が代表的である。ＵＡＭ用の航空機の典型的な特徴としては、モータとロータを有し、ロータを構成するブレードのピッチ角が固定である点が挙げられる。

ＵＡＭを実用化するためには、ＵＡＭ用の航空機に従来の航空機と同等の安全性を確保することが肝要である。航空機の安全性を確保するための機能の１つとして、ロータの空力性能の低下を防止する観点から、低温環境下におけるロータへの着氷を防止する機能が挙げられる。

そこで、従来はＵＡＶのロータに電熱部材を設ける方法によって防氷が行われている。同様に、航空機の固定翼や回転翼に除氷機能を付与するために、氷が生成されやすい部分に適量のカーボンナノチューブを配置し、電流を流して加熱する技術も提案されている（例えば特許文献１参照）。

特表２０１３－５１１４１４号公報

上述したようにＵＡＭ用の航空機はもちろん、その他の航空機においても安全性を確保するためには航空機の翼表面への着氷を防止することが重要である。

そこで、本発明は、ロータを備えた航空機において、ロータへの着氷を効果的に抑制することを目的とする。

本発明の実施形態に係る推進装置は、ブレードを有するロータと、前記ロータを回転させるモータと、前記モータの駆動によって生じる熱で前記ブレードの防氷を行う防氷機構とを有するものである。

また、本発明の実施形態に係る航空機は、上述の推進装置を備えたものである。

また、本発明の実施形態に係るロータの防氷方法は、ブレードを有するロータの防氷方法であって、前記ロータを回転させるモータの駆動によって生じる熱で前記ブレードの防氷を行うものである。

本発明の実施形態に係る推進装置の構成図。 様々な熱伝導部材の熱伝導率を示すグラフ。 図１に例示される推進装置を備えた航空機の一例を示す斜視図。

実施形態

本発明の実施形態に係る推進装置、ロータの防氷方法及び航空機について添付図面を参照して説明する。

（構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係る推進装置の構成図である。

推進装置１は、空気の流れを形成して推力や揚力を得るために固定翼航空機や回転翼航空機等の航空機に備えられる電動式の回転装置である。電動式の推進装置１は、複数のブレード２Ａを有するロータ２と、ロータ２を回転させるモータ３を有する。ロータ２は、ファン又はやプロペラと呼ばれる場合もある。また、円筒状のダクトで覆われたファンはダクテッドファンと呼ばれる。

典型的なモータ３は、同軸状に配置された円筒状の固定子４及び回転子５を、円筒状のケーシング６に収納して構成される。固定子４はケーシング６に固定される一方、固定子４に対して回転可能に配置される回転子５は、モータ３の回転シャフト７と一体化される。回転シャフト７の一端はケーシング６から突出してモータ３の出力軸として機能する。

このため、各ブレード２Ａはケーシング６から突出する回転シャフト７の端部に放射状に固定される。すなわち、各ブレード２Ａの長さ方向が各ブレード２Ａの回転半径方向となるように配置され、各ブレード２Ａの一端がモータ３の回転シャフト７に固定される。

このように構成された推進装置１のモータ３を駆動して各ロータ２を回転させると、推進装置１を取付けた航空機に推力や揚力を与えることができるが、航空機の安全性を確保するためには、ロータ２の各ブレード２Ａへの着氷を防止することが重要である。

そこで、推進装置１には、ブレード２Ａの防氷を行う防氷機構８が備えられる。防氷機構８は、モータ３の駆動によって生じる熱でブレード２Ａの防氷を行うように構成される。すなわち、モータ３が駆動すると、モータ３の回転子５には熱が生じる。このため、モータ３の駆動時に発生する熱を有効活用してブレード２Ａの防氷を行うことができる。

モータ３で発生した熱をロータ２の各ブレード２Ａに伝えるためには、回転シャフト７を熱の経路とすることが現実的である。このため、防氷機構８は、モータ３の回転シャフト７内に配置される第１の熱移動部材９を少なくとも有する。第１の熱移動部材９は、モータ３の回転シャフト７よりも熱伝導性が高い部材からなり、回転シャフト７の長手方向に沿って、少なくとも、ブレード２Ａと回転シャフト７との連結部分Ｐと、モータ３の回転子５との間に配置される。
回転シャフト７内に第１の熱移動部材９を設けると、モータ３で発生した熱を第１の熱移動部材９によってモータ３の回転子５側からロータ２の各ブレード２Ａ側に向かって移動させることができる。すなわち、モータ３で発生した熱を回転シャフト７の先端まで移動させることができる。これにより、各ブレード２Ａの根元側に熱を伝え、各ブレード２Ａへの着氷を防止することが可能となる。

但し、ブレード２Ａの表面への着氷を一層効果的に防止するためには、各ブレード２Ａの表面において氷が付着しやすいエリアまで熱を伝えることが重要である。そこで、防氷機構８には、第１の熱移動部材９に加えて、少なくとも一部がブレード２Ａに配置される第２の熱移動部材１０を設けることができる。第２の熱移動部材１０は、各ブレード２Ａよりも熱伝導性が高い部材からなり、各ブレード２Ａと回転シャフト７との連結部分Ｐにおいて、第１の熱移動部材９と接触し、各ブレード２Ａと回転シャフト７との連結部分Ｐから回転シャフト７を軸とした放射方向、つまり、各ブレード２Ａの長手方向に延びて配置される。
ブレード２Ａに第２の熱移動部材１０を設けると、第１の熱移動部材９で移動する熱を第２の熱移動部材１０によってブレード２Ａの防氷エリアまで移動させることができる。これにより、各ブレード２Ａの表面において氷が付着しやすい防氷エリアまで熱を伝えることが可能となる。

経験的には、第２の熱移動部材１０として、ブレード２Ａと回転シャフト７との連結部分Ｐ（ブレード２Ａの根元の位置）からブレード２Ａの長さＬの１／２の距離だけ離れた位置までの範囲に熱伝導部材を取付けることが十分な防氷機能を得る観点から望ましいと考えられる。また、第２の熱移動部材１０の端部を回転シャフト７の先端付近に埋め込んで、第１の熱移動部材９の端部と接触させるようにしても良い。これにより、第１の熱移動部材９を経由して移動する熱をできるだけ損失させずに第２の熱移動部材１０に導くことができる。

第１の熱移動部材９及び第２の熱移動部材１０としては、それぞれ着氷を防止するために十分な熱が各ブレード２Ａに伝わるように、適切な材料又は装置を用いることができる。

図２は様々な熱伝導部材の熱伝導率を示すグラフである。

図２において縦軸は熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を示す。図２に示すように、カーボンナノチューブやヒートパイプは、熱伝導率が良好なアルミニウムや銅よりも高い熱伝導率を有する。但し、カーボンナノチューブは巨視的にな粉末状であり、カーボンナノチューブ単独では通常必要な強度を得ることができない。そこで、カーボンナノチューブを含有する素材やヒートパイプ等の高い熱伝導率を有する材料又は装置をモータ３の回転シャフト７内に配置される第１の熱移動部材９及びブレード２Ａに配置される第２の熱移動部材１０として用いれば、より多くの熱をモータ３から各ブレード２Ａに伝えることが可能となる。

カーボンナノチューブは環状構造を有する炭素の同素体であり、フラーレンの一種に分類される場合がある。１枚の円筒状のカーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブ又はシングルウォールナノチューブ、２枚の円筒状のカーボンナノチューブを同軸状に配置したカーボンナノチューブは２層カーボンナノチューブ又はダブルウォールナノチューブ、複数枚の円筒状のカーボンナノチューブを同軸状に配置したカーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブ又はマルチウォールナノチューブと呼ばれる。また、カーボンナノチューブには、両端が開口するものと、両端又は一端がフラーレンと同様な構造で閉口するものがある。

炭素を元素とする物質としては、カーボンナノチューブの他、炭素繊維やダイヤモンドが挙げられる。このため、炭素繊維又はダイヤモンドを第１の熱移動部材９及び第２の熱移動部材１０の少なくとも一方として用いるようにしても良い。

但し、炭素繊維は熱伝導について異方性を有するため、炭素繊維を第１の熱移動部材９及び第２の熱移動部材１０の少なくとも一方として用いる場合には、炭素繊維の長さ方向が熱移動方向となるように炭素繊維を並べることが適切である。具体的には、炭素繊維を第１の熱移動部材９として用いる場合には、長さ方向がモータ３の回転子５側からロータ２のブレード２Ａ側に向かう熱移動方向となるように炭素繊維を並べることが適切である。一方、炭素繊維を第２の熱移動部材１０として用いる場合には、長さ方向が第１の熱移動部材９側からブレード２Ａの防氷エリアに向かう熱移動方向となるように炭素繊維を並べることが適切である。

また、カーボンナノチューブを第１の熱移動部材９及び第２の熱移動部材１０の少なくとも一方として用いる場合には、粉末状のカーボンナノチューブを樹脂や金属に混ぜて棒状、紐状又はシート状にした熱伝導部材を第１の熱移動部材９及び第２の熱移動部材１０の少なくとも一方として用いることが実用的である。この場合、殆どの熱はカーボンナノチューブを伝導し、カーボンナノチューブのマトリックスを伝導する熱の量は無視できる程小さい。従って、カーボンナノチューブのマトリックスを金属とする場合には、機械的強度を確保できれば、熱伝導率に関わらず所望の金属を用いることができる。

実用的な例として、航空機の場合には重量軽減が求められるため、比強度が高いステンレス等の鉄系の金属やアルミニウムをカーボンナノチューブのマトリックスとすることができる。その場合には、粉末状のカーボンナノチューブを金属のインゴット等に混合して鋳造することによって、カーボンナノチューブを含む棒、ワイヤ又はシートを製作することができる。

一方、樹脂をマトリックスとする場合には、カーボンナノチューブに限らず、炭素繊維も容易に含有させることができる。すなわち、粉末状のカーボンナノチューブ又は炭素繊維に、融解した熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含侵させた後、樹脂を硬化することによってカーボンナノチューブ又は炭素繊維を含む棒、ロープ又はシートを製作することができる。

他方、ヒートパイプは、金属パイプの内部を真空にして少量の水等の作動液を密封した伝熱素子である。ヒートパイプの高温側の一端に熱が到達すると作動液が熱を吸収して蒸発し、蒸気流となって低温側に移動する。低温側に移動した蒸気流は金属パイプの内壁に接触して冷却され、熱を放出しながら凝集して液体に戻る。液体に戻った作動液は、毛細管現象又は重力により高温側戻る。このため、ヒートパイプの両端を温度差のある位置に配置すると、作動液の蒸発潜熱の吸収と、凝縮潜熱の放出を利用して、熱を高温側から低温側に移動することができる。

ヒートパイプの両端では、熱が金属パイプの壁体を伝導するため、金属パイプの少なくとも両端をアルミニウムや銅等の熱伝導率が高い金属で構成することが好ましい。一方、ヒートパイプの両端以外の部分では、熱が蒸気流の移動によって移動する。このため、厳密には熱伝導ではなく熱伝達による熱の移動であるが、図２では、ヒートパイプを熱伝導体とみなして熱伝導率が評価されている。従って、ヒートパイプを熱伝導部材とみなして第１の熱移動部材９及び第２の熱移動部材１０の少なくとも一方として用いることができる。

但し、ブレード２Ａは回転するため、ブレード２Ａに取付けられる第２の熱移動部材１０にはブレード２Ａの先端側に向かう遠心力が生じることになる。このため、第２の熱移動部材１０としてヒートパイプを使用すると作動液が低温側に溜まって戻らない不具合が生じる恐れがある。そこで、第２の熱移動部材１０については、ヒートパイプを使用せずにカーボンナノチューブ及び炭素繊維の少なくとも一方で構成するようにしても良い。

他方、第１の熱移動部材９も回転シャフト７とともにモータ３の回転軸を中心に回転するが、柱状又は円筒状のように長尺構造となる第１の熱移動部材９の長さ方向は、回転シャフト７の長さ方向となる。このため、第１の熱移動部材９に遠心力が作用する方向は、第１の熱移動部材９の長さ方向、すなわち熱の移動方向とはならない。従って、第１の熱移動部材９については、ヒートパイプ、カーボンナノチューブ及び炭素繊維の少なくとも１つで構成することができる。

このため、カーボンナノチューブ又は炭素繊維を含む共通の棒状又は紐状の熱伝導部材の一部をモータ３の回転シャフト７内に配置して第１の熱移動部材９とし、他の一部をブレード２Ａに埋め込んで第２の熱移動部材１０としても良い。但し、図２に示すように、カーボンナノチューブよりもヒートパイプの方が熱伝導率が高く、比強度もカーボンナノチューブよりもヒートパイプの方が高い。

このため、図１に例示されるように、剛性が要求される回転シャフト７内には、より軽量で高い強度と熱伝導率を有するヒートパイプ９Ａを第１の熱移動部材９として配置する一方、熱の移動方向に向かって遠心力が作用するブレード２Ａ側についてはカーボンナノチューブを含む熱伝導部材１０Ａを第２の熱移動部材１０を配置することが実用的な構成例である。

第２の熱移動部材１０としてカーボンナノチューブ及び炭素繊維の少なくとも一方を含む熱伝導部材１０Ａを用いる場合には、シート状又はロープ状の熱伝導部材１０Ａをブレード２Ａの表面に貼付け、貼付けた熱伝導部材１０Ａを損傷防止用のラバー１１で保護することができる。一般に飛行中における航空機への着氷を防止する装置は、防氷ブーツ（ｄｅｉｃｉｎｇ ｂｏｏｔ）１２と呼ばれる。従って、第２の熱移動部材１０とラバー１１でブレード２Ａの防氷ブーツ１２を構成すると言うことができる。防氷ブーツ１２の長さＬｄｂは、上述したように、ブレード２Ａの長さＬ、すなわちロータ２の回転半径の半分以上であれば十分な着氷防止効果が得られる。

もちろん、熱伝導部材１０Ａをブレード２Ａに埋め込んでも良い。特に、カーボンナノチューブ又は炭素繊維からなる熱伝導部材１０Ａはヒートパイプ９Ａに比べて形状の自由度が高い。このため、ブレード２Ａのみならず、モータ３の回転子５内における熱移動の経路としてカーボンナノチューブ又は炭素繊維からなる熱伝導部材を、回転子５内や回転子５と回転シャフト７との間に設けるようにしても良い。

上述したように第１の熱移動部材９及び第２の熱移動部材１０として所望の材料又は装置を用いることができるが、熱収支計算によって要求を満たす適切なサイズ及び形状を有する適切な材料又は装置を決定することができる。熱収支計算によって熱移動条件が満足されれば、炭素やヒートパイプに限らず、アルミニウムや銅等の他の材料を用いても良い。

物体の表面積をＡ（ｍ^２）、物体表面の放射率をＢ、外気への対流熱伝達率をＣ（Ｗ／ｍ^２Ｋ）、物体表面の温度をＤ（℃）、雰囲気の温度をＥ（℃）とすると、物体表面からの対流熱損失Ｆ（Ｗ）、放射熱損失Ｇ（Ｗ）及び熱損失Ｈ（Ｗ）は下記の式で表される。
Ｆ＝（Ｄ－Ｅ）・Ａ・Ｃ
Ｇ＝｛（Ｄ＋２７３．１５）^４－（Ｅ＋２７３．１５）^４｝・Ａ・Ｂ・σ
Ｈ＝Ｆ＋Ｇ
但し、σはＳｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚｍａｎ定数である。

ロータ２の直径が２（ｍ）であれば、防氷ブーツ１２の長さＬｄｂはブレード２Ａの長さＬの１／２となるため０．５（ｍ）となる。このため、防氷ブーツ１２の幅が０．２（ｍ）で、ブレード２Ａの枚数が３枚であれば、防氷ブーツ１２の表面積Ａは、０．５×０．２×３＝０．３（ｍ^２）となる。更に、カーボンナノチューブ又は炭素繊維の放射率として黒鉛の放射率Ｂ＝０．９を用い、外気への対流熱伝達率Ｃ＝１００（Ｗ／ｍ^２Ｋ）として、雰囲気の温度Ｅ＝－５５（℃）の強制対流中において防氷ブーツ１２の表面の温度Ｄを２（℃）に保つために必要な防氷ブーツ１２の表面からの熱損失Ｈを、上述した式で計算すると約１．８（ｋＷ）となる。

この熱損失Ｈ＝１．８（ｋＷ）は、モータ３の出力が２００（ｋＷ）であれば、モータ３の出力の約１％に相当する。従って、モータ３のエネルギ効率が９５％であれば、モータ３の発熱量の２０％を、カーボンナノチューブ又は炭素繊維からなる熱伝導部材１０Ａで構成される防氷ブーツ１２に移動できれば、目的とする防氷効果が十分に得られることになる。よって、第１の熱移動部材９の熱伝導率及び断面積等の条件を、モータ３の発熱量の２０％を移動できるように決定すれば良い。

モータ３の出力は、ブレード２Ａのサイズ及び防氷ブーツ１２の表面積Ａに依存して決定される。従って、モータ３で生じる熱の１５％以上がブレード２Ａに伝えられれば、ブレード２Ａの防氷効果がある程度得られると考えられる。特に、上記の計算例によれば、モータ３で生じる熱の２０％以上がブレード２Ａに伝えられれば、十分なブレード２Ａの防氷効果が得られると考えられる。

そこで、モータ３で生じる熱の１５％以上、より好ましくは２０％以上がブレード２Ａに伝えられるように、モータ３で生じる熱をブレード２Ａに移動するための熱伝導部材又はヒートパイプからなる第１の熱移動部材９の熱伝導率を含む条件を決定することが適切である。すなわち、防氷機構８には、モータ３で生じる熱の１５％以上、より好ましくは２０％以上をブレード２Ａに伝えることによってブレード２Ａの防氷を行う機能を設けることが適切である。

以上のような推進装置１及びロータ２の防氷方法は、モータ３の駆動によって生じる熱を利用してブレード２Ａの防氷を行うようにしたものである。このような防氷機能を備えた推進装置１は、航空機用のロータとして使用することができる。

図３は図１に例示される推進装置１を備えた航空機２０の一例を示す斜視図である。

図３に例示されるように航空機２０に推進装置１を取付けて使用することができる。推進装置１を取付ける対象となる航空機２０は、人が搭乗しないＵＡＶはもちろん、人が搭乗する有人航空機やＯＰＶ（Ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ Ｐｉｌｏｔｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）であっても良い。ＯＰＶはパイロットが搭乗して操縦することも可能な無人航空機であり、有人航空機と無人航空機のハイブリッド航空機である。ＵＡＶはドローンとも呼ばれ、無人のマルチコプタやヘリコプタ等の回転翼航空機が代表的である。もちろん、有人又は無人の固定翼航空機の主翼前縁等に備えられるプロペラとモータからなる推進装置として電動式の推進装置１を使用しても良い。

航空機２０に複数の推進装置１が備えられる場合には、推進装置１ごとに熱収支計算を行って、防氷機構８の熱移動条件を決定することができる。このため、ロータ２の配置位置に応じて防氷機構８の熱移動条件を異なる条件としても良い。

（効果）
以上のような推進装置１、ロータ２の防氷方法及び航空機２０によれば、従来大気中に放出していたモータ３の熱を利用してブレード２Ａの防氷を行うことができる。このため、モータ３に専用の冷却構造又は冷却装置を設けたり、ブレード２Ａに専用の防氷構造又は防氷装置を設けることが不要となり、推進装置１の構造の簡易化と重量低減を図ることができる。

特に、従来の典型的なＵＡＶの防氷は電熱部材を使用して行われるため、バッテリの節約に繋がる。すなわち、ＵＡＶにおけるバッテリの節約とモータ３の冷却を両立することができる。もちろん、従来の防氷技術を併用しても良い。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

Claims (11)

1. ブレードを有するロータと、
   前記ロータを回転させるモータと、
   前記モータの駆動によって生じる熱で前記ブレードの防氷を行う防氷機構と、
   を有する推進装置。
2. 前記防氷機構は、前記モータの回転シャフト内に配置され、前記回転シャフトよりも熱伝導性が高い部材からなる第１の熱移動部材を有し、
   前記第１の熱移動部材は、前記回転シャフトの長手方向に沿って、少なくとも、前記ブレードと前記回転シャフトとの連結部分と、前記モータの回転子との間に配置される請求項１記載の推進装置。
3. 前記第１の熱移動部材を、ヒートパイプ、カーボンナノチューブを含有する素材、及び炭素繊維の少なくとも１つで構成した請求項２記載の推進装置。
4. 前記防氷機構は、前記ブレードに設けられ、前記ブレードよりも熱伝導性が高い部材からなる第２の熱移動部材であって、前記第１の熱移動部材で移動する前記熱を前記ブレードに移動させる前記第２の熱移動部材を更に有する請求項２又は３記載の推進装置。
5. 前記第２の熱移動部材を、前記ブレードと前記回転シャフトとの連結部分から前記ブレードの長さの１／２の距離だけ離れた位置までの範囲に取付けられる熱伝導部材で構成した請求項４記載の推進装置。
6. 前記第２の熱移動部材を、カーボンナノチューブを含有する素材、及び炭素繊維の少なくとも一方で構成した請求項４又は５記載の推進装置。
7. 前記ブレードに取り付けられる防氷ブーツを更に備え、
   前記防氷ブーツは、前記第２の熱移動部材と、前記第２の熱移動部材の表面に設けられるラバーとを含む請求項４乃至６のいずれか１項に記載の推進装置。
8. 前記防氷機構は、前記モータで生じる前記熱の１５％以上を前記ブレードに伝えることによって前記ブレードの前記防氷を行う請求項１乃至７のいずれか１項に記載の推進装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の推進装置を備えた航空機。
10. ブレードを有するロータの防氷方法であって、
    前記ロータを回転させるモータの駆動によって生じる熱で前記ブレードの防氷を行うロータの防氷方法。
11. 前記モータで生じる前記熱を熱伝導部材又はヒートパイプで前記ブレードに移動し、前記モータで生じる前記熱の１５％以上が前記ブレードに伝えられるように前記熱伝導部材又は前記ヒートパイプの熱伝導率を決定する請求項１０記載のロータの防氷方法。

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