JP7205969B2 - 外板冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、外板を介した外部流体との熱交換により冷却された冷却気体を利用する外板冷却システムに関する。

近年、輸送機の電動化の促進や電子機器の高性能化及び小型化が急速に進み、これらの機器を多数搭載した船舶、鉄道車両、自動車、及び航空機などを含む輸送機におけるサーマルマネジメント要求が高まりつつある。輸送機の一例としての航空機では、従来、電子機器の冷却のために、機体表面に設けられたエアスクープから取り入れた高高度の冷気を利用するヒートシンクが用いられてきたが、機体表面の不連続性による空気抵抗の増大や、エアスクープへの異物の侵入などの課題があった。このような課題に対し、高高度の冷気と機内循環空気とを熱交換する外板熱交換器が提案されている。特許文献１，２は、航空機に設けられた外板熱交換器を開示する。

特許文献１の航空機に設けられた外板熱交換器は、壁の一部が外板で形成された冷空気チャンバと、流入ダクト及び流出ダクトを経由して冷空気チャンバと連通された冷却室とを備える。冷却室から流出ダクトを通じて冷空気チャンバ内へ流入した空気は、外板を介して大気と熱交換することにより冷却される。冷却された空気は、流入ダクトを通じて冷却室へ流入し、冷却室内の飲食物を冷却する。

特許文献２の航空機に設けられた外板熱交換器は、外板と内板との間に形成されたエンベロープと、航空電子機器を収容したコンパートメントと、コンパートメントとエンベロープとを接続する排気ダクト及びコレクタダクトとによって構成された閉ループを備える。コンパートメントにおいて航空電子機器の放熱によって温度上昇した空気は、排気ダクトを通じてエンベロープに流入し、エンベロープを通過するうちに外板を通じた外気との熱交換によって冷却され、コレクタダクトを通じてコンパートメントへ戻って航空電子機器を冷却する。

特開平１－３１１９９９号公報 米国特許第４８１９７２０号公報

上記特許文献１の外板熱交換器では、冷空気チャンバで冷やされた気体を機内に設けられた冷却室との間で循環させている。同様に、上記特許文献２の外板熱交換器では、エンベロープで冷やされた気体を機内に設けられたコンパートメントとの間で循環させている。

このように外板熱交換器で冷却された気体を機内に循環させると、気体が機内を巡るうちに同伴する埃塵を除くためのフィルタや、気体の湿度や圧力を調整するための装置が必要となり、システムの大型化やシステムメンテナンスの煩雑化が伴う。また、機内を循環する流体は気体（空気）に限定されるため、被冷却体の自由度が低い。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、外板を介した外部流体との熱交換により冷却された冷却気体を利用する輸送機の外板冷却システムであって、被冷却体の自由度の高いものを提案することにある。

本発明の一態様に係る外板冷却システムは、輸送機の外板冷却システムであって、
外板、前記外板の内側に設けられた内板、及び、前記外板と前記内板との間に設けられた断熱層を有する外殻と、
前記外板と前記内板との間に設けられ、内部の気体が前記外板を介して外部へ放熱することにより冷却される冷却チャンバと、
前記内板の内側に設けられて熱媒体を昇温する昇温部、及び、前記冷却チャンバの内部に設けられて前記熱媒体を冷却する冷却部を含み、前記熱媒体が循環する循環ループと、
前記冷却チャンバ内に設けられた、気体の循環流路を形成する流路形成部材、及び、気体に前記循環流路を循環する駆動力を与えるファンと、を備えるものである。

上記構成の外板冷却システムでは、外板を通じた外気との熱交換により冷却された気体（以下、「冷却気体」と称する）が輸送機の機内を循環するのではなく、冷却気体によって機内を循環する熱媒体が冷却される。冷却気体は冷却部を通過する熱媒体を間接的に冷却するので、冷却気体と熱媒体とは混合せず、熱媒体として任意の気体や液体を利用することができる。このように任意の熱媒体を利用することができるので昇温部で熱媒体に熱を与える被冷却体の自由度が高まる。

本発明によれば、外板を介した外部流体との熱交換により冷却された冷却気体を利用する輸送機の外板冷却システムであって、被冷却体の自由度の高いものを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る外板冷却システムの概略構成を示す図である。 図２は、図１のII－II矢視断面図である。 図３は、図２のIII－III矢視断面図である。 図４は、図１の冷却チャンバの変形例を説明する図である。 図５は、熱媒体循環ループの変形例を説明する図である。 図６は、実施形態の変形例１に係る外板冷却システムの概略構成を示す図である。 図７は、図６のVII－VII矢視断面図である。 図８は、図７のVIII－VIII矢視断面図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。本実施形態に係る外板冷却システム１は、船舶（潜水艇を含む）、鉄道車両、自動車、及び航空機などの輸送機に適用され、輸送機に搭載された被冷却体９９を冷却するために利用される。以下、外板冷却システム１を輸送機の一例としての航空機１０に適用した例を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る外板冷却システム１の概略構成を示す図、図２は、図１のII－II矢視断面図で、図３は図２のIII－III矢視断面図である。なお、図１では外板冷却システム１が適用された輸送機の一例としての航空機１０の胴体の一部分の断面図が示されている。

図１に示す航空機１０は、外板２１、外板２１よりも機内側に離れて設けられた内板２２、及び、外板２１と内板２２との間に設けられた断熱層２３を有する外殻２を備える。外板２１は、例えば、アルミニウム合金や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの材料からなる。内板２２は、機体の室内と室外とを仕切る壁を形成している。内板２２の内部には、操縦室、客室、貨物室、船内電子機器類が設置された電子設備室、エンジンなどの機械類が設置された機械設備室など（いずれも図示略）が設けられている。

断熱層２３は、外板２１と内板２２とを熱的に絶縁する。断熱層２３は、例えば、真空断熱材で構成されていてよい。一例として、真空断熱材は、所望形状に成形された多孔性且つ断熱性の芯材と、芯材を被覆するラミネートフィルムとからなり、ラミネートフィルムの内部がほぼ真空に減圧されたものである。

上記構成の航空機１０には、外板２１を介した外部流体との熱交換により冷却された冷却気体を利用する外板冷却システム１が構築されている。外板冷却システム１は、上述の外殻２と、外板２１と内板２２との間に設けられ、内部の気体が外板２１を介して外部へ放熱することにより冷却される冷却チャンバ２７と、熱媒体が循環する循環ループ４と、冷却チャンバ２７内に設けられた流路形成部材２９及びファン３０とを備える。循環ループ４は、内板２２の内側に設けられて熱媒体を昇温する昇温部４１、及び、冷却チャンバ２７の内部に設けられて熱媒体を冷却する冷却部４２を含む。

冷却チャンバ２７は、外板２１と内板２２との間において、外板２１及び断熱層２３の一部分（断熱層２３ａ）によって形成されている。図１及び図２に示すように、外板２１と内板２２との間に設けられた隣接するフレーム２８の間において、隣接するフレーム２８のうち一方のフレーム２８、内板２２、及び、他方のフレーム２８に沿って断熱層２３ａが設けられている。冷却チャンバ２７は、この断熱層２３ａと外板２１の一部分とを含み、全体として箱状を呈している。但し、図４に示すように、フレーム２８に沿って設けられた断熱層２３に代えて、フレーム２８に沿って気体の移動を阻止するが熱の移動を許容する金属板２５が設けられていてもよい。この金属板２５を介して冷却チャンバ２７内の気体が、内板２２と外板２１との間であって且つ冷却チャンバ２７の外部にある気体へも放熱する。また、その場合、内板２２と外板２１との間であって且つ冷却チャンバ２７の外部にある気体は、外板２１を介して、外気と熱交換を行っていてもよい。

冷却チャンバ２７内は、密閉された空間であって、高高度を飛行する際に結露が生じない程度に十分に乾いた気体が封入されている。外板２１は航空機１０の飛行中に高高度の外気（外部流体）に晒され、この外気と冷却チャンバ２７内の気体とが外板２１を介して熱交換を行い、冷却チャンバ２７内の気体が冷却される。

冷却チャンバ２７内には、流路形成部材２９によって、環状の循環流路３が形成されている。図１及び図２に示す流路形成部材２９は、機内側が断熱層２３ａと接合され、機外側が外板２１と接合された、外板２１及び内板２２のうち少なくとも一方と略直交する板状部材である。流路形成部材２９の上下は断熱層２３ａと離間しており、この間隙を気体が通過する。流路形成部材２９は、断熱層２３と同様に真空断熱材で構成されていてよい。

冷却チャンバ２７内に設けられた流路形成部材２９によって、図３に示すように、機体前側で冷却気体が上向きに流れ、機体後側で冷却気体が下向きに流れる、冷却気体の循環流路３が形成される。但し、流路形成部材２９によって、機体前側で冷却気体が下向きに流れ、機体前側で冷却気体が下向きに流れる、冷却気体の循環流路３が形成されてもよい。

冷却チャンバ２７内であって流路形成部材２９よりも機体前側には、少なくとも１つの冷却部４２と少なくとも１つのファン３０とが配置される。ファン３０は、冷却チャンバ２７内の冷却気体に循環流路３を循環する駆動力を与える。

循環ループ４は、内板２２よりも内部に設けられた昇温部４１、冷却チャンバ２７の内部に設けられた冷却部４２、昇温部４１から冷却部４２へ熱媒体を送る高温ライン４３、及び、冷却部４２から昇温部４１へ熱媒体を送る低温ライン４４を含み、熱媒体が循環する。

昇温部４１は、循環ループ４のうち熱媒体を昇温させる部分である。昇温部４１は、航空機１０の機体内部に設置された被冷却体９９と熱的に接続されている。なお、昇温部４１と被冷却体９９とが熱的に接続されている状態とは、例えば、昇温部４１と被冷却体９９とが接触したり、昇温部４１が被冷却体９９内に置かれたりして、被冷却体９９から昇温部４１を流れる熱媒体へ熱が移動する状態を意味する。昇温部４１を流れる熱媒体は被冷却体９９から吸熱し、熱媒体の温度は上昇し、被冷却体９９は冷却される。高温ライン４３は、昇温部４１の出口と冷却部４２の入口とを接続する配管等で構成されている。昇温部４１で温度が上昇した熱媒体は、高温ライン４３を通じて冷却部４２の入口へ至る。

冷却部４２は、循環ループ４のうち熱媒体を冷却する部分である。冷却部４２は、循環流路３の一部分において流路断面を塞ぐように循環流路３に置かれる。冷却部４２は、例えば、多数の伝熱管とそれを束ねる入口側ヘッダ及び出口側ヘッダを備えたものである（図示略）。冷却チャンバ２７の循環流路３に置かれた冷却部４２では、冷却部４２を流れる熱媒体が当該循環流路３を流れる冷却気体へ放熱し、これにより熱媒体が冷却される。

低温ライン４４は、冷却部４２の出口と昇温部４１の入口とを接続する配管等で構成されている。冷却部４２で冷却された熱媒体は、低温ライン４４を通じて昇温部４１へ流入し、再び被冷却体９９の冷却に利用される。

上記構成の熱媒体循環ループ４において、被冷却体９９は、制御盤やエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）やその他コンピュータなどの発熱部品を含む電子機器、軸受などの摩擦熱が生じる機械部品、電池、及び、室内空気のうち少なくとも１つであってよい。なお、被冷却体９９が軸受などの摩擦熱が生じる機械部品である場合には、熱媒体が高温の機械部品から熱エネルギーを受けることに加え、熱媒体が機械部品との間で圧縮されるなどの運動エネルギーを受けて昇温することがある。このように、昇温部４１には、熱媒体が被冷却体９９から熱エネルギーを受けて昇温するものや、熱媒体が運動エネルギーやその他のエネルギーを受けて昇温するものが含まれてよい。

また、熱媒体は、任意の液体又は気体であってよい。このような熱媒体として、例えば、水、アルコール、アンモニア、及び、それらの混合液、又は、油が挙げられる。また、熱媒体循環ループ４は、ベーパサイクル冷却システム（Vapor Cycle System）、ヒートパイプ、及び、液浸冷却システムのうち少なくとも１つとして構成されていてもよい。また、図５に示すように、熱媒体循環ループ４に熱媒体を強制的に循環させるポンプＰが設けられていてもよい。

以上に説明したように、本実施形態に係る輸送機の外板冷却システム１は、外板２１、外板２１の内側に設けられた内板２２、及び、外板２１と内板２２との間に設けられた断熱層２３を有する外殻２と、外板２１と内板２２との間に設けられ、内部の気体が外板２１を介して外部へ放熱することにより冷却される冷却チャンバ２７と、内板２２の内側に設けられて熱媒体を昇温する昇温部４１、及び、冷却チャンバ２７の内部に設けられて熱媒体を冷却する冷却部４２を含み、熱媒体が循環する循環ループ４と、冷却チャンバ２７内に設けられた、気体の循環流路３を形成する流路形成部材２９、及び、気体に循環流路３を循環する駆動力を与えるファン３０と、を備えるものである。

上記構成の外板冷却システム１では、外板２１を通じた外気との熱交換により冷却された冷却気体が機内を循環するのではなく、冷却気体によって機内を循環する熱媒体が冷却される。冷却気体は冷却部４２を通過する熱媒体を間接的に冷却するので、冷却気体と熱媒体とは混合せず、熱媒体として任意の気体や液体を利用することができる。このように任意の熱媒体を利用することができるので被冷却体９９の自由度が高まる。

また、上記の外板冷却システム１では、冷却チャンバ２７内に気体の循環流路３が形成されており、ファン３０によってこの循環流路３を冷却気体が強制的に循環させられる。よって、冷却チャンバ２７内に設置された冷却部４２からの放熱を促進させることができる。

更に、上記の外板冷却システム１では、冷却チャンバ２７内の冷却気体は当該冷却チャンバ２７内で循環し、冷却チャンバ２７には外気や機内の気体が導入されない。よって、冷却気体から埃塵を除くためのフィルタや、冷却気体の湿度や圧力を調整するための装置は不要である。また、冷却チャンバ２７に十分に乾いた気体を予め封入しておけば、外気の温度が低下しても冷却チャンバ２７内での結露が生じないので、メンテナンスが容易である。また、冷却チャンバ２７内の気体が十分に乾いた状態でない場合には、デシカント式除湿器等のメンテナンス容易な除湿器を内部に設けるだけでも、乾いた状態を維持することが容易である。

上記外板冷却システム１において、本実施形態に示したように、流路形成部材２９は断熱材で構成されていてよい。

これにより、流路形成部材２９を、冷却チャンバ２７を形成している断熱層２３ａと一体的に成形することができ、部品点数を削減することができる。また、流路形成部材２９が循環流路３の往路と復路とを熱的に隔離することができる。

或いは、上記外板冷却システム１において、冷却チャンバ２７と、内板２２と外板２１との間であって且つ冷却チャンバ２７の外部の空間とが、金属板２５で仕切られていてよい。

これにより、金属板２５を介して冷却チャンバ２７の外部の空間へ放熱される。また、金属板２５により放熱面積が増えるので、より効果的に冷却チャンバ２７内の気体を冷却することができる。

また、上記外板冷却システム１において、本実施形態に示したように、流路形成部材２９が、外板２１及び内板２２のうち少なくとも一方と直交する板状部材であってよい。

これにより、冷却チャンバ２７内における流路形成部材２９を介して一方と他方の熱分布が小さくなり、冷却部４２を通過する熱媒体に効率よく放熱させることができる。

〔変形例１〕
次に、上記実施形態の変形例１を説明する。図６は、実施形態の変形例１に係る外板冷却システム１Ａの概略構成を示す図、図７は、図６のVII－VII矢視断面図、図８は、図７のVIII－VIII矢視断面図である。本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

図６～８に示す外板冷却システム１Ａは、上記実施形態に係る外板冷却システム１と、冷却チャンバ２７に設けられた流路形成部材２９Ａの態様が異なる。具体的には、流路形成部材２９Ａは、外板２１及び内板２２の間において、外板２１及び内板２２のうち少なくとも一方と略平行に延在する板状部材である。流路形成部材２９Ａの上下は断熱層２３ａと離間しており、この間隙を冷却気体が流れる。

冷却チャンバ２７内に設けられた流路形成部材２９Ａによって、機内側で冷却気体が上向きに流れ、機外側で冷却気体が下向きに流れる、冷却気体の循環流路３が形成される。冷却チャンバ２７内であって流路形成部材２９Ａの機内側には、少なくとも１つの冷却部４２と、少なくとも１つのファン３０とが配置される。

このような流路形成部材２９Ａによれば循環流路３の気体の流路断面における温度分布が小さく、冷却部４２における冷却の程度のバラツキを抑えることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態（及び、変形例）を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。

１，１Ａ：外板冷却システム
２ ：外殻
３ ：循環流路
４ ：循環ループ
１０ ：航空機（輸送機の一例）
２１ ：外板
２２ ：内板
２３，２３ａ：断熱層
２７ ：冷却チャンバ
２８ ：フレーム
２９，２９Ａ：流路形成部材
３０ ：ファン
４１ ：昇温部
４２ ：冷却部
４３ ：高温ライン
４４ ：低温ライン
９９ ：被冷却体
Ｐ ：ポンプ

Claims (5)

1. 輸送機の外板冷却システムであって、
   外板、前記外板の内側に設けられた内板、及び、前記外板と前記内板との間に設けられた断熱層を有する外殻と、
   前記外板と前記内板との間に設けられ、内部の気体が前記外板を介して外部へ放熱することにより冷却される冷却チャンバと、
   前記内板の内側に設けられて熱媒体を昇温する昇温部、及び、前記冷却チャンバの内部に設けられて前記熱媒体を冷却する冷却部を含み、前記熱媒体が循環する循環ループと、
   前記冷却チャンバ内に設けられた、気体の循環流路を形成する流路形成部材、及び、気体に前記循環流路を循環する駆動力を与えるファンと、を備える、
   外板冷却システム。
2. 前記流路形成部材が断熱材で構成されている、
   請求項１に記載の外板冷却システム。
3. 前記冷却チャンバと、前記内板と前記外板との間であって且つ前記冷却チャンバの外部の空間とが、金属板で仕切られている、
   請求項１に記載の外板冷却システム。
4. 前記流路形成部材が、前記外板及び前記内板のうち少なくとも一方と平行に延在する板状部材である、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の外板冷却システム。
5. 前記流路形成部材が、前記外板及び前記内板のうち少なくとも一方と直交する板状部材である、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の外板冷却システム。

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