TW201321701A - 用於航空器結構的熱傳系統 - Google Patents

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Abstract

本揭示內容提供一熱傳系統，於一形式中，其包含一結構性構件其具有一上外板，一下外板以及一泡沫芯材係配置位在該上外板與該下外板之間。至少一熱傳導陣列延伸通過該泡沫芯材並位在該上外板與該下外板之間，該熱傳導陣列界定至少一上蓋，至少一下蓋以及一壁部分於該上蓋與該下蓋之間延伸，該上蓋係配置為鄰近一熱源。一熱傳導擴張器係配置成位在該熱傳導陣列之下蓋與該結構性構件之該下外板之間。

Description

用於航空器結構的熱傳系統 發明領域
本揭示內容係有關於用於航空器的航電或設備艙以及特別地，用於管理熱量的系統以改良該艙內電子元件之冷卻作用。
發明背景
於此節中該等陳述僅提供與本揭示內容有關的背景資訊並可能未構成先前技術。
大部分的航空器或航空載具，典型地就中包括複數艙儲藏種種設備，諸如航空電子設備、電池、診斷設備以及服務埠。該等艙延伸進入該航空器之內部以界定一腔室，並係由可移開門或是快拆門所覆蓋因此該航空器能夠針對空氣動力學性能維持一平滑的外模線(moldline)表面。
於作業期間，位設在該等設備艙內的若干組件會達到高溫，會導致過早故障，並通常因而提供一裝置用以對該等組件提供冷卻作用。典型的方法除了通風孔或是百葉窗可包括整合的風扇或是冷卻管道，容許在飛行期間氣流進入該等設備艙。然而，一些設備艙係需經密封在作業期間濕氣不致侵入，限制了某些冷卻選擇性，諸如該等通風孔或是百葉窗。因此，包括熱量產生組件，諸如位在印刷電路板上的電子組件，或電池的密封設備艙對於提供必要的冷卻作用以防止過早設備故障是具挑戰性的。
發明概要
於本揭示內容之一形式中，提供一熱傳系統其包含一結構性構件係包括一上外板，一下外板以及一泡沫芯材係配置位在該上外板與該下外板之間。至少一熱傳導陣列延伸通過該泡沫芯材並位在該上外板與該下外板之間，該熱傳導陣列界定至少一上蓋，至少一下蓋以及一壁部分於該上蓋與該下蓋之間延伸，該上蓋係配置為鄰近一熱源。一熱傳導擴張器係配置成位在該熱傳導陣列之下蓋與該結構性構件之該下外板之間。
於另一形式中，提供一熱傳系統其包含一結構性構件係包括一上外板，一下外板以及一泡沫芯材係配置位在該上外板與該下外板之間。一熱傳導陣列延伸通過該泡沫芯材並位在該上外板與該下外板之間，該熱傳導陣列界定複數之上蓋，複數之下蓋以及壁部分於該等上蓋與該等下蓋之間延伸，該等上蓋係配置為鄰近熱源。一熱傳導擴張器係配置成位在該熱傳導陣列之該等下蓋與該結構性構件之該下外板之間，其中該熱傳導陣列與該熱傳導擴張器界定一熱解石墨膜(PGS)材料。
於又一形式中，提供一熱傳系統其包含至少一熱傳導陣列延伸通過一結構，該熱傳導陣列界定至少一上蓋，至少一下蓋以及一壁部分於該上蓋與該下蓋之間延伸，該上蓋係配置為鄰近一熱源。一熱傳導擴張器係沿著該熱傳導陣列之該下蓋配置。
再者，提供一熱傳系統其包含一結構性構件係具有一上外板，一下外板以及一芯材係配置位在該上外板與該下外板之間。一熱傳導陣列延伸通過該芯材並位在該上外板與該下外板之間，該熱傳導陣列界定至少一上蓋，至少一下蓋以及至少一壁部分於該上蓋與該下蓋之間延伸，該上蓋係配置為鄰近熱源。
由於此提供之該說明，適用性之進一步的領域將為顯而易見的。應瞭解的是該說明與具體的實例係意欲僅針對圖解的目的並且不欲用以限定本揭示內容的之範疇。
圖式簡單說明
為了充分地瞭解該揭示內容，現將經由實例所賦予，參考該等伴隨的圖式，說明其之複數不同的形式，其中：圖1係為一示範性空中載具的一透視圖，圖示係應用本揭示內容之原理的不同設備艙；圖2係為用於管理根據本揭示內容之原理建構的熱傳遞的一系統之一形式的一頂部透視圖；圖3係為用於管理根據本揭示內容之原理建構的熱傳遞的一系統之一形式的一底部透視圖；圖4係為用於管理根據本揭示內容之原理建構的熱傳遞之該系統的另一底部透視圖，為了清晰性移除某些組件；圖5係為沿著圖3之線5-5所取的一偏置橫截面視圖，圖示用於管理根據本揭示內容之原理建構的熱傳遞之 該系統的不同組件；圖6係為圖5之偏置橫截面視圖，圖示根據本揭示內容之原理，熱量流動通過不同組件，包括熱傳導構件；圖7係為根據本揭示內容之原理建構的複數之熱傳導構件的一透視圖；圖8係為根據本揭示內容之原理建構的一熱傳導構件的一端視圖；圖9係為根據本揭示內容之原理建構的該等熱傳導構件的一可交替形式的一透視圖；圖10係為根據本揭示內容之原理建構的一結構性構件及熱傳導陣列的一端視圖；圖11係為根據本揭示內容之原理建構的一熱傳導陣列之另一形式的一端視圖；圖12係為一熱傳導陣列的一透視圖，其延伸通過該結構性構件並根據本揭示內容之原理建構；以及圖13係為一流程圖圖示根據本揭示內容之原理的一製程。
於此所說明的該等圖式係僅針對圖解的目的並不意欲用以限定本揭示內容之範疇。
詳細說明
以下說明在本質上係僅為具示範性的並且不意欲以限制本揭示內容、應用或使用。
參考圖1，圖示一空中載具並且大致係以元件符 號10標示。該空中載具10包括複數之設備艙12貯藏複數種類之設備，諸如航空電子設備或電池，以及於此特別的圖解中，具有電子組件的複數之航空電子設備儀表板14於作業期間產生熱量。此外，一些或是所有設備艙12可經密封為了防止作業期間濕氣侵入，於以下更為詳細地加以說明。
該等設備艙12係由快拆門或是艙蓋加以覆蓋，為了清晰起見並未顯示。該等快拆門覆蓋由該等該等設備艙12界定的腔室16，並且大體上與該空中載具10之外模線形狀相符合，於此圖解性實例中係為上翼模線。應瞭解的是該空中載具10及其之設備艙12之構態係僅為示範性的，並因而任何數目及/或尺寸之設備艙12可用於複數不同類型的空中載具，而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。
現參考圖2至5，圖示一示範的航空電子設備儀表板14以及具有至少一熱產生組件20配置於其上，諸如一射頻功率放大器。於一形式中，該航空電子設備儀表板14及該(等)熱產生組件20係為根據本揭示內容之原理用於管理熱傳遞的一系統22的一部分，於圖5中清楚地圖示。如圖所示，該系統22包括該航空電子設備儀表板14及熱產生組件20位於該腔室16內，界定一內壁部分24。如圖所示(並亦於圖3及4中所示)複數之熱傳導構件30係彼此相鄰地配置，其係經位設在該等熱產生組件20與該腔室16之該內壁部分24之間。該複數之熱傳導構件30大體上包含一芯材32以及一外殼34係環繞至少一部分之該芯材32包裹。該外殼34包含具有一相對高熱傳導性的一材料，以及於一形式中至少係 為一熱解石墨膜(PGS)材料之薄片。該等芯材32係具導熱性，並於一形式中係為一導熱泡沫。再者，於本揭示內容之一形式中該等芯材32係具彈性的，以致該等熱傳導構件30更能夠抵擋衝擊負荷。如於此所使用，該用語“彈性的”應視為意指具有容許該等芯材32在負荷下彈性地或是可塑性地變形的特性。該等熱傳導構件30與其之變體係於以下更加詳細地提出。
如於圖5中進一步顯示，該系統22亦包含至少一導熱元件40配置位在該等熱傳導構件30與該等熱產生組件20之間。於一形式中，該等導熱元件40係為導熱間隙填充材料片，其具有一約為5 W/mK的熱傳導性。該系統22亦包括一感壓型黏著劑(PSA)層42與該內壁部分24接觸以將該等熱傳導構件30牢固至該腔室16。(該PSA層42亦係顯示在圖3中)。可任擇地，可將一層之加強材料44配置成覆蓋該等熱傳導構件30並緊鄰該PSA層42，為了對複數之熱傳導構件30提供附加的勁度。於一形式中，此加強材料44係為一銅材料，然而，應瞭解的是亦能夠使用顯現熱傳導性及適合勁度二者的其他材料而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。
該系統22亦包括一結構性構件50其配置成鄰近該腔室16之該內壁部分24，其於此形式中包含一上外板52、一下外板54及一泡沫芯材56配置位在該上外板52與該下外板54之間。如圖所示，至少一熱傳導陣列60延伸通過該泡沫芯材56以及該上外板52與該下外板54之間。於一形式中，該熱傳導陣列60亦係為一熱解石墨膜(PGS)材料。於 此形式中，該熱傳導陣列60包括至少一上蓋62，至少一下蓋64以及一壁部分66於該上蓋62與該下蓋64之間延伸。如於此所圖示，該等蓋62及64亦可理解為凸緣或是腳件其延伸離開或是於該等壁部分66之間延伸。如圖所示，該等上蓋62係配置成鄰近一熱源，其於此圖解中係為該等熱產生組件20並位於該等元件之間。該熱傳導陣列60之進一步細節以及其之變化形式係於以下以更為詳細的方式提出。
如圖進一步地顯示，於本揭示內容的一形式中，一可任擇的熱傳導擴張器68係配置成位在該熱傳導陣列60之下蓋64與該結構性構件50之該下外板54之間。與該熱傳導構件30與該熱傳導陣列60之形式相似，於本揭示內容的一形式中，該熱傳導擴張器68亦係為一熱解石墨膜(PGS)材料。
於一可交替的形式中，就該腔室16係經密封防止濕氣侵入的一應用而言，一防濕氣層69係配置成覆蓋該上外板52。於此形式中，該防濕氣層69係為一乙烯-甲基丙烯酸(EMAA)材料，儘管應瞭解的是其他防濕氣材料可使用但仍係涵蓋於本揭示內容之範疇。
現參考圖6，更為詳細地圖示及說明該系統22及其之熱傳遞特性。如由該等箭頭所標示，於作業中，由該等組件20所產生的熱量係經傳遞至該等熱傳導構件30以及該等導熱元件40。該熱量接著傳遞通過該PSA層42(以及假若存在亦通過該加強材料44)，至該結構性構件50之該上外板52。由那裡，該熱量傳遞通過該熱傳導陣列60之該等上 蓋62，接著向下通過該等壁部分66，至該等下蓋64，至該熱傳導擴張板68，並接著經由該下外板54通至大氣環境。因此，該系統22提供有效率的且有效的熱傳遞路徑，為了讓由組件20產生的熱量散逸。於初步的測試中，介於該等熱產生組件20與該下外板之間的溫差係下降約十四百分比(14%)。易言之，約十四百分比(14%)的由組件20產生的熱量並未抵達該下外板54。
現將相關於圖7及8說明該等熱傳導構件30之進一步的細節。如先前所提出，該等熱傳導構件30包括一芯材32以及一外殼34其係環繞著該芯材32之至少一部分包裹。該等熱傳導構件30之外殼34係如圖7所示般相互作實體接觸，為了提供改良式熱傳遞特性。於此形式中，如圖所示該等熱傳導構件30具有一大致為矩形的構態。應瞭解的是針對該等熱傳導構件30的其他幾何構態，以下將更為詳細地提出其中之一者，係視為涵蓋於本揭示內容之範疇。
如於圖8中更為清晰地顯示，該等熱傳導構件30之外殼34係完全地環繞該等芯材32加以包裹。於一形式中，該等外殼34環繞著芯材32延伸以界定一部分重疊的區域70。因此，該外殼34之一端部延伸超過該外殼34之另一端部或是部分重疊，為了完全地包裝該芯材32。應瞭解的是於其他的結合構態中該等外殼34可經組配為完全地環繞該等芯材32加以包裹，諸如一對接或是步階搭接結合，而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。此外，於一些構態中，所考量的是該等外殼34可為中斷的或是未完全地環繞該等芯材 32包裹，而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。
現參考圖9，圖示該等熱傳導構件的另一構態並且大致係以元件符號30’加以標示。於此構態中，該等熱傳導構件30’界定個別元件80’的一格子構態，於一形式中其係相互作實體接觸並具有外殼34’其完全地將該等芯材32’包裝。然而，應瞭解的是對於該等個別的元件80’具有變化的幾何形狀的其他格子構態，以及與以上提出不同的外殼構態應視為涵蓋於本揭示內容之範疇。
現參考圖10，更為詳細地說明該結構性構件50及熱傳導陣列60。如先前所提出，該熱傳導陣列60延伸通過該泡沫芯材56並介於該結構性構件之該上外板52與該下外板54之間。於一形式中，該熱傳導陣列60係為一連續件，然而，應瞭解的是該熱傳導陣列60可為中斷的及/或由單獨件構成而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。
於一形式中，該上外板52與該下外板54係為一克維拉(Kevlar)®材料，儘管應瞭解的是除了不同類型的金屬結構之外，其他類型的纖維強化合成物，諸如碳纖維合成物或是玻璃纖維合成物亦可使用。於一形式中，該泡沫芯材56包含一低密度，高強度聚苯乙烯泡沫材料，諸如Spyderfoam。此外，於此形式中，該結構性構件50係為一航空器外板，然而，應瞭解的是此應用係僅為示範性的而且可使用其他形式的結構諸如內翼樑或翼肋，或其他載具，建築物之結構或是其他裝置而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。
如圖所示，於本揭示內容的一形式中該熱傳導陣列60之該等壁部分66係在該等上蓋62與該等下蓋64之間垂直地延伸。然而，應瞭解的是該等壁部分66’可如於圖11中所示般以一角度延伸，針對該熱傳導陣列60’產生所通常視為的一“帽”構態。根據一特定應用之熱傳導及結構負荷的需求，亦可使用其他的變化形式，包括但非限定在“J”、“L”或“T”構態。因此，應瞭解的是不同種類形式的熱傳導陣列60可使用而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。
有利地，如於圖12中所顯示，該等壁部分66界定複數之孔洞90，產生開口容許泡沫芯材56之材料於製造期間移動通過。提供該等孔洞90用於藉由強化該等壁部分66與該泡沫芯材56之間該黏合而改良結構完整性。現將更為詳細地說明該結構性構件50，以及更具體地該熱傳導陣列60及該等孔洞90之製造作業。
參考圖13，藉由在該熱傳導陣列60之至少一部分穿孔，諸如該等壁部分66而製備該熱傳導陣列60。該熱傳導陣列60係接著環繞該等芯材元件32加以包裹，以及該熱傳導擴張器68係沿著該等芯材元件32之一表面區域配置，以及該上外板52係配置成覆蓋該等芯材元件32之一相對表面區域以產生一結構總成。該結構總成接著加以固化，經由一室溫及標準的大氣壓力固化或是真空熱壓器固化，經由實例，其中於該固化步驟期間該等芯材元件32的一材料流動通過該熱傳導陣列60之該等穿孔部分90。如以上所提出，如此在該熱傳導陣列60與該等芯材元件32之間產生一 具有改良的結構完整性的界面。
應瞭解的是該等製造步驟之順序係僅具示範性而且可使用該等步驟的其他順序，諸如在該下外板54之前將該上外板52配置成覆蓋該熱傳導擴張器68及該等芯材元件32，而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。此外，應瞭解的是該熱傳導擴張器68係為可任擇的並因而無此構件而構成該結構性總成，而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。再者，該結構總成可以一沖床構成，加熱或是未加熱，而仍涵蓋於本揭示內容之範疇。
應注意的是該揭示內容並未限定在如實例所說明及圖示的該等不同的形式。已說明各種的修改及更多者係為熟知此技藝之人士的理解的一部分。該等及進一步的修改以及藉由技術性等效物的任何取代可添加至該說明及圖式，並未背離本揭示內容及本專利之保護範疇。
10‧‧‧空中載具
12‧‧‧設備艙
14‧‧‧航空電子設備儀表板
16‧‧‧腔室
20‧‧‧熱產生組件
22‧‧‧系統
24‧‧‧內壁部分
30,30’‧‧‧熱傳導構件
32,32’‧‧‧芯材
34,34’‧‧‧外殼
40‧‧‧導熱元件
42‧‧‧感壓型黏著劑層
44‧‧‧加強材料
50‧‧‧結構性構件
52‧‧‧上外板
54‧‧‧下外板
56‧‧‧泡沫芯材
60,60’‧‧‧熱傳導陣列
62‧‧‧上蓋
64‧‧‧下蓋
66,66’‧‧‧壁部分
68‧‧‧熱傳導擴張器
69‧‧‧防濕層
70‧‧‧部分重疊的區域
80’‧‧‧元件
90‧‧‧孔洞
圖1係為一示範性空中載具的一透視圖，圖示係應用本揭示內容之原理的不同設備艙；圖2係為用於管理根據本揭示內容之原理建構的熱傳遞的一系統之一形式的一頂部透視圖；圖3係為用於管理根據本揭示內容之原理建構的熱傳遞的一系統之一形式的一底部透視圖；圖4係為用於管理根據本揭示內容之原理建構的熱傳遞之該系統的另一底部透視圖，為了清晰性移除某些組件；圖5係為沿著圖3之線5-5所取的一偏置橫截面視圖，圖 示用於管理根據本揭示內容之原理建構的熱傳遞之該系統的不同組件；圖6係為圖5之偏置橫截面視圖，圖示根據本揭示內容之原理，熱量流動通過不同組件，包括熱傳導構件；圖7係為根據本揭示內容之原理建構的複數之熱傳導構件的一透視圖；圖8係為根據本揭示內容之原理建構的一熱傳導構件的一端視圖；圖9係為根據本揭示內容之原理建構的該等熱傳導構件的一可交替形式的一透視圖；圖10係為根據本揭示內容之原理建構的一結構性構件及熱傳導陣列的一端視圖；圖11係為根據本揭示內容之原理建構的一熱傳導陣列之另一形式的一端視圖；圖12係為一熱傳導陣列的一透視圖，其延伸通過該結構性構件並根據本揭示內容之原理建構；以及圖13係為一流程圖圖示根據本揭示內容之原理的一製程。
50‧‧‧結構性構件
52‧‧‧上外板
54‧‧‧下外板
56‧‧‧泡沫芯材
60‧‧‧熱傳導陣列
62‧‧‧上蓋
64‧‧‧下蓋
66‧‧‧壁部分

Claims (23)

  1. 一種熱傳系統，其包含：一結構性構件，其包含：一上外板；一下外板；以及一泡沫芯材，其係配置在該上外板與該下外板之間；至少一熱傳導陣列，其延伸通過該泡沫芯材並位在該上外板與該下外板之間，該熱傳導陣列界定至少一上蓋、至少一下蓋、以及於該上蓋與該下蓋之間延伸的一壁部分，該上蓋係配置為鄰近一熱源；以及一熱傳導擴張器，其係配置成位在該熱傳導陣列之下蓋與該結構性構件之下外板之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列係為一熱解石墨膜(PGS)材料。
  3. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該熱傳導擴張器係為一熱解石墨膜(PGS)材料。
  4. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列進一步包含複數之上蓋及複數之下蓋，該等上蓋係配置為鄰近數個熱源。
  5. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該上外板與該下外板界定一克維拉材料。
  6. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該泡沫芯材界定一聚苯乙烯泡沫材料。
  7. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列之壁部分係在該上蓋與該下蓋之間垂直地延伸。
  8. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該熱傳導構件之壁部分係在該上蓋與該下蓋之間成一角度地延伸。
  9. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列之壁部分界定複數之孔洞。
  10. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列係為一連續件。
  11. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該結構性構件係為一航空器外板。
  12. 如申請專利範圍第1項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列之上蓋係配置成鄰近一航空器之航電艙中的一熱產生組件。
  13. 一種熱傳系統，其包含：一結構性構件，其包含；一上外板；一下外板；以及一泡沫芯材，其係配置在該上外板與該下外板之間；一熱傳導陣列，其延伸通過該泡沫芯材並位在該上外板與該下外板之間，該熱傳導陣列界定複數之上蓋、複數之下蓋、以及於該等上蓋與該等下蓋之間延伸的數個壁部分，該等上蓋係配置為鄰近數個熱源；以及一熱傳導擴張器，其係配置在該熱傳導陣列之該等 下蓋與該結構性構件之該下外板之間，其中該熱傳導陣列及該熱傳導擴張器界定一熱解石墨膜(PGS)材料。
  14. 如申請專利範圍第13項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列之壁部分係在該上蓋與該下蓋之間垂直地延伸。
  15. 如申請專利範圍第13項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列之壁部分係在該上蓋與該下蓋之間成一角度地延伸。
  16. 如申請專利範圍第13項之熱傳系統，其中該結構性構件係為一航空器外板。
  17. 如申請專利範圍第13項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列之該等上蓋係配置成鄰近一航空器之一航電艙中的數個熱產生組件。
  18. 一種熱傳系統，其包含：至少一熱傳導陣列，其延伸通過一結構，該熱傳導陣列界定至少一上蓋、至少一下蓋、以及於該上蓋與該下蓋之間延伸的一壁部分，該上蓋係配置為鄰近一熱源；以及一熱傳導擴張器，其係沿著該熱傳導陣列之下蓋配置。
  19. 如申請專利範圍第18項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列及該熱傳導擴張器界定一熱解石墨膜(PGS)材料。
  20. 如申請專利範圍第18項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列進一步包含複數之上蓋及複數之下蓋，該等上蓋係配置為鄰近數個熱源。
  21. 如申請專利範圍第18項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列之壁部分係在該上蓋與該下蓋之間垂直地延伸。
  22. 如申請專利範圍第18項之熱傳系統，其中該熱傳導陣列之壁部分係在該上蓋與該下蓋之間成一角度地延伸。
  23. 一種熱傳系統，其包含：一結構性構件，其包含：一上外板；一下外板；以及一芯材，係配置在該上外板與該下外板之間；以及一熱傳導陣列，其延伸通過該芯材並位在該上外板與該下外板之間，該熱傳導陣列界定至少一上蓋、至少一下蓋、以及於該上蓋與該下蓋之間延伸的至少一壁部分，該上蓋係配置為鄰近數個熱源。
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