(57)【要約】【課題】高性能の熱防護構造を有する先端部を備えた飛しょう体を提供する。【解決手段】飛しょう体は、胴体部３と、先端部２と、熱電変換部１０と、電力処理部１１とを備えている。胴体部３は、円筒状である。先端部２は、胴体部３の端部に結合され、前方に向かうほど径が縮小する形状を有している。熱電変換部１０は、先端部２の先端の内側に設けられ、当該先端付近で発生した熱を電力に変換する。電力処理部１１は、胴体部３の内側に設けられ、電力を処理する。【選択図】図２
2014156997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の胴体部と、
前記胴体部の端部に結合され、前方に向かうほど径が縮小する形状を有する先端部と、
前記先端部の先端の内側に設けられ、当該先端付近で発生した熱を電力に変換する熱電変換部と、
前記胴体部の内側に設けられ、前記電力を処理する電力処理部と
を具備する
飛しょう体。
【請求項２】
請求項１に記載の飛しょう体において、
前記電力処理部は、前記電力を熱に変換する電熱変換部である
飛しょう体。
【請求項３】
請求項２に記載の飛しょう体において、
前記電力処理部は、ペルチェ素子を備える
飛しょう体。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の飛しょう体において、
前記電熱変換部は、前記胴体部に設けられた電子素子を保温する
飛しょう体。
【請求項５】
請求項１に記載の飛しょう体において、
前記電力処理部は、胴体部の機体アースを備える
飛しょう体。
【請求項６】
請求項１に記載の飛しょう体において、
前記電力処理部は、二次電池を備える
飛しょう体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛しょう体に関する。
【背景技術】
【０００２】
空中を高速で飛しょうする飛しょう体が知られている。その飛しょう体は飛しょう中、空力加熱により、先端部の一部が非常に高温となる。図１は、飛しょう中の飛しょう体の先端部を模式的に示す断面図である。飛しょう中の飛しょう体の先端部の先端Ａ０は非常に高温なる。その高温部で発生する熱によっては、その高温部が溶融したり、その熱が内部に放出されて搭載機器に影響がでたりする事態が考えられる。そのため、そのような事態が発生しないように、先端部には熱防護構造が設けられている。熱防護構造としては、例えば、アブレーション材料や耐熱材料が使用され、部材の厚みｔ０を厚くしている。
【０００３】
しかし、高温部の発熱に合わせた耐熱形状、例えば部材の厚みｔ０を厚くした形状は、重量の増加につながる。また、アブレーション材料や耐熱材料は高価であるため、そのような材料を多用することはコストの増加につながる。また、重量やコストの増加に対処するために、そのような材料の使用量を抑えると、放熱が増加して、搭載機器の許容熱容量を超える可能性がある。
【０００４】
高温部だけにアブレーション材料や耐熱材料を用いる方法も考え得る。しかし、部分的に材料を変えることは、材料が変わる箇所で継ぎ目や段差が生じることになる。そのような継ぎ目や段差は発熱の元になり、別の発熱の問題が発生する。したがって、部分的に材料を変えることは適切な方法とは言えない。このような理由から、ひとつながりの部材は同じ材料で形成することが好ましく、厚みも概ね同じであることが好ましく、全体として連続的な構成であることが好ましいと考えられている。
【０００５】
そのため、形状の実現性や熱容量をも考慮して、ある程度の大きさの部材を同一材料で構成する必要がある。それ故、熱環境的に問題がない部分にも特殊な材料が使用されている。その結果、コスト・重量的に不利になる場合がある。また、こうした熱防護構造は材料特性に依存するため、材料特性以上の耐熱性能が望めない。
【０００６】
関連する技術として、特表２０１１−５１４６５９号公報（ＷＯ２００９／０９９７０９）に素子が開示されている。この素子は、熱伝達素子である。この熱電子素子は、半導体と、アレイと、ヒートシンクと、真空トンネル効果領域と、電源とを備えている。半導体は、第１の領域および第２の領域を有する半導体であって、該第１の領域および該第２の領域は、該第１の領域から該第２の領域へと荷電キャリアを付勢するようにドープされる。アレイは、該第２の領域と熱電的に連絡する尖った先端のアレイである。ヒートシンクは、該アレイに面する。真空トンネル効果領域は、該尖った先端と該ヒートシンクとの間に形成される。電源は、該第１の領域に対して、該ヒートシンクをバイアスする。該第１の領域はＮ型半導体を規定し、該第２の領域はＰ型半導体を規定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１１−５１４６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、高性能の熱防護構造を有する先端部を備えた飛しょう体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、材料の耐熱性を越えた熱防護が可能な熱防護構造を有する先端部を備えた飛しょう体を提供することにある。また、本発明の更に他の目的は、低コストな熱防護構造を有する先端部を備えた飛しょう体を提供することにある。
【０００９】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
本発明の飛しょう体は、胴体部（３）と、先端部（２）と、熱電変換部（１０）と、電力処理部（１１）とを具備している。胴体部（３）は、円筒状である。先端部（２）は、胴体部（３）の端部に結合され、前方に向かうほど径が縮小する形状を有する。熱電変換部（１０）は、先端部（２）の先端の内側に設けられ、当該先端付近で発生した熱を電力に変換する。電力処理部（１１）は、胴体部（３）の内側に設けられ、前記電力を処理する。
【００１２】
上記の飛しょう体において、前記電力処理部（１１）は、前記電力を熱に変換する電熱変換部（１１ａ）であってもよい。
【００１３】
上記の飛しょう体において、前記電力処理部（１１）は、ペルチェ素子（１１ａ）を備えていてもよい。
【００１４】
上記の飛しょう体において、前記電熱変換部（１１ａ）は、前記胴体部（３）に設けられた電子素子を保温していてもよい。
【００１５】
上記の飛しょう体において、前記電力処理部（１１）は、胴体部（３）の機体アース（１１ｃ）を備えていてもよい。
【００１６】
上記の飛しょう体において、前記電力処理部（１１）は、二次電池（１１ｂ）を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、高性能の熱防護構造を有する先端部を備えた飛しょう体を提供できる。また、本発明により、材料の耐熱性を越えた熱防護が可能な熱防護構造を有する先端部を備えた飛しょう体を提供できる。また、本発明により、低コストな熱防護構造を有する先端部を備えた飛しょう体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、飛しょう中の飛しょう体の先端部を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る飛しょう体の構成を模式的に示す側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本実施の形態に係る飛しょう体の構成を模式的に示す部分断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施の形態に係る飛しょう体の構成の変形例１を模式的に示す部分断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、実施の形態に係る飛しょう体の構成の変形例２を模式的に示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る飛しょう体について添付図面を参照して説明する。
【００２０】
まず、本実施の形態に係る飛しょう体の構成について説明する。図２は、本実施の形態に係る飛しょう体の構成を模式的に示す側面図である。飛しょう体１は、胴体部３と、先端部２と、熱防護構造（１０、１２）とを具備している。
【００２１】
胴体部３は、円筒状である。胴体部３の内部には、図示しないセンサや制御回路や推進装置が設けられている。先端部２（ノーズコーン）は、胴体部３の端部（前方側の端部）に結合されており、前方（先端）に向かうほど径が縮小するような形状を有している。
【００２２】
熱防護構造（１０、１２）は、先端部２及び胴体部３の内部に設けられている。先端部２の先端の内側から胴体部３の方へ熱を逃がす。熱防護構造は、熱電変換部１０と、電力処理部１１とを備えている。熱電変換部１０は、先端部２の先端の内側に設けられている。熱電変換部１０は、先端部２の先端付近で発生した熱をゼーべック効果を用いて電力に変換する。変換された電力は、ケーブル１２へ供給される。電力処理部１１は、胴体部３の内側に設けられている。すなわち、電力処理部１１は、先端部２の先端付近の発熱部から離れて設けられている。電力処理部１１は、ケーブル１２を介して供給された電力を処理する。電力処理部１１の処理は後述される。
【００２３】
図３Ａは、本実施の形態に係る飛しょう体の構成を模式的に示す部分断面図である。熱電変換部１０は、ゼーべック効果を利用した熱電変換素子である。熱電変換素子の高温側が先端部２の先端Ａ１に接し、低温側が先端部２の内側の空洞に向くように熱電変換素子を配置する。熱電変換素子の形状や種類は、先端部２の先端Ａ１の熱を逃がすことができるのであれば、特に問わないが、例えば以下のように構成することができる。
【００２４】
熱電変換素子は、先端部２の先端Ａ１の内側の曲面に沿って形成されていることが好ましい。先端部２の先端Ａ１で発生する熱を確実に捉えるためである。曲面に沿って形成するためには、フレキシブルな素子を用いることができる。例えば、先端部２の内側の曲面に直接塗布（印刷）して形成する熱電変換素子を利用することができる。また、フィルム状基板に形成された熱電変換素子を当該曲面に接着する方法が考えられる。また、小型の熱電変換素子（先端部２の曲面が疑似的に平面と見なせるような大きさ）を先端部２に複数個、密に接着する方法も考えられる。あるいは、接着剤で当該曲面を平坦化して熱電変換素子を接着する方法も考えられる。接着剤は熱伝導性の高いものを用い、できるだけ薄く用いることが好ましい。
【００２５】
熱電変換素子の大きさ（又は範囲）としては、先端部２（ノーズコーン）の中心軸の方向から見た平面視において、その中心軸を中心とし、胴体部３の直径の１／５程度の円形より大きい形状（又は広い範囲）であることが好ましい。また、その中心軸を中心とし、胴体部３の直径程度の円形（又は範囲）まであれば十分である。
【００２６】
熱電変換素子の種類としては、より高い温度でも対応できることが好ましい。先端部２の先端Ａ１で発生する熱を十分に逃がすためである。高温で対応できる素子としては、シリサイド系（Ｍｎ−Ｓｉなど）、シリコンゲルマニウム系（Ｓｉ−Ｇｅ）、酸化物系（（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂｉ）−Ｃｏ−Ｏなど）、鉛テルル系（Ｐｂ−Ｔｅ）、ランタンテルル系（Ｌａ−Ｔｅ）、スクッテルダイト系（Ｓｋｕｔｔｅｒｕｄｉｔｅｓ）に例示される。
【００２７】
このような熱電変換素子は、薄く且つ軽量に形成することができる。それゆえ、このような熱電変換素子は、飛しょう体１の既存の構成に対してほとんど影響を与えずに設けることができる。このような構成は、機器設置用の内部空間が狭いタイプの飛しょう体１の場合に特に好ましい。
【００２８】
電力処理部１１として、この図の例では、電力を熱に変換する電熱変換部１１ａである。電熱変換部１１ａは、熱電変換部１０から離れた、比較的低温の箇所に設けられている。例えば胴体部３内におけるセンサや電子回路などから離れた箇所に設けられる。これにより、熱電変換部１０で熱電変換した電力を、熱に影響されない箇所で、熱の形で放出することができる。
【００２９】
電熱変換部１１ａは、具体的には、ペルチェ素子に例示される。例えば、ペルチェ素子を、その高温となる側を胴体部３の内側に向かう向きに、その低温となる側を胴体部３の側壁に接するように設ける方法が考えられる。このようにすることで、ペルチェ素子の高温側に近い領域を保温（加温）することができる。例えば、高高度で飛しょう体１が飛しょうする場合、大気温度はマイナス数十度になる。その場合、胴体部３の温度が低くなり過ぎる可能性が考えられる。その場合、本構成を採用することで、制御回路やセンサ（以上、電子素子ともいう）を保温することができる。
【００３０】
逆に、例えばペルチェ素子を、その低温となる側を胴体部３の内側に向かう向きに、その高温となる側を胴体部３の側壁に接するように設ける方法が考えられる。このようにすることで、胴体部３の側壁（胴体部の外殻）に熱を逃がすと共に、ペルチェ素子の低温側に近い領域を冷却することができる。例えば、エンジン近傍その他の高温になり易い箇所が有る場合、その高温故に不具合が発生する可能性がある場合、その箇所に本構成を採用することで、当該部分を冷却することができる。
【００３１】
ペルチェ素子の種類としては、上記熱電変換素子と同様のものを用いることができる。ただし、熱電変換素子は温度差で電力を発生するように配置・接続するのに対して、ペルチェ素子は電力で温度差を発生するように配置・接続する。
【００３２】
このようなペルチェ素子は、薄く且つ軽量に形成することができる。それゆえ、このようなペルチェ素子は、飛しょう体１の既存の構成に対してほとんど影響を与えずに設けることができる。このような構成は、機器設置用の内部空間が狭いタイプの飛しょう体１の場合に特に好ましい。
【００３３】
次に、本実施の形態に係る飛しょう体の動作について説明する。
飛しょう体は、目標に向かって飛しょうする。その飛しょう中に、空力加熱により、先端部２の先端Ａ１（及びその近傍）が非常に高温となる。その先端には熱電変換部１０が設けられている。熱電変換部１０では、先端部２の先端Ａ１に接した側が高温となるため、先端部２の内側の空間に面した側が相対的に低温となる。そのため、熱電変換部１０は、高温側と低温側との温度差により電力を発生する。すなわち、熱電変換部１０は、熱エネルギーを電力（電気エネルギー）に変換する。そして、その電力をケーブル１２経由で電熱変換部１１ａへ供給する。このように、熱電変換部１０は、先端部２の先端Ａ１で発生した熱を、他の箇所へ逃がしている。その結果、先端部２の先端Ａ１の温度上昇は一定の範囲で収まり、先端部２の先端Ａ１の温度を相対的に低く抑えることができる。
【００３４】
その電力は、ケーブル１２経由で、熱的に余裕のある箇所に配置された電熱変換部１１ａへ供給される。電熱変換部１１ａは、当該電気エネルギーをケーブル１２経由で受け取る。そして、電熱変換部１１ａは、その一方の側を高温に、その他方の側を低温に変換して、そのエネルギーを放出する。電熱変換部１１ａは、熱的に余裕のある箇所に配置されているので、供給されたエネルギーを放出しても何ら問題はない。
以上のようにして、本実施の形態に係る飛しょう体は動作する。
【００３５】
本実施の形態では、熱電変換部によるゼーべック効果を用いて電流という形で熱を移送し、発熱部から離れた場所でその電流を処理する。言い換えると、熱的に厳しい箇所（発熱部）の熱を吸収してその環境を緩和し、熱的に余裕のある箇所（低温部）へ、吸収された熱を移送して逃がす、という方法を採用している。ここで、熱を逃がす方法として、熱伝導の方法で熱を低温部へ伝達する方法も考えられる。しかし、熱伝導での熱の伝達速度は遅く、飛しょう体には適しているとはいえない。本実施の形態では、熱を電力に変換することで、極めて速い速度で電力（＝熱）を発熱部から低温部へ逃がすことができる。
【００３６】
それにより、先端部２の内部への放熱量を緩和する（少なくする）ことができる。その結果、先端部２の内部に搭載されたシーカなどのセンサや制御回路をより正常に動作させることができる。
【００３７】
また、熱を電力にして熱輸送の速度を速くして、極めて速い速度で熱（＝電力）を逃がすことで、高温部（先端部２の先端Ａ１）に熱が蓄積しないようにすることができる。それにより、先端部２の部材として図１の場合と同じ部材を用いた場合、その厚みｔ１を、図１の場合の厚みｔ０よりも薄くすることができる。すなわち、高価な耐熱材料の使用量を削減することができる。あるいは、耐熱レベルが低目の耐熱材料を使用することができる。その結果、製造コストを低減することができる。
【００３８】
また、この熱電変換部１０は、高温部（先端部２の先端Ａ１）に熱が蓄積しないうちに熱を逃がすので、先端部２の材質による耐熱性に頼らない構造ということができる。そのため、本実施の形態の飛しょう体では、先端部２の大型化（熱容量の増加）に依らずに、材質の耐熱性を越えた熱防護が可能となる。また、高価な耐熱材料の使用箇所を限定し、コスト削減が見込める。更に、高価な耐熱材料の節約ができ、コストを削減できる。
【００３９】
（変形例１）
電力処理部１１は、他の構成を有していていも良い。
図３Ｂは、本実施の形態に係る飛しょう体の構成の変形例１を模式的に示す部分断面図である。本変形例１は、電力処理部１１として、二次電池１１ｂを用いている。すなわち、二次電池１１ｂは、ケーブル１２で供給される電力で充電される。二次電池１１ｂは、既存の二次電池であること、すなわち電力処理部１１用に新規に追加した二次電池ではないことが好ましい。機器の追加が不要であるため、追加の機器のための場所を確保する必要がなく、コストも低く抑制できる。
【００４０】
本変形例でも、上記図３Ａの場合と同様の効果を奏することができる。
また、電力処理部１１を二次電池１１ｂとすることで、既存の二次電池を用いることができる。それにより、電力処理部１１としての追加の構成が不要となる。特に飛しょう体１が小さい場合に、追加の構成が不要であることは非常に好ましい。
【００４１】
（変形例２）
電力処理部１１は、他の構成を有していていも良い。
図３Ｃは、本実施の形態に係る飛しょう体の構成の変形例２を模式的に示す部分断面図である。本変形例２は、電力処理部１１として、胴体部３に設けられた機体アース１１ｃを用いている。すなわち、機体アース１１ｃは、ケーブル１２で供給される電力をアースする。機体アース１１ｃは、既設の機体アースを用いることができる。ケーブル１２を既設の機体アースに接続するだけなので、機器の追加が不要である。そのため、追加の機器のための場所を確保する必要がなく、コストも低く抑制できる。
【００４２】
本変形例でも、上記図３Ａの場合と同様の効果を奏することができる。
また、電力処理部１１を機体アース１１ｃとすることで、既存の機体アースを用いることができる。それにより、電力処理部１１としての追加の構成が不要となる。
【００４３】
上記実施の形態や変形例において、電力処理部１１は、１か所に設けても良いし、複数か所に設けても良い。また、電力処理部１１の形状や大きさなどは適宜選択可能である。また、電力処理部１１として、図３Ａ〜図３Ｃのいずれか一つの技術を用いても良いし、いくつかを組み合わせて用いても良い。
【００４４】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００４５】
１    飛しょう体
２    先端部
３    胴体部
１０    熱電変換部
１１    電力処理部
１１ａ    電熱変換部
１１ｂ    二次電池
１１ｃ    機体アース
１２    ケーブル
【図１】
2014156997.tif 000003
【図２】
2014156997.tif 000004
【図３Ａ】
2014156997.tif 000005
【図３Ｂ】
2014156997.tif 000006
【図３Ｃ】
2014156997.tif 000007