(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音速以上で飛行する移動体であって、
機体と、
前記機体に設けられた膜冷却デバイスと、
冷却ガスを蓄積する冷却ガスタンクを備え、前記冷却ガスタンクに蓄積された前記冷却ガスを前記膜冷却デバイスに供給する冷却ガス供給系
とを具備し、
前記膜冷却デバイスは、複数の貫通孔が形成され、且つ、前記冷却ガス供給系から供給された前記冷却ガスを前記複数の貫通孔を介して噴出することで前記機体の表面の膜冷却を行うように構成され、
前記複数の貫通孔の直径は、５０μｍ以下である
移動体。
【請求項２】
請求項１に記載の移動体であって、
前記膜冷却デバイスが、金属又は複合化セラミックで形成されている
移動体。
【請求項３】
複数の貫通孔が形成された膜冷却デバイスと、冷却ガスを蓄積する冷却ガスタンクとを超音速以上で飛行する移動体の機体に設けることと、
前記冷却ガスタンクに蓄積された前記冷却ガスを前記膜冷却デバイスに供給することと、
前記膜冷却デバイスに供給された前記冷却ガスを前記複数の貫通孔を介して噴出することで、前記機体の表面の膜冷却を行うこと
とを具備し、
前記複数の貫通孔の直径が、５０μｍ以下である
移動体の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体及びその冷却方法に関し、特に、空中を高速で（例えば、超音速、極超音速で）移動する移動体に好適に適用される冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速で空中を移動する移動体、特に、超音速、極超音速で移動する移動体に生じ得る問題の一つが、空力加熱（空気力学的加熱）の発生である。高速の空気の流れが機体の表面に当たると、機体の表面において空気の流れがせき止められて断熱圧縮が発生し、機体の表面に接触する空気の温度が上昇する。加えて、気体の表面における粘性散逸（即ち、摩擦）によっても空気の温度が上昇する。これらの作用によって温度が上昇した空気からの機体への伝熱により機体の温度が上昇する。このような現象は、一般に、空力加熱と呼ばれる。機体は、空力加熱による温度上昇に対応して設計されることが望ましい。
【０００３】
空力加熱の発生に対応するための技術として、膜冷却（film cooling）が知られている。膜冷却は、一例としては、機体にスリットや貫通孔を設け、該スリット又は貫通孔から冷却ガス（例えば、窒素や空気）を吹き出すことにより実施される。冷却ガスを噴き出すスリットの幅や貫通孔の直径は、典型的には、ｍｍオーダーで設計される。
【０００４】
空力加熱の発生に対応するための他の技術としては、浸出冷却が知られている。浸出冷却は、一例としては、気孔率が高い多孔質セラミックから冷却ガスを浸み出すことで実施される。浸出冷却については、例えば、特開２００７−１３１１１９号公報（特許文献１）、特表２００６−５２６５４０号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００５】
しかしながら、上記の技術は、高速で空中を移動する移動体の冷却技術としては十分なものではない。ｍｍオーダーの寸法のスリットを用いた膜冷却では、冷却のために多量の冷却ガスを移動体に搭載する必要がある。高速で空中を移動する移動体に搭載可能な物体の量には制限があるので、多量の冷却ガスを搭載することは好ましくない。また、多孔質セラミックから冷却ガスを浸み出す浸出冷却では、多孔質セラミックの強度が問題になり得る。高速で空中を移動する移動体は物体が衝突することが想定されるので、移動体の機体を構成する部材は強度が高いことが要求される。しかし、多孔質セラミックの強度を高くすることは容易ではない。
【０００６】
なお、本発明に関連し得る技術として、特開２００５−４２７２１号公報（特許文献３）は、非多孔質の層を積層した積層構造に、方向性がある所定のサイズの孔径、密度、分布の選択された孔を形成した積層多孔質部材を形成し、積層多孔質部材から冷却媒体を吹き出すことで機器を冷却する浸出冷却装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１３１１１９号公報
【特許文献２】特表２００６−５２６５４０号公報
【特許文献３】特開２００５−４２７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、高速で空中を移動する移動体に好適な機体の表面の冷却技術を提供することにある。本発明の他の目的及び新規の特徴は、下記の開示から当業者には理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下では、［発明を実施するための形態］において使用される番号・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の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。
【００１０】
本発明の一の観点では、移動体（１）が、機体（１１）と、機体（１１）に設けられた膜冷却デバイス（１２）と、冷却ガスを蓄積する冷却ガスタンク（１４）を備え、冷却ガスタンク（１４）に蓄積された冷却ガスを膜冷却デバイス（１２）に供給する冷却ガス供給系（１３）とを具備する。膜冷却デバイス（１２）は、複数の貫通孔（１２ｂ）が形成され、且つ、冷却ガス供給系（１３）から供給された冷却ガスを複数の貫通孔（１２ｂ）を介して噴出する。複数の貫通孔（１２ｂ）の直径は、５０μｍ以下である。
【００１１】
好適な実施形態では、膜冷却デバイス（１２）が、金属又は複合化セラミックで形成される。
【００１２】
本発明の他の観点では、移動体の冷却方法が、複数の貫通孔（１２ｂ）が形成された膜冷却デバイスと、冷却ガスを蓄積する冷却ガスタンク（１４）とを機体（１１）に設けることと、冷却ガスタンク（１４）に蓄積された冷却ガスを膜冷却デバイスに供給することと、膜冷却デバイスに供給された冷却ガスを複数の貫通孔（１２ｂ）を介して噴出することとを具備する。複数の貫通孔（１２ｂ）の直径は、５０μｍ以下である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高速で空中を移動する移動体に好適な機体の表面の冷却技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の移動体の構成を概略的に示す概念図である。
【図２Ａ】本実施形態における膜冷却デバイスの構造を示す平面図である。
【図２Ｂ】本実施形態における膜冷却デバイスの構造を示す断面図である。
【図３】膜冷却の実験において使用された供試体の構造を示す斜視図である。
【図４】本実験において用いられた膜冷却デバイスの構造を示す平面図である。
【図５】膜冷却を行った場合及び膜冷却を行わなかった場合のそれぞれにおける、中心線Ｃに沿った各位置の空力加熱率の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態の移動体１の構成を概略的に示す概念図である。本実施形態では、移動体１は、高速で（例えば、超音速、極超音速で）空中を飛行する飛行体として構成されている。ただし、本発明は、その他の移動体、例えば、飛行機、ロケット、再使用宇宙輸送機に適用され得ることに留意されたい。
【００１６】
移動体１は、機体１１を備えている。機体１１の表面の膜冷却を行う部分に、膜冷却デバイス１２が設けられている。膜冷却デバイス１２とは、膜冷却に用いられる冷却ガスを噴出する多数のマイクロホール（微小な貫通孔）が形成された部材である。図２Ａは、本実施形態における膜冷却デバイス１２の構造を示す平面図であり、図２Ｂは、該膜冷却デバイス１２の構造を示す断面図である。図２Ａ、図２Ｂに図示されているように、本実施形態では、膜冷却デバイス１２は、板状の部材１２ａを備えており、部材１２ａには、該部材１２ａを貫通する多数のマイクロホール１２ｂが形成されている。部材１２ａは、金属、好ましくは耐熱合金で形成される。部材１２ａとして金属を用いることは、耐衝撃性を向上するために好適である。また、部材１２ａとしてセラミックを用いることも可能であるが、部材１２ａとしては、複合化することで耐衝撃性を向上させたセラミック（複合化セラミック）を用いることがより好ましい。後述されるように、膜冷却デバイス１２は、膜冷却に用いられる冷却ガスを、マイクロホール１２ｂを介して噴出する。
【００１７】
機体１１の内部には、膜冷却に使用される冷却ガスを膜冷却デバイス１２に供給する冷却ガス供給系１３が搭載される。冷却ガスとしては、例えば、水素、ヘリウム、窒素や空気が用いられ得る。冷却ガスは、不活性である（酸化性を有しない）こと及び定圧比熱が高いことが好ましく、このような観点では、冷却ガスとしてヘリウムや窒素が用いられることが好ましい。
【００１８】
本実施形態では、冷却ガス供給系１３は、冷却ガスタンク１４と、ポンプ１５と、プレナムチャンバ１６とを備えている。冷却ガスタンク１４は、膜冷却に使用される冷却ガスを蓄積する。ポンプ１５は、冷却ガスタンク１４に蓄積された冷却ガスを、プレナムチャンバ１６に圧送する。プレナムチャンバ１６は、膜冷却デバイス１２の裏面に接して設けられており、冷却ガスを膜冷却デバイス１２に均一に供給するために用いられる。
【００１９】
本実施形態の機体１１は、膜冷却デバイス１２がマイクロホール１２ｂから冷却ガスを噴出することによって機体１１の膜冷却を実施するように構成されている。ここで、本実施形態では、膜冷却デバイス１２に設けられる貫通孔、即ち、マイクロホール１２ｂの径が非常に小さくされる。具体的には、本実施形態では、マイクロホール１２ｂの直径が５０μｍ以下にまで縮小される。一般的な膜冷却では、ｍｍオーダーの直径の貫通孔が用いられることに留意されたい。
【００２０】
当業者は、冷却ガスを噴き出す貫通孔の径を５０μｍ以下にまで縮小することは、圧力損失を増大させる上、冷却ガスの噴出量の増大を困難にするため、冷却の観点では好ましくないと考えるかもしれない。しかしながら、発明者の知見によれば、実際には、マイクロホール１２ｂの直径を５０μｍ以下にまで縮小しても十分な冷却効率を実現することができる。むしろ、マイクロホール１２ｂの直径の縮小は、冷却ガスの使用量を低減するために有利である。このような特性は、高速で空中を移動する移動体１においてむしろ有用である。一般に、高速で空中を移動する移動体においては、搭載可能な物体の量に制約があるが、本実施形態の移動体１では、膜冷却に用いられる膜冷却デバイス１２のマイクロホール１２ｂの径を５０μｍ以下にまで縮小する構成を採用することにより、冷却効率を維持しつつ、移動体１に搭載すべき冷却ガスの量を低減することができる。
【００２１】
ただし、貫通孔の径を過剰に小さくすることは、加工性の観点で不利である。したがって、マイクロホール１２ｂの直径は、１μｍ程度以上であることが好ましい。
【００２２】
発明者は、直径を非常に小さくしたマイクロホール（貫通孔）を備えた膜冷却デバイスを用いた膜冷却の実験を行った。以下では、その実験の結果について議論する。
【実施例】
【００２３】
図３は、本実験において使用された供試体２１の構造を示す斜視図である。供試体２１は、先端鈍頭２２と、斜面部材２３とを備えている。斜面部材２３は、先端鈍頭２２の下流側に位置する斜面２３ａを有している。斜面部材２３に膜冷却デバイス２４が取り付けられた。膜冷却デバイス２４は、その表面が斜面２３ａと概ね面一になるように取り付けられた。
【００２４】
図４は、本実験において用いられた膜冷却デバイス２４の構造を示す平面図である。図４においてはｘｙ直交座標系が規定されており、ｘ軸が横方向、ｙ軸が縦方向に定義されている。膜冷却デバイス２４は、２５ｍｍ×２５ｍｍの正方形の板状部材３１を備えていた。板状部材３１は、ステンレス鋼で形成され、その厚さは５０μｍであった。
【００２５】
なお、図４において、符号３１ａは、板状部材３１の＋ｘ方向に面する端面を示しており、符号３１ｂは、板状部材３１の−ｘ方向に面する端面を示している。更に、符号３１ｃは、板状部材３１の＋ｙ方向に面する端面を示しており、符号３１ｄは、板状部材３１の−ｙ方向に面する端面を示している。また、符号Ｃで示された一点鎖線は、板状部材３１の表面をｙ軸方向に並ぶ２つに等分する中心線を表している。中心線Ｃは、端面３１ｃ、３１ｄに平行であり、且つ、端面３１ａ、３１ｂを等分するように規定される。
【００２６】
板状部材３１には、２つのマイクロホールアレイ３２、３３が形成された。マイクロホールアレイ３２、３３は、それぞれ、多数のマイクロホール（貫通孔）を有している。該マイクロホールの直径は５０μｍであり、ピッチ（隣接するマイクロホールの間の距離）は、１５０μｍであった。マイクロホールアレイ３２、３３の寸法は、いずれも、１５ｍｍ×６．４５ｍｍであった。マイクロホールアレイ３２は、端面３１ａ、３１ｂ、３１ｄからの距離がいずれも５ｍｍである位置に配置された。また、マイクロホールアレイ３３は、端面３１ａ、３１ｂ、３１ｃからの距離がいずれも５ｍｍである位置に配置された。
【００２７】
板状部材３１の各位置の温度の計測には、ＴＳＰ（temperature sensitive paint）法が用いられた。詳細には、板状部材３１の表面のうちマイクロホールアレイ３２、３３が形成されていない部分にＴＳＰ（感温塗料）が塗布された。ＴＳＰは、一般に、感温色素、バインダ及び溶媒を含んで構成される。本実験では、感温色素としてジクロロトリス（１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（ＩＩ）水和物、バインダとしてポリアクリル酸、溶媒としてエタノールが使用された。
【００２８】
このような構成の膜冷却デバイス２４に空力加熱が発生したときの空力加熱率（空力加熱により膜冷却デバイス２４に流入する熱流束）が計測された。空力加熱率の計測においては、供試体２１が衝撃風洞に収容され、衝撃風洞において発生された主流（空気流）が、供試体２１の先端鈍頭２２に向けて吹き付けられた。供試体２１は、迎角（主流と斜面２３ａとがなす角）が１０°になるように設置された。主流は、先端鈍頭２２に吹き付けられると共に、先端鈍頭２２の下流に位置する膜冷却デバイス２４の表面に沿って流された。主流は、図４に図示されているように、図４の＋ｙ方向、即ち、マイクロホールアレイ３２、３３が並ぶ方向に流された。この主流により、膜冷却デバイス２４に空力加熱が発生された。
【００２９】
空力加熱率は、膜冷却を行った場合及び膜冷却を行わなかった場合の２つの場合について計測された。膜冷却を行う場合、膜冷却デバイス２４の裏面に冷却ガスが供給され、マイクロホールアレイ３２、３３から冷却ガスが噴出された。この冷却ガスにより膜冷却デバイス２４の膜冷却が行われた状態での空力加熱率が計測された。冷却ガスとしては、窒素が用いられた。冷却ガスの流量は、主流の流量に対して０．４５倍程度に設定された。加えて、対照のために、膜冷却を行わなかった場合、即ち、冷却ガスを供給しなかった場合の空力加熱率が計測された。
【００３０】
空力加熱率は、膜冷却デバイス２４に塗布されたＴＳＰを用いて計測された。ＴＳＰは温度に応じた強度の光を発するので、ＴＳＰから放出される光の強度を撮像装置で計測することにより、膜冷却デバイス２４の各位置の温度を計測することができる。このようにして計測された膜冷却デバイス２４の各位置の各時間の温度から、膜冷却デバイス２４の各位置の温度上昇を得ることができ、更に、膜冷却デバイス２４の各位置の空力加熱率を算出することができる。空力加熱率は、膜冷却デバイス２４に流入する熱流束（単位は、Ｗ／ｃｍ２）として算出された。
【００３１】
膜冷却を行った場合及び膜冷却を行わなかった場合のそれぞれにおける膜冷却デバイス２４の各位置の空力加熱率から各位置の冷却効率が算出された。ある位置ｉの冷却効率ηｉは、下記式により定義された：
ηｉ＝１−ｑＣｉ／ｑｉ        ・・・（１）
ここで、ｑＣｉは、膜冷却を行った場合（冷却ガスを噴出した場合）の位置ｉの空力加熱率であり、ｑｉは、膜冷却を行わなかった場合（冷却ガスを噴出しなかった場合）の位置ｉの空力加熱率である。
【００３２】
図５は、膜冷却を行った場合及び膜冷却を行わなかった場合のそれぞれにおける、図４の中心線Ｃに沿った各位置の空力加熱率の分布を示している。各位置の座標ｘは、中心線Ｃが端面３１ｂと交わる位置を原点Ｏとして、原点Ｏからの距離として定義されている。図５から理解されるように、５０μｍの直径のマイクロホールで構成されるマイクロホールアレイ３２、３３から噴出される冷却ガスで膜冷却を行うことにより０．５〜０．６の冷却効率が得られることが分かった。
【００３３】
以上には、本発明の実施形態が具体的に記載されているが、本発明が上記の実施形態に限定されると解釈してはならない。本発明が様々な変更と共に実施され得ることは、当業者には自明的であろう。
【符号の説明】
【００３４】
１        ：移動体
１１      ：機体
１２      ：膜冷却デバイス
１２ａ    ：部材
１２ｂ    ：マイクロホール
１３      ：冷却ガス供給系
１４      ：冷却ガスタンク
１５      ：ポンプ
１６      ：プレナムチャンバ
２１      ：供試体
２２      ：先端鈍頭
２３      ：斜面部材
２３ａ    ：斜面
２４      ：膜冷却デバイス
３１      ：板状部材
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ：端面
３２、３３：マイクロホールアレイ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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