JPH0289808A

JPH0289808A - 熱伝達装置

Info

Publication number: JPH0289808A
Application number: JP1207028A
Authority: JP
Inventors: Dennis W Smith; デニス・ダブリュ・スミス
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1988-08-25
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1990-03-29
Anticipated expiration: 2013-01-28
Also published as: EP0356882A1; CA1292495C; EP0356882B1; JP2707332B2; DE68907535D1; US4859090A; DE68907535T2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は回転伝導性の熱伝達装置に関し、特Ｋ、負荷調
節用スプリングを有する回転伝導性の熱伝達装置に関す
る。

〔従来の技術〕

この％許出願の出願人に譲渡された米国特許出願扁０７
１０８５，６７１は、セパレータを有するボールベアリ
ング装置を示している。

多様な衛星システムに於いては、回転継手を越えて熱が
伝達されることを必要とする。赤外線上ンサ用懸架装置
など幾つかのものは１０ケルビン（ＩＯＫ）はどの低温
に於ける運転を必要とされ、他の、廃熱廃棄システムな
どは３００〜４００にの範囲内の温度にて作動する。ト
ルクが小さく且つ継手両端の温度降１が小さいことは、
これら全ての場合に重要である。

回転継手を越えて熱を伝達するために現在側われている
従来技術の装置は、基本的に５種類ある。

それらの装置が有する限界に着目しつつ、それら装置の
各々について以下に説明する。

まず第１に可撓ケーブル装置があシ、との可撓ケーブル
の一端は固定側に取υ付けられ、他端は回転側に取り付
けられる。熱はケーブルの長手方向に沿って伝導される
ので、継手両端の温度降下は、ケーブルが短いｔｌど小
さくなる。しかしながらトルクは、ケーブルが長いほど
小さくなる。従って妥協が必要となる。さらに面倒なこ
とに、多くの材料は像源に於いて硬くなりトルクを増加
させる。可撓ケーブルの最大の欠点は、ケーブルの巻上
げに起因して回転が制限されることである。

第２に輻射装置があシ、これは、回転継手の回転部と固
定部との双方に配置された一組の同心フィンを有する。

これらのフィンは互いの内側に入シ込むように設計され
ているので、このユニットが組み立てられたときにフィ
ン同士が接触することはない。一方のフィンセットの長
手方向に伝導される熱が、輻射によって他方へと伝達さ
れる。

回転側のフィンセットと固定側のフィンセットとの間に
接触が無く、その上、粘性結合のない真空中にて運転さ
れるので、この熱伝達装置に起因するトルク成分は存在
しない。この装置の短所は、輻射のみに頼っているため
、小さな温度差に於いては僅かな熱伝達しか行われない
ことである。従つて、受入れ難いほどの大きな温度差が
ある場合以外は、非常に大きく重い放熱フィンを用いて
さえも十分な熱を伝達することは困難である。

第３に輻射対流装置があり、この装置では、対流伝熱を
行なわせ輻射を補強すべく上述の輻射装置にシールが付
加されて気体が使用される。この装置は、同じ条件にて
、許容し得るレベルまで温度差を減少させ得る。しかし
、このシールには３つの問題点がある。その第１は、そ
うしたシールのドラグトルクが受入れ難いほどに大きい
ことである。Ｎ５題点の第２は、もしシールが漏れ喪な
らば気体は逃げ、伝熱効果は心細い放熱フィンの効率ま
で低下し、シールのドラグトルクだけが残シ、その結果
、高いトルクと貧弱な伝熱効率とを有する装置となって
しまうことである。問題点の第３は、シール性能とドラ
グトルクとリーク率との各々が、運転温度の関数でおる
ことである。それゆえ、低温性能は室温に於ける性能よ
シもしばしば劣ることにがる。

第４に熱パイプ装置があり、これは、輻射対流装置にて
得られた伝熱効率よシも高い効率を得ることが出来る。

この装置は輻射対流装置によく似ているけれよも、対流
媒体として純然たる気体を使用する代りに、「温」側の
温度に於いて蒸発し且つ「冷」側の温度に於いて凝縮す
る流体が選択される。このシステムは、「温」側から「
冷」側へと大量の熱を移動させる目的で流体の気化潜熱
を利用する。このシステムにもシールに係わる同様な短
所があυ、さらに、運転温度範囲についての制限が付加
される。温度差が小さく、シか本、様々な流体が特定の
沸騰点を有しているので、希望する運転温度のそれぞれ
に対し異なる作動流体を必要とされる。この制約のゆえ
に、実際の使用に先立って、このシステムの運転特性に
ついての精細な知識を必要とされる。

第５番目として、回転式流体カプラ装置がある。

このカプラは、界面を越えて回転装置へ、さらに最終目
的地へと熱を伝達するものではない。このカプラは源か
ら熱を吸収するために液体を使用し、その液体を、回転
継手を越えてヒートシンクへと移送する。この装置の主
な短所は、２つの流体通路を収容するためのシールおよ
び通路の複雑々設計、および、高いドラグトルクである
。

〔発明の概要〕

本発明にもとづいて回転伝導性の熱伝達装置が与えられ
る。

この装置は、軸（１２）を有する外輪（１４）と、内輪（１６）と、前記外輪（１４）と前記内輪（１６）との間に放射状に
配置された複数の軸受ボール（１８，２０，２２，２４
，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８）と、前
記軸受ボールの中間の外周方向に配置された複数のセパ
レータ（４０，４２，４４，４６，４８，５０，５２，
５４，５６，５８）と、前記セパレータを支持するための第１軌道（６２）およ
び第２軌道（６６）とを有し、前記内輪（１６）は第１支承面（９６）を具備する第１
内側リング部（９２）を有し、且つ、第２支承面（９Ｂ
）を具備する第２内側リング部（９４）を有前記外輪（
１４）は前記の各軸受ボールを挾むようＫして前記第２
支承面（９８）の反対側に配置された第３支承面（１０
０）を有し、且つ、前記各軸受ボールを挾むようにして
前記第１支承面（９６）の反対側に配置された第４支承
面（１０２）を有し、前記の各軸受ボール（１８，２０
，２２，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，
３８）は前記の第１支承面（９６）と前記第２支承面（
９８）と前記第３支承面（１００）と前記第４叉水面（
１０２）とに接触しておシ、更に本装置は、前記第１支承面（９６）と前記第２支承
面（９８）と前記第３支承面（１００）と前記第４支承
面（１０２）とに対しそれぞれ第１の直角の力と第２の
直角の力と第３の直角の力と第４の直角の力とを加える
目的で前記第２内側リング部（９４）を前記第１内側リ
ング部（９２）へと向けて推進するスプリング手段（１
１０，１１２，１１４，１１６，１１８，１２０，１２
２）を具備している。

本発明の熱伝達装置を使用することによシ、従来技術の
装置に於ける各問題点は回避される。

本発明の目的、特徴、ならびに利点は、ｆＡ付図面に図
示された本発明の提示実施例についての以下の説明から
一層明白となろう。

〔実施例〕

本発明に基づく回転伝導性の熱伝達装置１０を第１図お
よび第２図に示す。装置１０は回転軸１２を有しており
、さらＫ、外輪すなわち外レース１４と、内輪すなわち
内レース１６とを含む。装置１０は、さらに、外輪１４
と内輪１６との間に、回転ＩＩ＋］１２から等距離に且
つ各方向に均斉に配置されている複数の軸受ボール１８
．２０．２２．２４．２６．２８．３０．３２．３４．
３６．３８を含む。装［１０は、さらに、前記軸受ボー
ルの中間の外周方向に配置されている複数のローラすな
わちセパレータ４０．４２．４４．４６．４８．５０．
５２．５４．５６．５８を有する。

第１図および第２図に示されているように、内輪１６は
、内輪１６と一体に構成された第１側板６０を有する。

第１側板６０は、その側板６０と一体に構成された第１
０−ラ軌道６２を有する。

内輪１ｅはさらに第２側板６４を有しておシ、第２１１
Ｉｌ板６４は、その側板６４と一体に構成された第２０
−ラ軌道６６を有する。側板６４は、間隔をおいて外面
に配置された多数のねじ６８．７０．７２．７４．７６
．７８．８０．８１によって内輪１６に結合される。

第３図に示されているセパレータ４０は代表的なセパレ
ータであり、そのセパレータ４０は、第１円柱部８２と
第２円柱部８４と中央陥凹部８６とを有している。第１
０−ラ軌道６２の内側には転が多面８８がある。第２０
−ラ軌道６６の内側にも、転が９面９０がある。分割式
リングである内輪１６は、固定リング部９２を含む。内
輪１６は可動リング部９４をも含んでおり、その可動リ
ング部９４は、固定リング部９２から分離され取９外さ
れることも可能な構造と々っている。

第３図に示されているように、固定リング部９２の内側
には第」支承面９６がある。可動リング部９４の内側に
は、第２支承面９Ｂがある。支承面９６および支承面９
８は、共同で尖頭アーチ状の輪郭をなしている。外輪１
４は、第３支承面１００と第４支承面１０２　とを有す
る。支承面１００および支承面１０２　もまた、同様Ｋ
、尖頭アーチ状の輪郭を有する。外輪１４は、中央に、
第３表面部分すなわち頂部１０４　を有する。軸受ボー
ル１８は代表的な軸受ボールとして図示されており、軸
受ボール１８の球面１０６は、頂部１０４から間隙１０
８　だけ離れている。

第２図に示されているように、可動リング部９４は、多
数のスプリング部側すなわちコイルスプリング１１０．
１１２．１１４．１１６．１１Ｂ、１２０．１２２を有
する。ねじ６８、ＴＯ１Ｔ２．７４．７６、Ｔ８．８０
．８１によって第２ＩＩｌｌ板６４が固定リング部９２
へと据付けられると、スプリング１１０．１１２．１１
４．１１６．１１８．１２０．１２２が可動リング部９
４を押圧し、それにより支承面９６および支承面９８に
対し直角に力が加わシ、さらに、支承面１００および支
承面１０２　　に対し直角に反力が加わる。

各スプリングにより加えられる力の総量は、支承面９６
．９８．１００．１０２に直角に加えられる各々の力の
総量に比例する。それぞれのスプリングの力は互いにほ
ぼ等しい。支承面９６，９８．１００．１０２　のそれ
ぞれに加わる力は、互いにほぼ等しい。外輪１４と内輪
１６との間を流れる熱流の総量は、支承面９６．９８．
１００．１０２のそれぞれに加わる力の総量に比例し、
すなわち、各スプリングにより加えられる力のａｍに比
例する。第３図に示されているように接続部材すなわち
隣接部材１２４．１２６が外輪１４と内輪１６とに接続
しており、スプリングは、隣接部材１２４と隣接部材１
２６　との間の望ましい熱流量に適合するように設計さ
れる。

第３図に於いて、各支承面９６．９８．１００．１０２
とボール表面１０６との接触領域は、そこを通る熱伝導
を最大とする目的でかなり広く維持される。そこで、支
承面９Ｂ、９８およびそれに対応する支承面１００．１
０２は、かなり隙間の少ない曲率を有する。このため、
間隙１０８は比較的小さい。さらに、第３図に示されて
いるようＫ、固定リング部９２と可動リング部９４とが
スプリング１１０により押圧されたζき、内輪１６の接
触角は外輪１４の接触角とほぼ同じである。

代表的なセパレータとして図示されているセパレータ４
０は、滑り摩擦を最小とし転がり摩擦によって接触する
ように設計されている。滑りが最小となったので、酸化
され易い銅の腐蝕保護および潤滑の目的で、セパレータ
に薄い金めつきを施すことが可能となった。そうした金
めつきは比較的容易に歪むので、隣接する軸受ボール１
８．２０との有効接触領域を増大させることが出来る。

低温に於いて最善の熱伝達を得るためには、外輪１４と
内輪１６と軸受ボール１８〜３Ｂとに高純度鋼材料が使
用される。第４図に示されているように極低温に於ける
熱伝導の念めには、他の銅合金よりも、高純度鋼材料す
なわち無酸素鋼（ＯＦＨＣ）がよい。第４図は、温度が
ほぼ１００Ｋから１０にへと低下する際に高純度鋼の熱
伝導率が劇的に増大することを示している。

極低温以外の温度に於いて最善の熱伝達を得るためには
弾性率の比較的小さい材料が使用され、そうした材料は
、弾性率の大きい材料よりも大きな歪みを生ずる。そう
した低弾性率材料は比較的大きな歪みを示すので、与え
られる負荷に対し、かなシ大きな接触領域を得ることが
出来る。

比較的高い温度に於いて最善の熱伝達を得るためには、
内輪および外輪と軸受ボールとの間の熱伝導および熱伝
達を改善する目的で液体問滑剤が使用される。流体弾性
力学的フィルムは熱流に対する接触抵抗を実質的に増大
させるので、与えられた負荷とボール速度とに於いてそ
のようなフィルムを支承面９６．９８．１００．１０２
の上に生成することのない液体關滑剤が選択される。

この装置１０の利点については以下に述べる。

まず第１に、この装置１０は、発明の背景を述べるに際
して説明した従来技術による装置のそれぞれが有する様
々な問題点を克服し得る。そうした克服される問題点に
は、可祷ケーブル装置に於ける回転制限の問題、輻射装
置に於ける貧弱な熱伝達性能、輻射伝導装置に於ける大
きなドラグトルクとシール漏れ、熱パイプ装置に於ける
温度範囲の制限とシール漏れ、ならびＫ、回転式流体カ
プラ装置に於けるシールの複雑さと大きなドラグトルク
、を含む。

装置１０の第２の利点は、運転温度および運転条件がそ
れぞれ異なる場合には装置１０の有する様々な特徴の中
からそれぞれ異なる特徴を適用し得ることである。装置
１０の特徴の中には、大きな伝熱速度をも之らす為の比
較的大きなばね定数を有するスプリング１１０を含んで
おり、さらに、１００ケルビン（Ｋ）を下回る温度に於
いて増大する熱伝導率をもたらし得る高純度銅材料にて
それぞれ作られたボール１８と外輪１４と内輪１６とを
含んでおり、さらに、滑シ摩擦の除去と、あらゆる温度
に於いて全体的な熱伝導を改善する為のボール１８と外
輪１４と内輪１６とに於ける薄い金めつきの使用とを含
んでおり、さらに、接触点に於ける熱伝導率を高め全体
的な熱伝導を改善するための、ボール１８と外輪１４と
内輪１６とに於ける低い弾性率の使用とを含んでいる。

以上、提示実施例に沿って本発明を説明したが、使用さ
れ九用語は本発明を制限するためのものではなく単に実
施例を説明するためのものであり、本発明の真の範囲お
よびその精神から逸脱することなく、添付される請求の
範囲の枠内で多くの変更がなされてよい。

例えばスプリング部材１１０．１１２．１１４．１１６
．１１８．１２０．１２２として、コイルスプリングの
代シに、波形座金または弾性高分子部材またはベルビル
ワッシャ等の他の形式のスプリング部材が用いられても
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による熱伝達装置の第２図の線１−１
についての断面図、第２図は第１図の線２−２について
の部分切取断面図、第３図は、第２図の線３−３につい
ての断面図、第４図は、異なる銅合金についての４つの
曲線を示している、温度に対する熱伝導率のグラフであ
る。１０・・・・熱伝達装置、１２・・・・回転軸、１４　
・拳・瞳外輪、１６Ｏφ・番内輪、１８゜２０．２２，
２４，２８，２８，３０，３２゜３４．３６．３８−・
拳・軸受ボール、４０゜４２．４４，４６，４８，５０
，５２，５４゜５６．５８・・・・ローラすなわちセパ
レータ、６０・・・・内輪の第１側板、６２・・・・第
１０−ラ軌道、６４・・・・内輪の第２側板、６６・・
・・第２０−ラ軌道、８８，７０，７２゜７４．７６．
７８，８０．８１　　・−・・ねじ、８２・・・・セパ
レータの第１円柱部、８４・・・・セパレータのＭ２円
柱部、８８・・・・セハレータ中央の陥凹部、８８．９
０・・Φ・ローラ軌道の内側の転がり面、９２・・・・
内輪の固定リング部、９４・・・・内輪の可動りング部
、９６・・・・第１支承面、９８・・・・第２支承面、
１００　・・・・第３支承面、１０２　−・・・第４支
承面、１０４　・・・・外輪の頂部、１０６・・・・軸
受ボールの球面、１０８・・・・軸受ボールの球面と外
輪頂部との間の隙間、１１０１１２．１１４，１１６，
１１８，１２０，１２２・・・・コイルスプリング、１
２４，１２６　・・争・隣接部材。

Claims

【特許請求の範囲】軸（１２）を有する外輪（１４）と、前記外輪（１４）と同軸の内輪（１６）と、前記外輪（
１４）と前記内輪（１６）との間に放射状に配置された
複数の軸受ボール（１８、２０、２２、２４、２６、２
８、３０、３２、３４、３６、３８）と、前記軸受ボー
ルの中間の外周方向に、前記軸受ボールと交互に配置さ
れた複数のセパレータ（４０）４２、４４、４６、４８
、５０、５２、５４、５６、５８）と、前記セパレータ
を支持するための第１軌道（６２）および第２軌道（６
６）と、スプリング手段とから構成され、前記内輪（１６）は第１支承面（９６）を具備する第１
内側リング部（９２）を有し、且つ、第２支承面（９８
）を具備する第２内側リング部（９４）を有し、前記外輪（１４）は前記の各軸受ボールを挾むようにし
て前記第２支承面（９８）の反対側に配置された第３支
承面（１００）を有し、前記外輪（１４）は前記の各軸受ボールを挾むようにし
て前記第１支承面（９６）の反対側に配置された第４支
承面（１０２）を有し、前記第１支承面（９６）と前記第２支承面（９８）と前
記第３支承面（１００）と前記第４支承面（１０２）と
は各々、前記の各軸受ボールに接触しており、前記スプ
リング手段（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８
、１２０、１２２）は前記第２内側リング部（９４）を
前記第１内側リング部（９２）へと向けて軸（１２）方
向に推進するように、前記第１支承面（９６）と前記第
２支承面（９８）と前記第３支承面（１００）と前記第
４支承面（１０２）とに対しそれぞれ第１の力と第２の
力と第３の力と第４の力とを直角に加えることを特徴と
する熱伝達装置。