JP2002120799A - 熱制御装置及び熱制御方法 - Google Patents
熱制御装置及び熱制御方法Info
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Abstract
と同等の放射率特性を有する熱制御装置を提供する。 【解決手段】 高温相では絶縁体性質であり、低温相で
は金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大で
あり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であっ
て、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する
相変化物質1に、高温相で熱放射量が大である基材物質
2を組み合わせて構成された複合材料4により、対象物
3の温度を制御する熱制御装置10。
Description
の装置に関するものであり、特に、詳しくは、人工衛星
及び宇宙船等の宇宙航行機に搭載される電子機器等の発
熱の対象となる対象物の熱制御に好適な熱制御方法及び
その装置に関するものである。
は、外表面からの宇宙空間への熱放射が外部環境への放
熱手段となり、熱放射量が宇宙機の温度を支配する。
量の大幅な変動に対し、温度を適正な範囲に保ったり、
当該温度の急激な増大或いは低下を防止する方法とし
て、多くの技術が開発されて来ている。
路を設けるか、特開平11−217562号の図6に示
されている様なサーマルルーバ方式を使用するものが知
られている。
事は、エネルギーの消費を増大すると同時に宇宙航行体
の質量を増し、又内部容量も大きくならざるを得ないと
共に、機械的な可動部分が存在する為に上記の問題に加
えて信頼性が低く且つ寿命が短いと言う問題を有してい
た。
相転移物質を、人工衛星内の安定した熱供給源と熱変動
の大きい放熱面を持った衛星搭載部品との間に設け、当
該相転移物質が高温の時には、熱伝導率が小さくなり、
低温時には熱伝導率が大きくなる様に設定して温度制御
を行う方法が示されているが、後述する本発明の構成と
は低温相と高温相との熱伝導率は逆の構成を有してお
り、効率的な温度制御は不可能である。
変化物質を封入した容器と当該容器に密着したヒートパ
イプと当該容器の外面に密着した電気ヒータとから構成
されている宇宙航行体の電子機器の温度制御装置が開示
されているが、ヒータを別に必要とする他装置全体が大
きくなり重量も増加する為、宇宙航行体には不向きの装
置である。
は、高温相では赤外輻射率が低く、低温相では赤外輻射
率が高い相転移物質を温度制御が必要な搭載機器とヒー
トシンクとの間に配置した人工衛星の熱制御装置が開示
されているが、後述する本発明の構成とは低温相と高温
相との赤外輻射率は逆の構成を有しており、効率的な温
度制御は不可能である。
は、二酸化バナジウムからなる相変化物質を単独で搭載
機器とヒートシンクとの間に配置した構成が示されてい
るが、後述する本発明の相変化物質とは異なる相変化物
質であって、且つその使用方法も異なっており、効率的
な温度制御は不可能である。
2に示されている様に、当該熱制御装置として、機械的
な原理に依らず、単にペロブスカイトMn酸化物等から
なる相変化物質の熱放射特性を利用して温度を制御する
装置が提案されている。
な電子機器類である対象物3の放熱面5に直接貼着する
例が示されている。
例に於いて使用される相変化物質は、ペロブスカイトM
n酸化物等の一種で、高温相では熱放射率が高く、低温
相では熱放射率が低い。上記した公知の相変化物質を用
いた熱制御装置では、高温相に於いて相変化物質単体で
高放射率を得る必要があるため、厚さ数百μmを要して
いた。
して用いた場合は、同物質の密度が6.6g/cm3 と
高いため、例えば厚さ200μmでは約1.3kg/m
2 もの質量を要す欠点があった。
で固く、従って、薄く且つ柔軟性を持った相変化物質を
得る事は不可能で有った。
ードをバイメタル等で開閉するサーマルルーバに比べて
1/3〜1/5の質量であるが、それでも質量制約が厳
しい宇宙機にとっては、さらなる質量軽減が必要であ
る。
リティを持たないため、曲率を持つ対象物への取付が困
難で、適用範囲が限定されてしまう欠点があった。
り付けることが出来れば、さらに適用の自由度とその範
囲は拡大するが、上記した従来の相変化物質をそのまま
一層で使用する場合限り実用性のある熱制御装置を構成
する事は困難で有った。
点を改良し、従来と同等の放射率特性を有する熱制御装
置を従来に比べ軽量化し、高性能化した熱制御装置及び
熱制御方法を提供するものであり、更には、従来数百μ
m以上必要であった相変化物質を、低密度の基材物質上
に数μm程度の膜状に形成し、従来と同等の放射率特性
を有する熱制御装置を提供すると共に柔軟性を持たせて
曲率を持つ対象物への適用も可能な熱制御装置及び熱制
御方法を提供するものである。
達成するため、以下に記載されたような技術構成を採用
するものである。即ち、本発明に係る第1の態様として
は、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性
質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温
相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低
温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する相変化物質
に、高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせ
て構成された複合材料により、対象物の温度を制御する
様に構成された熱制御装置であり、又、本発明に係る第
2の態様としては、高温相では絶縁体性質であり、低温
相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が
大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質で
あって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有
する相変化物質に、高温相で熱放射量が大である基材物
質を組み合わせて構成された複合材料を対象物に直接に
或いは間接的に取り付ける事によって、当該対象物の温
度を制御する様に構成された熱制御方法である。
熱制御方法は、上記した様な技術構成を採用しているの
で、従来の相変化物質を用いた熱制御装置と同等の特性
が得られると共に、さらに軽量化する事が可能な熱制御
装置を提供するものである。
相では絶縁体性質で、低温相では金属的性質を有する厚
さ数μm乃至30μm程度の相変化物質1を、厚さ数1
0〜100μmのシリコン、アルミナや安定化ジルコニ
ア等の放射率が高く低密度で充分な強度と靭性を有する
基材物質へ厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等で形成し、係
る複合材料を、熱制御が必要な電子機器である、対象物
に熱的に強く結合させ取り付ける様にして簡単に熱制御
装置を構成するものである。
ムを使用することにより、電気機器の曲面への適用が可
能な熱制御装置が実現され、当該熱制御装置の適用範囲
が拡大され、自由度が増加する。
方法の構成の具体例の構成を図面を参照しながら詳細に
説明する。
置10の一具体例の構成を示す図であって、図中、高温
相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であ
り、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では
熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に
於いて熱赤外域で高い反射率を有する相変化物質1に、
高温相で熱放射量が大である基材物質2を組み合わせて
構成された複合材料4により、対象物3の温度を制御す
ることを特徴とする熱制御装置10が示されている。
1は、1乃至30μm程度の厚さを有している事が好ま
しい。
質2は、当該相変化物質1よりも大なる厚みを有してい
るものであって、好ましくは10乃至100μm、より
好ましくは30乃至50μmである。
基材物質2とを積層する方法としては、例えば、1乃至
数μm厚の相変化物質1を当該基材物質2の表面に、粉
末状にして塗布する塗布方法、ペースト状にしたものを
印刷焼成する厚膜焼き付け法、又は蒸着方法等により積
層形成する事が可能であり、さらに当該基材物質2は温
度を制御する対象物3の表面に熱的に強く結合させて取
り付ける。
化物質1は、ペロブスカイト酸化物である事が望まし
く、例えば、ペロブスカイトMn酸化物である。
スカイト酸化物は、A1-x Bx MnO 3で表されるMn
を含んだペロブスカイト酸化物(AはLa,Pr,N
d,Smの希土類イオンの中の少なくとも一つ、BはC
a,Sr,Baのアルカリ土類金属イオンの中の少なく
とも一つ)である。
しては、例えば、(V1-x Crx ) 2 O 3で示されるC
rを含んだコランダムバナジウム酸化物を使用する事も
可能である。
物質2は、シリコン、アルミナ、あるいは安定化ジルコ
ニア等を使用する事が可能であり、又当該基材物質2は
可撓性を有するものである事が望ましく、フィルム状、
膜状、で任意の方向に湾曲させたり、屈曲させる事が可
能な構成を有している事が望ましい。
発熱体である対象物3の表面5に直接或いは適宜の熱伝
導物質を介して貼着するものであって、当該貼着に当た
っては、適宜の接着材を介して、当該対象物と熱的に結
合されている事が好ましい。
記した宇宙航行体の平面状部分のみでなく、球状、湾曲
状、凹凸状等を含む有らゆる非平面状部分を有している
もので有っても良く、本発明に係る当該熱制御装置10
は、上記した如何なる当該対象物3の表面に貼着させる
事が可能である。
衛星、宇宙船、等を含む、宇宙航行体に使用される電
気、電子回路を含んでいるものである。
細な構成を動作を含めて以下に説明する。
に於いては、その作用、動作に関しては、基本的に、物
質は電子と格子の挙動でその光学特性を理解することが
でき、物質を良導体とすると、その物質の反射率及び誘
電率は、光の振動数と物質固有のプラズマ振動数として
表すことが出来る。
赤外域に於ける光の反射に必要な相変化物質の厚さは、
その表面に入射する電磁波の波長よりも遙かに短くて良
いことになり、波長10μmオーダーの熱赤外域に対し
て、相変化物質の厚さが1μm以上であれば十分高い反
射率及び低い放射率が得られる。
磁波の波長より厚くなければ、十分な吸収率及び放射率
が得られない。
象物3が低温の場合には、対象物3に熱結合した相変化
物質1の熱放射量は小さく、従って、対象物3から外部
環境への放熱量を少なくすることができ、対象物3の温
度低下を抑えることができる。
している相変化物質1は絶縁体的となる。数μm厚の相
変化物質1は数10μmの熱赤外光に対して十分に高い
放射率を提供することはできないが、その下層の放射率
の高い基材物質2からの熱放射が相変化物質1を透過す
るため、相変化物質1の表面からの放熱量は大きくな
る。
量を多くすることができ、対象物3の温度上昇を抑える
ことができる。
対象物3の温度が低下すると、対象物3と熱結合してい
る基材物質2の温度も低下するため、その上に塗布又は
蒸着等で形成された相変化物質1の温度が低下する。当
該相変化物質1がその相転移温度以下になると放射率が
低下し、外部環境への放熱量が低下する。
とが出来る。
物3と熱結合している基材物質2、及び相変化物質1の
温度は上昇する。
熱放射を行うことが出来ないが、高放射率を持つ下地の
基材物質2からの熱放射が相変化物質1を透過するた
め、両者を合わせた大きな熱放射が得られる。このた
め、外部環境への放熱量は増加し、対象物3の温度上昇
を抑えることが出来る。
他の具体例に付いて図3を参照して説明するならば、本
具体例に於いては、当該基材物質2として可撓性を有す
るものを得に使用するものであって、数μm乃至30μ
m厚の相変化物質1を、数μm〜100μm厚のフレキ
シブルな基材物質2に厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等に
より取り付けられ、さらに基材物質2は温度を制御する
曲面形状を有する対象物3の表面に熱的に強く結合させ
て取り付けるものである。
シリコン、アルミナ、安定化ジルコニア等が使用可能で
ある。
対象物3の温度が低下すると、対象物3と熱結合してい
る基材物質2の温度も低下するため、その上に厚膜焼き
付け、塗布又は蒸着等で形成された相変化物質1の温度
が低下する。
と放射率が低下し、外部環境への放熱量が低下する。
とが出来る。一方、対象物3の温度が上昇すると、対象
物3と熱結合している基材物質2、及び相変化物質1の
温度は上昇する。
熱放射を行うことが出来ないが、高放射率を持つ下地の
基材物質2からの熱放射が相変化物質1を透過するた
め、両者を合わせた大きな熱放射が得られる。このた
め、外部環境への放熱量は増加し、対象物3の温度上昇
を抑えることが出来る。
更に他の具体例に付いて説明するならば、当該具体例に
於いては、当該相変化物質1の当該基材物質2が積層さ
れている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を有
する反射板6を積層させた複合材料7を使用するもので
ある。
は、図4に示す様に、数μm厚の相変化物質1を30乃
至50μm厚の基材物質2に厚膜焼き付け、塗布又は蒸
着等により取り付けられ、さらに基材物質2は温度を制
御する対象物3の表面に熱的に強く結合させて取り付け
る。図5は、たてよこ各50mm、厚さ50μmのイッ
トリア安定化ジルコニア基板に厚膜焼き付け法により形
成した厚さ10μmのLa0.8Sr0.075Ca0.125Mn
O3組成の厚膜の放射率温度依存性データを示すグラフ
であり、170K〜380Kの温度範囲で測定した全半
球放射率である。 転移温度である240K以下で急激
な放射率の変化があり、低温域で金属的、高温域で絶縁
体的な特徴を示している。
せ、可視光を反射する性質を有する太陽光反射板6を配
置している。当該相変化物質1の太陽光波長領域(0.
3μm〜2.5μm)の反射率は0.2前後と低く、太
陽光に対する吸収率が高い。
する場所に配置すると装置10自体の熱吸収量が多くな
り、放熱にとって不利となる。これを解決するため、図
4に示すように、上記性質を有する太陽光反射板6を配
置することで可視光に於ける熱吸収量を低減している。
板6は熱赤外光に対して透明なため、装置の基本的な動
作原理は第1の具体例と同じである。
明するならば、上記した本発明に係る当該熱制御装置1
0の動作の説明から明らかな様に、本発明に係る当該熱
制御方法は、基本的には、高温相では絶縁体性質であ
り、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱
放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変
化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反
射率を有する相変化物質1に、高温相で熱放射量が大で
ある基材物質2を組み合わせて構成された複合材料4を
対象物3に直接に或いは間接的に取り付ける事によっ
て、当該対象物3の温度を制御する様に構成された宇宙
航行体に於ける電子機器類の様な発熱する対象物の熱制
御方法である。
当該基材物質2は、当該相変化物質1よりも大なる厚み
を有している事が望ましい。
ロブスカイト酸化物である事が好ましく、例えば、ペロ
ブスカイトMn酸化物である事も好ましい。
ては、当該基材物質2は可撓性を有するものである事も
好ましい。
該熱制御方法に於いては、当該相変化物質1の当該基材
物質2が積層されている面とは反対側の面に可視光を反
射する性質を有する太陽光反射板6を積層させた複合材
料7を使用する事も望ましい。
対象物の表面に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼
着するものである。
装置は、上記した様な技術構成を採用しているので、第
1の効果は、高密度な相変化物質を数μmにまで薄くす
ることが出来るため、軽量化できることである。従来の
相変化物質は単体で低温相及び高温相の熱放射の特性を
得るために厚さ数百μmで有ったのに対して、本発明で
は厚さ数μmの相変化物質と低密度で放射率の高い基材
物質との組み合わせで達成できるため、相変化物質の軽
量化、及び軽量な基材物質により、装置全体を軽量化す
ることが出来る。
わせにより、取扱性及び貼付自由度が向上するため、使
用用途範囲が拡大することである。
質の厚さは数百μmであったため、柔軟性に乏しく貼り
付ける際の対象物表面の平面性が要求される。これに対
して本発明は、貼付対象物が円筒形等の形状で有ったと
しても柔軟な基材物質を適用することにより貼り付ける
ことが出来る。
構成を示す断面図である。
断面図である。
の構成を示す断面図である。
体的の構成を示す断面図である。
0μmのLa0.8Sr0.075Ca 0.125MnO3組成の厚膜
の放射率温度依存性データを示すグラフである。
Claims (20)
- 【請求項1】 高温相では絶縁体性質であり、低温相で
は金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大で
あり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であっ
て、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する
相変化物質に、高温相で熱放射量が大である基材物質を
組み合わせて構成された複合材料により、対象物の温度
を制御することを特徴とする熱制御装置。 - 【請求項2】 当該相変化物質は、塗布、厚膜焼き付
け、蒸着等により形成された1乃至数10μmの厚さを
有している事を特徴とする請求項1に記載の熱制御装
置。 - 【請求項3】 当該基材物質は、当該相変化物質よりも
大なる厚みを有している事を特徴とする請求項1又は2
に記載の熱制御装置。 - 【請求項4】 当該相変化物質は、ペロブスカイト酸化
物である事を特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載
の熱制御装置。 - 【請求項5】 当該相変化物質は、ペロブスカイトMn
酸化物である事を特徴とする請求項4に記載の熱制御装
置。 - 【請求項6】 当該基材物質は、10乃至100μmの
厚さを有している事を特徴とする請求項1乃至5の何れ
かに記載の熱制御装置。 - 【請求項7】 当該基材物質は、シリコン、アルミナ、
安定化ジルコニアまたはその他の可撓性を有するもので
ある事を特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の熱
制御装置。 - 【請求項8】 当該相変化物質の当該基材物質が積層さ
れている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を有
する反射板または反射膜等を積層させた事を特徴とする
請求項1乃至7の何れかに記載の熱制御装置。 - 【請求項9】 当該複合材料を発熱体である対象物の表
面に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼着してある
事を特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載の熱制御
装置。 - 【請求項10】 当該複合材料は、適宜の接着材を介し
て、当該対象物と熱的に結合されている事を特徴とする
請求項9記載の熱制御装置。 - 【請求項11】 当該対象物は、非平面状部分を有して
いる事を特徴とする請求項1乃至10の何れかに記載の
熱制御装置。 - 【請求項12】 当該対象物は、人工衛星、宇宙船、等
を含む、宇宙航行体に使用される電気、電子回路を含ん
でいる事を特徴とする請求項1乃至11の何れかに記載
の熱制御装置。 - 【請求項13】 高温相では絶縁体性質であり、低温相
では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大
であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であ
って、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有す
る相変化物質に、高温相で熱放射量が大である基材物質
を組み合わせて構成された複合材料を対象物に直接に或
いは間接的に取り付ける事によって、当該対象物の温度
を制御する事を特徴とする熱制御方法。 - 【請求項14】当該基材物質は、当該相変化物質よりも
大なる厚みを有している事を特徴とする請求項13に記
載の熱制御方法。 - 【請求項15】 当該相変化物質は、ペロブスカイト酸
化物である事を特徴とする請求項13に記載の熱制御方
法。 - 【請求項16】 当該相変化物質は、ペロブスカイトM
n酸化物である事を特徴とする請求項15に記載の熱制
御方法。 - 【請求項17】 当該基材物質は、シリコン、アルミ
ナ、安定化ジルコニアまたはその他の可撓性を有するも
のである事を特徴とする請求項13乃至16の何れかに
記載の熱制御方法。 - 【請求項18】 当該相変化物質の当該基材物質が積層
されている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を
有する反射板または反射膜を積層させる事を特徴とする
請求項13乃至17の何れかに記載の熱制御方法。 - 【請求項19】 当該複合材料を発熱体である対象物の
表面に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼着する事
を特徴とする請求項13乃至18の何れかに記載の熱制
御方法。 - 【請求項20】 当該対象物は、人工衛星、宇宙船、等
を含む、宇宙航行体に使用される電気、電子回路を含ん
でいる事を特徴とする請求項1乃至10の何れかに記載
の熱制御方法。
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