JP2003276696A - 衛星用ヒートパイプパネル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒートパイプパネルの両面への機器の搭載を
可能にするとともに、衛星内部へのパネルの配置を可能
とし、特に、多数のTWTAの搭載を可能とする。 【解決手段】 機器を搭載する表皮と、該表皮に接する
ハニカムコアと、該表皮に接して該ハニカムコア内に埋
め込まれたヒートパイプからなるヒートパイプ群と、該
ヒートパイプ群に接しかつ直交して該ハニカムコア内に
埋め込まれたヒートパイプからなる第２のヒートパイプ
群と、第２ヒートパイプ群に接しかつ直交して該ハニカ
ムコア内に埋め込まれたヒートパイプからなる第３のヒ
ートパイプ群と、第３のヒートパイプ群に接する機器を
搭載する表皮を備え、第２のヒートパイプ群に接続され
たラジエータを備えることにより、ヒートパイプパネル
の両面への機器の搭載を可能にするとともに、衛星内部
へのパネルの配置を可能とし、特に、多数のTWTAの搭載
を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はこの発明は、人工衛
星に用いられるヒートパイプパネルに関し、ヒートパイ
プパネル両面に機器が搭載可能で、衛星内部に設置可能
である点を特徴とするものである。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星のシステム設計においては、搭
載された発熱機器で発生する熱をどのようにして宇宙空
間に排出するかが重要な課題である。これは、衛星軌道
が高真空環境であるので、空気のような流体を媒体にし
た自然放熱が期待できないためである。図６は、一般的
な人工衛星の構造を示す。図中、パネル１９、２０、２
１、２２、２３、２４からなる衛星構体と、太陽電池パ
ドル２５を備えている。静止軌道にある衛星は、地球に
対する姿勢方向が一定になるように制御されており、
北、南、西、東の各々の方向に面することから、パネル
１９が北面パネル、パネル２０が南面パネル、パネル２
１が東面パネル、パネル２２が西面パネルと呼ばれてい
る。また、地球方向に面するパネル２３は、地球指向面
パネル、地球と反対方向に面するパネル２４は、反地球
指向面パネルと称する。太陽電池パドル２５は、北面パ
ネル１９と南面パネル２０に取り付けられるのが普通で
ある。このような構造の人工衛星においては、北面パネ
ル１９と南面パネル２０に対する太陽光の入射が少ない
ので、衛星内部で発生する熱を宇宙空間に排出するため
のラジエータとして北面パネル１９と南面パネル２０が
利用される。これに伴って、ほとんどの発熱機器２６
は、北面パネル１９と南面パネル２０の内側に搭載され
ることとなる。また、図中には衛星搭載機器中、発熱の
大きな機器として進行波増幅管（TWTA：Traveling Wave
Tube Amplifier 以下TWTAと称す）２７を示す。

【０００３】図７は、代表的な大電力容量型TWTAの概形
を示たもので、発熱源である本体部２８と、発生した熱
を排出するためのラジエータ部２９から構成されてい
る。TWTAの動作時、本体部で発生した熱の約５０％は、
本体部のパネル取付け面（図７中では、本体の底部）か
らTWTAが取り付けられているパネルに対して熱伝導によ
り排出される。残りの約５０％は、宇宙空間に露出させ
たラジエータ部から宇宙空間に向って、放射により排出
される。このような、宇宙空間に直接熱を放射する機能
を備えたTWTAをダイレクトクーリング型TWTAと称し、大
電力容量型のTWTAでしばしば見られる。近年、衛星の通
信容量が増大するに連れ、このようなダイレクトクーリ
ング型TWTAを多数搭載することが求められるようになっ
てきている。

【０００４】すでに述べたとおり、衛星の搭載機器は北
面パネルと南面パネルの内側に搭載されるわけである
が、ダイレクトクーリング型TWTAを搭載する場合は、ラ
ジエータを宇宙空間に露出する必要があるため、その搭
載位置は北面と南面の端部に限られ、図６に示すTWTA２
７が搭載されているような配置とならざるを得ない。図
８に示したのは、特開2000-097585号公報に記載のヒー
トパイプパネルであり、上記のような構成の北面や南面
に適用されるものである。表皮３０とアルミハニカムコ
ア３１とサンドイッチパネルの内部の上段に埋め込まれ
ているヒートパイプ３２と下段に埋め込まれているヒー
トパイプ３３から構成されており、上段と下段のヒート
パイプが直交するように配置されている。このヒートパ
イプパネルで、例えばパネル下面をラジエータとして利
用するなら、パネル上面の左右の端部でヒートパイプの
直上部がTWTAの搭載位置となる。このようなヒートパイ
プパネルでは、全てのヒートパイプが熱的に結合されて
いるので、パネル全面に対して均一な温度分布を得るこ
とができ、ラジエータ面の放熱効率が高まって、効果的
に排熱を行なうことが可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなヒートパ
イプパネルは、衛星構体の南北の面に配置されること
で、TWTAをはじめとする発熱機器を衛星に搭載し、効果
的な排熱を行なうことを可能にする。しかしながら、パ
ネルの片面をラジエータとして使用することを想定して
いるため、パネルを衛星内部に配置したり、パネルの両
面を利用して多数の機器を搭載したりすることができな
い。また、ダイレクトクーリング型のTWTAが搭載できる
部位が片面の端部に限られていて、多数のTWTAの搭載が
求められる最近の衛星では、TWTAを搭載しきれない状況
が生まれている。

【０００６】本発明は以上の状況を鑑みてなされたもの
であり、ヒートパイプパネルの両面への機器の搭載を可
能にするとともに、衛星内部へのパネルの配置を可能と
するもので、特に、多数のTWTAの搭載が可能となる衛星
用ヒートパイプパネルを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の衛星用ヒートパ
ネルは、機器を搭載する第１の表皮と、該第１の表皮に
接するハニカムコアと、前記表皮に接して該ハニカムコ
ア内に埋め込まれたヒートパイプからなる第１のヒート
パイプ群と、該第１のヒートパイプ群に接しかつ直交し
て前記ハニカムコア内に埋め込まれたヒートパイプから
なる第２のヒートパイプ群と、該第２ヒートパイプ群に
接しかつ直交して前記ハニカムコア内に埋め込まれたヒ
ートパイプからなる第３のヒートパイプ群と、該第３の
ヒートパイプ群に接し機器を搭載する第２の表皮と、前
記第２のヒートパイプ群に接続されたラジエータとを備
えたものである。

【０００８】また、上記衛星用ヒートパネルにおいて、
第１及び第２の表皮の材料が、アルミニウムであること
を規定するものである。

【０００９】また、上記衛星用ヒートパネルにおいて、
第１及び第２の表皮が、炭素繊維強化プラスチック、炭
素繊維強化炭素のうち少なくともいずれか１つであるこ
とを規定するものである。

【００１０】さらに、上記炭素繊維強化プラスチックま
たは炭素繊維強化炭素の炭素繊維は、第１及び第２の表
皮に接するヒートパイプと直交する方向に配設され、繊
維軸方向の熱伝導率が400 W/mK以上であることを規定す
るものである。

【００１１】また、上記衛星用ヒートパネルにおいて、
第１の表皮と第１のヒートパイプとを、及び第２の表皮
と第３のヒートパイプとを、可撓性接着剤で固定したも
のである。

【００１２】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、この発明
の実施の形態１のヒートパイプパネルの分解図、図２は
その側面図である。図中、表皮１と、表皮１に接するハ
ニカムコア２と、表皮１に接してハニカムコア２内に埋
め込まれた１本以上のヒートパイプからなるヒートパイ
プ群３と、ヒートパイプ群３に直交してハニカムコア２
内に埋め込まれた１本以上のヒートパイプからなるヒー
トパイプ群４と、ヒートパイプ群４に直交してハニカム
コア２内に埋め込まれた１本以上のヒートパイプからな
るヒートパイプ群５と、ヒートパイプ群５に接する表皮
６とからなり、表皮１と６の表面上、ヒートパイプ群３
と５のヒートパイプの端部直上にTWTA７が搭載されてい
る。また、ヒートパイプ群４には、熱伝導部材８を介し
てラジエータ９が接続されている。

【００１３】ここで熱伝導部材８には、ヒートパイプや
高熱伝導の炭素繊維など、効果的に熱を輸送できるもの
を用い、ラジエータ９は衛星外部に露出させて、宇宙空
間に熱が放射できるようにしておく。ここでは、熱伝導
部材８が、ヒートパイプ群４の端部に接続された例を示
したが、接続位置は、ヒートパイプの他の部分であって
もよい。

【００１４】上記のような構成のヒートパイプパネルで
は、TWTAなどの搭載機器からパネルに伝えられた熱は、
熱伝導部材８を介してラジエータ９に伝えられ、宇宙空
間に排出されるので、従来のヒートパイプパネルのよう
にパネル片面をラジエータとする必要がなく、パネル両
面に発熱機器を搭載することができる。特に、ヒートパ
イプを三重に重ねたことで、ダイレクトクーリング型TW
TAがパネル両面に搭載できるようになっている。また、
パネルを衛星内部に設置することも可能となるので、こ
れまで機器が搭載されていた南北面とは別に、衛星内部
に機器搭載のためのパネルを設けることが可能となる。
以上のことから、TWTAをはじめとする多数の発熱機器を
衛星に搭載することができるようになる。

【００１５】なお、ここで、表皮１および表皮６をアル
ミニウムで形成すれば、加工性が良く安価で、熱伝導性
も良好なので、ヒートパイプパネルを加工性が良く安価
で排熱性能が良好なヒートパイプパネルを得ることがで
きる。

【００１６】また、表皮１および表皮６を、炭素繊維強
化プラスチックまたは炭素繊維強化炭素を含む材料で形
成してもよい。表皮１、６に含まれる材料としては、例
えば、PAN系炭素繊維のM60J（東レ製）とシアネートエ
ステル樹脂EX1515（Bryte Technologies社製）からなる
炭素繊維強化プラスチックが用いられる。

【００１７】このような構成のヒートパイプパネルにお
いては、表皮が軽量かつ高剛性の材料からなるので、軽
量かつ高剛性のヒートパイプパネルを得ることができ
る。

【００１８】実施の形態２．図３は、この発明の実施の
形態２を示すヒートパイプパネルの分解図、図８はその
側面図で、図中同一番号の構成要素は同じものを示す。
実施の形態２では、表皮１４および表皮１５が、繊維軸
方向の熱伝導率が400W/mK以上の炭素繊維を強化材とす
る繊維強化プラスチックまたは繊維強化炭素を含む材料
からなっており、強化繊維は図中矢印で示すように、ヒ
ートパイプパネル群３および５に直交するように配置さ
れている。表皮１４および１５に含まれる材料として
は、例えば、熱伝導率が600W/mKのピッチ系炭素繊維のK
13D（三菱化学社製）とシアネートエステル樹脂EX1515
（Bryte Technologies社製）からなる炭素繊維強化プラ
スチックが用いられる。繊維軸方向の熱伝導率が400 W/
mK以上の繊維を用いると、繊維配向方向の表皮の熱伝導
率はおよそ200W/mK以上となり、アルミニウムの190W/mK
を越える熱伝導率を実現することができる。

【００１９】このような構成のヒートパイプパネルにお
いては、表皮が高熱伝導の炭素繊維を含んでおり、かつ
炭素繊維がヒートパイプと直交する方向に配列されてい
るので、隣接するヒートパイプ同士が高熱伝導炭素繊維
により熱的に結合され、ヒートパイプパネルの均熱性が
向上し、搭載機器の温度上昇が抑えられるという効果が
ある。

【００２０】実施の形態３．図５は、この発明の実施の
形態５のヒートパイプパネルの側面図で、図中同一番号
の構成要素は、同じものであるであることを示す。表皮
は１６および１７は、実施の形態３または４に示すもの
と同じである。実施の形態３では、表皮１６および１７
とヒートパイプ群３および５が可撓性接着剤１８で接着
されている。可撓性接着剤としては、例えばシリコンゴ
ム系の接着剤を用いることができる。このような構成の
ヒートパイプパネルにおいては、表皮とヒートパイプが
可撓性材料で接着されており、ヒートパイプとの熱膨張
率差により表皮に発生する熱応力が緩和されるので、ヒ
ートパイプパネルが大きな温度変化に曝されても、表皮
が熱応力によって破損することがないという効果があ
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の衛星用ヒー
トパイプパネルは、ヒートパイプパネルが三重に重ねら
れたヒートパイプ群を備えており、パネルに伝わった熱
を宇宙空間に排出するためのラジエータを備えていて、
パネル両面に機器を搭載することが可能で、機器を搭載
するためのパネルを衛星内部に設けることが可能なの
で、TWTAをはじめとする多数の発熱機器を衛星に搭載す
ることができる。

【００２２】上記において、表皮が、加工性が良く安価
で、熱伝導性も良好なアルミニウムからなるので、ヒー
トパイプパネルを加工性が良く安価で排熱性能が良好な
ヒートパイプパネルを得ることができる。

【００２３】また、上記において、表皮が軽量かつ高剛
性で熱伝導率の高い材料からなるので、軽量かつ高剛性
で排熱性能が高いヒートパイプパネルを得ることができ
る。さらに、表皮が高熱伝導の炭素繊維を含んでおり、
かつ炭素繊維がヒートパイプと直交する方向に配列され
ているので、隣接するヒートパイプ同士が高熱伝導炭素
繊維により熱的に結合され、ヒートパイプパネルの均熱
性が向上し、搭載機器の温度上昇が抑えられる。

【００２４】また、上記において、表皮とヒートパイプ
が可撓性材料で接着されており、ヒートパイプとの熱膨
張率差により表皮に発生する熱応力が緩和されるので、
ヒートパイプパネルが大きな温度変化に曝されても、表
皮が熱応力によって破損することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１に係る、ヒートパイプ
パネルの分解図である。

【図２】 本発明の実施の形態１に係る、ヒートパイプ
パネルの側面図である。

【図３】 本発明の実施の形態２に係る、ヒートパイプ
パネルの分解図である。

【図４】 本発明の実施の形態２に係る、ヒートパイプ
パネルの側面図である。

【図５】 本発明の実施の形態３に係る、ヒートパイプ
パネルの側面図である。

【図６】 従来の一般的な衛星の構造を示す図である。

【図７】 従来の代表的なTWTAの概形を示す図である。

【図８】 従来のヒートパネルパイプの構造を示す図で
ある。

【符号の説明】

１、６、１４，１５，１６，１７ 表皮、 ２ ハニ
カムコア、３、４，５ ヒートパイプ群、７ ＴＷＴ
Ａ、 ８ 熱伝導部材、９ ラジエータ、 １８
可撓性接着剤。

フロントページの続き (72)発明者 尾崎 毅志 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 進行波増幅管を搭載する衛星用ヒートパ
   イプパネルであって、機器を搭載する第１の表皮と、該
   第１の表皮に接するハニカムコアと、前記表皮に接して
   該ハニカムコア内に埋め込まれたヒートパイプからなる
   第１のヒートパイプ群と、該第１のヒートパイプ群に接
   しかつ直交して前記ハニカムコア内に埋め込まれたヒー
   トパイプからなる第２のヒートパイプ群と、該第２ヒー
   トパイプ群に接しかつ直交して前記ハニカムコア内に埋
   め込まれたヒートパイプからなる第３のヒートパイプ群
   と、該第３のヒートパイプ群に接し機器を搭載する第２
   の表皮と、前記第２のヒートパイプ群に接続されたラジ
   エータとを備えたことを特徴とする衛星用ヒートパイプ
   パネル。
2. 【請求項２】 第１及び第２の表皮の材料が、アルミニ
   ウムであることを特徴とする請求項１に記載の衛星用ヒ
   ートパイプパネル。
3. 【請求項３】 第１及び第２の表皮が、炭素繊維強化プ
   ラスチック、炭素繊維強化炭素のうち少なくともいずれ
   か１つであることを特徴とする請求項１に記載の衛星用
   ヒートパイプパネル。
4. 【請求項４】 炭素繊維強化プラスチックまたは炭素繊
   維強化炭素の炭素繊維は、、第１及び第２の表皮に接す
   るヒートパイプと直交する方向に配設され、繊維軸方向
   の熱伝導率が400 W/mK以上であることを特徴とする請求
   項３に記載の衛星用ヒートパイプパネル。
5. 【請求項５】 第１の表皮と第１のヒートパイプとを、
   及び第２の表皮と第３のヒートパイプとを、可撓性接着
   剤で固定したことを特徴とする請求項３または４に記載
   の衛星用ヒートパイプパネル。