JP2015182706A - イオンエンジン試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型のヘリウム冷凍機を使用せず、簡易な設備構成でクライオパネルを冷却することができるイオンエンジン試験装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るイオンエンジン試験装置１は、極低温に保持されたシュラウドが設けられた真空槽５内に設置したビームターゲット７に向けてイオンエンジン９からイオンビームを噴射してイオンエンジンの試験を行うイオンエンジン試験装置であって、イオンエンジン９とビームターゲット７の間の空間内において、真空槽５の内周面に沿って設けられた筒状のクライオパネル１１と、クライオパネル１１を冷却する直付式冷凍機１３とを有することを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、宇宙環境と略同等の高真空、極低温の環境を模擬的に形成して宇宙環境で使用される機器類を試験する宇宙環境試験装置に関するものであり、特に、宇宙空間で人工衛星等の姿勢制御用として使用されるイオンエンジンの試験を行うイオンエンジン試験装置に関するものである。

イオンエンジン試験装置は、一般に、真空容器の内部にシュラウドと呼ばれる熱吸収壁を設置して宇宙の冷暗黒を模擬するとともに、クライオパネルと呼ばれる２０Ｋ以下に冷却されて大容量のポンプとして機能するクライオポンプを設置して、補助排気系と同時に使用し、イオンエンジン作動時においても真空容器の内部を高真空に排気して宇宙の高真空を模擬し、該装置に設置したイオンエンジンの試験を行うものである。

このようなイオンエンジン試験装置は、真空槽の一端側にイオンエンジンを設置し、イオンエンジンから噴射されるキセノンイオンビームを、当該真空槽の他端側に設置したビームターゲットで受け、ビームターゲットにて中性化されたキセノンガスを２０Ｋ〜５０Ｋ程度に冷却されたクライオパネルに凝結排気させることにより高真空を維持するものである。

近年、イオンエンジンは高出力化の傾向にあり、これに対応するために、キセノンガスの排気能力を大きく確保することが求められている。このため、クライオパネルの面積を大きくして排気能力を高めるために、クライオパネルを冷却するヘリウム冷凍機の冷凍能力を大きくしなければならない。その結果、附帯設備を含めたヘリウム冷凍機システム全体の設備規模が大型化し、設置スペースやコストが著しく増大する。

このような問題を解決するものとして、例えば特許文献１には、真空容器内においてビームターゲットを挟むようにして第１のクライオパネルと第２のクライオパネルを設置し、真空容器の外に配置したヘリウム冷凍機から配管を介して液体ヘリウムを第１、第２のクライオパネルに供給するようにしたイオンエンジン試験装置が開示されている。

特開２０１０−７１１０３号公報

しかしながら、特許文献１では、真空容器内の２箇所にクライオパネルを設けており、これら２箇所に設けたクライオパネルにヘリウム冷凍機から液体ヘリウムを供給するようにしているので、設備が複雑であり、また、液体ヘリウムを供給するための配管や配管途中に設けるバルブ類から熱が伝達されるため、このような侵入熱を踏まえた冷凍能力が必要となりヘリウム冷凍機の設備規模も大型化せざるを得ない。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、大型のヘリウム冷凍機を使用せず、簡易な設備構成でクライオパネルを冷却することができるイオンエンジン試験装置を提供することを目的としている。

（１）本発明に係るイオンエンジン試験装置は、極低温に保持された真空槽内に設置したビームターゲットに向けてイオンエンジンからイオンビームを噴射してイオンエンジンの試験を行うイオンエンジン試験装置であって、
前記イオンエンジンとビームターゲットの間の空間内において、前記真空槽の内周面に沿って設けられた筒状のクライオパネルと、該クライオパネルを冷却する直付式冷凍機とを有し、
該直付式冷凍機は、冷凍機本体と該冷凍機本体から延出するシリンダー部と、該シリンダー部の先端に設けられたコールドヘッドを有し、前記冷凍機本体が前記真空槽の外周部に固定され、前記真空槽の外周部に形成された開口部から前記シリンダー部を真空槽内に挿入して、かつ前記コールドヘッドが前記クライオパネルに直付け接合されていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記シュラウドは前記真空槽の内周壁に沿って筒状に設けられた外側シュラウドと内側シュラウドからなる２重構造を有し、前記クライオパネルは前記外側シュラウドと前記内側シュラウドの間に挟まれるように配置されていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記クライオパネルは、その湾曲する両側の辺部に片側に屈曲する片フランジ部を有し、該片フランジ部に形成された穴に支持棒が挿通されて、該支持棒が前記真空槽の内周面に設けられたドーナツ形状のカバー体の穴に挿通されることで、前記クライオパネルが前記真空槽に取付けられていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、支持棒と穴との間には隙間が形成されると共に支持棒と穴の内周面とが線接触していることを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記ドーナツ形状のカバー体の穴は径方向に長い長穴であり、かつ支持棒を挿通したときに穴との間に隙間が形成されていることを特徴とするものである。

（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記クライオパネルは湾曲した複数枚の板状からなり、各クライオパネルが前記真空槽の内壁に沿って筒状に配置され、各クライオパネルに前記直付式冷凍機がそれぞれ取付けられていることを特徴とするものである。

本発明に係るイオンエンジン試験装置は、イオンエンジンとビームターゲットの間の空間内において、真空槽の内周面に沿って設けられた筒状のクライオパネルと、該クライオパネルを冷却する直付式冷凍機とを有し、該直付式冷凍機は、冷凍機本体と該冷凍機本体から延出するシリンダー部と、該シリンダー部の先端に設けられたコールドヘッドを有し、前記冷凍機本体が前記真空槽の外周部に固定され、前記真空槽の外周部に形成された開口部から前記シリンダー部を真空槽内に挿入して、かつ前記コールドヘッドが前記クライオパネルに直付け接合されているので、大型のヘリウム冷凍機を使用せず、簡易な設備構成でクライオパネルを冷却することができる。

本発明の一実施の形態に係るイオンエンジン試験装置の説明図である。 図１における矢視Ａ−Ａ線に沿う断面を示す図であって、直付式冷凍機の配置を説明する説明図である。但し、図１において図示している高真空排気装置は図示を省略している。 本発明の一実施の形態に係るクライオパネルの説明図である。 図３の一部を拡大して示す拡大図である。 クライオパネルの取付構造及び直付式冷凍機とクライオパネルの直付け接合構造を説明する説明図である。 本発明の一実施の形態に係るカバー体の説明図である。

本実施の形態に係るイオンエンジン試験装置１は、図１に示すように、真空槽５内に設置したビームターゲット７に向けてイオンビームを噴射してイオンエンジン９の試験を行う装置であって、真空槽５の内周面に沿って設けられ極低温に保持されたシュラウド３に組み込まれた、円筒状のクライオパネル１１とクライオパネル１１を冷却する直付式冷凍機１３とを有している。
以下、各構成及び付属機器について詳細に説明する。

＜真空槽＞
真空槽５は、横型円筒形の主真空槽１５と、主真空槽１５の鏡板部に接続された横型円筒形の副真空槽１７とを備えている。なお、以下の説明において、主真空槽１５内に取付けられる機器類に関して方向を示す場合において、周方向、軸方向、径方向という用語を用いることがあるが、これは主真空槽１５に機器類を取付けた状態で、主真空槽１５の軸方向、周方向及び軸方向直交断面の径方向をいうものとする。

主真空槽１５には、図１、図２に示すように、直付式冷凍機１３を取付けるための取付部１９が周方向に５カ所設けられている。取付部１９は、主真空槽１５に設けた開口部から径方向に突出するノズル管１９ａと突出管の先端に形成されたノズルフランジ部１９ｂとを有している（図２参照）。
主真空槽１５および副真空槽１７の材質はステンレス鋼が用いられ、内面はバフ研磨などの表面処理が行われている。主真空槽１５と副真空槽１７には、それぞれ内部にアクセスするための図示しない扉等が設けられている。
副真空槽１７が１つの場合は、通常、主真空槽１５と軸線を合わせて設置されるが、軸線をずらして複数の副真空槽１７を設置してもよい。また、主真空槽１５と副真空槽１７は、フランジ等で直接連結してもよいし、図示しない仕切り弁等を間に取付けて、空間を仕切れるようにしてもよい。

主真空槽１５には、主真空槽１５内を大気圧から低真空領域まで排気する粗引排気装置２１と、低真空領域から高真空領域まで排気する高真空排気装置２３が設けられている（図１参照）。これら粗引排気装置２１及び高真空排気装置２３は、シュラウド３やクライオパネル１１が所定の温度に冷却されて大容量クライオポンプとして機能するまでの間、主真空槽１５内を高真空にするために使用される。
また、主真空槽１５と副真空槽１７を図示しない仕切り弁等で仕切って使用する場合、副真空槽１７内を個別に真空排気できるように、図示しない専用の真空排気装置等を設けてもよい。

主真空槽１５の内側には、断熱のためシールド板２５が設置されている。シールド板２５は、通常、常温の主真空槽１５の壁面から、常温以下の温度で運用されるシュラウド３やビームターゲット７等への侵入熱を低減させるために設置されるため、イオンビームの噴射口や高真空排気の排気口等の開口が必要な部分を除いたところに配置されている。また、シールド板２５には、直付式冷凍機１３のコールドヘッド１３ｃを挿通させるための開口２５ａが設けられている（図２参照）。
なお、シールド板２５は、ステンレス鋼の磨き板が使用できるほか、アルミ合金の板やスーパーインシュレーションと呼ばれる多層断熱シートなどを用いることができる。シールド板を設けない構成としてもよい。

＜シュラウド＞
シュラウド３は、円筒状の外側シュラウド２７と、外側シュラウド２７の内側に所定の隙間を介して円筒状に設けられた内側シュラウド２９とからなる二重円筒状の構造をしている。シュラウド３の材質はアルミ合金が用いられているが、他の材質でもよい。
シュラウド３には、液体窒素供給設備３１から液体窒素が供給されて冷却される。
円筒形状の二重円筒状のシュラウド３の両端側面には冷却管３２が取り付けられたドーナツ形状のカバー体３３（詳細は後述）がそれぞれ設けられている。

外側シュラウド２７には、直付式冷凍機１３のコールドヘッド１３ｃを挿通させるための開口２７ａが設けられている（図２参照）。
内側シュラウド２９は、イオンビームそのものや、ビームターゲット７で発生するスパッタ粒子や輻射熱が、クライオパネル１１に直接入射しないように、クライオパネル１１に対して視野角をなくす（光学的に見えないようにする）とともに、キセノンガスが通過できるように、シェブロン型（Ｖ字型）の羽板を周方向に並べて円筒形状に組み合わせたルーバー構造としている。また、内側シュラウド２９は黒色をしており、これによって輻射熱を吸収することができ、クライオパネル１１へ熱が伝達するのを効果的に防止できる。
なお、ルーバーの構造ならびにルーバーを構成する羽板の形状ならびに配置については、上記のものに限られず、クライオパネル１１に対して視野角をなくし、かつキセノンガスが通過できる構造であればよい。

なお、本実施の形態ではシュラウド３の冷却に液体窒素供給設備３１から供給される液体窒素を用いているが、シュラウド３の冷却方法はこれに限られず他の冷却方法であってもよい。
また、この例では、ドーナツ形状のカバー体３３についても、シュラウド３と同様の温度に冷却している。後述するように、クライオパネル１１が外側シュラウド２７と内側シュラウド２９の間に配置されることから、カバー体３３を冷却することでクライオパネル１１への侵入熱の低減効果が増すので、カバー体を冷却しない場合より好ましい。

＜ビームターゲット＞
ビームターゲット７は、イオンエンジン９と対向する軸線延長上に中心を置いて設置されている。もっとも、イオンビームは放射状に広がって噴射するため、図示しない主真空槽１５円筒胴部などにも必要に応じて設置してもよい。
ビームターゲット７の材質は、アルミ、チタン、カーボンなどが用いられるが、その他の材料を使うこともできる。
ビームターゲット７の裏面には、温調のため、アルミ合金等の熱伝導率の高い材料によって形成された冷媒流路付きのバッキングプレート３５が取付けられ、主真空槽１５の外部に設置されている温調装置３７から冷媒が供給されて冷却されている。
冷媒を供給する配管は、供給配管と返送配管がそれぞれ1本ずつでもよいし、それぞれ複数本であってもよい。また、冷媒は、温調する温度に応じて、水のほかフロン等を用いることができる。また、ビームターゲット７とバッキングプレート３５の間には、伝熱効果を高める目的で、図示しない伝熱シート等を挟んでもよい。

＜イオンエンジン＞
イオンエンジン９は図示しない治具を用いて副真空槽１７内に設置されるが、図示しない治具を用いて主真空槽１５内に設置してもよい。

＜クライオパネル＞
クライオパネル１１は、湾曲した５枚の矩形板状体を主真空槽１５の内壁に沿って円筒状に配置して形成されている（図１、図２参照）。
クライオパネル１１の材質は、常温から極低温までの広い温度領域において使用可能な材料の中から、熱伝導率、輻射率、比重、コスト等を総合的に考慮して決定される。
また、クライオパネル１１の面積は、キセノンの必要排気速度と、直付式冷凍機１３の冷凍能力等より決定する。
また、クライオパネル１１の厚さは、薄いほど熱容量が小さくなるため、所定の温度に冷却するまでの時間を短くすることができるが、逆に温度分布は大きくなる傾向にある。そのため、クライオパネル１１の厚さは、トレードオフの関係にある所定温度までの冷却所用時間と温度分布の大きさとを適切に調整して決定される。

なお、本発明の実施形態においては、クライオパネル１１の材質は純アルミ系合金が用いられ、円筒形状のパネルを周方向に５分割して形成され、１枚あたりのクライオパネル１１の概略寸法は、軸長１．９ｍ×周長１．４ｍ×厚さ１ｍｍとしている。
クライオパネル１１の中央には、直付式冷凍機１３のコールドヘッド１３ｃを接合するための取合部１１ａが設けられている（図３参照）。そして、この例では、クライオパネル１１、１枚に対して直付式冷凍機１３を１台ずつ設置するようにしている。

クライオパネル１１は厚さが薄く、自重等による変形が生ずる可能性があるので、これを防止するために周方向に延びる複数のリブ１１ｂを絞り加工によって形成し、半径方向の強度を向上させている（図３参照）。
また、クライオパネル１１の軸方向の両端部に補強及び取付け部として機能するアングル鋼３９が取付けられている。なお、アングル鋼３９が本発明の片フランジ部に相当する。
この両端部のアングル鋼３９の周方向両端部近くに２つの真円状の穴３９ａが設けられており、これらの穴３９ａに軸方向に２本の支持棒４１が挿通されている。そして、支持棒４１の両端部をシュラウド３両端側面に配置されたドーナツ形状のカバー体３３に支持させることで、クライオパネル１１は外側シュラウド２７と内側シュラウド２９の間に設置されている（図５参照）。
このように、クライオパネル１１を外側シュラウド２７と内側シュラウド２９の間に配置し、さらにはドーナツ形状のカバー体３３によって囲むことで、内側、外側及び側面からの侵入熱の低減が図られている。

クライオパネル１１の両端のアングル鋼３９に設けられた穴３９ａの内径は１０ｍｍで、支持棒４１の外径は８ｍｍであり、支持棒４１を穴３９ａに挿通した状態では、図４に示すように、支持棒４１の外面と穴３９ａの周面とは穴３９ａの厚み方向の線接触となり、接触面積が小さくなっている。そのため、熱伝導を小さくすることができ、クライオパネル１１への伝導による入熱が防止される。

また、支持棒４１と穴３９ａとの間に隙間があるので、クライオパネル１１が支持棒４１に対して軸方向、径方向、周方向のそれぞれに一定範囲内で自由に移動できるようになっている。
また、シュラウド３両端側面のドーナツ形状のカバー体３３には、図６に示すように、長径１７ｍｍ×短径１２ｍｍの長穴３３ａが、径方向に長径を持つように設けられている。このため、支持棒４１が長穴３３ａに挿入された状態で、支持棒４１は軸方向、周方向及び径方向に自由に移動でき、特に径方向への移動量が大きく確保されている。

このように、クライオパネル１１を支持棒４１に対して移動可能にし、かつ支持棒４１をカバー体３３に対して移動可能にすることで、クライオパネル１１を設置した状態で、クライオパネル１１が一定範囲内で自由に移動できるようになっている。このため、主真空槽１５に設置したクライオパネル１１にコールドヘッド１３ｃを直付け接合するに際して、位置合わせ及び取付けが簡単に行えるとともに、コールドヘッド１３ｃ、クライオパネル１１、シュラウド３それぞれの冷却に伴う熱変形を吸収して、クライオパネル１１に応力が作用するのを防止できる。

なお、上記の支持棒４１の数量、外径ならびに、穴３９ａおよび長穴３３ａのサイズ等は、実施形態の一例を示したものであり、上記した条件に限定されるものではない。
また、本実施の形態は、軸線が水平方向となる横型円筒形の主真空槽１５に設置するクライオパネル１１の場合について説明しているが、軸線が垂直方向となる縦型円筒形の主真空槽１５クライオパネル１１の場合についても適用できる。さらに、クライオパネル１１の形状は円筒形に限定するものではなく、その他の形状であってもよいことは言うまでもない。
また、本実施の形態では、クライオパネル１１を周方向に５分割しているが、分割数はこれに限られず、またクライオパネル１１の面積が小さい場合には分割せずに一枚で円筒状にしてもよい。

＜直付式冷凍機＞
直付式冷凍機１３は、クライオパネル１１を２０Ｋ〜５０Ｋ程度の極低温まで冷却するものである。このような直付式冷凍機１３は、ＧＭ冷凍機等の機械式冷凍機のほか、パルスチューブ冷凍機等を用いることができる。
これらの直付式冷凍機１３は、図２に示すように、冷凍機本体１３ａと、冷凍機本体１３ａから延出するシリンダー部１３ｂと、該シリンダー部１３ｂの先端に設けられたコールドヘッド１３ｃを有している。また、冷凍機本体１３ａには直付式冷凍機１３を主真空槽１５に固定するためのフランジ部１３ｄが形成されている。
直付式冷凍機１３は、主真空槽１５の外周部に形成された開口部からシリンダー部１３ｂをノズル管１９ａを介して真空槽５内に挿入して、コールドヘッド１３ｃがクライオパネル１１に直付け接合された状態でフランジ部１３ｄを主真空槽１５のノズルフランジ部１９ｂに固定することによって、主真空槽１５に固定されている。

本発明の実施形態においては、周方向に５分割されたクライオパネル１１に、クライオパネル１１、１枚に対して１台、合計５台の直付式冷凍機１３のコールドヘッド１３ｃがそれぞれ接続されている。コールドヘッド１３ｃは、クライオパネル１１の中心部に設けた取合部１１ａに直付け接合され、これによってクライオパネル１１は中心部で拘束されている。
このように、クライオパネル１１を分割して分割した各クライオパネル１１に対して１対１で対応するように直付式冷凍機１３を取付けるようにすることで、直付式冷凍機１３と主真空槽１５及びクライオパネル１１との位置合わせを容易に行うことができる。

直付式冷凍機１３の取付けに際しては、直付式冷凍機１３のシリンダー部１３ｂを、ノズル管１９ａを介して真空槽５内に挿入して、コールドヘッド１３ｃをクライオパネル１１の取合部１１ａに直付け接合する。上述したように、クライオパネル１１は周方向、軸方向及び径方向に自由に移動できるので、この直付け接合に際して、クライオパネル１１を所望の位置に移動することができ、直付け接合を容易にできる。

また、ノズルフランジ部１９ｂに直付式冷凍機１３のフランジ部１３ｄを固定した後、コールドヘッド１３ｃをクライオパネル１１の取合部１１ａに直付け接合する際も、製作や組み立てに伴う誤差を吸収して容易に作業を行うことができる。
特に、本実施の形態においては、分割された各クライオパネル１１にそれぞれ直付式冷凍機１３を取り付けるようにしているので、各クライオパネル１１の移動の自由度が高く、より取付けを容易にできる。

以上のように構成されたイオンエンジン試験装置１においては、クライオパネル１１を直付式冷凍機１３によって冷却するようにしており、配管によって液体ヘリウムを循環させる場合のように配管等からの侵入熱がないので、大型のヘリウム冷凍機を用いることなく、極低温の冷却が簡易な構造によって実現できる。
そして、本実施の形態では、クライオパネル１１を主真空槽１５に対して、周方向、軸方向及び径方向に自由に移動できるように取付けており、クライオパネル１１と直付式冷凍機１３の直付け接合を容易にできると共に、シュラウド３やクライオパネル１１をそれぞれ冷却した際に発生する熱変形を吸収できる。

１ イオンエンジン試験装置
３ シュラウド
５ 真空槽
７ ビームターゲット
９ イオンエンジン
１１ クライオパネル
１１ａ 取合部
１１ｂ リブ
１３ 直付式冷凍機
１３ａ 冷凍機本体
１３ｂ シリンダー部
１３ｃ コールドヘッド
１３ｄ フランジ部
１５ 主真空槽
１７ 副真空槽
１９ 取付部
１９ａ ノズル管
１９ｂ ノズルフランジ部
２１ 粗引排気装置
２３ 高真空排気装置
２５ シールド板
２５ａ 開口（シールド板）
２７ 外側シュラウド
２７ａ 開口（外側シュラウド）
２９ 内側シュラウド
３１ 液体窒素供給設備
３２ 冷却管
３３ カバー体
３３ａ 長穴
３５ バッキングプレート
３７ 温調装置
３９ アングル鋼
３９ａ 穴
４１ 支持棒

Claims (6)

1. 極低温に保持されたシュラウドが設けられた真空槽内に設置したビームターゲットに向けてイオンエンジンからイオンビームを噴射してイオンエンジンの試験を行うイオンエンジン試験装置であって、
   前記イオンエンジンとビームターゲットの間の空間内において、前記真空槽の内周面に沿って設けられた筒状のクライオパネルと、該クライオパネルを冷却する直付式冷凍機とを有し、
   該直付式冷凍機は、冷凍機本体と該冷凍機本体から延出するシリンダー部と、該シリンダー部の先端に設けられたコールドヘッドを有し、前記冷凍機本体が前記真空槽の外周部に固定され、前記真空槽の外周部に形成された開口部から前記シリンダー部を真空槽内に挿入して、かつ前記コールドヘッドが前記クライオパネルに直付け接合されていることを特徴とするイオンエンジン試験装置。
2. 前記シュラウドは前記真空槽の内周壁に沿って筒状に設けられた外側シュラウドと内側シュラウドからなる２重構造を有し、前記クライオパネルは前記外側シュラウドと前記内側シュラウドの間に挟まれるように配置されていることを特徴とする請求項１記載のイオンエンジン試験装置。
3. 前記クライオパネルは、その湾曲する両側の辺部に片側に屈曲する片フランジ部を有し、該片フランジ部に形成された穴に支持棒が挿通されて、該支持棒が前記真空槽の内周面に設けられたドーナツ形状のカバー体の穴に挿通されることで、前記クライオパネルが前記真空槽に取付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンエンジン試験装置。
4. 支持棒と穴との間には隙間が形成されると共に支持棒と穴の内周面とが線接触していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のイオンエンジン試験装置。
5. 前記ドーナツ形状のカバー体の穴は径方向に長い長穴であり、かつ支持棒を挿通したときに穴との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のイオンエンジン試験装置。
6. 前記クライオパネルは湾曲した複数枚の板状からなり、各クライオパネルが前記真空槽の内壁に沿って筒状に配置され、各クライオパネルに前記直付式冷凍機がそれぞれ取付けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のイオンエンジン試験装置。

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