JP2588633B2

JP2588633B2 - 人工衛星・宇宙機搭載用電子機器の温度制御機構

Info

Publication number: JP2588633B2
Application number: JP2287194A
Authority: JP
Inventors: 利秀前田; 声興岩井; 彰夫磯; 健治関根
Original assignee: UCHU TSUSHIN KISO GIJUTSU KENKYUSHO KK; Hitachi Ltd
Current assignee: UCHU TSUSHIN KISO GIJUTSU KENKYUSHO KK; Hitachi Ltd
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1997-03-05
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JPH04163298A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、人工衛星および宇宙機搭載用電子機器の電
子部品環境温度が許容範囲内に保たれるように制御する
機構に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、人工衛星に搭載する電子機器の熱制御手法につ
いては、第32回宇宙科学技術連合講演会講演集（1988）
pp125−153において論じられている。この方法は、電子
機器が搭載される板の内部にヒートパイプを内蔵するこ
とにより、電子機器が搭載される板全体の等温化をはか
り、一方で、電子機器が搭載される板の電子機器が搭載
されない、あるいは搭載される電子機器の少ない面に放
熱面を設け宇宙空間に放熱する方式となっている。

第４図は従来技術における人工衛星・宇宙機搭載電子
機器の熱制御機構を示す模式的な断面図である。

11は電子機器であって、これを熱的に見れば発熱体で
あり、その発熱量は変化する。

２枚のアルミ板12a,12bによってアルミハニカム13を
挾みつけた形に固着し、上記２枚のアルミ板の内の片方
のアルミ板12aに電子機器11を搭載するとともに、他方
のアルミ板12bの外側面に太陽光を反射する皮膜14が設
けられている。そして、前記アルミハニカム13の中にヒ
ートパイプ２が埋設されている。

電子機器11で発生した熱の１部はアルミ板12a,アルミ
ハニカム13,アルミ板12bを通って宇宙空間に放散され
る。

また、発生した熱の一部は熱伝導によりヒートパイプ
２に伝えられ、この熱によりヒートパイプの暖められた
部分にあった作動流体は気化し、ヒートパイプ内の温度
の低い部分へと拡散する。この気化した作動流体は、ヒ
ートパイプ内、の温度の低い部分で冷却されて液化し、
ヒートパイプ内部に設けられた還流路を通ってヒートパ
イプ内の発熱体によって暖められた部分へと戻ってい
く。この動作が繰り返されることにより、ヒートパイプ
全体が等温化するとともに、高発熱密度の発熱を効率良
く拡散することが出来る。

〔発明が解決しようとする課題〕

人工衛星・宇宙機技術の進歩に伴い、これに搭載され
る電子機器内部の部品配置も高密度化する傾向にある。
この電子機器内部の高密度化に伴って、その熱的な面で
も条件が厳しくなり、発熱密度が高くなるとともに発熱
量も増加する。

ところが、前記公知の技術（宇宙科学技術連合講演会
講演集）においては、高発熱密度で高発熱の発熱体を有
する電子機器については、電子機器自体がすでに熱制御
されていることを前提としており、電子機器自体の熱制
御については配慮されておらず電子機器自体の熱制御を
どうするかという問題が残されていた。このため、高発
熱密度で、且つ高発熱の発熱体を有する将来型の人工衛
星宇宙機搭載用電子機器の熱制御に適用出来なくなる虞
が有る。

さらに、前記従来技術においては電子機器の発熱を放
散させて過熱を防止することについて考慮されている
が、過冷についての考慮が無い。このため、人工衛星・
宇宙機の飛翔中に、地球，月などの天体の影に入って太
陽光を受けなくなると、電子機器の環境温度が急激に低
下して過冷する虞がある。

上に述べた加熱，過冷については、単に温度が高くな
りすぎ，低くなりすぎてはならないという問題だけでな
く、温度上昇の速度や温度下降の速度が大きすぎてはな
らないという問題も有る。

本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、高発熱
密度，大発熱量の電子機器の環境温度を制御して、その
温度を許容温度範囲内に保つとともに、その経時的温度
変化を許容温度変化率範囲内に収め得る、人工衛星・宇
宙機搭載用電子機器の温度制御機構を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕上記の目的を達成するため、本発明の構成は、人工衛
星・宇宙機に搭載される電子機器について、電子部品および次電池を含むコンポーネント単位を考
え、この単位の中に（イ）ヒートパイプと、（ロ）相変
化物質を封入した容器と、（ハ）電気ヒータと、を設置
した。

本発明を実施する場合、電子機器を構成している電子
部品の許容温度範囲を考慮に入れて、前記の相変化物質
の融点が許容温度範囲の上限近傍になるように構成する
ことが推奨される。

また、許容温度範囲の下限近傍の融点を有する相変化
物質を用いることも有効である。従って、これらを勘案
して、許容温度範囲の上限近傍の融点を有する相変化物
質を封入した容器と、同じく下限近傍の融点を有する相
変化物質を封入した容器との両方を設置することが望ま
しい。

また、電子機器を構成している電子部品は、回路基板
上に浮かせて搭載するのではなく熱キャリアを介して密
着させ、熱伝導状態を良くしておくことが望ましい。

また、電子部品を筐体中に配置する場合は、該筐体を
熱の良導体で構成するとともに、これをベース部材に対
して熱的に密着させて固定し、かつ、電子部品は、ヒー
トパイプ及び前記の容器を介して筐体の内面に熱的に密
着させて取りつけることが望ましい。

上記の、熱的に密着させる構造として溶接手段を用い
ることもできるが、溶接できない場合には、宇宙空間で
アウトガスの少ないグリスを介して取り付けると好都合
である。

さらに、これらの電子部品，ヒートパイプ，相変化物
質を入れた容器について、これらを一体に連設した部材
として構成すれば、各々の間の接触熱抵抗が無くなるた
め、いっそう好都合である。

〔作用〕

前記の構成によれば、電子部品で発生した熱はヒートパイプによって、先
ず、温度分布を略均一にされ、均一な熱流密度で伝導さ
れて次のような効果を助長する。

相変化物質は、先ず、該物質自体の熱容量によって温
度変化を緩和する。

温度上昇を緩和されて除々に昇温して、許容温度の上
限近傍に達すると上記の相変化物質が融解し始め、融解
潜熱を吸収しつつ、温度を一定に保つ。

また、人工衛星・宇宙機が天体の影に入って太陽熱を
受けなくなり、かつ電子部品の負荷が減少して発熱量が
低下したような場合は、前記と逆の現象を生じ、相変化
物質自体の熱容量によって温度降下が緩和され、許容温
度範囲の下限近傍に達すると凝固潜熱（前記の融解潜熱
に対応）を発生しつつ温度を一定に保つ。この温度降下
防止作用のみでは温度降下を防止し切れない場合は電気
ヒータに通電して保温することができる。

この場合、電気ヒータによる保温が補助的に用いられ
ることは重要である。

即ち、人工衛星・宇宙機が天体の影に入って、その温
度が下降しつつある状態では、この人工衛星・宇宙機に
搭載されている太陽電池が機能を停止しており、電気機
器類の消費電力は専ら２次電池に頼っている。

従って、電子部品の保温が主として相変化物質の凝固
潜熱によって行われ、電気ヒータの消費電力が節減され
ることの実用効果面での意義が大きい。

〔実施例〕

第１図（Ａ）は本発明に係る温度制御機構の１実施例
を示す断面図である。本実施例は、本発明を通信衛星搭
載用の電力増幅器に適用した例である。

この電力増幅器は、中継器パネル５をベース板とし、
このベース板に設置されている。

９は、熱の良導体で構成された筐体であって、その本
体9aはベース板５に密着せしめて固定されている。9bは
その蓋である。

発熱体である電子部品１は、熱の良導体で構成された
熱キャリア６を介して電子回路基板７上に配置されてい
る。

前記筐体９の底壁の内面に密着させて、ヒートパイプ
２が設置されており、かつ、前記電子部品１の許容温度範囲の上限近傍に融点を有
する相変化物質3aを封入した容器4aと、上記許容温度範囲の下限近傍に融点を有する相変化物
質3bを封入した容器4bとが、それぞれ筐体９の底壁の内
面に密着させて設置されている。

そして、前記の容器4a,4bに密着させて電気ヒータ10
が設置されている。

この実施例における電子部品１は電力増幅を行う半導
体部品である。この電子部品１で発生した熱は、熱キャ
リア6,電子回路基板７を経由して、伝導によりヒートパ
イプ２へと伝わりヒートパイプの等温化作用により、ヒ
ートパイプの軸方向へと拡散する。

ヒートパイプ全体の温度上昇により、容器4a,4b、及
びこれらに封入された相変化物質3a,3bに熱が伝わる。

融点に相当する温度以外においても、これらの容器や
相変化物質は相当の熱容量を有しているので、電子部品
１で発生した熱を吸収し、その温度上昇を緩和する。

温度上昇速度の緩和により、熱歪，熱応力の発生が防
止される。

相変化物質3aの温度は徐々に上昇し、放熱量とバラン
スすると温度上昇が停止する。しかし、放熱量が充分で
なく温度上昇が続き、その融点に達した場合、相変化物
質3aが融解し始める。

その融解中は、相変化物質3aが融解潜熱を吸収しつ
つ、略一定温度を保つ。

本発明の実施例において、各構成部品を密着せしめる
場合、力学的に密着させるだけでなく熱的に密着させる
こと、即ち、伝熱抵抗の少ない状態で密着させることが
必要である。このために、溶接することもできるが、溶
接施工が許されない場合も少なくない。このような場合
は、宇宙空間でアウトガスの少ないグリスを挾んで密着
させ、ネジ止めなど適宜の公知手段を併用する。

本発明を実施する場合、これらの構成部材を別体に構
成して溶接したり、グリスを介して接触させたりするの
でなく、これらを一体の部材として構成すれば、接触熱
抵抗が無いので好都合である。

第１図（Ｂ）は、このような考えで構成した実施例の
断面図である。本例は第１図（Ａ）の実施例における容
器4aと容器4bとを、ヒートパイプ２と一体に連設した構
成である。

また、電子部品１の発熱量が減少したり、中継器パネ
ルであるベース板５から宇宙空間への放熱量が増加した
りして装置全体が降温傾向となった場合、容器4a,4b、
及び相変化物質3a,3bの熱容量によって温度降下速度が
緩和される。

このようにして徐々に降温して許容温度範囲の下限近
傍に達すると、相変化物質3bが凝固を始め、凝固潜熱を
発生しつつ略一定の温度を保つ。

上記の凝固潜熱だけでは温度降下の防止が充分でない
ときは、図示しない２次電池から電力を供給して電気ヒ
ータ10に通電し、保温を補助する。

第１図（Ａ）に示したヒートパイプ２、容器4a,4b及
び電気ヒータ10の分解斜視図を第２図に示す。

第３図は上記と異なる実施例を示し、前記実施例にお
ける第２図に対応する斜視図である。

前例（第２図）においては２個の容器4a,4bの間に１
本のヒートパイプ２を挾みつけて密着させた配置であっ
たが、本例（第３図）においては３個の容器４と２個の
ヒートパイプ２とを、それぞれ１個ずつ交互に配列して
ある。これら３個の容器４の中に封入する相変化物質の
融点は任意に選定することができる。

また、３個のヒートパイプ２と２個の容器４とを交互
に配列するなど、これらの構成部材の設置個数は任意に
設定し得る。この場合、温度分布の均一化（従って熱流
密度の均一化）を重視する場合はヒートパイプ２の設置
個数を増し、温度変化の抑制を重視する場合は容器４の
設置個数を増せば良い。

いずれの場合においてもヒートパイプ２と容器４とは
熱的に密着させる。第２図，第３図の実施例においては
宇宙空間でアウトガスの少ないグリスの薄層を介して相
互に押し付けてネジ止め（ネジは図示省略）して熱的に
密着させた。

これらの実施例（第１図〜第３図）に示した温度制御
機構を人工衛星・宇宙機用の電子機器に適用すると、該
電子装置を構成している電子部品が高発熱密度であっ
て、その発熱量の変化が大きくても、該電子部品の環境
温度の変化速度を抑制するとともに、該環境温度を許容
範囲内に保つことができる。

また、これらの実施例の温度制御機構を備えた電子機
器を搭載した人工衛星・宇宙機は、この人工衛星・宇宙
機から宇宙空間への放熱量が大きく変化しても、搭載し
ている２次電池の電力消耗を節約しつつ搭載電子機器の
温度制御を容易に行い、該電子機器を許容温度範囲内に
保つとともに、その温度変化速度を抑制することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の温度制御機構を適用す
ると、人工衛星・宇宙機器に搭載された電子機器の環境
温度を制御して許容温度範囲内に保つと共に、その温度
変化速度を抑制することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明に係る温度制御機構の１実施例を
示す断面図、第１図（Ｂ）は上記と異なる実施例の断面
図である。第２図は、第１図（Ａ）の実施例の要部を描いた分解斜
視図である。第３図は上記と異なる実施例の要部を描いた斜視図であ
る。第４図は従来技術の説明図である。１……電子部品、２……ヒートパイプ、 3a,3b……相変化物質、 4,4a,4b……容器、５……ベース板、６……熱キャリア、７……電子回路基板、９……筐体、9a……筐体の本体、 9b……筐体の蓋、10……電気ヒータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者磯彰夫東京都千代田区岩本町２丁目12番５号株式会社宇宙通信基礎技術研究所内 (72)発明者関根健治東京都千代田区岩本町２丁目12番５号株式会社宇宙通信基礎技術研究所内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】人工衛星・宇宙機搭載用電子機器の温度を
制御する機構において、相変化物質を封入した容器と、
該容器に密着して配置されたヒートパイプと、前記容器
の外側の面に密着して配置された電気ヒータと、前記ヒ
ートパイプの上部に配置された電子機器および２次電池
を含むコンポーネントとからなることを特徴とする人工
衛星・宇宙機搭載用電子機器の温度制御機構。
【請求項２】前記の相変化物質は、電子部品の環境温度
が許容される温度範囲の上限近傍に融点を有するもので
あることを特徴とする請求項１に記載の人工衛星・宇宙
機搭載用電子機器の温度制御機構。
【請求項３】前記の相変化物質は、電子部品の環境温度
が許容される温度範囲の下限近傍に融点を有するもので
あることを特徴とする請求項１に記載の人工衛星・宇宙
機搭載用電子機器の温度制御機構。
【請求項４】前記の相変化物質は、電子部品の環境温度
が許容される温度範囲の上限近傍に融点を有する相変化
物質と、電子部品の環境温度が許容される温度範囲の下
限近傍に融点を有する相変化物質との少なくとも２種類
の相変化物質とよりなり、それぞれ容器に封入されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の人工衛星・宇宙機
搭載用電子機器の温度制御機構。
【請求項５】前記の電子部品は、熱の良導体で構成され
た熱キャリアを介して電子回路基板に搭載されており、
前記電子回路基板は、ヒートパイプおよび相変化物質を
封入した容器に密着していることを特徴とする請求項１
に記載の人工衛星・宇宙機搭載用電子機器の温度制御機
構。
【請求項６】前記の電子部品は、熱の良導体で構成され
た筐体の中に収納されており、前記の電子部品は、ヒー
トパイプ、及び相変化物質を封入した容器を介して前記
の筐体に密着せしめて支持されており、前記の筐体は、
人工衛星・宇宙機のベース部材に密着せしめて取り付け
られていることを特徴とする請求項１に記載の人工衛星
・宇宙機搭載用電子機器の温度制御機構。
【請求項７】前記のヒートパイプ、及び相変化物質を封
入した容器は、それぞれ電子回路基板に対して、宇宙空
間でアウトガスの少ないグリスを挾んで取り付けられて
いることを特徴とする請求項５に記載の人工衛星・宇宙
機搭載用電子機器の温度制御機構。
【請求項８】前記のヒートパイプ、及び相変化物質を封
入した容器は、連設された一体の部材であることを特徴
とする請求項５に記載の人工衛星・宇宙機搭載用電子機
器の温度制御機構。
【請求項９】前記の電気ヒータは、相変化物質が固化を
開始したとき、若しくは固化を完了したときに通電され
るものであることをを特徴とする請求項３に記載の人工
衛星・宇宙機搭載用電子機器の温度制御機構。
【請求項１０】相変化物質を封入した容器と、該容器に
密着して配置されたヒートパイプと、前記容器の外側の
面に密着して配置された電気ヒータと、前記ヒートパイ
プの上部に配置された電子機器および２次電池を含むコ
ンポーネントとからなる温度制御機構を備えたことを特
徴とする人工衛星・宇宙機搭載用電子機器。
【請求項１１】相変化物質を封入した容器と、該容器に
密着して配置されたヒートパイプと、前記容器の外側の
面に密着して配置された電気ヒータと、前記ヒートパイ
プの上部に配置された電子機器および２次電池を含むコ
ンポーネントとからなる温度制御機構を備えた電子機器
を搭載したことを特徴とする人工衛星・宇宙機