JP2855811B2

JP2855811B2 - 宇宙往還機における熱シンク装置

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Publication number: JP2855811B2
Application number: JP19006790A
Authority: JP
Inventors: 歳和矢野; 良二今井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1990-07-18
Publication date: 1999-02-10
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: JPH0478798A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は宇宙往還機における熱シンク装置に関するも
のである。

［従来の技術］近年、スペースシャトル等の宇宙往還機に対する研究
開発が進んでいる。

該宇宙往還機には人間やコンピュータ等の電子機器等
が載せられるため、内部の温度を高い精度で制御する必
要がある。

そこで従来の宇宙往還機の熱制御系の一例を第７図に
より説明する。

図示しない宇宙往還機内部に設けられた電子機器等の
発熱源ａを直接通り、且つ燃料電池等の発熱源ｂに補助
流体ループｃを介して接続された熱交換器ｄを通って循
環するように流体主ループ（以下フロン主ループとい
う）ｅを構成する。

該フロン主ループｅの途中に、ラジエータｆ及び熱シ
ンク装置ｇ並にアンモニアボイラｈ、並にポンプｉを配
設する。

前記ラジエータｆは軌道上でのみ拡げることのできる
パネル状のものであり、前記熱シンク装置ｇは、例えば
第７、８図に示すように、燃料電池等の発熱源ｂで発生
した水ｊが補給されるようにした水タンクｋからの水
（冷却媒体）ｊを配管１及びバルブｍを介して導きノズ
ルｏから噴射させて蒸発させる、宇宙往還機外部の気圧
と等しい圧力の蒸発室ｐに、該蒸発室ｐの外周を取り巻
くよう前記フロン主ループｅの一部を配設した構成を有
するものである（熱シンク装置ｇにはこれ以外にも様々
な構造のものがあるが原理的には上記のものと略同様で
ある）。ｑはジャケット、ｒはフロン入口、ｓはフロン
出口、ｔは邪魔板、ｕは冷却媒体の排出口、ｎはアンモ
ニアタンクを示す。

次に上記熱制御系による宇宙往還機の温度制御につい
て説明する。

ポンプｉを作動してフロン主ループｅを循環させるこ
とにより、発熱源a,bがフロン主ループｅで冷却され
る。

発熱源a,bを冷却したフロン主ループｅは温度が上昇
するので、ラジエータｆ、熱シンク装置ｇ、アンモニア
ボイラｈのいずれかを用いて排熱が行われ、宇宙往還機
が温度制御される。

先ず、宇宙往還機の打ち上げからしばらくの時間の間
に通過する区間（大気圏）はフロン主ループｅ自体の熱
容量により発熱源a,bから発生した熱をフロン主ループ
ｅで吸収させ、その後宇宙往還機が大気圏外に出てから
軌道に乗るまでの区間は熱シンク装置ｇを使用し、水タ
ンクｋ内の水を大気圏外の気圧と等しい極く低い圧力の
蒸発室ｐ内へ供給することにより水を蒸発させ蒸発の潜
熱としてフロン主ループｅの熱を排熱する。軌道上の区
間ではラジエータｆを開くことができるので、ラジエー
タｆからフロン主ループｅの熱を宇宙空間に排熱する。
宇宙往還機の帰還時には、例えば大気圏外の区間は前記
熱シンク装置ｇを用いてフロン主ループｅの熱を排熱
し、大気圏内の区間ではアンモニアボイラｈに切り換
え、アンモニアタンクｎのアンモニアをアンモニアボイ
ラｈの蒸発室（図示せず）に供給することにより、水よ
りも沸点が低く水に近い蒸発熱を有するアンモニアの蒸
発させ、アンモニアの蒸発潜熱としてフロン主ループｅ
の熱を排熱する。

［発明が解決しようとする課題］しかし、上記従来の宇宙往還機の熱制御系に備えられ
る熱シンク装置ｇは、水等の冷却媒体をフラッシュさ
せ、その蒸発潜熱によってフロン主ループｅのフロンを
冷却する方式であるため、冷却媒体が気化することなく
ミスト状のまま排出される水滴のキャリーオーバーが多
く、このために冷却効率が低下し、冷却媒体の使用量が
増加する問題があり、又熱シンク装置ｇは中央に広い空
間の蒸発室ｐを必要とするために装置が大型化して占有
スペースが増加する問題があり、更に前記冷却媒体が水
の場合には前記ミストによる水滴が宇宙往還機外に排出
するための排出ダクト等に冷凍してしまう恐れがある
等、種々の問題を有していた。

本発明は上述の実情に鑑みて成したもので、冷却媒体
を確実に気化せしめて排出し得るコンパクトな宇宙往還
機の熱シンク装置を提供することによって、上記種々の
問題を一度に解決することを目的としている。

［課題を解決するための手段］本発明は外側に外部加熱媒体流路を有して円筒状に形
成され、頂部中央に冷却媒体をフラッシングするスプレ
ーノズルを有すると共に底部中央に冷却媒体排出口を有
し、且つ、内周壁に溝によるミスト接触促進構造を形成
した外部冷却筒と、該外部冷却筒の内部空間に配設さ
れ、ミスト接触促進構造を構成する円筒状の多孔質材内
に内部加熱媒体流路を形成した内部冷却筒とを備えたこ
と、及び外側に外部加熱媒体流路を有して円筒状に形成
され、頂部中央に冷却媒体をフラッシングするスプレー
ノズルを有すると共に底部中央に冷却媒体排出口を有
し、且つ、内周壁に溝によるミスト接触促進構造を形成
した外部冷却筒と、該外部冷却筒の内部空間に配設さ
れ、ミスト接触促進構造を構成する多孔質材内に内部加
熱媒体流路を形成した複数の内部冷却管とを備えたこと
を特徴とする宇宙往還機におれる熱シンク装置にかかる
ものである。

［作用］スプレーノズルより外部冷却筒の内部空間へフラッシ
ングされた冷却媒体は、前記外部冷却筒内周面に形成さ
れた溝及び内部冷却管に構成された多孔質材によるミス
ト接触促進構造により、冷却媒体中のミストの接触頻度
が増加されていることによってミストが効果的に捕捉さ
れて保持されることにより、加熱媒体より伝えられた熱
を効率よく奪って気化し加熱媒体を冷却する。

熱シンク装置から冷却媒体がミストの状態で排出され
ることが防止されることにより、排出ダクト等での凍結
が防止される。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図〜第３図は本発明の請求項１における一実施例
であり、熱シンク装置37は外部冷却筒38と該外部冷却筒
38の内部空間の蒸発室３内に配設された内部冷却筒39と
により大略二重円筒状に形成されている。

円筒状に形成された外部冷却筒38の内周壁５内面には
所要数の上下方向へ延びる細い溝７により形成されたミ
スト接触促進構造８が形成されており、内周壁５と外周
壁６との間には、外部加熱媒体流路９が形成されてい
る。該外部加熱媒体流路９内には、熱交換面積を増大さ
せるためのフィン10が挿入されている。

前記外部冷却筒38の頂部中央にはスプレーノズル11
が、底部中央には気化冷却媒体排出口12が設けられ、更
に前記外周壁６の上端所要位置には加熱媒体排出口13
が、下端所要位置には加熱媒体導入口14が各々設けられ
ている。

又、外部冷却筒38の底部所要位置には内部加熱媒体導
入管40が貫通して設けられており、前記外部冷却筒38の
頂部所要位置には内部加熱媒体排出管41が貫通して設け
られている。

外部冷却筒38の内部空間である蒸発室３内には、多孔
質材42によりミスト接触促進構造56を構成した内部冷却
筒39が、リング状の加熱媒体供給流路46及び内部加熱媒
体導入管40と、リング状の加熱媒体集合流路45及び内部
加熱媒体排出管41とを介して支持されている。

前記内部冷却筒39はセラミックスや焼結金属等の多孔
質材42により円筒状に形成されており、該多孔質材42内
には、上下方向へ延びて前記加熱媒体供給流路46及び加
熱媒体集合流路45に接続されて内部加熱媒体流路43を形
成する管44が所要数挿通されている。

尚、図中25は冷却媒体、26は加熱媒体を示す。

熱シンク装置37内での加熱媒体26の流れ方は、外部冷
却筒38においては、加熱媒体導入口14より流入し、外部
加熱媒体流路９を通り、加熱媒体排出口13より流出して
いく。

又、内部冷却筒39においては、加熱媒体26は内部加熱
媒体導入管40のより加熱媒体供給流路46へ流入し、次い
で多孔質材42内の各々の内部加熱媒体流路43へ流入す
る。更に該内部加熱媒体流路43より加熱媒体集合流路45
へ流入し、内部加熱媒体排出管41より熱シンク装置37外
へと流出していく。

上述した構成の熱シンク装置37による加熱媒体26の冷
却を行うには、まず図示しない冷却媒体タンクから水や
アンモニア等の冷却媒体25をスプレーノズル11へ導出
し、該スプレーノズル11で蒸発室３内へ前記冷却媒体25
を噴射、フラッシングする。

フラッシングされた冷却媒体25は熱シンク装置37内の
熱を奪って気化し、気化冷却媒体排出口より排出される
が、一部気化されずにミストの状態で外部冷却筒38の内
周壁５に形成された溝７によるミスト接触促進構造８及
び、焼結金属やセラミックス等による多孔質材42により
形成した内部冷却筒39の内外周面に付着する。

このとき外部冷却筒38のミスト接触促進構造８では、
溝７の毛管現象によりフラッシングされた冷却媒体25を
液膜を均一に保持することができ、且つ、溝７によりミ
スト接触促進構造８により、熱交換面積を増大すること
ができる。

従って、ミスト接触促進構造８に付着した冷却媒体25
は外部加熱媒体流路９を流れるフロンガス等の加熱媒体
26より、効率良く熱を奪って気化し、該加熱媒体26を冷
却する。

内部冷却筒39においては、多孔質材42の毛管現象によ
りミスト状の冷却媒体25は前記内部冷却筒39に均一に付
着滲透し、多孔質材42内に管44によって形成された内部
加熱媒体流路43を流れるフロンガス等の加熱媒体26から
効率良く熱を奪い、該加熱媒体26を冷却し、自身は完全
に気化して気化冷却媒体排出口12から排出される。

このとき、多孔質材42によるミスト接触促進構造56
を、特にミスト濃度が高くなっている熱シンク装置37の
中心部における内部冷却筒39に設けるようにしているの
で、ミスト捕捉能力が非常に高い多孔質材42によってミ
ストを確実に捕捉することができる。

上述したように冷却媒体25は効率良く熱の吸収に利用
されることになるので、気化することなくミストの状態
で気化冷却媒体排出口12より排出されることがほとんど
なくなり、図示しない排出ダクト等での凍結を防止する
ことができる。

更に、気化することなくミストの状態で排出される冷
却媒体25のキャリーオーバーが減少するので、冷却媒体
25の無駄な使用が防止される。

第４図〜第５図は本発明の請求項２における一実施例
である。

熱シンク装置47の外部冷却筒48は、本発明の請求項１
における実施例中の熱シンク装置37の外部冷却筒38と全
く同様の構成となっている。

外部冷却筒48の内部空間である蒸発室３内には、上端
にリング状の加熱媒体集合流路52が接続され下端にリン
グ状の加熱媒体供給流路53が接続されて環状に一体に形
成された所要数の内部冷却管49が、前記加熱媒体集合流
路52の所要位置に接続した内部加熱媒体排出管54と前記
加熱媒体供給流路53の所要位置に接続した加熱媒体導入
管55とによって保持されている。

前記内部冷却管49の表面には、セラミックスや焼結金
属等の多孔質材50が被覆されてミスト接触促進構造57が
構成されており、内部は内部加熱媒体流路51となってい
る。

上述した構成の熱シンク装置47によれば、フラッシン
グされた後の気化しないミストの状態の冷却媒体25は、
外部冷却筒48の内周壁５に形成された溝７によるミスト
接触促進構造８及び、燃焼金属やセラミックス等による
多孔質材50により形成した内部冷却管49の表面に付着す
る。

このとき外部冷却筒48に付着したミストは、ミスト接
触促進構造８の溝７の毛管現象により拡散、気化され
る。

内部冷却管49においては、多孔質材50の毛管現象によ
り冷却媒体25は前記内部冷却管49に均一に付着滲透し、
前記多孔質材50内に浸入して、該多孔質材50内の内部加
熱媒体流路51を流れるフロンガス等の加熱媒体26から効
率よく熱を奪い、該加熱媒体26を冷却し、自身は完全に
気化した気化冷却媒体排出口12から排出される。

尚、本発明の宇宙往還機における熱シンク装置は、上
述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ること
は勿論である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明の宇宙往還機における熱
シンク装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏
し得る。

（Ｉ）特にミスト濃度が高くなっている熱シンク装置
中心部の内部冷却筒或いは内部冷却管に、ミスト捕捉能
力が高い多孔質材からなるミスト接触促進構造を備えた
ことにより、ミストを確実に捕捉することができ、よっ
て冷却媒体が気化することなくミスト状のまま排出され
る冷却媒体のキャリーオーバーを防止し、冷却効率を向
上させると共に、冷却媒体の無駄な使用を防止できる。

（II）冷却媒体が気化することなくミストの状態のま
ま排出されるのを防止できるので、液が排出ダクト等に
凍結するのを防止できる。

（III）従来は冷却効率を向上するためには広い空間
の蒸発室を必要とし、装置が大型化し、占有スペースが
増加する問題があったが、本発明によるとコンパクトな
熱シンク装置を提供し、限られたスペースを有効に活用
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の請求項１における一実施例の概略縦断
側面図、第２図は第１図のVIII−VIII概略断面図、第３
図は第２図のIX部分拡大詳細図、第４図は本発明の請求
項２における一実施例の概略縦断側面図、第５図は第４
図のXI−XI概略断面図、第６図は第５図のXII部分拡大
詳細図、第７図は宇宙往還機の熱制御系の流体回路図、
第８図は従来の熱シンク装置の一例を示す縦断側面図で
ある。図中37,47は熱シンク装置、38,48は外部冷却筒、39は内
部冷却筒、５は内周壁、７は溝、8,56,57はミスト接触
促進構造、９は外部加熱媒体流路、11はスプレーノズ
ル、12は気化冷却媒体排出口、43,51は内部加熱媒体流
路、49は内部冷却管、42,50は多孔質材を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B64G 1/50 B64G 1/14 F28D 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外側に外部加熱媒体流路を有して円筒状に
形成され、頂部中央に冷却媒体をフラッシングするスプ
レーノズルを有すると共に底部中央に冷却媒体排出口を
有し、且つ、内周壁に溝によるミスト接触促進構造を形
成した外部冷却筒と、該外部冷却筒の内部空間に配設さ
れ、ミスト接触促進構造を構成する円筒状の多孔質材内
に内部加熱媒体流路を形成した内部冷却筒とを備えたこ
とを特徴とする宇宙往還機における熱シンク装置。
【請求項２】外側に外部加熱媒体流路を有して円筒状に
形成され、頂部中央に冷却媒体をフラッシングするスプ
レーノズルを有すると共に底部中央に冷却媒体排出口を
有し、且つ、内周壁に溝によるミスト接触促進構造を形
成した外部冷却筒と、該外部冷却筒の内部空間に配設さ
れ、ミスト接触促進構造を構成する多孔質材内に内部加
熱媒体流路を形成した複数の内部冷却管とを備えたこと
を特徴とする宇宙往還機における熱シンク装置。