JP2902387B2 - ヒート・パイプ組立体 - Google Patents

ヒート・パイプ組立体

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JP2902387B2 JP10003935A JP393598A JP2902387B2 JP 2902387 B2 JP2902387 B2 JP 2902387B2 JP 10003935 A JP10003935 A JP 10003935A JP 393598 A JP393598 A JP 393598A JP 2902387 B2 JP2902387 B2 JP 2902387B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、軌道
上を周回している宇宙船の作動装置の冷却に関し、一層
詳しくは、熱膨張制約とは無関係に熱伝達状態を最適化
する、異なった材料で構成したヒート・パイプ組立体に
関する。しかしながら、本発明は地上用途にも適用可能
である。
【０００２】
【従来の技術】その動作が望ましくない熱を発生する種
々の装置を搭載している軌道周回宇宙船の遭遇する環境
条件では、任務を成功させるつもりならばこれらの装置
を冷却しなければならない。ヒート・パイプ組立体を使
用して作動装置を冷却することは良く知られているが、
これらのヒート・パイプ組立体は軽量の適合材料の使用
を要求する宇宙船環境で機能し、最適な結果を得なけれ
ばならない。宇宙船が軌道の冷部分を通過したり、太陽
熱を受けてかなり高い温度の軌道部分を通過したりする
ときなどの極端な温度変化により条件はさらに複雑とな
る。ヒート・パイプの構造、動作は、１９７９年１０月
９日に発行され、本出願人に譲渡された米国特許第4,17
0,262 号などに記載されているので良く知られている。
この米国特許は参考資料としてここに援用する。
【０００３】作動装置からの効果的な熱取り出しは、本
出願人に譲渡された米国特許第4,170,262 号に記載され
ているようなタイプのヒート・パイプを使用することに
依存し、ヒート・パイプに熱を伝達し、取り出した熱を
放熱パネルに対して対流循環させ、この放熱パネルが周
囲スペースに熱を放出することに依存する。宇宙任務、
特に通信衛星の動作を成功させるには種々のオンボード
装置を冷却しなければならない。良い宇宙船設計では、
任務に必須の装置の構造に軽量材料を使用しなければな
らず、いかなる補助機器も管理重量限度内になければな
らない。また、伝導によって熱伝達を最適化する状態を
得ると同時に、組立て、製作を容易にし、−５０Ｆ〜２
００Ｆの極端な温度範囲にわたる頻繁な繰り返しに耐え
ることができる軽量材料を必要とする人工衛星構造の好
適な要件を満たすことも望ましい。
【０００４】実際に、発熱性作動装置にはヒート・パイ
プ組立体が取り付けてあるか、あるいはその構造内に装
置してあり、このヒート・パイプ組立体は前記の米国特
許に開示されているようなタイプのヒート・パイプを埋
め込んだ放熱パネルを備えた熱吸収性ホスト構造を包含
する。作動装置からの熱がホスト構造に導かれるにつれ
て、ホスト構造はヒート・パイプ内の作動流体を蒸発さ
せ、これが次いで凝縮され、凝縮熱が放熱パネルに導か
れ、この放熱パネルが熱を周囲スペースへ放散させる。
埋め込まれたヒート・パイプはエバポレータ端のところ
で作動装置から熱を取り出し、コンデンサ端のところで
上記が凝縮され、ホスト構造から熱を吐き出させ、この
熱を周囲スペースに放出する。現在のところ、ヒート・
パイプ組立体はホスト構造、ヒート・パイプの両方に同
じ材料を用いて製作されている。このような構造による
対策によれば、組立体内に応力破壊を生じさせる可能性
のある異なった熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する構成部品
によって生じるいかなる問題も回避できる。制限のある
材料選定は妥協の産物であり、ヒート・パイプの効率の
良い性能に影響し、人工衛星の重量に関係し、熱除去の
点で最適とは言い難い。最近の材料科学での進歩によ
り、ヒート・パイプ組立体の構造を改良する可能性があ
るが、ホスト構造とそれにしっかりと固定されたヒート
・パイプの異なった熱膨張係数によって生じる熱応力に
よりそれはいまだに実現されていない。熱を原因とする
応力はヒート・パイプをホスト構造から剥離させて、熱
制御系の故障の原因となる。
【０００５】
【本発明の概要】本発明は、作動装置と熱的に一体化す
ることによって作動装置の発生した熱を除去する改良し
たヒート・パイプ組立体にある。このヒート・パイプ組
立体は、放熱表面板間に挟んだコア材料を包含するホス
ト構造に熱的に一体化したヒート・パイプを包含する。
このヒート・パイプはコア材料に設けた長手方向に延び
るチャネル内に収容され、パネル構造がヒート・パイプ
組立体に必要な剛性を与える。チャネルはヒート・パイ
プよりもやや大きい横断面を有し、チャネルの内壁面と
ヒート・パイプの外壁面との間にギャップを残してヒー
ト・パイプを包み込んでいる。ギャップは、チャネルの
内壁面とヒート・パイプの外壁面との間に熱伝導性流体
を満たして流体層を形成するに充分な大きさである。流
体を満たしたギャップは、ヒート・パイプから放熱パネ
ル、そしてそこから周囲スペースへの熱の効果的な伝達
を妨げることなく、ヒート・パイプおよびコア材料を含
むホスト構造が相対的に膨張、収縮するのを可能とす
る。
【０００６】一層詳しくは、現在のところ好ましい実施
例では、流体はホスト構造およびヒート・パイプの熱伝
導性をまとめた熱伝導性を有する。流体を満たしたギャ
ップはヒート・パイプおよびホスト構造の長さと同じ長
さを有し、最適な熱伝達状態を与えるホスト構造または
ヒート・パイプを作るための材料の利用を可能としなが
ら、それらの熱膨張係数に無関係に相対的な独立した運
動ができるようにこれらの構成要素を自由に振る舞わせ
る。ここで、本発明が、宇宙船に搭載した作動装置から
発生した望ましくない熱を放出させるヒート・パイプ組
立体であって、熱膨張性のいかなる差異にも関係なく所
望の熱伝導性を持つ構造の材料選択に際してより大きな
自由度を可能とする改良ヒート・パイプ組立体を提供す
ることは前記の記述から明らかであろう。本発明の他の
特徴、利点は発明の原理を例示する、添付図面に関連し
た以下のより詳細な説明から明らかとなろう。
【０００７】本発明のこれらおよび他の目的、特徴、利
点は以下の説明、添付の特許請求の範囲各請求項および
添付図面からもっと良く理解して貰えよう。
【０００８】
【実施例】説明の目的で図面に示すように、本発明は、
製造材料の不適合性によってホスト構造にもたらされる
熱応力とは無関係に熱除去機能を最適化する材料で構成
することのできる改良ヒート・パイプ組立体である。熱
除去装置としてのヒート・パイプは宇宙船の環境におい
て単位重量当たり卓越した熱伝導係数を持っていた。現
在のヒート・パイプ組立体は、ホスト構造にアルミニュ
ウム、ヒート・パイプ外殻にアルミニュウム、作動流体
としてアンモニアというような適合材料を用いて作られ
ている。より大きな望ましい熱特性を持つより強くて軽
量の材料をヒート・パイプ外殻、ホスト構造の構成につ
いて利用できるが、熱膨張係数特性の不一致から生じる
不適合性のためにこのような材料はいまだに使用されて
いない。
【０００９】本発明によれば、熱膨張係数の不適合のた
めにヒート・パイプ組立体の構築を制限する必要はな
い。ヒート・パイプ外殻およびホスト構造は使用された
材料の熱膨張あるいは熱収縮に関係なく搭載作動装置の
発生した望ましくない熱を除去する要件を満たすように
最適に設計することができる。図１、図２を参照して、
ここには、全体的に参照符号１０を付けたヒート・パイ
プ組立体が斜視図で示してある。説明の目的で、これら
のヒート・パイプ組立体は、熱を発生する電子モジュー
ル１２と熱的に一体化され、このモジュール１２はホス
ト構造１６に配設されて、人工衛生１４に接続されてい
る。ここで、ヒート・パイプ組立体１０が他の搭載作動
装置から望ましくない熱を除去するように宇宙船１４全
体で同様に使用されることは了解されたい。電子モジュ
ール１２は作動中に熱を発生し、この熱は電子コンポー
ネント（構成部品）の適正な機能を発揮させるためには
除去しなければならない。図１、図２に示すように、ホ
スト構造１６はヒート・パイプ組立体１０と熱的に一体
化され、望ましくない熱を周囲スペースへ効果的に放出
するようになっている。このホスト構造１６には一連の
ヒート・パイプ１８が埋め込まれており、これらのヒー
ト・パイプはホスト構造１６の全幅にわたって延びてい
る。ヒート・パイプの構造、動作は周知のものであり、
米国特許第4,170,262 号などに充分に記載されている。
【００１０】従来、ホスト構造はヒート・パイプ１８の
外殻と同じ材料を用いて作られていた。これが、組立体
の破壊を防ぐために同じあるいは類似した熱膨張係数を
持つ材料を使用することが実際に受け入れられていた理
由である。一致した熱膨張係数を有する材料を使用して
望ましくない熱を除去する満足すべき装置を作ったけれ
ども、より軽く、より剛性が高く、より強度が高く、よ
り熱伝導性の高い材料を使用できるようにするという点
で従来技術は最適とは言い難かった。ホスト構造がグラ
ファイト、ベリリウム、アルミニュウム、スチール、銅
からなるグループから選んだ材料であると有利である。
図２、図３を参照して、構造１６は、間隔を置いた状態
で一対の表面板部材２０、２２（図３）を取り付け、適
当なコア２４で支持することによって作ってある。ヒー
ト・パイプ１８はチャネル２８を形成した保持ブロック
２６内に閉じ込めてある。この保持ブロックはコア２４
内に固定してある。ここで、ヒート・パイプ１８、保持
ブロック２６、チャネル２８、コア２４および表面板部
材２０、２２がホスト構造１６を構成していることは了
解されたい。この構成によれば、ホスト構造１６の各構
成要素は構造内に許容できない応力を生じさせることな
く膨張し、相互に接触することができる。表面板部材２
０、２２およびコア２４は保持ブロック２６のための支
持構造をなし、ヒート・パイプの除去した熱を周囲の構
造へ導く。ヒート・パイプ１８は保持ブロック２６内で
円形のチャネル２８内に収容されている。チャネル２８
の内側横断面はヒート・パイプ１８の外側横断面よりも
やや大きい。チャネル２８内にヒート・パイプ１８を設
置すると、ヒート・パイプの外面とチャネル２８の内面
との間にギャップ３０が残る。ギャップ３０はチャネル
２８の内面３２およびヒート・パイプ１８の外面３３の
長さと同じ長さである。好ましい実施例において、これ
らの横断面は円形であり、環状ギャップすなわちスペー
ス３０を与える。ギャップ３０には熱伝導性流体４０が
充填してある。表面板部材２０、２２はヒート・パイプ
１８が運んだ熱を周囲スペースへ放出するように作用す
る。
【００１１】表面板部材２０、２２および保持ブロック
２６の好ましい材料は、ジョージア州AlpharettaのAmoc
o Corporation あるいは日本国東京のMitsubishi Corpo
rationの製造した熱伝導性含浸炭素繊維からなる配合グ
ラファイト複合物である。他の好ましい材料としては、
ベリリウム、アルミニュウム、銅、炭素−炭素あるいは
他の形態のグラファイトがある。材料選択の自由度は、
保持ブロック２６の内壁面３２とヒート・パイプ１８の
外壁面３３の間のギャップ３０を満たす熱伝導性流体４
０によって可能となる。流体４０の熱伝導性は、保持ブ
ロック２６とヒート・パイプ１８の内部温度との間の温
度降下に影響を及ぼす。この実施例では、2.0 〜5.0Wat
ts/mK の熱伝導率を採用した。流体そのものの適切な熱
伝導性を決定するに際して、0.10〜10.0Watts/mKの範囲
の値を持ち、前記米国特許に記載されているように内部
作動構造（図示せず）を備えているときに良好な結果が
得られることがわかった。保持ブロック２６によって囲
まれたヒート・パイプ１８の構成を説明するとき、なん
ら特定の幾何学的形態に限定することを意図していな
い。ヒート・パイプ１８の横断面は円形であるように選
んだが、ヒート・パイプ１８と保持ブロック２６の間に
ギャップが保たれる限り他の幾何学的形態であってもよ
い。外壁面３３と内壁面３２の間にこうして形成した環
状スペースすなわちギャップ３０は熱伝導性流体４０で
満たされている。
【００１２】熱伝導性流体４０として有用である材料は
数多く見出される。たとえば、カリフォルニア州Carpen
teria のNusil Corporation の製造するシリコン、テキ
サス州Houston のPenzoil の製造する合成炭化水素オイ
ルのような材料が使用されてきた。将来は、シリコーン
・オイルやグリースのような他の材料も使用できる。熱
を表面板部材２０、２２に伝えるギャップ３０の大きさ
が重要であることが分かった。保持ブロック２６および
ヒート・パイプ１８に対して最適な材料を使用するこの
ギャップの作動範囲は３ミルから３０ミルの範囲であ
る。環状スペース３０が小さければ小さいだけ、熱伝導
効率が高くなる。好ましい範囲は１２ミル〜１５ミルで
ある。使用できる流体の熱伝導性は、流体が熱伝導性の
高い粒子のためのキャリヤとして機能するときに向上す
る。シリコーン・オイルをキャリヤとして使用する場
合、３０〜６０重量％の窒化硼素粒子を付与することに
よって熱伝導性をかなり高めることが分かった。将来
は、アルミニュウム、鉄、銀、窒化アルミニュウム、ダ
イアモンドその他の熱伝導性粉末のような粉末状材料が
キャリヤ流体の９５重量％までの範囲の量でキャリヤ流
体に添加したときに有用となろう。
【００１３】ここで、ギャップ３０のサイズが、熱を作
動装置から取り出す効率において重要な役割を演ずる
が、製造作業にも影響する可能性があることは了解され
たい。３〜１０ミルの範囲の小さいギャップはなんら添
加剤を含まない熱伝導性流体の使用を必要とするかもし
れないが、製造はまったく決まりきった仕事となる。ギ
ャップがもっと大きくなると、有効伝導率を低下させ、
熱伝導性を高めるために流体４０に熱伝導性粒子を充填
することになる可能性がある。９５重量％の金属粉末を
運ぶ流体をギャップに満たすことは流体の高粘度のため
にもっと難しくなる。しかしながら、本発明の概念で
は、特別な熱除去要件あるいは製造プロセスまたはこれ
ら両方に合致するように選択し得るオプション範囲が可
能である。ここで、流体と説明しているが、ガスでも液
体でもゲルでもよく、流体４０の熱伝導性を高める粒状
物質のためのキャリヤとして流体を使用することも含む
ことは了解されたい。
【００１４】図４を参照して、ここには、ホスト構造１
６内への閉じ込め、熱伝導性流体４０の収容の詳細を説
明するためにヒート・パイプ組立体１０の縦断面が示し
てある。ホスト構造１６内の保持ブロック２６は長手方
向端部４２、４４のいずれにも開口を有し、内部にヒー
ト・パイプ１８を収容している。先に説明したように、
パネル１２の横断面はヒート・パイプ１８の横断面より
も大きな横断面直径を有し、中にヒート・パイプ１８を
閉じ込めたときに、保持ブロック２６内でヒート・パイ
プ１８の外壁面３３とチャネル２８の内壁面３２の間に
小さい環状のギャップ３０が形成される。開口４２、４
４はそれぞれ内ねじ部４６、４８を有し、取付け具５
０、５２内に熱伝導性流体４０を収容するように開口を
適当にシールして閉じるように固定してある。取付け具
５０、５２内には、熱伝導性流体４０を環状ギャップ３
０に充填した後に端ねじキャップ５４、５６がそれぞれ
螺合され、長手方向開口を閉じる。ここで、ギャップ内
に空気を全く含んでいたないのが好ましく、そうすれば
熱伝導性流体を完全に充填できることが分かった。
【００１５】ヒート・パイプ１８の端部と端ねじキャッ
プ５４、５６の間に配置されたチャネル２８の各端付近
には、弾性リザーバすなわちカプセル５８、６０が挿設
してある。この弾性カプセルは、必要に応じて膨張、収
縮することによって保持ブロック２６あるいはヒート・
パイプ１８いずれもの熱的な膨張、収縮に応答する。カ
プセル５８、６０は収縮することによって圧力増大を軽
減し、膨張することによって気泡の形成を防ぐ。より効
果的な液体シールを確保するために、Ｏーリング５５、
５７をねじキャップ５４、５６と取付け具５０、５２の
間に設置する。本発明を或る種の好ましい形態に関連し
てかなり詳細に説明してきたが、他の形態も可能であ
る。したがって、添付の特許請求の範囲各請求項の範囲
はここにおける好ましい形態についての説明に限定され
るべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒート・パイプ組立体を備えた搭載作
動装置を有する宇宙船の斜視図
【図２】熱発生装置のないホスト構造の斜視図
【図３】第４図の組立体の、３−３線に沿った横断面図
【図４】第２図の組立体の、４−４線に沿った横断面図
【符号の説明】
１０ ヒート・パイプ組立体 １２ 電子モジュール １４ 人工衛星 １６ ホスト構造 １８ ヒート・パイプ ２０ 表面板部材 ２２ 表面板部材 ２４ コア ２６ 保持ブロック ２８ チャネル ３０ ギャップ ３２ 内壁面 ３３ 外壁面 ４０ 熱伝導性流体
フロントページの続き (72)発明者 ガーレット アール ウィットコップ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90278 レドンド ビーチ ディクソン ストリート 1728 (56)参考文献 実開 昭54−131158（ＪＰ，Ｕ) 実公 平８−9222（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F28D 15/02 B64G 1/50

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ホスト構造内に収容された細長いヒート
    ・パイプからなる熱発生体から熱を取り出すヒート・パ
    イプ組立体であって、前記ヒート・パイプおよび前記ホ
    スト構造が相対的に熱膨張、熱収縮を自由に行えるよう
    になっており、前記ホスト構造に前記ヒート・パイプを
    受け入れる長手方向に延びた開口が形成してあり、この
    開口が内壁面を有し、前記ヒート・パイプが外壁面を有
    し、前記ヒート・パイプがその長手方向に沿って前記ホ
    スト構造によって完全に囲まれ、その外壁面がホスト構
    造の内壁面から離間してこれらの間に限られたギャップ
    を形成しているヒート・パイプ組立体において、前記ヒ
    ート・パイプを両端をシールする手段と、前記ギャップ
    内に満たされ、ホスト構造内でヒート・パイプを半径方
    向、軸線方向に支持する流体手段と、ホスト構造の一端
    内に設けてあり、ヒート・パイプがホスト構造内で軸線
    方向に膨張できるようにしている膨張手段とを包含し、
    それによって、ホスト構造および熱発生体に対するヒー
    ト・パイプの熱的な一体化状態を維持することを特徴と
    するヒート・パイプ組立体。
  2. 【請求項２】 熱を取り出し、それを周囲へ導くヒート
    ・パイプ組立体を包含する動作の結果として熱を発生す
    る作動装置において、作動装置と熱的に一体化してあ
    り、膨張収縮の進行の原因となる温度変動にさらされる
    ヒート・パイプ組立体であって、第１の横断面寸法を有
    する外殻および外壁面を有するヒート・パイプと、この
    ヒート・パイプを作動装置と熱的に一体化するホスト構
    造であり、ヒート・パイプを完全に受け入れる長手方向
    のチャネルを有し、このチャネルが第２の横断面寸法を
    有し、第１横断面寸法が第２横断面寸法よりも小さくな
    っており、それによって、ヒート・パイプの外壁面とチ
    ャネルの内壁面との間に環状のギャップを残して前記ヒ
    ート・パイプの外壁をチャネル内に閉じ込めるホスト構
    造と、前記環状ギャップを満たし、ヒート・パイプが前
    記ホスト構造に対して自由に動けるようにしている熱伝
    導性流体手段であり、前記環状ギャップを満たしてい
    る、熱伝導性粒子を分散させたキャリア液からなり、前
    記ホスト構造および前記ヒート・パイプの相対的な収
    縮、膨張を許し、それによって、ヒート・パイプのホス
    ト構造に対する熱的一体化状態を維持する熱伝導性流体
    手段とを包含し、また、前記長手方向チャネルが熱伝導
    性流体を含む両端でシールされ、このチャネルのシール
    された長手方向端がヒート・パイプの側方端とシール手
    段との間に配置した弾性カプセルを包含していることを
    特徴とするヒート・パイプ組立体。
  3. 【請求項３】 熱を取り出し、それを周囲へ導くヒート
    ・パイプ組立体を包含する動作の結果として熱を発生す
    る作動装置において、作動装置と熱的に一体化してあ
    り、膨張収縮の進行の原因となる温度変動にさらされる
    ヒート・パイプ組立体であって、第１の横断面寸法を有
    する外殻および外壁面を有するヒート・パイプと、この
    ヒート・パイプを作動装置と熱的に一体化するホスト構
    造であり、ヒート・パイプを完全に受け入れる長手方向
    のチャネルを有し、このチャネルが第２の横断面寸法を
    有し、第１横断面寸法が第２横断面寸法よりも小さくな
    っており、それによって、ヒート・パイプの外壁面とチ
    ャネルの内壁面との間に環状のギャップを残して前記ヒ
    ート・パイプの外壁をチャネル内に閉じ込めるホスト構
    造と、前記環状ギャップを満たし、ヒート・パイプが前
    記ホスト構造に対して自由に動けるようにしている熱伝
    導性流体手段であり、前記環状ギャップを満たしてい
    る、熱伝導性粒子を分散させたキャリア液からなり、前
    記ホスト構造および前記ヒート・パイプの相対的な収
    縮、膨張を許し、それによって、ヒート・パイプのホス
    ト構造に対する熱的一体化状態を維持する熱伝導性流体
    手段とを包含しており、また、前記長手方向チャネルが
    熱伝導性流体を含む両端でシールされ、このチャネルの
    シールされた長手方向端がヒート・パイプの側方端とシ
    ール手段との間に配置した弾性カプセルを包含してお
    り、更に、この弾性カプセルが圧縮性弾性材料または閉
    鎖ベローズからなることを特徴とするヒート・パイプ組
    立体。
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