JP3661862B2 - アキュムレータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
圧力容器内の冷媒を蒸発・凝縮させることにより閉ループの被制御系の圧力、冷媒量を制御するためのアキュムレータに関する。
【0002】
【従来の技術】
宇宙ステーションや人工衛星等の宇宙機に搭載される電子機器は、地上で使用される場合に比べて厳しい温度環境下に置かれる。そのため、通常、宇宙機用の電子機器は、排熱装置により冷却され、その許容温度範囲内に保たれるようになっている。従来、このような排熱装置としては、ヒートパイプ等種々の方式のものが使用されているが、大型の宇宙機に対応できるものとしては冷媒の蒸発・凝縮を利用した二相流体ループ式排熱装置がある。
【0003】
この二相流体ループ式排熱装置は、図7に示されているように、宇宙機内に設置された蒸発器1と、宇宙空間側に設置された凝縮器2と、それらを繋ぐ配管3と、該配管3の途中に設けられたポンプ4、バルブ5,6とにより形成された閉ループの被制御系7を有し、前記蒸発器1の下流側にアキュムレータ8が接続されている。
【0004】
図8は前記アキュムレータ8の従来例を示しており、該アキュムレータ8の圧力容器9内には液相冷媒保持部材10が設けられている。該液相冷媒保持部材10は、中心軸11に対して放射状に設けられた複数枚(図8では8枚)の平板型ベーン12と、該ベーン12を取囲むように前記圧力容器9の内壁に沿って設けられたウィック13とを備え、前記圧力容器9の外周壁には上下2段でヒータ14及び冷却器15が鉢巻き状に設けられている。さらに、前記圧力容器9の下端部中央には接続口16が設けられ、該接続口16は前記被制御系7に連通している。
【0005】
前記二相流体ループ式排熱装置を起動させる場合、予め、前記被制御系7内を冷媒で充填させた上、該被制御系7内の過剰な液相冷媒を前記アキュムレータ8内に回収、備蓄させておく。そして、この状態で、前記二相流体ループ式排熱装置を起動させると、前記蒸発器1内の液相冷媒は電子機器の発熱を吸収し、蒸発、気化し、前記配管3を通って前記凝縮器2に送られる。該凝縮器2に送られた気相冷媒は、該凝縮器2を介して宇宙空間中に排熱し、再び凝縮、液化し、前記配管3、バルブ6、ポンプ4を介して前記蒸発器1に戻る。以降、前記二相流体ループ式排熱装置の運転中、同様のサイクルが繰返し行われる。この間、宇宙機内の電子機器からの熱負荷の変動に伴い、前記アキュムレータ8のヒータ14又は冷却器15が制御され、前記圧力容器9内の冷媒が蒸発又は凝縮される。例えば、前記ヒータ14により、前記ベーン12及び前記ウィック13が加熱されると、それらに保持された液相冷媒は蒸発され、この結果、前記圧力容器9内の圧力は上昇し、前記被制御系7内の圧力も上昇する。また、前記冷却器15により、前記圧力容器9内の気相冷媒が冷却されると、該気相冷媒は、凝縮し、前記ベーン12又は前記ウィック13に吸収され、液相冷媒は、前記接続口16を通って前記被制御系7に流れ込む。このように、前記アキュムレータ8の前記圧力容器9内における圧力変化、液相の冷媒量の変化に伴い、前記被制御系7内の圧力、冷媒量が変化し、その結果、前記二相流体ループ式排熱装置の冷却容量が制御され、電子機器の温度は許容温度内に保たれる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した従来のアキュムレータ8では、微小重力下において前記圧力容器9内を加熱すると、図10に示されているように、冷媒の気液界面が安定せず、前記接続口16から前記被制御系7に気液混合の冷媒が流れ込み、前記被制御系7の制御性が悪化するおそれがあった。
【0007】
また、前記ベーン12が平板型を成しているため、該ベーン12の1枚当りの冷媒保持量が少なく、所要量の冷媒を保持するためには、前記ベーン12の保持面積を大きくしたり、前記ベーン12の設置枚数を増やす必要があった。そのため、前記圧力容器9が大きくなり、前記アキュムレータ8の小型化、軽量化が図り難いといった問題があった。
【0008】
さらに、前記ベーン12に保持された液相冷媒は、その表面表力により狭い領域に集まりやすいため、その多くが前記冷却器15から遠く離れた前記中心軸11周辺に集まってしまい、加熱時又は冷却時の熱制御性が悪くなるといった問題があった。
【0009】
本発明は斯かる課題を解決すべくなされたものであり、小型化、軽量化が図れ、制御性の良好なアキュムレータを提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧力容器内の冷媒を蒸発・凝縮させることにより閉ループの被制御系の圧力等を制御するためのアキュムレータであって、液相冷媒を保持するための液相冷媒保持手段と、液相冷媒を加熱し、蒸発させるための加熱手段と、気相冷媒を冷却し、凝縮させるための冷却手段と、前記被制御系に連通する接続口とを備え、前記液相冷媒保持手段は、液相冷媒を吸収可能な材質製のベーンを備え、該ベーンの端部は前記圧力容器の内面に近接しており、表面張力を利用して液保持を行うために、ベーンの接線と壁面とのなす角度が徐々に狭くなり、表面張力が変化しても安定して保持に対応できるように形成されていることを特徴とする。
【0011】
好ましくは、前記ベーンは波型に形成されている。
【0012】
また、前記圧力容器の内面と前記ベーンの端部との間に前記接続口が設けられている。
【0013】
さらに、前記接続口は前記圧力容器の内面と前記ベーンの端部との間の空隙に面する割れ部を有し、該割れ部を通って液相冷媒が流出入するように構成されている。
【0014】
さらにまた、前記液相冷媒保持手段は、前記圧力容器の内面に設けられたウィックを備え、該ウィックは液相冷媒を吸収可能な材質製である。
【0015】
また、波型のベーンが複数枚設けられ、該複数のベーンと前記圧力容器の内面との間の空隙にそれぞれ前記接続口が設けられている。
【0016】
さらに、前記複数の波型ベーンの交差部は滑らかに形成されている。
【0017】
このような構成において、前記冷却装置により前記圧力容器を冷却すると、該圧力容器内の気相冷媒は、凝縮、液化し、前記ウィック又はベーンに吸収され、前記空隙、割れ部、接続口を通って、前記被制御系に流れ込み、該被制御系の冷媒量が増加する。
【0018】
また、前記加熱装置により前記圧力容器を加熱すると、前記ウィック及びベーンに保持された液相冷媒は蒸発、気化し、前記圧力容器内の圧力は上昇し、前記被制御系の圧力も上昇する。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
【0020】
図1から図4は本発明の実施の形態に係るアキュムレータ21を示しており、該アキュムレータ21は、圧力容器22と、該圧力容器22内に設けられた液相冷媒保持手段23と、前記圧力容器22の外側に設けられた冷却装置24及び加熱装置25とから概略構成されている。
【0021】
前記圧力容器22は略円筒形状を成し、上面26はドーム状に湾曲し、底面27は平坦に形成されている。前記底面27の両隅部の対向する位置にはそれぞれ接続口28が設けられ、該接続口28は被制御系(図示せず)に連通している。また、前記接続口28の上端部29は、前記圧力容器22内に突出し、縦方向に割れ部30が形成された円筒状を成している。
【0022】
前記液相冷媒保持手段23は、前記圧力容器22の内面にライニングされたウィック31と波型ベーン32とにより構成され、前記ウィック31及びベーン32は共に多孔質材料製となっている。前記ベーン32は、好ましくは、中心軸33に対して対称形を成し、その上部中央部分は切欠され、空間34が形成されている。また、前記ベーン32の両端部35は、図2及び図3に示されているように、前記ウィック31の内面に接するように設けられ、前記両端部35と前記ウィック31とにより狭い空隙36が形成されている。さらに、前記ベーン32の両下端部37は、図4に示されているように、前記接続口28の上端部29の前記中心軸33側外周面に接するように設けられ、前記両下端部37と前記ウィック31の間には狭い空隙36’が形成され、該空隙36’に前記割れ部30が面するようになっている。
【0023】
また、前記冷却装置24は前記圧力容器22の下部を冷却可能なように設けられ、前記加熱装置25は前記圧力容器22の上部を加熱可能なように設けられている。
【0024】
次に、微小重力下における前記アキュムレータ21の作用を説明する。
【0025】
前記冷却装置24により前記圧力容器22の下部を外側から冷却すると、前記圧力容器22内の気相冷媒は凝縮され、前記ウィック31又はベーン32に吸収される。液相冷媒はその表面張力により狭いところに集まる性質があるので、前記ウィック31及びベーン32に吸収された液相冷媒は、図7に示すように、前記空隙36周辺に集まり、前記ウィック31及びベーン32に沿って前記空隙36’まで流下する。そして、流下した液相冷媒は、前記割れ部30を通って前記接続口28に入り、前記被制御系に流れ込み、該被制御系の冷媒量は増加する。この時、前記割れ部30が前記空隙36’に面しているので、液相冷媒の流れは円滑になる。
【0026】
また、前記加熱装置25により前記圧力容器22の上部を外側から加熱すると、前記ウィック31及びベーン32に保持された液相冷媒は蒸発する。そして、この冷媒の蒸発に伴い、前記圧力容器22内の圧力は上昇し、前記被制御系の圧力も上昇する。この時、前述したように、液相冷媒は外周側の前記空隙36,36’付近に集まるため、微小重力下においても安定して液相冷媒を保持することができ、気相冷媒を含まない液相冷媒を安定して前記被制御系に供給することができる。また、前記ベーン32の端部35側の円弧部分38が前記圧力容器22の周壁39に近接しているため、前記液相冷媒と前記加熱装置25との距離が近くなり、加熱効率を高めることができる。さらに、前記圧力容器22内の上部には前記空間34が形成されているので、蒸発した前記気相冷媒は、前記圧力容器22内に安定した状態で存在することができる。
【0027】
なお、前記ベーン32は、図5又は図6に示すように、前記中心軸33に対して放射状に複数枚(図5では3枚、図6では4枚)設置してもよい。この場合、各ベーン32の下端部37と前記ウィック31との間にそれぞれ前記接続口28を配置することにより、前記アキュムレータ21から前記被制御系への液相冷媒流出量を増やすことができる。また、前記各ベーン32の交差部40の形状は、略三角柱状(図5参照)又は周壁部分を凹状に湾曲させた略四角柱形状(図6参照)等とし、表面を滑らかに形成させるのが好ましく、その場合には、凝縮された液相冷媒は前記ベーン32及び交差部40に沿ってより円滑に流れるようになる。
【0028】
また、前記ベーン32の形状は上記した波型に限定されるものではなく、前記端部35が前記圧力容器22の内面に接するような形状を有していれば、渦巻き型等他の形状であってもよい。
【0029】
さらに、本発明の実施の形態に係るアキュムレータ21は、宇宙機用の液体用タンクとしても使用可能であり、さらにまた、宇宙機での使用に限定されるものではなく、地上においても通常のタンクとしても使用可能であり、また、熱を利用した調圧機器としても使用可能である。この場合、前記ベーン32は前記圧力容器22の内面に接するような形状を有しているため、外部から容器内への伝熱性能の向上を図ることができる。
【0030】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、ベーンの端部が圧力容器の内面に近接しているため、液相冷媒はベーンの端部と圧力容器内面との間の空隙に集まり、冷媒の気液界面が一定し、液相冷媒を安定して被制御系に供給することができ、被制御系の制御性を向上させることが可能となる。また、ベーンに保持された液相冷媒は圧力容器の外周付近に集まり、液相冷媒と加熱装置との距離が短くなり、制御性の向上を図ることができる。
【0031】
さらに、ベーン1枚当りの表面積を大きくでき、多量の冷媒を保持することができると共に、圧力容器内の空間を有効に利用することが可能となるため、アキュムレータの小型化、軽量化を図ることができる等種々の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係るアキュムレータを示す立断面図である。
【図2】 図1のA−A断面図である。
【図3】 図1のB−B断面図である。
【図4】 図1のC−C断面図である。
【図5】 本発明の実施の形態に係るアキュムレータの別の例を示す断面図である。
【図6】 本発明の実施の形態に係るアキュムレータの別の例を示す断面図である。
【図7】 本発明の実施の形態に係るアキュムレータの液相冷媒の保持状態を示す断面図である。
【図8】 従来の二相流体ループ式排熱装置を示す概略構成図である。
【図9】 従来のアキュムレータを示す透視斜視図である。
【図10】 従来のアキュムレータの液相冷媒の保持状態を示す断面図である。
【符号の説明】
21 アキュムレータ
22 圧力容器
23 液相冷媒保持手段
24 冷却装置
25 加熱装置
28 接続口
30 割れ部
31 ウィック
32 ベーン
35 端部
36,36’ 空隙
40 交差部
Claims (7)
- 圧力容器内の冷媒を蒸発・凝縮させることにより閉ループの被制御系の圧力等を制御するためのアキュムレータであって、
液相冷媒を保持するための液相冷媒保持手段と、
液相冷媒を加熱し、蒸発させるための加熱手段と、
気相冷媒を冷却し、凝縮させるための冷却手段と、
前記被制御系に連通する接続口と、
を備え、前記液相冷媒保持手段は、液相冷媒を吸収可能な材質製のベーンを備え、該ベーンの端部は前記圧力容器の内面に近接しており、表面張力を利用して液保持を行うために、ベーンの接線と壁面とのなす角度が徐々に狭くなり、表面張力が変化しても安定して保持に対応できるように形成されていることを特徴とするアキュムレータ。 - 前記ベーンは波型に形成されている請求項1に記載のアキュムレータ。
- 前記圧力容器の内面と前記ベーンの端部との間に前記接続口が設けられている請求項1又は2に記載のアキュムレータ。
- 前記接続口は前記圧力容器の内面と前記ベーンの端部との間の空隙に面する割れ部を有し、該割れ部を通って液相冷媒が流出入するように構成されている請求項3に記載のアキュムレータ。
- 前記液相冷媒保持手段は、前記圧力容器の内面に設けられたウィックを備え、該ウィックは液相冷媒を吸収可能な材質製である請求項1〜4のいずれか1の請求項に記載のアキュムレータ。
- 波型のベーンが複数枚設けられ、該複数のベーンと前記圧力容器の内面との間の空隙にそれぞれ前記接続口が設けられている請求項5に記載のアキュムレータ。
- 前記複数の波型ベーンの交差部は滑らかに形成されている請求項5に記載のアキュムレータ。
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