JP4142167B2 - 宇宙環境試験装置の温度コントロールベースプレート - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度コントロールベースプレートに関し、詳しくは、小型の宇宙環境試験装置に用いられる温度コントロールベースプレートであって、特に、軽量で、熱伝達効率に優れた宇宙環境試験装置の温度コントロールベースプレートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型の宇宙環境試験装置は、人工衛星に使用する部品レベルの試験体の熱真空環境試験に用いられ、試験体には、任意の温度環境を提供する必要がある。この温度環境を提供するために、温度コントロールベースプレート（以下、ベースプレートと記す）が使用されている。試験体である衛星部品は、ベースプレートの表側の面に設置され、このベースプレートの温度を変化させることで、各種の温度環境を試験体に与えるようにしている。
【０００３】
このベースプレートの温度コントロールは、加熱源としては電気ヒーターを用い、冷却源としては冷凍機で発生した冷流体や液化窒素等の冷媒を用いて行っている。温度コントロール範囲の低温側の下限仕様値が−７０℃までの場合は、冷媒として冷凍機で生成した低温フロンを使用されることが多く、それより低い場合は液化窒素が使用されている。勿論−７０℃までの場合でも液化窒素を使用することは可能であるが、高圧ガス保安法による制約や完全無人運転が難しいなどの理由から敬遠され、一般的にはフロン冷凍機が使用されている。一方、高温側の温度コントロール範囲は＋１００〜１５０℃が仕様値とされることが多く、加熱源としては一般的にヒーターが用いられている。
【０００４】
図６及び図７は、従来のベースプレートの一形状例を示すもので、図６は側面図、図７は背面図である。ベースプレート１は、試験体２を設置する面１ａとは反対側の面１ｂに、棒状のヒーター３と、冷媒が流れる冷媒配管４とを取付けたものであって、ベースプレート１の材料としては、熱伝導度が大きく、かつ、冷媒配管４との接合性が良好な材料、例えば銅が多く用いられている。通常、冷媒配管４はロウ付けにより、ヒーター３は金属バンド５により、それぞれベースプレート１に固定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、冷媒配管４をロウ付けによってベースプレート１に固定した場合、冷媒の冷熱は、冷媒配管４からロウ付け部のロウ材を通して伝熱により、間接的にベースプレート１に伝えられるので、冷媒から冷媒配管，冷媒配管からロウ材，ロウ材からベースプレートの各層間における熱伝達抵抗が発生し、伝熱効率が悪いものであった。また、この伝熱部の伝熱面積は、冷媒と冷媒配管内面との伝熱面積に比べ小さいものとなる。伝熱量は、伝熱面積に依存するから、このように伝熱面積が小さいと、冷却速度を早くできなかったり、応答速度が遅くなったりするという問題があった。
【０００６】
一方のヒーター３も、金属バンド５でベースプレート１に固定されるだけであり、接触面積が小さく伝熱効率が悪いので、昇温速度が遅くなってしまういう問題とともに、ヒーター表面の非接触面積が大きくなるから、ヒーター表面の温度が必要以上に高くなってしまい、制御性が悪くなったり、断線し易くなったりするという問題があった。
【０００７】
また、ベースプレート１の材質は、熱伝導率が良いことや加工が容易という点で銅が用いられているが、銅は熱伝導率が大きいという利点はあるものの、比重が大きいので重くなり、真空容器への組み込みや取り外しの作業性が悪いという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、伝熱抵抗が発生せず、かつ、伝熱面積が大きくとれ、伝熱性能が優れるとともに、軽量化も図れる宇宙環境試験装置の温度コントロールベースプレートを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の宇宙環境試験装置の温度コントロールベースプレートは、宇宙環境試験装置内に設置され、ヒーターを加熱源、冷媒を冷却源として試験体に任意の温度環境を提供する温度コントロールベースプレートにおいて、ベースプレート本体に、冷媒導入側から冷媒導出側まで連続形成した溝の開口部に嵌着した蓋板を該開口部両側の段部に溶接して前記開口部を密封して前記冷媒を流通させる冷媒通路を形成するとともに、前記ベースプレート本体に、前記ヒーターの外径と略同じ幅及び深さで形成したヒーター取付溝に前記ヒーターを挿入して前記蓋板とは別の蓋板をヒーター取付溝の開口部両側に設けられた段部に嵌め込んで固着したことを特徴としている。
【００１０】
さらに、本発明の温度コントロールベースプレートは、前記冷媒通路における冷媒導入側通路と冷媒導出側通路との冷媒同士が熱交換可能な状態で隣接して並列に形成されていること、また、前記ベースプレートの材質が、アルミニウムであること、さらに、前記ベースプレートが、前記冷媒通路を形成したプレートと、前記ヒーター取付溝を設けたプレートとを積層したものであることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３は、本発明の温度コントロールベースプレートの一形態例を示すもので、図１は側面図、図２は背面図、図３は要部の断面図である。この温度コントロールベースプレート１０は、該ベープレート１０を構成する板材（ベースプレート本体）１１における試験体１２を設置する面１１ａとは反対側の面１１ｂに、冷媒通路１３となる溝と、ヒーター取付溝１４となる溝とを形成したものであって、冷媒通路１３には、溝の開口を塞ぐための蓋板１５が装着され、ヒーター取付溝１４には、ヒーター１６が埋め込まれた上で蓋板１７が装着されている。
【００１２】
冷媒通路１３となる溝は、冷媒導入側１３ａから冷媒導出側１３ｂまで連続する１本の溝で形成されており、溝の開口部を蓋板１５で密封することにより、密閉された冷媒通路１３が形成される。また、冷媒通路１３となる溝の開口部両側には、蓋板１５を嵌着するための段部１３ｃが設けられており、蓋板１５は、この段部１３ｃ部分に嵌めこまれた状態で、その幅方向両縁が、突き合わせ溶接１８によってベースプレート本体１１の裏面１１ｂに固着される。このような突き合わせ溶接１８は、溶接の困難なアルミニウム等の材料に対しても比較的容易にできる溶接方法であり、また、気密性や強度の点でも信頼性の高い溶接方法である。この冷媒通路１３の両端の冷媒導入側１３ａと冷媒導出側１３ｂとには、ベースプレート本体１１の一側に開口した通孔を介して冷媒導入配管１９ａと冷媒導出配管１９ｂとが溶接等により密に接続されている。
【００１３】
一方、ヒーター取付溝１４は、ヒーター１６の外径と略同じ幅及び深さで形成されるものであって、棒状のヒーター１６を挿入できるように、一端がベースプレート本体１１の一側に開口した直線形状に形成されており、蓋板１７は、ヒーター取付溝１４の開口部両側に設けられた段部１４ａ部分に嵌め込まれて固定ネジ２０により固着されている。
【００１４】
このように形成することにより、冷媒通路１３内を流れる冷媒とベースプレート本体１１との伝熱が直接伝熱となるので、伝熱抵抗が発生せず、伝熱効率が向上するとともに、冷媒が接触する溝の全面が伝熱面積として有効に使用でき、伝熱量の増加も図れる。これにより、伝熱能力を格段に向上させることができ、冷却速度や応答速度を速めることができるとともに、冷媒の消費量を低減することができる。
【００１５】
さらに、ヒーター１６をヒーター取付溝１４内に埋め込んだ状態としているので、ヒーター１６の表面をヒーター取付溝１４の内面と蓋板１７の内面に接触させた状態にすることができるので、ヒーター１６とベースプレート本体１１との接触面積を大幅に増加させることができる。
【００１６】
したがって、ヒーター１６からの熱を有効にベースプレート本体１１に伝えることができるとともに、ヒーター１６の表面の非接触面積を小さくできるので、ヒーター１６の表面温度が必要以上に上昇する現象を緩和でき、温度制御性の向上や、断線の発生を少なくすることができる。また、ヒーター取付溝１４の蓋板１７を固定ネジ２０によって固定するようにしたので、ヒーター１６の取替えも容易に行うことができる。
【００１７】
図４は、冷媒通路やヒーター取付溝の他の形状例を示すベースプレートの背面図である。本形態例に示す冷媒通路１３は、その冷媒導入側１３ａと冷媒導出側１３ｂとを隣接して並列に形成し、両通路の冷媒同士が熱交換可能なように形成されている。これにより、熱負荷を与えられて温度上昇した導出側の高温の冷媒と、導入側の低温の冷媒とを熱交換させることができ、冷媒の冷熱をベースプレート本体１１により均一に伝えることができる。一方のヒーター取付溝１４は、全体を均一に加熱できるように、上記冷媒通路１３の間を縫うように形成されている。
【００１８】
また、図５は、冷媒通路１３の他の形状例を示す断面図である。この冷媒通路１３は、ベースプレート本体１１の裏面１１ｂに形成した冷媒通路１３より幅広で浅い溝２１を形成しておき、この浅い溝２１の底面に冷媒通路１３となる段部１３ｃを有する溝を形成したものである。このように形成することにより、蓋板１５を固着する突き合わせ溶接１８の溶接ビード盛り上がりがベースプレート本体１１の裏面１１ｂから突出しないので、ベースプレート１０を固定する架台等への取付けに支障を来すことが無くなる。
【００１９】
ベースプレート本体１１の材質は、銅やアルミニウム等、任意に選定できるが、特に、アルミニウムを使用することにより、銅の場合の約１／３の重量で形成することができる。特に、小型のベースプレート１０の場合、例えば、縦横が５００×５００ｍｍで、厚みが２５ｍｍの場合は、アルミニウムで製作することにより、その重量を約１３ｋｇにすることができるので、真空容器内への組付け等の作業を一人で行うことが可能となり、作業性を大幅に向上させることができる。
【００２０】
なお、冷媒通路１３を形成したプレートと、ヒーター取付溝１４を形成した別のプレートとを積層一体化してベースプレート本体を形成することもできる。この場合、温度制御性を考慮すると、全体で均一な温度を得ることが容易なヒーター取付側のプレートを試験体設置側とすることが好ましい。このように、プレートを冷媒側とヒーター側とで別体に形成することにより、冷媒通路の間にヒーター１６が位置することがなくなるので、温度均一性を向上させることができる。
【００２１】
また、上記冷媒通路１３やヒーター取付溝１４となる溝は、数値制御旋盤（ＮＣ旋盤）を用いることにより精度良く簡単に加工することができ、ベースプレートの大きさや温度範囲等に応じて任意の形状で形成することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の温度コントロールベースプレートによれば、冷媒やヒーターとの伝熱面積を大幅に増加させることができるので、冷却速度や応答速度を速めることができるとともに、冷媒量の低減を図ることができる。また、ヒーターの制御性が高められるとともに、断線を少なくすることができる。さらに、アルミニウムで製作することにより、大幅な軽量化が図れ、作業性を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の温度コントロールベースプレートの一形態例を示す側面図である。
【図２】 同じく背面図である。
【図３】 同じく要部の断面図である。
【図４】 冷媒通路やヒーター取付溝の他の形状例を示すベースプレートの背面図である。
【図５】 冷媒通路の他の形状例を示す断面図である。
【図６】 従来のベースプレートの一形状例を示す側面図である。
【図７】 同じく背面図である。
【符号の説明】
１０…温度コントロールベースプレート、１１…ベースプレート本体、１２…試験体、１３…冷媒通路、１３ａ…冷媒導入側、１３ｂ…冷媒導出側、１４…ヒーター取付溝、１５…蓋板、１６…ヒーター、１７…蓋板、１８…突き合わせ溶接、１９ａ…冷媒導入配管、１９ｂ…冷媒導出配管、２０…固定ネジ

Claims (4)

1. 宇宙環境試験装置内に設置され、ヒーターを加熱源、冷媒を冷却源として試験体に任意の温度環境を提供する温度コントロールベースプレートにおいて、ベースプレート本体に、冷媒導入側から冷媒導出側まで連続形成した溝の開口部に嵌着した蓋板を該開口部両側の段部に溶接して前記開口部を密封して前記冷媒を流通させる冷媒通路を形成するとともに、
   前記ベースプレート本体に、前記ヒーターの外径と略同じ幅及び深さで形成したヒーター取付溝に前記ヒーターを挿入して前記蓋板とは別の蓋板をヒーター取付溝の開口部両側に設けられた段部に嵌め込んで固着したことを特徴とする宇宙環境試験装置の温度コントロールベースプレート。
2. 前記冷媒通路は、冷媒導入側通路と冷媒導出側通路とが、両通路の冷媒同士が熱交換可能な状態で隣接して並列に形成されていることを特徴とする請求項１記載の宇宙環境試験装置の温度コントロールベースプレート。
3. 前記ベースプレートの材質が、アルミニウムであることを特徴とする請求項１又は２記載の宇宙環境試験装置の温度コントロールベースプレート。
4. 前記ベースプレートが、前記冷媒通路を形成したプレートと、前記ヒーター取付溝を設けたプレートとを積層したものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の宇宙環境試験装置の温度コントロールベースプレート。

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