JP5182246B2

JP5182246B2 - 微小重力環境用凝縮装置

Info

Publication number: JP5182246B2
Application number: JP2009173970A
Authority: JP
Inventors: 良二今井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2029-07-27
Also published as: JP2011025163A

Description

本発明は微小重力環境用凝縮装置に関する。

宇宙船や宇宙基地等では、搭載されている機器や居住空間の温度を所定に保つ必要から熱交換器等を備えた熱制御系ループが設置されて、内部の熱を外部に放熱して冷却することが行われている。

この熱制御系ループでは、例えば、図５に示すように、熱交換媒体（冷媒）として水やフロン代替物質等の液体が使用され、液体２０ａを蒸発させることで機器１等を冷却する熱回収用の蒸発器２（熱交換器）と、蒸発した蒸気２０ｂを宇宙空間に対して熱輻射により放熱させて液化するパネル放熱器３（熱交換器）との間を配管４で連通させてポンプ５で循環する形式が採用されていることが多い。パネル放熱器３は、大きな面積で形成されたラジエータパネル３ａとコンデンサ３ｂから構成されている。

ところで、このような熱制御系ループでは、配管４等の補修や交換後に、冷媒を充填しなければならないが、このとき、配管４内の冷媒中に非凝縮性のガス（例えば空気）による気泡が混入する場合があり、冷媒中に気泡が混入すると、ポンプ５のキャビテーションによる寿命の短縮化を招いたり、振動により無重力環境での実験に悪影響を及ぼす虞れがある。また、冷媒中に気泡が混入すると、パネル放熱器３による放熱性能が著しく低下することになり、このために、パネル放熱器３は大型の面積を有したものにする必要があった。

このように気泡の混入による凝縮熱伝達性能の低下は、蒸気と凝縮液体の分離が微小重力環境下では有効に行なわれないことに起因しており、この問題を解決するための従来技術としては、膜を用いたもの（特許文献１）、ポアスロートを用いたもの（特許文献２）が提案されている。しかし、このような装置においては、装置構造が複雑になったり、簡易的な構造のものの場合には十分な気液分離性能が見込めないといった問題を有していた。

また、高い気液分離性能を有するものとしては、機器の回転に伴い発生する遠心力を利用するようにしたもの（特許文献３）がある。しかし、このような回転駆動機器を備えたものの場合には、振動が微小重力環境に悪影響を与え、システムの信頼性の低下につながるため、宇宙機等への適用は好ましくない。

特開平１１−３１９４９６号公報特表２００６−５１６４７８号公報特表平１１−５０１５７８号公報

従って、蒸発器２からの蒸気を冷却して熱を宇宙空間へ放熱するための凝縮装置としては、信頼性の面からパネル放熱器３が好ましいとされているが、パネル放熱器３は大きな面積のラジエータパネル３ａを備える必要があるために、小型でしかも蒸気の凝縮と非凝縮性ガスの分離とが可能な凝縮装置の出現が望まれていた。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、小型の装置で蒸気の凝縮と非凝縮性ガスの分離とが行えるようにした微小重力環境用凝縮装置を提供しようとするものである。

本発明は、微小重力環境下で使用される熱制御系ループに備えた蒸発器により液体を蒸発させて機器の熱を除去し、蒸発した蒸気をパネル放熱器で凝縮して得られた液体を前記蒸発器に循環するようにしている微小重力環境用凝縮装置であって、
前記パネル放熱器の出口部に、ラジエータパネルと、該ラジエータパネルの平面に沿って設けた円筒ケーシングと、該円筒ケーシングの外周面から前記ラジエータパネルの平面に亘って配置したヒートパイプと、前記パネル放熱器からの気液混合液体を円筒ケーシングの一端から接線方向に導入して旋回流を形成する流体導入口と、円筒ケーシングの他端に形成した液導出口と、前記流体導入口が設けられた円筒ケーシングの一端の軸中心に挿入配置した非凝縮性ガス取出管と、を有する気体取出凝縮器を備えた
ことを特徴とする微小重力環境用凝縮装置、に係るものである。

上記微小重力環境用凝縮装置において、前記円筒ケーシングの内面にポーラス材を備えることは好ましい。

本発明の微小重力環境用凝縮装置によれば、パネル放熱器の出口部に、パネル放熱器からの気液混合液体を接線方向から導入して内部に旋回流を形成する円筒ケーシングをラジエータパネルに沿って設け、該円筒ケーシングの外周からラジエータパネルの平面に沿って延びるように設けたヒートパイプによって円筒ケーシングを冷却する気体取出凝縮器を備えたので、パネル放熱器からの気液混合液体を気体取出凝縮器により冷却しつつ旋回させることで凝縮を効果的に行わせて非凝縮性ガスを確実に分離することができる。従って、パネル放熱器では蒸気を完全に液体に凝縮する必要がないためにパネル放熱器は小型化することができ、更に、振動を生じることもなく、熱制御系ループ全体の小型・簡略化が図れるという優れた効果を奏し得る。

又、円筒ケーシングの内面にポーラス材を備えることにより、分離した液を良好に保持して下流に導くことができる。

本発明の微小重力環境用凝縮装置を備えた熱制御ループの実施例を示す概略系統図である。図１における気体取出凝縮器の一例を示す側面図である。図２をＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。図３とは異なるヒートパイプの配置例を示す断面図である。従来の熱制御ループの一例を示す概略系統図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１〜図３は本発明の一実施例を示すものであって、図中、図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図５に示す従来のものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図１に示す如く、ポンプ５によって冷媒が循環している熱制御系ループにおけるパネル放熱器３'の出口部に、気体取出凝縮器６を備えている。このとき、前記パネル放熱器３'は、従来のように蒸気２０ｂを完全に液化させるようにしたパネル放熱器３に対して、蒸気２０ｂを部分的に凝縮することができればよいため、従来のパネル放熱器３に比して大幅に小型のものとしている。

前記気体取出凝縮器６は、図２、図３に示す如く、宇宙空間に対向して設けるようにした例えば長方形を有するラジエータパネル７と、該ラジエータパネル７の内側平面の長手方向中間部に沿って設けた円筒ケーシング８とを有している。円筒ケーシング８の一端は閉塞されており、閉塞された一端側の外周面には、前記パネル放熱器３からの気液混合液体２０ｃを円筒ケーシング８内に接線方向から導入して旋回流を形成するようにした流体導入口９を設けている。又、円筒ケーシング８の他端には、先細り形状に形成された液導出口１０を設けている。更に、前記流体導入口９を設けた円筒ケーシング８の一端側の軸中心位置には、非凝縮性ガス２１を取り出すための非凝縮性ガス取出管１１を挿入配置している。この非凝縮性ガス取出管１１は、円筒ケーシング８内部への挿入長さを調節できるようになっていることが好ましく、更に、非凝縮性ガス取出管１１には開閉弁１２が設けてあり、該開閉弁１２を開けて円筒ケーシング８内の圧力を利用して円筒ケーシング８内の非凝縮性ガス２１を取り出すか、又は、非凝縮性ガス取出管１１を吸引することによって円筒ケーシング８内の非凝縮性ガス２１を取り出すようにしている。

前記円筒ケーシング８の内面には、ポーラス材１３を設けている。ポーラス材としては、１００〜２００メッシュのＳＵＳ製金網の積層体、ＳＵＳ製もしくは銅製の焼結繊維、粉末焼結体等を用いることができる。

前記円筒ケーシング８の長手方向に所要の間隔を隔てた外周面には、複数のヒートパイプ１４の一端が沿うように設けてあり、該ヒートパイプ１４の他端は前記ラジエータパネル７の内側平面の長手方向に沿うように配置されている。図３では、ラジエータパネル７上に配置された円筒ケーシング８の頂部を境にして左右のヒートパイプ１４が円筒ケーシング８の外周面からラジエータパネル７の内側平面に亘って延びるように配置されている。

又、図４では、ヒートパイプ１４の一端が円筒ケーシング８の外周に例えば２７０゜の範囲で巻き付けられた後、ラジエータパネル７の内側平面に亘って配置されるようにした場合を示している。

次に、上記実施例の作動を説明する。

ポンプ５からの液体２０ａの冷媒が蒸発器２に供給されて、液体２０ａが蒸発することで機器１等の冷却が行われ、蒸発器２で蒸発した蒸気２０ｂは、パネル放熱器３'に導かれて宇宙空間に対して熱輻射による放熱を行うことで液化が行われる。このとき、パネル放熱器３'で蒸気２０ｂの完全な液化を行うことは、非常に大型のパネル放熱器３を必要とするために、本発明におけるパネル放熱器３'は蒸気を部分的に凝縮できる大きさのものとしている。このため、パネル放熱器３'の大きさは図５に示す従来のパネル放熱器３に比して小型化することができる。

従って、前記パネル放熱器３'からは気液混合液体２０ｃが導出されるようになる、この気液混合液体２０ｃは流体導入口９から前記気体取出凝縮器６の円筒ケーシング８内に接線方向に導入される。これにより、円筒ケーシング８内には旋回流が形成され、微小重力環境では比較的小さな力の旋回流でも旋回が継続される効果があるため、ラジエータパネル７及びヒートパイプ１４によって冷却されつつ、液及び液粒子は遠心力により外方へ移動してポーラス材１３に捕捉され、気体は軸中心に集合することで気液分離が効果的に行われる。

ポーラス材１３に捕捉された液体２０ａは、液導出口１０からポンプ５に供給され、円筒ケーシング８の軸中心に分離された非凝縮性ガス２１は、非凝縮性ガス取出管１１の開閉弁１２を開けることにより外部へ取り出される。

上記したように、パネル放熱器３'の出口部に、パネル放熱器３'からの気液混合液体２０ｃを接線方向から導入して内部に旋回流を形成する円筒ケーシング８をラジエータパネル７に沿って設け、円筒ケーシング８の外周からラジエータパネル７の内側平面に沿って延びるように設けたヒートパイプ１４によって円筒ケーシング８を冷却するようにした気体取出凝縮器６を備えたので、パネル放熱器３'からの気液混合液体２０ｃを気体取出凝縮器６によって冷却しつつ旋回させることで凝縮を効果的に行い、非凝縮性ガス２１を確実に分離することができる。従って、パネル放熱器３'では蒸気２０ｂを完全に液体２０ａに凝縮する必要がないためにパネル放熱器３'の小型化を図ることができ、更に、振動を生じることもなく、熱制御系ループ全体の小型・簡略化を図ることができる。

尚、本発明の微小重力環境用凝縮装置は、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。

２蒸発器
３' パネル放熱器
６気体取出凝縮器
７ラジエータパネル
８円筒ケーシング
９流体導入口
１０液導出口
１１非凝縮性ガス取出管
１３ポーラス材
１４ヒートパイプ
２０ａ液体
２０ｂ蒸気
２０ｃ気液混合液体
２１非凝縮性ガス

Claims

微小重力環境下で使用される熱制御系ループに備えた蒸発器により液体を蒸発させて機器の熱を除去し、蒸発した蒸気をパネル放熱器で凝縮して得られた液体を前記蒸発器に循環するようにしている微小重力環境用凝縮装置であって、
前記パネル放熱器の出口部に、ラジエータパネルと、該ラジエータパネルの平面に沿って設けた円筒ケーシングと、該円筒ケーシングの外周面から前記ラジエータパネルの平面に亘って配置したヒートパイプと、前記パネル放熱器からの気液混合液体を円筒ケーシングの一端から接線方向に導入して旋回流を形成する流体導入口と、円筒ケーシングの他端に形成した液導出口と、前記流体導入口が設けられた円筒ケーシングの一端の軸中心に挿入配置した非凝縮性ガス取出管と、を有する気体取出凝縮器を備えた
ことを特徴とする微小重力環境用凝縮装置。
前記円筒ケーシングの内面にポーラス材を備えたことを特徴とする請求項１記載の微小重力環境用凝縮装置。