JP6130998B2 - 宇宙用冷却器 - Google Patents

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Description

本発明は、宇宙用冷却器に関し、特に、水の蒸発熱を利用して冷却対象を冷却する宇宙用冷却器に関する。
宇宙空間において用いられる装置においては、冷却が一つの重要な課題である。例えば宇宙服に搭載される冷却装置においては冷媒を冷却することが必要になるが、地上の冷却装置のように、外気や環境水（海水など）を冷熱源として用いることはできない。宇宙空間における冷却には、地上とは異なる技術が必要になる。
宇宙空間における冷却を実現する冷却器としては、水の蒸発熱を利用して冷却対象を冷却するサブリメータ（sublimator）が知られている。このようなサブリメータは、例えば、非特許文献１に開示されている。
図１は、非特許文献１に開示されているサブリメータ１００の構造を示す断面図である。冷媒層（coolant
layer）１０３の両面に供給水層（feedwater layer）１０２、１０４が接合されて、その供給水層１０２、１０４にサブリメーションプレート１０１、１０５が接合されている。冷媒層１０３は、冷却されるべき冷媒が通過する通路であり、供給水層１０２、１０４は、供給水が通過する通路である。サブリメーションプレート１０１、１０５は、多孔質（porous）のステンレス鋼の板材で形成されている。供給水層１０２、１０４に供給された供給水はサブリメーションプレート１０１、１０５に導入され、更に、宇宙空間に蒸発される。これにより、冷媒層１０３の冷媒から熱が奪われ、該冷媒が冷却される。
また、宇宙空間において水の蒸発熱を利用して冷却対象を冷却する冷却器は、他にも、例えば、特開平４−２７８２２７２号公報に開示されている。この公報に開示されている冷却器でも、多孔質材を通して水が蒸発されることにより、媒体の冷却が行われる。
これらの宇宙用冷却器の一つの問題は、冷却に用いられる水の純度が低いと多孔質板が詰まりやすくなり、冷却効率が劣化することである。これらの宇宙用冷却器では、蒸発又は昇華される供給水として、高純度の水を使用する必要がある。
特開平４−２７８２２７２号公報
Rubik B. Sheth et al. "Investigation of TransientPerformance for a Sublimator", http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100021978_2010023392.pdf
したがって、本発明の目的は、冷却のために高純度の水を必要としない宇宙用冷却器を提供することにある。
本発明の一の観点では、宇宙用冷却器が提供される。当該宇宙用冷却器は、冷却されるべき冷媒が流される第１流路と、第１流路と熱的に接合された、供給水が流される第２流路と、当該宇宙用冷却器が宇宙空間で使用されたときに宇宙空間に露出される吸水体とを備えている。吸水体には、第２流路から供給水が供給される。吸水体は、吸水性を有する材料でできた吸水部材を含む。好適には、該吸水部材は、吸水性ポリマーで形成されたポリマー部を含む。
好適な実施形態では、当該宇宙用冷却器が、外管と、外管の内部に収容された内管
とを備えている。第１流路は、内管の内部に形成され、第２流路は、外管と内管の間に形成される。吸水体は、外管の外面を包囲するように形成される。外管には、第２流路から吸水体に供給水を供給する貫通孔が設けられる。
吸水性ポリマーとしては、例えば、アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物、ポリアクリル酸ナトリウム、又は、デンプン・アクリル酸グラフト重合体部分ナトリウム塩のいずれかが使用され得る。
本発明によれば、冷却のために高純度の水を必要としない宇宙用冷却器が提供される。
従来のサブリメータの構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の宇宙用冷却器の構造を示す断面図である。 第１の実施形態の宇宙用冷却器の構造を示す斜視図である。 第２の実施形態の宇宙用冷却器の構造を示す断面図である。
第１の実施形態：
図２は、本発明の第１の実施形態の宇宙用冷却器１０の構成を示す断面図であり、図３は、宇宙用冷却器１０の構成を示す斜視図である。冷却器１０は、内管１１と、外管１２と、吸水体１５とを備えている。吸水体１５は、外管１２の外側を包囲するように設けられている。
内管１１と外管１２とは、内管１１は、外管１２の内部に挿入されている。内管１１の内側の空間は内側流路１３を構成しており、一方、内管１１と外管１２の間の空間は外側流路１４を構成している。後述のように、内側流路１３は、冷却対象である冷媒が流される流路であり、外側流路１４は、蒸発又は昇華される供給水が流される流路である。本実施形態では、内管１１と外管１２とは、いずれも、熱伝導性が良好な金属材料、例えば銅で形成されている。したがって、内側流路１３と外側流路１４とは熱的に結合されており、内側流路１３を流れる冷媒と外側流路１４を流れる供給水とは熱交換を行う。
内管１１は、宇宙用冷却器１０の長さ方向に垂直な断面において凹凸を有するような形状に形成されている。後述されるように、このような構成は、内側流路１３を流れる冷媒と外側流路１４を流れる供給水との間の熱交換の効率を向上させ、冷却効率の向上に好適である。詳細には、内管１１は、半径方向に突出する複数の突出部１１ａを備えており、突出部１１ａの先端において外管１２の内面に接合されている。外側流路１４は、隣接する２つの突出部１１ａと外管１２の内面とで囲まれる空間として形成されている。本実施形態では、突出部１１ａの数は６であり、よって、外側流路１４の数も６である。ただし、突出部１１ａの数及び外側流路１４の数は、６に限定されない。
外管１２には、各外側流路１４に連通する貫通孔１２ａが設けられている。後述されるように、貫通孔１２ａは、供給水を外側流路１４から吸水体１５に供給するために使用される。
吸水体１５は、吸水性を有する構造体であり、外側流路１４から供給された供給水を一時的に保持し、更に蒸発させる機能を有している。本実施形態では、吸水体１５は、ポリマー部１５ａと外装体１５ｂとを備えている。ポリマー部１５ａは、吸水性のポリマーで形成されている吸水部材である。ポリマー部１５ａの材料としては、水を吸収するとゲルになる、吸水性が高いポリマーが使用され得る。より具体的には、ポリマー部１５ａの材料としては、例えば、アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物、ポリアクリル酸ナトリウム、デンプン・アクリル酸グラフト重合体部分ナトリウム塩等が使用され得る。外装体１５ｂは、ポリマー部１５ａを構成する吸水性のポリマーを保持する機能を有している。本実施形態では、外装体１５ｂは、ポリマー部１５ａを包んで保持している。外装体１５ｂは、水を通過させるような材料、例えば、不織布や金属網で形成されている。宇宙空間で宇宙用冷却器１０が使用される場合、吸水体１５が宇宙空間に露出される。
図２及び図３に示されているように、吸水体１５は、外管１２の外面に接するようにテープ１６とワイヤー１７とで固定されている。詳細には、図２に示されているように、吸水体１５の端にテープ１６が張り付けられ、そのテープ１６が更に吸水体１５の途中の部分に貼りつけられている。テープ１６により、吸水体１５が外管１２の外面に締めつけられている。加えて、図３に示されているように、ワイヤー１７を吸水体１５の周りに巻き、更にワイヤー１７の両端をねじることで、吸水体１５が外管１２の外面に締めつけられている。なお、吸水体１５を外管１２の外面に接するように固定する方法は、これらに限定されない。
続いて、本実施形態の宇宙用冷却器１０の動作を説明する。本実施形態の宇宙用冷却器１０は、外側流路１４に流される供給水を蒸発させ、その蒸発潜熱によって内側流路１３に流される冷媒を冷却する。詳細には、外側流路１４に流された供給水は、外管１２に設けられた貫通孔１２ａを介して吸水体１５に徐々に供給される。吸水体１５に供給された水は、ポリマー部１５ａの吸水性のポリマーによって一旦吸収される。ここで、吸水体１５が宇宙空間に露出されているので、吸水体１５に吸収された水は、宇宙用冷却器１０の外部に徐々に蒸発される。吸水体１５に吸収された水が蒸発されると、その蒸発熱によって吸水体１５が冷却され、外側流路１４に流される供給水も冷却される。これにより、内側流路１３に流される冷媒が冷却される。
本実施形態の宇宙用冷却器１０の一つの利点は、高純度の水を用いなくても冷却を行うことができることである。本実施形態では、吸水体１５、より具体的にはポリマー部１５ａの吸水性のポリマーによって供給水が吸収された上で蒸発又は昇華されるため、図１のサブリメータのように多孔質板が詰まる問題が発生しない。
他の利点は、供給水が無駄に宇宙用冷却器１０の外部に排出されにくく、供給水を有効に利用することができることである。図１のサブリメータでは、サブリメーションプレート１０１、１０５の穴が大きすぎると、供給水が蒸発又は昇華されずに外部に排出されてしまう。本実施形態の宇宙用冷却器１０では、ポリマー部１５ａの吸水性のポリマーによって供給水が吸収されるため、供給水が蒸発せずに宇宙用冷却器１０の外部に排出されることを抑制することができる。
加えて、本実施形態では、内側流路１３と外側流路１４とを区分する内管１１が、凹凸を有するような形状に形成されており、内側流路１３を流れる冷媒と外側流路１４を流れる供給水との間の熱交換の効率が向上されている。これは、内側流路１３を流れる冷媒の冷却効率の向上に寄与する。
第２の実施形態：
図４は、本発明の第２の実施形態の宇宙用冷却器２０の構成を示す断面図である。本実施形態の宇宙用冷却器２０は、裏側プレート２１と、隔壁２２と、表側プレート２３と、吸水体２６とを備えている。裏側プレート２１と隔壁２２とは互いに対向するように設けられており、裏側プレート２１と隔壁２２との間に冷媒流路２４が形成されている。また、隔壁２２と表側プレート２３とは互いに対向するように設けられており、隔壁２２と表側プレート２３の間に供給水流路２５が形成されている。裏側プレート２１と、隔壁２２と、表側プレート２３とは、いずれも、熱伝導性が良好な金属材料、例えば銅で形成されている。冷媒流路２４と供給水流路２５とは熱的に結合されており、冷媒流路２４を流れる冷媒と供給水流路２５を流れる供給水とは熱交換を行う。
表側プレート２３は、隔壁２２と反対方向に突出する突出部を適宜の間隔で有しており、その突出部先端又はその周辺に貫通孔２３ａが設けられている。更に、表側プレート２３の隔壁２２と反対の面に吸水体２６が取り付けられている。
吸水体２６は、第１の実施形態の吸水体１５と同様に、供給水流路２５から供給された供給水を一時的に保持し、更に蒸発させる機能を有している。吸水体２６は、ポリマー部２６ａと外装体２６ｂとを備えている。ポリマー部２６ａは、第１の実施形態のポリマー部１５ａと同様に、吸水性のポリマーで形成されている。ポリマー部２６ａの材料としては、水を吸収するとゲル状になる、吸水性が高いポリマーが使用され得る。ポリマー部２６ａの材料としては、例えば、アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物、ポリアクリル酸ナトリウム、デンプン・アクリル酸グラフト重合体部分ナトリウム塩等が使用され得る。外装体２６ｂは、ポリマー部２６ａを構成する吸水性のポリマーを保持する機能を有している。外装体２６ｂは、ポリマー部２６ａを包んで保持している。外装体２６ｂは、水を通過させるような材料、例えば、不織布や金属網で形成されている。宇宙空間で宇宙用冷却器２０が使用される場合、吸水体２６が宇宙空間に露出される。
本実施形態の宇宙用冷却器２０の動作は、本質的には、第１の実施形態の宇宙用冷却器１０と同様である。供給水流路２５に流された供給水は、表側プレート２３に設けられた貫通孔２３ａを介して徐々に吸水体２６に供給される。吸水体２６に供給された水は、ポリマー部２６ａの吸水性のポリマーによって一旦吸収される。ここで、吸水体２６が宇宙空間に露出されているので、吸水体２６に吸収された水は、宇宙用冷却器２０の外部に徐々に蒸発される。吸水体２６に吸収された水が蒸発されると、その蒸発熱によって吸水体２６が冷却され、供給水流路２５に流される供給水も冷却される。これにより、冷媒流路２４に流される冷媒が冷却される。
本実施形態の宇宙用冷却器２０においても、第１の実施形態の宇宙用冷却器１０と同様に、高純度の水を用いなくても冷却を行うことができる。本実施形態においても、ポリマー部２６ａの吸水性のポリマーによって供給水が吸収された上で蒸発又は昇華されるため、図１のサブリメータのように多孔質板が詰まる問題が発生しない。
加えて、本実施形態の宇宙用冷却器２０においても、供給水が無駄に宇宙用冷却器２０の外部に排出されにくく、供給水が蒸発せずに宇宙用冷却器２０の外部に排出されることを抑制することができる。
なお、上述の実施形態では、吸水性のポリマーで形成されたポリマー部（１５ａ、２６ｂ）が吸水部材として使用されているが、吸水部材としては、吸水性のある他の材料が使用され得る。例えば、繊維を含む構造体、より具体的には、布、布の積層体、綿、不繊布、不繊布の積層体、芯部材に糸が巻き付けられた構造体を、吸水部材として用いてもよい。ただし、上述の実施形態で述べられているように、水を保持する能力が高い吸水性のポリマーを使用することが好適である。
以上には本発明の実施形態が具体的に説明されているが、本発明が上記の実施形態に限定されると解釈してはならない。本発明は、当業者には自明的な様々な変更をした上で実施され得る。
１０：宇宙用冷却器
１１：内管
１１ａ：突出部
１２：外管
１２ａ：貫通孔
１３：内側流路
１４：外側流路
１５：吸水体
１５ａ：ポリマー部
１５ｂ：外装体
１６：テープ
１７：ワイヤー
２０：宇宙用冷却器
２１：裏側プレート
２２：隔壁
２３：表側プレート
２３ａ：貫通孔
２４：冷媒流路
２５：供給水流路
２６：吸水体
２６ａ：ポリマー部
２６ｂ：外装体
１００：サブリメータ
１０１、１０５：サブリメーションプレート
１０２、１０４：供給水層
１０３：冷媒層

Claims (2)

  1. 宇宙用冷却器であって、
    冷却されるべき冷媒が流される内側流路と、
    前記内側流路と熱的に結合された、供給水が流される外側流路と、
    当該宇宙用冷却器が宇宙空間で使用されたときに前記宇宙空間に露出される吸水体と、
    外管と、
    前記外管の内部に収容された内管
    とを備え、
    前記吸水体には、前記外側流路から前記供給水が供給され、
    前記吸水体が、吸水性ポリマーで形成されたポリマー部を含み、
    前記吸水性ポリマーが、水を吸収するとゲルになる材料であり、
    前記内側流路は、前記内管の内部に形成され、
    前記外側流路は、前記外管と前記内管の間に形成され、
    前記吸水体は、前記外管の外面を包囲するように形成され、
    前記外管には、前記外側流路から前記吸水体に前記供給水を供給する貫通孔が設けられ、
    前記内管は、半径方向に突出する複数の突出部を備えると共に、前記突出部の先端において前記外管の内面に接合され、
    前記外側流路は、２つの隣接する前記突出部と前記外管の内面とで囲まれる空間として形成された
    宇宙用冷却器。
  2. 請求項１に記載の宇宙用冷却器であって、
    前記吸水性ポリマーが、アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物、ポリアクリル酸ナトリウム、又は、デンプン・アクリル酸グラフト重合体部分ナトリウム塩のいずれかである
    宇宙用冷却器。

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