JP6815573B1 - 太陽電池パドルおよび接合方法 - Google Patents

Abstract

太陽電池パドル（１００）は、巻かれた状態から伸展される伸展マスト（１２０）と、前記伸展マストが巻かれ、前記伸展マストが伸展された後に前記伸展マストを支持する支持部材（１３０）と、を備える。前記支持部材は、繊維強化複合材料で作られる。前記繊維強化複合材料は、前記伸展マストの伸展方向と直交する方向において毎セルシウム度を単位とする線膨張係数が−１×１０−６以上１×１０−６以下である。

Description

本開示は、太陽電池パドルに関するものである。

人工衛星の大電力化のため、太陽電池パドルの大型化が求められている。
近年、発電パネルを筒状に収納し、マストを伸展させることによって発電パネルを展開し、発電パネルをマストによって保持する、という方法が検討されている。また、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）をマストに利用することが検討されている。
この方法において、発電パネルとマストとの両者の伸展方向の不一致は、発電パネルの破損につながる。そのため、伸展方向の角度誤差および伸展方向の角度変化を低減する必要がある。
伸展方向の角度誤差および伸展方向の角度変化を低減するには、マストとマストが接合される支持部材との熱膨張差の低減が有効である。この熱膨張差は温度変化によって生じる。また、伸展方向の角度誤差および伸展方向の角度変化を低減するには、マストと支持部材との接合部のクリアランスの低減が有効である。

特許文献１は、ＣＦＲＰの円筒体に金属の円筒体のインサート部を挿入し、両方の円筒体を接着剤によって接着する、という接合方法を開示している。

特開平１−１１４４２１号公報

発電パネルとマストとの両者の伸展方向について角度誤差および角度変化を低減するには、マストと支持部材との熱膨張差の低減、および、マストと支持部材との接合部のクリアランスの低減、という対応が有効である。
しかし、現状は、これらの対応を実現する技術がない。代わりに、支持部材の構造を大きくして支持部材の剛性を高めると、支持部材の重量が大きくなってしまう。

特許文献１に開示の接合方法には以下のような課題が存在する。
ＣＦＲＰと金属との熱膨張差が存在するため、ＣＦＲＰの部材と金属の部材との接合部の形状が温度変化によって変化する。そのため、ＣＦＲＰの部材の伸展方向が環境の変化によって変化する。また、ＣＦＲＰの部材と金属の部材とのクリアランスの分だけＣＦＲＰの部材の伸展方向が変化し得る。それらの変化は、伸展方向の角度誤差が生じる要因となる。

本開示は、発電パネルの伸展方向と伸展マストの伸展方向の角度誤差を小さくすることを目的とする。

本開示の太陽電池パドルは、
巻かれた状態から伸展される伸展マストと、
前記伸展マストが巻かれ、前記伸展マストが伸展された後に前記伸展マストを支持する支持部材と、を備える。
前記支持部材は、繊維強化複合材料で作られる。
前記繊維強化複合材料は、前記伸展マストの伸展方向と直交する方向において毎セルシウム度を単位とする線膨張係数が−１×１０^−６以上１×１０^−６以下である。

本開示によれば、支持部材の変形が低減されるため、太陽電池ブラケット（発電パネル）の伸展方向と伸展マストの伸展方向の角度誤差を小さくすることができる。

実施の形態１における太陽電池パドル１００の模式図。 実施の形態１における支持部材１３０の端部を示す斜視図。 実施の形態１における支持部材１３０と伸展マスト１２０の接合部分の断面図。 実施の形態１における支持部材１３０と伸展マスト１２０の接合部分の拡大図。 実施の形態２における支持部材１３０と伸展マスト１２０が接合部分の断面図。

実施の形態および図面において、同じ要素または対応する要素には同じ符号を付している。説明した要素と同じ符号が付された要素の説明は適宜に省略または簡略化する。

実施の形態１．
太陽電池パドル１００について、図１から図４に基づいて説明する。

図１に基づいて、太陽電池パドル１００の構成を説明する。図１は、伸展した状態の太陽電池パドル１００を示している。
太陽電池パドル１００は、太陽電池ブラケット１１０と２本の伸展マスト１２０と支持部材１３０とビーム１４０とを備える。

太陽電池ブラケット１１０は、フレキシブルな発電パネルである。発電パネルは、太陽電池パネルともいう。

伸展マスト１２０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で作られたマストである。
伸展マスト１２０は、支持部材１３０に巻かれた状態から伸展される。
２本の伸展マスト１２０は、太陽電池ブラケット１１０の幅方向（方向（Ｂ））において太陽電池ブラケット１１０の両側に１本ずつ配置される。

支持部材１３０は、太陽電池ブラケット１１０と２本の伸展マスト１２０とを支持するための部材である。
支持部材１３０は柱形状を成す。具体的には、支持部材１３０は円柱形状を成す。
支持部材１３０には、太陽電池ブラケット１１０の長さ方向（方向（Ａ））における太陽電池ブラケット１１０の一方の端部が取り付けられる。また、支持部材１３０には、各伸展マスト１２０の長さ方向（方向（Ａ））における伸展マスト１２０の一方の端部が取り付けられる。

ビーム１４０は、太陽電池ブラケット１１０と２本の伸展マスト１２０とを支持するための部材である。
ビーム１４０には、太陽電池ブラケット１１０の長さ方向における太陽電池ブラケット１１０の他方の端部が取り付けられる。また、ビーム１４０には、各伸展マスト１２０の長さ方向における伸展マスト１２０の他方の端部が取り付けられる。

太陽電池パドル１００は、主に、人工衛星のような宇宙機に取り付けられて使用される。
太陽電池パドル１００の収納時には、太陽電池ブラケット１１０および２本の伸展マスト１２０が支持部材１３０に巻かれる。つまり、太陽電池ブラケット１１０および２本の伸展マスト１２０は、支持部材１３０に巻かれて短くなった状態で収納される。
太陽電池パドル１００の伸展時には、ビーム１４０が支持部材１３０から離れる方向に移動される。これにより、太陽電池ブラケット１１０および２本の伸展マスト１２０が伸展される。
矢印（Ａ）は、太陽電池ブラケット１１０および２本の伸展マスト１２０の伸展方向を示している。
矢印（Ｂ）は、矢印（Ａ）が示す伸展方向と直交する方向および支持部材１３０の長さ方向を示している。

図２に基づいて、支持部材１３０の材料について説明する。図２は、支持部材１３０の端部を示す斜視図である。
伸展マスト１２０は、収納時に支持部材１３０に巻かれる。このとき、支持部材１３０の軸方向（方向（Ｂ））に伸びるように弾性変形する。
伸展マスト１２０は、伸展時に、巻かれた状態から伸展される。このとき、伸展方向（方向（Ａ））に伸びるように弾性変形する。
このような弾性変形により、伸展マスト１２０の収納および伸展マスト１２０の伸展を繰り返し行うことが可能となる。そのため、伸展マスト１２０は、支持部材１３０の近辺に、形状の遷移が起こる領域を有する。

支持部材１３０の内部の温度分布に応じて支持部材１３０に局所的な形状変化が生じる場合がある。その場合、伸展マスト１２０の伸展方向と太陽電池ブラケット１１０の伸展方向に差が生じる。そして、伸展方向の差が太陽電池ブラケット１１０の破損につながる恐れがある。
そのため、巻き取り軸方向（方向（Ｂ））において、温度変化に伴う支持部材１３０の変形を低減する必要がある。つまり、伸展マスト１２０の伸展方向（方向（Ａ））と直交する方向（方向（Ｂ））において、支持部材１３０の材料の線膨張係数は０に近いほど好ましい。

宇宙環境では、部分的な日射などを要因として温度差が生じる。
宇宙環境で生じうる温度差の範囲を条件とした場合、支持部材１３０の材料の線膨張係数が−１×１０^−６［／℃］以上１×１０^−６［／℃］以下の範囲内の値であることが好ましい。
−１×１０^−６［／℃］以上１×１０^−６［／℃］以下の範囲を「適応範囲」と称する。
「℃」はセルシウム度を意味する。セルシウム度は単に「度」ともいう。
「／℃」は「１度あたり」つまり「毎セルシウム度」を意味する。

支持部材１３０の材料の線膨張係数が適応範囲内の値である場合、太陽電池ブラケット１１０の破損を防止することができる。
支持部材１３０の材料の線膨張係数が適応範囲外の値である場合、温度変化が生じたときに支持部材１３０の変形量が大きくなる。例えば、支持部材１３０が日陰の領域から移動して日射を受け始めたときに、支持部材１３０の部分的な昇温によって支持部材１３０に大きな変形が生じる。そして、支持部材１３０の大きな変形は、太陽電池ブラケット１１０の破損につながる。

そこで、支持部材１３０は、−１×１０^−６［／℃］以上１×１０^−６［／℃］以下の線膨張係数を有する材料で作られる。具体的な材料は繊維強化複合材料である。
繊維強化複合材料は、強化繊維と母材（マトリックス）を組み合わせて作られる材料である。強化繊維の配向を調整することにより、線膨張係数を−１×１０^−６［／℃］以上１×１０^−６［／℃］以下の範囲内の値にすることが可能となる。

図３および図４に基づいて、伸展マスト１２０を支持部材１３０に接合する方法を説明する。図３は、支持部材１３０の軸方向から見た支持部材１３０と伸展マスト１２０の接合部分の断面を示している。図４は、図３の矢印（ａ）の方向から見た接合部分を拡大して示している。

伸展マスト１２０は、端の近くに穴加工部１２１を有する。穴加工部１２１は、加工されて穴が開けられた部分である。
支持部材１３０は、突起部１３１を有する。突起部１３１は、突起した部分である。
突起部１３１は、穴加工部１２１に隙間なく埋まる。つまり、突起部１３１が穴加工部１２１に充填される。これにより、伸展マスト１２０が支持部材１３０に接合される。
穴加工部１２１と突起部１３１との組が複数あってもよい。穴加工部１２１と突起部１３１との組の数は、太陽電池パドル１００のサイズなどに応じて設計すればよい。

突起部１３１を穴加工部１２１に挿入することを可能にするため、突起部１３１は、断面が穴加工部１２１より小さくなるように形成される。
突起部１３１を穴加工部１２１に隙間なく埋めることを可能にするため、突起部１３１は、体積が穴加工部１２１の容積と同じになるように形成される。具体的には、突起部１３１は、穴加工部１２１の深さ（つまり、伸展マスト１２０の厚さ）よりも長めに形成される。

伸展マスト１２０を支持部材１３０に結合するため、突起部１３１が穴加工部１２１に挿入され、突起部１３１が局所的に加熱される。
すると、突起部１３１において、繊維強化複合材料のマトリックスの構造が加熱によって変化して繊維強化複合材料の粘度が低下する。そして、突起部１３１が変形して穴加工部１２１と同じ形状になる。つまり、突起部１３１が穴加工部１２１に充填される。
これにより、突起部１３１が穴加工部１２１に隙間なく埋まり、伸展マスト１２０が支持部材１３０に結合される。

突起部１３１に対する局所的な加熱は、突起部１３１に高温物を接触させることで実現される。高温物は、温度が高い物である。具体的には、高温物の温度は、繊維強化複合材料のマトリックスの融点よりも高い。
簡便な方法は、ドライヤ等を用いて高温の気体を突起部１３１に吹き付けるという方法である。
高温物は、種類を問わず、気体、液体または固体のいずれであってもよい。高温物である固体は、例えば、高温に加熱した工具である。つまり、高温に加熱した工具等を突起部１３１に接触させてもよい。

支持部材１３０の材料となる繊維強化複合材料について補足する。
突起部１３１の加熱時に伸展マスト１２０の穴加工部１２１の近辺（つまり、穴加工部１２１の周囲）が伸展マスト１２０の材料であるＣＦＲＰのガラス転移温度以上になると、穴加工部１２１の近辺の強度が顕著に低下してしまう。
そこで、支持部材１３０には、次のような繊維強化複合材料が使用される。マトリックスの構造が変化して繊維強化複合材料の粘度が低下する温度は、伸展マスト１２０の材料となるＣＦＲＰのガラス転移温度未満である。
マトリックスの構造変化および繊維強化複合材料の粘度低下が起こる温度を「該当温度」と称する。該当温度は、マトリックスの融点に相当する。

例えば、ＣＦＲＰのガラス転移温度が１５０℃である場合、繊維強化複合材料の該当温度は１５０℃未満である必要がある。

ＣＦＲＰの品質のばらつき等が原因となり、伸展マスト１２０に使用されるＣＦＲＰのガラス転移温度が標準温度（例えば１５０℃）を下回る可能性がある。そのため、繊維強化複合材料の該当温度とＣＦＲＰの標準温度の差が小さい場合、穴加工部１２１の近辺の強度が低下する可能性がある。
そこで、支持部材１３０に使用される繊維強化複合材料の該当温度と伸展マスト１２０に使用されるＣＦＲＰの標準温度の差が１０℃以上あることが好ましい。
支持部材１３０に使用される繊維強化複合材料の該当温度と伸展マスト１２０に使用されるＣＦＲＰの標準温度の差を「温度差」と称する。

温度差の上限はない。ただし、繊維強化複合材料の該当温度が低いため温度差が大きすぎると、宇宙環境での使用時に、繊維強化複合材料のマトリックスの構造変化および繊維強化複合材料の粘度低下が起こって太陽電池パドル１００が破損する可能性がある。
そこで、繊維強化複合材料の該当温度は８０℃以上であることが好ましい。

繊維強化複合材料のマトリックスに金属が使用される場合、マトリックスの温度が金属の融点を超えるとマトリックスが液体化する。つまり、マトリックスの構造変化および繊維強化複合材料の粘度低下が起こる。
繊維強化複合材料のマトリックスに樹脂が使用される場合、マトリックスの温度が樹脂のガラス転移温度を超えるとマトリックスがゲル化する。つまり、マトリックスの構造変化および繊維強化複合材料の粘度低下が起こる。

ＣＦＲＰのガラス転移温度は一般に３００℃未満である。そのため、ＣＦＲＰのガラス転移温度は多くの金属の融点を下回る。
そこで、繊維強化複合材料のマトリックスに金属を使用することが好ましい。使用される金属は、単体の金属であってもよいし、合金であってもよい。単体の金属の具体例は、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、銅（Ｃｕ）、セシウム（Ｃｓ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）等である。

一般に、金属は樹脂よりも剛性が高い。そこで、支持部材１３０の剛性を高めるため、繊維強化複合材料のマトリックスに金属を用いることが好ましい。
支持部材１３０の軽量性が重視される場合、繊維強化複合材料のマトリックスに樹脂を用いることが好ましい。
また、繊維強化複合材料のマトリックスに金属と樹脂を併用してもよい。

＊＊＊実施の形態１の効果＊＊＊
実施の形態１により、太陽電池ブラケット１１０が破損しづらい太陽電池パドル１００を実現することができる。具体的には、伸展マスト１２０と太陽電池ブラケット１１０の伸展方向差が小さい太陽電池パドル１００が実現される。このような太陽電池パドル１００は、支持部材１３０によって実現される。支持部材１３０は、伸展マスト１２０と太陽電池ブラケット１１０の伸展方向差を低減することが可能である。支持部材１３０において、突起部１３１と穴加工部１２１とのクリアランスがない。支持部材１３０（繊維強化複合材料）と伸展マスト１２０（ＣＦＲＰ）との熱膨張差は小さい。

実施の形態２．
支持部材１３０の形態について、主に実施の形態１と異なる点を図５に基づいて説明する。

図５に基づいて、支持部材１３０の構造の例を説明する。図５は、支持部材１３０の軸方向から見た支持部材１３０と伸展マスト１２０の接合部分の断面を示す。
支持部材１３０は、２つの柱形状部１３２と連結部１３３とを備える。支持部材１３０は、実施の形態１で説明したように繊維強化複合材料を使用して作られる。

２つの柱形状部１３２は、連結部１３３を介して連結される。
柱形状部１３２は、軸方向（長さ方向）と平行する平面を有する柱形状を成す部材である。例えば、各柱形状部１３２は、半円柱形状を成し、平面側で連結部１３３を介して他方の柱形状部１３２とつながる。
連結部１３３は、２つの柱形状部１３２を連結するための部材である。具体的には、連結部１３３は、２つの柱形状部１３２の平面同士を連結させる。連結部１３３は、穴加工部１２１に挿入されて突起部１３１として利用される。連結部１３３は柱形状を成す。

支持部材１３０と伸展マスト１２０の接合の前段階において、連結部１３３は、一方の柱形状部１３２と接合されていてもよいし、各柱形状部１３２と分離していてもよい。つまり、連結部１３３は、柱形状部１３２と一体であってもよいし、柱形状部１３２とは別の個体であってもよい。また、２つの柱形状部１３２のそれぞれに突起部を設け、２つの突起部によって連結部１３３が構成されてもよい。

連結部１３３は突起部１３１として利用されるため、連結部１３３の断面は穴加工部１２１より小さく、連結部１３３の体積は穴加工部１２１の容積と等しい。

連結部１３３は伸展マスト１２０の端の近くに設けられた穴加工部１２１に挿入され、２つの柱形状部１３２は伸展マスト１２０の端の近傍をはさむ。つまり、２つの柱形状部１３２は、穴加工部１２１の周囲をはさむ。
そして、連結部１３３が局所的に加熱され、連結部１３３においてマトリックスの構造変化および繊維強化複合材料の粘度低下が起こり、連結部１３３が変形して穴加工部１２１に隙間なく埋まる。つまり、連結部１３３が穴加工部１２１に充填される。
これにより、伸展マスト１２０が支持部材１３０に接合される。

連結部１３３に対する局所的な加熱は、例えば、伸展マスト１２０への通電によって行われる。
伸展マスト１２０への通電により、伸展マスト１２０の材料であるＣＦＲＰに熱が生じ、生じた熱が連結部１３３に伝わる。これにより、連結部１３３が加熱される。

支持部材１３０の材料である繊維強化複合材料が導体である場合、連結部１３３に対する局所的な加熱は、柱形状部１３２への通電によって行うことができる。
柱形状部１３２への通電により、柱形状部１３２に熱が生じ、生じた熱が連結部１３３に伝わる。これにより、連結部１３３が加熱される。
支持部材１３０の材料である繊維強化複合材料が電気を十分に通さない場合、支持部材１３０に金属線を付け加えて金属線を通電させることによって、連結部１３３を加熱することができる。金属線は、支持部材１３０に埋没されてもよいし、支持部材１３０の表面に配線されてもよい。

＊＊＊実施の形態２の効果＊＊＊
実施の形態２により、穴加工部１２１の周囲が２つの柱形状部１３２に挟まれるため、支持部材１３０と伸展マスト１２０の接合の強度を高めることができる。

＊＊＊実施の形態の補足＊＊＊
各実施の形態は、好ましい形態の例示であり、本開示の技術的範囲を制限することを意図するものではない。

１００ 太陽電池パドル、１１０ 太陽電池ブラケット、１２０ 伸展マスト、１２１ 穴加工部、１３０ 支持部材、１３１ 突起部、１３２ 柱形状部、１３３ 連結部、１４０ ビーム。

Claims (12)

1. 巻かれた状態から伸展される伸展マストと、
   前記伸展マストが巻かれ、前記伸展マストが伸展された後に前記伸展マストを支持する支持部材と、
   を備え、
   前記支持部材は、繊維強化複合材料で作られ、
   前記繊維強化複合材料は、前記伸展マストの伸展方向と直交する方向において毎セルシウム度を単位とする線膨張係数が−１×１０^−６以上１×１０^−６以下である
   ことを特徴とする太陽電池パドル。
2. 前記伸展マストは、炭素繊維強化プラスチックで作られ、
   前記繊維強化複合材料は、前記炭素繊維強化プラスチックのガラス転移温度未満の融点を有するマトリックスが用いられる
   請求項１に記載の太陽電池パドル。
3. 前記支持部材は、突起部を有し、
   前記伸展マストは、穴が開けられ前記突起部が挿入される穴加工部を有し、前記突起部が前記穴加工部に隙間なく埋まることによって前記支持部材に接合される
   請求項１または請求項２に記載の太陽電池パドル。
4. 前記支持部材は、軸方向と平行する平面を有する柱形状を成す２つの柱形状部と、前記２つの柱形状部の平面同士を連結させる連結部と、を備える
   請求項１または請求項２に記載の太陽電池パドル。
5. 前記伸展マストは、穴が開けられ前記連結部が挿入される穴加工部を有し、前記連結部が前記穴加工部に隙間なく埋まることによって前記支持部材に接合される
   請求項４に記載の太陽電池パドル。
6. 太陽電池パドルに使用される伸展マストを支持する支持部材に前記伸展マストを接合させる接合方法であって、
   前記伸展マストは、穴が開けられた穴加工部を有し、
   前記支持部材は、断面が前記穴加工部より小さくて長さが前記穴加工部の深さより長くて体積が前記穴加工部の容積と等しい突起部を有し、
   前記突起部が、前記穴加工部に挿入され、挿入後に加熱され、前記穴加工部と同じ形状に変形し、前記穴加工部に隙間なく埋まり、
   前記伸展マストが、前記突起部が前記穴加工部に隙間なく埋まることによって前記支持部材に接合される
   ことを特徴とする接合方法。
7. 太陽電池パドルに使用される伸展マストを支持する支持部材に前記伸展マストを接合させる接合方法であって、
   前記伸展マストは、穴が開けられた穴加工部を有し、
   前記支持部材は、繊維強化複合材料で作られ、
   前記繊維強化複合材料は、前記伸展マストの伸展方向と直交する方向において毎セルシウム度を単位とする線膨張係数が−１×１０ ^−６ 以上１×１０ ^−６ 以下であり、
   前記支持部材は、断面が前記穴加工部より小さくて長さが前記穴加工部の深さより長くて体積が前記穴加工部の容積と等しい突起部を有し、
   前記突起部が、前記穴加工部に挿入され、挿入後に加熱され、前記穴加工部と同じ形状に変形し、前記穴加工部に隙間なく埋まり、
   前記伸展マストが、前記突起部が前記穴加工部に隙間なく埋まることによって前記支持部材に接合される
   ことを特徴とする接合方法。
8. 前記支持部材は、軸方向と平行する平面を有する柱形状を成す２つの柱形状部と、前記２つの柱形状部の平面同士を連結させる連結部と、を備え、
   前記連結部が、前記穴加工部に挿入され前記突起部として利用される
   請求項６または請求項７に記載の接合方法。
9. 前記伸展マストが、炭素繊維強化プラスチックで作られ、
   前記支持部材が、前記炭素繊維強化プラスチックのガラス転移温度未満の融点を有するマトリックスが用いられた繊維強化複合材料で作られ、
   前記突起部の形状が、前記突起部の加熱後に前記マトリックスの構造が変化して前記繊維強化複合材料の粘度が低下することで変化する
   請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の接合方法。
10. 前記突起部の加熱が、前記マトリックスの融点よりも温度が高い高温物を前記突起部に接触させることによって行われる
    請求項９に記載の接合方法。
11. 前記突起部の加熱が、前記マトリックスの融点よりも温度が高い気体を前記突起部に吹き付けることによって行われる
    請求項９に記載の接合方法。
12. 前記突起部の加熱が、前記伸展マストまたは前記支持部材への通電によって行われる
    請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の接合方法。

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