JP7108078B2

JP7108078B2 - 宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法

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Description

本発明は、シュラウドの冷却に用いた液体窒素を回収する宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法である。

宇宙環境試験装置とは、真空容器内を宇宙環境に近い状態にし、人工衛星などの試験体を宇宙に送り出す前に地球上で動作確認などの試験を行うための装置である。
宇宙環境試験装置においては、一般的に、真空容器の内部にシュラウドと呼ばれる熱吸収壁を設置し、該シュラウドに液体窒素などの低温冷媒を供給して低温（液体窒素を用いた場合には100K以下）に冷却することで、真空容器内に宇宙環境に近い冷暗黒を模擬した状態にすることができる。
従来の宇宙環境試験装置においてシュラウドを冷却する方式としては、特許文献１に開示されているワンスルー式（図５参照）と、フリーボイリング式（図６参照）がある。

図５に示すワンスルー式の宇宙環境試験装置７１においては、液体窒素供給装置５から供給配管１１を介して真空容器３内のシュラウド７に液体窒素を供給して冷却し、シュラウド７を冷却した後の液体窒素と気体窒素の混合流体は排出配管１３を介して放液溜め９に排出される。排出された気体窒素は放液溜め９に設けられた気体窒素放出配管２１および気体窒素放出弁２３を介して大気に放出されるのに対し、該排出された液体窒素は放液溜め９に溜められる。
そして、試験が終了した後、放液溜め９に溜められた液体窒素は、ポンプ７３により回収配管７５内を移送されることにより、液体窒素供給装置５に回収することができる。

また、図６に示すフリーボイリング式の宇宙環境試験装置８１においては、液体窒素貯槽３５から第１供給配管４１を介して供給された液体窒素は、真空容器３３内に設置されたシュラウド３７よりも鉛直方向上方に設置したヘッドタンク３９に一時貯留され、該一時貯留した液体窒素をその自重により第２供給配管４３を介してシュラウド３７に供給されて冷却する。シュラウド３７を冷却した後の液体窒素と気体窒素の混合流体は排出配管４５を介してヘッドタンク３９に排出される。排出された気体窒素は気体窒素放出配管５３および気体窒素放出弁５５を介して大気に放出されるのに対し、排出された液体窒素はヘッドタンク３９に貯留される。
そして、試験が終了した後、ヘッドタンク３９に溜められた液体窒素は、上述のワンスルー式と同様に、ポンプおよび回収配管（図示なし）により液体窒素貯槽３５に回収することができる。

特開平７-１６５２００号公報

上記のとおり、従来の宇宙環境試験装置では、試験が終了した後に放液溜めやヘッドタンクに残った液体窒素を回収するには、液体窒素を移送するためのポンプが必要となる他、ポンプの動力が必要となるといった問題があった。
また、ワンスルー式の宇宙環境試験装置においてシュラウドに残った液体窒素を回収するために、シュラウドから液体窒素を放液溜めに排出し、該放液溜めに溜められている液体窒素をポンプで液体窒素供給装置に移送する方法が考えられるが、放液溜めが断熱されていない場合、液体窒素を排出および回収する過程での侵入熱が多く、液体窒素の蒸発量が多くなってしまい回収できる量が少なくなってしまう問題があった。この問題は、ヘッドタンクを用いたフリーボイリング式の宇宙環境試験装置においても同様であった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ポンプなどの設備を追加することなく液体窒素の回収を効果的に行うことができる宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る宇宙環境試験装置は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、該シュラウドから排出された液体窒素を溜める放液溜めとを備え、前記シュラウドをワンスルー式で冷却することで前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行うものであって、前記液体窒素供給装置と前記シュラウドとを接続し、該シュラウドに液体窒素を供給する供給配管と、前記シュラウドと前記放液溜めとを接続し、前記シュラウドを冷却した液体窒素を前記放液溜めに排出する排出配管と、前記放液溜めと前記供給配管とを接続し、前記放液溜めに溜められた液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収する回収配管と、該回収配管に設けられた開閉弁と、前記放液溜めに加圧された気体窒素を供給する気体窒素供給部と、を有し、前記開閉弁が開いた状態で、前記気体窒素供給部に加圧された気体窒素を供給し、前記放液溜め内の液体窒素を前記回収配管を介して前記供給配管側に圧送するとともに、前記放液溜めと連通する前記シュラウド内の液体窒素を前記供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収するようにしたことを特徴とするものである。

（２）本発明に係る宇宙環境試験装置は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、該シュラウドから排出された液体窒素を溜める放液溜めとを備え、前記シュラウドをワンスルー式で冷却することで、前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行うものであって、前記液体窒素供給装置と前記シュラウドとを接続し、該シュラウドに液体窒素を供給する供給配管と、前記シュラウドと前記放液溜めとを接続し、前記シュラウドを冷却した液体窒素を前記放液溜めに排出する排出配管と、前記放液溜めと前記供給配管とを接続し、前記放液溜めに溜められた液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収する回収配管と、該回収配管に設けられた開閉弁と、前記放液溜め内の液体窒素を加熱して気化させる加熱手段と、を有し、前記開閉弁が開いた状態で、前記加熱手段により前記放液溜め内の液体窒素を加熱して気化させることで前記放液溜め内を加圧し、前記放液溜め内の液体窒素を前記回収配管を介して前記供給配管側に圧送するとともに、前記放液溜めと連通する前記シュラウド内の液体窒素を前記供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収するようにしたことを特徴とするものである。

（３）上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記供給配管に温度計が設置されていることを特徴とするものである。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記回収配管は、前記放液溜めの最下部と前記供給配管の最下部とを連結することを特徴とするものである。

（５）本発明に係る宇宙環境試験装置は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、前記液体窒素供給装置から供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備え、前記シュラウドをフリーボイリング式で冷却することで前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行うものであって、前記液体窒素供給装置と前記ヘッドタンクとを接続し、前記液体窒素供給装置から前記ヘッドタンクに液体窒素を供給する第１供給配管と、前記ヘッドタンクと前記シュラウドとを接続し、前記ヘッドタンクに一時貯留した液体窒素を前記シュラウドに供給する第２供給配管と、前記シュラウドと前記ヘッドタンクとを接続し、前記シュラウドを冷却した液体窒素を前記ヘッドタンクに排出する排出配管と、前記第２供給配管と前記第１供給配管とを接続し、前記ヘッドタンクおよび前記シュラウド内の液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収する回収配管と、該回収配管に設けられた開閉弁と、前記ヘッドタンク内に加圧された気体窒素を供給する気体窒素供給部と、を有し、前記開閉弁が開いた状態で、前記気体窒素供給部に加圧された気体窒素を供給し、前記ヘッドタンク内および該ヘッドタンクと連通する前記シュラウド内の液体窒素を前記第２供給配管および前記回収配管を介して前記第１供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収するようにしたことを特徴とするものである。

（６）本発明に係る宇宙環境試験装置は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、前記液体窒素供給装置から供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備え、前記シュラウドをフリーボイリング式で冷却することで、前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行うものであって、前記液体窒素供給装置と前記ヘッドタンクとを接続し、前記液体窒素供給装置から前記ヘッドタンクに液体窒素を供給する第１供給配管と、前記ヘッドタンクと前記シュラウドとを接続し、前記ヘッドタンクに一時貯留した液体窒素を前記シュラウドに供給する第２供給配管と、前記シュラウドと前記ヘッドタンクとを接続し、前記シュラウドを冷却した液体窒素を前記ヘッドタンクに排出する排出配管と、前記第２供給配管と前記第１供給配管とを接続し、前記ヘッドタンクおよび前記シュラウド内の液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収する回収配管と、該回収配管に設けられた開閉弁と、前記ヘッドタンク内の液体窒素を加熱して気化させる加熱手段と、を有し、前記開閉弁が開いた状態で、前記加熱手段により前記ヘッドタンク内の液体窒素を加熱して気化させることで前記ヘッドタンク内を加圧し、該ヘッドタンク内および該ヘッドタンクと連通する前記シュラウド内の液体窒素を前記第２供給配管および回収配管を介して前記第１供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収するようにしたことを特徴とするものである。

（７）上記（５）又は（６）に記載のものにおいて、前記第１供給配管又は前記回収配管に温度計が設置されていることを特徴とするものである。

（８）上記（５）乃至（７）のいずれかに記載のものにおいて、前記回収配管は、前記第２供給配管の最下部と前記第１供給配管の最下部とを連結することを特徴とするものである。

（９）本発明に係る宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置と接続する供給配管を介して液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、該シュラウドから排出された液体窒素を溜める放液溜めとを備え、前記シュラウドをワンスルー式で冷却することで、前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行う宇宙環境試験装置における液体窒素を回収するものであって、前記放液溜めと前記供給配管とを回収配管を介して連結し、前記放液溜めに加圧された気体窒素を供給して該放液溜め内を加圧することにより、該放液溜め内の液体窒素を前記回収配管を介して前記供給配管側に圧送するとともに、前記放液溜めと連通する前記シュラウド内にある液体窒素を前記供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収することを特徴とするものである。

（１０）本発明に係る宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置と接続する供給配管を介して液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、該シュラウドから排出された液体窒素を溜める放液溜めとを備え、前記シュラウドをワンスルー式で冷却することで、前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行う宇宙環境試験装置における液体窒素を回収するものであって、前記放液溜めと前記供給配管とを回収配管を介して連結し、前記放液溜め内の液体窒素を加熱して気化させることで前記放液溜め内を加圧することにより、前記放液溜め内の液体窒素を前記供給配管側に圧送するとともに、前記放液溜めと連通する前記シュラウド内にある液体窒素を前記供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収することを特徴とするものである。

（１１）本発明に係る宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、前記液体窒素供給装置から第１供給配管を介して供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管を介して前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備え、前記シュラウドをフリーボイリング式で冷却することで、前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行う宇宙環境試験装置における液体窒素を回収するものであって、前記第２供給配管と前記第１供給配管とを回収配管を介して連結し、前記ヘッドタンクに加圧された気体窒素を供給して該ヘッドタンク内を加圧することにより、前記ヘッドタンク内および該ヘッドタンクと連通するシュラウド内にある液体窒素を前記第２供給配管および前記回収配管を介して前記第１供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収することを特徴とするものである。

（１２）本発明に係る宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、前記液体窒素供給装置から第１供給配管を介して供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管を介して前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備え、前記シュラウドをフリーボイリング式で冷却することで、前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行う宇宙環境試験装置における液体窒素を回収するものであって、前記第２供給配管と前記第１供給配管とを回収配管を介して連結し、前記ヘッドタンクの液体窒素を加熱して気化させることで該ヘッドタンク内を加圧することにより、前記ヘッドタンク内および該ヘッドタンクと連通するシュラウド内にある液体窒素を前記第２供給配管および前記回収配管を介して前記第１供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収することを特徴とするものである。

本発明の宇宙環境試験装置においては、気体窒素供給部に加圧された気体窒素を供給し、放液溜め内の液体窒素を回収配管を介して供給配管側に圧送するとともに、前記放液溜めと連通するシュラウド内の液体窒素を前記供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を液体窒素供給装置に回収することにより、ポンプなどの設備を追加することなく液体窒素を効果的に回収することができる。

本発明の実施の形態１に係るワンスルー式の宇宙環境試験装置において、液体窒素を回収する状態を説明する図である。本発明の実施の形態１に係るワンスルー式の宇宙環境試験装置において、液体窒素を供給して冷却する状態を説明する図である。本発明の実施の形態２に係るフリーボイリング式の宇宙環境試験装置において液体窒素を回収する状態を説明する図である。本発明の実施の形態２に係るフリーボイリング式の宇宙環境試験装置において、液体窒素を供給して冷却する状態を説明する図である。従来のワンスルー式の宇宙環境試験装置を説明する図である。従来のフリーボイリング式の宇宙環境試験装置を説明する図である。

［実施の形態１］
＜宇宙環境試験装置＞
本発明の実施の形態１に係る宇宙環境試験装置１は、図１に示すように、真空容器３内に設けられ、液体窒素供給装置５から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウド７と、シュラウド７から排出された液体窒素を溜める放液溜め９とを備え、シュラウド７をワンスルー式で冷却することで真空容器３内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行うものであって、供給配管１１と、排出配管１３と、回収配管１５と、開閉弁１７と、気体窒素供給部１９とを備えたものである。

以下、宇宙環境試験装置１の液体窒素を回収するときの状態を示す図１と、宇宙環境試験装置１にて試験を行うためにシュラウド７を冷却する状態を示す図２に基づいて、本実施の形態１に係る宇宙環境試験装置１の各構成について説明する。なお、図１および図２の凡例において、「弁開」とは、弁が開いている状態（白塗りで図示）であり、「弁閉」とは、弁が閉じている状態（黒塗りで図示）を示すものである（後述の実施の形態２の図３および図４においても同様）。

≪真空容器≫
真空容器３は、内部を宇宙環境を模擬した状態にするものであり、人工衛星などの各種試験体が設置される。そして、真空容器３は、内部を高真空とするため、真空ポンプ（図示なし）により排気される。

≪液体窒素供給装置≫
液体窒素供給装置５は、宇宙環境試験装置１を用いて試験を行う際にはシュラウド７に液体窒素を供給して冷却するものであり（図２参照）、試験が終わって液体窒素を回収する際には、放液溜め９およびシュラウド７の液体窒素が回収されるものである（図１参照）。液体窒素供給装置５は、所定の供給圧力で液体窒素を供給および回収できるものであればよく、例えば、真空断熱された液体窒素貯槽を用いることができる。

さらに、液体窒素供給装置５は、宇宙環境試験装置１の冷却に必要な液体窒素の量、圧力等によって、適切なものが適宜選択される。
例えば、比較的小型の宇宙環境試験装置１では、液体窒素供給装置５として小型可搬式液体窒素供給装置等が用いられことがあり、比較的大型の宇宙環境試験装置１では、液体窒素供給装置５として大型の液体窒素貯槽等が用いられることがある。
しかし、液体窒素供給装置５の種類の違いによって、本願発明の効果には影響はない。

≪シュラウド≫
シュラウド７は、液体窒素が供給されて所定の温度に冷却されることで、真空容器３内に宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態とするものである。液体窒素を供給することによりシュラウド７は100K以下に冷却することができ、シュラウド７の温度は、液体窒素の供給量と供給圧力により調整することができる。なお、シュラウド７に供給された液体窒素は、シュラウド７を冷却する過程においてその一部が気化し、気体窒素となる。

≪放液溜め≫
放液溜め９は、液体窒素供給装置５からシュラウド７に供給されて冷却した後の液体窒素又は液体窒素と気体窒素の混合流体を排出し、該排出された液体窒素を溜めるものである。
放液溜め９には、シュラウド７から排出された気体窒素を大気中に放出するために気体窒素放出配管２１および気体窒素放出弁２３が設けられている。

≪供給配管≫
供給配管１１は、液体窒素供給装置５とシュラウド７とを接続し、シュラウド７に液体窒素を供給するものであり、供給配管１１ａおよび１１ｂからなる。

≪排出配管≫
排出配管１３は、シュラウド７と放液溜め９とを連結し、シュラウド７を冷却した後の液体窒素と気体窒素の混合流体を放液溜め９に排出するために設けられたものである。シュラウド７と放液溜め９とが排出配管１３により連結されていることにより、シュラウド７と放液溜め９は気密を保って連通される。

≪回収配管≫
回収配管１５は、放液溜め９と供給配管１１とを接続し、放液溜め９に溜められた液体窒素を液体窒素供給装置５に回収するためのものである。
回収配管１５は、放液溜め９内に溜められている液体窒素を効率良く回収するため、その端部が放液溜め９の最下部に接続しているものが好ましい。

≪開閉弁≫
開閉弁１７は、回収配管１５に設けられたものであり、シュラウド７に液体窒素を供給して冷却する際には開閉弁１７は閉じた状態であり（図２参照）、放液溜め９内にある液体窒素を回収する際には開閉弁１７を開いた状態である（図１参照）。

≪気体窒素供給部≫
気体窒素供給部１９は、放液溜め９に設けられ、放液溜め９内に加圧された気体窒素を供給するものであり、図１に示すように、気体窒素供給配管１９ａと気体窒素供給弁１９ｂとからなるものを用いることができる。

気体窒素供給部１９は、気体窒素供給配管１９ａに窒素ボンベ（図示なし）などを接続できるものとする。そして、放液溜め９内を加圧する場合には、気体窒素放出弁２３を閉じた状態にするとともに気体窒素供給弁１９ｂを開いた状態にし、前記窒素ボンベから加圧された気体窒素を放液溜め９に供給することで、放液溜め９内を加圧する。気体窒素供給部１９により気体窒素を供給するに際し、気体窒素供給弁１９ｂは、放液溜め９内が所定の圧力一定となるように開度を制御できるものであることが望ましい。

なお、気体窒素供給部１９は、気体窒素供給配管１９ａが気体窒素放出配管２１に接続しているものであってもよく、気体窒素放出弁２３を閉じた状態で放液溜め９に加圧した気体窒素を供給して放液溜め９内を加圧することができるものであればよい。

＜液体窒素回収方法＞
次に、本実施の形態１に係る宇宙環境試験装置１における液体窒素回収方法について、図１および図２に示す宇宙環境試験装置１の動作とともに説明する。

まず、液体窒素供給装置５から供給配管１１ａおよび１１ｂを介して液体窒素をシュラウド７に所定の供給圧力で供給してシュラウド７を冷却し、試験を行う（図２参照）。
冷却運転時においては、回収配管１５に設けられた開閉弁１７と気体窒素供給部１９の気体窒素供給弁１９ｂを閉じた状態にするとともに気体窒素放出弁２３を開いた状態として、シュラウド７を冷却した後の液体窒素および気体窒素の混合流体は排出配管１３から放液溜め９に排出される。そして、該排出された液体窒素は放液溜め９に溜められるのに対し、排出された気体窒素は気体窒素放出弁２３を介して気体窒素放出配管２１から大気に放出される。

そして、シュラウド７の冷却運転を終了して液体窒素を回収する場合には、液体窒素供給装置５からの液体窒素の供給を止め、その後、開閉弁１７を開、気体窒素放出弁２３を閉とする（図１参照）。次いで、気体窒素供給配管１９ａに気体窒素ボンベを接続し、気体窒素供給弁１９ｂを開とし、気体窒素供給部１９から加圧した気体窒素を供給する。

このように、放液溜め９に気体窒素を供給して圧力を掛けることによって、放液溜め９に溜められている液体窒素に対して逆圧が掛けられ、回収配管１５および開閉弁１７を通じて供給配管１１ａに圧送される。同時に、排出配管１３を介して放液溜め９と連通しているシュラウド７に貯液されている液体窒素に対しても逆圧が掛けられ、供給配管１１ｂを通じて供給配管１１ａに圧送される。そして、供給配管１１ａに圧送された液体窒素は、供給配管１１ａを通じて液体窒素供給装置５に回収される。

なお、気体窒素供給部１９に供給する気体窒素の供給圧力は、冷却運転時に液体窒素供給装置５から供給する液体窒素の供給圧力よりも高く設定すればよく、液体窒素供給装置５からの液体窒素の供給圧力を0.3MPaGとした場合、気体窒素供給部１９に供給する気体窒素の供給圧力は0.4～0.6MPaG程度とすればよい。

以上、本実施の形態１に係る宇宙環境試験装置１および宇宙環境試験装置１の液体窒素回収方法によれば、ワンスルー式で冷却する宇宙環境試験装置において、ポンプなどの追加の設備を用いずに、放液溜め９に加圧された気体窒素を供給することにより、放液溜め９およびシュラウド７の液体窒素を供給配管１１側に圧送し、該圧送した液体窒素を液体窒素供給装置５に回収することができる。さらに、シュラウド７を冷却させるために用いた供給配管１１内を圧送させるものであるため、液体窒素を回収する過程での外部からの侵入熱の影響が小さく、気化する液体窒素の量を抑えることができる。

なお、本実施の形態１に係る宇宙環境試験装置１および宇宙環境試験装置１の液体窒素回収方法の他の態様としては、気体窒素供給部１９に代えて、放液溜め９に加熱手段（図示なし）を設けたものであってもよい。

この場合においては、気体窒素放出弁２３を閉じた状態で放液溜め９に溜められた液体窒素の一部を加熱手段により気化させることで放液溜め９内が加圧され、放液溜め９およびシュラウド７の液体窒素を供給配管１１側に圧送することができる。加熱手段としては、液体窒素を加熱するヒーターを用いることができ、ヒーターの出力を制御することにより、放液溜め９を所定の圧力（例えば0.4～0.6MPaG）一定に加圧することができる。

また、本実施の形態１に係る宇宙環境試験装置１においては、液体窒素を回収する際に、液体窒素が配管類のどの部分に存在するかを直接把握することは困難である。そのため、供給配管１１に温度計２５を設け、圧送される液体窒素の温度を測定し、該測定した温度が上昇傾向となったら、シュラウド７、放液溜め９および回収配管１５に液体窒素は存在しないものと推定し、液体窒素の回収を停止することができる。

すなわち、圧送された液体窒素が供給配管１１内を流れる場合、温度計２５により測定される温度は該圧送された液体窒素と同程度の温度となるのに対し、シュラウド７および放液溜め９の液体窒素が回収されて供給配管１１内に気体窒素供給部１９から供給された気体窒素が流れる場合、温度計２５により測定される該気体窒素と同程度の温度となり、回収された液体窒素の温度よりも高くなるためである。

ここで、温度計２５は、図１および図２に示すように、放液溜め９につながる回収配管１５とシュラウド７につながる供給配管１１ｂとが接続する位置よりも液体窒素供給装置５側である供給配管１１ａに設置することが好ましい。

さらに、本実施の形態１に係る宇宙環境試験装置１においては、放液溜め９の最下部と供給配管１１の最下部とを連結するように回収配管１５を設置することが望ましい。これにより、放液溜め９内を加圧して液体窒素を圧送する際に、液体窒素が宇宙環境試験装置１における鉛直方向の最下部を経て供給配管１１側に移送されるため、液体窒素を配管類に残すことなく液体窒素供給装置５に回収することができる。

［実施の形態２］
＜宇宙環境試験装置＞
本発明の実施の形態２に係る宇宙環境試験装置３１は、図３に示すように、真空容器３３内に設けられ、液体窒素貯槽３５から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウド３７と、液体窒素貯槽３５から供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素をシュラウド３７に供給するとともに、シュラウド３７から排出された液体窒素を貯留するヘッドタンク３９とを備え、シュラウド３７をフリーボイリング式で冷却することで真空容器３３内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行うものであって、液体窒素貯槽３５とヘッドタンク３９とを接続する第１供給配管４１と、ヘッドタンク３９とシュラウド３７とを接続する第２供給配管４３と、シュラウド３７とヘッドタンク３９とを接続する排出配管４５と、第２供給配管４３と第１供給配管４１とを接続する回収配管４７と、回収配管４７に設けられた開閉弁４９と、ヘッドタンク３９に設けられた気体窒素供給部５１と、を有するものである。

以下、宇宙環境試験装置３１の液体窒素を回収するときの状態を示す図３と、宇宙環境試験装置３１にて試験を行うためにシュラウド３７を冷却する状態を示す図４に基づいて、本実施の形態２に係る宇宙環境試験装置３１の各構成について説明する。なお、真空容器３３は、前述の実施の形態１における真空容器３と同じものであるため、その説明は割愛する。

≪液体窒素貯槽≫
液体窒素貯槽３５は、宇宙環境試験装置３１を用いて試験を行う際にはシュラウド３７に液体窒素を供給して冷却する液体窒素供給装置であり、試験が終わって液体窒素を回収する際には、液体窒素貯槽３５にヘッドタンク３９およびシュラウド３７の液体窒素が回収される（図３参照）。

液体窒素貯槽３５は、所定の供給圧力で液体窒素を供給および回収できるものであればよく、真空断熱された二重壁構造の内部に液体窒素が貯液される。なお、本実施の形態２に係る液体窒素貯槽３５は、液体窒素の貯液量50000Lクラス、供給圧力0.3MPaGであるが、液体窒素貯槽３５のサイズおよび供給圧力は、適宜選択すればよい。

本実施の形態２は、液体窒素供給装置として液体窒素貯槽３５を用いるものであるが、前述の実施の形態１と同様に、宇宙環境試験装置３１の冷却に必要な液体窒素の量、圧力等によって、適切な液体窒素供給装置が適宜選択される。

≪シュラウド≫
シュラウド３７は、前述の実施の形態１におけるシュラウド７と同様、液体窒素が供給されて所定の温度（例えば100K以下）に冷却されることで、真空容器３３内に宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態とするものである。
なお、本実施の形態２に係るシュラウド３７として、アルミニウム製で液体窒素の貯液量が9000Lのものを例示できる。もっとも、シュラウド３７の材質に関しては100K程度の低温を維持できるものであればよく、貯液量に関しては、シュラウド３７を設置する真空容器３３のサイズや熱負荷に応じて適宜設定すればよい。

≪ヘッドタンク≫
ヘッドタンク３９は、液体窒素貯槽３５から供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素をシュラウド３７に供給するとともに、シュラウド３７から排出された液体窒素を貯留するものであり、シュラウド３７よりも鉛直方向上方に設置されている。

後述するように、ヘッドタンク３９には、一時貯留した液体窒素の液面高さを制御するために、液面計（図示なし）が設けられている。そして、ヘッドタンク３９の内部は気体窒素放出配管５３および気体窒素放出弁５５を介して大気開放されていることが望ましい。

なお、本実施の形態２に係るヘッドタンク３９は、ステンレス製であり、液体窒素の貯液量は1000Lであるが、ヘッドタンク３９の材質および貯液量は適宜選択できる。

≪第１供給配管≫
第１供給配管４１は、液体窒素貯槽３５とヘッドタンク３９とを接続し、液体窒素貯槽３５からヘッドタンク３９に液体窒素を供給するものであり、図３および図４においては、第１供給配管４１ａおよび４１ｂからなる。

また、第１供給配管４１には、ヘッドタンク３９に一時貯留される液体窒素の液面高さに応じて開閉する液面制御弁５７が設けられており、液面制御弁５７の開閉は、例えば、ヘッドタンク３９に設置した液面計（図示なし）により測定した液面高さの出力信号により行うことができる。

なお、本実施の形態２に係る第１供給配管４１は、そのサイズが50Aであるが、第１供給配管４１のサイズは、シュラウド３７のサイズや熱負荷に応じて適宜選択すればよい。

≪第２供給配管≫
第２供給配管４３は、図３および図４に示すように、ヘッドタンク３９とシュラウド３７とを接続し、ヘッドタンク３９に一時貯留した液体窒素をシュラウド３７に供給するものであり、第２供給配管４３ａおよび４３ｂからなる。そして、一端側（第２供給配管４３ａ）がヘッドタンク３９の最下部に接続し、他端側（第２供給配管４３ｂ）がシュラウド３７の下部に接続している。

第２供給配管４３には、図４に示すように、液体窒素循環弁５９と弁箱６１が設けられている。液体窒素循環弁５９は、ヘッドタンク３９からシュラウド３７への液体窒素の供給と停止を制御するものであり、弁箱６１は、その内部に液体窒素の供給流量を制御する流量制御弁（図示なし）が設置されている。また、真空容器３３内に複数のシュラウドが設置されている場合、弁箱６１には各シュラウドに接続する複数の流量制御弁が設置される。

なお、本実施の形態２に係る第２供給配管４３は、前述の第２供給配管４３と同様にそのサイズが50Aであるが、第２供給配管４３のサイズは、シュラウド３７のサイズや熱負荷に応じて適宜選択すればよい。

≪排出配管≫
排出配管４５は、シュラウド３７とヘッドタンク３９とを連結し、シュラウド３７を冷却した後の液体窒素と気体窒素の混合流体をヘッドタンク３９に排出するために設けられたものである。シュラウド３７とヘッドタンク３９とが排出配管４５により連結されていることにより、シュラウド３７とヘッドタンク３９は気密を保って連通される。

≪回収配管≫
回収配管４７は、第２供給配管４３と第１供給配管４１とを接続し、ヘッドタンク３９およびシュラウド３７内の液体窒素を液体窒素貯槽３５に回収するためのものである。

≪開閉弁≫
開閉弁４９は、回収配管４７に設けられたものであり、シュラウド３７に液体窒素を供給して冷却する際には開閉弁４９は閉じた状態となり（図４参照）、ヘッドタンク３９およびシュラウド３７内にある液体窒素を回収する際には開閉弁４９を開いた状態となる（図３参照）。

≪気体窒素供給部≫
気体窒素供給部５１は、ヘッドタンク３９に設けられ、ヘッドタンク３９内に加圧された気体窒素を供給するものであり、図３および図４に示すように、気体窒素供給配管５１ａと気体窒素供給弁５１ｂとからなるものを用いることができる。

気体窒素供給部５１は、気体窒素供給配管５１ａに窒素ボンベ（図示なし）などを接続できるものとし、ヘッドタンク３９内を加圧する場合には、気体窒素放出弁５５を閉じた状態にするとともに気体窒素供給弁５１ｂを開いた状態にし、該窒素ボンベから加圧された気体窒素を気体窒素供給配管５１ａを通じてヘッドタンク３９に供給する。気体窒素供給弁５１ｂは、ヘッドタンク３９内が所定の圧力一定となるように開度を制御できるものであることが望ましい。

なお、気体窒素供給部５１は、気体窒素供給配管５１ａが気体窒素放出配管５３に接続するものであってもよく、気体窒素放出弁５５を閉じた状態でヘッドタンク３９に加圧した気体窒素を供給してヘッドタンク３９内を加圧することができるものであればよい。

＜液体窒素回収方法＞
次に、本実施の形態２に係る宇宙環境試験装置３１における液体窒素回収方法について、図３および図４に示す宇宙環境試験装置３１の動作とともに説明する。

まず、液体窒素循環弁５９を開いた状態とし、液体窒素貯槽３５から第１供給配管４１、ヘッドタンク３９および第２供給配管４３を介して液体窒素をシュラウド３７に所定の供給圧力で供給してシュラウド３７を冷却し、試験を行う（図４参照）。

冷却運転時においては、回収配管４７に設けられた開閉弁４９と気体窒素供給部５１の気体窒素供給弁５１ｂを閉じた状態とし、シュラウド３７を冷却した後の液体窒素および気体窒素の混合流体は排出配管４５からヘッドタンク３９に排出される。そして、該排出された液体窒素はヘッドタンク３９に溜められるのに対し、排出された気体窒素は気体窒素放出配管５３と気体窒素放出弁５５を介して大気に放出される。

試験を終えてシュラウド３７の冷却運転が終了すると、液面制御弁５７を閉じた状態として液体窒素貯槽３５からヘッドタンク３９への液体窒素の供給を止め、その後、開閉弁４９を開、気体窒素放出弁５５を閉とする（図３参照）。次いで、気体窒素供給配管５１ａに気体窒素ボンベを接続し、気体窒素供給弁５１ｂを開とし、気体窒素供給部５１から加圧した気体窒素をヘッドタンク３９に供給する。

このように、ヘッドタンク３９に気体窒素を供給して圧力を掛けることによって、ヘッドタンク３９に溜められている液体窒素に逆圧を掛け、第２供給配管４３ａおよび回収配管４７および開閉弁４９を通じて第１供給配管４１ａ側に圧送されるとともに、排出配管４５を介してヘッドタンク３９と連通しているシュラウド３７に貯液されている液体窒素に対しても逆圧が掛けられ、第２供給配管４３ｂおよび回収配管４７を通じて第１供給配管４１ａ側に圧送される。そして、第１供給配管４１ａに圧送された液体窒素は、第１供給配管４１ａを通じて液体窒素貯槽３５に回収される。

なお、気体窒素供給部５１に供給する気体窒素の供給圧力は、冷却運転時に液体窒素貯槽３５から供給する液体窒素の供給圧力よりも高く設定すればよく、液体窒素貯槽３５からの液体窒素の供給圧力を0.3MPaGとした場合、気体窒素供給部５１に供給する気体窒素の供給圧力は0.4～0.6MPaG程度とすればよい。

以上、本実施の形態２に係る宇宙環境試験装置３１および宇宙環境試験装置３１の液体窒素回収方法によれば、フリーボイリング式で冷却する宇宙環境試験装置３１においても、ポンプなどの追加の設備を用いずに、ヘッドタンク３９に加圧された気体窒素を供給することにより、ヘッドタンク３９およびシュラウド３７の液体窒素を第１供給配管４１ａ側に圧送し、該圧送した液体窒素を液体窒素貯槽３５に回収することができる。さらに、シュラウド３７を冷却させるために用いた第２供給配管４３および第１供給配管４１内を圧送させるものであるため、液体窒素を回収する過程での外部からの侵入熱の影響が小さく、気化する液体窒素の量を抑えることができる。

なお、本実施の形態２に係る宇宙環境試験装置３１および宇宙環境試験装置３１の液体窒素回収方法の他の態様としては、ヘッドタンク３９に加圧した気体窒素を供給する気体窒素供給部５１の替わりに、ヘッドタンク３９内の液体窒素を加熱して気化させる加熱手段（図示なし）を設けたものであってもよい。

この場合においては、ヘッドタンク３９にある液体窒素の少なくとも一部を加熱して気化させることにより、ヘッドタンク３９を加圧することができ、これにより、ヘッドタンク３９およびシュラウド３７にある液体窒素に逆圧を掛け、第２供給配管４３および回収配管４７を通じて第１供給配管４１ａ側に圧送することができる。
なお、加熱手段としては、前述の実施の形態１と同様にヒーターを用いることができ、該ヒーターの出力を調整することによりヘッドタンク３９内を所定の圧力に加圧することができる。

また、本実施の形態２に係る宇宙環境試験装置３１においては、液体窒素を回収する際に、液体窒素が配管類のどの部分に存在するかを直接把握することは困難である。そのため、第１供給配管４１に温度計６３を設け、圧送される液体窒素の温度を測定し、該測定した温度が上昇傾向となったら、シュラウド３７、ヘッドタンク３９および第２供給配管４３に液体窒素は存在しないものと推定し、液体窒素の回収を停止することができる。

すなわち、圧送された液体窒素が第１供給配管４１内を流れる場合、温度計６３により測定される温度は該圧送された液体窒素と同程度の温度となるのに対し、ヘッドタンク３９およびシュラウド３７の液体窒素が回収されて第１供給配管４１内に気体窒素供給部５１から供給された気体窒素が流れる場合、温度計６３により測定される該気体窒素と同程度の温度となり、回収された液体窒素の温度よりも高くなるためである。

ここで、温度計６３は、図３および図４に示すように、ヘッドタンク３９につながる第２供給配管４３ａとシュラウド３７につながる第２供給配管４３ｂとが接続する位置よりも液体窒素貯槽３５側である第１供給配管４１ａに設置することが好ましく、回収配管４７に設置するものであっても良い。

さらに、本実施の形態２に係る宇宙環境試験装置３１においては、第２供給配管４３の最下部と第１供給配管４１の最下部とを連結するように回収配管４７を設置することが望ましい。これにより、ヘッドタンク３９内を加圧して液体窒素を圧送する際に、液体窒素が宇宙環境試験装置３１における鉛直方向の最下部を経て第１供給配管４１側に移送されるため、液体窒素を配管類に残すことなく液体窒素貯槽３５に回収することができる。

１宇宙環境試験装置
３真空容器
５液体窒素供給装置
７シュラウド
９放液溜め
１１供給配管
１３排出配管
１５回収配管
１７開閉弁
１９気体窒素供給部
１９ａ気体窒素供給配管
１９ｂ気体窒素供給弁
２１気体窒素放出配管
２３気体窒素放出弁
２５温度計
３１宇宙環境試験装置
３３真空容器
３５液体窒素貯槽
３７シュラウド
３９ヘッドタンク
４１、４１ａ、４１ｂ第１供給配管
４３、４３ａ、４３ｂ第２供給配管
４５排出配管
４７回収配管
４９開閉弁
５１気体窒素供給部
５１ａ気体窒素供給配管
５１ｂ気体窒素供給弁
５３気体窒素放出配管
５５気体窒素放出弁
５７液面制御弁
５９液体窒素循環弁
６１弁箱
６３温度計
７１宇宙環境試験装置（従来例）
７３ポンプ
７５回収配管
８１宇宙環境試験装置（従来例）
LN₂ 液体窒素
GN₂ 気体窒素

Claims

真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、前記液体窒素供給装置から供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備え、前記シュラウドをフリーボイリング式で冷却することで、前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行う宇宙環境試験装置であって、
前記液体窒素供給装置と前記ヘッドタンクとを接続し、前記液体窒素供給装置から前記ヘッドタンクに液体窒素を供給する第１供給配管と、
前記ヘッドタンクと前記シュラウドとを接続し、前記ヘッドタンクに一時貯留した液体窒素を前記シュラウドに供給する第２供給配管と、
前記シュラウドと前記ヘッドタンクとを接続し、前記シュラウドを冷却した液体窒素を前記ヘッドタンクに排出する排出配管と、
前記第２供給配管と前記第１供給配管とを接続し、前記ヘッドタンクおよび前記シュラウド内の液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収する回収配管と、
該回収配管に設けられた開閉弁と、
前記ヘッドタンク内の液体窒素を加熱して気化させる加熱手段と、を有し、
前記開閉弁が開いた状態で、前記加熱手段により前記ヘッドタンク内の液体窒素を加熱して気化させることで前記ヘッドタンク内を加圧し、該ヘッドタンク内および該ヘッドタンクと連通する前記シュラウド内の液体窒素を前記第２供給配管および回収配管を介して前記第１供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収するようにしたことを特徴とする宇宙環境試験装置。
前記第１供給配管又は前記回収配管に温度計が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の宇宙環境試験装置。
前記回収配管は、前記第２供給配管の最下部と前記第１供給配管の最下部とを連結することを特徴とする請求項１又は２に記載の宇宙環境試験装置。
真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、前記液体窒素供給装置から第１供給配管を介して供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管を介して前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備え、前記シュラウドをフリーボイリング式で冷却することで、前記真空容器内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行う宇宙環境試験装置における液体窒素を回収する宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法であって、
前記第２供給配管と前記第１供給配管とを回収配管を介して連結し、前記ヘッドタンクの液体窒素を加熱して気化させることで該ヘッドタンク内を加圧することにより、前記ヘッドタンク内および該ヘッドタンクと連通するシュラウド内にある液体窒素を前記第２供給配管および前記回収配管を介して前記第１供給配管側に圧送し、該圧送した液体窒素を前記液体窒素供給装置に回収することを特徴とする宇宙環境試験装置の液体窒素回収方法。