JPH05116695A - 二相流体ループ式排熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は起動時のオーバーシュート現象の抑
制を図り、迅速にして、信頼性の高い高精度な温度制御
を実現し得るようにすることにある。 【構成】搭載機器１２の起動時、アキュムレータ１５
を、一旦、熱交換パネル１１の設定温度ＴCPset に基づ
いて該設定温度ＴCPset より所定温度低い温度に対応し
た設定圧力ＰCTset に設定し、熱交換パネル１１の温度
上昇がなくなった状態で、オーバーシュート現象の終了
を検出して、熱交換パネル１１の検出温度ＴCPに対応し
てアキュムレータ１５の圧力を昇圧制御することによ
り、オーバーシュート現象を抑制したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば人工衛星を含
む宇宙飛行体の熱制御システムとして用いるのに好適す
る二相流体ループ式排熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、宇宙開発の分野においては、大形
の宇宙飛行体を用いて搭載機器の大形化と共に、搭載機
器の多種類化を実現しようとしている。このような宇宙
飛行体にあっては、その搭載機器を含む発熱体からの総
発熱量が数十ｋｗに及ぶうえ、その温度制御範囲が複
雑、かつ多岐に亙る高精度な温度制御が要請されること
で、在来のヒ―トパイプや、サ―マルル―バを用いた排
熱装置では対応が困難なため、多量の熱量を効率的に温
度制御可能な排熱装置が要請される。

【０００３】上記排熱装置としては、発熱体の周囲に作
動流体を循環させて該作動流体の相変化を利用して熱量
を熱輸送して放熱する二相式の液体ル―プを用いる二相
流体ループ式が有効であると考えられている。この二相
流体ループ式排熱装置は、その構成上、少ない量の作動
流体を用いて効果的な熱輸送が可能なもので、発熱体の
搭載される熱交換部材である熱交換パネルと宇宙空間に
配設される放熱部材である放熱パネルとを液路及び蒸気
路で構成される二相流体ループで連結する。この熱交換
パネルは、その発熱体の熱量を奪って蒸気路を介して放
熱パネルに熱輸送して熱量を宇宙空間に放射し、この放
射パネルより再び作動液が移送循環される。そのため、
この二相流体ル―プの液路の中間部には圧力を制御する
圧力制御用のアキュムレ―タ及び移送ポンプが配設さ
れ、この移送ポンプを介して作動流体の移送循環が行わ
れる。

【０００４】ところで、上記二相流体ループ式排熱装置
にあっては、二相流体ループを液単相状態から起動する
場合、液単相状態から液及び蒸気の二相状態の定常状態
に至までに制御対象である熱交換パネルの面温度が定常
状態の温度に比して非常に高温度に上昇するいわゆるオ
ーバーシュート現象が起こる。そこで、このような二相
流体ループ式排熱装置においては、熱交換パネルに搭載
される発熱体の設定温度に対応するように、予め二相流
体ループの圧力を設定しておくことが考えられている。

【０００５】しかしながら、上記二相流体ループ式排熱
装置では、発熱体の起動時、該発熱体が略同様に設定温
度に比して非常に高い温度となるオーバーシュート現象
が発生して、定常温度を確保するのに多くの時間が必要
となり、発熱体を損傷する虞を有する。係る問題は、特
に、高信頼性の要求される宇宙開発の分野において、非
常に重大なものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の二相流体ループ式排熱装置では、オーバーシュート
現象が起こり、定常状態を確保するのに長時間かかるう
え、発熱体を損傷する虞を有していた。

【０００７】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、迅速にして、信頼性の高い高精度な温度制御を実
現し得るようにした二相流体ループ式排熱装置を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、二相流体ル
ープに移送される作動流体の相変化を利用して熱輸送を
行なう二相流体ループ式排熱装置において、前記作動流
体が気液分離されて収容され、前記二相流体ループの圧
力を制御するアキュムレータと、このアキュムレータの
圧力を制御して前記二相流体ループの圧力を設定し、該
二相流体ループの温度制御範囲を設定する圧力調整手段
と、前記二相流体ループに接続されるもので、敷設され
る発熱体の所定の熱量を奪って前記二相流体ループを介
して熱輸送する熱交換部材と、前記二相流体ループに接
続されるもので、該二相流体ループで熱輸送される前記
熱交換部材で奪った熱量を放熱する放熱手段と、前記熱
交換部材の設定温度に応じて前記圧力調整手段を制御し
て前記アキュムレータの圧力を制御するもので、前記発
熱体の起動時に前記アキュムレータの圧力を前記設定温
度に応じた圧力値より所定値だけ低く設定し、前記熱交
換部材の温度に応じて前記アキュムレータの圧力を可変
制御する制御手段とを備えて構成したものである。

【０００９】

【作用】上記構成によれば、発熱体の起動時、アキュム
レータは、一旦、熱交換部材の設定温度より低い所定温
度に対応した低い低圧状態に設定された後、高圧状態に
昇圧制御される。これにより、発熱体の起動に伴なう熱
交換部材の面温度のオーバーシュート現象の発生が抑制
され、発熱体起動時における熱交換部材の迅速にして、
高精度な温度制御が実施されて、信頼性の高い発熱体の
熱制御が可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の実施例について、図面を参
照して詳細に説明する。

【００１１】第１図はこの発明の一実施例に係る二相流
体ループ式排熱装置を示すもので、二相流体ループ１０
の液路１０ａの一端には熱交換部材として、コールドプ
レート（ＣＰ）と称する熱交換パネル１１が接続され
る。この熱交換パネル１１には二相流体ループ１０の蒸
気路１０ｂの一端が接続されており、敷設される如く搭
載される発熱体、例えば搭載機器１２の熱量を奪って液
路１０ａを介して放熱部材である放熱パネル１３に熱量
を移送する。放熱パネル１３には上記液路１０ａの他端
が接続され、蒸気路１０ｂを介して熱輸送された熱量を
放熱して凝縮した作動流体を液路１０ａを介して上記熱
交換パネル１３に出力する。

【００１２】また、二相流体ループ１０の液路１０ａの
中間部には移送ポンプ１４が配設され、この移送ポンプ
１４を介して放熱パネル１３で凝縮された作動流体が上
記熱交換パネル１１に移送循環される。

【００１３】さらに、二相流体ループ１０の液路の例え
ば移送ポンプの下流側には、圧力制御用のアキュムレー
タ（ＡＣ）１５が配設される。このアキュムレータ１５
は、密閉容器１５ａの一方端に形成された流体出入口に
連結される。そして、この密閉容器１５ａには減圧用冷
媒管１６が配管される。この冷媒管１６は一端が図示し
ない冷媒供給源に接続され、他端が流量調整弁１７を介
して上記冷媒供給源（図示せず）に接続される。流量調
整弁１７の信号入力端には制御部１８が接続され、この
制御部１８からの制御信号に応動して冷媒管１６の冷媒
量を可変調整してアキュムレータ１５を冷却制御する。
また、密閉容器１５ａには加圧用ヒータ１９が配設さ
れ、ヒータ１９には電源２０が接続される。この電源２
０には上記制御部１８に接続され、この制御部１８から
の制御信号に応動してヒータ１９を駆動し、アキュムレ
ータ１５を加熱制御する。

【００１４】さらに、密閉容器１５ａには圧力センサ２
１が配設される。この圧力センサ２１は、その出力端に
上記制御部１８が接続され、アキュムレータ１５の内部
圧力ＰACを検出して、その検出信号を制御部１８に出力
する。

【００１５】上記制御部１８には図示しない指令部から
の指令信号が入力される。また、制御部１８には上記熱
交換パネル１１に設けた温度センサ２２の出力端が接続
される。温度センサ２２は熱交換パネル１１の温度ＴCP
を検出して、その検出信号を制御部１８に出力する。

【００１６】上記構成において、搭載機器１２を起動す
る場合、先ず図２に示すようにステップＳ１で、いわゆ
る単相起動が開始されると、ステップＳ２では制御部１
８に上記指令部（図示せず）から熱交換パネル１１の設
定温度ＴCPset に応じたの指令信号が入力される。する
と、ステップＳ３で、制御部１８は設定温度ＴCPsetよ
り摂氏５度程度低い予め設定さてある温度に基づいてア
キュムレータ１５の設定圧力ＰACset 算出する。この
際、制御部１８には圧力センサ２１で検出した密閉容器
１５ａの検出圧力ＰACが入力され、この検出圧力ＰACと
設定圧力ＰACsetに基づいてアキュムレータ１５の操作
量を算出し、アキュムレータ１５の電源あるいは流量調
整弁１７を駆動制御して、密閉容器１５ａ内の加熱／冷
却を行いアキュムレータ１５の圧力を制御する（ステッ
プＳ４，Ｓ５，Ｓ６）。そして、ステップＳ７で、一定
時間待機後、再び圧力センサ２１で検出圧力ＰACが検出
され、この検出圧力ＰACが制御部１８に入力される。す
ると、制御部１８は、これらの値を比較して同一値とな
った状態で、図示しない駆動制御部を介して搭載機器１
２の作動が開始される（ステップＳ７，Ｓ８）。ここ
で、二相流体ループ１０には熱交換パネル１１を介して
搭載機器１２の負荷が付与される。

【００１７】なお、制御部１８はステップＳ８で検出圧
力ＰACが設定圧力ＰACset と同一値とならない状態で、
再びステップＳ５に戻って同一値を検出するまで略同様
のステップが繰り返される。

【００１８】次に、図３に示すステップＳ９では、搭載
機器１２が駆動され、一定時間待機後、温度センサ２２
で一定時間おきに熱交換パネル１１の温度が検出され
（ステップＳ１０）、その検出温度ＴCPが順に制御部１
８に入力される。ここで、制御部１８は、入力した検出
温度ＴCPを比較して、その温度上昇が続いているか否か
を検出し（ステップＳ１１）、上昇を検出しないノーを
検出した状態で、ステップＳ１２に移って検出温度ＴCP
と設定温度ＴCPset に基づいてアキュムレータ１５の加
熱量を算出する。その後、制御部１８は、算出した加熱
量に対応して電源２０を制御してヒータ１９を駆動し、
アキュムレータ１５の圧力を高める（ステップＳ１
３）。そして、一定時間待機後、再び温度センサ２２で
熱交換パネル１１の検出温度ＴCPが検出され（ステップ
Ｓ１４）、この検出温度ＴCPが設定温度ＴCPset と略同
一となったイエスを検出した状態で、起動モードが終了
される（ステップＳ１５，Ｓ１６）。

【００１９】また、ステップＳ１５で、検出温度ＴCPが
設定温度ＴCPset と同一とならないノーを検出した状態
では、再びステップＳ１２に移って検出温度ＴCPと設定
温度ＴCPset に基づいてアキュムレータ１５の加熱量を
算出し、同様にステップＳ１３，Ｓ１４，Ｓ１５を繰返
し実施する。

【００２０】なお、上記ステップＳ９で、検出温度ＴCP
の上昇が続いているイエスを検出した状態では、オーバ
ーシュート現象を検知し、再びステップＳ１０に戻って
温度センサ２２からの検出温度ＴCPとの比較を逐次に行
って、オーバーシュート現象の終了である温度上昇がノ
ーを検出するまで繰返される。

【００２１】また、上述したように起動された二相流体
ループ式排熱装置は、定常運転に移り、例えば制御部１
８に熱交換パネル１１に要求される設定温度ＴCPset に
対応したアキュムレータ圧力が算出され、この算出値及
び圧力センサ２１からの検出圧力ＰACに基づいてアキュ
ムレータ１５の電源２０あるいは流量調整弁１７が作動
制御されて、アキュムレータの圧力が一定値に制御され
る。これにより、熱交換パネル１１は搭載機器１２の熱
量を奪って、二相流体ループ１０を介して放熱パネル１
１に熱輸送されて、この放熱パネル１１を介して宇宙空
間に排熱され、ここに、搭載機器１２の熱制御が定常的
に実施される。

【００２２】このように、上記二相流体ループ式排熱装
置は、搭載機器１２の起動時、アキュムレータ１５を、
一旦、熱交換パネル１１の設定温度ＴCPset に基づいて
該設定温度ＴCPset より所定温度低い温度に対応した設
定圧力ＰCTset に設定し、熱交換パネル１１の温度上昇
がなくなった状態で、オーバーシュート現象の終了を検
出して、熱交換パネル１１の検出温度ＴCPに対応してア
キュムレータ１５の圧力を昇圧制御するように構成し
た。これによれば、搭載機器１２の起動時、熱交換パネ
ル１１の面温度のオーバーシュート現象の発生が抑制さ
れ、搭載機器起動時における熱交換パネル１１の迅速に
して、高精度な温度制御が実施されて、信頼性の高い搭
載機器１２の熱制御が可能となる。

【００２３】例えば熱交換パネル１１の面温度は、熱交
換パネル１１を摂氏３０度に熱制御する場合、アキュム
レータ１５を摂氏５度低い値に対応した設定圧力ＰACse
t に設定して上述したステップＳ１〜Ｓ１６の手順で駆
動制御すると、図４中実線で示す温度特性を有する。こ
れは、従来の如くアキュムレータ１５の圧力を定常運転
時と略同様に、熱交換パネル１１の設定温度ＴCPset に
対応した圧力値で駆動した場合、図４中破線で示す熱交
換パネル１１の面温度の温度特性となることからも効果
的にオーバーシュート現象の抑制が図れることが実験的
に確認されている。

【００２４】なお、上記実施例では、起動時のアキュム
レータ１５の設定圧力ＰACset を設定温度ＴCPset より
摂氏５度だけ低くなるように設定したが、この設定温度
ＴCPset に限ることなく、搭載機器１２及び熱交換パネ
ル１１に応じて適宜に設定される。

【００２５】また、上記実施例では、ヒータ１９及び冷
媒管１６液を用いて加熱あるいは冷却することにより、
圧力制御する方式のアキュムレータ１５を用いて構成し
た場合で説明したが、この方式のアキュムレータ１５に
限ることなく、適用可能である。よって、この発明は上
記実施例に限ることなく、その他、この発明の要旨を逸
脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることは勿論のこ
とである。

【００２６】

【発明の効果】以上上述したように、この発明によれ
ば、迅速にして、信頼性の高い高精度な温度制御を実現
し得るようにした二相流体ループ式排熱装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る二相流体ループ式排
熱装置を示した図。

【図２】図１の動作を説明するために示したフローチャ
ート。

【図３】図１の動作を説明するために示したフローチャ
ート。

【図４】図１の熱交換パネルの温度特性を示した図。

【符号の説明】

１０…二相流体ループ、１０ａ…液路、１０ｂ…蒸気
路、１１…熱交換パネル、１２…搭載機器、１３…放熱
パネル、１４…移送ポンプ、１５…アキュムレータ、１
５ａ…密閉容器、１６…冷媒管、１７…流量調整弁、１
８…制御部、１９…ヒータ、２０…電源、２１…圧力セ
ンサ、２２…温度センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯田 亨 茨城県つくば市千現二丁目１番１号 宇宙 開発事業団筑波宇宙センター内 (72)発明者 宮地 威 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝小向工場内 (72)発明者 味村 一樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝小向工場内 (72)発明者 小森 實 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝小向工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二相流体ループに移送される作動流体の
   相変化を利用して熱輸送を行なう二相流体ループ式排熱
   装置において、 前記作動流体が気液分離されて収容され、前記二相流体
   ループの圧力を制御するアキュムレータと、 このアキュムレータの圧力を制御して前記二相流体ルー
   プの圧力を設定し、該二相流体ループの温度制御範囲を
   設定する圧力調整手段と、 前記二相流体ループに接続されるもので、敷設される発
   熱体の所定の熱量を奪って前記二相流体ループを介して
   熱輸送する熱交換部材と、 前記二相流体ループに接続されるもので、該二相流体ル
   ープで熱輸送される前記熱交換部材で奪った熱量を放熱
   する放熱手段と、 前記熱交換部材の設定温度に応じて前記圧力調整手段を
   制御して前記アキュムレータの圧力を制御するもので、
   前記発熱体の起動時に前記アキュムレータの圧力を前記
   設定温度に応じた圧力値より所定値だけ低く設定し、前
   記熱交換部材の温度に応じて前記アキュムレータの圧力
   を可変制御する制御手段とを具備したことを特徴とする
   二相流体ループ式排熱装置。