JPH0524422B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、宇宙ステーシヨンの放熱システム
等に供されるサーマルポンプに関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 大型の人工衛星あるいは宇宙ステーシヨン内で
使用される電子機器等で発生する熱は、宇宙基地
本体のラジエータにより宇宙空間へ排熱する必要
がある。従つて、宇宙ステーシヨン等の放熱シス
テムは、いかに効率良く発熱機器からラジエータ
へ熱を輸送するかが重要な技術要素となる。

ところで、宇宙ステーシヨン等の熱輸送方式と
しては、その大熱輸送能力の要求から液ループが
有望である。しかし、単相液ループでは熱輸送量
の増加に伴い、ポンプ、配管等の大型化が必要と
なり、重量等の点から実用性が小さい。そこで、
作動流体の相変化による潜熱を利用して熱を輸送
する二相液ループが有利と考えられている。すな
わち、二相液ループは潜熱を利用するため、作動
流体の循環量が小さくてすみ、従つて、配管、ポ
ンプ、循環駆動力等が小型・軽量化できる利点が
あり、充分実用性のある方式である。この二相液
ループでは、循環流体が電子機器等の発熱部へ液
相で送られ、ここで吸熱して蒸気相に変化する。
この蒸気相は放熱部へ送られ、ここで放熱して再
び液相に戻される。このように二相の平衡状態に
近い流体を循環させるため、二相液ループでの最
大の技術的課題は、液循環の駆動力を与えるポン
プにある。通常の機械式ポンプでは、作動液体の
キヤビテーシヨン、モータの潤滑及び信頼性の問
題があり、この機械式ポンプに代るものとして、
キヤピラリポンプ、サーマルポンプ等が有望視さ
れ、その開発が活発化している。

そして従来サーマルポンプを用いた放熱システ
ムとして例えば第３図に示すようなものがある。
すなわち、このシステムは、放熱部としての凝縮
器１０１、吸熱部としての蒸発器１０３、２個の
アキユームレータ１０５Ａ，１０５Ｂ、放熱側逆
止弁１０７及び吸熱側逆止弁１０９等により構成
されている。

前記アキユームレータ１０５Ａ，１０５Ｂに
は、それぞれ補助ヒータ１１１Ａ，１１１Ｂが設
けられており、一定の周期で交互にON／OFFを
繰返すように構成されている。

従つて、吸熱部としての蒸発器１０３で電子機
器等から吸熱して蒸発した蒸気は、管路を経て放
熱部としての凝縮器１０１に輸送され、ここで熱
を放出して凝縮される。凝縮された液体は、放熱
側逆止弁１０７を通り、補助ヒータにより加熱さ
れていない側のアキユームレータ、例えばアキユ
ームレータ１０５Ａ内に流入する。他方のアキユ
ームレータ１０５Ｂ内の液体は、補助ヒータ１１
１Ｂで加熱されて蒸気圧が上昇し、その結果アキ
ユームレータ１０５Ｂから蒸発器１０３への液循
環の駆動力が生じ、液体が吸熱側逆止弁１０９を
通り還流される。

従つて、アキユームレータ１０５Ａ，１０５Ｂ
の補助ヒータ１１１Ａ，１１１Ｂによる加熱を交
互に行なうことにより、アキユームレータ１０５
Ａ，１０５Ｂからの液還流が交互に行なわれ、定
常的な熱輸送が行なわれる。

このように構成されたサーマルポンプにおい
て、吸熱部としての蒸発器１０３へ液還流をする
プロセスを効率良く行なうためには、液相と蒸気
相とが完全に分離され、しかも液相がアキユーム
レータの吸排口に位置する状態でなければならな
い。すなわち、アキユームレータ１０５Ａ，１０
５Ｂ内がこのような状態でない場合には、蒸発器
１０３へ還流される流体が気液二相流となりポン
プの効率が低下するか、最悪の場合、蒸気相のみ
が還流されて、ポンプの機能が停止することとな
るからである。

ところで、重力がある地上においては、比重差
によつて液相と蒸気相とは簡単に分離され、液相
はアキユームレータ１０５Ａ，１０５Ｂの下側に
位置する状態となる。従つて、蒸発器１０３へ接
続する管路をアキユームレータの下側に接続すれ
ば、上記した効率の良い液還流を行なわせること
ができる。

しかしながら、宇宙空間のような無重力状態に
おいては、液相と蒸気相とを分離するメカニズム
が無いので、第３図に示した従来のサーマルポン
プでの駆動では蒸発器１０３へ還流される流体が
気液二相流となる恐れがあり、効率の良い動作は
保証されないという問題点があつた。

［発明の目的］ この発明は、このような従来の問題点に鑑み創
案されたもので、宇宙空間のような無重力場にお
いても、安定した動作を行うことができるサーマ
ルポンプの提供を目的とする。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために、この発明は、流体
が放熱部と吸熱部とを循環する流体ループの放熱
部から吸熱部へ向う管路の途中に設けられ該放熱
部から吸熱部へ向う流れを阻止する流れ方向に設
けた複数の逆止弁と、これら逆止弁間にて管路に
連通され伸縮作動により管路の流体を吸排するア
キユームレータと、作動流体を封入した伸縮自在
な容器とを備え、作動流体の蒸発、凝縮による容
器の伸縮で前記アキユームレータの伸縮作動を行
なわせるように構成した。

［発明の効果］ この発明の構成によれば、作動流体を封入した
容器の存在により、アキユームレータ内における
循環流体の相分離を行なう必要がないため、宇宙
空間のような無重力場においても、安定したポン
プ動作を得ることができ、極めて効率のよい熱輸
送を行なわせることができる。

［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を第１図及び第２図
に基づいて説明する。

第１図は放熱システムの概略構成図を示し、こ
の放熱システムは、流体が循環する流体ループと
して構成され、宇宙空間へ放熱する放熱部として
の凝縮器１と、電子機器等から吸熱して液相の循
環流体を蒸発させる吸熱部としての蒸発器３、一
対のサーマルポンプ５Ａ，５Ｂ、一対の放熱側逆
止弁７及び吸熱側逆止弁９を有している。

前記サーマルポンプ５Ａ，５Ｂは双方とも同様
に構成され、第２図に示すように、アキユームレ
ータ１１と、このアキユームレータ１１を作動可
能な容器としてのアクチユエータ１３とから構成
されている。

前記アキユームレータ１１は、両逆止弁７，９
間における管路の流体を伸縮作動により吸排する
もので、上板１５と断熱性のある中板１７とによ
り密閉された伸縮自在のベローズ１９によつて構
成されている。前記ベローズ１９の上板１５に
は、後述するように流体ループの管路に接続され
た吸排管２１が接続されている。

前記アクチユエータ１３は、前記中板１７と下
板２３とによつて密閉された伸縮自在のベローズ
２５で構成された容器内に作動流体２６が封入さ
れたものである。

前記アキユームレータ１１の上板１５とアクチ
ユエータ１３の下板２３とは、複数のスタツドボ
ルト２７によつて連結され、アキユームレータ１
１とアクチユエータ１３との合計長さが常に一定
となるように構成されている。

前記アクチユエータ１３の下板２３側にはヒー
タ３３が配設されており、両サーマルポンプ５
Ａ，５Ｂ間で一定の周期により交互にON／OFF
を繰返すように構成されている。

前記アキユームレータ１１の吸排管２１は、放
熱側逆止弁７、管路３５を介して凝縮器１に接続
されるとともに、吸熱側逆止弁９、管路３７を介
して蒸発器３に接続されている。従つて凝縮器１
と蒸発器３とを循環する流体ループの凝縮器１か
ら蒸発器３へ向う管路の途中に蒸発器３から凝縮
器１へ向う循環流体の流れを阻止する流れ方向複
数の逆止弁７，９が設けられた構成となり、アキ
ユームレータ１１はこれら逆止弁７，９間にて管
路に連通された構成となつている。また、蒸発器
３と凝縮器１とは、管路３９を介して接続されて
いる。

つぎに、上記一実施例の作用について述べる。

両サーマルポンプ５Ａ，５Ｂ単独の機能につい
て述べると、アクチユエータ１３がヒータ３３に
より加熱されていないときには、アクチユエータ
１３は収縮しており、アキユームレータ１１には
凝縮器１側から管路３５、放熱側逆止弁７を通
り、吸排管２１から流入した流体ループの循環流
体が充満する。

この状態でアクチユエータ１３がヒータ３３の
ONにより加熱されると、アクチユエータ１３内
の作動流体２６が蒸発し蒸気圧力が上昇してアク
チユエータ１３は伸長される。このアクチユエー
タ１３の伸長に伴つてアキユームレータ１１は収
縮され、アキユームレータ１１内の循環流体が吸
排管２１から流出し、吸熱側逆止弁９、管路３７
を通つて蒸発器３へ還流される。

そして、アクチユエータ１３の加熱をヒータ３
３のOFFによつて止めると放熱によつてアクチ
ユエータ１３の温度が低下し、アクチユエータ１
３内の作動流体２６が凝縮してアクチユエータ１
３は再び収縮する。このアクチユエータ１３の収
縮に伴つてアキユームレータ１１は再び伸長し、
前記凝縮器１側から循環流体を再び導入する。

従つて、アクチユエータ１３を加熱するヒータ
３３のON／OFFを、両サーマルポンプ５Ａ，５
Ｂ間において一定の周期で交互に繰返すことによ
り、両アキユームレータ１１からの液還流が交換
に行なわれ、定常的な熱輸送が行なわれる。

そして、蒸発器３に還流された液相としての循
環流体は電子機器等から吸熱して蒸発し、管路３
９を通つて凝縮器１に至り、この凝縮器１におい
て放熱凝縮して再び液相となるものである。

このように、アキユームレータ１１内における
循環流体２９の相分離を伴なうことなく、ポンプ
動作が行なわれるので、宇宙空間のような無重力
場においても安定したポンプ動作を得ることがで
き、極めて効率の良い熱輸送を行なうことができ
る。

なお、この発明は上記一実施例に限定されるも
のではない。例えば、中板１７の移動をスタツド
ボルト２７で案内させることもできる。この場
合、スタツドボルト２７にスプリングを嵌め込ん
で中板１７を中立位置に付勢させることもでき
る。アキユームレータ１１とアクチユエータ１３
とを別体で構成し、間に断熱材を介設することも
できる。

またベローズ１９，２５を断熱性を有する一体
的なシリンダで構成し、中板１７をシリンダ内を
移動する断熱性を有したフリーピストンとし、こ
のフリーピストンをスプリングで中立位置に保持
するような構成にすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係るサーマル
ポンプを適用した放熱システムの概略構成図、第
２図はこの発明の一実施例に係るサーマルポンプ
の拡大断面図、第３図は従来例によるサーマルポ
ンプシステムの概略構成図である。 図面の主要部を表わす符号の説明、１……放熱
部（凝縮器）、３……吸熱部（蒸発器）、７……放
熱側逆止弁（逆止弁）、９……吸熱側逆止弁（逆
止弁）、１１……アキユームレータ、１３……ア
クチユエータ（容器）、２６……作動流体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体が放熱部と吸熱部とを循環する流体ルー
   プの放熱部から吸熱部へ向う管路の途中に設けら
   れ該吸熱部から放熱部へ向う流れを阻止する流れ
   方向に設けた複数の逆止弁と、これら逆止弁間に
   て管路に連通され伸縮作動により管路の流体を吸
   排するアキユームレータと、作動流体を封入した
   伸縮自在な容器とを備え、作動流体の蒸発、凝縮
   による容器の伸縮で前記アキユームレータの伸縮
   作動を行なわせるように構成したことを特徴とす
   るサーマルポンプ。