JPH0539099A - 二相流体ループ式排熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は無重力環境におけるアキュムレータ
の高精度な圧力制御と共に、効果的な気液分離を実現し
て、高効率な排熱動作を実現することにある。 【構成】二相流体ループ１０の液路１０ａに介在される
アキュムレータ１１の密閉容器１６内に流体出入口側の
一端が気体収容側の他端に比して幅狭に形成される複数
の流体案内溝１９を所定の間隔に並設すると共に、密閉
容器１６の内壁に流体案内溝１９を囲むように複数のグ
ルーブ溝２０を所定の間隔に形成し、密閉容器１６の温
度を可変制御して内部圧を制御することにより、二相流
体ループ１０の圧力を制御して温度制御範囲を設定し
て、これら流体案内溝１９及びグルーブ溝２０の毛細管
力により、作動流体が流体案内溝１９及びグルーブ溝２
０に案内されて流体案内溝１９に保液され、気液分離さ
れるようにしたものである。

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】ところで、このような排熱装置としては、
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パネルと宇宙空間
に配設され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】上記アキュムレータは図４に示すように、
作動流体１及び蒸気２が気液分離して収容される密閉容
器３に図示しない蒸気供給源に連結される蒸気供給口３
ａと二相流体ル―プの液路４に接続される流体出入口３
ｂが設けられる。そして、この密閉容器３は二相流体ル
―プの液路４の中間部に連結されて配設され、上記蒸気
供給源（図示せず）からの加熱した蒸気２が蒸気供給口
３ａより供給されて加圧されたり、あるいは図示しない
冷却手段により蒸気２が冷却されて圧力が調整制御さ
れ、その圧力に応じて二相液体ル―プの圧力を制御して
蒸発・凝縮温度を設定せしめる。これにより、二相流体
ループは、その液路の圧力が調整されて蒸発・凝縮温度
が可変制御され、図示しない発熱体に対する温度制御範
囲が調整される。

【０００５】しかしながら、上記二相流体ループ式排熱
装置では、宇宙空間において使用した場合、重力Ｇがほ
とんどないいわゆる無重力環境のために、アキュムレー
タの密閉容器内の気体が作動流体内に存在することとな
り、いわゆるＧジッタと称する振動の影響を直接的に受
ける虞があり、高精度な圧力制御が困難となるという問
題を有していた。これによると、該蒸気供給口３ａから
供給される加熱された蒸気２が一旦、温度の低い作動流
体１の液層を貫通して密閉容器３の蒸気収容部に侵入す
ることとなるので（図３参照）、加圧する際に、いわゆ
る圧力脈動を発生し、その温度制御が不安定となるため
に、この点からも高精度な圧力制御が困難となるという
問題を有する。

【０００６】また、密閉容器内の気体が作動流体ととも
に液路に排出されて図示しない作動液移送用ポンプに侵
入してキャビテーションを起こし、熱輸送性能を低下さ
せるという問題も有していた。

【０００７】

【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、無重力環境で使用
した場合、アキュムレータの高精度な圧力制御が困難で
あると共に、気体が二相液体ル―プの液路に侵入して、
移送ポンプにキャビテーションを起こし、熱輸送性能が
低下されるという問題を有していた。

【０００８】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、簡易な構成で、アキュムレータの高精度な圧力制
御と共に、効果的な気液分離を実現し得るようにして、
高精度で、高効率な熱輸送を実現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。

【０００９】

【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、前記二相流
体ループに接続される流体出入口が設けられた密閉容器
内に前記流体出入口側の一端が気体収容側の他端に比し
て幅狭に形成される複数の流体案内溝が所定の間隔に並
設され、かつ前記容器の内壁に前記流体案内溝を囲むよ
うに複数のグルーブ溝が所定の間隔に形成されたアキュ
ムレータと、前記密閉容器の温度を可変制御して内部圧
を制御し、前記二相流体ループの圧力を設定して温度制
御範囲を制御する圧力調整手段とを備えて構成したもの
である。

【００１０】

【作用】上記構成によれば、アキュムレータは、無重力
環境において、作動流体が流体案内溝の毛細管力と共
に、密閉容器内壁のグルーブ溝の毛細管力により、流体
案内溝及びグルーブ溝に案内され、流体案内溝に保液さ
れた状態で、密閉容器内に気液分離される。従って、無
重力環境における高精度な圧力調整が実現されて高効率
な熱輸送特性が可能となる。

【００１１】

【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。

【００１２】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の中間部にはこの発明の特徴とする圧力制
御用のアキュムレータ１１が配設される。この液路１０
ａの一端は図２に示すように、発熱体１２の設置される
熱交換パネル１３に接続される。この熱交換パネル１３
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、発熱体１２からの熱量を奪って蒸発した水等
の作動流体の蒸気を蒸気路１０ｂを介して宇宙空間に配
置される放熱パネル１４に出力する。放熱パネル１４に
は上記液路１０ａの他端が接続され、熱交換パネル１３
から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。

【００１３】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１５が配設され、この移送ポンプ
１５を介して放熱パネル１４で凝縮された作動流体が上
記熱交換パネル１３に移送循環される。

【００１４】上記アキュムレータ１１は、四角柱状の密
閉容器１６の一方端に形成された流体出入口が流体調整
弁１７（但し、図２中では、図の都合上、図示せず、図
１参照）を介在して液路１０ａに連結され、この密閉容
器１６内には所定の傾斜角を有したテーパー状の複数の
コア材１８が所定の間隔に配置されて流体出入口側が気
体収容側に比して幅狭な複数の流体案内溝１９が並設し
て形成される（図３参照、但し、図中では、図の都合
上、流体調整弁を図示せず）。この複数の流体案内溝１
９は、例えば流体出入口側の幅狭部が１ｍｍとすると、
気体収容側の幅広部が５ｍｍ程度を有するように形成さ
れ、その毛細管力により各流体案内溝１９に浸透して保
液すると共に、作動流体中に含まれる蒸気を密閉容器内
の気体収容部に排出しながら気液分離する。これは、無
重力環境実験において確認されている。

【００１５】また、密閉容器１６の内壁には複数のグー
ルブ溝２０が上記流体案内溝１９を囲むように所定の間
隔を有して形成される。上記流体調整弁１７には調整制
御部２１（図２参照）の出力端が接続され、この調整制
御部２１からの開度信号に応動して弁開度が制御され
る。

【００１６】さらに、密閉容器１６の周壁には周知のペ
ルチェ素子等の加熱・冷却用熱電素子２２が配設され
る。この熱電素子２２は調整制御部２１に接続され、こ
の調整制御部２１からの駆動信号に応動して密閉容器１
６を加熱あるいは冷却して内部圧を制御する。そして、
密閉容器１６には圧力検出センサ２３が配設され、この
圧力検出センサ２３の信号出力端は上記調整制御部２１
に接続される。調整制御部２１は圧力検出センサ２３か
らの検出信号に応動して熱電素子２２を駆動制御し、密
閉容器１６を加熱あるいは冷却すると共に、流体調整弁
１７の開度を設定して密閉容器１６内の内部圧を可変制
御し、二相流体ループ１０の圧力を制御して温度制御範
囲を設定する。

【００１７】上記構成において、密閉容器１６には、予
め、二相流体ル―プ１０に対して全内容積より多量に充
填した余分量の作動流体が液路１０ａ及び流体調整弁１
７を介して、その流体出入口より侵入して、複数の流体
案内溝１９の毛細管力及び複数のグルーブ溝２０の毛細
管力によりこれら流体案内溝１９及びグルーブ溝２０に
案内されて気液分離された状態が保持される。ここで、
密閉容器１６は、その作動流体に付与される圧力に応じ
て二相流体ル―プ１０の圧力を制御して、その蒸発・凝
縮温度を所定の値に設定し、熱交換パネル１３を介して
発熱体１２の熱量を奪って蒸気路１０ｂの蒸気を介して
放熱パネル１４に導き宇宙空間に放射して発熱体１２を
所定の温度に制御する。

【００１８】上記二相液体ル―プ１０の蒸発・凝縮温度
を上昇させる場合は、先ず図示しない指令部より指令信
号が調整制御部２１に入力される。すると、調整制御部
２１は圧力検出センサ２３からの検出信号に応じて熱電
素子２２を駆動して密閉容器１６を加熱してグルーブ溝
２０の作動流体を蒸発させて内部圧を高めると共に、流
体調整弁１７を開いて容器１６内の作動流体を液路１０
ａに押し出して二相流体ループ１０の圧力を高める。そ
して、圧力検出センサ２３からの検出信号が指令信号に
対応した所定値に達すると、調整制御部２１は、流体調
整弁１７を閉じて密閉容器１６を一定の圧力に保って二
相流体ル―プ１０の圧力を設定値に設定し、その蒸発・
凝縮温度の値を初期値より高い所定値に設定する。ここ
で、二相流体ループ１０は、設定後の圧力に応じた制御
温度で、再び熱交換パネル１３で奪った発熱体１２の熱
量を放熱パネル１４に熱輸送して、この放熱パネル１４
を介して宇宙空間に放熱し、ここに発熱体１２を初期値
より高い設定後の温度に制御する。

【００１９】また、上記二相液体ル―プ１０の蒸発・凝
縮温度を低下させる場合は、上記指令部（図示せず）よ
り指令信号が調整制御部２１に入力される。すると、調
整制御部２１は圧力検出センサ２３の検出信号に応じて
熱電素子２２を駆動して密閉容器１６を冷却し、グルー
ブ溝２０の作動流体を凝縮して内部圧を低下させると共
に、流体調整弁１７を開き、液路１０ａの作動流体を密
閉容器１６内に流入させて二相流体ループ１０の圧力を
低下させる。そして、圧力検出センサ２３からの検出信
号が指令信号に対応した所定値に達すると、調整制御部
２１は流体調整弁１７を閉じて密閉容器１６を一定値に
保って二相流体ル―プ１０の圧力を設定値に設定し、そ
の蒸発・凝縮温度の値を低下させる。ここで、二相流体
ループ１０は、設定後の圧力に応じた制御温度で、再び
熱交換パネル１３で奪った発熱体１２の熱量を放熱パネ
ル１４に熱輸送して、この放熱パネル１４を介して宇宙
空間に放熱し、ここに発熱体１２を設定後の温度に制御
する。

【００２０】このように、上記二相流体ループ式排熱装
置は、二相流体ループ１０の液路１０ａに介在されるア
キュムレータ１１の密閉容器１６内に流体出入口側の一
端が気体収容側の他端に比して幅狭に形成される複数の
流体案内溝１９を所定の間隔に並設すると共に、密閉容
器１６の内壁に流体案内溝１９を囲むように複数のグル
ーブ溝２０を所定の間隔に形成し、このアキュムレータ
１１の密閉容器１６の温度を可変制御して内部圧を制御
することにより、二相流体ループ１０の圧力を制御して
温度制御範囲を設定するように構成した。これによれ
ば、無重力環境において、アキュムレータ１１の密閉容
器１６内の作動流体が流体案内溝１９の毛細管力と共
に、密閉容器１６内壁のグルーブ溝２０の毛細管力によ
り、流体案内溝１９及びグルーブ溝２０に案内されて、
流体案内溝１９に保液された状態で気液分離され、従来
のような圧力脈動や、Ｇジッタによる振動の発生が効果
的に防止され、しかも、密閉容器１６内の気体が作動流
体とともに液路１０ａに侵入することが確実に防止され
る。この結果、二相流体ループ１０の高精度な圧力制御
が実現されて、高効率な熱輸送が可能となる。

【００２１】なお、上記実施例では、熱電素子２２を用
いてアキュムレータ１１の密閉容器１６を加熱・冷却し
て内部圧を制御するように構成したが、これに限ること
なく、密閉容器１６を加熱・冷却して内部圧を制御し、
二相流体ループ１０の圧力制御を行うように構成するこ
とが可能である。

【００２２】また、上記実施例では、四角注状の密閉容
器１６を用いて流体案内溝１９を並設して形成した場合
で説明したが、これに限ることなく、例えば円柱状の密
閉容器を用いて構成することも可能である。この円柱状
の密閉容器には、流体出入口側を幅狭に形成した直径の
異なる複数の円形状の流体案内溝が同心円状に並設され
て設けられる。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。

【００２３】

【発明の効果】以上上述したように、この発明によれ
ば、簡易な構成で、アキュムレータの高精度な圧力制御
と共に、効果的な気液分離を実現し得るようにして、高
精度で、高効率な熱輸送を実現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
熱装置の要部を示した図。

【図２】図１の全体的な構成を示した図。

【図３】図１のアキュムレータを取出して示した図。

【図４】従来の二相流体ループ式排熱装置の要部を取出
して示した図。

【符号の説明】

１０…二相流体ループ、１０ａ…液路、１０ｂ…蒸気
路、１１…アキュムレータ、１２…発熱体、１３…熱交
換パネル、１４…放熱パネル、１５…移送ポンプ、１６
…密閉容器、１７…流体調整弁、１８…コア材、１９…
流体案内溝、２０…グルーブ溝、２１…調整制御部、２
２…熱電素子、２３…圧力検出センサ。

───────────────────────────────────────────────────── 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 山崎 力 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、 前記二相流体ループに接続される流体出入口が設けられ
   た密閉容器内に前記流体出入口側の一端が気体収容側の
   他端に比して幅狭に形成される複数の流体案内溝が所定
   の間隔に並設され、かつ前記密閉容器の内壁に前記流体
   案内溝を囲むように複数のグルーブ溝が所定の間隔に形
   成されたアキュムレータと、 前記密閉容器の温度を可変制御して内部圧を制御し、前
   記二相流体ループの圧力を設定して温度制御範囲を制御
   する圧力調整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。