WO2019049924A1 - 宇宙環境試験装置および宇宙環境試験装置の初期冷却方法 - Google Patents

宇宙環境試験装置および宇宙環境試験装置の初期冷却方法 Download PDF

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藤田　淳
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大陽日酸株式会社
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    • B64G7/00—Simulating cosmonautic conditions, e.g. for conditioning crews
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light

Definitions

  • the space environment test apparatus is an apparatus for making the inside of the vacuum vessel close to the space environment and performing a test such as operation check on the earth before sending a test object such as a satellite to space.
  • a heat absorbing wall called a shroud is generally installed inside a vacuum vessel, and a low temperature refrigerant such as liquid nitrogen is supplied to the shroud to cool it (100 K when liquid nitrogen is used) By cooling to the following), the inside of the vacuum vessel can be made to simulate cold and dark close to the space environment.
  • the heat level of the shroud 7 is controlled while performing the liquid level control of the head tank 15 (when the liquid level falls, the liquid nitrogen storage tank 5 is replenished, and when the liquid level rises, the supply valve 17 is closed to stop the liquid nitrogen supply). Liquid nitrogen is automatically supplied from the head tank 15 to the shroud 7 in accordance with the load (the amount of evaporation of liquid nitrogen).
  • Patent No. 3946984 gazette
  • the liquid nitrogen is depressurized to atmospheric pressure and flushed (gasified) in the head tank 15 (secondary side of the supply valve 17), and part of the liquid nitrogen becomes gaseous nitrogen and the atmosphere is directly transmitted through the gaseous nitrogen discharge pipe 27 Released into
  • the ratio of liquid nitrogen to flash depends on the pressure difference between the supply pressure of liquid nitrogen from liquid nitrogen storage tank 5 and the head tank, and the ratio to flash (gasification) as the supply pressure is higher. Will grow.
  • the liquid nitrogen equivalent to about 23% when the supply pressure is 0.6 MPaG and about 15% when the supply pressure is 0.3 MPaG becomes gaseous nitrogen.
  • the gaseous nitrogen was released to the atmosphere in a cold state with sensible heat. Therefore, the low temperature sensible heat of the flashed gaseous nitrogen is wasted without being effectively used for cooling the shroud 7, and there is a problem that the consumption amount of liquid nitrogen increases in the initial cooling.
  • the liquid nitrogen supplied from the head tank 15 to the second supply pipe 11 below cools the pipe, equipment, and the like. During the cooling process, part of the liquid nitrogen is vaporized. For this reason, gaseous nitrogen may flow back through the second supply pipe 11, escape upward, be introduced into the head tank 15, and be released to the atmosphere at a low temperature. Then, when cold gaseous nitrogen is released to the atmosphere, white smoke (fog) is generated, which adversely affects the surrounding environment (such as poor visibility, dead standing trees, and damage to the concrete). For this reason, installation of a nitrogen humidifier (heat exchanger or heater) or the like is necessary as a white smoke prevention or heating countermeasure.
  • a nitrogen humidifier heat exchanger or heater
  • the initial cooling method of the space environment test apparatus is provided in the vacuum vessel and receives the supply of liquid nitrogen from the liquid nitrogen supply apparatus and is cooled, and the supply from the liquid nitrogen supply apparatus through the first supply pipe Space storage provided with temporary storage of the stored liquid nitrogen and supplying the stored temporary liquid nitrogen to the shroud through the second supply pipe and storing the liquid nitrogen discharged from the shroud through the exhaust pipe
  • An initial cooling method of a test apparatus wherein the first supply pipe and the second supply pipe are connected via an initial cooling pipe, and the liquid nitrogen supply device is used for the initial cooling without the head tank.
  • an initial cooling method of a space environment test apparatus characterized in that the shroud is initially cooled by supplying liquid nitrogen to the shroud through piping. That.
  • the initial cooling method of the space environment test apparatus In the initial cooling method of the space environment test apparatus according to (5), the temperature of the shroud or the temperature of the fluid in the discharge pipe is measured, and the initial cooling method is based on the measured temperature.
  • a method of initially cooling a space environment test apparatus comprising controlling a flow rate of liquid nitrogen supplied to the shroud through piping.
  • the supply valve provided in the first supply pipe, the initial cooling pipe connecting the first supply pipe and the second supply pipe, and the initial cooling pipe are provided.
  • an initial cooling valve in a state where the supply valve is closed and in a state where the initial cooling valve is opened, a shroud is provided from the liquid nitrogen supply device via the initial cooling pipe without passing through the head tank.
  • the gaseous nitrogen that has vaporized liquid nitrogen is released to the atmosphere via the shroud and the head tank, so that the liquid in the initial cooling of the shroud
  • Both the latent heat of nitrogen and the sensible heat of gaseous nitrogen can be used to reduce the consumption of liquid nitrogen, and at the same time less white smoke is generated when gaseous nitrogen is released from the head tank It can be.
  • FIG. 2 shows a space environment test apparatus in which a shroud is divided into a plurality of pieces. It is a figure explaining the conventional free boiling type space environment test device. Diagram showing the shroud divided into multiple parts
  • the liquid nitrogen storage tank 5 is a liquid nitrogen supply device for supplying liquid nitrogen to the shroud 7 for cooling when the space environment test apparatus 1 performs a test.
  • the liquid nitrogen storage tank 5 may be any one that can supply liquid nitrogen at a predetermined supply pressure, and liquid nitrogen is stored inside the vacuum-insulated double wall structure.
  • the liquid nitrogen storage tank 5 according to the present embodiment has a liquid nitrogen storage amount of 50000 L class and a supply pressure of 0.3 MPaG, the liquid storage amount and the supply pressure of the liquid nitrogen storage tank 5 may be appropriately selected.
  • the shroud 7 is provided in the vacuum vessel 3 and is cooled by liquid nitrogen supplied from the liquid nitrogen storage tank 5. By supplying liquid nitrogen and cooling it to a predetermined temperature (for example, 100 K or less), the inside of the vacuum vessel 3 is made to simulate the cold and dark of the space environment.
  • a predetermined temperature for example, 100 K or less
  • the shroud 7 As the shroud 7 according to the present embodiment, one made of aluminum can be exemplified. However, the material of the shroud 7 may be any as long as it can maintain a low temperature of about 100K. Further, in the present embodiment (FIGS. 1 and 2), the shroud 7 installed in the vacuum vessel 3 is an example of a single piece, but may be divided into a plurality. (See Figure 3)
  • the first supply pipe 9 connects the liquid nitrogen storage tank 5 and the head tank 15, and supplies liquid nitrogen from the liquid nitrogen storage tank 5 to the head tank 15.
  • the first supply pipe 9 is composed of first supply pipes 9 a and 9 b.
  • the 1st supply piping 9 which concerns on this embodiment is that whose size is 50A, if the size of the 1st supply piping 9 is suitably selected according to the size of the shroud 7, or the supply flow rate of liquid nitrogen. Good.
  • the second supply pipe 11 connects the head tank 15 and the shroud 7, and supplies liquid nitrogen temporarily stored in the head tank 15 to the shroud 7.
  • the second supply pipe 11 is configured by the second supply pipes 11 a and 11 b. Then, one end side (second supply pipe 11 a) is connected to the lowermost portion of the head tank 15, and the other end side (second supply pipe 11 b) is connected to the lower portion of the shroud 7.
  • the second supply pipe 11b may be branched into a plurality of pieces in accordance with the number of the shrouds, and be connected to the lower portion (inlet) of each shroud. (See Figure 3)
  • the second supply pipe 11 is provided with a liquid nitrogen circulation valve 23 and a valve box 25.
  • the liquid nitrogen circulation valve 23 controls supply and stop of liquid nitrogen from the head tank 15 to the shroud 7.
  • the valve box 25 is provided therein with a flow control valve (not shown) for controlling the supply flow rate of liquid nitrogen.
  • the flow control valve is accommodated in the valve box 25 in accordance with the number of divisions of the shroud.
  • the size of the second supply pipe 11 according to the present embodiment is 100 A, but the size of the second supply pipe 11 may be appropriately selected according to the size of the shroud 7 and the thermal load.
  • the discharge pipe 13 connects the shroud 7 and the head tank 15 and discharges the mixed fluid of liquid nitrogen and gaseous nitrogen after cooling the shroud 7 to the head tank 15.
  • a plurality of discharge pipes 13 may be provided in accordance with the number of shrouds, and the top (outlet) of each shroud and the head tank 15 may be connected.
  • the discharge piping 13 may be joined before being connected to the head tank 15, it is preferable that the discharge piping 13 be individually connected to the head tank 15. (See Figure 3)
  • the head tank 15 is disposed vertically above the shroud 7.
  • the head tank 15 temporarily stores liquid nitrogen supplied from the liquid nitrogen storage tank 5 through the first supply pipe 9, supplies the temporarily stored liquid nitrogen to the shroud 7 through the second supply pipe 11, and discharges it from the shroud 7.
  • the mixed fluid of liquid nitrogen and gaseous nitrogen discharged through the pipe 13 is stored to perform gas-liquid separation as well.
  • the head tank 15 is provided with a liquid level gauge (not shown) in order to control the liquid level of the temporarily stored liquid nitrogen. Further, a gaseous nitrogen discharge pipe 27 is provided on the top of the head tank 15. The inside of the head tank 15 is open to the atmosphere via the gaseous nitrogen discharge pipe 27.
  • the head tank 15 according to the present embodiment is made of stainless steel and the liquid nitrogen storage amount is 1000 L, the material and the liquid storage amount of the head tank 15 can be appropriately selected.
  • the supply valve 17 is provided in the first supply pipe 9b. In the initial cooling, it is closed to supply liquid nitrogen to the shroud 7 without passing through the head tank 15, and is opened when the initial cooling is finished and the test is performed.
  • the supply valve 17 opens and closes in accordance with the liquid level of liquid nitrogen temporarily stored.
  • the opening and closing of the supply valve 17 can be performed, for example, by an output signal of the liquid level measured by a liquid level meter (not shown) installed in the head tank 15.
  • the supply valve 17 also functions as a liquid level control valve (LCV) that controls the liquid level of liquid nitrogen stored in the head tank 15.
  • LCD liquid level control valve
  • the supply valve is not limited to this, and the supply valve and the liquid level control valve may be provided in the first supply pipe 9b.
  • the initial cooling piping 19 connects the first supply piping 9 and the second supply piping 11. Liquid nitrogen is supplied from the liquid nitrogen storage tank 5 to the shroud 7 without the head tank 15 to initially cool the shroud 7.
  • an initial cooling pipe 19 is provided to connect the first supply pipe 9a and the second supply pipe 11b.
  • the initial cooling piping 19 connects the lowermost portion of the first supply piping 9 and the lowermost portion of the second supply piping 11, and the lowermost portion connected to the second supply piping 11 from the lowermost portion connected to the first supply piping 9 It is desirable to install it so that it becomes horizontal or uphill toward the. Thereby, even if a part of liquid nitrogen is vaporized in the initial cooling piping 19 and the second supply piping 11b, the vaporized gaseous nitrogen flows to the shroud 7 side together with the liquid nitrogen, and from the head tank 15 through the discharge piping 13 Exhausted. Therefore, there is no possibility that the gaseous nitrogen rises in the initial cooling piping 19 and the second supply piping 11a to inhibit the movement (flow) of liquid nitrogen supplied for cooling. In addition, it is desirable that the flow from the second supply pipe 11 b through the shroud 7 to the head tank 15 be installed so as to always have an upward tendency.
  • the initial cooling valve 21 is provided in the initial cooling pipe 19.
  • the initial cooling valve 21 is open (see FIG. 1), and when the initial cooling is finished and the test is performed, the initial cooling valve 21 is used. Is closed (see FIG. 2).
  • the space environment test apparatus 1 preferably includes a temperature measurement unit 29 and a control unit 31, as shown in FIGS.
  • the temperature measurement unit 29 measures the temperature of the fluid (mixed fluid of liquid nitrogen and gaseous nitrogen) discharged from the shroud 7 through the discharge pipe 13.
  • the control unit 31 controls the opening degree of the initial cooling valve 21 based on the temperature measured by the temperature measurement unit 29.
  • the temperature measuring unit 29 and the control unit 31 are provided, and the control unit 31 controls the opening degree of the initial cooling valve 21 based on the temperature measured by the temperature measuring unit 29, whereby the initial cooling piping 19 is provided.
  • the flow rate of liquid nitrogen supplied to the shroud 7 can be controlled through the above to adjust the cooling rate in the initial cooling to a certain level or less.
  • troubles such as failure caused by rapid thermal distortion on piping and equipment due to rapid cooling and thermal shock on a test object such as an artificial satellite occur. Can be prevented.
  • the temperature measurement unit 29 is installed in the discharge pipe 13, but may be installed in a shroud. Even in this case, the control unit 31 controls the opening degree of the initial cooling valve 21 based on, for example, the temperature measured by the temperature measurement unit installed above the shroud 7 to adjust the cooling rate in initial cooling to a certain level or less. it can.
  • the temperature measurement unit 29 may be installed in each discharge pipe 13, but may be installed in each shroud.
  • the control unit 31 controls respective flow control valves (not shown) installed in the second supply pipe 11b in the valve box 25. This makes it possible to make the temperatures between the plurality of shrouds uniform and to adjust the cooling rate.
  • the first supply pipe 9, the second supply pipe 11, the shroud 7, the discharge pipe 13, and the head tank 15 are in a normal temperature state. Further, the supply valve 17, the liquid nitrogen circulation valve 23, and the initial cooling valve 21 are closed.
  • the opening degree of the initial cooling valve 21 may be adjusted so that the pressure in the second supply pipe 11 and the head tank 15 becomes constant (for example, PID control with a set pressure of 0.2 MPaG as a standard). Furthermore, it is preferable to measure the temperature of a part of the shroud 7 and the discharge pipe 13 and control the opening degree of the valve 21 for initial cooling based on the measured temperature. By controlling the opening degree of the initial cooling valve 21, the flow rate of liquid nitrogen supplied to the shroud 7 can be controlled, and the cooling rate of the shroud 7 or the like can be adjusted to a certain level or less. Also, in the case of cooling a plurality of divided shrouds, the flow rate control valve (not shown) of each shroud is controlled to equalize the temperature among the plurality of shrouds and adjust the cooling rate. be able to.
  • the second supply piping 11b, the shroud 7 and the discharge piping 13 since the pressure loss of the second supply piping 11b, the shroud 7 and the discharge piping 13 is larger than the pressure loss of the second supply piping 11a, the second supply piping 11b, the shroud 7 and the discharge piping 13 first in initial cooling. Cooling. When the second supply pipe 11a is cooled first, the pressure loss of the second supply pipe 11a is small, so the liquid nitrogen from the liquid nitrogen storage tank 5 and the vaporized gas nitrogen flow to the second supply pipe 11a, and the second There is a concern that the supply piping 11b, the shroud 7, and the discharge piping 13 can not be cooled effectively.
  • the space environment test apparatus 1 can be used to start the test.
  • the liquid nitrogen supplied to the shroud 7 is consumed and vaporized in response to the heat load.
  • Gas nitrogen produced in the shroud 7 is discharged from the discharge pipe 13 to the atmosphere through the head tank 15 and the gas nitrogen discharge pipe 27, and liquid nitrogen consumed by the shroud 7 is discharged from the head tank 15 to the second supply pipe 11.
  • the temperature measurement unit 29 provided in the discharge pipe 13 discharges from the shroud 7 a fluid in the discharge pipe 13.
  • the temperature of the mixed fluid of liquid nitrogen and gaseous nitrogen is measured, and the opening degree of the initial cooling valve 21 is controlled based on the measured temperature.
  • the opening degree of the initial cooling valve 21 can be controlled using, for example, a temperature measurement unit 29 and a control unit 31 connected to the initial cooling valve 21 as shown in FIG. 1.
  • the initial cooling method of the space environment test apparatus is installed in the shroud 7
  • the opening degree of the initial cooling valve 21 may be controlled based on the temperature measured by the temperature measuring unit (not shown).
  • the opening degree of the initial cooling valve 21 is controlled by the temperature measurement unit 29 installed in the discharge pipe 13, the temperature measurement unit (not shown) installed in the shroud 7, and the control unit 31.
  • the opening degree of the initial cooling valve 21 is controlled so that the pressure in 15 is constant, other methods may be used. That is, the initial cooling valve 21 may be turned on / off to supply / stop liquid nitrogen, and the flow control of liquid nitrogen may be performed using a flow control valve (not shown) installed in the valve box 25. .
  • the low temperature fluid (liquid nitrogen, gas nitrogen) flows in the devices, pipes, valves, and the like used in the present embodiment, so that the heat insulating construction is required.
  • any heat insulation method such as vacuum heat insulation or normal pressure heat insulation may be employed as long as appropriate heat insulation construction is performed according to the fluid temperature.
  • a second supply pipe 11 b and a flow control valve (not shown) for adjusting the supply flow rate of liquid nitrogen are installed inside the valve box 25.
  • the second supply pipe 11b and the flow control valve (not shown) for liquid nitrogen may be directly thermally insulated.
  • the second supply pipe 11 b and a flow control valve (not shown) for adjusting the supply flow rate of liquid nitrogen are accommodated in the vacuum vessel 3 without being out of the vacuum vessel 3. It is good. In that case, the second supply pipe 11b and a flow control valve (not shown) for adjusting the supply flow rate of liquid nitrogen are installed in a vacuum, and a vacuum heat insulation effect can be obtained. For this reason, the heat insulation construction such as using a cold insulating material becomes unnecessary. As described above, when the second supply pipe 11 b is housed inside the vacuum vessel 3, it is preferable to dispose the second supply pipe 11 b below the shroud 7.
  • the control unit 31 controls the degree of opening of the initial cooling valve 21 by the temperature measured by the temperature measurement unit 29 and the temperature measurement unit (not shown) installed on the shroud 7.
  • the control unit 31 may be operated manually without using the control unit 31. That is, the flow control valve (not shown) for liquid nitrogen installed in the valve 21 for initial cooling and the second supply pipe 11b from the temperature of the temperature measurement unit 29, the temperature installed in the shroud 7, or the pressure in the head tank 15, etc. ) May be manually operated to adjust the cooling rate and the like. Therefore, the flow control valve (not shown) for liquid nitrogen installed in the initial cooling valve 21 and the second supply pipe 11b may be a manual valve.
  • the liquid nitrogen consumption from the liquid nitrogen storage tank 5 to the shroud 7 by supplying liquid nitrogen to the shroud 7 via the head tank 15 is as follows: It can be estimated as follows.
  • the effective latent heat of vaporization of liquid nitrogen at atmospheric pressure is 169.6 J / g.
  • the thermal capacity of the shroud 7 when cooling the aluminum shroud 7 from normal temperature 300 K to 100 K is about 3.3 GJ
  • the consumption amount of liquid nitrogen in the space environment test apparatus according to the present embodiment and the initial cooling method of the space environment test apparatus can be estimated as follows.
  • liquid nitrogen supplied from the liquid nitrogen storage tank 5 at 0.3 MPaG is depressurized to the atmospheric pressure, 14.7% of the supplied liquid nitrogen is vaporized to be gaseous nitrogen.
  • liquid nitrogen is supplied to the shroud 7 through the initial cooling pipe 19 without the head tank 15. Therefore, the vaporized gaseous nitrogen is supplied to the shroud 7 together with the liquid nitrogen without being released to the atmosphere, so the low temperature sensible heat of the gaseous nitrogen can also be used for the initial cooling of the shroud 7 and the second supply piping 11b.
  • the effective latent heat of vaporization of liquid nitrogen under atmospheric pressure is 169.6 J / g
  • the sensible heat of gaseous nitrogen from 100 K to normal temperature 300 K is 234.0 J / g
  • the consumption of liquid nitrogen required for the initial cooling can be significantly reduced (19458 kg to 8176 kg in the above calculation). Reduced). Furthermore, the generation of white smoke can be reduced when releasing gaseous nitrogen to the atmosphere
  • the liquid nitrogen supplied to the shroud is decompressed when the free-iling space environment test apparatus is initially cooled. It is possible to effectively utilize the low temperature sensible heat of vaporized gaseous nitrogen, to reduce the consumption of liquid nitrogen, and to reduce the generation of white smoke when gaseous nitrogen is released to the atmosphere. it can.
  • the space environment test apparatus of the present invention and the initial cooling method of the space environment test apparatus, it is possible to reduce the consumption of liquid nitrogen, and further reduce the generation of white smoke when releasing gaseous nitrogen to the atmosphere. can do.

Abstract

液体窒素の消費量を低減して初期冷却する宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法を提供することを目的とし、本発明は、真空容器（３）内に設けられ、液体窒素貯槽（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、液体窒素貯槽（５）から第１供給配管（９）を通じ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（１１）を通じてシュラウド（７）に供給するとともに、シュラウド（７）から排出された液体窒素を貯留するヘッドタンク（１５）とを備えたフリーボイリング式宇宙環境試験装置であって、第１供給配管（９）に設けられた供給弁（１７）と、第１供給配管（９）と第２供給配管（１１）とを連結する初期冷却用配管（１９）と、初期冷却用配管（１９）に設けられた初期冷却用弁（２１）とをさらに有することを特徴とする宇宙環境試験装置を提供する。

Description

宇宙環境試験装置および宇宙環境試験装置の初期冷却方法
　本発明は、シュラウドに液体窒素を供給して冷却する宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法であり、特に、シュラウドの初期冷却において液体窒素の消費量を低減する宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法に関する。
　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、真空容器内を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としては、例えば、特許文献１に開示されているフリーボイリング式（図４参照）でシュラウドを冷却するものがある。
　図４に示すフリーボイリング式の宇宙環境試験装置４１においては、まず、液体窒素貯槽５から第１供給配管９を通じてヘッドタンク１５に液体窒素を供給する。次に、ヘッドタンク１５から第２供給配管１１を通じてシュラウド７に液体窒素を供給し、シュラウド７の初期冷却を開始する。なお、シュラウド７は真空容器３に配置されている。その後、シュラウド７が冷却されて液体窒素で満たされると、シュラウド７から排出配管１３を通じてヘッドタンク１５に液体窒素が排出されて溜まりだし、シュラウド７の初期冷却は完了する。
以後、ヘッドタンク１５の液面制御（液面が下がると液体窒素貯槽５から補給し、液面が上がると供給弁１７を閉じて液体窒素の供給を停止する）を行いながら、シュラウド７の熱負荷（液体窒素の蒸発量）に応じてヘッドタンク１５からシュラウド７に液体窒素が自動供給される。
特許第３９４６９８４号公報
　上述のとおり、フリーボイリング式の宇宙環境試験装置４１におけるシュラウド７の冷却は、シュラウド７の上方に位置するヘッドタンク１５に液体窒素を溜め、該液体窒素の位置ヘッドで下方に位置するシュラウド７に自動的に液体窒素を供給する方式を採用している。そのため、従来はシュラウド７の初期冷却においても、ヘッドタンク１５を通じてシュラウド７に液体窒素を供給していた。
　液体窒素は圧力が低いほど温度が低下する。そこで、液体窒素を大気圧下とするためにヘッドタンク１５は気体窒素放出配管２７を介して大気に通じている。これにより、ヘッドタンク１５内（供給弁１７の二次側）で液体窒素が大気圧まで減圧されてフラッシュ（ガス化）し、液体窒素の一部が気体窒素となりそのまま気体窒素放出配管２７を通じて大気に放出される。
　このとき、フラッシュ（ガス化）する液体窒素の割合は、液体窒素貯槽５からの液体窒素の供給圧力とヘッドタンクとの圧力差に依存し、該供給圧力が高いほどフラッシュ（ガス化）する割合は大きくなる。供給圧力が０．６ＭＰａＧの場合は約２３％、　０．３ＭＰａＧの場合は約１５％に相当する液体窒素が気化して気体窒素となる。該気体窒素は顕熱を持って冷たいまま大気に放出されていた。
　そのため、フラッシュした気体窒素の持つ低温の顕熱がシュラウド７の冷却に有効利用されずに無駄に捨てられることによって、初期冷却において液体窒素の消費量が多くなるという問題があった。
　また、ヘッドタンク１５から下方の第２供給配管１１に供給された液体窒素は、配管や機器等を冷却する。冷却する過程において液体窒素の一部が気化する。このため、気体窒素が第２供給配管１１内を逆流して上方に抜けてヘッドタンク１５に導入され、低温のまま大気に放出される場合もあった。
　そして、冷たい気体窒素が大気に放出されると白煙（霧）が発生し、周囲環境に悪影響を及ぼす（視界不良、立木を枯らす、コンクリーとを壊す等の問題が発生する）。このため、白煙防止や加温対策として、窒素加湿器（熱交換器やヒーター）等の設置が必要であった。
　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、フリーボイリング式の宇宙環境試験装置の初期冷却に際して、液体窒素が気化して生じる気体窒素の低温の顕熱を有効利用することで、液体窒素の消費量を低減できる宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法を提供することを目的とする。
　本発明は、上記目的を達成するために、下記宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法を提供する。
（１）真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から供給される液体窒素により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供給配管を通じ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供給配管を通じ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配管を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備えたフリーボイリング式宇宙環境試験装置であって、　
　前記第１供給配管に設けられた供給弁と、
　前記第１供給配管と前記第２供給配管とを連結する初期冷却用配管と、
　該初期冷却用配管に設けられた初期冷却用弁とをさらに有することを特徴とする宇宙環境試験装置。
（２）上記（１）に記載の宇宙環境試験装置であって、前記初期冷却用配管は、前記第１供給配管の最下部と前記第２供給配管の最下部とを連結し、前記第１供給配管と連結する最下部から前記第２供給配管と連結する最下部に向かって水平または上り傾斜となるように設置されていることを特徴とする宇宙環境試験装置。
（３）上記（１）または（２）に記載の宇宙環境試験装置であって、前記シュラウドの温度または前記排出配管内の流体の温度を測定する温度測定部と、該温度測定部により測定された温度に基づいて前記初期冷却用弁の開度を制御する制御部とをさらに有することを特徴とする宇宙環境試験装置。
（４）上記（１）から（３）のいずれかの宇宙環境試験装置であって、前記シュラウドは分割されていることを特徴とする宇宙環境試験装置。
（５）宇宙環境試験装置の初期冷却方法は、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供給配管を通じ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供給配管を通じ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配管を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備えた宇宙環境試験装置の初期冷却方法であって、前記第１供給配管と前記第２供給配管とを初期冷却用配管を介して連結し、前記ヘッドタンクを介さずに前記液体窒素供給装置から前記初期冷却用配管を通じて前記シュラウドに液体窒素を供給することで、該シュラウドを初期冷却することを特徴とする宇宙環境試験装置の初期冷却方法である。
（６）上記（５）に記載の宇宙環境試験装置の初期冷却方法であって、前記シュラウドの温度または前記排出配管内の流体の温度を測定し、該測定した温度に基づいて前記初期冷却用配管を通じて前記シュラウドに供給する液体窒素の流量を制御することを特徴とする宇宙環境試験装置の初期冷却方法である。
（７）上記（５）または（６）に記載の宇宙環境試験装置の初期冷却方法であって、前記シュラウドは分割されていることを特徴とする宇宙環境試験装置の初期冷却方法。
　本発明の宇宙環境試験装置においては、第１供給配管に設けられた供給弁と、第１供給配管と第２供給配管とを連結する初期冷却用配管と、該初期冷却用配管に設けられた初期冷却用弁とを有し、前言己供給弁を閉じた状態かつ前記初期冷却用弁を開いた状態で、ヘッドタンクを介さずに液体窒素供給装置から前記初期冷却用配管を介してシュラウドに液体窒素を供給することで、該シュラウドを初期冷却するようにしたことにより、液体窒素が気化した気体窒素がシュラウドとヘッドタンクを経由して大気に放出されることで、シュラウドの初期冷却において液体窒素の潜熱と気体窒素の顕熱の双方を利用することができて液体窒素の消費量を低減することができるとともに、ヘッドタンクから気体窒素を放出する際に白煙の発生を少なくすることができる。
本発明の実施形態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初期冷却状態を説明する図である。 本発明の実施形態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、初期冷却が完了した後にシュラウドを冷却する状態を説明する図である。 シュラウドが複数に分割された宇宙環境試験装置を示す図である。 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。シュラウドが複数に分割された状態を示す図
＜宇宙環境試験装置＞
　本実施形態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、液体窒素貯槽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、液体窒素貯槽５から第１供給配管９を通じ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１１を通じてシュラウド７に供給するとともに、シュラウド７から排出配管１３を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンク１５とを備え、シュラウド７をフリーボイリング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宇宙環境試験装置であって、上記第１供給配管９に設けられた供給弁１７と、第１供給配管９と第２供給配管１１とを連結する初期冷却用配管１９と、初期冷却用配管１９に設けられた初期冷却用弁２１とを有することを特徴とする宇宙環境試験装置である。
　以下、初期冷却状態の宇宙環境試験装置１を示す図１と、初期冷却後を終えて試験を行うためにシュラウド７を冷却する状態の宇宙環境試験装置１を示す図２に基づいて、本実施形態に係る宇宙環境試験装置１の各構成について説明する。
≪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。
≪液体窒素貯槽≫
　液体窒素貯槽５は、宇宙環境試験装置１を用いて試験を行う際に、シュラウド７に液体窒素を供給して冷却する液体窒素供給装置である。
　液体窒素貯槽５は、所定の供給圧力で液体窒素を供給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、本実施形態に係る液体窒素貯槽５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５の貯液量および供給圧力は、適宜選択すればよい。
　本実施形態は、液体窒素供給装置として液体窒素貯槽５を用いるが、シュラウド７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。
　例えば、比較的小型の宇宙環境試験装置１では、液体窒素供給装置として小型可搬式液体窒素供給装置等が用いることができる。比較的大型の宇宙環境試験装置１では、液体窒素供給装置として大型の液体窒素貯槽等が用いることができる。しかし、液体窒素供給装置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、真空容器３内に設けられ、液体窒素貯槽５供給される液体窒素により冷却される。液体窒素が供給されて所定温度（例えば１００Ｋ以下）に冷却されることで、真空容器３内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態とする。
　本実施形態に係るシュラウド７として、アルミニウム製のものを例示できる。もっとも、シュラウド７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い。
　また、本実施例（図１および図２）では、真空容器３内に設置されるシュラウド７は単体の例を示しているが、複数に分割されていても良い。（図３参照）
≪第１供給配管≫
　第１供給配管９は、液体窒素貯槽５とヘッドタンク１５とを接続し、液体窒素貯槽５からヘッドタンク１５に液体窒素を供給する。図１および図２においては、第１供給配管９は、第１供給配管９ａおよび９ｂで構成されている。
　なお、本実施形態に係る第１供給配管９は、そのサイズが５０Ａのものであるが、第１供給配管９のサイズは、シュラウド７のサイズや液体窒素の供給流量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１１は、ヘッドタンク１５とシュラウド７とを接続し、ヘッドタンク１５に一時貯留した液体窒素をシュラウド７に供給する。図１および図２においては、第二供給管１１は、第２供給配管１１ａ及び１１ｂで構成されている。そして、一端側（第２供給配管１１ａ）がヘッドタンク１５の最下部に接続し、他端側（第２供給配管１１ｂ）がシュラウド７の下部に接続している。
　シュラウド７が複数に分割されている場合は、第２供給管１１ｂをシュラウド数に応じて複数に分岐し、各シュラウドの下部（入口）にそれぞれ接続すれば良い。（図３参照）
　第２供給配管１１には、図１および図２に示すように、液体窒素循環弁２３と弁箱２５とが設けられている。
　液体窒素循環弁２３は、ヘッドタンク１５からシュラウド７ヘの液体窒素の供給と停止とを制御するものである。
　また、弁箱２５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。
　シュラウド７が複数に分割して設置されている場合、弁箱２５にはシュラウドの分割数に応じて流量制御弁が収容される。
　本実施形態に係る第２供給配管１１は、そのサイズが１００Ａのものであるが、第２供給配管１１のサイズは、シュラウド７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１３は、シュラウド７とヘッドタンク１５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との混合流体をヘッドタンク１５に排出する。
　シュラウド７が複数に分割されている場合は、排出配管１３はシュラウド数に応じて複数設け、それぞれ、各シュラウドの上部（出口）とヘッドタンク１５を連結すれば良い。なお、排出配管１３は、ヘッドタンク１５に接続する手前で合流させても良いが、個々にヘッドタンク１５に接続するのが好ましい。（図３参照）
≪ヘッドタンク≫
　ヘッドタンク１５は、シュラウド７よりも鉛直方向上方に設置されている。ヘッドタンク１５は、液体窒素貯槽５から第１供給配管９を通じ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１１を通じてシュラウド７に供給するとともに、シュラウド７から排出配管１３を通じて排出された液体窒素と気体窒素との混合流体を貯留して、気液分離もする。
　後述するように、ヘッドタンク１５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。また、ヘッドタンク１５の上部には気体窒素放出配管２７が設けられている。ヘッドタンク１５の内部は、気体窒素放出配管２７を介して大気開放されている。
　なお、本実施形態に係るヘッドタンク１５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１５の材質および貯液量は適宜選択できる。
≪供給弁≫
　供給弁１７は、第１供給配管９ｂに設けられる。初期冷却においては、ヘッドタンク１５を介さずに液体窒素をシュラウド７に供給するために閉じられ、初期冷却が終わって試験を行う場合においては開かれる。
　さらに、初期冷却を終え、ヘッドタンク１５の液面高さを制御してシュラウド７を冷却する場合、供給弁１７は、一時貯留される液体窒素の液面高さに応じて開閉動作する。供給弁１７の開閉は、例えば、ヘッドタンク１５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。
　このように、本実施形態に係る供給弁１７は、ヘッドタンク１５に貯留された液体窒素の液面高さを制御する液面制御弁（ＬＣＶ）としても機能する。しかしながら、供給弁はこれに限るものはなく、供給弁と液面制御弁とを第１供給配管９ｂに設けてもよい。
≪初期冷却用配管≫
　初期冷却用配管１９は、第１供給配管９と第２供給配管１１とを連結する。ヘッドタンク１５を介さずに、液体窒素貯槽５からシュラウド７に液体窒素を供給してシュラウド７を初期冷却する。図１及び図２においては、第１供給配管９ａと第２供給配管１１ｂとを連結するように初期冷却用配管１９が設置されている。
　初期冷却用配管１９は、第１供給配管９の最下部と第２供給配管１１の最下部とを連結し、第１供給配管９と連結する最下部から第２供給配管１１と連結する最下部に向かって水平または上り傾斜となるように設置することが望ましい。
これにより、初期冷却用配管１９および第２供給配管１１ｂ内で一部の液体窒素が気化しても、該気化した気体窒素は液体窒素とともにシュラウド７側に流れ、排出配管１３を通じてヘッドタンク１５から排出される。そのため、初期冷却用配管１９や第２供給配管１１ａ内を気体窒素が上昇して冷却用に供給される液体窒素の動き（流れ）を阻害する恐れが無い。また、第２供給配管１１ｂからシュラウド７を経てヘッドタンク１５に至る流れは、常に上り傾向となるように設置する事が望ましい。
≪初期冷却用弁≫
　初期冷却用弁２１は、初期冷却用配管１９に設けられる。ヘッドタンク１５を介さずにシュラウド７に液体窒素を供給する場合、初期冷却用弁２１は開いた状態　（図１参照）となり、初期冷却を終えて試験を行う場合には、初期冷却用弁２１は閉じた状態（図２参照）となる。
　本実施形態に係る宇宙環境試験装置１は、図１および図２に示すように、温度測定部２９と制御部３１とを具備することが好ましい。
温度測定部２９は、排出配管１３を通じてシュラウド７から排出される流体（液体窒素と気体窒素との混合流体）の温度を測定するものである。
　制御部３１は、温度測定部２９で測定した温度に基づいて、初期冷却用弁２１の開度を制御する。
　このように、温度測定部２９と制御部３１とを設け、温度測定部２９が測定した温度に基づいて制御部３１が初期冷却用弁２１の開度を制御することで、初期冷却用配管１９を通じてシュラウド７に供給される液体窒素の流量を制御し、初期冷却における冷却速度を一定以下に調整できる。
　ここで、初期冷却において冷却速度を一定以下に調整することにより、急冷による配管類や機器に急激な熱歪みや、人工衛星等の試験体に熱衝撃が与えられることで生じる故障などのトラブル発生を防止できる。
　なお、図１および図２において、温度測定部２９は、排出配管１３に設置されているが、シュラウドに設置してもよい。この場合においても、例えばシュラウド７上部に設置した温度測定部が測定した温度に基づいて制御部３１が初期冷却用弁２１の開度を制御することで、初期冷却における冷却速度を一定以下に調整できる。
　また、シュラウド７が複数に分割されている場合、温度測定部２９は、それぞれの排出配管１３に設置してもよいが、それぞれのシュラウドに設置してもよい。いずれの場合でも、温度測定部２９が測定した温度に基づいて、制御部３１が弁箱２５内の第２供給管１１ｂに設置されるそれぞれの流量制御弁（図示なし）を制御する。これにより、複数のシュラウド間の温度を均一にしたり、冷却速度を調整したりすることができる。
＜初期冷却方法＞
　次に、本実施形態に係る宇宙環境試験装置の初期冷却方法について、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。
　宇宙環境試験装置１の運転開始時は、第１供給配管９、第２供給配管１１、シュラウド７、排出配管１３、およびヘッドタンク１５は常温状態である。また、供給弁１７、液体窒素循環弁２３および初期冷却用弁２１は閉じた状態である。
　まず、初期冷却用弁２１を開き、常温の第１供給配管９ａ、初期冷却用弁２１および第２供給配管１１ｂを介して、液体窒素貯槽５から液体窒素をシュラウド７に導入し、シュラウド７を冷却する。配管類や機器を冷却することによって液体窒素が気化する。生じた気体窒素は、シュラウド７を冷却した後、排出配管１３、ヘッドタンク１５及び気体窒素放出配管２７を通じて大気に放出される。
　気体窒素放出配管２７から大気に放出される気体窒素は、常温の配管や機器との熱交換するため、略常温である。そのため、気体窒素の放出により、白煙が発生することも、周囲環境に悪影響を及ぼすことも無い。つまり、液体窒素貯槽５から供給された液体窒素の一部が気化することで生じる気体窒素の顕熱も、第２供給配管１１などの配管類や、シュラウド７などの機器の初期冷却に用いられる。
　なお、第２供給配管１１やヘッドタンク１５内における圧力が一定となるように（例えば、設定圧力０．２ＭＰａＧ目安でＰＩＤ制御）、初期冷却用弁２１の開度を調整しても良い。
　さらには、シュラウド７や排出配管１３の一部の温度を測定し、該測定した温度に基づいて初期冷却用弁２１の開度を制御することが好ましい。初期冷却用弁２１の開度を制御することで、シュラウド７に供給される液体窒素の流量が制御され、シュラウド７などの冷却速度を一定以下に調整することができる。
　また、複数に分割されているシュラウドを冷却する場合には、各シュラウドの流量制御弁（図示なし）を制御することで、複数のシュラウド間の温度を均一にしたり、冷却速度を調整したりすることができる。
　シュラウド７の初期冷却が進行し、シュラウド７上部（出口側）に設けた温度測定部（図示なし）により測定した温度が所定温度に達した時点で初期冷却用弁２１の制御を終了して閉じた状態とする。次いで、ヘッドタンク１５下に接続する第２供給配管１１ａに設けられた液体窒素循環弁２３を開いた状態とすると、第２供給配管１１ａに液体窒素が流れ、これによりシュラウド７は冷却される。
　一般に、第２供給配管１１ｂ、シュラウド７及び排出配管１３の圧力損失は、第２供給配管１１ａの圧力損失よりも大きいので、初期冷却において第２供給配管１１ｂ、シュラウド７及び排出配管１３を先に冷却する。第２供給配管１１ａを先に冷却すると、第２供給配管１１ａの圧損が小さいため、液体窒素貯槽５からの液体窒素と、気化した気体窒素とが第２供給配管１１ａに流れてしまい、第２供給配管１１ｂ、シュラウド７及び排出配管１３を効果的に冷やせない懸念がある。
　次いで、液体窒素循環弁２３を開いた状態としたまま、第１供給配管９における最上部（ヘッドタンク１５と同程度の高さ）に設けられた供給弁１７を開とすることにより、第１供給配管９ａから第１供給配管９ｂに液体窒素が流入して第１供給配管９ｂが冷却される。
　第１供給配管９ｂが所定温度まで冷却されると、液体窒素貯槽５からの液体窒素は第１供給配管９ｂから供給弁１７を通じてヘッドタンク１５に供給される。ヘッドタンク１５自体が冷却され、ヘッドタンク１５内における液体窒素の貯液が進行し、ヘッドタンク１５に設けた液面計（図示なし）が所定レベルに達した時点でシュラウド７の初期冷却と貯液が完了する。ヘッドタンク１５内の液体窒素の液面を測定し、その液面が一定となるように供給弁１７の開度を調整する。
　本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法において、ヘッドタンク１５は略大気圧力で運転できるので、液体窒素貯槽５からの液体窒素は大気圧力まで減圧されて低温となり、該低温になった液体窒素によって、シュラウド７は更に所定温度まで冷却される。
　シュラウド７が所定温度まで冷却されると初期冷却は完了し、宇宙環境試験装置１を用いて試験を開始することができる。試験を行っている間は、シュラウド７に供給された液体窒素は、その顕熱が熱負荷に応じて消費されて気化する。シュラウド７内で生じた気体窒素は排出配管１３からヘッドタンク１５および気体窒素放出配管２７を通じて大気に放出されるとともに、シュラウド７で消費された分の液体窒素がヘッドタンク１５から第２供給配管１１を経由してシュラウド７に自動的に供給される。
　なお、本実施形態に係る宇宙環境試験装置の初期冷却方法は、図１に示すように、排出配管１３に設けられた温度測定部２９により排出配管１３内の流体である、シュラウド７から排出される液体窒素と気体窒素との混合流体の温度を測定し、該測定した温度に基づいて初期冷却用弁２１の開度を制御することが好ましい。これにより、初期冷却における冷却速度を一定以下に調整できる。初期冷却用弁２１の開度は、例えば図１に示すように、温度測定部２９と、初期冷却用弁２１に接続された制御部３１とを用いて制御することができる。
　排出配管１３に設置された温度測定部２９によりシュラウド７から排出される混合流体の温度を測定する実施形態を説明したが、本発明に係る宇宙環境試験装置の初期冷却方法は、シュラウド７に設置した温度測定部（図示なし）により測定した温度に基づいて初期冷却用弁２１の開度を制御するものであってもよい。
　この場合においても、例えばシュラウド７上部に設置した温度測定部が測定した温度に基づいて制御部３１が初期冷却用弁２１の開度を制御することで、シュラウド７に供給する液体窒素の流量を制御することができ、初期冷却における冷却速度を一定以下に調整することができる。
　また、複数に分割されているシュラウドを冷却する場合には、各シュラウドの流量制御弁（図示なし）を制御することで、複数のシュラウド間の温度を均一にしたり、冷却速度を調整したりすることができる。
　本実施形態では、排出配管１３に設置した温度測定部２９やシュラウド７に設置した温度測定部（図示なし）、および制御部３１により、初期冷却用弁２１の開度を制御するとともに、ヘッドタンク１５内における圧力が一定となるように初期冷却用弁２１の開度を制御するが、これ以外の方法であっても良い。すなわち、初期冷却用弁２１を液体窒素の供給／停止を行うＯＮ／ＯＦＦ運用とし、弁箱２５の中に設置する流量制御弁（図示なし）を用いて液体窒素の流量制御を行っても良い。
　また、シュラウド７が複数に分割されている場合は、初期冷却用弁２１を液体窒素の供給／停止を行うＯＮ／ＯＦＦ運用とし、弁箱２５内の第２供給管１１ｂに設置されるそれぞれの流量制御弁（図示なし）を用いて液体窒素の流量制御を行うのが好ましい。
　本実施形態で使用する機器、配管、弁などは、それぞれ低温流体（液体窒素、ガス窒素）が流れるため断熱施工を必要とする。しかしながら、流体温度に応じた適切な断熱施工をすれば良く、真空断熱や常圧断熱などいずれの断熱方式であっても良い。
　本実施形態では、弁箱２５の内部に第２供給配管１１ｂや液体窒素の供給流量を調整する流量制御弁（図示なし）を設置している。しかしながら、弁箱２５を用いずに、上記第２供給配管１１ｂや液体窒素の流量制御弁（図示なし）を直接断熱施工してもよい。
　また、弁箱２５を用いない場合、第２供給配管１１ｂや液体窒素の供給流量を調整する流量制御弁（図示なし）を真空容器３の外に出さずに、真空容器３の中に収容しても良い。その場合、第２供給配管１１ｂや液体窒素の供給流量を調整する流量制御弁（図示なし）は真空内に設置され、真空断熱効果が得られる。このため、保冷材を用いる等の断熱施工は不要となる。このように、第２供給配管１１ｂを真空容器３の内部に収容する場合は、シュラウド７よりも下に配置することが好ましい。
　なお、本実施形態では、温度測定部２９が測定した温度やシュラウド７に設置した温度測定部（図示なし）により、制御部３１が初期冷却用弁２１の開度を制御する。しかしながら、制御部３１を用いずに、手動で操作しても良い。すなわち、温度測定部２９の温度、シュラウド７に設置した温度、またはヘッドタンク１５内の圧力等から、初期冷却用弁２１や第２供給配管１１ｂに設置される液体窒素の流量制御弁（図示なし）を手動で操作して冷却速度等を調整しても良い。したがって、初期冷却用弁２１や第２供給配管１１ｂに設置される液体窒素の流量制御弁（図示なし）は、手動弁であっても良い。
　次に、本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法による液体窒素の消費量と、従来の宇宙環境試験装置および宇宙環境試験装置の初期冷却法における液体窒素の消費量とを試算した結果を説明する。
　まず、図４に示す従来技術の宇宙環境試験装置４１において、液体窒素貯槽５からヘッドタンク１５を介して液体窒素をシュラウド７に供給して初期冷却する場合における液体窒素の消費量は、以下のように推算できる。
　液体窒素貯槽５から０．３ＭＰａＧで液体窒素をヘッドタンク１５に供給する場合、ヘッドタンク１５にて大気圧に減圧されることで、供給された液体窒素の１４．７％が気化される。気化した気体窒素は気体窒素放出配管２７を通じてそのまま大気に放出される。そのため、宇宙環境試験装置４１においては、シュラウド７に供給された液体窒素の蒸発潜熱により初期冷却される。
　液体窒素の大気圧下における有効な蒸発潜熱は、１６９．６Ｊ／ｇである。そして、初期冷却においては、アルミ製のシュラウド７を常温３００Ｋから１００Ｋに冷却するときのシュラウド７の熱容量が約３．３ＧＪである場合、初期冷却において必要とされる液体窒素の消費量は、３．３Ｇ（Ｊ）／１６９．６（Ｊ／ｇ）＝１９４５８ｋｇとなる。
　一方、本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法における液体窒素の消費量は、以下のように推算できる。
　上述のとおり、液体窒素貯槽５から０．３ＭＰａＧで供給された液体窒素を大気圧に減圧すると、供給された液体窒素の１４．７％が気化して気体窒素となる。しかしながら、図１に示す本実施形態の宇宙環境試験装置１においては、ヘッドタンク１５を介さずに初期冷却用配管１９を通じてシュラウド７に液体窒素を供給する。このため、気化した気体窒素は大気に放出されることなく液体窒素とともにシュラウド７に供給されるので、気体窒素の有する低温の顕熱もシュラウド７や第２供給配管１１ｂの初期冷却に利用できる。
　大気圧下における液体窒素の有効な蒸発潜熱は１６９．６Ｊ／ｇ、１００Ｋから常温３００Ｋの気体窒素の顕熱は２３４．０Ｊ／ｇであるので、利用できる寒冷は、液体窒素の蒸発潜熱と気体窒素の顕熱の和で与えられ、１６９．６（Ｊ／ｇ）＋２３４．０（Ｊ／ｇ）＝４０３．６Ｊ／ｇとなる。
　そして、上記と同様に、アルミ製のシュラウド７を常温３００Ｋから１００Ｋに冷却する場合の熱容量が３．３ＧＪであるとすると、液体窒素の消費量は、３．３（ＧＪ）／４０３．６（Ｊ／ｇ）＝８１７６ｋｇとなる。
　このように、本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法によれば、初期冷却に要する液体窒素の消費量を大幅に低減できる（上記の試算においては１９４５８ｋｇ→８１７６ｋｇに低減）。さらに、気体窒素を大気に放出する際に白煙の発生を少なくすることができる
　本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法によれば、フリーイリング式の宇宙環境試験装置を初期冷却する際に、シュラウドに供給される液体窒素が減圧されて気化した気体窒素の持つ低温の顕熱を有効利用することができ、液体窒素の消費量を低減することができ、さらに、気体窒素を大気に放出する際に白煙の発生を少なくすることができる。
　本発明の宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法によれば、液体窒素の消費量を低減することができ、さらに、気体窒素を大気に放出する際に白煙の発生を少なくすることができる。
１　宇宙環境試験装置
３　真空容器
５　液体窒素貯槽
７　シュラウド
９、９ａ、９ｂ　第１供給配管
１１、１１ａ、１１ｂ　第２供給配管
１３　排出配管
１５　ヘッドタンク
１７　供給弁
１９　初期冷却用配管
２１　初期冷却用弁
２３　液体窒素循環弁
２５　弁箱
２７　気体窒素放出配管
２９　温度測定部
３１　制御部
４１　宇宙環境試験装置（従来技術）

Claims (7)

  1. 　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供給配管を通じ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供給配管を通じ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配管を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備えたフリーボイリング式宇宙環境試験装置であって、
    　前記第１供給配管に設けられた供給弁と、
    　前記第１供給配管と前記第２供給配管とを連結する初期冷却用配管と、
    　該初期冷却用配管に設けられた初期冷却用弁とをさらに有することを特徴とする宇宙環境試験装置。
  2. 　前記初期冷却用配管は、前記第１供給配管の最下部と前記第２供給配管の最下部とを連結し、前記第１供給配管と連結する最下部から前記第２供給配管と連結する最下部に向かって水平または上り傾斜となるように設置されていることを特徴とする請求項１記載の宇宙環境試験装置。
  3. 　前記シュラウドの温度または前記排出配管内の流体の温度を測定する温度測定部と、該温度測定部により測定された温度に基づいて前記初期冷却用弁の開度を制御する制御部とをさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の宇宙環境試験装置。
  4. 　前記シュラウドは分割されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の宇宙環境試験装置。
  5. 　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供給配管を通じ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供給配管を通じ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配管を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備えた宇宙環境試験装置の初期冷却方法であって、
    　前記第１供給配管と前記第２供給配管とを初期冷却用配管を介して連結し、前記ヘッドタンクを介さずに前記液体窒素供給装置から前記初期冷却用配管を通じて前記シュラウドに液体窒素を供給することで、該シュラウドを初期冷却することを特徴とする宇宙環境試験装置の初期冷却方法。
  6. 　前記シュラウドの温度または前記排出配管内の流体の温度を測定し、該測定した温度に基づいて前記初期冷却用配管を通じて前記シュラウドに供給する液体窒素の流量を制御することを特徴とする請求項５記載の宇宙環境試験装置の初期冷却方法。
  7. 　前記シュラウドは分割されていることを特徴とする請求項５または６に記載の宇宙環境試験装置の初期冷却方法。
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