JP2000211600A - 宇宙環境試験装置用シュラウド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却に要する冷媒量を低減でき、かつ、均一
な温度面を容易に創生できるとともに、軽量で初期冷却
時間の短縮も図れ、さらに、異種金属継手を必要としな
い宇宙環境試験装置用シュラウドを提供する。 【解決手段】 円筒状の内筒と、該内筒の外周に配置さ
れる外筒とを有し、該外筒に内筒方向に突出する突出部
を設け、該突出部先端を内筒外周面に固着して内筒と外
筒との間に冷媒液溜用空間を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、宇宙環境試験装置
用シュラウドに関し、詳しくは、宇宙環境と略同等の高
真空，極低温の環境を形成し、人工衛星等の宇宙空間で
使用される各種機器の試験を行う宇宙環境試験装置に用
いるシュラウドに関する。

【０００２】

【従来の技術】宇宙環境試験装置は、宇宙の冷暗黒を模
擬するため、高真空に排気された真空容器の内周部に、
内面を黒色の高輻射率塗装で塗装され、低温液化ガスで
ある液化窒素等の冷媒液で１００Ｋ以下に冷却される熱
吸収壁、即ちシュラウドを設けている。この宇宙環境試
験装置で人工衛星等の各種機器（被試験体）の試験を行
うためには、シュラウドにおける温度分布を小さくし、
均一な温度面を提供することが要求される。

【０００３】図６は、従来の宇宙環境試験装置用シュラ
ウドの一例を示す概略系統図である。このシュラウド１
１は、冷媒管集合式冷媒強制流動型シュラウドと呼ばれ
るものであって、冷媒供給経路１２から供給される冷媒
液、通常は液化窒素をシュラウド１１を構成する冷媒管
１３の一端から導入し、液化窒素が有する寒冷を冷媒管
伝熱部１３ａから真空容器１４内に放出して被試験体に
寒冷を与えた後、冷媒管１３の他端から冷媒排出経路１
５に液化窒素を排出するように形成している。冷媒供給
経路１２には流量調節弁１６が、冷媒排出経路１５には
温度検出器１７がそれぞれ設けられており、液化窒素
は、被試験体の熱負荷により変動する温度検出器１７の
検出値に応じて流量調節弁１６の開度を手動又は自動で
調節することにより、温度検出器１７の検出値が規定値
になるように流量が制御される。

【０００４】このような冷媒管集合式冷媒強制流動型シ
ュラウドにおいて、液化窒素は、被試験体の熱負荷に応
じた流量でシュラウド１１を構成する冷媒管１３に強制
流動で供給され、シュラウド１１の出口側においても、
その温度を液化窒素温度に維持する必要があることか
ら、冷媒管１３の出口から冷媒排出経路１５を通して液
の状態で抜出される。したがって、液化窒素の持つ蒸発
潜熱を余すことなく使い切ることができないので、冷却
のための液化窒素の消費量が多くなるとともに、冷媒排
出側に放液溜１８を設置しなければならないという問題
があった。

【０００５】図７及び図８は、上記冷媒管集合式冷媒強
制流動型シュラウドの一形状例を示すもので、図７は概
略正面図、図８は側面図である。ここに示すシュラウド
２１は、円筒胴２２と、この円筒胴２２の外周に軸線方
向に設けられる多数の冷媒管２３とで構成され、冷媒管
２３は、その伝熱部２３ａが円筒胴２２の外周面に溶接
固定されている。また、隣接する冷媒管２３の端部同士
は、接続管２４によって接続されており、冷媒供給経路
２５から冷媒排出経路２６まで連続した冷媒流路が形成
されている。冷媒液（液化窒素）は、冷媒供給経路２５
から冷媒管２３の一端（下端）に導入され、保有する寒
冷を伝熱部２３ａから溶接部を介して円筒胴２２に伝達
した後、他端（上端）から冷媒排出経路２６に排出され
る。

【０００６】図９及び図１０は、冷媒管集合式冷媒強制
流動型シュラウドの他の形状例を示すもので、図９は概
略正面図、図１０は側面図である。ここに示すシュラウ
ド３１は、冷媒流路となる冷媒管３２の両側にフィン３
３を一体に設けたフィン付冷媒管３４を複数接合するこ
とによって構成されており、液化窒素は、冷媒供給経路
３５から冷媒管３２に供給され、各冷媒管３２を接続す
る接続管３６を介して順次冷媒管３２内を流れ、冷媒排
出経路３７に排出される。この間、液化窒素が有する寒
冷は、冷媒管３２からフィン３３に伝達されてフィン３
３の両面から放射状に放出され、真空容器内を低温状態
に維持する。

【０００７】このような冷媒管集合式冷媒強制流動型シ
ュラウドは、その材質として、比重が小さく、かつ、熱
伝導度が大きいアルミニウムが通常用いられ、比較的小
型の宇宙環境試験装置に多く用いられている。図７及び
図８あるいは図９及び図１０のいずれの構造において
も、冷媒管は押出成型したアルミニウム合金管を用いて
構成するため、製作は比較的簡単であるが、円筒胴２２
（図７，図８）における冷媒管伝熱部２３ａが溶接で固
定されている部分、あるいは、冷媒管３２とフィン３３
の先端部（図９，図１０）は、固体熱伝導で冷却される
ため、この間の伝熱抵抗により温度差が発生し、均一な
温度面を創生することが難しいという問題があった。

【０００８】また、冷媒供給経路や冷媒排出経路を構成
する配管は、一般的にステンレス鋼が用いられており、
アルミニウムで構成された冷媒管との接続部には、爆着
や圧接等の特殊な加工法で製造される異種金属継手を用
いる必要があった。この異種金属継手は高価であるばか
りでなく、その構造上の特質、すなわち、冷媒管及び各
配管側の溶接熱が異種金属接合面に与える熱影響から所
用の長さが必要であり、真空容器内の限られた空間内で
行われる配管の設計や施工の制約となっていた。

【０００９】図１１は、真空容器内に二重円筒式冷媒液
溜込型シュラウドを設けた従来の宇宙環境試験装置の一
例を示す概略系統図である。この二重円筒式冷媒液溜込
型シュラウド４１は、上述した冷媒管集合式冷媒強制流
動型シュラウドの欠点を解決するために採用されたもの
である。

【００１０】二重円筒式冷媒液溜込型シュラウド４１
は、内筒４２及び外筒４３と、内筒４２の端部と外筒４
３の端部とを接続して密閉する円環形状の側板４４とに
より形成されており、内筒４２、外筒４３及び側板４４
とにより囲まれた二重円筒状の空間を、冷媒液を貯留す
るための液溜４５としている。これらの材質としても、
前記同様に、比重が小さく、かつ、熱伝導度の大きなア
ルミニウムが用いられている。

【００１１】さらに、シュラウド４１の上方には、ステ
ンレス鋼製の気液分離器４６が設けられており、この気
液分離器４６には、該気液分離器４６の液相部から液溜
４５に冷媒液を導入する冷媒液導入経路４７と、液溜４
５の上部から寒冷供給後の冷媒を気液分離器４６の気相
部に導出する冷媒導出経路４８とが、それぞれ異種金属
継手４７ａ，４８ａを介して設けられるとともに、外部
から気液分離器４６に冷媒液を供給するための冷媒供給
経路４９と、気液分離器４６内の冷媒ガスを排出するた
めの冷媒ガス排出経路５０とがそれぞれ接続されてい
る。

【００１２】さらに、気液分離器４６には液面検出器５
１が、冷媒供給経路４９には流量調節弁５２がそれぞれ
設けられており、冷媒液、例えば液化窒素は、被試験体
の熱負荷により変動する液面検出器５１の検出値に応じ
て流量調節弁５２の開度を手動又は自動で調節し、液面
検出器５１の検出液面が規定値になるように流量が制御
される。

【００１３】冷媒液として冷媒供給経路４９から気液分
離器４６に供給された液化窒素は、気液分離されて貯留
され、液のみが液相部から冷媒液導入経路４７を通して
シュラウド４１の液溜４５に導入されて貯留される。こ
の液溜４５に貯留された液化窒素の寒冷は、内筒４２及
び外筒４３から均一に真空容器５３内に放射され、被試
験体を冷却して真空容器内を低温に保持する。

【００１４】液溜４５内の液化窒素の一部は、寒冷を放
射することにより気化して窒素ガスとなり、冷媒導出経
路４８を通して気液分離器４６の気相に導出された後、
気液分離器４６から冷媒ガス排出経路５０を通して外部
に排出される。

【００１５】このように、冷媒液溜込型シュラウド４１
は、該シュラウドを構成する内筒４２と外筒４３と両端
の側板４４とで形成された空間を液溜４５として構成
し、該液溜４５に液化窒素を貯留するため、シュラウド
４１の内面全体を均一に冷却でき、温度分布を小さくす
ることができるので、均一な温度面を創生することがで
きる。

【００１６】また、シュラウド４１から排出される冷媒
としての窒素は、気化したガス状の窒素のみであり、液
状の窒素が排出されることはないので、液化窒素の潜熱
を使い切った冷却を行うことが可能である。このため、
前記冷媒管集合式冷媒強制流動型シュラウドに比べて液
化窒素の消費量を少なくすることができるとともに、排
出側に放液溜を設ける必要もなくなる。

【００１７】図１２及び図１３は、上記二重円筒式冷媒
液溜込型シュラウドにおける気液分離器の他の構成例の
概略を示すもので、図１２は断面正面図、図１３は断面
側面図である。この気液分離器５５は、外筒４３の頂部
に設けた開口４３ａに気密に固設したアルミニウム製の
筒体５６と、この筒体５６の上部開口に被着される蓋板
５７とにより構成され、蓋板５７には、異種金属継手４
９ａ，５０ａを介して冷媒供給経路４９と冷媒ガス排出
経路５０とがそれぞれ接続されている。

【００１８】すなわち、気液分離器５５の液相部はシュ
ラウド４１の液溜４５と直接連通しており、冷媒供給経
路４９から気液分離器５５内に供給される液化窒素は、
気液分離器５５の液相部を介して液溜４５に直接供給さ
れることになる。また、一部の液化窒素は、被試験体に
冷熱を与えることにより蒸発して窒素ガスとなり、気液
分離器５５の気相部に直接集められ、冷媒ガス排出経路
５０から外部に排出される。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、冷媒管
集合式冷媒強制流動型シュラウドは、軽量であるが、均
一な温度面を創生することが困難な上、冷媒消費量が多
いという問題がある。また、二重円筒式冷媒液溜込型シ
ュラウドは冷媒消費量が少なく、均一な温度面を創生す
ることはできるが、真空中で内筒及び外筒からなる二重
円筒としての強度を確保するためには、内外各円筒の肉
厚を増すか、あるいは、内外円筒間に補強材を挿入する
等の措置が必要となる。しかし、各円筒の肉厚を大きく
すると重量が増し、真空容器内への据付けが困難になる
だけでなく、熱容量が大きくなり、初期冷却に必要な冷
媒量が増大して定常冷却に至るまでの時間が長くかか
る。一方、補強材の挿入は、構造が複雑になって製作コ
ストが大幅に上昇するという問題が発生する。

【００２０】さらに、両形式のシュラウドとも、従来は
その材質としてアルミニウム又はアルミニウム合金を採
用しており、冷媒を供給する配管との接続部には、特殊
な異種金属継手を用いることが必要であり、真空容器内
の限られた空間で行われる配管の設計や施工に多大な影
響を与えていた。

【００２１】そこで本発明は、冷却に要する冷媒量を低
減でき、かつ、均一な温度面を容易に創生できるととも
に、軽量で初期冷却時間の短縮も図れ、さらに、異種金
属継手を必要としない宇宙環境試験装置用シュラウドを
提供することを目的としている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の宇宙環境試験装置用シュラウドは、宇宙環
境試験装置の真空容器内に設置されるシュラウドにおい
て、円筒状の内筒と、該内筒の外周に配置される外筒と
を有し、該外筒に内筒方向に突出する突出部を設け、該
突出部先端を内筒外周面に固着して内筒と外筒との間に
冷媒液溜用空間を形成したことを特徴としている。

【００２３】さらに、本発明の宇宙環境試験装置用シュ
ラウドは、前記内筒及び外筒がステンレス鋼製の薄板に
より形成されていることを特徴とし、特に、前記外筒が
プレートコイル又はディンプルジャケットで形成されて
いることを特徴としている。また、前記冷媒液溜用空間
の上方に気液分離器を設けるとともに、冷媒液溜用空間
と気液分離器との間に、気液分離器内の冷媒液を冷媒液
溜用空間に導入する経路と、冷媒液溜用空間内の蒸発ガ
スを気液分離器内の気相部に導出する経路とを設けたこ
とを特徴としている。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１乃至図３は、本発明の宇宙環
境試験装置用シュラウドの第１形態例を示すもので、図
１は概略正面図、図２は要部の断面図、図３は概略側面
図である。

【００２５】この宇宙環境試験装置用シュラウド７０
は、円筒状の内筒７１と、その外周に配置される外筒７
２とにより構成されており、外筒７２には、内筒７１の
方向に突出した突出部７３を有する板材、例えば、プレ
ートコイルやディンプルジャケットと呼ばれるものを使
用している。

【００２６】本第１形態例は、図２に示すように、台形
型波板状に屈曲形成されたいわゆるプレートコイルを外
筒７２の材料として使用した例を示すものであり、山と
谷との稜線が円周方向に向くようにして筒状に成形し、
これを内筒７１の外周に配置して所定部分を溶接により
接合したものである。このとき、筒状に成形した外筒７
２の突合わせ部７２ａは、図３に示すように、シュラウ
ド７０の最低部に位置するようにして両筒を組合わせる
ようにしている。

【００２７】上記内筒７１及び外筒７２の両端部は、隅
肉溶接７４により気密に接合され、内筒７１の外周面に
当接する外筒７２の谷の部分、即ち突出部７３の先端と
内筒７１の外周面とは、所定間隔のスポット溶接７５に
より接合されている。このスポット溶接７５の間隔は、
真空中における二重筒体としての必要な強度に応じて設
定され、両筒の肉厚等も考慮して決められる。なお、ス
ポット溶接７５同士の間の当接部は、冷媒液が流通可能
な状態となっている。

【００２８】このように、プレートコイルを筒状に成形
した外筒７２を内筒７１の外周に配置して突出部７３を
溶接接合することにより、内筒７１の外周面と、外筒７
２の山の部分の内周面との間に、シュラウド７０の周方
向に連続した冷媒液溜用空間７６が形成される。また、
シュラウド７０の頂部となる部分は、突出部（谷の部
分）７３を設けないか、あるいは、突出部７３を潰すな
どしてシュラウド７０の軸線方向に連続した空間７６ａ
を形成しておくことが望ましい。この空間７６ａの大き
さは、頂部を中心として両方向にそれぞれ５〜１５度程
度の開き幅が適当である。

【００２９】そして、シュラウド７０の上方、冷媒液溜
用空間７６の頂部（最高地点）には、冷媒液導入経路７
７と蒸発ガス導出経路７８とを介して気液分離器７９が
設けられており、冷媒液導入経路７７の上端７７ａは気
液分離器７９の底部の液相中に開口し、蒸発ガス導出経
路７８の上端７８ａは上部の気相中に開口している。さ
らに、気液分離器７９には、外部から気液分離器７９内
に冷媒液を供給するための冷媒供給経路８０と、気液分
離器７９内の冷媒ガスを排出するための冷媒ガス排出経
路８１とがそれぞれ接続されている。

【００３０】液化窒素のような冷媒液は、冷媒供給経路
８０から気液分離器７９内に供給され、気液分離された
液のみが冷媒液導入経路７７を通って前記冷媒液溜用空
間７６内に導入され、該冷媒液溜用空間７６内が液化窒
素により満たされた状態となる。これにより、内筒７１
の内周面全体から真空容器８２内に寒冷が放射されるこ
とになり、被試験体を冷却して真空容器８２内を低温に
保持する。

【００３１】被試験体を冷却することにより発生した蒸
発ガス（窒素ガス）は、冷媒液溜用空間７６内を上昇し
て蒸発ガス導出経路７８から気液分離器７９内の気相中
に上昇し、冷媒ガス排出経路８１から排出される。この
とき、蒸発ガス導出経路７８を気相部に開口させている
ので、気液分離器７９内の液化窒素に妨げられることな
く窒素ガスを抜き出すことができる。

【００３２】なお、気液分離器７９及び冷媒供給経路８
０には、従来と同様の液面検出器及び流量調節弁がそれ
ぞれ設けられており、従来と同様にして気液分離器７９
内の液面を規定値に保つように液化窒素の流量が制御さ
れる。

【００３３】このように、円筒状の内筒７１と、プレー
トコイルを筒状に成形した外筒７２とを組合わせ、外筒
７２の谷の部分（内筒７１方向への突出部７３）を内筒
７１の外周面に溶接して両者を接合し、外筒７２の山の
部分と内筒７１の外周面との間に冷媒液溜用空間７６を
形成してシュラウド７０を構成することにより、従来の
二重円筒式冷媒液溜込型シュラウドと同様に温度分布の
小さな温度面を創生できるので、アルミニウムに比べて
熱伝導率が小さなステンレス鋼を使用しても冷却効果が
損なわれることはほとんどない。

【００３４】また、両筒の所用箇所を直接溶接して接合
しているので、特に、通常の平板に比べて強度面で有利
なプレートコイルを用いているので、両筒を薄肉の材料
で形成しても十分な強度を得ることができ、アルミニウ
ムに比べて強度が高いステンレス鋼を使用することによ
り、両筒の板厚を従来より大幅に薄くすることができ、
シュラウド全体の軽量化や熱容量の減少を図ることがで
きる。しかも、シュラウド７０をステンレス鋼で形成す
ることにより、ステンレス鋼で構成される配管との間に
異種金属継手を設ける必要がなくなり、シュラウド７０
と各配管、気液分離器７９を直接溶接して接続すること
ができるので、その設計や施工を大幅に軽減することが
できる。

【００３５】なお、本形態例では、シュラウド７０を設
置する真空容器８２が横置きの場合であり、真空容器が
縦置き（軸線が鉛直）の場合は、シュラウドの軸線も鉛
直方向になるので、外筒７２の稜線をシュラウドの軸線
と平行な方向、即ち鉛直方向にして筒状に形成すればよ
い。また、気液分離器の位置や構造、冷媒液導入経路７
７及び蒸発ガス導出経路７８の位置や本数は適宜に設定
することができ、フレキシブルチューブを用いるなど、
形状等も任意に選定することができる。さらに、本形態
例では、外筒７２をシュラウド７０の最低部で分割した
形状としたが、連続的に形成することも可能である。

【００３６】図４及び図５は、本発明の第２形態例を示
すもので、図４は概略正面図、図５は要部の断面図であ
る。本形態例は、外筒７２としてディンプルジャケット
と呼ばれるものを使用した例を示している。このディン
プルジャケットは、外筒７２となる板材９０の適当な箇
所にディンプル９１、即ち窪みを多数個設けたものであ
って、これを外筒７２として使用するときには。ディン
プル９１の突出端が内側になるようにして筒状に成形す
る。

【００３７】内筒７１と外筒７２との接合は、両端の開
口は前記同様の隅肉溶接７４により行い、胴部は、ディ
ンプル９１の先端と内筒７１の外周面との当接部９２を
溶接することにより行う。このとき、ディンプル９１の
底部が開口している場合は隅肉溶接により、底部が閉塞
している場合はスポット溶接により行えばよい。

【００３８】これにより、ディンプル９１を除いた部分
に、連続した冷媒液溜用空間９３を形成することができ
る。そして、この冷媒液溜用空間９３の最高地点に、前
記同様の冷媒液導入経路７７や蒸発ガス導出経路７８及
び気液分離器７９等を接続することにより、前記形態例
と同様の作用効果を有するシュラウドを得ることができ
る。なお、あらかじめ形成された円筒体の胴部を打出し
加工してディンプル９１のような突出部を後から形成す
ることもできる。

【００３９】このように、平板を筒状に成形した状態の
内筒と、プレートコイルやディンプルジャケットのよう
な凹凸を有する板材を筒状に成形した外筒とを組合わせ
てシュラウドを形成することにより、特に、これらをス
テンレス鋼製の薄板で形成することにより、従来の二重
円筒式冷媒液溜込型シュラウドと同等の冷却性能を確保
しながら、シュラウド及びその付属部品を含めた全体構
成の簡略化による製作性の向上や、強度の向上による軽
量化が図れるとともに、軽量化による熱容量の減少によ
って冷却に必要な冷媒液の消費量も少なくすることがで
きる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の宇宙環境
試験装置用シュラウドによれば、構造的な強度の向上効
果によってステンレス鋼製薄板の使用を可能としながら
均一な温度面を創生でき、冷却に要する冷媒量を低減で
きるとともに、軽量で初期冷却時間の短縮も図れ、ま
た、異種金属継手のような高価で製作性に悪影響を与え
る部品を使用せずにシュラウドを形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の宇宙環境試験装置用シュラウドの第
１形態例を示す概略正面図である。

【図２】 同じく要部の断面図である。

【図３】 同じく概略側面図である。

【図４】 本発明の第２形態例を示す概略正面図であ
る。

【図５】 同じく要部の断面図である。

【図６】 従来の宇宙環境試験装置用シュラウドの一例
を示す概略系統図である。

【図７】 冷媒管集合式冷媒強制流動型シュラウドの形
状例を示す概略正面図である。

【図８】 同じく概略側面図である。

【図９】 冷媒管集合式冷媒強制流動型シュラウドの他
の形状例を示す概略正面図である。

【図１０】 同じく概略側面図である。

【図１１】 二重円筒式冷媒液溜込型シュラウドを設け
た従来の宇宙環境試験装置の一例を示す概略系統図であ
る。

【図１２】 二重円筒式冷媒液溜込型シュラウドにおけ
る気液分離器の他の構成例を示す断面正面図である。

【図１３】 同じく断面側面図である。

【符号の説明】

７０…宇宙環境試験装置用シュラウド、７１…内筒、７
２…外筒、７３…突出部、７４…隅肉溶接、７５…スポ
ット溶接、７６…冷媒液溜用空間、７７…冷媒液導入経
路、７８…蒸発ガス導出経路、７９…気液分離器、８０
…冷媒供給経路、８１…冷媒ガス排出経路、８２…真空
容器、９０…板材、９１…ディンプル、９２…当接部、
９３…冷媒液溜用空間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 宇宙環境試験装置の真空容器内に設置さ
   れるシュラウドにおいて、円筒状の内筒と、該内筒の外
   周に配置される外筒とを有し、該外筒に内筒方向に突出
   する突出部を設け、該突出部先端を内筒外周面に固着し
   て内筒と外筒との間に冷媒液溜用空間を形成したことを
   特徴とする宇宙環境試験装置用シュラウド。
2. 【請求項２】 前記内筒及び外筒が、ステンレス鋼製の
   薄板により形成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用シュラウド。
3. 【請求項３】 前記外筒が、プレートコイル又はディン
   プルジャケットで形成されていることを特徴とする請求
   項１又は２記載の宇宙環境試験装置用シュラウド。
4. 【請求項４】 前記冷媒液溜用空間の上方に気液分離器
   を設けるとともに、冷媒液溜用空間と気液分離器との間
   に、気液分離器内の冷媒液を冷媒液溜用空間に導入する
   経路と、冷媒液溜用空間内の蒸発ガスを気液分離器内の
   気相部に導出する経路とを設けたことを特徴とする請求
   項１記載の宇宙環境試験装置用シュラウド。