JPH08178562A - 二相流体ループ式排熱システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、小形・軽量化の促進を図ると共
に、高精度な熱制御を実現し得るようにすることにあ
る。 【構成】放熱面１２の面積が可変設定自在な放熱部１２
を二相流体ループに設けて、この放熱部１２の後段に混
合器１３を設け、混合器１３で蒸発部１０の余剰液と放
熱部１２からの凝縮液を混合して、この混合液の温度と
アキュムレータ１４の飽和温度とに基づいて放熱部１２
の放熱面１２ａの面積を制御するように構成し、所期の
目的を達成したものである。

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
む宇宙航行体の熱制御に用いるのに好適する二相流体ル
ープ式排熱システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、宇宙開発の分野においては、大形
の宇宙航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
航行体にあっては、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必要となること
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
度制御可能な排熱システムが要請される。

【０００３】上記排熱システムとしては、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
熱量を熱輸送して熱制御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システムは、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蒸発部と宇宙空間に配設される
放熱用の放熱部とを液路及び蒸気路で形成される二相流
体ループで連結する。そして、このような排熱システム
は、二相流体ループの放熱部の後段には、温度設定用の
アキュムレータ及び循環ポンプが順に配設され、その循
環ポンプで作動流体をループ内に循環移送すると共に、
そのアキュムレータでループ圧力を設定することによ
り、発熱体の熱制御温度値が決定される。

【０００４】ところで、このような二相流体ループ式排
熱システムは、蒸発部に供給される作動流体としては、
理論上、蒸発部で取得する発熱体（搭載機器）の発熱量
に応じた量を供給すれば良いものであるが、実際には、
部分的な過熱等が発生することで、所望の排熱特性を確
保するために、多少多めの作動流体の供給が必要とされ
る。しかし、このように多めの作動流体を供給するよう
に構成した場合、特に宇宙空間（微小重力環境）で使用
すると、余分な作動流体が蒸発部の蒸発面における液膜
が必要以上に厚くなり、結果として、排熱特性が低下さ
れるという問題を有する。

【０００５】そこで、宇宙空間で使用する二相流体ルー
プ式排熱システムにおいては、蒸発部に気液分離機能を
有し、排熱量相当以上の作動流体を供給しても、その蒸
発面には、必要量のみが供給され、その出口で蒸気と余
剰液が分離されて出力可能に構成する方法が採られる。
この方法にあっては、蒸発部の余剰液と蒸気を、それぞ
れサブクーラと放熱部で冷却した後、二相流体ループに
配設される循環ポンプの前段で合流させて、再び、蒸発
部に導く必要がある。

【０００６】ところが、上記二相流体ループ式排熱シス
テムでは、蒸気の排熱を行う放熱部と、さらに余剰液を
冷却するサブクーラを備え、しかもこれら放熱部及びサ
ブクーラの排熱特性を発熱体の発熱量に応じて制御する
ように構成しなければならないために、その構成が非常
に複雑となるうえ、大形で、重量が重くなるという問題
を有する。係る問題は、特に、高精度化及び軽量化の要
求される宇宙開発の分野において、重大である。

【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システムでは、構成が複雑な
うえ、大形で、重量が重くなるという問題を有する。こ
の発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、構成簡易
にして、小形・軽量化の促進を図り得、且つ高精度な熱
制御を実現し得るようにした二相流体ループ式排熱シス
テム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、作動流体が
移送される液路と、気体が移送される蒸気路とで形成さ
れ、前記作動流体の相変化を利用して吸熱・熱輸送を行
う二相流体ループと、前記二相流体ループの液路と蒸気
路との間に配設され、発熱体の熱量を前記作動流体を介
して吸収する蒸発部と、前記二相流体ループの蒸気路と
液路との間に配設され、前記熱量を吸収した作動流体を
凝縮して熱量を排熱するものであって、放熱面が可変調
整自在に設けられた放熱部と、この放熱部の後段に配設
され、前記二相流体ループの圧力を設定するアキュムレ
ータと、前記蒸発部に供給された作動流体の余剰液と前
記放熱部で凝縮された凝縮液が導かれ、前記余剰液及び
凝縮液を混合する混合手段と、この混合手段で混合した
混合液の温度を検出する温度検出手段と、前記アキュム
レータ内の温度と前記温度検出手段で検出した温度に基
づいて前記放熱部の放熱面積を設定する制御手段とを備
えて二相流体ループ式排熱システムを構成したものであ
る。

【０００９】

【作用】上記構成によれば、制御手段は、混合手段から
出力される作動流体の温度値とアキュムレータの温度に
基づいて放熱部の放熱面積を設定することにより、混合
手段からの作動流体の温度を所定の値に設定する。これ
により、蒸発部に対して排熱量相当以上の作動流体が安
定して供給され、高精度で安定した熱制御が可能とな
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。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システムを示すもので、蒸発
部１０は、例えば２個が並列に配設され、図示しない発
熱体の熱量を作動流体を介して吸収する。この蒸発部１
０は、その入力側に二相流体ループの液路１１ａの一端
が接続され、その蒸気出口側には、放熱部１２の入力側
が二相流体ループの蒸気路１１ｂを介して連結される。
放熱部１２は、例えば複数の放熱面１２ａが展開駆動部
１２ｂを介して折畳み展開自在に設けられ、この展開駆
動部１２ｂを介して放熱面が折畳み展開される。この放
熱部１２の凝縮液出口側には、混合器１３が凝縮液路１
１ｃを介して接続される。

【００１１】混合器１３は、図２に示すように第１及び
第２の管路１３ａ，１３ｂが同軸状に配設された二重管
構造部を有し、その第１の管路１３ａには、上記放熱部
１２の凝縮液出口側が凝縮液路１１ｃを介して接続され
る。他方、第２の管路１３ｂには、蒸気部１０の余剰液
出口側が余剰液路１１ｄを介して接続される。そして、
この二重間構造部の後段には、混合部１３ｃが設けられ
る。この混合部１３ｃの出口側には、アキュムレータ１
４及び循環ポンプ１５が順に接続され、入力した凝縮液
及び余剰液を混合してアキュムレータ１４を介して循環
ポンプ１５に出力する。そして、この循環ポンプ１５の
出力側には、上記液路１１ａの他端に接続される。循環
ポンプ１５は、混合器１３からの混合液（作動流体）を
二相流体ループの液路１１ａを介して上記蒸発部１０に
所定量（蒸発部１０に設置される図示しない発熱体の排
熱量相当以上の量）を供給する。

【００１２】アキュムレータ１４は、飽和蒸気層１４ａ
及び飽和液層１４ｂで構成され、図示しない制御部を介
して動作制御されて二相流体ループの内部圧力を調整
し、システムの熱制御温度を設定する。

【００１３】また、混合器１３の出口側には、第１の温
度検出センサ１３ｄが設けられ（図２参照）、この第１
の温度検出センサ１３ｄの出力端には、制御部１６の一
方の入力端が接続される。制御部１６は、その他方の入
力端に第２の温度検出センサ１４ｃの出力端が接続され
る。第２の温度検出センサ１４ｃは、上記アキュムレー
タ１４に配設され、該アキュムレータ１４の設定圧力に
対応する飽和温度を検出して制御部１６に出力する。

【００１４】制御部１６は、第１及び第２の温度検出セ
ンサ１３ｄ，１４ｃの検出値を比較して展開駆動信号を
生成し、展開駆動部１２ｂに出力する。展開駆動部１２
ｂは、展開駆動信号に基づいて混合器１３からの混合液
（作動流体）が所定の温度となるように放熱部１２の放
熱面１２ａの面積を可変設定する。

【００１５】上記構成により、蒸発部１０には、上記発
熱体（図示せず）の排熱量相当以上の量の作動流体が循
環ポンプ１５を介して供給される。作動流体は、蒸発部
１０の蒸発面に液膜を形成し、発熱体（図示せず）の発
熱を吸収して蒸発し、二相流体ループの蒸気路１１ｂを
通って放熱部１２に熱輸送される。放熱部１２は、作動
流体の蒸気を凝縮して、その放熱面１２ａより熱量を放
熱する。この放熱部１２からの凝縮液は、混合器１３の
第１の管路１３ａに導かれる。同時に、混合器１３の第
２の管路１ｂ３には、蒸発部１０に供給された作動流体
のうえ余剰液が導かれる。混合器１３は、その混合部１
３ｃで凝縮液及び余剰液を混合して、その混合液を二相
流体ループの液路に出力する。混合液は、循環ポンプ１
５に導かれて、該循環ポンプ１５を介して排熱量相当以
上の量の作動流体が蒸発部１０に移送循環される。

【００１６】同時に、第１及び第２の温度検出センサ１
３ｄ，１４ｃは、混合液温度及びアキュムレータ１４の
飽和温度を検出して、その検出信号をそれぞれ制御部１
６に出力する。制御部１６は、これら第１及び第２の温
度検出センサ１３ｄ，１４ｃの検出値を比較して、予め
設定される設定値に基づいて展開駆動信号を生成し、展
開駆動部１２ｂに出力する。展開駆動部１２ｂは、展開
駆動信号に基づいて混合器１３からの混合液（作動流
体）が所定の温度となるように放熱部１２の放熱面１２
ａの面積を可変設定する。例えば、混合液温度が上昇し
過ぎたと判定した場合には、放熱部１２の放熱面１２ａ
の面積を広く採り、凝縮液温度を低下させて、混合液温
度を所定の値に設定する。

【００１７】このように、上記二相流体ループ式排熱シ
ステムは、放熱面１２の面積が可変設定自在な放熱部１
２を二相流体ループに設けて、この放熱部１２の後段に
混合器１３を設け、混合器１３で蒸発部１０の余剰液と
放熱部１２からの凝縮液を混合して、この混合液の温度
とアキュムレータ１４の飽和温度とに基づいて放熱部１
２の放熱面１２ａの面積を制御するように構成した。

【００１８】これによれば、放熱部１２の放熱面１２ａ
の面積を可変設定するだけで、蒸発部１０に対して排熱
量相当以上の作動流体が安定して供給することが可能と
なり、発熱体（図示せず）からの安定した熱吸収が容易
に実現され、しかも、ポンプキャビテーションの防止が
確実に図れ、安定した高精度な熱制御が容易に実現され
る。

【００１９】なお、上記実施例では、放熱部１２とし
て、複数の放熱面１２ａを折畳み展開自在に形成して、
放熱面１２ａの面積を可変設定するように構成した場合
で説明したが、これに限ることなく、例えば複数の放熱
面を並設して、これらに対して作動流体流路を切替制御
することにより、放熱面面積を可変設定するように構成
することも可能である。

【００２０】また、上記実施では、アキュムレータ１４
の飽和温度を測定して二相流体ループの液路１１ａの作
動液温度を測定するように構成したが、これに限ること
なく、アキュムレータ１４の内部圧力を検出して、この
内部圧力に基づいて飽和温度を求めるように構成するこ
とも可能である。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。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、構成簡易にして、小形・軽量化の促進を図り得、且
つ高精度な熱制御を実現し得るようにした二相流体ルー
プ式排熱システム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
熱システムを示した図。

【図２】図１の混合器の詳細を示した図。

【符号の説明】

１０…蒸発部。 １１ａ…液路。 １１ｂ…蒸気路。 １１ｃ…凝縮液路。 １１ｄ…余剰液路。 １２…放熱部。 １２ａ…放熱面。 １２ｂ…展開駆動部。 １３…混合器。 １３ａ，１３ｂ…第１及び第２の管路。 １３ｃ…混合部。 １３ｄ，１４ｃ…第１及び第２の温度検出センサ。 １４…アキュムレータ。 １４ａ…飽和蒸気層。 １４ｂ…飽和液層。 １５…循環ポンプ。 １６…制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動流体が移送される液路と、気体が移
   送される蒸気路とで形成され、前記作動流体の相変化を
   利用して吸熱・熱輸送を行う二相流体ループと、 前記二相流体ループの液路と蒸気路との間に配設され、
   発熱体の熱量を前記作動流体を介して吸収する蒸発部
   と、 前記二相流体ループの蒸気路と液路との間に配設され、
   前記熱量を吸収した作動流体を凝縮して熱量を排熱する
   ものであって、放熱面が可変調整自在に設けられた放熱
   部と、 この放熱部の後段に配設され、前記二相流体ループの圧
   力を設定するアキュムレータと、 前記蒸発部に供給された作動流体の余剰液と前記放熱部
   で凝縮された凝縮液が導かれ、前記余剰液及び凝縮液を
   混合する混合手段と、 この混合手段で混合した混合液の温度を検出する温度検
   出手段と、 前記アキュムレータ内の温度と前記温度検出手段で検出
   した温度に基づいて前記放熱部の放熱面積を設定する制
   御手段とを具備した二相流体ループ式排熱システム。
2. 【請求項２】 前記アキュムレータの温度は、該アキュ
   ムレータ内の圧力に基づいて求めてなることを特徴とす
   る請求項１記載の二相流体ループ式排熱システム。