JPH0933180A - 二相流体ループ式排熱システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、高効率な熱制御を実現し得るよう
にして、信頼性の向上を図ることにある。 【解決手段】蒸発部１０〜１２の液入力側の二相流体ル
ープの液ろ１３ａに作動液流入量調整器１７〜１９を配
設し、且つ蒸発部１０〜１２の蒸気出力側の二相流体ル
ープの蒸気路１３ｂに流量抵抗調整器１７〜１９を配設
して、蒸発部１０〜１２で熱制御する発熱体１４〜１６
の制御温度に応じて、蒸発部１０〜１２からの蒸気が導
かれる蒸気路１３ｂの流量抵抗値を可変設定するように
構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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
に作動液を循環させて該作動液の相変化を利用して熱量
を輸送して熱制御する二相式の流体ル―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
作動液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
作動液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】そして、このような二相流体ループ式排熱
システムにおいては、通常、二相流体ループ内に複数の
蒸発部を並列的に配置して、この蒸発部に対して発熱体
をそれぞれ熱的に結合して配設し、各発熱体を各蒸発部
でそれぞれ熱制御するように構成される。

【０００５】上記各蒸発部における制御温度は、その作
動液の蒸発圧力により決定される。この蒸発部の蒸発圧
力は、各蒸気通路から蒸気の供給される蒸気路内の圧力
損失及び放熱部の凝縮圧力に左右される。そこで、この
蒸気路及び蒸発部からの余剰液の混合余剰液の圧力損失
としては、その最大熱負荷時において発熱体の最低要求
温度を満足するように設定される。

【０００６】しかしながら、上記二相流体ループ式排熱
システムでは、その多種類の発熱体を同時に全て可動し
ない場合、可動中の発熱体に対応する蒸発部に実際に要
求される温度要求を満足するのができなくなる恐れがあ
り、熱制御の信頼性が劣るという問題を有する。

【０００７】また、これによると、制御要求温度が複雑
な多数の発熱体をそれぞれ高精度に熱制御を行うことが
困難であるという問題を有する。係る問題は、特に、高
効率化と共に、高信頼性の要求が強い宇宙開発の分野に
おいて、重大である。

【０００８】

【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、熱制御の信頼
性が劣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、簡易な構成で、高効率な熱制御
を実現し得るようにして、信頼性の向上を図った二相流
体ループ式排熱システムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、作動液が移
送される液路と気体が移送される蒸気路とで形成され、
前記作動液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、この二相流体ループの液路及び蒸気路に
連通される液通路及び蒸気通路を有し、発熱体に対して
熱的に結合されて該発熱体の熱量を前記作動液を介して
吸収する蒸発部と、この蒸発部の蒸気通路に連通される
前記蒸気路の流動抵抗を設定する流動抵抗調整手段と、
前記蒸発部の蒸気通路からの蒸気が前記流動抵抗調整手
段を介して供給され、該蒸気を凝縮して熱量を排熱する
放熱部と、前記蒸発部に供給された作動液の余剰液と前
記放熱部で凝縮された凝縮液が導かれ、前記余剰液及び
凝縮液を混合して作動液を生成する混合手段と、この混
合手段で生成した作動液を移送する作動液移送手段と、
前記蒸発部の蒸気通路から出力される蒸気圧力と前記液
路の液圧力に基づいて前記作動液移送手段を介して前記
蒸発部に移送される前記作動液の流量を設定する液流量
調整手段と、前記流動抵抗調整手段を前記蒸発部に要求
される前記発熱体の熱制御量に応じて調整制御して流動
抵抗値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。

【００１０】上記構成によれば、制御手段は、発熱体の
可動の有無等により要求される制御温度に基づいて流動
抵抗調整手段を制御して、蒸気路の流動抵抗値を設定す
ることにより、蒸発部の蒸発温度を所定の値に設定す
る。これにより、蒸発部に対して作動液の流入量が調整
され、発熱体の発熱量に応じた安定した熱制御が可能と
なる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照して詳細に説明する。第１図はこの発
明の一実施の形態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１０〜１２、二相流体ループの液
路１３ａと蒸気路１３ｂとの間に並列に配設される。蒸
発部１０〜１２は、液通路１０ａ〜１２ａ及び蒸気通路
１０ｂ〜１２ｂが気液分離充填体１０ｃ〜１２ｃを介し
て組合わせ配設され、その外周部には、それぞれ被温度
制御用の発熱体１４〜１６が熱的に結合される。

【００１２】すなわち、蒸発部１０〜１２は、その液通
路１０ａ〜１２ａに二相流体ループの液路１３ａの一端
が接続され、その蒸気通路１０ｂ〜１２ｂには、二相流
体ループの蒸気路１３ｂが連結される。そして、二相流
体ループの蒸気路１３ｂには、３個の流動抵抗調整器１
７〜１９が蒸発部１４〜１６に対応して配設され、この
流動抵抗調整器１７〜１９の各出口側は、蒸気集合管２
０に接続される。蒸気集合管２０は、例えば全ての発熱
体１４〜１６が最大発熱状態においても蒸発部１０〜１
２の蒸発温度の最低の要求値を確保できるように圧力損
失が設定され、その出口側には、放熱部２１が接続され
る。この放熱部２１の出口側には、混合管２２の一方の
入力端が液路１３ｃ接続される。この混合管２２の他方
の入力端には、上記蒸発部１０〜１２の余剰液出口が余
剰液路１３ｄを介して連結される。この混合管２２は、
その出口側に移送ポンプ２３の入力側が接続される。

【００１３】上記放熱部２１は、例えば複数の放熱面２
１ａが折り畳み展開自在に設けられ、この放熱面２１ａ
が図示しない制御信号に応動して選択的に折り畳み展開
されて放熱面積が可変調整可能に構成される。

【００１４】また、上記蒸発路１３ｂには、それぞれ作
動液流入量調整器２４〜２６の蒸気入力部が連結され
る。この作動液流入量調整器２４〜２６は、それぞれ蒸
発部１０〜１２に対応して配設され、その作動液入力部
には、上記移送ポンプ２３の出力側が液路１３ａを介し
て連結される。アキュムレータ２７は、ポンプ２３の液
入路側に連結される。このアキュムレータ２７は、設定
圧力に応じて液路１３ａの圧力を設定する。移送ポンプ
２３は、作動液流入量調整器２４〜２６に送込む作動液
の送り量を設定する。

【００１５】作動液流入量調整器２４〜２６の作動液出
力部は、移送ポンプ２３から供給された作動液を蒸発部
１０〜１２の後段の蒸気路１３ｂの蒸気圧力に応じて液
通路に供給する。

【００１６】上記流量抵抗調整器１７〜１９は、その制
御信号入力端に制御部２８が接続される。この制御部２
８は、例えば発熱体１４〜１６の可動の有無や、発熱量
及び制御温度等に応じた各蒸発部１０〜１２に対応する
蒸気路１３ｂの流量抵抗値を求めて、該流量抵抗値に応
じた制御信号を生成して流量抵抗調整器１７〜１９に出
力する。流量抵抗調整器１７〜１９は、入力した制御信
号に基づいて蒸気路１３ｂの流量抵抗値をそれぞれ設定
する。

【００１７】上記構成により、先ず、発熱体１４〜１６
に要求される制御温度に応じてアキュムレータ２７及び
作動液流入量調整器２４〜２６が所定の状態に設定さ
れ、各蒸発部１０〜１２に対する作動液供給量が設定さ
れると共に、放熱部２１の放熱面２１ａの面積が設定さ
れる。同時に、制御部２８には、各発熱体１４〜１６の
制御温度情報が入力され、この制御温度情報に応じた抵
抗値を求めて制御信号を生成して流量抵抗調整器１７〜
１９に出力する。すると、流量抵抗調整器１７〜１９
は、制御信号に応じて各蒸気路１３ｂの抵抗値を所定値
に設定する。ここで、移送ポンプ２３が駆動されて、作
動液が液路１３ａに送込まれて蒸発部１０〜１２の液通
路１０ａ〜１２ａに供給され、発熱体１４〜１６が可動
される。すると、蒸発部１０〜１２は、発熱体１４〜１
６の熱量を吸収して、その作動液が蒸発され、その蒸気
通路１０ｂ〜１２ｂを介して蒸気路１３ｂに導かれる。
この際、蒸発部１０〜１２の蒸気通路１０ａ〜１２ａと
液通路１０ｂ〜１２ｂの圧力差がほとんどない状態とな
り、蒸発部１０〜１２には、発熱体１４〜１６の排熱量
相当以上の量の作動液が移送ポンプ２３、アキュムレー
タ２７及び作動液流入量調整器２４〜２５を介して作動
液が供給される。

【００１８】蒸発部１０〜１２は、その作動液が発熱体
１４〜１６の熱量を吸収して蒸発され、その蒸気が二相
流体ループの蒸気路１３ｂ、流量抵抗調整器１７〜１９
を経由して蒸気集合管２０に導かれた後、放熱部２１に
熱輸送される。放熱部２１は、導かれた蒸気を凝縮し
て、その放熱面２１ａより熱量を放熱し、その凝縮液を
液路１３ｃを介して混合管２２に出力する。同時に、混
合管２２には、蒸発部１０〜１２に供給された作動液の
余剰液が余剰液路１３ｄを介して導かれる。混合器２２
は、供給された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１３ａに出力する。混合液
は、移送ポンプ２３に導かれて、該移送ポンプ２３、ア
キュムレータ２７を介して各作動液流入量調整器２４〜
２６に導かれる。作動液流入量調整器２４〜２６は、入
力した混合液を蒸気路１３ｂからの蒸気量に応じた排熱
量相当量だけ蒸発部１０〜１２の液通路１０ａ〜１２ａ
に移送供給する。

【００１９】この熱制御状態において、例えば発熱体１
４〜１６のうちの一つ発熱体１４の可動が停止される
と、それに応じた新たな制御温度情報が制御部２８に入
力される。すると、制御部２８は、この制御温度情報に
応じた制御信号を生成して、該発熱体１４に対応する流
量抵抗調整器１７に出力する。ここで、流量抵抗調整器
１７は、制御信号に基づいて蒸気路１３ｂの抵抗値を、
例えば小さする如く設定し、その蒸発部１０からの蒸気
流出量を発熱体１４の可動停止状態に応じた排熱量に設
定する。この際、他の流量抵抗調整器１８，１９は、初
期状態が保たれ、上述した発熱体１５，１６の熱制御が
続行される。これにより、蒸気集合管２０は、その蒸気
流量が一定状態に保たれ、他の蒸発部１１，１２の熱制
御能力が所望の状態に保たれ、安定した熱制御が実行さ
れる。

【００２０】このように、上記二相流体ループ式排熱シ
ステムは、蒸発部１０〜１２の液入力側の二相流体ルー
プの液路１３ａに作動液流入量調整器１７〜１９を配設
し、且つ蒸発部１０〜１２の蒸気出力側の二相流体ルー
プの蒸気路１３ｂに流量抵抗調整器１７〜１９を配設し
て、蒸発部１０〜１２で熱制御する発熱体１４〜１６の
制御温度に応じて、蒸発部１０〜１２からの蒸気が導か
れる蒸気路１３ｂの流量抵抗値を可変設定するように構
成した。

【００２１】これによれば、蒸発部１０〜１２に連通さ
れる蒸気集合管２０の圧力損失として、全ての発熱体１
４〜１６が最大発熱状態において、各蒸発部１０〜１２
の蒸発温度の最低の要求値を確保したうえで、発熱体１
４〜１６の一つの可動が停止された状態においても、他
の発熱体１５，１６に対応される蒸発部１１，１２の熱
制御能力を最大に保つことができ、安定した高精度な熱
制御の続行が実現され、熱制御の高効率化が実現され
る。

【００２２】なお、上記実施の形態では、放熱部２１と
して、複数の放熱面２１ａを折畳み展開自在に形成し
て、放熱面２１ａの面積を可変設定する構成のものを用
いて場合で説明したが、これに限ることなく、放熱面積
を可変できないタイプのものを用いて構成することも可
能である。

【００２３】また、上記実施の形態では、二相流体ルー
プの液路１３ａと蒸発路１３ｂとの間に３個の蒸発部１
０〜１２を並列に配置して構成した場合で説明したが、
この数に限ることなく、構成可能である。よって、この
発明は上記実施の形態に限ることなく、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。

【００２４】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、簡易な構成で、高効率な熱制御を実現し得るように
して、信頼性の向上を図っ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】この発明の一実施の形態に係る二相流体ループ
式排熱システムを示した図。

【符号の説明】

１０〜１２…蒸発部。 １３ａ，１３ｃ…液路。 １３ｂ…蒸気路。 １３ｄ…余剰液路。 １４〜１６…発熱体。 １７〜１９…流動抵抗調整器。 ２０…蒸気集合管。 ２１…放熱部。 ２１ａ…放熱面。 ２２…混合管。 ２３…移送ポンプ。 ２４〜２６…作動液流量調整器。 ２７…アキュムレータ。 ２８…制御部。 １４ｂ…飽和液層。 １５…循環ポンプ。 １６…制御部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動液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、前記作動液の相変化を利用
   して吸熱・熱輸送を行う二相流体ループと、 この二相流体ループの液路及び蒸気路に連通される液通
   路及び蒸気通路を有し、発熱体に対して熱的に結合され
   て該発熱体の熱量を前記作動液を介して吸収する蒸発部
   と、 この蒸発部の蒸気通路に連通される前記蒸気路の流動抵
   抗を設定する流動抵抗調整手段と、 前記蒸発部の蒸気通路からの蒸気が前記流動抵抗調整手
   段を介して供給され、該蒸気を凝縮して熱量を排熱する
   放熱部と、 前記蒸発部に供給された作動液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
   合して作動液を生成する混合手段と、 この混合手段で生成した作動液を移送する作動液移送手
   段と、 前記蒸発部の蒸気通路から出力される蒸気圧力と前記液
   路の液圧力に基づいて前記作動液移送手段を介して前記
   蒸発部に移送される前記作動液の流量を設定する液流量
   調整手段と、 前記流動抵抗調整手段を前記蒸発部に要求される前記発
   熱体の熱制御量に応じて調整制御して流動抵抗値を設定
   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】 前記蒸発部は、複数個が並列に配設さ
   れ、独立に流動抵抗調整手段が設けられることを特徴と
   する請求項１記載の二相流体ループ式排熱システム。
3. 【請求項３】 前記放熱部は、放熱面積が可変設定自在
   に設けられることを特徴とする請求項１又は２記載の二
   相流体ループ式排熱システム。