JP3653016B2

JP3653016B2 - 熱制御装置及び熱制御方法

Info

Publication number: JP3653016B2
Application number: JP2001203528A
Authority: JP
Inventors: 一郎間瀬; 靖之中村; 祐一島川; 眞由美小坂; 佳実久保; 篤越智; 透森
Original assignee: NEC Space Technologies Ltd; NEC Aerospace Systems Ltd
Current assignee: NEC Space Technologies Ltd; NEC Aerospace Systems Ltd
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: JP2002120799A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱制御方法及びその装置に関するものであり、特に、詳しくは、人工衛星及び宇宙船等の宇宙航行機に搭載される電子機器等の発熱の対象となる対象物の熱制御に好適な熱制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、真空環境を航行する宇宙機では、外表面からの宇宙空間への熱放射が外部環境への放熱手段となり、熱放射量が宇宙機の温度を支配する。
【０００３】
その為、従来より、宇宙機等の内部の発熱量の大幅な変動に対し、温度を適正な範囲に保ったり、当該温度の急激な増大或いは低下を防止する方法として、多くの技術が開発されて来ている。
【０００４】
例えば、当該電子機器とは別に温度制御回路を設けるか、特開平１１−２１７５６２号の図６に示されている様なサーマルルーバ方式を使用するものが知られている。
【０００５】
然しながら、別途に温度制御回路を設ける事は、エネルギーの消費を増大すると同時に宇宙航行体の質量を増し、又内部容量も大きくならざるを得ないと共に、機械的な可動部分が存在する為に上記の問題に加えて信頼性が低く且つ寿命が短いと言う問題を有していた。
【０００６】
一方、特許第２７０５６５７号公報には、相転移物質を、人工衛星内の安定した熱供給源と熱変動の大きい放熱面を持った衛星搭載部品との間に設け、当該相転移物質が高温の時には、熱伝導率が小さくなり、低温時には熱伝導率が大きくなる様に設定して温度制御を行う方法が示されているが、後述する本発明の構成とは低温相と高温相との熱伝導率は逆の構成を有しており、効率的な温度制御は不可能である。
【０００７】
又、特許第２５８８６３３号公報には、相変化物質を封入した容器と当該容器に密着したヒートパイプと当該容器の外面に密着した電気ヒータとから構成されている宇宙航行体の電子機器の温度制御装置が開示されているが、ヒータを別に必要とする他装置全体が大きくなり重量も増加する為、宇宙航行体には不向きの装置である。
【０００８】
更には、特許第２６２５８２１号公報には、高温相では赤外輻射率が低く、低温相では赤外輻射率が高い相転移物質を温度制御が必要な搭載機器とヒートシンクとの間に配置した人工衛星の熱制御装置が開示されているが、後述する本発明の構成とは低温相と高温相との赤外輻射率は逆の構成を有しており、効率的な温度制御は不可能である。
【０００９】
又、特開昭６３−２０７７９９号公報には、二酸化バナジウムからなる相変化物質を単独で搭載機器とヒートシンクとの間に配置した構成が示されているが、後述する本発明の相変化物質とは異なる相変化物質であって、且つその使用方法も異なっており、効率的な温度制御は不可能である。
【００１０】
尚、特開平１１−２１７５６２号には、図２に示されている様に、当該熱制御装置として、機械的な原理に依らず、単にペロブスカイトＭｎ酸化物等からなる相変化物質の熱放射特性を利用して温度を制御する装置が提案されている。
【００１１】
つまり、当該相変化物質１を熱制御が必要な電子機器類である対象物３の放熱面５に直接貼着する例が示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、当該公知例に於いて使用される相変化物質は、ペロブスカイトＭｎ酸化物等の一種で、高温相では熱放射率が高く、低温相では熱放射率が低い。上記した公知の相変化物質を用いた熱制御装置では、高温相に於いて相変化物質単体で高放射率を得る必要があるため、厚さ数百μｍを要していた。
【００１３】
ペロブスカイトＭｎ酸化物を相変化物質として用いた場合は、同物質の密度が６．６ｇ／ｃｍ³ と高いため、例えば厚さ２００μｍでは約１．３ｋｇ／ｍ² もの質量を要す欠点があった。
【００１４】
然かも、当該相変化物質は、セラミック状で固く、従って、薄く且つ柔軟性を持った相変化物質を得る事は不可能で有った。
【００１５】
係る相変化物質は、同様な機能を有しブレードをバイメタル等で開閉するサーマルルーバに比べて１／３〜１／５の質量であるが、それでも質量制約が厳しい宇宙機にとっては、さらなる質量軽減が必要である。
【００１６】
また、相変化物質は固体でありフレキシビリティを持たないため、曲率を持つ対象物への取付が困難で、適用範囲が限定されてしまう欠点があった。
【００１７】
宇宙機器の形状は曲面もあり、これらに貼り付けることが出来れば、さらに適用の自由度とその範囲は拡大するが、上記した従来の相変化物質をそのまま一層で使用する場合限り実用性のある熱制御装置を構成する事は困難で有った。
【００１８】
【発明の目的】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を改良し、従来と同等の放射率特性を有する熱制御装置を従来に比べ軽量化し、高性能化した熱制御装置及び熱制御方法を提供するものであり、更には、従来数百μｍ以上必要であった相変化物質を、低密度の基材物質上に数μｍ程度の膜状に形成し、従来と同等の放射率特性を有する熱制御装置を提供すると共に柔軟性を持たせて曲率を持つ対象物への適用も可能な熱制御装置及び熱制御方法を提供するものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した目的を達成するため、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。即ち、本発明に係る第１の態様としては、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する厚みが数１０μｍ以下である相変化物質に、当該相変化物質の厚みよりも大なる厚みを有する高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせて構成された複合材料により、対象物の温度を制御する様に構成され熱制御装置であり、又、本発明に係る第２の態様としては、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する厚みが数１０μｍ以下である相変化物質に、当該相変化物質の厚みよりも大なる厚みを有する高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせて構成された複合材料を対象物に直接に或いは間接的に取り付ける事によって、当該対象物の温度を制御する様に構成された熱制御方法である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る当該熱制御装置及び熱制御方法は、上記した様な技術構成を採用しているので、従来の相変化物質を用いた熱制御装置と同等の特性が得られると共に、さらに軽量化する事が可能な熱制御装置を提供するものである。
【００２１】
より具体的には、本発明に於いては、高温相では絶縁体性質で、低温相では金属的性質を有する厚さ数μｍ乃至３０μｍ程度の相変化物質１を、厚さ数１０〜１００μｍのシリコン、アルミナや安定化ジルコニア等の放射率が高く低密度で充分な強度と靭性を有する基材物質へ厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等で形成し、係る複合材料を、熱制御が必要な電子機器である、対象物に熱的に強く結合させ取り付ける様にして簡単に熱制御装置を構成するものである。
【００２２】
また、基材物質に柔軟性のある箔やフィルムを使用することにより、電気機器の曲面への適用が可能な熱制御装置が実現され、当該熱制御装置の適用範囲が拡大され、自由度が増加する。
【００２３】
【実施例】
以下に、本発明に係る熱制御装置及び熱制御方法の構成の具体例の構成を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
即ち、図１は、本発明に係る当該熱制御装置１０の一具体例の構成を示す図であって、図中、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する相変化物質１に、高温相で熱放射量が大である基材物質２を組み合わせて構成された複合材料４により、対象物３の温度を制御することを特徴とする熱制御装置１０が示されている。
【００２５】
本発明に於いて使用される当該相変化物質１は、１乃至３０μｍ程度の厚さを有している事が好ましい。
【００２６】
又、本発明に於いて使用される当該基材物質２は、当該相変化物質１よりも大なる厚みを有しているものであって、好ましくは１０乃至１００μｍ、より好ましくは３０乃至５０μｍである。
【００２７】
本発明に於いて、当該相変化物質１と当該基材物質２とを積層する方法としては、例えば、１乃至数μｍ厚の相変化物質１を当該基材物質２の表面に、粉末状にして塗布する塗布方法、ペースト状にしたものを印刷焼成する厚膜焼き付け法、又は蒸着方法等により積層形成する事が可能であり、さらに当該基材物質２は温度を制御する対象物３の表面に熱的に強く結合させて取り付ける。
【００２８】
一方、本発明に於いて使用される当該相変化物質１は、ペロブスカイト酸化物である事が望ましく、例えば、ペロブスカイトＭｎ酸化物である。
【００２９】
つまり、本発明に於いて使用可能なペロブスカイト酸化物は、Ａ_1-x Ｂ_x ＭｎＯ ₃で表されるＭｎを含んだペロブスカイト酸化物（ＡはＬａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍの希土類イオンの中の少なくとも一つ、ＢはＣａ，Ｓｒ，Ｂａのアルカリ土類金属イオンの中の少なくとも一つ）である。
【００３０】
又、本発明に於いては、他の相変化物質としては、例えば、（Ｖ_1-x Ｃｒ_x ）₂ Ｏ ₃で示されるＣｒを含んだコランダムバナジウム酸化物を使用する事も可能である。
【００３１】
一方、本発明に於いて使用される当該基材物質２は、シリコン、アルミナ、あるいは安定化ジルコニア等を使用する事が可能であり、又当該基材物質２は可撓性を有するものである事が望ましく、フィルム状、膜状、で任意の方向に湾曲させたり、屈曲させる事が可能な構成を有している事が望ましい。
【００３２】
又、本発明に於いては、当該複合材料４を発熱体である対象物３の表面５に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼着するものであって、当該貼着に当たっては、適宜の接着材を介して、当該対象物と熱的に結合されている事が好ましい。
【００３３】
更に、本発明に於ける当該対象物３は、上記した宇宙航行体の平面状部分のみでなく、球状、湾曲状、凹凸状等を含む有らゆる非平面状部分を有しているもので有っても良く、本発明に係る当該熱制御装置１０は、上記した如何なる当該対象物３の表面に貼着させる事が可能である。
【００３４】
尚、本発明に於ける当該対象物３は、人工衛星、宇宙船、等を含む、宇宙航行体に使用される電気、電子回路を含んでいるものである。
【００３５】
本発明に係る当該熱制御装置１０のより詳細な構成を動作を含めて以下に説明する。
【００３６】
即ち、本発明に於ける当該熱制御装置１０に於いては、その作用、動作に関しては、基本的に、物質は電子と格子の挙動でその光学特性を理解することができ、物質を良導体とすると、その物質の反射率及び誘電率は、光の振動数と物質固有のプラズマ振動数として表すことが出来る。
【００３７】
この関係から、金属的となる低温相での熱赤外域に於ける光の反射に必要な相変化物質の厚さは、その表面に入射する電磁波の波長よりも遙かに短くて良いことになり、波長１０μｍオーダーの熱赤外域に対して、相変化物質の厚さが１μｍ以上であれば十分高い反射率及び低い放射率が得られる。
【００３８】
一方、物質が絶縁体の場合は、入射する電磁波の波長より厚くなければ、十分な吸収率及び放射率が得られない。
【００３９】
以上の相変化物質１の有する特徴から、対象物３が低温の場合には、対象物３に熱結合した相変化物質１の熱放射量は小さく、従って、対象物３から外部環境への放熱量を少なくすることができ、対象物３の温度低下を抑えることができる。
【００４０】
一方、対象物３が高温の場合には、熱結合している相変化物質１は絶縁体的となる。数μｍ厚の相変化物質１は数１０μｍの熱赤外光に対して十分に高い放射率を提供することはできないが、その下層の放射率の高い基材物質２からの熱放射が相変化物質１を透過するため、相変化物質１の表面からの放熱量は大きくなる。
【００４１】
これにより対象物３から外部環境への放熱量を多くすることができ、対象物３の温度上昇を抑えることができる。
【００４２】
次に、本発明の熱制御装置１０に於いて、対象物３の温度が低下すると、対象物３と熱結合している基材物質２の温度も低下するため、その上に塗布又は蒸着等で形成された相変化物質１の温度が低下する。
当該相変化物質１がその相転移温度以下になると放射率が低下し、外部環境への放熱量が低下する。
【００４３】
このため、対象物３の温度低下を抑えることが出来る。
【００４４】
一方、対象物３の温度が上昇すると、対象物３と熱結合している基材物質２、及び相変化物質１の温度は上昇する。
【００４５】
相変化物質１はその厚さが薄いため十分な熱放射を行うことが出来ないが、高放射率を持つ下地の基材物質２からの熱放射が相変化物質１を透過するため、両者を合わせた大きな熱放射が得られる。
このため、外部環境への放熱量は増加し、対象物３の温度上昇を抑えることが出来る。
【００４６】
次に、本発明に係る当該熱制御装置１０の他の具体例に付いて図３を参照して説明するならば、本具体例に於いては、当該基材物質２として可撓性を有するものを得に使用するものであって、数μｍ乃至３０μｍ厚の相変化物質１を、数μｍ〜１００μｍ厚のフレキシブルな基材物質２に厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等により取り付けられ、さらに基材物質２は温度を制御する曲面形状を有する対象物３の表面に熱的に強く結合させて取り付けるものである。
【００４７】
当該可撓性を有する基材物質２としては、シリコン、アルミナ、安定化ジルコニア等が使用可能である。
【００４８】
一方、本構成による熱制御装置に於いて、対象物３の温度が低下すると、対象物３と熱結合している基材物質２の温度も低下するため、その上に厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等で形成された相変化物質１の温度が低下する。
【００４９】
相変化物質１がその相転移温度以下になると放射率が低下し、外部環境への放熱量が低下する。
【００５０】
このため、対象物３の温度低下を抑えることが出来る。
一方、対象物３の温度が上昇すると、対象物３と熱結合している基材物質２、及び相変化物質１の温度は上昇する。
【００５１】
相変化物質１はその厚さが薄いため十分な熱放射を行うことが出来ないが、高放射率を持つ下地の基材物質２からの熱放射が相変化物質１を透過するため、両者を合わせた大きな熱放射が得られる。
このため、外部環境への放熱量は増加し、対象物３の温度上昇を抑えることが出来る。
【００５２】
次に、本発明に係る当該熱制御装置１０の更に他の具体例に付いて説明するならば、当該具体例に於いては、当該相変化物質１の当該基材物質２が積層されている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を有する反射板６を積層させた複合材料７を使用するものである。
【００５３】
即ち、本具体例に係る当該熱制御装置１０は、図４に示す様に、数μｍ厚の相変化物質１を３０乃至５０μｍ厚の基材物質２に厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等により取り付けられ、さらに基材物質２は温度を制御する対象物３の表面に熱的に強く結合させて取り付ける。
図５は、たてよこ各５０ｍｍ、厚さ５０μｍのイットリア安定化ジルコニア基板に厚膜焼き付け法により形成した厚さ１０μｍのＬａ_0.8Ｓｒ_0.075Ｃａ_0.125ＭｎＯ₃組成の厚膜の放射率温度依存性データを示すグラフであり、１７０Ｋ〜３８０Ｋの温度範囲で測定した全半球放射率である。転移温度である２４０Ｋ以下で急激な放射率の変化があり、低温域で金属的、高温域で絶縁体的な特徴を示している。
【００５４】
さらに、相変化物質１上に赤外光を透過させ、可視光を反射する性質を有する太陽光反射板６を配置している。
当該相変化物質１の太陽光波長領域（０．３μｍ〜２．５μｍ）の反射率は０．２前後と低く、太陽光に対する吸収率が高い。
【００５５】
従って、相変化物質１を直接太陽光が入射する場所に配置すると装置１０自体の熱吸収量が多くなり、放熱にとって不利となる。これを解決するため、図４に示すように、上記性質を有する太陽光反射板６を配置することで可視光に於ける熱吸収量を低減している。
【００５６】
太陽光を反射すること以外は、太陽光反射板６は熱赤外光に対して透明なため、装置の基本的な動作原理は第１の具体例と同じである。
【００５７】
次に、本発明に係る熱制御方法について説明するならば、上記した本発明に係る当該熱制御装置１０の動作の説明から明らかな様に、本発明に係る当該熱制御方法は、基本的には、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する相変化物質１に、高温相で熱放射量が大である基材物質２を組み合わせて構成された複合材料４を対象物３に直接に或いは間接的に取り付ける事によって、当該対象物３の温度を制御する様に構成された宇宙航行体に於ける電子機器類の様な発熱する対象物の熱制御方法である。
【００５８】
本発明に係る当該熱制御方法に於いては、当該基材物質２は、当該相変化物質１よりも大なる厚みを有している事が望ましい。
【００５９】
又本発明に於ける当該相変化物質１は、ペロブスカイト酸化物である事が好ましく、例えば、ペロブスカイトＭｎ酸化物である事も好ましい。
【００６０】
更に、本発明に係る当該熱制御方法に於いては、当該基材物質２は可撓性を有するものである事も好ましい。
【００６１】
一方、前記したと同様に、本発明に係る当該熱制御方法に於いては、当該相変化物質１の当該基材物質２が積層されている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を有する太陽光反射板６を積層させた複合材料７を使用する事も望ましい。
【００６２】
又、当該複合材料４又は７を発熱体である対象物の表面に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼着するものである。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る当該熱制御方法及び熱制御装置は、上記した様な技術構成を採用しているので、第１の効果は、高密度な相変化物質を数μｍにまで薄くすることが出来るため、軽量化できることである。
従来の相変化物質は単体で低温相及び高温相の熱放射の特性を得るために厚さ数百μｍで有ったのに対して、本発明では厚さ数μｍの相変化物質と低密度で放射率の高い基材物質との組み合わせで達成できるため、相変化物質の軽量化、及び軽量な基材物質により、装置全体を軽量化することが出来る。
【００６４】
第２の効果は、柔軟な基材物質との組み合わせにより、取扱性及び貼付自由度が向上するため、使用用途範囲が拡大することである。
【００６５】
その理由は、前述のように従来の相変化物質の厚さは数百μｍであったため、柔軟性に乏しく貼り付ける際の対象物表面の平面性が要求される。これに対して本発明は、貼付対象物が円筒形等の形状で有ったとしても柔軟な基材物質を適用することにより貼り付けることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る熱制御装置の一具体的の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、従来の熱制御装置の構成の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る熱制御装置の他の具体的の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明に係る熱制御装置の更に他の具体的の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、厚膜焼き付け法により形成した厚さ１０μｍのＬａ_0.8Ｓｒ_0.075Ｃａ_0.125ＭｎＯ₃組成の厚膜の放射率温度依存性データを示すグラフである。
【符号の説明】
１…相変化物質
２…基材物質
３…対象物
４…複合材料
５…対象物の表面
６…太陽光反射板
７…複合材料
１０…熱制御装置

Claims

高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する厚みが数１０μｍ以下である相変化物質に、当該相変化物質の厚みよりも大なる厚みを有する高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせて構成された複合材料により、対象物の温度を制御することを特徴とする熱制御装置。
当該相変化物質は、ペロブスカイト酸化物である事を特徴とする請求項１に記載の熱制御装置。
当該相変化物質は、ペロブスカイトＭｎ酸化物である事を特徴とする請求項２に記載の熱制御装置。
当該基材物質は、１０乃至１００μｍの厚さを有している事を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の熱制御装置。
当該基材物質は、シリコン、アルミナ、安定化ジルコニアまたはその他の可撓性を有するものである事を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱制御装置。
当該相変化物質の当該基材物質が積層されている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を有する反射板または反射膜等を積層させた事を特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の熱制御装置。
当該複合材料を発熱体である対象物の表面に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼着してある事を特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の熱制御装置。
当該複合材料は、適宜の接着材を介して、当該対象物と熱的に結合されている事を特徴とする請求項７記載の熱制御装置。
当該対象物は、非平面状部分を有している事を特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の熱制御装置。
当該対象物は、人工衛星、宇宙船、等を含む、宇宙航行体に使用される電気、電子回路を含んでいる事を特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の熱制御装置。
高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有するを有する厚みが数１０μｍ以下である相変化物質に、当該相変化物質の厚みよりも大なる厚みを有する高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせて構成された複合材料を対象物に直接に或いは間接的に取り付ける事によって、当該対象物の温度を制御する事を特徴とする熱制御方法。
当該相変化物質は、ペロブスカイト酸化物である事を特徴とする請求項１１に記載の熱制御方法。
当該相変化物質は、ペロブスカイトＭｎ酸化物である事を特徴とする請求項１２に記載の熱制御方法。
当該基材物質は、シリコン、アルミナ、安定化ジルコニアまたはその他の可撓性を有するものである事を特徴とする請求項１１乃至１３の何れかに記載の熱制御方法。
当該相変化物質の当該基材物質が積層されている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を有する反射板または反射膜を積層させる事を特徴とする請求項１１乃至１４の何れかに記載の熱制御方法。
当該複合材料を発熱体である対象物の表面に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼着する事を特徴とする請求項１１乃至１５の何れかに記載の熱制御方法。
当該対象物は、人工衛星、宇宙船、等を含む、宇宙航行体に使用される電気、電子回路を含んでいる事を特徴とする請求項１１乃至１６の何れかに記載の熱制御方法。