(57)【要約】【課題】特に人工衛星の構体又は人工衛星に搭載された機器の温度制御に利用される蓄熱材の提供。体積変化を伴わず且つ蓄熱特性の設計が容易である蓄熱材の提供。【解決手段】本発明に係る蓄熱材は、人工衛星の構体又は人工衛星に搭載された機器の温度制御に利用されるものである。この蓄熱材は、トランス−１，４−ポリブタジエンを主成分とする。また、この蓄熱材は、カーボン粉が混合されている。カーボン粉の混合割合は、３０重量％以下である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星の構体又は人工衛星に搭載された機器の温度制御に利用される蓄熱材であって、
トランス−１，４−ポリブタジエン及びカーボン粉を含み、当該カーボン粉の混合割合は３０重量％以下である蓄熱材。
【請求項２】
上記カーボン粉の混合割合は、５重量％以下である請求項１に記載の蓄熱材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蓄熱材、特に人工衛星に搭載された機器の温度制御に利用される蓄熱材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、人工衛星の動力源は電力であるが、その電力は太陽光あるいは太陽熱から得られる。すなわち、人工衛星は太陽電池パドルを搭載しており、この太陽電池パドルの姿勢は、太陽と対向するように制御される場合が多い。このため、宇宙機の太陽と対向する面の温度は約２００℃（摂氏）にも達することもあり、他方、太陽と対向しない面の温度は約−１００℃もの低温となることもある。人工衛星は、このような温度環境においても正常に稼働しなければならず、たとえば、太陽電池パドルから得られた電力はバッテリーに蓄積され、それが正常に機能するためには、バッテリー自体の温度が好ましくは５℃〜３５℃の範囲となるように管理されるのが好ましい。
【０００３】
一般に、質量が５００ｋｇ以下の衛星は小型衛星、１００ｋｇ以下の衛星は超小型衛星と呼ばれる。小型衛星や超小型衛星は、大型衛星と比較して熱容量が小さいので、その温度は宇宙空間の熱環境の変化に強く影響される。
【０００４】
このような小型ないし超小型の人工衛星や人工衛星に搭載された機器の温度制御は困難であり、別途温度調整装置が当該人工衛星に搭載される必要がある。しかし、そのような装置が別途搭載されることにより、人工衛星は大型化され、製造コストのほか打ち上げや運用にかかるコストが増大する。
【０００５】
熱拡散率は、熱伝導率を比熱と密度を乗じたもので除したものである。一般に、小型ないしは超小型の人工衛星の温度変動を小さくするためには、材料の熱伝導率が小さく、密度と比熱が大きいこと、すなわち熱拡散率が小さいことが望ましい。
【０００６】
小型ないし超小型の人工衛星やそのような人工衛星に搭載された機器の温度を制御するために、従来から蓄熱材が利用されている（たとえば、非特許文献１参照）。従来の蓄熱材は、主としてパラフィン系蓄熱材であり、物質の融解潜熱を利用して吸熱又は放熱が実現される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】長鎖アルカンチオールの固相転移、Polymer Preprints,Japan Vol.49,No3,pp440
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、パラフィン系蓄熱材は、一般的に物質の融解現象すなわち体積変化を伴うものであるから、その取り扱いに体積変化を考慮した設計が必要であった。また、物質の融解温度は当該物質の固有の物性であることから、吸熱又は放熱温度を意図的に変化させるには（蓄熱特性を変化させるには）、物質そのものを変更しなければならないという問題もあった。
【０００９】
本発明はかかる背景のもとになされたものであって、その目的は、体積変化を伴わず且つ蓄熱特性の設計が容易である蓄熱材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る蓄熱材は、人工衛星の構体又は人工衛星に搭載された機器の温度制御に利用される蓄熱材であって、トランス−１，４−ポリブタジエン及びカーボン粉を含み、当該カーボン粉の混合割合は３０重量％以下である。このカーボン粉の混合割合は、５重量％以下であるのが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、カーボン粉の混合割合を変化させることにより、一定の温度領域おいて簡単に蓄熱材の比熱すなわち熱拡散率が制御される。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、蓄熱材の比熱すなわち熱拡散率が制御されることによってある一定の温度領域において顕著な吸熱効果が発揮され、当該温度領域における最適な蓄熱材が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る蓄熱材Ａの示差熱曲線を示す図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る蓄熱材Ｂの示差熱曲線を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る蓄熱材Ｃの示差熱曲線を示す図である。
【図４】図４は、試料蓄熱材の結晶転移エンタルピ−変化ΔＨを示す表である。
【図５】図５は、カーボン粉の混合割合と結晶転移エンタルピ−変化ΔＨとの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、蓄熱材の成形時における温度変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明される。
【００１５】
本実施形態に係る蓄熱材は、トランス−１，４−ポリブタジエンを主成分とし、これにカーボン粉（典型的には粒径２８ｎｍ）が混合されている。なお、トランス−１，４−ポリブタジエンに、有機系核剤、無機系核剤、または高融点ポリマ−核剤などの結晶核剤が０．０１〜６重量％添加されることによって結晶化度、転移潜熱が高められる。
【００１６】
上記主成分とカーボン粉とを混合する方法としては、溶融混練法、溶液ブレンドなどの各種の方法を用いることができる。たとえば、押出機で溶融混練後、Ｔ−ダイ、サーキュラーダイ等を通して所定の形状に押し出す方法が挙げられる。なお、酸化ケイ素、タルク、炭酸カルシウム、アルミナ、カオリン、酸化チタン、硫酸バリウム等の公知の粒子、金属繊維、金属メッキ繊維、グラファイト、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム等白色化材、隠蔽材、色材などが添加されてもよい。また、酸化防止剤、紫外線吸収剤、難燃化剤、易滑剤などの各種の添加剤が配合されてもよい。
【００１７】
トランス−１，４−ポリブタジエンは、公知の重合方法によって製造され得る。触媒として、バナジウムトリアセチルアセトナ−ト、三塩化バナジウムＴＨＦ錯体、オキシ三塩化バナジウム、ナフテン酸バナジウムなどのバナジウム化合物が用いられる。また、ニッケルπ−アリル錯体、ニッケルカルボニル錯体、三塩化ロジウムなども例示される。さらに、Ｎｄ（ＯＣＯＲ）３ 、Ｎｄ（ＯＣＯＲ）３などのネオジウム金属触媒が例示される。助触媒としての周期律表第１〜３族主元素金属の有機金属化合物、有機金属ハロゲン化合物、水素化有機金属化合物、またはアルモキサンからなる触媒系が用いられる。
【００１８】
トランス−１，４結合の含量は、ＩＲスペクトル、あるいは１Ｈ−ＮＭＲ、１３Ｃ−ＮＭＲ等スペクトルからの算出で、好ましくは９５モル％以上、特に好ましくは９８％以上、さらに好ましくは９９％以上である。トランス−１，４結合の含有率が上記の範囲よりも低くなる、即ちポリマ−の立体規則性が小さくなると結晶化度が下がり、したがって、結晶転移エンタルピ−変化ΔＨが小さくなるため、大きな結晶転移潜熱が得られない。
【００１９】
トランス−１，４−ポリブタジエンの重量平均分子量は、好ましくは１００万以下、特に好ましくは５０万以下、さらに好ましくは１０万〜１万である。ここで重量平均分子量とは、スチレンを標準物質としゲル浸透クロマトグラフィ−（ＧＰＣ）により、溶媒としてｏ−ジクロロベンゼンを用いて求めたものである。一般に、ポリマ−の結晶化度は、立体規則性以外に分子量にも依存し、特定の分子量範囲において最大値を持つ。本実施形態では重量平均分子量が上記範囲外であると、結晶化度が急激に下がり、したがって、結晶転移潜熱が小さくなる。
【００２０】
トランス−１，４−ポリブタジエンは、低温結晶構造から高温結晶構造への結晶転移温度が５０〜８０℃であり、分子量、ミクロ構造などによって変えることができる。しかも、２つの結晶構造間の転移速度が速く、したがって、一定温度における蓄熱作用を奏する。トランス−１，４−ポリブタジエンの融解エンタルピ−変化ΔＨｆは、好ましくは５０Ｊ／ｇ以上、より好ましくは１００Ｊ／ｇ以上である。トランス−１，４−ポリブタジエンの結晶転移エンタルピ−変化ΔＨは、好ましくは７０Ｊ／ｇ以上、より好ましくは１００Ｊ／ｇ以上である。
【００２１】
カーボン粉の混合割合は、３０重量％以下に設定される。この割合でカーボン粉が混合されることにより、後に詳述されるように、蓄熱材の比熱すなわち熱拡散率が簡単に制御される。なお、一般的に、一定圧力環境におけるエンタルピー変化は比熱の変化を示す。
【００２２】
本実施形態に係る蓄熱材の融点、結晶転移点は、示差走査型熱量計（ＤＳＣ）により測定された。図１〜図３は、その結果を示す。具体的には、セイコ−電子工業株式会社製ＳＳＣ５２００の示差走査型熱量計（ＤＳＣ）を用いた。アルミ製サンプルパンに１０ｍｇの試料蓄熱材を入れシ−ルする。窒素雰囲気下において、まず室温より１０℃／分で昇温し、２００℃まで加熱する。その状態で５分間加熱することにより試料蓄熱材を完全に融解させる。その後、−１０℃／分で３０℃まで降温して５分間再結晶化し、再度１０℃／分で２００℃まで昇温する。２回目の昇温時の示差熱を測定し（示差熱曲線）、融解に相当するピ−クのピ−ク点、結晶転移に相当するピ−クのピ−ク点をそれぞれ「融点」、「結晶転移点」とした。融解エンタルピ−変化ΔＨｆ、及び結晶転移エンタルピ−変化ΔＨ は、前述のそれぞれのピ−クにおいて、図中のベ−スラインと、示差熱曲線との間に挟まれた領域の面積から求められるそれぞれの熱量を、サンプル重量で換算して求めた値である。すなわち、結晶転移エンタルピ−変化ΔＨ は、試料蓄熱材の比熱を表す。
【００２３】
図４は、結晶転移エンタルピ−変化ΔＨの測定結果を示す表であり、図５は、これをグラフ化したものである。
【００２４】
図４及び図５が示すように、試料蓄熱材は４種類（実施例１〜実施例３及び比較例）が作成された。実施例１に係る蓄熱材Ａは、トランス−１，４−ポリブタジエンからなる主成分が１００重量％である。実施例２に係る蓄熱材Ｂは、トランス−１，４−ポリブタジエンからなる主成分が９８重量％、カーボン粉が２重量％である。実施例３に係る蓄熱材Ｃは、トランス−１，４−ポリブタジエンからなる主成分が９５重量％、カーボン粉が５重量％である。また、比較例に係る蓄熱材Ｄは、トランス−１，４−ポリブタジエンからなる主成分が７０重量％、カーボン粉が３０重量％である。
【００２５】
図４が示すように、蓄熱材ＡないしＤの比熱（結晶転移エンタルピ−変化ΔＨ）は、それぞれ、８７．０６３Ｊ／ｇ、８４．５５２Ｊ／ｇ、７７．５６５Ｊ／ｇ及び６３．５９Ｊ／ｇであり、図５が示すように、カーボン粉の含有割合（カーボン比率：横軸）と比熱（結晶転移エンタルピ−変化ΔＨ：縦軸）との間に略比例関係がある。つまり、カーボン粉の含有割合を変化させることにより、簡単に蓄熱材の比熱すなわち熱拡散率を変化させることができる。ただし、比較例に係る蓄熱材は、成形性が悪いということが判明した。したがって、蓄熱材Ｄは、確実に成形されるために凝固剤等が用いられるべきである。これに対して、蓄熱材Ａ〜Ｃは、凝固剤等を用いることなく確実に成形される。
【００２６】
図１〜図３が示すように、本実施形態の蓄熱材の適用温度は、５０〜８０℃である。これは、トランス−１，４−ポリブタジエンの組成に起因するものである。トランス−１，４−ポリブタジエンの重量平均分子量や添加物を変更することによって、蓄熱材の適用温度が制御される。したがって、この蓄熱材が人工衛星の構体や当該人工衛星に搭載された機器の温度制御に使用される場合であっても、その環境温度に合致した比熱すなわち熱拡散率を設定することにより最適な蓄熱材が提供される。
【００２７】
次に、本実施形態に係る蓄熱材の成形方法について説明される。
【００２８】
図６は、蓄熱材の成形時における温度変化を示している。
【００２９】
まず、トランス−１，４−ポリブタジエンを主成分とした基材にカーボン粉が混合されて原材料が製造される。この混合方法は、前述のとおりである。
【００３０】
この原材料を型に入れ、初期圧力を１〜２Ｎ／ｍｍ２とし、ホットプレスにて加熱加圧する。具体的には、温度速度が３℃／分で表面温度が２００℃となるまで加熱する。その後、室温まで自然冷却することにより、蓄熱材が成形される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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