(57)【要約】【課題】  宇宙用の熱拡散デバイスであるヒートパイプ間を結合する方式には、これまで様々な方式が採用されてきたが、ヒートパイプの製造公差や、打ち上げ時、軌道上での様々な荷重や熱環境によるヒートパイプ間の隙間の変動によって、熱伝導性は変動し、信頼性の高い結合方式を達成することは困難であった。【解決手段】    本発明に係わるヒートパイプ間高熱伝導型装置は、第１のヒートパイプと、第２のヒートパイプとを備え、前記第１のヒートパイプと、第２のヒートパイプとの間隙を弾性変形する繊維状の高熱伝導性ピッチ系炭素繊維で熱的に接続するものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のヒートパイプと、第２のヒートパイプとを備え、
前記第１のヒートパイプの端面と、前記第２のヒートパイプの端面とは間隙を有し、
前記第１のヒートパイプの端面と、第２のヒートパイプの端面との前記間隙を弾性変形する繊維状の炭素繊維で熱的に接続するヒートパイプ間高熱伝導型装置。
【請求項２】
前記炭素繊維の一端が前記第１のヒートパイプに金属溶射により接合され、他端が前記第２のヒートパイプに接触している請求項１に記載のヒートパイプ間高熱伝導型装置。
【請求項３】
前記炭素繊維の他端が、球形である請求項２に記載のヒートパイプ間高熱伝導型装置。
【請求項４】
前記炭素繊維の長さが、前記第１のヒートパイプと前記第２のヒートパイプの最大間隙長よりも長い請求項１から請求項３のいずれかに記載のヒートパイプ間高熱伝導型装置。
【請求項５】
以下のステップ（ａ）〜（ｃ）の順序で組立を行うヒートパイプ間高熱伝導型装置組立方法。
（ａ）ヒートパイプの外表面に金属の粉末を施すステップ、
（ｂ）前記ヒートパイプと炭素繊維とを間隙を空けて配置するステップ、
（ｃ）前記ヒートパイプと前記炭素繊維とに電位差を与え放電させ、前記粉末を溶解させることで前記ヒートパイプと前記炭素繊維とを熱的に接続するステップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヒートパイプ間高熱伝導型装置及び、ヒートパイプ間高熱伝導型装置組立方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人工衛星は、材料技術、製造技術の進歩と相俟って、より大型、より高性能な衛星を製作できるようになってきた。そんな中で、搭載される機器自体もより高性能となり、より高電力化、より高発熱化するようになってきた。地上と異なり、宇宙空間では大気がないために、この高発熱機器を冷却するために、対流を用いた熱拡散方法は使用する事ができず、熱輻射と熱伝導を用いて、熱の拡散を行うしか方法がない。
【０００３】
しかし、熱輻射は放熱面積と輻射率に依存しており、輻射量を上げるためには、放熱面積を増加させるか、輻射率を増加させるしか方法がないが、宇宙空間に機器を搭載した人工衛星を打上げるには、機器の軽量化が必要であり、必然的に機器のサイズはより小さな物になっていき、放熱面積を増大させる必要性と相反するものとなってしまう。
【０００４】
一方、輻射率の改善も、現在輻射率が理論上の最大値に近いレベルまで改善されてきている事情を考えると更なる改善は望めそうになく、熱輻射の改善はあまり期待できない状況にある。従って、熱伝導により輸送される熱量を如何に増大させるかが、高性能機器の搭載のための必須条件であり、そのための熱デバイスとしてヒートパイプは非常に有効である。
【０００５】
ヒートパイプはステンレス鋼、銅、アルミニウム等の金属製の容器に、アンモニア、フレオン、窒素、水等の作動流体を封入し、この作動流体の相変化と毛細管力により、熱の循環を図るものである。従って、ヒートパイプ自体は作動流体の相変化に伴う圧力の上昇及び下降に耐え得る圧力容器である必要がある。圧力容器である以上、製造上、法規制上、その形状等については厳しい制限があり、特殊形状のヒートパイプを製造することは困難を極める。
【０００６】
一方、搭載機器の高発熱化に伴い、ヒートパイプを介して熱を機器の搭載されているパネル全体に拡散しても、排熱しきれない状況も発生してきている。このため、隣り合うパネルに熱を伝達するなどの必要性が発生してきており、このパネル間の結合部で如何に熱を効率良く伝達するかが技術的課題である。この結合部でヒートパイプ自体を結合する方式も考えられなくはないが、上述のようにヒートパイプを特殊形状にすることは困難であり、一般的に別のデバイスを利用した方式が採用されており、熱伝導性の高い複合材料を利用したデバイスも使用されている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−４３１８６号公報（第４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
パネル間の結合部は、製造上の公差の関係から、全ての部分で一様隙間ではなく、上記の複合材料を用いた熱伝導シート等を利用する場合、場所毎にパネル締結部間で接触圧に違いが生じ、熱伝導性が異なってしまう。また、場合によっては、接触しない部分も発生してしまい、熱伝導が確保できない可能性もある。
【０００９】
また、人工衛星は打上げ時のロケット環境、軌道運用時の熱環境等によりパネルが変形し、結合部の隙間間隔が変動する可能性がある。この変動量に従来の熱伝導性を持たせた結合方式は対応しておらず、例えば、パネル締結部が離れた場合、熱伝導デバイスとヒートパイプ等が接触せず、熱伝導が確保できない可能性がある。また、例えば、パネル締結部が近づいた場合、熱伝導デバイスがヒートパイプ等に挟まれて圧縮破壊してしまう可能性もある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係わるヒートパイプ間高熱伝導型装置は、第１のヒートパイプと、第２のヒートパイプとを備え、前記第１のヒートパイプの端面と、前記第２のヒートパイプの端面とは間隙を有し、前記第１のヒートパイプの端面と、第２のヒートパイプの端面との前記間隙を弾性変形する繊維状の炭素繊維で熱的に接続するものである。
【発明の効果】
【００１１】
製造上の公差、パネルの変形があっても熱伝導を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。図１は隣り合う第１のパネル１と第２のパネル２間のヒートパイプ結合部を示している。第１のヒートパイプ３は第１のパネル１に、第２のヒートパイプ４は第２のパネル２に固着している。第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプ４の間には、製造公差による隙間５が開いている。つまり、第１のヒートパイプ３の端面と、前記第２のヒートパイプ４の端面とは間隙５を有している。なお、第１のパネル１と第２のパネル２とは、図示しないフレームに固着されている。
【００１３】
第１のヒートパイプ３には、炭素繊維６が熱的に接続されている。熱的な接続方法は、例えば金属溶射があるが、熱的に接続されていればどの様な接続方法でも良い。
【００１４】
炭素繊維６は、繊維状で、第１のヒートパイプ３に垂直方向に配置されている。炭素繊維６は、力が加われば弾性変形し、力が無くなれば元に復元する弾性を有していればよい。また、熱伝導率は、第１のパネル１または、第２のパネル２の熱伝導率と同等か、または優れればよい。一例として、熱伝導率は８００Ｗ／ｍＫ程度である。
【００１５】
炭素繊維６の繊維方向長さは、第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプ４間の隙間５の最大値よりも長いものとする。図２は図１の結合部の詳細図を示す。
【００１６】
炭素繊維６は、隙間５の最大値よりも長いため、第２のヒートパイプ４と炭素繊維６とは常に接触する。つまり、炭素繊維６は、弾性変形するため、変形した事により発生する復元力により第２のヒートパイプ４に押し付けられる。これにより、第２のヒートパイプ４と炭素繊維６との間で、熱伝導を達成する。
【００１７】
第１のヒートパイプ３に配置されている炭素繊維６により、第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプ４との間で効率よく熱の授受ができればよく、第１のヒートパイプ３に接合されている炭素繊維６の本数は設計に応じて設定すればよい。
【００１８】
また、炭素繊維６の先端つまり、端部は球形状をしているため、第２のヒートパイプ４との接触面にひっかかることなく、スムーズに変形する。もちろん、球形状に限定されず、スムーズに変形できる形で有ればよい。
【００１９】
図３は人工衛星の打ち上げ時ロケット荷重、軌道上での熱荷重等により第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプ４を含む、第１のパネル１と第２のパネル２間が離れた場合を示している。炭素繊維６の繊維長さを、この場合の隙間５の最大値よりも長くしているため、第２のヒートパイプ４と炭素繊維６とは接触することができる。つまり、第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプ４との間で熱の授受を行うことができる。
【００２０】
図４は人工衛星の打ち上げ時ロケット荷重、軌道上での熱荷重等により第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプ４を含む、第１のパネル１と第２のパネル２間が近づいた場合を示している。パネル間の隙間５が小さくなってしまうことによって、通常の熱伝導性デバイスの場合、ヒートパイプ１とヒートパイプ２間に挟まれて最悪壊れてしまう可能性がある。しかしながら、炭素繊維６は、第２のヒートパイプ４との接触面積を増大する方向で弾性変形する。これにより、第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプ４との間で熱の授受を行うことができる。
【００２１】
この様に、第１のヒートパイプ３と、第２のヒートパイプ４とを備え、第１のヒートパイプ１の端面と、第２のヒートパイプ４の端面とは間隙を有し、第１のヒートパイプ３と、第２のヒートパイプ４との間隙５を弾性変形する繊維状の炭素繊維６で熱的に接続することで、第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプと４との間隙５の間隔が変化しても熱伝導を確保することができる。
【００２２】
炭素繊維６の端部が球形であることで、第２のヒートパイプ４との接触面にひっかかることなく、スムーズに変形することができる。
【００２３】
炭素繊維６の長さが、第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプ４の最大間隙長よりも長いため、第１のヒートパイプ３と第２のヒートパイプと４との間隙５の間隔が変化しても熱伝導を確保することができる。
【００２４】
次に、第１のヒートパイプ３と炭素繊維６との接合に関して図５を用いて説明する。第１のヒートパイプ３に炭素繊維６を設置する場合、熱伝導の経路として、最も熱抵抗の大きな部分は、第１のヒートパイプ３と炭素繊維６の接合界面と、第２のヒートパイプ４と炭素繊維６の接触部である。
【００２５】
これまでの熱伝導デバイスでは、この接合界面を熱拡散シート等の熱良導体で形成していた。この場合、炭素繊維６と熱拡散シート界面、熱拡散シートと第１のヒートパイプ３界面での熱抵抗が大きく、全体として熱伝導が阻害されてしまい、炭素繊維６の熱伝導率が８００Ｗ／ｍＫ程度あるにも関わらず、熱伝導デバイスとして熱伝導率５Ｗ／ｍＫ程度しか発揮されていない。
【００２６】
ここで第１のヒートパイプ３及び、第２のヒートパイプ４を形成する金属は熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ程度あり、この界面の接触熱抵抗を減じることが、熱デバイスの熱伝導率を向上する方法となる。
【００２７】
図５に示すように第１のヒートパイプ３に炭素繊維６を設置し、この界面を金属溶射７により結合することにより、この両者の界面の接触熱抵抗を減少し、全体として高い熱伝導性を確保するものである。
【００２８】
第１のヒートパイプ３は金属製部品であるため、金属溶射７等により界面が一体化して界面の熱抵抗を減じる。炭素繊維６は、電気の良導体でもあるため、第１のヒートパイプ３と炭素繊維６の間で電流を通電し、金属溶射７を行うことにより、この界面が一体化して界面の熱抵抗を減じ、熱デバイスとして高い熱導電性を発揮することができる。
【００２９】
以上のように、炭素繊維６の一端が第１のヒートパイプ３に金属溶射により接合され、他端が第２のヒートパイプ４に接触しているため、熱伝導を確保することができる
【００３０】
詳細を図６にて説明する。第１のヒートパイプ３は銅、アルミなどの金属材料であり、電気伝導性が良い。一方、炭素繊維６は、高熱伝導性を有しているため、一般に電気伝導性も良い。従って、これらの材料に電気を流すことができ、電気により材料自体の温度が上昇し、切断等の破壊が起きる事もない。
【００３１】
第１のヒートパイプ３に第１のヒートパイプ３と同一の金属材料の粉末１１を施す。次に、炭素繊維６を、第１のヒートパイプ３と隙間８を空けて配置する。この隙間８に高圧電源９により電荷１０をかける。つまり、第１のヒートパイプ３と、炭素繊維６との間に電位差を与える。
【００３２】
高圧電源９により印加された電荷１０は、第１のヒートパイプ３および、炭素繊維６を流れ、隙間８側の端部に溜る。電荷１０により、炭素繊維６または、第１のヒートパイプ３の電界が閾値を越えて、隙間８で絶縁破壊が生じる。つまり放電が発生する。放電により、局所的に高温となるため、粉末１１は熱により溶解する。この様に、第１のヒートパイプ３と炭素繊維６は金属溶射７により接続される。
【００３３】
以上のように、以下のステップ（ａ）〜（ｃ）の順序で組立を行うため、熱伝導を確保することができる。
（ａ）ヒートパイプの外表面に金属の粉末を施すステップ、
（ｂ）前記ヒートパイプと炭素繊維とを間隙を空けて配置するステップ、
（ｃ）前記ヒートパイプと前記炭素繊維とに電位差を与え放電させ、前記粉末を溶解させることで前記ヒートパイプと前記炭素繊維とを熱的に接続するステップ。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】隣り合う第１のパネルと第２のパネル間のヒートパイプ結合部を示す図である。
【図２】パネル間締結部詳細図を示す図である。
【図３】パネル間が離れた場合の締結部詳細図である。
【図４】パネル間が近づいた場合の締結部詳細図である。
【図５】第１のヒートパイプ３と炭素繊維６との接合部分を示す図である。
【図６】金属溶射説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  第１のパネル、２  パネル、３  ヒートパイプ、４  ヒートパイプ、５  隙間、６  炭素繊維、７  金属溶射、８  隙間、９  高圧電源、１０  電荷、１１  金属材料の粉末。
【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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