(57)【要約】【課題】ヒートパイプ群といった個体間の接触熱抵抗を低減することを目的とする。【解決手段】宇宙機の構体といった構造体は、２つのヒートパイプ群といった２つの個体を備える。２つの個体の接触面における中央部分に設けられ、２つの個体の間の接触熱抵抗を低減するための低減部材である第１低減部材４１と、２つの個体の接触面における第１低減部材の両側に設けられた第１低減部材とは異なる低減部材である第２低減部材４２とが設けられる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの個体と、
前記２つの個体の接触面における中央部分に設けられ、前記２つの個体の間の接触熱抵抗を低減するための低減部材である第１低減部材と、
前記２つの個体の前記接触面における前記第１低減部材の両側に設けられた前記第１低減部材とは異なる低減部材である第２低減部材と
を備える構造体。
【請求項２】
前記第２低減部材は、前記第１低減部材よりもヤング率が高い
請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記２つの個体の一方は、宇宙機の構体に軸方向が平行に設けられた複数の第１ヒートパイプを備える第１ヒートパイプ群であり、
前記２つの個体の他方は、前記複数の第１ヒートパイプと軸方向が平行に設けられた複数の第２ヒートパイプを備える第２のヒートパイプ群であり、
前記第２低減部材は、前記軸方向と垂直な方向における前記第１低減部材の両側に設けられた
請求項１又は２に記載の構造体。
【請求項４】
前記第１低減部材の前記垂直な方向における幅は、前記複数の第１ヒートパイプのうち前記垂直な方向の両端にある第１ヒートパイプの中心間の距離以下である
請求項３に記載の構造体。
【請求項５】
前記第１低減部材と前記第２低減部材との間には隙間が空けられた
請求項１から４までのいずれか１項に記載の構造体。
【請求項６】
前記第１低減部材と前記第２低減部材との境界部分は、凹凸になっており、前記第１低減部材の境界部分の凹凸と、前記第２低減部材の境界部分の凹凸とが噛み合っている
請求項１から５までのいずれか１項に記載の構造体。
【請求項７】
前記第２低減部材は、前記第１低減部材の周囲を囲うように設けられた
請求項１から６までのいずれか１項に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱伝導を行う構造体の接触構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球周回軌道上を移動する人工衛星といった宇宙機の構体においては、南北ペイロードパネル面に熱を伝導するヒートパイプ群が埋め込まれている。構体内部に搭載された電子機器により発生する熱と、太陽からの放射熱とによって局所的に蓄積された熱が、ヒートパイプ群を介して熱の蓄積されていない箇所に伝導される。これにより、熱が南北ペイロードパネル面で均一化される。そして、均一化された上で、熱が宇宙空間へ放出される。
【０００３】
また、電子機器が搭載されている水平パネルにもヒートパイプが埋め込まれている。水平パネルに埋め込まれたヒートパイプの両端は、南北ペイロードパネルに埋め込まれたヒートパイプ群と平行になるように折り曲げられ、南北ペイロードパネルに埋め込まれたヒートパイプ群と接触している。
水平パネルのヒートパイプ群と南北ペイロードパネルのヒートパイプ群との接触面には、接触熱抵抗を抑制するため、グラフォイル（登録商標）等の接触熱抵抗低減部材が挟まれている。これにより、水平パネルに搭載した電子機器で発生した熱はメインの放熱面になる南北ペイロードパネルへ伝熱するとともに、水平パネルのヒートパイプを介して南北ペイロードパネル間に生じる温度差を均一化できる。そのため、構体の放熱能力が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５７９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、人口衛星の大型化、アンテナの高出力化にともなって水平パネル及び南北ペイロードパネルの搭載電子機器の総発熱量が増大している。これにより、ヒートパイプの熱輸送量が増大する。そのため、水平パネルのヒートパイプ群と南北ペイロードパネルのヒートパイプ群との接触面に生じる温度差が増大する。
【０００６】
接触面に生じる温度差の増大は、搭載電子機器の温度の上昇につながる。そのため、搭載電子機器の品質保証の観点から、搭載電子機器の出力を抑制しなければならなくなる。このような運用制御を回避するためには、ヒートパイプ群の接触面で生じる温度差を低減する必要がある。つまり、接触熱抵抗を低減する必要がある。
【０００７】
ヒートパイプ群の接触面には低減部材が挟まれている。ヒートパイプ群を構成するヒートパイプは作動液温度によって膨張するため、ヒートパイプ群の接触面をミクロ視点で見ると、うねるように変形しており、ヒートパイプ群の接触面において、接触する領域と接触しない領域とが混在する。具体的には、マクロ視点でのヒートパイプ群の接触面において、ヒートパイプの軸方向と垂直な方向に沿って、両端のヒートパイプの中心間では接触面間が接触しているが、両端のヒートパイプの中心より外側では、接触面間に空隙が発生する。両端のヒートパイプの中心より外側では、２つのヒートパイプ群は接触しないため、熱伝導率の高い低減部材に置き換えても、接触熱抵抗を低減できない。
【０００８】
この発明は、ヒートパイプ群のような個体間の接触熱抵抗を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る構造体は、
２つの個体と、
前記２つの個体の接触面における中央部分に設けられ、前記２つの個体の間の接触熱抵抗を低減するための接触熱抵抗低減部材である第１低減部材と、
前記２つの個体の前記接触面における前記第１低減部材の両側に設けられた前記第１低減部材とは異なる接触熱抵抗低減部材である第２低減部材と
を備える。
【発明の効果】
【００１０】
この発明では、ヒートパイプ群のような個体の接触面間に第１低減部材と第２低減部材との接触熱抵抗を低減するための２つの低減部材を備える。これにより、個体間の接触熱抵抗を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る構造体１００の構成図。
【図２】実施の形態１に係るヒートパイプ群１１，２１の接触構造を示す図。
【図３】実施の形態１に係る接触熱抵抗低減部材の配置の説明図。
【図４】比較例に係る接触熱抵抗低減部材の配置の説明図。
【図５】比較例の構成における接触圧の分布の説明図。
【図６】比較例の構成における接触熱伝達率の分布の説明図。
【図７】実施の形態１の構成における接触圧の分布の説明図。
【図８】実施の形態１の構成における接触熱伝達率の分布の説明図。
【図９】変形例１に係る接触熱抵抗低減部材の配置の説明図。
【図１０】実施の形態２に係る接触熱抵抗低減部材の配置の説明図。
【図１１】実施の形態３に係る接触熱抵抗低減部材の配置の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１から図３を参照して、実施の形態１に係る構造体１００の構成を説明する。
実施の形態１では、構造体１００は、宇宙機の構体であり、より具体的には人工衛星の構体である。実施の形態１では、図１に示すように、垂直方向をＺ軸、水平方向をＸ軸及びＹ軸とする。Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは、互いに直交している。
【００１３】
図１を参照して、実施の形態１に係る構造体１００（図１に参照番号なし）の全体的な構成を説明する。
構造体１００は、南北ペイロードパネル１０と、水平パネル２０とを備える。南北ペイロードパネル１０は、Ｘ軸及びＺ軸によって形成される面と平行なパネルである。水平パネル２０は、Ｘ軸及びＹ軸によって形成される面と平行なパネルである。
【００１４】
南北ペイロードパネル１０には、Ｚ軸方向に沿って１つ以上の第１ヒートパイプ群１１が埋め込まれている。水平パネル２０にはＹ軸方向に沿って１つ以上の第２ヒートパイプ群２１が埋め込まれている。
第２ヒートパイプ群２１は、両端が水平パネル２０からはみ出している。第２ヒートパイプ群２１の水平パネル２０からはみ出している両端部分は、Ｚ軸方向に向かって直角に折り曲げられている。つまり、第２ヒートパイプ群２１の水平パネル２０からはみ出している両端部分は、第１ヒートパイプ群１１と平行な方向に折り曲げられている。折り曲げられた第１ヒートパイプ群１１と平行になった第２ヒートパイプ群２１の両端部分は、第１ヒートパイプ群１１と接触している。
【００１５】
図２を参照して、実施の形態１に係るヒートパイプ群１１，２１の接触構造を説明する。
第１ヒートパイプ群１１は、内径Ｄの複数のヒートパイプ１２（図２では、２つのヒートパイプ１２Ａ，１２Ｂ）と、ボルト穴が貫通したフィン部１３Ａ，１３Ｂとで構成されている。同様に、第２ヒートパイプ群２１は、内径Ｄの複数のヒートパイプ２２（図２では、２つのヒートパイプ２２Ａ，２２Ｂ）と、ボルト穴が貫通したフィン部２３Ａ，２３Ｂとで構成されている。
フィン部１３Ａ，１３Ｂに形成されたボルト穴と、フィン部１３Ａ，１３Ｂに形成されたボルト穴とにボルト３１Ａ，３１Ｂが通され、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１とが締結される。この際、Ｍ型形状のブラケット３２を用いて、ヒートパイプ群同士の接触圧力の増加が図られる。
【００１６】
なお、ヒートパイプ１２，２２の内部には、Ｚ軸方向に沿って、ウィックと称されるフィンが設置されているが、図２では省略されている。また、ここでは、ヒートパイプ１２とヒートパイプ２２との内径はいずれもＤとした。しかし、ヒートパイプ１２とヒートパイプ２２との内径は異なっていても構わない。また、Ｍ型形状のブラケット３２は必要に応じて用いられるものであり、必ずしも用いる必要はない。
【００１７】
図３を参照して、実施の形態１に係る低減部材の配置を説明する。
第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１（図３に図示されていません）との接触面には、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１との接触熱抵抗を低減するための低減部材が設けられる。
実施の形態１では、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１との接触面の、第１ヒートパイプ１２及び第２ヒートパイプ２２の軸方向と垂直な方向（つまり、Ｘ軸方向）における中央部分に、第１低減部材４１（図３に図示されていません）が設けられる。また、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１との接触面のＸ軸方向における第１低減部材４１の両側に第１低減部材４１とは異なる接触熱抵抗低減部材である第２低減部材４２Ａ，４２Ｂ（図３に図示されていません）が設けられる。
【００１８】
第２低減部材４２Ａ，４２Ｂは、第１低減部材４１よりもヤング率Ｅが高い。具体例としては、第１低減部材４１は、マニオン５０αであり、第２低減部材４２Ａ，４２Ｂは、柔軟性黒鉛シート（グラファイトシート）の例えばグラフォイル（登録商標）である。
【００１９】
第１低減部材４１の垂直な方向（つまり、Ｘ軸方向）における幅は、複数の第１ヒートパイプ１２のうち垂直な方向の両端にある第１ヒートパイプ１２の中心間の距離Ｘｂ以下である。
図３では、第１ヒートパイプ群１１は、２つの第１ヒートパイプ１２Ａ，１２Ｂを備える。そのため、距離Ｘｂは、第１ヒートパイプ１２Ａの中心と、第１ヒートパイプ１２Ｂの中心との間の距離である。第１ヒートパイプ群１１が、３つ以上の第１ヒートパイプ１２を備える場合には、距離Ｘｂは、両端にある第１ヒートパイプ１２の中心間の距離である。
【００２０】
第１低減部材４１と第２低減部材４２Ａ，４２Ｂとの間には隙間δが空けられている。
【００２１】
＊＊＊実施の形態１の効果＊＊＊
実施の形態１に係る構造体１０の効果を比較例と対比して説明する。図４に示すように、比較例では、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１（図４に図示されていません）との接触面に１つの低減部材４３が設けられている。
【００２２】
図５を参照して、比較例の構成における接触圧の分布を説明する。
図５では、ヒートパイプ１２，２２との作動液が気化して、ヒートパイプ１２，２２の内部で内圧が発生した場合、原点０からＸ軸方向に沿って接触面に生じる接触圧の分布が示されている。図５では、低減部材４３として、グラフォイル（登録商標）が用いられた場合と、シリコーン基材シートの例えばマニオン５０α（熱伝導率５０Ｗ／ｍ／Ｋ）が用いられた場合とが示されている。グラフォイル（登録商標）は、マニオン５０αよりもヤング率Ｅが高い。接触熱伝達率の高い低減部材は柔らかいためヤング率が低いことが知られている。
図５では、プラスの接触圧力は、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１とが接触面を互いに押しつけあう圧縮応力を示している。一方、マイナスの接触圧力は、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１とが互いに接触面から離れようとする引張応力を示している。
【００２３】
低減部材４３としてヤング率Ｅの低いマニオン５０αが用いられた場合、Ｘ軸に沿って、Ｘ１＜Ｘの範囲ではマイナスの接触圧力であり、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１とが接触面から離れようとする引張応力が発生している。一方、低減部材４３としてヤング率Ｅの高いグラフォイル（登録商標）が用いられた場合、接触面全体にプラスの接触圧力、つまり圧縮応力が発生している。
【００２４】
図６を参照して、比較例の構成における接触熱伝達率の分布を説明する。
図６では、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１との、原点０からＸ軸方向に沿って接触面に生じる接触熱伝達率の分布が示されている。図６では、図５と同様に、低減部材４３として、グラフォイル（登録商標）が用いられた場合と、マニオン５０αが用いられた場合とが示されている。
低減部材４３としてヤング率Ｅの低いマニオン５０αが用いられた場合、接触面で圧縮応力が発生するＸ＜Ｘ１の範囲では接触熱伝達率が高い。しかし、接触面で引張応力が発生するＸ１＜Ｘの範囲では、接触熱伝達率が低い。低減部材４３としてヤング率Ｅの高いグラフォイル（登録商標）が用いられた場合、接触熱伝達率が常に発生するが、接触熱伝達率の絶対値はそれほど高くない。
【００２５】
以上のことから次のことが分かる。
比較例の構成において、ヤング率の高いグラフォイル（登録商標）といった低減部材４３を使用した場合、Ｘ１＜Ｘの範囲で第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１との接触面に生じるうねりを抑制できるため、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１とが互いに離れようとする動きを抑制できる。そのため、接触面全体で常に圧縮応力が発生し、接触熱伝達率を期待できるものの、接触熱伝達率は小さい。
一方、比較例の構成において、ヤング率の低いマニオン５０αといった低減部材４３を使用した場合、接触面で圧縮応力が発生するＸ＜Ｘ１の範囲では、接触熱伝達率が高くなる。しかし、接触面で引張応力が発生するＸ＞Ｘ１の範囲では、接触熱伝達率が低くなることがわかる。
【００２６】
図７を参照して、実施の形態１の構成における接触圧の分布を説明する。
図７では、ヒートパイプ１２，２２との作動液が気化して、ヒートパイプ１２，２２の内部で内圧が発生した場合、原点０からＸ軸方向に沿って接触面に生じる接触圧の分布が示されている。図７では、第１低減部材４１としてマニオン５０αが用いられ、第２低減部材４２Ａ，４２Ｂとしてグラフォイル（登録商標）が用いられた場合が示されている。ここで、第１低減部材４１は、Ｘ軸に沿って０＜Ｘ＜Ｘ１の範囲に設けられており、第２低減部材４２Ａ，４２Ｂは、Ｘ軸に沿ってＸ１＜Ｘ＜Ｘ２の範囲に設けられている。
この場合には、Ｘ軸に沿って、０＜Ｘ＜Ｘ２の全範囲において、接触圧力がプラスの圧縮応力が発生している
【００２７】
図８を参照して、実施の形態１の構成における接触熱伝達率の分布を説明する。
図８では、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１との、原点０からＸ軸方向に沿って接触面に生じる接触熱伝達率の分布が示されている。図８では、図７と同様に、第１低減部材４１としてマニオン５０αが用いられ、第２低減部材４２Ａ，４２Ｂとしてグラフォイル（登録商標）が用いられた場合が示されている。
この場合には、Ｘ軸に沿って、０＜Ｘ＜Ｘ２の全範囲において、一定以上の接触熱伝達率が発生している。特に、０＜Ｘ＜Ｘ１の範囲に配置したマニオン５０αの外側に、ヤング率Ｅの高いグラフォイル（登録商標）が配置されたことにより、マニオン５０αのＸ軸方向への膨張が抑制される。そのため、図６に示したマニオン５０αが単体で用いられた場合の接触熱伝達率以上の接触熱伝達率が発生する。
第１低減部材４１を効果的に使用するためには、第２低減部材４２Ａ，４２Ｂにより第１低減部材４１のＸ軸方向への膨張を抑制することが望ましい。この点に鑑みると、第１低減部材４１と第２低減部材４２Ａ，４２Ｂとの間の隙間δは０にすることが望ましい。しかし、作業性を考慮して、１ｍｍ程度の隙間δを設けてもよい。
【００２８】
以上のように、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１と接触面における中央部分では、本来圧縮応力が生じるため、ヤング率Ｅの低い第１低減部材４１を用いることにより、高い接触熱伝達率を発生させることができる。一方、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１と接触面における中央部分以外では、引張応力が生じるため、ヤング率Ｅの高い第２低減部材４２を用いることにより、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１と互いに離れようとする変形を抑制できる。その結果として、圧縮圧力が発生する。そのため、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１と接触面の全範囲に渡って、一定以上の接触熱伝達率を発生させることができる。
【００２９】
つまり、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１と接触面において、温度によって第１低減部材４１がうねりを生じる場合に、第２低減部材４２により第１低減部材４１の変形を抑制する。これにより、接触面全域にわたって、第１低減部材４１及び第２低減部材４２が第１ヒートパイプ群１１及び第２ヒートパイプ群２１に接触する。そのため、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１と接触面の全範囲に渡って、一定以上の接触熱伝達率を発生させることができる。
【００３０】
＊＊＊他の構成＊＊＊
＜変形例１＞
実施の形態１では、ヒートパイプ群の接触面における低減部材の配置について説明した。しかし、実施の形態１で説明した技術は、電子部品といった発熱体と冷却板との間の接触熱抵抗の低減にも適用できる。つまり、ヒートパイプ群の接触面における低減部材の配置に限らず、他の２つの個体の接触面における低減部材の配置にも、実施の形態１で説明した技術を適用できる。
【００３１】
図９を参照して、変形例１に係る低減部材の配置を説明する。
図９では、発熱体５１と冷却板５２との接触面における低減部材の配置が示されている。発熱体５１と冷却板５２との接触面における中央部分に、第１低減部材４１が設けられる。また、発熱体５１と冷却板５２との接触面における第１低減部材４１の両側に第２低減部材４２Ａ，４２Ｂが設けられる。
これにより、実施の形態１で説明した効果が得られ、発熱体５１の温度を抑制できる。
【００３２】
実施の形態２．
実施の形態２は、第１低減部材４１と第２低減部材４２との境界部分の形状が実施の形態１と異なる。実施の形態２では、この異なる点を説明し、同一の点については説明を省略する。
【００３３】
図１０に示すように、第１低減部材４１と第２低減部材４２Ａ，４２Ｂとの境界部分は、凹凸になっている。そして、第１低減部材４１の境界部分の凹凸と、第２低減部材４２Ａ，４２Ｂの境界部分の凹凸とが噛み合っている。つまり、第１低減部材４１の境界部分の凹部と第２低減部材４２Ａ，４２Ｂの境界部分の凸部とが対向し、第１低減部材４１の境界部分の凸部と第２低減部材４２Ａ，４２Ｂの境界部分の凹部とが対向している。
【００３４】
この構成により、ヤング率Ｅの低い第１低減部材４１は、第２低減部材４２Ａ，４２Ｂにより変形が拘束され易くなる。そのため、高い圧縮応力が期待できるので、接触熱伝達率を発生させることができる。
【００３５】
実施の形態３．
実施の形態３は、第２低減部材４２が第１低減部材４１の周囲を囲うように設けられた点が実施の形態１，２と異なる。実施の形態３では、この異なる点を説明し、同一の点については説明を省略する。
ここでは、実施の形態１の構成に変更を加えた例を説明する。しかし、実施の形態２の構成に変更を加えることも可能である。
【００３６】
図１１に示すように、第１ヒートパイプ群１１と第２ヒートパイプ群２１との接触面における中央部分に、第１低減部材４１が設けられる。そして、第２低減部材４２は、第１低減部材４１の周囲を囲うように設けられる。つまり、第２低減部材４２は、接触面のＸ軸方向における第１低減部材４１の両側だけでなく、接触面のＺ軸方向における第１低減部材４１の両側にも設けられる。
【００３７】
この構成により、ヤング率Ｅの低い第１低減部材４１は、第２低減部材４２によりＸ軸方向及びＺ軸方向への変形が拘束される。そのため、高い圧縮応力が期待できるので、高い接触熱伝達率を発生させることができる。
【００３８】
グラフォイル（登録商標）は、低減部材として耐放射線として人工衛星構体にも使用実績がある。グラフォイル（登録商標）を第２低減部材４２として用い、第１低減部材４１の周囲を囲むことにより、耐放射線能力がグラフォイル（登録商標）よりも劣るが、グラフォイル（登録商標）よりヤング率が低く、接触熱伝達率が高いマニオン５０αといった材料を第１低減部材４１に使用することが可能になる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  南北ペイロードパネル、１１  第１ヒートパイプ群、１２  ヒートパイプ、１３
フィン部、２０  水平パネル、２１  第２ヒートパイプ群、２２  ヒートパイプ、２３
フィン部、３１  ボルト、４１  第１低減部材、４２  第２低減部材、５１  発熱体、５２  冷却板、１００  構造体。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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