(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、
前記液体窒素供給装置から第１供給配管を通じて供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管を通じて前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出配管を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備えたフリーボイリング式宇宙環境試験装置であって、
前記第１供給配管に設けられた供給弁と、
前記第１供給配管と前記第２供給配管とを連結する初期冷却用配管と、
該初期冷却用配管に設けられた初期冷却用弁とをさらに有することを特徴とする宇宙環境試験装置。
【請求項２】
前記初期冷却用配管は、前記第１供給配管の最下部と前記第２供給配管の最下部とを連結し、前記第１供給配管と連結する最下部から前記第２供給配管と連結する最下部に向かって水平または上り傾斜となるように設置されていることを特徴とする請求項１記載の宇宙環境試験装置。
【請求項３】
前記シュラウドの温度または前記排出配管内の流体の温度を測定する温度測定部と、該温度測定部により測定された温度に基づいて前記初期冷却用弁の開度を制御する制御部とをさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の宇宙環境試験装置。
【請求項４】
前記シュラウドは分割されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の宇宙環境試験装置。
【請求項５】
真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、前記液体窒素供給装置から第１供給配管を通じて供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管を通じて前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出配管を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備えた宇宙環境試験装置の初期冷却方法であって、
前記第１供給配管と前記第２供給配管とを初期冷却用配管を介して連結し、前記ヘッドタンクを介さずに前記液体窒素供給装置から前記初期冷却用配管を通じて前記シュラウドに液体窒素を供給することで、該シュラウドを初期冷却することを特徴とする宇宙環境試験装置の初期冷却方法。
【請求項６】
前記シュラウドの温度または前記排出配管内の流体の温度を測定し、該測定した温度に基づいて前記初期冷却用配管を通じて前記シュラウドに供給する液体窒素の流量を制御することを特徴とする請求項５記載の宇宙環境試験装置の初期冷却方法。
【請求項７】
前記シュラウドは分割されていることを特徴とする請求項５または６に記載の宇宙環境試験装置の初期冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シュラウドに液体窒素を供給して冷却する宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法であり、特に、シュラウドの初期冷却において液体窒素の消費量を低減する宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙環境試験装置とは、真空容器内を宇宙環境に近い状態にし、人工衛星などの試験体を宇宙に送り出す前に地球上で動作確認などの試験を行うための装置である。
宇宙環境試験装置においては、一般的に、真空容器の内部にシュラウドと呼ばれる熱吸収壁を設置し、該シュラウドに液体窒素などの低温冷媒を供給して低温  （液体窒素を用いた場合には１００Ｋ以下）に冷却することで、真空容器内を宇宙環境に近い冷暗黒を模擬した状態にすることができる。【０００３】
従来の宇宙環境試験装置としては、例えば、特許文献１に開示されているフリーボイリング式（図４参照）でシュラウドを冷却するものがある。
図４に示すフリーボイリング式の宇宙環境試験装置４１においては、まず、液体窒素貯槽５から第１供給配管９を通じてヘッドタンク１５に液体窒素を供給する。次に、ヘッドタンク１５から第２供給配管１１を通じてシュラウド７に液体窒素を供給し、シュラウド７の初期冷却を開始する。なお、シュラウド７は真空容器３に配置されている。その後、シュラウド７が冷却されて液体窒素で満たされると、シュラウド７から排出配管１３を通じてヘッドタンク１５に液体窒素が排出されて溜まりだし、シュラウド７の初期冷却は完了する。
以後、ヘッドタンク１５の液面制御（液面が下がると液体窒素貯槽５から補給し、液面が上がると供給弁１７を閉じて液体窒素の供給を停止する）を行いながら、シュラウド７の熱負荷（液体窒素の蒸発量）に応じてヘッドタンク１５からシュラウド７に液体窒素が自動供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９４６９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のとおり、フリーボイリング式の宇宙環境試験装置４１におけるシュラウド７の冷却は、シュラウド７の上方に位置するヘッドタンク１５に液体窒素を溜め、該液体窒素の位置ヘッドで下方に位置するシュラウド７に自動的に液体窒素を供給する方式を採用している。そのため、従来はシュラウド７の初期冷却においても、ヘッドタンク１５を通じてシュラウド７に液体窒素を供給していた。
液体窒素は圧力が低いほど温度が低下する。そこで、液体窒素を大気圧下とするためにヘッドタンク１５は気体窒素放出配管２７を介して大気に通じている。これにより、ヘッドタンク１５内（供給弁１７の二次側）で液体窒素が大気圧まで減圧されてフラッシュ（ガス化）し、液体窒素の一部が気体窒素となりそのまま気体窒素放出配管２７を通じて大気に放出される。【０００６】
このとき、フラッシュ（ガス化）する液体窒素の割合は、液体窒素貯槽５からの液体窒素の供給圧力とヘッドタンクとの圧力差に依存し、該供給圧力が高いほどフラッシュ（ガス化）する割合は大きくなる。供給圧力が０．６ＭＰａＧの場合は約２３％、  ０．３ＭＰａＧの場合は約１５％に相当する液体窒素が気化して気体窒素となる。該気体窒素は顕熱を持って冷たいまま大気に放出されていた。
そのため、フラッシュした気体窒素の持つ低温の顕熱がシュラウド７の冷却に有効利用されずに無駄に捨てられることによって、初期冷却において液体窒素の消費量が多くなるという問題があった。【０００７】
また、ヘッドタンク１５から下方の第２供給配管１１に供給された液体窒素は、配管や機器等を冷却する。冷却する過程において液体窒素の一部が気化する。このため、気体窒素が第２供給配管１１内を逆流して上方に抜けてヘッドタンク１５に導入され、低温のまま大気に放出される場合もあった。
そして、冷たい気体窒素が大気に放出されると白煙（霧）が発生し、周囲環境に悪影響を及ぼす（視界不良、立木を枯らす、コンクリーとを壊す等の問題が発生する）。このため、白煙防止や加温対策として、窒素加湿器（熱交換器やヒーター）等の設置が必要であった。【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、フリーボイリング式の宇宙環境試験装置の初期冷却に際して、液体窒素が気化して生じる気体窒素の低温の顕熱を有効利用することで、液体窒素の消費量を低減できる宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、下記宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法を提供する。
（１）真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から供給される液体窒素により冷却されるシュラウドと、
前記液体窒素供給装置から第１供給配管を通じて供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管を通じて前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出配管を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備えたフリーボイリング式宇宙環境試験装置であって、  
前記第１供給配管に設けられた供給弁と、
前記第１供給配管と前記第２供給配管とを連結する初期冷却用配管と、
該初期冷却用配管に設けられた初期冷却用弁とをさらに有することを特徴とする宇宙環境試験装置。【００１０】
（２）上記（１）に記載の宇宙環境試験装置であって、前記初期冷却用配管は、前記第１供給配管の最下部と前記第２供給配管の最下部とを連結し、前記第１供給配管と連結する最下部から前記第２供給配管と連結する最下部に向かって水平または上り傾斜となるように設置されていることを特徴とする宇宙環境試験装置。【００１１】
（３）上記（１）または（２）に記載の宇宙環境試験装置であって、前記シュラウドの温度または前記排出配管内の流体の温度を測定する温度測定部と、該温度測定部により測定された温度に基づいて前記初期冷却用弁の開度を制御する制御部とをさらに有することを特徴とする宇宙環境試験装置。【００１２】
（４）上記（１）から（３）のいずれかの宇宙環境試験装置であって、前記シュラウドは分割されていることを特徴とする宇宙環境試験装置。【００１３】
（５）宇宙環境試験装置の初期冷却方法は、真空容器内に設けられ、液体窒素供給装置から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウドと、前記液体窒素供給装置から第１供給配管を通じて供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管を通じて前記シュラウドに供給するとともに、前記シュラウドから排出配管を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンクとを備えた宇宙環境試験装置の初期冷却方法であって、前記第１供給配管と前記第２供給配管とを初期冷却用配管を介して連結し、前記ヘッドタンクを介さずに前記液体窒素供給装置から前記初期冷却用配管を通じて前記シュラウドに液体窒素を供給することで、該シュラウドを初期冷却することを特徴とする宇宙環境試験装置の初期冷却方法である。【００１４】
（６）上記（５）に記載の宇宙環境試験装置の初期冷却方法であって、前記シュラウドの温度または前記排出配管内の流体の温度を測定し、該測定した温度に基づいて前記初期冷却用配管を通じて前記シュラウドに供給する液体窒素の流量を制御することを特徴とする宇宙環境試験装置の初期冷却方法である。【００１５】
（７）上記（５）または（６）に記載の宇宙環境試験装置の初期冷却方法であって、前記シュラウドは分割されていることを特徴とする宇宙環境試験装置の初期冷却方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の宇宙環境試験装置においては、第１供給配管に設けられた供給弁と、第１供給配管と第２供給配管とを連結する初期冷却用配管と、該初期冷却用配管に設けられた初期冷却用弁とを有し、前言己供給弁を閉じた状態かつ前記初期冷却用弁を開いた状態で、ヘッドタンクを介さずに液体窒素供給装置から前記初期冷却用配管を介してシュラウドに液体窒素を供給することで、該シュラウドを初期冷却するようにしたことにより、液体窒素が気化した気体窒素がシュラウドとヘッドタンクを経由して大気に放出されることで、シュラウドの初期冷却において液体窒素の潜熱と気体窒素の顕熱の双方を利用することができて液体窒素の消費量を低減することができるとともに、ヘッドタンクから気体窒素を放出する際に白煙の発生を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るフリーボイリング式の宇宙環境試験装置において初期冷却状態を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態に係るフリーボイリング式の宇宙環境試験装置において、初期冷却が完了した後にシュラウドを冷却する状態を説明する図である。
【図３】シュラウドが複数に分割された宇宙環境試験装置を示す図である。
【図４】従来のフリーボイリング式の宇宙環境試験装置を説明する図である。シュラウドが複数に分割された状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜宇宙環境試験装置＞
本実施形態に係る宇宙環境試験装置１は、図１に示すように、真空容器３内に設けられ、液体窒素貯槽５から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウド７と、液体窒素貯槽５から第１供給配管９を通じて供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管１１を通じてシュラウド７に供給するとともに、シュラウド７から排出配管１３を通じて排出された液体窒素を貯留するヘッドタンク１５とを備え、シュラウド７をフリーボイリング式で冷却することで真空容器３内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態にして試験を行う宇宙環境試験装置であって、上記第１供給配管９に設けられた供給弁１７と、第１供給配管９と第２供給配管１１とを連結する初期冷却用配管１９と、初期冷却用配管１９に設けられた初期冷却用弁２１とを有することを特徴とする宇宙環境試験装置である。
【００１９】
以下、初期冷却状態の宇宙環境試験装置１を示す図１と、初期冷却後を終えて試験を行うためにシュラウド７を冷却する状態の宇宙環境試験装置１を示す図２に基づいて、本実施形態に係る宇宙環境試験装置１の各構成について説明する。
【００２０】
≪真空容器≫
真空容器３は、内部を宇宙環境を模擬した状態にするものであり、人工衛星などの各種試験体が設置される。そして、真空容器３は、内部を高真空とするため、真空ポンプ（図示なし）により排気される。
【００２１】
≪液体窒素貯槽≫
液体窒素貯槽５は、宇宙環境試験装置１を用いて試験を行う際に、シュラウド７に液体窒素を供給して冷却する液体窒素供給装置である。
液体窒素貯槽５は、所定の供給圧力で液体窒素を供給できるものであればよく、真空断熱された二重壁構造の内部に液体窒素が貯液される。
なお、本実施形態に係る液体窒素貯槽５は、液体窒素の貯液量５００００Ｌクラス、供給圧力０．３ＭＰａＧであるが、液体窒素貯槽５の貯液量および供給圧力は、適宜選択すればよい。
【００２２】
本実施形態は、液体窒素供給装置として液体窒素貯槽５を用いるが、シュラウド７の冷却に必要な液体窒素の量、圧力等によって、適切な液体窒素供給装置が適宜選択される。
例えば、比較的小型の宇宙環境試験装置１では、液体窒素供給装置として小型可搬式液体窒素供給装置等が用いることができる。比較的大型の宇宙環境試験装置１では、液体窒素供給装置として大型の液体窒素貯槽等が用いることができる。しかし、液体窒素供給装置の種類の違いによって、本願発明の効果には影響はない。
【００２３】
≪シュラウド≫
シュラウド７は、真空容器３内に設けられ、液体窒素貯槽５供給される液体窒素により冷却される。液体窒素が供給されて所定温度（例えば１００Ｋ以下）に冷却されることで、真空容器３内を宇宙環境の冷暗黒を模擬した状態とする。
【００２４】
本実施形態に係るシュラウド７として、アルミニウム製のものを例示できる。もっとも、シュラウド７の材質に関しては１００Ｋ程度の低温を維持できるものであればよい。
また、本実施例（図１および図２）では、真空容器３内に設置されるシュラウド７は単体の例を示しているが、複数に分割されていても良い。（図３参照）
【００２５】
≪第１供給配管≫
第１供給配管９は、液体窒素貯槽５とヘッドタンク１５とを接続し、液体窒素貯槽５からヘッドタンク１５に液体窒素を供給する。図１および図２においては、第１供給配管９は、第１供給配管９ａおよび９ｂで構成されている。
【００２６】
なお、本実施形態に係る第１供給配管９は、そのサイズが５０Ａのものであるが、第１供給配管９のサイズは、シュラウド７のサイズや液体窒素の供給流量に応じて適宜選択すればよい。
【００２７】
≪第２供給配管≫
第２供給配管１１は、ヘッドタンク１５とシュラウド７とを接続し、ヘッドタンク１５に一時貯留した液体窒素をシュラウド７に供給する。図１および図２においては、第二供給管１１は、第２供給配管１１ａ及び１１ｂで構成されている。そして、一端側（第２供給配管１１ａ）がヘッドタンク１５の最下部に接続し、他端側（第２供給配管１１ｂ）がシュラウド７の下部に接続している。
シュラウド７が複数に分割されている場合は、第２供給管１１ｂをシュラウド数に応じて複数に分岐し、各シュラウドの下部（入口）にそれぞれ接続すれば良い。（図３参照）
【００２８】
第２供給配管１１には、図１および図２に示すように、液体窒素循環弁２３と弁箱２５とが設けられている。
液体窒素循環弁２３は、ヘッドタンク１５からシュラウド７ヘの液体窒素の供給と停止とを制御するものである。
また、弁箱２５は、その内部に液体窒素の供給流量を制御する流量制御弁（図示なし）が設置されている。
シュラウド７が複数に分割して設置されている場合、弁箱２５にはシュラウドの分割数に応じて流量制御弁が収容される。
【００２９】
本実施形態に係る第２供給配管１１は、そのサイズが１００Ａのものであるが、第２供給配管１１のサイズは、シュラウド７のサイズや熱負荷に応じて適宜選択すればよい。
【００３０】
≪排出配管≫
排出配管１３は、シュラウド７とヘッドタンク１５とを連結し、シュラウド７を冷却した後の液体窒素と気体窒素との混合流体をヘッドタンク１５に排出する。
シュラウド７が複数に分割されている場合は、排出配管１３はシュラウド数に応じて複数設け、それぞれ、各シュラウドの上部（出口）とヘッドタンク１５を連結すれば良い。なお、排出配管１３は、ヘッドタンク１５に接続する手前で合流させても良いが、個々にヘッドタンク１５に接続するのが好ましい。（図３参照）
【００３１】
≪ヘッドタンク≫
ヘッドタンク１５は、シュラウド７よりも鉛直方向上方に設置されている。ヘッドタンク１５は、液体窒素貯槽５から第１供給配管９を通じて供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管１１を通じてシュラウド７に供給するとともに、シュラウド７から排出配管１３を通じて排出された液体窒素と気体窒素との混合流体を貯留して、気液分離もする。
【００３２】
後述するように、ヘッドタンク１５には、一時貯留した液体窒素の液面高さを制御するために、液面計（図示なし）が設けられている。また、ヘッドタンク１５の上部には気体窒素放出配管２７が設けられている。ヘッドタンク１５の内部は、気体窒素放出配管２７を介して大気開放されている。
【００３３】
なお、本実施形態に係るヘッドタンク１５は、ステンレス製であり、液体窒素の貯液量は１０００Ｌであるが、ヘッドタンク１５の材質および貯液量は適宜選択できる。
【００３４】
≪供給弁≫
供給弁１７は、第１供給配管９ｂに設けられる。初期冷却においては、ヘッドタンク１５を介さずに液体窒素をシュラウド７に供給するために閉じられ、初期冷却が終わって試験を行う場合においては開かれる。
【００３５】
さらに、初期冷却を終え、ヘッドタンク１５の液面高さを制御してシュラウド７を冷却する場合、供給弁１７は、一時貯留される液体窒素の液面高さに応じて開閉動作する。供給弁１７の開閉は、例えば、ヘッドタンク１５に設置した液面計（図示なし）により測定した液面高さの出力信号により行うことができる。
【００３６】
このように、本実施形態に係る供給弁１７は、ヘッドタンク１５に貯留された液体窒素の液面高さを制御する液面制御弁（ＬＣＶ）としても機能する。しかしながら、供給弁はこれに限るものはなく、供給弁と液面制御弁とを第１供給配管９ｂに設けてもよい。
【００３７】
≪初期冷却用配管≫
初期冷却用配管１９は、第１供給配管９と第２供給配管１１とを連結する。ヘッドタンク１５を介さずに、液体窒素貯槽５からシュラウド７に液体窒素を供給してシュラウド７を初期冷却する。図１及び図２においては、第１供給配管９ａと第２供給配管１１ｂとを連結するように初期冷却用配管１９が設置されている。
【００３８】
初期冷却用配管１９は、第１供給配管９の最下部と第２供給配管１１の最下部とを連結し、第１供給配管９と連結する最下部から第２供給配管１１と連結する最下部に向かって水平または上り傾斜となるように設置することが望ましい。
これにより、初期冷却用配管１９および第２供給配管１１ｂ内で一部の液体窒素が気化しても、該気化した気体窒素は液体窒素とともにシュラウド７側に流れ、排出配管１３を通じてヘッドタンク１５から排出される。そのため、初期冷却用配管１９や第２供給配管１１ａ内を気体窒素が上昇して冷却用に供給される液体窒素の動き（流れ）を阻害する恐れが無い。また、第２供給配管１１ｂからシュラウド７を経てヘッドタンク１５に至る流れは、常に上り傾向となるように設置する事が望ましい。
【００３９】
≪初期冷却用弁≫
初期冷却用弁２１は、初期冷却用配管１９に設けられる。ヘッドタンク１５を介さずにシュラウド７に液体窒素を供給する場合、初期冷却用弁２１は開いた状態  （図１参照）となり、初期冷却を終えて試験を行う場合には、初期冷却用弁２１は閉じた状態（図２参照）となる。
【００４０】
本実施形態に係る宇宙環境試験装置１は、図１および図２に示すように、温度測定部２９と制御部３１とを具備することが好ましい。
温度測定部２９は、排出配管１３を通じてシュラウド７から排出される流体（液体窒素と気体窒素との混合流体）の温度を測定するものである。
制御部３１は、温度測定部２９で測定した温度に基づいて、初期冷却用弁２１の開度を制御する。
【００４１】
このように、温度測定部２９と制御部３１とを設け、温度測定部２９が測定した温度に基づいて制御部３１が初期冷却用弁２１の開度を制御することで、初期冷却用配管１９を通じてシュラウド７に供給される液体窒素の流量を制御し、初期冷却における冷却速度を一定以下に調整できる。
ここで、初期冷却において冷却速度を一定以下に調整することにより、急冷による配管類や機器に急激な熱歪みや、人工衛星等の試験体に熱衝撃が与えられることで生じる故障などのトラブル発生を防止できる。
【００４２】
なお、図１および図２において、温度測定部２９は、排出配管１３に設置されているが、シュラウドに設置してもよい。この場合においても、例えばシュラウド７上部に設置した温度測定部が測定した温度に基づいて制御部３１が初期冷却用弁２１の開度を制御することで、初期冷却における冷却速度を一定以下に調整できる。
【００４３】
また、シュラウド７が複数に分割されている場合、温度測定部２９は、それぞれの排出配管１３に設置してもよいが、それぞれのシュラウドに設置してもよい。いずれの場合でも、温度測定部２９が測定した温度に基づいて、制御部３１が弁箱２５内の第２供給管１１ｂに設置されるそれぞれの流量制御弁（図示なし）を制御する。これにより、複数のシュラウド間の温度を均一にしたり、冷却速度を調整したりすることができる。
【００４４】
＜初期冷却方法＞
次に、本実施形態に係る宇宙環境試験装置の初期冷却方法について、図１および図２に示す宇宙環境試験装置１の動作とともに説明する。
【００４５】
宇宙環境試験装置１の運転開始時は、第１供給配管９、第２供給配管１１、シュラウド７、排出配管１３、およびヘッドタンク１５は常温状態である。また、供給弁１７、液体窒素循環弁２３および初期冷却用弁２１は閉じた状態である。
【００４６】
まず、初期冷却用弁２１を開き、常温の第１供給配管９ａ、初期冷却用弁２１および第２供給配管１１ｂを介して、液体窒素貯槽５から液体窒素をシュラウド７に導入し、シュラウド７を冷却する。配管類や機器を冷却することによって液体窒素が気化する。生じた気体窒素は、シュラウド７を冷却した後、排出配管１３、ヘッドタンク１５及び気体窒素放出配管２７を通じて大気に放出される。
【００４７】
気体窒素放出配管２７から大気に放出される気体窒素は、常温の配管や機器との熱交換するため、略常温である。そのため、気体窒素の放出により、白煙が発生することも、周囲環境に悪影響を及ぼすことも無い。つまり、液体窒素貯槽５から供給された液体窒素の一部が気化することで生じる気体窒素の顕熱も、第２供給配管１１などの配管類や、シュラウド７などの機器の初期冷却に用いられる。
【００４８】
なお、第２供給配管１１やヘッドタンク１５内における圧力が一定となるように（例えば、設定圧力０．２ＭＰａＧ目安でＰＩＤ制御）、初期冷却用弁２１の開度を調整しても良い。
さらには、シュラウド７や排出配管１３の一部の温度を測定し、該測定した温度に基づいて初期冷却用弁２１の開度を制御することが好ましい。初期冷却用弁２１の開度を制御することで、シュラウド７に供給される液体窒素の流量が制御され、シュラウド７などの冷却速度を一定以下に調整することができる。
また、複数に分割されているシュラウドを冷却する場合には、各シュラウドの流量制御弁（図示なし）を制御することで、複数のシュラウド間の温度を均一にしたり、冷却速度を調整したりすることができる。
【００４９】
シュラウド７の初期冷却が進行し、シュラウド７上部（出口側）に設けた温度測定部（図示なし）により測定した温度が所定温度に達した時点で初期冷却用弁２１の制御を終了して閉じた状態とする。次いで、ヘッドタンク１５下に接続する第２供給配管１１ａに設けられた液体窒素循環弁２３を開いた状態とすると、第２供給配管１１ａに液体窒素が流れ、これによりシュラウド７は冷却される。
【００５０】
一般に、第２供給配管１１ｂ、シュラウド７及び排出配管１３の圧力損失は、第２供給配管１１ａの圧力損失よりも大きいので、初期冷却において第２供給配管１１ｂ、シュラウド７及び排出配管１３を先に冷却する。第２供給配管１１ａを先に冷却すると、第２供給配管１１ａの圧損が小さいため、液体窒素貯槽５からの液体窒素と、気化した気体窒素とが第２供給配管１１ａに流れてしまい、第２供給配管１１ｂ、シュラウド７及び排出配管１３を効果的に冷やせない懸念がある。
【００５１】
次いで、液体窒素循環弁２３を開いた状態としたまま、第１供給配管９における最上部（ヘッドタンク１５と同程度の高さ）に設けられた供給弁１７を開とすることにより、第１供給配管９ａから第１供給配管９ｂに液体窒素が流入して第１供給配管９ｂが冷却される。
【００５２】
第１供給配管９ｂが所定温度まで冷却されると、液体窒素貯槽５からの液体窒素は第１供給配管９ｂから供給弁１７を通じてヘッドタンク１５に供給される。ヘッドタンク１５自体が冷却され、ヘッドタンク１５内における液体窒素の貯液が進行し、ヘッドタンク１５に設けた液面計（図示なし）が所定レベルに達した時点でシュラウド７の初期冷却と貯液が完了する。ヘッドタンク１５内の液体窒素の液面を測定し、その液面が一定となるように供給弁１７の開度を調整する。
【００５３】
本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法において、ヘッドタンク１５は略大気圧力で運転できるので、液体窒素貯槽５からの液体窒素は大気圧力まで減圧されて低温となり、該低温になった液体窒素によって、シュラウド７は更に所定温度まで冷却される。
【００５４】
シュラウド７が所定温度まで冷却されると初期冷却は完了し、宇宙環境試験装置１を用いて試験を開始することができる。試験を行っている間は、シュラウド７に供給された液体窒素は、その顕熱が熱負荷に応じて消費されて気化する。シュラウド７内で生じた気体窒素は排出配管１３からヘッドタンク１５および気体窒素放出配管２７を通じて大気に放出されるとともに、シュラウド７で消費された分の液体窒素がヘッドタンク１５から第２供給配管１１を経由してシュラウド７に自動的に供給される。
【００５５】
なお、本実施形態に係る宇宙環境試験装置の初期冷却方法は、図１に示すように、排出配管１３に設けられた温度測定部２９により排出配管１３内の流体である、シュラウド７から排出される液体窒素と気体窒素との混合流体の温度を測定し、該測定した温度に基づいて初期冷却用弁２１の開度を制御することが好ましい。これにより、初期冷却における冷却速度を一定以下に調整できる。初期冷却用弁２１の開度は、例えば図１に示すように、温度測定部２９と、初期冷却用弁２１に接続された制御部３１とを用いて制御することができる。
【００５６】
排出配管１３に設置された温度測定部２９によりシュラウド７から排出される混合流体の温度を測定する実施形態を説明したが、本発明に係る宇宙環境試験装置の初期冷却方法は、シュラウド７に設置した温度測定部（図示なし）により測定した温度に基づいて初期冷却用弁２１の開度を制御するものであってもよい。
【００５７】
この場合においても、例えばシュラウド７上部に設置した温度測定部が測定した温度に基づいて制御部３１が初期冷却用弁２１の開度を制御することで、シュラウド７に供給する液体窒素の流量を制御することができ、初期冷却における冷却速度を一定以下に調整することができる。
また、複数に分割されているシュラウドを冷却する場合には、各シュラウドの流量制御弁（図示なし）を制御することで、複数のシュラウド間の温度を均一にしたり、冷却速度を調整したりすることができる。
【００５８】
本実施形態では、排出配管１３に設置した温度測定部２９やシュラウド７に設置した温度測定部（図示なし）、および制御部３１により、初期冷却用弁２１の開度を制御するとともに、ヘッドタンク１５内における圧力が一定となるように初期冷却用弁２１の開度を制御するが、これ以外の方法であっても良い。すなわち、初期冷却用弁２１を液体窒素の供給／停止を行うＯＮ／ＯＦＦ運用とし、弁箱２５の中に設置する流量制御弁（図示なし）を用いて液体窒素の流量制御を行っても良い。
【００５９】
また、シュラウド７が複数に分割されている場合は、初期冷却用弁２１を液体窒素の供給／停止を行うＯＮ／ＯＦＦ運用とし、弁箱２５内の第２供給管１１ｂに設置されるそれぞれの流量制御弁（図示なし）を用いて液体窒素の流量制御を行うのが好ましい。
【００６０】
本実施形態で使用する機器、配管、弁などは、それぞれ低温流体（液体窒素、ガス窒素）が流れるため断熱施工を必要とする。しかしながら、流体温度に応じた適切な断熱施工をすれば良く、真空断熱や常圧断熱などいずれの断熱方式であっても良い。
【００６１】
本実施形態では、弁箱２５の内部に第２供給配管１１ｂや液体窒素の供給流量を調整する流量制御弁（図示なし）を設置している。しかしながら、弁箱２５を用いずに、上記第２供給配管１１ｂや液体窒素の流量制御弁（図示なし）を直接断熱施工してもよい。
【００６２】
また、弁箱２５を用いない場合、第２供給配管１１ｂや液体窒素の供給流量を調整する流量制御弁（図示なし）を真空容器３の外に出さずに、真空容器３の中に収容しても良い。その場合、第２供給配管１１ｂや液体窒素の供給流量を調整する流量制御弁（図示なし）は真空内に設置され、真空断熱効果が得られる。このため、保冷材を用いる等の断熱施工は不要となる。このように、第２供給配管１１ｂを真空容器３の内部に収容する場合は、シュラウド７よりも下に配置することが好ましい。
【００６３】
なお、本実施形態では、温度測定部２９が測定した温度やシュラウド７に設置した温度測定部（図示なし）により、制御部３１が初期冷却用弁２１の開度を制御する。しかしながら、制御部３１を用いずに、手動で操作しても良い。すなわち、温度測定部２９の温度、シュラウド７に設置した温度、またはヘッドタンク１５内の圧力等から、初期冷却用弁２１や第２供給配管１１ｂに設置される液体窒素の流量制御弁（図示なし）を手動で操作して冷却速度等を調整しても良い。したがって、初期冷却用弁２１や第２供給配管１１ｂに設置される液体窒素の流量制御弁（図示なし）は、手動弁であっても良い。
【００６４】
次に、本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法による液体窒素の消費量と、従来の宇宙環境試験装置および宇宙環境試験装置の初期冷却法における液体窒素の消費量とを試算した結果を説明する。
【００６５】
まず、図４に示す従来技術の宇宙環境試験装置４１において、液体窒素貯槽５からヘッドタンク１５を介して液体窒素をシュラウド７に供給して初期冷却する場合における液体窒素の消費量は、以下のように推算できる。
【００６６】
液体窒素貯槽５から０．３ＭＰａＧで液体窒素をヘッドタンク１５に供給する場合、ヘッドタンク１５にて大気圧に減圧されることで、供給された液体窒素の１４．７％が気化される。気化した気体窒素は気体窒素放出配管２７を通じてそのまま大気に放出される。そのため、宇宙環境試験装置４１においては、シュラウド７に供給された液体窒素の蒸発潜熱により初期冷却される。
【００６７】
液体窒素の大気圧下における有効な蒸発潜熱は、１６９．６Ｊ／ｇである。そして、初期冷却においては、アルミ製のシュラウド７を常温３００Ｋから１００Ｋに冷却するときのシュラウド７の熱容量が約３．３ＧＪである場合、初期冷却において必要とされる液体窒素の消費量は、３．３Ｇ（Ｊ）／１６９．６（Ｊ／ｇ）＝１９４５８ｋｇとなる。
【００６８】
一方、本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法における液体窒素の消費量は、以下のように推算できる。
【００６９】
上述のとおり、液体窒素貯槽５から０．３ＭＰａＧで供給された液体窒素を大気圧に減圧すると、供給された液体窒素の１４．７％が気化して気体窒素となる。しかしながら、図１に示す本実施形態の宇宙環境試験装置１においては、ヘッドタンク１５を介さずに初期冷却用配管１９を通じてシュラウド７に液体窒素を供給する。このため、気化した気体窒素は大気に放出されることなく液体窒素とともにシュラウド７に供給されるので、気体窒素の有する低温の顕熱もシュラウド７や第２供給配管１１ｂの初期冷却に利用できる。
【００７０】
大気圧下における液体窒素の有効な蒸発潜熱は１６９．６Ｊ／ｇ、１００Ｋから常温３００Ｋの気体窒素の顕熱は２３４．０Ｊ／ｇであるので、利用できる寒冷は、液体窒素の蒸発潜熱と気体窒素の顕熱の和で与えられ、１６９．６（Ｊ／ｇ）＋２３４．０（Ｊ／ｇ）＝４０３．６Ｊ／ｇとなる。
そして、上記と同様に、アルミ製のシュラウド７を常温３００Ｋから１００Ｋに冷却する場合の熱容量が３．３ＧＪであるとすると、液体窒素の消費量は、３．３（ＧＪ）／４０３．６（Ｊ／ｇ）＝８１７６ｋｇとなる。
【００７１】
このように、本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法によれば、初期冷却に要する液体窒素の消費量を大幅に低減できる（上記の試算においては１９４５８ｋｇ→８１７６ｋｇに低減）。さらに、気体窒素を大気に放出する際に白煙の発生を少なくすることができる
【００７２】
本実施形態に係る宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法によれば、フリーイリング式の宇宙環境試験装置を初期冷却する際に、シュラウドに供給される液体窒素が減圧されて気化した気体窒素の持つ低温の顕熱を有効利用することができ、液体窒素の消費量を低減することができ、さらに、気体窒素を大気に放出する際に白煙の発生を少なくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法によれば、液体窒素の消費量を低減することができ、さらに、気体窒素を大気に放出する際に白煙の発生を少なくすることができる。
【符号の説明】
【００７４】
１  宇宙環境試験装置
３  真空容器
５  液体窒素貯槽
７  シュラウド
９、９ａ、９ｂ  第１供給配管
１１、１１ａ、１１ｂ  第２供給配管
１３  排出配管
１５  ヘッドタンク
１７  供給弁
１９  初期冷却用配管
２１  初期冷却用弁
２３  液体窒素循環弁
２５  弁箱
２７  気体窒素放出配管
２９  温度測定部
３１  制御部
４１  宇宙環境試験装置（従来技術）
【要約】
液体窒素の消費量を低減して初期冷却する宇宙環境試験装置および該宇宙環境試験装置の初期冷却方法を提供することを目的とし、本発明は、真空容器（３）内に設けられ、液体窒素貯槽（５）から液体窒素の供給を受けて冷却されるシュラウド（７）と、液体窒素貯槽（５）から第１供給配管（９）を通じて供給された液体窒素を一時貯留し、該一時貯留した液体窒素を第２供給配管（１１）を通じてシュラウド（７）に供給するとともに、シュラウド（７）から排出された液体窒素を貯留するヘッドタンク（１５）とを備えたフリーボイリング式宇宙環境試験装置であって、第１供給配管（９）に設けられた供給弁（１７）と、第１供給配管（９）と第２供給配管（１１）とを連結する初期冷却用配管（１９）と、初期冷却用配管（１９）に設けられた初期冷却用弁（２１）とをさらに有することを特徴とする宇宙環境試験装置を提供する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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