(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に部屋を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記部屋の中に配置された熱吸収材料と、
前記ハウジングの中に配置され、前記熱吸収材料内の熱分散を促進するように動作するヒートパイプとを備え、
更に複数のヒートパイプを含み、
前記ハウジングは、前記部屋の内部に延びて、内部に開口をそれぞれ有する複数の熱伝導性のリブを含み、
前記各開口は、前記ヒートパイプの各々を内部に有し、
前記部屋は、前記リブによって互いにほぼ分離した複数の部分を含み、
前記部屋は、前記ハウジング中に設けられ、前記部屋の前記部分間の流体伝達を促進する複数のチャネルを含むようにした装置。
【請求項２】
前記ハウジングは、一面側に設けられた複数の凹所を有する熱伝導性の第１部品を含み、前記部屋の前記各部分は前記凹所の各々の中にあり、
前記リブは、前記凹所の間に配置された前記第１部品の部分であり、
前記ハウジングは、前記第１部品の前記一面側に対向して配置された、熱伝導性の第２部品をさらに含み、
前記チャネルは、前記リブにおいて前記第２部品に隣接する側に設けられた横断溝であるようにした請求項１の装置。
【請求項３】
前記リブは、それぞれ異なる方向に放射状に延びており、
前記リブの前記開口は、放射状に延びており、
前記部屋の前記部分は、それぞれ扇形形状で、前記リブの各一対の間に配置されるようにした請求項１の装置。
【請求項４】
前記部屋と流体伝達する膨張蓄積器を含み、
該膨張蓄積器は、温度上昇に応じて前記熱吸収材料が膨張した場合に、前記部屋から前記熱吸収材料の一部を受け入れて、温度低下に応じて前記熱吸収材料が収縮した場合に、前記熱吸収材料の一部を前記部屋へ戻すようにした請求項１の装置。
【請求項５】
前記部屋の前記各部分において、多孔性材料から成る熱伝導性部材を含むようにした請求項１の装置。
【請求項６】
前記ハウジングおよび前記熱伝導性部材は、全て金属で形成され、
前記熱伝導性部材は、前記部屋を規定する前記ハウジングの表面にそれぞれ鑞（ろう）付けされるようにした請求項５の装置。
【請求項７】
前記熱吸収材料は相変化材料である請求項５の装置。
【請求項８】
前記ハウジングに連結され、前記ハウジングへ移送される熱を発生するアンテナシステムを含むようにした請求項１の装置。
【請求項９】
前記熱吸収材料は相変化材料である請求項１の装置。
【請求項１０】
前記各開口は、前記ハウジング中の通路を経由し、前記ハウジングの外部と連通する第１端部を有するようにした請求項１の装置。
【請求項１１】
前記各開口は、第１端部から遠く離れ、前記ハウジングの外表面を外側に貫通している第２端部を有するようにした請求項１０の装置。
【請求項１２】
内部に部屋を有し、熱が出入り可能な外表面を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記部屋の中に配置された熱吸収材料と、
前記ハウジングの材料内部に配置され、前記表面を横切る温度勾配を減少させるように、前記ハウジングの材料内部での熱分散を促進するように動作するヒートパイプとを備える装置。
【請求項１３】
前記熱吸収材料は相変化材料である請求項１２の装置。
【請求項１４】
前記ハウジングは、内部に開口を持つ熱伝導性部分を有し、前記開口は前記部屋と自由に連通するものであり、
前記ヒートパイプは、前記熱伝導性部分内の前記開口の中に配置されている請求項１２の装置。
【請求項１５】
更に複数のヒートパイプを含み、
前記ハウジングは、前記部屋の内部に延びて、内部に開口をそれぞれ有する複数の熱伝導性のリブを含み、
前記各開口は、前記ヒートパイプの各々を内部に有し、
前記更なるヒートパイプは、前記表面を横切る温度勾配を減少させるように、前記ハウジング内部での熱分散を促進するようにした請求項１２の装置。
【請求項１６】
前記各開口は、前記ハウジング中の通路を経由し、前記ハウジングの外部と連通する第１端部を有するようにした請求項１５の装置。
【請求項１７】
前記各開口は、第１端部から遠く離れ、前記ハウジングの外表面を外側に貫通している第２端部を有するようにした請求項１６の装置。
【請求項１８】
前記ハウジングの前記表面に係合し、前記表面を通じて前記ハウジングへ移送される熱を発生するアンテナシステムを含むようにした請求項１２の装置。
【請求項１９】
前記熱吸収材料内の前記部屋において、多孔性材料から成る熱伝導性部材を含むようにした請求項１２の装置。
【請求項２０】
前記ハウジングおよび前記熱伝導性部材は、全て金属で形成され、
前記熱伝導性部材は、前記部屋を規定する前記ハウジングの表面に鑞（ろう）付けされるようにした請求項１９の装置。
【請求項２１】
前記熱吸収材料は相変化材料である請求項１９の装置。
【請求項２２】
熱吸収材料を収容する部屋を内部に有するハウジングへ、前記ハウジングの外表面を通じて熱を移送するステップと、
前記熱を前記ハウジングの材料内部に分散させるステップであって、前記ハウジングの材料内部に設けたヒートパイプを使用して、前記表面を横切る温度勾配を減少させるように、前記熱の分散を促進するステップを含むステップと、
前記熱吸収材料に前記熱を吸収させるステップとを備える冷却方法。
【請求項２３】
前記熱吸収材料として相変化材料を使用するステップを含む請求項２２の方法。
【請求項２４】
前記部屋に、熱伝導性で、前記熱吸収材料と接触する多孔性材料を設けるステップを含む請求項２３の方法。
【請求項２５】
温度勾配を減少させるように、前記熱を分散させる前記ステップは、複数のヒートパイプを用いて実行するようにした請求項２２の方法。
【請求項２６】
前記熱を分散させる前記ステップは、熱伝導性であって、前記部屋内にそれぞれ延びる複数のリブを前記ハウジングに設けるステップと、
前記各リブの中に前記ヒートパイプをそれぞれ設けるステップとを含むようにした請求項２５の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、一般には冷却装置に関し、特に相変化(phase change)材料を含み、位相アレイ(phased array)アンテナシステムでの使用に好適な冷却装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
位相アレイアンテナシステムは、人工衛星でしばしば使用され、例えば人工衛星と地球上の地上局との間の通信を提供する。人工衛星がその軌道上を周回する際、人工衛星アンテナシステムが地上局と通信可能な軌道部分と、地球の曲率(curvature)がこうした通信を妨げる軌道部分とがある。その結果、アンテナシステムは、該軌道部分では動作し、他の軌道部分では動作しなくなる。
【０００３】
位相アレイアンテナシステム向け設計の技術水準は、小型マイクロ波集積回路(MMICs)の使用を含み、これはアンテナ素子にごく接近して位置決めされる。小型マイクロ波集積回路とアンテナ素子との接近は、アンテナシステムでの無線周波数(radio frequency)信号における位相遅延を減少させるのを助ける。他方、小型マイクロ波集積回路の構成部品は、実質的な量の熱を発生する。もし適切に冷却しなければ、これはアンテナ動作を妨害することがある。特に、アンテナアレイを横切る温度勾配(temperature gradients)は最小化しなければならず、その理由として重大な温度勾配は、アンテナシステムでの電気無線周波数信号に位相エラーを導入するからであり、これはアンテナ動作中にエラー及び／又は不正確さをもたらす。
【０００４】
このことに関して、アレイの動作速度が増加するにつれて、アレイを横切る最大許容温度勾配は減少する。例えば、位相アレイが約５ＧＨｚの周波数で動作する場合、アレイを横切る最大許容温度勾配は約２０℃である。これに対してアレイが約８０ＧＨｚの周波数で動作する場合、アレイを横切る最大許容温度勾配は、たった約１．３℃である。もしアレイを横切る最大許容温度勾配が適切な限度内に収まらなければ、動的な位相エラー補償制御を行うために、アンテナシステムに追加の回路要素を設ける必要がある。当然ながら、この追加の補償回路要素は、位相アレイの複雑さ、コストおよび重量を助長する。このように効率的かつ有効な冷却装置を有することが望まれる。
【０００５】
人工衛星の特有な環境において、こうした冷却装置を用意することは、幾つかのかなり厳密な設計基準を伴う。冷却装置は、比較的コンパクトで軽量でなければならず、さらに、高い信頼性があり、比較的メンテナンスフリーである必要がある。１つの先行的手法は、ハウジングを含んだ冷却装置に部屋(chamber)を内部に設けたことであり、部屋は相変化材料および熱伝導性の多孔性材料を収容する。こうした冷却装置は、一般に、意図した目的には充分であったが、全ての点で満足するものではなかった。
【０００６】
より具体的には、アンテナシステムの表面を横切る温度勾配を所望の限度内に維持するのに充分なレベルの冷却を達成することは、特に動作周波数が増加するにつれて、必ずしも可能でなくなる。その結果、上述したように、動的な位相エラー補償を行うために、アンテナシステムに特別な追加の回路要素を設けることが必要になり、そのためにアンテナシステムの複雑さ、コストおよび重量を助長する。さらに、大規模及び／又は高出力のシステムであるアンテナシステムに関しては、電気素子の接合部を、正確で信頼ある動作を保証するのに充分に低い温度に維持するため、既知の冷却装置は必ずしも充分に効率的な冷却を提供することができない。ある結果は、アンテナシステム全体の正確さ及び／又は信頼性を低下させるものである。
【０００７】
（発明の概要）
上述から、コンパクトで軽量、信頼性があり、冷却される素子を横切る温度勾配を堅実に正確に最小化でき、しかも既存の冷却装置よりも卓越した冷却能力を提供する冷却装置を用いて、効率的かつ有効な冷却を提供するための方法および装置のニーズが生ずるものと理解されるであろう。
【０００８】
本発明に従えば、このニーズに取り組み、関与するために、ある方法および装置が用意され、即ち、熱吸収材料を収容した部屋を内部に有するハウジングに熱を移送し、熱吸収材料内の熱を分散し、ハウジング内のヒートパイプの使用によって熱の分散を促進し、熱吸収材料に熱を吸収させる。
【０００９】
添付図面と共に下記の詳細な説明から本発明はより深く理解されるであろう。
【００１０】
（発明の詳細な説明）
図１は、本発明を具体化する冷却装置１０の概略的な分解斜視図である。冷却装置１０は、２つのハウジング部品１２，１３で規定されるハウジングを含む。冷却装置１０は、さらに、ハウジング内に配置された複数の扇形形状の多孔性(porous)部材を含み、これらのうち２つが図１の符号１７，１８で示されている。ハウジング部品１２，１３および多孔性部品１７，１８は、後でより詳しく説明する。冷却装置１０はまた、相変化(phase change)材料を含み、これは多孔性部材１７，１８の中の空隙(voids)に配置されており、図１では別個に見えていない。冷却装置１０はまた、３つの膨張蓄積器(expansion accumulator)を含み、これは図１では描かれていないが、後でより詳しく説明する。
【００１１】
開示した実施形態において、ハウジング部品１２，１３は熱伝導性材料でそれぞれ形成される。ハウジング部品１２，１３の熱伝導性材料は、冷却装置１０によって冷却されるべきシステムまたは装置とほぼ一致する熱膨張係数を有するように選択される。開示した実施形態では、ハウジング部品１２，１３はアルミニウムでそれぞれ形成される。しかしながら、その代わりに他の熱伝導性材料も使用可能であり、例えば、ハウジングがアルミニウムと異なる熱膨張係数を有するようなものでもよい。例えば、ハウジング部品は、代替としてアルミニウムシリコンカーバイド(AlSiC)で形成してもよい。
【００１２】
図２は、組立て状態での冷却装置１０の側面図である。図３および図４は、図２中のライン３−３およびライン４−４にそれぞれ沿った、冷却装置１０の概略的な部分正面図および部分背面図である。図３は、実際にはハウジング部品１３無しの冷却装置１０の図である。
【００１３】
図３を参照すると、ハウジング部品１２は、アルミニウム製の単一で無垢の部材であり、ほぼ円盤形状を有する。ハウジング部品１２は、８個の扇形形状の凹所２１〜２８を有し、これらはハウジング部品１３に面する側に機械加工されている。凹所２１〜２８は、ハウジングの反対面には開口していない。円柱状のハブ部３１は、円盤形状のハウジング部品１２の中心に同軸上に配置され、凹所２１〜２８はハブ３１周りの円周に沿って均等な間隔で分布する。ハウジング部品１２はまた、凹所２１〜２８の外周面に沿って延びる環状のリム部３２を有する。ハウジング部品１２は、さらに８個のリブ４１〜４８を有し、これらはハブ３１からリム部３２に向かって、凹所２１〜２８のうちの各一対の間を放射状に延出している。各リブ４１〜４８は、２つの溝またはチャネル５２，５３を有し、これらはハウジング部品１３に面する側であってリブの反対端部に設けられる。チャネル５２，５３は、凹所２１〜２８の各一対の間の流体伝達を提供し、これらは当該リブの反対側に設けられる。溝５２は、ハブ３１に隣接した各リブの放射端部に設けられ、溝５３は、リム部３２に隣接した各リブの放射端部に設けられる。凹所２１〜２８および溝５２，５３は、集合的にハウジング内の部屋(chamber)を規定する。
【００１４】
リム部３２の内側でハウジング部品１２の正反対側には、内側に突出した２個の半円柱状のリッジが設けられ、これらは各整列ピン５６，５７を受け入れ、軸方向に延びた開口を内部に有する。整列ピン５６，５７は、後述のように、ハウジング部品１３に設けられる。
【００１５】
リム部３２の外側には、放射状に外側に延出した８個の突出部６１〜６８が設けられ、リブ４１〜４８の各々とともにそれぞれ周方向に配列される。リム部３２の外側はまた、外側に突出した３個の凸部７２〜７４を有し、凸部７２は突出部６２，６３の間に配置され、凸部７３は突出部６４，６５の間に配置され、凸部７４は突出部６６，６７の間に配置される。凸部７２〜７４は、それぞれ外側に面した平坦な表面７６〜７８を上面に有する。２つの突出部８１，８２は、リム部３２から外側に放射状に突出し、突出部６１，６８の間に配置される。さらに、リム部３２は、外側に突出した４個のタブ８６〜８９を有し、これらは周方向に沿って均等な間隔で設けられ、それぞれ軸方向の貫通した開口を有する。
【００１６】
図５は、図３中のライン５−５に沿った部分側面図である。図４と図５を参照して、中心の軸方向の通路９２は、ハウジング部品１３から反対にあるハウジング部品１２の側から円柱状のハブ３１の中に同軸で延びている。通路９２は、ハウジング部品１３の近い位置まで延びているが、ハウジング部品１３に面するハウジング部品１２の側には貫通していない。
【００１７】
放射状に延びる各リブ４１〜４８は、貫通するように延長した放射状の開口１０１〜１０８をそれぞれ有する。開口１０１〜１０８は、半径内側端部で通路９２とそれぞれ連通し、突出部６１〜６８の各々の半径外側端部で貫通している。関連した突出部６１〜６８の内部にある各開口１０１〜１０８の部分は、開口の残部よりも少し大きい直径を有し、内側にねじ山が形成される。不図示のねじ付鋲(stud)が、各開口１０１〜１０８の外側端部に設けられ、例えば、符号１１２で示される。しかしながら、鋲１１２は任意である。開示した実施形態では、鋲１１２は存在せず、図４で破線で示している。
【００１８】
図２と図４を参照して、３個の開口１１６〜１１８は、凸部７２〜７４の各々を中心で通過するようにそれぞれ延びており、リム部３２をも通過している。開口１１６〜１１８は、凸部７２〜７４の外端部に設けられた表面７６〜７８の各々を貫通している。さらに、開口１１６〜１１８は、凹所の半径外側端部で凹所２３，２５，２７の各々の中に開いている。図２でよく見えるように、４個のねじ孔１２１〜１２４が、各開口１１６〜１１８の周りに周方向に分布している。ねじ孔１２１〜１２４は盲孔であり、ハウジング部品１２の内側と連通していない。図２でよく見えるように、各突出部８１，８２は、半径方向に延出する充填孔１２７〜１２８をそれぞれ有し、各充填孔１２７〜１２８は半径内側端部でハウジング部品１２の凹所２１と連通して、その半径外側端部で、関連した突出部８１，８２の半径外側端部にある表面を貫通している。充填孔１２７〜１２８は、適切なボルトや鋲（不図示）で封止可能なようにねじ山が形成される。その代わりに、当業者に知られたタイプの圧入栓で封止してもよい。
【００１９】
図３を参照して、凹所２１，２３〜２５，２７〜２８は、扇形形状の多孔性部材１７の各々を内部に有し、凹所２２，２６は、扇形形状の多孔性部材１８の各々を内部に有する。多孔性部材１７，１８の相違点は、各多孔性部材１７が半径外側表面に幅広で浅い横断溝１３２を有する点である。上述したように、多孔性部材１７，１８はアルミニウム発泡体(foam)でそれぞれ形成される。開示した実施形態では、各多孔性部材１７，１８で占められる有効体積は１５％のアルミニウムであり、８５％は空隙である。多孔性部材１７，１８にとって適切な材料は、カリフォルニア州、オークランド市、ＥＲＧマテリアル・アンド・エアロスペース社(ERG Materials and Aerospace Corporation)から商標デュオセル(DUOCEL)で商業的に入手可能である。多孔性部材１７，１８は、全ての外側表面がハウジング部品１２またはハウジング部品１３のいずれかに係合するような寸法であり、多孔性部材１７の溝１３２の内面はいずれのハウジング部品とも係合していない。
【００２０】
図１と図４でよく見えるように、ハウジング部品１３はアルミニウム板である。複数の開口１３３が、ハウジング部品１３を周端部に沿って間隔をあけた位置で貫通している。さらに、ハウジング部品１３は、上述した２個の整列ピン５６，５７を含み、これらはアルミニウム板１３の対向側近くに配置され、板１３に固定的に搭載された一端をそれぞれ有し、ハウジング部品１２に向かって突出している。特に、図３と図５でよく見えるように、ピン５６，５７は、ハウジング部品１２のリム部３２の内面にあるリッジ内に設けられた各開口の中に延出している。図示した実施形態では、ハウジング部品１２，１３は、ハウジング部品を互いに封止的に固定するために、互いに真空鑞（ろう）付け(vacuum brazed)される。ピン５６，５７は、互いに鑞（ろう）付けするまで、ハウジング部品１２，１３の整列を維持する。鑞（ろう）付けプロセスの間、各多孔性部材１７，１８の外表面は、金属板１３の表面、放射リブ４１〜４８の表面および各凹所２１〜２８の背面を含むハウジング表面に鑞（ろう）付けされる。
【００２１】
放射状の各開口１０１〜１０８は、ヒートパイプをそれぞれ内側に有し、そのうち１つが図４の符号１４１で示される。適切なヒートパイプ１４１は、商業的に入手可能であり、その一例は、メリーランド州、ハントバーレー(Hunt Valley)のダイナサーム社(Dynatherm Corporation)からダイナサーム(Dynatherm) 0476-1000として入手できる。開示した実施形態でのヒートパイプ１４１は、アルミニウム製のケーシングを有し、アンモニアまたはペンタンで充填されている。図４は、挿入位置でのヒートパイプ１４１を示す破線を有する。ヒートパイプ１４１の半径外側端部は符号１４２でかしめられている。かしめ(crimp)１４２は、製造時に形成されるヒートパイプ１４１の構造の固有部分であり、特に充填後にヒートパイプ１４１を封止するためのものである。
【００２２】
開示した実施形態での各リブ４１〜４８は、放射状の開口１０１〜１０８を内部に有し、放射状開口の中に１つのヒートパイプ１４１を有する。しかしながら、１つ以上の放射状開口およびヒートパイプを各リブ４１〜４８に設けてもよいことは理解できるであろう。
【００２３】
開示した実施形態では、各ヒートパイプ１４１は、関連した開口１０１〜１０８の内部に熱伝導性のエポキシ接着剤（不図示）で固定される。ヒートパイプ１４１の保持に加えて、熱伝導性接着剤は、ヒートパイプ１４１のケーシングと、ヒートパイプ１４１が内設されて、関連したアルミニウム製リブ４１〜４８との間の熱伝達を促進する。開示した実施形態の目的のために、適切な熱伝導性のエポキシ接着剤は、非ガス排出または低ガス排出の接着剤、例えばMIL-A-46146 RTV coatingなどが、ミシガン州、ミッドランド市のダウ・コーニング(Dow Corning)社から商業的に入手可能である。
【００２４】
熱伝導性エポキシの代わりに周知の熱グリースで代用することも代替的に可能である。適切な熱グリースは、マサチューセッツ州、ベヴァリー市のウェークフィールド・エンジニアリング(Wakefield Engineering)社からウェークフィールド(Wakefield)120 熱グリース(thermal grease)として商業的に入手可能である。ある応用では、例えば大気圏外空間の真空において、熱グリースは流れたり蒸発する傾向を有することがある。そのため開示した実施形態は、熱グリースよりもむしろ熱伝導性エポキシ接着剤を使用している。しかしながら、ある応用では、ヒートパイプ１４１の引抜きが可能という利点があるため、熱グリースも満足なものとなる。熱伝導性エポキシ接着剤の代わりに熱グリースを使用した場合、関連したヒートパイプ１４１およびその熱グリースを適切な位置に維持するために、各ねじ付鋲１１２が各開口１０１〜１０８の外端部の中にねじ込まれる。
【００２５】
ハウジング部品１２のハブ３１内の通路９２は、関連したヒートパイプ１４１が中に挿入される際、空気が各開口１０１〜１０８から逃げるのを許容する。エポキシ接着剤は、本来、ヒートパイプ１４１の周囲に気密シールを確立するものであり、通路９２が存在しないと、各開口１０１〜１０８の内端部での空気が閉じ込められて圧縮され、液圧シリンダのピストンと同様に、ヒートパイプ１４１を半径外側に押し出そうとする。この問題を回避するため、通路９２は、空気が開口１０１〜１０８から逃げるのを許容する。いったんヒートパイプ１４１が装着されると、通路９２は適切な方法で封止される。例えば、通路９２はねじ山を形成して、ねじ付鋲（不図示）を通路９２の中に挿入してもよい。その代わりに、当業者に知られたタイプの圧入栓を通路９２の中に挿入してもよい。
【００２６】
図６〜図８は、膨張蓄積器(expansion accumulators)１５１を示し、これは商業的に入手可能な装置である。開示した実施形態での膨張蓄積器１５１は、フロリダ州、デートナビッチ市のイージー・アンド・ジー(EG & G)社から部品番号59450として入手できる。膨張蓄積器１５１は、矩形状の板１５２と、板１５２に対して垂直に延びて、その片面に固定された円筒状の筒１５３とを含む。板１５２は、貫通した中央の開口１５６を有し、筒１５３の内側と連通する。板１５２は、筒１５３の反対側に環状の溝１５７を有し、開口１５６の周りに同心円状に延びている。溝１５７は、シリコンゴム製の標準的なＯリングを内側に有し、明瞭さのため図７および図８から省略されている。板１５２は、貫通した４個の孔１６１〜１６４を有し、開口１５６の周りの周縁に沿って間隔をあけた位置に設けられる。
【００２７】
図６と図８を参照して、筒１５３は、板１５２から遠い端部において半径内側方向に突出した環状のフランジ１６７を含む。膨張蓄積器１５１は、筒１５３の内部において、フランジ１６７に気密的に連結した一端を持つ筒状のベローズ１６８を含む。ディスク１６９は、ベローズ１６８の反対端に気密的に連結して、筒１５３の内部において軸方向に移動可能である。ディスク１６９が筒１５３の内部において軸方向に移動すると、ベローズ１６８は伸縮する。
【００２８】
３個の膨張蓄積器１５１が、ハウジング部品１２に取り付けられる。詳細には、図３は、膨張蓄積器１５１の１つが凸部７３に対してどのように連結するかを示す破線を有する。この点に関して、板１５２は、凸部７３の上の表面７７に隣接して配置される。４個のねじ（不図示）が、板１５２の孔１６１〜１６４の各々を通過して、凸部７３に設けられたねじ孔１２１〜１２４の各々にねじ止めされる（図２）。環状の溝１５７に設けられたＯリング（不図示）は、凸部７３の上の表面７７に係合して、蓄積器１５１とハウジング部品１２との間のシールを形成する。他の２個の膨張蓄積器１５１は、同様に、凸部７２，７４に取り付けられる。
【００２９】
上述したように、ハウジング部品１２，１３は、知られたタイプの相変化(phase change)材料を内部に有する。より具体的には、上述した装置１０の種々の構成部品の組立てでは、相変化材料は一般には流体状で、図２の突出部８１，８２に設けられた充填孔１２７〜１２８を通ってハウジング内に導入される。上述したように、凹所２１〜２８およびチャネル５２，５３は、ハウジング内の部屋を規定し、部屋の全スペースの約１５％が多孔性部材１７，１８の材料によって占められる。こうして相変化材料が充填孔１２７，１２８の一方または両方を経由して導入されると、凹所２１〜２８およびチャネル５２，５３を通って流れて、ついには多孔性部材１７，１８によって既に占有されていた以外の凹所およびチャネルの内部にある全てのスペースを実質的に充填する。これに伴って、空気が部屋内から開口１２７，１２８を通って逃げて、相変化材料と置換される。部屋内のほぼ全ての空気が相変化材料に置き換わると、開口１２７，１２８は、例えば適切なねじ付き鋲やねじを挿入することによって封止される。
【００３０】
相変化材料は容易に熱を吸収するが、それ自体は良好な熱伝導体ではない。従って、アルミニウム発泡体は、ハウジングの部屋中に配置された相変化材料の内部にある熱の分散を促進する。適切な相変化材料は商業的に入手可能である。開示した実施形態では、相変化材料はＣ１６Ｈ３４を含むｎ−ドトリアコンタン(n-Dotriacontane (A-32-99))であり、コネティカット州、ノースヘブン市のハンフリー・ケミカル社(Humphrey Chemical Company)から商業的に入手可能である。
【００３１】
図９と図１０は、図１〜図８の符号１０で開示されたタイプの２つの冷却装置を含むアンテナシステム１７９の概略的な分解斜視図である。より具体的には、アンテナシステム１７９は、２つのハウジング部品１８１，１８２を含み、これらはハウジング部品１２と同様な構造のものである。さらに、アンテナシステム１７９は、単一の板１８３を有し、これは各ハウジング部品１８１，１８２の間に配置されて鑞（ろう）付けされ、図１〜図８の実施形態でのハウジング部品１３に対応する。第１組の多孔性部材１８６はハウジング部品１８１の中に設けられ、第２組の多孔性部材１８７はハウジング部品１８２の中に設けられる。板１８３がこれら２つの冷却装置間で共有される点を除いて、冷却装置は、図１〜図８に関連して上述した冷却装置１０とそれぞれ実際上は同等でもよい。位相アレイアンテナシステム１８９は、ハウジング部品１８１のハウジング部品１８２から反対側に搭載される。アンテナ１８９は、複数のアンテナ素子を含み、アンテナ素子とともに電気的に協同する回路要素（不図示）も同様に含む。不図示の回路要素は、小型マイクロ波集積回路(MMICs)を含んでもよく、これは動作中に実質的な量の熱を発生する。図９と図１０で示した二重冷却装置は、アンテナシステム１７９の動作中にこの熱を吸収するために設けられる。明確さのため、図９と図１０は二重冷却装置の全ての構成要素を示していない。しかしながら、共通の板１８３が２つの冷却装置間で共有される点を除いて、各冷却装置は図１〜図８に関連して上述した冷却装置１０とそれぞれ実際上は同等でもよい。
【００３２】
図１〜図８の冷却装置１０の動作は、次のとおりである。熱が冷却装置１０の中に導入されると、典型的には、ハウジング部品１２から反対にあるハウジング部品１３の表面、またはハウジング部品１３から反対にあるハウジング部品１２の表面に熱が印加される。ハウジング部品１２，１３および多孔性部材１７，１８は互いに鑞（ろう）付けされ、これらの部品が全てアルミニウム製であることから、熱はこれらの部品内で分散するようになる。リブ４１〜４８中のヒートパイプは、各リブに沿って比較的均等な熱分散を促進するのに役立つ。
【００３３】
ハウジング部品１２，１３との接触によって、中にある多孔性部材１７，１８およびハウジング内の相変化材料は熱を吸収する。特に、上述したように、相変化材料は熱を吸収するが、それ自体格別良好な熱伝導体ではない。多孔性部材１７，１８は相変化材料の隅々まで熱分散を促進し、熱が相変化材料自体を通ってはるか遠くまで流れるのを必要としない。相変化材料は、熱を吸収する際、相を変化させる。
【００３４】
冷却装置１０は、アンテナシステムによって熱が間欠的な周期で発生するという応用での使用が予定される。例えば、人工衛星において、冷却装置１０によって冷却されるアンテナシステムは、軌道の選ばれた部分、即ちアンテナ地上局との妥当な直線ライン通信を有する部分で動作可能なものでもよい。こうして軌道の一定の部分では、アンテナシステムは冷却装置１０によって吸収される熱を発生し、軌道の別の部分では、アンテナシステムはアイドル状態となって、冷却装置１０は以前に吸収した熱をゆっくりと放出する。
【００３５】
もし相変化材料が、相変化後も熱を吸収し続けると、ついには体積膨張を始めることになる。冷却装置１０は、予定した動作条件下では相変化材料にとって殆どあるいは全く意味がない体積膨張となるように設計される。しかしながら、異常な状況では、冷却装置１０は、通常設計された吸収よりも多量の熱を吸収することが必要となるであろう。このことが３つの膨張蓄積器１５１を設ける理由である。特に、もし冷却装置１０が、相変化材料が著しく体積膨張を開始するのに充分な熱を吸収すると、相変化材料が膨張蓄積器１５１に流れ込んで、詳細には、各膨張蓄積器１５１のディスク１６９を半径外側に押圧することによって、関連した筒状のベローズ１６８が圧縮される。このことは、内部圧力の増強を回避することによって、冷却装置１０への損傷を回避する。冷却装置１０が最終的に冷えると、膨張蓄積器１５１に流れ込んでいた相変化材料は、筒状ベローズ１６８の弾力によってハウジングの中に戻されることになる。
【００３６】
図４を参照して、上述したように、凹所２１，２３，２５，２７での多孔性部材１７は溝１３２を中に有する。これらの多孔性部材の溝１３２は、開口１１６〜１１８を通過し、充填孔１２７，１２８を通過する相変化材料の流通を促進する。凹所２４，２８での多孔性部材１７もまた溝１３２を有するが、ハウジングのリム部３２の内面上に設けられた半円柱状のリッジを収容するためである。凹所２２，２６での多孔性部材１８は溝１３２を有しない。これはハウジング部品１２のリム部３２に接触する多孔性部材１８および相変化材料の表面積を最大化するためであり、ハウジングおよび相変化材料の中の熱分散を促進するためである。
【００３７】
本発明は、多くの技術的利点を提供する。特に、開示された冷却システムによって冷却される領域を横切る熱勾配は、ヒートパイプなどの構造的特徴によって最小化される。システムが、特に位相アレイアンテナシステムを冷却するために使用される場合、熱勾配の低減は、アンテナシステムでの無線周波数信号における位相エラーの減少を提供し、回路要素自体での動的な位相補償の必要がなくなり、次いでアンテナシステムの回路要素の複雑さとコストを低減する。更なる考慮事項は、開示された冷却システムがコンパクトで軽量なことであり、それゆえ人工衛星などの応用に使用するのに極めて適切であり、さらに今まで知られた同程度のサイズと重量の人工衛星冷却システムより良好な冷却を提供する。
【００３８】
もう１つの利点は、開示された冷却装置が位相アレイアンテナシステムの背面に位置決め可能なことであり、こうしてアンテナシステムの電気的かつ無線周波数設計から独立して冷却システムの熱設計を最適化できる。さらに他の利点は、冷却装置が同程度の既存システムよりも高いレベルの熱散逸を冷却できることであり、これによって冷却される回路装置での過度の接合温度を回避し、次いで電気構成要素の低い故障および高い信頼性をもたらす。
【００３９】
１つの実施形態を図示して詳細に説明したが、本発明の範囲から外れることなく種々の置換、代替が可能であると理解されよう。例えば、開示した実施形態において、放射状のリブは１つのヒートパイプをそれぞれ含むが、各リブにより多くのヒートパイプを設けることも可能である。更なる例は、開示した実施形態ではヒートパイプおよび関連したリブが放射状に延びるように配列されたが、リブ及び／又はヒートパイプの幾つか別の構成を設けてもよい。さらに他の例は、開示した実施形態でのヒートパイプをリブ内部に設けたが、これらをある別の手法でハウジングの中に組み込むことも可能であろう。
【００４０】
さらに他の例は、開示したハウジングの内部にある部屋が、実質的に分離し、幾つかのチャネルを経由して互いに連通する幾つかの部分あるいは凹所からなる形態で構成されたが、ハウジングは、実質的に分離した部分に分割することなくリブが部屋内で延びるように構成してもよい。さらに他の例として、開示した実施形態では、開示した実施形態は幾つかの膨張蓄積器を含むが、異なるタイプの装置を使用して膨張を許容したり、一定の用途では膨張蓄積器を省いてもよい。下記クレームによって規定されるように、本発明の精神および範囲から外れることなく別の置換や代替も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を具体化する冷却装置の概略的な分解斜視図である。
【図２】  図１の冷却装置の分解していない構成での概略的な側面図である。
【図３】  図２中のライン３−３に沿った、冷却装置の部分正面図である。
【図４】  図２中のライン４−４に沿った、冷却装置の部分背面図である。
【図５】  図３中のライン５−５に沿った、冷却装置の部分側面図である。
【図６】  図１〜図５の冷却装置の構成部品である膨張蓄積器の斜視図である。
【図７】  図６の膨張蓄積器の端面図である。
【図８】  図６中のライン８−８に沿った、図６の膨張蓄積器の概略的な部分側面図である。
【図９】  図１〜図８の冷却装置を含むアンテナシステムの正面の概略的な分解斜視図である。
【図１０】  図９のアンテナシステムの背面の概略的な分解斜視図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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