JP2002048357A - 熱ポンプを使用した宇宙船冷却システム - Google Patents
熱ポンプを使用した宇宙船冷却システムInfo
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
- Y02A40/90—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in food processing or handling, e.g. food conservation
- Y02A40/963—Off-grid food refrigeration
- Y02A40/966—Powered by renewable energy sources
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】多数の表面を有する宇宙船中のペイロードによ
って発生した熱を放散するための熱放散装置又はシステ
ムに関する。 【解決手段】１つ以上の冷却−凝縮器を有する当該シス
テムは、１つ以上の面の宇宙船表面に接続され、蒸発
器，圧縮器，及び膨張弁を含んだ熱ポンプは、閉鎖環系
で冷却−凝縮器に接続する。システム部品は、小口径で
肉厚の薄いなめらかな壁面の配管で互いに接続する。シ
ステムは、冷却−凝縮器を熱源や積載物の温度以上に昇
温させることが可能であり、それと肉厚の薄い配管を一
緒に用いることで、宇宙船の重量減少を可能にする。な
ぜなら、冷却−凝縮器の温度が上がり、宇宙船の多くの
表面（西、東、地球面、船尾面）を放熱表面として効率
良く使用することが可能になる為である。
って発生した熱を放散するための熱放散装置又はシステ
ムに関する。 【解決手段】１つ以上の冷却−凝縮器を有する当該シス
テムは、１つ以上の面の宇宙船表面に接続され、蒸発
器，圧縮器，及び膨張弁を含んだ熱ポンプは、閉鎖環系
で冷却−凝縮器に接続する。システム部品は、小口径で
肉厚の薄いなめらかな壁面の配管で互いに接続する。シ
ステムは、冷却−凝縮器を熱源や積載物の温度以上に昇
温させることが可能であり、それと肉厚の薄い配管を一
緒に用いることで、宇宙船の重量減少を可能にする。な
ぜなら、冷却−凝縮器の温度が上がり、宇宙船の多くの
表面（西、東、地球面、船尾面）を放熱表面として効率
良く使用することが可能になる為である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、人工衛星や宇宙船
分野に関係し、特に、熱ポンプを用いた宇宙船や人工衛
星の冷却システムに関する。
分野に関係し、特に、熱ポンプを用いた宇宙船や人工衛
星の冷却システムに関する。
【０００２】
【従来技術】本発明の譲受人は、宇宙船や静止及び低高
度地球軌道衛星を製造し、展開している。現在配備され
ている宇宙船は、宇宙船のペイロードにより発生した熱
を放散する為に、熱パイプを使用している。熱パイプ
は、宇宙空間に放射する宇宙船冷却パネルへと熱エネル
ギーを移動させている。この様な熱パイプを使用した従
来の通信衛星冷却パネルは、至の季節の間にペイロード
放散熱と太陽放散熱の両方を廃棄する為に充分な大きさ
で、個々に決定されるのが通常である。この問題に対す
る従来の解決策は、フレッシャー（Fletcher）に付与さ
れた米国特許第3749156号、マッキー（Mackey）に付与
された米国特許第5351746号、ワット（Watts）に付与さ
れた米国特許第5806803号などに開示されている。
度地球軌道衛星を製造し、展開している。現在配備され
ている宇宙船は、宇宙船のペイロードにより発生した熱
を放散する為に、熱パイプを使用している。熱パイプ
は、宇宙空間に放射する宇宙船冷却パネルへと熱エネル
ギーを移動させている。この様な熱パイプを使用した従
来の通信衛星冷却パネルは、至の季節の間にペイロード
放散熱と太陽放散熱の両方を廃棄する為に充分な大きさ
で、個々に決定されるのが通常である。この問題に対す
る従来の解決策は、フレッシャー（Fletcher）に付与さ
れた米国特許第3749156号、マッキー（Mackey）に付与
された米国特許第5351746号、ワット（Watts）に付与さ
れた米国特許第5806803号などに開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】現在配備されている宇
宙船は、宇宙船の北及び南方向に向いている表面に配置
された宇宙船の冷却パネルへ熱を集め分散させる為に
（従来型でもループ型でも共に）熱パイプを使用してい
る。従来の冷却システムは熱パイプを、積載部分から宇
宙船冷却器まで熱移動させる為に使用している。これら
熱パイプシステムは一般に、１．２７ｃｍ（０．５イン
チ）から１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）のアルミニ
ウム配管であって、内部溝構造又は多孔質芯を有する配
管を使用する。従来の熱パイプシステムは宇宙船冷却器
温度を熱源温度以上に上昇させることは出来ない。熱パ
イプ冷却パネルは、熱源又はペイロードの温度と同等か
又はそれ以下である。
宙船は、宇宙船の北及び南方向に向いている表面に配置
された宇宙船の冷却パネルへ熱を集め分散させる為に
（従来型でもループ型でも共に）熱パイプを使用してい
る。従来の冷却システムは熱パイプを、積載部分から宇
宙船冷却器まで熱移動させる為に使用している。これら
熱パイプシステムは一般に、１．２７ｃｍ（０．５イン
チ）から１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）のアルミニ
ウム配管であって、内部溝構造又は多孔質芯を有する配
管を使用する。従来の熱パイプシステムは宇宙船冷却器
温度を熱源温度以上に上昇させることは出来ない。熱パ
イプ冷却パネルは、熱源又はペイロードの温度と同等か
又はそれ以下である。
【０００４】熱ポンプは地上の装置では広範囲に亘って
使用されているが、商用宇宙船の装置には使用されてい
ない。加圧された熱システムは、宇宙ステーションに計
画されているが、宇宙ステーションシステムは、本発明
の熱ポンプ冷却システムのような冷却器の温度まで昇温
出来ない。よって、本発明の目的は熱ポンプを用いた宇
宙船又は人工衛星の冷却システムを構成する、改善され
た熱放散装置を供給することである。
使用されているが、商用宇宙船の装置には使用されてい
ない。加圧された熱システムは、宇宙ステーションに計
画されているが、宇宙ステーションシステムは、本発明
の熱ポンプ冷却システムのような冷却器の温度まで昇温
出来ない。よって、本発明の目的は熱ポンプを用いた宇
宙船又は人工衛星の冷却システムを構成する、改善され
た熱放散装置を供給することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記及びその他の目的を
達成するために、本発明は、熱ポンプを用いた宇宙船又
は人工衛星の冷却システムを供給する。本発明の冷却シ
ステムは、宇宙船や人工衛星に使用される閉鎖環系の熱
放散装置の改善を供給する。人工衛星の冷却システム
は、熱ポンプと冷却−凝縮器で構成する。熱ポンプは、
蒸発器，圧縮器，膨張弁で構成する。熱ポンプは、シス
テムから熱を放射する冷却−凝縮装置と接続する。人工
衛星冷却器システムはアンモニア等の流体を使用し、好
ましくは、逆ランキン熱力学サイクルを用いて動作す
る。
達成するために、本発明は、熱ポンプを用いた宇宙船又
は人工衛星の冷却システムを供給する。本発明の冷却シ
ステムは、宇宙船や人工衛星に使用される閉鎖環系の熱
放散装置の改善を供給する。人工衛星の冷却システム
は、熱ポンプと冷却−凝縮器で構成する。熱ポンプは、
蒸発器，圧縮器，膨張弁で構成する。熱ポンプは、シス
テムから熱を放射する冷却−凝縮装置と接続する。人工
衛星冷却器システムはアンモニア等の流体を使用し、好
ましくは、逆ランキン熱力学サイクルを用いて動作す
る。
【０００６】特に蒸発器は、ペイロードから運ばれた熱
を受け取る。蒸発器は、太陽電池等の宇宙船電源によっ
て動作される圧縮器と結合する。圧縮器は、システムか
らの熱を放射する冷却−凝縮器と結合する。膨張弁は、
冷却−凝縮器と蒸発器の間で、完全な閉鎖環系システム
として接続する。熱ポンプをベースにした冷却システム
は、宇宙船ペイロードから熱を集めて、高温度から放散
するために冷却−凝縮器へ熱を移動させることを許容す
る。現在使用されている最新式の宇宙船冷却システム
は、冷却器の温度がペイロード及び熱源と同等かそれ以
下で使用している。一方、本発明によって使用される熱
ポンプシステムは、冷却−凝縮器の温度を上げることを
許容し、これによって宇宙船の冷却器に必要とされる部
分や宇宙船の重量を減少する。
を受け取る。蒸発器は、太陽電池等の宇宙船電源によっ
て動作される圧縮器と結合する。圧縮器は、システムか
らの熱を放射する冷却−凝縮器と結合する。膨張弁は、
冷却−凝縮器と蒸発器の間で、完全な閉鎖環系システム
として接続する。熱ポンプをベースにした冷却システム
は、宇宙船ペイロードから熱を集めて、高温度から放散
するために冷却−凝縮器へ熱を移動させることを許容す
る。現在使用されている最新式の宇宙船冷却システム
は、冷却器の温度がペイロード及び熱源と同等かそれ以
下で使用している。一方、本発明によって使用される熱
ポンプシステムは、冷却−凝縮器の温度を上げることを
許容し、これによって宇宙船の冷却器に必要とされる部
分や宇宙船の重量を減少する。
【０００７】一般的な現在の宇宙船は、１次放熱表面と
して、宇宙船の北面及び南面を使用する。宇宙船の他の
面（東、西、地球側及び船尾）は、相対的に高太陽照射
を受ける為に、１次放熱表面としては一般的に効率的で
ない。本発明の熱ポンプシステムの使用により、宇宙船
冷却器温度を昇温することが可能になる。その上、宇宙
船の他の面（東、西、地球側及び船尾）も、放熱面とし
て効率的に使用できる。
して、宇宙船の北面及び南面を使用する。宇宙船の他の
面（東、西、地球側及び船尾）は、相対的に高太陽照射
を受ける為に、１次放熱表面としては一般的に効率的で
ない。本発明の熱ポンプシステムの使用により、宇宙船
冷却器温度を昇温することが可能になる。その上、宇宙
船の他の面（東、西、地球側及び船尾）も、放熱面とし
て効率的に使用できる。
【０００８】全宇宙船表面の使用が可能になることで、
宇宙船の全質量及び全体積を減らすことが可能になる。
このことは、固定推進ロケット本体の体積に対して高効
率熱放散能力を許容し、利用される。従来技術の欄でも
言及した通り、従来の冷却システムは、積載部のペイロ
ードから、１．２７ｃｍ（０．５インチ）から１．９０
５ｃｍ（０．７５インチ）のアルミニウム管であって内
部溝構造又は多孔質の芯を有する管を使用した宇宙船冷
却器へと熱を移動させるために熱パイプを使用する。本
発明の熱ポンプシステムは、小口径で、肉厚の薄い、な
めらかな壁面管によっても同等の機能を発揮することが
可能である。本発明の熱ポンプシステムは、従来の熱パ
イプ熱分配システム以上に重量削減することを意味して
いる。
宇宙船の全質量及び全体積を減らすことが可能になる。
このことは、固定推進ロケット本体の体積に対して高効
率熱放散能力を許容し、利用される。従来技術の欄でも
言及した通り、従来の冷却システムは、積載部のペイロ
ードから、１．２７ｃｍ（０．５インチ）から１．９０
５ｃｍ（０．７５インチ）のアルミニウム管であって内
部溝構造又は多孔質の芯を有する管を使用した宇宙船冷
却器へと熱を移動させるために熱パイプを使用する。本
発明の熱ポンプシステムは、小口径で、肉厚の薄い、な
めらかな壁面管によっても同等の機能を発揮することが
可能である。本発明の熱ポンプシステムは、従来の熱パ
イプ熱分配システム以上に重量削減することを意味して
いる。
【０００９】従来の宇宙船熱放散システムでの熱パイプ
冷却器パネルは、熱源又はペイロードの温度と同じか又
はそれ以下であり、本発明が高温に昇温されているのと
は対照的である。現在配備されている宇宙船は、北−南
放熱面を使用しているが、一方本発明は、宇宙船の全て
の面を熱伝導に使用し、冷却器として効率的に使用する
ことを許容する。
冷却器パネルは、熱源又はペイロードの温度と同じか又
はそれ以下であり、本発明が高温に昇温されているのと
は対照的である。現在配備されている宇宙船は、北−南
放熱面を使用しているが、一方本発明は、宇宙船の全て
の面を熱伝導に使用し、冷却器として効率的に使用する
ことを許容する。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の様々な特徴と利点は、参
照番号で構成要素を示した添付図面と共に、以下の詳細
な説明により、容易に理解できる。図を参照すると、図
１は、本発明による熱放散装置２０又は宇宙船冷却器シ
ステム２０を使用した例示的な宇宙船１０を示す。宇宙
船１０は、６つの面１２（北面１２ａ，南面１２ｂ，東
面１２ｃ，西面１２ｄ，地球側面１２ｅ，船尾又は反地
球側面１２ｆ）を有していて、１以上の配備された放熱
面（図示なし）を有している。宇宙船１０は、１以上の
太陽電池１３を有しており、その内の１つを示す。
照番号で構成要素を示した添付図面と共に、以下の詳細
な説明により、容易に理解できる。図を参照すると、図
１は、本発明による熱放散装置２０又は宇宙船冷却器シ
ステム２０を使用した例示的な宇宙船１０を示す。宇宙
船１０は、６つの面１２（北面１２ａ，南面１２ｂ，東
面１２ｃ，西面１２ｄ，地球側面１２ｅ，船尾又は反地
球側面１２ｆ）を有していて、１以上の配備された放熱
面（図示なし）を有している。宇宙船１０は、１以上の
太陽電池１３を有しており、その内の１つを示す。
【００１１】これら表面１２の幾つかの面又は全ての面
は、宇宙船１０の熱放熱面として使用する。表面１２の
様に、宇宙船１０に積載された、通信システム、制御シ
ステム、電子機器等のペイロードからの熱を放散する。
これら表面１２は、小口径で肉厚が薄い配管１４を有し
ており、本発明の熱放散装置２０又はシステム２０に配
置された配管１４（ここでは数本のみ示されている）が
表面１２の間に埋め込まれたり又はマウントされる。熱
放散装置２０又はシステム２０の詳細は、図２を参照し
て理解できる。
は、宇宙船１０の熱放熱面として使用する。表面１２の
様に、宇宙船１０に積載された、通信システム、制御シ
ステム、電子機器等のペイロードからの熱を放散する。
これら表面１２は、小口径で肉厚が薄い配管１４を有し
ており、本発明の熱放散装置２０又はシステム２０に配
置された配管１４（ここでは数本のみ示されている）が
表面１２の間に埋め込まれたり又はマウントされる。熱
放散装置２０又はシステム２０の詳細は、図２を参照し
て理解できる。
【００１２】図２を参照すると、本発明の原理に従った
例示的な宇宙船熱ポンプ冷却システム２０または、熱放
散装置２０を示す。熱ポンプ冷却システム２０は熱ポン
プ２１を含んでおり、閉鎖環系中で冷却−凝縮器２６に
接続する。冷却−凝縮器２６は、システム２０と宇宙船
１０から熱を放射する。熱ポンプ冷却システム２０は、
好ましくは反ランキン熱力学サイクルを用いて動作す
る。熱ポンプ冷却システム２０は、流体媒体を用いて、
冷却−凝縮器２６と熱的に結合する。システム２０の中
で使用されている流体媒体は、例えばアンモニアを使用
する。
例示的な宇宙船熱ポンプ冷却システム２０または、熱放
散装置２０を示す。熱ポンプ冷却システム２０は熱ポン
プ２１を含んでおり、閉鎖環系中で冷却−凝縮器２６に
接続する。冷却−凝縮器２６は、システム２０と宇宙船
１０から熱を放射する。熱ポンプ冷却システム２０は、
好ましくは反ランキン熱力学サイクルを用いて動作す
る。熱ポンプ冷却システム２０は、流体媒体を用いて、
冷却−凝縮器２６と熱的に結合する。システム２０の中
で使用されている流体媒体は、例えばアンモニアを使用
する。
【００１３】熱ポンプ２１は、蒸発器２２、圧縮器２
３、膨張弁２４で構成され、これらは閉鎖環系の中で、
図２中で示された様な冷却−凝縮器２６に接続する。蒸
発器２２、圧縮器２３、膨張弁２４、及び冷却−凝縮器
２６は、小口径で肉厚の薄いなめらかな壁面を有する配
管２８によって接続する。更に特徴的なのは、蒸発器２
２は、ペイロードから運ばれた熱を受け取ることであ
る。蒸発器２２は、太陽電池１３等の宇宙船電源２５に
よって動作せしめられる圧縮器２３に接続されている。
圧縮器２３は、システム２０や宇宙船１０からの熱を放
射する宇宙船１０の選択された表面１２に配置された冷
却−凝縮器２６に接続されている。膨張弁２４は、冷却
−凝縮器と蒸発器の間に、完全に閉鎖環系になるよう接
続されている。
３、膨張弁２４で構成され、これらは閉鎖環系の中で、
図２中で示された様な冷却−凝縮器２６に接続する。蒸
発器２２、圧縮器２３、膨張弁２４、及び冷却−凝縮器
２６は、小口径で肉厚の薄いなめらかな壁面を有する配
管２８によって接続する。更に特徴的なのは、蒸発器２
２は、ペイロードから運ばれた熱を受け取ることであ
る。蒸発器２２は、太陽電池１３等の宇宙船電源２５に
よって動作せしめられる圧縮器２３に接続されている。
圧縮器２３は、システム２０や宇宙船１０からの熱を放
射する宇宙船１０の選択された表面１２に配置された冷
却−凝縮器２６に接続されている。膨張弁２４は、冷却
−凝縮器と蒸発器の間に、完全に閉鎖環系になるよう接
続されている。
【００１４】熱ポンプ２１は、ペイロードからの熱を蒸
発器２２に注入し、蒸発器２２での温度以上に流体の温
度を上昇させる圧縮器２３を経由して冷却−凝縮器２６
へ熱を送り込む。膨張弁２４は、流体を元の状態に戻し
て蒸発器２２へと戻すことに用いられる。代替システム
２０は、熱ポンプ２１を構成する加圧されたループ及び
冷却−凝縮器２６から、冷却−凝縮器２６中の熱パイプ
網２７（概して図１中に示された配管１４）へと熱を運
び、冷却−凝縮器２６の隅々に熱を分配する。
発器２２に注入し、蒸発器２２での温度以上に流体の温
度を上昇させる圧縮器２３を経由して冷却−凝縮器２６
へ熱を送り込む。膨張弁２４は、流体を元の状態に戻し
て蒸発器２２へと戻すことに用いられる。代替システム
２０は、熱ポンプ２１を構成する加圧されたループ及び
冷却−凝縮器２６から、冷却−凝縮器２６中の熱パイプ
網２７（概して図１中に示された配管１４）へと熱を運
び、冷却−凝縮器２６の隅々に熱を分配する。
【００１５】この様にして、開示された熱ポンプを使用
する宇宙船及び人工衛星の冷却システムを構成した熱放
散システムが改善される。上述の実施例は、本発明の原
理の応用が描く、数多くの明確な実施例のうちのいくつ
かを単に記載しただけであることを理解されたい。複数
の及び他の構成は、発明の範囲から離れることなく、当
業者によって難なく考案されることは明らかである。
する宇宙船及び人工衛星の冷却システムを構成した熱放
散システムが改善される。上述の実施例は、本発明の原
理の応用が描く、数多くの明確な実施例のうちのいくつ
かを単に記載しただけであることを理解されたい。複数
の及び他の構成は、発明の範囲から離れることなく、当
業者によって難なく考案されることは明らかである。
【図１】 本発明が使用された宇宙船の実施例を示した
図である。
図である。
【図２】 本発明の原理に従った熱ポンプ放熱システム
を示した図である。
を示した図である。
１０ 宇宙船 １３ 太陽電池 １４ 配管 ２０ 熱放散装置 ２１ 熱ポンプ ２４ 膨張弁 ２８ 配管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランディー ポン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94116 サンフランシスコ ウロアストリ ート 2708 Ｆターム(参考） 3L054 BE10 BF02 BF20
Claims (14)
- 【請求項１】 複数面を有する宇宙船のペイロードから
発生した熱を放散するための熱放散装置であって、 宇宙船の１以上の面の表面に接続された１以上の冷却−
凝縮器と、 閉鎖環系で冷却−凝縮器に接続された、蒸発器、圧縮
器、及び膨張弁を含む熱ポンプと、を含むことを特徴と
する熱放散装置。 - 【請求項２】 前記蒸発器、前記圧縮器、前記膨張弁及
び前記冷却−凝縮器はいずれも小口径で肉厚が薄い配管
で接続されていることを特徴とする請求項１記載の熱放
散装置。 - 【請求項３】 前記蒸発器、前記圧縮器、前記膨張弁及
び前記冷却−凝縮器はいずれも小口径でなめらかな壁の
配管で接続されていることを特徴とする請求項１記載の
熱放散装置。 - 【請求項４】 前記圧縮器は、宇宙船電源により動作す
ることを特徴とする請求項１記載の熱放散装置。 - 【請求項５】 前記宇宙船電源は、太陽電池からなるこ
とを特徴とする請求項１記載の熱放散装置。 - 【請求項６】 前記熱ポンプは、蒸発器から冷却−凝縮
器へと熱媒介する流体媒体を含むことを特徴とする請求
項１記載の熱放散装置。 - 【請求項７】 前記流体媒体は、アンモニアであること
を特徴とする請求項６記載の熱放散装置。 - 【請求項８】 前記圧縮器は、蒸発器での流体温度以上
に流体温度を昇温することを特徴とする請求項１記載の
熱放散装置。 - 【請求項９】 前記表面は小口径で肉厚が薄い配管を挟
んでいるを特徴とする請求項１記載の熱放散装置。 - 【請求項１０】 前記表面に小口径で肉厚が薄い配管が
マウントされていることを特徴とする請求項１記載の熱
放散装置。 - 【請求項１１】 前記宇宙船は、北面、南面、東面、西
面、地球側面、及び反地球側面を有し、それぞれに１つ
以上の面を含む冷却面を有することを特徴とする請求項
１記載の熱放散装置。 - 【請求項１２】 前記宇宙船はさらに、１つ以上の面を
含む放熱表面を包含し、放熱表面は１つ以上の冷却−凝
縮器が接続され、熱ポンプが接続されていることを特徴
とする請求項１記載の熱放散装置。 - 【請求項１３】 前記熱ポンプ冷却システムは、反ラン
キン熱力学サイクルを用いて動作することを特徴とする
請求項１記載の熱放散装置。 - 【請求項１４】 前記熱ポンプは、冷却−凝縮器に熱分
散させる為の、冷却−凝縮器中にある熱パイプ網と接続
されていることを特徴とする請求項１記載の熱放散装
置。
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