JP2002026211A - 伝熱制御機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各種電子機器の消費電力変動或いは設置環境
温度変動に伴う電子機器の温度変動を圧縮することが可
能な伝熱制御機構を提供することである。 【解決手段】 機器の発熱部からの発熱を熱伝導経路を
介して放熱部に伝熱し、該放熱部から放熱する伝熱制御
機構において、前記熱伝導経路内に対向する第１及び第
２輻射面を設け、該第１及び第２輻射面に輻射率が温度
に対して正の温度特性を有する部材を貼付又は表面処理
を施して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は伝熱制御機構に関
し、特に、各種電子装置又は通信装置の消費電力（発熱
量）変動或いは設置環境温度変動に伴う装置の温度変動
を圧縮することが可能な伝熱制御機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報機器、移動体通信機器、放送
機器等の電子機器のデジタル化、広帯域化及び大容量化
に伴い、電子機器を構成する電子回路の高集積化及び信
号増幅器の低歪化が要求されている。これらの要求に答
えるために、大電力信号部分にも多数の半導体素子を高
密度に実装することが要求されている。

【０００３】最近になり、携帯端末の信号を中継する移
動体通信衛星又は成層圏移動体プラットホームが計画さ
れている。これらの移動体通信衛星又は成層圏移動体プ
ラットホームには、地上子局側の携帯端末の小型化、ア
クセスポイントの増大及び通信情報量の増大に伴い、そ
の大電力化が要求されている。

【０００４】このような信号の低歪化及び大電力化に答
える手段として、多数の半導体増幅器を用いて信号の空
間合成を行うフェーズド・アレー・アンテナが期待され
ている。

【０００５】フェーズド・アレー・アンテナに実装され
る数多くの半導体増幅器は、信号周波数により増幅器の
実装間隔が制限されることから密集して実装され、且つ
信号アクセスチャンネル数の変動により増幅器の消費電
力（発熱量）が大きく変動し、これに伴い増幅器の温度
も大きく変動する。

【０００６】移動体通信衛星の場合は、地球の食或いは
静止軌道等の所定の軌道に投入前の状態では大きな放射
冷却を受ける。一方、成層圏移動体プラットホームの場
合は、日照又は日没に応じて放射冷却に変動が生じる。
このような機器自体の発熱量変動と環境変化の影響を縮
小する熱制御が必要である。

【０００７】従来、移動体通信衛星における電力増幅器
等の排熱は、宇宙空間の暗視野面に所望の排熱面積を有
する放熱パネルを設け、排熱を必要とする電力増幅器に
接続されたヒートパイプと放熱パネルに接続されたヒー
トパイプと互いに接触するよう締結し、電力増幅器の発
熱と放熱パネルの面積で熱平衡を達成している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】電力増幅器等の発熱部
と放熱パネルの熱平衡は発熱部の変動に対して直線的で
あり、且つ発熱の許容最大温度でも対応可能なように設
定されている。

【０００９】よって、通信チャンネル利用が少ない場
合、衛星が地球の食に入り電力制限が必要な場合、或い
は衛星が所定の軌道に投入される前の所謂トランスファ
ー軌道の状態においては、放熱パネルからの熱放射が進
み、機器が許容範囲を超えて低温側に振れる可能性があ
る。

【００１０】これを防止するために、機器が搭載される
太陽電池パネルにヒータを取り付け、温度制御が行われ
ている。このような温度制御のために使用する電力は、
太陽電池パネル或いは蓄電池の増大に繋がり、衛星のペ
イロード及び信頼性等に悪影響を及ぼす。また、機器側
にも大きな温度変動幅を補正する制御回路等が必要とな
る。

【００１１】また、成層圏移動体プラットホームにおい
ても、移動体プラットホームの影側に搭載される通信機
器等が、移動体通信衛星の放熱パネルと同様に常に低温
度環境に晒されている。

【００１２】そのため通信信号量により消費電力が大き
く変動し、それに伴い機器の温度が変動する等の問題が
ある。この温度変動を制御するためには制御電力が必要
となり、衛星と同様にペイロード及び信頼性等に悪影響
を及ぼすという問題がある。

【００１３】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
のであり、その目的とするところは、電子機器の消費電
力の変動或いは設置環境温度変動に伴う機器の温度変動
を圧縮することが可能な伝熱制御機構を提供することで
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
ある。発熱部１と放熱部２とを接続する熱伝導経路３に
熱輻射接続部４が介装されている。熱輻射接続部４は一
対の伝熱ブロック５，７の対向面に形成された輻射面９
を有している。

【００１５】発熱部１と伝熱ブロック５はヒートパイプ
６で接続され、放熱部２と伝熱ブロック７はヒートパイ
プ８で接続されている。輻射面９には輻射率が温度の増
加に伴って増加する温度特性（即ち、輻射率εを温度の
関数ｆ（Ｔ）＝εとみると、関数ｆ（Ｔ）が単調増加関
数となる特性）を有する部材が貼付されているか又は表
面処理が施されている。

【００１６】熱輻射接続部４で熱伝達される熱量Qは、
放熱部１と発熱部２の温度差をΔTとすると、Q＝αΔT⁴
となる。このように熱伝導経路３内に熱輻射接続部４を
設けたことにより、発熱部１と放熱部２の温度差ΔTを
大きく圧縮することができる。

【００１７】輻射面９には輻射率が温度の増加に伴って
増加する温度特性を有する部材が貼付されているか又は
表面処理が施されているので、発熱部１と放熱部２の温
度差ΔＴが大きいほど輻射率が高くなり、熱輻射接続部
４を介して大きな熱量を伝達可能である。

【００１８】好ましくは、伝熱ブロック５，７は櫛歯形
状をしており、輻射面９は櫛歯の底面に設けられてい
る。発熱部１の温度変化に応じて伝熱ブロック５を伝熱
ブロック７に対して移動させる熱感応可動機構が設けら
れているのが望ましい。この場合には、ヒートパイプ６
は可撓性ヒートパイプから構成される。

【００１９】代替案として、伝熱ブロック５，７の間に
複数の開口を有する輻射熱遮蔽版を設け、熱感応可動機
構により、発熱部１の温度変化に応じて輻射熱遮蔽板を
移動させるようにしても良い。

【００２０】

【発明の実施の形態】図２を参照すると、移動体通信衛
星１０の概念図が示されている。移動体通信衛星１０の
本体１２には複数のアンテナ放射器１６を有するアンテ
ナ給電ユニット１４が搭載されている。

【００２１】移動体通信衛星１０は更に、複数のアンテ
ナ放射器１６からの信号を空間で合成する大口径の一対
のパラボラアンテナ１８と、一対の放熱パネル２０と、
一対の太陽電池パネル２２を有している。

【００２２】移動体通信衛星１０は、携帯性が重要な移
動端末の負荷を少なくするために、大電力の送信能力が
要求される。また、ＣＤＭＡ等のデジタル通信では、送
信電力増幅器に高い線形性が要求される。

【００２３】よって、線形性の比較的優れた半導体素子
を用いた電力増幅器を各アンテナ放射器１６に接続し、
大口径のパラボラアンテナ１８でアンテナ放射器１６か
らの信号を空間で合成し、信号の線形性と大電力が得ら
れるフェーズド・アレー・アンテナ方式が利用される。

【００２４】このような移動体通信衛星１０の発熱の大
部分は、アンテナ給電ユニット１４に密集して実装され
た電力増幅器である。以下、これらの電力増幅器の発熱
を効果的に放熱することが可能な本発明の伝熱制御機構
の実施形態について、図３乃至図７を参照して説明す
る。

【００２５】図３を参照すると、本発明第１実施形態の
概略構成図が示されている。アンテナ給電ユニット１４
のベース２４には、複数のアンテナ放射器１６と、各ア
ンテナ放射器１６に接続された複数の電力増幅器２６が
搭載されている。

【００２６】アンテナ給電ユニット１４のベース２４は
第１ヒートパイプ３０により第１伝熱ブロック２８に接
続されている。第１伝熱ブロック２８は例えばアルミニ
ウム又はアルミニウム合金から形成されており、図示さ
れるような櫛歯形状を有している。各櫛歯の底面に第１
輻射面３２が設けられている。

【００２７】放熱パネル２０は第２ヒートパイプ３６に
より第２伝熱ブロック３４に接続されている。第２伝熱
ブロック３４もアルミニウム又はアルミニウム合金から
形成されており、櫛歯形状をしている。各櫛歯の底面に
第２輻射面３８が設けられている。

【００２８】第１及び第２輻射面３２，３８が対向する
ように第１及び第２伝熱ブロック２８，３４が配置され
ている。第１及び第２輻射面３２，３８には、輻射率が
温度の増加に伴って増加する温度特性を有する部材が貼
付されているか、又は表面処理が施されている。

【００２９】例えば、第１及び第２輻射面３２，３８に
は図４に示すように輻射率が温度の増加に伴って増加す
る温度特性を有する黒色ラッカーが塗布されている。代
替案として、第１及び第２輻射面３２，３８には２５μ
ｍの厚さを有するアルミニウム蒸着高分子フィルムであ
るＵＰＩＬＥＸ−Ｓ／ＡＬ（商品名）が貼付されてい
る。

【００３０】本実施形態によると、アンテナ給電ユニッ
ト１４と放熱パネル２０との間の熱伝導経路内に第１及
び第２伝熱ブロック２８，３４からなる熱輻射接続部が
設けられているため、電力増幅器２６の発熱量変動に対
する温度変動を大幅に圧縮することが可能である。

【００３１】更に、第１及び第２輻射面３２，３８には
輻射率が温度の増加に伴って増加する温度特性を有する
部材が貼付されているか、又は表面処理が施されている
ため、アンテナ給電ユニット１４と放熱パネル２０との
間の温度差ΔＴが大きいほど、第１及び第２輻射面３
２，３８の輻射率が大きくなり、大きな熱量を熱輻射に
より伝達することができる。

【００３２】反対に、アンテナ給電ユニット１４と放熱
パネル２０との間の温度差ΔＴが小さいと、第１及び第
２輻射面３２，３８の輻射率が小さくなり、小さな熱量
が熱輻射により伝達される。これにより、複数の電力増
幅器２６が実装されたアンテナ給電ユニット１４の温度
を所定の温度範囲内に制御することができる。

【００３３】尚、輻射率が温度の増加に伴って増加する
温度特性を有する部材を貼付するか又は表面処理を施す
のは、第１及び第２輻射面３２，３８の何れか一方であ
っても良い。

【００３４】更に、第１及び第２伝熱ブロック２８，３
４の対向面を櫛歯形状としたが、第１及び第２伝熱ブロ
ック２８，３４は櫛歯形状に限定されるものではなく、
対を成す１対の輻射面を形成できる形状であれば良い。

【００３５】図５を参照すると、本発明第２実施形態の
概略構成図が示されている。以下に説明する各実施形態
の説明において、上述した第１実施形態と同一構成部分
については同一符号を付し、重複を避けるためその説明
を省略する。

【００３６】本実施形態においては、櫛歯形状第１及び
第２伝熱ブロック２８，３４の各櫛歯の底面に輻射面３
２，３８が設けられ、各櫛歯の頂面に反射面３３，３９
が設けられている。アンテナ給電ユニット１４のベース
２４と第１伝熱ブロック２８は可撓性ヒートパイプ４０
で接続されている。

【００３７】符号４２はアンテナ給電ユニット１４の温
度に応じて第１伝熱ブロック２８を矢印Ａ方向に移動さ
せる熱感応可動機構である。熱感応可動機構４２として
は、例えばアンテナ給電ユニット１４の温度に応じて変
形するバイメタル又は形状記憶合金、或いはアンテナ給
電ユニット１４の温度を温度センサで検出し、検出温度
に応じてリニアモータ等のアクチュエータを駆動する構
成を採用することができる。

【００３８】熱感応可動機構４２により第１伝熱ブロッ
ク２８を第２伝熱ブロック３４に対して平行にスライド
させることにより、対向する熱伝達面積を変えることが
できる。

【００３９】即ち、輻射面３２，３８と、反射面３３，
３９の対向面積を変え、電力消費の大きいヒータ等を用
いないで発熱部であるアンテナ給電ユニット１４の温度
を制御することができる。

【００４０】図６を参照すると、本発明第３実施形態の
概略構成図が示されている。本実施形態は、第１及び第
２伝熱ブロック２８，３４の間に多数の開口又はスリッ
ト４６を有する遮蔽板４４を介装し、この遮蔽板４４を
熱感応可動機構４２で移動する。

【００４１】熱感応可動機構４２としては、上述した第
２実施形態と同様な構成を取ることができる。更に、本
実施形態では第１伝熱ブロック２８が移動しないので、
第１ヒートパイプ３０として可撓性ヒートパイプを使用
する必要はない。

【００４２】遮蔽板４４を熱感応可動機構４２と連動さ
せることにより、対向する輻射面３２，３８の面積を変
えて電力消費の大きいヒータ等を用いないでアンテナ給
電ユニット１４の温度を制御することが可能である。

【００４３】遮蔽板４４の例として図７に示すようなス
リット形状のものを用いることができる。尚、好ましく
は、Ｌ４＝Ｌ１，Ｌ５＝Ｌ２，Ｌ６＝Ｌ３であるが、必
ずしもこれらを一致させる必要はなく、スリットの移動
（対向面と平行な面内の移動の一例としてＸ１又はＸ２
方向の移動）により伝熱ブロックの対向する輻射面のう
ち、遮蔽部によって遮られる部分の面積が変化するよう
に開口部（スリット）を形成すれば良い。

【００４４】即ち、図８に示すように遮蔽板４４´と輻
射面の形状を一致させなくても良いが、開口部の形状は
制御し易いように円形、長方形、正方形などの一般的な
図形とすることが好ましい。もちろん、スリットの数な
ども適宜設定すれば良い。

【００４５】図９を参照すると、本発明第４実施形態の
概略構成図が示されている。本実施形態は、第３実施形
態の構成に加えて、遮蔽板４４を第３ヒートパイプ５０
により太陽エネルギーを吸収する吸熱パネル４８に接続
したものである。

【００４６】吸熱パネル４８としては放熱パネル２０を
太陽の方向に向けることにより吸熱パネルとして作用さ
せることが可能である。第１伝熱ブロック２８に対向す
る遮蔽板４４の面上には輻射面４６が形成されている。

【００４７】これにより、衛星を所定の軌道に投入する
前のトランスファー軌道のときに、吸熱パネル４８によ
り太陽エネルギーを吸収し、吸収熱を熱輻射により第１
伝熱ブロック２８に伝達することにより、ヒータ等を用
いないでアンテナ給電ユニット１４の温度を上げる制御
が可能である。

【００４８】本発明は以下の付記を含むものである。

【００４９】（付記１） 機器の発熱部からの発熱を熱
伝導経路を介して放熱部に伝達し、該放熱部から放熱す
る伝熱制御機構において、前記熱伝導経路内に対向する
第１の輻射面及び第２の輻射面を設け、該第１の輻射面
及び該第２の輻射面の少なくとも何れかの面を輻射率が
温度の上昇に伴って増加する温度特性を有する部材によ
り構成するか又は前記少なくとも何れかの面に輻射率が
温度の上昇に伴って増加する温度特性表面処理を施し
た、ことを特徴とする伝熱制御機構。

【００５０】（付記２） 機器の発熱部からの発熱を熱
伝導経路を介して放熱部に伝達し、該放熱部から放熱す
る伝熱制御機構において、前記熱伝導経路内に対向する
第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックを設け、該
第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックのそれぞれ
の対向面の所定領域に少なくとも対をなす１対の輻射面
を形成し、輻射面を除く他の領域に反射面を形成し、前
記第１の伝熱ブロックを前記第２の伝熱ブロックに対し
て相対的に移動させる可動機構を設け、前記第１の伝熱
ブロックは、可撓性ヒートパイプと接続されつつ、前記
熱伝導経路内に挿入されている、ことを特徴とする伝熱
制御機構。

【００５１】（付記３） 機器の発熱部からの発熱を熱
伝導経路を介して放熱部に伝達し、該放熱部から放熱す
る伝熱制御機構において、前記熱伝導経路内に対向する
第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックを設け、該
第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックのそれぞれ
の対向面を櫛歯形状とし、該櫛歯形状の底面を輻射面、
該櫛歯の頂面を反射面とし、前記第１の伝熱ブロックを
前記第２の伝熱ブロックに対して相対的に移動させる可
動機構を設け、前記第１の伝熱ブロックは、可撓性ヒー
トパイプと接続されつつ、前記熱伝導経路内に挿入され
ている、ことを特徴とする伝導制御機構。

【００５２】（付記４） 機器の発熱部からの発熱を熱
伝導経路を介して放熱部に伝達し、該放熱部から放熱す
る伝熱制御機構において、前記熱伝導経路内に対向する
第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックを設け、該
第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックのそれぞれ
の対向面を対を成す櫛歯形状とし、該櫛歯形状の底面を
輻射面、該櫛歯の頂面を反射面とし、前記第１の伝熱ブ
ロックと前記第２の伝熱ブロックとの間に複数の開口を
有する輻射熱遮蔽板と、該遮蔽板を前記対向面と平行な
平面内で移動させる可動機構とを設けたことを特徴とす
る伝熱制御機構。

【００５３】（付記５） 太陽エネルギーを吸熱する吸
熱パネルと、該吸熱パネルと前記輻射熱遮蔽板とを接続
する第３ヒートパイプとを更に具備し、前記輻射熱遮蔽
板は前記第１輻射面に対向する面に第３輻射面を有して
いることを特徴とする付記４記載の伝熱制御機構。

【００５４】（付記６） 前記発熱部は複数のアンテナ
放射器と、各アンテナ放射器に接続された複数の電力増
幅器とを含んでおり、前記放熱部は放熱パネルから構成
されることを特徴とする付記１〜５の何れかに記載の伝
導制御機構。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、発熱部と放熱部との間
の熱伝導経路に熱輻射接続部を設けたことにより、通信
装置等の各種電子機器の消費電力（発熱量）変動或いは
設置環境温度変動に伴う電子機器の温度変動を所定の範
囲内に圧縮することが可能であり、ペイロード制限の大
きい移動体通信衛星等に採用することにより大きな効果
を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】移動体通信衛星概念図である。

【図３】本発明の第１実施形態概略構成図である。

【図４】輻射率の正の温度特性を示す図である。

【図５】本発明第２実施形態の概略構成図である。

【図６】本発明第３実施形態の概略構成図である。

【図７】遮蔽板と伝熱ブロックとの関係を示す図であ
る。

【図８】遮蔽板と輻射面の一般的な関係を示す図であ
る。

【図９】本発明第４実施形態の概略構成図である。

【符号の説明】

１０ 移動体通信衛星 １４ アンテナ給電ユニット １６ アンテナ放射器 １８ パラボラアンテナ ２０ 放熱パネル ２２ 太陽電池パネル ２６ 電力増幅器 ２８ 第１伝熱ブロック ３０ 第１ヒートパイプ ３２，３８ 輻射面 ３４ 第２伝熱ブロック ３６ 第２ヒートパイプ ４２ 熱感応可動機構 ４４ 遮蔽板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機器の発熱部からの発熱を熱伝導経路を
   介して放熱部に伝達し、該放熱部から放熱する伝熱制御
   機構において、 前記熱伝導経路内に対向する第１の輻射面及び第２の輻
   射面を設け、 該第１の輻射面及び該第２の輻射面の少なくとも何れか
   の面を輻射率が温度の上昇に伴って増加する温度特性を
   有する部材により構成するか又は前記少なくとも何れか
   の面に輻射率が温度の上昇に伴って増加する温度特性表
   面処理を施した、 ことを特徴とする伝熱制御機構。
2. 【請求項２】 機器の発熱部からの発熱を熱伝導経路を
   介して放熱部に伝達し、該放熱部から放熱する伝熱制御
   機構において、 前記熱伝導経路内に対向する第１の伝熱ブロック及び第
   ２の伝熱ブロックを設け、 該第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックのそれぞ
   れの対向面の所定領域に少なくとも対をなす１対の輻射
   面を形成し、輻射面を除く他の領域に反射面を形成し、 前記第１の伝熱ブロックを前記第２の伝熱ブロックに対
   して相対的に移動させる可動機構を設け、 前記第１の伝熱ブロックは、可撓性ヒートパイプと接続
   されつつ、前記熱伝導経路内に挿入されている、 ことを特徴とする伝熱制御機構。
3. 【請求項３】 機器の発熱部からの発熱を熱伝導経路を
   介して放熱部に伝達し、該放熱部から放熱する伝熱制御
   機構において、 前記熱伝導経路内に対向する第１の伝熱ブロック及び第
   ２の伝熱ブロックを設け、 該第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックのそれぞ
   れの対向面を櫛歯形状とし、該櫛歯形状の底面を輻射
   面、該櫛歯の頂面を反射面とし、 前記第１の伝熱ブロックを前記第２の伝熱ブロックに対
   して相対的に移動させる可動機構を設け、 前記第１の伝熱ブロックは、可撓性ヒートパイプと接続
   されつつ、前記熱伝導経路内に挿入されている、 ことを特徴とする伝導制御機構。
4. 【請求項４】 機器の発熱部からの発熱を熱伝導経路を
   介して放熱部に伝達し、該放熱部から放熱する伝熱制御
   機構において、 前記熱伝導経路内に対向する第１の伝熱ブロック及び第
   ２の伝熱ブロックを設け、 該第１の伝熱ブロック及び第２の伝熱ブロックのそれぞ
   れの対向面を対を成す櫛歯形状とし、該櫛歯形状の底面
   を輻射面、該櫛歯の頂面を反射面とし、 前記第１の伝熱ブロックと前記第２の伝熱ブロックとの
   間に複数の開口を有する輻射熱遮蔽板と、 該遮蔽板を前記対向面と平行な平面内で移動させる可動
   機構とを設けたことを特徴とする伝熱制御機構。