JP3653016B2

JP3653016B2 - Thermal control apparatus and thermal control method

Info

Publication number: JP3653016B2
Application number: JP2001203528A
Authority: JP
Inventors: 一郎間瀬; 靖之中村; 祐一島川; 眞由美小坂; 佳実久保; 篤越智; 透森
Original assignee: NEC Space Technologies Ltd; NEC Aerospace Systems Ltd
Current assignee: NEC Space Technologies Ltd; NEC Aerospace Systems Ltd
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: JP2002120799A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱制御方法及びその装置に関するものであり、特に、詳しくは、人工衛星及び宇宙船等の宇宙航行機に搭載される電子機器等の発熱の対象となる対象物の熱制御に好適な熱制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、真空環境を航行する宇宙機では、外表面からの宇宙空間への熱放射が外部環境への放熱手段となり、熱放射量が宇宙機の温度を支配する。
【０００３】
その為、従来より、宇宙機等の内部の発熱量の大幅な変動に対し、温度を適正な範囲に保ったり、当該温度の急激な増大或いは低下を防止する方法として、多くの技術が開発されて来ている。
【０００４】
例えば、当該電子機器とは別に温度制御回路を設けるか、特開平１１−２１７５６２号の図６に示されている様なサーマルルーバ方式を使用するものが知られている。
【０００５】
然しながら、別途に温度制御回路を設ける事は、エネルギーの消費を増大すると同時に宇宙航行体の質量を増し、又内部容量も大きくならざるを得ないと共に、機械的な可動部分が存在する為に上記の問題に加えて信頼性が低く且つ寿命が短いと言う問題を有していた。
【０００６】
一方、特許第２７０５６５７号公報には、相転移物質を、人工衛星内の安定した熱供給源と熱変動の大きい放熱面を持った衛星搭載部品との間に設け、当該相転移物質が高温の時には、熱伝導率が小さくなり、低温時には熱伝導率が大きくなる様に設定して温度制御を行う方法が示されているが、後述する本発明の構成とは低温相と高温相との熱伝導率は逆の構成を有しており、効率的な温度制御は不可能である。
【０００７】
又、特許第２５８８６３３号公報には、相変化物質を封入した容器と当該容器に密着したヒートパイプと当該容器の外面に密着した電気ヒータとから構成されている宇宙航行体の電子機器の温度制御装置が開示されているが、ヒータを別に必要とする他装置全体が大きくなり重量も増加する為、宇宙航行体には不向きの装置である。
【０００８】
更には、特許第２６２５８２１号公報には、高温相では赤外輻射率が低く、低温相では赤外輻射率が高い相転移物質を温度制御が必要な搭載機器とヒートシンクとの間に配置した人工衛星の熱制御装置が開示されているが、後述する本発明の構成とは低温相と高温相との赤外輻射率は逆の構成を有しており、効率的な温度制御は不可能である。
【０００９】
又、特開昭６３−２０７７９９号公報には、二酸化バナジウムからなる相変化物質を単独で搭載機器とヒートシンクとの間に配置した構成が示されているが、後述する本発明の相変化物質とは異なる相変化物質であって、且つその使用方法も異なっており、効率的な温度制御は不可能である。
【００１０】
尚、特開平１１−２１７５６２号には、図２に示されている様に、当該熱制御装置として、機械的な原理に依らず、単にペロブスカイトＭｎ酸化物等からなる相変化物質の熱放射特性を利用して温度を制御する装置が提案されている。
【００１１】
つまり、当該相変化物質１を熱制御が必要な電子機器類である対象物３の放熱面５に直接貼着する例が示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、当該公知例に於いて使用される相変化物質は、ペロブスカイトＭｎ酸化物等の一種で、高温相では熱放射率が高く、低温相では熱放射率が低い。上記した公知の相変化物質を用いた熱制御装置では、高温相に於いて相変化物質単体で高放射率を得る必要があるため、厚さ数百μｍを要していた。
【００１３】
ペロブスカイトＭｎ酸化物を相変化物質として用いた場合は、同物質の密度が６．６ｇ／ｃｍ³ と高いため、例えば厚さ２００μｍでは約１．３ｋｇ／ｍ² もの質量を要す欠点があった。
【００１４】
然かも、当該相変化物質は、セラミック状で固く、従って、薄く且つ柔軟性を持った相変化物質を得る事は不可能で有った。
【００１５】
係る相変化物質は、同様な機能を有しブレードをバイメタル等で開閉するサーマルルーバに比べて１／３〜１／５の質量であるが、それでも質量制約が厳しい宇宙機にとっては、さらなる質量軽減が必要である。
【００１６】
また、相変化物質は固体でありフレキシビリティを持たないため、曲率を持つ対象物への取付が困難で、適用範囲が限定されてしまう欠点があった。
【００１７】
宇宙機器の形状は曲面もあり、これらに貼り付けることが出来れば、さらに適用の自由度とその範囲は拡大するが、上記した従来の相変化物質をそのまま一層で使用する場合限り実用性のある熱制御装置を構成する事は困難で有った。
【００１８】
【発明の目的】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を改良し、従来と同等の放射率特性を有する熱制御装置を従来に比べ軽量化し、高性能化した熱制御装置及び熱制御方法を提供するものであり、更には、従来数百μｍ以上必要であった相変化物質を、低密度の基材物質上に数μｍ程度の膜状に形成し、従来と同等の放射率特性を有する熱制御装置を提供すると共に柔軟性を持たせて曲率を持つ対象物への適用も可能な熱制御装置及び熱制御方法を提供するものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した目的を達成するため、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。即ち、本発明に係る第１の態様としては、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する厚みが数１０μｍ以下である相変化物質に、当該相変化物質の厚みよりも大なる厚みを有する高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせて構成された複合材料により、対象物の温度を制御する様に構成され熱制御装置であり、又、本発明に係る第２の態様としては、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する厚みが数１０μｍ以下である相変化物質に、当該相変化物質の厚みよりも大なる厚みを有する高温相で熱放射量が大である基材物質を組み合わせて構成された複合材料を対象物に直接に或いは間接的に取り付ける事によって、当該対象物の温度を制御する様に構成された熱制御方法である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る当該熱制御装置及び熱制御方法は、上記した様な技術構成を採用しているので、従来の相変化物質を用いた熱制御装置と同等の特性が得られると共に、さらに軽量化する事が可能な熱制御装置を提供するものである。
【００２１】
より具体的には、本発明に於いては、高温相では絶縁体性質で、低温相では金属的性質を有する厚さ数μｍ乃至３０μｍ程度の相変化物質１を、厚さ数１０〜１００μｍのシリコン、アルミナや安定化ジルコニア等の放射率が高く低密度で充分な強度と靭性を有する基材物質へ厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等で形成し、係る複合材料を、熱制御が必要な電子機器である、対象物に熱的に強く結合させ取り付ける様にして簡単に熱制御装置を構成するものである。
【００２２】
また、基材物質に柔軟性のある箔やフィルムを使用することにより、電気機器の曲面への適用が可能な熱制御装置が実現され、当該熱制御装置の適用範囲が拡大され、自由度が増加する。
【００２３】
【実施例】
以下に、本発明に係る熱制御装置及び熱制御方法の構成の具体例の構成を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
即ち、図１は、本発明に係る当該熱制御装置１０の一具体例の構成を示す図であって、図中、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する相変化物質１に、高温相で熱放射量が大である基材物質２を組み合わせて構成された複合材料４により、対象物３の温度を制御することを特徴とする熱制御装置１０が示されている。
【００２５】
本発明に於いて使用される当該相変化物質１は、１乃至３０μｍ程度の厚さを有している事が好ましい。
【００２６】
又、本発明に於いて使用される当該基材物質２は、当該相変化物質１よりも大なる厚みを有しているものであって、好ましくは１０乃至１００μｍ、より好ましくは３０乃至５０μｍである。
【００２７】
本発明に於いて、当該相変化物質１と当該基材物質２とを積層する方法としては、例えば、１乃至数μｍ厚の相変化物質１を当該基材物質２の表面に、粉末状にして塗布する塗布方法、ペースト状にしたものを印刷焼成する厚膜焼き付け法、又は蒸着方法等により積層形成する事が可能であり、さらに当該基材物質２は温度を制御する対象物３の表面に熱的に強く結合させて取り付ける。
【００２８】
一方、本発明に於いて使用される当該相変化物質１は、ペロブスカイト酸化物である事が望ましく、例えば、ペロブスカイトＭｎ酸化物である。
【００２９】
つまり、本発明に於いて使用可能なペロブスカイト酸化物は、Ａ_1-x Ｂ_x ＭｎＯ ₃で表されるＭｎを含んだペロブスカイト酸化物（ＡはＬａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍの希土類イオンの中の少なくとも一つ、ＢはＣａ，Ｓｒ，Ｂａのアルカリ土類金属イオンの中の少なくとも一つ）である。
【００３０】
又、本発明に於いては、他の相変化物質としては、例えば、（Ｖ_1-x Ｃｒ_x ）₂ Ｏ ₃で示されるＣｒを含んだコランダムバナジウム酸化物を使用する事も可能である。
【００３１】
一方、本発明に於いて使用される当該基材物質２は、シリコン、アルミナ、あるいは安定化ジルコニア等を使用する事が可能であり、又当該基材物質２は可撓性を有するものである事が望ましく、フィルム状、膜状、で任意の方向に湾曲させたり、屈曲させる事が可能な構成を有している事が望ましい。
【００３２】
又、本発明に於いては、当該複合材料４を発熱体である対象物３の表面５に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼着するものであって、当該貼着に当たっては、適宜の接着材を介して、当該対象物と熱的に結合されている事が好ましい。
【００３３】
更に、本発明に於ける当該対象物３は、上記した宇宙航行体の平面状部分のみでなく、球状、湾曲状、凹凸状等を含む有らゆる非平面状部分を有しているもので有っても良く、本発明に係る当該熱制御装置１０は、上記した如何なる当該対象物３の表面に貼着させる事が可能である。
【００３４】
尚、本発明に於ける当該対象物３は、人工衛星、宇宙船、等を含む、宇宙航行体に使用される電気、電子回路を含んでいるものである。
【００３５】
本発明に係る当該熱制御装置１０のより詳細な構成を動作を含めて以下に説明する。
【００３６】
即ち、本発明に於ける当該熱制御装置１０に於いては、その作用、動作に関しては、基本的に、物質は電子と格子の挙動でその光学特性を理解することができ、物質を良導体とすると、その物質の反射率及び誘電率は、光の振動数と物質固有のプラズマ振動数として表すことが出来る。
【００３７】
この関係から、金属的となる低温相での熱赤外域に於ける光の反射に必要な相変化物質の厚さは、その表面に入射する電磁波の波長よりも遙かに短くて良いことになり、波長１０μｍオーダーの熱赤外域に対して、相変化物質の厚さが１μｍ以上であれば十分高い反射率及び低い放射率が得られる。
【００３８】
一方、物質が絶縁体の場合は、入射する電磁波の波長より厚くなければ、十分な吸収率及び放射率が得られない。
【００３９】
以上の相変化物質１の有する特徴から、対象物３が低温の場合には、対象物３に熱結合した相変化物質１の熱放射量は小さく、従って、対象物３から外部環境への放熱量を少なくすることができ、対象物３の温度低下を抑えることができる。
【００４０】
一方、対象物３が高温の場合には、熱結合している相変化物質１は絶縁体的となる。数μｍ厚の相変化物質１は数１０μｍの熱赤外光に対して十分に高い放射率を提供することはできないが、その下層の放射率の高い基材物質２からの熱放射が相変化物質１を透過するため、相変化物質１の表面からの放熱量は大きくなる。
【００４１】
これにより対象物３から外部環境への放熱量を多くすることができ、対象物３の温度上昇を抑えることができる。
【００４２】
次に、本発明の熱制御装置１０に於いて、対象物３の温度が低下すると、対象物３と熱結合している基材物質２の温度も低下するため、その上に塗布又は蒸着等で形成された相変化物質１の温度が低下する。
当該相変化物質１がその相転移温度以下になると放射率が低下し、外部環境への放熱量が低下する。
【００４３】
このため、対象物３の温度低下を抑えることが出来る。
【００４４】
一方、対象物３の温度が上昇すると、対象物３と熱結合している基材物質２、及び相変化物質１の温度は上昇する。
【００４５】
相変化物質１はその厚さが薄いため十分な熱放射を行うことが出来ないが、高放射率を持つ下地の基材物質２からの熱放射が相変化物質１を透過するため、両者を合わせた大きな熱放射が得られる。
このため、外部環境への放熱量は増加し、対象物３の温度上昇を抑えることが出来る。
【００４６】
次に、本発明に係る当該熱制御装置１０の他の具体例に付いて図３を参照して説明するならば、本具体例に於いては、当該基材物質２として可撓性を有するものを得に使用するものであって、数μｍ乃至３０μｍ厚の相変化物質１を、数μｍ〜１００μｍ厚のフレキシブルな基材物質２に厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等により取り付けられ、さらに基材物質２は温度を制御する曲面形状を有する対象物３の表面に熱的に強く結合させて取り付けるものである。
【００４７】
当該可撓性を有する基材物質２としては、シリコン、アルミナ、安定化ジルコニア等が使用可能である。
【００４８】
一方、本構成による熱制御装置に於いて、対象物３の温度が低下すると、対象物３と熱結合している基材物質２の温度も低下するため、その上に厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等で形成された相変化物質１の温度が低下する。
【００４９】
相変化物質１がその相転移温度以下になると放射率が低下し、外部環境への放熱量が低下する。
【００５０】
このため、対象物３の温度低下を抑えることが出来る。
一方、対象物３の温度が上昇すると、対象物３と熱結合している基材物質２、及び相変化物質１の温度は上昇する。
【００５１】
相変化物質１はその厚さが薄いため十分な熱放射を行うことが出来ないが、高放射率を持つ下地の基材物質２からの熱放射が相変化物質１を透過するため、両者を合わせた大きな熱放射が得られる。
このため、外部環境への放熱量は増加し、対象物３の温度上昇を抑えることが出来る。
【００５２】
次に、本発明に係る当該熱制御装置１０の更に他の具体例に付いて説明するならば、当該具体例に於いては、当該相変化物質１の当該基材物質２が積層されている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を有する反射板６を積層させた複合材料７を使用するものである。
【００５３】
即ち、本具体例に係る当該熱制御装置１０は、図４に示す様に、数μｍ厚の相変化物質１を３０乃至５０μｍ厚の基材物質２に厚膜焼き付け、塗布又は蒸着等により取り付けられ、さらに基材物質２は温度を制御する対象物３の表面に熱的に強く結合させて取り付ける。
図５は、たてよこ各５０ｍｍ、厚さ５０μｍのイットリア安定化ジルコニア基板に厚膜焼き付け法により形成した厚さ１０μｍのＬａ_0.8Ｓｒ_0.075Ｃａ_0.125ＭｎＯ₃組成の厚膜の放射率温度依存性データを示すグラフであり、１７０Ｋ〜３８０Ｋの温度範囲で測定した全半球放射率である。転移温度である２４０Ｋ以下で急激な放射率の変化があり、低温域で金属的、高温域で絶縁体的な特徴を示している。
【００５４】
さらに、相変化物質１上に赤外光を透過させ、可視光を反射する性質を有する太陽光反射板６を配置している。
当該相変化物質１の太陽光波長領域（０．３μｍ〜２．５μｍ）の反射率は０．２前後と低く、太陽光に対する吸収率が高い。
【００５５】
従って、相変化物質１を直接太陽光が入射する場所に配置すると装置１０自体の熱吸収量が多くなり、放熱にとって不利となる。これを解決するため、図４に示すように、上記性質を有する太陽光反射板６を配置することで可視光に於ける熱吸収量を低減している。
【００５６】
太陽光を反射すること以外は、太陽光反射板６は熱赤外光に対して透明なため、装置の基本的な動作原理は第１の具体例と同じである。
【００５７】
次に、本発明に係る熱制御方法について説明するならば、上記した本発明に係る当該熱制御装置１０の動作の説明から明らかな様に、本発明に係る当該熱制御方法は、基本的には、高温相では絶縁体性質であり、低温相では金属的性質であり、且つ、高温相では熱放射量が大であり、低温相では熱放射量が小である相変化物質であって、且つ低温相に於いて熱赤外域で高い反射率を有する相変化物質１に、高温相で熱放射量が大である基材物質２を組み合わせて構成された複合材料４を対象物３に直接に或いは間接的に取り付ける事によって、当該対象物３の温度を制御する様に構成された宇宙航行体に於ける電子機器類の様な発熱する対象物の熱制御方法である。
【００５８】
本発明に係る当該熱制御方法に於いては、当該基材物質２は、当該相変化物質１よりも大なる厚みを有している事が望ましい。
【００５９】
又本発明に於ける当該相変化物質１は、ペロブスカイト酸化物である事が好ましく、例えば、ペロブスカイトＭｎ酸化物である事も好ましい。
【００６０】
更に、本発明に係る当該熱制御方法に於いては、当該基材物質２は可撓性を有するものである事も好ましい。
【００６１】
一方、前記したと同様に、本発明に係る当該熱制御方法に於いては、当該相変化物質１の当該基材物質２が積層されている面とは反対側の面に可視光を反射する性質を有する太陽光反射板６を積層させた複合材料７を使用する事も望ましい。
【００６２】
又、当該複合材料４又は７を発熱体である対象物の表面に直接或いは適宜の熱伝導物質を介して貼着するものである。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る当該熱制御方法及び熱制御装置は、上記した様な技術構成を採用しているので、第１の効果は、高密度な相変化物質を数μｍにまで薄くすることが出来るため、軽量化できることである。
従来の相変化物質は単体で低温相及び高温相の熱放射の特性を得るために厚さ数百μｍで有ったのに対して、本発明では厚さ数μｍの相変化物質と低密度で放射率の高い基材物質との組み合わせで達成できるため、相変化物質の軽量化、及び軽量な基材物質により、装置全体を軽量化することが出来る。
【００６４】
第２の効果は、柔軟な基材物質との組み合わせにより、取扱性及び貼付自由度が向上するため、使用用途範囲が拡大することである。
【００６５】
その理由は、前述のように従来の相変化物質の厚さは数百μｍであったため、柔軟性に乏しく貼り付ける際の対象物表面の平面性が要求される。これに対して本発明は、貼付対象物が円筒形等の形状で有ったとしても柔軟な基材物質を適用することにより貼り付けることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る熱制御装置の一具体的の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、従来の熱制御装置の構成の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る熱制御装置の他の具体的の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明に係る熱制御装置の更に他の具体的の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、厚膜焼き付け法により形成した厚さ１０μｍのＬａ_0.8Ｓｒ_0.075Ｃａ_0.125ＭｎＯ₃組成の厚膜の放射率温度依存性データを示すグラフである。
【符号の説明】
１…相変化物質
２…基材物質
３…対象物
４…複合材料
５…対象物の表面
６…太陽光反射板
７…複合材料
１０…熱制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal control method and an apparatus therefor, and in particular, particularly suitable for thermal control of an object to be heated such as an electronic device mounted on a spacecraft such as an artificial satellite and a spacecraft. The present invention relates to a thermal control method and apparatus therefor.
[0002]
[Prior art]
Generally, in a spacecraft navigating in a vacuum environment, heat radiation from outer surfaces to outer space serves as a heat dissipation means to the external environment, and the amount of heat radiation dominates the temperature of the spacecraft.
[0003]
For this reason, many technologies have been developed as a method for keeping the temperature within an appropriate range against a large fluctuation in the amount of heat generated inside a spacecraft or the like, or preventing a sudden increase or decrease in the temperature. Is coming.
[0004]
For example, it is known to provide a temperature control circuit separately from the electronic device or to use a thermal louver system as shown in FIG. 6 of JP-A-11-217562.
[0005]
However, the provision of a separate temperature control circuit increases the energy consumption and increases the mass of the spacecraft, and the internal capacity must be increased. In addition to the above problem, there is a problem that the reliability is low and the lifetime is short.
[0006]
On the other hand, in Japanese Patent No. 2705657, a phase change material is provided between a stable heat supply source in an artificial satellite and a satellite-mounted component having a heat radiating surface having a large thermal fluctuation, and the phase change material has a high temperature. In some cases, a method of controlling the temperature by setting the thermal conductivity to be small and the thermal conductivity to be large at a low temperature is shown, but the configuration of the present invention described later is the heat of the low temperature phase and the high temperature phase. Conductivity has the opposite configuration and efficient temperature control is not possible.
[0007]
Japanese Patent No. 2588633 discloses temperature control of an electronic device of a spacecraft that includes a container enclosing a phase change material, a heat pipe in close contact with the container, and an electric heater in close contact with the outer surface of the container. Although the device is disclosed, the entire other device that requires a separate heater is increased in size and weight, so that it is unsuitable for a spacecraft.
[0008]
Furthermore, in Japanese Patent No. 26258211, an artificial phase-change material having a low infrared emissivity in a high temperature phase and a high infrared emissivity in a low temperature phase is disposed between a mounting device and a heat sink that require temperature control. Although a satellite thermal control device is disclosed, the infrared emissivity of the low-temperature phase and the high-temperature phase is opposite to the configuration of the present invention described later, and efficient temperature control is impossible. is there.
[0009]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-207799 shows a configuration in which a phase change material composed of vanadium dioxide is disposed between a mounting device and a heat sink alone. Are different phase change materials and their usage is different, and efficient temperature control is impossible.
[0010]
Incidentally, as shown in FIG. 2, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-217562 discloses a thermal radiation characteristic of a phase change material composed of a perovskite Mn oxide or the like as the thermal control device regardless of the mechanical principle. There has been proposed an apparatus for controlling the temperature by using the.
[0011]
That is, an example is shown in which the phase change material 1 is directly attached to the heat radiating surface 5 of the object 3 that is an electronic device that requires thermal control.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the phase change material used in the known example is a kind of perovskite Mn oxide and the like, and has a high thermal emissivity in the high temperature phase and low thermal emissivity in the low temperature phase. In the above-described thermal control device using a known phase change material, it is necessary to obtain a high emissivity with a single phase change material in a high temperature phase, and therefore, a thickness of several hundred μm is required.
[0013]
When a perovskite Mn oxide is used as a phase change material, the density of the material is as high as 6.6 g / cm ³ , so that, for example, a thickness of about 1.3 kg / m ² is required at a thickness of 200 μm. .
[0014]
Moreover, the phase change material is ceramic and hard, and thus it has been impossible to obtain a thin and flexible phase change material.
[0015]
Such a phase change material has a similar function and has a mass of 1/3 to 1/5 that of a thermal louver that opens and closes a blade with bimetal, etc. is required.
[0016]
In addition, since the phase change material is solid and does not have flexibility, it is difficult to attach to an object having a curvature, and the application range is limited.
[0017]
Space devices have curved surfaces, and if they can be attached to them, the degree of freedom and range of application will be further expanded, but they are practical only when the above conventional phase change materials are used as they are. It was difficult to construct a thermal control device.
[0018]
OBJECT OF THE INVENTION
An object of the present invention is to provide a thermal control device and a thermal control method that improve the above-described drawbacks of the prior art, reduce the weight of a thermal control device having emissivity characteristics equivalent to the conventional one, and improve the performance. Furthermore, a heat control device having a conventional emissivity characteristic equivalent to that of the prior art is formed by forming a phase change material, which has conventionally been required to be several hundred μm or more, into a film of about several μm on a low-density base material. And a thermal control apparatus and a thermal control method that can be applied to an object having a curvature with flexibility.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the present invention employs a technical configuration as described below. That is, as a first aspect according to the present invention, the high temperature phase has insulator properties, the low temperature phase has metallic properties, the high temperature phase has a large amount of heat radiation, and the low temperature phase has a heat radiation amount. Is a phase change material having a small thickness and having a high reflectance in the thermal infrared region in the low-temperature phase and having a thickness of several tens of μm or less, a thickness larger than the thickness of the phase change material is applied to the phase change material. A thermal control device configured to control the temperature of an object by a composite material configured by combining base materials having a large amount of heat radiation in a high-temperature phase having a second aspect of the present invention. As an aspect, it is a phase change material having an insulator property in a high temperature phase, a metallic property in a low temperature phase, a large amount of heat radiation in a high temperature phase, and a small amount of heat radiation in a low temperature phase. Te, and the number is the thickness 1 having a high reflectance in the thermal infrared region at a low temperature phase the phase change material is μm or less, directly or composite thermal radiation amount is composed of a combination of substrate material is greater at high temperature phase having a large becomes thicker than the thickness of the phase change material to the object It is a thermal control method configured to control the temperature of the object by indirectly mounting.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Since the thermal control device and the thermal control method according to the present invention employ the technical configuration as described above, the same characteristics as those of a conventional thermal control device using a phase change material can be obtained, and the weight can be further reduced. It is an object of the present invention to provide a thermal control device capable of performing the above.
[0021]
More specifically, in the present invention, the phase change material 1 having a thickness of several μm to 30 μm, which has an insulating property in the high temperature phase and a metallic property in the low temperature phase, has a thickness of several 10 to 100 μm. Electronic materials that require thermal control, such as silicon, alumina, and stabilized zirconia, are formed by thick film baking, coating, or vapor deposition onto a substrate material that has high emissivity, low density, and sufficient strength and toughness. A thermal control device is simply configured as a device, which is thermally coupled to and attached to an object.
[0022]
In addition, by using a flexible foil or film as the base material, a thermal control device that can be applied to the curved surface of an electrical device is realized, the application range of the thermal control device is expanded, and the degree of freedom is increased. To increase.
[0023]
【Example】
The configuration of a specific example of the configuration of the thermal control device and the thermal control method according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0024]
That is, FIG. 1 is a diagram showing a configuration of one specific example of the thermal control device 10 according to the present invention, in which the high temperature phase has an insulator property, the low temperature phase has a metallic property, and The phase change material 1 has a large amount of heat radiation in the high temperature phase and a small amount of heat radiation in the low temperature phase, and has a high reflectance in the thermal infrared region in the low temperature phase. A thermal control device 10 is shown in which the temperature of the object 3 is controlled by a composite material 4 configured by combining base materials 2 having a large amount of heat radiation in a high-temperature phase.
[0025]
The phase change material 1 used in the present invention preferably has a thickness of about 1 to 30 μm.
[0026]
Further, the base material 2 used in the present invention has a thickness larger than that of the phase change material 1, and is preferably 10 to 100 μm, more preferably 30 to 50 μm. is there.
[0027]
In the present invention, as a method of laminating the phase change material 1 and the base material 2, for example, the phase change material 1 having a thickness of 1 to several μm is powdered on the surface of the base material 2. The base material 2 can be laminated by a coating method, a thick film baking method in which a paste-like material is printed and fired, or a vapor deposition method, and the surface of the object 3 whose temperature is controlled. Attach it with strong thermal coupling.
[0028]
On the other hand, the phase change material 1 used in the present invention is preferably a perovskite oxide, for example, a perovskite Mn oxide.
[0029]
In other words, the perovskite oxide usable in the present invention is a perovskite oxide containing Mn represented by A _1-x B _x MnO ₃ (A is a rare earth ion of La, Pr, Nd, Sm). At least one, B is at least one of alkaline earth metal ions of Ca, Sr, and Ba).
[0030]
In the present invention, for example, a corundum vanadium oxide containing Cr represented by (V _1-x Cr _x ) ₂ O ₃ can be used as another phase change material.
[0031]
On the other hand, the base material 2 used in the present invention can use silicon, alumina, stabilized zirconia, or the like, and the base material 2 has flexibility. It is desirable to have a configuration that can be bent or bent in any direction in the form of a film or film.
[0032]
Further, in the present invention, the composite material 4 is adhered to the surface 5 of the object 3 as a heating element directly or via an appropriate heat conducting substance. It is preferable to be thermally coupled to the object through the adhesive.
[0033]
Further, the object 3 in the present invention has not only the above-described planar portion of the spacecraft but also any non-planar portion including a spherical shape, a curved shape, an uneven shape, and the like. The heat control device 10 according to the present invention can be attached to the surface of any object 3 described above.
[0034]
In addition, the said target object 3 in this invention contains the electrical and electronic circuit used for a spacecraft including an artificial satellite, a spacecraft, etc.
[0035]
A more detailed configuration of the thermal control device 10 according to the present invention will be described below including operation.
[0036]
In other words, in the thermal control device 10 according to the present invention, with respect to its action and operation, the substance can basically understand its optical characteristics by the behavior of electrons and lattices. Then, the reflectance and dielectric constant of the material can be expressed as the light frequency and the plasma frequency specific to the material.
[0037]
From this relationship, the thickness of the phase change material necessary for reflection of light in the thermal infrared region in the metallic low temperature phase may be much shorter than the wavelength of the electromagnetic wave incident on the surface. Thus, if the thickness of the phase change material is 1 μm or more with respect to the thermal infrared range of the order of 10 μm, sufficiently high reflectance and low emissivity can be obtained.
[0038]
On the other hand, when the material is an insulator, sufficient absorption and emissivity cannot be obtained unless the material is thicker than the wavelength of the incident electromagnetic wave.
[0039]
Due to the characteristics of the phase change material 1 described above, when the object 3 is at a low temperature, the amount of heat radiation of the phase change material 1 thermally coupled to the object 3 is small, and therefore, the release from the object 3 to the external environment is small. The amount of heat can be reduced, and the temperature drop of the object 3 can be suppressed.
[0040]
On the other hand, when the object 3 is at a high temperature, the thermally coupled phase change material 1 becomes insulating. The phase change material 1 having a thickness of several μm cannot provide a sufficiently high emissivity for thermal infrared light of several tens of μm. Since the substance 1 is transmitted, the amount of heat released from the surface of the phase change substance 1 is increased.
[0041]
Thereby, the amount of heat radiation from the object 3 to the external environment can be increased, and the temperature rise of the object 3 can be suppressed.
[0042]
Next, in the thermal control apparatus 10 of the present invention, when the temperature of the object 3 is lowered, the temperature of the base material 2 that is thermally bonded to the object 3 is also lowered. The temperature of the phase change material 1 formed in (1) decreases.
When the phase change material 1 is below its phase transition temperature, the emissivity is reduced, and the amount of heat released to the external environment is reduced.
[0043]
For this reason, the temperature fall of the target object 3 can be suppressed.
[0044]
On the other hand, when the temperature of the object 3 is increased, the temperatures of the base material 2 and the phase change material 1 that are thermally coupled to the object 3 are increased.
[0045]
The phase change material 1 is thin enough to be unable to radiate heat sufficiently, but since the heat radiation from the underlying base material 2 having a high emissivity penetrates the phase change material 1, Combined large thermal radiation is obtained.
For this reason, the amount of heat radiation to the external environment increases, and the temperature rise of the object 3 can be suppressed.
[0046]
Next, another specific example of the thermal control device 10 according to the present invention will be described with reference to FIG. 3. In this specific example, the base material 2 has flexibility. The phase change material 1 having a thickness of several μm to 30 μm is attached to a flexible base material 2 having a thickness of several μm to 100 μm by thick film baking, coating or vapor deposition, and the like. The material material 2 is attached to the surface of the object 3 having a curved surface shape for controlling the temperature by being thermally strongly bonded.
[0047]
As the base material 2 having flexibility, silicon, alumina, stabilized zirconia, or the like can be used.
[0048]
On the other hand, in the thermal control device according to the present configuration, when the temperature of the object 3 decreases, the temperature of the base material 2 thermally bonded to the object 3 also decreases. The temperature of the phase change material 1 formed by vapor deposition or the like decreases.
[0049]
When the phase change material 1 is below its phase transition temperature, the emissivity is reduced, and the amount of heat released to the external environment is reduced.
[0050]
For this reason, the temperature fall of the target object 3 can be suppressed.
On the other hand, when the temperature of the object 3 is increased, the temperatures of the base material 2 and the phase change material 1 that are thermally coupled to the object 3 are increased.
[0051]
The phase change material 1 is thin enough to be unable to radiate heat sufficiently, but since the heat radiation from the underlying base material 2 having a high emissivity penetrates the phase change material 1, Combined large thermal radiation is obtained.
For this reason, the amount of heat radiation to the external environment increases, and the temperature rise of the object 3 can be suppressed.
[0052]
Next, a description will be given of still another specific example of the thermal control device 10 according to the present invention. In the specific example, the base material 2 of the phase change material 1 is laminated. A composite material 7 in which a reflecting plate 6 having a property of reflecting visible light is laminated on a surface opposite to the surface is used.
[0053]
That is, as shown in FIG. 4, the thermal control device 10 according to this specific example is attached to the base material material 2 having a thickness of several μm on the base material material 2 having a thickness of 30 to 50 μm by thick film baking, coating, or vapor deposition. Furthermore, the base material 2 is attached to the surface of the object 3 whose temperature is to be controlled by being strongly thermally bonded.
FIG. 5 shows the emissivity temperature dependence data of a 10 μm thick La _0.8 Sr _0.075 Ca _0.125 MnO ₃ composition formed on a yttria-stabilized zirconia substrate having a length of 50 mm and a thickness of 50 μm by a thick film baking method. Is a total hemispherical emissivity measured in a temperature range of 170K to 380K. There is an abrupt change in emissivity at a transition temperature of 240K or lower, showing metallic characteristics at low temperatures and insulating characteristics at high temperatures.
[0054]
Further, a sunlight reflecting plate 6 having a property of transmitting infrared light and reflecting visible light is disposed on the phase change material 1.
The reflectance in the sunlight wavelength region (0.3 μm to 2.5 μm) of the phase change material 1 is as low as around 0.2, and the absorption rate for sunlight is high.
[0055]
Therefore, if the phase change material 1 is disposed in a place where sunlight directly enters, the heat absorption amount of the device 10 itself increases, which is disadvantageous for heat dissipation. In order to solve this, as shown in FIG. 4, the amount of heat absorption in visible light is reduced by arranging the solar reflector 6 having the above-mentioned properties.
[0056]
Except for reflecting sunlight, the solar reflector 6 is transparent to thermal infrared light, so the basic operating principle of the apparatus is the same as in the first example.
[0057]
Next, the thermal control method according to the present invention will be described. As apparent from the description of the operation of the thermal control device 10 according to the present invention, the thermal control method according to the present invention is basically as follows. Is a phase change material that is an insulator property in the high temperature phase, a metallic property in the low temperature phase, a large amount of heat radiation in the high temperature phase, and a small amount of heat radiation in the low temperature phase, In addition, a composite material 4 formed by combining a phase change material 1 having a high reflectance in the thermal infrared region in the low temperature phase and a base material 2 having a large amount of heat radiation in the high temperature phase is directly applied to the object 3. Or a method of controlling the heat of an object that generates heat, such as an electronic device in a spacecraft configured to control the temperature of the object 3 by being attached indirectly or indirectly.
[0058]
In the thermal control method according to the present invention, it is desirable that the base material 2 has a larger thickness than the phase change material 1.
[0059]
In addition, the phase change material 1 in the present invention is preferably a perovskite oxide, for example, preferably a perovskite Mn oxide.
[0060]
Furthermore, in the thermal control method according to the present invention, it is also preferable that the base material 2 has flexibility.
[0061]
On the other hand, as described above, in the thermal control method according to the present invention, visible light is reflected on the surface of the phase change material 1 opposite to the surface on which the base material 2 is laminated. It is also desirable to use a composite material 7 in which solar reflective plates 6 having properties are laminated.
[0062]
In addition, the composite material 4 or 7 is adhered to the surface of the object as a heating element directly or via an appropriate heat conductive substance.
[0063]
【The invention's effect】
Since the thermal control method and the thermal control apparatus according to the present invention employ the technical configuration as described above, the first effect is that a high-density phase change material can be thinned to several μm. It can be reduced in weight.
The conventional phase change material has a thickness of several hundred μm in order to obtain low temperature and high temperature thermal radiation characteristics by itself, whereas in the present invention, the phase change material has a thickness of several μm and low density. Therefore, the entire device can be reduced in weight by reducing the weight of the phase change material and the lightweight base material.
[0064]
The second effect is that the range of use is expanded because the handleability and the degree of freedom of application are improved by the combination with a flexible base material.
[0065]
The reason for this is that, as described above, the thickness of the conventional phase change material is several hundred μm, and therefore, the flatness of the surface of the object is required when it is attached with poor flexibility. In contrast, the present invention can be applied by applying a flexible base material even if the object to be applied has a cylindrical shape or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a specific configuration of a thermal control device according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a conventional thermal control device.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another specific configuration of the thermal control device according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing still another specific configuration of the thermal control device according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing emissivity temperature dependency data of a 10 μm thick La _0.8 Sr _0.075 Ca _0.125 MnO ₃ composition formed by thick film baking.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Phase change substance 2 ... Base material 3 ... Object 4 ... Composite material 5 ... Surface 6 of object ... Sunlight reflector 7 ... Composite material 10 ... Thermal control apparatus

Claims

It is an insulator property in the high temperature phase, a metallic property in the low temperature phase, a large amount of heat radiation in the high temperature phase, a small amount of heat radiation in the low temperature phase, and a low temperature A base material having a large amount of heat radiation in a high-temperature phase having a thickness larger than the thickness of the phase change material in a phase change material having a high reflectance in the thermal infrared region in the phase and having a thickness of several tens of μm or less A thermal control device, wherein the temperature of an object is controlled by a composite material configured by combining substances.

The thermal control apparatus according to claim 1, wherein the phase change material is a perovskite oxide.

The thermal control device according to claim 2, wherein the phase change material is a perovskite Mn oxide.

4. The thermal control device according to claim 1, wherein the base material has a thickness of 10 to 100 [mu] m.

5. The thermal control device according to claim 1, wherein the base material is silicon, alumina, stabilized zirconia, or other flexible material.

6. A reflection plate or a reflection film having a property of reflecting visible light is laminated on a surface of the phase change material opposite to the surface on which the base material is laminated. The thermal control apparatus in any one of.

The thermal control device according to any one of claims 1 to 6, wherein the composite material is attached to the surface of an object that is a heating element directly or via an appropriate thermal conductive substance.

The thermal control apparatus according to claim 7, wherein the composite material is thermally coupled to the object through an appropriate adhesive.

The thermal control device according to claim 1, wherein the object has a non-planar portion.

The thermal control device according to any one of claims 1 to 9, wherein the object includes an electric and electronic circuit used for a spacecraft including an artificial satellite, a spacecraft, and the like.

It is an insulator property in the high temperature phase, a metallic property in the low temperature phase, a large amount of heat radiation in the high temperature phase, and a small amount of heat radiation in the low temperature phase, and a low temperature The phase change material having a high reflectance in the thermal infrared region in the phase and having a thickness of several tens of μm or less has a large amount of heat radiation in the high temperature phase having a thickness larger than the thickness of the phase change material. A thermal control method comprising controlling a temperature of an object by directly or indirectly attaching a composite material configured by combining base materials to the object.

The thermal control method according to claim 11, wherein the phase change material is a perovskite oxide.

The thermal control method according to claim 12, wherein the phase change material is a perovskite Mn oxide.

The thermal control method according to claim 11, wherein the base material is silicon, alumina, stabilized zirconia, or other flexible material.

15. The reflection plate or the reflection film having a property of reflecting visible light is laminated on the surface of the phase change material opposite to the surface on which the base material is laminated. The heat control method according to claim 1.

The thermal control method according to any one of claims 11 to 15, wherein the composite material is attached to the surface of an object that is a heating element directly or via an appropriate thermal conductive substance.

The thermal control method according to any one of claims 11 to 16, wherein the object includes an electric circuit and an electronic circuit used for a spacecraft including an artificial satellite, a spacecraft, and the like.