宇宙環境下熱流動現象の理解に基づく機能的熱流体制御デバイスの創出

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01630
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 小川 博之 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (60311172)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長野 方星 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (10435810)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 宇宙機熱制御 / ループヒートパイプ / 超小型衛星

Outline of Annual Research Achievements

近年宇宙機のミッション高度化，小型化に伴い，熱制御要求が厳しくなっている。従来の受動型の熱制御のみでは高発熱密度や低電力要求への対応は不可能であり，新たな熱制御システムの創出が求められている。本研究は，高熱流束型マルチエバポレータ型ループヒートパイプ（LHP）を軸とした熱流体制御ネットワークを提案し，熱制御方式の技術革新を図る。申請者が独自に構築してきたマルチエバポレータ型LHPは温度均一性，自律熱制御性に優れるが，将来宇宙ミッションの厳しい熱要求に応えるためには，高い熱流束への対応，小型軽量化，ヒートスイッチ機能付加が必須である。そこで本研究では，高熱流束を実現する高性能な蒸発器多孔体界面を創成するとともに，深宇宙への輻射ラジエータの流路最適化を図るため，宇宙模擬環境での凝縮素過程を赤外および可視観察により解明する。また，シンプルな熱流動スイッチとして独創的なポーラスバルブを提案し，簡易な流動制御の実現可能性を検証する。これらの成果を融合し，高熱輸送性能と自律熱制御性を兼備した小型軽量な熱流体制御デバイスの技術基盤を確立する。
2018年度は特に，ループヒートパイプの高熱流束と長距離輸送の関係について圧力損失と毛管力の関係を明らかにした。その理解に基づき，高熱流束を達成するための蒸気溝形状，多孔体細孔径，浸透率，濡れ性とシステムの圧力損失の関係を明らかにした。また凝縮器内の凝縮素過程を明らかにするための計測装置を新たに構築し，ハイスピードカメラと光学系を用いた凝縮器の凝縮流動様式の観察に成功した。また，本装置を用いて，マルチエバポレータ型LHPのボトムヒート状態での凝縮過程と熱リークの関係，ならびに流路の違いによる凝縮熱伝達の違いを明らかにすることに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では高熱流束型マルチエバポレータ型ループヒートパイプの宇宙実用化を最終ゴールとしており，技術課題として高熱流束化と凝縮素過程の理解が大きなポイントとなる。2018年度は高熱流束化に向けた基礎的理解ならびに高熱流束化指針が明らかにされたこと，凝縮素過程を観察する装置が完成し，その基礎データが得られるとともに，新たな知見が得られたことから，概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

本研究では，前述した目的を達成するために，多孔体内沸騰限界の解明に基づく高熱流束型LHPの実現，輻射冷却凝縮過程の解明に基づくラジエータの小型軽量化，熱流体制御ネットワークの検討を進める。
まず，将来宇宙機の熱要求である熱輸送距離1m以上，熱流束20W/cm2以上を達成するため，蒸気溝形状，多孔体細孔径，浸透率，濡れ性とシステムの圧力損失の関係を明らかにし，蒸発器蒸気溝と蒸発熱伝達の関係を明らかにするとともに，20W/cm2以上を達成し得る具体的な蒸気溝チャネル構造，特性を同定する。
次に昨年度構築した宇宙環境を模擬した装置を用いて，LHP凝縮素過程をハイスピードカメラ（可視域）で観察し，凝縮様式を明らかにするとともに，物理モデルを提案する。また，ラジエータ全体の温度分布を詳細に計測することで，流路断面積，流路間隔，基盤の熱伝導率を考慮したフィン効率の最適化を図る。
さらに，小型・軽量化要求に厳しい超小型衛星を対象とし，超小型衛星の熱要求を具体的に達成する熱制御ネットワーク構成を提案するとともに，それを実現するためのハードウェアの製作を行う。