Transcript ポスター(power point file)

新世代ヒートパイプ Loop Heat Pipe (LHP)
P3-14
上野史郎(JAXA/ISS科学)、永井大樹（東北大/航空宇宙）
ループ状に閉じたヒートパイプ「Loop Heat Pipe (LHP)」の利用が米国で主流になりつつある。
2004年に打ち上げられた地球科学衛星Auraと、宇宙科学衛星SwiftにもLHPが搭載されている。
一方日本ではLHPは技術実証の段階である。国際宇宙ステーション搭載予定の全天X線監視装置用LHPを
モデルケースとして、LHPの動作原理、LHPの利点、世界でのLHP開発と利用の現状を紹介する。
LHPの動作原理と利点
Loop Heat Pipeの原理
凝結部（Condenser）
冷凍機の違いを述べる。ヒートパイプは、高温側から低温側に向かってしか熱を伝達
ごく普通のパイプ
(例えば内径6mmΦ)。
凝結したあと
さらに冷える
蒸
気
の
流
れ
高 低x
蒸気圧： P1 > P2
温度： T1 > T2
できない。対して冷凍機は、低温側から高温側に熱を輸送することができる。全天X線監視
装置(MAXI)のX線CCDカメラ内部に搭載するペルチェ素子は冷凍機に分類できる。身近な
冷凍機の例として、家庭用クーラーや冷蔵庫がある。
その名通りループ状。
液
の
流
れ
アンモニアなど作動流体を
密封。
Wick(毛細管構造、ポーラス構造)
毛細管力障壁で
ループが方向性を持つ。
蒸発部（Evaporator)
Loop Heat Pipeの特徴 (少し現実的な構造)
◆ 長所
ラジエータ（冷却）
凝結部(Condenser)
蒸気管
蒸発部
(Evaporator)
Secondary
Wick
熱源
(装置等)
液体管
１）蒸発部以外、普通のパイプなので、
配管が自由自在。
ベローパイプも使用できる。
2) ラジエータ側から装置側へ
熱が逆流しない。
(熱ダイオード)
液溜め
◆ 難しい点
スタートアップや動作時の、
液体のマネージメントが鍵。
液溜めやSecond Wickの設計
がメーカーのノウハウ。
毛細管力を利用
中身は単相(液相)で、液体の熱容量を利用して熱を運ぶ。液体は電動ポンプなどを用いて
循環させる。いっぽう二相ヒートパイプの中身は二相（液相と気相）で、気化と凝縮時に
やりとりされる潜熱を利用し熱を運ぶ。電動ポンプで循環する二相ヒートパイプもあるが、ふ
つうの二相ヒートパイプでは、温度差で生ずる蒸気圧差によって気体が高温側から低温側
へ流れ、毛細管力で液体を高温側へ戻す。
”
1964年論文出版
の中に、ある純粋な物質が液相と気相(二相)の共存状態で封じ込められている。宇宙利用
ではアンモニアであることが多い。封じ込める物質によって性能や使用温度範囲がことなる
が、二相平衡で封じ込めることができるものであれば何でもよい（たとえば水のヒートパイプ
もある）。ヒートパイプ全体が室温と熱平衡に達していて、かつ、ヒートパイプの中の物質が
二相共存の平衡状態にあるとすれば、ヒートパイプ内の圧力はその室温での飽和蒸気圧に
なる。室温が上がっても下がっても、ヒートパイプ内の圧力は、その温度での飽和蒸気圧に
自動的に落ち着く(３重点と臨界点の間である限り)。つまり「二相ヒートパイプ内の温度は常
にその圧力での沸点」である。よって外部から少しでも余分な熱が加わると、液相部分は沸
騰し始める。Conventional heat pipeの片端の温度をもう一方より高くすると、そこに液があ
れば沸騰をはじめ、気化によって潜熱分を吸熱する。低温側に比べ高温側の蒸気圧の方
が高いため、蒸気は低温側に流れる。蒸気は低温側で液化し潜熱をはきだす。しかしその
ままでは管内の圧力は一定におちついてしまい、蒸気の流れが止まる。つまり温度が高く
希薄な蒸気が高温側にたまり、低温側には温度が低く密度の高い蒸気が液と一緒にたまる
。「高温部での気化、蒸気の低温側への流れ、低温部での液化」を持続させるには、低温側
から、高温側に液体を戻す必要がある。
低温側から高温側へ液体を戻すのに地球重力加速度を使ったものを熱サイフォンとよび、
重力のかわりに毛細管力をつかったものをヒートパイプと呼ぶ。Conventional Heat Pipeで
は、管内に、端から端まで細い溝やメッシュまたはPorus状の構造(総称してWickと呼ぶ)を
配置することにより、その毛細管力で液体を高温側に戻す。
“Structures of Very High Thermal Conductivity”,
Grover, G.M. et al.
Journal of Applied Physics, Vol.35, pp.1190-1191.
ヒートパイプの最大熱輸送因子
 hv 
Q4 

  
5) 重力の影響を受けにくい
全天X線監視装置(MAXI)用LHP
国際宇宙ステーション搭載 全天X線監視装置
（MAXI）用Loop Heat Pipe & Radiator System
Q
（２）LHP技術の取得
（３）学生教育（筑波大学との共同研究による）
形状・製造技術：ポア径、空隙率のコントロール、再現性
長尺化：製造性、グルーブ形状
MAXI用 LHP & Radiator System
18
5c
80 c
m
Honeycomb
panels Radiator
Evaporator
with embedded LHP
condenser lines and aluminum
facesheets
LHPでペルチェ冷凍機の廃熱をラジエータに
運び出し、X線CCDカメラボディを約－２０度Cに冷却。
+X Panel
従来のヒートパイプ(HP)と
Loop Heat Pipe & Capillary Pumped Loopの比較（１）
LHP開発に関する現状
HP
LHP／CPL
0.2-0.36 kW･m
1-10kW･m
数十W、1m
1kW、数m
気液が対方向、圧力損失大
気液が同一方向、圧力損失小
△
◎
24 kg@1kW
20-36 kg@1kW
項目
世界における実績／開発状況

1997年、既搭載
Mars Pathfinder
2
James Webb：H2-ALHP、Cryo-LHP
2011年頃、搭載予定

JEM/Kibo MAXI
3
James Webb
展開ラジエータ、実証試験
平成１７年度？
USERS：CPDR(Capillary Pumped Loop
Deployable Radiator)


展開ラジエータ、実証試験
実証済み（平成１４年から１５年）
USERS
ETS-VIII
比重量
艤装性
(LHP=Loop Heat Pipe, CPL=Capillary Pumped Loop)
世界における実績／開発状況
Granat(露)：世界初、1996年
MarsRover(米)：既搭載、JPL
GLAS(米)：既搭載, NASA
ATLID(欧)：既搭載, ESA
STENTOR(仏)：既搭載, CNES
OBZOR(露)：既搭載, RSA
Hughes 702（米）：既搭載
Aura(米)：既搭載、2004年
Swift(米ほか)：既搭載、2004年
JEMMAXI（日）：搭載予定、2007年、Swales社
James Webb（米）：搭載予定、2011年頃、H2-ALHP、Cryo-LHP
日本国内での開発状況
△
◎
重力の影響を受ける
重力の影響を受けにくい
×
○
内部構造が簡単
蒸発部、アキュムレータが若干複雑
◎
△
蒸発部と凝縮部が一体化
蒸発部と凝縮部を分離
△
◎
○
N/A
4
熱試験性
5
信頼性-1
6
信頼性-2
7
コスト
8
製造メーカ
（国内外）
メルコ、住友軽金属、NTS
Swales, DCI, SABCA
Swales, ASTRIUM, OHB, SABCA
9
フライト実績
／予定
SFU, CLEMENTINE, ETS-III, ETS-V
EOS-AM, MARS-96, COM2PLEX,
USERS, ETS-VIII, MAXI
項目
1
艤装性
HP
リジッドなパイプのためI/Fは悪い
L型またはC型ヒートパイプとせざるを得ない
×
2
寿命
不凝縮ガスの影響により経年劣化あり
５年以上の実績あり
○
3
4
5
耐久性
（振動に対する
）
重量
（別紙参照）
熱輸送能力
L型またはC型ヒートパイプを使用するので接合部が
振動で破断する可能性あり
△
ヒートパイプ埋め込み型：グルーブチューブ
○
１本あたり：0.2-0.36 kW･m 複数本必要
△
6
温度均一化

USERS：CPDR(Capillary Pumped Loop Deployable Radiator)
展開ラジエータ、実証試験
実証済み（2002年から2003年）
 ETS-VIII：FLHP(Flexible Loop Heat Pipe)
展開ラジエータ、実証試験􀂾2006年度？
配管の形状を任意にでき、フレキ管も使
用できるためI/Fは良い
リジッドなパイプのためI/Fは悪い
従来のヒートパイプ(HP)と
Loop Heat Pipe & Capillary Pumped Loopの比較（2）
国内外におけるLHP/CPLの現状











コメント
ETS-VIII：FLHP(Flexible Loop Heat Pipe)


輸送
距離
評価
2008年、搭載予定
日本内での開発状況

1
熱輸送
能力
JEM MAXI：LHP、Swales社


輸送量
MarsRover：Mini-LHP、DCI社

(Accumulator)
Condenser Lines
Peltier device

(Evaporator)
Engineering Model の写真
Accumulator
-Z Panel
ラ
ジ
エ
ー
タ
CCD

液だめ
変動するシンク温度
m
LHP Evaporator

詳細な事前試験が必要
蒸発部
２つの凝縮部の熱環境が異なる。
MAXIの熱機械モデル：LHPRS部分はEngineering Model
国際宇宙ステーション(ISS)の
日本実験棟(JEM/Kibo)
：大きい
：小さい
本シンポでの関連ポスター
P4-21: 全天X線監視装置（MAXI)開発の進捗状況
P4-22: 全天X線監視装置（MAXI)搭載用CCDカメラの開発の現状
１つの蒸発部に対し２つの放熱面（凝縮部）を持つ。
（１）MAXIミッション達成(X線CCDカメラの冷却)
第一項：作動流体の特性
第二項：ウィック特性
第三項：ウィックの形状
材質：耐薬品性（腐食など）、軽量
LHPの日本での使用は初めてである。
100 cm




ウィック開発において考慮すべき点
JEM/MAXI LHPの特徴
目的：
 Aw

 Leff

空隙率、透過率
最小毛管径
LHPRS（Loop Heat Pipe and Radiator System)
日本で初の実使用となるLHPシステム(2008年打上げ)。
K
 
 rc 
Q：熱入力（W）、σ：表面張力（N/m）、hv：蒸発潜熱（J/kg）
K：透過率（m2）、rc：最小毛管径（m）、Aw：ウィックの断面積（m2）
ν：動粘性係数（m2/s）、Leff：蒸発部の実効長（m）
Conventional Heat Pipe と大きく違う点は、1) 管がLoop状にとじている、2) 毛細管力をも
つ部分が管にそって一部分のみである、の２点である。LHPでは、毛細管力を必要とする部
分以外は全て普通のパイプが使用でき管内部に細工を必要としない。よって(毛細管力が
効かない限り)いくらでも細い管をつかったり、またフレキシブルなベロー管を使ったりできる。
たとえば装置が高密度に実装された衛星にLHPを利用することによって、発熱密度の高い
装置から、狭い内部空間の隙間をぬい、衛星表面ラジエータに達する廃熱経路の確保が容
易になる。また、左図に示した『液だめ』への少量の外部熱入力操作によりconductanceを
能動的に制御できるのもLHPの特徴である。JAXAの全天X線監視装置(MAXI)に搭載する
LHP ではconductanceの微調整はしないが、必要な時にconductanceをゼロにするshutoff制御は実施する。LHPの他の特徴としては、機器側からラジエータ側へ熱を一方向にの
み伝導する「ダイオード効果」がある。
4) 高い熱輸送能力
“Heat Pipe”という用語を初めて使用。
図の出展：
http://www.tomshardware.com
一方、Loop Heat Pipe (LHP) の内部構造を左図に模式的に示す。
3) 液溜めにヒータで熱を加えて、
Conductanceコントロール、
LHPの停止
が可能。
“Heat transfer via capillary
movement of fluids.
The "pumping" action of
surface tension forces
may be sufficient to move
liquids from acold temperature
zone to a high temperature zone (後省略)
Heat Pipeは、単相ヒートパイプと、二相ヒートパイプに分類できる。単相ヒートパイプの
国際宇宙ステーション(ISS)に2008年搭載の

1963年7月24日,
George Grover のノート
Conventional heat pipe の内部構造を右図に模式的に示す。管状の閉じた容器
熱源
(装置等)
Primary
Wick
無重力下でも
蒸気圧に抗して
液を循環させるために。
Loop Heat Pipe と、conventional heat pipe の違いを説明する前に、ヒートパイプと
ラジエータ（冷却）
Conventional Heat Pipe (普通の Heat Pipe)
7
コスト
8
開発の
成熟度
SFUのように南北面連結ヒートパイプによる対応とな
るので、重量増
LHP/CPL
Evaporator＆
Accumulator
LHPRS
展開写真
全天X線監視装置(MAXI)用
Loop Heat Pipe開発を通して
良かった点：
1)パイプの這いまわしをコンパクトにすることができた。
X線観測装置搭載用の空間を最大限確保できた。
2)パイプの一部にフレキシブル・パイプをいれることができた。
MAXI組立て時にラジエータパネルをドアのように開閉でき、
組み立て作業の単純化に大きく貢献。
3)MAXIサバイバルモード時に、LHP液だめ部を小電力で温め
ることにより、LHPをShutdownできる。CCDカメラ冷えすぎ防
止の保温を少ない電力で達成。
4)コンデンサパイプの配管が容易なため、ラジエータパネルに
視野確保の切りかきを自由にデザインできた。
配管の形状を任意にでき、フレキ管も使用できるため
I/Fは良い
ラジエータ位置を任意に変更可
◎
不凝縮ガスの影響を受けにくい
５年以上の実績はないが、見込みあり
○
パイプを螺旋状にすることにより、
振動を吸収できる
○
ヒートパイプ埋め込み型：スムースチューブ
◎
１蒸発器／１凝縮器あたり：1-10kW･m
◎
難しい点：
1)LHP使用の経験がないため「過去の経験・知見に基づいて
の機能・性能評価の簡略化」が困難。
2)米国の会社製のためエバポレータやアキュムレータ内部の
詳細な構造が日本側に非開示。
アキュムレータ調節による対応となるので、重量増と
ならない
△
○
規格品改修必要
研究開発の加速必要
○
×
実績および民生用多数
規格品の転用化
国内フライト実績１例のみ。開発中。
◎
△
MAXI後、将来へ向けての希望：
LHPを国内で低コストで調達したい。