| 【発明の名称】 |
放熱冷却型ガスタンク |
| 【発明者】 |
【氏名】岡 利春
【氏名】松野 伸介
【氏名】太田 豊彦
|
| 【要約】 |
【課題】タンク本体の全面が放熱面として有効に機能するとともに、天体からタンク本体へ向かう赤外線を阻止し、気体の冷却を十分に行える放熱冷却型ガスタンクの提供を課題とする。また、宇宙機器本体とタンク本体との間で、タンク本体から放出される赤外線が繰り返し反射されることを阻止し、タンク本体から有効に放熱できるようにすることも課題とする。また、タンク本体および気体の温度を任意に変えて気体のガス圧の制御を可能とし、燃料電池発電装置に有効利用できるようにすることも目的とする。
【解決手段】気体Ｇを貯留するタンク本体１０と、該タンク本体１０が宇宙機器本体１へ放射する赤外線５を天体上空Ｓに反射するよう斜め上方に向けて配置された反射板１１と、天体Ｍからタンク本体１０に向かう赤外線６を遮蔽するためのシェード１２とを具備する構成とした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 天体（Ｍ）上の宇宙機器本体（１）に装備される放熱冷却型ガスタンク（８）であって、気体（Ｇ）を貯留するタンク本体（１０）と、該タンク本体（１０）が宇宙機器本体（１）へ放射する赤外線（５）を天体上空（Ｓ）に反射するよう斜め上方に向けて配置された反射板（１１）と、天体（Ｍ）からタンク本体（１０）に向かう赤外線（６）を遮蔽するためのシェード（１２）とが具備されていることを特徴とする放熱冷却型ガスタンク。
【請求項２】 請求項１記載の放熱冷却型ガスタンク（８）において、前記反射板（１１）は、前記宇宙機器本体（１）と前記タンク本体（１０）との間に配置されると共に、タンク本体（１０）を焦点（Ｆ）とし、該焦点（Ｆ）からの前記赤外線（５）を該焦点（Ｆ）以外の方向へ反射する複合放物面形状とされていることを特徴とする放熱冷却型ガスタンク。
【請求項３】 請求項１記載の放熱冷却型ガスタンク（８）において、前記シェード（１２）は、相互に平行な複数の板体（１７）と、これら板体（１７）の傾斜角度を変更する回動手段（１６）とを具備していることを特徴とする放熱冷却型ガスタンク。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、宇宙機器本体の燃料電池発電装置に装備される、酸素や水素等の気体を蓄えてこれを冷却する放熱冷却型ガスタンクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】月探査機の開発にあたり、その動力源として、水素と酸素を燃料とする燃料電池を用いた発電装置が検討されている。この燃料電池発電装置には、酸素や水素といった気体を貯留するためのタンク本体が装備されているが、使用する気体の量が多いため、発電装置全体の半分程度をタンク本体の重量が占めている。このことより、発電装置の軽量化にあたってはタンク本体の小型化が要求されることになる。タンク本体小型化の手段としては、気体圧力を高めることで気体容積を小さくするか、もしくは気体温度を下げて気体密度を上げることで気体容積を小さくするかのいずれかがある。しかし、前者は高い気体圧力に耐えられるよう、タンク本体の肉厚を厚くする必要があるので、重量としては軽くならない。したがって、後者の案が好ましいことになる。そこで、気体の冷却方法としては、人工衛星等で使用されるラジエータを用いて、図６に示すように放射冷却により気体温度を下げる案が考えられる。
【０００３】図６について説明すると、符号１は天体Ｍに着陸した宇宙機器本体であり、該宇宙機器本体１には、気体Ｇを蓄えるタンク本体２と気体Ｇを冷却するためのラジエータ３とからなる放熱冷却型ガスタンク７が装備されている。この放熱冷却型ガスタンク７は、太陽光の直射を受けないよう、宇宙機器本体１の北側に配置されている。上記放熱冷却型ガスタンク７による気体Ｇの冷却は、ラジエータ３から天体上空Ｓへの赤外線４の放射と、タンク本体２から天体上空Ｓへの赤外線５の放射とによって行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の放熱冷却型ガスタンク７は、下記のような問題を有していた。すなわち、タンク本体２が放つ赤外線５の内、宇宙機器本体１に面した側のものは宇宙機器本体１に当たって反射し、再びタンク本体２に戻ってくるので、タンク本体２の全面が放熱面として利用できない上に、ラジエータ３が天体Ｍからの赤外線６を受けてしまうので、タンク本体１０および気体Ｇを十分に冷却することができないという問題を有していた。また、宇宙機器本体１とタンク本体１０との間で、赤外線５の反射が繰り返されるので、タンク本体１０から有効に放熱することができないという問題も有していた。また、燃料電池発電装置への放熱冷却型ガスタンク７の適用を考えた場合、気体Ｇのガス圧の制御が必要となるが、タンク本体１０および気体Ｇの温度を調節することができないので、気体Ｇのガス圧を制御することができないという問題も有していた。
【０００５】本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、以下の目的を達成しようとするものである。すなわち、タンク本体の全面が放熱面として有効に機能するとともに、天体からタンク本体へ向かう赤外線を阻止し、気体の冷却を十分に行える放熱冷却型ガスタンクの提供を目的とする。また、宇宙機器本体とタンク本体との間で、タンク本体から放出される赤外線が繰り返し反射されることを阻止し、タンク本体から有効に放熱できるようにすることも目的とする。また、タンク本体および気体の温度を任意に変えて、気体のガス圧の制御を可能とし、燃料電池発電装置への有効利用可能とすることも目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の放熱冷却型ガスタンクは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、放熱冷却型ガスタンクは、天体上の宇宙機器本体に装備される放熱冷却型ガスタンクであって、気体を貯留するタンク本体と、該タンク本体が前記宇宙機器本体へ放射する赤外線を天体上空に反射するよう斜め上方に向けて配置された反射板と、前記天体から前記タンク本体に向かう赤外線を遮蔽するためのシェードとが具備されていることを特徴とする。上記放熱冷却型ガスタンクによれば、タンク本体から放射される赤外線の内、宇宙機器本体に向かうものは反射板によって直接天体上空へと反射される。また、天体からタンク本体へ向かう赤外線は、シェードによって阻止される。
【０００７】この放熱冷却型ガスタンクにおいて、前記反射板は、前記宇宙機器本体と前記タンク本体との間に配置されると共に、該タンク本体を焦点とし、該焦点からの前記赤外線を該焦点以外の方向へ反射する複合放物面形状とされている。上記放熱冷却型ガスタンクによれば、焦点であるタンク本体から発せられる赤外線の内、宇宙機器本体に向かうものは、反射板によって天体上空へと反射され、タンク本体には戻らない。
【０００８】この放熱冷却型ガスタンクにおいて、前記シェードは、相互に平行な複数の板体と、これら板体の傾斜角度を変更する回動手段とを具備している。上記放熱冷却型ガスタンクによれば、天体からタンク本体に向かう赤外線の量は、回動手段を操作して板体の傾斜角度を変えることで調整される。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。ここで説明する実施形態は、本発明の放熱冷却型ガスタンクを、図１に示す天体Ｍ上の宇宙機器本体１に装備されている、図示されない燃料電池発電装置に適用した場合の例である。なお、図１において従来技術で説明した図６のものと同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１０】図１に示すように、放熱冷却型ガスタンク８には、気体Ｇを貯留するタンク本体１０と、該タンク本体１０が宇宙機器本体１へ放射する赤外線５を天体上空Ｓに向けて反射するよう斜め上方に向けて配置された反射板１１と、天体Ｍからタンク本体１０に向かう赤外線６を遮蔽し、かつタンク本体１０および反射板１１から天体上空Ｓへ向かう赤外線５の通過を許すシェード１２とが具備されている。そしてこれらタンク本体１０、反射板１１、シェード１２は、太陽光の直射を受けないよう、宇宙機器本体１の北側に固定されており、反射板１１は宇宙機器本体１とタンク本体１０との間に位置するよう配置され、シェード１２はタンク本体１０と天体Ｍとの間に位置するよう配置されている。
【００１１】反射板１１は、ＣＰＣ（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）と称される集光器と同じ形状を有するものであり、その断面において二つの交差した放物線１３、１４を有する複合放物面１５の形状を有している。通常、ＣＰＣは、外部から入射してくる光を一つの焦点Ｆに向けて反射、かつ集光させる集光器として使用されるものであるが、この発明では逆に反射鏡として使用する。すなわち、タンク本体１０を焦点Ｆとして見立て、該焦点Ｆからの赤外線５を反射板１１が焦点Ｆ以外の方向に向けて反射するようになっている。なお、反射板１１の表面には、赤外線５を有効に反射させるために例えば９５％の反射率を有するアルミ蒸着膜が形成されている。
【００１２】シェード１２は、図２に示すように、反射面１７ａと回動軸１７ｂと回動先端１７ｃとを有する、相互に平行な複数の板体１７と、図１に示す、これら板体１７を駆動してその傾斜角度を変化させる、モータ、ギア等の組み合わせによる回動手段１６とからなっている。板体１７は、反射面１７ａが前記赤外線６に対向するよう回動軸１７ｂを軸線として天体上空Ｓに向かって傾斜し、かつ前記赤外線５が通過する間隙１７ｄが形成されている。なお、反射面１７ａは板体１７の両面に形成されており、これら表面には、赤外線６、５を有効に反射させるために例えば９５％の反射率を有するアルミ蒸着膜が形成されている。
【００１３】上記の放熱冷却型ガスタンクによる気体Ｇの冷却は、タンク本体１０からの赤外線５の放射と、天体Ｍからの赤外線６の入熱の阻止との二つの手段によるもので、それぞれ以下のように行われる。タンク本体１０から放射される赤外線５は、天体上空Ｓへ向けて放射されるものと、宇宙機器本体１に向けて放射されるものと、シェード１２に向けて放射されるものとに分けられる。宇宙機器本体１に向かう赤外線５は、反射板１１上の任意の点に当たり、焦点Ｆであるタンク本体１０以外の方向に向かって反射される。また、シェード１２に向かう赤外線５は、板体１７間の間隙１７ｄを通過するか、もしくは板体１７の反射面１７ａに当たって反射されることで、天体上空Ｓへと放射される。さらに、天体Ｍからタンク本体１０に向かう赤外線６は、全て板体１７の反射面１７ａに当たって跳ね返され、タンク本体１０には到達しない。以上により、タンク本体１０から放射される赤外線５は全て天体上空Ｓへ放射されると共に、天体Ｍからタンク本体１０に向かう赤外線６は全て阻止され、タンク本体１０が冷却される。
【００１４】次に、上記構成の放熱冷却型ガスタンク８を、月面（天体Ｍ）上の宇宙機器本体１に適用した場合の例について、図３から５を参照しながら以下に説明する。図３は、放熱冷却型ガスタンク８において、反射板１１とシェード１２とが無いと仮定した場合にタンク本体１０が昼間に受ける入熱量を予測計算して求めたものである。図中の横軸は日数Ｄを示し、月の昼間にあたる１４日間としている。また、縦軸は熱量を示している。符号１８、１９、２０で示される各入熱量は、それぞれ、気体Ｇがタンク本体１０内に流入することによる入熱量と、月面（天体Ｍ）で反射された太陽光がタンク本体１０に向かうことによる入熱量と、月面（天体Ｍ）の輻射熱がタンク本体１０に向かうことによる入熱量とを示している。これら入熱量１８、１９、２０の総和が符号２１に示す総和熱量となる。つまり、総和熱量２１の内、気体Ｇによる入熱量１８は、タンク本体１０から放射され、反射板１１によって天体上空Ｓに向かって放出される。また、月面（天体Ｍ）で反射された太陽光と月面（天体Ｍ）からの輻射熱による入熱量１９、２０は、シェード１２によって遮蔽することで、総和熱量２１のタンク本体１０への入熱を阻止するのである。
【００１５】図４は、タンク本体１０の温度に対する板体１７の傾斜角度の影響を把握するために予測計算したものである。横軸は日数Ｄを示すもので、月の昼間にあたる１４日間とし、縦軸はタンク本体１０の温度Ｔを示すものとした。符号Ｃは形態係数と称される、板体１７の傾斜角度によって０から１の間の数値をとる定数で、月面（天体Ｍ）からタンク本体１０が受ける赤外線量を示す指数である。この図に示されるように、形態係数Ｃが小さくなるほど、タンク本体１０の温度Ｔが低下する関係にあることが分かる。
【００１６】前述したように、放熱冷却型ガスタンク８は燃料電池発電装置に適用されるものであるが、燃料電池発電装置は、昼間に水を水素と酸素に電解してこれらをタンク本体１０に蓄え、夜間にはこれら酸素と水素とをそのガス圧を利用してタンク本体１０より図示されない燃料電池へ供給して発電を行うものである。したがい、昼間においては酸素や水素のガス圧を下げ、また、夜間においてはこれらのガス圧を上げて供給圧を得る必要がある。そこで、本発明の放熱冷却型ガスタンク８を用いて図５に示すようなタンク本体１０の温度Ｔを操作することで、ガス圧の制御が行えるようになる。
【００１７】図５について説明すると、横軸は日数Ｄを示し、左側縦軸はタンク本体１０の温度Ｔを示し、右側縦軸は形態係数Ｃを示している。符号２２は、形態係数Ｃの制御変化を示している。また、符号２３に示す細線は、板体１７の傾斜角度を一定として形態係数Ｃの制御を行わない場合のタンク本体１０の温度Ｔを示し、符号２４に示す太線は、回動手段１６の駆動により板体１７の傾斜角度を変えて形態係数Ｃの制御を行った場合のタンク本体１０の温度Ｔを示すものである。この図に示されるように、昼間においては形態係数Ｃを下げることでタンク本体１０の温度Ｔを下げ、気体Ｇの圧力が一定値以下になるように保ち、夜間においては逆に形態係数Ｃを上げることでタンク本体１０の温度を上げ、気体Ｇを燃料電池発電装置に供給するのに必要な供給圧を得るといった使い方が行えるようになる。
【００１８】上記の放熱冷却型ガスタンク８によれば、特殊形状の反射板１１を備えたことでタンク本体１０の全面が放熱面として利用できるとともに、シェード１２を備えたことでタンク本体１０への入熱を阻止できるので、タンク本体１０および気体Ｇを十分に冷却することが可能となる。また、反射板１１を備えたことで、宇宙機器本体１とタンク本体１０との間で赤外線５が反射を繰り返すことなく天体上空Ｓに放出できるので、有効に放熱することが可能となる。また、シェード１２を備えたことで、天体Ｍからタンク本体１０に向かう赤外線６の量の調整により、タンク本体１０の温度Ｔを操作して気体Ｇのガス圧を制御することができるので、燃料電池発電装置等に有効利用が可能となる。
【００１９】なお、上記反射板１１と板体１７の反射面１７ａは、９５％の反射率を有するアルミ蒸着膜としたが、これに限らず、高反射率と高い信頼性を有するものであれば良く、他の材質を用いても問題ない。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、特殊形状の反射板を備えたことでタンク本体の全面が放熱面として利用できるとともに、シェードを備えたことでタンク本体への入熱を阻止できるので、タンク本体および気体を十分に冷却することが可能となる。また、反射板を備えたことで、宇宙機器本体とタンク本体との間で赤外線が反射を繰り返すことなく天体上空に放出できるので、有効に放熱することが可能となる。また、シェードを備えたことで、天体からタンク本体に向かう赤外線の量の調整により、タンク本体の温度を操作して気体のガス圧を制御することができるので、燃料電池発電装置等への有効利用が可能となる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００００９９
【氏名又は名称】石川島播磨重工業株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１０年６月１８日（１９９８．６．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６４９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外１名）
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−９３７３（Ｐ２０００−９３７３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１月１４日（２０００．１．１４） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−１７１８９９ |
|