先導する研究 Society5.0に向けたシームレスで自律的な宇宙通信システムの研究能動型熱制御技術の研究（二相流体ポンプループ）

研究開発の目的・背景

近年、通信衛星のデジタル化等に伴いシステムレベルで処理すべき熱量が増大するとともに非放熱面に高発熱機器を搭載する必要が生じています。また、機器単体および機器内部に搭載されるデバイスの発熱量・発熱密度が大きくなっており、これらの要求の高度化に対してヒートパイプなど既存熱制御技術のみで対応することが困難になっています。これらの高度化する熱制御要求に対応する技術として大容量・長距離熱輸送が可能な二相流体ポンプループの実現が急務となっています。

二相流体ポンプループの実用化にあたって障壁となっていると考えている下記課題について、静止通信衛星等に適用するにあたっての技術課題の解決と技術成熟度の向上を行うことを目的として本研究を実施しています。

なお、技術試験衛星9号機(ETS-9)には二相流体ポンプループが搭載される予定になっていますが、海外技術を利用したものであり、「宇宙技術戦略」においてキー技術とされている二相流体ポンプループ本技術の国産化を目的として研究開発を進めています。

二相流体ポンプループの概要

二相流体ポンプループの構成・動作原理

二相流体ポンプループは機械式ポンプを用いて作動流体を循環させることにより熱輸送を行うものです。熱の輸送は作動流体の顕熱を利用して行う単相流体ループと異なり、作動流体の蒸発潜熱を利用して熱輸送を行います。ループは下の図に示す通り、作動流体の循環を行う機械式ポンプ、配管、機器等の発熱を作動流体に渡す受熱部、熱を外部と交換することにより作動流体の冷却を行う熱交換器などから構成されます。

二相流体ポンプループの特徴および宇宙機に適用した場合のメリット

二相流体ポンプループは熱輸送に蒸発潜熱を利用するため、蒸発潜熱に比べて小さい顕熱を利用する単相流体ループに比べて作動流体の量を大幅に低減でき、それに伴い、配管やアキュムレータもコンパクトにできます。また、相変化を使用するためラジエータのフィン効率を高くすることができるので必要なラジエータ面積を小さくでき、結果的にコンパクトな排熱システムを実現できることが利点です。二相流体ポンプループの主な特徴および宇宙機に適用した際のメリットを以下に示します。

◆熱設計の自由度向上

ヒートパイプなど既存の熱制御デバイスは、その動作特性が重力の影響を大きく受けるため、宇宙機に搭載するにあたり以下に示すような制約がありました。

研究の概要

二相流体ポンプループは優れた機能・性能を有している一方で、熱負荷やラジエータの熱環境が変動した場合に、受熱部に流入する作動流体の流量や条件（サブクール度など）を適切に管理・制御しないと、受熱部において作動流体が乾き上がる現象（ドライアウト）が発生して系の温度・圧力が急上昇するなどのリスクがあります。このリスクを微小重力環境下でも問題なく管理・制御することにまだ課題があり、二相流体ポンプループを熱制御に実利用した例はまだほとんどありません。しかし、二相流体ポンプループの有用性に疑いはなく、米国、ヨーロッパ、日本のいずれの宇宙機関においても今後10年以内に実現が必要な技術の第一候補として捉えて研究開発が行われており、今後、急速に技術成熟度が向上し、近い将来、多くの宇宙機で使用されることが予想されます。JAXA研究開発部門では二相流体ポンプループの早期実用化を目指して実験と解析の両面から研究開発に取り組んでいます。