スターリング放射性同位元素発電機の熱遮断を改善するラジアルコアヒートスプレッダー

2017 年 2 月 6 日

NASAによる

NASA グレン研究センターは、深宇宙科学ミッションを推進する次世代のスターリング放射性同位体発電機 (SRG) を開発しています。 潜在的な技術ギャップの 1 つは、高出力スターリング コンバーターの廃熱除去アプローチです。 以前の 140W 高度スターリング放射性同位元素発電機 (ASRG) は、コンバーターから発電機ハウジングのラジエーター表面に熱を伝達するために銅合金の伝導フランジを使用していました。 より大型のスターリング システムでは、伝導フランジにより質量と熱性能が大幅に低下する可能性があります。 ラジアル コア ヒート スプレッダー (RCHS) は、熱輸送媒体として銅の代わりに水蒸気を使用することで、この問題を解決するために開発されたパッシブ 2 フェーズ熱管理デバイスです。

RCHS は中空のディンプル加工を施したチタン ディスクで、沸騰水と凝縮水を使用して、スターリング コンバーターが配置される中心から発電機ハウジングが取り付けられる外径まで放射状に熱を伝達します。 実験用 RCHS の重量は約 175 グラムで、ハブから周囲に 130 W (熱) を伝達するように設計されています。 公称温度 90°C で動作し、使用可能な範囲は 50 ～ 150°C です。 テストのために、スターリング コンバーターは電気加熱要素に置き換えられ、発電機のハウジングは熱吸収器に置き換えられました。

2 回の放物線飛行キャンペーンと 1 回の準軌道飛行試験により、RCHS の熱性能を評価するための複数の重力環境における重要なデータが得られました。 放物線飛行は 2013 年と 2014 年に行われました。準軌道飛行は 2015 年 7 月 7 日に行われ、2 つの RCHS ユニット (発射ベクトルに対して平行に 1 つと垂直に 1 つ) が含まれていました。 Black Brant IX ロケットは、8 分間以上の微重力状態で RCHS ペイロードを高度 332 km まで届けました。 この実験の目的は、RCHS がミッションのすべての段階で機能できるかどうかを判断することでした。 SRG は打ち上げ前に燃料が供給されて動作するため、1G 地上ハンドリング、超重力打ち上げ、およびマイクロ G 宇宙環境中に適切な熱管理を維持することが重要です。 テストの結果、RCHS はスターリングコンバーターを規定の温度制限内に保つために必要な熱出力を伝達しながら、準軌道飛行全体を通じて重力過渡現象に耐えることができることが確認されました。

飛行試験済みの RCHS は、最先端の ASRG 銅伝導フランジの質量の 4 分の 1 であり、熱伝達を強化して熱抵抗を最小限に抑えます。 スターリングコンバータの出力レベルが増加するにつれて、RCHS によってもたらされる質量の節約と熱輸送の利点が大幅に増加します。 音響ロケット飛行試験では、打ち上げ力に対する装置の向きに関係なく、RCHS が超重力および微小重力下でも適切な熱制御を維持できることが証明されました。

RCHS は、打ち上げ、微小重力、熱真空などの幅広い環境での厳格なテストを通じて、スターリング発電システムで使用する技術準備レベル (TRL) の 6 に到達しました。 このテクノロジーが次世代 SRG に採用された場合、追加の統合システム テストが必要になります。

NASA提供