スライド 1

(1)

低温工学協会九州・西日本支部講演会

我が国の宇宙科学・宇宙開発における低温工学

2008 年 4 月 25 日

九州大学伊都キャンパス

独立行政法人宇宙航空研究開発機構研究開発本部熱グループ

杉田寛之

(2)

1

低温工学九州・西日本支部講演会

2008/4/25

1. 宇宙分野における低温技術 2. JAXA プロジェクトの現状

3. 将来計画と研究開発

(3)

１．宇宙分野における低温技術

(4)

3

2008/4/25

はじめに（ 1/2 ）

z 地上での宇宙環境模擬試験設備のひとつであるスペースチャンバ低温技術（真空、低温）

z 液体水素などのロケット推進剤の貯蔵・利用技術

JAXA筑波宇宙センター

13m φスペースチャンバ日本の主力大型ロケット H-IIA

(5)

4

2008/4/25

はじめに（ 2/2 ）

z 1980 年代後半からは、高精度な地球観測や天文観測を実現する高感度センサ，赤外線望遠鏡などの搭載ミッション機器の冷却技術が発展

z 現在、超流動液体ヘリウムなどの寒剤利用による受動的冷却から、小型軽量で長寿命の冷凍機による能動的冷却へと多様化と進化

X線天文衛星すざく

赤外線天文衛星あかり

(6)

5

2008/4/25

液体ヘリウム冷却から冷凍機へ

Small Telescope

Large Telesco pe

Spacecraft

Radiator

New Design

Heavy Vessel

Large He Tank

Spacecraft

Old Design

Light Structure

主鏡直径： 0.7m 観測期間： 1.5 年

主鏡直径： 3.5m

観測期間： 5 年以上（目標 10 年）

赤外線天文衛星あかり (2006 年打上げ )

次期赤外線天文衛星 SPICA

(2017 年頃 )

(7)

6

2008/4/25

宇宙用冷凍機のカテゴリー

低温領域（ 50 〜 80K; -223 〜 -193 ℃）・・・液体窒素地球観測分野

・単段スターリング冷凍機：逆スターリング・サイクル（理論的に高い効率）

JERS-1 （ふよう） , ADEOS （みどり） , ADEOS-II （みどり 2 号） , ASTRO-EII （すざく）

・単段パルス管冷凍機：膨張部に可動機構のない上記の発展型（近年普及）

MTSAT-1R （ひまわり 6 号）， GOSAT 両者とも米国 NGST 社製

極低温領域（ 20K 以下 ; -253 ℃以下）

・・・液体水素・液体ヘリウム天文分野・超電導機器

・ 20K 級 2 段スターリング冷凍機：単段機の膨張部を 2 段化したもの ASTRO-F （あかり） , JEM/SMILES, SPICA, NEXT, ASTRO-G

・ 1 〜 4K 級ジュール・トムソン（ JT ）冷凍機：等エンタルピー膨張 JEM/SMILES, SPICA, NEXT

・ 1K 以下断熱消磁冷凍機（ ADR ）：常磁性塩と磁石による磁気熱量効果

ASTRO-EII （すざく） , NEXT

(8)

(9)

(10)

２． JAXA プロジェクトの現状

(11)

10

2008/4/25

機械式冷凍機の開発実績

z あかり ( 赤外線天文 )

z 2 段スターリング

（ 200mW@20 K ）

z 寿命評価試験 5 年以上

z 2006 年打上げ

z すざく (X 線天文 )

z 単段スターリング

（ 2.5W@100K ）

z 2005 年打上げ

z JEM/SMILES ( 地球観測 )

z ジュールトムソン（ [email protected] ）

z 2009 年打上げ予定

z 現在、日本の機械式冷凍機技術は、

世界トップレベル（国内外の評価）。

z 今後の搭載計画（検討中を含む） :

Planet-C 、 GCOM-C1 、 Spectrum-

RG 、 ASTRO-G 、 NEXT 、 SPICA

(12)

11

2008/4/25

単段スターリング冷凍機

z X 線天文衛星すざく（ 2005 年打上げ）に搭載され、

現在、稼動中。

z X 線微少熱量計 XRS ／蒸気冷却シールド（ OVCS ）

を冷却（ 2.5W@100K ）。

(13)

12

2008/4/25

月周回衛星かぐや搭載冷凍機

ゲルマニウム半導体（ Ge ）をスターリング冷凍機でマイナス180℃以下に冷却し、ガンマ線を測定することで、月面で発生するさまざまなエネルギーのガンマ線を高精度で識別でき、 10 種類以上の元素に関して月面存在量を測定。

γ（ガンマ）線分光計

ホームページ http://www.selene.jaxa.jp/ja/equipment/grs_j.htm

(14)

13

2008/4/25

あかり冷却系と２ ST

圧縮機

コールドヘッド

1段目 2段目

サーマルリンク

2 段スターリング冷凍機

170 l の超流動ヘリウム（寒剤）と 2 台のスターリング冷凍機との併用。

冷凍機 2 段ステージは、内側放射冷却シールド（ IVCS ）に接続され、超流動ヘリウムタンクへの熱侵入を抑制。（冷凍機の搭載により、観測寿命が 1.5 年へと倍増）

あかり（ASTRO-F）のミッション部

(15)

14

2008/4/25

あかり搭載 2ST の概要（１／２）

ツイン対向型圧縮機、 2 段ディスプレーサのコールドヘッド、連結パイプから構成されるスプリット型スターリング冷凍機

作動流体：ヘリウムガス（封入圧力 1MPa ）

開発要求仕様：冷却性能冷却性能 0.2 W @ 20 K （ 0.2 W @ 20 K （ 90W入力）、重量 90W 入力）、重量 10 kg以下、 10 kg 以下、

寿命寿命 1.5年以上 1.5 年以上

20K級2段スターリング冷凍機

(16)

15

2008/4/25

あかり搭載 2ST の概要（２／２）

圧縮機

コールドヘッド

• ツイン対向型リニア駆動ピストン

（リニアボールベアリング支持）

• 非接触シール構造

• 設計ストローク 30 mm

• 運転周波数 15 Hz

• 圧縮容積 9.5 cm 3

• 重量 7 kg

• 1 段ディスプレーサ Φ 15 mm × 50 mm

• 2 段ディスプレーサ Φ 6.5 mm × 60 mm

• 設計ストローク 6 mm

• SUS メッシュ蓄冷材（再生器）

• カウンタバランサ付き

• 重量 2 kg

(17)

16

2008/4/25

あかり搭載 2ST の寿命評価試験

M. Hirabayashi, et al., “Thermal design and its on-orbit performance of the AKARI cryostat”,

2007 Space Cryogenics Workshop, Huntsville, AL, USA. (to be published in Cryogenics)

(18)

17

2008/4/25

可視光線で見た全天

(19)

18

2008/4/25

全天観測で「あかり」が見た宇宙

予定通り全天観測をほぼ完了。光ではシルエットとしてしか見えない暗黒

星雲をはじめとする低温の天体を遠赤外線でもれなく探査。

(20)

国際宇宙ステーション (ISS) 日本実験棟きぼう (JEM) 船外実験プラットフォーム

超伝導サブミリ波リム放射サウンダ (Superconducting

Submilimeter-Wave Limb-

Emission Sounder: SMILES)

(21)

20

2008/4/25

“ きぼう ” 搭載 SMILES 冷却系

(22)

21

2008/4/25

SMILES 用４ K 級 JT 冷凍機

冷却要求 : [email protected] 、ミッション寿命要求 : 1 年

(23)

３．将来計画と研究開発

(24)

23

2008/4/25

次期赤外線天文衛星 SPICA

SPICA: the Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophisics

SPICAの概念図

全天サーベイ型 “ あかり ”(2006) に続く、我が国初の天文台型の赤外線望遠鏡

• 大型極低温鏡 : 直径 3.5 m, 温度 4.5 K

• 打上げ想定 : 2017 年 , 観測期間 : 5 年以上科学的目的

z 銀河の誕生と進化

z 星と惑星系の誕生と進化

9 太陽系外惑星の直接検出

z 物質の進化

(25)

24

2008/4/25

冷却システムへの要求

直径 3.5 m の主鏡および光学ベンチを 4.5 K に冷却

5 年以上の軌道上運用を無寒剤冷却方式で実現

効率的な放射冷却構造

9 太陽‐地球のラグランジュ点（ L2 ）の安定した熱環境

高効率と高信頼性を有する機械式冷凍機

94K 級冷凍機：主鏡および光学ベンチを冷却

92K 級および 1K 級冷凍機：焦点面検出器を冷却

Sun

L1 L2

L4

L5 Earth L3

(26)

25

2008/4/25

冷却方式のコンセプト

Small Telescope

Large Telescope pe

Spacecraft

Radiator

New Design

Heavy Vessel

Large He Tank

Spacecraft

Old Design

Light Structure

W C

1.5 years with 0.7 m φ in AKARI(2006) > 5 years with 3.5 m φ in SPICA

No Cryogen → Large Telescope

(27)

26

2008/4/25

冷却システムの熱設計解析

Parameter Value

宇宙背景温度 3 K (fixed)

太陽電池パドル（裏面） 373 K (fixed)

太陽光強度 1376 W/m 2

機械式冷凍機の発熱量（圧縮機） 550 W@294 K (W ∝ K) バスモジュール部 253 K (fixed)

主鏡および光学ベンチ 4.5 K (fixed)

焦点面観測機器の発熱量 15 mW (fixed) 4K 級冷凍機の冷却能力（JEM/SMILES実績値） 30 [email protected] K

4.5 K ステージの熱侵入量（内部発熱を含む）は

30mW 以下でなくてはならない。

(28)

De ep sp ac e ( T =3K)

De ep s pa ce (T = 3K ) Su n s h ie ld

S h ie ld # 3 S h ie ld # 2 S h ie ld #1 She ll Buff le

R ad ia tor fo r c ry oc oo ler s

Deep space (T=3K) Conduction

Radiation

Cryocooler

Upper panel

Radiation shield

Bus module panel

Solar heat

D ee p spa ce (T =3 K )

Caption

熱設計のポイント

1. 太陽や高温部から低温部への熱侵入を多層シールド構造により遮断。

2. 深宇宙への放熱面（ラジエータ）の面積および形状の最適設計。

3. 機械式冷凍機および排熱システムの開発。

4. 構造設計の要求（剛性、強度）を満足。

【 4.5K ステージへの熱侵入量】 < 30mW （ 4K 級冷凍機の実績能力）

(29)

28

2008/4/25

Sun shield

Shield #3 Shield #2 Shield #1 Bus module

Radiator for cryocooles Telescope shell

Buffle

IR Telescope (Secondary mirror)

Baffle

Radiator for cryocoolers

• 望遠鏡主鏡（直径 3.5 m ）と光学ベンチ（観測機器）を 4.5 K に冷却

• 冷媒（寒剤）なしのため、 5 年以上の軌道上運用を実現

• 効率的な輻射冷却構造

• 高効率と高信頼性の機械式冷凍機が必須

(20K 級 , 4K 級 , 2K 級 , 1K 級 )

SPICA ミッション部冷却システム

(30)

29

2008/4/25

SPICA 搭載冷凍機の基本仕様

冷凍機タイプ 4.5 K ステージ

予冷用 4.5 K ステージ 2.5 K ステージ 1.7 K ステージ

冷却対象予冷用主鏡＆光学ベンチ

Si:As

Unstressed Ge:Ga

Stressed Ge:Ga 冷凍機構成 2-stage Stirling 2ST + 4 He-JT 2ST + 3or4 He-JT 2ST + 3 He-JT

冷却能力 200mW以上

＠20K

30mW以上

＠4.5K

15mW以上

＠2.5K

10mW以上

＠1.7K 駆動電力 90W以下 160W以下 180W以下 180W以下

運用期間 5年以上

（目標10年）

5年以上

（目標10年）

5年以上

（目標10年）

5年以上

（目標10年）

開発ステータス

ASTRO-F PFM (寿命1.5年)

改良中

ISS/JEM/SMILES PFM (寿命1年)

改良中

BBM 新規開発中

EM

新規開発中

(31)

30

2008/4/25

現行スターリング冷凍機の課題

z スターリング冷凍機は、すでに「日本の宇宙開発に不可欠な存在」「日本の宇宙開発に不可欠な存在」。。 z しかし、第１世代の 2 段スターリング冷凍機にも課題あり。

¾ 温度領域が中途半端 ⇒ 応用範囲を狭める。

より低温の 1 〜 4K 級 JT 冷凍機の効率が低下。

¾ 短い寿命 ⇒ 1 〜 2 年のミッション期間を想定して開発。

¾ 擾乱が大きい ⇒ 姿勢制御に問題。センサにノイズ。

z よって、第２世代の 2 段スターリング冷凍機を開発する必要あり。

¾ 低温化 ⇒ 応用範囲を広げる。より低温域へのアクセス性向上。

¾ 長寿命化 ⇒ 実用ミッションへの搭載には必須条件

¾ 低擾乱化 ⇒ 高精度ミッションにも搭載可能

(32)

31

2008/4/25

スターリング冷凍機と次期ミッション

スターリング冷凍機の第 2 世代への進化が必要

2 段スターリング冷凍機（ 20K で 0.2W 以上の冷却能力） JAXA長期ビジョンとの対応 9国際宇宙ステーション／JEM／SMILES／超伝導ミキサ（2009年）

【地球大気の高精度観測】

9次期赤外線天文衛星SPICA／望遠鏡＆検出器（2017年頃）

【宇宙観測（軌道上望遠鏡）】

9次期Ｘ線天文衛星NeXT／軟X線分光器（2012年頃）

9次期電波天文衛星ASTRO-G／低雑音アンプ

単段スターリング冷凍機（ 1 段のみを使用し、 80K で 1.5W 以上の冷却能力）

9月周回衛星計画SELENE／ガンマ線分光計（2007年）

【月探査】

9金星探査計画Planet-C／近赤外カメラ２CCD（2008年）

【惑星探査】

9次期Ｘ線天文衛星NeXT／広帯域撮像検出器 CCD（2010年頃）

第２世代必須

次期X線天文衛星NEXT 次期電波天文衛星ASTRO-G

（次期スペースVLBI計画）

次期赤外線天文衛星SPICA

(33)

世

代打上げミッション冷却対象スターリング冷凍機

要求能力（段数）ステータス 2005年

（Ｈ１７）

2006年

（Ｈ１８）

2007年

（Ｈ１９）

2009年

（Ｈ２１）

2010年

（Ｈ２２）

2011年

（Ｈ２３）

2011年

（Ｈ２３）

Spectrum-RG/SXC(*)

(次期Ｘ線天文ミッション) 軟Ｘ線分光器 0.2 W ＠ 20 K以下

（２段）搭載決定

第２世代

2017年

（Ｈ２９）

SPICA

(次期赤外線天文衛星) 望遠鏡・検出器 0.2 Ｗ＠ 20 K以下（２段）

低擾乱振動モデル搭載検討中 2012年

（Ｈ２４）

2013年

（Ｈ２５）

すざく (Ｘ線天文衛星)

Ｘ線分光器蒸気冷却シールド

2020年

（Ｈ３２）

軌道上運用中あかり

(赤外天文衛星)

望遠鏡・検出器蒸気冷却シールド

2.5 W ＠ 100 K

（１段）

0.2 W ＠ 20 K

（２段）

1.5 W ＠ 80 K

（１段）

0.2 W ＠ 20 K

（２段）

1 W ＠ 65 K

（１段）

0.5 W ＠ 55 K以下

（１段）

0.2 W ＠ 30 K以下

（２段）

0.2 W ＠ 20 K以下（２段）

1.5 W＠150 K（１段）

軌道上運用中かぐや（SELENE）

(月周回衛星) ガンマ線分光器軌道上運用中

ISS/JEM/SMILES

(地球大気観測) 超伝導ミキサ搭載決定

Planet-C

(金星探査機) 近赤外カメラ搭載決定

GCOM-C1/SGLI

(地球環境変動観測）赤外線センサ搭載決定

ASTRO-G

(電波天文衛星) 低雑音アンプ搭載決定

軟Ｘ線分光器

軟X線CCD 搭載決定

0.2 Ｗ＠ 20 K以下（２段）

低擾乱振動モデル XEUS(**)

(次々期X線天文衛星) 望遠鏡・検出器搭載検討中

第３世代

第１世代

（＊）・・・ロシアが衛星全体を取りまとめ

（＊＊）・・・ＥＳＡが衛星全体を取りまとめ

スターリング冷凍機搭載ミッション（実績、計画）

(34)

第２世代（寿命３年以上、温度１５ K ：２段）

冷却能力と信頼性・寿命を向上第１世代（寿命１.５年、温度２０K：２段）

将来ミッションへ向けた課題あり

課題

到達温度不十分

・適用範囲が限定される

・JT冷凍機の効率を制限

短寿命

擾乱が大きい

・姿勢制御、観測センサノイズ課題

低温化

高信頼性・長寿命化

低擾乱化

（第3世代以降で0.1N以下）

•低アウトガス材料および評価技術

•高純度ヘリウムガスの精製技術

•低摩耗クリアランス・シール技術

•微小擾乱測定技術の検証、発生擾乱の評価

•低擾乱化手法の検証

•低擾乱駆動ドライバ

•高比熱蓄冷材および評価技術

•高効率小型インバータ

•耐高温永久磁石

•冷凍機停止時の熱遮断機能（無寒剤冷却システムへの適用）

開発技術

第３世代（寿命５年以上（目標１０年）、温度１５ K 以下：２段）

低擾乱対策

冷却能力と信頼性・寿命を向上

(35)

34

2008/4/25

2 ＳＴの改良要求

• 赤外線天文衛星あかり搭載 2ST の実績と課題 92006 年 2 月より軌道上運用。

9 運用開始から約 1 年半後に冗長構成 2 台のうちの 1 台で駆動回路の短絡と推定される不具合が発生し、停止。

• JT 冷凍機（１〜４ K ）の予冷機としても利用される。その冷却能力アップは、ＪＴ冷凍機の冷却能力アップにも大きく寄与。

• 冷却能力（ 200mW@15K 程度）と信頼性（ 5 年以上）が目標。

9Spectrum-RG(2011) ：最低半年（目標年）

9ASTRO-G(2012) ： 3 年以上（目標 5 年）

9NeXT(2013) ： 3 年以上（目標 5 年）

9SPICA(2017) ： 5 年以上（目標 10 年）

(36)

35

2008/4/25

２ ST 長寿命化のための評価試験（１／２）

不純ガス（CO 2 、 N 2 ）による作動流体汚染を模擬し、軌道上長期運用時の冷凍機の性能劣化を評価。

冷凍機 2 段ステージ温度は、不純ガス CO 2 、 N 2 濃度がそれぞれ 500, 1000 ppmv 以下であれば、安定した冷却能力を発揮することができる。（長寿命化の指針）

CO 2 濃度 (ppmv) N 2 濃度 (ppmv)

1st Stage

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

70 80 90 100 110 120 130 140

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Heat Load (1W,0.2W)

2nd Stage

1st Stage

2nd Stage

Heat Load (0W,0W)

1st Stage

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

70 80 90 100 110 120 130 140

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Heat Load (1W,0.2W)

2nd Stage

1st Stage

2nd Stage

Heat Load (0W,0W)

70 75 80 85 90 95 100

65

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

60 10

12 14 16 18 20 22 24 26 28

8

1st Stage

2nd Stage

1st Stage

2nd Stage

Heat Load (1W,0.2W)

Heat Load (0W,0W)

70 75 80 85 90 95 100

65

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

60 10

12 14 16 18 20 22 24 26 28

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

8

1st Stage

2nd Stage

1st Stage

2nd Stage

Heat Load (1W,0.2W)

Heat Load (0W,0W)

２段冷却ステージ温度

(K)

１段冷却ステージ温度

(K)

２段冷却ステージ温度

(K)

１段冷却ステージ温度

(K)

(b) N 2 ガスによる汚染

(a) CO 2 ガスによる汚染

(37)

36

2008/4/25

２ ST 長寿命化のための評価試験（２／２）

コールドヘッドおよび圧縮機の構成部品の材料についてアウトガス成分、

ベーキング効果に関するデータを調査。

磁気回路および駆動コイルのテストピースを用いて、アウトガス成分およびその変化量の測定を行い、その総量を推定。

冷凍機内部で発生する不純ガスは磁気回路、駆動コイル、接着剤からのものが大部分を占め、その総量は 3.5 g 程度と推定。（長寿命化の指標）

接着剤を削減したアウトガス低減対策品の試作評価をほぼ完了。

テストピースガス量 (g)

磁気回路 1.26

駆動コイル 1.98

接着剤、その他 0.25

Total 3.49

アウトガス推定量

(38)

37

2008/4/25

2ST の改良（１／３）

• 2 段目ディスプレーサ直径の最適化 : 7 mm ⇒ 8 mm

- 冷却能力向上 :FY20 に EM により詳細検証実施予定

200mW ⇒ 325mW@20K (1W@90K, AC90W 入力 )

• 信頼性 : 1.5 年 ⇒ 5 年以上

- 作動ガス品質 ( ガス精製、アウトガス低減、ベーキング )

アウトガス発生源の分析：永久磁石、磁気回路、接着剤

→テストピースにより、 H 2 O, CO 2 , CO, CH 4 などの量を分析評価

Atmospheric pressure ionization mass spectrometric (API-MS) method

Gas chromatograph mass spectrometric (GC-MS) method

- 発生擾乱の低減 ( 能動制御 : 駆動電力制御、減衰ダンパ )

- 寿命評価試験（ FY20 開始予定）

(39)

38

2008/4/25

2ST の改良（２／３）

新設計 : 1 段目ディスプレーサ旧設計 :1 段目ディスプレーサをコン

タクトシールによって支持を板バネによって支持

さらに、 2 段目ディスプレーサのクリアランスを 2.5 倍に拡大しても同等の冷却能力が得られることを確認し、より高い信頼性設計が可能となる。

1st. Stage

Displacer / Regenerator

2nd. Stage

Displacer / Regenerator

1st.

Expansion Stage

Coil

Hermetic Connector

Spring

Permanent Magnet

Active Balancer Rod Seal

Displacer Seal Displacer Seal

2nd.

Expansion Stage

End Plate

Regenerator

Flexure Springs

Flexure Spring Support VCM

Magnet

Casing

(40)

39

2008/4/25

2ST の改良（３／３）

z 2 段目冷却ステージ： 200 mW at 16.0 K （実測）

z 1 段目冷却ステージ： 1 W at 83.6 K

z 2 段スターリング冷凍機の駆動条件

入力電力： 90 W AC

作動ガス封入圧： 0.9 MPa ( ノミナル 1.0 MPa)

駆動周波数： 15 Hz

圧縮機とコールドヘッドの駆動電圧の位相差：

170 ° ( ノミナル 180 ° ).

2ST の EM （設計完了）を用いて、駆動条件（位相差、ストローク

等）の最適化し、さらに冷却能力向上を図る。また、連続運転試

験において寿命評価を実施予定（ FY20 開始）。

(41)

40

2008/4/25

1K 級 JT 冷凍機の新規開発

• 次期赤外線天文衛星 SPICA で検出器の 1.7K 冷却要求に対し、 1K 級冷凍機（冷却能力： 10mW 以上＠ 1.7K ）を新規開発。

• ISS/JEM/SMILES (2009) 搭載用に開発された 4K 級 JT 冷凍機（実績能力： [email protected] ）と基本原理は同じ。

• JT 冷凍機の作動ガスとして、 1.7K での飽和蒸気圧が一般的な 4 He よりも高い 3 He を使用（少しでも圧縮比を小さくしたい）。

• 信頼性 : 5 年以上（連続運転による検証が必要）

- 作動ガス品質（ガス精製、アウトガス低減）

- 圧縮機や駆動バルブの低温環境下での安定動作 - 発生擾乱の低減（能動制御）

- 寿命評価試験（ FY20 開始予定）

(42)

2 段スターリング冷凍機とジュール・トムソン冷凍機

20K冷却部 100K冷却部

同軸二重管式熱交換器

1.7K 冷却部

20K 級 2 段スターリング冷凍機

20K冷却部 100K冷却部

同軸二重管式熱交換器

圧縮機真空ポンプ

JT

オリフィス

圧縮機

20K 級 2 段スターリング冷凍機は、ジュール・トムソン（ JT ）冷凍機の予冷機として必須（ 1K 級 JT と 4K 級 JT は同様の構成）

同軸二重管式熱交換器

(43)

42

2008/4/25

１ K 級 JT 冷凍機の 4 段圧縮（ BBM ）

8 kPa 0.1 MPa

0.1 MPa 0.7 MPa

(44)

冷却性能試験結果（ BBM ）

1K 級 JT 冷凍機＋部分改良型 2 段スターリング冷凍機 (φ8mm)

1K Stage

Bypass Valve for Precooling Orifice

Evacuation Cold Head

FJH

Compressor P1in

JTC2 P1out

P2out

2nd Thermal Shield 1st Thermal Shield

PJ 866 kPa

JT Compressor Power consumption 76.6W

78.9 kPa 7.30 kPa

Filter

589.6 kPa

3He: 2.647 mg/sec

2-Stage Stirling Cooler Power consumption 89.0W

296.1 K 301.2 K

107.65 K

93.02 K 92.75 K

13.93 K

11.81 K 11.79 K

1.66 K

16.0 mW 1.69 K

11.77 K 91.76 K

Evacuated vessel Heat Exchanger 1

Heat Exchanger 2

Heat Exchanger 3

2nd-Stage 1st-Stage

JTC1

1K Stage

Bypass Valve for Precooling Orifice

Evacuation Cold Head

FJH

Compressor P1in

JTC2 P1out

P2out

2nd Thermal Shield 2nd Thermal Shield

1st Thermal Shield 1st Thermal Shield

PJ 866 kPa

JT Compressor Power consumption 76.6W

78.9 kPa 7.30 kPa

Filter

589.6 kPa

3He: 2.647 mg/sec

2-Stage Stirling Cooler Power consumption 89.0W

296.1 K 301.2 K

107.65 K

93.02 K 92.75 K

13.93 K

11.81 K 11.79 K

1.66 K

16.0 mW 1.69 K

11.77 K 91.76 K

Evacuated vessel Heat Exchanger 1

Heat Exchanger 1

Heat Exchanger 2 Heat Exchanger 2

Heat Exchanger 3 Heat Exchanger 3

2nd-Stage 1st-Stage

JTC1

冷却能力 :

[email protected]

電気入力 AC165.6W (2ST: 89.0 W, JT: 76.6 W)

世界最高効率 !

2段スターリング冷凍機（BBM）

JT圧縮機（BBM）

(45)

44

2008/4/25

Spectrum-RG 衛星 SXC

ロシア衛星搭載高分解能 X 線分光ミッション（ 2011 年予定）

(46)

45

2008/4/25

おわりに

z 低温技術は天文観測と地球観測に不可欠

z 用途

9 高感度検出器の冷却（半導体、カロリーメータ、 CCD など）

例：X線天文衛星すざく、赤外線天文衛星あかり、月周回衛星かぐや、金星探査機Planet-C

9 赤外線望遠鏡・光学系の冷却

例：赤外線天文衛星あかり

9 超電導デバイスの利用

例：国際宇宙ステーションきぼう曝露部SMILES

z 今後の課題

9 ミッションの大型化・長期化・低温化の要求が増大。

9 寒剤冷却（液体ヘリウム等）から機械式冷凍機（小型軽量、

長寿命）へ。

9 高信頼性・低振動が課題。

9 欧米の宇宙先進国との競争力の維持・強化が必要。

スライド 1

低温工学協会 九州・西日本支部講演会

杉田 寛之

１．宇宙分野における低温技術

z 液体水素などのロケット推進剤の貯蔵・利用技術

z 現在、超流動液体ヘリウムなどの寒剤利用による 受動的冷却から、小型軽量で長寿命の冷凍機に よる能動的冷却へと多様化と進化

Large He Tank

次期赤外線天文衛星 SPICA

JERS-1 （ふよう） , ADEOS （みどり） , ADEOS-II （みどり 2 号） , ASTRO-EII （すざく）

・ 20K 級 2 段スターリング冷凍機： 単段機の膨張部を 2 段化したもの ASTRO-F （あかり） , JEM/SMILES, SPICA, NEXT, ASTRO-G

機械式冷凍機の開発実績

z 2005 年打上げ

z 今後の搭載計画（検討中を含む） :

現在、稼動中。

圧縮機

2 段スターリング冷凍機

あかり搭載 2ST の概要（１／２）

20K級2段スターリング冷凍機

• 非接触シール構造

• 設計ストローク 6 mm

M. Hirabayashi, et al., “Thermal design and its on-orbit performance of the AKARI cryostat”,

星雲をはじめとする低温の天体を遠赤外線でもれなく探査。

“ きぼう ” 搭載 SMILES 冷却系

SPICA: the Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophisics

z 銀河の誕生と進化

 直径 3.5 m の主鏡および光学ベンチを 4.5 K に冷却

94K 級冷凍機：主鏡および光学ベンチを冷却

Spacecraft

Parameter Value

主鏡および光学ベンチ 4.5 K (fixed)

S h ie ld # 3 S h ie ld # 2 S h ie ld #1 She ll Buff le

2. 深宇宙への放熱面（ラジ エータ）の面積および形状 の最適設計。

Sun shield

• 冷媒（寒剤）なしのため、 5 年 以上の軌道上運用を実現

SPICA 搭載冷凍機の基本仕様

冷却能力 200mW以上

（目標10年）

現行スターリング冷凍機の課題

¾ 擾乱が大きい ⇒ 姿勢制御に問題。センサにノイズ。

スターリング冷凍機と次期ミッション

9次期電波天文衛星ASTRO-G／低雑音アンプ

第２世代必須

次期X線天文衛星NEXT 次期電波天文衛星ASTRO-G

代 打上げ ミッション 冷却対象 スターリング冷凍機

SPICA

軌道上運用中 あかり

(月周回衛星) ガンマ線分光器 軌道上運用中

ASTRO-G

(次々期X線天文衛星) 望遠鏡・検出器 搭載検討中

スターリング冷凍機搭載ミッション（実績、計画）

 到達温度不十分

 低温化

•高純度ヘリウムガスの精製技術

•高比熱蓄冷材および評価技術

開発技術

2 ＳＴの改良要求

9Spectrum-RG(2011) ：最低半年（目標年）

冷凍機 2 段ステージ温度は、不純ガス CO 2 、 N 2 濃度がそれぞれ 500, 1000 ppmv 以下であれば、安定した冷却能力を発揮することができる。（長寿命化の指針）

1st Stage

1st Stage

1st Stage

1st Stage

２段冷却ステージ温度

(b) N 2 ガスによる汚染

ベーキング効果に関するデータを調査。

磁気回路 1.26

- 冷却能力向上 :FY20 に EM により詳細検証実施予定

→テストピースにより、 H 2 O, CO 2 , CO, CH 4 などの量を分析評価

新設計 : 1 段目ディスプレーサ 旧設計 :1 段目ディスプレーサをコン

2nd. Stage

z 2 段目冷却ステージ： 200 mW at 16.0 K （実測）

 駆動周波数： 15 Hz

験において寿命評価を実施予定（ FY20 開始）。

• ISS/JEM/SMILES (2009) 搭載用に開発された 4K 級 JT 冷凍 機（実績能力： [email protected] ）と基本原理は同じ。

- 寿命評価試験（ FY20 開始予定）

同軸二重管式熱交換器

1.7K 冷却部

20K 級 2 段スターリング冷凍機は、ジュール・ト ムソン（ JT ）冷凍機の 予冷機として必須（ 1K 級 JT と 4K 級 JT は同様の構成）

同軸二重管式熱交換器

１ K 級 JT 冷凍機の 4 段圧縮（ BBM ）

低温工学協会九州・西日本支部講演会

杉田寛之

z 現在、超流動液体ヘリウムなどの寒剤利用による受動的冷却から、小型軽量で長寿命の冷凍機による能動的冷却へと多様化と進化

・ 20K 級 2 段スターリング冷凍機：単段機の膨張部を 2 段化したもの ASTRO-F （あかり） , JEM/SMILES, SPICA, NEXT, ASTRO-G

直径 3.5 m の主鏡および光学ベンチを 4.5 K に冷却

2. 深宇宙への放熱面（ラジエータ）の面積および形状の最適設計。

• 冷媒（寒剤）なしのため、 5 年以上の軌道上運用を実現

代打上げミッション冷却対象スターリング冷凍機

軌道上運用中あかり

(月周回衛星) ガンマ線分光器軌道上運用中

(次々期X線天文衛星) 望遠鏡・検出器搭載検討中

到達温度不十分

低温化

新設計 : 1 段目ディスプレーサ旧設計 :1 段目ディスプレーサをコン

駆動周波数： 15 Hz

• ISS/JEM/SMILES (2009) 搭載用に開発された 4K 級 JT 冷凍機（実績能力： [email protected] ）と基本原理は同じ。

20K 級 2 段スターリング冷凍機は、ジュール・トムソン（ JT ）冷凍機の予冷機として必須（ 1K 級 JT と 4K 級 JT は同様の構成）