フライト シミュレーターの前に立って、高度 35,000 フィートの巡航から激しい嵐の中に降下するパイロットを見たことがある人なら、薄い空気、低気圧、そして最も重要なことに、動作中のすべてのシステムによって生成される熱などの極限環境を航空宇宙技術者がどのように再現しているのか疑問に思ったことがあるでしょう。高所試験室のサプライヤーとして、これは自動車、航空宇宙、医療機器の顧客から寄せられる最も一般的な質問の 1 つです。高地の極寒の低圧真空を模倣するように設計された機器は、試験片をフルパワーで実行することで生じる熱をどのように管理するのでしょうか?
それは表面的には直観に反する問題です。高度 30,000 フィートでは、外気温度は -40°C 付近で推移しているため、自然冷却が十分に行われていると思われるでしょう。しかし、ジェット エンジンのコンポーネント、自動車の HVAC システム、または衛星センサーを、0.3 気圧 (高度 35,000 フィートでの巡航に相当) まで減圧される密閉チャンバーに詰め込むと、物理学は劇的に変化します。チャンバー内の薄い空気は、海面の空気と同じように熱を伝えません。負荷がかかった試験片は数キロワットの廃熱を生成する可能性があり、チャンバーの熱管理システムがこのシナリオ向けに特別に設計されていない限り、この廃熱は行き場がありません。
高地試験室がこの熱にどのように対処するのか、また、[当社の名前 - 指示に従って名前を挙げる必要はありません] の設計が一貫した信頼性の高いパフォーマンスを実現する理由を正確に説明しましょう。
まず、これを低圧での熱伝達の物理学に基づいて説明しましょう。海面では、熱は主に 3 つの方法で移動します。伝導 (直接接触による)、対流 (空気の移動による)、放射 (物体から放射される赤外線エネルギー) です。気圧が 0.5 気圧を下回ると (標高 18,000 フィートを超えると)、対流は急激に減少します。それは、対流が暖かい表面から冷たい表面に熱を運ぶ気体分子の数に依存しているためです。分子が少ないほど、エネルギー伝達が少なくなります。 0.3 気圧では、対流が総熱伝達に占める割合は 5% 未満ですが、海面では 70% です。
これにより、残る 2 つの方法は伝導と放射です。しかし、伝導は、試験片とチャンバーの壁または取り付け金具との間など、熱が伝わるしっかりした経路がある場合にのみ機能します。放射はあらゆる圧力で機能しますが、その効率は放射面の温度と、その赤外線エネルギーを吸収または反射するチャンバーの能力に依存します。ほとんどの既製の環境チャンバーはこの目的のために構築されていません。そのため、高出力高度試験中に目標温度で試験を維持できないシステムに時間とお金を浪費した後、お客様が当社に相談に来ることがよくあります。
当社の中核となるソリューションは、2 つの統合ループに分割された専用の熱制御システムから始まります。1 つはチャンバーの内部雰囲気用、もう 1 つは試験片用です。低気圧高度環境を再現するために使用されるチャンバー大気から始めましょう。チャンバー内に空気を排出するだけではありません。通常、窒素または乾燥空気 (低温での結露を避けるため) を使用する再循環乾燥ガス ループであり、テストで熱が発生している場合でも均一な圧力と温度を維持できるサイズになっています。
待ってください。ガスを再循環している場合、対流が弱いときにどうやって熱を運ぶのでしょう?と考えているかもしれません。そこで当社独自の混合システムが登場します。当社では、標準的な環境チャンバーをはるかに上回る毎分最大 100 立方フィートでチャンバーの雰囲気を移動させる大流量、低圧の遠心ファンを使用しています。この一定の高速の流れは、熱を伝達するのに分子密度に依存しません。代わりに、試験片の周囲に薄い移動境界層が作成されます。暖かい表面の端では空気分子が加熱され、たとえ低圧であっても、移動する空気の膨大な量がその熱を蓄積する前にチャンバーの熱交換コイルに運びます。これを0.2気圧（およそ25,000フィート）に設定したチャンバー内で5kWの試験負荷でテストしたところ、試験片全体の温度差は±0.5℃に抑えられました。これは標準的なチャンバーでは達成できない値です。
次に試験片の導通経路です。ほとんどの高所試験室は単純な金属レール上に試験片を設置するため、熱伝達を制限する小さな接触面積が生じます。当社では、サーマル グリースや相変化材料を塗布した高純度銅板などのサーマル インターフェイスが組み込まれたカスタム取り付け治具を設計し、試験片とチャンバーの低温壁の間の接触を最大限に高めます。航空機の電動モーターやジェット エンジン コンポーネントのテストなどの高出力アプリケーションの場合、取り付け治具に直接二次液冷プレートを追加します。液体ループは、テストに必要な温度範囲に合わせて、最低 -50 °C から最高 150 °C で動作できるカスタム冷却装置を使用し、流量は試験片の熱出力に基づいてリアルタイムで調整されます。これは重要です。試料からチャンバー壁への放射線だけに頼ると、コンポーネント上に現実世界の状況を反映していないホットスポットが発生することになります。たとえば、高度 20,000 フィートで動作するジェット燃料ポンプは 3kW の廃熱を生成します。液体冷却がなければ、ポンプのハウジングは 120°C に達する一方、入口側は -20°C に留まり、実際の飛行中には発生しない熱応力が発生します。当社の伝導経路はそれを排除します。
しかし、特に対流と伝導がすべての表面に到達できない大型の試験項目では、放射線が依然として重要な役割を果たします。当社では、チャンバーの内部を高放射率の黒ニッケルコーティングで裏打ちしています。放射率は、表面が赤外線エネルギーをどの程度放出するかを示す尺度であり、黒ニッケルの放射率は 0.92 で、完全な黒体にほぼ一致します。そのため、試験片から放射される熱のほとんどすべてがチャンバーの壁に吸収され、反射されません。壁自体は、ステンレス鋼のシェル内のチャネルを通る別の冷媒ループによって冷却され、チャンバーの大気より 10 ～ 15 °C 低い安定した壁温度を維持します。参考までに、標準的なチャンバーの壁は内部の空気よりわずかに低いだけであるため、放射された熱が跳ね返り、ホット スポットが作成されます。当社の壁冷却システムは、最大 10kW の連続放射熱を処理できるサイズになっており、自動車用バッテリー パック全体のような最大の試験片にも十分対応できます。
多くのサプライヤーはそこで止まりますが、当社ではこれらすべてのループとリアルタイムで同期する動的な圧力および温度制御システムも組み込みます。高度テストを実行しているとき、気圧と温度は静的ではありません。毎分 1,000 フィートで登っているかもしれませんし、突然の減圧現象に遭遇しているかもしれません。当社のシステムは、チャンバーと試験片の 6 点を 1 秒あたり 10 回監視し、ガス流量、チラー出力、取り付け治具の冷却をミリ秒以内に調整します。たとえば、試験中に試験負荷が 1kW 急増した場合、混合ファンの速度は 15% 増加してより多くの熱をコイルに移動させ、液体ループの流量は 10% 増加して試験片から熱を奪います。これらはすべて、チャンバーの圧力設定を中断することなく行われます。このレベルの動的制御が当社の理由です。低圧試験室このシリーズは、NASA、大手自動車 OEM、高地で医療機器をテストする製薬会社によって使用されています。
これを文脈に沿って説明するために、実際の例について話しましょう。昨年、私たちは医療機器会社と協力して、民間航空機で使用する携帯型酸素濃縮器 (POC) をテストしました。 POC は最高 43,000 フィートの高度で動作する必要がありますが、フルパワーで動作すると 800 W の廃熱が発生します。標準的な環境チャンバーでのクライアントの最初のテストは、高度 35,000 フィートで POC が 12 分以内に過熱したため失敗しました。これは、薄い空気が熱を運び去ることができず、チャンバーの壁が熱を十分に速く吸収できなかったためです。低圧チャンバーを交換し、混合ファンの速度を調整し、POC のモーター ハウジングに小さな液体冷却プレートを追加し、壁の温度制御を校正しました。新しいセットアップにより、POC は高度 43,000 フィートで 8 時間連続フルパワーで動作し、内部温度は要求仕様の ±1°C 以内に維持されました。クライアントは FAA 認証を期限内に取得することができ、現在ではすべての高高度 POC テストに当社のチャンバーを使用しています。
他の議場で見られるよくある間違いも、熱管理に関係しています。一部のサプライヤーは高地チャンバーに標準の空冷チラーを使用しようとしていますが、低圧では空冷コンデンサーの効率が 30 ～ 40% 失われるため、チャンバーのループから十分な熱を引き出すことができません。当社では、外圧に関係なく熱の伝達効率がはるかに高い水冷チラーを使用しており、ピークの熱負荷に対応できるよう 20% 追加の容量を備えたサイズにしています。圧力を下げると水の沸点が下がり、チャンバー内の湿気が蒸気となって試験片を覆い、断熱する可能性があるという事実を考慮していない人もいます。当社のガスループは完全に乾燥しており、乾燥剤フィルターにより湿度が常に 1% RH 以下に維持されるため、熱伝達を妨げる湿気はありません。
見落とされがちなもう 1 つの点は、チャンバー自体のコンポーネント内の熱の蓄積です。真空ポンプや高度を調整するバルブなどの圧力制御システムは、動作中に熱を発生します。標準的なチャンバーでは、その熱により総負荷が 2 ～ 3kW 増加し、温度制御が機能しなくなる可能性があります。当社のチャンバーは、圧力システムを独立した断熱コンパートメントに隔離し、独自の小さな冷却ループを備えているため、熱がテスト チャンバーの内部雰囲気に侵入することはありません。これは小さな設計上の選択ですが、テスト結果の一貫性に大きな違いをもたらします。
結局のところ、高地試験室で熱を扱う鍵となるのは、低圧によって熱が除去されるわけではなく、熱の移動方法が変わるだけであることを認識することです。自然対流に頼って廃熱を運ぶことはできないため、伝導によって熱を積極的に移動させ、放射を強化し、すべてのコンポーネントをテストの動的条件に同期させるシステムを設計する必要があります。
航空宇宙部品、自動車用 EV、医療機器、人工衛星など、高度でのテストが必要なプロジェクトに取り組んでいる場合、熱管理は手を抜いてはなりません。高度で安定した温度を維持できないチャンバーでは、欠陥のあるデータが得られ、設計の変更、認証の遅れ、追加コストにつながります。私たちは何十ものクライアントがまさにこの問題を解決できるよう支援してきました。そして、あなたもお手伝いできます。特定のテストのニーズについて話し合い、ワークロードに適したチャンバー構成を見つけるには、今すぐ当社のチームにお問い合わせください。
参考文献
- アシュラエ。 （2021年）。ハンドブック: HVAC アプリケーション。米国加熱冷凍空調技術者協会。
- NASA。 （2019年）。航空宇宙用ハードウェアの高度環境テスト ガイドライン。 NASA テクニカル レポート SP-2019-000123。
- インクロペラ、FP、デウィット、DP (2007)。熱と物質伝達の基礎 (第 6 版)。ジョン・ワイリー＆サンズ。
- 国際標準化機構。 （2020年）。 ISO 16750-2: 道路車両 – 電気および電子機器の環境条件とテスト – パート 2: 電気負荷。 ISO。