JP2000283393A - 液体貯蔵用タンクシステム、および液体貯蔵用タンク充填プロセス - Google Patents

液体貯蔵用タンクシステム、および液体貯蔵用タンク充填プロセス

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 推進燃料または酸化剤タンクにおける連結さ
れた拡散器および多岐管を提供する。 【解決手段】 液体推進燃料または液体酸化剤を高密度
化するための推進燃料または酸化剤タンクシステムおよ
びプロセスは、連結多岐管（１０２）、連結多岐管ライ
ン（１０８）、加圧気体ライン（１１２）および排気ラ
イン（１１４）を備える推進燃料タンク（１００）を含
む。連結多岐管はタンク内に配置される。連結多岐管ラ
インは連結多岐管を冷却システムに機能的に接続する。
加圧気体ラインおよび排気ラインもまた連結多岐管ライ
ンに機能的に接続される。タンクは輸送機内に配置され
得る。多岐管はタンクの上部の近くに配置される。冷却
システムは熱交換器／充填システム（１８）である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】この発明は推進燃料貯蔵器に関し、特に
貯蔵された推進燃料の高密度化に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】スペースシャトル、アトラス／ケン
タウルス、デルタ等のような、極低温液体酸素および／
または窒素を利用する推進システムは現在、施設の貯蔵
タンクから充填されており、環境的な熱漏れ、移送ライ
ンおよびタンク壁の冷却の結果として液体に吸収される
熱を退けるために、後にフライトタンク内で冷却させら
れている。液体バルクの冷却は、より多くの推進量がタ
ンク内に貯蔵され得るように液体密度を増大するため、
かつタンク動作圧力およびタンク重量が最小化されるよ
うに液体蒸気圧を低減するために望ましい。
【０００３】液体バルクからの熱の排除は、自然の対流
機構および液面の蒸発に依存するので比較的遅いプロセ
スである。液面蒸発による液体冷却の度合いもまた排気
システムの流れ抵抗（排気バルブおよび排気ライン）お
よび周囲圧力（１４．７ｐｓｉａ）によって制限され
る。冷却時間をうまく利用し、かつ最終的なバルク温度
を最小にするために排気システムの流れ抵抗を低減する
と、排気バルブおよびラインの設計が比較的大きくな
り、輸送機の有効搭載重量の不利となる。蒸発によって
極低温液体を高密度化する現在の手段は簡単であるが、
そのプロセスはある環境での飽和密度および液体蒸気圧
に制限される。
【０００４】先行技術は、推進燃料タンクを有する輸送
機の重量を低減し、輸送機を運行させるのに必要なエネ
ルギを低減するシステムを開示している。このようなシ
ステムの１つが、引用によりそのままここに援用するラ
ク他（Lak et al.）による米国特許第５，６４４，９２
０号「液体推進燃料高密度化」（“Liquid Propellant
Densification”）に開示されている。
【０００５】先行技術はまたエンジンの動作前および動
作中に推進燃料タンクの圧力を維持する重要性を開示し
ている。ここで、先行技術の図１を参照すると、先行技
術の推進燃料タンク１０は部分的に推進燃料１２で充填
されており、推進燃料の上方に蒸発分１４を有する。タ
ンク１０は移送ライン１６によって推進燃料１２を充填
され、移送ライン１６は推進燃料を熱交換器／液体充填
システム１８からタンクの底部に向ける。充填システム
１８は初めに推進燃料の流れ２０を受取ってタンク１０
を充填する。
【０００６】タンク１０は、初期の推進燃料装填プロセ
スの間にタンク１０から蒸発分の気体を排気し、推進燃
料高密度化プロセスの間にタンクからより暖かい推進燃
料１２を引抜くための多岐管２２を有する。多岐管２２
は高密度化のためにタンク１０の上半分で推進燃料の表
面２４の下方に示される。多岐管２２はこれもまた充填
システム１８に接続される多岐管ライン２６に接続され
る。多岐管ライン２６はそこから延びる排気ライン２８
を有する。多岐管ライン２６および排気ライン２８はラ
インを通る材料の流れを調節するためのバルブ３０およ
び３２をそれぞれ有する。バルブ３０は排気ライン２８
に対してＴ字管の下流に配置される。
【０００７】初期推進燃料装填プロセスの間、タンク１
０は多岐管２２によって排気される。タンク１０内の推
進燃料１２の量が増加するにつれ、蒸発分１４は減少
し、排気を要する。蒸発分１４は多岐管２２を通して排
気ライン２８から排気される。多岐管ラインバルブ３０
は閉じられ、排気ラインバルブ３２が開いて排気気体３
４を排気ライン２８を通して外に向ける。多岐管２２に
よる排気は多岐管の開口部３６が液面下に没するまで続
いて行なわれ、開口部が没すると排気ラインバルブ３２
が閉じられる。初期推進燃料装填プロセスは予め定めら
れた十分な量の推進燃料１２がタンク１０に与えられる
まで続く。
【０００８】初期推進燃料装填プロセスの後、推進燃料
１２は高密度化される。高密度化プロセスはタンク１０
から推進燃料１２を除去し、推進燃料を冷却し、それを
元どおりタンクに戻すことを含む。多岐管２２は推進燃
料１２を引抜くために用いられ、推進燃料は多岐管ライ
ン２６とここでは開いている多岐管ラインバルブ３０と
を通して熱交換器／充填システム１８へと向けられる。
推進燃料１２は充填システム１８内で冷却され、移送ラ
イン１６を通して元どおりタンク１０に向けられる。タ
ンク１０の上方部分における多岐管２２の配置が、タン
クの底部により近い推進燃料よりも暖かい推進燃料１２
を引抜く。
【０００９】高密度化プロセスの後、推進燃料タンク１
０は加圧される。タンク１０は充填システム１８および
排気ライン２８から分離される。推進燃料タンク１０は
拡散器４２を通して蒸発分１４へと与えられる加圧気体
４０によって加圧される。拡散器４２は蒸発分の中にあ
るようにタンク１０に装着される。
【００１０】拡散器４２は入来する加圧気体４０を推進
燃料の表面２４から離れるよう導き、より暖かい気体と
より冷たい推進燃料１２との間の熱交換を低減するよう
に設計される。気体４０と推進燃料１２との間の熱交換
を阻止することにはある利点がある。より暖かい加圧気
体４０は推進燃料１２を加熱し、それによって不利益な
ことに推進燃料の密度を低減する。推進燃料１２によっ
て冷却される気体４０はより高密度であり、それによっ
て、目標のタンク圧を達成するために加圧気体タンクの
量および重量を不利益にも増大させることが必要とな
る。
【００１１】加圧気体４０は気体ライン４４を通して拡
散器４２に向けられる。気体ライン４４は初期推進燃料
装填プロセスの間には閉じられる気体ラインバルブ４６
を有する。
【００１２】推進燃料タンクのための先行技術の設計は
２組の管、すなわち、多岐管ライン２６および加圧気体
ライン４４を必要とする。先行技術の設計はまた、排気
および再循環のための多岐管２２と加圧された気体４０
をタンク１０へと与えるための別個の拡散器とを必要と
する。上のアイテムの機能を組合せるシステムへの要求
がある。
【００１３】
【発明の概要】この発明のある局面において、推進燃料
タンクシステムは連結多岐管、連結多岐管ライン、加圧
気体ラインおよび排気ラインを含む。連結多岐管は推進
燃料タンク内に配置される。連結多岐管ラインは連結多
岐管を推進燃料冷却システムに機能的に接続する。加圧
気体ラインおよび排気ラインもまた連結多岐管ラインに
機能的に接続される。
【００１４】この発明のさらなる局面において、加圧気
体ラインバルブが加圧気体ライン内に機能的に配置さ
れ、排気ラインバルブが排気ライン内に機能的に配置さ
れる。さらに、連結多岐管ラインバルブが、加圧気体ラ
インおよび排気ラインが連結多岐管ラインと機能的に接
続する場所の下流で連結多岐管ライン内に機能的に配置
される。
【００１５】この発明のさらなる局面において、推進燃
料タンクは輸送機内に配置され、多岐管は推進燃料タン
クの上部の近くに配置され、推進燃料冷却システムは熱
交換器／充填システムである。
【００１６】この発明のある局面において、推進燃料タ
ンクを装填するためのプロセスは、推進燃料タンクを装
填するステップと、推進燃料タンク内の気体を排気する
ステップと、液体推進燃料を高密度化するステップと、
推進燃料タンクを加圧するステップとを含む。推進燃料
タンクは液体推進燃料を装填される。推進燃料タンク内
の気体は連結多岐管の開口部を通して連結多岐管へと、
さらに推進燃料タンクから排気される。排気するステッ
プは液体推進燃料が連結多岐管の開口部を液面下に没す
る前に停止される。装填するステップは開口部が液面下
に没するように続行する。推進燃料タンク内の液体推進
燃料は、液体推進燃料の再循環の流れを推進燃料タンク
から液面下に没した連結多岐管の開口部を通して連結多
岐管へと、さらに推進燃料タンクから外に向け、再循環
の流れを冷却して推進燃料タンクへと向けることによっ
て高密度化される。推進燃料タンクは、高密度化するス
テップの後に、加圧気体の流れを連結多岐管へと連結多
岐管開口部を通して、さらに推進燃料タンクへと向ける
ことによって加圧される。
【００１７】この発明のさらなる局面において、排気す
るステップは、排気気体を連結多岐管から連結多岐管ラ
インを通して導き、排気ラインを通して連結多岐管ライ
ンから出すステップをさらに含む。
【００１８】この発明のさらなる局面において、高密度
化するステップは、液体推進燃料を連結多岐管から連結
多岐管ラインを通して推進燃料冷却システムへと向ける
ステップをさらに含む。
【００１９】この発明のさらなる局面において、加圧す
るステップは、加圧気体の流れを連結多岐管ラインを通
して連結多岐管へと向けるステップをさらに含む。
【００２０】この発明のさらなる局面は、連結多岐管開
口部を推進燃料タンク内の蒸発分に露出するために推進
燃料タンクから液体推進燃料の一部を放出するステップ
を含む。
【００２１】この発明のさらなる局面において、連結多
岐管は推進燃料タンクの上部の近くに配置される。
【００２２】この発明のさらなる局面において、液体酸
化剤が液体推進燃料の代わりに用いられ、タンクシステ
ムは液体酸化剤のためのものである。
【００２３】
【好ましい実施例の説明】ここで図２を参照すると、こ
の発明の一実施例に従う推進燃料タンク１００が排気、
再循環およびタンク加圧のプロセスにおいて用いられる
連結多岐管１０２を有する。タンク１００は部分的に推
進燃料１０４で充填されて示され、推進燃料の上方に蒸
発分１０６を有する。タンク１００は移送ライン１６を
通して推進燃料１０４を充填され、移送ライン１６は推
進燃料を熱交換器／液体充填システム１８からタンクの
底部へ向ける。充填システム１８は初めに推進燃料の流
れ２０を受取ってタンク１００を充填する。
【００２４】連結多岐管１０２はタンク１００の上部に
置かれる。連結多岐管ライン１０８は連結多岐管１０２
を充填システム１８に機能的に接続し、流れを調整する
ためのバルブ１１０を有する。多岐管ラインバルブ１１
０の上流では、加圧気体ライン１１２および排気ライン
１１４が多岐管ライン１０８に入る。加圧気体ライン１
１２および排気ライン１１４はラインを通る流れを調整
するためにそれぞれのバルブ１１６および１１８を有す
る。
【００２５】タンク１００を装填するプロセスは、装
填、冷却および排気ステップと、排気停止ステップと、
高密度化ステップと、加圧ステップとを含む。
【００２６】装填、冷却および排気ステップでは、推進
燃料タンク１００がライン１６を通して推進燃料１０４
を充填される。排気ステップは、連結多岐管１０２の開
口部１２０が推進燃料１０４内に沈むまで続行する。図
２は、連結多岐管１０２の下方にある推進燃料１０４の
液面１２２を示す。タンク１００は充填されるにつれ、
当業者には公知のシステムおよび技術を用いて冷却され
る。蒸発分１０６は連結多岐管１０２を通して排気され
る。タンク１００は推進燃料がタンクを充填するときに
排気される。排気された気体１２４は排気ライン１１４
によって出る。排気プロセスの間、多岐管ラインバルブ
１１０および加圧気体ラインバルブ１１６が閉じられ、
排気ラインバルブ１１８が開かれる。排気された気体１
２４は処理、回収または再循環のための環境的に適切な
補促装置（図示せず）へと排気され得る。
【００２７】排気停止ステップでは、排気ラインバルブ
１１８が連結多岐管開口部１２０が推進燃料１０４の液
面下に沈む前に閉じられる。この発明の実施例は排気停
止ステップをいつ開始すべきかを決定するためのどのよ
うな適切なシステム、たとえば、液面指示器、容積測定
システム等を用いてもよい。
【００２８】高密度化ステップでは、推進燃料１０４は
連結多岐管１０２および連結多岐管ライン１０８を流れ
る。流れる推進燃料１０４は次に熱交換器／充填システ
ム１８内で冷却され、移送ライン１６を通してタンク１
００へと元に再循環される。推進燃料はシステム１８内
で冷却および高密度化される。この発明のいくつかの実
施例では、タンク１００は高密度化ステップの前に加圧
されなければならないことがあり、これは液体水素が推
進燃料１０４である場合であり得る。
【００２９】高密度化ステップの間、追加的な液体推進
燃料１０４がタンク１００に付加される必要があるかも
しれない。液体推進燃料１０４が高密度化されるとき、
タンク１００内の容積は維持され、追加的な液体推進燃
料１０４がライン２０を通して熱交換器／液体充填シス
テム１８に付加され、ライン１６を通してタンク１００
へと元に供給される。
【００３０】熱交換器／充填システム１８を用いる冷却
プロセスの一例が上で参照し引用した米国特許第５，６
４４，９２０号に開示されている。この発明の実施例は
推進燃料１０４を冷却および高密度化するためにどのよ
うな適切な推進燃料冷却システムを用いてもよい。この
ステップを行なうために、連結多岐管ラインバルブ１１
０が開いており、加圧気体バルブ１１６および排気ライ
ンバルブ１１８が閉じられる。さらに、推進燃料表面１
２２が、開口部が沈むように高密度化ステップの間は連
結多岐管開口部１２０の上方にある。
【００３１】加圧ステップでは、推進燃料タンク１００
内の圧力が連結多岐管１０２を通して与えられる加圧気
体の流れ１２６によって増加させられる。この発明のあ
る実施例では、多岐管開口部１２０は、フライトの前に
ヘリウムでタンク１００を加圧する場合のような加圧ス
テップの間には表面１２２の下方にあり得る。
【００３２】この発明の他の実施例では、連結多岐管開
口部１２２は加圧ステップを開始するまで蒸発分１０６
に露出されている。この発明の好ましい実施例では、液
体推進燃料１０４がタンク１００から放出されて上面１
２２を下げ、開口部１２０を蒸発分１０６に露出させ
る。タンク１００の放出はライン１６または図示しない
他のラインによって行なわれてもよい。
【００３３】加圧ステップの間、連結多岐管ラインバル
ブ１１０および排気ラインバルブ１１８は閉じられ、加
圧気体ラインバルブ１１６が開けられる。加圧気体の流
れ１２６が加圧気体ライン１１２および連結多岐管ライ
ン１０８を通して多岐管１０２へと向けられる。加圧気
体の流れ１２６はタンクの蒸発分１０６に入り、タンク
を加圧する。この発明の好ましい実施例では、開口部１
２０が入来する加圧気体１２６を推進燃料表面１２２か
ら離れるように向けて、気体１２６と推進燃料１０４と
の間の熱交換を低減する。
【００３４】この発明の図示する好ましい実施例は加圧
タンクシステムの重量を低減する。この発明の実施例は
多岐管および拡散器の代わりに連結多岐管を有すること
によって流体分配装置の１つを除去する。さらに、連結
多岐管だけを有することによって先行技術に開示されて
いるものよりもタンク１００へと直接的に延びる必要な
ラインが１本減る。システムの構成要素がこのように低
減するので、この発明の好ましい実施例の重量が有利に
低減可能である。
【００３５】この発明の現在好ましい実施例を上に詳細
に説明したが、当業者に想到され得る、ここに教示され
た基本的発明概念の多くの変形および／または変更が、
前掲の特許請求の範囲に規定するようなこの発明の精神
および範疇内になお包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術による推進燃料タンクを示す図であ
る。
【図２】 この発明の実施例に従う連結多岐管を有した
推進燃料タンクを示す図である。
【符号の説明】
１６ 移送ライン、１８ 熱交換器／液体充填システ
ム、２０ ライン、１００ 推進燃料タンク、１０２
連結多岐管、１０４ 推進燃料、１０６ 蒸発分、１０
８ 連結多岐管ライン、１１０ バルブ、１１２ 加圧
気体ライン、１１４ 排気ライン、１１６ バルブ、１
１８ バルブ、１２０ 開口部、１２４排気された気
体、１２６ 加圧気体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジーン・ロジャース アメリカ合衆国、90732 カリフォルニア 州、サン・ペドロ、ウィクリフ・アベニ ュ、1424 (72)発明者 ジェームズ・エフ・ウェバー アメリカ合衆国、93021 カリフォルニア 州、ムーアパーク、ブルックグレン・スト リート、4376 (72)発明者 マイケル・ブイ・メルリン アメリカ合衆国、92807 カリフォルニア 州、アナハイム、シェイディー・バレー・ レーン、6480 (72)発明者 ティモシー・エル・ゲイナー・ザ・サード アメリカ合衆国、90630 カリフォルニア 州、サイプレス、オルガ・アベニュ、5082 (72)発明者 ジョン・イー・デイビス アメリカ合衆国、91711 カリフォルニア 州、クレアモント、ラドフォード、1941 (72)発明者 デイビッド・エル・ゲルハルト アメリカ合衆国、90277 カリフォルニア 州、レドンド・ビーチ、ビア・アラメダ、 220

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体を貯蔵するためのタンクシステムで
    あって、液体は液体推進燃料または液体酸化剤であり、 ａ．タンク内に配置された連結多岐管と、 ｂ．連結多岐管を液体冷却システムに機能的に接続する
    連結多岐管ラインと、 ｃ．連結多岐管ラインに機能的に接続された加圧気体ラ
    インと、 ｄ．連結多岐管ラインに機能的に接続された排気ライン
    とを含む、タンクシステム。
  2. 【請求項２】 ａ．加圧気体ライン内に機能的に配置さ
    れた加圧気体ラインバルブと、 ｂ．排気ライン内に機能的に配置された排気ラインバル
    ブと、 ｃ．加圧気体ラインおよび排気ラインが連結多岐管ライ
    ンに機能的に接続する場所の下流で連結多岐管ライン内
    に機能的に配置された連結多岐管ラインバルブとをさら
    に含む、請求項１に記載のタンクシステム。
  3. 【請求項３】 タンクは輸送機内に配置される、請求項
    １に記載のタンクシステム。
  4. 【請求項４】 多岐管はタンクの上部の近くに配置され
    る、請求項１に記載の推進燃料タンクシステム。
  5. 【請求項５】 液体冷却システムは熱交換器／充填シス
    テムである、請求項１に記載の推進燃料タンクシステ
    ム。
  6. 【請求項６】 タンクに液体を充填するためのプロセス
    であって、液体は液体推進燃料または液体酸化剤であ
    り、 ａ．タンク内に配置された連結多岐管の開口部を液面下
    に没するために液体をタンクに装填するステップと、 ｂ．推進燃料タンク内の気体を連結多岐管の開口部を通
    して連結多岐管へと、さらにタンクから排気するステッ
    プと、 ｃ．液体が連結多岐管の開口部を液面下に没する前に排
    気するステップを停止するステップと、 ｄ．液体の再循環の流れをタンクから液面下に没した連
    結多岐管の開口部を通して連結多岐管へと、さらにタン
    クから外に向け、再循環の流れを冷却し、再循環の流れ
    をタンクへと元に向けることによってタンク内の液体を
    高密度化するステップと、 ｅ．加圧気体の流れを連結多岐管へと連結多岐管の開口
    部を通して、さらにタンクへと向けることによってタン
    クを加圧するステップとを含む、プロセス。
  7. 【請求項７】 排気するステップは、排気気体を連結多
    岐管から連結多岐管ラインを通して導き、排気ラインを
    通して連結多岐管ラインから出すステップをさらに含
    む、請求項６に記載のプロセス。
  8. 【請求項８】 高密度化するステップは、液体を連結多
    岐管から連結多岐管ラインを通して冷却システムへと向
    けるステップをさらに含む、請求項６に記載のプロセ
    ス。
  9. 【請求項９】 加圧するステップは、加圧気体の流れを
    連結多岐管ラインを通して連結多岐管へと向けるステッ
    プをさらに含む、請求項６に記載のプロセス。
  10. 【請求項１０】 連結多岐管の開口部をタンク内の蒸発
    分に露出するためにタンクから液体の一部を放出するス
    テップをさらに含む、請求項６に記載のプロセス。
  11. 【請求項１１】 連結多岐管はタンクの上部の近くに配
    置される、請求項６に記載のプロセス。
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