JP2005155536A - 温度制御型アンモニア水・ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 容器内に充填したアンモニア水とアンモニアガス・水蒸気の混合系からアンモニア水又アンモニアガス・水蒸気の混合ガスを、別の加圧系なしに、加圧供給する。
【解決手段】 指定温度において平衡圧力が１０気圧以下となる濃度のアンモニア水を容器に充填して、局所的にヒータで加熱又はクーラで冷却して温度制御することによって平衡条件、特に圧力を調整して、アンモニア水またはアンモニアと水蒸気の混合ガスを供給する圧力を確保する。アンモニア水の供給は、排出口６と反対側附近で局所的にヒータ８により加熱して局所的にアンモニアガスを発生させて容器内を加圧する。また、アンモニアガス・水蒸気の混合ガスの供給の場合は、排出口近傍で局所的に加熱し排出口近傍でガスを発生させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は容器内に２相状態で充填されたアンモニア水とアンモニア・水蒸気混合ガスの供給装置、特に将来の宇宙推進推進剤として適用可能なアンモニア水を、別の気蓄器・弁・柔軟隔壁などの加圧系なしに、加圧供給することを可能とする温度制御型アンモニア水・ガス供給装置に関する。

従来の宇宙推進用などの液体推進剤の供給装置では、容器から液体推進剤を排出するために、別の気蓄器を用意して、これと容器とを弁を介して連結して、弁の開閉にて推進剤を加圧して、その状態で容器の排出弁を開いて推進剤を供給することが一般的（特許文献１、非特許文献１参照）である。この場合、加圧ガスと推進剤との気液混合を防ぎ、液体だけを排出するために、容器内に柔軟なゴム製の隔壁が必要となる場合もある。

気体推進剤の場合には、それ自身を容器内で高圧に保持しておき、供給時に弁を開くことで容易に供給できるが、大質量の推進剤を気体状態で保持することは、極めて高圧にする必要があり、タンク重量が大幅に増大する。また、化学反応を必要としないので、多くの種類のガスが候補となる宇宙用コールド・ガス・ジェットや太陽熱推進などの熱推進において使われる水素、窒素、ヘリウム、メタンなどは、液化するにはかなりの低温に保持する必要があり、冷凍機の必要性、容器の高断熱性、全体の軽量化など、宇宙用には極めて困難な点が多かった。

一方、極めて安価、安全な水も勿論、推進剤の候補となるが、特に宇宙空間での日陰時などでは、人工衛星は容易に氷点下数十度にまで低下する危険があり、凝固による推進剤供給不能、さらには凝固膨張による容器や弁の破壊の危険がある。従って、安全を見込んでの２８３Ｋ以上の温度を確保する必要があるが、これには容器用のヒータなどの温度制御装置、電力が必要になる。また当然、段落〔０００２〕で述べた供給加圧装置や隔壁も、非特許文献２などに示すように、必要である。

一方、宇宙推進系としてのコールド・ガス・ジェットや各種熱推進用推進剤として、水またはアンモニアは分子量が小さいために比推力が比較的大きく、容器内に液体で充填可能であることから極めて有望視されてきた。しかしながら、水には容器内での氷結による容器や弁の破壊の危険があり、保温のための装置・電力が必要であることと、特に別の気蓄器・弁・柔軟隔壁などの加圧系なしでは加圧供給できない欠点があった。また、アンモニアの場合は凝固温度が十分に低いのでその心配はないが、液体状態で容器内に保持するためには、かなりの低温または高圧が必要である。即ち、アンモニアは比較的少ない加圧にて、常温でも容易に液化できるので、その点で有利であるが、それでも常温近い３００Ｋでも、１０気圧以上の加圧が必要となり、高圧ガスの規制を受けることになる。また１気圧に保つには約２４０Ｋに冷却する必要があり、高性能断熱や冷凍機が必要となる。これは安全性、重量、経費の点で不利であり、できれば２７３Ｋ〜３７３Ｋにて１０気圧以下にて液化できることが望ましいが、これまでは実現されていない。

特開平６−２０６５９８号公報 ジョージ・サットン、ロケット推進工学、山海堂、平成７年９月 M.N. Sweeting, J.Sellers,J.Leduc, Low-Cost Orbit Manoeuvres for Minisatellites Using Novel Water Resistojet Thrusters, IAF-98-S.6.04.

そこで、本発明は、容器内に充填したアンモニア水・アンモニアガスまたはそれと水蒸気との混合系を、別の気蓄器・弁・柔軟隔壁などの加圧系なしに、加圧供給できる温度制御型アンモニア水・ガス供給装置を実現することが課題である。特に、２７３Ｋ〜３７３Ｋ程度の温度範囲、１０気圧以下、充填アンモニア水濃度１０％未満で、アンモニア水・ガス供給の供給を可能とする温度制御型アンモニア水・ガス供給装置を得ることを目的とする。

上記課題を解決する為、本発明の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置は、アンモニア水とアンモニア・水蒸気混合ガスを貯留する容器、該容器内に２相状態で充填されたアンモニア水とアンモニア・水蒸気混合ガスの一部または全体の温度制御を行う前記容器内に設けられた温度制御手段を有してなり、前記温度制御手段によりアンモニア水濃度の平衡条件を調整し、アンモニア水またはアンモニアガスと水蒸気の混合ガスを、別の加圧系なしに、加圧供給することを特徴とするものであり、アンモニア水を容器に充填して、これを温度制御することによって平衡条件、特に圧力を調整して、アンモニア水またはアンモニアと水蒸気の混合ガスを供給する圧力を確保することができる。この場合、２７３Ｋ〜３７３Ｋの温度範囲、平衡圧力１０気圧以下、アンモニア水濃度１０％未満が安全上、法規制上、経済上は望ましい。

ここでの温度制御においては、平衡条件は必ずしも容器全体について均一に達成する必要はない。つまり、アンモニア水を局所的に加熱すれば、局所的にアンモニアガスが発生して、容器内を加圧する。この場合、加熱が局所的なので、必要な加熱エネルギーは全体を加熱する場合に比べて極めて少なくて良い。これは電力エネルギーが厳しく制限される宇宙用では極めて重要である。
また、アンモニアガス・水蒸気の混合ガスのガスだけを加熱する場合、ガスの密度・熱容量は液体に比べて極めて小さいので、比較的容易に温度制御できる。その結果、ガスから液への熱移動によって、ガスに接するアンモニア水の表面近傍の薄い層が比較的容易に大幅な温度制御できるので、この層でのアンモニアガスの発生または溶解の制御が容易である。

特に宇宙空間は、通常は地上の百万分の一以下の微少重力環境にあるので、熱対流が無視できる。従って、局所的に加熱あるいは冷却した場合に、熱対流がないので、局所的な高温部または低温部がほとんど乱されないので、局所的な大幅な温度制御にとって極めて好適である。

宇宙用推進剤の一種である過酸化水素の分解反応は発熱反応であるので、本発明の方法は適用できない。一方、アンモニア水からのガス発生は吸熱反応であるので、局所的加熱においても、ガス発生・加圧に伴って温度低下する。従って、この反応は安定的であり、上記のような危険は無く、制御できる。

本発明によれば、容器内に充填したアンモニア水、アンモニアガス・水蒸気の混合系を、容器内の液体または気体の局所的な加熱・冷却の温度制御によって容器内圧を調整し、容器の排出口から必要とされる液体またはガスを、別の気蓄器・弁・柔軟隔壁などの加圧系なしに、加圧供給できる温度制御型アンモニア水・ガス供給装置が実現できる。特に２７３Ｋ〜３７３Ｋ程度、１０気圧以下にてアンモニア水濃度１０％未満においても可能で、安全上、経済上、極めて有用である。さらに宇宙空間での熱推進用推進剤供給装置として使用すれば、微少重力環境は局所的熱制御の極めて有利なもので、制御が格段に容易となる。

このアンモニア水とアンモニアガス・水蒸気混合ガスの２相系の場合、過酸化水素のような爆発の危険性はなく、平衡状態を保ちながら安定的に制御できる。そして、アンモニア水、またはアンモニアガス・水蒸気混合ガスのどちらか一方を排出・供給することができる。また、アンモニア水、混合ガスを選択供給する設計も可能である。

容器からアンモニア水だけを排出・供給するためには、排出口近傍では液体の存在を増加させ、ガスの存在を減少させる必要がある。そのために、排出口の反対側で加熱・カス発生による加圧する方法が有効である。
また、排出口近傍にて冷却して、そこでのガスを液体に変えることで排出口近傍のガスを減少させる方法も有効である。
さらに、排出口近傍壁の濡れ性を向上させ、さらにその近傍に濡れ性が高くなるように表面処理した金網やガイド等の高濡れ性部材を設置して、そこでのガスを排除して液体を集める方法も有効である。
これらの３方法は同時に適用することで、さらに有効となる。

容器からアンモニアガス・水蒸気混合ガスだけを排出・供給するためには、排出口近傍ではガスの存在を増加させ、液体の存在を減少させる必要がある。そのために、排出口の近傍で加熱してガス発生による加圧する方法が有効である。
また、排出口の反対側で冷却して、そこでのガスを液体に変えることで排出口近傍のガスを相対的に増加させる方法も有効である。
さらに、排出口近傍壁の濡れ性を低下させ、さらにその近傍に濡れ性の低くなるように表面処理した金網やガイド等の低濡れ性部材を設置して、そこでの液体を排除してガスを集める方法も有効である。
これらの３方法は組み合わせて適用することで、さらに有効となる。

ここで一つの装置で、アンモニア水またはアンモニアガス・水蒸気混合ガスのどちらかを選択して供給することを可能とするためには、液体用とガス用に２つの排出口を容器の両端に対向して設置し、それぞれの排出口近傍には、上記段落〔００１４〕、〔００１５〕に記載したヒータ、クーラ、金網の設置を設置し、且つ金網、壁面の濡れ性の調整することによって実現できる。

温度制御用のヒータまたはクーラは、容器外部への熱損失を低減するために、タンク中央に設置することが有効である。また、容器内面の濡れ性を低下させて、液の容器壁への接触を防止し、容器壁と液との間にガス層を確保することで容器内のアンモニア水への断熱性を向上させることができ、有効である。

温度制御用のヒータとクーラを、電流方向を逆転することで共用できるペルチェ素子による一体型ヒータ／クーラはこの温度制御に有効で、１つの排出口からの液またはガスの排出・供給を選択できる。但し、この場合には段落〔００１４〕、〔００１５〕に述べた方法の中で濡れ性を調整した金網やガイドを用いる方法は利用できない。
ペルチェ素子利用の場合には、その裏面からの排熱・熱供給が必要であるが、それにはヒートパイプやマイクロ・チャンネル・ヒート・シンクが有効である。
また、温度制御用のヒータまたはクーラの電熱面積を増加させたい場合には、そこにヒートパイプを設置する方法が有効である。

温度制御用ヒータにて、アンモニア水を局所的に加熱した場合、特に微少重力環境では沸点を超えても沸騰が一時的に抑えられ、そこから突沸による急激な圧力上昇が発生して、容器やそれに連結されている弁などを故障・破壊を生じる危険がある。この問題は、ヒータ表面を多孔質とすることによって突沸を防止することができ、解消することができる。

容器内のガスだけの温度制御のためには、ヒータまたはクーラの表面の濡れ性を低下させる表面処理が有効である。逆に、容器内の液だけの温度制御のためには、ヒータまたはクーラの表面の濡れ性を向上させる表面処理が有効である。

ヒータとして、フィルム状温度制御用ヒータの採用は軽量化に極めて有効である。これは容器内部に平面状または円筒状に、あるいは容器壁に設置することが適当である。そして、クーラも同様にフィルム状クーラがきわめて有効である。しかしなが、ヒータ及びクーラは必ずしもそれに限定されるものではない。

本発明の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置の実施例に係るアンモニア水供給装置の実施例を、図１に示す模式図を参照して説明する。
図中、１は本実施例に係る温度制御型アンモニア水供給装置であり、円筒状の容器２で構成されている。容器の形状は特に限定されないが、円筒形または球形が望ましい。本実施例では、容器２は円筒壁３、後壁４、前壁５で囲まれ、前壁５に排出口６が形成されている。容器壁で囲まれた容器２内に指定温度において平衡圧力が１０気圧以下となる濃度のアンモニア水を容器に充填して、これを温度制御することによって平衡条件、特に圧力を調整して、アンモニア水供給する圧力を確保する。そして排出口６から外部にアンモニア水を排出供給するが、その近傍に高濡れ性部材として濡れ性が高くなるように表面処理した金網７を配置して、ガスでなくアンモニア水がここに集まるようにする。さらにこの周辺の容器壁内面４も同様に濡れ性を高くする。

アンモニア水から加圧ガスを発生させるために、ヒータ８を設置する。もしこのヒータ８の表面積が不足する場合には、ヒータ８に図示のようにヒートパイプ９を設置して表面積を増加させる。また、ヒータ８の表面やヒートパイプ９の表面は、突沸を防止する多孔質等の表面処理をする。さらに、これらがアンモニア水に直接接触することが望ましい場合には、濡れ性の良い表面処理を行うが、直接接触が望ましくない場合には逆に濡れ性の悪い表面処理を行う。

以上のように構成された本実施例装置において、ヒータ８やヒートパイプ９によって、平衡状態にあるアンモニア水を局所的に加熱して、アンモニア・水蒸気混合ガスをこの近傍に発生させると、容器内圧が増加するので、排出口の弁を開くことで排出ができる。この際、排出口付近にはガスはほとんど存在しないことと、濡れ性の良い金網７にてガスが排出口６に接近することを妨げるので、排出口６からはガスはほとんど排出されない。なお、アンモニア水の排出をより確実にするために、図１において仮想線で示すように排出口付近に長さの短いクーラ１０を設置して冷却することにより、ガスをアンモニア水に吸収させるようにするとよい。

アンモニア水の排出によって、容器内圧は低下する。また、ガス発生は吸熱反応なのでガス発生に伴って、そこでの温度は低下して圧力も低下する。従って、容器内のアンモニア水は加熱量と排出量によって決定される安定した平衡状態での圧力に達するが、これは排出前の圧力より低いので、アンモニア水の排出速度は低下する。そこで、引き続きアンモニア水の排出速度を維持するためには、ヒータを作動し続けて、アンモニア水の加熱を継続する必要がある。排出を停止するためには、加熱を停止して、排出口の弁を閉じる。

次に、本発明の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置の実施例に係るアンモニア・水蒸気混合ガス供給装置の実施例を、図２に示す模式図を参照して説明する。
本実施例のアンモニア・水蒸気混合ガス供給装置２０における容器２１の構造は前記実施例と同様であるが、この場合にはペルチェ素子を用いたクーラ２６を排出口２５と反対側の後壁付近に設置し、その裏面にマイクロ・チャンネル・ヒート・シンク２７を設置して排熱するようにしてある。クーラ表面２８はその要求に従って、濡れ性の良い、または悪い表面処理をする。また、排出口近傍には長さの短いヒータ２９を設置して加熱によってガスを発生させて加圧する。さらに排出口近傍の前壁内面３０と、排出口近傍に設けられた金網３１を濡れ性の低い表面処理を行う。なお、ヒータ２９の表面はその要求に応じて濡れ性の良し悪しを決定して表面処理する。

以上の構成において、容器の排出口付近でヒータ２９によりアンモニア水を加熱してガスを発生させ、また容器の排出口の反対側端面付近でクーラ２６により冷却することにより、そこでガスを液に吸収させ、さらに、前記排出口近傍の前壁内面や金網の濡れ性を低下させることにより、排出口近傍で液体が排除されてガスだけが集められて、アンモニアガス・水蒸気混合ガスを容器外へ排出供給する。なお、図２の構成において、ペルチェ式加熱・冷却装置をヒータとして使用し、ヒータ２９の使用を停止又はクーラに置きかえることによって、温度制御型アンモニア水供給装置として使用することができる。

本発明は、水とアンモニアの短所を補うために、アンモニア水を用いることがその本質であり、氷結・凝固や容器内保持温度と圧力の適正化が実現できる。このアンモニア水は宇宙推進用のコールド・ガス・ジェットや太陽熱推進などの化学反応を伴わない推進剤として採用できるだけでなく、分子量が低いのでかなりの高比推力が期待できる。しかも、宇宙空間での微少重力環境においては局所的加熱・冷却は特に容易であるので、特に宇宙推進分野での利用可能性は極めて有望である。

温度制御型アンモニア水・ガス供給装置におけるアンモニア水供給装置を示す。 温度制御型アンモニア水・ガス供給装置におけるアンモニア・水蒸気混合ガス供給装置を示す。

符号の説明

１ 温度制御型アンモニア水供給装置
２、２１ 容器
３ 円筒壁
４、２２ 後壁
５、２３ 前壁
６、２５ 排出口
７、３１ 金網
８、２９ ヒータ
９ ヒートパイプ
１０、２６ クーラ
２０ アンモニア・水蒸気混合ガス供給装置
２７ マイクロ・チャンネル・ヒート・シンク
２８ クーラ表面
３０ 前壁内面

Claims (11)

1. アンモニア水とアンモニア・水蒸気混合ガスを貯留する容器と、該容器内に２相状態で充填されたアンモニア水とアンモニア・水蒸気混合ガスの一部または全体の温度制御を行う前記容器内に設けられた温度制御手段を有してなり、前記温度制御手段によりアンモニア水濃度の平衡条件を調整し、アンモニア水またはアンモニアガスと水蒸気の混合ガスを、別の加圧系なしに、加圧供給することを特徴とする温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
2. 前記容器の内面を濡れ性を低下させる表面処理を行って、容器内面へのアンモニア水の接触性を低下させ、容器内のアンモニア水への断熱性を向上させてなる請求項１に記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
3. 前記温度制御型アンモニア水・ガス供給装置が、アンモニア水供給装置であり、該アンモニア水供給装置における前記温度制御手段が、容器の排出口の反対側端面付近に設置したヒータ、及び容器の排出口付近に設置した高濡れ性部材であり、排出口近傍で前記高濡れ性部材でガスが排除されて液体だけが集められて、アンモニア水を容器外に供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
4. 前記温度制御型アンモニア水・ガス供給装置が、アンモニアガス・水蒸気混合ガス供給装置であり、前記温度制御手段が、前記容器の排出口付近に設置したヒータ、濡れ性を低下させる表面処理を行った排出口近傍壁、排出口近傍に設置した低濡れ性部材、又は容器の排出口の反対側端面付近に設置したクーラの何れか又はすべてであり、排出口附近で前記ヒータによりアンモニア水の一部を加熱してガスを発生させ、または容器の排出口の反対側端面付近で前記クーラでアンモニア水の一部を冷却してガスを液に吸収させ、及びまたは前記排出口近傍壁の濡れ性を低下させ、排出口近傍で液体が排除されてガスだけが集められて、アンモニアガス・水蒸気混合ガスを容器外へ供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
5. 前記温度制御手段として、丸棒状ヒータまたはクーラを容器の中心部に設置して、容器外部への熱損失の減少を計った請求項１又は２に記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
6. 前記温度制御手段が、加熱だけでなく冷却も可能なペルチェ式加熱・冷却装置である請求項１〜５何れかに記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
7. 前記液体加熱用のヒータ又はクーラにヒートパイプを設置して電熱面積を増大させた請求項１〜６何れかに記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
8. 前記ヒータ及びヒートパイプ表面を多孔質にして、液体加熱時の突沸を防止した請求項７に記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
9. 容器内のガスだけの温度制御のために、前記ヒータまたはクーラの表面の濡れ性を低下させる表面処理を行った請求項１〜８に記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
10. 容器内の液だけの温度制御のために、ヒータまたはクーラの表面の濡れ性を向上させる表面処理を行った請求項１〜８に記載の温度制御型アンモニア水・ガス供給装置。
11. 前記温度制御用に軽量化に適するフィルム状ヒータまたはクーラを球形または円筒形容器壁の内面または容器内部に平面上または円筒状に設置した請求項１に記載の温度制御型アンモニア水・供給装置。

Images