JP2018116803A - Electric heater, injection device and spacecraft - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電熱ヒータ、噴射装置及び宇宙機に関する。 The present invention relates to an electric heater, an injection device, and a spacecraft.
人工衛星や惑星探査機などの宇宙機では、姿勢制御や軌道変更にスラスタが用いられる。スラスタには、推力電力比や比推力が異なる複数の形態があり、その一形態としてレジストジェットが知られている。レジストジェットは、電熱ヒータにより推進剤を加熱して噴射する電熱加速型の電気推進装置(噴射装置)の一種である。レジストジェットでは、推進剤が高温であるほど高性能となるため、電気エネルギーを推進剤の熱エネルギーに効率良く変換することが重要となる。
電熱ヒータの方式としては、例えば、下記非特許文献1に示されているように、Coil式やHeated Wall式、Conglomerate式、Solid Body式などがある(具体例としては、例えば下記非特許文献2参照)。従来のレジストジェットはCoil式が主であり、細線をコイル状に形成してなるヒータにより推進剤を加熱する。Coil式に用いられるコイルには、例えば、下記特許文献1に記載された構成が考えられる。
また、レジストジェットの他の形態として、下記特許文献2に記載の構成も知られている。このレジストジェットでは、プラグノズルに中空部を形成し、この中空部を加熱部としてノズルを直接加熱している。下記特許文献2では、このようなレジストジェットにより、構造を複雑化することなく、推進剤の加熱に適した温度分布を実現するとしている。
In spacecraft such as artificial satellites and planetary probes, thrusters are used for attitude control and orbit change. The thruster has a plurality of forms with different thrust power ratios and specific thrusts, and a resist jet is known as one form thereof. The resist jet is a kind of electrothermal acceleration type electric propulsion apparatus (injection apparatus) that injects a propellant heated by an electric heater. In the resist jet, the higher the temperature of the propellant, the higher the performance. Therefore, it is important to efficiently convert electric energy into the thermal energy of the propellant.
As a method of the electric heater, for example, as shown in Non-Patent Document 1 below, there are a Coil type, a Heated Wall type, a Conmomerate type, a Solid Body type, and the like (specific examples include, for example, Non-Patent Document 2 below) reference). Conventional resist jets are mainly of the coil type, and the propellant is heated by a heater in which fine wires are formed in a coil shape. For the coil used in the coil system, for example, a configuration described in Patent Document 1 below can be considered.
Moreover, the structure of the following patent document 2 is also known as another form of a resist jet. In this resist jet, a hollow portion is formed in the plug nozzle, and the nozzle is directly heated by using the hollow portion as a heating portion. In Patent Document 2 described below, such a resist jet realizes a temperature distribution suitable for heating the propellant without complicating the structure.
前記特許文献1に記載のようなコイルを適用したCoil式のレジストジェットでは、例えば、エネルギーの変換効率及び電気抵抗を高める目的で、コイルを形成する細線を細くした場合など、寿命が短くなる上に断線などの不具合も絶えず、信頼性が低い。一方で、細線を保護すると効率が低下する。
また、前記特許文献2に記載のレジストジェットでは、加熱効率を上げるためには装置の大型化を伴う。また、例えば熱伝導リブ等を設けると、流体の流路自体が複雑化し、加熱ムラが発生したり、強い衝撃に対する強度が低下したりする。
In the coil type resist jet to which the coil as described in Patent Document 1 is applied, for example, when the thin wire forming the coil is made thin for the purpose of increasing the energy conversion efficiency and the electric resistance, the life is shortened. In addition, there are constant problems such as disconnection, and the reliability is low. On the other hand, the efficiency decreases when the fine wires are protected.
Further, the resist jet described in Patent Document 2 is accompanied by an increase in the size of the apparatus in order to increase the heating efficiency. Further, for example, when a heat conducting rib or the like is provided, the fluid flow path itself is complicated, heating unevenness occurs, and the strength against a strong impact is reduced.
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、大型化を抑えつつ、加熱効率及び信頼性を向上させることができる電熱ヒータを提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the situation mentioned above, Comprising: It aims at providing the electric heater which can improve heating efficiency and reliability, suppressing an enlargement.
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る電熱ヒータは、通電により発熱する第1の電熱部材と、前記第1の電熱部材と対向し、前記第1の電熱部材との間に第1の流路を形成するとともに、通電により発熱する第2の電熱部材と、前記第2の電熱部材と対向し、前記第2の電熱部材との間に、前記第1の流路と連通する第2の流路を形成するとともに、通電により発熱する第3の電熱部材と、前記第1の電熱部材、前記第2の電熱部材及び前記第3の電熱部材を互いに導通する導通部材と、を備え、前記第1の電熱部材、前記第2の電熱部材及び前記第3の電熱部材が一体的に形成されている。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The electric heater according to the present invention is a first electric heating member that generates heat upon energization, and is opposed to the first electric heating member and forms a first flow path between the first electric heating member and energization. Forming a second flow path that communicates with the first flow path between the second electric heating member that generates heat due to the second electric heating member and facing the second electric heating member; A third electric heating member that generates heat by energization; and a conductive member that electrically connects the first electric heating member, the second electric heating member, and the third electric heating member, the first electric heating member, The second electric heating member and the third electric heating member are integrally formed.
本発明に係る電熱ヒータでは、前記導通部材と、前記第1の電熱部材、前記第2の電熱部材及び前記第3の電熱部材とが、同一の発熱材料で構成されかつ一体的に形成されてもよい。 In the electric heater according to the present invention, the conducting member, the first electric heating member, the second electric heating member, and the third electric heating member are made of the same heat generating material and integrally formed. Also good.
本発明に係る電熱ヒータでは、前記第1の電熱部材、前記第2の電熱部材及び前記第3の電熱部材が、互いに同軸に配置された筒状の電熱部材であってもよい。 In the electric heater according to the present invention, the first electric heating member, the second electric heating member, and the third electric heating member may be cylindrical electric heating members arranged coaxially with each other.
本発明に係る電熱ヒータでは、前記第1の流路及び前記第2の流路が、前記第2の電熱部材を貫通する連通孔を介して連通してもよい。 In the electric heater according to the present invention, the first flow path and the second flow path may communicate with each other through a communication hole penetrating the second electric heating member.
本発明に係る電熱ヒータでは、前記第1の電熱部材、前記第2の電熱部材及び前記第3の電熱部材のうちの少なくとも1つに凹凸部が形成されてもよい。 In the electric heater according to the present invention, an uneven portion may be formed on at least one of the first electric heating member, the second electric heating member, and the third electric heating member.
本発明に係る噴射装置は、前記電熱ヒータと、少なくとも一部が複数の前記第1の流路及び前記第2の流路によって形成された加熱流路を通過した流体が供給されるノズルと、前記電熱ヒータを収容する容器と、を有する。 The injection device according to the present invention includes the electric heater, and a nozzle to which a fluid that has passed through a heating channel formed at least partially by the plurality of the first channel and the second channel, A container for housing the electric heater.
本発明に係る宇宙機は、前記噴射装置により形成されたスラスタを有する。 The spacecraft according to the present invention includes a thruster formed by the jetting device.
本発明に係る電熱ヒータ及び噴射装置によれば、大型化を抑えつつ、加熱効率及び信頼性を向上させることができる。
さらに、本発明に係る電熱ヒータ及び噴射装置をスラスタとして利用した場合、高比推力においても高い推進効率を実現できることから、このスラスタを宇宙機に適用することによって、高比推力により少ない燃料消費を達成しつつ、所定の軌道へ宇宙機を移動させるための遷移期間を従来よりも大幅に短くすることが可能となる。
According to the electric heater and the injection device according to the present invention, it is possible to improve heating efficiency and reliability while suppressing an increase in size.
Furthermore, when the electric heater and the injection device according to the present invention are used as a thruster, a high propulsive efficiency can be realized even at a high specific thrust. While achieving this, the transition period for moving the spacecraft to a predetermined orbit can be made significantly shorter than before.
(第1実施形態)
図1を参照し、本発明の第1実施形態に係る噴射装置10を説明する。
(First embodiment)
With reference to FIG. 1, the
図1に示すように、噴射装置10は、外部から供給される流体Fを加熱して噴射する。例えば、この噴射装置10を宇宙機のスラスタとして用いる場合、流体Fには推進剤が適用される。推進剤には、液体、気体を問わず、種々の流体を採用することができる。推進剤としては、例えば、ヒドラジンや水素、アンモニア、ヘリウム、窒素、キセノン、炭化水素、フロン、亜酸化窒素などが挙げられる。推進剤としてヒドラジン等を採用した場合、触媒反応による発熱エネルギーにより推進剤を加熱することもできる。また推進剤として、HANやADNといった低毒性の高性能推進剤を採用することもできる。
As shown in FIG. 1, the
噴射装置10は、電熱ヒータ40と、ノズル11と、一対の電極12、13と、絶縁体14と、弾性シール15と、容器16と、電源17と、を備えている。
電熱ヒータ40は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、流体Fを加熱してノズル11に供給する。電熱ヒータ40は、3つ以上の電熱壁部材41(以下、「複数の電熱壁部材41」という。)と、導通部材42と、閉塞部材43と、を備えている。なお、電熱壁部材41は、本発明における電熱部材である。
The
The
複数の電熱壁部材41は、互いに間隔をあけて並設され、互いに導通されている。各電熱壁部材41は、通電により発熱する。複数の電熱壁部材41は、互いに同軸に配置された筒状に形成されている。これにより、電熱ヒータ40は、多重筒状に形成されている。以下では、電熱ヒータ40の軸方向を軸方向Dといい、電熱ヒータ40の径方向を単に径方向といい、電熱ヒータ40の周方向を単に周方向という。
The plurality of
本実施形態では、複数の電熱壁部材41として、6つの電熱壁部材41が備えられている。電熱壁部材41としては、径方向の外側から内側に向けて順に、第1電熱壁部材41a、第2電熱壁部材41b、第3電熱壁部材41c、第4電熱壁部材41d、第5電熱壁部材41e及び第6電熱壁部材41fが備えられている。互いに対向する電熱壁部材41同士の間には、部材間流路51が形成されている。部材間流路51は、本発明における流路である。部材間流路51としては、径方向の外側から内側に向けて順に、第1部材間流路51a、第2部材間流路51b、第3部材間流路51c、第4部材間流路51d及び第5部材間流路51eが備えられている。
In the present embodiment, six
第1部材間流路51aは、第1電熱壁部材41aと第2電熱壁部材41bとの間に形成されている。第2部材間流路51bは、第2電熱壁部材41bと第3電熱壁部材41cとの間に形成されている。第3部材間流路51cは、第3電熱壁部材41cと第4電熱壁部材41dとの間に形成されている。第4部材間流路51dは、第4電熱壁部材41dと第5電熱壁部材41eとの間に形成されている。第5部材間流路51eは、第5電熱壁部材41eと第6電熱壁部材41fとの間に形成されている。
The first
導通部材42は、互いに対向する電熱壁部材41同士を導通する。導通部材42は、互いに対向する電熱壁部材41同士を周方向の全周にわたって連続して連結している。導通部材42は、部材間流路51を軸方向Dに閉塞している。本実施形態では、導通部材42として、径方向の外側から内側に向けて順に、第1導通部材42a、第2導通部材42b、第3導通部材42c、第4導通部材42d及び第5導通部材42eが備えられている。
The conducting
第1導通部材42aは、第1電熱壁部材41aと第2電熱壁部材41bとを連結し、第1部材間流路51aを閉塞している。第2導通部材42bは、第2電熱壁部材41bと第3電熱壁部材41cとを連結し、第2部材間流路51bを閉塞している。第3導通部材42cは、第3電熱壁部材41cと第4電熱壁部材41dとを連結し、第3部材間流路51cを閉塞している。第4導通部材42dは、第4電熱壁部材41dと第5電熱壁部材41eとを連結し、第4部材間流路51dを閉塞している。第5導通部材42eは、第5電熱壁部材41eと第6電熱壁部材41fとを連結し、第5部材間流路51eを閉塞している。
The
各導通部材42は、互いに対向する電熱壁部材41における軸方向Dの端部同士を連結している。第1導通部材42a、第3導通部材42c及び第5導通部材42eは、軸方向Dの一方側D1の端部同士を連結し、第2導通部材42b及び第4導通部材42dは、軸方向Dの他方側D2の端部同士を連結している。その結果、本実施形態では、軸方向Dの一方側D1に位置する導通部材42(第1導通部材42a、第3導通部材42c及び第5導通部材42e)と、他方側D2に位置する導通部材42(第2導通部材42b及び第4導通部材42d)とが、径方向に交互に配置されている。第1導通部材42a、第3導通部材42c及び第5導通部材42eはそれぞれ、第1部材間流路51a、第3部材間流路51c、及び第5部材間流路51eを軸方向Dの一方側D1から閉塞し、第2導通部材42b及び第4導通部材42dはそれぞれ、第2部材間流路51b及び第4部材間流路51dを軸方向Dの他方側D2から閉塞している。なお図示の例では、第6電熱壁部材41f内も、軸方向Dの一方側D1から閉塞されている。
Each conducting
閉塞部材43は、複数の部材間流路51のうちの一部の部材間流路51を閉塞している。本実施形態では、閉塞部材43は、第2部材間流路51b及び第4部材間流路51dを閉塞するように2つ(複数)設けられている。閉塞部材43としては、第2部材間流路51bを閉塞する第2閉塞部材43bと、第4部材間流路51dを閉塞する第4閉塞部材43dと、が備えられている。
The closing
第2閉塞部材43bは、第2部材間流路51bを軸方向Dに挟んで第2導通部材42bの反対側に配置され、第2部材間流路51bを軸方向Dの一方側D1から閉塞している。第4閉塞部材43dは、第4部材間流路51dを軸方向Dに挟んで第4導通部材42dの反対側に配置され、第4部材間流路51dを軸方向Dの一方側D1から閉塞している。各閉塞部材43は、それぞれに対応する部材間流路51を軸方向Dに挟んで導通部材42の反対側に配置されている。
The
第2閉塞部材43bは、第2電熱壁部材41bに連結され、第4閉塞部材43dは、第4電熱壁部材41dに連結されている。導通部材42が、前述のように互いに対向する電熱壁部材41同士を連結しているのに対して、閉塞部材43は、互いに対向する電熱壁部材41同士を連結していない。
The
全ての電熱壁部材41、導通部材42及び閉塞部材43は、一体的に形成されている。なお本実施形態において、一体的に形成されていることは、対象となる製品が一体成形品により形成されていることを意味する。言い換えると、一体的に形成されていることは、二次接着や機械的接合を用いないで、部材の接合と同時に製品が一体で成形されていることを意味する。つまり本実施形態では、全ての電熱壁部材41が、一体成形品により形成されていて、二次接着や機械的接合を用いないで、全ての電熱壁部材41の接合と同時に全ての電熱壁部材41が一体で成形されている。本実施形態では、電熱ヒータ40の全体が、三次元造形技術(いわゆる3Dプリンタ)により一体的に形成されている。
All the electric
全ての電熱壁部材41、導通部材42及び閉塞部材43は、同一の発熱材料で構成されかつ一体的に形成されている。発熱材料としては、高温耐性を具備している材料が好ましく、例えば、タングステン若しくはルテニウム、モリブデン、タンタル、白金、チタン、ニッケル、ニオブ、インジウム又はこれらのうちの少なくとも1つを含む合金(例えば、ニッケルを含む合金であるインコネル718(登録商標))など、種々の金属材料やカーボン等が挙げられる。発熱材料には、高温耐性の他、電気抵抗率が高いことや、流体F(推進剤)の種類に応じた適合性なども求められる。そのため、発熱材料は、電熱ヒータ40の用途や使用環境に応じて適宜選定されることが好ましい。例えば、インコネル718(登録商標)は、三次元造形が容易であること、耐熱合金であること、電気抵抗値の温度依存性がほぼ一定で扱いやすいこと等の特性があり、これらの特性が発熱材料に求められるときに、発熱材料としてインコネル718(登録商標)を好適に採用することができる。
All the electric
なお電熱ヒータ40の質量やコスト、サイズ、加熱効率などの各種の製品性能は、電熱壁部材41の総数、又は各電熱壁部材41の表面形状や軸方向Dの長さ、厚さ(壁厚)、直径などを調整することで、適宜、設計することができる。
例えば、各電熱壁部材41は、電気抵抗を確保する観点からは薄いことが望ましい。各電熱壁部材41の厚さは、例えば、造形実現性や要求剛性などにより決定され、一例として、0.1mm〜0.5mm程度とすることができる。
Various product performances such as the mass, cost, size, and heating efficiency of the
For example, each
ここで、第6電熱壁部材41f(径方向の最も内側に位置する電熱部材)の厚さ(壁厚)は、他の電熱壁部材41a、41b、41c、41d、41eの厚さ(壁厚)よりも大きい(厚い)。第6電熱壁部材41fの周長は、他の電熱壁部材41a、41b、41c、41d、41eの周長よりも小さいため、第6電熱壁部材41fの厚さが他の電熱壁部材41a、41b、41c、41d、41eの厚さと同等である場合、第6電熱壁部材41fにおける電気抵抗が他の電熱壁部材41a、41b、41c、41d、41eにおける電気抵抗よりも高くなり、第6電熱壁部材41fにおけるジュール発熱が大きくなる。第6電熱壁部材41fを他の電熱壁部材41a、41b、41c、41d、41eよりも厚くすることで、第6電熱壁部材41fにおける過度な熱上昇を抑えることができる。また、第6電熱壁部材41fには、後述するように第2電極13が接合されることから、第6電熱壁部材41fを厚くすることで第6電熱壁部材41fにおける強度を確保することも望まれている。ただし、第6電熱壁部材41fを厚くしすぎると、第6電熱壁部材41fにおける電気抵抗が低下してジュール発熱が小さくなりすぎ、流体Fから第6電熱壁部材41fに熱エネルギーが移動しまう可能性があるため、第6電熱壁部材41fにおける壁厚は適宜調整することが望まれる。
Here, the thickness (wall thickness) of the sixth electric
さらに例えば、本実施形態では、各電熱壁部材41の形状が平滑形状になっているが、例えば図2に示すように、電熱壁部材41に凹凸部44を形成してもよく、電熱壁部材41の形状を凹凸状にしてもよい。凹凸部44としては、例えば図2(a)に示すような波状の凹凸部44aや、図2(b)に示すような鋸状の凹凸部44b、図2(c)に示すような階段状の凹凸部44cを採用することができる。これらの凹凸部44a、44b、44cでは、いずれも軸方向Dに凹部と凸部とが並んでいるが、図2(d)に示す凹凸部44dのように、周方向に凹部と凸部とが並んでいてもよい。図2(d)に示す電熱壁部材41では、周方向に厚肉部46と薄肉部47とが交互に配置されている。図示の例では、厚肉部46と薄肉部47とは、周方向に同じ長さで交互に繰り返されているが、これに限られない。例えば、電熱壁部材41が必要な剛性を維持した上で電気抵抗を上げるためには、薄肉部47ができる限り周方向に長いことが望ましい。厚肉部46は、薄肉部47に対して径方向に2倍程度の厚みを有する。厚肉部46は、薄肉部47に対して径方向の内側及び外側の両側に向けて張り出して凸リブを形成している。これにより、電熱壁部材41における内周面及び外周面の両側に、凹凸部44dが形成されている。凹凸部44dは、周方向の全周にわたって連続して延びている。この場合、例えば、電熱壁部材41に凹凸部44dが形成されておらず、電熱壁部材41が平滑形状である場合に比べて、加熱効率を向上させるとともに、電熱壁部材41の強度(剛性)を向上させることができる。例えば、電熱壁部材41の強度を向上させることにより、全体の材料の使用量を抑えて、電熱壁部材41において軸線に直交する断面視(以下「横断面視」という。)の断面積を小さくすることが可能になり、電熱壁部材41における電気抵抗を高めて発熱効率(加熱効率)を高めることができる。さらに、凹凸部44dによって、電熱壁部材41の表面積を増加させることも可能になり、電熱壁部材41における伝熱効率(加熱効率)を高めることもできる。なお、上記各凹凸部44a、44b、44c、44dにより流体Fの流れが乱れることで、熱伝達率が向上することも期待される。
Further, for example, in the present embodiment, the shape of each
図1に示すように、ノズル11は、流体Fを噴射する。ノズル11は、軸方向Dに延び、軸方向Dの一方側D1から他方側D2に向けて流体Fを噴射する。ノズル11における軸方向Dの中間部には、流路断面積が極小とされたスロート18が形成されている。ノズル11は、電熱ヒータ40(電熱壁部材41)と同軸に配置された筒状に形成されている。ノズル11の少なくとも一部は、電熱ヒータ40と同一の発熱材料で構成されかつ一体的に形成されている。ノズル11は、第6電熱壁部材41fにおける軸方向Dの他方側D2の端部に連結され、前記端部から他方側D2に向けて突出している。
As shown in FIG. 1, the
一対の電極12、13は、電熱ヒータ40に導通されている。一対の電極12、13は、第1電極12と、第2電極13と、を備えている。
第1電極12は、電熱ヒータ40に直接的に導通されている。第1電極12は、電熱ヒータ40と同軸の環状に形成されている。第1電極12は、第1電熱壁部材41aから径方向の外側に向けて突出している。第1電極12は、第1電熱壁部材41aの軸方向Dの他方側D2の端部に連結されている。第1電極12は、電熱ヒータ40と同一の発熱材料で構成されかつ一体的に形成されている。
The pair of
The
第2電極13は、電熱ヒータ40に間接的に導通されている。第2電極13は、ノズル11を介して電熱ヒータ40に導通されている。第2電極13は、ノズル11と同軸の環状に形成されている。第2電極13は、ノズル11から径方向の外側に向けて突出している。第2電極13は、ノズル11の軸方向Dの他方側D2の端部に連結されている。第2電極13は、ノズル11とは一体的に形成されていない。第2電極13は、ノズル11と別途成形された後、例えば溶接や嵌合、螺合等によりノズル11に接合されている。第1電極12と第2電極13とは、軸方向Dに間隔をあけて対向している。
The
絶縁体14は、一対の電極12、13間に挟み込まれている。絶縁体14は、一対の電極12、13間を電気的に絶縁する。絶縁体14は、電熱ヒータ40(ノズル11)と同軸の環状に形成されている。絶縁体14は、複数の電熱壁部材41のうちの少なくとも1つの電熱壁部材41における軸方向Dの端縁に突き当たり、複数の部材間流路51のうちの少なくとも1つの部材間流路51を軸方向Dから閉塞している。本実施形態では、絶縁体14は、全ての電熱壁部材41の軸方向Dの他方側D2の端縁に突き当たっている。そして絶縁体14は、複数の部材間流路51のうち、第1部材間流路51a、第3部材間流路51c及び第5部材間流路51eを、軸方向Dの他方側D2から閉塞している。
The
弾性シール15は、絶縁体14と、電熱ヒータ40または一対の電極12、13と、の間に配置されている。絶縁体14は、電熱壁部材41及び一対の電極12、13それぞれに弾性シール15を介して突き当てられている。なお図示の例では、弾性シール15は、絶縁体14において部材間流路51を閉塞する部分には配置されていない。弾性シール15は、例えば、絶縁体14に形成された溝に嵌め込むことで絶縁体14に固定してもよい。
The
容器16は、電熱ヒータ40を収容する。容器16は、軸方向Dに延びる筒状に形成され、本実施形態では、電熱ヒータ40と同軸に配置されている。容器16における軸方向Dの一方側D1の端部は閉塞され、他方側D2の端部は開放されている。前記他方側D2の端部は、第1電極12に突き当たっている。容器16と電熱ヒータ40との間には、外側流路53が形成されている。外側流路53は、第1電極12によって軸方向Dの他方側D2から閉塞されている。
The
なお、噴射装置10をスラスタとして利用する場合、高い推進効率を得るために流体Fの圧力を高めることが考えられる。このような場合であっても、本実施形態における噴射装置10では、電気抵抗(発熱効率)の観点から薄肉となるべき電熱壁部材41には圧力負荷をほとんどかけることなく、容器16が、第2電極13(フランジ)とともに加熱流路50における圧力を負担することができる。そのため、噴射装置10において、前述のように流体Fを高圧にして高い推進効率を得ることができる。
In addition, when utilizing the
噴射装置10には、加熱流路50が形成されている。加熱流路50を通過した流体Fは、ノズル11に供給される。加熱流路50の少なくとも一部は、複数の部材間流路51によって形成されている。本実施形態では、加熱流路50が、外側流路53と、複数の部材間流路51と、によって形成されている。これらの各部材間流路51及び外側流路53は、各電熱壁部材41に形成された連通孔45を介して連通する。
A
連通孔45は、各電熱壁部材41を貫通している。連通孔45は、各電熱壁部材41に周方向に複数形成されている。本実施形態では、連通孔45として、第1電熱壁部材41aに形成された第1連通孔45aと、第2電熱壁部材41bに形成された第2連通孔45bと、第3電熱壁部材41cに形成された第3連通孔45cと、第4電熱壁部材41dに形成された第4連通孔45dと、第5電熱壁部材41eに形成された第5連通孔45eと、第6電熱壁部材41fに形成された第6連通孔45fと、が備えられている。
The
第1連通孔45aは、外側流路53と第1部材間流路51aとを連通する。第2連通孔45b、第3連通孔45c、第4連通孔45d及び第5連通孔45eは、各連通孔45が形成された電熱壁部材41を挟んで隣り合う部材間流路51同士を連通する。第6連通孔45fは、第5部材間流路51eと第6電熱壁部材41f内とを連通している。
The
互いに対向する電熱壁部材41に形成された連通孔45同士では、軸方向Dの位置が互いに異なっている。本実施形態では、第1連通孔45a、第3連通孔45c及び第5連通孔45eは、各電熱壁部材41における軸方向Dの他方側D2の端部に位置し、第2連通孔45b、第4連通孔45d及び第6連通孔45fは、各電熱壁部材41における軸方向Dの一方側D1の端部に位置している。その結果、本実施形態では、軸方向Dの一方側D1に位置する連通孔45(第2連通孔45b、第4連通孔45d及び第6連通孔45f)と、他方側D2に位置する連通孔45(第1連通孔45a、第3連通孔45c及び第5連通孔45e)とが、径方向に交互に配置されている。
In the communication holes 45 formed in the electrically
加熱流路50には、供給口21から流体Fが供給される。供給口21は、容器16に設けられている。供給口21は、外側流路53に連通している。供給口21は、容器16における軸方向Dの一方側D1の端部に配置されている。
供給口21から加熱流路50に供給された流体Fは、複数の部材間流路51を、径方向の外側に位置する部材間流路51から、径方向の内側に位置する部材間流路51に向けて順に通過する。本実施形態では、供給口21から加熱流路50に供給された流体Fは、外側流路53、第1連通孔45a、第1部材間流路51a、第2連通孔45b、第2部材間流路51b、第3連通孔45c、第3部材間流路51c、第4連通孔45d、第4部材間流路51d、第5連通孔45e、第5部材間流路51e、第4連通孔45d及び第6電熱壁部材41f内の順に加熱流路50を通過し、ノズル11内に供給される。このとき、電熱壁部材41を挟んで隣り合う部材間流路51では流体Fの流通方向が反転し、流体Fが複数の部材間流路51を軸方向Dの一方側D1又は他方側D2に向けて交互に流通する。
The fluid F is supplied to the
The fluid F supplied from the
電源17は、一対の電極12、13を介して電熱ヒータ40に電圧を印加し、電熱ヒータ40に通電する。電源17が電熱ヒータ40に通電すると、電流Cが、複数の電熱壁部材41のうち、径方向の外側に位置する電熱壁部材41から、径方向の内側に位置する電熱壁部材41に向けて順に電熱ヒータ40に向けて流れる。本実施形態では、電流Cが、第1電極12、第1電熱壁部材41a、第1導通部材42a、第2電熱壁部材41b、第2導通部材42b、第3電熱壁部材41c、第3導通部材42c、第4電熱壁部材41d、第4導通部材42d、第5電熱壁部材41e、第5導通部材42e、第6電熱壁部材41f、ノズル11及び第2電極13の順に流れる。電熱ヒータ40及びノズル11は、電源17が一対の電極12、13に接続されたときに、電源17及び一対の電極12、13とともに一連の電気回路(閉回路)を形成する。
The
前記噴射装置10では、流体Fが加熱流路50を流通する過程で部材間流路51を通過するときに、電熱壁部材41に通電しておくと、部材間流路51を通過する流体Fが、電熱壁部材41から生じるジュール熱によって加熱される。この噴射装置10では、部材間流路51が、互いに対向する電熱壁部材41同士の間に形成され、かつ、電熱壁部材41を挟んで隣り合う部材間流路51同士が互いに連通していることから、流体Fが加熱流路50を通過する過程で各部材間流路51を流通することで、流体Fが各電熱壁部材41により長い区間にわたって加熱される。また本実施形態のように、部材間流路51が3層以上積層されている場合などには、複数の部材間流路51のうち、径方向の中間領域に位置する一部の部材間流路51が他の部材間流路51により覆われ、この一部の部材間流路51では熱エネルギーが外部に逃げ難く、流体Fが効果的に加熱される。例えば、前記一部の部材間流路51から逃げようとする熱エネルギーによって、前記一部の部材間流路51に隣接する他の部材間流路51内の流体Fを加熱することが可能になり、熱損失を抑えて流体Fの加熱効率を高めることができる。さらに本実施形態のように、複数の電熱壁部材41が、互いに同軸に配置された筒状に形成されている場合には、複数の部材間流路51のうち、径方向の内側に位置する部材間流路51における熱エネルギーの漏出を抑えることが可能になり、流体Fが更に効果的に加熱される。
In the
以上説明したように、本実施形態に係る噴射装置10によれば、流体Fを各電熱壁部材41により長い区間にわたって加熱することが可能で、かつ、一部の部材間流路51において熱エネルギーが外部に逃げ難い。したがって、加熱効率を向上させることができる。
さらに、複数の電熱壁部材41が一体に形成されていて、例えば、電熱ヒータ40を、三次元造形技術を利用して一体成形品によって形成することができる。したがって、例えば複数の電熱壁部材41を、別々に成形した後に組み合わせる場合に比べて、低コスト化及び高効率化を図りつつ、信頼性を向上させることができる。すなわち、複数の電熱壁部材41を、別々に成形した後に組み合わせる場合、例えば組み付け作業や組み付け精度などを考慮して、電熱壁部材41の壁厚や部材間流路51の流路断面積などに制約が生じ、加熱効率に影響が生じるおそれがある。さらにこのように、複数の電熱壁部材41を、別々に成形した後に組み合わせる場合(部品点数が多い場合)、例えば、ノズル11からの流体Fの噴射時などをはじめとして噴射装置10に振動が生じたときに、複数の電熱壁部材41同士が相対的に変位する等し、電熱ヒータ40に損傷が生じるおそれがあり信頼性が低下する。
As described above, according to the
Further, the plurality of electric
また、全ての電熱壁部材41及び導通部材42が、同一の発熱材料で構成されかつ一体的に形成されている。したがって、互いに対向する電熱壁部材41同士の間を、セラミック等の電気絶縁体で接合する必要がなく、熱設計や精度管理を容易にすることができる。すなわち、互いに対向する電熱壁部材41同士の間を、熱応力等で割れ易いセラミックを介して接合する場合、熱設計や精度管理が難しくなる。
Moreover, all the
また、複数の電熱壁部材41が、互いに同軸に配置された筒状に形成されている。したがって、複数の部材間流路51のうち、径方向の内側に位置する部材間流路51における熱エネルギーの漏出を抑えることが可能になり、加熱効率を一層高めることができる。さらに本実施形態のように、流体Fが、複数の部材間流路51を、径方向の外側に位置する部材間流路51から、径方向の内側に位置する部材間流路51に向けて順に流通した後、ノズル11に供給されることで、高温の流体Fをノズル11に供給することができる。
Moreover, the some
また、電熱壁部材41が筒状に形成されているので、電熱壁部材41の剛性を高めることができる。したがって、例えば電熱壁部材41の電気抵抗を高めるために電熱壁部材41を薄肉にしたとしても、各電熱壁部材41を三次元造形技術によって軸方向Dに大きく(長く)形成することができる。すなわち、三次元造形技術では、剛性が低い薄肉の壁状体を長く形成することが困難であるものの、電熱壁部材41の剛性が高められていることで、三次元造形技術であっても電熱壁部材41を長く形成することができる。
Moreover, since the
また、互いに対向する電熱壁部材41同士が、互いの全周にわたって連続して連結されている。したがって、径方向に隣り合う電熱壁部材41同士の相対的な位置関係を安定させることが可能になり、信頼性を一層高めること等ができる。
また連通孔45が、電熱壁部材41を挟んで隣り合う部材間流路51同士を連通する。したがって、連通孔45の形態(例えば数や形状、位置など)を適宜変更することで、例えば、加熱効率の最適化を図ること等ができる。なお加熱効率の最適化は、連通孔45の形態のほか、例えば、電熱壁部材41の総数、又は各電熱壁部材41の表面形状や軸方向Dの長さ、厚さ(壁厚)、直径などを調整することにより、適宜実現することができる。
Moreover, the electrically
The
また、ノズル11が、複数の電熱壁部材41と一体に形成されている。したがって、例えば、噴射装置10を製造するときに、電熱ヒータ40の径方向の内側に位置する空間に、軸方向Dに沿ってノズル11を差し込む等という作業を不要とすることが可能になり、信頼性を一層高めること等ができる。
Further, the
また絶縁体14が、複数の電熱壁部材41のうちの少なくとも一部の電熱壁部材41における軸方向Dの端縁に突き当たり、複数の部材間流路51のうちの少なくとも一部の部材間流路51を軸方向Dから閉塞している。したがって、一対の電極12、13間を絶縁する絶縁体14を利用して、複数の部材間流路51のうちの少なくとも一部の部材間流路51を閉塞することが可能になり、部品点数を少なく抑えることができる。
Further, the
また絶縁体14が、電熱壁部材41に弾性シール15を介して突き当てられている。したがって、絶縁体14と電熱壁部材41とが突き当たる部分のシール性を高めることが可能になり、径方向に隣り合う部材間流路51同士が、前記突き当たる部分を通して短絡するのを抑えることができる。また、電熱壁部材41が発熱することで軸方向Dに熱膨張したとしても、弾性シール15が弾性変形することで電熱壁部材41の熱膨張に基づく変形を吸収することができる。
The
このように、この電熱ヒータ40では、熱応力に関して、各電熱壁部材41における軸方向Dの一方側D1は固定されているものの、他方側D2はフリーである(固定されていない)ので、大きな負荷とはならない。さらに、電熱ヒータ40における各部材間流路51の流路断面積などを適宜設計することで、加熱流路50における圧力損失(例えば、第1部材間流路51aと第5部材間流路51eとの間の圧力損失)を小さく抑えることができる。その結果、電熱ヒータ40に負荷される応力は小さい。したがって、電熱ヒータ40が筒状に形成されることにより電熱ヒータ40の剛性が高められることと相俟って、電熱ヒータ40の信頼性を高めることができる。
As described above, in the
(第2実施形態)
図3及び図4を参照し、本発明の第2実施形態に係る噴射装置60を説明する。
なお、この第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
With reference to FIG.3 and FIG.4, the
In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different points will be described.
図3及び図4に示すように、本実施形態に係る噴射装置60では、第6電熱壁部材41fを除く各電熱壁部材41が、傾斜壁部61と、真直壁部62と、を備えている。傾斜壁部61は、軸方向Dの一方側D1から他方側D2に向かうに従い拡径するテーパ形状(錐形状)に形成されている。真直壁部62は、傾斜壁部61における軸方向Dの他方側D2の端部から他方側D2に向けて延びている。真直壁部62は、軸方向Dに沿って真直に延びるストレート形状に形成されている。なお第6電熱壁部材41fは、軸方向Dに沿って真直に延びるストレート形状に形成されている。
As shown in FIG.3 and FIG.4, in the
第1導通部材42aは、第1電熱壁部材41aと第2電熱壁部材41bとの間に配置された環状に形成されている。第3導通部材42cは、第3電熱壁部材41cと第4電熱壁部材41dとの間に配置された環状に形成されている。第1導通部材42a及び第3導通部材42cは、電熱ヒータ40(電熱壁部材41)と同軸に配置されている。第1導通部材42a及び第3導通部材42cはいずれも、互いに対向する電熱壁部材41同士のうちの傾斜壁部61同士を連結している。
The
第2導通部材42bは、第2電熱壁部材41b及び第3電熱壁部材41cによって形成されている。第2電熱壁部材41bにおける軸方向Dの他方側D2の端部は、他方側D2に向かうに従い縮径し、第3電熱壁部材41cにおける軸方向Dの他方側D2の端部は、他方側D2に向かうに従い拡径している。第2導通部材42bは、第2電熱壁部材41bにおける軸方向Dの他方側D2の端縁と、第3電熱壁部材41cにおける軸方向Dの他方側D2の端縁と、が連結されることにより形成されている。
The
第4導通部材42dは、第4電熱壁部材41d及び第5電熱壁部材41eによって形成されている。第4電熱壁部材41dにおける軸方向Dの他方側D2の端部は、他方側D2に向かうに従い縮径し、第5電熱壁部材41eにおける軸方向Dの他方側D2の端部は、他方側D2に向かうに従い拡径している。第4導通部材42dは、第4電熱壁部材41dにおける軸方向Dの他方側D2の端縁と、第5電熱壁部材41eにおける軸方向Dの他方側D2の端縁と、が連結されることにより形成されている。
The
第5導通部材42eは、第5電熱壁部材41e及び第6電熱壁部材41fによって形成されている。第5導通部材42eは、第6電熱壁部材41fにおける軸方向Dの一方側D1の端縁が、第5電熱壁部材41eにおける傾斜壁部61に連結されることにより形成されている。
The
第2閉塞部材43bは、第1電熱壁部材41a及び第2電熱壁部材41bそれぞれの傾斜壁部61において、第1導通部材42aよりも軸方向Dの一方側D1に位置する部分によって形成されている。なお図示の例では、第1電熱壁部材41aにおける軸方向Dの一方側D1の端部は閉塞されている一方、第2電熱壁部材41bにおける前記端部には、貫通孔(以下、「第2貫通孔63b」という。)が形成されている。第2閉塞部材43bは、中空とされていて、第2閉塞部材43bの内部は、第2貫通孔63bを通して第2部材間流路51bに連通している。
The
第4閉塞部材43dは、第3電熱壁部材41c及び第4電熱壁部材41dそれぞれの傾斜壁部61において、第3導通部材42cよりも軸方向Dの一方側D1に位置する部分によって形成されている。なお図示の例では、第3電熱壁部材41cにおける軸方向Dの一方側D1の端部は閉塞されている一方、第4電熱壁部材41dにおける前記端部には、貫通孔(以下、「第4貫通孔63d」という。)が形成されている。第4閉塞部材43dは、中空とされていて、第4閉塞部材43dの内部は、第4貫通孔63dを通して第4部材間流路51dに連通している。
The
以上のような本実施形態に係る噴射装置60によれば、前記第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
According to the
(第3実施形態)
図5を参照し、本発明の第3実施形態に係る宇宙機70を説明する。
本実施形態に係る宇宙機70は、前記第1実施形態に係る噴射装置10又は前記第2実施形態に係る噴射装置60により形成されたスラスタ71を備える。なお、高い効率を得るために、図示しない断熱材によって噴射装置10、60を覆うことも可能である。
(Third embodiment)
A
The
前記噴射装置10、60をスラスタ71として利用した場合、高比推力においても高い推進効率を実現できることから、高比推力により少ない燃料消費を達成しつつ、所定の軌道へ宇宙機70を移動させるための遷移期間を従来よりも大幅に短くすることが可能となる。すなわち、高比推力を実現するために、例えば、推進剤(流体F)として、水素やヘリウムなどの軽量ガスを採用し、推進剤を2500K程度の高温に加熱する場合などには、推進剤が低分子量のガスであること及び推進剤が高温に加熱されることを起因として、熱損失が大きくなり易い。そのため、高比推力を実現しようとするほど、推進効率を高めることが難しくなる。本実施形態に係る宇宙機70では、このような高比推力を実現する場合であっても、電熱ヒータ40において複雑な流路を実現することで推進効率を高め、例えば、静止軌道投入の場合において従来ではロケット分離後から3〜6か月程度要していた遷移期間を1か月程度まで大幅に短縮することができる。
When the
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、弾性シール15が無くてもよい。
For example, the
ノズル11と電熱ヒータ40とが完全に別体によって形成されて、ノズル11が電熱ヒータ40と一体的に形成されていなくてもよい。例えば、図1に示す噴射装置10において、第6電熱壁部材41fを軸方向Dの他方側D2に延長し、この延長部分内に、電熱ヒータ40と別体に形成されたノズル11を嵌合する等してもよい。
The
互いに対向する電熱壁部材41同士が互いの全周にわたって連続して連結されなくてもよい。また、電熱壁部材41を挟んで隣り合う部材間流路51同士が連通孔45を通して連通しなくてもよい。例えば、互いに対向する電熱壁部材41同士が互いの全周にわたって間欠的に連結され、その間欠部を通して、電熱壁部材41を挟んで隣り合う部材間流路51同士が連通してもよい。
The
前記実施形態では、6つの電熱壁部材41全てが一体的に形成されているが、本発明はこれに限られない。6つの電熱壁部材41のうち、並んで配置された3つの電熱壁部材41が一体的に形成された他の形態に適宜変更することができる。
例えば、第1電熱壁部材41a、第2電熱壁部材41b及び第3電熱壁部材41cが一体的に形成された形態を採用することができる。この場合、第1電熱壁部材41a、第2電熱壁部材41b及び第3電熱壁部材41cをそれぞれ、本発明における第1の電熱部材、第2の電熱部材及び第3の電熱部材とし、第1部材間流路51a及び第2部材間流路51bをそれぞれ、本発明における第1の流路及び第2の流路とすることができる。この形態において、第4電熱壁部材41d、第5電熱壁部材41e及び第6電熱壁部材41fのうちの一部又は全部が、第1電熱壁部材41a、第2電熱壁部材41b及び第3電熱壁部材41cと一体的に形成されていてもよい。
さらに例えば、第4電熱壁部材41d、第5電熱壁部材41e及び第6電熱壁部材41fが一体的に形成された形態を採用することもできる。この場合、第4電熱壁部材41d、第5電熱壁部材41e及び第6電熱壁部材41fをそれぞれ、本発明における第1の電熱部材、第2の電熱部材及び第3の電熱部材とし、第4部材間流路51d及び第5部材間流路51eをそれぞれ、本発明における第1の流路及び第2の流路とすることができる。この形態において、第1電熱壁部材41a、第2電熱壁部材41b及び第3電熱壁部材41cのうちの一部又は全部が、第4電熱壁部材41d、第5電熱壁部材41e及び第6電熱壁部材41fと一体的に形成されていてもよい。
In the embodiment, all the six
For example, the form in which the 1st
Further, for example, a form in which the fourth electric
複数の電熱壁部材41は、円筒状(例えば、真円筒状、楕円筒状)や角筒状(例えば、矩形筒状)など、多様な筒状に形成することができる。さらに複数の電熱壁部材41が、筒状に形成されていなくてもよく、例えば、平板状に形成されていてもよい。
The plurality of
前記噴射装置10、60では、電熱壁部材41がいずれも6つ備えられているが、本発明はこれに限られない。3つ以上の電熱壁部材41が備えられた他の構成に適宜変更することが可能である。なお、電熱壁部材41が筒状である場合、複数の電熱壁部材41のうち、径方向の外側に位置する電熱壁部材41ほど、断面積が大きくなり電気抵抗が下がるため、発熱量が小さくなり加熱効率が低下し易い。このような加熱効率や、電熱ヒータ40(噴射装置10、60)の重さ、サイズなどを考慮して、電熱壁部材41の総数を設計することも可能である。
In the said
噴射装置10、60は、スラスタ71以外にも適用可能である。例えば、噴射装置10、60を、インクジェットプリンタ等に適用することも可能である。
The
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。 In addition, it is possible to appropriately replace the constituent elements in the embodiment with known constituent elements without departing from the spirit of the present invention, and the above-described modified examples may be appropriately combined.
10、60 噴射装置
11 ノズル
16 容器
40 電熱ヒータ
41 電熱壁部材(電熱部材)
42 導通部材
44 凹凸部
45 連通孔
50 加熱流路
51 部材間流路(流路)
70 宇宙機
71 スラスタ
D 軸方向
F 流体
10, 60
42 Conducting
70 Spacecraft 71 Thruster D Axial F Fluid
Claims (7)
前記第1の電熱部材と対向し、前記第1の電熱部材との間に第1の流路を形成するとともに、通電により発熱する第2の電熱部材と、
前記第2の電熱部材と対向し、前記第2の電熱部材との間に、前記第1の流路と連通する第2の流路を形成するとともに、通電により発熱する第3の電熱部材と、
前記第1の電熱部材、前記第2の電熱部材及び前記第3の電熱部材を互いに導通する導通部材と、を備え、
前記第1の電熱部材、前記第2の電熱部材及び前記第3の電熱部材が一体的に形成された、電熱ヒータ。 A first electrothermal member that generates heat when energized;
A second electric heating member facing the first electric heating member, forming a first flow path between the first electric heating member and generating heat by energization;
A third electric heating member facing the second electric heating member and forming a second flow channel communicating with the first flow channel between the second electric heating member and generating heat by energization; ,
A conductive member that conducts the first electric heating member, the second electric heating member, and the third electric heating member, and
An electric heater in which the first electric heating member, the second electric heating member, and the third electric heating member are integrally formed.
少なくとも一部が前記第1の流路及び前記第2の流路によって形成された加熱流路を通過した流体が供給されるノズルと、
前記電熱ヒータを収容する容器と、を有する、噴射装置。 The electric heater according to any one of claims 1 to 5,
A nozzle to which a fluid having passed through a heating channel formed at least in part by the first channel and the second channel;
And a container for housing the electric heater.
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GB2601309A (en) * | 2020-11-24 | 2022-06-01 | Univ Southampton | Electric heating system for heating a fluid flow |
CN115971511A (en) * | 2022-12-05 | 2023-04-18 | 深圳市塘朗科技有限公司 | Cube satellite bus assembly optimization manufacturing method and device based on novel material |
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2017
- 2017-01-17 JP JP2017005844A patent/JP2018116803A/en active Pending
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