JP2782271B2 - 多段式気液分離装置 - Google Patents

多段式気液分離装置

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歳和 矢野
良二 今井
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、例えば宇宙用熱制御に用いられる多段式気
液分離装置に関するものである。
[従来の技術] 近年、スペースシャトルなどの宇宙往還機に対する研
究開発が盛んに行われており、該宇宙往還機には人間及
びコンピュータなどの電子機器といったものが載せられ
ているため、内部の温度を高い精度で制御する必要があ
る。
そこで、第2図により従来の宇宙往還機の熱制御系
(宇宙用熱制御系)Xの一例を説明する。
図示しない宇宙往還機の内部に設けられた電子機器な
どの発熱源1を直接通り、かつ燃料電池などの発熱源2
に補助流体ループ3を介して接続された熱交換器4を通
ってフロン(気液二相冷却媒体)Fが循環するようにフ
ロン主ループ(気液二相冷却媒体ループ)5を構成す
る。
該フロン主ループ5の途中に、ラジエータ6、熱シン
ク装置7、アンモニアボイラ8、気液分離装置9および
ポンプ10を配設する。
前記ラジエータ6は、軌道上でのみ拡げることのでき
るパネル状のものであり、前記熱シンク装置7は、燃料
電池などの発熱源2で発生した水11が補給されるように
した水タンク12からの水を配管13およびバルブ14を介し
て導きノズル15から噴射させて蒸発させ、かつ図示しな
い宇宙往還機の外部の気圧と等しい圧力を有する同じく
図示しない蒸発室に、該図示しない蒸発室の外周を取り
巻くように前記フロン主ループ5の一部を配設した構成
を有するものである。また、前記アンモニアボイラ8
は、アンモニアタンク16内のアンモニアAが配管16a及
びバルブ16bを介して供給できるように構成されてお
り、さらに前記気液分離装置9は、フロンF中のフロン
ガス(気相冷却媒体)F1を除去して液体フロン(液相冷
却媒体)F2のみをポンプ10へ供給させる構造を有しい
る。
次に、上記熱制御系Xによる宇宙往還機の温度制御に
ついて説明する。
ポンプ10を作動してフロン主ループ5を循環させるこ
とにより、発熱源1がフロン主ループ5で冷却される。
発熱源1を冷却したフロン主ループ5は温度が上昇す
るので、ラジエータ6、熱シンク装置7、アンモニアボ
イラ8のいずれかを用いて排熱が行われ、図示しない宇
宙往還機が温度制御される。
まず図示しない宇宙往還機の打ち上げからしばらくの
時間の間に通過する区間(大気圏)は第2図に示すフロ
ン主ループ5自体の熱容量により発熱源1から発生した
熱をフロン主ループ5の液体フロンF2で吸収させ、その
のち図示しない宇宙往還機が大気圏外に出てから軌道に
乗るまでの区間は第2図に示す熱シンク装置7を使用
し、水タンク12内の水11を大気圏外の気圧と等しい極く
低い圧力の図示しない蒸発室内へ供給することにより水
11を蒸発させ蒸発の潜熱としてフロン主ループ5の熱を
排熱する。軌道上の区間ではラジエータ6を開くことが
できるので、ラジエータ6からフロン主ループ5の熱を
宇宙空間に排熱する。図示しない宇宙往還機の帰還時に
は、例えば大気圏外の区間は前記熱シンク装置7を用い
てフロン主ループ5の熱を排熱し、大気圏内の区間では
アンモニアボイラ8に切り換え、アンモニアボイラ8の
図示しない蒸発室に供給することにより、水11よりも沸
点が低く水11に近い蒸発熱を有するアンモニアAを蒸発
させ、アンモニアAの蒸発潜熱としてフロン主ループ5
の熱を排熱するものである。
次に、ラジエータ6、熱シンク装置7、アンモニアボ
イラ8のいずれかで温度制御に使用された液体フロンF2
は、熱を受け取ることで気液二相状態のフロンFとなっ
て再びポンプ10へ吸入されるが、その前にポンプ10のフ
ロン吸引側(冷却媒体吸引側)10aに配置された気液分
離装置9で気液分離を行ってからフロンF中のフロンガ
スF1が除去されて液体フロンF2のみをポンプ10へ吸入さ
れる。
[発明が解決しようとする課題] ところで、この気液分離装置9としては従来種々のも
のが考えられているが、宇宙空間では装置内で気液がど
のような状態でかつどこの場所にあるのか予測がつかな
いため、従来の気液分離装置9ではフロンガスF1と、液
体フロンF2との分離が充分にできなかった。このため、
ポンプ10内に許容量以上のフロンガスF1が液体フロンF2
とともに吸入されてポンプ10にキャビテーションなどの
負荷を与え、ポンプ10の故障を招く恐れがあった。そこ
で、今日、この気液分離をより高精度に行える手段が望
まれている。
本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、容易かつ
高精度に気液分離ができ、これによりポンプの作動にあ
たってキャビテーションの発生を防止することでポンプ
の保護が図れる多段式気液分離装置を提供することを目
的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明は、宇宙用熱制御系に用いられる気液二相冷却
媒体ループのポンプの冷却媒体吸引側に配置されて気液
を分離する気液分離装置であって、気液を表面張力を利
用してタンクシェルの内壁面近傍に液体、中央部に気体
となるよう分離する第1の表面張力タンクと、該第1の
表面張力タンクのタンクシェルの中央部付近から液相分
が減少した気体を吸引して別の表面張力タンクの内壁面
に導入するガス相管と、各表面張力タンクにより順次気
液に分離され最終的に分離された気体を排出するガス排
出管と、各表面張力タンクの液体をポンプ吸引側に設け
た最終タンクに送給する液相管とを備えてなることを特
徴とする多段式気液分離装置に係るものである。
[作用] 本発明は、第1の表面張力タンクにより気液二相冷却
媒体を表面張力を利用して気液分離し、タンクシェル内
壁面に凝縮した液相冷却媒体はポンプ吸引側に吸引され
るようにし、タンクシェル中央部に集まった液相分の減
少した気液二相冷却媒体は別の表面張力タンクで順次再
分離し、最終分離された気相冷却媒体を外部排出する一
方、液相冷却媒体をポンプ内へ吸引させるという多段式
の気液分離を行うことで、容易かつ高精度な気液二相冷
却媒体の気液分離ができ、これによりポンプの作動時に
おけるキャビテーションの発生を防止してポンプの保護
を図ることができる。
[実 施 例] 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。
第1図は本発明の一実施例を示すもので、図中、第2
図のものと同じ物には同一符号を付している。
本発明の実施例の多段式気液分離装置は、第1図に示
すように第1表面張力タンク17、第2表面張力タンク1
8、第3表面張力タンク19および第4表面張力タンク
(最終タンク)20を有する。
各第1〜第4表面張力タンク17〜20は、先端の開口部
21a〜24aをタンクシェル25〜28の中央部に配置したガス
抜管21〜24が前記タンクシェル25〜28内に立設され、各
タンクシェル25〜28の内壁面全域にはメッシュ29〜32が
張装され、また各タンクシェル25〜28の所定位置に液抜
口33〜36および供給口37〜40が形成されたメッシュ式の
タンクで、液体フロンF2をタンクシェル25〜28の内壁面
に張装したメッシュ29〜32に付着させて液抜口33〜36か
ら吸い出す一方、フロンガスF1をタンクシェル25〜28内
に立設されたガス抜管21〜24の開口部21a〜24aから吸い
出すものである。なお、第4表面張力タンク20のタンク
シェル28には、さらにもう一つの供給口41が形成されて
いる。
また、第1表面張力タンク17の一方の供給口37には、
一端が途中に弁43を配して第2図に示すフロン主ループ
5のアンモニアボイラ8側に連結された第1図に示すフ
ロン供給管44の他端が接続され、またガス抜管21の元部
には一端が第2表面張力タンク18の供給口38に接続され
たガス相管46の他端が接続され、液抜口33には一端が第
4表面張力タンク20一方の供給口40に接続された液相管
47の他端が接続されている。
さらに、第2表面張力タンク18の液抜口34には一端が
前記液相管47の途中に接続された液相管47′の他端が接
続され、またガス抜管22の元部には、一端が第3表面張
力タンク19の供給口39に接続されたガス相管48の他端が
接続されている。
さらにまた、第3表面張力タンク19の液抜口35には一
端が第4表面張力タンク20の他方の供給口41(または前
記液相管47の途中)に接続された液相管49の他端が接続
され、またガス抜管23の元部には一端が途中に弁50を配
して図示しな宇宙空間の真空状態を吸引源とするガス排
気系に接続されたフロンガス排気管(ガス排出管)51の
他端が接続されている。
さらにまた、第4表面張力タンク20の液抜口36には一
端が第2図に示すフロン主ループ5のポンプ10の吸引側
10aに接続された第1図に示す途中に弁53が配された液
体フロン排出管52の他端が接続されている。また第4表
面張力タンク20についても第3表面張力タンク19と同様
に、ガス抜管24に接続され、弁50を有したガス排出管51
が設けられている。
次に、本発明の実施例の多段式気液分離装置の作用を
説明する。
第2図に示すように、フロン主ループ5のアンモニア
ボイラ8側から送られてきた気液二相状態のフロンF
は、まず第1図に示すようにフロン供給管44から第1表
面張力タンク17に吸入され、ここで液体フロンF2がタン
クシェル25の内壁面に張装されたメッシュ29に付着して
液抜口33から液相管47および供給口40を介して第4表面
張力タンク20内に供給され、一方タンクシェル25の中央
部に溜まったフロンガスF1は、一部の液体フロンF2とと
もにガス抜管21からガス相管46および供給口38を介して
第2表面張力タンク18内へ吸入される。
そののち、第2表面張力タンク18内へ吸入された第1
表面張力タンク17内の一部の液体フロンF2を含むフロン
ガスF1は、液体フロンF2がメッシュ30に付着して液抜口
34から液相管47′、液相管47および供給口40を介して第
4表面張力タンク20へ吸入され、一方フロンガスF1は極
めて少量の液体フロンF2とともにガス抜管22からガス相
管48および供給口39を介して第3表面張力タンク19内へ
吸入される。
次にまた、第3表面張力タンク19内へ吸入された第2
表面張力タンク18内の少量の液体フロンF2を含むフロン
ガスF1は、液体フロンF2がメッシュ31に付着して液抜口
35から液相管49および供給口41を介して第4表面張力タ
ンク20に吸入され、一方フロンガスF1は液体フロンF2
ほぼ完全に分離された状態となってガス抜管23からフロ
ンガス排気管(ガス排出管)51および図示しないガス排
気系を介して宇宙空間に排気される。
次にまた、第4表面張力タンク20内へ吸入された第3
表面張力タンク19内の液体フロンF2は、液相管47を介し
て吸入された第1および第2表面張力タンク17,18内の
液体フロンF2とともに、メッシュ32に付着して液抜口36
から液体フロン排出管52を介して第2図に示すフロン主
ループ5のポンプ10の吸引側10aへ導かれる。また、第
4表面張力タンク(最終タンク)20内の液体フロンF2
殆んど含まないフロンガスF1は、ガス排出管51によって
宇宙空間に排気される。
このように第1〜第4の表面張力タンク17〜20を用い
て多段式の気液分離を行うことで、容易かつ高精度なフ
ロンFの気液分離ができ、従ってポンプ10の作動にあた
ってキャビテーションなどのトラブルの発生を防止する
ことができ、これによりポンプ10の保護を図ることがで
きる。
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこの実
施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲
での設計変更などがあっても本発明に含まれる。
例えば、第4表面張力タンクには各タンクから液相分
のみが送給されるので、必ずしも気液分離機能を持たせ
る必要はないが、送給される液相に微小気泡の混入もあ
り、これも除去するほど高精度の要請があるときは気液
分離機能を持たせればよい。
また、実施例では、表面張力タンクとしてメッシュ式
のタンクを示したが、必ずしもこれに限定させなくと
も、例えばタンクシェルの内壁面に多数の細かな溝を形
成し、該溝を利用して液相冷却媒体を吸引するグルーブ
式の表面張力タンクや、タンクシェル内に回転自在に収
納された羽根板を有し、該羽根板を回転させて遠心力に
より液相冷却媒体をタンクシェルの内壁面側へ押し付け
て吸引するベーン式の表面張力タンクなど、を用いた
り、或いはそれらを組合わせて用いても良い。
また、実施例の多段式気液分離装置は、4個の表面張
力タンクを使用したが、必ずしもこれに限定させなくと
も2以上の複数個であればタンクの使用個数には限定さ
れない。
さらに、実施例では、気液二相冷却媒体としてフロ
ン、気相冷却媒体としてフロンガス、液相冷却媒体とし
て液体フロンを示したが、必ずしもこれに限定させなく
とも、冷媒として使用できるそのほかの流体の使用も可
能である。
[発明の効果] 本発明は、上記したように多段式の気液分離を行うこ
とで、容易かつ高精度な気液二相冷却媒体の気液分離が
でき、これによりポンプの作動にあたってキャビテーシ
ョンなどのトラブルの発生を防止して、ポンプの保護を
図ることができるという効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例の多段式気液分離装置を示す全
体概略図、第2図は従来の気液分離装置を使用した宇宙
往還機の熱制御系を示す概略図である。 図中、Xは熱制御系(宇宙用熱制御系)、Fはフロン
(気液二相冷却媒体)、F1はフロンガス(気相冷却媒
体)、F2は液体フロン(液相冷却媒体)、5はフロン主
ループ(気液二相冷却媒体ループ)、9は気液分離装
置、10はポンプ、10aはフロン吸引側(冷却媒体吸引
側)、17は第1表面張力タンク、18は第2表面張力タン
ク、19は第3表面張力タンク、20は第4表面張力タンク
(最終タンク)、25〜28はタンクシェル、46,48はガス
相管、47,47′,49は液相管、51はガス排出管を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B64G 1/50 F25B 43/00 B01D 19/00 B01D 45/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】宇宙用熱制御系に用いられる気液二相冷却
    媒体ループのポンプの冷却媒体吸引側に配置されて気液
    を分離する気液分離装置であって、気液を表面張力を利
    用してタンクシェルの内壁面近傍に液体、中央部に気体
    となるよう分離する第1の表面張力タンクと、該第1の
    表面張力タンクのタンクシェルの中央部付近から液相分
    が減少した気体を吸引して別の表面張力タンクの内壁面
    に導入するガス相管と、各表面張力タンクにより順次気
    液に分離され最終的に分離された気体を排出するガス排
    出管と、各表面張力タンクの液体をポンプ吸引側に設け
    た最終タンクに送給する液相管とを備えてなることを特
    徴とする多段式気液分離装置。
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