JP2868934B2 - 微小重力下用の気液分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気液分離装置に係り、
特に微小重力下用の気液分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の宇宙空間の利用には目ざましいも
のがあり、より大型の宇宙構造物の打ち上げや建設が行
われようとしている。このように宇宙構造物が大型化し
たり、その中での活動が複雑多岐になったりすると、内
部で発生した熱を如何にして処理するかが問題となる。

【０００３】ところで、宇宙機や宇宙基地の除熱処理シ
ステムとしては、相変化を伴う熱輸送媒体、たとえばフ
ロン、アンモニア、水などの流れを使って熱を輸送する
二相流体ループ排熱システムが有望視されている。

【０００４】この二相流体ループ排熱システム、通常、
図４に示すように構成される。すなわち、この排熱シス
テムは、受熱部を構成するコールドプレート（蒸発器）
１と、排熱部を構成するラジエータヘッダ（凝縮器）２
と、蒸気ライン３と、液ライン４と、ポンプ５とで熱輸
送媒体循環ループが構成され、このループにアキュムレ
ータ６が接続される。

【０００５】液ライン４に設けられたポンプ５によって
コールドプレート１内に送られた媒体液は、種々の機器
から受熱して蒸発し、蒸気となって蒸気ライン３を流れ
た後にラジエータヘッダ２に流入する。ここで、蒸気は
凝縮・液化して熱を放出し、液ライン４を通って再びコ
ールドプレート１に送られる。

【０００６】搭載機器の温度を許容範囲内に維持するた
めには、ループの動作温度をある範囲内に保持する必要
がある。この保持はアキュムレータ６によって行われ
る。すなわち、アキュムレータ６は、ループ内の媒体液
量を変化させることにより、ループ内の蒸気温度を調整
する装置である。

【０００７】図５にはアキュムレータ６による蒸気温度
制御の原理が示されている。アキュムレータ６内の媒体
液をループ内に押し出してループ内の媒体液の量を増加
させると、ラジエータヘッダ２内の液量が増え、このラ
ジエータヘッダ２内の液体７で閉塞された部分（以後、
液閉塞部と呼称する。）８が増大する。液閉塞部８が増
加すると、ラジエータヘッダ２の凝縮器としての機能が
低下し、この結果、ループ内の蒸気温度が上昇する。ま
た、逆に、ループ内の媒体液をアキュムレータ６内に一
部回収して液閉塞部８を小さくすると、ラジエータヘッ
ダ２の放熱能力が増大し、蒸気温度が低下する。アキュ
ムレータ６は、上述した原理で、二相流体ループ内の蒸
気温度を変化させ、これによって動作温度、つまり搭載
機器の温度を一定範囲に保持する役目を果たしている。

【０００８】上記のような役目を果たすアキュムレータ
６にあっては、ループへの媒体液の出し入れに際し、媒
体液のみを出し入れし、気体成分については出し入れし
ない機能を備えている必要がある。このようなことか
ら、微小重力下用のアキュムレータ６は、通常、図６に
示すように構成されている。すなわち、アキュムレータ
６は、ベッセル１１と、このベッセル１１内に存在する
媒体液１２と不凝縮性の気体成分とを表面張力の作用で
分離し、分離された媒体液１２をベッセル１１内の図中
下方に設定された媒体液保持領域１３に、また分離され
た気体成分をベッセル１１内の図中上方に設定されたガ
ス保持領域１４に保持する気液分離機構１５と、ガス保
持領域１４の圧力を調整する圧力調整機構１６とで構成
されている。そして、ベッセル１１を構成している壁に
は、媒体液保持領域１３に通じる関係にチャンネル１７
が設けてあり、このチャンネル１７は図示しない二相流
体ループに接続される。

【０００９】気液分離機構１５は、表面張力の作用で媒
体液１２と気体成分とを分離し、かつ媒体液保持領域１
３を形成するために、通常、毛細管作用を呈するメッシ
ュ材１８や多孔質材等で形成されている。

【００１０】一方、圧力調整機構１６としては、加圧ガ
スを供給するガス供給源およびループ内の圧力とベッセ
ル１１内の圧力とを等しくするための均圧管等からなる
加圧ガス駆動方式のもの、あるいはベッセル１１の内面
の一部に加熱・冷却面を設け、媒体液を蒸発あるいは媒
体蒸気を凝縮させてベッセル１１内の圧力を変化させる
熱駆動方式のもの等が用いられている。

【００１１】上記のように構成されたアキュムレータ６
は次のように作用する。すなわち、ループへ媒体液を充
填するときやループ内の蒸気温度を上げるときには、圧
力調整機構１６によってベッセル１１内の圧力がループ
内の圧力よりも高くなるように制御される。この制御に
よって、媒体液保持領域１３に保持されている媒体液１
２がチャンネル１７を介してベッセル１１外へ押し出さ
れる。一方、ループから媒体液１２を回収するときやル
ープ内の蒸気温度を下げるときには、圧力調整機構１６
によってベッセル１１内の圧力がループ内の圧力より低
くなるように制御される。この制御によって、ループか
らチャンネル１７を介して媒体液が媒体液保持領域１３
に吸入される。

【００１２】しかしながら、上記のように構成された微
小重力下用のアキュムレータ６にあっては次のような問
題があった。すなわち、宇宙空間のような微小重力下で
は、液中に存在する気泡には浮力が作用しない。このた
め、気液分離機構１５をメッシュ材１８や多孔質材で形
成した従来のアキュムレータ６では、図７に示すよう
に、一旦、気液分離機構１５の中に不凝縮性ガスの気泡
１９が巻き込まれると、この気泡１９はそのまま残存す
る。このため、媒体液１２を押し出すときに、不凝縮性
ガスの気泡１９が媒体液１２とともにベッセル１１の外
に押し出される虞があった。また、媒体液保持領域１３
に保持されている液量が媒体液保持領域１３の保持容量
に比べて少ない場合には、図８に示すように、気液界面
２０の位置が不揃いになり、ベッセル１１内の圧力を変
化させた際に保持液レベルの低い箇所でベッセル１１内
とループとが連通し、ベッセル１１内とループ内とが均
圧化して、媒体液１２の排出あるいは吸入ができなくな
る虞があった。

【００１３】以上は二相流体ループ排熱システムに組込
まれるアキュムレータについて説明したが、微小重力下
用の液体充填回収装置についても同様のことが言えた。
すなわち、微小重力下では地上とは違って媒体液の重力
によるヘッド圧を利用できない。このため、組立て完了
後に機器に媒体液を充填したり、また保守点検時などに
おいて機器から媒体液を回収したりするときには、上述
したアキュムレータと同様の気液分離機構を使用して行
われるが、これらの装置にあっても同様の問題があっ
た。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、表面張力
を利用して媒体液と気体とを分離する従来の、いわゆる
微小重力下用の気液分離装置にあっては、分離保持され
た媒体液中に不凝縮性のガスが巻き込まれると、このガ
スが媒体液中に残存するため、ベッセル内の圧力を高め
た際に上記ガスがベッセルの外に押し出される問題があ
った。また、気液界面の位置が不揃いになるため、ベッ
セル内の圧力を変化させた際に保持液レベルの低い箇所
で不凝縮性のガスがベッセルの外に押し出され、媒体液
の排出・吸入ができなくなる問題があった。そこで本発
明は、上述した不具合を解消できる気液分離機構を備え
た微小重力下用の気液分離装置を提供することを目的と
している。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ベッセルと、このベッセル内に存在する
液体とガスとを分離し、分離された液体とガスとを上記
ベッセル内に設定された液体保持領域とガス保持領域と
に保持させる気液分離手段とを備えた微小重力下用の気
液分離装置において、前記気液分離手段が、前記液体保
持領域と前記ガス保持領域とを通じさせるとともに上記
液体保持領域から上記ガス保持領域に向かうにしたがっ
て通路断面積が単調に増加する複数の毛細管通路と、こ
れら毛細管通路の前記液体保持領域の側に位置する端部
間を連通させる連通路とを備えている。

【００１６】

【作用】複数の毛細管通路は、液体保持領域からガス保
持領域に向かうにしたがって通路断面積が単調に増加す
るように設けられている。したがって、各毛細管通路に
保持される液体の気液界面の曲率は、毛細管通路内の気
液界面位置に応じて毛細管通路の延びる方向に単調に変
化することになる。このため、毛細管通路に不凝縮性の
ガスからなる気泡が巻き込まれても、表面張力の作用に
よって通路断面積の小さい方から通路断面積の大きい方
へと通路に沿った力が気泡に作用する。この結果、気泡
が毛細管通路からガス保持領域へと自動的に排出され
る。

【００１７】また、複数の毛細管通路は、液体保持領域
の側に位置する端部同志が連通路によって通じているの
で、気液分離や液体回収などの際に、各毛細管通路の気
液界面の位置が不揃いになろうとしても、毛細管力の差
によって、連通路を通して気液界面レベルの高い毛細管
通路から気液界面レベルの低い毛細管通路への液の流れ
が生じ、この結果、気液界面位置の不揃いが自動的に解
消される。したがって、浮力の働かない微小重力下で
も、ガスの混入が起こらず、しかも気液界面位置の揃っ
た気液分離が可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００１９】図１には本発明に係る気液分離装置を直方
体型のアキュムレータ２１に適用した例の一部切欠斜視
図が示されており、図２には同アキュムレータ２１を図
１におけるＡ−Ａ線に沿って矢印方向に見た断面図が示
されている。

【００２０】アキュムレータ２１は、内面の濡れ性が非
常に良好な部材で直方体状に形成されたベッセル２２
と、このベッセル２２内に存在する媒体液２３と不凝縮
性のガスとを表面張力の作用で分離し、分離された媒体
液をベッセル２２内の図中下方に設定された媒体液保持
領域２４に、また分離されたガスをベッセル２２内の図
中上方に設定されたガス保持領域２５に保持する気液分
離機構２６と、ガス保持領域２５の圧力を調整する図示
しない圧力調整機構とで構成されている。そして、ベッ
セル２２を構成している壁には、媒体液保持領域２４に
通じる関係にチャンネル２７が設けてあり、このチャン
ネル２７は図示しない、たとえば二相流体ループに接続
されている。

【００２１】気液分離機構２６は、媒体液保持領域２４
とガス保持領域２５とを通じさせるとともに媒体液保持
領域２４からガス保持領域２５に向かうにしたがって通
路断面積が単調に増加する複数の毛細管通路２８と、こ
れら毛細管通路２８の媒体液保持領域２４の側に位置す
る端部２９間を連通させる連通路３０とで構成されてい
る。

【００２２】複数の毛細管通路２８は、ベッセル２２の
側壁２２ａと該側壁２２ａに対向する図示しない側壁と
の間に、媒体液保持領域２４からガス保持領域２５に向
かうにしたがって厚さが単調に減少する複数の板材３１
を液相と気相との境界面方向に平行に等間隔に並べて構
成されている。したがって、各毛細管通路２８は、通路
断面形状が矩形に形成され、かつその通路断面の横幅が
一定で、縦幅のみが媒体液保持領域２４からガス保持領
域２５に向かうにしたがって単調に増加するように設け
られている。

【００２３】このような構成であると、ガス保持領域２
５内で、気液分離機構２６から離れた場所に媒体液２３
と不凝縮性のガスとが混合した状態で存在しても、ベッ
セル２２の内面の濡れ性が良いので、液分がベッセル２
２の内面を濡らしながら広がり、やがて気液分離機構２
６に到達する。そして、気液分離機構２６に到達した媒
体液２３は、毛細管力によって毛細管通路２８に引き入
れられ、各毛細管通路２８内および連通路３０内、つま
り媒体液保持領域２４に保持される。このように、人為
的な力を必要とせずに、媒体液２３と不凝縮性のガスと
が気液分離される。

【００２４】この場合、各毛細管通路２８に保持された
媒体液２３の気液界面３２の曲率は、気相と液相の境界
面に対して垂直な方向に単調に変化したものとなる。こ
のため、たとえ各毛細管通路２８に不凝縮性のガスから
なる気泡が巻き込まれても、表面張力の作用によって、
通路断面積の小さい方から通路断面積の大きい方へと気
泡に力が働き、結局、気泡は自然に毛細管通路２８から
ガス保持領域２５へと移行する。また、気液界面の位置
が不揃いになろうとしても、毛細管力の差によって、連
通路３０を通して気液界面レベルの高い毛細管通路２８
から気液界面レベルの低い毛細管通路２８への液の流れ
が生じ、この結果、気液界面位置の不揃いも自然に解消
される。したがって、浮力の働かない微小重力下でも、
ガスの混入が起こらず、しかも気液界面位置の揃った気
液分離が可能となる。図３には本発明に係る気液分離装
置を円筒型のアキュムレータ２１ａに適用した例の一部
切欠斜視図が示されている。

【００２５】この実施例に係るアキュムレータ２１ａ
は、内面の濡れ性が非常に良好な円筒型のベッセル２２
ａと、このベッセル２２ａ内に存在する媒体液２３ａと
不凝縮性のガスとを表面張力の作用で分離し、分離され
た媒体液２３ａをベッセル２２ａ内の図中下方に設定さ
れた媒体液保持領域２４ａに、また分離されたガスをベ
ッセル２２ａ内の図中上方に設定されたガス保持領域２
５ａに保持する気液分離機構２６ａと、ガス保持領域２
５ａの圧力を調整する図示しない圧力調整機構とで構成
されている。そして、ベッセル２２ａを構成している壁
には、媒体液保持領域２４ａに通じる関係にチャンネル
２７ａが設けてあり、このチャンネル２７ａは図示しな
い、たとえば二相流体ループに接続されている。

【００２６】気液分離機構２６ａは、媒体液保持領域２
４ａとガス保持領域２５ａとを通じさせるとともに媒体
液保持領域２４ａからガス保持領域２５ａに向かうにし
たがって通路断面積が単調に増加する複数の毛細管通路
２８ａと、これら毛細管通路２８ａの媒体液保持領域２
４ａの側に位置する端部２９ａ間を連通させる連通路３
０ａとで構成されている。

【００２７】複数の毛細管通路２８ａは、一端側から他
端側に向けて単調に肉厚が減少する直径の異なる複数の
円筒体３３を、それぞれの薄肉側をガス保持領域２５ａ
の側に向け、かつ一定の間隔で同心円状に配列して形成
されたものとなっている。したがって、各毛細管通路２
８ａは、通路断面形状が環状で、互いに同心円状に配置
され、かつそれぞれの通路断面の外径と内径との差が液
体保持領域２４ａからガス保持領域２５ａに向かうにし
たがって単調に増加する形状となっている。このような
構成であっても、前記実施例と同様の効果を発揮させる
ことができる。

【００２８】なお、上記各実施例は、本発明に係る気液
分離装置で微小重力下用のアキュムレータを構成した例
であるが、この気液分離装置はタンクからタンクへの液
体輸送装置や、燃料電池システムにおける燃料ガスと水
とを分離する分離装置等のいわゆる、微小重力下用の液
体充填回収装置にも利用できることは勿論である。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、微
小重力下で用いたときに気液分離機構内に気泡を残存さ
せることがなく、しかも気液界面位置の揃った気液分離
を行わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る気液分離装置を微小重力下用のア
キュムレータに適用した例を一部切欠して示す図。

【図２】同アキュムレータの図１におけるＡ−Ａ線切断
矢視図。

【図３】本発明に係る気液分離装置を別の微小重力下用
のアキュムレータに適用した例を一部切欠して示す図。

【図４】二相流体ループ排熱システムの概略構成図。

【図５】アキュムレータによるループ内の蒸気温度制御
の原理図。

【図６】従来の微小重力下用アキュムレータの断面図。

【図７】同アキュムレータの微小重力下における気液分
離作用を説明するための図。

【図８】同アキュムレータの微小重力下における気液分
離作用を説明するための図。

【符号の説明】

２１，２１ａ…アキュムレータ、 ２２，２２ａ
…ベッセル、２３，２３ａ…媒体液、
２４，２４ａ…媒体液保持領域、２５，２５ａ…ガス保
持領域、 ２６，２６ａ…気液分離機構、２
８，２８ａ…毛細管通路、 ２９，２９ａ…
端部、３０，３０ａ…連通路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 康夫 茨城県つくば市千現二丁目１番１号 宇 宙開発事業団筑波宇宙センター内 (72)発明者 村田 圭治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 宮崎 芳郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝小向工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B01D 19/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベッセルと、このベッセル内に存在する液
   体とガスとを分離し、分離された液体とガスとを上記ベ
   ッセル内に設定された液体保持領域とガス保持領域とに
   保持させる気液分離手段とを備えた微小重力下用の気液
   分離装置において、前記気液分離手段は、前記液体保持
   領域と前記ガス保持領域とを通じさせるとともに上記液
   体保持領域から上記ガス保持領域に向かうにしたがって
   通路断面積が単調に増加する複数の毛細管通路と、これ
   ら毛細管通路の前記液体保持領域の側に位置する端部間
   を連通させる連通路とを具備してなることを特徴とする
   微小重力下用の気液分離装置。
2. 【請求項２】前記複数の毛細管通路は、それぞれの通路
   断面形状が矩形に形成され、かつそれぞれの通路断面の
   横幅が一定で、縦幅のみが前記液体保持領域から前記ガ
   ス保持領域に向かうにしたがって単調に増加しているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の微小重力下用の気液分
   離装置。
3. 【請求項３】前記複数の毛細管通路は、それぞれの通路
   断面形状が環状で、互いに同心円状に配置され、かつそ
   れぞれの通路断面の外径と内径との差が前記液体保持領
   域から前記ガス保持領域に向かうにしたがって単調に増
   加していることを特徴とする請求項１に記載の微小重力
   下用の気液分離装置。
4. 【請求項４】前記ベッセルは、内面が濡れ性に富んでい
   ることを特徴とする請求項１に記載の微小重力下用の気
   液分離装置。