JP2928645B2 - 熱交換器ならびに空気収集および濃縮システム - Google Patents

熱交換器ならびに空気収集および濃縮システム

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】この発明は、熱交換器に関し、かつより
特定的には、液体水素が極超音速の乗物推進システムの
高速度空気流を冷すための主冷却剤流体として使用され
る、漏れのない水素／空気熱交換器に関するものであ
る。液体水素燃料により高いマッハ数で動作するための
現代式の極超音速の航空機は、飽和蒸気に冷された、ま
たは液体に凝縮されたラム空気（ｒａｍ ａｉｒ）を推
進システムにおける燃焼のための酸化剤の源として利用
して設計されている。この性質の推進システムは、一般
的には液体空気サイクルエンジン（Ｌｉｑｕｉｄ Ａｉ
ｒ Ｃｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｓ）またはＬＡＣＥと呼
ばれ、かつこの開示においてそのように呼ばれるであろ
う。
【０００３】貯蔵または燃焼より前に酸素により空気を
濃縮する他のシステムは、通常それを濃縮装置に入れる
前に飽和蒸気の状態に冷す。これらは、空気収集および
濃縮（Ａｉｒ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｒ
ｉｃｈｍｅｎｔ）またはＡＣＥシステムと呼ばれてい
る。この開示は、空気は酸素により濃縮され、それによ
って飽和蒸気として濃縮装置から出てくる「廃」窒素の
流れを生ずることを仮定する。酸素による空気の濃縮
は、乗物のミッション性能を大いに改良することができ
ることが示されている（米国特許第３，７５６，０２４
号を参照）。
【０００４】空気は、おおよそ２０％の酸素および８０
％の窒素である。それは、ランキン温度で約１８０度で
飽和されるようになり、かつ凝縮しはじめ（圧力に依存
して）、かつ飽和された廃窒素は約２０度それより低温
である（また窒素の圧力に依存する）。このＡＣＥシス
テムの最大の性能を得るためには、可能な限り多くの空
気を冷すために、廃窒素の冷却能力も水素燃料のそれも
使用することが重要である。この発明においては、廃窒
素は、また主予冷器熱交換器における水素および空気の
間の安全障壁としての働きをする。
【０００５】液体水素はまたその蒸気がこの発明の目的
である熱交換器に入る前に濃縮装置における冷媒として
使用され、それは飽和された廃窒素蒸気よりわずかな度
だけ低温である。この熱交換器の冷端部において窒素ま
たは空気が凍結する可能性はない。
【０００６】しかしながら、マッハ３．５を超過する高
い飛行速度は、入来空気は水素および空気のための自動
点火温度より高く（約華氏１０００度）そのため水素お
よび空気流の間の直接の漏れは、悲劇的な火災または爆
発を引き起こし得る。さらに、任意の速度で、空気流に
漏れる水素は、濃縮装置の性能に悪影響を与えるであろ
う。その発明は、酸素による空気の濃縮のための冷凍を
与えるためのおよび生成酸素を液化するための液体水素
の利点を維持し、また供給空気流との漏れた水素の１回
の失敗の混合をなくす。
【０００７】予冷器熱変換器においては、同軸の管が、
中央のものに冷水素およびそれらの間の環に不活性窒素
ガスがある状態で利用される。次いで、不活性ガスは、
ラム空気により接触された熱交換器表面を冷す。ラム空
気は、その飽和蒸気状態に冷され、酸素は貯蔵または燃
焼のために抽出され、冷窒素は冷却のためであり、かつ
サイクルは反復される。したがって、この発明におい
て、このプロセスは、さもなくば液体空気サイクル濃縮
プロセスの「廃棄物」である、飽和窒素蒸気の冷媒能力
および化学的不活性の双方を非常に有利に使用する。
【０００８】中央のダストシステムにおける任意の漏れ
は、水素を不活性窒素と混合する。外部ダクトシステム
における任意の漏れは、窒素および空気を混合し、どち
らのタイプの故障からも燃焼は結果として生じない。
【０００９】この発明の好ましい実施例が不活性流体と
して窒素ガスを有するＡＣＥシステムにおける用法とし
て示されるが、ここに示される同軸の管の配置は、そこ
において作用流体の加熱または冷却のための主温度制御
流体は作用流体に反応性である種々のシステムに応用で
きる。そのようなシステムは、原子炉における「液体ナ
トリウム／水」ヒータとして使用するものおよびそこで
は高度に反応性の成分が、一方が他方のための温度制御
装置としての状態で最も有効に処理される化学産業にお
ける多くのプロセスのためのものを含む。
【００１０】
【先行技術の説明】ＡＣＥシステムは、ＡＣＥ熱交換器
のための特有の配置を規定する、エイ・ゲイ（Ａ．Ｇａ
ｙ）氏らの米国特許第３，７５６，０２４号において論
議される。′０２４号における冷窒素は、主冷器区分の
熱交換器における水素に加えてラム空気のための冷却剤
として使用される。′０２４号における水素の漏れは、
なお、もし万一それらが高温度ラム空気の近くであるか
またはその近くの区域に移動すれば制御および爆発の危
険の問題を提起する。この発明の不活性流体分離システ
ムは、′０２４号のエンジンにおいて存在しないが、も
しその発明が組入れられれば主要な改良を含むであろ
う。
【００１１】シー・ビルダー（Ｃ．Ｂｕｉｌｄｅｒ）氏
らの米国特許第３，７７５，９７７号の液体空気エンジ
ンは、また入来空気のための予冷器を利用するが、この
発明の冷たい水素および窒素の分離の組合わせを使用し
ない。
【００１２】
【発明の概要】この発明の漏れのない水素／空気熱交換
器は、極超音速の航空宇宙の乗物の空気入口ダクトを横
切った間隔をあけられた場所に配置された複数個の冷却
管を与える。これらの管に衝突するラム空気は、迅速に
かつ進歩的に冷され、そのためラム空気はそれからラム
空気がなるガスの飽和蒸気になる。
【００１３】この「チラー」操作のために使用される管
は、独特の性質のものである。各管は内部管状部材およ
び外部のものを有し、それらの間には不活性流体、すな
わち水素の燃焼を支持しないものの封じ込めのために設
計された環があり、一次流体は内部管要素を介して輸送
され、または空気と共に、流体は外部管部材により冷却
される。
【００１４】管要素の大きさは、流体の通過の速度およ
び作用流体の温度に従って可変の設計である。関係した
熱交換器のすべてのパラメータは、乗物に依存し、かつ
大きさおよび他のシステムパラメータは乗物のミッショ
ン要求により設定されるべきである。
【００１５】内部管部材は主冷却剤を含み、それは、こ
の発明のＡＣＥシステムのためには、冷水素ガスであろ
う。水素ガスは含むのが困難であり、かつこの応用にお
ける水素の温度範囲はその導管のために使用されるほと
んどの金属に応力が多いので、導管からの水素の蒸気の
漏れは連続する脅威である。そのような漏れが水素とラ
ム空気の酸素との混合物を許容することを防ぐために、
窒素蒸気またはガスのような不活性流体のエンベロープ
が水素導管の周囲に維持される。水素ダクトの漏れは、
水素を不活性窒素の流れに与え、また窒素導管からラム
空気の流れへの漏れは爆発の恐れを提起しないであろ
う。
【００１６】複数個の同心形の管は、乗物のエンジンの
空気入口ダクトを横切ったまたは別個の熱交換器におい
て、そのダクトに流れる空気が外部要素の冷表面と接触
するようになるような目的のために整列される。窒素ガ
スのような不活性流体は、外部管システムを介して循環
させられ、その外部表面に衝突する熱空気から熱を吸収
し、かつこの熱のいくらかをその中心における冷たい水
素ダクトに伝達する。
【００１７】飽和状態が確立された後で、酸素は入来空
気から分離され、液化され、かつ貯蔵タンクまたは燃焼
室に送られ、また冷窒素および他の成分は、ラム空気の
さらなる冷却のために熱交換器を介して循環される。
【００１８】したがって、この発明の目的は、冷却され
る空気からの水素の分離を保証して、冷たい水素および
窒素を主冷却剤として使用して、高温のラム空気を液化
温度に予冷するための水素／空気熱交換器を提供するこ
とである。
【００１９】上の目的は、添付の図面に示されるように
一次冷却剤導管の周囲の不活性ガスの環状の流れを介し
て達成される。
【００２０】
【好ましい実施例の詳細な説明】図１は、従来の予冷器
１０および１２を利用する典型的な現行技術のＡＣＥシ
ステムの概略図を示し、それによって液体または冷蒸気
水素（または代わりの寒剤燃料）は、レザバー１４から
セパレータ１６および主冷器１８のような条件付け（ｃ
ｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）装置を介して循環される。冷
水素は、それがセパレータ１６における窒素還流冷却器
における熱を吸収し、かつ窒素の液体−蒸気飽和温度よ
りわずかに冷たいセパレータから出てくるような態様に
おいて、装置１６および１８に送られる。
【００２１】ラム空気２４は、熱交換器２０および４０
として組合わせられる予冷器１０および１２に入れら
れ、それはシステムの入口からであり、そこでは冷水素
燃料蒸気および冷窒素ガスはそれを予冷器１０において
冷すために使用される。予冷された空気は、第２の熱交
換器手段１８を介して通過させられ、そこではそれはそ
の飽和蒸気状態に冷され、かつセパレータ１６に通過さ
せられる。
【００２２】セパレータ１６においては、冷水素ガスお
よび適正な蒸留装置は、空気分離プロセスを完全にし、
かつ窒素よりかなり高い温度で液化される空気の酸素
は、出されかつそれの使用ターミナル２２に送られる。
次いで、飽和窒素蒸気は窒素予冷器１２にポンプで送ら
れ、そこではそれは水素予冷器１０と関連してラム空気
２４を冷やすために働く。より多くの空気が液化される
につれて、それのおおよそ８０パーセントを含む窒素
は、予冷器２０における冷却剤としての使用の後でスラ
ストを発生するために外に排出される。図２において概
略化される発明内の主な利点は、ラム空気２４および冷
水素ガス導管１１が直接にインタフェースするとして示
すことにより、図１において明らかにされる。導管１１
における漏れは、ラム空気２４を水素と混合し、爆発性
混合物を形成することを結果として生ずるであろう。
【００２３】図２は、異なった形式の予冷器４０の図式
化する。予冷器４０においては、ラム空気２４は、図３
および図４において示されるように冷窒素ガス３４の管
に包まれた冷水素導管３２の管状アレイの上を通過させ
られる。予冷器４０中のマニホルド３６において、冷水
素は内部管部材３２へと供給される。マニホルド３６
は、マルホルドの一方の側部を規定するヘッダ閉鎖シー
ト４６を有する。マニホルド３６の他方の側部は冷窒素
マルホルド３８の閉鎖シート４８を含む。水素管３２は
入口シート４２から始まる。冷水素ガスは主冷器１８の
導管１１を通ってマルホルド３６に入れられる。（図２
参照）入口シート４２は冷窒素マニホルド３８のヘッダ
閉鎖シート４８としてもまた使われる。水素管３２はシ
ート４２／４８に密閉して固定され、マニホルド３８を
介して直接管３４の中へ通り、管３４は窒素入口シート
４４と一体である。２８（図３）の温水素が最終の推進
使用のために燃焼室にポンプで送り返されるまで、管３
２はマニホルド３６でのそれらの初めから窒素ガスによ
り完全に囲まれている。マニホルド３６および３８は様
々な形状や寸法のものでもよいが、この発明の主たる特
徴は図３で示されているように、水素ガスは窒素ガスの
外被によってラム空気２４から常に断絶されているとい
うことである。圧縮器および遠心ポンプ（図示せず）の
ような流体ポンプ手段は、ＡＣＥ／ＬＡＣＥシステムを
介して流体を輸送するのに使われてもよい。冷窒素ガス
は管３２および３４の間の環状区域を流れ、空気２４は
外部管部材３４を渡って流れる。エアー２４は管３４の
外部表面に当たる衝撃で冷却される一方、管３２の冷水
素ガスは管３４で窒素を冷却する。ラム空気から伝達さ
れた熱の一部分は冷窒素に吸収され、残りはより冷たい
水素に伝達され、結果として加熱された窒素と水素は推
進使用のための燃焼室に送られる。
【００２４】予冷器４０の中の冷却管のどの１つの故障
も、管３２から漏れる水素が周囲の管３４の窒素と混合
するというフェールセーフタイプになっているというこ
とが容易にわかる。非常に反応性のある水素の爆発性危
険が、予冷器管３４中の不活性窒素によるそれの効果的
カプセル封止を介して大いに減少されるように、管３４
からの窒素の漏れはラム空気２４と害なく混合する。水
素は最高圧力にあることをかつ窒素の圧力はラム空気の
圧力よりもわずかに高くあることをシステム考慮は要求
する。
【００２５】予冷器４０において実施された技術は、こ
の開示の水素のような主たる化学剤が高度にそれに反応
性のある作用化合物を条件付けるために用いられる化学
的フロープロセスに移転可能である。不活性物質はフェ
ールセーフ形式の動作のためにこの２つの物質間に注入
されることが可能であろう。このようなシステムは液体
ナトリウムに基づいた高圧蒸気発生の動作において必要
である。主要熱源としての液体ナトリウムの使用は、水
と高度に反応性のあるナトリウムを用いたこのような使
用を例証し、この開示のフェールセーフの利点を達成す
るために、その高い液体温度は不活性材料、すなわちナ
トリウムまたは水と反応しない、たとえばヘリウムガス
のアレイを介して通過させることが可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】予冷器のために遮蔽されない冷水素導管を使用
する、ＡＣＥシステムの概略図を示す。
【図２】漏れのない予冷装置を与えるために修正された
図１のＡＣＥシステムの概略を示す。
【図３】漏れのない水素／空気熱交換器の形状を示す。
【図４】図３の熱交換器の入口／出口マニホルドの物理
的界面を示す。
【符号の説明】
１０ 予冷器 １２ 予冷器 １４ レザバー １６ セパレータ １８ 主冷器 ２０ 熱交換器 ３２ 内部管部材 ３４ 外部管部材 ３６ マニホルド ３８ マニホルド ４０ 熱交換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F28D 1/00 - 13/00 B64G 1/40 F02K 11/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＡＣＥ推進システムの空気入口ダクトに
    おける漏れなし−水素／空気熱交換器であって、前記空
    気入口ダクトを横切って配列された複数個の一般的に同
    心形の互いに間隔をあけられた管を含み、前記管の各々
    はその間に環状流路を有する内部管部材および外部管部
    材を含み、 前記内部管部材は第１ダクト手段を介して冷却水素源お
    よび第１循環ポンプ手段に連結され、かつ前記外部管部
    材は第２ダクト手段を介して不活性流体源および第２循
    環ポンプ手段に結合され、 前記外部管部材は、前記空気入口ダクト中の空気との熱
    交換関係の外部表面および前記環状流路中の不活性流体
    との熱交換関係の内部表面を有し、 前記内部管部材は、前記環状流路中の前記不活性流体と
    の熱交換関係の外部表面および前記第１ダクト手段の冷
    水素との熱交換関係の内部表面を有し、 前記内部管部材および第１ダクト手段は、前記環状流路
    および前記外部管部材における不活性流体により前記熱
    交換器における空気から分離される、熱交換器。
  2. 【請求項２】 不活性流体は窒素ガスであり、さらに前
    記熱交換器から放出された冷たい空気から窒素ガスを分
    離し、かつ前記窒素ガスを前記環状流路中の不活性流体
    として再循環させる手段を含む、請求項１に記載の熱交
    換器。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の熱交換器を利用する、
    空気収集および濃縮システム。
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