JP4586300B2

JP4586300B2 - 液体用タンク

Info

Publication number: JP4586300B2
Application number: JP2001149482A
Authority: JP
Inventors: 克朗有馬; 良二今井; 啓介山田; 真弓北村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP2002337799A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無重力または微小重力環境下において液体を収容する液体用タンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静止衛星などの、無重力または微小重力環境下に配置される液体用タンクでは、重力による気液分離を行うことができないため、毛細管現象を利用したチャンネルメッシュ式の液体捕捉機構が採用されている。チャンネルメッシュ式は、タンク内に金属メッシュを備えたチャンネル（流路）を設け、この金属メッシュの毛細管現象を利用して液体を捕捉し、チャンネル内へ導入する機構であって、チャンネルを４本から８本配置することにより、タンクに対してどの方向の加速度が加えられた場合にも、液体を捕捉することができるように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チャンネルメッシュ式の液体捕捉機構では、金属メッシュをチャンネルに固定する溶接作業に手間がかかるため、製造コストの増大を招いてしまうだけでなく、金属メッシュの重量が大きいため、タンク全体の重量が増大されてしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、無重力または微小重力下で使用でき、軽量で製造コストが小さい液体捕捉機構を備えた液体用タンクを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明に係る液体用タンクは、無重力または微小重力環境に配置される液体用タンクであって、底部に排出部が形成されたタンク本体と、前記タンク本体内の底部に設置され、かつ前記タンク本体内と前記排出部とを接続する箱状の液体トラップと、該液体トラップから前記タンク本体内の内面に沿って設けられ、該タンク本体内の液体を該液体トラップへ案内する液体捕捉用薄板と、前記液体トラップ内の中央部に上下方向に設けられ、該液体トラップ内と前記排出部とを連通する液体排出孔を有する管状部材と、該管状部材から放射状に複数枚立てられた板状部材とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、液体捕捉用薄板に接触する液体の自由界面曲率半径差による表面張力差によって、タンク本体内の液体が液体トラップ内に案内され、液体トラップに液体を収容することができるので、無重力下または微小重力下であってもタンク本体内の液体をタンク外へ排出させることができる。さらに、液体捕捉機構は、軽量で製造コストが小さい液体捕捉用薄板を用いているので、軽量で安価な液体用タンクの実現が可能となる。
また、放射状に並べられた板状部材同士の間に、中央の管状部材に近づくほど小さくなる隙間が形成されるので、液体トラップ内の液体は、管状部材の液体排出孔を塞ぐように管状部材の周囲に捕集される。したがって、タンク本体内を加圧して液体トラップ内が加圧されれば、管状部材の周囲に捕集された液体が液体排出孔からタンク外へ圧出されるので、容易に液体トラップ内の液体をタンク外へ排出することができる。
【０００６】
また、液体トラップの底部がタンク本体の底部よりも小さい曲率半径の球面状に形成されていることを特徴としている。
この発明によれば、曲率半径の大きいタンク本体の底部の内面と、曲率半径の小さい液体トラップの底部の外面との間に、タンク本体と液体トラップとの接続部分に近づくほど小さくなる隙間が形成される。したがって、タンク本体内の液体は、表面張力によって隙間の小さい方すなわちタンク本体と液体トラップとの接続部分へと案内されるので、効率よくタンク本体内の液体を液体トラップ内へ収容することができる。
【０００８】
また、液体トラップの上面が球面状に形成され、この液体トラップ上面の内壁面と板状部材との隙間が、上辺では管状部材に近づくほど大きく、側辺では下方ほど小さく、下辺では管状部材に近づくほど小さくなるように形成されていることを特徴としている。
この発明によれば、液体トラップ内壁面と板状部材端部との間に、上面中央部から側面を経て下面中央部に向かって徐々に小さくなる隙間が形成されるので、液体トラップ内で壁面に付着した液体が、この隙間に沿って下部中央に案内される。したがって、液体トラップ内では液体が下部中央に集まる一方、気体が上部外側に移動されるので、液体トラップ内での気液分離が可能となる。
【０００９】
また、液体捕捉用薄板が、タンク本体内面との間に隙間を設けた状態で液体トラップに固定されていることを特徴としている。
この発明によれば、液体捕捉用薄板がタンク本体に対して固定されずに備えられるので、タンク本体の圧力や温度差による膨張収縮の影響を受けない。したがって、応力による破損を防止する強度を確保する必要がなく、薄く軽量な液体捕捉用薄板を用いることができるので、軽量かつ安価な液体用タンクの実現が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態による液体用タンク１０の断面図、図２はこの液体用タンク１０から排出するために液体が一旦収容される液体トラップ３０の断面図、図３はこの液体トラップ３０の横断面図である。液体用タンク１０は静止衛星のスラスタ推薬用であって、球形のタンク本体２０と、それぞれ球面状に形成された上面３１および下面３２と円筒状の側面３３とからなる箱状の液体トラップ３０と、タンク本体２０の内面に沿って設けられた液体捕捉用薄板４０とを備えている。
【００１１】
この液体用タンク１０は、静止衛星の姿勢制御を行うためのスラスタの駆動によって、図の前後左右方向に加速される。図１では、液体をハッチングで表していて、液体用タンク１０が右方向に加速されたときの液体の状態を左半分に示し、液体用タンク１０が静止した無重力状態の液体の状態を右半分に示している。
つまり、液体用タンク１０内が加速されることにより、液体はタンク本体２０の図の横方向に沿う球体の中央部を横切る外周線付近に移動するので、この赤道付近と液体トラップ３０とを繋ぐように液体捕捉用薄板４０を配置している。
【００１２】
タンク本体２０は、底部の中央に排出部５０が形成され、上部にベント６０が形成されている。排出部５０は、タンク本体２０内の液体をタンク外へ排出し、スラスタエンジン（図示せず）に供給するための液体通路の一端であって、タンク本体２０の内外は、この排出部５０に接続されている液体トラップ３０を介して連通されている。ベント６０は、タンク本体２０内に気体を送り込んだり、タンク本体２０内の気体をタンク外へ排出するための気体通路の一端である。なお、タンク本体２０を回転対称体とすることにより、液体用タンク１０が加速されたときの慣性力により液体が集まりやすいので、液体が捕集されやすい。液体を捕集しやすい回転対称体として、本実施形態では球状に形成しているが、円錐状などでもよい。また、タンク本体２０の液体が集まる位置に、液体の排出部２１が設けられている。この排出部２１を設けることにより、液体用タンク１０が加速されているときにここから液体をタンク外に排出してスラスタに供給することができる。
【００１３】
液体捕捉用薄板４０は、タンク本体２０内の内面に沿う円弧状の薄板で形成されていて、タンク本体２０内面との間に隙間を設けた状態で、その一端が液体トラップ３０の下面３２に連なるように固定されている。この液体捕捉用薄板４０は、接触する液体の自由界面曲率半径差による表面張力差によって液体を案内するものである。液体を効率よく捕捉するために、液体捕捉用薄板４０は液体が慣性力により移動して集まる位置すなわち液体用タンク１０の受ける加速方向とは反対側に設けられることが好ましい。本実施形態では、液体用タンク１０が図１に示す左右方向に加速されると想定しているので、この反対側である左右の２箇所に設けられているが、液体用タンク１０の加速方向に応じて適宜設けることが望ましい。また、本実施形態では、液体捕捉用薄板４０を液体が集まる位置近傍から液体トラップ３０に連なるまでの約９０°の円弧形状にすることにより、装置全体の重量の軽減を図っている。
【００１４】
また、液体捕捉用薄板４０は、タンク本体２０内面との間に隙間を設けるように構成されていることにより、タンク本体２０が内圧や温度変化によって膨張収縮してもその変形を伝えられることがないので、強度保持を図るために板厚を大きくする必要がなく、装置全体の軽量化を可能としている。
【００１５】
液体トラップ３０は、図２に示すように、タンク本体２０の上下方向の軸と一致する軸を回転中心とする回転対称体であり、それぞれ球面状に形成された上面３１および下面３２と円筒状の側面３３とからなり、タンク本体２０内と排出部５０とを接続している。下面３２は、タンク本体２０の底部よりも小さい曲率半径の球面形状で形成されていて、中央（排出部５０近傍）から外周に離れるほど、下面３２の外壁面とタンク本体２０底部の内壁面との間隔が大きくなっている。タンク本体２０底部の内壁面との間の液体は、隙間の小さい方すなわち液体トラップ３０の中央へ捕集され、液体導入孔３４から液体トラップ３０内へ導かれる。
【００１６】
さらに下面３２には、タンク本体２０内から液体トラップ３０内に液体を導入するための液体導入孔３４が設けられていて、この液体導入孔３４に連なるように、液体捕捉用薄板４０の一端が固定されている。また上面３１には、液体トラップ３０内から気体をタンク本体２０内へ排出する通気口３５が設けられている。この通気口３５は、液体トラップ３０内で気体が集められる位置に設けられることが望ましく、本実施形態では液体トラップ３０の外周側上方に設けられている。
【００１７】
液体トラップ３０内には、中央部に管状部材３６が上下方向に設けられ、この管状部材３６から放射状に板状部材３７が複数枚（本実施形態では１６枚）立てられている。図３に示すように、この放射状に並べられた板状部材３７同士の間には、図３に示すように中央の管状部材３６に近づくほど小さくなる隙間が形成されるので、液体トラップ３０内の液体は管状部材３６の周囲に捕集される。なお、板状部材３７の枚数は、多くなるほど液体捕集効果が高くなり好ましい反面、重量が増すというデメリットがあるので、液体の捕集効果と重量とを考慮して適宜決定される。
【００１８】
また、板状部材３７は、上辺３７ａおよび下辺３７ｂが円弧状、側辺３７ｃが直線状に形成された、液体トラップ３０の内壁面に対して隙間をあけて沿う形状であり、液体トラップ３０上面の内壁面との隙間が、板状部材３７の上辺３７ａでは管状部材３６に近づくほど大きく、側辺３７ｃでは下方ほど小さく、下辺３７ｂでは管状部材３６に近づくほど小さくなるように形成されている。すなわち、液体トラップ３０の内壁面との隙間が、上側中央部から側面を経て下側中央部に向かって徐々に小さくなる。したがって、表面張力により、液体トラップ３０の内壁面に付着した液体が、内壁面に沿って隙間の小さい方すなわち液体トラップ３０内の下部中央に案内される。液体が集められることにより、液体トラップ３０内の気体は上部外周側に移動されるので、液体トラップ３０の通気口３５はこのあたりに設けられている。
【００１９】
管状部材３６には、液体トラップ３０内と排出部５０とを連通する液体排出孔３６ａが設けられている。さらに、管状部材３６の下端には、排出部５０と液体トラップ３０内とを隔てる底板３８が設けられている。この底板３８は、管状部材３６の開口を妨げないフランジ状に形成されていて、複数設けられた液体排出孔３８ａによって液体トラップ３０内と排出部５０とを連通している。板状部材３７によって中央下方寄りすなわち管状部材３６および底板３８の周囲に捕集された液体は、管状部材３６の液体排出孔３６ａおよび底板３８の液体排出孔３８ａを塞ぐので、液体排出孔３６ａ、３８ａが液体で塞がれた状態で液体トラップ３０内を加圧することにより、捕集された液体は液体排出孔３６ａ、３８ａからタンク外へ圧出される。
【００２０】
以上のように構成された液体用タンク１０内に収容された液体が、捕集されてタンク外へ排出される課程について説明する。
まず、ベント６０からタンク本体２０内に気体を送り込まれることにより、液体導入孔３４または通気口３５を介して液体用タンク１０が加圧され、液体トラップ３０内に収容された液体が排出部５０からタンク外へ排出される。排出された液体を利用してスラスタが駆動され、液体用タンク１０に図１の右方向の加速が加えられると、タンク本体２０内の液体は、加速中は加速方向の反対方向、すなわち図１の左側に移動し、液体トラップ３０内へは導入されないので、液体トラップ３０はスラスタの１回の駆動を可能にするだけの容量を備えている。なお、液体トラップ３０内の液体で不足する事態が生じた場合には、加速中は液体が図１の左半分に示すように偏在するので、タンク本体２０に設けられた排出部２１からも液体を排出することができる。
【００２１】
スラスタの駆動が終了し、液体用タンク１０が無重力状態となると、図１の右半分に示すように、液体は、液体捕捉用薄板４０に接触していた部分から、自由界面曲率半径差による表面張力差によって液体トラップ３０へと案内され、液体捕捉用薄板４０に接触していなかった部分を粘性により引っ張りながら、液体導入孔３４から液体トラップ３０内へと導かれる。また、タンク本体２０底部の内壁面と液体トラップ３０の下面３２との間に入った液体は、表面張力により両者の間隔が小さい中央部へと移動する。液体トラップ３０内に導入された液体は、板状部材３７によって管状部材３６の周辺に集められ、上述したタンク外への排出が可能な待機状態となる。なお、液体トラップ３０内に液体が導入される際、液体トラップ３０内の気体は通気口３５からタンク本体２０へ排出される。
【００２２】
なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。図示のものでは、液体用タンク１０の受ける加速方向に対応しかつ軽量化を図るために、液体捕捉用薄板４０をタンク本体２０の半周に設けているが、これを全周としてさらに高い液体捕捉効果を得ることができるような構成としてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液体用タンクによれば、液体捕捉用薄板に接触する液体の自由界面曲率半径差による表面張力差によって、タンク本体内の液体が液体トラップ内に案内され、液体トラップに液体を収容することができるので、無重力下または微小重力下であってもタンク本体内の液体をタンク外へ排出させることができる。さらに、液体捕捉機構は、重量が大きく製造に手間がかかるチャンネルメッシュ式ではなく、軽量で製造コストが小さい液体捕捉用薄板を用いているので、軽量で安価な液体用タンクの実現が可能となる。
また、液体トラップ内の液体は、管状部材の液体排出孔を塞ぐように管状部材の周囲に捕集される。したがって、タンク本体内を加圧して液体トラップ内が加圧されれば、管状部材の周囲に捕集された液体が液体排出孔からタンク外へ圧出されるので、気体を排出させにくく、容易にかつ効率よく液体トラップ内の液体をタンク外へ排出することができる。
【００２４】
また、曲率半径の大きいタンク本体の底部の内面と、曲率半径の小さい液体トラップの底部の外面との間に、タンク本体と液体トラップとの接続部分に近づくほど小さくなる隙間が形成される。
したがって、タンク本体内の液体は、表面張力によって隙間の小さい方すなわちタンク本体と液体トラップとの接続部分へと案内されるので、容易にかつ効率よくタンク本体内の液体を液体トラップ内へ収容することができる。
【００２６】
また、液体トラップ内壁面と板状部材端部との間に、上面中央部から側面を経て下面中央部に向かって徐々に小さくなる隙間が形成されるので、液体トラップ内で壁面に付着した液体が、この隙間に沿って下部中央に案内される。したがって、液体トラップ内では液体が下部中央に集まる一方、気体が上部外側に移動されるので、液体トラップ内での気液分離が容易となり、効率のよい液体用タンクの実現が可能となる。
【００２７】
また、液体捕捉用薄板がタンク本体に対して固定されずに備えられるので、タンク本体の圧力や温度差による膨張収縮の影響を受けない。
したがって、応力による破損を防止する強度を確保する必要がなく、薄く軽量な液体捕捉用薄板を用いることができるので、軽量かつ安価な液体用タンクの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体用タンクの一実施形態を示す断面図であって、図の左半分は図の右方向へ液体用タンクが加速されるときの液体の状態を示し、図の右半分は無重力時の液体の状態を示す図である。
【図２】図１の液体トラップの詳細を示す要部拡大断面図である。
【図３】図２におけるIII-III線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１０液体用タンク
２０タンク本体
２１排出部
３０液体トラップ
３４液体導入孔
３６管状部材
３６ａ液体排出孔
３７板状部材
４０液体捕捉用薄板
５０排出部

Claims

無重力または微小重力環境に配置される液体用タンクであって、
底部に排出部が形成されたタンク本体と、
前記タンク本体内の底部に設置され、かつ前記タンク本体内と前記排出部とを接続する箱状の液体トラップと、
該液体トラップから前記タンク本体内の内面に沿って設けられ、該タンク本体内の液体を該液体トラップへ案内する液体捕捉用薄板と、
前記液体トラップ内の中央部に上下方向に設けられ、該液体トラップ内と前記排出部とを連通する液体排出孔を有する管状部材と、
該管状部材から放射状に複数枚立てられた板状部材と
を備えることを特徴とする液体用タンク。
前記液体トラップの上面が球面状に形成され、該液体トラップ上面の内壁面と前記板状部材との隙間が、上辺では前記管状部材に近づくほど大きく、側辺では下方ほど小さく、下辺では前記管状部材に近づくほど小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の液体用タンク。
前記液体トラップの底部が、前記タンク本体の底部よりも小さい曲率半径の球面状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体用タンク。
前記液体捕捉用薄板が、前記タンク本体内面との間に隙間を設けた状態で前記液体トラップに固定されていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の液体用タンク。