JP4709342B2 - スラッシュ生成プロセスおよびスラッシュ生成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、冷却プロセスに関し、より特定的にはスラッシュ（たとえば、酸素、窒素、水素、ヘリウムまたは水などの極低温液体を冷却することによって生成される固液混合物等）を生成するプロセスに関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
先行技術の中には液体を冷却するための多くの冷却装置およびプロセスが開示されている。先行技術の中にはさらに、液体を高密度化するための多くの装置およびプロセスが開示されている。しかしながら、液体を冷却してスラッシュにし、他の液体を高密度化するためにスラッシュを使用する、単純で堅牢な装置および方法が必要である。これは特に、極低温液体推進燃料などの極低温液体を冷却して高密度化する分野において必要である。
【０００３】
【発明の要約】
発明の１つの局面において、液体から、スラッシュを生成するための冷却プロセス（スラッシュ生成プロセス）は、内部スペースを規定する内壁を含む冷却装置を提供するステップを有する。内部スペースは頂部および底部を含む。内部スペースは、頂部と底部との間に全体的に延びる縦軸に交差する平均全断面積を有する。内部スペースはさらに収集部を有し、この収集部は、平均全断面積よりも小さな、縦軸に交差する収集部の平均断面積を有する。別のステップにおいて、液体が内部スペースに入れられる。冷却プロセスにおける別のステップでは、液体の一部分の密度を変化させて、内壁の少なくとも一部分を冷却することによりスラッシュを生成し、それによりスラッシュの少なくとも一部分が収集部に蓄積するようにする。プロセスのさらなるステップにおいて、スラッシュ部分が収集部から除去される。
【０００４】
冷却プロセスのさらなる局面において、スラッシュの密度が液体の密度よりも高い場合には収集部は内部スペースの底部に置かれ、スラッシュの密度が液体の密度未満である場合には収集部は内部スペースの頂部に置かれる。発明のさらなる局面において、内部スペースは略円錐形状であり、収集部は円錐形部分の頂点に近接して置かれる。
【０００５】
発明のさらなる局面において、内部スペースの圧力が増減される。
発明のさらなる局面において、スラッシュ部分の圧力を変化させる。発明のさらなる局面において、スラッシュ部分の圧力はスラッシュが収集部から除去される前または後に変化する。発明のさらなる局面において、スラッシュ部分の熱エネルギはスラッシュ部分の圧力を変化させた後に低減され、スラッシュ部分は後に減圧され得る。
【０００６】
発明のさらなる局面において、スラッシュ部分は極低温液体を高密度化するために用いられる。発明の局面において、極低温液体は推進燃料であってもよい。
【０００７】
発明のさらなる局面において、液体は酸素、窒素、水素、ヘリウムまたは水を含んでもよい。
【０００８】
発明のさらなる局面において、冷却プロセスはバッチ方式で、セミバッチ方式で、または連続したプロセスで行なわれ得る。
【０００９】
発明のある局面において、第１の極低温液体高密度化プロセスは、第１の極低温液体と、少なくとも部分的に凝固した第２の極低温液体と混合させるステップを含み、第１および第２の極低温液体は少なくとも相溶性の化合物を含む。発明のさらなる局面において、第１の極低温液体は推進燃料である。
【００１０】
発明のある局面において、スラッシュ生成装置はジャケット付き容器と、入口と、加圧弁と、出口とを含む。ジャケット付き容器は頂部および底部を備えた内部スペースを有する。内部スペースは、頂部と底部との間に全体的に延びる縦軸に交差する平均全断面積を有する。内部スペースはさらに収集部を有し、この収集部は平均全断面積よりも小さな、縦軸に交差する平均収集部断面積を有する。内部スペースは、収集部に隣接した残余部を有する。入口は内部スペースへの流れを受ける。圧力分離弁は内部スペースの収集部と残余部との間にある。出口は、流れが収集部を出るようにする。
【００１１】
発明のさらなる局面において、内部スペースは略円錐形状を有し、収集部は円錐形部分の頂点に近接して置かれる。円錐形部分の頂点は内部スペースの底部または頂部のいずれかに置かれ得る。
【００１２】
発明のさらなる局面において、冷却装置は収集部のまわりに配置される。
発明のさらなる局面において、内部スペースの残余部は閉じられ、収集部の圧力とは異なった圧力まで加圧される。
【００１３】
発明のさらなる局面において、装置の出口は極低温液体タンクまたは極低温液体推進燃料タンクの入口に機能的に接続され得る。
【００１４】
発明のある局面において、スラッシュ生成システムはジャケット付き容器と加圧装置とを有する。ジャケット付き容器は容器内部スペースを含み、容器内部スペースは頂部および底部と、収集部とを含む。該収集部は、頂部と底部との間の全体的に延びる縦軸に交差する平均全断面積よりも小さな、縦軸に交差する平均収集部断面積を有する。ジャケット付き容器はさらに、容器の内部スペースへの入口と、収集部からの出口とを有する。加圧装置は入口と出口とを備えた加圧可能な内部スペースを含む。加圧装置の入口はジャケット付き容器の出口に機能的に接続される。
【００１５】
発明のさらなる局面において、容器の内部スペースは略円錐形状を有し、収集部は円錐形部分の頂点に近接して容器の内部スペースの頂部または底部のいずれかに置かれる。
【００１６】
発明のさらなる局面において、加圧装置は、その加圧可能な内部スペースの少なくとも一部分のまわりに冷却用ジャケットを含む。
【００１７】
発明のさらなる局面において、加圧装置の出口は、極低温液体タンクまたは極低温液体推進燃料タンクの入口に機能的に接続される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
さて、類似した要素には類似した参照番号を付した図面を参照して、特定的には図１を参照して、スラッシュ生成システム１０は、熱エネルギを除去することによって液体１４からスラッシュ１２を生成する。スラッシュ１２は固体と液体との混合物である。このような液体１４の中には、酸素、窒素、水素、ヘリウム、水およびさまざまな化合物および混合物が含まれる。
【００１９】
スラッシュ１２は多くの用途において使用され得る。示される実施例では、スラッシュ１２は流路１６に方向付けられ、極低温液体推進燃料タンク１８に入れられ、その中で液体推進燃料の高密度化を補助する。これはたとえば、全体が引用によって援用される「液体推進燃料の高密度化（“Liquid Propellant Densification”）」と題されたラック他（Lak et al.）の米国特許第５，６４４，９２０号に記載されている。発明の他の実施例では、スラッシュはいかなるタイプの極低温液体タンクに向けられても良く、または生成されたスラッシュを使用すると有益であるいかなる用途に向けられてもよい。
【００２０】
発明の示される好ましい実施例では、スラッシュ生成システム１０は絶縁容器２０を含み、この絶縁容器２０は、内壁２６を包囲する中間ジャケット２２を有する。中間ジャケット２２は温度制御装置２４に熱的に結合され、容器２０の容器内壁２６の温度を制御する。発明の他の実施例では容器内壁２６の温度は他のやり方で調節されてもよく、別個に熱的に結合される温度制御装置を備えた内側ジャケットの層によって調節されても良い。発明の他の実施例では、内壁２６の種々の部分から異なったレートで熱エネルギを引出すために内側ジャケット２２が区切られてもよい。
【００２１】
発明の示される実施例において、外側ジャケット２７は中間ジャケット２２を包囲する。外側ジャケット２７は絶縁容器２０に別の絶縁層を提供する。発明のある実施例において、外側ジャケット２７の絶縁は、中間ジャケットと外側ジャケットとの間のスペース２９を部分的に真空引きするか、または根本的に真空引きすることにより提供される。発明の他の実施例では、外側ジャケット２７に他の形態での絶縁を提供してもよく、多数の外側ジャケットを有してもよく、または外側ジャケットを有さなくてもよい。
【００２２】
容器内壁２６は底面３２の下方に頂点３０を有する逆向きの円錐形内部２８を規定する。逆向きの位置にある内部２８は、液体１４の密度よりも高い密度を有するスラッシュ１２を生成するスラッシュ生成装置１０に使用され、これは酸素、窒素、水素およびヘリウムの場合に適用される。発明の他の実施例における容器の内部は、水から生成されるスラッシュの密度よりも高い液体の密度を有する水に使用する場合には底面の上方に頂点を有してもよい。
【００２３】
容器２０は液体供給部３４と気体供給部３５とを有する。液体供給部３４は円錐底面３２を介して容器内部２８に液体１４を方向付ける。気体供給部３５は容器内部２８から気体１５を方向付けるおよび／または除去するためのものである。気体１５は容器２０の内部圧力を制御するために用いられる。発明の他の実施例では多数の液体および気体供給部が設けられてもよく、他の場所に供給部が設けられてもよく、気体１５を容器２０に供給し、気体１５を容器から除去するための別個の気体経路が設けられてもよい。発明の他の実施例では、容器内部２８の圧力を変化させるために液体が使用されてもよい。発明の実施例における圧力調整用気体１５または液体は、容器内部２８の液体１４に類似するか、またはそれとは異なったものであってもよい。発明の他の実施例では、容器内部２８の圧力を調節するために他のやり方が用いられてもよく、たとえば容器内部の体積を変化させるためにダイヤフラムまたはピストンが用いられてもよい。
【００２４】
ジャケット２２が容器内壁２６を冷却すると、壁に近接した液体から熱エネルギが除去されることによりスラッシュ１２が生成される。容器壁２６のピッチにより、スラッシュは頂点３０にある容器内部２８の収集部３６へと下向きに移動する。容器内部２８の収集部３６にあるスラッシュ１２は頂点３０の弁３８から出る。
【００２５】
示される実施例では、スラッシュ１２は容器内部２８の外へと方向付けられ、加圧チャンバ５０の中に方向付けられる。発明の他の実施例では加圧チャンバ５０は設けられなくてもよい。加圧チャンバ５０のスラッシュ１２は加圧ライン５２を介して気体または液体を導入することにより加圧され得る。発明の他の実施例では、機械的な圧縮手段または他の手段によってスラッシュ１２を加圧する加圧チャンバが設けられてもよい。
【００２６】
示される実施例では、加圧チャンバ５０はチャンバのスラッシュ１２から余分な熱エネルギを除去するためのジャケット付き外部５４を有する。発明の他の実施例では、加圧チャンバ５０のスラッシュから熱エネルギを除去するために他のやり方が用いられてもよい。スラッシュ１２は出口弁５６から圧力チャンバ５０を出、極低温液体タンク１８に方向付けられる。発明の実施例によっては、加圧チャンバ５０のスラッシュ１２を加圧し、および／またはそれから熱エネルギをさらに除去することにより、スラッシュが実質的に固体になる。
【００２７】
次に図２を参照して、逆向きの円錐６０は３次元の容器内部２８を表わす。円錐６０の全体積６２は底面６４から頂点６６まで延びる。全体積６２は底面６４と頂点６６との間に全体的に延びる縦軸７０に対する平均全断面積６８を有する。収集部７２は平均全断面積６８よりも小さな平均収集部断面積７４を有する。この実施例では、平均断面積６８および７４が異なることにより、容器内壁２６上に生成されたスラッシュ１２が壁に沿って下方向に移動し、収集部７２に集まるようになる。上述のとおり、容器内部６２は、固体の状態と比較すると液体の状態での方が密度が高い水などの物質の場合には、底面６４の上方に収集部７２を有し得る。
【００２８】
発明の他の実施例では、容器内部は他の形状を有してもよく、たとえば楕円形、収集部のための円錐形端部を有する円筒形、ピラミッド形、四面体および球体の一部分であってもよい。他の実施例では、スラッシュを収集部に集めたり、または液体と容器の壁との間の熱伝達を向上させるために表面積を増加させる目的としての、平坦でない表面が設けられてもよい。
【００２９】
発明の実施例では、スラッシュはバッチ方式、セミバッチ方式または連続したプロセスで生成され得る。発明の実施例ではさらに、スラッシュを収集部に移動させて方向付けることを補助するための内壁スクレーパ、攪拌器、または螺旋状穿孔機が設けられてもよい。
【００３０】
以上に本発明の現在の好ましい実施例を詳細に説明したが、関連の技術分野の当業者によって認識されるであろう、ここに教示した発明の基礎的な概念の多くの変形および／または修正は、前掲のクレームに記載される本発明の精神および範囲内に入ることが明らかに理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 発明の実施例に従うスラッシュ生成システムの断面図である。
【図２】 図１のスラッシュ生成システムにおける容器の内部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ スラッシュ生成システム、１２ スラッシュ、１４ 液体、３６ 収集部。

Claims (11)

1. 液体（１４）からスラッシュ（１２）を生成する装置（１０）であって、
   （ａ） 内部スペース（２８）を有するジャケット付き容器（２０）を備え、その内部スペースは、
   （ｉ）頂部および底部と、
   （ｉｉ）内部スペース（２８）の収集部（３６）であって、前記頂部と前記底部との間に全体的に延びる縦軸（７０）に交差する平均全断面積よりも小さな、前記縦軸に交差する平均収集部断面積を有する収集部と、
   （ｉｉｉ）前記収集部に隣接した前記内部スペース内の領域である前記内部スペースの残余部とを有し、
   前記スラッシュ生成装置はさらに
   （ｂ） 前記液体（１４）の内部への流れを内部スペース（２８）へ受けるための入口（３４）と、
   （ｃ）スラッシュ部を前記収集部（３６）から排出可能にするための出口と、
   を備え、
   −前記残余部が加圧チャンバ（５０）を含み、
   −圧力絶縁バルブ（３８）が前記収集部（３６）と加圧チャンバ（５０）との間に配置され、
   −気体（１５）または液体を前記内部スペース（２８）へ誘導し、及び／または前記内部スペース（２８）から取り除けるように、内部スペース圧力を変更するための少なくとも１つのフィード（３５）が配置され、
   さらに、加圧ライン（５２）を有し、前記加圧チャンバ（５０）が気体または液体の導入により加圧されることを可能である、ことを特徴とするスラッシュ生成装置。
2. 前記加圧チャンバ（５０）が出口弁（５６）を有する、請求項１記載の装置。
3. 内部スペース圧力を変更するための前記液体または気体（１５）が前記液体（１４）と異なったものである、請求項１記載の装置。
4. 前記ジャケット付き容器（２０）に接続されたタンク（１８）を有する、請求項１記載の装置。
5. 前記収集部のまわりに冷却装置をさらに含む、請求項１記載の装置。
6. 前記加圧チャンバ（５０）は前記収集部の圧力とは異なった圧力まで加圧可能である、請求項１記載の装置。
7. 前記内部スペースは少なくとも略円錐形状部分（６０）を有し、前記収集部（３６）は、前記略円錐形状部分の頂点（３０）および／または前記内部スペースの底部に近接して置かれる、請求項１ないし６のいずれか１項に記載された装置。
8. 前記加圧チャンバの少なくとも一部分のまわりに冷却用ジャケット（５４）を含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記加圧チャンバの出口が、極低温液体タンクの入口に接続される、請求項１ないし８のいずれか１項に記載された装置。
10. 前記加圧チャンバの出口が、極低温液体推進燃料タンクの入口に接続される、請求項１ないし９のいずれか１項に記載された装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の装置を用いたスラッシュを生成するための冷却プロセス。

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