JP6063817B2 - 軌道内で液体を分離するためのタンク - Google Patents

Description

本発明は、宇宙空間内で無重力の条件のもとで実験を行う際に使用するための、液相を気相から分離して液体を貯留するためのタンクであって、液体、ガス、またはこれらの混合物を前記タンク内に導入させるための供給管と、純ガスを排出させる排出部とを備えた前記タンクに関するものである。

一般にセパレータタンクと呼ばれるこのようなタンクに装入される液体は、宇宙空間での実験を継続させるためにタンク内に貯留される。このセパレータタンク内への燃料の供給は、その上流側に接続されたタンクを介して行われる。上流側のタンク内に含まれている液体を搬送するために推進剤が用いられる。推進剤はヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）のような不活性ガスであり、上流側のタンク内へ圧入され、このようにして液体、ガスまたは液体・ガス混合物を配管システムを通じてセパレータタンク内へ搬送させる。同時にセパレータタンクから対応する量のガスが排出され、その際このガスは通常は実験モジュールから軌道内の真空中へ放出される。しかしながら、この過程でガス・液体混合物がタンクから真空中へ放出されると、混合比率に応じては、液体とガスとの密度が異なるために推力プロファイルが一定にならず、それ故液体とガスの混合物を放出して推力を得ることは望ましいものではない。

気相と液相とを確実に分離するために、宇宙工学では従来以下のような方法が適用されている。
・燃料を加熱することにより、燃料タンクから流出する燃料を蒸発させる。この方法には、液体を蒸発させるために比較的高いエネルギーコストが必要である。
・補助的に加速を行なって、圧力軽減時点で燃料がガス排出部に存在しないようにする。このためには補助駆動システムを用いて特定の方向に加速させる必要があり、無重力で実験を行う場合には、実験の境界条件を阻害することになるので適用不可能である。

これ以外には、特許文献１から、液相を気相から分離させるために相セパレータを使用することが知られるようになった。この公知の装置では、低加速作動状態用の相セパレータが使用され、超電導磁石を使用して分離が行われる。さらに、特許文献２は、複数のポンプと一連の弁とを設けた相セパレータを記載している。特許文献３に記載の相セパレータでは、液体・ガス混合物を回転させるプロペラが使用され、ポリエチレンまたはナイロンから成るダイヤフラムが液体（この場合には水）を分離させる。この公知のシステムは燃料電池と一緒に使用するために設けられており、低温液体を分離するには適していない。特許文献４および特許文献５から公知になった他の装置は、地上の重力場での使用に限定されている。

前記特許文献１には、さらに、何らかのガス添加混合物によってクリーニングされる純粋な液体を搬送するようにした配置構成が記載されている。それ故、この公知の配置構成では、排出部のすぐ上方にハニカム状構造物が配置されている。これにより、ガスが対応する排出管内に到達しないよう保証される。

前記特許文献４に記載の配置構成では、液状燃料（たとえばヒドラジン）からガスを発生させるため、それ自体公知の触媒ベッドの形態で多孔性ベッド構造が設けられている。またこの文献には、液体／ガスセパレータが記載されている。該セパレータ内には、毛細管力および表面張力の作用によって気泡の発生を抑制するためにチタンネットが配置されている。

最後に、特許文献６から、セパレータを構成部材として燃料タンク内に配置した、冒頭で述べた種類の配置構成が知られるようになった。この場合、液体・ガス混合物が燃料タンクの種々の個所で、貯留のために設けられているリザーバーに到達することがある。

米国特許第４０２７４９４Ａ号明細書 米国特許第４８４８９８７Ａ号明細書 米国特許第７０７７８８５Ｂ２号明細書 米国特許第４４３５１９６Ａ号明細書 米国特許第４６１７０３１Ａ号明細書 独国特許第１０２００７００５５３９Ｂ３号明細書

本発明の課題は、たとえば高高度研究用ロケットで宇宙空間内実験を行なっている間に発生するような加速時に、確実な相分離を簡単に且つ低温燃料に対しても非低温燃料に対しても保証されているように、且つ一度タンク内に蓄積された液体が供給排出により再びタンクから離れることがないように、この種のタンクを構成することである。

この課題は、本発明によれば、タンク内に、発泡金属の形態の海綿状材料から成る複数の物体が配置され、その細孔全容積は受容される液体の体積よりも大きく選定され、周回するように延在する噴射通路に供給管が開口し、前記噴射通路が前記タンクを取り囲む筒状側面の方向において隙間を通じて前記タンクの内部と連通していることによって解決される。

本発明に従ってタンクを構成することにより、液体は発泡金属の形態の海綿状材料により毛細管現象で受容され、該海綿状材料の中で実験の期間中安定に貯留される。

発泡金属（本発明によるタンクの有利な実施態様では発泡アルミニウム）の容積は、本発明によれば、受容される全液体の体積よりも大きく選定されている。液体・ガス混合物は、入口を起点として、本発明によれば、セパレータタンクとして作用するタンクを雷文状に案内され、その際液体は毛細管現象で海綿状材料の中へ逸れて入り込む。セパレータタンクから排出する排出部の前に金属組織が設けられており、該金属組織は海綿状材料から剥がれた何らかの粒子が一緒に排出穴に到達して不具合が生じるのを阻止する。

このようにして液体はリザーバーとして用いられるタンク内に中間蓄積され、その際場合によっては、当初このタンク内にある推進ガスが追い出されて液体に置き換わる。この場合タンクは、本発明によれば、発泡金属の毛細管作用に基づいて液体がこの中に蓄積されるように実施されている。それ故発泡金属は、本発明に従って行われる低温液体の保管にも適している。というのは、発泡金属は構造的に非常にわずかな質量しか有しておらず、その結果構造的に非常にわずかな質量に相当する部分のみを液体によって冷却すればよいからである。さらに、発泡金属の高い毛細管圧がポジティブに作用し、その結果妨害加速の場合でも液体を発泡金属内で確実に保持することができる。この場合の蓄積容量は、発泡金属から成る物体に液体が完全に浸透した時にいっぱいになる。この理由から、本発明によれば、発泡金属の容積は、液体最大量が発泡金属の細孔容積よりも小さいような大きさに選定されている。本発明は、低温液体の使用を必要とする無重力状態でのこのような宇宙空間内実験に対し特に適している。

次に、図面に図示した実施形態に関し本発明を詳細に説明する。
貯留タンクとセパレータタンクとを備えた、宇宙空間内実験用の典型的な配置構成を示す図である。 図１のセパレータタンクの断面図である。 図２のセパレータタンクの詳細断面図である。 図２のセパレータタンクの他の詳細斜視図である。 図２のセパレータタンクを通る流動経路の図である。 図２のセパレータタンク内で液体をガスから分離させる原理を示す図である。 セパレータタンクと低温液体を使用するためのテストタンクとを備えた装置の図である。

図中、同一の部材または互いに対応する部材には同一の符号が付してある。

図１に図示した配置構成は、宇宙空間で実験を行うための典型的なタンク装置である。貯留タンクまたはテストタンク３は供給管２を介して圧縮ガスタンク１と結合している。圧縮ガスを用いてテストタンク３を空にすることができ、その結果液体またはガスのいずれか一方がテストタンク３から排出される。液体またはガスは管４を介してセパレータタンク５に導入される。このセパレータタンク５内には導入された液体が蓄積し、管６とさらには脱気管７とを介して、セパレータタンク５から出るガスが排出する。

セパレータタンク５の構成は特に図２から明らかである。セパレータタンク５は、この実施形態のケースでは、発泡金属から成る複数のリング状の板要素または物体８から構成されている。なお、発泡金属とはこのケースではアルミニウムである。物体８はセパレータタンク５内に挿着されており、この場合セパレータタンク５はそれぞれ上カバー９および下カバー１０によって画成され、筒状側面１１によって取り囲まれている。ここに図示したセパレータタンク５の外形は一例にすぎず、一般的には宇宙飛行体の幾何学的構成状況に適合していればよい。

図３に詳細に図示した、セパレータタンク５の装入領域は、周回するように延在している噴射通路１３に開口している供給管１２から成っている。噴射通路１３は、筒状側面１１の方向で、隙間１４によりセパレータタンク５の内部と連通している。

発泡金属から成る物体８には、図４から明らかなように、下カバー１０および上カバー９の領域に、物体と物体との間に繰り抜き部１５が形成されている。さらに図２の図示が示すように、セパレータタンク５の中央部にはスリーブ１６が配置され、該スリーブは発泡金属から成る物体８の多孔部１７の前方にある。スリーブ１６の内部にも、金属組織から成る他のスリーブ１８があり、この他のスリーブ１８はセパレータタンク５の排出部１９と連通している。金属組織から成るこのスリーブ１８にはスクリーンカートリッジまたはフィルタカートリッジの機能があり、すなわち図面には図示していない後続の機器または弁の粒子による何らかの汚染がこのスリーブ１８によって回避される。

次に、液体を液体・ガス混合物から分離させるためのセパレーションプロセスに関して詳細に説明する。このため、図５にセパレータタンク５を通る流動経路２０を図示した。液体とガスの分離は、発泡金属から成る海綿状の物体８内へ液体が毛細管現象で侵入することによって行われる（図６も参照）。なお図６においては、発泡金属の、液体が浸透する領域を、領域２２で示した。液体の量が増えるに従って、液体２１は発泡金属から成る海綿状物体８内へさらに深く侵入する。図６は侵入過程におけるこのような状態を例示したものである。線２３は、液体（領域２２）とガス（発泡金属のレスト内にある）との間の瞬間的な境界部を示している。液体・ガス混合物の流動方向を矢印２４で示した。

発泡金属から成る海綿状物体８の細孔容積を、侵入する液体２１の全量と同じ大きさに選定すれば、発泡金属内での液体の完全な蓄積が行われる。液体・ガス混合物２４のほぼ一定の流動速度を保証するため、よって発泡金属から成る海綿状物体８内への液体２１の均等な侵入を保証するため、個々の発泡金属物体間の横断面２０を適当に整合させる。個々の発泡金属物体間の横断面２０は、流動方向２４において次第に幅広になる。これに対応して、図４および図５からわかるように、発泡金属から成る海綿状物体８内に設けた繰り抜き部１５もセパレータタンク５の中央部方向に次第に深くなっている。

上述のセパレータタンクは、低温液体に対しても非低温液体に対しても適している。図７の図示は、セパレータタンク５を低温液体に対して使用する配置構成を示している。この場合重要なことは、セパレータタンク５の温度が液体温度付近にあることである。それ故このケースでは、セパレータタンク５はテスト容器３とともに低温槽２５の内部に配置され、低温槽２５内にはさらにヒータ２６が設けられている。この図には、それぞれ１つのガス供給装置２７とガス取り出し装置２８とが図示されている。

セパレータタンク５は最初に液体で充填され、液体の温度は、飽和曲線に対応して予め設定される圧力の予設定値によって調整することができる。液体は時間とともに蒸発し、その結果セパレータタンク５は本来の使用開始時には低温になる。液体が完全に蒸発すると、セパレータを使用できる。蒸発過程を促進させるため、セパレータタンク５の準備に用いる加熱装置２６が補助的に設けられている。

３ 貯留タンク
５ セパレータタンク
８ 海綿状物体
１１ タンクの側面
１２ 供給管
１３ 噴射通路
１５ 繰り抜き部
１６ スリーブ
１７ 多孔部
１８ スクリーンカートリッジ
１９ 取り出し装置
２１ 液体
２５ 低温槽
２６ 加熱装置

Claims (10)

1. 宇宙空間内で無重力の条件のもとで実験を行う際に使用するための、液相を気相から分離して液体を貯留するためのタンクであって、液体、ガス、またはこれらの混合物を前記タンク内に導入させるための供給管と、純ガスを排出させる排出部とを備えた前記タンクにおいて、
   前記タンク（５）内に、発泡金属の形態の海綿状材料から成る複数の物体（８）が配置され、その細孔全容積は受容される液体（２１）の体積よりも大きく選定され、周回するように延在する噴射通路（１３）に供給管（１２）が開口し、前記噴射通路が前記タンク（５）を取り囲む筒状側面（１１）の方向において隙間（１４）を通じて前記タンク（５）の内部と連通していることを特徴とするタンク。
2. 前記発泡金属がアルミニウムから成っていることを特徴とする、請求項１に記載のタンク。
3. 前記タンクが、それぞれ１つの上カバー（９）と下カバー（１０）とによって画成され、且つ前記筒状側面（１１）によって取り囲まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載のタンク。
4. 前記複数の物体（８）がそれぞれ湾曲したリング状板体として形成され、これら湾曲したリング状板体の１つが他のリング状板体の内側に配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載のタンク。
5. 前記物体（８）が互いに対向しあっている端部に交互に繰り抜き部（１５）を備えていることを特徴とする、請求項４に記載のタンク。
6. 前記繰り抜き部（１５）によって形成される流動横断面積が、流動経路（２０）に関し一定であることを特徴とする、請求項５に記載のタンク。
7. 前記タンクの中央部に、取り出し装置（１９）を備えたスリーブ（１６）が配置され、前記取り出し装置が前記海綿状物体（８）内の多孔部（１７）の前方にあることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載のタンク。
8. 前記取り出し装置（１９）がスクリーンカートリッジ（１８）により前記タンク（５）の内部から仕切られていることを特徴とする、請求項７に記載のタンク。
9. 前記タンクが、低温液体を受容するため、上流側に接続されている貯留タンク（３）とともに低温槽（２５）内に配置されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載のタンク。
10. 前記低温槽（２５）内に加熱装置（２６）が設けられていることを特徴とする、請求項９に記載のタンク。
    

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