JP7490227B2 - Gas supply and propulsion systems - Google Patents
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- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Description
本発明は、ガス供給システムおよび推進システムに関する。 The present invention relates to a gas supply system and a propulsion system.
近年、大学や企業による小型人工衛星の開発が進んでいる。ロケットによる打ち上げコストを低減するために、小型人工衛星の質量は1~100kgと、従来の人工衛星の質量数百kg~数トンと比較して軽量となっている。 In recent years, universities and companies have been developing small artificial satellites. To reduce the cost of launching them using rockets, small artificial satellites are lightweight, weighing between 1 and 100 kg, compared to the masses of conventional artificial satellites, which range from several hundred kg to several tons.
この小型人工衛星を構成する部材の質量である構造質量の低減が課題となっている。軌道制御や姿勢制御のためには、推進機を搭載する必要がある。一般的な方式では、推進機の燃料は、1MPa~10MPaの圧力で高圧タンクに封入され、高圧用ガスバルブなどを用いて供給される。この方式の場合、高圧に耐える配管やタンクを用いるため、堅固な構造をしている。そのため、構造質量の低減が困難である。例えば、非特許文献1では、890gのキセノンを貯蔵するためのタンクを備えるガス供給システムの構造質量は2840gとなる。小型人工衛星の質量は、1~100kgであるので、推進機搭載の大きな制約となっている。推進機をせず、軌道変換や姿勢変更ができない場合、小型人工衛星の利用の妨げとなる。そのため、ガス供給システムの構造質量の低減が求められている。また、非特許文献1のタンクのさらなる小型化が求められている。
The reduction of the structural mass, which is the mass of the components that make up this small artificial satellite, is an issue. For orbital control and attitude control, a thruster needs to be installed. In a general method, the fuel for the thruster is sealed in a high-pressure tank at a pressure of 1 MPa to 10 MPa and is supplied using a high-pressure gas valve or the like. In this method, the pipes and tanks that can withstand high pressure are used, so the structure is robust. Therefore, it is difficult to reduce the structural mass. For example, in Non-Patent
金属有機構造体(MOF)は、ガスを吸着する特性を有する。そのため、MOFは、小型高密度に貯蔵したり、混合ガスから特定のガスを取り除いたりするために使われている。特許文献1には、金属有機構造体を備える機密容器が開示されている。
Metal-organic frameworks (MOFs) have the property of adsorbing gases. For this reason, MOFs are used for small, high-density storage and for removing specific gases from mixed gases.
しかし、特許文献1に開示の方法では、ガスの貯蔵量を確保するために1~300バールにおいて利用している。そのため、従来の貯蔵方法と同じく高圧で貯蔵していることから、タンクの耐圧性強度を強くする必要があるため、構造質量の低減効果がほとんどない。
However, the method disclosed in
本発明は、上記の課題を鑑みてなされた発明であり、軽量、かつ、小型なガス供給システムを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a lightweight and compact gas supply system.
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
(1)本発明の一態様に係るガス供給システムは、ガスを吸着する金属有機構造体が充填された金属有機構造体充填タンクを備え、前記金属有機構造体充填タンクの圧力が0Pa以上0.1MPa以下である。
(2)上記(1)に記載のガス供給システムは、前記圧力が0.01Pa以上であってもよい。
(3)上記(1)または(2)に記載のガス供給システムは、前記圧力が0.1Pa以上であってもよい。
(4)上記(1)~(3)のいずれか1つに記載のガス供給システムは、前記ガスがキセノンであってもよい。
(5)上記(1)~(4)のいずれか1つに記載のガス供給システムは、前記金属有機構造体がMOF-74であってもよい。
(6)本発明の一態様に係る推進システムは、上記(1)~(5)のいずれか1つに記載のガス供給システムを備える。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
(1) A gas supply system according to one aspect of the present invention includes a metal-organic framework filling tank filled with a metal-organic framework that adsorbs a gas, and the pressure of the metal-organic framework filling tank is equal to or greater than 0 Pa and equal to or less than 0.1 MPa .
(2) In the gas supply system described in (1) above, the pressure may be 0.01 Pa or more.
(3) In the gas supply system described in (1) or (2) above, the pressure may be 0.1 Pa or more.
(4 ) In the gas supply system according to any one of (1) to ( 3 ) above, the gas may be xenon.
( 5 ) In the gas supply system according to any one of (1) to ( 4 ) above, the metal organic framework may be MOF-74.
( 6 ) A propulsion system according to one aspect of the present invention includes the gas supply system according to any one of (1) to ( 5 ) above.
本発明の上記態様によれば、軽量、かつ、小型なガス供給システムを提供することができる。 The above aspect of the present invention provides a lightweight and compact gas supply system.
(第1の実施形態)
以下、図1を参照し、本発明の第1の実施形態に係るガス供給システム100を説明する。
ガス供給システム100は、金属有機構造体充填タンク(MOF充填タンク)1、第1圧力センサ2、バルブ3、レギュレータバルブ4、第2圧力センサ5、アキュムレータタンク6、スラスタバルブ7、オリフィス8、図示しない制御部、および配管30a、30b、30c、30d、30e、30fを備える。以下各部について説明する。推進システム200は、ガス供給システム100にさらに、スラスタ9を備える。
First Embodiment
Hereinafter, a
The
(MOF充填タンク)
MOF充填タンク1は、金属有機構造体(MOF)が充填されたガスタンクである。ここで、金属有機構造体とは、金属イオンと有機物の配位結合により形成された多孔質材料である。MOF充填タンク1は、配管30aを介してバルブ3と接続している。
(MOF filling tank)
The MOF
MOF充填タンク1の材質としては、Ti、Ti合金、Al合金、Mg合金および炭素繊維強化樹脂(CFRP)などが挙げられる。
Materials for the MOF-filled
MOF充填タンク1に充填されるガスとしては、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウム、水素、酸素、窒素、塩素が挙げられる。
Gases that can be filled into the
MOFの充填率としては、特に限定されないが、MOF充填タンク1の全容積の60%以上であることが好ましい。MOF充填タンク1のより好ましい充填率は、MOF充填タンク1の全容積の70%以上である。MOF充填タンク1のさらに好ましい充填率は、MOF充填タンク1の全容積の75%以上である。
The filling rate of the MOF is not particularly limited, but is preferably 60% or more of the total volume of the MOF-filled
MOF充填タンク1に充填されるMOFとしては、特に限定されないが、例えば、SBMOF-1、SBMOF-2、Ni-MOF-74、Co3(HCOO)6、HKUST-1、MOF-5、FMOF-Cu、MRJ-4I、MOF-505、SIFSIX-3-Ni,SIFSIX-3-Fe、CROFOUR-1-Ni、UIO-66、PCN-14、NOTT-100、NOTT-103、MOF-74-Co、MOF-74-Mg等が挙げられる。特に、細孔表面において、配位的に不飽和な金属サイト(open metal site)の密度が高い、MOF-74-MgおよびMOF-74-CoといったMOF-74が好ましい。
The MOF to be filled in the
MOFのBET表面積は特に限定されないが、1000m2/g以上が好ましい。より好ましくは、1400m2/g以上である。MOFのBET表面積の上限は特に限定されない場、例えば、6500m2/gとしてもよい。 The BET surface area of the MOF is not particularly limited, but is preferably 1000 m 2 /g or more, and more preferably 1400 m 2 /g or more. The upper limit of the BET surface area of the MOF is not particularly limited, and may be, for example, 6500 m 2 /g.
MOFは、金属塩と有機配位子によって形成される。MOFの原料は、溶液中で金属イオンを得ることができる金属塩と、有機配位子である。これは、金属塩と有機配位子の両方について少なくともそれぞれ1種類以上を原料に用いることを意味する。さらに必要であれば、金属塩と有機配位子以外の原料も用いることができる。 MOFs are formed from metal salts and organic ligands. The raw materials for MOFs are metal salts that can produce metal ions in solution, and organic ligands. This means that at least one type of both the metal salt and the organic ligand are used as raw materials. Furthermore, if necessary, raw materials other than metal salts and organic ligands can also be used.
MOF原料として用いる金属塩は、各種の金属元素を含むものから選択することができ
る。金属塩に含まれる金属元素としては、例えば、Cu、Zn、Co、In、Al、Fe、V、Mg、Mn、Ni、Ru、Mo、Cr、W、RhおよびPdなどが挙げられる。特にMgおよびCoが好ましい。
Metal salts used as MOF raw materials can be selected from those containing various metal elements. Examples of metal elements contained in the metal salt include Cu, Zn, Co, In, Al, Fe, V, Mg, Mn, Ni, Ru, Mo, Cr, W, Rh, and Pd. Mg and Co are particularly preferred.
金属イオンに配位結合する有機配位子としては、2-アミノテレフタル酸、2,5-ジアミノテレフタル酸、2,5-ジヒドロキシテレフタル酸、1,2,4,5-テトラキス(4-カルボキシフェニル)ベンゼン、1,3,5-トリス(4’-カルボキシ[1,1’-ビフェニル]-4-イル)ベンゼン、1,3,5-トリス(4-カルボキシフェニル)ベンゼン、2,6-ナフタレンジカルボン酸、2-ヒドロキシテレフタル酸、3,3’,5,5’-テトラカルボキシジフェニルメタン、4,4’,4”-S-トリアジン-2,4,6-トリル-トリ安息香酸、9,10-アントラセンジカルボン酸、ビフェニル-3,3’,5,5’-テトラカルボン酸、ビフェニル-3,4’,5-トリカルボン酸、テレフタル酸、トリメシン酸、[1,1’:4’,1”]テルフェニル-3,3’,5,5’-テトラカルボン酸、イミダゾール、2-メチルイミダゾールなどが挙げられる。特に、2,5-ジヒドロキシテレフタル酸が好ましい。 Organic ligands that form coordinate bonds with metal ions include 2-aminoterephthalic acid, 2,5-diaminoterephthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 1,2,4,5-tetrakis(4-carboxyphenyl)benzene, 1,3,5-tris(4'-carboxy[1,1'-biphenyl]-4-yl)benzene, 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 3,3' ,5,5'-tetracarboxydiphenylmethane, 4,4',4"-S-triazine-2,4,6-tolyl-tribenzoic acid, 9,10-anthracenedicarboxylic acid, biphenyl-3,3',5,5'-tetracarboxylic acid, biphenyl-3,4',5-tricarboxylic acid, terephthalic acid, trimesic acid, [1,1':4',1"]terphenyl-3,3',5,5'-tetracarboxylic acid, imidazole, 2-methylimidazole, etc. are particularly preferred. 2,5-dihydroxyterephthalic acid is particularly preferred.
MOFの材料は、例えば、赤外分光分析(IR)、飛行時間型二次イオン質量分析(T OF-SIMS)、固体核磁気共鳴分析(固体NMR)等によって測定することによって、確認することができる。 The MOF material can be identified by measuring it using, for example, infrared spectroscopy (IR), time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), solid-state nuclear magnetic resonance analysis (solid-state NMR), etc.
充填するMOFの形状は、例えば、粉末状、ペレット状などが挙げられる。取り扱いのしやすさから充填するMOFの形状は、ペレット状に成型されていることが好ましい。 The shape of the MOF to be filled can be, for example, powder or pellets. For ease of handling, it is preferable that the MOF to be filled is molded into pellets.
MOF充填タンク1のガス貯蔵時の圧力は0Pa以上1MPa未満である。ガス貯蔵時の圧力が1.0MPa未満であれば、例えば3.0MPaに対応した場合よりもタンクの厚さを薄くできるので、構造質量を低減することができる。加えて、ガスの圧力が1MPa未満であれば、例えば、日本国内では日本国の高圧ガス保安法の適用も受けずガスタンクの取り扱いが簡単になるので、製造管理コストを低減することができる。通常、不測の事態に備え、アキュムレータタンク6などは、高圧に耐えられるような設計となっているが、ガス供給システム100は、MOF充填タンク1の圧力が低いので、アキュムレータタンク6などを低圧仕様にすることができ、従来のガス供給システム100より軽量化することができる。より好ましいガス貯蔵時の圧力は、0.2MPa以下である。ガス貯蔵時の圧力が0.2MPa以下であれば、さらに構造質量を低減することができる。さらに好ましくは、第1のガス圧は、0.1MPa以下である。ガスの貯蔵時の圧力は、1kPa以上が好ましい。
The pressure during gas storage in the MOF filled
(第1圧力センサ)
第1圧力センサ2はMOF充填タンク1とバルブ3とをつなぐ配管30aの間に設けられる。第1圧力センサ2は、MOF充填タンク1側のガスの圧力を測定し、図示しない制御部にMOF充填タンク1側の圧力の情報を送る。
(First pressure sensor)
The
(バルブ)
バルブ3の開閉は、図示しない制御部によって、制御される。また、レギュレータバルブ4は、配管30bを通し、送られてきたガスの圧力を低減する。バルブ3およびレギュレータバルブ4によって、MOF充填タンク1から送られてきたガスの圧力は、例えば、0.03MPa付近に微調整される。
(valve)
The opening and closing of the
(第2圧力センサ)
第2圧力センサ5は、レギュレータバルブ4とアキュムレータタンク6とを繋ぐ配管30cの間に設けられる。第2圧力センサ5は、アキュムレータタンク6側のガスの圧力を測定し、図示しない制御部に、アキュムレータタンク6側の圧力の情報を送る。
(Second pressure sensor)
The
(アキュムレータタンク)
アキュムレータタンクは、MOF充填タンク1から送られてきたガスを減圧して蓄える。アキュムレータタンク6は、配管30dを介し、スラスタバルブ7と接続される。
(Accumulator tank)
The accumulator tank reduces the pressure and stores the gas sent from the
(スラスタバルブ)
スラスタバルブ7は、バルブの開閉でスラスタ9に送るガス供給のON/OFF制御をする。
(Thruster valve)
The
(オリフィス)
オリフィス8によって、ガスの流量が制限される。オリフィス8を通りガスはスラスタ9に送られる。ここでのガス圧は、特に限定されず、例えば、0Paでもよいし、1kPaであってもよい。オリフィス8には、フィルタが備わる。
(Orifice)
The flow rate of the gas is restricted by the
(制御部)
図示しない制御部は、バルブ3、レギュレータバルブ4、およびスラスタバルブ7を制御する。ガスの圧力制御は、第1圧力センサ2および第2圧力センサ5から得られた情報に基づいて、制御される。
(Control Unit)
A control unit (not shown) controls the
スラスタ動作時のガスの圧力制御について、次に説明する。スラスタ9の動作時は、バルブ3およびスラスタバルブ7は常に開いている状態である。第2圧力センサ5の圧力を図示しない制御部はモニターし、ガスの圧力の閾値の下限に達するとフィードバック制御でレギュレータバルブ4を一定時間開きアキュムレータタンク6に燃料であるガスを充填する。このガス充填工程をスラスタ9動作時にガスの圧力が閾値の下限に達するたびに繰り返す。
Gas pressure control during thruster operation will now be described. When
以上、本発明の第1の実施形態について説明した。第1の実施形態に係るガス供給システム100では、MOF充填タンク1からアキュムレータタンク6までのガス圧力制御機構(バルブ3およびレギュレータバルブ4)を1系統のみ備えていたが、冗長性を持たせるために、ガス圧力制御機構をもう1系統以上備えてもよい。また、レギュレータバルブ4とアキュムレータタンク6との間に、流量を律速するオリフィスをさらに備えてもよい。ガス供給システム100の第1圧力センサ2及び第2圧力センサ5は、冗長性を持たせるために、2以上備えてもよい。
The first embodiment of the present invention has been described above. In the
本発明の第1の実施形態に係るガス供給システム100は、スラスタ側のガス圧力制御機構(スラスタバルブ7およびオリフィス8)を1系統のみ備えていたが、スラスタ側のガス圧力制御機構を2以上備えていてもよい。また、ガス供給システム100は、燃料の充填用のバルブをさらに備えていてもよい。また、本実施形態に係るガス供給システム100は、圧力センサのみを備えていたが、さらに、温度センサを備えていてもよい。
The
(第2の実施形態)
以下、図2を参照し、本発明の第2の実施形態に係るガス供給システム100Aを説明する。
ガス供給システム100Aは、金属有機構造体充填タンク(MOF充填タンク)1、第1圧力センサ2a、ラッチバルブ10、比例流量制御バルブ11、第3圧力センサ12、図示しない制御部、および配管30g、30h、および30iを備える。以下各部について説明する。推進システム200Aは、ガス供給システム100Aにさらに、スラスタ9を備える。以下、第1の実施形態に係るガス供給システム100Aと同じ構成、同じ機能については、説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
Second Embodiment
A
The
(第1圧力センサ)
第1圧力センサ2aはMOF充填タンク1とラッチバルブ10とをつなぐ配管30gの間に設けられる。第1圧力センサ2aは、MOF充填タンク1側のガスの圧力を計測し、図示しない制御部にMOF充填タンク1側の圧力の情報を送る。
(First pressure sensor)
The
(ラッチバルブ)
ラッチバルブ10は、バルブの開閉で、比例流量制御バルブ11に送るガス供給のON/OFF制御をする。ラッチバルブ10は、配管30hを通し、比例流量制御バルブと接続される。
(Latch valve)
The latch valve 10 opens and closes to control the ON/OFF supply of gas to the proportional
(比例流量制御バルブ)
比例流量制御バルブ11は、ラッチバルブ10を通し送られてきたガスの流量を制御する。
(Proportional flow control valve)
The proportional
(第3圧力センサ)
第3圧力センサ12は、比例流量制御バルブ11とスラスタ9とを繋ぐ配管30iの間に設けられる。第3圧力センサ12は、比例流量制御バルブ11から送られたガスの圧力を測定し、図示しない制御部に、その圧力の情報を送る。
(Third pressure sensor)
The
(制御部)
図示しない制御部は、ラッチバルブ10および比例流量制御バルブ11を制御する。ガスの圧力制御は、第1圧力センサ2aおよび第3圧力センサ12から得られた情報に基づいて、行われる。
(Control Unit)
A control unit (not shown) controls the latch valve 10 and the proportional
以上、本発明の第2の実施形態について説明した。第2の実施形態に係るガス供給システム100Aは、MOF充填タンク1から比例流量制御バルブ11までのガス圧力制御機構(ラッチバルブ10)を1系統のみ備えていたが、冗長性を持たせるために、2以上のガス圧力制御機構を備えていてもよい。第2の実施形態に係るガス供給システム100Aは、第1圧力センサ2a付近に温度センサをさらに備えていてもよい。第2の実施形態に係るガス供給システム100Aは、第3圧力センサ12付近に温度センサをさらに備えていてもよい。第1圧力センサ2a及び第3圧力センサ12は、冗長性を持たせるために、2以上備えてもよい。また、ガス供給システム100Aは、燃料の充填用のバルブをさらに備えていてもよい。第2の実施形態に係るガス供給システム100Aは、比例流量制御バルブ11の代わりに、熱膨張を利用して流量を制御するサーモスロットルを備えてもよい。
The second embodiment of the present invention has been described above. The
本発明の第1の実施形態に係る推進システム200Aは、スラスタ側のガス圧力制御機構(比例流量制御バルブ11およびスラスタ9)を、1系統のみ備えていたが、スラスタ側のガス圧力制御機構を2以上備えていてもよい。
The
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態に係るガス供給システム100Bを、図3を参照して説明する。
なお、この第3の実施形態においては、第1の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。ガス供給システム100Bは、MOF充填タンク1b、バルブ15、配管30j、図示しない制御部を備える。以下各部について説明する。
Third Embodiment
Next, a
In the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and their description is omitted. Only the differences are described. The
MOF充填タンク1aは、金属有機構造体(MOF)が充填されたガスタンクである。MOF充填タンク1aは、配管30jを介し真空装置20と接続している。また、配管30j上には、バルブ15が設けられている。
The MOF filling tank 1a is a gas tank filled with a metal-organic framework (MOF). The MOF filling tank 1a is connected to the
MOF充填タンク1aの材質としては、Ti、Ti合金、Al合金、Mg合金および炭素繊維強化樹脂(CFRP)、Fe、Fe合金などが挙げられる。 Materials for the MOF-filled tank 1a include Ti, Ti alloys, Al alloys, Mg alloys, carbon fiber reinforced plastic (CFRP), Fe, Fe alloys, etc.
MOF充填タンク1aに充填されるガスとしては、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウム、水素、酸素、窒素、塩素が挙げられる。 Gases that can be filled into the MOF filling tank 1a include xenon, krypton, argon, neon, helium, hydrogen, oxygen, nitrogen, and chlorine.
MOFの充填率としては、特に限定されないが、MOF充填タンク1aの全容積の60%以上であることが好ましい。MOF充填タンク1aのより好ましい充填率は、MOF充填タンク1aの全容積の70%以上である。MOF充填タンク1aのさらに好ましい充填率は、MOF充填タンク1aの全容積の75%以上である。 The filling rate of the MOF is not particularly limited, but is preferably 60% or more of the total volume of the MOF-filled tank 1a. A more preferred filling rate of the MOF-filled tank 1a is 70% or more of the total volume of the MOF-filled tank 1a. An even more preferred filling rate of the MOF-filled tank 1a is 75% or more of the total volume of the MOF-filled tank 1a.
MOF充填タンク1aに充填されるMOFとしては、特に限定されないが、例えば、SBMOF-1、SBMOF-2、Ni-MOF-74、Co3(HCOO)6、HKUST-1、MOF-5、FMOF-Cu、ZIF-8、MRJ-4I、MOF-505、SIFSIX-3-Ni,SIFSIX-3-Fe、CROFOUR-1-Ni、UIO-66、PCN-14、NOTT-100、NOTT-103、MOF-74-Co、MOF-74-Mg等が挙げられる。MOF充填タンク1aに充填するMOFは、吸着するガスの種類に応じて適宜選択することができる。 The MOF filled in the MOF filled tank 1a is not particularly limited, and examples thereof include SBMOF-1, SBMOF-2, Ni-MOF-74, Co 3 (HCOO) 6 , HKUST-1, MOF-5, FMOF-Cu, ZIF-8, MRJ-4I, MOF-505, SIFSIX-3-Ni, SIFSIX-3-Fe, CROFOUR-1-Ni, UIO-66, PCN-14, NOTT-100, NOTT-103, MOF-74-Co, MOF-74-Mg, etc. The MOF filled in the MOF filled tank 1a can be appropriately selected depending on the type of gas to be adsorbed.
MOF充填タンク1aに充填されるMOFのBET表面積は特に限定されないが、1000m2/g以上が好ましい。より好ましくは、1400m2/g以上である。MOFのBET表面積の上限は特に限定されない場、例えば、6500m2/gとしてもよい。 The BET surface area of the MOFs packed in the MOF-packed tank 1a is not particularly limited, but is preferably 1000 m 2 /g or more, and more preferably 1400 m 2 /g or more. The upper limit of the BET surface area of the MOFs is not particularly limited, and may be, for example, 6500 m 2 /g.
MOF原料として用いる金属塩は、各種の金属元素を含むものから選択することができ
る。金属塩に含まれる金属元素としては、例えば、Cu、Zn、Co、In、Al、Fe、V、Mg、Mn、Ni、Ru、Mo、Cr、W、RhおよびPdなどが挙げられる。
The metal salt used as the MOF raw material can be selected from those containing various metal elements, such as Cu, Zn, Co, In, Al, Fe, V, Mg, Mn, Ni, Ru, Mo, Cr, W, Rh, and Pd.
金属イオンに配位結合する有機配位子としては、2-アミノテレフタル酸、2,5-ジアミノテレフタル酸、2,5-ジヒドロキシテレフタル酸、1,2,4,5-テトラキス(4-カルボキシフェニル)ベンゼン、1,3,5-トリス(4’-カルボキシ[1,1’-ビフェニル]-4-イル)ベンゼン、1,3,5-トリス(4-カルボキシフェニル)ベンゼン、2,6-ナフタレンジカルボン酸、2-ヒドロキシテレフタル酸、3,3’,5,5’-テトラカルボキシジフェニルメタン、4,4’,4”-S-トリアジン-2,4,6-トリル-トリ安息香酸、9,10-アントラセンジカルボン酸、ビフェニル-3,3’,5,5’-テトラカルボン酸、ビフェニル-3,4’,5-トリカルボン酸、テレフタル酸、トリメシン酸、[1,1’:4’,1”]テルフェニル-3,3’,5,5’-テトラカルボン酸、イミダゾール、2-メチルイミダゾールなどが挙げられる。 Organic ligands that form coordinate bonds with metal ions include 2-aminoterephthalic acid, 2,5-diaminoterephthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 1,2,4,5-tetrakis(4-carboxyphenyl)benzene, 1,3,5-tris(4'-carboxy[1,1'-biphenyl]-4-yl)benzene, 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 3,3' , 5,5'-tetracarboxydiphenylmethane, 4,4',4"-S-triazine-2,4,6-tolyl-tribenzoic acid, 9,10-anthracenedicarboxylic acid, biphenyl-3,3',5,5'-tetracarboxylic acid, biphenyl-3,4',5-tricarboxylic acid, terephthalic acid, trimesic acid, [1,1':4',1"]terphenyl-3,3',5,5'-tetracarboxylic acid, imidazole, 2-methylimidazole, etc.
MOF充填タンク1aに充填するMOFの形状は、例えば、粉末状、ペレット状などが挙げられる。取り扱いのしやすさから充填するMOFの形状は、ペレット状に成型されていることが好ましい。 The shape of the MOF filled into the MOF filling tank 1a may be, for example, powder or pellet form. For ease of handling, it is preferable that the MOF filled be molded into pellet form.
MOF充填タンク1aのガス貯蔵時の圧力は0Pa以上1MPa未満である。ガス貯蔵時の圧力が1MPa未満であれば、例えば3.0MPaに対応した場合よりもタンクの厚さを薄くできるので、構造質量を低減することができる。また、この圧力範囲であれば、MOFに吸着されるガスの量を増やすことができるので、従来のガスタンクよりも多量のガスを貯蔵できる。そのため、MOF充填タンク1aを小型化することができる。ガスの圧力が1MPa未満であれば、ガスタンクの耐圧試験が簡単になるので、製造コストを低減することができる。より好ましいガス貯蔵時の圧力は、0.2MPa以下である。ガス貯蔵時の圧力が0.2MPa以下であれば、さらに構造質量を低減することができる。さらに好ましくは、ガス貯蔵時の圧力は、0.1MPa以下である。ガス貯蔵時の圧力の下限は特に限定されないが、例えば、0.01Paまたは、0.1Paである。 The pressure during gas storage in the MOF-filled tank 1a is 0 Pa or more and less than 1 MPa. If the pressure during gas storage is less than 1 MPa, the thickness of the tank can be made thinner than when it is compatible with, for example, 3.0 MPa, and the structural mass can be reduced. In addition, if the pressure is within this range, the amount of gas adsorbed by the MOF can be increased, and a larger amount of gas can be stored than in conventional gas tanks. Therefore, the MOF-filled tank 1a can be made smaller. If the gas pressure is less than 1 MPa, pressure resistance testing of the gas tank is simplified, and the manufacturing cost can be reduced. A more preferable pressure during gas storage is 0.2 MPa or less. If the pressure during gas storage is 0.2 MPa or less, the structural mass can be further reduced. More preferably, the pressure during gas storage is 0.1 MPa or less. The lower limit of the pressure during gas storage is not particularly limited, but is, for example, 0.01 Pa or 0.1 Pa.
(バルブ)
バルブ15の開閉は、図示しない制御部によって、制御される。バルブ15の開閉によって、MOF充填タンク1aから送られてきたガスの圧力が調整される。
(valve)
The opening and closing of the
(制御部)
図示しない制御部は、バルブ15を制御する。制御は、バルブ15付近に設けられた図示しない圧力センサー、温度センサーなどから得られた情報に基づいて、制御される。圧力センサ、温度センサーは、例えば、MOFタンク1aをモニタする高圧センサー及び温度センサーと真空装置20をモニタする低圧センサー及び温度センサーとが挙げられる。
(Control Unit)
A control unit (not shown) controls the
(真空装置)
MOF充填タンク1aと接続される真空装置20は、真空環境下で、ガスを供給する機構がある装置であれば、特に限定されない。このような真空装置20としては、真空蒸着装置、ドライエッチング装置などが挙げられる。
(Vacuum device)
The
(ガス圧とガス吸着量の関係)
次に、MOFのガス吸着量とガス圧との関係を説明する。ここでは、Xeのガス圧とMOFへのXeの吸着量との関係を説明する。図4は、MOF充填タンク1中にMOF(MOF-74-Co)を充填した場合のガス圧とガスの吸着量の関係を示す図である。図4の実線は、1MPaまでのXeの吸着量の測定結果を、下記(1)式で表されるBET(Brunauer,Emmett,Teller)吸着等温式でフィッティングすることで得られた結果である。下記(1)式中のwは吸着量を示し、wmは、単分子で吸着された場合の吸着量、pは圧力、p0は、吸着物質の蒸気圧、cは吸着熱などに関するパラメータを示す。図4の縦軸は、MOF1gに対するXeの吸着量(gxe/gMOF)を示し、横軸はXeのガス圧(MPa)を示す。ここで、図4中の点aはガス圧:0.1MPa、吸着量:0.80gxe/gMOFを意味し、bはガス圧:3MPa、吸着量:1.57gxe/gMOFを意味し、cはガス圧:1MPa、吸着量:1.27gxe/gMOFを意味し、dはガス圧:0MPa、吸着量:0gxe/gMOFを意味する。
(Relationship between gas pressure and gas adsorption amount)
Next, the relationship between the gas adsorption amount of MOF and the gas pressure will be described. Here, the relationship between the gas pressure of Xe and the adsorption amount of Xe to MOF will be described. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the gas pressure and the adsorption amount of gas when MOF (MOF-74-Co) is filled in the
従来は、aとb間での使用であったので、ガス圧は0.1MPa~3MPa、ガス吸着量は0.80gxe/gMOF~1.57gxe/gMOFの間で変化することになる。すなわち、従来の場合は、1gのMOFに対して、0.77gガスを貯蔵することができる。一方、aとcの間で使用する場合、ガス圧は0MPa~1MPa、吸着量は、0gxe/gMOF~1.27gxe/gMOFの間で変化する。すなわち、ガス圧0MPa~1MPaの間で使用することで、1gのMOFに対し1.27gガスを貯蔵することができる。宇宙は真空のため、1MPa未満でも吸着したガスを放出することができる。そのため、ガスの上限の圧力を低減しても問題はなく、MOF充填タンク1の構造質量を低減することができる。また、同様に真空装置20の場合も同様に1MPa未満で、吸着したガスを放出することができるので、MOF充填タンク1aの構造質量を低減することができる。また、MOF充填タンク1、1aは、MOFのガス吸着量の変化が大きい圧力範囲を活用するため、非特許文献1のような従来のガス供給システムのタンクよりもガスを多く貯蔵できる。そのため、タンクの容積を小さくすることができる。そのため、ガス供給システム100、100A、100Bは、従来のガス供給システムよりも小型化することができる。
Conventionally, since it was used between a and b, the gas pressure changes between 0.1 MPa and 3 MPa, and the gas adsorption amount changes between 0.80 g xe /g MOF and 1.57 g xe /g MOF . That is, in the conventional case, 0.77 g of gas can be stored for 1 g of MOF. On the other hand, when it is used between a and c, the gas pressure changes between 0 MPa and 1 MPa, and the adsorption amount changes between 0 g xe /g MOF and 1.27 g xe /g MOF . That is, by using it between a gas pressure of 0 MPa and 1 MPa, 1.27 g of gas can be stored for 1 g of MOF. Since space is a vacuum, the adsorbed gas can be released even at less than 1 MPa. Therefore, there is no problem even if the upper limit pressure of the gas is reduced, and the structural mass of the MOF-filled
以上に示した通り、本実施形態に係るガス供給システムは、従来よりも軽量、かつ、小型である。 As described above, the gas supply system according to this embodiment is lighter and smaller than conventional systems.
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明に係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例の構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and variations are possible within the scope of the present invention described in the claims. For example, the components in the above embodiment can be replaced with well-known components as appropriate, and the components of the above-mentioned modified examples can be combined as appropriate.
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these.
(MOFにおける吸着量評価)
MOFは、Atomics社製MOF-74-CoおよびMO-74-Mgを用いた。ペレット状に成型した各MOFをそれぞれ別のタンクに充填し、常温で圧力を0.004MPa~1000MPaまで変えた際の、1gのMOFに対するXeの吸着量を測定した。得られた結果を図5に示す。図5の横軸は圧力(kPa)、縦軸は1gのMOFに対するXeの吸着量(gxe/gMOF)を示す。真空から徐々にXeの圧力を高めていくとMOF-74-CoおよびMOF-74-Mgともに、100kPaでは、MOF1gあたり、0.7g~0.8g程度のXeが吸着した。1000kPaでは、MOF-74-Co、MOF-74-Mgは、MOF1gあたり、1.2g~1.4g程度のXeが吸着した。よって、従来通り、ガス圧の下限を1気圧(100kPa)とすると、MOF1gあたり、0.7g程度しかXeを取り出せない。一方、宇宙で用いる場合と同じく1kPaまで減圧すると、ほぼ吸着したXeを取り出せることが分かった。
(Evaluation of adsorption amount in MOF)
The MOFs used were MOF-74-Co and MO-74-Mg manufactured by Atomics. Each MOF molded into a pellet shape was filled into a separate tank, and the amount of Xe adsorbed per 1 g of MOF was measured when the pressure was changed from 0.004 MPa to 1000 MPa at room temperature. The results are shown in FIG. 5. The horizontal axis of FIG. 5 indicates pressure (kPa), and the vertical axis indicates the amount of Xe adsorbed per 1 g of MOF (g xe /g MOF ). When the Xe pressure was gradually increased from vacuum, both MOF-74-Co and MOF-74-Mg adsorbed about 0.7 g to 0.8 g of Xe per 1 g of MOF at 100 kPa. At 1000 kPa, MOF-74-Co and MOF-74-Mg adsorbed about 1.2 g to 1.4 g of Xe per 1 g of MOF. Therefore, if the lower limit of gas pressure is 1 atmosphere (100 kPa), as in the past, only about 0.7 g of Xe can be extracted per 1 g of MOF. On the other hand, it was found that if the pressure is reduced to 1 kPa, as in the case of use in space, almost all of the adsorbed Xe can be extracted.
(ガス供給システムの質量比較)
従来のガス供給して生むと本実施例における燃料タンクとの質量比較について説明する。
(Gas supply system mass comparison)
A comparison of mass between a conventional gas supply tank and the fuel tank of this embodiment will be described.
(従来のガス供給システム)
質量比較の前に、従来のガス供給システムについて説明する。図6に従来のガス供給システム300を示す。図6のガス供給システムは、機械式変調器を組み合わせた2段階調圧式のガス供給システムである。このガス供給システム300は、高圧タンク20、機械式レギュレータ21、ソレノイドバルブ22、アキュムレータ23、スラスタバルブ24、および流量制御器25を備える。このガス供給システム300では、機械式レギュレータ21によって、0.1MPaまで減圧し、その後、ソレノイドバルブ22によって、アキュムレータ23中のガス圧力を0.03MPaまで微調整する。微調整されたガス圧は、スラスタバルブ24および流量制御器25によって、ガス圧を1kPaまでに調整し、推進器まで送られる。高圧のガスを用いた場合は、このように、複数の圧力調整機構が必要となるので、構造質量が高くなる。
(Conventional gas supply system)
Before comparing masses, a conventional gas supply system will be described. FIG. 6 shows a conventional
表1に、本実施例のガス供給システムと従来のガス供給システムの質量比較を示す。 Table 1 shows a mass comparison between the gas supply system of this embodiment and a conventional gas supply system.
表1に示す通り、従来1453gほどであった燃料タンクが900gほどになった。本実施例では、燃料タンクの質量のうち、MOFの質量が640gである。燃料タンクの材料は、高圧用のタンクから低圧用のタンクになるので、MOFを含まない燃料タンクの質量は、1453gから260gとなった。また、レギュレータや高圧ドレインバルブが不要となり、質量がその分、従来のガス供給システムより低減した。また、配管などのチューブも従来の高圧仕様から、1MPa以下の低圧仕様になった。体積比では、従来の燃料タンクのタンク容積2Lに対して、MOFを用いた場合は0.8Lになるので、体積を50%以上削減できる。体積の小型化によって、ブラケットも軽量化できた。以上の軽量効果により、燃料質量/構造質量では、従来方式では30%であったものが、本実施例のガス供給システムでは、56%まで向上した。 As shown in Table 1, the fuel tank, which was previously about 1,453 g, is now about 900 g. In this embodiment, the mass of the MOF is 640 g of the fuel tank. The fuel tank is made of low-pressure material instead of high-pressure material, so the mass of the fuel tank without the MOF is 260 g instead of 1,453 g. In addition, a regulator and a high-pressure drain valve are no longer necessary, so the mass is reduced compared to the conventional gas supply system. In addition, the tubes such as piping are also changed from the conventional high-pressure specification to a low-pressure specification of 1 MPa or less. In terms of volumetric ratio, the tank volume of the conventional fuel tank is 2 L, but when the MOF is used, it is 0.8 L, so the volume can be reduced by more than 50%. The reduction in volume also made it possible to reduce the weight of the bracket. As a result of the above weight reduction effect, the fuel mass/structural mass ratio, which was 30% in the conventional method, has been improved to 56% in the gas supply system of this embodiment.
本実施形態に係るガス供給システムは、軽量、かつ、小型であるので、産業上利用可能性が高い。 The gas supply system according to this embodiment is lightweight and compact, making it highly applicable industrially.
1 MOF充填タンク
2 第1圧力センサ
3 バルブ
4 レギュレータバルブ
5 第2圧力センサ
6 アキュムレータタンク
7 スラスタバルブ
8 オリフィス
9 スラスタ
30a、30b、30c、30d、30e、30f 配管
100 ガス供給システム
200 推進システム
REFERENCE SIGNS
Claims (6)
前記金属有機構造体充填タンクの圧力が0Pa以上0.1MPa以下である、
ガス供給システム。 A metal-organic framework filling tank is provided which is filled with a metal-organic framework that adsorbs a gas,
The pressure of the metal-organic framework filling tank is 0 Pa or more and 0.1 MPa or less .
Gas supply system.
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