JPH05193596A - 宇宙船内の排熱方法と装置 - Google Patents

宇宙船内の排熱方法と装置

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JPH05193596A
JPH05193596A JP4243766A JP24376692A JPH05193596A JP H05193596 A JPH05193596 A JP H05193596A JP 4243766 A JP4243766 A JP 4243766A JP 24376692 A JP24376692 A JP 24376692A JP H05193596 A JPH05193596 A JP H05193596A
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    • B64G1/46Arrangements or adaptations of devices for control of environment or living conditions
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 無重力下で且つ異なる加速度で飛行する宇宙
船の中で排熱する方法と装置を開示する。装置は少なく
とも1個の活性液体冷却回路を有する。この回路でプロ
セス室を冷却される液体と気化される媒体が貫流する。 【構成】 プロセス室を相互に離れた少なくとも2個の
段1、2、3から構成する。これらの段1、2、3に異
なる圧力・温度条件がある。これらの段はそれぞれ連結
導管5、6を介して相互に連結される。 【効果】 気化される媒体の気化温度を負荷と対圧に無
関係に低く保もつことができる。常に必要な熱量を排出
することができる。しかし温度は高く保つことができ
る。冷却液と、気化される媒体を収容する構造要素との
間の境界層でも結氷の危険が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、プロセス室中で少な
くとも1個の活性液体冷却回路に属する冷却液と気化さ
れる媒体とを熱的に接触させ、その結果熱を気化される
媒体に伝達し、続いて蒸気の形態にして宇宙船の周囲に
放出する、無重力下で且つ異なる加速度で飛行する宇宙
船内の熱を排出するための方法及びこの方法を実施する
ための装置に関する。
【0002】地球大気圏を通る上昇相或いは下降相中に
あるか或いは地球回転軌道中で異常な熱負荷に会う宇宙
船では発生する熱を確実に且つ安全に排除する必要があ
る。この目的のために専ら気化熱交換機が使用される。
【0003】
【従来の技術】この種の熱交換機の基本的な方法原理
は、活性液体回路の冷却される媒体を排熱のために気化
される媒体と伝熱接触させることにある。気化される媒
体は冷却剤と共に運ばれる貯槽に蓄えられ、続いて蒸気
にして宇宙船から周囲に放出される。
【0004】気化される媒体をできる限り完全に気化し
て最善の状態で使用するためにその場合重要なのは冷却
液と気化される媒体との間のできる限り良好な熱的接触
と、従ってまたできる限り完全な熱伝達を確保すること
である。
【0005】たとえばドイツ連邦共和国特許公報371887
3 に記載してあるような公知の熱交換機では冷却液は個
々の管路を経てプロセス室を貫流する。プロセス室には
気化される媒体が入口弁から滴り状に吹き込まれる。気
化熱交換機の他の種類のものでは冷却液は明らかにプロ
セス室を通って流れ、一方気化される媒体はこの空間を
通って通常束になって配設された個々の管路に通され
る。その場合冷却液は更にプロセス室内に設けられた絞
りによってジグザグ状に流動するように強制される。
【0006】この、最後に記載した種類の気化熱交換機
はM.Bottacini, A.Moscatelli とC.Ferro の印刷物「HE
RMES Thermal Control Design and Architecture 」2
1st. ICES-Conference, 1991 SAE 911 499 の12頁に
記載がある。この公知の熱交換機では要件は次の点にあ
る。即ちこの印刷物に記載された例では最大負荷の30
〜100%の間で変化することがあるその都度排熱され
る熱負荷と無関係にこの例では水流から成る液体冷却循
環の排出温度は6度Cに一定している。
【0007】気化される媒体としてはこの公知の熱交換
機では液体アムモニア(NH3 )が選定されている。こ
の媒体は対応する貯槽から出て噴出装置を介して気化機
に入れられ、気化の後周囲に放出される。アムモニアの
温度は貯槽の中では0度〜70度で、圧力も飽和圧に相
当するか或いは窒素ガスまたはヘリウムガスのあるタン
クの接触衝撃によって高まる。
【0008】気化機への液体アムモニアの供給の際圧力
は急激に低下する。従って噴射弁の直後で既に、供給さ
れた液体を弁の後方の飽和温度にするのに必要な量のア
ムモニアが気化する。これが気化機中の圧力の機能であ
る。
【0009】特別の技術的装置なしに気化機中の圧力
は、気化したアムモニアが導入される周囲の絶対圧力に
のみ左右され、排出管路を通って流れるアムモニアの圧
力損失と場合によっては排出管路中の音響横断面の圧力
飛躍に左右される。
【0010】断熱気化の際に発生したアムモニアの温度
は、熱を冷却液回路から吸収できるように、常に水温よ
り冷たくなければならない。しかしいかなる場合でも、
水流の限界層中に局部的着氷が生じる程低くてなっては
いけない。
【0011】この種の熱交換機は真空雰囲気(たとえば
ほぼ600pa)中でも、また標準大気圧(101.3
kPa)でも作動しなければならず、幅広い負荷スペク
トラムによって大きさの異なるアムモニア流が発生しな
ければならないので、気化圧と従ってまた気化温度は負
荷と伝達とによって変化する。気化温度は完全負荷の場
合には最大で、部分負荷の場合には最低となる。
【0012】アムモニア気化圧と温度の調整について前
記文献中に提案されていることは、気化される媒体の入
口側に予圧力調整弁を設けて気化室中の圧力を発生した
蒸気流とそして同時に周囲の圧力と無関係に一定に保つ
ということである。そのような弁は、故障を100%
防止することはできない機械的構成要素なので、この場
合には過剰にならないようにするために少なくとも1個
の弁を設けるかもう2個別の弁を有する平行索を設けな
ければならない。全部で4個の弁から成るそのような構
造では費用が増大する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、プ
ロセス室中で少なくとも1個の活性液体冷却回路に属す
る冷却液と気化される媒体とを熱的に接触させ、その結
果熱を気化される媒体に伝達し、続いて蒸気の形にして
宇宙船の周囲に放出する、無重力下で且つ異なる加速度
で飛行する宇宙船内の熱を排出するための方法を次のよ
うに構成することにある。即ち簡単な仕方で且つ機械要
素を追加しないで、気化される媒体の気化温度を負荷と
対圧に無関係に低く保ち、常に熱の必要量を排出するこ
とができて同時に温度を充分高く保ち、冷却液と、気化
される媒体を含む構造部分との間の限界層でも着氷の危
険を防止することができるように構成することにある。
更にもう一つの課題は、この方法を実施するための装置
の用意である。
【0014】
【課題を解決するための手段】この課題は、気化熱交換
機を、異なる圧力と温度の条件をもちそこから生じる異
なる負荷スペクトルを有する、空間的に離れた、少なく
とも2つの段に分けることで解決される。この発明の方
法の有利な構成では気化媒体と冷却液がこれらの段を反
対の順序で貫流する。即ち気化される媒体は先ず、冷却
液がその最後の冷却を行う段の中に達し、最後に冷却液
が最初に冷却される段を貫流する。
【0015】その場合気化される媒体として有利なのは
液体アムモニア或いは水素(H2 )が使用され、一方冷
却としてこの発明の方法では水が有利であることが実証
された。特別な伝達要件がある場合にはこの発明の方法
と連結して、段の一つ、特に冷却液のための出口段で気
化される媒体が部分的にのみ気化されるように圧力条件
と温度条件を選定する場合には更に特に有利である。
【0016】他の課題を解決するためにこの発明ではプ
ロセス室を相互に離れている少なくとも2個の段から構
成し、これらの段に異なる圧力と温度の条件をつけ、こ
れらの段をそれぞれ連結導管を介して相互に連結する。
【0017】
【実施例】以下に実施例を示した図について更に詳記す
る。図は3段構成の気化熱交換機の原理を示す。これら
の段は相互に離なれた3個の小室1〜3から成る。これ
らの小室は共通の枠内に配設される。枠は図示してな
い。個々の小室は、初めに記載した文献に記載されてい
るように構成することができる。従って円筒状の小室1
〜3の中にはそれぞれ長手方向の小管の束があり、これ
らの小管を気化される媒体、この例ではアムモニア、が
貫流し、小管の周囲をこの例では水である液体が流れ
る。
【0018】気化される媒体は入口弁4を経て熱交換機
の第一段の小室1に入り、この小室1を通って、連結導
管5を介して第二の段を形成する小室2に流入する。媒
体はここから第二の連結導管6を介して最後の段、即ち
小室3に入り、この小室から出口7を経て最後に、完全
に蒸気となって、外部へ出る。
【0019】流動路を符号8で示した曲線列によって示
した冷却液は出口7の領域で第三段に属する小室3に供
給される。冷却液はこの小室中で気化される媒体を収容
している小管の周りを洗い、1本の連結導管を介して次
の小管としての小室2に入り、最後に小室1に入る。こ
の小室から冷却液は所望の温度に冷却されて再び宇宙船
の被冷却要素の傍らを通って逆流させられる。その場合
冷却液を収容している配管系は図を見やすくするために
示してない。
【0020】小室3に入る冷却液の温度が24〜65度
Cで、小室1を出るとき6度Cだとすると、この冷却に
必要な、アムモニア圧の値は、更に、アムモニアの温度
が常に冷却される冷却液の温度以下でなければならない
と考えると、蒸気圧曲線からほぼ算出できる。その場合
第一段については圧力は355〜516kPaとなる。
この圧力水準は明らかに最大限の周囲圧以上なので、連
結導管5の領域の調整のために音響絞り9を使用し且つ
この箇所に気化される媒体のほぼ一定の容量流を流すの
が有利である。このことは他面、ここでは常に同じ熱量
が伝達されることを意味する。というのは、この第一段
が約24度Cという冷却液の入室温度の最小部分負荷を
考えて設計されているからである。
【0021】従って24度C以上の水温しかない第二段
については似た考えから冷却液の最高温度は35度Cと
なり、気化される媒体に対する最小圧は約160kPa
となる。第一段の圧力を516kPa以上にしないよう
に、第二段の圧力は最高でほぼ280kPaにすべきで
ある。
【0022】第三段及び、前方に別の音響絞り10を備
えた最後の段では冷却液の入室温度が最高で65度Cか
らほぼ35度Cに冷却され、そこから気化される媒体に
ついて約47〜150kPaの範囲の圧力が算定され
る。
【0023】これらの数値は、熱移行係数が冷却液の側
では気化される媒体の側とほぼ同じ大きさであるという
推定から見積もられた。特に好都合な比を想定すると、
この種の気化熱交換機に要求される機能の達成には、即
ち冷却液の6度Cという一定の温度への冷却と気化され
る媒体の蒸気態への完全な移行も二段階構成で充分であ
るということになる。この構成は無論この発明の枠の中
にある。
【0024】
【発明の効果】この発明の構成により簡単な仕方で且つ
機械要素を追加しないで、気化される媒体の気化温度を
負荷と対圧に無関係に低く保ち、常に熱の必要量を排出
することができて同時に温度を充分高く保ち、冷却液
と、気化される媒体を含む構造部分との間の限界層でも
着氷の危険を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】多段構成の気化熱交換機の原理を示す。
【符号の説明】
1 小室 2 小室 3 小室 4 入口弁 5 連結導管 6 連結導管 7 出口 8 流動路 9 音響絞り 10 音響絞り

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プロセス室中で少なくとも1個の活性液
    体冷却回路に属する冷却液と気化される媒体とを熱的に
    接触させ、その結果熱を気化される媒体に伝達し、続い
    て蒸気の形にして宇宙船の周囲に放出する、無重力下で
    且つ異なる加速度で飛行する宇宙船内の熱を排出するた
    めの方法において、伝熱接触を相互に空間的に離れてい
    る少なくとも2個の領域(1、2、3)中で行い、これ
    らの領域中で異なる圧力条件と温度条件を設定し、冷却
    液と気化される媒体とを案内して、冷却液をして先ず最
    高温と最高圧とを有する第一段(1)を貫流させ、続い
    て圧力及び或いは温度が漸小する段(2、3)を貫流さ
    せることを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 冷却液と気化される媒体をして反対の順
    序で個々の段(1、2、3)を貫流させることを特徴と
    する請求項1の方法。
  3. 【請求項3】 冷却液が水であることを特徴とする請求
    項1または2の方法。
  4. 【請求項4】 気化される媒体がアムモニア(NH3
    であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一の方
    法。
  5. 【請求項5】 段(1、2、3)の何れか一の段で気化
    される媒体の部分的気化のみを行うように圧力条件と温
    度条件及び気化される媒体を選択することを特徴とする
    請求項1〜3の何れか一の方法。
  6. 【請求項6】 気化される媒体が液体水素(H2 ) であ
    ることを特徴とする請求項5の方法。
  7. 【請求項7】 個々の段(1、2、3)の中で冷却液の
    主流動方向が気化される媒体の流動方向と本質的に反対
    方向であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一の
    方法。
  8. 【請求項8】 個々の段(1、2、3)の中で冷却液の
    主流動方向が気化される媒体の流動方向と本質的に同方
    向であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一の方
    法。
  9. 【請求項9】 少なくとも1個の活性液体冷却回路を有
    する気化熱交換機の形をしていて、プロセス室を冷却さ
    れる液体と気化される媒体が貫流するものにおいて、プ
    ロセス室を相互に離れている少なくとも2個の段(1、
    2、3)から形成し、これらの段(1、2、3)に異な
    る圧力と温度の条件があり、これらの段はそれぞれ連結
    導管(5、6)を介して相互に連結されていることを特
    徴とする請求項1〜8の何れか一の方法を実施するため
    の装置。
  10. 【請求項10】 個々の段(1、2、3)の間の連結導
    管(5、6)に少なくとも1個の音響絞り(9)を設け
    てあることを特徴とする請求項9の方法。
  11. 【請求項11】 気化される媒体を小管を介して個々の
    段を形成する小室(1〜3)に通し、小管の周りを冷却
    液が流れることを特徴とする請求項9または10の装
    置。
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