JPH0626403A - エンジン燃料の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンジンに供給される燃料の温度を確実に所
定の設定温度になるようにする。 【構成】 水素を燃料として用いるロケット用エンジン
試験装置１のエンジン２に供給されるエンジン燃料の温
度制御装置において、上記エンジン２に燃料を供給する
経路は第一経路３ａと第二経路３ｂとに分岐され、これ
らの第一経路３ａと第二経路３ｂとは下流で合流し、上
記第一経路３ａにはこの経路内を流通する燃料を加温す
る加温器４ａが設けられ、上記第二経路３ｂには第二制
御弁３６が設けられ、第一経路３ａの加温器４ａの下流
側と第二経路３ｂの下流側との合流点には上記両経路を
流通してきた燃料を混合するミキサー６が設けられ、こ
のミキサー６出口の燃料温度を検出する温度計Ｔが設け
られ、この温度計Ｔが検出した温度を基にミキサー６出
口の燃料の温度が予め設定された温度になるように第二
制御弁３６の開度を設定する温度制御計５が設けられて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロケットエンジンの試
験装置に供給される燃料の温度を制御するエンジン燃料
の温度制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ロケットは、搭載された燃料をロケット
エンジン内で燃焼させ、発生するガスをエンジンのノズ
ルから噴射させることによってその反動で推進するよう
に構成されている。燃料の種類によって固体燃料と液体
燃料とに分類され、それぞれ一長一短があるが、制御が
容易であること、安定した推進力が得られることなどの
理由で、人工衛星打ち上げ用の大型ロケットにおいて
は、近年液体燃料が好んで用いられる傾向にある。

【０００３】液体燃料については、古くから石油系の燃
料が盛んに用いられてきたが、軽量であること、および
推進力が大きいことから、最近では液体水素が用いられ
ることが多い。この液体水素は、酸化剤として別の容器
に貯蔵された液体酸素とペアーで使用され、加温されて
ガス化した水素はエンジン内で同様ガス化した酸素と合
流されて燃焼し、その燃焼排ガスである二酸化炭素と水
とがノズルから噴射されてロケットの推進力が発生す
る。

【０００４】このように、ロケットエンジンの原理は極
めて単純で判り易いが、実際に実用的にこのロケットエ
ンジンを製作するには、燃料および酸化剤の供給システ
ムや、燃焼室やノズルの形状など、種々検討すべき課題
は多い。そのようなことから、新たにロケットエンジン
を開発するときには、予めそのロケットエンジンに関す
る各種の試験が行われるが、この試験を効率的に実行す
るために、通常実際のロケットエンジンを模したエンジ
ン用試験装置が使用される。

【０００５】ところで、図２は上記のような従来のエン
ジン用試験装置の燃料供給系統の一部を示す説明図であ
る。この図に示すように、試験装置１はエンジン２とこ
のエンジンに燃料としての水素を供給する供給経路３
と、この供給経路３の途中に設けられた加温器４とから
基本構成されている。この加温器４は、供給経路３を通
って移送されてきた液体水素を所定温度の水素ガスにす
るためのものであり、加温器４に導入された液体水素
は、導管Ｐを介して供給されるエンジンの燃焼排ガスな
どの高温ガスと加温器４内で熱交換されて気化するよう
になっている。

【０００６】そして、上記加温器４の下流側には温度計
Ｔが設けられており、また導管Ｐの加温器４の上流側に
は制御弁Ｐ１が設けられており、上記温度計Ｔと制御弁
Ｐ１とは制御装置としての温度制御計５を介して信号線
で接続されている。上記温度計Ｔが検出した温度信号は
上記温度制御計５に入力され、この入力された温度信号
が予め設定された温度と異なるときは、この温度を適正
な値にするために、導管Ｐに設けられた制御弁Ｐ１の開
度を適正に開閉する指令が温度制御計５から制御弁Ｐ１
に発信されるように構成されている。

【０００７】従って、供給経路３を通って、加温器４を
介してエンジン２に供給される水素の温度は、予め設定
された温度に制御されるため、エンジン２はバラツキの
少ない安定した推進力を発揮する。なお、燃料の供給経
路３に設けられた温度計Ｔよりも下流側には、マニュア
ル操作の遮断弁３２と水素の流量制御を行うための制御
弁３１とが設けられている。この制御弁３１の制御系統
については図示を省略している。

【０００８】また、図示はしていないが、酸化剤として
の液体酸素についても、上記とほぼ同様の制御が行われ
ており、比例制御によって水素と酸素の混合割合が、予
め設定された混合割合になるようにされており、エンジ
ン２に供給された水素ガスは、適切な量の酸素ガスを得
て燃焼し、それ相当の推進力を発生する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の以上
のような燃料の温度制御装置にあっては、供給経路３を
介してエンジン２に供給される液体水素は、加温器４に
おいて導管Ｐを介して外部から供給される高温ガスと熱
交換され、気化して水素ガスとなりエンジン２に供給さ
れるが、この水素ガスの温度の制御は、上記高温ガスの
流量を制御することによって間接的に行われるため、応
答性および制御範囲の面で必ずしも良好なものではなか
った。

【００１０】つまり、ほぼ定温に制御された貯蔵ボンベ
から液体水素が安定的に供給されるような場合は、従来
の上記のような温度制御であってもエンジン２には定温
の水素ガスが供給され特に問題は生じないが、非定常的
な要素が入るとそれに迅速かつ適切に対応することがで
きず、所定の温度の水素ガスがエンジン２に供給されな
いという不都合が生じる。

【００１１】そのような不都合が生じる場合として以下
を例示することができる。すなわち、燃料の燃焼によっ
て過度に加熱したエンジン２を冷却するために通常液体
水素が熱交換の媒体として用いられるが、上記熱交換に
よって気化した水素ガスがエンジンの燃料としてその供
給経路３に導入されるように構成されることがある。こ
のような場合、供給経路３内を流れる水素の温度はバラ
ツキが大きくなりすぎ、従来のような加温器４における
単なる熱交換のみによる温度制御では設定温度に追随す
ることができず、結局予め設定された所定の温度が実現
しない状態で水素ガスはエンジン２に供給されることに
なる。

【００１２】また、エンジン始動の直後には、加温器４
の性能がいまだ定常状態に到達しておらず、従って、供
給経路３内の水素を所定温度まで昇温させることができ
ないにも拘らず、供給された燃料水素はそのまま供給経
路３を通過してエンジン２に供給されてしまうという不
都合もある。

【００１３】以上のように、エンジン２内に予め設定さ
れた温度を外れた水素が供給されると、エンジン２内で
安定的な燃焼が行われず、結果としてエンジン２の推進
力にもバラツキが生じ、正確なエンジン試験のテストデ
ータを得ることができないという不都合が発生する。

【００１４】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、ロケット用エンジンの試験装置におい
て、そのエンジンに供給される燃料の温度を精度よく、
確実に予め設定された温度に制御することができるエン
ジン燃料の温度制御装置を提供することを目的としてい
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
エンジン燃料の温度制御装置は、水素を燃料として用い
るロケット用エンジン試験装置のエンジンに供給される
エンジン燃料の温度制御装置において、上記エンジンに
燃料を供給する経路は第一経路と第二経路とに分岐さ
れ、これらの第一経路と第二経路とは下流で合流し、上
記第一経路にはこの経路内を流通する燃料を加温する加
温器が設けられ、上記第二経路には流量制御弁が設けら
れ、第一経路の加温器の下流側と第二経路の下流側との
合流点には上記両経路を流通してきた燃料を混合するミ
キサーが設けられ、このミキサー出口の燃料温度を検出
する温度計が設けられ、この温度計が検出した温度を基
にミキサー出口の燃料の温度が予め設定された温度にな
るように流量制御弁の開度を設定する温度制御計が設け
られていることを特徴とするものである。

【００１６】本発明の請求項２記載のエンジン燃料の温
度制御装置は、請求項１記載のエンジン燃料の温度制御
装置において、上記温度計の下流側の経路には遮断弁が
設けられ、この温度計と遮断弁との間の経路には燃料放
出経路が分岐して設けられ、この燃料放出経路には放出
弁が設けられ、上記温度計からの信号によって上記放出
弁および遮断弁を制御し、上記遮断弁が閉止されるとき
は上記放出弁は開通されるとともに、上記遮断弁が開通
されるときは上記放出弁は閉止されるように制御する弁
開閉制御器が設けられていることを特徴とするものであ
る。

【００１７】

【作用】上記請求項１記載のエンジン燃料の温度制御装
置によれば、第一経路に導入された燃料は、加温器によ
って加温され、第二経路に導入された燃料は加温される
ことなく両者は加温器の下流側に設けられたミキサーに
おいて合流するように構成されているため、温度の異な
る第一経路の燃料と第二経路の燃料とがこのミキサーで
混合され、均一な温度の燃料となってエンジンに供給さ
れる。

【００１８】また、ミキサーの下流側に設けられた温度
計が検出した温度を基にミキサー出口の燃料の温度が予
め設定された温度になるように流量制御弁の開度を設定
する温度制御計が設けられているため、この温度制御計
に予め設定温度を入力しておくことにより、その温度が
実現するように上記流量制御弁の開度が決められ、その
結果加温される燃料と加温されない燃料とが混合された
ものは、上記温度制御計によって設定された温度にな
る。

【００１９】すなわち、制御弁が全閉となった場合に
は、すべての燃料が加温され、制御弁が全開となった場
合には第一経路と第二経路との圧損の比によってきまる
量の燃料が第二経路に導かれるから、加温器の能力を相
当に大きなものにしておけば、燃料の温度はこの加温器
のフル能力見合いの温度から、制御弁が全開となって第
二経路に最大限の燃料が流れた状態の温度までの間の広
い温度範囲の制御が可能になる。

【００２０】上記請求項２記載のエンジン燃料の温度制
御装置によれば、上記温度計の下流側の経路には遮断弁
が設けられ、温度計と遮断弁との間の経路には放出弁が
設けられた燃料放出経路が分岐して設けられ、上記温度
計からの信号によって上記放出弁および遮断弁を制御
し、上記遮断弁が閉止されるときは上記放出弁は開通さ
れるとともに、上記遮断弁が開通されるときは上記放出
弁は閉止されるように制御する弁開閉制御器が設けられ
ているため、この弁開閉制御器に上記温度計から温度信
号が入力されるようにし、予め燃料温度が所定の温度範
囲を越えたときには弁開閉制御機から上記遮断弁に弁閉
止の指令信号を発信するようにしておけば、上記遮断弁
は閉止されるとともに、放出弁は開通され、供給された
燃料は燃料放出経路を介して系外に放出され、エンジン
には到達しない。

【００２１】

【実施例】図１は本発明に係るエンジン燃料の温度制御
装置の一例を示す説明図である。この図に示すように、
試験装置１は、ロケット用のエンジン２と、このエンジ
ン２に水素からなる燃料を供給する燃料の供給経路３
と、上記燃料の一部を加温する加温器４ａとから基本構
成されている。

【００２２】図１に示す燃料の供給経路３の最上流側に
は第一遮断弁３３が設けられており、その下流側に第一
制御弁３４、さらに引き続いて流量計３５が設けられて
いる。また、第一制御弁３４と流量計３５との間には流
量制御計７が設けられており、流量計３５が検出した供
給経路３内を流れる燃料の流量値は、上記流量制御計７
に伝達され、この信号値に基づいて第一制御弁３４の開
度を適切なものにする信号が流量制御計７から第一制御
弁３４に発信されるいわゆるフィードバック制御が行わ
れるように構成されている。

【００２３】従って、流量計３５の下流側の供給経路３
内の燃料は、許容範囲内の予め設定された流量となって
いる。なお、第一遮断弁３３は手動操作で開閉を行う弁
であり、試験装置１を使用する時に開通され、試験終了
時には閉止される。

【００２４】流量計３５に続く供給経路３は、途中で第
一経路３ａと第二経路３ｂとに分岐されている。第一経
路３ａには加温器４ａが設けられている。この加温器４
ａは、供給経路３が螺旋状にされ、または複数に折り返
えされて電熱面積が大きくされた部分を、蓄熱煉瓦など
の蓄熱能力の高い材料で取り囲み、内部には図外の電熱
線などの発熱部材が設けられた、いわゆる蓄熱式の加熱
器であり、この中を通過することによって燃料は加温さ
れる。

【００２５】一方、第二経路３ｂには流量制御弁として
の第二制御弁３６が設けられている。この第二制御弁３
６が全閉の場合は供給経路３内の燃料はすべて加温器４
ａに供給され、逆に第二制御弁３６が全開の場合は第一
経路３ａおよび第二経路３ｂそれぞれの圧損の逆数に比
例する流量比で振り分けられた流量の燃料が第一経路３
ａおよび第二経路３ｂに流れる。上記第一経路３ａの加
温器４ａの下流側と、第二経路３ｂの第二制御弁３６の
下流側とは合流しており、この合流点には第一および第
二経路３ａ、３ｂから合流した燃料が均一に混合される
ためのミキサー６が設けられている。

【００２６】このミキサー６の下流側の燃料供給経路３
には温度計Ｔが設けられており、この温度計Ｔと上記導
管３ｂに設けられた第二制御弁３６とは温度制御計５を
介して信号線で接続されている。そして、温度計Ｔが検
出した温度値は、温度信号として温度制御計５に入力さ
れ、その入力値と予め設定された設定値とが比較され、
設定値と異なる場合には、温度制御計５は第二制御弁３
６にミキサー６の下流側の温度が予め設定された所定の
温度になるように、その開度を適切なものにするための
指令信号を発信する。

【００２７】具体的に説明すると、もしミキサー６の出
口の温度が、設定温度よりも低いときには、温度制御計
５は第二制御弁３６に対して弁の開度を小さくするため
の信号を発信し、ミキサー６の出口温度が設定温度より
も高いときは温度制御計５は第二制御弁３６に対して弁
の開度を大きくするための信号を発信するように構成さ
れている。

【００２８】温度計Ｔの下流側には第二遮断弁３８が設
けられており、第二遮断弁３８を通過した後燃料はエン
ジン２に供給される。そして、温度計Ｔと第二遮断弁３
８との間の供給経路３からは燃料放出経路３ｃが分岐し
て設けられており、この燃料放出経路３ｃには放出弁３
７が設けられている。

【００２９】これらの放出弁３７および第二遮断弁３８
と温度計Ｔとは信号線を介して弁開閉制御器５’と接続
されており、エンジン２の始動前であって、燃料の温度
が予め設定された温度に到達していない状態において
は、弁開閉制御器５’からの指令信号の基に上記第二遮
断弁３８は閉止され、かつ上記放出弁３７は開通される
ように構成されている。そして、加温器４ａが充分に加
熱され、本来の機能を発揮することができるようにな
り、ミキサー６の下流側の温度が設定値に到達したとき
には、その信号を受けた弁開閉制御器５’は第二遮断弁
３８を開き、放出弁３７を閉止するための指令信号を発
信するので、放出弁３７は閉止され、第二遮断弁３８は
開通となり、設定温度に調節された燃料がエンジン２に
供給される状態になる。

【００３０】本発明のエンジン燃料の温度制御装置は以
上のように構成されているので、試験装置１を使用して
エンジン２のテストを実行するに際しては、まず第一遮
断弁３３が開通とされ、加温器４ａが稼働させられ、そ
の後図外の水素ボンベから液体水素が供給経路３内に供
給される。そうすると、まず流量計３５からの信号を基
に流量制御計７からは指令信号が発信されて、第一制御
弁３４は適正な開度を保持し、供給経路３を流れる燃料
は所定の流量に制御される。

【００３１】つぎに、供給経路３内の燃料は第一経路３
ａと第二経路３ｂとに別れて流れ、第一経路３ａにおい
ては加温器４ａによって加温され、加温されていない第
二経路３ｂの燃料とミキサー６で合流する。そして、ミ
キサー６で均一に混合された後その下流側の供給経路３
に導出され、ミキサー６の下流側に設けられた温度計Ｔ
によって測温される。

【００３２】上記測温結果は温度制御計５に伝達される
が、この温度制御計５には予め燃料の設定温度が入力さ
れており、常に入力された測定温度と比較演算がなさ
れ、その結果に応じて第二制御弁３６にその弁の開度を
適正に設定するように指令信号が発信される。この開度
によって第一経路３ａを通って加温される燃料と、第二
経路３ｂを通って加温されない燃料との混合割合が決
る。この混合割合は、所望の設定温度が得られるように
時々刻々決定されるため、ミキサー６の下流側は常に予
め設定された燃料温度になる。

【００３３】ところで、エンジン２の始動初期には、い
まだ加温器４ａは充分に加熱されておらず、従って、第
二制御弁３６が全閉状態であり、すべての燃料が第一経
路３ａを通過するが、燃料は設定温度に到達しない。

【００３４】しかし本実施例においては、弁開閉制御器
５’からの指令によって、温度計Ｔよりも下流側の燃料
供給経路３から分岐して設けられた燃料放出経路３ｃの
放出弁３７が開放されるとともに、供給経路３に設けら
れた第二遮断弁３８が閉止されるため燃料はエンジン２
に供給されない。従って、設定温度以下の燃料でエンジ
ン２が始動することはないから、試験装置１の運転上、
信頼性のあるデータが採取され、試験研究上極めて有益
である。

【００３５】なお、本実施例においては、加温器４ａと
して蓄熱式のものを採用しているが、本発明は、加温器
４ａが蓄熱式に限定されるものではなく、他の高温ガス
との熱交換方式を採用してもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のエンジン
燃料の温度制御装置においては、第一経路に導入された
燃料は、加温器によって加温され、第二経路に導入され
た燃料は加温されることなく両者は加温器の下流側に設
けられたミキサーにおいて合流されてエンジンに供給さ
れる燃料となる。そして、上記第一経路で加温された燃
料と第二経路の加温されていない燃料との混合比は、上
記ミキサーの下流側に設けられた温度計の温度信号を基
に温度制御計を介してフィードバック制御で自動的に設
定される。従って、従来のように、熱交換器を介した間
接的な温度制御ではなく、上記混合によって設定温度が
ただちに得られる直接的な温度制御を行うことができ、
その結果タイムラグは少なく、応答性は早く、また、加
温器を相当の能力とすることによって温度の制御範囲を
拡大することもできる。

【００３７】上記温度計の下流側の経路に遮断弁を設
け、温度計と遮断弁との間の経路には放出弁が付設され
た燃料放出経路を分岐して設け、上記温度計からの信号
によって上記放出弁および遮断弁を制御し、上記遮断弁
が閉止されるときは上記放出弁は開通されるとともに、
上記遮断弁が開通されるときは上記放出弁は閉止される
ように制御する弁開閉制御器を設け、この弁開閉制御器
に上記温度計から温度信号が入力されるようにし、予め
燃料温度が所定の温度範囲を越えたときには弁開閉制御
機から上記遮断弁に弁閉止の指令信号を発信するように
すれば、燃料が上記温度範囲を越えたときには上記遮断
弁は閉止されるとともに、放出弁は開通され、供給され
た燃料は燃料放出経路を介して系外に放出されるため、
試験を行う上で不適切な温度の燃料はエンジンには到達
しない。

【００３８】本発明は、以上のように、エンジンには予
め設定された温度に精度よく制御された燃料が供給さ
れ、従来のように温度制御が適正に行われない状態で燃
料がエンジンに供給されることが確実に抑止されるた
め、エンジン試験を行う上で極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るエンジン燃料の温度制御装置の一
例を示す説明図である。

【図２】従来のエンジン燃料の温度制御装置の一例を示
す説明図である。

【符号の説明】

１ 試験装置 ２ エンジン ３ 燃料供給経路 ３ａ 第一経路 ３ｂ 第二経路 ３ｃ 燃料放出経路 ３３ 第一遮断弁 ３４ 第一制御弁 ３５ 流量計 ３６ 第二制御弁 ３７ 放出弁 ３８ 第二遮断弁 ４、４ａ 加温器 ５ 温度制御計 ５’ 弁開閉制御器 ６ ミキサー ７ 流量制御計

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素を燃料として用いるロケット用エン
   ジン試験装置のエンジンに供給されるエンジン燃料の温
   度制御装置において、上記エンジンに燃料を供給する経
   路は第一経路と第二経路とに分岐され、これらの第一経
   路と第二経路とは下流で合流し、上記第一経路にはこの
   経路内を流通する燃料を加温する加温器が設けられ、上
   記第二経路には流量制御弁が設けられ、第一経路の加温
   器の下流側と第二経路の下流側との合流点には上記両経
   路を流通してきた燃料を混合するミキサーが設けられ、
   このミキサー出口の燃料温度を検出する温度計が設けら
   れ、この温度計が検出した温度を基にミキサー出口の燃
   料の温度が予め設定された温度になるように流量制御弁
   の開度を設定する温度制御計が設けられていることを特
   徴とするエンジン燃料の温度制御装置。
2. 【請求項２】 上記温度計の下流側の経路には遮断弁が
   設けられ、この温度計と遮断弁との間の経路には燃料放
   出経路が分岐して設けられ、この燃料放出経路には放出
   弁が設けられ、上記温度計からの信号によって上記放出
   弁および遮断弁を制御し、上記遮断弁が閉止されるとき
   は上記放出弁は開通されるとともに、上記遮断弁が開通
   されるときは上記放出弁は閉止されるように制御する弁
   開閉制御器が設けられていることを特徴とする請求項１
   記載のエンジン燃料の温度制御装置。