JPH0790838B2 - 液体タンクの充填装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、押し出しガスにより押し出し可能な液体を収
容する液体タンクへ種々の重力条件のもとで液体を充填
する、液体タンク特に表面張力タンクの充填装置に関す
る。

〔従来の技術〕

駆動および姿勢制御用または生命維持装置用宇宙飛行装
置が推進剤としての液体燃料をタンクに入れて持つて行
くことは公知である。このような宇宙飛行装置の限られ
たタンク容積は、現在のところ10年までの使用期間しか
許容しないので、地球周回軌道上において、この種のタ
ンクへの燃料の充填または再充填の必要がある。

例えばヒドラジンのような公知の一成分燃料のほかに、
長時間使用のために、特に高いエネルギー含有量を持つ
多成分燃料が使用される。このような多成分燃料の重大
な欠点は、酸化剤成分によりひき起こされる化学的腐食
であり、この腐食のため、液体を押し出しガスから分離
する可動隔壁例えばピストンまたはダイヤフラムを持つ
従来の燃料タンクに、このような燃料を貯蔵することが
できない。

この液体用にいわゆる表面張力タンクが使用され、押し
出しガスと液体とが、無重力状態で非常に効果的な表面
張力のみによつて分離される（特開昭58−89500号公
報）。

この種の表面張力タンクへの液体充填は、現在のところ
地上においてのみ行なわれ、充填は比較的長い時間を必
要とする。なぜならば、タンクへの液体充填が、一般に
多くの小さい燃料取り出し過程用に設計されている燃料
取り出し装置により行なわれるからである。無重力状態
では、このような充填方法により気相および液相の確実
な分離ができないという問題が生ずる。充填の際表面張
力タンクから徐々に出る押し出しガスは多量の液体滴を
含んでおり、これらの液体滴が一方ではタンクの最大充
填度を著しく制限し、他方では押し出しガスを安全上の
理由から許容できない値まで汚染する。無重力状態で充
填する別の理論上の可能性は、ピストン充填装置によつ
て液体タンクに充填することである。充填される液体の
消費装置は、一般に小型の推進駆動装置であるから、燃
料のできるだけ高い純度が要求される。したがつて機械
的に動かされる部材は、材料摩耗のため不適当である。
さらに場合によつては必要となるタンクの軸貫通部は、
潤滑材料、密封材料および支持材料による漏れおよび汚
染の危険のため、問題を含んでいる。さらにこれに関連
して生ずる駆動、エネルギーおよび制御上の要求は、タ
ンクおよび充填装置を著しく複雑にする。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、高い信頼性をもつて液体と押し出しガ
スとの効果的な分離を可能にする、無重力状態での液体
タンクへの充填または再充填用の充填装置を提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段〕

この課題を解決するため本発明によれば、充填装置が、
液体をタンク内で旋回させながらこのタンクへ送り込む
液体充填素子を持ち、この液体充填素子の出口がタンク
外皮に近い範囲に設けられて、この外皮の方へ向けら
れ、液体充填の際押し出しガスを導出するガス抜き素子
が設けられ、このガス抜き素子の出口が液体充填素子の
縦軸線上にあり、ガス抜き素子が、押し出しガスにより
連行される液体を分離してタンク内へ戻す装置を備えて
いる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、充填のため導入される液体は、充填素
子によりタンク内で旋回せしめられるので、遠心力のた
めタンクの内壁に沿つて充填される。この場合液体を旋
回させるための駆動エネルギーとして、充填設備例えば
タンクローリにおいて液体に加えられる圧力が利用され
るので、タンク内に液体用の駆動素子を設ける必要がな
い。液体充填の際、液体の押し出しに使用される押し出
しガスは、充填素子の縦軸線に沿う気体柱を形成して、
タンクから導出されるが、ガス抜き素子が、押し出しガ
スにより連行される液体を分離してタンク内へ戻す装置
を備えているので、液体による押し出しガスの汚染が防
止され、またタンクからの燃料のむだな流出による損失
が防止される。

〔実施例〕

第１の実施例において、第１図による充填装置17は球形
の表面張力タンク（第２図）の構成要素で、このタンク
の外皮11に固定的に結合されている。タンクに充填すべ
き液体は、矢印16で示すように導入管１を通つて接線方
向に旋回ノズル２へ流入し、高い周速成分で、案内羽根
を備えている出口としてのノズル環３を通つて流出す
る。したがつてこの旋回ノズル２とノズル環３は液体充
填素子を形成している。タンクの内側にある案内板12
は、タンク内における液体の旋回運動を助長する。液体
の高い周速成分のため作用する遠心力によつて、無重力
状態において、タンクへ入る液体はタンクの内壁に集ま
り、他方液体の押し出しに用いられる押し出しガスは、
充填装置17の縦軸線に一致する気体柱をタンク内に形成
する。この気体柱は、縦軸線上でタンク内へ開口してガ
ス抜き素子を形成する気体導入兼導出管４を介して、矢
印13で示すように取り出され、円筒６のまわりに巻かれ
るように形成される螺旋通路５へ導入される。

螺旋通路５の外壁は、表面活性材料例えば目の細かい毛
管材料から成り、この毛管材料は、液体でぬれた状態で
ガスの通過に対して非常に大きい抵抗を示すが、液体の
通過に対して小さい抵抗しか示さない。螺旋通路５は、
押し出しガスにより連行される液体滴が、強制される旋
回運動により発生する遠心力のため、螺旋通路５の外壁
へ投げ飛ばされ、半径方向外方へ作用する圧力勾配のた
め、毛管材料の通過抵抗に打ち勝つて外壁としての毛管
ふるい７の外側に集まるように、構成されている。毛管
ふるい７を包囲する金属板外皮８は、毛管ふるい７を通
つて流出する液体の膜９の均一な厚さおよび明白な方向
性を生ずるように作用する。

金属板外皮８と旋回ノズル２のノズル環３との間に形成
される環状間隙10は、ノズル環３から円錐状にタンク内
へ流出する液体の吸引作用により、液体膜９を強制的に
吸い出す。液体を除かれる押し出しガスは充填装置17か
ら矢印13で示すように流出して、適当な貯蔵容器へ供給
される。こうして液体充填の際、押し出しガスのガス抜
きが行なわれる。

液体を充填された表面張力タンクは、燃料送り出し運転
の際、公知のように、燃料押し出し素子19、燃料集合管
20、燃料集合容器21および燃料流出用導管を介して、矢
印15で示すように押し出される。この目的のため押し出
しガスが、貯蔵容器から矢印14で示すように充填装置17
へ導かれ、気体導入兼導出管４を介して矢印14で示すよ
うにタンク内へ導入される。

押し出しガスと液体との一層強力な三次元分離を可能に
する第２の実施例が第３図に示されている。使用される
タンクは大きな貯蔵容積を持ち、高い排出速度を持つよ
うに円筒状に構成されている。この場合、旋回ノズル２
およびノズル環３から成る液体充填素子を介して、矢印
15で示すように液体の流出も行なわれる。さらに気体導
入兼導出管４と、螺旋通路５、円筒６および毛管ふるい
７から成る液体分離装置とを介して、矢印13で示すよう
にガスの導出も行なわれる。

この場合金属板外皮８は必要でないが、充填装置17の動
作は原理的に同じである。充填すべき燃料は、矢印16で
示すように旋回ノズル２およびノズル環３を介してタン
クの底から導入される。前述したように案内板12により
助長されて、タンク内で旋回ノズル２の軸線のまわりに
液体が旋回し、それによりタンクの縦軸線に沿う押し出
しガスの気体柱が生ずる。液体滴を含む押し出しガス
は、気体導入兼導出管４を通つて螺旋通路５へ流入し、
そこで作用する遠心力によつて、押し出しガスと液体と
の分離が行なわれる。液体を除かれた押し出しガスは、
矢印13で示すようにタンクの頂部から出て行く。

螺旋通路５内の高い流速により生ずる遠心力および圧力
勾配は、螺旋通路５をつまらせる危険なしに、毛管ふる
い７の外壁から、分離された液体を問題なく剥離させ
る。

第４図は充填装置の第３の実施例を示している。液体の
充填過程中にタンクから導出すべき押し出しガスは、ガ
ス抜き素子を形成する気体導入兼導出管４を介して矢印
13で示すように、１つの面内で渦巻き状に巻かれる気体
通路24を持つ扁平な通路体23へ導入される。この気体通
路24において、液体滴を含む押し出しガスは通路体23の
周辺から中心へ向かつて流れて行く。その際生ずる遠心
力によつて、押し出しガスにより連行される液体は、気
体通路24の毛管ふるい７から成る側壁に当つて、この側
壁を通過する。こうして押し出しガスから分離された液
体は、毛管ふるい７と通路体23の外壁または隣接通路の
内壁との間に形成される液体通路25に集まる。

通路体23の中心に軸管28が設けられ、この軸管を通つて
押し出しガスがタンクを出て行く。軸管28は下側部分を
二重筒に形成され、その内筒は毛管ふるい７から成つて
いる。軸管28の内筒および外筒により形成される環状の
液体通路25は、通路体23にある液体通路25に接続されて
いるので、押し出しガスから分離された液体の流出が保
証される。液体の流出方向は、液体充填の際における押
し出しガスの流れ方向と同じでも逆向きでもよいが、押
し出しガスの流れ方向とは逆向きの液体流出が好まし
い。この場合分離された液体は、充填液体用のタンク入
口26のそばにある液体通路25の出口27を通つてタンク内
へ入る。半径方向において最も外側にある渦巻き状液体
通路25の範囲に接線方向に接続される導入管１を介して
導入されて入口26からタンク内へ流入する液体は、それ
によつて生ずる吸引作用のため、ジエツトポンプにおけ
るように、液体通路25の出口27から分離液体の確実な流
出を行なわせ、かつ案内板によりタンク内で所望の旋回
運動を行なう。したがつて導入管１と液体通路25の半径
方向において最も外側の範囲と入口26は、液体充填素子
を形成している。

上述した実施例は、ここに示された充填装置によつて、
充填機構と押し出し機構とが有利に分離されることを示
している。液体の押し出し特性、特に押し出し速度に関
係なく、外乱例えば加速度がタンク内の相分離の質へ影
響を及ぼすことなしに、無重力状態における液体タンク
への充填が非常に短い時間で行なわれる。特に多成分燃
料の使用の際、危険のない充填過程が保証される。なぜ
ならば、気体導入兼導出管には常に液体がないからであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は充填装置の断面図、第２図は球形の表面張力タ
ンクに設けられる充填装置の実施例の断面図、第３図は
円筒状タンクに設けられる充填装置の実施例の断面図、
第４図は渦巻き形の扁平な充填装置の実施例の断面図で
ある。 1,25,26;2,3……液体充填素子、４……ガス抜き素子
（気体導入兼導出管）、11……タンク外皮、17……充填
装置

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】押し出しガスにより押し出し可能な液体を
   収容する液体タンクへ種々の重力条件のもとで液体を充
   填する装置において、充填装置（17）が、液体をタンク
   内で旋回させながらこのタンクへ送り込む液体充填素子
   （2,3;1,25,26）を持ち、この液体充填素子の出口がタ
   ンク外皮（11）に近い範囲に設けられて、この外皮（1
   1）の方へ向けられ、液体充填の際押し出しガスを導出
   するガス抜き素子（４）が設けられ、このガス抜き素子
   の出口が液体充填素子の縦軸線上にあり、ガス抜き素子
   が押し出しガスにより連行される液体を分離してタンク
   内へ戻す装置を備えていることを特徴とする、液体タン
   クの充填装置。
2. 【請求項２】充填される液体をタンク内で旋回させるた
   め、外部にある充填設備の送り出しエネルギーが利用さ
   れることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の
   充填装置。
3. 【請求項３】充填の際液体が、導入管（１）を通つて接
   線方向に液体充填素子の旋回ノズル（２）へ導入される
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の充填装置。
4. 【請求項４】導入される液体の高い周波成分を生ぜしめ
   るため、液体充填素子の旋回ノズル（２）のノズル環
   （３）として構成される出口に、案内羽根が設けられて
   いることを特徴とする、特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のうち１つに記載の充填装置。
5. 【請求項５】タンクの内側に、液体の旋回運動を助長す
   る案内板（12）が設けられていることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項ないし第４項のうち１つに記載の充
   填装置。
6. 【請求項６】液体充填の際ガス抜き素子（４）を介して
   流出する押し出しガスにより連行される液体を分離して
   タンク内へ戻す装置が、円筒（６）のまわりに巻かれる
   螺旋通路（５）として構成され、ガス抜き素子を形成す
   る気体導入兼導出管（４）に接続されていることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項に記載の充填装置
7. 【請求項７】螺旋通路（５）の外壁が毛管ふるい（７）
   から成り、この毛管ふるい（７）が、液体でぬれた状態
   において、ガスの通過に対して非常に大きい抵抗を示す
   が、液体の通過に対して小さい抵抗しか示さないことを
   特徴とする、特許請求の範囲第６項に記載の充填装置。
8. 【請求項８】毛管ふるい（７）が、間隔をおいて同心的
   に設けられかつ旋回ノズル（３）の範囲に環状間隙（1
   0）を持つ金属板外皮（８）により包囲され、押し出し
   ガスにより連行される液体が遠心力のため螺旋通路
   （５）の毛管ふるい（７）へ向かつて投げ飛ばされ、こ
   の毛管ふるい（７）を通過して、毛管ふるい（７）と金
   属板外皮（８）との間に環状空間に集まることを特徴と
   する、特許請求の範囲第７項に記載の充填装置。
9. 【請求項９】押し出しガスにより連行される液体を分離
   してタンク内へ戻す装置が、渦巻き通路（24,25）とし
   て構成され、毛管ふるい（７）により気体通路（24）と
   液体通路（25）とに区分されていることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項に記載の充填装置。
10. 【請求項１０】液体用導入管（１）が接線方向に渦巻き
    通路（24,25）の液体通路（25）に接続され、液体通路
    （25）の出口（27）に連通する入口（26）においてタン
    ク内へ開口していることを特徴とする、特許請求の範囲
    第９項に記載の充填装置。