JP5157529B2

JP5157529B2 - 極低温液化推進薬充填装置及び極低温液化推進薬充填方法

Info

Publication number: JP5157529B2
Application number: JP2008052314A
Authority: JP
Inventors: 紀良水越; 紀一島田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-03-03
Also published as: JP2009209996A

Description

本発明は、極低温液化推進薬充填装置及び極低温液化推進薬充填方法に関する。

従来から、固体燃料と液体酸化剤を搭載したロケットの運用が行われている。このロケットは、固定燃料の自己燃焼により発生する分解ガス（燃料成分過剰ガス）を燃料噴射器から主燃焼室内に噴射する一方、同分解ガスの圧力で液体酸化剤を加圧して同噴射器から主燃焼室内に噴射する。そして、固体燃料の分解ガスと液体酸化剤とを主燃焼室で混合燃焼させることにより発生した高温・高圧の燃焼ガスをノズルから噴出させることで推進力を得ている（例えば、特許文献１参照）。

最近では、固体燃料の代わりに液化天然ガス（ＬＮＧ：liquefied natural gas）が使用されている。このような、液体推進薬を使用する飛翔体では、打ち上げ直前に機体内の機体タンクに液体推進薬を充填する必要がある。このような充填装置として、例えば、図６に示す充填装置１００がある。

この充填装置１００は、極低温液化推進薬が貯留される貯留槽１０１と、貯留槽１０１から機体タンク１０２に極低温液化推進薬を供給する供給部１０３と、気化した極低温液化推進薬を廃棄する排気部１０４と、充填後に供給部１０３の一部に残留した極低温液化推進薬を除去するための排出部１０５と、を備えている。そして、機体タンク１０２内には、液位検知のための液位センサ１０６が配されている。

供給部１０３の予冷時及び機体タンク１０２の極低温液化推進薬充填時には、極低温液化推進薬が、貯留槽１０１から供給部１０３を介して機体タンク１０２に流れていく。この過程で一部気化した極低温液化推進薬は排気部１０４から廃棄され、余剰分は排出部１０５に排出されて回収される。
特開平８−２７０５０６号公報

しかしながら、上記従来の極低温液化推進薬充填装置は、液位センサ１０６による液位検知を行っているので、充填・液位維持するとき、液位センサ１０６の計測点近傍で充填／停止が繰り返される。そのため、流量停止状態時にガイザリング現象発生（温度上昇による突沸現象）の可能性が高まり、推進薬の状態が不安定になり、飛翔体の打ち上げ延期等の影響がでる可能性がある。そして、これを抑えるため充填流量を所定の範囲内に抑える必要があり、充填時間がかかる。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、極低温液化推進薬の充填の際の充填時間を短縮することができ、機体タンクに入熱するエネルギーを低減することができる極低温液化推進薬充填装置及び極低温液化推進薬充填方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
第１の発明は、機体タンクを有する飛翔体における前記機体タンクに極低温液化推進薬を充填する充填装置であって、前記極低温液化推進薬が貯留される貯留槽と、該貯留槽から前記機体タンクに前記極低温液化推進薬を供給する供給部と、前記機体タンクと連通されて充填途中に気化した前記極低温液化推進薬を再度液化して前記機体タンクに戻す冷却部と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、極低温液化推進薬による供給部等の予冷時及び機体タンクへの充填時に、極低温液化推進薬の一部が気化しても冷却部によって再度液化するので、機体タンクが中間液位のときにも機体タンク内の分圧上昇を好適に抑えて充填速度を上げることができる。また、極低温液化推進薬の流量停止状態をなめらかに実現でき、推進薬が不安定となることを防ぐことができる。

また、本発明に係る極低温液化推進薬充填装置は、前記極低温液化推進薬充填装置であって、前記冷却部が、液化窒素流通部を備えていることを特徴とする。

この発明は、少なくとも液化窒素よりも沸点の高い極低温液化推進薬を好適に液化することができる。

また、本発明に係る極低温液化推進薬充填装置は、前記極低温液化推進薬充填装置であって、前記冷却部内における前記極低温液化推進薬の圧力が前記機体タンク内の目標圧力となるように、前記液化窒素流通部における液化窒素の流量を制御する制御部を備えていることを特徴とする。

この発明は、極低温液化推進薬の流量停止状態をなめらかに実現することができ、推進薬が不安定となることを防ぐことができる。

また、本発明に係る極低温液化推進薬充填装置は、前記極低温液化推進薬充填装置であって、前記極低温液化推進薬が、液化天然ガスであることを特徴とする。

この発明は、液化天然ガスの軽質分の蒸発を抑えて性状のばらつきを抑えることができ、不安定燃焼を好適に抑えることができる。

第２の発明は、機体タンクを有する飛翔体における前記機体タンクに極低温液化推進薬を充填する充填方法であって、極低温液化推進薬が貯留された貯留槽から前記極低温液化推進薬を前記機体タンクに供給する供給工程と、充填途中で気化した前記極低温液化推進薬を再度液化する冷却工程と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、極低温液化推進薬による供給部等の予冷時及び機体タンクへの充填時に、極低温液化推進薬の一部が気化しても冷却工程によって再度液化するので、機体タンクが中間液位のときにも機体タンク内の分圧上昇を好適に抑えて充填速度を上げることができる。また、極低温液化推進薬の流量停止状態をなめらかに実現でき、推進薬が不安定になることを防ぐことができる。

また、本発明に係る極低温液化推進薬充填方法は、前記極低温液化推進薬充填方法であって、前記冷却工程が、液化窒素を流通させて前記極低温液化推進薬を再液化することを特徴とする。

本発明によれば、極低温液化推進薬の充填の際の充填時間を短縮することができ、機体タンクに入熱するエネルギーを低減することができる。

本発明に係る一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係るＬＮＧ充填装置（極低温液化推進薬充填装置）１は、図１に示すように、機体タンク２を有する図示しない飛翔体における機体タンク２にＬＮＧ（極低温液化推進薬）を充填する充填装置であって、ＬＮＧが貯留される貯留槽３と、貯留槽３から機体タンク２にＬＮＧを供給する供給部５と、機体タンク２と連通されて、充填途中に気化したＬＮＧを再度液化して機体タンク２に戻す冷却部６と、冷却部６と連通され、気化したＬＮＧを排気する排気部７と、充填後に供給部５の一部に残留したＬＮＧを除去するための排出部８と、後述する各センサ及び各弁と図示しない手段によって接続されて各センサの計測結果に基づき各種バルブを制御する制御部１０と、を備えている。なお、制御部１０は、以下の全ての制御弁の制御をそれぞれ後述する方向で行う。

貯留槽３には、貯留槽３内のＬＮＧ圧力を検知するＬＮＧ貯留センサ１１と、ＬＮＧ圧力を制御するために開度が調節可能な第一開度制御弁１２及び第二開度制御弁１３と、が配されている。

供給部５は、貯留槽３に連通されたメイン配管１５と、機体と接続されるアンビリカルライン１６と、メイン配管１５を流れるＬＮＧを液化窒素（ＬＮ２）で冷却するためのＬＮ２クーラー１７と、を備えている。メイン配管１５には、ＬＮＧの流通を制御する第一開閉弁１８と、ＬＮＧ流量を検知する流量センサ２０と、ＬＮＧ流量を制御する第一流量制御弁２１と、開度が調節可能な第三開度制御弁２２と、ＬＮＧ温度を検知する第一温度センサ２３及び第二温度センサ２５と、メイン配管１５とアンビリカルライン１６とを接続する第二開閉弁２６と、が配されている。

ＬＮ２クーラー１７は、メイン配管１５から分岐されて再びこれと合流する分岐配管２７の途中に配されている。この分岐配管２７には、第三開度制御弁２２と連動する第四開度制御弁２８が配されている。第三開度制御弁２２及び第四開度制御弁２８は、第一温度センサ２３による温度計測結果に基づき操作が制御されている。

図示しない機体には、アンビリカルライン１６と機体タンク２の底部２ａとを接続する機体入口側開閉弁３０と、機体タンク２と冷却部６とを接続する機体出口側開閉弁３１と、機体入口側開閉弁３０の入口側に配された機体側温度センサ３２と、機体タンク２の底部２ａに配された枯渇センサ３３と、機体タンク２の頂部２ｂ近傍に鉛直上方に向かって順に配されてタンク内の液位を検知する９９％液位センサ３５、１００％液位センサ３６、及び１０１％液位センサ３７と、機体タンク２の底部２ａに配された下部圧力センサ３８と、機体タンク２の頂部２ｂに配された上部圧力センサ４０と、が配されている。ここで、枯渇センサ３３は３つ、各液位センサ３５，３６，３７は２つずつ配されている。

冷却部６は、気化されたＬＮＧが流入するとともに再液化されて貯留されるＬＮＧタンク４１と、ＬＮＧタンク４１内に配されてＬＮ２が流れる液化窒素流通部４２と、を備えている。ＬＮＧタンク４１は、機体出口側開閉弁３１を介して機体タンク２の頂部２ｂと接続されている。

排気部７は、機体タンク２と接続された排気配管４３と、排気配管４３に配されて上部圧力センサ４０の計測結果に基づいて機体タンク２内の圧力を制御するための第五開度制御弁４５及び上部圧力センサ４０の計測結果に基づいてＬＮＧタンク４１内の圧力を制御するための第六開度制御弁４６と、排気配管４３と連通されて気化した天然ガスが排気されるフレアスタック４７と、を備えている。

排出部８は、第二開閉弁２６と接続された第一排出配管４８と、アンビリカルライン１６と接続された第二排出配管５０と、第一排出配管４８に配された第三開閉弁５１と、第二排出配管５０に配された第四開閉弁５２と、を備えている。第一排出配管４８及び第二排出配管５０は、フレアスタック４７と連通されている。

制御部１０は、冷却部６のＬＮＧタンク４１内におけるＬＮＧの圧力が機体タンク２内の目標圧力となるように、液化窒素流通部４２におけるＬＮ２の流量を制御する。

次に、本実施形態に係るＬＮＧ充填装置１によるＬＮＧ充填方法（極低温液化推進薬充填方法）について説明する。

この方法は、図２に示すように、配管内を予め極低温に冷却するための配管予冷工程（ＳＴ１）と、比較的低速の充填速度でＬＮＧ充填する第一充填工程（ＳＴ２）と、比較的高速の充填速度でＬＮＧ充填する第二充填工程（ＳＴ３）と、を備えている。

配管予冷工程（ＳＴ１）は、ＬＮＧの貯留槽３からＬＮＧを機体タンク２に供給する供給工程(Ｓ０１)と、充填途中で気化したＬＮＧを再度液化する冷却工程(Ｓ０２)と、再度液化されたＬＮＧを機体タンク２へ戻す戻し工程(Ｓ０３)と、を備えている。

供給工程（Ｓ０１）では、まず、貯留槽３内の圧力が所定の範囲内となるように、第一開度制御弁１２及び第二開度制御弁１３を開閉制御する。そして、第五開度制御弁４５を全開し、機体出口側開閉弁３１、機体入口側開閉弁３０、及び第二開閉弁２６を順に開く。

そして、第三開度制御弁２２は全閉状態のまま、第四開度制御弁２８を全開した後、第一開閉弁１８を開く。このとき、貯留槽３からＬＮＧがメイン配管１５内に流れていく。この際、所定の流量を維持するように第一流量制御弁２１を調節する。

ここで、メイン配管１５内及び機体タンク２内がＬＮＧの沸点よりも高温なので、ＬＮＧの少なくとも一部が気化する。気化したＬＮＧは、機体タンク２から冷却部６へ流れる。このとき、冷却工程（Ｓ０２）及び戻し工程（Ｓ０３）が行われる。

冷却工程（Ｓ０２）では、気化したＬＮＧが液化窒素流通部４２と接触することにより熱交換されて再度液化される。再液化したＬＮＧはＬＮＧタンク４１内に貯留される。ここで、制御部１０によって、ＬＮＧタンク４１内におけるＬＮＧの圧力が機体タンク２内の目標圧力となるように、液化窒素流通部４２におけるＬＮ２の流量が制御されている。

戻し工程（Ｓ０３）では、再液化されたＬＮＧがＬＮＧタンク４１から機体タンク２へ戻される。ただし、上部圧力センサ４０が所定値以上の圧力を検出する場合には、再液化しきれないＬＮＧは第五開度制御弁４５から排気配管４３を流れてフレアスタック４７へと排気される。

こうして機体側温度センサ３２が所定の温度以下になったところで配管予冷工程（ＳＴ１）を終了する。

引き続き、第一充填工程（ＳＴ２）に移行する。
この工程は、ＬＮＧの貯留槽３からＬＮＧを機体タンク２に供給する供給工程(Ｓ１１)と、充填途中で気化したＬＮＧを再度液化する冷却工程(Ｓ０２)と、再度液化されたＬＮＧを機体タンク２へ戻す戻し工程(Ｓ０３)と、を備えている。

供給工程（Ｓ１１）では、まず、機体タンク２内圧力が所定圧力となるように、第五開度制御弁４５及び第六開度制御弁４６の開度を調節する。次に、第一温度センサ２３での検出温度が所定の温度以下となるよう、ＬＮＧの一部をＬＮ２クーラー１７によって冷却して入熱を抑えるために第三開度制御弁２２及び第四開度制御弁２８の開度を調節する。一方、メイン配管１５の流量を所定量とするため、第一流量制御弁２１を調節する。

ＬＮＧが供給されている間、配管予冷工程（ＳＴ１）と同様に、冷却工程（Ｓ０２）及び戻し工程（Ｓ０３）を行う。こうして、枯渇センサ３３がＷＥＴとなったところで第一流量制御弁２１を全閉して第一充填工程（ＳＴ２）を終了する。

そしてさらに第二充填工程（ＳＴ３）に移行する。
この工程は、ＬＮＧの貯留槽３からＬＮＧを機体タンク２に供給する供給工程(Ｓ２１)と、充填途中で気化したＬＮＧを再度液化する冷却工程(Ｓ０２)と、再度液化されたＬＮＧを機体タンク２へ戻す戻し工程(Ｓ０３)と、を備えている。

供給工程（Ｓ２１）では、まず、ＬＮＧの流量が供給工程（Ｓ１１）のときよりも大きい所定の流量となるように第一流量制御弁２１の開度を調節する。これによって、機体タンク２内にＬＮＧが貯留されていく。

ＬＮＧが供給されている間、配管予冷工程（ＳＴ１）と同様に、冷却工程（Ｓ０２）及び戻し工程（Ｓ０３）を行う。こうして、９９％液位センサ３５が液面を検知してＷＥＴとなったところで第一流量制御弁２１を全閉して第二充填工程（ＳＴ３）を終了する。

このＬＮＧ充填装置１及びＬＮＧ充填方法によれば、冷却部６を備えて冷却工程（Ｓ０２）を行うので、ＬＮＧによる供給部５等の予冷時及び機体タンク２への充填時に、ＬＮＧの一部が気化しても再度液化することができる。この際、機体タンク２が中間液位のときにも機体タンク２内の分圧上昇を好適に抑えて充填速度を上げることができる。また、ＬＮＧの流量停止状態をなめらかに実現でき、推進薬が不安定になることを防ぐことができる。
したがって、ＬＮＧの充填の際の充填時間を短縮することができ、機体タンク２に入熱するエネルギーを低減することができる。

特に、冷却部６が液化窒素流通部４２を備えているので、ＬＮ２よりも沸点の高いＬＮＧを好適に液化することができる。

また、冷却部６内におけるＬＮＧの圧力が機体タンク２内の目標圧力となるように、制御部１０が液化窒素流通部４２におけるＬＮ２の流量を制御しているので、ＬＮＧの流量停止状態をなめらかに実現することができ、推進薬が不安定になることを防ぐことができる。

さらに、ＬＮＧの軽質分の蒸発を抑えて性状のばらつきを抑えることができ、不安定燃焼を好適に抑えることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では極低温液化推進薬をＬＮＧとしているが、これに限らず、ＬＯ_２やＬＨ_２でも構わない。

本発明の一実施形態に係るＬＮＧ充填装置を示す系統図である。本発明の一実施形態に係るＬＮＧ充填方法を示すフロー図である。本発明の一実施形態に係るＬＮＧ充填装置による配管予冷時の状態を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るＬＮＧ充填装置による充填時の状態を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るＬＮＧ充填装置による充填時の状態を示す説明図である。従来のＬＮＧ充填装置を示す系統図である。

符号の説明

１…ＬＮＧ充填装置（極低温液化推進薬充填装置）
２…機体タンク
３…貯留槽
５…供給部
６…冷却部
７…排気部
１０…制御部
４２…液化窒素流通部

Claims

機体タンクを有する飛翔体の打ち上げ前に該飛翔体における前記機体タンクに極低温液化推進薬を充填する充填装置であって、
前記極低温液化推進薬が貯留される貯留槽と、
該貯留槽から前記機体タンクに前記極低温液化推進薬を供給する供給部と、
液化窒素流通部を備え、前記機体タンクと連通されて充填途中に気化した前記極低温液化推進薬を前記液化窒素流通部で再度液化して前記機体タンクに戻す冷却部と、
前記冷却部内における前記極低温液化推進薬の圧力が前記機体タンク内の目標圧力となるように前記液化窒素流通部における液化窒素の流量を制御する制御部と、
を備えていることを特徴とする極低温液化推進薬充填装置。
前記極低温液化推進薬は、液化天然ガスであることを特徴とする請求項１記載の極低温液化推進薬充填装置。
機体タンクを有する飛翔体の打ち上げ前に該飛翔体における前記機体タンクに極低温液化推進薬を充填する充填方法であって、
極低温液化推進薬が貯留された貯留槽から前記極低温液化推進薬を前記機体タンクに供給する供給工程と、
充填途中で気化した前記極低温液化推進薬を、液化窒素を流通させる液化窒素流通部で再度液化する冷却工程と、
を有し、
前記冷却工程では、前記極低温液化推進薬の圧力が前記機体タンク内の目標圧力となるように前記液化窒素流通部における液化窒素の流量を制御することを特徴とする極低温液化推進薬充填方法。