JPH0710099A - 流体管理システムおよび無重力極低温貯蔵／伝達システム - Google Patents

流体管理システムおよび無重力極低温貯蔵／伝達システム

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JPH0710099A
JPH0710099A JP6105355A JP10535594A JPH0710099A JP H0710099 A JPH0710099 A JP H0710099A JP 6105355 A JP6105355 A JP 6105355A JP 10535594 A JP10535594 A JP 10535594A JP H0710099 A JPH0710099 A JP H0710099A
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Tibor I Lak
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 無重力での圧力制御のために簡便で効果的な
サーモダイナミック排出システムを提供する。 【構成】 流体管理システム（１２）は、無重力貯蔵装
置（１２）から流体を受取り、かつ戻すための外部再循
環ポンプ（１４）を含む混合／再循環システムを備え
る。内部軸方向噴霧射出システム（３０）は再循環ポン
プ（１４）からの出力流の一部を受取るために設けられ
る。噴霧射出システム（３０）は貯蔵装置（１２）中に
貯蔵される液体および気体の極低温流体の熱の層をなく
す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明は一般に、極低温貯蔵装置に関
し、より特定的には、無重力で用いるための極低温流体
管理システムに関する。
【０００２】
【関連技術分野の説明】宇宙で準臨界冷却剤を長期間貯
蔵すると、貯蔵タンクおよび関連した供給システムに熱
の層ができるという問題が必然的に発生する。無重力中
では重力が誘起する体積力がないため、熱の層別は１Ｇ
環境で通常経験するよりもはるかに歴然と発生し得る。
もし制御せずに放置すれば、無重力中の熱勾配のために
タンクの圧力が過度に上昇し、かつ液体バルク、液体捕
捉システム、および液体移送ライン内に望ましくない液
体と蒸気との混合物が形成される。
【０００３】無重力状態では、どのような液体用貯蔵タ
ンクにおいても、ガスは、タンクの内部、たとえばタン
ク上部、タンク底部、またはその間の任意の部分といっ
たどのような物理的位置でも発生し得る。
【０００４】宇宙空間の無重力動作環境に適合される手
段には、太陽熱を入力するためタンクの圧力が上昇し、
かつ過度の圧力および破裂を防止するためにガスがタン
クから排出されなくてはいけない、液体用貯蔵タンクが
含まれ得る。このため、タンクに貯蔵されているすべて
の液体を損失することなく装置からガスだけを排出しな
ければならないという特別の問題が提起される。
【０００５】最新のサーモダイナミック排気システムの
概念ではタンクに関する問題点たけが述べられている。
典型的には液体バルクのみが考慮されてきた。アレージ
（ullage）、供給ライン、または無重力液体捕捉装置
（スクリーン、毛細チャンネル）は、全体的な熱の層を
なくすシステム設計にはこれまで含まれていない。ま
た、以前のサーモダイナミック排気概念の実行は、無重
力流体混合および熱伝達現象を特徴付けるために複雑な
分析に依存していた。
【０００６】エル・アール・ベル（L. R. Bell）への
「無重力排気システム（Zero GravityVent System）」
と題された米国特許第3,105,361 号は、極低温貯蔵タン
クから引出された流体の液相と気相を分離するために遠
心器を用いることを開示しており、極低温貯蔵タンク
は、その後、回収した２相の流体を圧縮する力を発生
し、かつまた液体の流体相を極低温貯蔵タンクに戻す前
に熱交換器を介して冷却するために用いられる。この概
念では極低温液体タンクの圧力を減じることによって、
常にタンク外への流体排出損失が生じる。もし極低温液
体タンクからじかに出された流体がほぼ液相でありタン
ク外へ排出する流体中に液体の小滴が存在すれば、排出
損失は増大する。
【０００７】アール・レネイ（R. Laine）への「無重力
での動作に適した極低温装置（Cryogenic Apparatus Su
itable for Operation in Zero Gravity）」と題された
米国特許第4,412,851 号は、バルク流体からの熱を流体
の気化熱の伝達、および、それに続く流体の排出を介し
て吸収するために、貯蔵タンクの内部に相分離装置を用
いることを開示する。相分離装置と液体バルクとの間の
熱伝達率は無重力での自然対流の熱伝達モードを上回る
ことはない。このため、タンク内部の熱伝達率が不十分
なために排出損失は高い。
【０００８】エル・ジェイ・ディペリ（L. J. DiPeri）
への「サーモダイナミック制御装置（Thermodynamic Co
ntrol Device）」と題された米国特許第3,693,367 号
は、容器内部の液体とタンクの壁との間に気体のバリア
を確立するために界面張力装置を用いることを開示す
る。抑制壁から液体を構造的に完全に分離した状態が維
持できるため、熱伝達率を最小限にすることができる。
ディペリの装置は液体への熱伝達を最小限にするために
だけ設計されており、無重力での排気または流体管理に
関する問題点には触れていない。
【０００９】ダブリュー・エイ・チャンドラ（W. A. Ch
andler）他への「極低温貯蔵装置（Cryogenic Storage
System）」と題された米国特許第3,304,729 号、アール
・エル・ロトン（R. L. Rhoton）への「極低温貯蔵およ
び排除手段（Cryogenic Storage and Expulsion Means
）」と題された米国特許第3,699,696 号、およびエス
・エイチ・キャッスルズ（S. H. Castles ）他への「界
面張力が制限された液体極低温クーラー（Surface Tens
ion Confined Liquid Cryogen Cooler）」と題された米
国特許第4,821,907 号もまた、極低温流体貯蔵装置への
熱の漏出を最小限にすることに関する問題点を述べてい
る。
【００１０】
【発明の目的および概要】本発明の主たる目的は、大規
模な無重力の飛行テストを行なうことなく、１Ｇテスト
によって特徴付けられる、無重力圧力制御のための単純
かつ効果的なサーモダイナミック排出システムを提供す
ることである。
【００１１】本発明の他の目的は、タンクの冷却／充
填、無重力での量の測定、タンク外部の供給システムの
熱調整、およびタンク内の液体捕捉熱調整などの様々な
流体管理機能を統合することである。
【００１２】これらの、および他の目的は、無重力での
極低温貯蔵装置のための流体管理システムである本発明
によって完遂される。流体管理システムは混合／再循環
システムを含む。混合／再循環システムは、流体を無重
力貯蔵装置から受取り、かつ流体の出力流を貯蔵装置に
戻すために外部の再循環ポンプを含む。再循環ポンプか
ら出力流の一部を受取るために内部軸方向噴霧射出シス
テムが設けられる。噴霧射出システムは、貯蔵装置に貯
蔵された液体および気体極低温流体の熱の層をなくす。
【００１３】流体管理システムは、好ましくは、再循環
ポンプからの出力流の第２の部分を受取るための外部排
出弁を含む熱除去システムを含む。外部拡張オリフィス
は排出弁から出力流を受取る。内部熱交換器は拡張オリ
フィスから出力流を受取って、噴霧射出システムによっ
て配向される再循環ポンプからの出力流の部分から熱を
吸収する。背圧オリフィスは所望の圧力レベルを達成す
るために熱交換器の出力流を排出する。
【００１４】外部へ排出することなくタンクを冷却し、
かつ液体を充填するために、好ましくは充填ラインアセ
ンブリが用いられる。本発明はまた、液体の再循環によ
って、伝達ライン、弁および貯蔵タンク外部のエンジン
／電力発生構成要素の熱を調整し、かつ貯蔵タンク内部
に液体捕捉装置を提供する。本発明はまた、無重力の宇
宙環境中で液体の量を決定するための手段としても用い
られる。
【００１５】上に議論した米国特許第3,105,361 号とは
異なり、本発明は、液体再循環および液体噴霧射出によ
って外部排出損失なく、タンク内部で流体を混合し、か
つアレージガスを凝縮することで圧力を低減する。タン
ク圧力の制御は、流体バルク中で熱の漏出を吸収するこ
とによって、貯蔵期間を延長した場合に（最長４５日ま
で）排出なく熱の層をなくすことによって達成される。
排出による熱除去が所望される場合、外部へ排出される
流れは常に液体の小滴の存在しない過熱した気相である
ため、熱除去効果が最適化される。
【００１６】上に議論した米国特許第4,412,851 号とは
異なり、本発明の熱伝達率は強制対流によるものであ
る。これは上記の米国特許第4,412,851 号が依存する無
重力での自然対流の熱伝達率よりも数オーダ高い。した
がって、排出期間および排出損失が最小限にされる。
【００１７】稼動している構成要素（つまりポンプ、
弁）は貯蔵タンクの外部に配置されるため、接地点検お
よび交換が簡便であり、コストおよびターンアラウンド
スケジュールが低減されるということにも注目された
い。また、タンクに電流を通してはならず、これは発火
による危険性を低減する上でＬＯ2 の貯蔵装置について
特に重要である。
【００１８】本発明の他の目的、利点および新規の特徴
は添付の図面を参照した場合に本発明の以下の詳細な説
明から明白となるであろう。
【００１９】図中の同一エレメントおよび部分には同じ
参照番号が付される。
【００２０】
【実施例】図面および図面に描かれた参照符号を参照し
て、図１は本発明の流体管理システムの好ましい実施例
を示し、一般的に１０で示す。流体管理システム１０
は、一般的に１２で示す無重力極低温貯蔵装置とともに
用いられる。無重力極低温貯蔵装置１２の外部に配置さ
れる再循環ポンプ１４は、主供給ライン１６を介して貯
蔵装置１２から流体を受取る。主供給ライン１６は極低
温流体を極低温システムの主遮断弁１８に与えるために
用いられる。遮断弁１８は、たとえばエンジンのための
プレバルブ、主エンジン弁、または発電分離弁であり得
る。
【００２１】再循環ポンプ導入ライン２０は、主供給ラ
イン１６を主遮断弁１８まで熱制御するために、主遮断
弁１８に非常に近く配置される。冷却／充填弁２２（後
に詳細に議論する）は通常は開いており、流れを貯蔵装
置１２から再循環ポンプ１４の入口へ入れる。再循環ポ
ンプの出力流２４は第１の部分２６と第２の部分２８と
に分けられる。第１の部分または噴霧射出流２６は一般
的に３０で示す内部軸方向噴霧射出システムへ導入され
る。
【００２２】極低温貯蔵装置１２は準臨界極低温流体を
貯蔵するために用いられる貯蔵タンクを含む。貯蔵タン
ク１２は、たとえば球形または円柱形であってもよい。
タンク１２は冷却剤を貯蔵するのに適した材料から作ら
れる。タンク１２は、典型的には泡状の多層断熱材また
は真空ジャケット付断熱材を含む適切な熱保護システム
を含む。貯蔵装置１２はまた、以下により詳細に議論す
るように、無重力流体制御のために液体捕捉システム３
２を含んでもよい。
【００２３】貯蔵装置１２はまた、貯蔵タンクの圧力お
よび流体の温度をモニタするために、それぞれ３４およ
び３６で示す適切な圧力および温度手段を含む。これら
の測定結果はコントローラ３８に入力されて、以下に説
明するように再循環ポンプ１４および排出弁４０を活性
化する。
【００２４】再循環ポンプ１４は好ましくは、交流また
は直流で電気的に駆動される遠心軸流ポンプを含む。駆
動手段はガスタービンであってもよい。再循環ポンプは
代替的には、電気または空気圧で駆動される正の変位ポ
ンプであってもよい。
【００２５】内部軸方向噴霧射出システム３０は、貯蔵
装置中に貯蔵される液体および気体の極低温流体の熱の
層を、強制対流混合によってなくすよう設計される。シ
ステム３０は好ましくは、複数個の等間隔に配置された
オリフィスを有する軸方向に位置決めされた噴霧バーシ
ステムを含み、このため均一な噴霧射出流量が得られ
る。
【００２６】ベント流２８は貯蔵装置１２から熱を取去
るために用いられる。流れ２８は外部排出弁４０および
流量制御外部拡張オリフィス４２を介して配向される。
その後、流れは内部熱交換器４４を介して配向される。
熱交換器４４は好ましくは、同心チューブからなる設計
の並列流熱交換器であり、ベント流２８は内部チューブ
４５と外部同心チューブ４７との間の通路を流れ、内部
チューブ４５が噴霧射出流２６を含む。ベント流２８は
排出チューブ４９によって集められ、背圧オリフィス４
６を介して外部に排出される。背圧オリフィス４６は所
望の熱交換器の圧力レベルを確立するために設けられ
る。噴霧射出流２６は熱交換器４４の頂部（出口）で多
岐に分かれ、噴霧射出システム３０の噴霧射出チューブ
へ向けられる。代替的な熱交換器の設計では、螺旋形の
熱交換器の形状でベント流２８が噴霧射出システム３０
のまわりを巻いている。
【００２７】動作中には、圧力トランスジューサ３４に
よって検知されるタンク圧がコントローラ３８にプリセ
ットした所望される最大レベルに達すると、コントロー
ラ３８は再循環ポンプ１４に電流を送って再循環ポンプ
１４を活性化する。ポンプ１４は液体捕捉システム３２
を用いることによって貯蔵タンク１２から液体を引出
し、４８で示す層になったアレージガス中へ射出する
（図１中で液体は５０で示す）。
【００２８】液体の噴霧射出流とアレージガス４８との
間で確立された強制対流熱伝達のために、アレージガス
が冷却され圧力が減衰する。アレージガス４８中の熱は
液体を継続的に噴霧射出し、かつバルクを混合すること
によって液体バルク５０中へ伝達される。圧力トランス
ジューサ３４によって検知される圧力レベルがコントロ
ーラ３８に規定された下限に達すると、再循環ポンプ１
４への電流が切られる。最初は、圧力制御はいかなる排
出損失もなく液体噴霧射出混合を介して達成される。こ
の動作モードは温度センサ３６によって示される液体バ
ルク温度がコントローラ３８中に確立された所望される
最大レベルに達するまで続く。液体バルク温度のさらな
る上昇を防止するためには、貯蔵装置１２から熱を除去
しなければならない。これは再循環ポンプ１４の下流に
置かれる排出弁４０を開くことによって完遂される。
【００２９】次に、図２を参照して、一般的に５２で示
す制御論理が示される。コントローラは再循環ポンプ１
４と外部排出弁４０とを別個に制御する。入力パラメー
タには、貯蔵タンク圧３４および再循環ポンプ入口温度
３５、入力負荷値Ｐmax 、Ｐ min およびΔＰが含まれ
る。測定された温度は３次等式によって液体飽和圧力
（ＰS ）に変換され、タンクの圧力レベル３４と比較し
て所望される液体補助冷却を決定する。外部排出弁４０
は再循環ポンプ１４が活性化されるときにのみ活性化さ
れる。制御論理５２は、再循環ポンプ１４がオンであ
り、かつ温度がコントローラ３８にプリセットされた可
能な最大レベルよりも大きい場合にのみ排出弁４０を開
く。排出弁を開くことにより排出弁４０の下流のオリフ
ィス４２によって制御される少流量が熱交換器４４に入
ることが可能となる。排出流は圧力の低い方へ広がるた
め、熱交換器４４に入る流体は温度の低い液体および気
体へと流れる。温度シンクは背圧オリフィス４６を制限
することによって予め定められる。再循環ポンプ１４は
排出弁４０が開いているときにもオンであるため、外部
への排出流は液体の噴霧射出流からの熱を吸収する。熱
交換器４４は、排出流が完全にガスへと気化され、液体
噴霧射出温度に近づく過熱されたガスとして真空中へ除
去されるような設計である。この方法では、排出流の熱
容量は、ある程度の蒸気過熱も含むため、通常の蒸発熱
の値を上回って上昇する。
【００３０】次に図３を参照して、典型的なタンク圧制
御バンド（Ａ）についてのポンプ動作（Ｂ）および排出
弁動作（Ｃ）が示される。最初は、噴霧射出によるタン
ク圧力の崩壊は、外部へ排出して熱を除去せずとも、再
循環ポンプ１４の活性化によって十分である。再循環ポ
ンプの液体の温度が所望される最大レベルに達すると、
排出弁は再循環ポンプの動作に伴って活性化され、船外
への排出によって熱を除去し、かつタンク圧力を制御す
る。これによりアイドルモードのタンク圧力制御の間の
実質的な冷却剤の損失を最小限にする。
【００３１】ここで再び図１を参照して、流体管理シス
テム１０は好ましくは、充填ライン５４および冷却／充
填弁２２を含む充填ラインアセンブリを備える。充填ラ
イン５４は外部極低温再供給源（図示せず）から極低温
充填流体を受取り、充填流体を再循環ポンプ１４に与え
る。冷却／充填弁２２は、極低温充填流体が無重力貯蔵
装置１２に直接導入されることを防止するように閉位置
で動作するように位置決めされ、無重力の貯蔵装置１２
を冷却するように噴霧射出システム３０のバイパスを防
止する。貯蔵タンクが十分に冷却されると、冷却／充填
弁が開いて充填流体を再循環ポンプ１４へ導入し、かつ
同時に主供給ライン１６および液体捕捉システム３２を
介して貯蔵装置を直接充填することが可能となる。この
手順により、液体捕捉システムは液体で満たされ、かつ
蒸気泡なく流されることが確実となる。これにより、ア
レージガス噴霧射出を用いることによってアレージガス
を継続的に凝縮して排出のない充填が達成される。もし
液体バルクの熱の調整が必要ならば、排出弁４０を開い
て熱を除去すればよい。
【００３２】さらに図１を参照して、本発明は、公知の
非凝縮ガスの量とともに、測定されたタンク圧力３４お
よび流体温度３６を用いることによって、無重力環境下
で極低温液体量を計算するために用いることができる。
液体および気体は噴霧射出によって熱の層をなくし、ア
レージガスおよび液体バルクの両方において均一な温度
を達成できるため、凝縮不可能な気体の公知の量の占有
する体積を推定するために、単純な圧力−体積−温度
（Ｐ−Ｖ−Ｔ）の計算を行なうことができ、この量が計
算システム５８への入力値５６である。アレージ体積か
ら液体の体積および液体の質量を計算することができ
る。このアプローチは大きな１つの泡または多数の小さ
な泡のいずれにも有効である。本発明は、推進剤沈降ス
ラスト手段または錯ラジオアイソトープ測定システムの
ような準臨界の極低温流体量を規定する手段を非常に簡
便にする。
【００３３】タンクの排出動作の間に凝縮不可能な圧力
が失われるのを防止するために、無重力の量測定システ
ムのついた液体捕捉システム３２が必要である。液体捕
捉システム３２は界面張力効果によって液体を保持する
ために、貯蔵タンクの内表面に隣接したスクリーンを含
む。
【００３４】上述の教示に鑑みて、本発明には明らかに
多数の修正および変形が可能である。したがって、前掲
の特許請求の範囲内において、本発明は特定的に記載さ
れる以外の態様で実施されてもよいということが理解さ
れるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の特徴を図式的に示す極低温貯蔵装置の
中心から見た部分的断面図であり、外部システム構成要
素および接続も示す。
【図２】本発明のコントローラ論理を示す図である。
【図３】タンク圧力および液体蒸気圧を維持するために
コントローラがどのように再循環ポンプおよび排出弁を
活性化するのかを示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 流体管理システム １２ 無重力極低温貯蔵装置 １４ 再循環ポンプ ３０ 内部軸方向噴霧射出システム ３２ 液体捕捉システム
【手続補正書】
【提出日】平成６年６月９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図３】
【図２】

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 無重力極低温貯蔵装置のための流体管理
    システムであって、 混合／再循環システムを含み、前記混合／再循環システ
    ムは、 ａ）無重力貯蔵装置から流体を受取り、かつ前記流体の
    出力流を前記貯蔵装置へ戻すための外部再循環ポンプ
    と、 ｂ）前記出力流の一部を前記再循環ポンプから受取るた
    めの内部軸方向噴霧射出システムとを含み、前記噴霧射
    出システムは前記貯蔵装置中に貯蔵される液体および気
    体の極低温流体の熱の層をなくすために設けられる、流
    体管理システム。
  2. 【請求項２】 ａ）前記再循環ポンプからの前記出力流
    の第２の部分を受取るための外部排出弁と、 ｂ）前記排出弁からの出力流を受取るための外部拡張オ
    リフィスと、 ｃ）前記拡張オリフィスからの出力流を受取って、前記
    噴霧射出システムを介して配向された前記再循環ポンプ
    からの出力流の前記部分から熱を吸収するための内部熱
    交換器とを含み、前記熱交換器は出力流を有し、さらに ｄ）所望される熱交換器の圧力レベルを確立するための
    背圧オリフィスを含む、熱除去システムをさらに備え
    る、請求項１に記載の流体管理システム。
  3. 【請求項３】 前記混合／再循環システムは、前記熱除
    去システムを活性化することなく、所望される貯蔵装置
    の流体圧力範囲において再循環ポンプの動作を開始さ
    せ、かつ終了させ、それにより貯蔵装置の流体排出損失
    なしに圧力制御を達成することのできるコントローラを
    含む、請求項２に記載の流体管理システム。
  4. 【請求項４】 前記コントローラは、外部への排出によ
    って熱を除去することにより流体バルクの温度を制御す
    るように、前記制御弁の動作を所望される貯蔵装置の流
    体温度範囲中で開始させ、かつ終了させるための手段を
    含む、請求項３に記載の流体管理システム。
  5. 【請求項５】 ａ）貯蔵タンクと、 ｂ）前記貯蔵タンクの内表面に隣接して置かれ、界面張
    力効果を与えるためのスクリーン手段を含む無重力液体
    捕捉システムと、 ｃ）混合／再循環システムを含む流体管理システムとを
    備え、前記流体管理システムは ｉ）前記貯蔵タンクから流体を受取るための外部再循環
    ポンプと、 ii）前記再循環ポンプからの出力流の一部を受取るため
    の内部軸方向噴霧射出システムとを有し、前記噴霧射出
    システムは前記貯蔵タンク中に貯蔵される液体および気
    体の極低温流体の熱の層をなくすために設けられる、無
    重力極低温貯蔵および伝達システム。
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