(57)【要約】      （修正有）【課題】全長を伸ばすことなく、使用開始前の振動・衝撃環境に対する高い耐性を有し、かつベローズの伸縮時の液体推薬の圧力変動を大幅に低減できる液体推薬供給装置を提供する。【解決手段】推薬タンク１０と制御弁２０を備える。推薬タンク１０は、内部空間がガス室１１ａと液室１１ｂとに仕切られ、ガス室１１ａに加圧ガスＧが密封され、液室１１ｂに液体推薬Ｌが充填されている。ベローズ１４は、ハウジング１２の軸心Ｚ−Ｚに沿って最長から最短まで軸方向に伸縮する。ガイド１６の内面は、中空円筒形であり、ベローズ１４又は摺動部１７を案内する。ガイド１６は、さらに、複数の均圧貫通穴１６ａを有する。ガス室１１ａは、ガイド１６の半径方向外側を囲む外側ガス空間１９を有している。液体推薬Ｌの排出時にガス室１１ａの体積変化ΔＶが閾値以下となるように、外側ガス空間１９の体積が設定されている。【選択図】図３
2020016266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間がガス室と液室に仕切られ、前記ガス室に加圧ガスが密封され、前記液室に液体推薬が充填された推薬タンクと、
前記液室に連結された推薬供給管に設けられ該推薬供給管を流れる前記液体推薬の圧力又は流量を制御する制御弁と、を備えた液体推薬供給装置であって、
前記推薬タンクは、前記推薬供給管に接続される推薬ポートのある中空のハウジングと、
前記ハウジングの軸心に沿って最長から最短まで軸方向に伸縮可能なベローズと、
前記ベローズの前記軸方向の伸縮を案内するガイドと、
前記最長を超える前記ベローズの伸びを防止するストッパと、を有し、
前記ガス室は、前記ガイドの半径方向外側を囲む外側ガス空間を有しており、
前記外側ガス空間は、前記液体推薬の排出時に前記ガス室の体積変化が閾値以下となる体積を有する、液体推薬供給装置。
【請求項２】
前記ベローズは、前記推薬ポートを囲み前記ハウジングの内面に液密に固定された固定端と、該固定端に対し軸方向反対側の端面に位置しベローズキャップで液密に閉じられた移動端と、を有し、
前記ストッパと前記ベローズキャップは、前記ベローズの最長時において前記軸方向に互いに嵌合する嵌合部を有する、請求項１に記載の液体推薬供給装置。
【請求項３】
前記ベローズは、軸心を中心とする複数の環状金属板の内面と外面を交互に溶接した溶接ベローズであり、
前記ガイドは、その内面と外面を連通する複数の均圧貫通穴を有する中空円筒管であり、該中空円筒管は前記ベローズ及び前記ベローズキャップを囲み前記軸心を中心とする円形内面を有する、請求項２に記載の液体推薬供給装置。
【請求項４】
前記ベローズキャップは、その外縁部に前記ガイドの前記内面と近接又は摺動する摺動部を有する、請求項２に記載の液体推薬供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロケットエンジンに係り、さらに詳しくは、ロケットエンジン用の液体推薬供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロケットエンジン用の液体推薬として、酸化剤（液体酸素、硝酸など）、燃料（ガソリン、アルコール、液体水素など）、又は酸化剤と燃料の化合物または混合物が、従来から用いられている。
これらの液体推薬をロケットエンジンに供給する液体推薬供給装置には、軽量化のために従来は球形、または、円筒形の両端が回転楕円体であるタンクが使用されている。小型化に向けては、ダイヤフラムで液室を押す構成と比較して容積効率が良い円筒形状のアキュムレータを使用することも考えられる。
【０００３】
かかるアキュムレータは、例えば、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１２５７０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は、特許文献１に開示された従来のアキュムレータ１の全体構成図である。この図において、２はハウジング、２ａはシェル、２ｂはポート穴、２ｃはガスエンドカバー、２ｄはガス注入口、３はガスプラグ、４はベローズ、５はベローズキャップ、６はガス室、７は液室である。
【０００６】
従来のアキュムレータは、例えば、図１のポート穴２ｂに制御弁８（例えば流量調節弁又は圧力調節弁）を接続して構成されていた。これを液体推進薬供給装置として使用するには、以下の問題点があった。
【０００７】
（１）ベローズ４は、薄肉かつ柔軟であり、振動に弱い。そのため、ロケットの打ち上げ時等の衝撃負荷時には、ベローズ４を最長に伸長または最短に圧縮して固定する必要がある。
【０００８】
（２）ベローズ４の内側を液室に変更し、衝撃負荷時にベローズ４を最長にして固定する場合、衝撃負荷時のガス室の体積が小さいため、液体推薬の排出に伴いガス室の体積変化が大きくなり、液室の圧力の変動が過大となる（例えば３分の１未満）。
【０００９】
（３）一方、ベローズ４の内側を液室にし、かつ液室の圧力変動を低減するため、衝撃負荷時のガス室の体積を大きくした場合には、図１におけるハウジング２の軸方向の長さを伸ばすと、ベローズ４の軸方向の固定ができなくなる。図１におけるハウジング２の径方向を拡大すると、柔軟な構造であるベローズ４がハウジング２ａにて支持されなくなり、打上げ時の振動環境に耐えられなくなる。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、全長を伸ばすことなく、使用開始前の振動・衝撃環境に対する高い耐性を有し、かつベローズの伸縮時の液体推薬の圧力変動を大幅に低減できる液体推薬供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、内部空間がガス室と液室に仕切られ、前記ガス室に加圧ガスが密封され、前記液室に液体推薬が充填された推薬タンクと、
前記液室に連結された推薬供給管に設けられ該推薬供給管を流れる前記液体推薬の圧力又は流量を制御する制御弁と、を備えた液体推薬供給装置であって、
前記推薬タンクは、前記推薬供給管に接続される推薬ポートのある中空のハウジングと、
前記ハウジングの軸心に沿って最長から最短まで軸方向に伸縮可能なベローズと、
前記ベローズの前記軸方向の伸縮を案内するガイドと、
前記最長を超える前記ベローズの伸びを防止するストッパと、を有し、
前記ガス室は、前記ガイドの半径方向外側を囲む外側ガス空間を有しており、
前記外側ガス空間は、前記液体推薬の排出時に前記ガス室の体積変化が閾値以下となる体積を有する、液体推薬供給装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明の液体推薬供給装置は、ガス室に加圧ガスが密封され、液室に液体推薬が充填された推薬タンクと、液室に連結された推薬供給管に設けられた制御弁とを備えるので、制御弁を介して加圧ガスで加圧された液体推薬を外部に供給することができる。
【００１３】
また、推薬タンクは、ハウジングの軸心に沿って最長から最短まで軸方向に伸縮可能なベローズと、最長を超えるベローズの伸びを防止するストッパと、を有するので、使用開始前の振動・衝撃環境に対し高い耐性を有する。
【００１４】
さらに、ガス室が、ガイドの半径方向外側を囲む外側ガス空間を有している。この外側ガス空間は、液体推薬の排出時にガス室の体積変化が閾値以下となる体積を有するので、全長を伸ばすことなく、ベローズの伸縮時に外部に供給する液体推薬の圧力変動を大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のアキュムレータの全体構成図である。
【図２】ベローズが最長時の本発明による液体推薬供給装置の全体構成図である。
【図３】ベローズが最短時の本発明による液体推薬供給装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図２は、ベローズ１４が最長時の本発明による液体推薬供給装置１００の全体構成図である。
この図において、本発明の液体推薬供給装置１００は、推薬タンク１０と制御弁２０を備える。
【００１８】
推薬タンク１０は、内部空間がガス室１１ａと液室１１ｂとに仕切られ、ガス室１１ａに加圧ガスＧが密封され、液室１１ｂに液体推薬Ｌが充填されている。
加圧ガスＧは、例えばヘリウム等の不活性ガス、又は窒素ガスである。液体推薬Ｌは、例えば、酸化剤（液体酸素、硝酸、四酸化二窒素など）、燃料（ヒドラジン、ガソリン、アルコール、液体水素など）である。
【００１９】
制御弁２０は、例えば流量調節弁又は圧力調節弁であり、液室１１ｂに連結された推薬供給管２２に設けられ、推薬供給管２２を流れる液体推薬Ｌの排出開始・停止又は流量を制御する。
推薬供給管２２は、例えば外部の供給先（例えば、エンジン）に液体推薬Ｌを供給する。
【００２０】
図２において、推薬タンク１０は、ハウジング１２、ベローズ１４、ガイド１６、及びストッパ１８、を有する。
【００２１】
ハウジング１２は、内部が中空の耐圧容器であり、その内部と外部を貫通する推薬ポート１２ａとガスポート１２ｂを有する。推薬ポート１２ａとガスポート１２ｂは、この例では、ハウジング１２の軸心Ｚ−Ｚに位置するが、その他の位置であってもよい。
推薬ポート１２ａは、液室１１ｂと連通する。推薬ポート１２ａには上述した推薬供給管２２が接続されている。
ガスポート１２ｂは、ガス室１１ａと連通し、ガス室１１ａに加圧ガスＧを充填するために用いられる。ガスポート１２ｂは、加圧ガスＧを充填した後、ガスブラグ１３により閉鎖されている。
この構成により、ガス室１１ａに加圧ガスＧを密封することができる。
【００２２】
ベローズ１４は、ハウジング１２の内部に配置され、ハウジング１２の内部空間をガス室１１ａと液室１１ｂとに仕切る。この例で、ベローズ１４の内側空間が液室１１ｂであり、外側空間がガス室１１ａである。ガス室１１ａには、後述する外側ガス空間１９が含まれる。
ベローズ１４の材質は、液体推薬Ｌに対する耐食性を有する金属、例えば、ステンレスやニッケル合金であるのがよい。
【００２３】
ベローズ１４は、ハウジング１２の軸心Ｚ−Ｚに沿って最長から最短まで軸方向に伸縮可能に構成されている。
この例でベローズ１４は、軸心Ｚ−Ｚを中心とする複数の環状金属板の内面と外面を交互に溶接した溶接ベローズである。この構成により、ベローズ１４の最短長さを短くでき、液室１１ｂの体積を増やすことができる。
なお、ベローズ１４は、溶接ベローズに限定されず、その他のベローズであってもよい。
【００２４】
ベローズ１４は、推薬ポート１２ａを囲みハウジング１２の内面に液密に固定された固定端１４ａと、固定端１４ａに対し軸方向反対側の端面に位置しベローズキャップ１５で液密に閉じられた移動端１４ｂと、を有する。
固定端１４ａは、固定金具１４ｃによりハウジング１２の内面に液密に固定され、固定端１４ａに作用する半径方向力を固定金具１４ｃを介してハウジング１２で支持するようになっている。
また、移動端１４ｂは、摺動部１７を介してベローズキャップ１５の外縁部に固定されている。
ベローズキャップ１５の摺動部１７は、ガイド１６の内面と近接又は摺動して位置し、移動端１４ｂに作用する半径方向力をガイド１６を介してハウジング１２で支持するようになっている。摺動部１７の材質は、摺動時の摩擦抵抗の小さい材料、例えばプラスチック又はフッ素樹脂であるのがよい。
【００２５】
ガイド１６は、ベローズ１４の軸方向の伸縮を案内する。
ガイド１６の内面は、中空円筒形であり、最長から最短まで軸方向に伸縮するベローズ１４又は摺動部１７を案内する。ガイド１６の内面には、摺動抵抗を低減するコーティング（例えばフッ素樹脂）がされていることが好ましい。或いは、ガイド１６の内面に滑りやすい材質のシートが軸方向に貼り付けられていることが好ましい。
ガイド１６は、この例では、中空円筒管である。中空円筒管はベローズ１４及びベローズキャップ１５を囲み軸心Ｚ−Ｚを中心とする円形内面を有する。
ガイド１６は、その軸方向両端がハウジング１２で両端支持され、ベローズ１４又は摺動部１７から受ける半径方向の力をハウジング１２を介して外部の固定部に伝達するようになっている。
【００２６】
ガイド１６は、さらに、その内面と外面を連通する複数の均圧貫通穴１６ａを有する。均圧貫通穴１６ａは、ガイド１６の内側と外側の間に圧力差が生じないように、全体として十分大きな断面積を有する。
均圧貫通穴１６ａは、ベローズ１４の伸縮範囲以外に設けることが好ましいが、ベローズ１４の伸縮範囲内に設けてもよい。
均圧貫通穴１６ａをベローズ１４の伸縮範囲内に設ける場合、それぞれの均圧貫通穴１６ａは、ベローズ１４又は摺動部１７と接触した際にベローズ１４の伸縮を妨げない形状（例えば、円弧状の角部）であるのがよい。
なお、均圧貫通穴１６ａの大きさ及び形状は異なってもよい。
【００２７】
ストッパ１８は、最長を超えるベローズ１４の伸びを防止する。
この例で、ストッパ１８とベローズキャップ１５は、ベローズ１４の最長時において軸方向に互いに嵌合する嵌合部１８ａ，１５ａを有する。
この図において、ストッパ１８の嵌合部１８ａは凹部であり、ベローズキャップ１５の嵌合部１５ａは凸部であり、互いに嵌合して軸方向及び半径方向の位置ずれを防止するようになっている。なお凸部と凹部は逆であってもよい。
【００２８】
なお、嵌合部１８ａ，１５ａの形状は、この例に限定されず、その他の形状、例えば、皿形、円錐形、などでもよい。また、負荷される環境が穏やかな場合には、嵌合を行なわず、相互の押しつけ力による摩擦固定でもよい。
【００２９】
上述した本発明の実施形態によれば、液体推薬供給装置１００は、ガス室１１ａに加圧ガスＧが密封され、液室１１ｂに液体推薬Ｌが充填された推薬タンク１０と、推薬供給管２２を流れる液体推薬Ｌの圧力又は流量を制御する制御弁２０とを備える。この構成により、制御弁２０を介して加圧ガスＧで加圧された液体推薬Ｌを外部に供給することができる。
【００３０】
また、推薬タンク１０が、最長を超えるベローズ１４の伸びを防止するストッパ１８とを有するので、使用開始前の衝撃に対し高い耐振性能を有する。
特に、ストッパ１８とベローズキャップ１５が、嵌合部１８ａ，１５ａを有する構成により、嵌合部１８ａ，１５ａが互いに嵌合して、移動端１４ｂの軸方向及び半径方向の位置ずれを確実に防止することができる。
【００３１】
図３は、ベローズ１４が最短時の本発明による液体推薬供給装置１００の全体構成図である。
図２と図３において、ガス室１１ａは、ガイド１６の半径方向外側を囲む外側ガス空間１９を有している。
【００３２】
本発明において、液体推薬Ｌの排出時にガス室１１ａの体積変化ΔＶが閾値以下となるように、外側ガス空間１９の体積が設定されている。
例えば、その際の液体推薬Ｌの圧力低下を３０％未満に設定する場合、温度変化が無視できるとすると、ボイルシャルルの法則から、以下の式（１）（２）を満たす必要がある。
Ｐ１×Ｖ１＝Ｐ２×Ｖ２＜０．７Ｐ１×Ｖ２・・・（１）
Ｖ２／Ｖ１＞１／０．７≒１．４３・・（２）
ここで、Ｐ１，Ｖ１は、ベローズ１４が最長時のガス室１１ａの圧力と体積、Ｐ２，Ｖ２は、ベローズ１４が最短時のガス室１１ａの圧力と体積である。
【００３３】
（試算例）
図２と図３において、ベローズ１４の平均内径をＤ１、ハウジング１２の平均内径をＤ２とする。
最長時のベローズ１４の長さをＬ１とすると、液室１１ｂの最大体積Ｖａの概略値は、式（３）で表せる。
Ｖａ≒π×Ｄ１２／４×Ｌ１・・・（３）
一方、図２におけるハウジング１２の内側全長をＬ２とすると、ガス室１１ａの最小体積Ｖｂの概略値は、式（２）で表せる。
Ｖｂ≒π×Ｄ２２／４×Ｌ２−Ｖａ−α・・・（４）
ここで、αは、ハウジング１２の内部構成部材（１４〜１８）の占める部材体積である。
【００３４】
ベローズ１４が最長から最短までのガス室１１ａの体積変化をΔＶとする。
概算計算のため、ΔＶ＝Ｖａ／２、Ｌ１＝Ｌ２、α＝０とすると、式（２）（３）（４）から式（５）が成り立つ。
Ｖ２／Ｖ１≒（Ｖｂ−Ｖａ）／Ｖａ
≒（π×Ｄ２２／４×Ｌ２−π×Ｄ１２／４×Ｌ１）／（π×Ｄ１２／４×Ｌ１）＝（Ｄ２２−Ｄ１２）／Ｄ１２＝（ｋ２−１）＞１．４３・・・（５）
ここで、直径比ｋはＤ２／Ｄ１である。
【００３５】
式（５）から、直径比ｋが１．５６以上であれば、ハウジング１２の全長を伸ばすことなく、ベローズ１４の最長から最短までの液体推薬Ｌの排出時に、液体推薬Ｌの圧力低下が３０％未満になることがわかる。
【００３６】
上述した本発明の実施形態によれば、ハウジング１２が、ガイド１６の半径方向外側を囲みガス室１１ａと連通する外側ガス空間１９を有している。この外側ガス空間１９は、液体推薬Ｌの排出時にガス室１１ａの体積変化ΔＶが閾値以下となる体積を有するので、全長を伸ばすことなく、ベローズ１４の伸縮時に外部に供給する液体推薬Ｌの圧力変動を低減できる。
【００３７】
なお本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００３８】
Ｇ  加圧ガス、Ｌ  液体推薬、ΔＶ  体積変化、Ｚ−Ｚ  軸心、α  部材体積、
１  アキュムレータ、２  ハウジング、２ａ  シェル、２ｂ  ポート穴、
２ｃ  ガスエンドカバー、２ｄ  ガス注入口、３  ガスプラグ、
４  ベローズ、５  ベローズキャップ、６  ガス室、７  液室、８  制御弁、
１０  推薬タンク、１１ａ  ガス室、１１ｂ  液室、１２  ハウジング、
１２ａ  推薬ポート、１２ｂ  ガスポート、１４  ベローズ、
１４ａ  固定端、１４ｂ  移動端、１４ｃ  固定金具、
１５  ベローズキャップ、１５ａ  嵌合部、１６  ガイド、
１６ａ  均圧貫通穴、１７  摺動部、１８  ストッパ、１８ａ  嵌合部、
１９  外側ガス空間、２０  制御弁、２２  推薬供給管、
１００  液体推薬供給装置
【図１】
2020016266.tif 000003
【図２】
2020016266.tif 000004
【図３】
2020016266.tif 000005