(57)【要約】【課題】低重力環境で用いられる液体用タンクにおいて、トラップ容器の内部から外部への液体の漏出を抑制し、タンク本体に貯留された液体を最後まで使用する。【解決手段】液体トラップ３０が、タンクシェル２１の液体排出部２２との接続部を上方から覆うと共に頂上部にガス排出口３１ｅを備えるトラップ容器３１と、該トラップ容器３１のガス排出口３１ｅに嵌合されると共に液体との間に働く毛管力が低重力環境において液体に作用する動圧よりも大きい気体透過手段３４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体を貯留すると共に底部に液体排出部が接続されたタンクシェルと、微小重力環境及び無重力環境を含む低重力環境において前記タンクシェルの底部に前記液体を集めて貯留する液体トラップとを備える液体用タンクであって、
前記液体トラップが、前記タンクシェルの前記液体排出部との接続部を上方から覆うと共に頂上部にガス排出口を備えるトラップ容器と、該トラップ容器の前記ガス排出口に嵌合されると共に前記液体との間に働く毛管力が前記低重力環境において前記液体に作用する動圧よりも大きい気体透過手段とを備えることを特徴とする液体用タンク。
【請求項２】
前記気体透過手段が、メッシュ部材であることを特徴とする請求項１記載の液体用タンク。
【請求項３】
前記気体透過手段が、複数の貫通孔が形成されたプレート部材であることを特徴とする請求項１記載の液体用タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体用タンクに関するものであり、特に微小重力環境や無重力環境にて用いられる液体用タンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば人工衛星や有人宇宙船には、微小重力環境や無重力環境の低重力環境にて使用可能な液体タンクが搭載されている。
このような液体タンクは、液体燃料、生活用水あるいは冷媒等の液体を貯留すると共に必要に応じて外部に排出する。
【０００３】
ところが、低重力環境で用いられる液体タンクでは、通常の地球上における重力を用いた気液分離ができないことから、液体の表面張力や毛管現象を利用して気液分離を行う構造が採用されている。
【０００４】
例えば、特許文献１及び特許文献２には、液体排出部が接続されたタンクシェルの底部に液体を集めて貯留するための液体トラップを設置することによって低重力環境におけるタンク本体内部での気液分離を実現する液体用タンクが提案されている。
【０００５】
この液体トラップは、タンクシェルの液体排出部との接続部を上方から覆うトラップ容器と、該トラップ容器内の中央に立設されて液体排出部と接続されると共に複数の貫通孔が形成された円筒部材と、該円筒部材を中央として放射状に配置された複数の板状部材とを備えており、トラップ容器内部に入り込んだ液体を板状部材によって円筒部材の内部に集めるように構成されている。
【０００６】
ところで、上述のような液体トラップを備える液体用タンクには、通常、地球上の通常の重力環境にて液体が充填される。このような通常の重力環境においては、タンク本体に供給される液体は、重力の影響によってタンク本体の底部から溜まっていく。
トラップ容器にはタンク本体に貯留された液体を残すことなくトラップ容器の内部に供給可能とするために液体の入口が底部に近くかつ底部に向けて形成されている。このため、通常の重力環境にて液体の供給が行われると、タンク本体の底部に向けて開口された入口によりトラップ容器の内部に液体が入り込むこととなる。
ただし、通常の重力環境でタンク本体の底部に向けて形成された入口から液体がトラップ容器内部に入り込む場合には、トラップ容器の内部の気体がトラップ容器から抜け出すことができずに残存する場合がある。
【０００７】
このようにトラップ容器内部に残存する気体は液体用タンクからの良好な液体の排出を阻害する虞があるため、従来の液体用タンクにおいては、トラップ容器の頂上部に気体をトラップ容器の外部に排出するためのガス排出口が形成されている。
このガス排出口を形成することによって、通常の重力環境にて液体を充填する際にトラップ容器の頂部に集まる気体をガス排出口を介してトラップ容器の外部に排出することができ、トラップ容器の内部に気体が残存することを防止することができる。
【特許文献１】特開２００２−３３７７９９号公報
【特許文献２】特開２００２−１３７７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、液体用タンクが低重力環境に晒されると、上述のようにトラップ容器内部の液体は、中央に配置された円筒部材に集められる。このため、タンク本体に残留する液体量が減少してトラップ容器の外部が気体雰囲気となった場合には、ガス排出口を介してトラップ容器内部の液体の一部がトラップ容器の外部に漏出してしまう。
よって、従来の液体用タンクでは、タンクシェルに貯留された液体を最後まで排出することができない場合がある。
【０００９】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、低重力環境で用いられる液体用タンクにおいて、トラップ容器の内部から外部への液体の漏出を抑制し、タンクシェルに貯留された液体を最後まで使用可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【００１１】
第１の発明は、内部に液体を貯留すると共に底部に液体排出部が接続されたタンクシェルと、微小重力環境及び無重力環境を含む低重力環境において上記タンクシェルの底部に上記液体を集めて貯留する液体トラップとを備える液体用タンクであって、上記液体トラップが、上記タンクシェルの上記液体排出部との接続部を上方から覆うと共に頂上部にガス排出口を備えるトラップ容器と、該トラップ容器の上記ガス排出口に嵌合されると共に上記液体との間に働く毛管力が上記低重力環境において上記液体に作用する動圧よりも大きい気体透過手段とを備えるという構成を採用する。
【００１２】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記気体透過手段が、メッシュ部材であるという構成を採用する。
【００１３】
第３の発明は、上記第１の発明において、上記気体透過手段が、複数の貫通孔が形成されたプレート部材であるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、トラップ容器の頂上部に設けられたガス排出口に、液体との間に働く毛管力が低重力環境において液体に作用する動圧よりも大きい気体透過手段が嵌合されている。このため、低重力環境においてガス排出口からトラップ容器の外部に液体が漏出することを抑止することが可能となる。
したがって、本発明によれば、低重力環境で用いられる液体用タンクにおいて、トラップ容器の内部から外部への液体の漏出を抑制し、タンク本体に貯留された液体を最後まで使用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明に係る液体用タンクの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態の液体用タンク１０の断面図であり、通常の重力環境における垂直方向の断面図である。
この図に示すように、本実施形態の液体用タンク１０は、タンク本体２０と、液体トラップ３０と、液体捕捉板４０とを備えている。
【００１７】
タンク本体２０は、球形に形状設定されると共に内部に液体が貯留されるタンクシェル２１と、該タンクシェル２１の底部（すなわちタンク本体２０の底部）に接続されて供給される液体を液体用タンク１０の外部に排出する液体排出部２２と、タンクシェル２１の頂上部に設置されると共にタンクシェル２１内部に液体を押し出すための気体を送り込む気体供給部２３とを備えている。
【００１８】
液体トラップ３０は、微小重力環境及び無重力環境を含む低重力環境においてタンクシェル２１の底部に液体を集めて貯留するものである。
図２及び図３は、液体トラップ３０を示す図面であり、図２が平面図であり、図３が通常の重力環境における垂直方向の断面図である。
これらの図に示すように液体トラップ３０は、タンクシェル２１の液体排出部２２との接続部を上方から覆うトラップ容器３１と、該トラップ容器３１内の中央に立設されて液体排出部２２と接続されると共に複数の貫通孔３２ａが形成された円筒部材３２と、該円筒部材３２を中央として放射状に配置された複数の板状部材３３と、トラップ容器３１のガス排出口３１ｅに嵌合されるメッシュ部材３４とを備えている。
【００１９】
トラップ容器３１は、タンクシェル２１の頂上部から底部に向けた垂直な軸を回転中心とする回転対称体であり、それぞれ球面状に湾曲された上面３１ａと下面３１ｂと円筒状の側面３１ｃとから構成されている。
【００２０】
下面３１ｂは、タンクシェル２１の底部よりも小さい曲率変形の球面形状で形成されており、中央（円筒部材３２）から外周に離間するほど、タンクシェル２１から離間するように湾曲されている。このため、下面３１ｂの中央から外周に向かうに連れて、下面３１ｂとタンクシェル２１の底部との間隔が大きくなっている。また、下面３１ｂの中央寄りにはタンクシェル２１の底部に向けて開口された入口３１ｄが形成されている。
このため、タンクシェル２１の底部の液体は、毛管現象によって、下面３１ｂとタンクシェル２１の底部との間隔が狭い中央に集められ、入口３１ｄを介してトラップ容器３１の内部に供給される。
【００２１】
また、上面３１ａの中央（円筒部材３２の上方）には、トラップ容器３１の内部に液体が供給される際に、トラップ容器３１の内部の気体をトラップ容器３１の外部に排出するためのガス排出口３１ｅが形成されている。
この上面３１ａの中央は、トラップ容器３１の頂上部となっている。すなわち、ガス排出口３１ｅは、トラップ容器３１の頂上部に形成されている。
【００２２】
そして、本実施形態の液体用タンク１０においては、トラップ容器３１の上面３１ａに形成されたガス排出口３１ｅに、メッシュ部材３４が嵌合されている。
このメッシュ部材３４は、メッシュ部材３４と液体との間に働く毛管力（付着力）が低重力環境にて液体に作用する動圧よりも大きくなるように目開きが設定されている。
具体的には、メッシュ部材３４の目開きは、下式（１）を用いて算出することができる。なお、下式（１）において左辺のＰＧは、低重力環境にて液体に作用する動圧であり、上述の板状部材３３や液体捕捉板４０の枚数や形状によって規定されるものであり、予め算出することが可能な値である。また、下式（１）において右辺は毛管力を示しており、σが液体の表面張力、ｒがメッシュ部材３４の目開きから突出する液体の曲率半径を示している。そして、曲率半径ｒは、メッシュ部材３４の目開きに依存する値であるため、下式（１）を満たすように曲率半径ｒを算出し、当該算出結果に基づいてメッシュ部材３４の目開きを設定することができる。
【００２３】
ＰＧ＝２σ／ｒ    （１）
【００２４】
なお、メッシュ部材３４の形成材料は特に限定されるものではないが、当然ながら液体に対して不活性な材料が選択される。このため、メッシュ部材３４は、例えばトラップ容器３１やタンクシェル２１等の同様の材料によって形成される。
【００２５】
このようなメッシュ部材３４がガス排出口３１ｅに嵌合されることによって、低重力環境においてトラップ容器３１の内部から外部に液体が漏出することを抑止することが可能となる。
【００２６】
円筒部材３２は、液体排出部２２と接続されてタンクシェル２１の底部立設されており、底部に近い側の側面部に内部に貫通する複数の貫通孔３２ａが形成されている。
このため、円筒部材３２の周囲に集められた液体は、貫通孔３２ａを介して円筒部材３２の内部に流れ込み、さらには液体排出部２２に供給される。
【００２７】
板状部材３３は、上辺３３ａ及び下辺３３ｂが円弧状、側辺３３ｃが直線状に形状設定されている。このため、トラップ容器３１と板状部材３３との間の隙間が、板状部材３３の上辺３３ａでは円筒部材３２に近づくほど大きく、板状部材３３の側辺３３ｃではタンクシェル２１の底部に近づくほど小さく、板状部材３３の下辺３３ｂでは円筒部材３２に近づくほど小さくなっている。つまり、トラップ容器３１と板状部材３３との間の隙間は、上側中央部から側部を通って下側中央部に向かうに連れて小さくなる。このため、トラップ容器３１の内壁面に付着した液体は、表面張力によって隙間の小さい方、すなわち円筒部材３２の下方に集められる。
また、複数の板状部材３３が、円筒部材３２を中央として放射状に配置されているため、板状部材３３同士の間の隙間は、円筒部材３２に近づくほど小さくなる。このため、板状部材３３同士の間に存在する液体は、表面張力によって円筒部材３２に集められる。
【００２８】
図１に戻り、液体捕捉板４０は、タンクシェル２１の内面に沿う円弧状の薄板によって形成されており、タンクシェル２１の内面との間に隙間が形成されるように配置されている。この液体捕捉板４０は、一端がトラップ容器３１の下面３１ｃに形成された入口３１ｄと接続されるように固定されている。
この液体捕捉板４０は、低重力環境において液体の表面張力によって液体をトラップ容器３１の下面３１ｃに形成された入口３１ｄに案内するものである。
そして、本実施形態において液体捕捉板４０は、液体トラップ３０を中央として等間隔で４つ設置されている。
【００２９】
なお、本実施形態の液体用タンク１０において用いられる液体は、特に限定される様々な種類の液体を用いることができる。
例えば、本実施形態の液体用タンク１０を、スラスタ等への燃料供給に用いる場合には、液体として、モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）等のヒドラジン、四酸化二窒素（ＮＴＯ）、液体酸素、液体水素及び液体メタン等を用いることができる。
また、例えば、本実施形態の液体用タンク１０を冷媒の供給に用いる場合には、液体として、代替フロン、液体ヘリウム、液体アンモニア及びフッ素系不活性液体等を用いることができる。
また、例えば、本実施形態の液体用タンク１０を生活用水の供給に用いる場合には、液体として水を用いることができる。
【００３０】
次に、このように構成された本実施形態の液体用タンク１０を低重力環境にて使用する場合の動作について説明する。
タンクシェル２１内に液体が十分に貯留されている場合には、気体供給部２３からタンクシェル２１内に液体を押し出すための気体が供給されると、当該気体がタンクシェル２１の中央に集まり、タンクシェル２１内に貯留された液体が加圧されて液体排出部２２から排出される。
このように液体排出部２２から液体が排出されてタンクシェル２１内の液体の残量が減少すると、タンクシェル２１内の液体は、タンクシェル２１の内壁面に付着された状態となり、このタンクシェル２１の内壁面に付着された液体が液体捕捉板４０によって捕捉されて案内されることによって、トラップ容器３１の下面３１ｃに形成された入口３１ｄを介してトラップ容器３１内に供給される。
【００３１】
トラップ容器３１の下面３１ｃに形成された入口３１ｄからトラップ容器３１内に供給された液体は、板状部材３３によって円筒部材３２の周囲に集められ、さらに貫通孔３２ａを介して円筒部材３２の内部に流入することによって円筒部材３２の内部に貯留される。
このため、低重力環境にて液体の残量が少なくなると、図４に示すように液体Ｘが円筒部材３２の内部及び周囲に貯留されることとなる。この結果、トラップ容器３１の頂上部に形成されたガス排出口３１ｅを塞ぐように液体が貯留されることとなるが、本実施形態の液体用タンク１０においては、トラップ容器３１の頂上部に形成されたガス排出口３１ｅにメッシュ部材３４が嵌合されている。
このメッシュ部材３４は、上述のようにメッシュ部材３４と液体との間に働く毛管力（付着力）が低重力環境にて液体に作用する動圧よりも大きくなるように目開きが設定されている。このため、ガス排出口３１ｅを塞ぐように貯留された液体は、メッシュ部材３４との間に働く毛管力によってガス排出口３１ｅからトラップ容器３１の外部に出ることができない。したがって、トラップ容器３１の内部から外部に液体が漏出することを防止することができる。
このようにメッシュ部材３４によってガス排出口３１ｅから液体がトラップ容器３１の外部に漏出することを防止することによって液体はトラップ容器３１の内部に残存されるため、残量がゼロになるまで液体を液体排出部２２に供給することができる。
【００３２】
なお、地球上の通常の重力環境にて本実施形態の液体用タンク１０に液体を充填する場合には、メッシュ部材３４が気体を透過するため、トラップ容器３１内に気体が残留することなく液体を充填することができる。
また、一般的に地球上での液体充填時における液体の供給圧力は、低重力環境にてメッシュ部材３４と液体との間に働く毛管力よりも遥かに大きいため、液体を通常の重力環境で充填する際にはガス排出口３１ｅからトラップ容器３１の外部に液体が流れ出ることができる。よって、より確実にトラップ容器３１内に気体が残留することを防止することが可能となる。
【００３３】
以上のような本実施形態の液体用タンク１０によれば、トラップ容器３１の頂上部に設けられたガス排出口３１ｅに、液体との間に働く毛管力が低重力環境において液体に作用する動圧よりも大きいメッシュ部材３４が嵌合されている。このため、低重力環境においてガス排出口３１ｅからトラップ容器３１の外部に液体が漏出することを抑止することが可能となる。
したがって、本実施形態の液体用タンク１０によれば、低重力環境で用いられる液体用タンクにおいて、トラップ容器３１の内部から外部への液体の漏出を抑制し、タンクシェル２１に貯留された液体を最後まで使用することが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態の液体用タンク１０によれば、ガス排出口３１ｅに嵌合される本発明の気体透過手段としてメッシュ部材３４を用いる構成を採用している。
メッシュ部材３４は、プレート部材等と比較して軽量であるため、本発明の気体透過手段を備える液体用タンク１０の重力増加を抑制することができる。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００３６】
図５は、本実施形態の液体用タンクが備える液体用トラップ３０の断面図であり、通常の重力環境における垂直方向の断面図である。
この図に示すように、本実施形態の液体用タンクは、液体用トラップ３０のガス排出口３１ｅに、上記第１実施形態の液体用タンク１０が備えるメッシュ部材３４に換えて複数の貫通孔３６が形成されたプレート部材３５が嵌合されている。
【００３７】
プレート部材３５に形成される貫通孔３６の径は、プレート部材３５の厚さ（すなわち貫通孔３６の長さ）を考慮した上で、プレート部材３５と液体との間に働く毛管力（付着力）が低重力環境にて液体に作用する動圧よりも大きくなるように設定されている。
【００３８】
このような構成を採用する本実施形態の液体用タンクによれば、低重力環境にて液体の残量が少なくり、ガス排出口３１ｅを塞ぐように液体が貯留された場合であっても、上述のようにプレート部材３５と液体との間に働く毛管力（付着力）が低重力環境にて液体に作用する動圧よりも大きくなるように貫通孔３６の径が設定されているため、ガス排出口３１ｅから液体がトラップ容器３１の外部に出ることができない。したがって、トラップ容器３１の内部から外部に液体が漏出することを防止することができる。
このようにプレート部材３５によってガス排出口３１ｅから液体がトラップ容器３１の外部に漏出することを防止することによって液体はトラップ容器３１の内部に残存されるため、残量がゼロになるまで液体を液体排出部２２に供給することができる。
【００３９】
なお、地球上の通常の重力環境にて本実施形態の液体用タンク１０に液体を充填する場合には、プレート部材３５が気体を透過するため、トラップ容器３１内に気体が残留することなく液体を充填することができる。
また、一般的に地球上での液体充填時における液体の供給圧力は、低重力環境にてプレート部材３５と液体との間に働く毛管力よりも遥かに大きいため、液体を通常の重力環境で充填する際にはガス排出口３１ｅからトラップ容器３１の外部に液体が流れ出ることができる。よって、より確実にトラップ容器３１内に気体が残留することを防止することが可能となる。
【００４０】
以上のような本実施形態の液体用タンクによれば、トラップ容器３１の頂上部に設けられたガス排出口３１ｅに、液体との間に働く毛管力が低重力環境において液体に作用する動圧よりも大きいプレート部材３５が嵌合されている。このため、低重力環境においてガス排出口３１ｅからトラップ容器３１の外部に液体が漏出することを抑止することが可能となる。
したがって、本実施形態の液体用タンクによれば、低重力環境で用いられる液体用タンクにおいて、トラップ容器３１の内部から外部への液体の漏出を抑制し、タンクシェル２１に貯留された液体を最後まで使用することが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態の液体用タンク１０によれば、ガス排出口３１ｅに嵌合される本発明の気体透過手段としてプレート部材３５を用いる構成を採用している。
プレート部材３５は、メッシュ部材等と比較して剛性が高いため、本発明の気体透過手段を備える液体用タンクの耐久性を向上することができる。
【００４２】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る液体用タンクの好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態においては、本発明の気体透過手段として、メッシュ部材３４あるいはプレート部材３５を用いる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の気体透過手段として、多孔体部材や気相選択透過膜等を用いることもできる。
【００４４】
また、上記実施形態においては、タンクシェル２１が球形状である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、タンクシェルの形状は任意であり、回転楕円体形状や方形状であっても良い。
ただし、低重力環境において液体がタンクシェル内に残存することを防止するために、タンクシェルの内壁面は連続する滑らかな面とされることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施形態の液体用タンク１０の断面図であり、通常の重力環境における垂直方向の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の液体用タンク１０が備える液体トラップを示す平面である。
【図３】本発明の第１実施形態の液体用タンク１０が備える液体トラップの断面図であり、通常の重力環境における垂直方向の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態の液体用タンク１０が低重力環境に晒されかつ液体残量が少ない場合における様子を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の液体用タンク１０が備える液体トラップの断面図であり、通常の重力環境における垂直方向の断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０……液体用タンク、２０……タンク本体、２１……タンクシェル、２２……気体排出部、２３……気体供給部、３０……液体トラップ、３１……トラップ容器、３１ａ……上面、３１ｂ……下面、３１ｃ……側面、３１ｄ……入口、３１ｅ……ガス排出口、３２……円筒部材、３２ａ……貫通孔、３３……板状部材、３４……メッシュ部材（気体通過手段）、３５……プレート部材（気体透過手段）、３６……貫通孔、４０……液体捕捉板、Ｘ……液体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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