(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温流体（１０８）を加熱するためのシステム（１００）であって、
導管上流端（１２４）及び導管下流端（１２８）を有する流体導管（１２０）であって、前記導管上流端が、前記流体導管を通って下流方向（１３８）に前記導管下流端に向かって流れる低温流体を受けるために、低温流体源（１０２）に流体連通されている、流体導管（１２０）と、
前記流体導管の下流部分に位置し、かつ前記低温流体を加熱し、結果的に前記低温流体の一部を上流方向（１３６）に流れる浮力流（１１２）に変換するように構成された加熱機構（１５０）と、
前記加熱機構上流の位置で前記流体導管に装着され、前記低温流体の上流バルブ質量流量を制御するように動作可能な上流バルブ（１６０）であって、前記上流バルブ質量流量が、前記上流バルブを通って前記下流方向に流れる低温流体の上流バルブ非浮力質量流量から、前記上流バルブを通過して前記上流方向に流れる任意の浮力流の上流バルブ浮力質量流量を減算したものを含む、上流バルブ（１６０）と、
前記加熱機構の下流に位置し、前記低温流体の下流バルブ質量流量を制御するために動作可能な下流バルブ（１８２）と、
上流バルブを狭められた位置（１６８）に調節するように構成されたコントローラ（２００）であって、前記狭められた位置では、
前記上流バルブ非浮力質量流量が、前記下流バルブ質量流量と実質的に一致し、
前記上流バルブは、前記浮力流が前記上流バルブを通過して前記上流方向に流れるのを少なくとも部分的に遮断する、コントローラ（２００）と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記下流方向（１３８）に沿って、前記上流バルブ（１６０）の上流バルブ開口（１６２）を通過する前記低温流体（１０８）の前記上流バルブ質量流量を測定するための上流の流量計（２０２）と、
前記下流方向に沿って、前記下流バルブ（１８２）の下流バルブ開口（１８４）を通過する前記低温流体の前記下流バルブ質量流量を測定するための下流の流量計（２０４）と、
前記上流バルブ質量流量及び前記下流バルブ質量流量を示すデータを継続的に受信するように構成され、かつ前記上流バルブ非浮力質量流量が前記下流バルブ質量流量と実質的に一致し、前記上流バルブを通過した前記浮力流（１１２）の前記流れが遮断されるように、前記上流バルブ開口を継続的に調節するように構成されたコントローラ（２００）と
を更に含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
【請求項３】
前記流体導管（１２０）に流体連通され、前記上流バルブ（１６０）と平行なバイパスバルブ（１９６）を含むバイパスレッグ（１９０）と、
前記下流バルブ質量流量を示すデータを受信するように構成され、自動的に前記上流バルブを閉鎖し、前記バイパスバルブを開放し、前記低温流体（１０８）が、前記バイパスレッグを通って流れ、前記上流バルブの下流に位置する熱伝達ゾーン（１５２）の前記流体導管に流れ込むように構成されたコントローラ（２００）と
を更に含む、請求項１又は２に記載のシステム（１００）。
【請求項４】
前記上流バルブ（１６０）及び前記バイパスバルブ（１９６）の少なくとも１つが、完全に開放された位置又は完全に閉鎖された位置のどちらか一方に移動可能であり、かつ狭められた位置（１６８）に調節不能である開閉バルブ（１８０）として構成される、請求項３に記載のシステム（１００）。
【請求項５】
前記加熱機構（１５０）が、前記流体導管（１２０）に装着され、かつ前記流体導管及び／又は前記流体導管を通って流れる前記低温流体（１０８）を能動的に加熱するように構成された、動力加熱装置（１５４）を備える、請求項１から４の何れか一項に記載のシステム（１００）。
【請求項６】
前記上流バルブの上流の前記流体導管の導管外面の大部分が、断熱材で覆われており、
前記加熱機構が、
少なくとも部分的に断熱材がない状態である、前記上流バルブの下流の前記流体導管の前記導管外面
を含む、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７】
低温流体（１０８）を加熱する方法（４００）であって、
流体導管（１２０）において、低温流体源（１０２）に流体連通された導管上流端（１２４）で低温流体を受けること（４０２）であって、前記低温流体が、前記流体導管を通って下流方向（１３８）に導管下流端（１２８）に向かって流れる、受けること（４０２）と、
上流バルブ（１６０）と下流バルブ（１８２）との間の前記流体導管の熱伝達ゾーン（１５２）内に位置する加熱機構（１５０）を使用して、前記低温流体を加熱すること（４０４）と、
前記低温流体を加熱した結果として、前記熱伝達ゾーン内で、前記低温流体の一部を浮力流（１１２）に変換すること（４０６）であって、前記浮力流が上流方向（１３６）に流れる、変換すること（４０６）と、
前記上流バルブを通る前記低温流体の上流バルブ非浮力質量流量が、狭められた位置（１６８）で、前記下流バルブを通る前記低温流体の下流バルブ質量流量と実質的に一致するまで、コントローラ（２００）を使用して、前記上流バルブを調節すること（４０８）と、
前記低温流体が前記下流方向の前記熱伝達ゾーンに流入する間、前記上流バルブで、前記浮力流の少なくとも一部が、前記上流バルブを通過して前記上流方向に流れるのを防止すること（４１０）であって、これにより、前記浮力流が前記上流バルブを通過して流れる場合にそうでなければ発生する前記低温流体からの熱損失を低減する、防止すること（４１０）と
を含む方法（４００）。
【請求項８】
上流の流量計（２０２）及び下流の流量計（２０４）を使用して、前記上流バルブ（１６０）の上流バルブ開口（１６２）及び前記下流バルブ（１８２）の下流バルブ開口（１８４）をそれぞれ通って前記下流方向（１３８）に流れる、前記低温流体（１０８）の前記上流バルブ非浮力質量流量及び前記下流バルブ質量流量それぞれを測定することと、
前記コントローラ（２００）で、前記上流バルブ非浮力質量流量及び前記下流バルブ質量流量を示すデータを継続的に受信することと、
前記上流バルブを通過する前記浮力流（１１２）の前記流れが少なくとも部分的に妨げられるように、前記コントローラを使用して、前記上流バルブ開口を継続的に調節すること（４０８）と
を更に含む、請求項７に記載の方法（４００）。
【請求項９】
前記上流バルブ非浮力質量流量が前記下流バルブ質量流量と実質的に一致するまで前記上流バルブ（１６０）を調節すること（４０８）、及び前記浮力流（１１２）の少なくとも一部が前記上流バルブを通過して流れるのを遮断すること（４１０）が、
前記浮力流が前記上流バルブを通過して流れるのを遮断するために、前記コントローラ（２００）を使用して、前記上流バルブを閉鎖することと、
前記コントローラを使用して、前記上流バルブと平行な、前記流体導管に流体連通されたバイパスレッグ（１９０）のバイパスバルブ（１９６）を開放することと、
前記バイパスレッグにより前記熱伝達ゾーン（１５２）内に前記低温流体（１０８）を送ることと
を含む、請求項７又は８に記載の方法（４００）。
【請求項１０】
前記上流バルブ（１６０）及び前記バイパスバルブ（１９６）の少なくとも１つが、完全に開放された位置又は完全に閉鎖された位置のどちらか一方に移動可能であり、かつ狭められた位置（１６８）に調節不能である開閉バルブ（１８０）として構成される、請求項９に記載の方法（４００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、低温流体に関し、より具体的には、導管を通って流れる低温流体を加熱する効率を高めるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある用途では、流体が導管の下流端で構成要素に流入する前に、導管を通って流れる流体を加熱する必要がある。例えば、液体推進材ロケットエンジンを有する打ち上げロケットは、エンジン始動中に点火及び燃焼の質を保証するために、エンジンセクションに流入する直前に、低温酸化剤（例えば、液体酸素−ＬＯＸ）及び低温燃料（例えば、液体水素−ＬＨ２）を加熱する必要がある。低温促進剤を加熱することは、実際、低温促進剤タンクがエンジン上方に位置することから、複雑である。例えば、ＬＯＸは、エンジン上方のかなりの距離（例えば、１００フィート以上）に位置するＬＯＸタンクから比較的大きな直径の導管を通って下方に流れることがある。
【０００３】
導管の比較的大きな直径とエンジン始動のための最初の低流要件が原因で、ＬＯＸは、最初は比較的ゆっくりと導管を移動している。導管外側に位置するヒータによるＬＯＸの加熱中に、導管壁の内面に直接隣接するＬＯＸは、導管内壁に沿って上に向かって移動する比較的低い密度の浮力流に変換される一方で、残りの密度の高い加熱されたＬＯＸは、下に向かってエンジンに流入する。導管の比較的大きな直径とＬＯＸの比較的低い流量が原因で、上に向かって移動する浮力流は、加熱されたＬＯＸの一部を導管を通って上方に引き寄せる。
【０００４】
加熱されたＬＯＸの上に向かう流れの正味の影響は、ヒータ効率の損失であり、エンジン始動のために必要とされる温度までＬＯＸを加熱する手段として、ヒータの電力出力増加及び／又はヒータ量の増加を必要とする。残念ながら、ヒータの電力レベルが増加すると、エンジン始動システムの動作効率が低下する。ヒータの量が増加すると、打ち上げロケットのコスト及び重量が増加する。加えて、ヒータの電力密度は、ＬＯＸに追加で熱を加えることができない最大点に到達する可能性がある。更に、導管を通って上方に移動する加熱されたＬＯＸの一部は、ＬＯＸタンクに流入し、タンクのバルク液体を加熱し、結果的に、バルク液体の密度を低下させ、これに応じて利用可能な推進剤質量を低下させる。推進剤質量が低下すると、宇宙に打ち上げることができるペイロードの量が低下する。
【０００５】
ここから分かるように、当該技術分野において、導管を流れる低温流体を加熱する効率を高めるためのシステム及び方法が必要である。
【発明の概要】
【０００６】
導管を流れる低温流体を加熱する効率を高めることに関連した上記の必要性は、実施形態で、加熱機構、上流バルブ、下流バルブ、及びコントローラを含むシステムを提供する本開示によって対処され軽減される。加熱機構は、流体導管を通って下流方向に流れる低温流体を加熱し、結果的に低温流体の一部を上流方向に移動させる浮力流に変換する。上流バルブは、加熱機構の上流に位置し、低温流体の上流バルブ質量流量を制御する。上流バルブ質量流量は、上流バルブを通って下流方向に流れる低温流体の上流バルブ非浮力質量流量から、上流バルブを通過して上流方向に流れる任意の浮力流の上流バルブ浮力質量流量を減算したものを含む。下流バルブは、加熱機構の下流に位置し、低温流体の下流バルブ質量流量を制御する。コントローラは、上流バルブを狭められた位置（ｃｈｏｋｅｄ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）に調節し、狭められた位置では、上流バルブ非浮力質量流量が、下流バルブ質量流量と実質的に一致し、上流バルブは、浮力流が上流バルブを通過して上流方向に流れるのを少なくとも部分的に遮断する。
【０００７】
また、低温タンクと、ロケットエンジンと、低温タンクからロケットエンジンまで下流方向に流れる低温流体を伝達するための流体導管と、低温流体を加熱するためのシステムとを含む宇宙打ち上げロケットが開示される。システムは、流体導管の下流部分に位置し、かつ低温流体を加熱し、結果的に低温流体の一部を上流方向に移動する浮力流に変換する加熱機構を含む。上流バルブは、加熱機構の上流の位置で流体導管に装着され、低温流体の上流バルブ質量流量を制御するように動作可能である。下流バルブは、加熱機構の下流に位置し、低温流体の下流バルブ質量流量を制御するために動作可能である。コントローラは、上流バルブを狭められた位置に調節し、狭められた位置では、上流バルブ非浮力質量流量が、下流バルブ質量流量と実質的に一致し、上流バルブは、浮力流が上流バルブを通過して上流方向に流れるのを少なくとも部分的に遮断する。
【０００８】
加えて、低温流体を加熱する方法が開示される。方法は、流体導管において、低温流体源に流体連通された導管上流端で低温流体を受けることを含む。低温流体は、流体導管を通って、下流方向に導管下流端に向かって流れる。方法は、加えて、上流バルブと下流バルブとの間の流体導管の熱伝達ゾーン内に位置する加熱機構を使用して、低温流体を加熱することを含む。方法はまた、低温流体を加熱した結果として、熱伝達ゾーン内で、低温流体の一部を浮力流に変換することを含む。浮力流は、上流方向に移動する。方法は、上流バルブを通る低温流体の上流バルブ非浮力質量流量が、狭められた位置で下流バルブを通る低温流体の下流バルブ質量流量と実質的に一致するまで、コントローラを使用して、上流バルブを調節することを更に含む。加えて、低温流体が下流方向の熱伝達ゾーンに流入する間、上流バルブで、浮力流の少なくとも一部が、上流バルブを通過して上流方向に流れるのを防止することであって、これにより、浮力流が上流バルブを通過して移動する場合にそうでなければ発生する低温流体からの熱損失を低減する、防止することとを含む。
【０００９】
本明細書に記載された特徴、機能及び利点は、本開示のさまざまな実施形態において独立して達成可能であり、又は、以下の説明及び図面を参照して更なる詳細が理解可能である更に他の実施形態において組み合わされてもよい。
【００１０】
本発明の開示のこれらの特徴及び他の特徴は、図面を参照すればより明確となり、これらの図面全体を通して、類似の番号は類似の部品を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】低温流体源に流体連結された流体導管の実施例の図であり、流体導管の下部は、上流バルブと、下流バルブと、導管の下流端を出る前に流体導管を通って流れる低温流体を加熱するための加熱機構とを備える本開示のシステムを含む。
【図２】上流バルブ、下流バルブ、及び上流バルブと下流バルブとの間の熱伝達ゾーン内で低温流体を加熱するための一又は複数の動力加熱装置からなる加熱機構を制御するためのコントローラを示す流体導管の下部の拡大図である。
【図３】加熱機構が熱伝達ゾーン内の流体導管の少なくとも一部に断熱材の欠如を含む、流体導管の例の概略図である。
【図４】流体導管の直径にわたって延びる旋回軸周囲を旋回可能なディスクを有するバタフライバルブとして構成されたバルブ（例えば、上流バルブ、下流バルブ）の例の断面図である。
【図５】図４の線５に沿ったバタフライバルブであって、完全に開放された位置にあるバタフライバルブを示す側断面図である。
【図６】図５の線６に沿ったバタフライバルブであって、完全に開放された位置にあるバタフライバルブを示す上断面図である。
【図７】狭められた位置に示された図５のバタフライバルブの上断面図である。
【図８】完全に閉鎖された位置に示された図５のバタフライバルブの上断面図である。
【図９】流体導管の直径にわたって延びる旋回軸周囲を旋回可能なバイザー要素を有するバイザーバルブとして構成されたバルブ（例えば、上流バルブ、下流バルブ）の例の断面図である。
【図１０】図９の線１０に沿ったバイザーバルブであって、完全に開放された位置にあるバイザーバルブを示す側断面図である。
【図１１】図１０の線１１に沿ったバイザーバルブであって、完全に開放された位置にあるバイザーバルブを示す上断面図である。
【図１２】狭められた位置に示された図１０のバイザーバルブの上断面図である。
【図１３】完全に閉鎖された位置に示された図１０のバイザーバルブの上断面図である。
【図１４】完全に開放された位置に示されたアイリスダイヤフラムバルブとして構成されたバルブ（例えば、上流バルブ、下流バルブ）の例の断面図である。
【図１５】狭められた位置に示された図１４のアイリスダイヤフラムバルブの断面図である。
【図１６】完全に閉鎖された位置に示された図１４のアイリスダイヤフラムバルブの断面図である。
【図１７】完全に開放された位置に示された可変開口ノズルとして構成されたバルブの断面図である。
【図１８】完全に開放された位置に示された図１７の可変開口ノズルの側断面図である。
【図１９】狭められた位置に示された図１７の可変開口ノズルの断面図である。
【図２０】狭められた位置に示された図１９の可変開口ノズルの側断面図である。
【図２１】本開示のシステムが、上流バルブと平行なバイパスレッグに装着されたバイパスバルブを更に含む、流体導管の例の概略図である。
【図２２】流体導管によってロケットエンジンに各々流体連通された低温推進剤タンクを有する打ち上げロケットの例の図である。
【図２３】上流バルブ、下流バルブ、及びロケットエンジン流入前に低温流体を加熱する効率を高める方法でコントローラによって制御される加熱機構を図示する図２２の打ち上げロケットのエンジンセクションの拡大図である。
【図２４】流体導管を通って流れる低温流体を加熱する効率を高める方法に含まれうる一又は複数の工程を有するフローチャートである。
【図２５】加熱機構が一又は複数の動力加熱装置から成る、流体導管の例の概略図であり、完全に開放された位置にある上流バルブ、狭められた位置にある下流バルブ、及び動作停止状態の加熱装置を更に示している。
【図２６】低温流体を加熱するために作動する加熱装置、更には上流バルブを通る低温流体の上流バルブ非浮力質量流量が、下流バルブを通って低温流体の下流バルブ質量流量に実質的に一致するように、狭められた位置に調節された上流バルブを示す、図２５の流体導管の概略図である。
【図２７】低温流体が所望の下流低温流体温度に達すると動作が停止する加熱装置、更には低温流体の質量流量の増加を促進するために、完全に開放された位置に移動した上流バルブ及び下流バルブを示す、図２５の流体導管の概略図である。
【図２８】完全に閉鎖された位置のバイパスバルブ、及び完全に開放された位置の上流バルブを示す図２１の流体導管の概略図である。
【図２９】低温流体を加熱するために作動する加熱装置、更には上流バルブが上流方向に流れる低温流体の浮力流を遮断できるようにする完全に開放された位置にあるバイパスバルブ及び完全に閉鎖された位置にある上流バルブを示す、図２８の流体導管の概略図である。
【図３０】低温流体が所望の下流低温流体温度に達すると動作が停止する加熱装置、更には低温流体の質量流量の増加を収容するための、完全に閉鎖された位置にあるバイパスバルブ並びに各々が完全に開放された位置にある上流バルブ及び下流バルブを示す、図２８の流体導管の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここから本開示の好適な種々の実施形態を図示するための図面を参照することになり、図１には、低温流体源１０２から低温流体受け入れ構成要素１１４まで低温流体１０８を移送するための流体導管１２０の例が示されている。流体導管１２０の下部は、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２、及び上流バルブ１６０と下流バルブ１８２との間を延びる熱伝達ゾーン１５２内に位置する加熱機構１５０を含む。以下により詳しく記載されるように、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２、及び加熱機構１５０は、低温流体１０８が導管下流端１２８を出て低温流体受け入れ構成要素１１４内を流れる前に、熱伝達ゾーン１５２内で低温流体１０８を効率的に加熱する方法で、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２、及び加熱機構１５０を制御するためのコントローラ２００（図２）を含むシステム１００の一部である。
【００１３】
図１及び図２を参照すると、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２、及び加熱機構１５０は、低温流体１０８の加熱中に熱伝達ゾーン１５２内の導管壁１３０に沿って形成される低温流体１０８の浮力流１１２からの熱損失を低減又は防止するように操作される。これに関し、加熱中に、導管内面１３２に最も近い低温流体１０８は、流体導管１２０の中心に向かって位置する低温流体１０８の下流移動主流１１０より温かい。導管内面１３２に対する低温流体１０８の加熱により、以下により詳しく記載されるように、低温流体１０８が、浮力流１１２と下流方向１３８に移動する低温流体１０８のより冷たい主流１１０との間の温度誘導による密度差に起因して上流方向１３６に移動する浮力流１１２に自然に分離するようになる。本開示のシステム１００において有利には、上流バルブ１６０は、浮力流１１２が上流バルブ１６０を通過して移動するのを防止又は遮断し、これにより下流方向１３８に移動する低温流体１０８の主流１１０からの熱損失を低減又は遮断し、結果的に低温流体１０８が加熱される効率を高めるように操作される。
【００１４】
図１において、流体導管１２０は、導管上流端１２４で終端する上流部分１２２と、導管下流端１２８で終端する下流部分１２６と、導管内面１３２（図２）及び導管外面１３４（図２）を有する導管壁１３０とを有する。導管上流端１２４は、低温流体１０８を含む低温流体源１０２に流体連結されている。低温流体１０８は、沸点が比較的低い（例えば、１２０度Ｋ未満）任意の種類の流体を含みうる。幾つかの例では、低温流体１０８は、液体酸素（ＬＯＸ）、液体水素（ＬＨ２）、液体メタン若しくは液化天然ガス（ＬＮＧ）、又は打ち上げロケット３００用のロケットエンジン３１０（図２２）又は低温流体１０８を使用する任意の他の用途の低温推進剤として使用されうる、任意の他の種類の液化酸化剤及び／又は液化燃料などの液化ガスを含むがこれらに限定されない低温推進剤を含みうる。低温流体源１０２は、導管上流端１２４に連結されたタンク出口１０６（図２２）を有する推進剤タンク３０４（図２２）などの低温タンク１０４でありうる。
【００１５】
導管上流端１２４は、惑星体（例えば、地球）の重力などの加速力１４０、又は低温流体１０８を流体導管１２０を通って下流方向１３８に流す任意の他の種類の加速力１４０の下、流体導管１２０を通って流れる低温流体１０８を受ける。微小重力又はゼロ重力の環境における宇宙船の例では、加速力１４０は、流体導管１２０の下流方向１３８に一般に平行な方向に、宇宙船の一又は複数のスラスタ（図示されず）を点火することによって、生成されうる。スラスタは、宇宙船の主エンジンを始動させる前の期間に点火されうる。スラスタの点火により、低温流体１０８は、下流方向１３８に沿って流体導管１２０を通って流されうる。
【００１６】
流体導管１２０は、低温流体源１０２と低温流体受け入れ構成要素１１４との間で流体導管１２０の長さ方向に沿って、一又は複数の回転（ｔｕｒｎ）若しくは屈曲（ｂｅｎｄ）を有しうる。幾つかの例では、流体導管１２０の少なくとも一部は、加速力１４０の方向に一般に平行に配向されうる。幾つかの例では、流体導管１２０の少なくとも一部は、流体導管１２０の少なくとも一部が重力に平行であるという意味では、垂直に配向されうる（例えば、図２２）。流体導管１２０は、加速力１４０（例えば、重力）の方向のおよそ８０度の範囲に配向されうる。発射台上の垂直離陸打ち上げロケット３００（例えば、図２２）について、流体導管１２０の少なくとも一部は、およそ垂直に（例えば、±１０度）、かつ水平よりおよそ１０度以上に配向されうる。
【００１７】
打ち上げロケット３００の例では、流体導管１２０は、低温推進剤を運ぶための推進剤供給ラインとして機能しうる。例えば、流体導管１２０は、酸化剤供給ライン又は燃料供給ラインでありうる。流体導管１２０は、円形の断面を有し、又は流体導管１２０の断面は、様々な非円形形状のうちの任意の１つを有し、様々なサイズの任意の１つで提供されうる。例えば、打ち上げロケット３００において、ＬＯＸ用の流体導管１２０は、およそ１２インチ以上の内径を有し得る。流体導管１２０の直径は、打ち上げロケット３００（図２２）の例におけるロケットエンジン３１０などの下流低温流体受け入れ構成要素１１４の必要な質量流量により決定されうる。
【００１８】
図２は、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２、及び加熱機構１５０に通信可能に接続されたコントローラ２００を含む本開示のシステム１００を図示する、流体導管１２０の下部の拡大図である。加熱機構１５０は、流体導管１２０の熱伝達ゾーン１５２に位置し、低温流体１０８を加熱するように構成されており、熱伝達ゾーン１５２を通過する低温流体１０８の増加温度に対応する徐々に濃くなる矢印として図示されている。幾つかの例では、加熱機構１５０は、導管壁１３０を加熱し、結果的に導管内面１３２に直接隣接する低温流体１０８の層が、浮力流１１２に変換され、上記のように、上流方向１３６に移動する。低温流体１０８の残りの部分（即ち、主流１１０）は、熱伝達ゾーン１５２を通って、導管下流端１２８に向かって下流方向１３８に流れる。
【００１９】
図２では、加熱機構１５０は、流体導管１２０の熱伝達ゾーン１５２を通過する低温流体１０８を能動的に加熱するための一又は複数の動力加熱装置１５４として構成されうる。図２に示された動力加熱装置１５４は、熱伝達ゾーン１５２の導管外面１３４に関連付けられ、連結され、装着され、及び／又はその周囲に位置付けられうる。１つの例では、動力加熱装置１５４は、流体導管１２０周囲で周方向に間隔が空けられ、かつ熱伝達ゾーン１５２の縦方向部分に沿って間隔が空けられ、又は熱伝達装置は、上流バルブ１６０から下流バルブ１８２まで熱伝達ゾーン１５２の全長さに沿って間隔が空けられうる。加熱装置１５４の総量及び各加熱装置１５４の熱出力能力は、低温流体１０８の組成、流体導管１２０を通る低温流体１０８の最大質量流量、低温流体１０８が熱伝達ゾーン１５２に沿って通過するに際に、低温流体１０８の温度が上昇するに違いない量、及び他の要因に依存しうる。
【００２０】
１つの例では、加熱装置１５４は、導管外面１３４に巻かれた又は流体導管１２０を加熱するための導管壁１３０に組み込まれた一又は複数の抵抗線（図示されず）として提供されうる。別の例では、加熱装置１５４は、熱伝達ゾーン１５２に沿って導管外面１３４に締結された一又は複数の金属締結ヒータ（図示されず）として提供されうる。更に別の例では、加熱装置１５４は、赤外線加熱装置などの複数の放射加熱装置として提供されうる。放射加熱装置は、様々な構成のうちの任意の一又は複数の構成で提供されうる。１つの例では、加熱装置１５４は、核沸騰により低温流体１０８を加熱するように構成されうる。
【００２１】
図３では、熱伝達ゾーン１５２の外側のセクションで断熱材１５６で覆われた流体導管１２０の例が示される。流体導管１２０は、熱伝達ゾーン１５２内で断熱材１５６が低減されているか、断熱材１５６を有していないかである。断熱材１５６は、導管外面１３４を覆うポリマースプレー式発砲体などの発泡断熱材を含みうる。代替的には又は追加的には、断熱材１５６は、真空ジャケット、多層断熱材、及び／又は任意の他の種類の断熱材１５６でありうる。熱伝達ゾーン１５２内で、流体導管１２０は、断熱材１５６を少なくとも部分的に欠いている、及び／又は熱伝達ゾーン内の断熱材１５６は、断熱材１５６の厚さが低減されたため及び／又は断熱材１５６の断熱能力が低減されたために効率が低減しうる。熱伝達ゾーン１５２から断熱材１５６を低減又は省略することによって、受動加熱機構１５０が提供され、導管壁１３０の環境加熱１５９が可能になり、結果的に熱伝達ゾーン１５２を通過する低温流体１０８の伝導加熱がもたらされる。
【００２２】
なおも図３を参照すると、露出された流体導管１２０（例えば、非断熱）又は断熱材が低減された流体導管１２０の環境加熱１５９は、周囲空気加熱、太陽放射加熱、及び／又は熱伝達ゾーン１５２に近接して位置する構造からの放射加熱を含むがこれらに限定されない任意の数の環境加熱源（図示されず）によって提供されうる。例えば、放射加熱は、導管支持構造、タンク支持構造、ロケットエンジン３１０、及び／又は関連するエンジン構成要素によって放出されうる。断熱材１５６は、熱伝達ゾーン１５２の外側の断熱された流体導管１２０の環境加熱１５９の量に対して、熱伝達ゾーン１５２内の流体導管１２０の環境加熱１５９を増加させるように、熱伝達ゾーン１５２から局部的に低減されてもよく、又はまとめて省略されてもよい。図示されていないが、受動加熱機構１５０は、断熱材が低減されたか断熱材を含まない熱伝達ゾーン１５２が環境加熱１５９から遮蔽される遮蔽位置と、断熱材が低減されたか断熱材を含まない熱伝達ゾーン１５２が環境加熱１５９に露出される非遮蔽位置との間で熱遮蔽を移動させるためにコントローラ２００によって制御されうる一又は複数の可動熱遮蔽をオプションで含みうる。
【００２３】
再び図２を参照すると、システム１００は、加熱機構１５０のすぐ上流の流体導管１２０に連結又は統合される上流バルブ１６０を含む。上流バルブ１６０は、上流バルブ１６０を通って下流方向１３８に流れる低温流体１０８の上流バルブ質量流量を制御するために操作される。上流バルブ質量流量は、上流バルブ１６０を通って下流方向１３８に流れる低温流体１０８の上流バルブ非浮力質量流量から、上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６に流れる任意の浮力流１１２の上流バルブ浮力質量流量を減算したものを含む。本開示のシステム１００及び方法において、上流バルブ１６０は、浮力流１１２が上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６に沿って移動するのを制限、低減、又は防止するように操作される。
【００２４】
加えて、システム１００は、加熱機構１５０の下流に位置する下流バルブ１８２を含む。図１から図３に示される幾つかの実施形態において、下流バルブ１８２は、加熱機構１５０のすぐ下流の流体導管１２０に連結又は統合されうる。図示されない他の例では、下流バルブ１８２は、低温流体受け入れ構成要素１１４の一又は複数のバルブ、及び／又は低温流体受け入れ構成要素１１４の下流に位置する一又は複数のバルブを含みうる。例えば、低温流体受け入れ構成要素１１４が打ち上げロケット（図２２）のロケットエンジン３１０（図２２及び図２３）である実施形態において、下流バルブ１８２は、エンジン３１０の一又は複数のバルブ（図示されず）、及び／又はロケットエンジン３１０の下流に位置する接地システム（図示されず）の一又は複数のバルブの組み合わせを含みうる。実施形態において、下流バルブ１８２は、接地システムのエンジンブリードシステムバルブ（図示されず）を含み、エンジン点火前に低温推進剤のエンジンブリード流を管理するように操作されうる。位置に関わらず、本開示のシステム１００の下流バルブ１８２は、下流バルブ１８２を通って下流方向１３８に流れる低温流体１０８の下流バルブ質量流量を制御するように構成される。
【００２５】
幾つかの例では、上流バルブ１６０及び／又は下流バルブ１８２は、可変開口バルブ１６４でありうる。可変開口バルブ１６４は、完全に開放された位置１６６、完全に閉鎖された位置１７０、及び完全に開放された位置１６６と完全に閉鎖された位置１７０との間の無限に多様な狭められた位置１６８（例えば、部分的に開放された位置）のうちの任意の１つ間で調節可能である。完全に開放された位置１６６では、低温流体１０８は、可変開口バルブ１６４を通してスムーズに流れる。完全に閉鎖された位置１７０では、低温流体１０８は、可変開口バルブ１６４を通しての流れが防止される。可変開口バルブ１６４のバルブ開口は、様々な異なる開口サイズ（例えば、開口幅又は有効な開口直径）の任意の１つに調節されると、流体導管１２０の断面中心に対して中心に置かれた状態を維持しうる。代替的には、図２１に示され以下に記載される本開示のシステム１００の別の例では、上流バルブ１６０は、完全に開放された位置１６６か完全に閉鎖された位置１７０のどちらかに移動可能である、又は狭められた位置１６８（例えば、部分的に開放された位置）に調節不能である開閉バルブ１８０でありうる。開閉バルブ１８０は、あまり複雑ではなく、したがって、可変開口バルブ１６４よりコストがかからず、動作が簡単でありうる。
【００２６】
図４から図８は、可変開口バルブ１６４か開閉バルブ１８０かのどちらかとして操作されうるバタフライバルブ２１０として構成されるバルブ（例えば、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２）の例を示す。図４は、バタフライバルブ２１０の直径方向に対向する側面の間を延びるシャフト２１４に連結されうるディスク２１２を含むバタフライバルブ２１０の断面図である。バタフライバルブ２１０は、シャフト２１４を回転させるためのアクチュエータ２２４を含みうる。ディスク２１２は、実質的に流体導管１２０の導管内面１３２の直径に相当するバルブ本体（図示されず）の内径に補完的にサイズ決定及び構成されうる。バタフライバルブ２１０が完全に閉鎖された位置１７０にある場合（図８）、ディスク２１２のエッジは、バルブ内面（図示されず）に対して密閉され、これにより低温流体１０８のバタフライバルブ２１０を通る流れが防止される。
【００２７】
図５は、完全に開放された位置１６６にあるバタフライバルブ２１０の側断面図であり、図示された例では円形を有するディスク２１２の外形が示されている。シャフト２１４は、流体導管１２０の直径方向に対向する側面に位置する一対の軸受によって支持されうる。図６は、一般に、低温流体１０８がバタフライバルブ２１０を通って無制限に流れることができるようにする、完全に開放された位置１６６にあるバタフライバルブ２１０を示す。図７は、狭められた位置１６８にあるバタフライバルブ２１０を示しており、ディスク２１２は、バタフライバルブ２１０の軸に対して非平行かつ非垂直に配向されており、これにより、バタフライバルブ２１０を通る低温流体１０８の流れが少なくとも部分的に遮断される。図８は、完全に閉鎖された位置１７０にあるバタフライバルブ２１０を示し、ここではバタフライバルブ２１０を通る低温流体１０８の流れが完全に遮断されている。アクチュエータ２２４は、シャフト２１４を旋回軸２１６周囲で回転させ、完全に開放された位置１６６、完全に閉鎖された位置１７０、又は無限に多様な狭められた位置１６８の任意の１つの間でディスク２１２の配向を変更するようコントローラによって命令されうる。
【００２８】
図９から図１３は、可変開口バルブ１６４か開閉バルブ１８０かのどちらかとして操作されうるバイザーバルブ２１８として構成されるバルブ（例えば、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２）の例を示す。図９は、バイザー要素２２０を含みうるバイザーバルブ２１８の断面図である。一対のバイザー装着アーム２２２は、バイザー要素２２０を、バイザーバルブ２１８の直径にわたって延びるシャフト２１４に連結させうる。バイザーバルブ２１８は、コントローラ２００からの命令に応じて、バイザー要素２２０の配向を変更するためにシャフト２１４を回転させるためのアクチュエータ２２４を更に含みうる。これについて、バイザー要素２２０は、完全に開放された位置１６６、完全に閉鎖された位置１７０、又は無限に多様な狭められた位置１６８の任意の１つの間を移動し得る。
【００２９】
図１０は、完全に開放された位置１６６にあるバイザーバルブ２１８の側断面図であり、シャフト２１４に装着されたバイザー要素２２０を更に示している。図１１は、アーチ形のバイザー要素２２０の例を示すバイザーバルブ２１８の上断面図である。バイザー要素２２０が完全に開放された位置１６６にあるとき、バイザー要素２２０は、回転してバルブハウジング２２６の空洞に入り、低温流体１０８は、バイザーバルブ２１８を通って無制限に流れることができるようになる。図１２は、狭められた位置１６８にあるバイザーバルブ２１８を示し、この場合、バイザーバルブ２１８を通る低温流体１０８の流れは、部分的に防止又は遮断されている。図１３は、完全に閉鎖された位置１７０にあるバイザーバルブ２１８を示しており、この場合、バイザー要素２２０は、低温流体１０８のバイザーバルブ２１８を通る流れを防止するように、バイザーバルブ２１８に密閉されている。
【００３０】
図４から図１３は、様々なバルブ構成の任意の１つについての２つの例を示しており、その中で、バルブ開口は、狭められた位置１６８（例えば、部分的に開放された位置）にあるときには中心に置かれておらず、狭められた位置１６８に対するサイズ及びバルブ開口の調節中に中心に置かれていない状態が維持される。例えば、図４から図８に示される上記バタフライバルブ２１０は、ディスク２１２が図７に示されるように狭められた位置１６８にあるとき、ディスク２１２の直径方向に対向する側面に開口を提供する。同様に、図９から図１３に示される上記バイザーバルブ２１８は、バイザー要素２２０が図１２に示されるように狭められた位置１６８にあるとき、中心に置かれていない開口を有する。しかしながら、上流バルブ１６０の中心に置かれていない開口は、浮力流１１２の少なくとも一部を防止又は遮断しうる。例えば、バタフライバルブ２１０又はバイザーバルブ２１８が狭められた位置１６８にあるとき、ディスク２１２（図７）又はバイザー要素２２０（図１２）のそれぞれの少なくとも一部は、バルブ内面（図示されず）に近接するか直接的に接触し、これにより、周囲に位置する浮力流１１２の少なくとも一部を遮断しうる。これに関し、中心に置かれていない開口は、浮力流１１２を直接、物理的に遮断することはないが、狭められた位置１６８は、結果的に上流バルブ１６０を通して断面流面積を低減し、上流バルブ１６０を通って下流方向１３８に移動する速度の増した低温流体１０８が、周囲に位置する浮力流１１２と混合又は相互作用し、これによって浮力流１１２が上流バルブ１６０の上流を通過するのを克服及び／又は防止する点まで、低温流体１０８の速度を増加させうる。
【００３１】
図１４から図１６は、可変開口バルブ１６４か開閉バルブ１８０かのどちらかとして操作されうるアイリスダイヤフラムバルブ１７２として構成された可変開口バルブ１６４の例を示す。図示された例において、アイリスダイヤフラムバルブ１７２は、流体導管１２０の導管軸（図示されず）に対して横に配向された平面（図示されず）内で各々が旋回可能である一組の重なるリーフ１７４を有している。図１４は、完全に開放された位置１６６にあるアイリスダイヤフラムバルブ１７２を示す。図１５は、狭められた位置１６８（例えば、部分的に開放された位置）にあるアイリスダイヤフラムバルブ１７２を示す。図１６は、完全に閉鎖された位置１７０にあるアイリスダイヤフラムバルブ１７２を示す。アイリスダイヤフラムバルブ１７２が、コントローラ２００によってバルブ開口のサイズを変更するように命令されると、アイリスダイヤフラムバルブ１７２のリーフ１７４は、同じ量だけ各々が旋回し、よってバルブ開口は、有利には、バルブ開口のサイズに関わらず、流体導管１２０の断面中心に対して中心に置かれた状態を維持する。
【００３２】
図１７から図１９は、また可変開口バルブ１６４か開閉バルブ１８０かのどちらかとして操作されうる可変開口ノズル１７６として構成された可変開口バルブ１６４の例を示す。図示された例では、可変開口ノズル１７６は、流体導管１２０の導管軸に対して横に配向された平面に入射する軸周囲を各々が旋回可能である一組の重なるペタル１７８を有している。図１７は、完全に開放された位置１６６にある可変開口ノズル１７６を示す。図１８は、完全に開放された位置１６６にある可変開口ノズル１７６の側断面図である。図１９は、狭められた位置１６８にある可変開口ノズル１７６を示す。図２０は、狭められた位置１６８にある可変開口ノズル１７６の側断面図である。可変開口ノズル１７６が、コントローラ２００によってバルブ開口のサイズを変更するように命令されると、可変開口ノズル１７６のペタル１７８は、同じ量だけ各々が旋回し、よってバルブ開口は、有利には、バルブ開口のサイズに関わらず、導管の断面中心に対して中心に置かれた状態を維持する。
【００３３】
図１４から図２０は、バルブ開口が、バルブ開口のサイズに関わらず、流体導管１２０内で中心に置かれた状態を維持する様々なバルブ構成の２つの例を示す。上流バルブ１６０が狭められた位置１６８にあるとき、上流バルブ開口１６２を中心に維持することにより、上流バルブ１６０を通る低温流体１０８の流れが流体導管１２０内で中心に置かれる一方で、上流バルブ１６０は、同時に、周辺に位置する浮力流１１２の上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６への移動を防止又は遮断し、これにより、熱伝達ゾーン１５２内の低温流体１０８からの熱損失を回避し、加熱機構１５０の加熱効率を高める。
【００３４】
図２を再び参照すると、システム１００は、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２に通信可能に接続され、加えて加熱機構１５０に通信可能に接続されうるコントローラ２００を含む。コントローラ２００は、人が介入又は監視することなく、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２、及び加熱機構１５０を制御するように構成されたコンピュータシステム（例えば、地上ベース又は車両ベース）の一部でありうる。実施形態では、コントローラ２００は、上流バルブ１６０を狭められた位置１６８に調節するように構成されており、狭められた位置で、（１）上流バルブ非浮力質量流量は、下流バルブ質量流量と実質的に一致し、（２）上流バルブ１６０は、浮力流１１２が上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６に流れるのを少なくとも部分的に防止、遮断、又は阻止する。狭められた位置１６８の上流バルブ１６０による浮力流１１２の部分的遮断は、上流バルブ１６０が存在しなければ、熱伝達ゾーン１５２から外へ、可能であれば導管上流端１２４から外へ流れるだろう浮力流１１２の量に対して、上流バルブ１６０を通過して熱伝達ゾーン１５２から外へ移動する浮力流１１２の量を低減すること（例えば、少なくとも５０パーセント）を含みうる。上記のように、狭められた位置１６８の上流バルブ１６０は、有利には、浮力流１１２が、低温流体１０８の加熱された主流１１０の一部を上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６に引き寄せるのを低減又は防止し、不所望にも、加熱機構１５０の加熱効率を低減することになるだろう。
【００３５】
図２及び図３を参照すると、システム１００は、上流の流量計２０２、下流の流量計２０４、及び／又は温度センサ２０６を含みうる。上流の流量計２０２は、上流バルブ１６０の上流バルブ開口１６２を通って下流方向１３８を通過する低温流体１０８の上流バルブ非浮力質量流量を測定するように構成されうる。下流の流量計２０４は、下流バルブ１８２の下流バルブ開口１８４を通って下流方向１３８を通過する低温流体１０８の下流バルブ質量流量を測定するように構成されうる。上流の流量計２０２及び／又は下流の流量計２０４は、ベンチュリ流量計、タービン流量計、超音波流量計、差圧流量計、又は様々な他の種類の質量流量計のうちの任意のものとして構成されうる。
【００３６】
コントローラ２００は、低温流体１０８の上流バルブ質量流量及び下流バルブ質量流量それぞれを示す上流の流量計２０２及び下流の流量計２０４からデータを受信しうる。上記のように、下流バルブ質量流量は、下流バルブ１８２を通過する低温流体１０８の質量流量を示しうる。代替的には、下流バルブ質量流量は、導管下流端１２８から出る低温流体１０８の質量流量、又は下流バルブ１８２と導管下流端１２８との間の流体導管１２０の下流部分１２６の任意の位置における低温流体１０８の質量流量を示しうる。更なる実施形態では、下流バルブ質量流量は、導管下流端１２８の下流の任意の位置を含む、下流バルブ１８２の下流の任意の位置における低温流体１０８の質量流量を示しうる。下流バルブ質量流量を示すデータの受信に応じて、コントローラ２００は、上流バルブ１６０が存在しなければ、導管上流端１２４から外へ（例えば、同伴主流１１０と共に）流れるだろう浮力流１１２に対して、上流バルブ１６０を通過して浮力流１１２の移動が防止されるように、上流バルブ１６０を（例えば、狭められた位置１６８に）自動的に（例えば、人が介入せずに）調節しうる。
【００３７】
これに関し、コントローラ２００は、完全に開放された位置１６６から、低温流体１０８の最初の低い質量流量の部分的に開放された位置と説明される狭められた位置１６８まで、上流バルブ開口１６２のサイズを最初に調節しうる。以下でより詳しく記載される打ち上げロケット３００（図２２及び図２３）の例では、外部システム（図示されず）からの命令に応じて、コントローラ２００は、エンジン始動ボックス要件に基づき、上流バルブ開口１６２及び下流バルブ開口１８４のサイズを調節しうる。以下に記載されるように、実際の低温流体温度がエンジン始動ボックス要件毎に所望の低温流体温度まで加熱されるとき、下流バルブ１８２及び上流バルブ１６０は各々、低温流体１０８のロケットエンジン３１０への質量流量増加を促進するために、狭められた位置１６８から完全に開放された位置１６６まで移動する。上流バルブ１６０及び下流バルブ１８２が完全に開放された位置１６６にあると、最初に低い質量流量下の浮力流１１２により上流に引き寄せられるだろう任意の温められた低温流体１０８は、増加した質量流量下の下流移動低温流体１０８と同伴又は混合されるようになり、よって上流バルブ１６０を狭められた位置１６８に維持し、浮力流１１２を遮断することは、もはや不要となる。
【００３８】
温度センサ２０６は、下流バルブ１８２又は導管下流端１２８などの流体導管１２０の下流部分１２６で、低温流体１０８の実際の低温流体温度を測定するように構成されうる。温度センサ２０６は、低温流体１０８の実際の低温流体温度を測定し、実際の低温流体温度を示すデータをコントローラ２００に送信することができるように、流体導管１２０に装着、連結、配置、又は関連付けられうる。コントローラ２００は、実際の低温流体温度を示すデータを受信し、温度データに基づき、実際の低温流体温度を、実質的に所望の低温流体温度の所定の範囲内（例えば、２０％以内）に維持するように、加熱機構１５０の熱１５８出力を制御するように構成される。ロケットエンジン３１０の例では、実際の低温流体温度が、エンジン始動ボックス要件毎に、所望の低温流体温度の所望の範囲（例えば、±２度Ｒ）内に維持されるように、コントローラ２００は、加熱機構１５０の熱１５８出力を調節するよう構成されうる。始動ボックス要件は、エンジン始動用推進剤の温度及び圧力の範囲（例えば、最大値及び最小値）として記載されうる。
【００３９】
代替的には、加熱機構１５０が断熱材１５６（図３）が低減されたり断熱材１５６を含まない熱伝達ゾーン１５２の流体導管１２０の縦方向セクションの環境加熱１５９（図３）を含む場合のシステム１００の構成について、コントローラ２００は、上流バルブ１６０を狭められた位置１６８に調節し、結果的に、環境加熱１５９が、実際の低温流体温度を実質的に所望の低温流体温度に維持できるようにする上流バルブ質量流量をもたらす。例えば、実際の低温流体温度（例えば、温度センサ２０６により測定される）が所望の低温流体温度より上昇する場合、コントローラ２００は、より多くの浮力流１１２が、上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６に逃げられるような効果を有する上流バルブ開口１６２のサイズを増加させ、下流方向１３８の低温流体１０８に混合される熱量を低下させ、よって温度センサ２０６により測定される低温流体１０８の温度を低下させうる。逆に、実際の低温流体温度が所望の低温流体温度より下降する場合、コントローラ２００は、上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６に逃げる浮力流１１２の量を低下させる効果を有する上流バルブ開口１６２のサイズを縮小し、下流方向１３８の低温流体１０８に混合される熱量を増加させ、よって温度センサ２０６により測定される低温流体１０８の温度を増加させうる。
【００４０】
図２を参照すると、上記のように、コントローラ２００は、下流バルブ１８２を自動的に制御し、低温流体１０８の所望の下流バルブ質量流量を満たし、熱伝達ゾーン１５２を通って低温流体１０８の速度を結果的に増加させる狭められた位置１６８に、下流バルブ開口１８４のサイズを調節する（例えば、縮小する）ように構成されうる。加えて、上流バルブ１６０は、低温流体１０８を一般に中心に置かれた主流１１０として熱伝達ゾーン１５２内に及び／又は熱伝達ゾーン１５２を通って流す、中心に位置する上流バルブ開口１６２を有する可変開口バルブ１６４でありうる。一般に中心に位置する主流１１０の増加速度により、周囲に位置しゆっくり移動する浮力流１１２は、主流１１０内に同伴又は混合されるようになり、低温流体１０８の温度を増加させ、これにより、加熱機構１５０が低温流体１０８を加熱する効率が高まりうる。増加した熱効率により、コントローラ２００は、加熱機構１５０の熱１５８出力を低減することができ、及び／又は加熱装置１５４の量及び／又は熱出力定格（ｈｅａｔ−ｏｕｔｐｕｔ−ｒａｔｉｎｇ）を低減することができる。
【００４１】
所望の低温流体温度（例えば、ロケットエンジン３１０のエンジンインターフェース３１２での始動ボックス温度）にいったん到達すると、コントローラ２００が、流量を増加するよう命令されると（例えば、事前のプログラミングを介して、又は外部命令システムからの手動命令を介して）、コントローラ２００は、加熱機構１５０を動作停止し、下流バルブ１８２及び上流バルブ１６０を完全に開放された位置１６６に調節しうる。加熱機構１５０が動作停止されるため、かつ流量が増加するため、そうでなければその代わりに浮力流１１２内に向きを変えるだろう任意の温かい低温流体１０８は、下流方向１３８に移動するより速く移動している主流１１０内に同伴されるようになり、よって上流バルブ１６０が浮力流１１２の流れを遮断することは、もはや不要になる。上流バルブ１６０及び下流バルブ１８２は、完全に開放された位置１６６に移動し、低温流体１０８がロケットエンジン３１０に完全に流れるようにする一方で、加熱機構１５０は、動作が停止された状態を維持するか、又は低温流体１０８に熱１５８がほとんど又は全く印加されないように操作される。
【００４２】
図２１は、本開示のシステム１００の例の概略図であり、流体導管１２０は、上流バルブ１６０に平行に配置されたバイパスレッグ１９０に装着されたバイパスバルブ１９６を含む。バイパスレッグ１９０は、バイパスレッグ上流端１９２及びバイパスレッグ下流端１９４を有している。バイパスレッグ上流端１９２は、上流バルブ１６０のすぐ上流の位置で、流体導管１２０に流体連通されている。バイパスレッグ下流端１９４は、上流バルブ１６０のすぐ下流の位置で、流体導管１２０に流体連通されている。上流バルブ１６０及び／又はバイパスレッグ１９０は、完全に開放された位置１６６か完全に閉鎖された位置１７０かのどちらかに移動可能であり、狭められた位置１６８に対して調節不能である開閉バルブ１８０として構成されうる。上記のように、開閉バルブ１８０は、あまり複雑ではなく、したがって、可変開口バルブ１６４よりコストがかからず、動作が簡単でありうる。代替的には、上流バルブ１６０及び／又はバイパスバルブ１９６は、開閉バルブ１８０として操作される可変開口バルブ１６４として提供され、可変開口バルブ１６４は、完全に開放された位置１６６か完全に閉鎖された位置１７０かのどちらかに移動可能である。
【００４３】
図２１のシステム１００の実施形態では、コントローラ２００は、下流バルブ質量流量を示すデータを受信し、上流バルブ１６０を完全に閉鎖された位置１７０に自動的に調節し、バイパスバルブ１９６を完全に開放された位置１６６に調節し、上流バルブ１６０の上流の低温流体１０８をバイパスレッグ１９０内に迂回させ、上流バルブ１６０のすぐ下流の流体導管１２０に再び流れ込むようにする。有利には、完全に閉鎖された上流バルブ１６０は、熱伝達ゾーン１５２内に形成される任意の浮力流１１２にバリアを形成し、これにより、そうでなければ、浮力流１１２が上流バルブ１６０を通過して移動することができた場合に発生するだろう熱損失を防止する。
【００４４】
図２１では、幾つかの実施例において、バイパスレッグ１９０は、最初の低い質量流に対して必要な下流バルブ質量流量を補完するようにサイズ決定される断面積を有しうる。例えば、以下に記載される打ち上げロケット３００（図２２及び図２３）の例では、バイパスレッグ１９０の断面積は、エンジン始動前にエンジンの熱的調整に対して必要な下流バルブ質量流量に基づいてもよい。エンジン点火の直前に、バイパスバルブ１９６は完全に閉鎖された位置１７０に移動し、下流バルブ１８２及び上流バルブ１６０は、完全に開放された位置１６６に移動し、質量流量の増加が促進され、低温促進剤をロケットエンジン３１０に完全に流すことができる。上流バルブ１６０及び下流バルブ１８２が完全に開放された位置１６６にあり、低温流体１０８が増加した質量流量で流れている際に、そうでなければ最初に低い質量流量下で上流に移動するだろう任意の温められた低温流体１０８は、ここで速度が増加した下流に移動する低温流体１０８と混合され、よって浮力流１１２を遮断する目的で上流バルブ１６０を閉鎖位置に維持することは、もはや不要である。
【００４５】
図２２は、ペイロード３０２を地球周回軌道などの宇宙に打ち上げるための打ち上げロケット３００の例を示す。打ち上げロケット３００は、燃焼チャンバ３１４及びエンジンノズル３１６を有する液体推進剤ロケットエンジン３１０を含むエンジンセクションを有している。加えて、打ち上げロケット３００は、燃料タンク３０８及び酸化剤タンク３０６を含む一対の低温推進剤タンク３０４を有している。燃料タンク３０８は、液体水素（ＬＨ２）などの低温燃料を包含しうる。酸化剤タンク３０６は、液体酸素（ＬＯＸ）などの酸化剤を包含しうる。流体導管１２０は、酸化剤タンク３０６をロケットエンジン３１０のエンジンセクションに流体連通させ、別の流体導管１２０は、燃料タンク３０８をロケットエンジン３１０のエンジンセクションに流体連通させる。
【００４６】
図２３には、上流バルブ１６０と熱伝達ゾーン１５２内に位置する加熱機構１５０とを含む流体導管１２０の各々の下流部分１２６が示されている。図２３は、加熱機構１５０のすぐ下流の流体導管に装着された下流バルブ１８２を示しているが、下流バルブ１８２は、導管下流端１２８の下流に位置する一又は複数のバルブ（図示されず）を含みうる。例えば、下流バルブ１８２は、上記のように、ロケットエンジン３１０のバルブ（図示されず）、及び／又は接地システムのエンジンブリードシステムバルブ（図示されず）などのロケットエンジン３１０の下流に位置する一又は複数のバルブ（図示されず）の組み合わせを含みうる。
【００４７】
図２３の例では、各流体導管１２０の下流部分１２６は、ロケットエンジン３１０のエンジンセクションに流体連通されている。例えば、導管下流端１２８は、ターボポンプなどのポンプ（図示されず）、燃焼チャンバ３１４若しくは事前燃焼チャンバ、又は別のエンジン構成要素に流体連通されうる。加熱機構１５０は、低温流体１０８が熱伝達ゾーン１５２を通って流れる際に、低温流体１０８（例えば、ＬＨ２、ＬＯＸ）を加熱するように構成される。例えば、酸化剤タンク３０６から流れるＬＯＸは、最初に１６３Ｒの温度でエンジンセクションに流入し、２ｌｂｍ／ｓのエンジンブリード質量流量で流れうる。しかしながら、エンジン始動ボックス要件は、ＬＯＸが１６８Ｒの温度でエンジンセクションに流入することを必要とする。１６３Ｒから１６８Ｒまでの５ＲだけＬＯＸの温度を増加させるために、５ＢＴＵ／ｓの熱をＬＯＸに印加しなければならない。熱１５８は、熱伝達ゾーン１５２に沿って位置する外部の加熱装置１５４を使用して印加されうる。加熱装置１５４は、エンジン始動前に一定期間（例えば、およそ１時間）作動しうる。
【００４８】
加熱装置１５４が熱伝達ゾーン１５２内の導管内面１３２と接触するＬＯＸの層を温めると、ＬＯＸの温められた層は、浮力流１１２として上流に移動する傾向がある。加熱されたＬＯＸの残りの部分又は主流１１０は、エンジンブリード流に起因し、エンジンセクション内に引き下げられる。浮力流１１２のため主流１１０からの熱損失を防止することなく、加熱装置１５４は、加熱装置１５４の電力（ｐｏｗｅｒ）によって分割されるエンジンブリード質量流量の比率に基づき、約２０〜８０％の加熱非効率を有し得る。５ＲだけＬＯＸの温度を増加させるために５ＢＴＵ／ｓが必要とされる上記例について、２０〜８０パーセントの加熱非効率は、流体導管１２０に印加しなければならない６．２５〜２５ＢＴＵ／ｓの総電力に相当する。言い換えれば、そうでなければ、浮力流１１２のため熱損失が存在しなかった場合に必要とされるだろうよりも１．２５〜５倍多い電力が、ＬＯＸを加熱するのに必要とされる。上記のように、浮力流１１２に起因する熱損失により、不所望にも、酸化剤タンク３０６のバルクＬＯＸの密度を低下させることもあり、結果的に、打ち上げロケット３００に対して利用可能な推進剤質量を低下させ、軌道内に打ち上げることができるペイロード３０２の量もそれに応じて低下する。
【００４９】
有利には、本開示のシステム１００は、加熱機構１５０のすぐ上流に位置する上流バルブ１６０を使用して浮力流１１２を遮断することによって、ＬＯＸからの熱損失を低減又は防止する。例えば、本開示のシステム１００は、各々が最初に完全に開放された位置１６６にある、上流バルブ１６０及び下流バルブ１８２を含む。ＬＯＸの加熱を開始するために加熱装置１５４を作動させると、コントローラ２００はまた、下流バルブ１８２に、完全に開放された位置１６６から、エンジンブリード質量流量に対応する狭められた位置１６８まで移動するように命令する。加えて、コントローラ２００は、上流バルブ１６０に、完全に開放された位置１６６から、上流バルブ非浮力質量流量が下流バルブ質量流量に実質的に一致する（例えば、３０パーセント以内）狭められた位置１６８まで移動するように命令する。
【００５０】
上流バルブ１６０を狭められた位置１６８に調節することにより、上流バルブ１６０を通って流れるＬＯＸの速度を増加させる。ＬＯＸの速度増加により、浮力流１１２が上流バルブ１６０を通過して移動するのを低減又は防止し、加熱装置１５４の加熱効率が著しく高められる。加えて、部分的に開放された上流バルブ１６０の下面は、浮力流１１２の少なくとも一部の上流への移動を防止又は遮断しうる。質量流量が許容される例では、上流バルブ１６０は、上記例において、加熱効率を１．２５〜５倍ほど増加させるだろうすべての浮力流１１２を完全に遮断する狭められた位置１６８に調節されうる。更に、環境源からのＬＯＸの加熱（例えば、近接する構成要素からの放射加熱）は、そうでなければ浮力流１１２のため失われるのだが、熱伝達ゾーン１５２内で捕捉され、加熱効率を更に高めるだろう。加熱効率の全体的な向上により、加熱装置１５４の電力出力が低下することで、ＬＯＸの５Ｒの温度増加が実現可能となり、同一の電力出力を使用する加熱装置１５４は僅かである。
【００５１】
図２４、加えて図２５から図２７を参照すると、流体導管１２０を通って流れる低温流体１０８を加熱する効率を高める方法４００に含まれうる一又は複数の工程を有するフローチャートが図２４に示される。方法４００は、ロケット打ち上げの用途（例えば、図２２及び図２３）に照らして、より具体的には、コントローラ２００（例えば、図２）、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２、及び上流バルブ１６０と下流バルブ１８２との間の熱伝達ゾーン１５２内に位置する加熱機構１５０を含む本開示のシステム１００を使用してロケットエンジン３１０を始動させる準備に向け、低温流体１０８（例えば、低温酸化剤又は低温燃料）を加熱することに照らして、説明される。図２５は、複数の動力加熱装置１５４から成る加熱機構１５０の例を示す。図２４の方法４００において、上流バルブ１６０（図２５）は、最初は完全に開放された位置１６６にありうる。下流バルブ１８２（図２５）は、コントローラ２００によって、下流バルブ１８２を通る低温流体１０８の所望の下流バルブ質量流量を満たす狭められた位置１６８に自動的に調節されうる。幾つかの例では、コントローラ２００は、事前にプログラムされた打ち上げ手順の打ち上げ段階に基づき、下流バルブ１８２を調節しうる。他の例では、コントローラ２００は、下流バルブ１８２を狭められた位置１６８に調節するように手動で命令されてもよい。下流バルブ１８２の狭められた位置１６８は、下流バルブ質量流量が実質的にエンジンブリード流に相当するようなものであってもよい。加熱機構１５０（図２５）は、加熱機構１５０によって熱伝達ゾーン１５２を通過する低温流体１０８に、熱１５８がほとんど又は全く供給されないような状態（例えば、動作停止状態）にあってもよい。
【００５２】
方法４００のステップ４０２は、流体導管１２０において、低温推進剤タンク３０４などの低温流体源１０２に流体連結された導管上流端１２４で、低温流体１０８を受けることを含む。図２５に示されるように、低温流体１０８は、加速力１４０（例えば、重力）下で、流体導管１２０を通り、導管下流端１２８に向かって下流方向１３８に、ロケットエンジン３１０（図２３）のエンジンセクションなどの低温流体受け入れ構成要素１１４に流入する。
【００５３】
方法４００のステップ４０４は、熱伝達ゾーン１５２内に位置する加熱機構１５０を使用して、低温流体１０８を加熱することを含む。低温流体１０８を加熱することは、上記のように、流体導管１２０に近接して装着又は配置される一又は複数の動力加熱装置１５４を使用して、低温流体１０８を加熱することを含みうる。図２６は、流体導管１２０の導管壁１３０に熱１５８を放出、放射、又は印加し、結果的に低温流体１０８を加熱する複数の加熱装置１５４を示す。しかしながら、能動加熱の代わりに又はそれに加えて、低温流体１０８の加熱は、放射加熱、周囲空気加熱、又は任意の他の種類の受動加熱を含む環境加熱１５９を使用して、受動的に実行されてもよい。例えば、上記のように、熱伝達ゾーン１５２に沿った導管外面１３４の受動的加熱は、熱伝達ゾーン１５２内の導管外面１３４で断熱材１５６が低減されるか存在しないために起こりうる。熱伝達ゾーン１５２の外側の流体導管１２０の残りの部分は、上流バルブ１６０の上流の低温流体１０８の環境加熱１５９を低減又は防止するために、断熱材１５６によって少なくとも部分的に覆われ、これにより上流バルブ１６０の上流での浮力流１１２の発生が低減又は防止される。
【００５４】
方法４００のステップ４０６は、熱伝達ゾーン１５２内で低温流体１０８を加熱した結果として、熱伝達ゾーン１５２内において、低温流体１０８の一部を浮力流１１２に変換することを含む。図２６は、上記のように、導管内面１３２に極隣接した低温流体１０８加熱のため、熱伝達ゾーン１５２内の導管壁１３０の導管内面１３２に沿って自然に形成される浮力流１１２を示す。流体導管１２０の中心に最も近い低温流体１０８の冷たい主流１１０の密度に対して温かい浮力流１１２の密度が低下するため、浮力流１１２は、導管内面１３２に沿って、上流バルブ１６０に向かって上流方向１３６に移動する。低温流体１０８の主流１１０は、導管下流端１２８に向かって下流方向１３８に移動する。
【００５５】
方法４００のステップ４０８は、コントローラ２００を使用して、上流バルブ１６０を通る低温流体１０８の上流バルブ非浮力質量流量が下流バルブ１８２を通る低温流体１０８の下流バルブ質量流量と実質的に一致する狭められた位置１６８に、上流バルブ１６０を調節することを含む。図２５から図２７において、上流バルブ１６０及び下流バルブ１８２は各々、完全に開放された位置１６６、完全に閉鎖された位置１７０、及び狭められた位置１６８（例えば、図２６）の間で調節可能な上流バルブ開口１６２並びに下流バルブ開口１８４それぞれを有する可変開口バルブ１６４として構成される。コントローラ２００は、加熱機構１５０の起動又は電源入力と実質的に同時に、又は加熱機構１５０の起動前後数分以内に、上流バルブ１６０を狭められた位置１６８に調節するようプログラムされうる。
【００５６】
方法４００は、加えて、上流の流量計２０２及び下流の流量計２０４を使用して、上流バルブ１６０の上流バルブ開口１６２及び下流バルブ１８２の下流バルブ開口１８４それぞれを通って下流方向１３８に流れる低温流体１０８の上流バルブ質量流量及び下流バルブ質量流量それぞれを測定することを含みうる。上記のように、上流バルブ非浮力質量流量が下流バルブ質量流量と実質的に一致し、狭められた位置１６８の上流バルブ１６０により、結果的に、浮力流１１２の少なくとも一部が、上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６に流れるのを遮断するために、上流の流量計２０２及び下流の流量計２０４は各々、上流バルブ質量流量及び下流バルブ質量流量を示すデータを、上流バルブ開口１６２のサイズを調節するためにそのデータを使用するコントローラ２００に送信する。
【００５７】
方法４００のステップ４１０は、低温流体１０８の主流１１０が、下流方向１３８に、狭められた上流バルブ１６０を通って熱伝達ゾーン１５２に流入する間、浮力流１１２の少なくとも一部が上流バルブ１６０を通過して上流方向１３６に移動するのを、上流バルブ１６０を使用して防止、阻止、又は遮断することを含む。図２６は、加熱装置１５４が熱１５８を低温流体１０８に印加し続ける間、浮力流１１２を少なくとも部分的に遮断する上流バルブ１６０を示す。方法４００は、狭められた上流バルブ１６０の環状下流側（図示されず）が浮力流１１２を少なくとも部分的に遮断するように、上流バルブ開口１６２が流体導管１２０内で中心に置かれた状態を維持することを含みうる。加えて、狭められた位置１６８にある上流バルブ１６０を通過する低温流体１０８は、上流バルブ１６０が完全に開放された位置にあるときの低温流体１０８の速度に対して増加した速度で移動することがある。低温流体１０８の速度が増加することにより、温かい浮力流１１２の、熱伝達ゾーンに流入する冷たい低温流体１０８への同伴又は混合を促進し、浮力流１１２が１８０度方向変換し、低温流体１０８を加熱するだけではなく、下流方向１３８に沿って流れ始めることがある。幾つかの例では、コントローラ２００は、閉ループ式に動作し、上流の流量計２０２及び下流の流量計２０４それぞれから、上流バルブ質量流量及び下流バルブ質量流量を示すデータを継続的に受信し、上流バルブ非浮力質量流量が実質的に下流バルブ質量流量に相当するように、上流バルブ開口１６２のサイズを継続的に調節する。
【００５８】
方法４００は、加えて、温度センサ２０６を使用して、低温流体１０８の実際の低温流体温度を監視又は測定することを含みうる。例えば、温度センサ２０６は、下流バルブ１８２のすぐ下流、又は導管下流端１２８における実際の低温流体温度を測定するように構成されうる。温度センサ２０６は、実際の低温流体温度を示すデータをコントローラ２００に送信しうる。コントローラ２００は、実際の低温流体温度を示すデータを受信し、所望の低温流体温度に達するまで低温流体１０８の温度を増加させるように、加熱機構１５０の熱１５８出力を制御しうる。所望の低温流体温度は、低温流体１０８のエンジン始動温度であってもよい。低温流体１０８が所望の低温流体温度に到達すると、コントローラ２００は、温度センサ２０６から温度データを受信し続け、実際の低温流体温度が、実質的に所望の低温流体温度（例えば、±Ｒ以内）における温度に維持されるように、コントローラが、加熱機構１５０を管理し、加熱機構１５０の熱１５８出力を調節することができるようになる。代替的には、加熱機構１５０が、加熱装置１５４（図２）を使用した能動的加熱とは対照的に、流体導管１２０の環境加熱１５９（図３）を含む上記システム１００の構成について、上流バルブ質量流量によって、環境加熱１５９が、実際の低温流体温度を実質的に所望の低温流体温度（例えば、２０％以内）に維持できるように、コントローラ２００が、上流バルブ１６０の狭められた位置１６８を調節しうる。
【００５９】
ロケットエンジン３１０の例では、低温流体１０８がターゲットエンジン始動温度に達すると、ロケットエンジン３１０が始動し、コントローラ２００は、熱１５８の出力を停止するために、加熱機構１５０の動作を停止しうる。加えて、コントローラ２００は、エンジンへの低温流体１０８の増加した又は全ての質量流量を収容するために、上流バルブ１６０及び下流バルブ１８２を完全に開放された位置１６６まで移動させうる。図２７は、低温流体１０８が所望の下流低温流体温度に達すると動作が停止する加熱機構１５０、更には完全に開放された位置１６６に調節され、低温流体１０８の質量流量の増加を実現する、上流バルブ１６０及び下流バルブ１８２を示す、図２５の流体導管１２０の概略図である。
【００６０】
図１８から図２０は、図２１を参照して先ほど説明された、バイパスバルブ１９６を有するシステム１００の実施形態の工程を示す。図２８は、低温流体１０８が流体導管１２０で受けられ、加熱機構１５０の作動前にオプションで存在しうる上記ステップ４０２に類似した、最初に完全に閉鎖された位置１７０にあるバイパスバルブ１９６、完全に開放された位置１６６にある上流バルブ１６０、及び狭められた位置１６８にある下流バルブ１８２を示す。上流バルブ１６０及び／又はバイパスレッグ１９０は、完全に開放された位置１６６か完全に閉鎖された位置１７０かのどちらかに移動可能であり、狭められた位置１６８に対して調節不能である上記開閉バルブ１８０として構成されうる。しかしながら、上流バルブ１６０、下流バルブ１８２、及び／又はバイパスバルブ１９６は、完全に開閉された位置１６６と完全に閉鎖された位置１７０との間で移動可能である、開閉バルブ１８０として操作される可変開口バルブ１６４として提供されうる。
【００６１】
図２９は、完全に開放された位置１６６にあるバイパスバルブ１９６、及び完全に閉鎖された位置１７０にある上流バルブ１６０を示す。加熱機構１５０の作動と同時に又はそれよりわずか前後に（例えば、数分以内に）、完全に開放された位置１６６にあるバイパスレッグ１９０及びバイパスバルブ１９６が、狭められた位置１６８の下流バルブ開口１８４の断面積と実質的に一致する断面積を有し、よってバイパスバルブ１９６の開口サイズを調節する必要がなくなることを除き、上記ステップ４０８と類似した工程において、コントローラ２００は、バイパスバルブ１９６を完全に開放された位置１６６に移動させ、上流バルブ１６０を完全に閉鎖された位置１７０に移動させるようプログラムされうる。そのような配置において、方法は、上流バルブ１６０を閉鎖して、浮力流１１２が上流バルブ１６０を通過して移動するのを遮断し、バイパスバルブ１９６を開放するためにコントローラ２００を使用することと、これにより、低温流体１０８をバイパスレッグ１９０を通って熱伝達ゾーン１５２内に送ることとを含みうる。加熱機構１５０は、低温流体１０８の加熱を引き起こす上記ステップ４０４に類似した方法で作動され、上記ステップ４０６に類似した方法で、結果的に低温流体１０８の一部を浮力流１１２に変換する。上記ステップ４１０同様に、上流バルブ１６０の閉鎖により、浮力流１１２が上流バルブ１６０を通過して移動するのを遮断し、結果的に、バイパスレッグ１９０から熱伝達ゾーン１５２に流入する低温流体と混合される浮力流１１２が遮断されうる。
【００６２】
方法は、温度センサ２０６の位置次第で、下流バルブ１８２又は導管下流端１２８で実際の低温流体温度を監視することと、温度データをコントローラ２００に送信することとを含みうる。上記のように、低温流体１０８が、加熱機構１５０によって印加される熱から所望の低温流体温度にいったん達すると、エンジンが始動され、その時点で、コントローラ２００が、加熱機構１５０の動作を停止し、バイパスバルブ１９６を完全に閉鎖された位置１７０に移動させ、図３０に示されるように、上流バルブ１６０及び下流バルブ１８２の両方を完全に開放された位置１６６に移動させ、低温流体１０８の増加した質量流量を収容し、これにより低温流体１０８（例えば、低温酸化剤、低温燃料）のすべてをエンジン３１０に流すことが可能になる。
【００６３】
更に、本開示は下記の条項による実施形態を含む。
条項１．  低温流体を加熱するためのシステムであって、
導管上流端及び導管下流端を有する流体導管であって、導管上流端が、流体導管を通って下流方向に導管下流端に向かって流れる低温流体を受けるために低温流体源に流体連通されている、流体導管と、
流体導管の下流部分に位置し、かつ低温流体を加熱し、結果的に低温流体の一部を上流方向に流れる浮力流に変換するように構成された加熱機構と、
加熱機構上流の位置で流体導管に装着され、低温流体の上流バルブ質量流量を制御するように動作可能な上流バルブであって、上流バルブ質量流量が、上流バルブを通って下流方向に流れる低温流体の上流バルブ非浮力質量流量から、上流バルブを通過して上流方向に流れる任意の浮力流の上流バルブ浮力質量流量を減算したものを含む、上流バルブと、
加熱機構の下流に位置し、低温流体の下流バルブ質量流量を制御するために動作可能な下流バルブと、
上流バルブを狭められた位置に調節するように構成されたコントローラであって、狭められた位置では、
上流バルブ非浮力質量流量が、下流バルブ質量流量と実質的に一致し、
上流バルブは、浮力流が上流バルブを通過して上流方向に流れるのを少なくとも部分的に遮断する、コントローラと
を備えるシステム。
条項２．  下流方向に沿って、上流バルブの上流バルブ開口を通過する低温流体の上流バルブ質量流量を測定するための上流の流量計と、
下流方向に沿って、下流バルブの下流バルブ開口を通過する低温流体の下流バルブ質量流量を測定するための下流の流量計と、
上流バルブ質量流量及び下流バルブ質量流量を示すデータを継続的に受信するように構成され、かつ上流バルブ非浮力質量流量が下流バルブ質量流量と実質的に一致し、上流バルブを通過した浮力流の流れが遮断されるように、上流バルブ開口を継続的に調節するように構成されたコントローラと
を更に含む、条項１に記載のシステム。
条項３．  上流バルブが、上流バルブ開口の調節中に流体導管の中心に対して中心に置かれていない上流バルブ開口を有する、条項１に記載のシステム。
条項４．  上流バルブが、上流バルブ開口の調節中に流体導管の中心に対して中心に置かれた状態である上流バルブ開口を有する、条項１に記載のシステム。
条項５．  上流バルブ及び下流バルブの少なくとも１つが、完全に開放された位置、完全に閉鎖された位置、及び完全に開放された位置と完全に閉鎖された位置との間の少なくとも１つの狭められた位置の間で調節可能な上流バルブ開口及び下流バルブ開口それぞれを有する可変開口バルブとして構成されている、条項１に記載のシステム。
条項６．  上流バルブ及び下流バルブの少なくとも１つが、
バタフライバルブ、
バイザーバルブ、
アイリスダイヤフラムバルブ、及び
可変開口ノズル
のうちの１つとして構成される、条項１に記載のシステム。
条項７．  流体導管に流体連通され、上流バルブと平行なバイパスバルブを含むバイパスレッグと、
下流バルブ質量流量を示すデータを受信するように構成され、自動的に上流バルブを閉鎖し、バイパスバルブを開放し、低温流体を、バイパスレッグを通って流れ、上流バルブの下流に位置する熱伝達ゾーンの流体導管に流れ込むように構成されたコントローラと
を更に含む、条項１に記載のシステム。
条項８．  上流バルブ及びバイパスバルブの少なくとも１つが、完全に開放された位置又は完全に閉鎖された位置のどちらか一方に移動可能であり、かつ狭められた位置に調節不能である開閉バルブとして構成される、条項３に記載のシステム。
条項９．  加熱機構が、流体導管に装着され、かつ流体導管及び／又は流体導管を通って流れる低温流体を能動的に加熱するように構成された、動力加熱装置を備える、条項１に記載のシステム。
条項１０．  上流バルブ上流の流体導管の導管外面の大部分が、断熱材で覆われており、加熱機構が、少なくとも部分的に断熱材がない状態である、上流バルブの下流の流体導管の導管外面を含む、条項１に記載のシステム。
条項１１．  流体導管の下流部分に位置し、低温流体の実際の低温流体温度を測定するように構成された温度センサと、
コントローラであって、実際の低温流体温度を示すデータを受信し、実際の低温流体温度を実質的に所望の低温流体温度で維持する方法で、加熱機構を制御すること、及び上流バルブを狭められた位置に調節し、結果的として、加熱機構が実際の低温流体温度を実質的に所望の低温流体温度で維持する上流バルブ質量流量をもたらすことの少なくとも１つを実行するように構成されたコントローラと
を更に含む、条項１に記載のシステム。
条項１２．  低温タンクと、
ロケットエンジンと、
低温タンクからロケットエンジンまで下流方向に流れる低温流体を含むように構成された流体導管と、
低温流体を加熱するためのシステムであって、
流体導管の下流部分に位置し、低温流体を加熱し、結果的に低温流体の一部を上流方向に移動する浮力流に変換する加熱機構と、
加熱機構上流の位置で流体導管に装着され、低温流体の上流バルブ質量流量を制御するように動作可能な上流バルブであって、上流バルブ質量流量は、上流バルブを通って下流方向に流れる低温流体の上流バルブ非浮力質量流量から、上流バルブを通過して上流方向に流れる任意の浮力流の上流バルブ浮力質量流量を減算したものを含む、上流バルブと、
加熱機構の下流に位置し、低温流体の下流バルブ質量流量を制御するために動作可能な下流バルブと、
上流バルブを狭められた位置に調節するように構成されたコントローラであって、狭められた位置では、前記上流バルブ非浮力質量流量が、前記下流バルブ質量流量と実質的に一致し、前記上流バルブは、前記浮力流が前記上流バルブを通過して前記上流方向に流れるのを少なくとも部分的に遮断する、コントローラと
を備えるシステムと
を備える打ち上げロケット。
条項１３．  低温流体を加熱する方法であって、
流体導管において、低温流体源に流体連通された導管上流端で低温流体を受けることであって、低温流体が、流体導管を通って下流方向に導管下流端に向かって流れる、受けることと、
上流バルブと下流バルブとの間の流体導管の熱伝達ゾーン内に位置する加熱機構を使用して、低温流体を加熱することと、
低温流体を加熱した結果として、熱伝達ゾーン内で、低温流体の一部を浮力流に変換することであって、浮力流が上流方向に流れる、変換することと、
上流バルブを通る低温流体の上流バルブ非浮力質量流量が、狭められた位置で下流バルブを通る低温流体の下流バルブ質量流量と実質的に一致するまで、コントローラを使用して、上流バルブを調節することと、
低温流体が下流方向の熱伝達ゾーンに流入する間、上流バルブで、浮力流の少なくとも一部が、上流バルブを通過して上流方向に流れるのを防止することであって、これにより、浮力流が上流バルブを通過して流れる場合にそうでなければ発生する低温流体からの熱損失を低減する、防止することと
を含む低温流体を加熱する方法。
条項１４．  上流の流量計及び下流の流量計を使用して、上流バルブの上流バルブ開口及び下流バルブの下流バルブ開口それぞれを通って、下流方向に流れる低温流体の上流バルブ質量流量及び下流バルブ質量流量それぞれを測定することと、
コントローラで、上流バルブ質量流量及び下流バルブ質量流量を示すデータを継続的に受信することと、
上流バルブを通過する浮力流の流れが少なくとも部分的に妨げられるように、コントローラを使用して、上流バルブ開口を継続的に調節することと
を更に含む、条項１３に記載の方法。
条項１５．  上流バルブが、狭められた位置にあるとき、流体導管の中心に対して中心に置かれていない上流バルブ開口を有する、条項１３に記載の方法。
条項１６．  上流バルブが、上流バルブ開口サイズの調節中に流体導管の中心に対して中心に置かれた上流バルブ開口を維持する、条項１３に記載の方法。
条項１７．  上流バルブ及び下流バルブの少なくとも１つが、完全に開放された位置、完全に閉鎖された位置、及び完全に開放された位置と完全に閉鎖された位置との間の少なくとも１つの狭められた位置との間で調節可能な上流バルブ開口及び下流バルブ開口それぞれを有する可変開口バルブとして構成され、
低温流体が、完全に開放された位置の可変開口バルブを通って妨害されずに流れ、
低温流体が、完全に閉鎖された位置の可変開口バルブを通って流れるのを阻止される、条項１３に記載の方法。
条項１８．  上流バルブ非浮力質量流量が下流バルブ質量流量と実質的に一致するまで上流バルブを調節すること、及び浮力流の少なくとも一部が上流バルブを通過して流れるのを遮断することが、
浮力流が上流バルブを通過して流れるのを遮断するために、コントローラを使用して、上流バルブを閉鎖することと、
コントローラを使用して、上流バルブと平行な流体導管に流体連通されたバイパスレッグのバイパスバルブを開放することと、
バイパスレッグにより熱伝達ゾーン内に低温流体を送ることと
を含む、条項１３位記載の方法。
条項１９．  上流バルブ及びバイパスバルブの少なくとも１つが、完全に開放された位置又は完全に閉鎖された位置のどちらか一方に移動可能であり、かつ狭められた位置に調節不能である開閉バルブとして構成される、条項１３に記載の方法。
条項２０．  加熱機構を使用して低温流体を加熱することが、流体導管に装着された、動力加熱装置を使用して、低温流体を能動的に加熱することを含む、条項１３に記載の方法。
条項２１．  熱伝達ゾーン外側の流体導管には、断熱材が少なくとも部分的になく、加熱機構を使用して低温流体を加熱することが、放射加熱及び周囲空気加熱の少なくとも１つを含む環境加熱を使用して、流体導管を能動的に加熱することを含む、条項１３に記載の方法。
条項２２．  流体導管の下流部分に位置する温度センサを使用して、低温流体の実際の低温流体温度を測定することと、
コントローラで、実際の低温流体温度を示すデータを受信することと、
コントローラを使用して、実際の低温流体温度を実質的に所望の低温流体温度で維持する方法で、加熱機構の熱出力を制御すること、及び上流バルブを狭められた位置に調節し、結果的として、加熱機構が実際の低温流体温度を実質的に所望の低温流体温度で維持可能となる上流バルブ質量流量をもたらすこと
の少なくとも１つを実行することと
を更に含む、条項１３に記載の方法。
前述の説明及び関連図面に提示した教示内容の利点を有する、この開示に関連する技術分野の当業者には、本開示の多数の変形例及びその他の構成が想起されよう。本書に記載の構成は、例示のためのものであり、限定的であることも、網羅的であることも意図されていない。本書では特定の用語が用いられているが、それらは、一般的かつ説明的な意味にのみ使用されており、限定を目的とするものではない。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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