(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を冷却し高密度化するためのシステムであって、
液体を供給するための入口供給ラインと、
中に複数個の熱交換管を有する熱交換タンクとを含み、熱交換管の各々は、入口供給ラインと流体的に連通状態にあり、さらに、
熱交換管の各々と流体的に連通状態にある出口ラインと、
熱交換タンクに接続され、熱交換浴の第１の成分を熱交換タンクの内部に導入し熱交換管の外部と接触させるための第１の入口導管と、
熱交換タンクに接続され、第１の成分と異なる熱交換浴の第２の成分を熱交換タンクの内部に導入し熱交換管の外部と接触させるための第２の入口導管とを含む、システム。
【請求項２】
第１の導管内に位置し、熱交換タンクの内部への第１の成分の導入を調量するための第１の流量制御弁をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第２の導管内に位置し、熱交換タンクの内部への第２の成分の導入を調量するための第２の流量制御弁をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
熱交換タンク内の少なくとも１つのセンサと、センサから入力を受取るよう接続されるコントローラとをさらに含み、コントローラは、センサから受取られる入力に基づいて第１および第２の流量制御弁を作動するよう接続される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
センサは流体レベルセンサである、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
センサは温度センサである、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
コントローラに入力を与える流体レベルセンサおよび温度センサがある、請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
熱交換タンク内に設けられ、その中の熱交換浴を混合するためのミキサをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
第２の入口導管と流体的に連通状態にあり、第２の液体の流れを熱交換タンクの内部への別個の流路に分離するよう構成されるマニホルドをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
マニホルドは、熱交換タンクの上部に位置する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
マニホルドは、熱交換タンクにわたって水平方向に配向される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
熱交換管は、熱交換タンク内に水平方向に配向され、長さを有し、マニホルドは熱交換管よりも長い、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
マニホルドは、熱交換タンクの内部に第２の液体を運ぶための複数個の流れオリフィスを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
マニホルドは、熱交換タンクの上部に位置し、複数個の下向きに向けられたインゼクタを含み、各流れインゼクタの最低端は、熱交換タンクの内部に第２の液体を運ぶための流れオリフィスを規定する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
マニホルドは、熱交換タンク内に垂直方向に配向される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
システムは、高密度化された液体を貯蔵タンクに供給するよう適合し、
貯蔵タンクと入口供給ラインとの間に接続され、貯蔵タンクから熱交換管に液体を戻すための再循環ラインと、
貯蔵タンクと出口ラインとの間に接続され、熱交換管から貯蔵タンクに高密度化された液体を戻すための戻りラインとをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
低減した温度の液体で貯蔵タンクを充填するステップと、
貯蔵タンクから熱交換機内の複数個の熱交換管を通って液体推進薬を循環させるステップと、
熱交換機に２成分の熱交換浴を供給して熱交換管内の液体を冷却するステップとを含む、液体を高密度化するための方法であって、
供給するステップは、第１の沸騰温度を有する熱交換浴の第１の成分を供給するステップと、第１の沸騰温度よりも低い第２の沸騰温度を有する熱交換浴の第２の成分を供給するステップとを含む方法。
【請求項１８】
第１および第２の沸騰温度はどちらも、高密度化されるべき液体の沸騰温度よりも低い、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
低減した温度の液体で貯蔵タンクを充填するステップと、
貯蔵タンクから熱交換機内の複数個の熱交換管を通って液体推進薬を循環させるステップと、
熱交換機に２成分の熱交換浴を供給して熱交換管内の液体を冷却するステップとを含む、液体を高密度化するための方法であって、
熱交換浴の主成分と熱交換浴の二次成分とを供給するステップをさらに含み、主成分の量は、二次成分の量を実質的に超える方法。
【請求項２０】
熱交換浴の主成分は、不活性の液体である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
高密度化されるべき液体は酸素であり、主成分は液体窒素である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
二次成分は液体水素である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
低減した温度の液体で貯蔵タンクを充填するステップと、
貯蔵タンクから熱交換機内の複数個の熱交換管を通って液体推進薬を循環させるステップと、
熱交換機に２成分の熱交換浴を供給して熱交換管内の液体を冷却するステップとを含む、液体を高密度化するための方法であって、
供給するステップは、熱交換浴の第１の成分および熱交換浴の第２の成分を供給するステップと、２つ以上の流路で熱交換機へ第２の成分を導入するステップとを含む方法。
【請求項２４】
熱交換浴の第２の成分を複数個のインゼクタを介して導入するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
インゼクタは、熱交換浴の上部に位置し、第２の成分の複数個の流れが下向きに向けられるように配向される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
低減した温度の液体で貯蔵タンクを充填するステップと、
貯蔵タンクから熱交換機内の複数個の熱交換管を通って液体推進薬を循環させるステップと、
熱交換機に２成分の熱交換浴を供給して熱交換管内の液体を冷却するステップとを含む、液体を高密度化するための方法であって、
熱交換浴の液面および温度をモニタしそれに従って２つの成分の流れを調整するステップをさらに含む方法。
【請求項２７】
モニタは熱交換タンク内のセンサでなされ、調整は流量制御弁でなされ、前記方法は、センサからコントローラに信号を伝送するステップと、コントローラから流量制御弁へ信号を伝送するステップとを含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は、低温の液体を高密度化するための方法および装置に関し、より特定的には、長期間貯蔵されるか、または高密度化された推進薬もしくは反応体として推進システム内で用いられる液体を高密度化するための簡素化されたシステムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
スペースシャッフル（Space Shuffle）、アトラス／セントール（Atlas／Centaur）、デルタ（Delta）などの、低温の液体酸素および／または水素を利用する推進システムは、現在、設備の貯蔵タンクから充填され、周囲の熱漏れ、移動ライン、およびタンク壁の冷えの結果として液体によって吸収される熱を拒絶するためにその後に飛行タンク内で冷却される。液体の冷却は、液体の密度を増大させてより多くの衝撃質量をタンク内に貯蔵できるようにするために、また、液体蒸気圧を低減してタンク作動圧力およびタンク重量を最小にするためにも、望ましい。
【０００３】
次世代の進歩した再使用可能打上げ用機体（reusable launch vehicle）（ＲＬＶ）推進システムは、宇宙への旅を経済的に実行可能とするために、機体の性能のかなりの向上および作動コストの低減を必要とする。これらの目的を達成しようとする最近の努力は、高性能のロケットエンジン、軽量複合構造、軽量／耐性のある熱保護システム、および軽量の貯蔵タンクに、主に集中している。スラッシュ水素（液体および固体の混合物）の使用を除いて、低温の液体推進薬の特性の改良は、積極的に追求されていない。
【０００４】
スラッシュ推進薬の代替が、簡素で低コストであり、かつ機体の重量および作動コストをかなり低減するものとして認識されている。この概念は、現在の作動温度経験よりも下に、液体酸素および水素を過冷却または高密度化することを伴う。低温の推進薬の高密度化は、流体特性（密度および蒸気圧）を改良し、これはその後に結果として、タンクをより小さくし（〜１１％ＬＯ2および〜７％ＬＨ2）、かつタンク作動圧力をより低くする。図１は、過冷却された温度の関数として液体酸素（ＬＯ2）の熱物理的特性における向上を例示する。図からわかるように、酸素の温度を下げると、密度はより高くなり蒸気圧はより低くなる。約９８°Ｒの、酸素の三重点が左側に示され、約１６２°Ｒの沸点が右側に示される。
【０００５】
これらの推進薬の性質は、新しい打上げ用機体のかなりの重量の節約、または既存の打上げロケットのペイロード能力の増大をもたらす。単段式宇宙輸送システムＲＬＶ（single-stage-to-orbit ＲＬＶ）についての機体のサイズ決めの研究は、推進薬の高密度化のために、１５から３０％の総重量低減を示す。図２は、スペースシャトル（Space Shuttle）などの再使用可能打上げ用機体の燃料タンクに高密度化された液体酸素および液体水素を利用することによって実現される節約を例示する。より具体的には、高密度化された流体の使用は、機体の総離昇重量（gross lift-off weight）（ＧＬＯＷ）における約１７％の低減をもたらす。大きな機体重量低減に加えて、推進薬の高密度化は、４から１０倍、排出なしに低温の液体の貯蔵時間を増大させる。また、高密度化で節約される重量ポンド当りのコストは、他の重量節約のための候補（アルミニウム−リチウムタンク、フィラメント巻のＬＨ2タンク、複合構造物、または先進の主エンジン）でよりも、オーダの大きさでより少ない。
【０００６】
推進薬の高密度化は、低い、地上の冷却ユニット投資コストとともに、大きな機体重量低減を約束するので、高密度化は、将来の打上げ用機体の設計のための権能付与的技術、または既存の再使用可能もしくは使捨て型の打上げロケットに対するかなりの性能の向上として認められている。現在、スペースシャトルの燃料タンクとしての役割を果たすよう用いられるシステムは、高密度化される液体酸素を約１２０°Ｒに十分に維持するために、液体窒素熱交換浴の温度を低減する高価な三段圧縮機を必要とする。圧縮機がより大きくなりより高価になると、約１１５°Ｒの液体窒素のスラッシュ点が下限を規定するが、液体酸素の温度はさらに低減される可能性がある。
【０００７】
過冷却された低温の液体燃料を生成するための先行技術の方法は、熱交換機の浴圧を直接下げるか、または冷却システムの使用により浴温度を下げるかのいずれかに基づいている。これらの概念はどちらも、回転機の使用およびかなりの外部電源を必要とする。回転機（真空ポンプ、圧縮機、エキスパンダ、タービンなど）を用いて低温の低温液体を生成することの主な不利益は、そのような高密度化システムが複雑になりがちであり、それらはより信頼度が低く、それらは定期的な保守／地上の点検作業を必要とし、かつそれらは比較的高価であるということである。
【０００８】
液体推進薬を高密度化するためのシステムは、ラック（Lak）らに発行された米国特許番号第５，６４４，９２０号に開示される。’９２０特許は、液体推進薬が冷却され高密度化される熱交換機を含む。熱交換機の浴は、液体推進薬自体、または異なった液体のいずれかである。たとえば、推進薬の液体酸素は、さらにより冷たい液体酸素、または液体窒素で冷却されてもよい。熱交換機浴の流体は、それがより低い温度で沸騰するように、浴圧を下げる真空ポンプまたは圧縮機を用いて冷却される。しかしながら、熱交換機浴を冷却するための真空ポンプまたは圧縮機の使用は、高密度化システムにかなりの複雑さおよびコストをもたらす。たとえば、液体窒素熱交換機浴を１２０°Ｒに冷却するために必要であり、かつロケットの燃料タンクに貯蔵される液体推進薬を冷却するために十分な流体容量を有する多段圧縮機は、数百万ドルのオーダでコストがかかると見積もられる。加えて、比較的大きく複雑な圧縮機および関連するモータは、一定の保守および点検を必要とする。さらに、圧縮機を支持するために比較的大きな電源が必要とされる。最後に、発射基地で、さまざまな推進薬の存在下で回転部品を備える高圧機械を導入することは、固有の安全上のリスクを伴う。したがって、’９２０特許に開示されるシステムは、その意図された目的のために非常に効果的に機能するが、より簡素で安全かつ効果的な方策が、コストが重視される用途では望ましいだろう。
【０００９】
高密度化された／過冷却された液体は、打上げ用機体のサイズおよび作動コストを低減する推進システムにとって非常に望ましいが、高密度化された液体は、貯蔵タンクのサイズを低減したり、または貯蔵時間を増大させることによって、地上および宇宙拠点の貯蔵システムにも利益がある。
【００１０】
【発明の概要】
この発明は、簡素で、安価かつ安全な液体高密度化システムを提供する。先行の高密度化システムとは対照的に、熱交換機内の、冷却される液体および熱交換浴の温度を低減するために高価な圧縮機は必要でない。代わりに、熱交換機は、熱交換浴のために主不活性成分および二次成分を利用する。主成分は、熱交換管のまわりの空間の大部分を充填し、二次成分はより冷たく、必要とされるときに注入される。この構成により、高圧電源や、打上げ用機体内およびまわりの熱交換機の保守の必要なしに、液体の温度を非常に短時間で低減することが可能になる。
【００１１】
この発明のある局面では、液体を冷却し高密度化するためのシステムは、入口供給ラインと、中に複数個の熱交換管を有する熱交換タンクとを含み、各管は、入口供給ラインと流体的に連通状態にある。出口ラインは、熱交換管の各々と流体的に連通状態にある。第１の入口導管は、熱交換タンクに接続し、熱交換浴の第１の成分を、熱交換タンクの内部に導入し、熱交換管の外部と接触させる。第２の入口導管は、熱交換タンクに接続し、熱交換浴の二次成分を、熱交換タンクの内部に導入し、熱交換管の外部と接触させる。高密度化された液体は、宇宙機などの、地上の貯蔵タンクまたは機体タンクに向けられてもよく、高密度化されるべき液体は、タンクから熱交換タンクに再循環されてもよい。
【００１２】
システムは、熱交換浴の第１および第２の成分の導入を調量するための第１および第２の流量制御弁を含んでもよい。さらに、システムは、流量制御弁を作動させるコントローラに入力を供給するために、熱交換タンク内に、流体レベルまたは温度センサなどの少なくとも１つのセンサを含んでもよい。熱交換タンク内にミキサを設けて、その中の熱交換浴を循環させ混合してもよい。好ましくは、熱交換浴の第１の成分の量は、第２の成分の量を実質的に超え、第２の成分は、第２の成分への複数個のインゼクタを介して導入される。
【００１３】
この発明のさらなる局面は、液体を高密度化するための方法を伴い、前記方法は、低減した温度の高密度化された液体でタンクを充填するステップと、タンクから、熱交換機内の複数個の熱交換管へ液体を循環させるステップと、熱交換機内に２成分の熱交換浴を供給し高密度化されるべき液体を交換管内で冷却するステップとを含む。前記方法はまた、好ましくは、第１の沸騰温度を有する熱交換浴の第１の成分と、第１の沸騰温度よりも低い第２の沸騰温度を有する熱交換浴の第２の成分とを供給するステップを含む。望ましくは、第１および第２の沸騰温度はどちらも、液体推進薬の沸騰温度よりも低い。
【００１４】
ある具体的な実施例では、高密度化されるべき液体は酸素であり、熱交換浴の第１の成分は不活性の液体であり、第２の成分は、第１の成分の沸騰温度よりも実質的に低い沸騰温度を有する。第１の成分は窒素であってもよく、第２の成分は水素であってもよい。前記方法はさらに、窒素の局所化された凍結を防ぐために、熱交換機内に別個の流路に沿って水素を注入するステップを含んでもよい。
【００１５】
この発明は、そのさらなる特徴および利点とともに、添付の例示の図面と関連付けられて以下の説明を参照することにより、最もよく理解されるだろう。
【００１６】
【好ましい実施例の説明】
この発明は、２つの浴成分、すなわち浴の大部分を構成する第１の不活性成分と、第１の成分よりも冷たい第２の成分とを利用する熱交換機のために、大きくて高価な圧縮機および関連するハードウェアの必要をなくす。２つの成分は、熱交換管を通って流れる液体を過冷却する必要に応じて、熱交換機タンク内に導かれる。主成分が不活性である、２つの成分の使用は、安全で費用の割に効果の高い高密度化動作を可能にする。液体酸素を冷却するためのシステムのある具体例は、主浴成分として液体窒素を、二次浴成分として液体水素を使用する。
【００１７】
図３は、性能を向上させ、先行のシステムに関して大きく簡素化されたこの発明の液体高密度化システム１００を例示する。システム１００は、図示のとおり低温の液体２２を含む機体タンク２０と関連付けられてもよく、または、高密度化された液体（たとえば推進薬）を、地上もしくは宇宙拠点の貯蔵設備における長期貯蔵タンクに供給するために用いられてもよい。液体２２は、最初に、液体の外部供給源（図示せず）に接続される主設備移動ライン２４からシステム１００に入る。典型的な状況は、約１２０°Ｒの初期温度を有する液体酸素である。
【００１８】
典型的には、機体の上昇中の加圧系統の故障の場合に、機内の圧力除去のために、緊急リリーフ弁４２が機体タンク２０上に設けられる。緊急リリーフ弁４２は、しかしながら、地上では用いられず、離昇後に機体を保護するためにそこにのみある。
【００１９】
システム１００は、中に複数個の交換コイルまたは管を有する熱交換タンク１０２を含む。高密度化されるべき液体は、入口１０６のタンク壁を通って管１０４に入る。管１０４を通過した後、今や冷たい高密度の液体は、ライン５０を通過し、主フィードライン５２を介して貯蔵タンク２０に戻る。
【００２０】
タンク１０２内の、および熱交換管１０４の外側の流体熱交換浴１１２は、レベルセンサ１１４と、コントローラ１１６と、１対の浴入口弁１１８および１２０とを用いて管より上の高さに維持される。すなわち、コントローラ１１６は、液面センサ１１４から入力を受取り、制御弁１１８に出力を与える。加えて、浴１１２内の温度センサ１２２が、コントローラ１１６に第２の入力を与えて、弁１２０の位置を調節する。
【００２１】
本出願人は、有利には、革新的かつ簡素化された２液の熱交換浴１１２のために、高価で高保守の圧縮機または他のそのような機器をなくすことが可能であると確信する。すなわち、第１の液体が、ライン１２４を介して熱交換タンク１０２に入り、弁１１８によって調量される。第１の液体は、ライン１２６を介してタンク１０２に入る第２の液体と混合し、第２の液体は弁１２０によって調量される。好ましくは、第１の液体は、浴１１２の大部分を含み、比較的不活性である。第１の液体を、浴１１２の主成分と呼んでもよい。好ましい第１の液体は窒素であるが、アルゴンおよびネオンなどの他の不活性の液体が企図されてもよい。第２の液体は、第１の液体よりも冷たく、第１の液体を冷却する必要がある時にのみタンク１０２内に注入される。好ましい第２の液体は水素であるが、ヘリウムまたはネオンなどの代替が企図されてもよい。したがって、第２の液体を、浴１１２の二次成分と呼ぶ。
【００２２】
タンク１０２内に注入される第１の液体は、高密度化される液体の沸騰温度よりも低い沸騰温度を有する。第２の液体は、第１の液体の沸騰温度よりも低い沸騰温度を有する。冷却浴１１２の主成分として、不活性である第１の液体を用いることにより、プロセスは比較的安全なものとなる。第１の液体は、管１０４を通過する液体を冷却し高密度化するために十分な大きさに第１の液体の温度を低減するために注入される第２の液体の媒介物として用いられる。たとえば、第１の液体が約１３９．３°Ｒの沸騰温度を有する液体窒素であれば、約３６．５°Ｒの沸騰温度を有する液体水素の調量された導入により、浴１１２の温度を１１４°Ｒ（三重点）までの低さに低減することが可能である。
【００２３】
確実に、第１の液体（主成分）としての窒素と第２の液体（二次成分）としての水素とをうまく混合して、液体酸素を冷却し高密度化するために必要とされる温度に浴温度を低減しかつ維持できるように、テストを行なった。図５は、そのようなテストの結果を例示し、浴温度が、既存のより大きい量の液体窒素に液体水素を注入した後、ある時間期間にわたって示される。より具体的には、浴温度は、最初には約１３９．３°Ｒである。約３５００秒としてグラフに示される時点で、液体水素の注入が始まる。浴温度は、液体水素の一定の入力流れと一致して、ほぼ線形の速度で低減する。５０００秒をちょうど過ぎたところで、浴温度は、約１１４°Ｒ、または液体窒素のスラッシュ温度に低減した。約６０００秒で、液体水素の注入が停止された。
【００２４】
オペレーティングシステムでは、熱交換タンクのまわりに、図３のセンサ１２２などのさまざまな温度センサを設けて、浴温度をモニタしてもよい。浴温度がしきい値より上に上昇し始めた場合、コントローラ１１６が弁１２０に信号を与えて、液体水素の流量を増大することができる。
【００２５】
本システム１００のさらなる構成要素は、図３のタンク１０２の右下部分に見えるミキサ１３０を含む。ミキサ１３０は、浴１１２を循環させ２つの浴液を完全に混合する助けをするために採用され得る。さらに、ミキサ１３０は、管１０４と浴１１２との間の熱伝達を促進するために使用され得る。すなわち、先行のシステムでは、浴１１２は、その沸騰温度の液体を含んだ。この液体の状態は、熱交換コイルまたは管におよびそこから熱を伝達するために非常に効率的である。この発明は、沸騰温度よりも下にある液体の浴１１２を利用し、このためミキサ１３０が、熱交換効率を向上させ熱交換機のサイズを低減するために所望されるだろう。
【００２６】
注入された第２の液体は、急速に暖まり蒸発する。気体の副産物は、熱交換タンク１０２を出て、ベントライン１３４を通り、最終的にはベントライン４０に入る。第１の液体の一部は、第２の液体の沸騰からの気体の副産物内に飛沫同伴される可能性があり、このため補給されなければならない。液面センサ１１４が、コントローラ１１６によってモニタされ、さらなる第１の液体が、弁１１８を駆動することによって加えられる。
【００２７】
熱交換浴１１２を含む第１および第２の液体を導入するために、さまざまな構成が可能である。第２のより冷たい液体が、第１の液体と接触するより前に複数個の流路に分裂されるような構成が好ましいと考えられる。これは、第２の液体の局所化された凍結を防ぐ助けをする。たとえば、窒素が第１の液体として用いられ、水素が第２の液体として用いられた場合、水素は、窒素よりも約１００°Ｒ冷たく、窒素のスラッシュ温度よりも十分に下である。したがって、水素の流れを複数個の経路に分裂することにより、水素が窒素と混合する点での局所化された冷却の大きさが低減する。言換えれば、水素の別個の流れのいずれか１つについて、周囲の窒素の熱は、局所化された凍結を防ぐのに十分である。
【００２８】
第２の流れの注入は、さまざまな態様で達成可能である。たとえば、外側タンクによって包囲される（好ましくは管状の）内側タンクを有する熱交換機を備え、熱交換管が内側タンク内に長手方向に配置される、第２のより冷たい液体を浴に注入するためのある配管構成が用いられてもよい。第２の浴液入口パイプは、第２の液体入口マニホルドと連通し、内側タンクの上部にわたって水平方向に配置される。複数個の下向きに向けられたインゼクタが、入口マニホルドの内側と流体的に連通状態にある。インゼクタは、望ましくは、マニホルドに沿って、かつ熱交換管の長さよりも大きい長さに沿って等しく間隔をあけられている。作動時には、第１の浴液は、第１の浴液の液面がインゼクタの最低端を超えるまで、好ましくはマニホルドのちょうど下まで、内部タンクに流れるようにされる。高密度化されるべき液体が熱交換管を通って流れた後、第２の浴液が、マニホルドおよびインゼクタを介して第１の浴液と接触するよう導入される。第２の浴液は、マニホルドを通過し、インゼクタの最低端の出口オリフィスを通って内部タンクに入る。第２の浴液の分離された流路のために、局所化された凍結が妨げられる。さらに、下向きに向けられたインゼクタは、インゼクタのまわりに生じ得る第１の液体のいかなる凍結もがインゼクタ上で塊になりにくくなるので、詰まりを防ぐ助けをする。すなわち、上向きに向けられたパイプとは対照的に、第１の液体の凍結した粒子は、重力によってインゼクタ内に落下することができない。
【００２９】
代替的に、第２の液体の流れは、熱交換機の底部を介して、側部を介して、または上部から注入されてもよい。たとえば、タンクが垂直に配向され、第２の液体入口マニホルドもまた垂直に配向され、液体がマニホルドの底部を通って入るようにすることが可能である。
【００３０】
図４は、図３のシステム１００と多くの態様で同様である、この発明の代替の高密度化システム１００′を例示し、そのため、同様の要素には、ダッシュ（′）が付されて同じ番号が付けられる。前と同じように、システム１００′は、その中に複数個の交換コイルまたは管１０４′を有する熱交換タンク１０２′を含む。高密度化されるべき液体は、入口１０６′のタンク壁を通って管１０４′に入る。
【００３１】
代替の実施例では、液体は、熱交換タンク１０２′および貯蔵タンク２０′を通って再循環される。この実施例では、液体は、貯蔵タンク２０′の上部に位置決めされるマニホルド３４から発し、再循環ライン３６を通ってポンプ１０８まで移動する。ポンプ弁１１０をライン３６内に設けて、ポンプ１０８への流れを遮断してもよい。管１０４を通過した後、今や冷たい高密度の液体は、再循環ライン５０′を通過し、主フィードライン５２′を介して貯蔵タンク２０′に戻る。
【００３２】
グラウンドベント弁３０を、機体タンク２０′の充填中、開いたままにし、液体２２′に熱を放出するより暖かいタンクを充填した結果として発生するボイルオフを収容する。この熱吸収は、液体２２′のボイルオフを生じ、これはタンク２０′の上部に気体３２を発生させる。液面が再循環マニホルド３４に達するより前に、気体３２はマニホルド内の開口部を通過し、再循環ライン３６を通って開いたベント弁３０に達する。排出された気体は、引続きベントライン３８を通り設備ライン４０まで達し、ここでそれは設備内に再捕獲されるかまたは投棄可能になる。
【００３３】
機体タンク２０′からベント弁を除去しこれを地上に置くことは、先行のおよび本高密度化システムの主な利益の１つである。すなわち、ベント弁が地上にあり機体上にないために、機体の重量は大きく低減される。機体の上昇中の加圧系統の故障の場合に、機内の圧力除去のために、緊急リリーフ弁４２′がやはり、機体タンク２０′上に設けられる。しかしながら、緊急リリーフ弁４２′は地上で用いられず、離昇後に機体を保護するためにそこにのみある。
【００３４】
液体２２′が再循環マニホルド３０より上に上昇すると、再循環ライン３６内への流れは、気体から液体に遷移する。この時点で、グラウンドベント弁３０は閉じられ、点線１００′内に示される高密度化システム１００の準備が整う。主フィードライン５２′を介するタンク２０′への流れは、タンクおよび高密度化システム１００′の両方を充填し続ける。
【００３５】
液体２２′の初期温度は、タンク充填プロセスおよび付随する温化から、所望のレベルより上に上昇してしまっている可能性がある。したがって、液体２２′は、再び温度を下げるために、打上げ用機体に隣接する高密度化システム１００′の熱交換機を通って再循環されなければならない。
【００３６】
タンク１０２′内および熱交換管１０４′の外側の流体熱交換浴１１２′は、レベルセンサ１１４′、コントローラ１１６′および１対の浴入口弁１１８′および１２０′とを用いて管より上の高さに維持される。すなわち、コントローラ１１６′は、液面センサ１１４′から入力を受取り、制御弁１１８′に出力を与える。加えて、浴１１２′内の温度センサ１２２′が、コントローラ１１６′に第２の入力を与えて、弁１２０′の位置をさらに調節する。
【００３７】
第１の液体は、ライン１２４′を介して熱交換タンク１０２′に入り、弁１１８′によって調量される。第１の液体は、ライン１２６′を介してタンク１０２′に入る第２の液体と混合し、第２の液体は弁１２０′によって調量される。
【００３８】
やはり、第１の液体は、浴１１２′の大部分を含み、比較的不活性であり、浴の主成分と呼ばれる。好ましい第１の液体は窒素であり、好ましい第２の液体は水素である。第２の液体はしたがって、浴１１２′の二次成分と呼ばれる。
【００３９】
本システム１００′のさらなる構成要素は、図４のタンク１０２′の右下部分に見えるミキサ１３０′を含む。ミキサ１３０′は、浴１１２′を循環させ２つの浴液を完全に混合する助けをするために採用され得る。さらに、ミキサ１３０′は、管１０４′と浴１１２′との間の熱伝達を促進するために使用され得る。すなわち、先行のシステムでは、浴１１２′は、その沸騰温度の液体を含んだ。この液体の状態は、熱交換コイルまたは管におよびそこから熱を伝達するのに非常に効率的である。本発明は、沸騰温度より下にある液浴１１２′を利用し、このためミキサ１３０′が、熱交換効率を向上させ熱交換機のサイズを低減するために所望されるであろう。
【００４０】
注入された第２の液体は、急速に暖まり蒸発する。気体の副産物は、熱交換タンク１０２′を出てベントライン１３４′を通り、最終的にベントライン４０′に入る。第１の液体の一部は、第２の液体の沸騰からの気体の副産物内に飛沫同伴される可能性があり、このため補給されなければならない。液面センサ１１４′は、コントローラ１１６′によってモニタされ、さらなる第１の液体が弁１１８′を駆動することにより加えられる。
【００４１】
前と同じように、第２の流れの注入は、さまざまな態様で達成可能である。第２の流れは、熱交換機の底部を介して、側部を介して、または上部から注入可能である。
【００４２】
この発明は、さまざまな具体的な例および実施例に関連して記載されたが、この発明はそれに限られるものでなく、これは前掲の特許請求の範囲内でさまざまに実施可能であることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  低温の酸素の、温度と密度と蒸気圧との関係を示すグラフの図である。
【図２】  ２つの打上げ用機体であって、一方がその通常の沸騰温度の液体推進薬を利用し、他方が高密度化された液体推進薬を利用する打上げ用機体の重量の差を例示する図である。
【図３】  この発明の液体高密度化システムの概略図である。
【図４】  液体再循環ラインを有するこの発明の代替の液体高密度化システムの概略図である。
【図５】  第２のより冷たい液体が徐々に、第１の液体に導入されている、ある時間にわたっての熱交換浴の温度のグラフの図である。
【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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