(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無重力または微少重力環境に配置される液体用タンクであって、
円筒状または球状に形成されたタンク本体と、
該タンク本体の内壁面の円周方向に沿って液体を旋回させるように流入させる液体供給手段と、
液体を前記タンク本体の中心に向けて開口された噴出口から噴出させる噴出管と、
前記タンク本体の中心に向けて開口された開口部を有しており、前記タンク本体の内部とタンク外部とを連通させる排気管と、
前記噴出管の噴出口と前記排気管の開口部との間に設けられ、前記噴出口から噴出された液体が直接、前記開口部から排出されるのを防ぐバッフルと、
を備えることを特徴とする液体用タンク。
【請求項２】
前記噴出管の噴出口と前記排気管の開口部とは、前記タンク本体の軸方向において対向して配置されてい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】
前記噴出管は、前記タンク本体の内壁面から前記タンク本体の中心に向けて突出して設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の液体用タンク。
【請求項４】
前記タンク本体は、液体の供給に先立って真空に設定されることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の液体用タンク。
【請求項５】
前記タンク本体の内部には、供給された液体を捕捉する液体捕捉機構を備えることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の液体用タンク。
【請求項６】
前記タンク本体は、外壁を被覆する断熱材を有することを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の液体用タンク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体用タンクに関し、特に微少重力あるいは無重力下において極低温液体を収容する液体用タンクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙インフラ構築では、地球周回軌道上の宇宙機間で、例えば液体酸素、液体水素などの極低温液体を移送し、人工衛星の姿勢制御スラスタ用推薬などの燃料として、人工衛星に備えたタンクに収容させることが想定されている。
【０００３】
密閉容器であるタンクに液体を充填するには、タンクに流入させた液体の容積と等しい容積の気体をタンクから排出させる必要がある。地上であれば、気液は重力によって２層状に分かれるので、気体だけをタンクから排出させることは容易である。しかし、地球周回軌道上は無重力環境であるため、このような環境下ではタンク内の気体と液体とが２層状に分かれず、気体と液体とが混在する状態となる。したがって、地球周回軌道上では気体だけをタンクから排出することが難しく、無重力環境下で気液分離および液体捕捉が可能なタンクでなければ気体だけを排出することができない。つまり、気体を排出させる際に液体まで排出されてしまうため、タンクに効率よく液体を充填することができない。
【０００４】
この問題を解決するために、遠心力を利用してタンク内壁に液体を付着させる機構や、表面張力により液体を捕捉する機構を備え、重力を利用せずに気液分離を行うことができるタンクが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、遠心力を利用する機構は、タンク自体を回転させたりタンク内の液体を撹拌させたりしてタンク内壁に液体を付着させるため、回転駆動機構を必要とするので、装置の複雑化や大型化、重量増大を招き、厳しく気密性や軽量化が要求される人工衛星のような宇宙機には不適切である。また、回転駆動機構の回転力により生じる慣性力のために、宇宙機の姿勢制御が困難を困難にするなどの問題もある。
【０００６】
表面張力を利用している液体捕捉機構によれば、駆動機構がないため、このような問題は生じない。しかしながら、主な移送対象である液体酸素や液体水素などの極低温液体は表面張力が非常に小さいので、このような極低温液体に対して表面張力による液体捕捉機構を用いることは効率が悪く、適切ではない。
【０００７】
さらに、極低温液体は揮発性が非常に高く、タンクに供給されると瞬時に揮発してタンク内圧を上昇させるので、液体の揮発によって生じた気体をタンクから抜いて内圧を下げながらでなければ液体を充填することができないため、収容効率が悪いという問題がある。その上、上述したように、気液分離を行うことができないタンクでは気体だけを排出することが困難であり、気体とともに液体が排出されてしまうため、さらに収容効率が悪くなるという問題がある。
【０００８】
気体を排出せずにタンクに液体を供給するには、タンク内を高圧にすることにより液体の揮発を抑制しながら液体を充填する方法が考えられる。しかしながら、極低温液体の揮発を抑制するほどの高圧状態に耐えるタンクや供給機を提供することは非常に難しく、非現実的である。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、無重力あるいは微少重力環境において、極低温液体をタンク内に効率よく容易に収容することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、無重力または微少重力環境に配置される液体用タンクであって、円筒状または球状に形成されたタンク本体と、このタンク本体の内壁面の円周方向に沿って液体を旋回させるように流入させる液体供給手段と、液体をタンク本体の中心に向けて開口された噴出口から噴出させる噴出管と、タンク本体の中心に向けて開口された開口部を有しており、前記タンク本体の内部とタンク外部とを連通させる排気管と、前記噴出管の噴出口と前記排気管の開口部との間に設けられ、前記噴出口から噴出された液体が直接、前記開口部から排出されるのを防ぐバッフルと、を備えることを特徴としている。また、本発明は、噴出管の噴出口と排気管の開口部とは、タンク本体の軸方向において対向して配置されていることを特徴としている。また、本発明は、噴出管は、タンク本体の内壁面からタンク本体の中心に向けて突出して設けられていることを特徴としている。この発明に係る液体用タンクは、タンク本体に流入した液体が、遠心力により円筒状あるいは球状の内壁面に沿って流れることにより、無重力あるいは微少重力環境下においても、タンク内壁面側が液相、タンク中心側が蒸気相となるように気液分離を行うことができる。また、液体供給時に液相がタンク内壁面に沿って流入されるので、液相の蒸発による気化熱によってタンク本体が予冷され、液体を効率よくタンクに供給することができる。
【００１１】
また、本発明は、上記液体用タンクにおいて、液体をタンク本体の中心に向けて噴出させる液体噴出手段を備えることを特徴としている。この発明に係る液体用タンクは、遠心力によって気液分離され蒸気相となるタンク本体の中心に向けて液体を噴出することにより、蒸気相を凝縮させることができる。
【００１２】
また、本発明は、上記液体用タンクにおいて、タンク本体の内部とタンク外部とを連通させる気体通路を備えることを特徴としている。この発明に係る液体用タンクは、遠心力によって気液分離され蒸気相となるタンク本体の内部とタンク外部を連通させることにより、タンクから気体だけを排出することができる。
【００１３】
また、本発明は、上記液体用タンクにおいて、タンク本体は、液体の供給に先立って真空に設定されることを特徴としている。この発明に係る液体用タンクは、タンク本体内を真空にしておくことにより、液体供給に圧力差を利用することができるので、小さい動力で液体を供給することができる。
【００１４】
また、本発明は、上記液体用タンクにおいて、タンク本体の内部には、供給された液体を捕捉する液体捕捉機構を備えることを特徴としている。この発明に係る液体用タンクは、例えば人工衛星の姿勢制御スラスタ用燃料タンクとして用いられる場合、タンク内で液体と気体が混在しているスラスタ静止時であっても、液体捕捉機構に捕捉された液体を排出することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記液体用タンクにおいて、前記タンク本体は、外壁を被覆する断熱材を有することを特徴としている。この発明に係る液体用タンクは、太陽熱や周辺機器からの放熱などを断熱材によって遮断するので、タンク本体の温度上昇を抑え、供給された液体の揮発を抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の、無重力または微少重力環境下に配置されて液体を収容する液体用タンク１００を示す斜視図である。この液体用タンク１００は、図２に示すように、人工衛星のスラスタ１１０の推薬を収容する推薬タンク１００であり、供給側タンク１２０から液体酸素や液体水素などの極低温液体（推薬）Ｌを充填されて、この推薬Ｌをスラスタ１１０に供給することができる。スラスタ１１０は人工衛星の姿勢制御を行うエンジンであり、この推薬Ｌを燃料として作動される。
【００１７】
図１および図２に示すように、推薬タンク１００のタンク本体１０は、推薬供給管２５を介してスラスタ１１０に接続されている。タンク本体１０には、バルブ２０Ａを有する液体供給手段としての供給管２０と、バルブ２１Ａを有する液体噴出手段としての噴出管２１と、バルブ２２Ａを有する気体通路としての排気管２２が接続されている。
【００１８】
供給側タンク１２０は、軌道往還機に搭載されて、人工衛星のスラスタ１１０用の推薬タンク１００に接続され、推薬タンク１００に推薬Ｌを補給することができる。供給側タンク１２０のタンク本体１２１には、バルブ１２２Ａを有する供給管１２２が接続されている。また、供給管１２２には推薬Ｌをタンク本体１２１から圧送するためのポンプ１２４が接続されている。
【００１９】
以上のように構成された推薬タンク１００への推薬Ｌの補給は、図２に示すように、供給管２０および噴出管２１と供給管１２２を介して推薬タンク１００と供給側タンク１２０とが接続され、バルブ２０Ａ、２１Ａおよび１２２Ａが開かれるとともにポンプ１２４が駆動されることにより、推薬Ｌが供給側タンク１２０から圧送されて行われる。
【００２０】
推薬タンク１００のタンク本体１０は、極低温液体を収容するのに適した材料（例えばアルミ合金など）によって略円筒状に形成されている。このタンク本体１０の外部は、図１に示すように断熱材Ｓによって被覆されていて、太陽熱や周辺機器によるタンク本体１０の加熱昇温が防止されている。タンク本体１０の内部には、内壁面の円周方向に沿って推薬Ｌを流入させる供給管２０と、タンク本体１０の略中心付近に向けて推薬Ｌを噴出する噴出管２１と、タンク本体１０の略中心付近とタンク本体１０外部とを連通させる排気管２２と、タンク本体１０内の推薬Ｌを捕捉する液体捕捉機構（液体トラップ）２４とが配置されている。このタンク本体１０は、推薬Ｌの供給に先立ち、供給管２０から推薬Ｌを噴霧されて予冷されるとともに、真空に設定されている。
【００２１】
供給管２０は、タンク本体１０の軸に略平行な管状に形成され、本実施形態では図１および図２に示すように２箇所設けられている。供給管２０の供給口２０ａは、図１に示すようにタンク本体１０内の軸方向に配列されていて、タンク本体１０の軸に対して直角かつ円筒形状の接線方向に向けて開口されている。
【００２２】
この供給口２０ａから円周接線方向に流入された推薬Ｌはタンク本体１０の内壁面に沿って流れ、この流出の勢いによって、図１および図３（ａ）に示すように、タンク本体１０の内壁面の円周方向の流れが形成される。推薬Ｌは、タンク本体１０が無重力環境下にあるため、遠心力に従い旋回し続けようとする。なお、この推薬Ｌの流れはタンク本体１０の内壁面に設けられた供給管２０との衝突やタンク本体１０の内壁面との摩擦などによって妨げられるので、これらに抗して推薬Ｌを旋回させ続けることができる圧力で推薬Ｌを供給口２０ａから流入されることが必要である。
【００２３】
タンク本体１０内は、推薬Ｌの供給に先立ち真空に設定されていて、推薬Ｌが供給されると推薬Ｌの液相ＬＬと揮発した推薬Ｌの蒸気相（アレッジ）ＬＳとが存在する状態となっている。タンク本体１０内を推薬Ｌが旋回している状態では、図３（ａ）に示すように、液相ＬＬは遠心力によって常にタンク本体１０の内壁面に付着し、推薬Ｌの揮発によるアレッジＬＳは液相ＬＬによって押しのけられてタンク本体１０の軸付近に位置している。推薬Ｌの流入によってタンク本体１０内の推薬Ｌの量が増すと、図３（ｂ）に示すように、液相ＬＬは厚さを増し、供給管２０から流出される推薬Ｌにより円周方向に付勢されて内壁面に付着し、旋回し続ける。さらに推薬Ｌを流入させ、タンク本体１０内の推薬Ｌの量が増すと、図３（ｃ）に示すように、液相ＬＬはさらに厚くなってタンク本体１０の軸方向両端側の内壁面にまで付着する。一方アレッジＬＳは、推薬Ｌが増加するにつれて小さくなるが位置は変わらずタンク本体１０の略中心付近にある。
【００２４】
推薬Ｌがタンク本体１０に供給されると、推薬Ｌは揮発してタンク本体１０の内圧を上昇させる。この内圧の上昇は、タンク本体１０内よりも低温の推薬Ｌを霧状にしてアレッジＬＳに接触させてアレッジＬＳを凝縮させることにより、抑制することができる。
【００２５】
噴出管２１は、推薬Ｌを霧状にしてアレッジＬＳに接触させるために、タンク本体１０内外を連通して供給側タンク１２０から推薬Ｌを供給される管状に形成されている。図１に示すように、タンク本体１０の軸上に配置された噴出管２１は、タンク本体１０の略中心付近に向けて開口された噴出口２１ａを有し、この噴出口２１ａからタンク本体１０の略中心付近すなわち上述したアレッジＬＳに向けて推薬Ｌを霧状に噴出させることにより、アレッジＬＳの温度を低下させ、凝縮させて容積を小さくすることができる。なお、アレッジＬＳを凝縮させるために噴出する推薬Ｌは、少なくともタンク本体１０内よりも低温であることが望ましい。
【００２６】
推薬Ｌの揮発による内圧の上昇は上記のようにして抑制されるが、内圧が過昇したときには、タンク本体１０の気体を排出することが必要となる。排気管２２は、図１に示すように、タンク本体１０内外を連通する管状に形成されて、タンク本体１０の軸上に配置されている。排気管２２の開口部２２ａは、タンク本体１０の略中心付近すなわち上述したアレッジＬＳ部分に開口されていて、バルブ２２Ａを開放することにより、図３（ａ）から図３（ｃ）に示すように、ここから気体をタンク本体１０外に排出することができる。この開口部２２ａと噴出口２１ａとの間に設けられているバッフル２３は、噴出口２１ａから噴出された推薬Ｌが直接開口部２２ａから排出されるのを防ぐ邪魔板である。
【００２７】
以上のようにしてタンク本体１０に充填された推薬Ｌをスラスタ１１０に供給するには、液相ＬＬのみを抜き出す必要がある。ところが、推薬Ｌの供給管２０からの流出が停止されると、液相ＬＬの旋回流は供給管２０との衝突やタンク本体１０の内壁面との摩擦などによって徐々に乱れて最終的には流れがなくなり、タンク本体１０内は液相ＬＬとアレッジＬＳとが混在する状態となるため、気液分離あるいは液体捕捉を行わなければ、アレッジＬＳが混在するタンク本体１０内から液相ＬＬのみを抜き出すことはできない。推薬Ｌの液相ＬＬのみスラスタ１１０に供給するために、タンク本体１０内には液相ＬＬを捕捉する液体トラップ２４が備えられている。
【００２８】
液体トラップ２４は、表面張力を利用した毛管現象などによりタンク本体１０内の推薬Ｌを捕捉する機構であり、捕捉した推薬Ｌをスラスタ１１０に供給するための推薬供給管２５が接続されている。
【００２９】
液体トラップ２４に捕捉された推薬Ｌを推薬供給管２５を介してスラスタ１１０に供給することにより、スラスタ１１０が作動されてタンク本体１０に対していずれかの方向に加速力が加えられ、推薬Ｌ（液相ＬＬ）は慣性に従いタンク本体１０内のいずれかの方向に移動して内壁面に付着する。例えば、図１に示すように図の下方に向かう加速力Ｆがタンク本体１０に対して加えられたときには、液相ＬＬは慣性に従いタンク本体１０内の図の上方側に移動するので、推薬供給管２６を介してスラスタ１１０に推薬Ｌを供給することができる。なお、推薬供給管２６は、スラスタ１１０の作動方向により、液相ＬＬの排出に適切な箇所に設置されている。
【００３０】
なお、前記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、本発明の趣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。図示のものではタンク本体は円筒状に形成されているが、これを球状に形成し、液体が遠心力により球面上を旋回されるような構成であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本実施形態の液体用タンクによれば、タンク本体に流入した液体が、遠心力により円筒状あるいは球状の内壁面に沿って流れることにより、無重力あるいは微少重力環境下においても、タンク内壁面側が液相、タンク中心側が蒸気相（アレッジ）となるように気液分離を行うことができるので、タンクから気体だけあるいは液体だけを排出することが容易となり、また、同時に液体の気化熱によりタンクを予冷できるので、効率のよい液体の供給排出が実現できる。
【００３２】
また、本実施形態の液体用タンクによれば、遠心力によって気液分離されアレッジとなるタンク本体の中心に向けて液体を噴出することにより、アレッジを効率よく冷却し、凝縮させることができるので、多くの液体をより容易にタンク本体内に流入させることが可能となる。
【００３３】
また、本実施形態の液体用タンクによれば、遠心力によって気液分離されアレッジとなるタンク本体の内部とタンク外部を連通させることにより、タンクから気体だけを排出することが容易に実現できるので、より効率のよい液体供給が可能となる。
【００３４】
また、本実施形態の液体用タンクによれば、タンク本体を真空にしておくことにより、供給側タンクとの圧力差を大きくとれ、液体供給手段のための動力が少なくてすみ、より効率のよい液体供給が可能となる。
【００３５】
また、本実施形態の液体用タンクによれば、例えば人工衛星の姿勢制御スラスタ用燃料タンクとして用いられる場合、静止状態のスラスタを駆動させる初期駆動分を液体捕捉機構に捕捉することにより、液体が気液分離状態である供給時でなくても液体だけを排出することができるので、さらに効率のよい液体供給が可能となる。
【００３６】
また、本実施形態の液体用タンクによれば、断熱材によって太陽熱などの入熱を遮断してタンク本体の温度上昇を抑え、供給された液体の揮発を抑制することにより、タンク内圧の上昇が抑えられるので、より効率のよい液体供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る液体用タンクの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】  本発明に係る液体用タンクを適用したスラスタと供給側タンクとの接続を示す概念図である。
【図３】  本発明に係る液体用タンクに液体が供給される過程における、供給初め（ａ）、供給途中（ｂ）、供給終了前（ｃ）を示す断面図である。
【符号の説明】
１００  推薬タンク（液体用タンク）
１０  タンク本体
２０  供給管（液体供給手段）
２１  噴出管（液体噴出手段）
２２  排気管（気体通路）
２４  液体トラップ（液体捕捉機構）
Ｓ  断熱材
Ｌ  液体（推薬）
ＬＬ  液相
ＬＳ  アレッジ（蒸気相）
【図１】
0004660966.tif 000002
【図２】
0004660966.tif 000003
【図３】
0004660966.tif 000004