(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を貯蔵するためのタンクシステムであって、液体は液体推進燃料または液体酸化剤であり、
ａ．タンク内に配置された連結多岐管と、
ｂ．連結多岐管を液体冷却システムに接続する連結多岐管ラインと、
ｃ．タンクと液体冷却システムとの間において連結多岐管ラインに接続され、連結多岐管ラインを介して加圧気体をタンクに供給する加圧気体ラインと、
ｄ．タンクと液体冷却システムとの間において連結多岐管ラインに接続され、連結多岐管ラインを介してタンク内の気体をタンクから排気させる排気ラインとを含み、
連結多岐管ラインを介してタンクから液体冷却システムに液体を移送することができることを特徴とするタンクシステム。
【請求項２】
ａ．加圧気体ライン内に配置された加圧気体ラインバルブと、
ｂ．排気ライン内に配置された排気ラインバルブと、
ｃ．加圧気体ラインが連結多岐管ラインに接続する位置および排気ラインが連結多岐管ラインに接続する位置を基準にして、連結多岐管と反対側において連結多岐管ライン内に配置された連結多岐管ラインバルブとをさらに含む、請求項１に記載のタンクシステム。
【請求項３】
タンクは輸送機内に配置される、請求項１に記載のタンクシステム。
【請求項４】
連結多岐管はタンクの上部の近くに配置される、請求項１に記載のタンクシステム。
【請求項５】
液体冷却システムは熱交換器／充填システムである、請求項１に記載のタンクシステム。
【請求項６】
タンクに液体を充填するためのプロセスであって、液体は液体推進燃料または液体酸化剤であり、
ａ．タンク内に配置された連結多岐管の開口部を液面下に没するために液体をタンクに装填するステップと、
ｂ．推進燃料タンク内の気体を連結多岐管の開口部を通して連結多岐管へと、さらにタンクから排気するステップと、
ｃ．液体が連結多岐管の開口部を液面下に没する前に排気するステップを停止するステップと、
ｄ．液体の再循環の流れをタンクから液面下に没した連結多岐管の開口部を通して連結多岐管へと、さらにタンクから外に向け、再循環の流れを冷却し、再循環の流れをタンクへと元に向けることによってタンク内の液体を高密度化するステップと、
ｅ．加圧気体の流れを連結多岐管へと連結多岐管の開口部を通して、さらにタンクへと向けることによってタンクを加圧するステップとを含む、プロセス。
【請求項７】
排気するステップは、排気気体を連結多岐管から連結多岐管ラインを通して導き、排気ラインを通して連結多岐管ラインから出すステップをさらに含む、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
高密度化するステップは、液体を連結多岐管から連結多岐管ラインを通して冷却システムへと向けるステップをさらに含む、請求項６に記載のプロセス。
【請求項９】
加圧するステップは、加圧気体の流れを連結多岐管ラインを通して連結多岐管へと向けるステップをさらに含む、請求項６に記載のプロセス。
【請求項１０】
連結多岐管の開口部をタンク内の蒸発分に露出するためにタンクから液体の一部を放出するステップをさらに含む、請求項６に記載のプロセス。
【請求項１１】
連結多岐管はタンクの上部の近くに配置される、請求項６に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は推進燃料貯蔵器に関し、特に貯蔵された推進燃料の高密度化に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
スペースシャトル、アトラス／ケンタウルス、デルタ等のような、極低温液体酸素および／または窒素を利用する推進システムは現在、施設の貯蔵タンクから充填されており、環境的な熱漏れ、移送ラインおよびタンク壁の冷却の結果として液体に吸収される熱を退けるために、後にフライトタンク内で冷却させられている。液体バルクの冷却は、より多くの推進量がタンク内に貯蔵され得るように液体密度を増大するため、かつタンク動作圧力およびタンク重量が最小化されるように液体蒸気圧を低減するために望ましい。
【０００３】
液体バルクからの熱の排除は、自然の対流機構および液面の蒸発に依存するので比較的遅いプロセスである。液面蒸発による液体冷却の度合いもまた排気システムの流れ抵抗（排気バルブおよび排気ライン）および周囲圧力（１４．７ｐｓｉａ）によって制限される。冷却時間をうまく利用し、かつ最終的なバルク温度を最小にするために排気システムの流れ抵抗を低減すると、排気バルブおよびラインの設計が比較的大きくなり、輸送機の有効搭載重量の不利となる。蒸発によって極低温液体を高密度化する現在の手段は簡単であるが、そのプロセスはある環境での飽和密度および液体蒸気圧に制限される。
【０００４】
先行技術は、推進燃料タンクを有する輸送機の重量を低減し、輸送機を運行させるのに必要なエネルギを低減するシステムを開示している。このようなシステムの１つが、引用によりそのままここに援用するラク他（Lak et al.）による米国特許第５，６４４，９２０号「液体推進燃料高密度化」（“Liquid Propellant Densification”）に開示されている。
【０００５】
先行技術はまたエンジンの動作前および動作中に推進燃料タンクの圧力を維持する重要性を開示している。ここで、先行技術の図１を参照すると、先行技術の推進燃料タンク１０は部分的に推進燃料１２で充填されており、推進燃料の上方に蒸発分１４を有する。タンク１０は移送ライン１６によって推進燃料１２を充填され、移送ライン１６は推進燃料を熱交換器／液体充填システム１８からタンクの底部に向ける。充填システム１８は初めに推進燃料の流れ２０を受取ってタンク１０を充填する。
【０００６】
タンク１０は、初期の推進燃料装填プロセスの間にタンク１０から蒸発分の気体を排気し、推進燃料高密度化プロセスの間にタンクからより暖かい推進燃料１２を引抜くための多岐管２２を有する。多岐管２２は高密度化のためにタンク１０の上半分で推進燃料の表面２４の下方に示される。多岐管２２はこれもまた充填システム１８に接続される多岐管ライン２６に接続される。多岐管ライン２６はそこから延びる排気ライン２８を有する。多岐管ライン２６および排気ライン２８はラインを通る材料の流れを調節するためのバルブ３０および３２をそれぞれ有する。バルブ３０は排気ライン２８に対してＴ字管の下流に配置される。
【０００７】
初期推進燃料装填プロセスの間、タンク１０は多岐管２２によって排気される。タンク１０内の推進燃料１２の量が増加するにつれ、蒸発分１４は減少し、排気を要する。蒸発分１４は多岐管２２を通して排気ライン２８から排気される。多岐管ラインバルブ３０は閉じられ、排気ラインバルブ３２が開いて排気気体３４を排気ライン２８を通して外に向ける。多岐管２２による排気は多岐管の開口部３６が液面下に没するまで続いて行なわれ、開口部が没すると排気ラインバルブ３２が閉じられる。初期推進燃料装填プロセスは予め定められた十分な量の推進燃料１２がタンク１０に与えられるまで続く。
【０００８】
初期推進燃料装填プロセスの後、推進燃料１２は高密度化される。高密度化プロセスはタンク１０から推進燃料１２を除去し、推進燃料を冷却し、それを元どおりタンクに戻すことを含む。多岐管２２は推進燃料１２を引抜くために用いられ、推進燃料は多岐管ライン２６とここでは開いている多岐管ラインバルブ３０とを通して熱交換器／充填システム１８へと向けられる。推進燃料１２は充填システム１８内で冷却され、移送ライン１６を通して元どおりタンク１０に向けられる。タンク１０の上方部分における多岐管２２の配置が、タンクの底部により近い推進燃料よりも暖かい推進燃料１２を引抜く。
【０００９】
高密度化プロセスの後、推進燃料タンク１０は加圧される。タンク１０は充填システム１８および排気ライン２８から分離される。推進燃料タンク１０は拡散器４２を通して蒸発分１４へと与えられる加圧気体４０によって加圧される。拡散器４２は蒸発分の中にあるようにタンク１０に装着される。
【００１０】
拡散器４２は入来する加圧気体４０を推進燃料の表面２４から離れるよう導き、より暖かい気体とより冷たい推進燃料１２との間の熱交換を低減するように設計される。気体４０と推進燃料１２との間の熱交換を阻止することにはある利点がある。より暖かい加圧気体４０は推進燃料１２を加熱し、それによって不利益なことに推進燃料の密度を低減する。推進燃料１２によって冷却される気体４０はより高密度であり、それによって、目標のタンク圧を達成するために加圧気体タンクの量および重量を不利益にも増大させることが必要となる。
【００１１】
加圧気体４０は気体ライン４４を通して拡散器４２に向けられる。気体ライン４４は初期推進燃料装填プロセスの間には閉じられる気体ラインバルブ４６を有する。
【００１２】
推進燃料タンクのための先行技術の設計は２組の管、すなわち、多岐管ライン２６および加圧気体ライン４４を必要とする。先行技術の設計はまた、排気および再循環のための多岐管２２と加圧された気体４０をタンク１０へと与えるための別個の拡散器とを必要とする。上のアイテムの機能を組合せるシステムへの要求がある。
【００１３】
【発明の概要】
この発明のある局面において、推進燃料タンクシステムは連結多岐管、連結多岐管ライン、加圧気体ラインおよび排気ラインを含む。連結多岐管は推進燃料タンク内に配置される。連結多岐管ラインは連結多岐管を推進燃料冷却システムに機能的に接続する。加圧気体ラインおよび排気ラインもまた連結多岐管ラインに機能的に接続される。
【００１４】
この発明のさらなる局面において、加圧気体ラインバルブが加圧気体ライン内に機能的に配置され、排気ラインバルブが排気ライン内に機能的に配置される。さらに、連結多岐管ラインバルブが、加圧気体ラインおよび排気ラインが連結多岐管ラインと機能的に接続する場所の下流で連結多岐管ライン内に機能的に配置される。
【００１５】
この発明のさらなる局面において、推進燃料タンクは輸送機内に配置され、多岐管は推進燃料タンクの上部の近くに配置され、推進燃料冷却システムは熱交換器／充填システムである。
【００１６】
この発明のある局面において、推進燃料タンクを装填するためのプロセスは、推進燃料タンクを装填するステップと、推進燃料タンク内の気体を排気するステップと、液体推進燃料を高密度化するステップと、推進燃料タンクを加圧するステップとを含む。推進燃料タンクは液体推進燃料を装填される。推進燃料タンク内の気体は連結多岐管の開口部を通して連結多岐管へと、さらに推進燃料タンクから排気される。排気するステップは液体推進燃料が連結多岐管の開口部を液面下に没する前に停止される。装填するステップは開口部が液面下に没するように続行する。推進燃料タンク内の液体推進燃料は、液体推進燃料の再循環の流れを推進燃料タンクから液面下に没した連結多岐管の開口部を通して連結多岐管へと、さらに推進燃料タンクから外に向け、再循環の流れを冷却して推進燃料タンクへと向けることによって高密度化される。推進燃料タンクは、高密度化するステップの後に、加圧気体の流れを連結多岐管へと連結多岐管開口部を通して、さらに推進燃料タンクへと向けることによって加圧される。
【００１７】
この発明のさらなる局面において、排気するステップは、排気気体を連結多岐管から連結多岐管ラインを通して導き、排気ラインを通して連結多岐管ラインから出すステップをさらに含む。
【００１８】
この発明のさらなる局面において、高密度化するステップは、液体推進燃料を連結多岐管から連結多岐管ラインを通して推進燃料冷却システムへと向けるステップをさらに含む。
【００１９】
この発明のさらなる局面において、加圧するステップは、加圧気体の流れを連結多岐管ラインを通して連結多岐管へと向けるステップをさらに含む。
【００２０】
この発明のさらなる局面は、連結多岐管開口部を推進燃料タンク内の蒸発分に露出するために推進燃料タンクから液体推進燃料の一部を放出するステップを含む。
【００２１】
この発明のさらなる局面において、連結多岐管は推進燃料タンクの上部の近くに配置される。
【００２２】
この発明のさらなる局面において、液体酸化剤が液体推進燃料の代わりに用いられ、タンクシステムは液体酸化剤のためのものである。
【００２３】
【好ましい実施例の説明】
ここで図２を参照すると、この発明の一実施例に従う推進燃料タンク１００が排気、再循環およびタンク加圧のプロセスにおいて用いられる連結多岐管１０２を有する。タンク１００は部分的に推進燃料１０４で充填されて示され、推進燃料の上方に蒸発分１０６を有する。タンク１００は移送ライン１６を通して推進燃料１０４を充填され、移送ライン１６は推進燃料を熱交換器／液体充填システム１８からタンクの底部へ向ける。充填システム１８は初めに推進燃料の流れ２０を受取ってタンク１００を充填する。
【００２４】
連結多岐管１０２はタンク１００の上部に置かれる。連結多岐管ライン１０８は連結多岐管１０２を充填システム１８に機能的に接続し、流れを調整するためのバルブ１１０を有する。多岐管ラインバルブ１１０の上流では、加圧気体ライン１１２および排気ライン１１４が多岐管ライン１０８に入る。加圧気体ライン１１２および排気ライン１１４はラインを通る流れを調整するためにそれぞれのバルブ１１６および１１８を有する。
【００２５】
タンク１００を装填するプロセスは、装填、冷却および排気ステップと、排気停止ステップと、高密度化ステップと、加圧ステップとを含む。
【００２６】
装填、冷却および排気ステップでは、推進燃料タンク１００がライン１６を通して推進燃料１０４を充填される。排気ステップは、連結多岐管１０２の開口部１２０が推進燃料１０４内に沈むまで続行する。図２は、連結多岐管１０２の下方にある推進燃料１０４の液面１２２を示す。タンク１００は充填されるにつれ、当業者には公知のシステムおよび技術を用いて冷却される。蒸発分１０６は連結多岐管１０２を通して排気される。タンク１００は推進燃料がタンクを充填するときに排気される。排気された気体１２４は排気ライン１１４によって出る。排気プロセスの間、多岐管ラインバルブ１１０および加圧気体ラインバルブ１１６が閉じられ、排気ラインバルブ１１８が開かれる。排気された気体１２４は処理、回収または再循環のための環境的に適切な補促装置（図示せず）へと排気され得る。
【００２７】
排気停止ステップでは、排気ラインバルブ１１８が連結多岐管開口部１２０が推進燃料１０４の液面下に沈む前に閉じられる。この発明の実施例は排気停止ステップをいつ開始すべきかを決定するためのどのような適切なシステム、たとえば、液面指示器、容積測定システム等を用いてもよい。
【００２８】
高密度化ステップでは、推進燃料１０４は連結多岐管１０２および連結多岐管ライン１０８を流れる。流れる推進燃料１０４は次に熱交換器／充填システム１８内で冷却され、移送ライン１６を通してタンク１００へと元に再循環される。推進燃料はシステム１８内で冷却および高密度化される。この発明のいくつかの実施例では、タンク１００は高密度化ステップの前に加圧されなければならないことがあり、これは液体水素が推進燃料１０４である場合であり得る。
【００２９】
高密度化ステップの間、追加的な液体推進燃料１０４がタンク１００に付加される必要があるかもしれない。液体推進燃料１０４が高密度化されるとき、タンク１００内の容積は維持され、追加的な液体推進燃料１０４がライン２０を通して熱交換器／液体充填システム１８に付加され、ライン１６を通してタンク１００へと元に供給される。
【００３０】
熱交換器／充填システム１８を用いる冷却プロセスの一例が上で参照し引用した米国特許第５，６４４，９２０号に開示されている。この発明の実施例は推進燃料１０４を冷却および高密度化するためにどのような適切な推進燃料冷却システムを用いてもよい。このステップを行なうために、連結多岐管ラインバルブ１１０が開いており、加圧気体バルブ１１６および排気ラインバルブ１１８が閉じられる。さらに、推進燃料表面１２２が、開口部が沈むように高密度化ステップの間は連結多岐管開口部１２０の上方にある。
【００３１】
加圧ステップでは、推進燃料タンク１００内の圧力が連結多岐管１０２を通して与えられる加圧気体の流れ１２６によって増加させられる。この発明のある実施例では、多岐管開口部１２０は、フライトの前にヘリウムでタンク１００を加圧する場合のような加圧ステップの間には表面１２２の下方にあり得る。
【００３２】
この発明の他の実施例では、連結多岐管開口部１２２は加圧ステップを開始するまで蒸発分１０６に露出されている。この発明の好ましい実施例では、液体推進燃料１０４がタンク１００から放出されて上面１２２を下げ、開口部１２０を蒸発分１０６に露出させる。タンク１００の放出はライン１６または図示しない他のラインによって行なわれてもよい。
【００３３】
加圧ステップの間、連結多岐管ラインバルブ１１０および排気ラインバルブ１１８は閉じられ、加圧気体ラインバルブ１１６が開けられる。加圧気体の流れ１２６が加圧気体ライン１１２および連結多岐管ライン１０８を通して多岐管１０２へと向けられる。加圧気体の流れ１２６はタンクの蒸発分１０６に入り、タンクを加圧する。この発明の好ましい実施例では、開口部１２０が入来する加圧気体１２６を推進燃料表面１２２から離れるように向けて、気体１２６と推進燃料１０４との間の熱交換を低減する。
【００３４】
この発明の図示する好ましい実施例は加圧タンクシステムの重量を低減する。この発明の実施例は多岐管および拡散器の代わりに連結多岐管を有することによって流体分配装置の１つを除去する。さらに、連結多岐管だけを有することによって先行技術に開示されているものよりもタンク１００へと直接的に延びる必要なラインが１本減る。システムの構成要素がこのように低減するので、この発明の好ましい実施例の重量が有利に低減可能である。
【００３５】
この発明の現在好ましい実施例を上に詳細に説明したが、当業者に想到され得る、ここに教示された基本的発明概念の多くの変形および／または変更が、前掲の特許請求の範囲に規定するようなこの発明の精神および範疇内になお包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  先行技術による推進燃料タンクを示す図である。
【図２】  この発明の実施例に従う連結多岐管を有した推進燃料タンクを示す図である。
【符号の説明】
１６  移送ライン、１８  熱交換器／液体充填システム、２０  ライン、１００  推進燃料タンク、１０２  連結多岐管、１０４  推進燃料、１０６  蒸発分、１０８  連結多岐管ライン、１１０  バルブ、１１２  加圧気体ライン、１１４  排気ライン、１１６  バルブ、１１８  バルブ、１２０  開口部、１２４  排気された気体、１２６  加圧気体。
【図１】
0004536196.tif 000002
【図２】
0004536196.tif 000003