JP2015501397A - 流体を加熱するための装置 - Google Patents

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Abstract

流体を加熱するためであって、特に液化された推進剤を加圧するロケット発射装置に用いることに適した装置。本発明によれば、該装置は、制限された推進剤(L1)と過剰な推進剤(E)との間の第1の燃焼を実行する第1のバーナ(21)と、前記第1の燃焼からの第1の燃焼後ガス(B1)の熱が流体(F)に伝えられる第1の熱交換ユニット(10,31)と、を備え、該装置は、さらに、前記第1の燃焼後ガス(B1)といくらかの制限された推進剤(L2)との両者が注入され、該制限された推進剤(L2)と前記第1の燃焼後ガス(B1)中に存在する未燃焼の前記過剰な推進剤の少なくとも一部分との間の第2の燃焼を実行する少なくとも1つの第2のバーナ(22)、を備え、前記第2の燃焼からの第2の燃焼後ガス(B2)は、前記流体(F)に熱を伝えるために、第2の熱交換ユニット(10,32)を通って流れ、各燃焼からの燃焼後ガス(B1,B2)は、前記熱交換ユニット(10,31,32)で構成されて且つ前記ガスが前記流体(F)に熱を伝える共通の全体的な熱交換器(10)の、内部のそれぞれの燃焼後ガス管(31,32)の中を流れ、前記流体は、前記燃焼後ガス管(31,32)の間を流れる。【選択図】 図1

Description

本発明は、液化した流体を加熱し、特には気化させて過熱するための、流体を加熱するための装置に関し、さらに本発明は、そのような装置を備えるロケット発射装置にも関する。
そのような装置は、特には気体の形態での使用が望まれる流体を気化させるために使用することができ、この装置は、典型的には、ロケット発射装置において液体推進剤を燃焼室への噴射に先立って加圧するために使用することができる。
多数のロケット発射装置において、推進に使用される推進剤は、液体であり、典型的には液体水素(LH)および液体酸素(LO)であり、したがって、液体の状態でタンクに収容される。そのような発射装置において、液化した推進剤のためのタンクは、通常は、弾道飛行の段階において減圧されるが、そのような弾道段階の後でスラスタを再び作動させる場合に、液体推進剤のタンクは、推進剤の圧力がエンジンへの供給のための条件に適合するように、再び加圧される必要がある。
そのような加圧を実行するために、各推進剤の一部を取り出して気化させ、それぞれのタンクの上部へと気体の形態で注入することによって得られる自己生成の圧力を使用することが好都合である。この自己生成の圧力は、個別の加圧装置(典型的には、高圧下の気体ヘリウムのタンク)を設ける必要をなくすことで搭載される機器の質量を小さくするという目的を果たす。
この目的のため、典型的には推進にも使用される2つの推進剤の間の燃焼を実行するバーナによって高温ガスも供給される熱交換器に、液化した推進剤を通すことが、一般的な実務である。しかしながら、そのような燃焼がきわめて発熱性であるため、燃焼によって過度の熱が放出されることで温度が過度に高くなり、したがってバーナまたは熱交換器の材料を傷める結果となるため、化学量論の条件下で実行することが不可能である。
したがって、通常の方法はそのような化学量論の条件から遠い混合比を使用し、したがって到達する温度に材料が耐えることができるが、使用される推進剤のうちの一方のかなりの割合が未燃焼のままとなり、燃焼から由来するガス中に失われてしまう。したがって、そのような方法の効率はかなり低く、積まれた推進剤のうちのかなりの量が失われてしまう結果となる。そのような発射装置の重量および体積に関する制約に鑑み、そのような方法は不充分であると理解することができる。
したがって、流体を気体にするための装置であって、上述の公知の装置に固有の欠点に苦しむことがない装置について、真のニーズが存在している。
本発明は、流体を加熱するための装置に関し、該装置は、制限された推進剤と過剰な推進剤との間の第1の燃焼を実行する第1のバーナと、前記第1の燃焼からの第1の燃焼後ガスの熱が流体に伝えられる第1の熱交換ユニットと、前記第1の燃焼後ガスといくらかの制限された推進剤との両者が注入され、該制限された推進剤と前記第1の燃焼後ガス中に存在する未燃焼の前記過剰な推進剤の少なくとも一部分との間の第2の燃焼を実行する少なくとも1つの第2のバーナと、を備え、前記第2の燃焼からの第2の燃焼後ガスは、前記流体に熱を伝えるために、第2の熱交換ユニットを通って流れる。各燃焼からの燃焼後ガスは、前記熱交換ユニットで構成されて且つ前記ガスが前記流体に熱を伝える共通の全体的な熱交換器の、内部のそれぞれの燃焼後ガス管の中を流れ、前記流体は、前記燃焼後ガス管の間を流れる。
この方式で、たとえ第1の燃焼が化学量論の条件下で実行されず、したがって未燃焼の過剰な推進剤が第1の燃焼後ガス中に存在しても、この未燃焼の推進剤の一部を、第2のバーナユニットにおいて制限された推進剤との燃焼を実行することによって消費することが可能であり、したがって失われてしまう過剰な推進剤の量を相応に減らすことができる。
この第2の燃焼は、第1の燃焼後ガスが第1の熱交換ユニットにおいて流体に熱を伝えており、したがって冷却されているがゆえに、実行可能である。したがって、例えば第1のバーナユニットと同じ出口温度まで、第2のバーナユニットにおける再加熱が可能である。
したがって、第2の燃焼の終わりにおいて失われる過剰な推進剤が少なくなるため、装置の全体としての効率が改善される。したがって、一定の量の熱を生成するために、消費される推進剤が少なくて済むため、直接的な経済的節約につながるとともに、搭載すべき推進剤が少なくなることで、貯蔵の体積を削減でき、とりわけ搭載される質量が小さくなり、結果としてかなりの間接的な経済的節約が達成される。
さらに、流体の気化および過熱に必要な所与の量の熱について、この熱の生成を、2つのバーナの間で分担することができる。これは、特には材料にとってあまり負担にならない温度が得られるように順次の燃焼を調節することを可能にする。これは、各バーナのサイズ、したがって質量を小さくすることも可能にする。たとえ装置の総質量が増えたとしても、この増加は、上述の推進剤の質量の削減によって補償される。
本明細書は、主として最初は液体の状態である流体の気化、およびおそらくは過熱における使用に関するが、本発明は、当然ながら、臨界の熱力学的条件を超え、したがって加熱時に気化を観測できないが流体が超臨界状態にある用途にもあてはまる。したがって、本発明は、流体を所望の利用温度まで加熱するように働くことを理解すれば充分である。
ある実施形態においては、前記装置は、複数のバーナを備え、2番目以降の順番nの各バーナの中に、(n−1)番目の燃焼からの(n−1)番目の燃焼後ガスが、いくらかの制限された推進剤と一緒に注入され、該制限された推進剤と前記(n−1)番目の燃焼後ガス中に存在する未燃焼の前記過剰な推進剤の少なくとも一部分との間のn番目の燃焼が、実行され、前記n番目の燃焼からのn番目の燃焼ガスが、前記流体に熱を伝えるために、n番目の熱交換ユニットを通って流れる。これらのバーナは、直列に配置され、したがって各バーナにおいて先行の燃焼において燃焼することがなかった過剰な推進剤の一部を消費することを可能にし、結果としての全体的な化学量論を、最良の効率をもたらす条件に近づけることを可能にする。これは、熱の生成を複数の燃焼に分散させ、したがってこれらの燃焼の各々をより良好に最適化することも可能にする。したがって、上述の利点の全てが増幅される。
ある実施形態においては、各燃焼の混合比は、当該装置にもたらす温度が当該装置の材料の耐熱性によって定められる最高温度を超えないような方式で調節される。この最高温度に特定の安全マージンを残しつつ近づくことができる。これは、装置の材料を傷めず、特にはバーナおよび熱交換器の材料を傷めることなく、できるだけ多くの熱を生み出すことを可能にする。この最高温度は、典型的には約900℃である。
ある実施形態においては、バーナの数と、バーナに注入される制限された推進剤および過剰な推進剤の量とは、前記過剰な推進剤が最後の燃焼後に実質的に完全に燃焼しているような数と量とである。この方式で、全体としての装置において、化学量論の条件が達成され、したがって最高の効率が達成される。
ある実施の形態においては、(n−1)番目の燃焼後ガスの他に、制限された推進剤だけがn番目のバーナに注入され、新たな過剰な推進剤は、注入されない。したがって、過剰な推進剤が第1のバーナに1回だけ注入されることで、過剰な推進剤をもたらすための回路が簡単化される。
ある実施の形態においては、装置は、5つまたは6つのバーナを備える。バーナの理想的な数は、追加の燃焼によって可能にされる節約、すなわち効率の向上および搭載すべき推進剤の質量の減少と、各々の追加のバーナに付随する質量および複雑さに関する欠点との間の妥協の結果である。この妥協は、特には材料が容認できる最高温度に依存する。
ある実施の形態においては、流体は、気化および過熱のための液化した推進剤である。これは、特には液化した推進剤のタンクの加圧に気化させた推進剤が用いられるロケット発射装置にあてはまる。
ある実施の形態においては、加圧のための推進剤は、制限された推進剤または過剰な推進剤のうちの一方と同じ物質である。この方式で、2つの異なる推進剤だけが必要であり、したがって貯蔵および分配のための機構が大幅に簡略化される。
ある実施の形態においては、制限された推進剤は、酸素であり、過剰な推進剤は、水素である。これらの推進剤は、航空宇宙の分野において広く使用されており、きわめて反応性に富んでいる。
ある実施の形態においては、酸素と水素との間の重量による混合比が、第1のバーナにおいて1に等しい。混合比は、全てのバーナに亘って下記の反応についての化学量論比に相当する8に到達できる。
2H+O=2H
ある実施の形態においては、燃焼後ガス管は、円形または矩形の断面である。
ある実施形態においては、前記バーナは、前記全体的な熱交換器の一方の側に沿って整列され、前記燃焼後ガスは、U字形の燃焼後ガス管中で前記全体的な熱交換器を通過することによって、あるバーナから別のバーナに流れる。これは、バーナならびにバーナの供給および制御回路の設置をより容易にする。
ある実施の形態においては、全体的な熱交換器は、仕切りを有するシェルアンドチューブ型熱交換器である。これらの仕切りは、三次元に延びる流体の流路を定めることで、流体が燃焼後ガス管に接触して移動する経路を長くし、したがって熱の交換を増加させる。
ある実施形態においては、前記全体的な熱交換器は、前記燃焼後ガスと前記流体との間の界面に位置する熱交換部材を備える。これは、熱交換の表面積を増大させることを可能にする。
ある実施形態においては、前記熱交換部材は、前記燃焼後ガス管の周囲および/または内側に配置された螺旋状のフィンである。これらのフィンは、熱交換の表面積を増大させるだけでなく、流体を燃焼後ガス管を巡って回転させることで、熱の交換をさらに向上させる。
他の実施の形態においては、これらの熱交換部材は、燃焼後ガス管の周囲および/または内側に配置された放射状のフィンである。
他の実施の形態においては、これらの熱交換部材は、燃焼後ガス管の周囲および/または内側に配置されたリングである。
ある実施の形態においては、燃焼後ガス管の断面および/または流体の通路の断面が変化する。したがって、密度または質量流量の変化を考慮し、ヘッドロスを補償するように構成することが可能である。
ある実施形態においては、前記全体的な熱交換器は、組み合わせられて且つシールを設けられる2つの半ケーシングで構成される。これら2つの半ケーシングを、燃焼後ガス管の全てを収容するように組み合わせることができる。この実施の形態は、組み立てが特に簡単である。
ある実施の形態においては、燃焼後ガスと流体とは、全体的な熱交換器において対向する流れとして流れる。
他の実施の形態においては、それらは、全体的な熱交換器において同じ方向の流れとして流れる。
他の実施の形態においては、全体的な熱交換器の特定の部分は、同じ方向の流れを有する一方で、他の部分は、対向する流れを有する。
特定の実施の形態においては、バーナは、インジェクタおよびスパークプラグによる点火を、自動車において用いられる構成と同様の構成にて使用する。任意の他の種類の注入および点火も使用可能である。
さらに、本発明は、本発明による流体を加熱するための装置を備えるロケット発射装置も提供する。
上述の特徴および利点、ならびに他の特徴および利点は、提案される装置の実施の形態についての以下の詳細な説明を検討することによって、明らかになる。この詳細な説明は、添付の図面を参照して行なわれる。
添付の図面は、概略図であり、何よりも本発明の原理を説明しようとするものである。
図面において、ある図と他の図とで、同一である構成要素(あるいは、構成要素の一部分)は、同じ参照符号を使用して指し示されている。
図1は、装置の概略の断面図である。 図2は、燃焼後のガスのための管の概略図であり、管がらせん状のフィンを備えている。 図3は、燃焼後のガスのための管の概略図であり、管が放射状のフィンを備えている。
本発明をより具体的にするために、典型的な装置を、以下で添付の図面を参照して詳しく説明する。本発明は、この例に限られるわけではないことを、理解すべきである。
図1は、装置1の概略の断面図である。装置1は、全体的な熱交換器10と、第1のバーナ21と、4つの他のバーナ22、23、24、および25とを備えている。
全体的な熱交換器10は、入口オリフィス11と、出口オリフィス12と、複数の内部仕切り13とを備えている。気化のための流体Fは、入口オリフィス11を介して全体的な熱交換器10に進入し、仕切り13によって定められる通路14に沿って流れ、出口オリフィス12を介して全体的な熱交換器10を出る。仕切り13のアレイを、流体Fを入口オリフィス11と出口オリフィス12との間の通路14においてより長い経路に沿って移動させるために、三次元に配置することができる。図1における両方の矢印は、全体的な熱交換器10の通路14において流体Fが進む経路を示している。
第1のバーナ21は、全体的な熱交換器10の第1の側15に対して配置され、あるいは全体的な熱交換器10の第1の側15の付近に配置される。第1のバーナ21に、典型的には水素Hである過剰な推進剤Eと、典型的には酸素Oである制限された推進剤L(流れL1)とが供給される。第1のバーナ21における過剰な推進剤Eの、制限された推進剤Lとの燃焼により、第1の燃焼後ガスB1が生成され、第1の燃焼後ガス管31に送られる。この管31は、全体的な熱交換器10の通路14内で、出口オリフィス12の近くに位置する。管31はU字形であり、第2のバーナ22に届くように全体的な熱交換器10の第1の側15へと戻る。
この実施の形態において、第1の管31および仕切り13は、第1の燃焼後ガスB1と流体Fとが逆行にて流れるような方式で配置されている。
第1のバーナ21における第1の燃焼の混合比は、第1のバーナ21からの出口における第1の燃焼後ガスB1の温度T1が、装置1の材料の最大許容温度よりも低くなるように、調節される。この混合比は、化学量論ではなく、過剰な推進剤Eは、第1の燃焼後ガスB1中に残る。
第1の燃焼後ガス管31を流れる第1の燃焼後ガスB1は、流体Fを気化させ、さらには過熱できるよう、流体Fに熱を伝える。したがって、第1の燃焼後ガスB1は、冷却され、第1のバーナ21の出口からの温度T1よりも低い温度T1’で第2のバーナ22に進入する。
第2のバーナ22も、やはり全体的な熱交換器10の第1の側15に対して配置され、あるいは全体的な熱交換器10の第1の側15の付近に配置される。第2のバーナ22は、第1のバーナ21の近くに位置する。この第2のバーナ22には、第1の燃焼後ガスB1と、制限された推進剤L(流れL2)とが供給される。この制限された推進剤Lの、第1の燃焼後ガスB1中に存在する残余の過剰な推進剤Eとの燃焼により、第2の燃焼後ガスB2が生成され、第2の燃焼後ガス管32に送られる。第1の管31に類似したこの第2の管32は、第1の燃焼後ガス管31の上流において全体的な熱交換器10の通路14内に配置され、第3のバーナ23に届くように全体的な熱交換器10の第1の側15へと戻る。
第2のバーナ22における第2の燃焼の混合比も、第2のバーナ22への入口における第1の燃焼後ガスB1の温度T1’に鑑みて、第2のバーナ22からの出口における第2の燃焼後ガスB2の温度T2が、装置1の材料の最大許容温度よりも低くなるように、調節される。この混合比は、化学量論ではなく、過剰な推進剤Eは、第2の燃焼後ガスB2中に依然として残る。
第2の燃焼後ガス管32を流れる第2の燃焼後ガスB2は、流体Fを気化させることができるよう、流体Fに熱を伝える。したがって、第2の燃焼後ガスB2は、冷却され、第2のバーナ22からの出口における温度T2よりも低い温度T2’で第3のバーナ23へと進入する。
第3および第4のそれぞれの燃焼後ガス管33,34に組み合わせられる第3および第4のバーナ23,24は、燃焼後ガス中に過剰な推進剤Eが依然として残るため、第2のバーナ22および第2の燃焼後ガス管32と同様であり、第2のバーナ22および第2の燃焼後ガス管32と同じ方式で同じ目的のために機能する。
第5の最後のバーナ25は、全体的な熱交換器10の第1の側15に対して配置され、あるいは全体的な熱交換器10の第1の側15の付近に配置される。第5のバーナ25は、他のバーナと整列して第4のバーナ24の近傍に位置する。第5のバーナ25には、第4の燃焼後ガスB4および制限された推進剤L(流れL5)が供給される。この制限された推進剤Lの、第4の燃焼後ガスB4に存在する残余の過剰な推進剤Eとの燃焼により、第5の燃焼後ガスB5が生成され、第5の燃焼後ガス管35に送られる。この第5の管35は、必ずしもU字形でなくてもよく、第4の燃焼後ガス管34の上流かつ全体的な熱交換器10の入口オリフィス11の近くで全体的な熱交換器10の通路14内に配置される。その後に、第5の管35は、全体的な熱交換器10から出て、放出オリフィス35aを介して第5の燃焼後ガスB5を放出する。
第5のバーナ25への入口における第4の燃焼後ガスの温度T4’、および第4の燃焼後ガスB4中に残る過剰な推進剤Eのわずかな量に鑑みて、第5のバーナ25における第5の燃焼の混合比を、装置1の材料の最大許容温度を超えることなく、化学量論の方式で調節することが可能である。このようにして、制限された推進剤Lおよび過剰な推進剤Eが完全に燃焼し、第5の燃焼後ガスB5中にはもはや過剰な推進剤が存在しない。
第5の燃焼後ガスB5は、第5の燃焼後ガス管35に沿って流れ、流体Fを気化させることができるよう、流体Fへと熱を伝える。結果として、第5の燃焼後ガスB5は冷却され、放出オリフィス35aを介して全体的な熱交換器10および装置1から出る。それは、発射装置の別の部分における何らかの特別な用途に供されることができ、特に、有利な点として、その衝撃または残りの温度を得ることができる。
図2は、上述の通りの燃焼後ガス管31〜35に設置することができる熱交換部材の実施の形態を示している。すなわち、螺旋状のフィン40は、燃焼後ガス管31の周囲に配置されている。螺旋状のフィン40は、気化のための燃焼後ガスB1と流体Fとの間の熱交換面積を大きくする。さらに、流体Fを管31の周りを回転させることで、管31に接触して移動する経路の長さを増加させる。燃焼後ガス管31〜35の全長または全長のうちの一部分について、そのような螺旋状のフィン40を設けることができる。
図3は、上述の燃焼後ガス管31〜35に設置することができる熱交換部材の別の実施の形態を示している。すなわち、放射状のフィン400は、燃焼後ガス管31に沿って配置されている。これらの放射状のフィン400は、気化のための燃焼後ガスB1と流れる空気との間の熱交換面積を大きくする。任意の数のフィン400は、所与の管31の周囲に配置されることができ、それらは、随意により一定の角度の間隔で配置されることができる。燃焼後ガス管31〜35の全長または全長のうちの一部分について、そのような放射状のフィン400を設けることができる。管31〜35のうちのいくつかに螺旋状のフィン40を取り付け、他の管31〜35に放射状のフィン400を取り付けることも可能である。
本明細書において上述した実施の形態または実施例は、本発明を限定するものではない例として提示されており、この説明に照らして、当業者であれば、本発明の範囲の中で、これらの実施の形態または実施例を容易に変更でき、あるいは他の実施の形態または実施例に容易に想到できる。
さらに、これらの実施の形態または実施例の種々の特徴を、単独で使用することができ、あるいは互いに組み合わせてもよい。組み合わせられる場合、特徴を上述の通りに組み合わせることも、あるいは他の方式で組み合わせることも可能であり、本発明は、本明細書に記載の特定の組み合わせに限られるわけではない。特には、そのようでないと指定されない限りは、ある特定の実施の形態または実施例に関連して説明された特徴を、何らかの他の実施の形態または実施例に同様の方式で適用することが可能である。

Claims (9)

  1. 流体を加熱するための装置であって、
    制限された推進剤(L1)と過剰な推進剤(E)との間の第1の燃焼を実行する第1のバーナ(21)と、
    前記第1の燃焼からの第1の燃焼後ガス(B1)の熱が流体(F)に伝えられる第1の熱交換ユニット(10,31)と、
    前記第1の燃焼後ガス(B1)といくらかの制限された推進剤(L2)との両者が注入され、該制限された推進剤(L2)と前記第1の燃焼後ガス(B1)中に存在する未燃焼の前記過剰な推進剤の少なくとも一部分との間の第2の燃焼を実行する少なくとも1つの第2のバーナ(22)と、を備え、
    前記第2の燃焼からの第2の燃焼後ガス(B2)は、前記流体(F)に熱を伝えるために、第2の熱交換ユニット(10,32)を通って流れ、
    各燃焼からの燃焼後ガス(B1,B2)は、前記熱交換ユニット(10,31,32)で構成されて且つ前記ガスが前記流体(F)に熱を伝える共通の全体的な熱交換器(10)の、内部のそれぞれの燃焼後ガス管(31,32)の中を流れ、
    前記流体は、前記燃焼後ガス管(31,32)の間を流れる、ことを特徴とする装置。
  2. 複数のバーナ(21〜25)を備え、
    2番目以降の順番nの各バーナ(23)の中に、(n−1)番目の燃焼からの(n−1)番目の燃焼後ガス(B2)が、いくらかの制限された推進剤(L3)と一緒に注入され、該制限された推進剤(L3)と前記(n−1)番目の燃焼後ガス(B2)中に存在する未燃焼の前記過剰な推進剤の少なくとも一部分との間のn番目の燃焼が、実行され、
    前記n番目の燃焼からのn番目の燃焼ガス(B3)が、前記流体(F)に熱を伝えるために、n番目の熱交換ユニット(10,33)を通って流れる、ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 各燃焼の混合比は、当該装置にもたらす温度(T1〜T5)が当該装置(1)の材料の耐熱性によって定められる最高温度を超えないような方式で調節される、ことを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
  4. バーナ(21〜25)の数と、バーナに注入される制限された推進剤(L1〜L5)および過剰な推進剤(E)の量とは、前記過剰な推進剤が最後の燃焼後に実質的に完全に燃焼しているような数と量とである、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記バーナ(21〜25)は、前記全体的な熱交換器(10)の一方の側(15)に沿って整列され、
    前記燃焼後ガス(B1〜B4)は、U字形の燃焼後ガス管(31〜34)中で前記全体的な熱交換器(10)を通過することによって、あるバーナ(21〜25)から別のバーナに流れる、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記全体的な熱交換器(10)は、前記燃焼後ガス(B1〜B5)と前記流体(F)との間の界面に位置する熱交換部材(40,400)を備える、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記熱交換部材は、前記燃焼後ガス管(31〜35)の周囲および/または内側に配置された螺旋状のフィン(40)であることを特徴とする請求項6に記載の装置。
  8. 前記全体的な熱交換器(10)は、組み合わせられて且つシールを設けられる2つの半ケーシングで構成される、ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の装置。
  9. 流体を加熱するための請求項1〜8のいずれか一項に記載の装置(1)を備えることを特徴とするロケット発射装置。
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