JP7490227B2 - ガス供給システムおよび推進システム - Google Patents
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- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Description
本発明は、ガス供給システムおよび推進システムに関する。
近年、大学や企業による小型人工衛星の開発が進んでいる。ロケットによる打ち上げコストを低減するために、小型人工衛星の質量は１～１００ｋｇと、従来の人工衛星の質量数百ｋｇ～数トンと比較して軽量となっている。
この小型人工衛星を構成する部材の質量である構造質量の低減が課題となっている。軌道制御や姿勢制御のためには、推進機を搭載する必要がある。一般的な方式では、推進機の燃料は、１ＭＰａ～１０ＭＰａの圧力で高圧タンクに封入され、高圧用ガスバルブなどを用いて供給される。この方式の場合、高圧に耐える配管やタンクを用いるため、堅固な構造をしている。そのため、構造質量の低減が困難である。例えば、非特許文献１では、８９０ｇのキセノンを貯蔵するためのタンクを備えるガス供給システムの構造質量は２８４０ｇとなる。小型人工衛星の質量は、１～１００ｋｇであるので、推進機搭載の大きな制約となっている。推進機をせず、軌道変換や姿勢変更ができない場合、小型人工衛星の利用の妨げとなる。そのため、ガス供給システムの構造質量の低減が求められている。また、非特許文献１のタンクのさらなる小型化が求められている。
金属有機構造体（ＭＯＦ）は、ガスを吸着する特性を有する。そのため、ＭＯＦは、小型高密度に貯蔵したり、混合ガスから特定のガスを取り除いたりするために使われている。特許文献１には、金属有機構造体を備える機密容器が開示されている。
日本航空宇宙学会誌、小型イオンスラスタ研究開発の経緯、現状、そして展望、ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．１１、Ｐ．７
しかし、特許文献１に開示の方法では、ガスの貯蔵量を確保するために１～３００バールにおいて利用している。そのため、従来の貯蔵方法と同じく高圧で貯蔵していることから、タンクの耐圧性強度を強くする必要があるため、構造質量の低減効果がほとんどない。
本発明は、上記の課題を鑑みてなされた発明であり、軽量、かつ、小型なガス供給システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
（１）本発明の一態様に係るガス供給システムは、ガスを吸着する金属有機構造体が充填された金属有機構造体充填タンクを備え、前記金属有機構造体充填タンクの圧力が０Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下である。
（２）上記（１）に記載のガス供給システムは、前記圧力が０．０１Ｐａ以上であってもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載のガス供給システムは、前記圧力が０．１Ｐａ以上であってもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１つに記載のガス供給システムは、前記ガスがキセノンであってもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか１つに記載のガス供給システムは、前記金属有機構造体がＭＯＦ－７４であってもよい。
（６）本発明の一態様に係る推進システムは、上記（１）～（５）のいずれか１つに記載のガス供給システムを備える。
（１）本発明の一態様に係るガス供給システムは、ガスを吸着する金属有機構造体が充填された金属有機構造体充填タンクを備え、前記金属有機構造体充填タンクの圧力が０Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下である。
（２）上記（１）に記載のガス供給システムは、前記圧力が０．０１Ｐａ以上であってもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載のガス供給システムは、前記圧力が０．１Ｐａ以上であってもよい。
（４）上記（１）～（３）のいずれか１つに記載のガス供給システムは、前記ガスがキセノンであってもよい。
（５）上記（１）～（４）のいずれか１つに記載のガス供給システムは、前記金属有機構造体がＭＯＦ－７４であってもよい。
（６）本発明の一態様に係る推進システムは、上記（１）～（５）のいずれか１つに記載のガス供給システムを備える。
本発明の上記態様によれば、軽量、かつ、小型なガス供給システムを提供することができる。
（第１の実施形態）
以下、図１を参照し、本発明の第１の実施形態に係るガス供給システム１００を説明する。
ガス供給システム１００は、金属有機構造体充填タンク（ＭＯＦ充填タンク）１、第１圧力センサ２、バルブ３、レギュレータバルブ４、第２圧力センサ５、アキュムレータタンク６、スラスタバルブ７、オリフィス８、図示しない制御部、および配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆを備える。以下各部について説明する。推進システム２００は、ガス供給システム１００にさらに、スラスタ９を備える。
以下、図１を参照し、本発明の第１の実施形態に係るガス供給システム１００を説明する。
ガス供給システム１００は、金属有機構造体充填タンク（ＭＯＦ充填タンク）１、第１圧力センサ２、バルブ３、レギュレータバルブ４、第２圧力センサ５、アキュムレータタンク６、スラスタバルブ７、オリフィス８、図示しない制御部、および配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆを備える。以下各部について説明する。推進システム２００は、ガス供給システム１００にさらに、スラスタ９を備える。
（ＭＯＦ充填タンク）
ＭＯＦ充填タンク１は、金属有機構造体（ＭＯＦ）が充填されたガスタンクである。ここで、金属有機構造体とは、金属イオンと有機物の配位結合により形成された多孔質材料である。ＭＯＦ充填タンク１は、配管３０ａを介してバルブ３と接続している。
ＭＯＦ充填タンク１は、金属有機構造体（ＭＯＦ）が充填されたガスタンクである。ここで、金属有機構造体とは、金属イオンと有機物の配位結合により形成された多孔質材料である。ＭＯＦ充填タンク１は、配管３０ａを介してバルブ３と接続している。
ＭＯＦ充填タンク１の材質としては、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金および炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）などが挙げられる。
ＭＯＦ充填タンク１に充填されるガスとしては、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウム、水素、酸素、窒素、塩素が挙げられる。
ＭＯＦの充填率としては、特に限定されないが、ＭＯＦ充填タンク１の全容積の６０％以上であることが好ましい。ＭＯＦ充填タンク１のより好ましい充填率は、ＭＯＦ充填タンク１の全容積の７０％以上である。ＭＯＦ充填タンク１のさらに好ましい充填率は、ＭＯＦ充填タンク１の全容積の７５％以上である。
ＭＯＦ充填タンク１に充填されるＭＯＦとしては、特に限定されないが、例えば、ＳＢＭＯＦ－１、ＳＢＭＯＦ－２、Ｎｉ－ＭＯＦ－７４、Ｃｏ３（ＨＣＯＯ）６、ＨＫＵＳＴ－１、ＭＯＦ－５、ＦＭＯＦ－Ｃｕ、ＭＲＪ－４Ｉ、ＭＯＦ－５０５、ＳＩＦＳＩＸ－３－Ｎｉ，ＳＩＦＳＩＸ－３－Ｆｅ、ＣＲＯＦＯＵＲ－１－Ｎｉ、ＵＩＯ－６６、ＰＣＮ－１４、ＮＯＴＴ－１００、ＮＯＴＴ－１０３、ＭＯＦ－７４－Ｃｏ、ＭＯＦ－７４－Ｍｇ等が挙げられる。特に、細孔表面において、配位的に不飽和な金属サイト（ｏｐｅｎ ｍｅｔａｌ ｓｉｔｅ）の密度が高い、ＭＯＦ－７４－ＭｇおよびＭＯＦ－７４－ＣｏといったＭＯＦ－７４が好ましい。
ＭＯＦのＢＥＴ表面積は特に限定されないが、１０００ｍ２／ｇ以上が好ましい。より好ましくは、１４００ｍ２／ｇ以上である。ＭＯＦのＢＥＴ表面積の上限は特に限定されない場、例えば、６５００ｍ２／ｇとしてもよい。
ＭＯＦは、金属塩と有機配位子によって形成される。ＭＯＦの原料は、溶液中で金属イオンを得ることができる金属塩と、有機配位子である。これは、金属塩と有機配位子の両方について少なくともそれぞれ１種類以上を原料に用いることを意味する。さらに必要であれば、金属塩と有機配位子以外の原料も用いることができる。
ＭＯＦ原料として用いる金属塩は、各種の金属元素を含むものから選択することができ
る。金属塩に含まれる金属元素としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、ＲｈおよびＰｄなどが挙げられる。特にＭｇおよびＣｏが好ましい。
る。金属塩に含まれる金属元素としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、ＲｈおよびＰｄなどが挙げられる。特にＭｇおよびＣｏが好ましい。
金属イオンに配位結合する有機配位子としては、２－アミノテレフタル酸、２，５－ジアミノテレフタル酸、２，５－ジヒドロキシテレフタル酸、１，２，４，５－テトラキス（４－カルボキシフェニル）ベンゼン、１，３，５－トリス（４’－カルボキシ［１，１’－ビフェニル］－４－イル）ベンゼン、１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼン、２，６－ナフタレンジカルボン酸、２－ヒドロキシテレフタル酸、３，３’，５，５’－テトラカルボキシジフェニルメタン、４，４’，４”－Ｓ－トリアジン－２，４，６－トリル－トリ安息香酸、９，１０－アントラセンジカルボン酸、ビフェニル－３，３’，５，５’－テトラカルボン酸、ビフェニル－３，４’，５－トリカルボン酸、テレフタル酸、トリメシン酸、[１，１’：４’，１”]テルフェニル－３，３’，５，５’－テトラカルボン酸、イミダゾール、２－メチルイミダゾールなどが挙げられる。特に、２，５－ジヒドロキシテレフタル酸が好ましい。
ＭＯＦの材料は、例えば、赤外分光分析（ＩＲ）、飛行時間型二次イオン質量分析（Ｔ ＯＦ－ＳＩＭＳ）、固体核磁気共鳴分析（固体ＮＭＲ）等によって測定することによって、確認することができる。
充填するＭＯＦの形状は、例えば、粉末状、ペレット状などが挙げられる。取り扱いのしやすさから充填するＭＯＦの形状は、ペレット状に成型されていることが好ましい。
ＭＯＦ充填タンク１のガス貯蔵時の圧力は０Ｐａ以上１ＭＰａ未満である。ガス貯蔵時の圧力が１．０ＭＰａ未満であれば、例えば３．０ＭＰａに対応した場合よりもタンクの厚さを薄くできるので、構造質量を低減することができる。加えて、ガスの圧力が１ＭＰａ未満であれば、例えば、日本国内では日本国の高圧ガス保安法の適用も受けずガスタンクの取り扱いが簡単になるので、製造管理コストを低減することができる。通常、不測の事態に備え、アキュムレータタンク６などは、高圧に耐えられるような設計となっているが、ガス供給システム１００は、ＭＯＦ充填タンク１の圧力が低いので、アキュムレータタンク６などを低圧仕様にすることができ、従来のガス供給システム１００より軽量化することができる。より好ましいガス貯蔵時の圧力は、０．２ＭＰａ以下である。ガス貯蔵時の圧力が０．２ＭＰａ以下であれば、さらに構造質量を低減することができる。さらに好ましくは、第１のガス圧は、０．１ＭＰａ以下である。ガスの貯蔵時の圧力は、１ｋＰａ以上が好ましい。
（第１圧力センサ）
第１圧力センサ２はＭＯＦ充填タンク１とバルブ３とをつなぐ配管３０ａの間に設けられる。第１圧力センサ２は、ＭＯＦ充填タンク１側のガスの圧力を測定し、図示しない制御部にＭＯＦ充填タンク１側の圧力の情報を送る。
第１圧力センサ２はＭＯＦ充填タンク１とバルブ３とをつなぐ配管３０ａの間に設けられる。第１圧力センサ２は、ＭＯＦ充填タンク１側のガスの圧力を測定し、図示しない制御部にＭＯＦ充填タンク１側の圧力の情報を送る。
（バルブ）
バルブ３の開閉は、図示しない制御部によって、制御される。また、レギュレータバルブ４は、配管３０ｂを通し、送られてきたガスの圧力を低減する。バルブ３およびレギュレータバルブ４によって、ＭＯＦ充填タンク１から送られてきたガスの圧力は、例えば、０．０３ＭＰａ付近に微調整される。
バルブ３の開閉は、図示しない制御部によって、制御される。また、レギュレータバルブ４は、配管３０ｂを通し、送られてきたガスの圧力を低減する。バルブ３およびレギュレータバルブ４によって、ＭＯＦ充填タンク１から送られてきたガスの圧力は、例えば、０．０３ＭＰａ付近に微調整される。
（第２圧力センサ）
第２圧力センサ５は、レギュレータバルブ４とアキュムレータタンク６とを繋ぐ配管３０ｃの間に設けられる。第２圧力センサ５は、アキュムレータタンク６側のガスの圧力を測定し、図示しない制御部に、アキュムレータタンク６側の圧力の情報を送る。
第２圧力センサ５は、レギュレータバルブ４とアキュムレータタンク６とを繋ぐ配管３０ｃの間に設けられる。第２圧力センサ５は、アキュムレータタンク６側のガスの圧力を測定し、図示しない制御部に、アキュムレータタンク６側の圧力の情報を送る。
（アキュムレータタンク）
アキュムレータタンクは、ＭＯＦ充填タンク１から送られてきたガスを減圧して蓄える。アキュムレータタンク６は、配管３０ｄを介し、スラスタバルブ７と接続される。
アキュムレータタンクは、ＭＯＦ充填タンク１から送られてきたガスを減圧して蓄える。アキュムレータタンク６は、配管３０ｄを介し、スラスタバルブ７と接続される。
（スラスタバルブ）
スラスタバルブ７は、バルブの開閉でスラスタ９に送るガス供給のＯＮ／ＯＦＦ制御をする。
スラスタバルブ７は、バルブの開閉でスラスタ９に送るガス供給のＯＮ／ＯＦＦ制御をする。
（オリフィス）
オリフィス８によって、ガスの流量が制限される。オリフィス８を通りガスはスラスタ９に送られる。ここでのガス圧は、特に限定されず、例えば、０Ｐａでもよいし、１ｋＰａであってもよい。オリフィス８には、フィルタが備わる。
オリフィス８によって、ガスの流量が制限される。オリフィス８を通りガスはスラスタ９に送られる。ここでのガス圧は、特に限定されず、例えば、０Ｐａでもよいし、１ｋＰａであってもよい。オリフィス８には、フィルタが備わる。
（制御部）
図示しない制御部は、バルブ３、レギュレータバルブ４、およびスラスタバルブ７を制御する。ガスの圧力制御は、第１圧力センサ２および第２圧力センサ５から得られた情報に基づいて、制御される。
図示しない制御部は、バルブ３、レギュレータバルブ４、およびスラスタバルブ７を制御する。ガスの圧力制御は、第１圧力センサ２および第２圧力センサ５から得られた情報に基づいて、制御される。
スラスタ動作時のガスの圧力制御について、次に説明する。スラスタ９の動作時は、バルブ３およびスラスタバルブ７は常に開いている状態である。第２圧力センサ５の圧力を図示しない制御部はモニターし、ガスの圧力の閾値の下限に達するとフィードバック制御でレギュレータバルブ４を一定時間開きアキュムレータタンク６に燃料であるガスを充填する。このガス充填工程をスラスタ９動作時にガスの圧力が閾値の下限に達するたびに繰り返す。
以上、本発明の第１の実施形態について説明した。第１の実施形態に係るガス供給システム１００では、ＭＯＦ充填タンク１からアキュムレータタンク６までのガス圧力制御機構（バルブ３およびレギュレータバルブ４）を１系統のみ備えていたが、冗長性を持たせるために、ガス圧力制御機構をもう１系統以上備えてもよい。また、レギュレータバルブ４とアキュムレータタンク６との間に、流量を律速するオリフィスをさらに備えてもよい。ガス供給システム１００の第１圧力センサ２及び第２圧力センサ５は、冗長性を持たせるために、２以上備えてもよい。
本発明の第１の実施形態に係るガス供給システム１００は、スラスタ側のガス圧力制御機構（スラスタバルブ７およびオリフィス８）を１系統のみ備えていたが、スラスタ側のガス圧力制御機構を２以上備えていてもよい。また、ガス供給システム１００は、燃料の充填用のバルブをさらに備えていてもよい。また、本実施形態に係るガス供給システム１００は、圧力センサのみを備えていたが、さらに、温度センサを備えていてもよい。
（第２の実施形態）
以下、図２を参照し、本発明の第２の実施形態に係るガス供給システム１００Ａを説明する。
ガス供給システム１００Ａは、金属有機構造体充填タンク（ＭＯＦ充填タンク）１、第１圧力センサ２ａ、ラッチバルブ１０、比例流量制御バルブ１１、第３圧力センサ１２、図示しない制御部、および配管３０ｇ、３０ｈ、および３０ｉを備える。以下各部について説明する。推進システム２００Ａは、ガス供給システム１００Ａにさらに、スラスタ９を備える。以下、第１の実施形態に係るガス供給システム１００Ａと同じ構成、同じ機能については、説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
以下、図２を参照し、本発明の第２の実施形態に係るガス供給システム１００Ａを説明する。
ガス供給システム１００Ａは、金属有機構造体充填タンク（ＭＯＦ充填タンク）１、第１圧力センサ２ａ、ラッチバルブ１０、比例流量制御バルブ１１、第３圧力センサ１２、図示しない制御部、および配管３０ｇ、３０ｈ、および３０ｉを備える。以下各部について説明する。推進システム２００Ａは、ガス供給システム１００Ａにさらに、スラスタ９を備える。以下、第１の実施形態に係るガス供給システム１００Ａと同じ構成、同じ機能については、説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
（第１圧力センサ）
第１圧力センサ２ａはＭＯＦ充填タンク１とラッチバルブ１０とをつなぐ配管３０ｇの間に設けられる。第１圧力センサ２ａは、ＭＯＦ充填タンク１側のガスの圧力を計測し、図示しない制御部にＭＯＦ充填タンク１側の圧力の情報を送る。
第１圧力センサ２ａはＭＯＦ充填タンク１とラッチバルブ１０とをつなぐ配管３０ｇの間に設けられる。第１圧力センサ２ａは、ＭＯＦ充填タンク１側のガスの圧力を計測し、図示しない制御部にＭＯＦ充填タンク１側の圧力の情報を送る。
（ラッチバルブ）
ラッチバルブ１０は、バルブの開閉で、比例流量制御バルブ１１に送るガス供給のＯＮ／ＯＦＦ制御をする。ラッチバルブ１０は、配管３０ｈを通し、比例流量制御バルブと接続される。
ラッチバルブ１０は、バルブの開閉で、比例流量制御バルブ１１に送るガス供給のＯＮ／ＯＦＦ制御をする。ラッチバルブ１０は、配管３０ｈを通し、比例流量制御バルブと接続される。
（比例流量制御バルブ）
比例流量制御バルブ１１は、ラッチバルブ１０を通し送られてきたガスの流量を制御する。
比例流量制御バルブ１１は、ラッチバルブ１０を通し送られてきたガスの流量を制御する。
（第３圧力センサ）
第３圧力センサ１２は、比例流量制御バルブ１１とスラスタ９とを繋ぐ配管３０ｉの間に設けられる。第３圧力センサ１２は、比例流量制御バルブ１１から送られたガスの圧力を測定し、図示しない制御部に、その圧力の情報を送る。
第３圧力センサ１２は、比例流量制御バルブ１１とスラスタ９とを繋ぐ配管３０ｉの間に設けられる。第３圧力センサ１２は、比例流量制御バルブ１１から送られたガスの圧力を測定し、図示しない制御部に、その圧力の情報を送る。
（制御部）
図示しない制御部は、ラッチバルブ１０および比例流量制御バルブ１１を制御する。ガスの圧力制御は、第１圧力センサ２ａおよび第３圧力センサ１２から得られた情報に基づいて、行われる。
図示しない制御部は、ラッチバルブ１０および比例流量制御バルブ１１を制御する。ガスの圧力制御は、第１圧力センサ２ａおよび第３圧力センサ１２から得られた情報に基づいて、行われる。
以上、本発明の第２の実施形態について説明した。第２の実施形態に係るガス供給システム１００Ａは、ＭＯＦ充填タンク１から比例流量制御バルブ１１までのガス圧力制御機構（ラッチバルブ１０）を１系統のみ備えていたが、冗長性を持たせるために、２以上のガス圧力制御機構を備えていてもよい。第２の実施形態に係るガス供給システム１００Ａは、第１圧力センサ２ａ付近に温度センサをさらに備えていてもよい。第２の実施形態に係るガス供給システム１００Ａは、第３圧力センサ１２付近に温度センサをさらに備えていてもよい。第１圧力センサ２ａ及び第３圧力センサ１２は、冗長性を持たせるために、２以上備えてもよい。また、ガス供給システム１００Ａは、燃料の充填用のバルブをさらに備えていてもよい。第２の実施形態に係るガス供給システム１００Ａは、比例流量制御バルブ１１の代わりに、熱膨張を利用して流量を制御するサーモスロットルを備えてもよい。
本発明の第１の実施形態に係る推進システム２００Ａは、スラスタ側のガス圧力制御機構（比例流量制御バルブ１１およびスラスタ９）を、１系統のみ備えていたが、スラスタ側のガス圧力制御機構を２以上備えていてもよい。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るガス供給システム１００Ｂを、図３を参照して説明する。
なお、この第３の実施形態においては、第１の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。ガス供給システム１００Ｂは、ＭＯＦ充填タンク１ｂ、バルブ１５、配管３０ｊ、図示しない制御部を備える。以下各部について説明する。
次に、本発明の第３の実施形態に係るガス供給システム１００Ｂを、図３を参照して説明する。
なお、この第３の実施形態においては、第１の実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。ガス供給システム１００Ｂは、ＭＯＦ充填タンク１ｂ、バルブ１５、配管３０ｊ、図示しない制御部を備える。以下各部について説明する。
ＭＯＦ充填タンク１ａは、金属有機構造体（ＭＯＦ）が充填されたガスタンクである。ＭＯＦ充填タンク１ａは、配管３０ｊを介し真空装置２０と接続している。また、配管３０ｊ上には、バルブ１５が設けられている。
ＭＯＦ充填タンク１ａの材質としては、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ合金、Ｍｇ合金および炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）、Ｆｅ、Ｆｅ合金などが挙げられる。
ＭＯＦ充填タンク１ａに充填されるガスとしては、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、ヘリウム、水素、酸素、窒素、塩素が挙げられる。
ＭＯＦの充填率としては、特に限定されないが、ＭＯＦ充填タンク１ａの全容積の６０％以上であることが好ましい。ＭＯＦ充填タンク１ａのより好ましい充填率は、ＭＯＦ充填タンク１ａの全容積の７０％以上である。ＭＯＦ充填タンク１ａのさらに好ましい充填率は、ＭＯＦ充填タンク１ａの全容積の７５％以上である。
ＭＯＦ充填タンク１ａに充填されるＭＯＦとしては、特に限定されないが、例えば、ＳＢＭＯＦ－１、ＳＢＭＯＦ－２、Ｎｉ－ＭＯＦ－７４、Ｃｏ３（ＨＣＯＯ）６、ＨＫＵＳＴ－１、ＭＯＦ－５、ＦＭＯＦ－Ｃｕ、ＺＩＦ－８、ＭＲＪ－４Ｉ、ＭＯＦ－５０５、ＳＩＦＳＩＸ－３－Ｎｉ，ＳＩＦＳＩＸ－３－Ｆｅ、ＣＲＯＦＯＵＲ－１－Ｎｉ、ＵＩＯ－６６、ＰＣＮ－１４、ＮＯＴＴ－１００、ＮＯＴＴ－１０３、ＭＯＦ－７４－Ｃｏ、ＭＯＦ－７４－Ｍｇ等が挙げられる。ＭＯＦ充填タンク１ａに充填するＭＯＦは、吸着するガスの種類に応じて適宜選択することができる。
ＭＯＦ充填タンク１ａに充填されるＭＯＦのＢＥＴ表面積は特に限定されないが、１０００ｍ２／ｇ以上が好ましい。より好ましくは、１４００ｍ２／ｇ以上である。ＭＯＦのＢＥＴ表面積の上限は特に限定されない場、例えば、６５００ｍ２／ｇとしてもよい。
ＭＯＦ原料として用いる金属塩は、各種の金属元素を含むものから選択することができ
る。金属塩に含まれる金属元素としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、ＲｈおよびＰｄなどが挙げられる。
る。金属塩に含まれる金属元素としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、ＲｈおよびＰｄなどが挙げられる。
金属イオンに配位結合する有機配位子としては、２－アミノテレフタル酸、２，５－ジアミノテレフタル酸、２，５－ジヒドロキシテレフタル酸、１，２，４，５－テトラキス（４－カルボキシフェニル）ベンゼン、１，３，５－トリス（４’－カルボキシ［１，１’－ビフェニル］－４－イル）ベンゼン、１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼン、２，６－ナフタレンジカルボン酸、２－ヒドロキシテレフタル酸、３，３’，５，５’－テトラカルボキシジフェニルメタン、４，４’，４”－Ｓ－トリアジン－２，４，６－トリル－トリ安息香酸、９，１０－アントラセンジカルボン酸、ビフェニル－３，３’，５，５’－テトラカルボン酸、ビフェニル－３，４’，５－トリカルボン酸、テレフタル酸、トリメシン酸、[１，１’：４’，１”]テルフェニル－３，３’，５，５’－テトラカルボン酸、イミダゾール、２－メチルイミダゾールなどが挙げられる。
ＭＯＦ充填タンク１ａに充填するＭＯＦの形状は、例えば、粉末状、ペレット状などが挙げられる。取り扱いのしやすさから充填するＭＯＦの形状は、ペレット状に成型されていることが好ましい。
ＭＯＦ充填タンク１ａのガス貯蔵時の圧力は０Ｐａ以上１ＭＰａ未満である。ガス貯蔵時の圧力が１ＭＰａ未満であれば、例えば３．０ＭＰａに対応した場合よりもタンクの厚さを薄くできるので、構造質量を低減することができる。また、この圧力範囲であれば、ＭＯＦに吸着されるガスの量を増やすことができるので、従来のガスタンクよりも多量のガスを貯蔵できる。そのため、ＭＯＦ充填タンク１ａを小型化することができる。ガスの圧力が１ＭＰａ未満であれば、ガスタンクの耐圧試験が簡単になるので、製造コストを低減することができる。より好ましいガス貯蔵時の圧力は、０．２ＭＰａ以下である。ガス貯蔵時の圧力が０．２ＭＰａ以下であれば、さらに構造質量を低減することができる。さらに好ましくは、ガス貯蔵時の圧力は、０．１ＭＰａ以下である。ガス貯蔵時の圧力の下限は特に限定されないが、例えば、０．０１Ｐａまたは、０．１Ｐａである。
（バルブ）
バルブ１５の開閉は、図示しない制御部によって、制御される。バルブ１５の開閉によって、ＭＯＦ充填タンク１ａから送られてきたガスの圧力が調整される。
バルブ１５の開閉は、図示しない制御部によって、制御される。バルブ１５の開閉によって、ＭＯＦ充填タンク１ａから送られてきたガスの圧力が調整される。
（制御部）
図示しない制御部は、バルブ１５を制御する。制御は、バルブ１５付近に設けられた図示しない圧力センサー、温度センサーなどから得られた情報に基づいて、制御される。圧力センサ、温度センサーは、例えば、ＭＯＦタンク１ａをモニタする高圧センサー及び温度センサーと真空装置２０をモニタする低圧センサー及び温度センサーとが挙げられる。
図示しない制御部は、バルブ１５を制御する。制御は、バルブ１５付近に設けられた図示しない圧力センサー、温度センサーなどから得られた情報に基づいて、制御される。圧力センサ、温度センサーは、例えば、ＭＯＦタンク１ａをモニタする高圧センサー及び温度センサーと真空装置２０をモニタする低圧センサー及び温度センサーとが挙げられる。
（真空装置）
ＭＯＦ充填タンク１ａと接続される真空装置２０は、真空環境下で、ガスを供給する機構がある装置であれば、特に限定されない。このような真空装置２０としては、真空蒸着装置、ドライエッチング装置などが挙げられる。
ＭＯＦ充填タンク１ａと接続される真空装置２０は、真空環境下で、ガスを供給する機構がある装置であれば、特に限定されない。このような真空装置２０としては、真空蒸着装置、ドライエッチング装置などが挙げられる。
（ガス圧とガス吸着量の関係）
次に、ＭＯＦのガス吸着量とガス圧との関係を説明する。ここでは、Ｘｅのガス圧とＭＯＦへのＸｅの吸着量との関係を説明する。図４は、ＭＯＦ充填タンク１中にＭＯＦ（ＭＯＦ－７４－Ｃｏ）を充填した場合のガス圧とガスの吸着量の関係を示す図である。図４の実線は、１ＭＰａまでのＸｅの吸着量の測定結果を、下記（１）式で表されるＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ，Ｅｍｍｅｔｔ，Ｔｅｌｌｅｒ）吸着等温式でフィッティングすることで得られた結果である。下記（１）式中のｗは吸着量を示し、ｗｍは、単分子で吸着された場合の吸着量、ｐは圧力、ｐ０は、吸着物質の蒸気圧、ｃは吸着熱などに関するパラメータを示す。図４の縦軸は、ＭＯＦ１ｇに対するＸｅの吸着量（ｇｘｅ／ｇＭＯＦ）を示し、横軸はＸｅのガス圧（ＭＰａ）を示す。ここで、図４中の点ａはガス圧：０．１ＭＰａ、吸着量：０．８０ｇｘｅ／ｇＭＯＦを意味し、ｂはガス圧：３ＭＰａ、吸着量：１．５７ｇｘｅ／ｇＭＯＦを意味し、ｃはガス圧：１ＭＰａ、吸着量：１．２７ｇｘｅ／ｇＭＯＦを意味し、ｄはガス圧：０ＭＰａ、吸着量：０ｇｘｅ／ｇＭＯＦを意味する。
次に、ＭＯＦのガス吸着量とガス圧との関係を説明する。ここでは、Ｘｅのガス圧とＭＯＦへのＸｅの吸着量との関係を説明する。図４は、ＭＯＦ充填タンク１中にＭＯＦ（ＭＯＦ－７４－Ｃｏ）を充填した場合のガス圧とガスの吸着量の関係を示す図である。図４の実線は、１ＭＰａまでのＸｅの吸着量の測定結果を、下記（１）式で表されるＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ，Ｅｍｍｅｔｔ，Ｔｅｌｌｅｒ）吸着等温式でフィッティングすることで得られた結果である。下記（１）式中のｗは吸着量を示し、ｗｍは、単分子で吸着された場合の吸着量、ｐは圧力、ｐ０は、吸着物質の蒸気圧、ｃは吸着熱などに関するパラメータを示す。図４の縦軸は、ＭＯＦ１ｇに対するＸｅの吸着量（ｇｘｅ／ｇＭＯＦ）を示し、横軸はＸｅのガス圧（ＭＰａ）を示す。ここで、図４中の点ａはガス圧：０．１ＭＰａ、吸着量：０．８０ｇｘｅ／ｇＭＯＦを意味し、ｂはガス圧：３ＭＰａ、吸着量：１．５７ｇｘｅ／ｇＭＯＦを意味し、ｃはガス圧：１ＭＰａ、吸着量：１．２７ｇｘｅ／ｇＭＯＦを意味し、ｄはガス圧：０ＭＰａ、吸着量：０ｇｘｅ／ｇＭＯＦを意味する。
従来は、ａとｂ間での使用であったので、ガス圧は０．１ＭＰａ～３ＭＰａ、ガス吸着量は０．８０ｇｘｅ／ｇＭＯＦ～１．５７ｇｘｅ／ｇＭＯＦの間で変化することになる。すなわち、従来の場合は、１ｇのＭＯＦに対して、０．７７ｇガスを貯蔵することができる。一方、ａとｃの間で使用する場合、ガス圧は０ＭＰａ～１ＭＰａ、吸着量は、０ｇｘｅ／ｇＭＯＦ～１．２７ｇｘｅ／ｇＭＯＦの間で変化する。すなわち、ガス圧０ＭＰａ～１ＭＰａの間で使用することで、１ｇのＭＯＦに対し１．２７ｇガスを貯蔵することができる。宇宙は真空のため、１ＭＰａ未満でも吸着したガスを放出することができる。そのため、ガスの上限の圧力を低減しても問題はなく、ＭＯＦ充填タンク１の構造質量を低減することができる。また、同様に真空装置２０の場合も同様に１ＭＰａ未満で、吸着したガスを放出することができるので、ＭＯＦ充填タンク１ａの構造質量を低減することができる。また、ＭＯＦ充填タンク１、１ａは、ＭＯＦのガス吸着量の変化が大きい圧力範囲を活用するため、非特許文献１のような従来のガス供給システムのタンクよりもガスを多く貯蔵できる。そのため、タンクの容積を小さくすることができる。そのため、ガス供給システム１００、１００Ａ、１００Ｂは、従来のガス供給システムよりも小型化することができる。
以上に示した通り、本実施形態に係るガス供給システムは、従来よりも軽量、かつ、小型である。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明に係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（ＭＯＦにおける吸着量評価）
ＭＯＦは、Ａｔｏｍｉｃｓ社製ＭＯＦ－７４－ＣｏおよびＭＯ－７４－Ｍｇを用いた。ペレット状に成型した各ＭＯＦをそれぞれ別のタンクに充填し、常温で圧力を０．００４ＭＰａ～１０００ＭＰａまで変えた際の、１ｇのＭＯＦに対するＸｅの吸着量を測定した。得られた結果を図５に示す。図５の横軸は圧力（ｋＰａ）、縦軸は１ｇのＭＯＦに対するＸｅの吸着量（ｇｘｅ／ｇＭＯＦ）を示す。真空から徐々にＸｅの圧力を高めていくとＭＯＦ－７４－ＣｏおよびＭＯＦ－７４－Ｍｇともに、１００ｋＰａでは、ＭＯＦ１ｇあたり、０．７ｇ～０．８ｇ程度のＸｅが吸着した。１０００ｋＰａでは、ＭＯＦ－７４－Ｃｏ、ＭＯＦ－７４－Ｍｇは、ＭＯＦ１ｇあたり、１．２ｇ～１．４ｇ程度のＸｅが吸着した。よって、従来通り、ガス圧の下限を１気圧（１００ｋＰａ）とすると、ＭＯＦ１ｇあたり、０．７ｇ程度しかＸｅを取り出せない。一方、宇宙で用いる場合と同じく１ｋＰａまで減圧すると、ほぼ吸着したＸｅを取り出せることが分かった。
ＭＯＦは、Ａｔｏｍｉｃｓ社製ＭＯＦ－７４－ＣｏおよびＭＯ－７４－Ｍｇを用いた。ペレット状に成型した各ＭＯＦをそれぞれ別のタンクに充填し、常温で圧力を０．００４ＭＰａ～１０００ＭＰａまで変えた際の、１ｇのＭＯＦに対するＸｅの吸着量を測定した。得られた結果を図５に示す。図５の横軸は圧力（ｋＰａ）、縦軸は１ｇのＭＯＦに対するＸｅの吸着量（ｇｘｅ／ｇＭＯＦ）を示す。真空から徐々にＸｅの圧力を高めていくとＭＯＦ－７４－ＣｏおよびＭＯＦ－７４－Ｍｇともに、１００ｋＰａでは、ＭＯＦ１ｇあたり、０．７ｇ～０．８ｇ程度のＸｅが吸着した。１０００ｋＰａでは、ＭＯＦ－７４－Ｃｏ、ＭＯＦ－７４－Ｍｇは、ＭＯＦ１ｇあたり、１．２ｇ～１．４ｇ程度のＸｅが吸着した。よって、従来通り、ガス圧の下限を１気圧（１００ｋＰａ）とすると、ＭＯＦ１ｇあたり、０．７ｇ程度しかＸｅを取り出せない。一方、宇宙で用いる場合と同じく１ｋＰａまで減圧すると、ほぼ吸着したＸｅを取り出せることが分かった。
（ガス供給システムの質量比較）
従来のガス供給して生むと本実施例における燃料タンクとの質量比較について説明する。
従来のガス供給して生むと本実施例における燃料タンクとの質量比較について説明する。
（従来のガス供給システム）
質量比較の前に、従来のガス供給システムについて説明する。図６に従来のガス供給システム３００を示す。図６のガス供給システムは、機械式変調器を組み合わせた２段階調圧式のガス供給システムである。このガス供給システム３００は、高圧タンク２０、機械式レギュレータ２１、ソレノイドバルブ２２、アキュムレータ２３、スラスタバルブ２４、および流量制御器２５を備える。このガス供給システム３００では、機械式レギュレータ２１によって、０．１ＭＰａまで減圧し、その後、ソレノイドバルブ２２によって、アキュムレータ２３中のガス圧力を０．０３ＭＰａまで微調整する。微調整されたガス圧は、スラスタバルブ２４および流量制御器２５によって、ガス圧を１ｋＰａまでに調整し、推進器まで送られる。高圧のガスを用いた場合は、このように、複数の圧力調整機構が必要となるので、構造質量が高くなる。
質量比較の前に、従来のガス供給システムについて説明する。図６に従来のガス供給システム３００を示す。図６のガス供給システムは、機械式変調器を組み合わせた２段階調圧式のガス供給システムである。このガス供給システム３００は、高圧タンク２０、機械式レギュレータ２１、ソレノイドバルブ２２、アキュムレータ２３、スラスタバルブ２４、および流量制御器２５を備える。このガス供給システム３００では、機械式レギュレータ２１によって、０．１ＭＰａまで減圧し、その後、ソレノイドバルブ２２によって、アキュムレータ２３中のガス圧力を０．０３ＭＰａまで微調整する。微調整されたガス圧は、スラスタバルブ２４および流量制御器２５によって、ガス圧を１ｋＰａまでに調整し、推進器まで送られる。高圧のガスを用いた場合は、このように、複数の圧力調整機構が必要となるので、構造質量が高くなる。
表１に、本実施例のガス供給システムと従来のガス供給システムの質量比較を示す。
表１に示す通り、従来１４５３ｇほどであった燃料タンクが９００ｇほどになった。本実施例では、燃料タンクの質量のうち、ＭＯＦの質量が６４０ｇである。燃料タンクの材料は、高圧用のタンクから低圧用のタンクになるので、ＭＯＦを含まない燃料タンクの質量は、１４５３ｇから２６０ｇとなった。また、レギュレータや高圧ドレインバルブが不要となり、質量がその分、従来のガス供給システムより低減した。また、配管などのチューブも従来の高圧仕様から、１ＭＰａ以下の低圧仕様になった。体積比では、従来の燃料タンクのタンク容積２Ｌに対して、ＭＯＦを用いた場合は０．８Ｌになるので、体積を５０％以上削減できる。体積の小型化によって、ブラケットも軽量化できた。以上の軽量効果により、燃料質量／構造質量では、従来方式では３０％であったものが、本実施例のガス供給システムでは、５６％まで向上した。
本実施形態に係るガス供給システムは、軽量、かつ、小型であるので、産業上利用可能性が高い。
１ ＭＯＦ充填タンク
２ 第１圧力センサ
３ バルブ
４ レギュレータバルブ
５ 第２圧力センサ
６ アキュムレータタンク
７ スラスタバルブ
８ オリフィス
９ スラスタ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ 配管
１００ ガス供給システム
２００ 推進システム
２ 第１圧力センサ
３ バルブ
４ レギュレータバルブ
５ 第２圧力センサ
６ アキュムレータタンク
７ スラスタバルブ
８ オリフィス
９ スラスタ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ 配管
１００ ガス供給システム
２００ 推進システム
Claims (6)
- ガスを吸着する金属有機構造体が充填された金属有機構造体充填タンクを備え、
前記金属有機構造体充填タンクの圧力が０Ｐａ以上０．１ＭＰａ以下である、
ガス供給システム。 - 前記圧力が０．０１Ｐａ以上である、請求項１に記載のガス供給システム。
- 前記圧力が０．１Ｐａ以上である、請求項１または２に記載のガス供給システム。
- 前記ガスがキセノンである、請求項１～３のいずれか１項に記載のガス供給システム。
- 前記金属有機構造体がＭＯＦ－７４である、請求項１～４のいずれか１項に記載のガス供給システム。
- 請求項１～５のいずれか１項に記載のガス供給システムを備える推進システム。
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| JP2020120787A JP7490227B2 (ja) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | ガス供給システムおよび推進システム |
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