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流体加压供给装置、系统以及方法

阅读:397发布:2024-02-27

专利汇可以提供流体加压供给装置、系统以及方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且对于 热交换器 而言,为了抑制 沸腾 ,通常采用向热交换器供给临界压以上或高压的液体的方法,但通 过热 交换器的后方的 气化 器获得的气体为相对的低压,在向热交换器的液体供给中,不得不采用将获得的气体的 能量 形式转换成 动能 或 电能 并用机械式 泵 进行升压的方式,因此除具有效率损失的复杂系统以外没有解决方法,而且难以实现移动体、特别是飞行体上的推进剂的供给装置的轻量化或系统的简洁化。本 发明 提供一种装置,使用将液体气化而获得的相对低压的气体自身,无需将上述气体的能量形式转换成动能或电能即可将作为上述气体的材料的原 流体 加压成高压进行供给,并提供在移动体、特别是飞行体中使用上述装置进行推进剂的供给的系统和方法。,下面是流体加压供给装置、系统以及方法专利的具体信息内容。

1.一种流体加压供给装置,所述装置以加压供给为目的,所述加压供给是利用压差输送流体的过程,负责所述过程的升压的气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,
其中,所述装置通过将热源和热交换器与气化器进行组合而构成,并且,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造负责所述加压供给的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
2.一种辅助装置,在将所述权利要求1中的原流体液化并容纳于容器的形式中,将所述容器维持在超过蒸气压的压力,从而抑制气泡的产生并将所述原流体供给至权利要求1的装置。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,在所述权利要求1中,将负责升压过程的气体一侧作为低压侧,将向热交换器输入的一侧作为高压侧,并在保证动力源的方面不需要将所述气体的能量形式转换为动能电能,而且使用机械式的排出装置进行升压。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置,其特征在于,在所述权利要求1中,设置口径不同的活塞进行升压,其中,以负责升压过程的气体一侧为大口径侧,以向热交换器输入的一侧为小口径侧。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,在所述权利要求4中,通过使活塞进行往复运动,对负责加压供给的气体的材料、即原流体逐次升压。
6.根据权利要求5所述的装置,在所述权利要求5中,使用从装置排出的低压气体,并使用进一步提高口径比的活塞进行多段的升压。
7.根据权利要求5或6所述的装置,其中,在所述权利要求5中,并排使用活塞进行升压,以改变活塞的往复运动的相位、抑制供给压力的脉动。
8.一种火箭发动机,使用下述装置,所述装置以加压供给为目的,所述加压供给是对容纳燃料化剂这两者或任一推进剂的容器加压、利用压力差向燃烧器或推力产生机构输送所述推进剂的过程,负责所述加压过程的升压的气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,
其中,所述装置通过将来自所述燃烧器或所述推力产生机构的剩余热源、或者所搭载的其他热源和热交换器与气化器进行组合而构成,并且,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造负责所述加压供给的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
9.一种火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求8中,同时装备有辅助装置,所述辅助装置在将原流体液化并容纳于容器的形式中,将所述容器维持在超过蒸气压的压力,抑制气泡的产生并且将所述原流体供给至权利要求8的装置。
10.根据权利要求8或9所述的火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求8中,在对收纳燃料和氧化剂两者或任一推进剂的容器加压的过程中,将所述推进剂容纳于满足材料适应性的必要条件的袋(囊)内,用所述权利要求8中的负责加压供给的升压的气体压缩所述囊,从而构成加压供给系统。
11.根据权利要求8至10所述的火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求8中,将负责加压供给的升压的气体其自身、或者作为被加压供给的液相或气相的推进剂的燃料或氧化剂,向燃烧器或推力产生机构的出口的喷嘴内喷射,在供给推进剂的情况下,同时进行推力方向的控制。
12.根据权利要求8至11所述的火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求8中,将负责升压过程的气体一侧作为低压侧,将向热交换器输入的一侧作为高压侧,并不需要将所述气体的能量形式转换为动能或电能,而且利用机械式的排出装置进行升压。
13.根据权利要求8至11所述的火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求8中,设置口径不同的活塞进行升压,其中,以负责升压过程的气体一侧为大口径侧,以向热交换器输入的一侧为小口径侧。
14.根据权利要求8至11所述的火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求13中,通过使活塞进行往复运动,对负责加压供给的升压的气体的材料、即原流体逐次升压。
15.根据权利要求8至11所述的火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求14中,使用从装置排出的低压气体,并使用进一步提高口径比的活塞进行多段的升压。
16.根据权利要求8至11所述的火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求14中,并排使用活塞进行升压,以改变活塞的往复运动的相位、抑制供给压力的脉动。
17.一种储存高压气体于容器的装置,所述装置以将高压的气体储存于容器为目的,待储存的所述气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,其中,所述装置通过将热源和热交换器与气化器进行组合而构成,并且,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造待储存的所述气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
18.一种气体喷射型的姿势或轨道控制装置,在所述权利要求17中,以获得储存的气体并向机体外部喷射所述气体而获得反作用力为目的,被搭载于使用所述权利要求17的装置的火箭、人工卫星、航天探测器。
19.根据权利要求18所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,在所述权利要求18中,在对收纳所述权利要求17的原流体的容器加压的过程中,将作为所储存气体的材料的原流体容纳于满足材料适应性的必要条件的袋(囊)内,使用所述所储存气体压缩所述囊,将所述原流体供给至热交换器。
20.根据权利要求18或19所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,在所述权利要求17中,将所储存气体一侧作为低压侧,将向热交换器输入的一侧作为高压侧,并不需要将所述气体的能量形式转换为动能或电能,而且利用机械式的排出装置进行升压。
21.根据权利要求18或19所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,在所述权利要求17中,在升压过程中,设置口径不同的活塞进行升压,其中,以所储存气体一侧为大口径侧,以向热交换器输入的一侧为小口径侧。
22.根据权利要求18或19所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,在所述权利要求21中,通过活塞的往复运动,将作为所述权利要求17的所储存的气体一侧的材料的原流体逐次升压。
23.根据权利要求18或19所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,使用权利要求22的装置,在所述权利要求22中使用从装置排出的低压气体,并使用进一步提高口径比的活塞进行多段的升压。
24.根据权利要求18或19所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,在所述权利要求22中,并排使用活塞进行升压,以改变活塞的往复运动的相位、抑制供给压力的脉动。
25.根据权利要求1所述的装置,其中,在发电站、锅炉中,将所述权利要求1中的负责加压供给过程的升压的气体的原材料设定为或液化气。
26.根据权利要求1所述的装置,其中,在船舶、车辆上,进行所述权利要求1中的负责加压供给过程的升压的气体的制造。
27.一种流体加压供给方法,所述方法以加压供给为目的,所述加压供给是利用压力差输送流体的过程,负责所述加压供给过程的升压的气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,
其中,所述方法将热源和热交换器与气化器进行组合,并且,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造负责所述加压供给的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
28.一种火箭发动机,使用下述方法,所述方法以加压供给为目的,所述加压供给是对容纳燃料和氧化剂这两者或任一推进剂的容器加压、利用压力差向燃烧器或推力产生机构输送所述推进剂的过程,负责所述加压过程的升压的气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,
其中,所述方法将来自所述燃烧器或所述推力产生机构的剩余热源或所搭载的其他热源和热交换器与气化器进行组合,并且,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造负责所述加压供给的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给到热交换器。
29.一种储存高压气体于容器的方法,所述方法以将高压的气体储存于容器为目的,待储存的所述气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,其中,所述方法将热源和热交换器与气化器进行组合,并且,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造待储存的所述气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
1.一种流体加压供给装置,其通过热源和热交换器与气化器一起构成系统,所述系统以加压供给为目的,所述加压供给是利用压力差输送流体的过程,负责加压过程的升压的气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,
其中,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造负责所述加压供给的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,同时装备有辅助装置,所述辅助装置采取将所述原流体液化并容纳于容器的形式,将所述容器维持在超过蒸气压的压力,从而抑制气泡的产生并将所述原流体供给至所述热交换器。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,将负责所述升压过程的气体一侧作为低压侧,将向热交换器输入的一侧作为高压侧,并不需要将所述气体的能量形式转换为动能或电能,而且使用机械式的排出装置进行升压。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,设置口径不同的活塞进行升压,其中,以负责所述升压过程的气体一侧为大口径侧,以向热交换器输入的一侧为小口径侧。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,通过使所述活塞进行往复运动,对负责所述加压供给的升压的气体的材料、即原流体逐次升压。
6.根据权利要求5所述的装置,使用通过所述升压过程排出的低压气体,并使用进一步提高口径比的活塞进行多段的升压。
7.根据权利要求5或6所述的装置,其中,在所述升压过程中,并排使用活塞进行升压,以改变所述活塞的往复运动的相位、抑制供给压力的脉动。
8.一种火箭发动机,使用下述装置,所述装置通过来自燃烧器或推力产生机构的剩余热源或者所搭载的其他热源和热交换器与气化器一起构成系统,所述系统以加压供给为目的,所述加压供给是对容纳燃料和氧化剂这两者或任一推进剂的容器加压、利用压力差向所述燃烧器或所述推力产生机构输送所述推进剂的过程,负责所述加压过程的升压的气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,
其中,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造负责所述加压供给的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
9.根据权利要求8所述的火箭发动机,其特征在于,同时装备有辅助装置,所述辅助装置采取将原流体液化并容纳于容器的形式,将所述容器维持在超过蒸气压的压力,抑制气泡的产生并且将所述原流体供给至所述热交换器。
10.根据权利要求8或9所述的火箭发动机,其特征在于,在对收纳所述燃料和所述氧化剂两者或任一推进剂的容器加压的过程中,将所述推进剂装进并容纳于满足材料适应性的必要条件的袋(囊)内,用负责所述加压供给的升压的气体压缩所述囊,从而构成向所述热交换器进行供给的供给系统。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的火箭发动机,其特征在于,将负责所述加压供给的升压的气体其自身、或者作为被加压供给的液相或气相的推进剂的燃料或氧化剂,向所述燃烧器或所述推力产生机构的出口的喷嘴内喷射,在供给所述推进剂的情况下,同时进行推力方向的控制。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的火箭发动机,其特征在于,将负责所述升压过程的气体一侧作为低压侧,将向所述热交换器输入的一侧作为高压侧,并不需要将所述气体的能量形式转换为动能或电能,而且利用机械式的排出装置进行升压。
13.根据权利要求12所述的火箭发动机,其特征在于,设置口径不同的活塞进行升压,其中,以负责所述升压过程的气体一侧为大口径侧,以向所述热交换器输入的一侧为小口径侧。
14.根据权利要求13所述的火箭发动机,其特征在于,在所述权利要求13中,通过使所述活塞进行往复运动,对负责所述加压供给的升压的气体的材料、即原流体逐次升压。
15.根据权利要求14所述的火箭发动机,其特征在于,使用通过所述升压过程排出的低压气体,并使用进一步提高口径比的活塞进行多段的升压。
16.根据权利要求14或15所述的火箭发动机,其特征在于,并排使用活塞进行升压,以改变所述活塞的往复运动的相位、抑制供给压力的脉动。
17.一种储存高压气体于容器的装置,所述装置通过热源和热交换器与气化器一起构成系统,所述系统以将高压的气体储存于容器为目的,待储存的所述气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,
其中,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造待储存的所述气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
18.一种气体喷射型的姿势或轨道控制装置,搭载在火箭、人工卫星、航天探测器上,其特征在于,使用下述装置,所述装置通过热源和热交换器与气化器一起构成系统,所述系统以将高压的气体储存至容器并向机体外部喷射所述气体而获得反作用力为目的,待储存的所述气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,其中,将热交换后的、优选升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造的所述待储存的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
19.根据权利要求18或28所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,构成,所述供给系统在对收纳所述原流体的容器加压的过程中,将作为所储存气体的材料的原流体容纳于所装备的满足材料适应性的必要条件的袋(囊)内,使用所述所储存气体压缩所述囊,并供给至热交换器。
20.根据权利要求18、19或28中任一项所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,将所述所储存气体一侧作为低压侧,将向所述热交换器输入的一侧作为高压侧,并不需要将所述气体的能量形式转换为动能或电能,而且利用机械式的排出装置进行升压。
21.根据权利要求20所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,在所述升压过程中,设置口径不同的活塞进行升压,其中,以所述所储存气体一侧为大口径侧,以向所述热交换器输入的一侧为小口径侧。
22.根据权利要求21所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,通过所述活塞的往复运动,将作为所储存的气体一侧的材料的原流体逐次升压。
23.根据权利要求22所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,使用通过所述升压过程排出的低压气体,并使用进一步提高口径比的活塞进行多段的升压。
24.根据权利要求22或23所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,在所述升压过程中,并排使用活塞进行升压,以改变所述活塞的往复运动的相位、抑制供给压力的脉动。
25.一种发电站或锅炉中的原流体的供给设备或者作为移动体的船舶或车辆中的加压供给装置,使用下述装置,所述装置通过热源和热交换器与气化器一起构成系统,所述系统以加压供给为目的,所述加压供给是利用压力差输送水或液化气体的过程,负责所述过程的升压的气体是通过使作为所述气体的原流体的所述水或所述液化气体发生气化来进行制造的,
其中,将热交换后的、优选升压至超临界状态的所述原流体通过气化器减压来制造的负责所述加压供给的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
26.一种流体加压供给方法,所述方法通过热源和热交换器与气化器发挥的功能一起构成制造待储存气体的过程,所述制造过程以加压供给为目的,所述加压供给是利用压力差输送流体的过程,负责所述加压供给过程的升压的气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,
其中,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造负责所述加压供给的气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
27.一种储存高压气体于容器的方法,所述方法通过热源和热交换器与气化器发挥的功能一起构成制造待储存气体的过程,所述制造过程以将高压的气体储存于容器为目的,待储存的所述气体是通过使作为所述气体的材料的原流体发生气化来进行制造的,其中,将热交换后的、优选被升压至超临界状态的流体通过气化器减压来制造待储存的所述气体,所述气体自身利用其与所述原流体的密度差,将所述原流体在保证质量流量的情况下同时升压,并供给至热交换器。
28.根据权利要求18所述的姿势或轨道控制装置,其特征在于,同时装备辅助装置,所述辅助装置采用将所述原流体液化并容纳于容器的形式,将所述容器维持在超过蒸汽压的压力,一边抑制气泡的产生一边将所述原流体供给至所述热交换器。
29.根据权利要求17所述的装置,其特征在于,同时装备辅助装置,所述辅助装置采用将所述原流体液化并容纳于容器的形式,将所述容器维持在超过蒸汽压的压力,一边抑制气泡的产生一边将该流体向所述热交换器供给。
30.根据权利要求17或29所述的装置,其特征在于,将所述负责所述升压过程的气体一侧作为低压侧,将向热交换器输入的一侧作为高压侧,并使用机械式的排出装置进行升压,所述排出装置不需要将所述气体的能量形式转换为动能或电能。
31.根据权利要求30所述的装置,其特征在于,设置口径不同的活塞进行升压,其中,以负责所述升压过程的气体一侧为大口径侧,以向热交换器输入的一侧为小口径侧。
32.根据权利要求31所述的装置,其特征在于,通过使所述活塞进行往复运动,对负责所述加压供给的升压的气体的材料、即原流体逐次升压。
33.根据权利要求32所述的装置,其特征在于,使用通过所述升压过程排出的低压气体,并使用进一步提高口径比的活塞进行多段的升压。
34.根据权利要求32或33所述的装置,其特征在于,在所述升压过程中,并排使用活塞进行升压,以改变所述活塞的往复运动的相位、抑制供给压力的脉动。

说明书全文

流体加压供给装置、系统以及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种通过置于系统内的、作为能量源的热源,在同一系统内使液体气化而获得气体本身的内部能量,使用该能量将该液体加压至其蒸气压以上的压并进行供给而不经过向动能电能的转换的装置、使用该装置的系统及其方法。

背景技术

[0002] 通过热交换使液体气化的过程是被广泛地普遍应用于热电站、核电站、锅炉等的技术。对于通过热交换获得的高压气体,使用其内部能量以驱动涡轮,将其变成机械能(即动能)、或进一步变成电能的状态,进而用于各种目的。
[0003] 气体具有的内部能量取决于该气体的绝对温度,在容器内,由压力与容积的积和气体种类来决定。
[0004] 下文将使液体气化而获得的气体称为“动作气体”或“加压体(pressurant)”,下文将作为生成该动作气体的材料的液体称为“原流体”。
[0005] 简单地说,通过对液体添加热而进行加热以获得气体是容易的,但是在穿过蒸气压线而进行气化时,出现沸腾现象,在热交换器壁产生气泡,热交换率显著降低,进而导致效率大幅降低,另外,同时,使热源侧的壁的冷却效率降低,进而产生导致设备故障的情况。
[0006] 因此,多使用以下技术,即,在向热交换器供给作为动作气体的原流体的液体时,提高压力(以下,称为“加压”或“升压”),优选使其向与超临界状态对应的压力状态转移,在避免沸腾的同时进行升温。这里,“超临界”表示压力在临界压力以上、且温度超过临界温度的流体状态,“与超临界状态对应的压力”是指超过临界压力的压力状态。
[0007] 通过使用汽化器减压,能够由升温后的超临界流体制造动作气体。对于使该原流体升压至与超临界状态对应的压力后向热交换器供给的方式,通常使用具有将动能或电能作为动力源并以指定的压力供给流体的功能的机械式装置。下文将该装置称为“排出装置”、“机械式”或“泵”。
[0008] 能够使用可以另外提供的动力源或者由制造的动作气体的能量转换成其他能量状态的动力源进行该装置的驱动。这里,转换能量状态是指使热能向机械能(即动能)、电能进行变化的过程。
[0009] 但是,实际上,最终获得的高压的动作气体本身具有大的内部能量,如果能够不经过向电力等的多余的能量状态的转换而用于将该流体升压并进行供给的过程,则能够构成效率极高的装置。
[0010] 使用收纳于该容器的动作气体的压力(即该动作气体的内部能量)对收纳于容器(以下也称为“箱”)的动作气体的原流体本身、或者以火箭发动机中的推进剂为代表的、系统上的其他流体进行升压并进行供给的方式与机械式泵方式不同,其被称为“加压供给方式”。
[0011] 然而,在多数情况下,虽然称为高压,但是该高压的动作气体的压力相比于作为目的的超临界状态的流体为低压,因此,到目前为止,未考虑直接用于对原流体进行升压的过程,依然采取经过能量状态的转换并降低转换损耗的低效率机械式泵的方式。其结果,不仅导致效率降低,还导致系统复杂化。
[0012] 因此,特别是在移动体中,形成效率低的供给系统,导致系统、装置的重量增加和效率降低。
[0013] 以下,简要记述相关的现有技术
[0014] 日本专利公开2009-191612号公报“各種エネルギ保存サイクル合体機関(各种节能循环合体机关)”
[0015] 日本专利公开2009-191611号公报“各種エネルギ保存サイクル合体機関(各种节能循环合体机关)”
[0016] 日本专利公开2009-174318号公报“各種エネルギ保存サイクル合体機関(各种节能循环合体机关)”
[0017] 以上均通过涡轮将热能临时转换成动能,与本发明完全不同。
[0018] 日本专利公开2005-147122号公报“各種ロケット合体機関(各种火箭合体机关)”[0019] 日本专利公开2005-147120号公报“各種エネルギ保存サイクル合体機関(各种节能循环合体机关)”
[0020] 日本专利公开2005-146850号公报“各種ロケットエンジン合体機関(各种火箭发动机合体机关)”
[0021] 以上发明均不涉及推进剂的供给方式。使用通过喷雾的吸气供给而与本发明完全不同。
[0022] 日本专利公开2005-113683号公报“各種全動翼蒸気ガスタービン合体機関(各种全动翼蒸气燃气轮机合体机关)”
[0023] 日本专利公开2005-002984号公报“各種竪型全動翼蒸気ガスタービン合体機関(各种直立型全动翼蒸气燃气轮机合体机关)”
[0024] 日本专利公开2005-002981号公报“各種全動翼蒸気ガスタービン合体機関(各种全动翼蒸气燃气轮机合体机关)”
[0025] 以上发明均通过涡轮将热能临时转换成动能,与本发明完全不同。
[0026] 日本专利公开2004-332541号公报“各種エネルギ保存サイクル機関(各种节能循环机关)”
[0027] 以上发明不涉及加压供给方式,与本发明完全不同。
[0028] 日本专利公开2004-332540号公报“各種全動翼蒸気ガスタービン合体機関(各种全动翼蒸气燃气轮机合体机关)”
[0029] 以上发明通过涡轮将热能临时转换成动能,与本发明完全不同。
[0030] 日本专利公开2004-332539号公报“各种节能循环机关(各種エネルギ保存サイクル機関)”
[0031] 以上发明不涉及加压供给方式,与本发明完全不同。
[0032] 日本专利公开2004-100678号公报“各種全動翼蒸気ガスタービン合体機関(各种全动翼蒸气燃气轮机合体机关)”
[0033] 日本专利公开2001-295612号公报“各種蒸気ガスタービン合体機関(各种蒸气燃气轮机合体机关)”
[0034] 以上发明均通过涡轮将热能临时转换成动能,与本发明完全不同。
[0035] 日本专利公开2007-332335号公报“廃ゴム類全般、廃タイヤ、全自動油化、油分、抽出、コークス成製装置(全部橡胶类、废轮胎、全自动油化、油分、提取、焦炭形成装置)”[0036] 以上发明不涉及加压供给方式,与本发明完全不同。
[0037] 日本专利公开2004-233044号公报“熱構造複合材料を使った能動冷却パネルの製造方法(使用热结构复合材料的主动冷却面板的制造方法)”
[0038] 以上发明涉及热交换器壁面结构,不涉及供给方式,与本发明完全不同。
[0039] 日本专利公开2000-248994号公报“ロケットエンジンの推薬加圧装置(火箭发动机的推进加压装置)”
[0040] 以上发明涉及火箭发动机的加压供给方式,但是,该发明的大前提是搭载有加压的气体,与本发明本质上不同。
[0041] 日本专利公开2000-176754号公报“熱交換器の組立装置(热交换器的装配装置)”[0042] 日本专利公开2000-153416号公报“熱交換器組立装置(热交换器装配装置)”[0043] 这些发明涉及热交换器制造装置,与本发明的对象完全不同。
[0044] 专利公表2011-514462号公报“内燃エンジンによるロケットエンジン用ポンプの作動装置及びその方法(由内燃发动机驱动火箭发动机用泵的装置和方法)”[0045] 该发明为“一种装置,其特征在于,具备通过化剂、空气/系的混合气进行动作的空气吸入式内燃机氧化剂燃料的供给通过与火箭发动机的推进剂箱分离的箱和回路来进行”,与本发明进行的、使作为原流体的液状惰性气体气化后进行供给的方法完全不同。
[0046] 专利公表2008-525712号公报“流体機械の混練及び変位の方法及び機構並びにその使用(流体机械的揉动变容方法及其机构与用途)”
[0047] 该发明不是加压供给方式,与本发明完全不同。
[0048] 专利公表2005-529030号公报“オートバイ用エンジン(摩托车用发动机)”[0049] 该发明涉及摩托车发动机的搭载方式,与本发明完全不同。
[0050] 日本专利公开2012-189010号公报“液体ロケットエンジン用ノズル(液体火箭发动机用喷嘴)”
[0051] 该发明涉及对喷嘴内面的薄膜冷却,与本发明完全不同。
[0052] 日本专利公开2005-003000号公报“エンジンおよびロケットエンジン燃焼室の組み立て方法(发动机和火箭发动机燃烧室的装配方法)”
[0053] 该发明涉及燃烧室和喷嘴裙(ノズルスカール)部间的过渡区域的制造,与本发明的供给方式完全不同。
[0054] 日本专利公开2004-360702号公报“ロケットエンジン燃焼室およびその形成方法(火箭发动机燃烧室及其形成方法)”
[0055] 该发明涉及燃烧室形成方法,与本发明的供给方式完全不同。
[0056] 日本专利公开2002-195151号公报“プラズマガス推進装置(等离子气体推进装置)”
[0057] 该发明涉及激光的有效照射,与本发明的供给方式完全不同。
[0058] 日本专利公开2001-207912号公报“ロケットエンジンの運転方法及びそれを用いるロケットエンジン(火箭发动机的运行方法及使用该方法的火箭发动机)”[0059] 该发明涉及的是使驱动涡轮泵后的燃料气体燃烧器内燃烧,与本发明的供给方式完全不同。
[0060] 日本专利公开2001-140698号公报“液体ロケットエンジンシステムの冷却構成及びその冷却方法(液体火箭发动机系统的冷却结构及其冷却方法)”
[0061] 该发明涉及使用氦的冷却方法中的搭载推压气体的方式,与本发明的供给方式完全不同。
[0062] 日本专利公开2000-320404号公报“ロケットエンジン用ノズルの製造方法及びロケットエンジン用ノズル(火箭发动机用喷嘴的制造方法及火箭发动机用喷嘴)”[0063] 该发明涉及再生冷却喷嘴,与本发明的供给方式完全不同。
[0064] 日本专利公开平11-229963号公报“液体ロケットエンジンにおけるエキスパンダサイクル構造(液体火箭发动机的膨胀循环结构)”
[0065] 该发明使用机械式泵,与本发明的供给方式完全不同。
[0066] 日本专利公开平10-288091号公报“ロケットエンジン(火箭发动机)”[0067] 该发明涉及混合式火箭,但是不涉及供给方式。与本发明的供给方式完全不同。
[0068] 日本专利公开平10-077907号公报“ロケットスラスタの寸法安定なスロートインサート(火箭推进器的尺寸稳定的喉衬)”
[0069] 该发明涉及喉衬,与本发明的供给方式完全不同。
[0070] 日本专利公表2012-511120号公报“多孔質媒体を用いる再生冷却型ジャケット(使用多孔介质的再生冷却型外壳)”
[0071] 该发明涉及再生冷却器,与本发明的供给方式完全不同。
[0072] 日本专利公表2009-540190号公报“ロケット推進用メタンエンジン(用于火箭推进的甲烷发动机)”
[0073] 该发明使用具有机械式泵的发动机,与本发明的供给方式完全不同。
[0074] 日本专利公表2002-531748号公报“冷却されるノズル壁を有するロケットノズルのノズル構造(具有被冷却的喷嘴壁的火箭喷嘴的喷嘴结构)”
[0075] 该发明涉及再生冷却器本身,与本发明的供给方式完全不同。
[0076] WO2011/030719号公报“高速応答性を実現するロケットエンジンシステム(实现高速响应性的火箭发动机系统)”
[0077] 该发明使用机械式泵,与本发明的供给方式完全不同。
[0078] 美国专利第7,790,003号说明书“Method for magnetron sputter deposition(用于磁控溅射沉积的方法)”
[0079] 该发明涉及沉积器,因此与本发明的供给方式完全不同。
[0080] 美国专利第7,784,268号说明书“Partial superheat cycle for operating a pump in a rocket system(用于在火箭系统中操作泵的局部过热循环)”
[0081] 该发明叙述通过使氧化剂进行热交换而产生的气体使得驱动机械式泵的电机驱动的方法,与本发明的供给方式完全不同。
[0082] 美国专利第7,082,750号说明书“Pressurizer for a rocket engine(用于火箭发动机的增压器)”
[0083] 在该发明中,要求保护通过加压体(pressurant)驱动活塞而供给推进剂(propellant)的、升压·供给器。乍一看,往复的活塞似乎与本发明的一个方案相似。但是,该发明中的升压·供给器供给推进剂,本发明所涉及的供给器供给的是对收纳推进剂(燃料、氧化剂)的容器(箱)进行加压的加压体(pressurant),而不是推进剂,假设的发动机系统本身在本质上不同。另外,本发明中所谓的连续型声升压·供给器(充填器)的最大特征在于,加压体(pressurant)本身为由从供给器排出的流体生成的蒸气。也就是,其特征在于通过动作气体本身进行升压并供给,而在上述发明中未公开这些内容。另外,在本发明中,即使加压体(pressurant)为低压,通过改变活塞的面积比也能够升压,对于这一点在上述发明中也未公开。因此,本发明与上述发明在本质上不同。
[0084] 美国专利第6,834,493号说明书“System for reducing pump cavitation(用于降低泵气蚀的系统)”
[0085] 该发明涉及机械式泵中的气蚀,因此与本发明的供给方式完全不同。
[0086] 美国专利第6,658,863号说明书“Airborne gas storage and supply system(航空气体储存供给系统)”
[0087] 该发明的题目为气体的收纳供给方式,但是要求保护使用液体氦作为超临界流体,在该状态下保持气体并使用热交换器获得气体并进行供给的方式。特别地,对于保护火箭的要求,在该文献中记载了:“26.A method of providing a source of pressurized gas aboard a rocket powered launch vehicle,comprising the steps of:providing a storage bottle which is configured to receive and hold a stored gas at a predetermined pressurization and includes an internally mounted heating device configured to transfer heat to the stored gas;preparing the storage bottle for receiving an amount of the stored gas;pumping stored gas into the bottle from a remotely located source at a predetermined temperature until a desired pressure are attained;allowing amounts of the stored gas to exit the bottle to be directed to at least one remote location;and as the stored gas exits the bottle,employing the internally mounted heating device to control temperature of the stored gas to affect pressure of the stored gas(26.一种在火箭发动的运载工具上提供加压气体源的方法,包括以下步骤:提供储存瓶,所述储存瓶配置成以预定的压力接收和保持储存的气体,并且包括内部安装的加热装置,所述加热装置配置成向所述储存瓶传递热;制备用于接收一定量的储存气体的储存瓶;在预定温度下将储存的气体从位于远处的源送入瓶中,直到达到期望的压力;允许一定量的储存气体离开所述瓶以被引导到至少一个远程位置;以及当储存气体离开瓶子时,采用内部安装的加热装置来控制储存气体的温度以影响储存气体的压力).
[0088] 27.The method of claim 26wherein the stored gas is supercritical helium at a density of at least 7lbs/ft.sup.3.(27.根据权利要求26所述的方法,其中所述储存气体是至少7lbs/ft.sup.3的密度的超临界氦)”。
[0089] 该内容为将加压气体作为液体搭载,经由热交换器获取其在火箭飞机上获得的热,获得期望压力的气体,如果是专家,则这个观点本身是能够容易想到的概念,关于这一点,在本发明中也作为背景进行了叙述。
[0090] 在上述发明中,以预先存在收纳超临界液体氦的容器为前提。因此,用于获得超临界流体的升压的结构不清楚。本发明的特征在于,由自身生成并供给的低压气体来进行升压。因此与本发明完全不同。
[0091] 美国专利第20110005193号说明书“Method and apparatus for simplified thrust chamber configurations(用于简化推力仓配置的方法和装置)”
[0092] 美国专利第20100326044号说明书“METHOD FOR COOLING ROCKET ENGINES(用于冷却火箭发动机的方法)”
[0093] 美国专利第20100218482号说明书“SYSTEM AND METHOD FOR COOLING ROCKET ENGINES(用于冷却火箭发动机的方法)”
[0094] 这些发明在使用热交换器来应用于推进剂的加压方面是共同的,但是在这些发明中,作为结果,要求保护通过来自推进剂的气体对推进剂进行加压的方式。在本发明中,要求保护在将通过热交换器由原流体生成的惰性气体用于推进剂的加压体(pressurant)的方面、以及采用通过该加压体(pressurant)自身进行升压并供给的方式,在本质上不同。
[0095] 美国专利第20100096491号说明书“ROCKET-POWERED ENTERTAINMENT VEHICLE(装有火箭发动机的娱乐车辆)”
[0096] 该发明涉及加压供给方式,与本发明完全不同。
[0097] 美国专利第20080016846号说明书“System and method for  cooling hydrocarbon-fueled rocket engines(用于冷却氢化合物为燃料的火箭发动机)”[0098] 该发明涉及机械式泵,与本发明的供给方式完全不同。
[0099] 美国专利第6,457,306号说明书
[0100] 该发明涉及通过机械式泵进行的供给,与本发明的供给方式完全不同。
[0101] 美国专利第7,900,436号说明书“Gas-generator augmented expander cycle rocket engine(气体发生器增强的膨胀循环火箭发动机)”
[0102] 该发明涉及机械式泵的供给,与本发明的供给方式完全不同。
[0103] 美国专利第5,219,270号说明书“Reaction barrel with rocket nozzles in staggered alignment and connecting ducts of unequal length(具有错列对齐的火箭喷嘴和不等长的连接导管的反应桶)”
[0104] 该发明涉及通过机械式泵进行的供给,与本发明的供给方式完全不同。
[0105] 美国专利第4,583,362号说明书“Expander-cycle,turbine-drive,regenerative rocket engine(膨胀循环,涡轮驱动,再生式火箭发动机)”
[0106] 该发明记载了,将氧化剂保持超临界状态,目的在于抑制沸腾,对于这一点,解决的课题的一部分与本发明共通。但是,要求了机械式供给方案,与本发明的供给方式完全不同。
[0107] 现有技术文献
[0108] 专利文献
[0109] 专利文献1:日本专利公开2009-191612号公报
[0110] 专利文献2:日本专利公开2009-191611号公报
[0111] 专利文献3:日本专利公开2009-174318号公报
[0112] 专利文献4:日本专利公开2005-147122号公报
[0113] 专利文献5:日本专利公开2005-147120号公报
[0114] 专利文献6:日本专利公开2005-146850号公报
[0115] 专利文献7:日本专利公开2005-113683号公报
[0116] 专利文献8:日本专利公开2005-002984号公报
[0117] 专利文献9:日本专利公开2005-002981号公报
[0118] 专利文献10:日本专利公开2004-332541号公报
[0119] 专利文献11:日本专利公开2004-332540号公报
[0120] 专利文献12:日本专利公开2004-332539号公报
[0121] 专利文献13:日本专利公开2004-100678号公报
[0122] 专利文献14:日本专利公开2001-295612号公报
[0123] 专利文献15:日本专利公开2007-332335号公报
[0124] 专利文献16:日本专利公开2004-233044号公报
[0125] 专利文献17:日本专利公开2000-248994号公报
[0126] 专利文献18:日本专利公开2000-176754号公报
[0127] 专利文献19:日本专利公开2000-153416号公报
[0128] 专利文献20:日本专利公表2011-514462号公报
[0129] 专利文献21:日本专利公表2008-525712号公报
[0130] 专利文献22:日本专利公表2005-529030号公报
[0131] 专利文献23:日本专利公开2012-189010号公报
[0132] 专利文献24:日本专利公开2005-003000号公报
[0133] 专利文献25:日本专利公开2004-360702号公报
[0134] 专利文献26:日本专利公开2002-195151号公报
[0135] 专利文献27:日本专利公开2001-207912号公报
[0136] 专利文献28:日本专利公开2001-140698号公报
[0137] 专利文献29:日本专利公开2000-320404号公报
[0138] 专利文献30:日本专利公开平11-229963号公报
[0139] 专利文献31:日本专利公开平10-288091号公报
[0140] 专利文献32:日本专利公开平10-077907号公报
[0141] 专利文献33:日本专利公表2012-511120号公报
[0142] 专利文献34:日本专利公表2009-540190号公报
[0143] 专利文献35:日本专利公表2002-531748号公报
[0144] 专利文献36:WO2011/030719号公报
[0145] 专利文献37:美国专利第7,790,003号说明书
[0146] 专利文献38:美国专利第7,784,268号说明书
[0147] 专利文献39:美国专利第7,082,750号说明书
[0148] 专利文献40:美国专利第6,834,493号说明书
[0149] 专利文献41:美国专利第6,658,863号说明书
[0150] 专利文献42:美国专利第20110005193号说明书
[0151] 专利文献43:美国专利第20100326044号说明书
[0152] 专利文献44:美国专利第20100218482号说明书
[0153] 专利文献45:美国专利第20100096491号说明书
[0154] 专利文献46:美国专利第20080016846号说明书
[0155] 专利文献47:美国专利第6,457,306号说明书
[0156] 专利文献48:美国专利第7,900,436号说明书
[0157] 专利文献49:美国专利第5,219,270号说明书
[0158] 专利文献50:美国专利第4,583,362号说明书
[0159] 非专利文献
[0160] Rocket Propulsion Elements(火箭推进元件),8th Edition,George P.Sutton,Oscar Biblarz,ISBN:978-0-470-08024-5

发明内容

[0161] 发明要解决的问题
[0162] 在将液体作为推进剂的飞行体等(下文称为火箭)中,机械地向燃烧室供给高压的推进剂,实现高压的燃烧。在火箭发动机中,最大的设计条件为如何能够在质量轻的情况下保证以高压力供给推进剂的单元。因此,并非将该供给单元的动力源作为其他装置而搭载,通常是采取以下方式:将从燃烧器获得的剩余能量(即热源)作为动力源,通过向动能的转换而驱动旋转机械等机械式泵。
[0163] 但是,上述机械式泵所要求的排放性能显著高,耐久性差,事实上一般难以重复运转火箭发动机。这是使宇航运输装置一次性,导致运输成本增加的最大原因。
[0164] 一直以来,作为向火箭发动机供给推进剂的简单方式,尤其是在小型火箭等中,一直使用上述的“加压供给方式”,其通过高压的动作气体对收纳推进剂的箱加压,从而将推进剂供给至燃烧室。
[0165] 这与由压力容器的耐压性能取代机械式泵的性能等效,由于不需要复杂的机构,所以是在耐久性方面具有优越性且面向实现重复运转的方式。
[0166] 目前,通常有将加压用的高压的动作气体作为另一种气体搭载的方式。但是,相对于相同压力容器的耐压要求相对于推进剂的残存量不一样,对收纳的压力容器毫无道理地要求耐压性能,导致容器过量的质量增加,换言之,难以在一定的耐压要求条件下持续地供给推进剂等,实用性方面存在众多课题,不能发挥出色的优点,除极小型的火箭之外,应用受到限制。
[0167] 一直以来,考虑以作为原流体的液体状态搭载面向加压的动作气体的方式,通过在火箭上将其经由热交换器气化而获得用于加压供给的高压的动作气体的方式当然是被期待的方案。
[0168] 用于储存液体的容器所要求的耐压压力不会大幅超过大致该液体的气液平衡条件(即蒸气压)而可以在轻量化的同时获得同样的耐压要求条件,另外,一种可一举保证轻量化和耐久性的方式是:作为用于气化的能量,通过不搭载其他动力源而采取利用伴随燃烧产生的热源(作为多余能量)的方式,从而可以带来进一步的轻量化,只要是精通火箭发动机技术的技术者就能够容易地想到。
[0169] 但是,在经由热交换器使原流体气化的过程中,在以临界压以下的压力供给该液体的方式中,越过蒸气压线进行加热,从而导致沸腾,热交换特性显著降低,同时,剩余能量的利用对燃烧室壁的冷却性能带来影响而可能导致损坏,所以其应用是困难的。
[0170] 作为结论,在制造动作气体时,必须采取下述方式,即,升压至超过临界压的压力向热交换器供给作为原流体的液体,在进行加热直至处于超临界状态后,通过气化器减压,获得承受上述加压供给的、高压的动作气体。该方法如在背景技术中所述,是经热交换使得气化的、与发电站或锅炉技术通用的动作气体的制造方法(图1)。
[0171] 在图1中,以目的温度、压力从原流体制造动作气体的最直接的方法是越过蒸气压线使其沸腾的行程1。但是,在行程1,热交换的效率低,也有因冷却性能的降低而损坏热交换器壁的危险,采取将动作气体的原流体暂时升压至超过临界压力的压力(行程2),经由热交换器使其升温(行程3),制造超临界流体,然后进行减压(即经由气化器制造所希望的动作气体)(行程4)的方式。本发明的特征在于,在行程2的过程的实施装置中,通过更低压的、制造出的动作气体自身进行该升压。当然,其所需的动作气体的质量必须要比在行程2输送的原流体的质量小。
[0172] 虽然在地面用的上述升压装置中,如上述,可另行保证动力源,但在类似火箭的移动体中,为了实现轻量化,优选以作为通过燃烧产生的剩余能量的热源供应面向该相同升压装置的动力源,在这一点上存在差异。
[0173] 经由向其他能量形式的转换来保证剩余能量的方式之一是将通过旋转机械的产生热能暂时转换为动能加以利用的机械式泵,但如上述,在保证轻量化或耐久性的方面存在难点。
[0174] 在加压供给方式中,由于生成的高压的动作气体自身的内部能量本身可以作为其动力源,所以直接利用该内部能量而获得升压至与超临界条件相对应的压力的功能是一个最终的升压方案。
[0175] 但是,目前,由于所生成的高压的动作气体是对超临界流体进一步减压而获得的,所以当然低于临界压,因此,就通过该低压流体在超高压下保证质量流量进行供给的方案的保证而言,迄今为止没有能量形式的转换,以技术理由来看不能实现实用化。
[0176] 从同样的技术课题出发,在使用地面用的热交换器的动作气体制造系统中,除采用机械式泵之外,作为相同的升压方法没有解决方案(图1)。
[0177] 解决问题所需手段
[0178] 首先,以热源为能量,通过气化器将热交换器出口的超临界流体减压,由此制造动作气体。接着,通过下述装置可以解决该课题:以所制造的动作气体一侧为低压流体侧,以向热交换器输入的一侧为高压流体侧,在两者间设置口径不同的活塞,设定大口径侧为低压侧,小口径侧为高压侧,使用提高压力(升压)的装置,从而动作气体自身将原流体升压(下文称为“自加压”),并供给至热交换器(图2)。
[0179] 在图2中,在本发明中,其特征在于,使用不以动能作为主要的动力源(以下称为“静态地”)进行动作的、口径不同的活塞,将获得的动作气体的一侧设为大口径侧,将在热交换器入口侧需要高压的一侧设为小口径侧,对原流体的密度与获得的动作气体的密度相比足够大的状况加以利用,在保证质量流量的同时进行升压。
[0180] 在动作气体的储存容器中,根据需要具有被动的保温装置或主动的加温装置,从而抑制再液化等的发生。
[0181] 在图2的原流体的供给装置中,为仅向一个方向驱动并将动作气体原流体容器整体升压的方式。
[0182] 如果低压侧流体的密度和高压侧流体的密度相同,则活塞的行程是共通的,因此,即使能够进行升压,流量也会作为升压比的倒数而降低,不能维持质量流量,从而不能持续地起作用。
[0183] 但是,如果高压侧流体密度与小口径侧活塞面积的积超过低压侧流体密度与大口径侧活塞面积的积,则将高压侧流体经由热交换器和气化器并在之后通过相变或加温而使密度降低,由此可以获得动作气体,且可以将该气体作为低压侧流体再次使用,因此,可以作为加压供给装置持续起作用。动作气体自身使原流体升压,在本发明中,将该过程称为自加压。
[0184] 特别地,在将液化气体作为动作气体的原流体时,在低压侧流体为蒸气(即气相),高压侧流体为液相的情况下,随着相变而可以大幅改变密度,作为加压供给装置,可以维持质量流量,从而可以充分持续地起作用。
[0185] 为了将该原流体升压,将容纳该流体的容器整体升压的方式是典型的,但必须要保证该容器整体的耐压性能,因此导致容器质量的增加。
[0186] 因此,通过采用进行以下往复运动的方法,可以降低对容纳该液体的容器的耐压要求,从而可以实现其轻量化,在上述往复运动中,该活塞反复对原流体一点点地逐渐加压。(图3)在本发明中,由于不要求向动能的形式转换,所以往复运动不寻求驱动速度,往复运动可以是准静态的运动。图3的自加压供给装置由于避免对动作气体容器整体升压,实现容器的轻量化,所以是进行往复运动,以逐渐对动作气体原流体进行升压的方式。
[0187] 发明效果
[0188] 该设备(装置)进行准静态的操作,因此,成为这样的升压供给装置,其在不将施加于热交换器的热能转换成动能的情况下经由动作气体对火箭中的推进剂、发电厂·锅炉中的进行升压并供给。
[0189] 通过该方式,可以实现轻量化和耐久性的大幅提高。附图说明
[0190] 图1是表示动作气体的制造、压力-温度变化的图。
[0191] 图2是表示静态自加压型的供给装置和加压供给系统的图。
[0192] 图3是表示往复型自加压型的供给装置和加压供给系统的图。
[0193] 图4是表示使用静态自加压型的供给装置的、喷射加热蒸气或气液平衡气体的推力发生器的图。
[0194] 图5是表示使用静态/往复型自加压型的供给装置的、火箭发动机的结构的图。
[0195] 图6是表示使用静态/往复型自加压型的供给装置的、伴随推力偏向控制器的、火箭发动机的结构的图。
[0196] 图7是表示使用静态自加压型的供给装置的、附加防止动作气体原流体供给系统的气蚀的供给装置的、火箭发动机的结构的图。
[0197] 图8是表示将动作气体排气再次用于供给装置的、多段往复型的、自加压型供给装置的图。
[0198] 图9是在往复型的供给装置中改变往复运动的相位并抑制供给的动作气体压力的脉动的、多段的供给装置的形式的实施例。其是表示水平对置并且相位错开180度而构成的供给装置的实施例的图。
[0199] 图10是表示以乙醇/一氧化二氮作为燃料/氧化剂,以二氧化碳作为动作气体,具备推力偏向功能,且具有液化二氧化碳供给时的气蚀防止功能的、由往复型的供给装置构成的、火箭发动机系统的实施例的图。

具体实施方式

[0200] 实施例1
[0201] 最直接的实施方式构成这样一种装置,其搭载于在火箭上,将热交换器与气化器组合而构成,通过获得的动作气体自身将使所搭载的动作气体液化的原流体升压并供给至制造动作气体的热交换器,该动作气体用于对收纳推进剂(燃料或氧化剂两者或任一者)的箱进行加压而供给推进剂。即,该装置不仅进行自加压,同时还具有维持质量流量并供给流体的功能。下文,将不仅进行升压,而且还包含供给流体的功能的该装置称为“自加压供给装置”。
[0202] 即,优选作为液体火箭发动机的实现,其采用通过上述动作气体对推进剂(燃料或氧化剂两者或任一者)进行加压并进行供给,从而将推进剂导入燃烧器的方式(图4)。
[0203] 图4表示对使用动作气体对推进剂(燃料、氧化剂两者或任一者的)箱进行加压,将推进剂导入燃烧器的火箭发动机的应用例。热交换器的热源从燃烧器壁回收而获得,由此使原流体升温。经气化器制造的动作气体被导入自加压供给装置,用于通过自身将原流体升压。在该装置中,在升压过程中,可以不改变热能的状态而进行利用,构成结构简单并且效率高的供给系统。
[0204] 火箭发动机也存在将单一液状的推进剂通过催化剂分解的形式(单元推进剂方式),但在该形式的发动机中,构成经由动作气体加压供给箱内的推进剂的装置也是一种有力的实现方式。
[0205] 实施例2
[0206] 将热交换器和气化器组合而构成,在通过热交换器后,将经由气化器获得的动作气体自身向机体外喷射,由此构成通过动量保存获得反作用力的推进机构也是有力的实现方式。
[0207] 通过该自加压供给装置避免在热交换过程中的沸腾,成为可以维持高的热交换率的系统,且作为喷射获得的动作气体的系统而实现的方式是有力的。
[0208] 特别地,作为飞行体(火箭、人工卫星)的较小推力的姿势控制或轨道控制装置,由于结构简单,所以是有力的实现方式(图4)。
[0209] 图4表示将获得的动作气体自身向机体外喷射而获得推力的、对较小推力的推力发生器的应用。越过蒸气压线的热交换不能避免效率的降低,但通过本发明的装置和方法,虽然结构简单,但能够实现通过该动作气体自身进行的超临界流体的制造过程,能够避免沸腾和气泡产生,维持高热交换率。
[0210] 利用自加压供给装置对原流体施加足够超过蒸气压的压力,另一方面,可以使通过气化器获得的动作气体处于该温度下的蒸气压以下,从而可以防止喷射时雾的产生(气液平衡喷射器的课题)。
[0211] 实施例3
[0212] 另外,特别地,在航空航天领域中,构成加压供给火箭或人工卫星等移动体上的推进剂的装置是有力的实现方式,如下所述,实施装入本发明的自加压供给装置的方式是实用的。
[0213] 作为动作气体,优选可以以液化气体的状态搭载,且为惰性、无毒的气体,搭载液化二氧化碳、一氧化二氮、液态氮、液态氦的结构是有力的。
[0214] 作为推进剂,油、乙醇、液化天然气、液化丙烷气、液态氢、肼、一甲基肼等作为燃料是有力的实现方式;作为氧化剂,液态氧、一氧化二氮、四氧化二氮或一氧化氮混合液体、过氧化氢的组合是有力的实现方式。
[0215] 在由液态氢、液态氧构成的火箭发动机中,可以是以液态氦为动作气体的方式,另外,在由乙醇或烃、液态氧构成的火箭发动机中,可以是以液态氮为动作气体的方式。
[0216] 直接使用所制造的动作气体作为向将加温的蒸气、或气液平衡气体向机外喷射的推力发生器供给的动作气体,除丙烷、丁烷液化天然气、一氧化二氮、二氧化碳之外,利用蒸气压较高的氟利昂替代物是有力的实施方式。
[0217] 特别地,在乙醇与一氧化二氮的组合中将燃料和氧化剂这两者容纳于袋状的囊内、或在肼中仅将燃料容纳于袋状的囊内的方式是有力的,用动作气体压缩具有材料适应性的袋(囊)的形式在可以提高排出效率的这一点上实用性优异(图5)。
[0218] 在通过动作气体使动作气体自身、或加压供给的液相的燃料或氧化剂向喷嘴内喷射,随燃烧进行推力方向的控制的方式中,不需要改变含喷嘴燃烧器的度的机构,可以对机构的轻量化带来大的效果(图6)。
[0219] 在图6中,在将动作气体用于推进剂的加压供给的火箭发动机中,由于可以将推进剂、特别是氧化剂流体升压至高压,所以可以对通过将其向喷嘴内喷射而获得横向推力的、推力方向控制器的结构应用。另外,由于不需要额外向推力方向的偏向装置输送流体,并且也可以排除火箭发动机燃烧器的摆头装置,所以促进火箭系统的简易化,成为高效的火箭系统的结构。
[0220] 在搭载原流体作为液化气的形式中,优选配置为使液化气容器为临界压以下并且维持超过蒸气压的压力,从而抑制供给液化气时的气泡产生(气蚀)的装置,其与通过制造的动作气体自身将作为该气体的气源的液化气以超过临界压的压力向热交换器加压供给的装置组合的方式是优选的一个实施方式(图7)。
[0221] 为了将动作气体的原流体导入自加压供给装置,有使用原流体自身的蒸气压或其他加压用气体的方法,但在向自加压供给装置供给时导致气蚀,因此,可能发生实效的供给能力降低。图7所示的方式是虽然通过获得的动作气体自身降低临界压,但暂时将原流体预先升压至超过蒸气压的压力的方式。
[0222] 在进行重复动作的自加压供给装置中,构成使用排出的低压的气体进一步辅助加压的、多段的自加压供给装置的形式也有助于效率的提高(图8)。
[0223] 图8是在往复型的自加压供给装置中,将排出的动作气体以更低压的状态导入提高了面积比进而提高了升压比的第二自加压供给装置,多段进行供给的方式。
[0224] 另外,在往复型的自加压供给装置中,通过构成改变往复运动的相位抑制供给压力的脉动的、并排的供给装置,可以实现对伴随加压供给的脉动的抑制(图9)。
[0225] 在图9中,在相同的往复型的自加压供给装置中,作为改变相同面积比的自加压供给装置的往复运动的相位以抑制输出压力的脉动的实施例,示出水平对置且改变180度相位的自加压供给装置的实施例。由于使每单位时间的供给次数增加,所以也有助于装置的小型化。
[0226] 在使用往复型的自加压供给装置,以乙醇作为燃料、以一氧化二氮作为氧化剂、以二氧化碳作为动作气体进行推进剂的加压供给的火箭发动机中,公开了将通过向液化二氧化碳的预备加压来抑制供给时的气蚀的机构和推力方向控制器组合而成的火箭系统的实施例(图10)。
[0227] 作为最典型的实施例,在以乙醇、一氧化二氮作为推进剂的火箭发动机中,示出搭载液化二氧化碳在火箭上制造动作气体的方式的应用例。在图10中,例举以往复型的水平对置的自加压供给装置为例。
[0229] 在发电站、锅炉等中,可以构成利用制造的气体自身来加压水乃至液化气的装置。特别地,在作为移动体的船舶、车辆上,需要使加压供给用的动力源小型轻量,不改变能量形式而可以构成加压供给系统是有力的实施方式。
[0230] 符号说明
[0231] 1或11、12:自加压供给装置
[0232] 2或21、22:热交换器
[0233] 3:气化器
[0234] 4或41:动作气体收纳容器
[0235] 42、43:初期加压端口、安全
[0236] 5:动作气体输出端口;或使用动作气体的推进剂的加压系统
[0237] 61、62、63:辅助附随要素
[0238] 61:充填器
[0239] 62:废弃器
[0240] 63:动作气体收纳容器的保温/加温功能
[0241] 7或71:动作气体原流体收纳容器
[0242] 72:动作气体原流体蒸气的排气端口
[0243] 8或81、82:用于将动作气体向自加压供给装置供给或从自加压供给装置排气的充填/排气阀
[0244] 91、92、93:燃料箱、燃料用囊、燃料流体
[0245] 101、102、103:燃料箱、燃料用囊、燃料流体
[0246] 111:燃烧器
[0247] 121:动作气体喷射器;推力发生器
[0248] 131:流体喷射推力方向控制器
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