CN107532576A - 一种流率调节装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及调节流体流率的领域，特别涉及一种流率调节装置(109)，它包括上游腔室(206)，下游腔室(207)，在上游腔室(206)和下游腔室(207)之间提供平行流体流连接的多根导电毛细管(201‑205)，适合用于连接电流源的第一和第二电气终端(208,209)，以及至少一个设置来选择性地在电气终端(208,209)之间连接一个或多个所述毛细管(201‑205)的电开关(210a，210b，211a，211b)。本发明还涉及一种用于向空间电动推进器(101)供给气体推进剂的系统，该系统包括至少一个这样的流率调节装置(109)，其目的在于调节气体推进剂流率，以及使用该流率调节装置(109)调节流率的方法。

Description

一种流率调节装置和方法
背景技术
本发明涉及调节流体流率的领域，特别是调节非常小的流率，例如气体推进剂被推送至空间电动推进器的速率。
本领域技术人员已知的用于调节这种流率的装置是被称为“热毛细”装置，也就是适合用于连接到电流源的导电毛细管。毛细管中流动的电流导致毛细管因焦耳效应被加热，该加热改变了由毛细管道引起的压头损失，并因此改变了以确定的输送压力沿毛细管通过的流体的质量流率。
然而，已知的热毛细管装置的一个主要缺点是它们只可以使流体流率在一个非常有限的范围内变化，特别是当输送压力恒定时。
发明内容
本公开寻求通过提出一种流率调节装置来解决这些缺点，该装置能够在相对较大的范围内以较高的精度调节非常小的流体流率。
该目的是通过以下事实实现的：流率调节装置包括上游腔室、下游腔室、提供了上游腔室和下游腔室之间的平行流体流动连接的多根导电毛细管、适合用于连接到电流源的第一和第二电气终端，以及至少一个电开关，该电开关被设置在电气终端之间来选择性地连接一个或多个所述毛细管。
通过平行设置多根毛细管并选择性地激活各个管，与所有的流动都沿着适合用于因焦耳效应被加热的单个毛细管通过的系统相比，可以非常显著地扩大可以调节流体流率的范围。
为了简化调节两个电气终端之间流动的电流，并因此调节毛细管的受热和流率，所述至少一个电开关可以被设置，以在电气终端之间来选择性地连接所述毛细管中的一根或者串联方式连接的多根所述毛细管。特别地，为了扩大可调节流率的范围，流率调节装置可以包括至少三根所述毛细管和多个电开关，这些电开关被设置来选择在电气终端之间以串联方式连接的所述毛细管的数量。
为了以特别简单的电路得到这些结果，流率调节装置可以包括至少一个电开关，该电开关连接到所述毛细管中的一根，并适合用于在另一根所述毛细管的电连接与一个所述电气终端的电连接之间进行切换。特别地，第一毛细管的第一端可以连接到第一电气终端，第二毛细管的第一端可以连接到第二电气终端，并且连接到第一毛细管的第二端的电开关可以适合用于在第二电气终端的电连接和第二毛细管的第二端的电连接之间进行切换。因此，切换该电开关使得可以从两个终端之间形成的电路插入或拔出第二电导管。
本公开的流率调节装置特别适用于在特别困难的环境下以精确和可靠的方式调节非常小的气体流率。因此，本公开还特别涉及在例如霍尔效应推进器这样的空间电动推进器中，一种用于供给例如氙这样的气体推进剂的系统，包括至少一个这种流率调节装置，来调节所述气体推进剂的流率。本公开还涉及一种包含这样气体推进剂供给系统的空间电动推进器。
本公开还涉及一种调节上游腔室和下游腔室之间的流体流率的方法，其中至少一个电开关选择性地在两个电气终端之间连接一个或多根毛细管，所述毛细管来自多根导电毛细管。这些导电毛细管提供了上游腔室和下游腔室之间的平行流体流动连接，其目的在于使用焦耳效应来加热以此种方式在两个电气终端之间作电连接的毛细管，以便调节从上游腔室到下游腔室流经多根毛细管的流体流率。因此，多根所述毛细管可以以串联方式在两个电气终端之间电连接以调节流体流率。还可以调节两个电器终端之间流动的电流以调节流经多根毛细管的流体流率。
附图说明
本发明可以被很好地理解，而且它的优点通过对下文中非限制性实施例所展示的实施方式的细节描述表现得更显著。该说明参照附图，其中：
图1为电动空间推进器的示例图；并且
图2A至2E为展示在五种不同操作模式下流率调节装置的实施方式的图。
具体实施方式
图1展示了电动空间推进器101。该推进器101，更具体地说是霍尔效应静电推进器，包括环形部分的通道150，该通道150在其上游端闭合在其下游打开；位于通道150上游端的阳极151；位于通道150下游端的下游的发射阴极152并配有至少一个加热元件153；位于通道150径向内部和径向外部的电磁体154，以及位于通道150上游端的推进剂流体喷射器155。所述推进器101特别适合来控制空间交通工具的轨迹和方位，例如卫星，探测仪或发射器的顶级。该推进器用来获取非常高的特定冲量(大约1500秒至2000秒的数量级)，因此消耗很少的气体推进剂。然而，该推进器的最大推力在目前是很有限的。
如图1所示，推进器101还具有推进剂流体供给系统104(例如用于供给氙)，该供给系统具有用于向静电推进器101供给气体推进剂的供给线105，并与静电推进器101的喷射器155相连接。供给线105其上已安装调节器107来调节气体推进剂所供给的静电推进器101上的压力。因此，即使当上游供给压力剧烈变化时，该压力调节器107也可以用来保证供给两个推进器的压力基本恒定。
开/关阀110和流率调节装置109也被以串联方式安装在静电推进器101的气体推进剂供给线105上，位于压力调节器107的下游但仍然位于喷射器155的上游，该喷射器用来将流体推进剂喷射入静电推进器101。开/关阀110用于控制给静电推进器的气体推进剂的供给，而流率调节装置109用于调节其流率。此外，推进剂流体供给回路104还包括分支连接171，它连接流率调节器109下游的供给线105到阴极152，其目的在于将流率非常小的气体输送至阴极152，阴极152为空心阴极，容易于从阴极152发射电子，并使其冷却。相对于推进剂气体通过喷射器155的速率，分支连接171中的收缩部172和喷射器155的上游限制了推进剂气体向阴极152供给的速率。
流率调节装置109通常应该适合于将气体推进剂供给调节到非常低的质量流率，大约为每秒几毫克(mg/s)的数量级。为了此目的，本领域技术人员通常使用被称为“热毛细”或“热节气”型的流率调节装置，其中，气体通过连接到电流源的毛细管，其目的在于通过焦耳效应来加热毛细管调节气体流率。然而，在实践中，现有技术的这种流率调节装置仅能够在相当窄的范围内调节流率，特别是当供给压力恒定时。因此，具有氙供给压力为265千帕(kPa)的1350型霍尔效应推进器中所使用的流率调节器仅可以在4毫克/秒至8毫克/秒的范围内变化流率。尽管该范围对于现有的霍尔效应推进器是足够的，它对于阴极和阳极之间在1.5千瓦(kW)功率和350伏(V)电压下的单一工作点是最优的，但对于需要大功率和大推力范围操作的静电推进器是明显不够的。因此要求气体推进剂的流率可以在例如10毫克/秒至17毫克/秒，甚或是17毫克/秒至50毫克/秒的范围内调节。
为了满足这个需求，在一个实施方式中的流率调节装置109，如图2A至2E所详示，包括五个用于在上游腔室206和下游腔室207之间提供平行流体流动连接的毛细管201至205。上游腔室206通过压力调节器107和开/关阀110下游的供给线105接受来自气体推进剂源的气体推进剂，而下游腔室207被用于同喷射器155的上游连接，其目的在于以调节过的流率和压力向它们供给气体推进剂。
毛细管201至205也是电导性的，并且流率调节装置109还包括第一电气终端208，它与同上游腔室206相邻的毛细管201的第一端201a相连接，流率调节装置109还包括第二电气终端209，它与同下游腔室207相邻的毛细管205的第二端205b相连接以及分别与位于上游腔室206和下游腔室207上的电路210和211相连接。绝缘配件220可以被插入到毛细管201至205的端部与上游腔室206和下游腔室207之间，其目的在于使这些端部与电路210和211绝缘并且彼此绝缘。电气终端208和209可以连接到电流源，特别是可以连接到可变电流源。
电路210具有两个开关210a和210b，并且电路211具有另外两个开关211a和211b。开关210a连接到毛细管202的一端202a，并且被设置为能够在毛细管203一端203a的连接与第二电气终端209的连接之间进行切换。相似地，开关210b连接到毛细管204的一端204a，并且被设置为能够在毛细管205一端205a的连接与第二电气终端209的连接之间进行切换。在电路211中，开关211a连接到毛细管201的一端201b，并且被设置为能够在毛细管202一端202b的连接与第二电气终端209的连接之间进行切换。相似地，开关211b连接到毛细管203的一端203b，并且被设置为能够在毛细管204一端204a的连接与第二电气终端209的连接之间进行切换。
因此，开关210a，210b和211a，211b能够从5个毛细管210至205中选择多根毛细管，用于在第一电气终端208和第二电气终端209之间作串联电连接。因此，在图2A所示的设置中，开关211a将毛细管201的一端201b连接到了第二电气终端209上。以这种方式，并且独立于其它开关的位置之外，仅有毛细管201连接在两个电气终端208和209之间，所以在两个终端208和209之间流动的电流仅仅流过了毛细管组201至205中的这根毛细管201，从而加热了该毛细管201来调节气体流率。相反，在图2B所示的设置中，开关211a将毛细管201的一端201b连接到了毛细管202的相邻尾端202b上。开关210a以独立于其余开关位置的方式将毛细管202的另一端202a连接到第二终端209上，只有毛细管201和202以串联方式连接在第一电气终端208和第二电气终端209之间，并且在这两个终端208和209之间的电流只沿着来自毛细管组201至205中的毛细管201和202流动，从而加热了这些毛细管201和202以调节气体流率。
在图2C所示的设置中，开关211a将毛细管201的尾端201b连接到了毛细管202的相邻尾端202b上，而开关210a将毛细管202的另一尾端202a连接到了毛细管203的相邻尾端203a上，从而串联连接了3根毛细管201,202和203。此外，开关211b将毛细管203的尾端203b连接到了第二电气终端209使其独立于开关210b的位置之外，只有毛细管201,、202、203串联连接在第一电气终端208和第二电气终端209之间，并且在这两个终端208和209之间流动的电流仅仅通过毛细管组201至205中的这些毛细管：201、202和203，从而加热了毛细管201、202和203以调节气体流率。
在图2D所示的设置中，开关211a将毛细管201的尾端201b连接到了毛细管202的相邻尾端202b上，开关210a将毛细管202的另一尾端202a连接到了毛细管203的相邻尾端203a上，开关211b将毛细管203的另一尾端203b连接到了毛细管204的相邻尾端204b上，从而串联连接了4个毛细管201至204。此外，开关210b将毛细管204的尾端204a连接到了第二电气终端209上，使得只有毛细管201、202、203和204串联连接在第一电气终端208和第二电气终端209之间，并且在这两个电气终端208和209之间流动的电流仅仅通过毛细管组201至205中的这些毛细管：201、202、203和204流动，从而加热了这些毛细管201、202、203和204以调节气体流率。
最后，在图2E所示的设置中，开关211a将毛细管201的尾端201b连接到了毛细管202的相邻尾端202b上，开关210a将毛细管202的另一尾端202a连接到了毛细管203的相邻尾端203a上，开关211b将毛细管203的另一尾端203b连接到了毛细管204的相邻尾端204b上，并且开关210a将毛细管204的另一尾端204a连接到了毛细管205的相邻尾端205a上，从而串联连接了5个毛细管201至205使得在这两个终端208和209之间流动的电流流经5个毛细管201至205，加热了全部的这些毛细管201至205以调节气体流率。
因此，通过使用开关210a、210b、211a和211b来在两个电气终端208和209之间选择性地连接一根或多根毛细管，所述毛细管从提供上游腔室和下游腔室之间的平行流体连接的5根毛细管201至205中选择，可以采用焦耳效应来加热通过这种方式所选择的毛细管(这些毛细管)，以依靠加热的毛细管的数量来调节从上游腔室206通过毛细管组201流向下游腔室207的气体的流率。调节两个电气终端208和209之间流动的电流还有助于准确地调节气体流率。
因此，所示的流率调节装置具有5根毛细管，每根都等同于1350型推进器所使用的毛细管，并以256千帕供给氙气，并使用范围在0.5至3安培之间调节的电流，使其能够在图2A所示的设置中在78毫克/秒至68毫克/秒的范围内调节气体流率，在图2B所示的设置中在75毫克/秒至55毫克/秒的范围内调节气体流率，在图2C所示的设置中在71毫克/秒至43毫克/秒的范围内调节气体流率，在图2D所示的设置中在68毫克/秒至30毫克/秒的范围内调节气体流率，在图2E所示的设置中在64毫克/秒至17毫克/秒的范围内调节气体流率，因此达到17毫克/克至78毫克/秒的总体调节范围。
尽管参考特定实施方式描述了本发明，但显然在不超出权利要求书所限定的本发明的一般范围的情况下，可以对该实施例做各种修改和变化。例如，毛细管的数量可以少于或大于5个。此外，开关的布置可以不同，只要其可能选择性地为全部毛细管中的一个或多根毛细管子集供给电流。因此，应当以说明性的而不是限定性的意义考虑本说明书和附图。

Claims (10)

1.一种流率调节装置(109)，包括：
上游腔室(206)；
下游腔室(207)；
多根导电毛细管(201-205)，其提供了在上游腔室(206)和下游腔室(207)之间的平行流体流动连接；
第一和第二电气终端(208，209)，适合用于连接到电流源；
并且
设置至少一个电开关(210a，210b，211a，211b)，以在电气终端(208,209)之间选择性地连接一个或多根所述毛细管(201-205)。
2.根据权利要求1所述的流率调节装置(109)，其中设置所述至少一个电开关(210a，210b，211a，211b)，以在电气终端(208,209)之间选择性地连接一根所述毛细管(201-205)或串联的多根所述毛细管(201-205)。
3.根据权利要求2所述的流率调节装置(109)，包括至少3根所述毛细管(201-205)和多个电开关(210a，210b，211a，211b)，这些电开关被设置来选择串联连接在两个电气终端(208,209)之间的所述毛细管(201-205)的数量。
4.根据任一前述权利要求所述的流率调节装置(109)，包括至少一个连接到一根所述毛细管(201-205)的电开关(210a，210b，211a，211b)，该电开关适合用于在另一根所述毛细管(201-205)的电连接和一个所述电气终端(208,209)的电连接之间切换。
5.根据权利要求4所述流率调节装置(109)，其中第一毛细管(201)的第一尾端(201a)连接到第一电气终端(208)，第二毛细管(202)的第一尾端(202a)连接到第二电气终端(209)，连接到第一毛细管(201)的第二尾端(201b)的电开关(211a)适合用于在第二电气终端(209)的电连接和第二毛细管(202)的第二尾端(202b)的电连接之间切换。
6.一种用于向空间电动推进器(101)供给气体推进剂的系统，该系统包括至少一个根据任一前述权利要求所述的流率调节装置(109)，用于调节所述气体推进剂的流率。
7.一种空间电动推进器(101)，其包括根据权利要求6所述的气体推进剂供给系统。
8.一种在上游腔室(206)和下游腔室(207)之间调节流体流率的方法，其中至少一个电开关(210a，210b，211a，211b)在两个电气终端(208，209)之间选择性地连接多根导电毛细管(201-205)中的一个或多根毛细管，这些导电毛细管提供了上游腔室(206)和下游腔室(207)之间的平行流体流动连接，其目的在于使用焦耳效应来加热以这种方式电连接在两个电气终端(208，209)之间的毛细管(201-205)，以调节从上游腔室(206)向下游腔室(207)流经多根毛细管(201-205)的流体流率。
9.一种根据权利要求8所述的调节流体流率的方法，其中多个所述毛细管(201-205)以串联方式电连接在两个电气终端(208,209)之间，其目的在于调节流体流率。
10.一种根据权利要求8或权利要求9所述的调节流体流率的方法，其中两个电气终端(208,209)之间流动的电流也被调节，其目的在于调节流经多根毛细管(201-205)的流体流率。
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