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Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Schließen einer Fluidleitung sowie ein Raumfahrzeugantriebssystem umfassend ein derartiges Ventil.
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Bei Raumfahrzeugen und Satelliten ist es bekannt, Ventile vorzusehen, die schließbar sind und insbesondere lediglich ein einziges Mal, d. h. irreversibel, geschlossen werden können.
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Aus der
DE 10 2014 002 972 A1 ist ein Ventil bekannt, das ein Formgedächtnismaterial umfasst, welches bei Erreichen einer Phasenumwandlungstemperatur expandiert und dadurch einen Fluiddurchgang verschließt.
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Aus der
US 2013/0167377 A1 ist eine Ventilanordnung für eine Raumfahrtkomponente zur einmaligen Betätigung bekannt, die einen Einlass und einen Auslass sowie einen durch ein Heizelement aktuierbaren Aktor umfasst. In einem aktuierten Zustand des Aktors ist ein Strömungsdurchgang zwischen dem Einlass und dem Auslass ermöglicht (Normally-Closed-Ventilanordnung). Der Aktor weist ein Formgedächtnismaterial auf, das im martensitischen Zustand entlang einer Längsachse des Aktors gestreckt und in die Ventilanordnung integriert ist. Durch eine Aktivierung des Heizelements erfährt es bei Erreichen einer vorgegebenen Transformationstemperatur eine Längenänderung, durch die ein Ventilkolben allmählich von dem Dichtsitz, der an dem Einlass oder dem Auslass ausgebildet ist, lösbar ist.
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Die
US 3 974 844 A offenbart eine reversibel betätigbare Normally-Open-Ventilanordnung für Haushaltsanordnungen mit einem Einlass und einem Auslass sowie einem durch ein Heizelement aktuierbaren Aktor. Der Aktor ist ein Einwegeffekt-Formgedächtnisaktor, der in die Ventilanordnung integriert ist, und der durch eine Aktivierung des Heizelements bei Erreichen einer vorgegebenen Transformationstemperatur eine Längenänderung erfährt, durch die er allmählich gegen einen Dichtsitz pressbar und von diesem lösbar ist.
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Die
US 4 973 024 A offenbart eine weitere reversibel betätigbare Normally-Closed-Ventilanordnung, die einen Einlass und einen Auslass sowie einen durch ein Heizelement aktuierbaren Aktor umfasst.
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Die
DE 20 2012 104 460 U1 offenbart eine reversibel betätigbare Normally-Open-Ventilanordnung mit einem Einlass und einen Auslass sowie einen durch ein Heizelement aktuierbaren Aktor, welcher einem Rückstelleelement entgegenwirkt.
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Die
DE 10 2011 054 458 A1 offenbart eine reversibel betätigbare Normally-Open-Ventilanordnung für Hochvoltbatterie-Anwendungen mit einem Einlass und einem Auslass sowie einen durch ein Heizelement aktuierbaren Aktor.
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Die
JP 2009 092130 A offenbart eine weitere Ventilanordnung mit einem Einlass und einem Auslass sowie einem durch ein Heizelement aktuierbaren Aktor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zum Schließen einer Fluidleitung bereitzustellen, das bei einem vereinfachten Aufbau eine zuverlässige Dichtigkeit besitzt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ventil gemäß Anspruch 1 sowie ein Raumfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Ein Ventil zum Schließen einer Fluidleitung weist folgendes auf: ein Einlasselement mit einer Einlassleitung; ein Auslasselement mit einer Auslassleitung; ein Verschlusselement, das in einem ersten Zustand einen Fluiddurchgang zwischen der Einlassleitung und der Auslassleitung ermöglicht und das in einem zweiten Zustand diesen Fluiddurchgang verschließt, wobei das Verschlusselement in dem ersten Zustand mit dem Einlasselement oder dem Auslasselement fest verbunden ist und in dem zweiten Zustand von dem Einlasselement oder dem Auslasselement gelöst ist; einen Aktor, der bei seiner Aktuierung dazu eingerichtet ist, das Verschlusselement von dem ersten Zustand in Richtung des zweiten Zustands zu versetzen; und ein Vorspannelement, das vorgespannt und dazu eingerichtet ist, nach der Aktuierung des Aktors das Verschlusselement in den zweiten Zustand zu versetzen. Das Vorspannelement kann dabei so stark gewählt werden, dass das Verschlusselement in dem zweiten Zustand eine plastische Deformation erfährt, welche eine hohe Fluiddichtheit, insbesondere eine hohe Gasdichtheit, zur Folge hat. Diese Lösung zeichnet sich durch eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer, geringe Herstellkosten und eine hohe interne (Helium-)Dichtigkeit aus.
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Der Aktor kann ein von dem Einlasselement oder dem Auslasselement abweichendes Wärmeausdehnungsverhalten aufweisen. Zudem kann das Wärmeausdehnungsverhalten des Aktors von dem des Verschlusselements und/oder des Einlasselements oder des Auslasselements sowie aller übrigen Komponenten des Ventils abweichen. Vorzugsweise dehnt sich der Aktor dabei in einem größeren Maße aus als die jeweilige(n) andere(n) Komponente(n). Hierdurch kann das Ausmaß des Abstützens an dem Verschlusselement sowie der dadurch übertragenen Kräfte mit zunehmender Erwärmung erhöht werden, insbesondere wenn das Verschlusselement eine Ausdehnung des Aktors behindert. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Aktor dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe eines Erwärmungsgrades Druckkräfte auf das Verschlusselement auszuüben.
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Das Abstützen des Aktors kann mittelbar, beispielsweise über zwischengeordnete Elemente erfolgen, oder aber unmittelbar, beispielsweise durch eine direkte Anlage an dem Verschlusselement. Man beachte, dass der Aktor insbesondere bei einem niedrigen Erwärmungsgrad bzw. einer niedrigen Temperatur sich zunächst auch nicht an dem Verschlusselement abstützen und/oder direkt daran anliegen kann. Vielmehr kann dies erst ab Erreichen eines gewissen Erwärmungsgrades bzw. einer gewissen Temperatur erfolgen und zum Beispiel spätestens bei Erreichen eines nachfolgend erläuterten vorbestimmten Erwärmungsgrades. Mit anderen Worten kann zunächst ein Spalt zwischen dem Aktor und dem Verschlusselement vorgesehen sein, der insbesondere ein unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten dieser Elemente kompensieren kann, solange der vorbestimmte Erwärmungsgrad noch nicht erreicht ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass sich der Aktor entlang einer Längsachse des Einlasselements oder des Auslasselements erstreckt. Hierzu kann der Aktor im Wesentlichen korrespondierend zu dem Einlasselement oder dem Auslasselement ausgebildet und/oder innerhalb des Ventils angeordnet sein, sodass sich diese Elemente im Wesentlichen parallel zueinander innerhalb des Ventils erstrecken können. Beispielsweise kann sich auch der Aktor entlang einer Längsachse erstrecken und allgemein langgestreckt ausgebildet sein, wobei die Längsachsen des Aktors und des Einlasselements oder des Auslasselements parallel zueinander verlaufen oder auch zusammenfallen können.
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Schließlich kann der Aktor dazu ausgebildet sein, sich ab Erreichen eines vorbestimmten Erwärmungsgrades mit einer derartigen Kraft an dem Verschlusselement abzustützen, dass das Verschlusselement aus seiner Ausgangsposition bewegt wird.
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Unter dem vorbestimmten Erwärmungsgrad kann insbesondere eine Temperaturerhöhung des Aktors auf einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert verstanden werden. Ebenso kann dies ein Halten des Aktors auf oder oberhalb des entsprechenden Temperaturschwellenwerts für eine gewisse Mindestzeitdauer einschließen. Die Abstützkraft des Aktors kann dabei eine Gewichtskraft des Verschlusselementes übersteigen und/oder eine Befestigungs- oder Vorspannungskraft, die das Verschlusselement zunächst in seiner Ausgangsposition hält. Insbesondere kann der Aktor dazu ausgebildet sein, das Verschlusselement im Wesentlichen entlang einer Längsachse des Einlasselements oder des Auslasselements und/oder in Richtung des Einlasselements oder des Auslasselements zu bewegen. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Bewegung entlang der Einlass- und/oder der Auslassleitung erfolgt. Ferner kann das Verschlusselement in seiner aus der Ausgangsposition bewegten Endposition allgemein zwischen dem Einlasselement und dem Auslasselement angeordnet und dabei von dem zu leitenden Fluid umströmbar oder durchströmbar sein.
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Durch Bereitstellen eines derartigen Ventils wird eine zuverlässige Betätigung und vereinfachte Abdichtung bei einem kompakten Aufbau ermöglicht. Insbesondere können sich die relevanten Elemente im Wesentlichen parallel zueinander beziehungsweise entlang gemeinsamer Längsachsen erstrecken und auch eine Betätigungsbewegung kann entlang dieser Längsachse erfolgen. Insgesamt kann das Ventil somit allgemein länglich ausgebildet werden und dabei gegenüber vorbekannten Lösungen reduzierte Querschnittsabmessungen aufweisen. Insbesondere können die sich zu einer Fluidleitung durch das Ventil quer erstreckenden Ventilabmessungen dabei erheblich reduziert werden.
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Der Aktor kann einen hohlzylindrischen Abschnitt umfassen, der das Einlasselement oder das Auslasselement zumindest abschnittsweise umgibt. Hierbei kann ein zumindest abschnittsweises Umgeben entlang der Längsachse des Einlasselements oder des Auslasselements vorgesehen sein und/oder entlang einer Umfangsachse. Bevorzugt erstreckt sich der Aktor jedoch zumindest entlang eines gewissen Abschnittes der Längsachse des Einlasselements oder des Auslasselements und nimmt dieses dabei in dem hohlzylindrischen Abschnitt auf. Dabei kann zumindest der hohlzylindrische Abschnitt des Aktors allgemein korrespondierend zu dem Einlasselement oder dem Auslasselement ausgebildet sein, beispielsweise mit einer korrespondierenden Querschnittsform. Ferner kann der hohlzylindrische Abschnitt an einer Außenumfangsfläche des Einlasselements oder des Auslasselements anliegen und/oder zumindest abschnittsweise in einem Abstand hiervon angeordnet sein, sodass ein Zwischenraum zwischen einer Innenumfangsfläche des Aktors und einer Außenumfangsfläche des Einlasselements oder des Auslasselements vorliegt. Übergeordnet kann der hohlzylindrische Abschnitt somit rohr- oder hülsenförmig ausgebildet sein, vorzugsweise mit einem runden und/oder kreisförmigen Querschnitt, und der Aktor kann sozusagen auf das Einlasselement oder das Auslasselement aufgeschoben werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Aktor spätestens ab Erreichen des vorbestimmten Erwärmungsgrades zumindest abschnittsweise relativ zu dem Einlasselement oder dem Auslasselement verschieblich und insbesondere entlang der Längsachse des Einlasselements oder des Auslasselements verschieblich sein. Die Relativverschieblichkeit kann insbesondere auf eine zunehmende Wärmeausdehnung des Aktors relativ zu dem gleichbleibenden oder sich nur geringfügig ausdehnenden Ein- bzw. Auslasselement zurückgehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Einlasselement und/oder das Auslasselement allgemein feststehend innerhalb des Ventils ausgebildet sind/ist und der Aktor sich nach Maßgabe des Erwärmungsgrades relativ zu diesem verschiebt. Hierbei kann sich der Aktor allgemein verlängern, sodass insbesondere ein dem Auslassbereich zugewandtes axiales Ende des Aktors sich relativ zu und/oder entlang des Einlasselements oder des Auslasselements verschieben kann.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der Aktor spätestens ab Erreichen des vorbestimmten Erwärmungsgrades wenigstens eine Abmessung aufweist, die gegenüber einem Zustand des Aktors unterhalb des vorbestimmten Erwärmungsgrades vergrößert ist. Beispielsweise kann sich der Aktor in Abhängigkeit des Erwärmungsgrades verlängern und/oder seine Querschnittsabmessungen ändern. Dies kann sich insbesondere auf ein Verlängern entlang einer Längsachse des Aktors und/oder des Einlasselements und/oder des Auslasselements beziehen.
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Gemäß einer bevorzugten Variante umfasst der Aktor ein Formgedächtnismaterial. Derartige Materialien sind im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel in Form von sogenannten Formgedächtnislegierungen (insbesondere Nickel-Titan-Legierungen). Das Formgedächtnismaterial kann ferner wärme- bzw. temperaturaktivierbar sein. Mit anderen Worten kann das Formgedächtnismaterial nach Maßgabe eines Erwärmungsgrades des Aktors zu einer ursprünglichen Ausgangsform zurückkehren, die sich vorzugsweise in der vorstehend geschilderten Weise durch vergrößerte Abmessungen und/oder vergrößerte Abstützkräfte an dem Kopplungselement auszeichnet.
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In diesem Zusammenhang kann das Formgedächtnismaterial pseudoplastisch deformiert sein und spätestens ab Erreichen des vorbestimmten Erwärmungsgrades beginnen, zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren. Dabei kann die pseudoplastische Deformation ein Komprimieren des Aktors umfassen und findet vorzugsweise unter Ausüben von Druckkräften auf den Aktor statt.
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Somit kann der Aktor zunächst in einem (pseudoplastisch) deformierten Zustand in dem Ventil angeordnet werden, wobei der Aktor in diesem Zustand ferner reduzierte Abmessungen aufweisen kann (beispielsweise eine durch Kompression/Druckkräfte verringerte Länge). Hierbei kann das Werkstoffgefüge des Formgedächtnismaterials in bekannter Weise entzwillingt werden, um den Formgedächtniseffekt bereitzustellen. Die pseudoplastische Deformation kann bei ausbleibender oder nur geringer Erwärmung ferner zunächst bestehen bleiben. Nach Maßgabe eines Erwärmungsgrades des Aktors und insbesondere ab Erreichen einer Aktivierungstemperatur oder eines Aktivierungserwärmungsgrades kann anschließend die pseudoplastische Verformung rückgängig gemacht werden, sodass der Aktor zu seiner ursprünglichen Form zurückkehrt. Wie geschildert, kann dies insbesondere ein Zurückkehren in einen nicht-komprimierten Zustand umfassen, also beispielsweise eine entsprechende Vergrößerung und/oder Verlängerung des Aktors. Dies kann insgesamt in der vorstehend geschilderten größeren Wärmeausdehnung des Aktors verglichen mit dem Einlasselement resultieren und zu vergrößerten Abstützkräften an dem Verschlusselement führen.
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Das Verschlusselement kann in seiner Ausgangsposition stoffschlüssig mit dem Einlasselement oder dem Auslasselement verbunden sein. Auch in diesem Fall kann ein Anordnen an und insbesondere stoffschlüssiges Verbinden unmittelbar mit einem vorzugsweise dem Einlasselement oder dem Auslasselement zugewandten axialen Ende des Einlasselements oder des Auslasselements vorgesehen sein. Der Stoffschluss kann durch Schweißen, Kleben, Löten, einstückiges Ausbilden oder dergleichen bereitgestellt werden, wobei der Stoffschluss allgemein von einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Einlasselement oder dem Auslasselement und dem Verschlusselement umfasst sein kann.
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In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass ein Verbindungsabschnitt zwischen dem Einlasselement oder dem Auslasselement und dem Verschlusselement einen mechanisch geschwächten Bereich umfasst, der eine Sollbruchstelle bildet. Unter einer mechanischen Schwächung kann insbesondere eine reduzierte Kraftübertragungsfähigkeit verstanden werden, beziehungsweise eine gegenüber benachbarten Bereichen des Einlasselements oder des Auslasselements oder des Verbindungsabschnittes reduzierte Bruchgrenze. Dies kann allgemein durch ein Variieren der Materialeigenschaften im Bereich der Sollbruchstelle erfolgen, beispielsweise durch eine Wahl unterschiedlicher Materialien innerhalb des Ein- oder Auslasselements. Ebenso kann die Steifigkeit im Bereich der Sollbruchstelle reduziert werden, beispielsweise durch Variationen der Querschnittsabmessungen. Gemäß einer bevorzugten Variante umfasst die Sollbruchstelle eine Kerbe in Form eines lokal reduzierten Querschnitts und insbesondere eines lokal reduzierten Durchmessers bei zylindrischer (und/oder rohrförmiger) Ausbildung des Ein- oder Auslasselements. Das Verschlusselement kann demnach als ein abtrennbarer Kerbrohrkopf ausgebildet sein. Demnach kann vorgesehen sein, dass der Aktor dazu ausgebildet ist, sich bei Erreichen des vorbestimmten Erwärmungsgrades mit einer derartigen Kraft an dem Verschlusselement abzustützen, dass die Sollbruchstelle bricht und somit ein Bewegen des Verschlusselementes aus seiner Ausgangsposition ermöglicht wird.
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Das Verschlusselement kann wenigstens einen Krafteinleitungsbereich umfassen, an dem sich der Aktor spätestens ab Erreichen des vorbestimmten Erwärmungsgrades abstützen kann. Der Krafteinleitungsbereich kann beispielsweise einen Abschnitt des Verschlusselementes mit vergrößerten Querschnitts- und insbesondere Durchmesserabmessungen umfassen, die bevorzugt über einen Durchmesser des Ein- oder Auslasselements hervorstehen. Ferner kann der Krafteinleitungsbereich einem axialen Ende beziehungsweise einer axialen Stirnfläche des Aktors gegenüberliegen (insbesondere entlang der Längsachse betrachtet), sodass der Aktor sich bei einer Erwärmung in Richtung des Krafteinleitungsbereiches ausdehnen und/oder mit zunehmenden Absturzkräften daran anliegen kann.
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Das Vorspannelement kann sich an dem Verschlusselement abstützen und dazu ausgebildet sein, das Verschlusselement spätestens ab Erreichen des vorbestimmten Erwärmungsgrades aus dessen Ausgangsposition/erstem Zustand zu drängen. Das Vorspannelement kann unter einer geeigneten Vorspannung in dem Ventil aufgenommen sein und sich insbesondere mittels einer Druckkraft an dem Verschlusselement abstützen. In einer bevorzugten Variante erstreckt sich die Vorspannungseinrichtung ebenfalls entlang einer Längsachse des Ein- oder Auslasselements. Zusätzlich kann sie dabei in einem Zwischenraum zwischen dem Aktor und dem Einlasselement angeordnet sein und/oder sich ebenfalls an einem etwaigen Krafteinleitungsbereich des Verschlusselementes abstützen. Schließlich kann das Vorspannelement allgemein als Spiralfeder, vorzugsweise als Spiraldruckfeder, ausgebildet sein und das Ein- oder Auslasselement zumindest abschnittsweise aufnehmen beziehungsweise sich spiralförmig um dieses erstrecken.
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Das Vorsehen eines Vorspannelements ist insbesondere für Varianten vorteilhaft, bei denen zunächst eine Sollbruchstelle mittels des Aktors durchbrochen werden muss und das Vorspannelement anschließend ein ausreichendes Bewegen des Verschlusselementes aus seiner Ausgangsposition gewährleisten soll (beispielsweise ein vollständiges Abheben von einem axialen Ende des Einlasselementes). Hierfür kann das Vorspannelement ferner dazu ausgebildet sein, das Verschlusselement auch derart weit zu bewegen, dass dieses von dem sich gegebenenfalls verlängernden Aktor abgehoben wird. Das Vorspannelement kann dazu ausgebildet sein, das Verschlusselement (z. B. in Form des abgetrennten Kerbrohrkopfes) bis zu einem vorbestimmten Anschlag zu verschieben. Der Anschlag kann in einem Verbindungselement, an einer Verbindungselementwand des Ventils oder aber an dem Ein- oder Auslasselement als Dichtsitz bereitgestellt sein. Ferner kann das Verschlusselement sich bei einer Verschiebung durch das Vorspannelement allgemein an dem Verbindungselement und insbesondere an einer Verbindungselementinnenwand abstützen oder auch direkt daran abgleiten.
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Dabei können der Aktor und das Vorspannelement parallel geschaltet sein. Dadurch kann ein kompaktes, raumsparendes Ventil vorgesehen und die Kraft zum Schließen des Ventils gegenüber einer Reihenschaltung vergrößert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Vorspannelement zumindest teilweise innerhalb des Aktors angeordnet sein oder der Aktor kann zumindest teilweise innerhalb des Vorspannelements angeordnet sein, was das Ventil nicht nur kompakter macht, sondern auch eine gegenseitige Führung von Vorspannelement und Aktor bewirkt, sodass deren Kraftentwicklung gerichtet ist.
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Das Einlasselement kann mindestens eine radiale Bohrung aufweisen, welche die Einlassleitung mit einem Äußeren des Einlasselements verbindet, wobei die mindestens eine radiale Bohrung vorzugsweise einen geringen Durchmesser aufweist als die Einlassleitung. Eine solche radiale Bohrung kann die Kompaktheit des Ventils verbessern.
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Dabei kann die mindestens eine radiale Bohrung in einen Fluiddurchgangsraum führen, der die Einlassleitung und die Auslassleitung fluidleitend verbindet.
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Ebenso kann ein Verbindungselement das Einlasselement und das Auslasselement fluidleitend verbinden und den Fluiddurchgangsraum zusammen mit dem Einlasselement und dem Auslasselement definieren. Auf diese Weise kann die Montage der Ventilkomponenten, insbesondere des Vorspannelements und/oder des Aktors erleichtert werden sowie für das Verbindungselement ein von dem Material des Ein- und Auslasselements verschiedenes Material und/oder eine von der Materialstärke des Ein- und Auslasselements Materialstärke gewählt werden. Ein solches Verbindungselement hat vorzugsweise andere Wärmeleiteigenschaften als das Ein- oder Auslasselement, vorzugsweise höhere Wärmeleiteigenschaften. Dadurch kann der Aktor früh aktuiert werden bzw. vor einer thermischen Ausdehnung von Ein- oder Auslasselement aktuiert werden. Vorzugsweise ist das Verbindungselement aus einer NiCr- oder Ti-Legierung hergestellt.
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Das Verbindungselement kann im Wesentlichen zylindrisch und vorzugsweise langgestreckt ausgebildet sowie einstückig oder aus mehreren Einzelkomponenten zusammengesetzt sein. Insbesondere kann das Verbindungselement rohrförmig oder hülsenartig ausgebildet sein und einen Kopplungsbereich für das Einlasselement sowie für das Auslasselement aufweisen. Ferner kann das Verbindungselement sich entlang einer Längsachse erstrecken, die parallel zu den Längsachsen des Einlasselements und/oder des Aktors verlaufen kann und vorzugsweise mit diesen zusammenfällt.
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In einer Variante ist zumindest das Einlasselement mit dem Verbindungselement verschweißt. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein etwaiges Auslasselement mit dem Verbindungselement verschweißt sein. Der Aktor wie auch das Verschlusselement können dabei innerhalb des Verbindungselement angeordnet und fluidisch abdichtend von dieser umschlossen sein. Die Schweißverbindungen können ferner eine ausreichende Abdichtung des Ventils gewährleisten und das Ein- und Auslasselement und vorzugsweise auch das Verbindungselement können hohlzylindrisch oder im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet sein. Aufgrund dieser Verschweißung wird ein besonders dichtes Ventil bereitgestellt (externe Dichtigkeit).
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Prinzipiell ist es denkbar, dass die Erwärmung des Aktors ohne gezielte oder künstlich erzeugte Energiezufuhr erfolgt, sondern sich automatisch aufgrund einer allgemeinen Erwärmung des Antriebssystems beim Atmosphärenwiedereintritt einstellt. Beispielsweise ist es bekannt, dass aufgrund aerothermodynamischer Effekte beim Atmosphärenwiedereintritt eine erhebliche Reibungswärme erzeugt wird, die beispielsweise einen Satelliten und dessen Komponenten allgemein aufheizt.
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Zusätzlich kann ein Heizelement in thermischer Verbindung mit dem Aktor stehen, der ein Formgedächtnismaterial aufweist, wobei das Einlasselement und/oder das Auslasselement von dem Heizelement mittels eines thermischen Entkopplungselements thermisch entkoppelt sind/ist, wodurch eine kurze Auslösezeit/Schließzeit des Ventils erreicht werden kann. Das Heizelement kann aufgeklebt sein, vorzugsweise auf dem Verbindungselement. Das Entkopplungselement kann aus einem Silikon, einem Elastomer oder einer Oxidkeramik sowie einer Kombination dieser Materialien hergestellt sein.
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Ebenfalls kann das Verschlusselement ein sich in Längsrichtung des Ventils erstreckender zylindrischer Körper sein, der überwiegend innerhalb des Vorspannelements geführt ist. Dadurch kann die Masse des Verschlusselements erhöht werden sowie das Verschlusselement als Führung für das Vorspannelement und/oder den Aktor dienen.
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Möglich ist auch, dass das Verschlusselement in dem zweiten Zustand in einen Dichtsitz gepresst ist, wobei das Verschlusselement und/oder der Dichtsitz mit einer weichmetallischen Beschichtung versehen sind/ist, vorzugsweise einer galvanischen Abscheidung von Gold, wodurch die Kräfte, die zur Erzielung einer dauerhaften Abdichtung erforderlich sind, verringert werden können. Die zuvor beschrieben höhere Masse des Verschlusselements aufgrund seiner Erstreckungsrichtung in der Längsrichtung des Ventils führt zu einem höheren Massenträgheitsmoment, was eine höhere plastische Verformung des Verschlusselements am Dichtsitz zur Folge hat.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Raumfahrzeugantriebssystem, insbesondere Satellitenantriebssystem, umfassend eines der vorherigen Ventile.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, wobei
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1 einen Längsschnitt eines Ventils gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, das sich in einem geöffneten Ausgangszustand befindet.
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In 1 ist ein Ventil gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet.
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Zunächst soll der Aufbau des Ventils 10 beschrieben werden, anschließend dessen Funktionsweise.
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Das Ventil 10 weist eine allgemein zylindrische Gestalt auf und erstreckt sich symmetrisch entlang einer Längsachse L, welche mit den Längsachsen sämtlicher nachfolgender Ventilkomponenten zusammenfällt.
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Das Ventil 10 hat ein rohrförmiges Einlasselement 12, das mit einer nicht dargestellten Fluidleitung, beispielsweise eines Raumfahrzeugantriebssystems, insbesondere eines Satellitenantriebssystems, koppelbar ist. Ausgehend von einem solchen zur Kopplung mit einer Fluidleitung geeigneten Ende 14 erstreckt sich das Einlasselement 12 entlang der Längsachse L rohrförmig mit einer als durchmesserkonstanten Bohrung 16 ausgebildeten Einlassleitung 16. Entlang dieser Bohrung 16 weist das zylinderförmige Einlasselement 12 in Längsrichtung einen als zylinderförmigen Vorsprung ausgebildeten Montageabschnitt 18 auf, der nachfolgend näher erläutert wird, sowie auf diesen Montageabschnitt 18 folgende radial verlaufende Durchgangsbohrungen 20 durch das Einlasselement 12, welche die Bohrung 16, d. h. das Innere des Einlasselements 12, mit dem Äußeren des Einlasselements 12 fluiddurchlässig verbinden.
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Diese Durchgangsbohrungen 20 verlaufen hier äquidistant entlang einer Ebene durch das Einlasselement 12 und durch die Längsachse L, wobei jeweils zwei Gruppen von vier solcher Durchgangsbohrungen 20 senkrecht zueinander angeordnet sind. Darüber hinaus sind die Durchgangsbohrungen 20 in ihrer Erstreckungsrichtung von der Bohrung 16 nach Außen in einer zum Ende 14 des Einlasselements 12 entgegengesetzten Richtung geneigt. Im Anschluss an die Durchgangsbohrungen 20 endet die Bohrung 16 als Sacklochbohrung 22 geringeren Durchmessers.
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In einem entlang der Längsachse L mittleren Bereich der Sacklochbohrung 22 ist die Wanddicke des Einlasselements 12 mittels einer radial außerhalb des Einlasselements 12 umlaufenden Kerbe 24 auf ein Minimum entlang des Einlasselements 12 reduziert. Diese Kerbe 24 stellt eine Sollbruchstelle dar. Nach der Sacklochbohrung 22 folgt ein vollzylinderförmiges Verschlusselement 26, welches sich über zwei Drittel seiner Länge entlang der Längsachse L zylinderförmig erstreckt und an seinem letzten Drittel sich radial ringförmig zu einem Leitungsabschnitt 28 mit zur Längsachse L parallel verlaufenden Durchgangsbohrungen 30 erweitert, um daraufhin von dem gleichen Außendurchmesser wie die ersten zwei Drittel des Verschlusselements 26 als kuppelförmiger Dichtkolben 32 zu enden.
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Das Ventil 10 hat außerdem ein Auslasselement 34, das ebenso wie das Einlasselement 12 mit einer nicht dargestellten Fluidleitung, beispielsweise eines Raumfahrzeugantriebssystems, insbesondere eines Satellitenantriebssystems, koppelbar ist.
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Ausgehend von einem solchen zur Kopplung mit einer Fluidleitung geeigneten Ende 36 erstreckt sich das Auslasselement 34 entlang der Längsachse L rohrförmig mit einer als durchmesserkonstanten Bohrung 38 ausgebildeten Auslassleitung 38. Das Auslasselement 34 ist hier als ein mehrfach abgestufter Hohlzylinder ausgebildet, wobei ein vom Ende 36 beabstandeter erster zylinderförmiger Vorsprung 40 in einen zweiten Vorsprung 41 übergeht. Innerhalb dieses zweiten Vorsprungs 41 erweitert sich die Bohrung 38 an dem zum Verschlusselement 26 gerichteten Ende des Auslasselements 34 zu einem konusförmigen Dichtsitz 42.
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Dichtkolben 32 und/oder Dichtsitz 42 sind mit einer weichmetallischen Beschichtung versehen, vorzugsweise einer galvanischen Abscheidung von Gold.
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Ein als Venitlgehäuse 44 ausgebildetes Verbindungselement 44 aus einer NiCr- oder Ti-Legierung verbindet das Einlasselement 12 und das Auslasselement 34 mittels einer jeweils umlaufenden Schweißnaht 46 derart, dass der Dichtkolben 32 und der Dichtsitz 42 in einem unbetätigten Ausgangszustand des Ventils entlang der Längsachse L voneinander in einem Abstand S beabstandet sind. Das Verbindungselement 44 ist ein abgestufter Hohlzylinder, wobei ein erster Bereich 48 geringeren Innendurchmessers auf den Montageabschnitt 18 des Einlasselements 12 aufschiebbar ist und ein zweiter Bereich 50 größeren Innendurchmessers auf Stoß auf den zweiten Vorsprung 41 des Auslasselements 34 und bündig mit diesem aufschiebbar ist. Dabei hat der zweite Bereich 50 einen größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Einlasselements 12 auf Höhe der Durchgangsbohrungen 20, sodass ein Fluiddurchgangsraum 51 im Inneren des Verbindungselements 44 zwischen dem Einlasselement 12 und dem Auslasselement 34 vorhanden ist.
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Ein Aktor 52 erstreckt sich hohlzylinderförmig entlang der Innenwand des Verbindungselements 44 zwischen dem ersten Bereich 48 und dem Leitungsabschnitt 28. Dabei ist der Aktor 52 an seinem dem Leitungsabschnitt 28 zugewandten Ende 54 radial nach innen zylinderförmig in einem Abstand zum Verschlusselement 26 abgestuft. Der Aktor 52 ist ein Formgedächtnisaktor 52, der vor seinem Einbau in das Verbindungselement 44 gestaucht wird, sodass er erst bei Erreichen einer Phasenumwandlungstemperatur expandiert.
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Ein als Spiraldruckfeder 56 ausgebildetes vorgespanntes Vorspannelement erstreckt sich entlang der Innenwand des Aktors 52 zwischen dem ersten Bereich 48 und dem abgestuften Ende 54 des Aktors 52.
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Ein elektrisches Heizelement 58 ist auf die Außenmantelfläche des Verbindungselements 44 geklebt. Das Heizelement 58 erstreckt sich dabei hohlzylindrisch konzentrisch zum Aktor 52 entlang der Längsachse L, sodass es einen Großteil des Aktors 52 umgibt. Dabei ist der kürzeste Abstand des Heizelements 58 zu dem Einlasselement 12 und dem Auslasselement 34 immer noch größer als der kürzeste Abstand des Heizelements 58 zum Aktor 52.
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Thermische Entkopplungselemente 60 befinden sich jeweils an der Außenmantelfläche des ersten Bereichs 48 des Verbindungselements 44 und an der Außenmantelfläche des ersten Vorsprungs 40 des Auslasselements 34. Die Entkopplungselemente 60 können aus Silikon, einem Elastomer oder einer Oxidkeramik sowie einer Kombination dieser Materialien hergestellt sein.
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Als nächstes soll die Funktionsweise des Ventils 10 beschrieben werden.
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In dem in 1 gezeigten ersten Zustand des Ventils 10 ist eine Fluidleitung geöffnet. Die Pfeile zeigen den Fluidfluss durch die Einlassleitung 16, die Durchgangsbohrungen 20 des Einlasselements 12, den Fluiddurchgang 51, das Innere des abgestuften Endes 54 des Aktors 52, die Durchgangsbohrungen 30 des Leitungsabschnitts 28 und die Auslassleitung 38.
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In einem nicht gezeigten zweiten Zustand des Ventils 10 ist der Aktor 52 nach Erreichen einer Phasenumwandlungstemperatur aufgrund der Hitzeeinwirkung durch das Heizelement 58 expandiert und hat zusammen mit dem Vorspannelement 56 eine Bruchkraftgrenze erreicht, die zum Abreißen des Verschlusselements 26 von dem Einlasselement 12 an der Kerbe 24 geführt hat. Daraufhin hat das Vorspannelement 56 das abgerissene Verschlusselement 26 mit dessen Dichtkolben 32 in den Dichtsitz 42 gepresst, in welchem das Vorspannelement 56 den Dichtkolben 32 auch weiterhin zuverlässig hält. Somit ist in diesem zweiten Zustand die Fluidleitung an der Stelle zwischen den Durchgangsbohrungen 30 des Leitungsabschnitts 28 und der Auslassleitung 38 fluiddicht getrennt. Dieser Zustand ist aufgrund des Abreißvorgangs des Verschlusselements 26 von dem Einlasselement 12 irreversibel, d. h. das Ventil 10 kann nur ein einziges Mal geschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014002972 A1 [0003]
- US 2013/0167377 A1 [0004]
- US 3974844 A [0005]
- US 4973024 A [0006]
- DE 202012104460 U1 [0007]
- DE 102011054458 A1 [0008]
- JP 2009092130 A [0009]
