DE1961794C3

DE1961794C3 - Thermostatic bimetal steep member

Info

Publication number: DE1961794C3
Application number: DE19691961794
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing.; Woidneck Heinz DipL-Ing.; Nikisch Horst Dipl.-Ing.; 2800 Bremen; Kremmer Michael DipL-Ing. 2806 Leeste Käselau
Original assignee: Erno-Raumfahrttechnik Gmbh, 2800 Bremen
Filing date: 1969-12-10
Publication date: 1977-06-30

Description

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Die Erfindung betrifft ein thermostatisches Bimetall-Stellglied mit einer spiralförmigen Thermobimetallanordnung, insbesondere für Raumfahrtzwecke.The invention relates to a thermostatic bimetal actuator with a spiral-shaped thermobimetal arrangement, especially for space travel.

Bei Raumflugkörpern ist es üblich, Regelkreise zur Steuerung irgendwelcher Anordnungen zu benutzen. Die Verstellung der entsprechenden Anordnungen erfolgt dabei meistens durch elektromotorische Antriebe und nachgeschaltete Getriebe. Derartige, für Zwecke der Raumfahrt entwickelte Stellglieder, sind aber sehr teuer und aufgrund der Vielzahl ihrer Einzelteile und der auftrei enden Dichtungsprobleme auch sehr unzuverlässig. Zur Vermeidung von Kaltversclnweißungen müssen die Getriebe nämlich in einer Zwischenatmosphäre arbeiten, so daß Abdichtungsschwierigkeiten für die bewegten Teile zum Hochvakuum erwachsen. Außerdem ist man grundsätzlich bestrebt, die Anzahl der beweglichen Teile so gering wie möglich zu halten. Diese Forderung läßt sich aber mit elektromotorischen Antrieben, die darüberhinaus zusätzliche Schwierigkeiten durch ihr Gewicht und durch ihren Raumbedarf bereiten, nicht erfüllen.With spacecraft it is common to use control loops to control some arrangement. The adjustment of the corresponding arrangements is mostly done by electric motor drives and downstream gearboxes. Such actuators, developed for space travel purposes, are, however, very expensive and also very unreliable due to the large number of individual parts and the sealing problems that arise. In order to avoid cold welding, the gears must be in an intermediate atmosphere work, so that sealing difficulties arise for the moving parts to the high vacuum. Besides that the aim is to keep the number of moving parts as low as possible. However, this requirement can be met with electric motor drives, which also have additional difficulties by their weight and by their space requirements prepare, not fulfill.

Zur Verstellung irgendwelcher Anordnungen ist es auch bekannt, thermostatische Bimetall-Stellglieder zu benutzen. Derartige Stellglieder haben ein geringes Gewicht und eine große Lebensdauer, so daß sie sich besonders gut als Stellglieder in Raumflugkörpern eignen. Schwierigkeiten entstehen jedoch durch die Sonnenbestrahlung und die hierdurch entstehende Wärme, die bei bestimmten Anwendungsfällen auch eine unerwünschte Beeinflussung des thermostatischen Bimetall-Stellgliedes zur Folge haben kann.To adjust any arrangements, it is also known to use thermostatic bimetal actuators use. Such actuators are light in weight and have a long service life, so that they can particularly suitable as actuators in spacecraft. Difficulties arise, however, from the Solar radiation and the resulting heat, which in certain applications as well can have an undesirable effect on the thermostatic bimetal actuator.

Erfindungsgemäß werden die geschilderten Nachteile bei Stellgliedern, insbesondere in Raumflugkörpern, dadurch vermieden, daß das Stellglied aus zwei gleichsinnig gewickelten, jedoch gegenläufig geschalteten und an ihren äußeren Enden miteinander verbundenen Bimetall-Spiralen besteht, deren innere Enden an einem feststehenden Teil bzw. an der zu verstellenden Anordnung befestigt sind und daß die verstellbare Anordnung ein Sonnendach trägt, das zum Schutz der Bimetall-Stellglieder gegen Sonnenbestrahlung dient.According to the invention, the disadvantages described in actuators, especially in spacecraft, avoided by the fact that the actuator consists of two co-wound, but switched in opposite directions and bimetallic spirals connected to one another at their outer ends, the inner ends of which are attached a fixed part or are attached to the arrangement to be adjusted and that the adjustable Arrangement carries a sun canopy, which serves to protect the bimetal actuators against solar radiation.

Die erfindungsgemäßc Anordnung hat den großen Vorteil der Unempfindlichkeit gegen Weltraumeinflüsse und erfordert nur einen geringen Raumbedarf. Darüberhinaus kann dieses Stellglied in ein einfaches Gehäuse eingebaut werden, da hierbei im Gegensatz zu einem Getriebe keine Dichtungsprobleme bestehen.The arrangement according to the invention has the great advantage of being insensitive to the effects of space and only requires a small amount of space. In addition, this actuator can be in a simple housing can be installed, since, in contrast to a gearbox, there are no sealing problems.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtFurther details of the invention are based on an embodiment shown in the drawing explained in more detail. It shows

Fig. 1 ein thermostatisches Bimetall-Stellglied im Schnitt,1 shows a thermostatic bimetal actuator in section,

Fig. 2 einen Schnitt 11-11 nach F i g. 1 undFIG. 2 shows a section 11-11 according to FIG. 1 and

F i g. 3a bis 3c drei verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung der Heizdrähte an den Bimctallspiralen.F i g. 3a to 3c three different possibilities for the arrangement of the heating wires on the bimetal spirals.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt die Außenwand 10 eines Raumflugkörpers, an der ein Rohrstutzen 11 befestigt ist. In der Wand 10 ist an der Stelle, an welcher der Rohrstutzen 11 angebracht ist, eine Bohrung 12 vorgesehen, deren Durchmesser dem Innendurchmesser des Rohrstut/ens 11 angepaßt ist. Auf das äußere Ende des Rohrstutzens 11 ist eine spiralförmige Bimetallfeder 13 aufgesteckt, deren inneres Ende ar dem Rohrstutzen befestigt ist. Das äußere Ende dieser spiralförmigen Bimetallfeder 13 ist durch eine Lasche 14 mit dem äußeren Ende einer zweiten spiralförmigen Bimetallfeder 15 verbunden, die auf eine Hülse 16 aufgesteckt und mit ihrem inneren Ende an der Hülse befestigt ist. In die Hülse 16 ist zur Vermeidung von Wärmeverlusten eine Isolierbuchse 17 und eine durch den Rohrstutzen 11 bis in den Raumflugkörper reichende Hohlwelle 18 eingesteckt. Die Hohlwelle 18 ist durch die Isolierbuchse 17 fest mit der Hülse 16 verbunden und im Raumflugkörper auf geeignete Weise gelagert.The embodiment shown in Figs comprises the outer wall 10 of a spacecraft to which a pipe socket 11 is attached. In the wall 10 is at the point at which the pipe socket 11 is attached is, a bore 12 is provided, the diameter of which is adapted to the inner diameter of the tubular stub / ens 11 is. On the outer end of the pipe socket 11 a spiral bimetallic spring 13 is attached, the inner end ar attached to the pipe socket. The outer end of this spiral bimetal spring 13 is connected by a tab 14 to the outer end of a second spiral-shaped bimetal spring 15, the is placed on a sleeve 16 and attached to the sleeve with its inner end. In the sleeve 16 is for Avoidance of heat losses an insulating bushing 17 and one through the pipe socket 11 to the Spacecraft reaching hollow shaft 18 inserted. The hollow shaft 18 is fixed with the insulating bushing 17 connected to the sleeve 16 and stored in the spacecraft in a suitable manner.

Die spiralförmigen Bimetallfedern 13 und 15 sind so angeordnet und miteinander verbunden, daß sie trotz gleicher Wickelsinne gegeneinander arbeiten. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten sind die Bimetallfedern 13 und 15 in ein Gehäuse eingebaut, das aus einem feststehenden Deckel 20 und einem beweglichen topfförmigen Grundkörper 19 besteht. Der Deckel 20 ist an dem Rohrstutzen 11 befestigt, während der Grundkörper 19 an der Hülse 16 befestigt ist und sich mit ihr dreht. Die Innenwand des Grundkörpers 19 und des Deckels 20 sind zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch Strahlung vergoldet. Am Grundkörper 19 ist darüberhinaus ein Sonnendach 21 vorgesehen, welches das Gehäuse vor Sonnenbestrahlung schützt. Das Sonnendach 21 ist mit einer Reflexionsschicht versehen, welche eine nahezu vollständige Reflexion der Sonnenstrahlen gewährleistet. Um eine einwandfreie Beschattung des Gehäuses 19,20 auch bei einer Wanderung des Sonnenvektors zu gewährleisten, ist das Sonnendach 21 in Achsrichtung der Hohlwelle 18 entsprechend breiterThe spiral bimetal springs 13 and 15 are arranged and connected to one another that they despite the same winding senses work against each other. The bimetal springs are used to avoid heat loss 13 and 15 built into a housing, which consists of a fixed cover 20 and a movable one cup-shaped base body 19 consists. The cover 20 is attached to the pipe socket 11, during the Base body 19 is attached to the sleeve 16 and rotates with her. The inner wall of the base body 19 and of the cover 20 are gold-plated to avoid heat loss due to radiation. Is on the base body 19 In addition, a sunroof 21 is provided, which protects the housing from solar radiation. The Sunroof 21 is provided with a reflective layer, which almost completely reflects the sun's rays guaranteed. In order to ensure proper shading of the housing 19, 20 even when the To ensure the sun vector, the sunroof 21 is correspondingly wider in the axial direction of the hollow shaft 18

als das Gehäuse 19 und der Deckel 20 ausgebildet. Die Breite des Sonnendaches ist hier für einen Einsau in äquatorialen Umlaufbahnen so bemessen, daß eine Beschattung des Gehäuses bei der auftretenden Wanderung des Sonnenvektors bis zu ± 23,5°, die sich durch die Schräglage der Erdachse ergibt, gewährleistet ist.designed as the housing 19 and the cover 20. The width of the sun canopy is here for a one-in equatorial orbits dimensioned so that a shadowing of the housing when occurring Migration of the sun vector up to ± 23.5 °, which results from the inclined position of the earth's axis, is guaranteed is.

Bei einer Beheizung der thermostatischen Bimetallspiralen 13 und 15 lenken diese aus und verdrehen dabei die Hohlwelle 18 in Richtung der Pfeile 22. Die Beheizung der Bimetallspiralen 13 und 15 wird durch einen Regler gesteuert. Durch die Aufteilung des thermostatischen Bimetall-Stellgliedes in zwei Spiralen werden radiale Auslenkungen kompensiert, so daß Reibungen an der Innenwand des Gehäusegrundkörpers 19 nicht entstehen können. Darüberhinaus kann der Durchmesser des Gehäuses durch die Aufteilung klein gehalten werden.When the thermostatic bimetallic spirals are heated 13 and 15 deflect them and rotate the hollow shaft 18 in the direction of arrows 22. The The heating of the bimetallic spirals 13 and 15 is controlled by a controller. By dividing the thermostatic bimetal actuator in two spirals are compensated for radial deflections so that Frictions on the inner wall of the housing base body 19 cannot arise. In addition, the Diameter of the housing can be kept small by the division.

Bei der Abkühlung der Bimetallspiralen 13 und 15 ziehen sich die Spiralen zusammen, st.· daß eine Drehbewegung entsteht, die den Pfeilen 22 entgegengerichtet ist. Dies ist bei wiederholten Stellzyklcn erforderlich, da der Stellwinkel dieser Anordnung begrenzt ist, und diese vor einem neuen Zyklus wieder in die Ausgangsstellung zurückgedreht werden muß. Sollte es unter Umständen auch während der Phasen der Sonneneinstrahlung notwendig werden, von der Thermobimetallanordnung Wärme abzuführen, dann wird dieses ebenfalls durch das Sonnendach 21 ermöglicht. Das Sonnendach ist an dem Gehäusegrundkörper 19 befestigt, der wiederum starr mit der Hohlwelle 18 über die Hülse 16 verbunden ist. Alle Stellbewegun^en werden somit von dem Sonnendach 21 mit ausgeführt. Somit ist das Gehäuse 19, 20 stets beschattet, so daß Wärme, insbesondere in der Abkiihlpha.se, nach allen Seiten abgestrahlt v/erden kann.When the bimetallic spirals 13 and 15 cool, the spirals contract, st. · That one Rotational movement arises which is directed in the opposite direction to the arrows 22. This is the case with repeated actuating cycles required, since the adjustment angle of this arrangement is limited, and this again before a new cycle the starting position must be turned back. It should also be possible during the phases of the Solar radiation will be necessary from the thermal bimetal arrangement To dissipate heat, this is also made possible by the sun roof 21. The sun canopy is attached to the housing body 19, which in turn is rigidly connected to the hollow shaft 18 the sleeve 16 is connected. All adjusting movements are thus carried out by the sunroof 21. Thus, the housing 19, 20 is always shaded so that Warmth, especially in the cooling phase, after all Sides radiated can be grounded.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellglied ergeben sich je nach Heiz- und Abkühlphase eine Stell- und eine Rückstellperiode, die je nach Aufgabenstellung sowohl der einen als auch tier alitieren Phase zugeordnet werden können. Wird eine kurze Rückstellzeit gewünscht, so ist es zweckmäßig, die Heizphasc der Rücksteliperiode zuzuordnen, während es umgekehrt zweckmäßig ist, die Heizphase der Stcllbcwcjung zuzuordnen, wenn eine kurze Siellzeit gefordert ist. Das dargestellte Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und F i g. 2 ist als Stellglied für Ausleger von Sonnenzellengcnenitoren vorgesehen. F.s ist aber auch möglich, diesesIn the case of the actuator according to the invention, depending on the heating and cooling phases, there is one setting and one setting Retention period, which, depending on the task, is assigned to both the one phase and the animal-based phase can be. If a short reset time is required, so it is useful to assign the heating phase to the reset period, while it is the other way around It is advisable to assign the heating phase to the phase when a short saturation time is required. The illustrated embodiment according to FIG. 1 and F i g. 2 is used as an actuator for booms of solar panels intended. But it is also possible to do this

ίο .Stellglied zur Verstellung eines Meß- oder eines Experimeniensensors, einer Antenne oder auch zur Verstellung von Schubdüsen zu verwenden.ίο. Actuator for adjusting a measuring or a Experiment sensors, an antenna or to adjust thrusters.

In F i g. Jc ist ein Querschnitt einer Bimetallleder dargestellt, während F i g. 3a und 3b zwei Möglichkeiten für die Anbringung der Heizdrähle auf den Bimetallfedern andeuten. Die Bimetallfedern bestehen aus einem Bimelallflachband 30, die von einer gleichförmigen Isolierfolie 31 umgeben sind. Die Isolierfolie 31 ist auf einer Seile mit einem Heizdraht 32 belegt. Über dem Heizdraht 32 ist noch eine Deckfolie 33 angeordnet. Die Heizdrähte 32 sind mäanderförmig angeordnet und können, wie in Fig. 3a dargestellt, spiegelbildlich zueinander liegen oder, wie F i g. 3b zeigt, über die gesamte Breite des Bimetallflachbandes 30 geführt werden. Die mäanderförmige Führung der Heizdrähte 32 verhindert auch bei starken Formänderungen der Bimetallfedern eine Beschädigung der Heizdrähte und gewährleistet darüberhinaus eine gute Temperaturverteilung. In Fig. Jc is a cross section of a bimetal leather shown, while F i g. 3a and 3b two options for attaching the heating wires to the bimetal springs suggest. The bimetallic springs consist of a bimetal flat strip 30, which is of a uniform Insulating film 31 are surrounded. The insulating film 31 is on one rope covered with a heating wire 32. A cover film 33 is also arranged over the heating wire 32. the Heating wires 32 are arranged in a meandering shape and, as shown in FIG. 3a, can be mirror images lie to one another or, as shown in FIG. 3b shows, guided over the entire width of the bimetallic flat strip 30 will. The meander-shaped guidance of the heating wires 32 prevents even with strong changes in shape of the Bimetal springs damage the heating wires and also ensure good temperature distribution.

Das erfindungsgemäße Stellglied zeichnet sich durch eine Reihe weiterer Vorteile aus. So läßt sich hiermit eine große Anzahl von Arbeitszyklen durchführen, was sehr bedeutend für die Lebensdauer ist. Thermostatische Stellglieder lassen sich in wenigen Arbeitsgängen herstellen, so daß sie auch sehr billig sind. Weiterhin ist die Ansprechzeit derartiger Stellglieder wegen ihrer geringen Wärmekapazität gering und die Auslenkung in einem weiten Bereich der Temperatur direkt optimal.The actuator according to the invention is characterized by a number of other advantages. So can be herewith perform a large number of work cycles, which is very important for the service life. Thermostatic Actuators can be manufactured in a few operations, so that they are also very cheap. Furthermore is the response time of such actuators is low because of their low heat capacity and the deflection in directly optimal over a wide temperature range.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Thermostatic bimetal actuator, especially for aerospace purposes, with a spiral-shaped s Bimetal arrangement, characterized in that that the bimetal actuator consists of two wound in the same direction, but switched in opposite directions and at their outer ends interconnected spirals (13, 15), the inner ends of which are attached a fixed part (11) or attached to the arrangement (18) to be adjusted, and that the adjustable arrangement carries a sun canopy (21) which protects the thermal bimetallic arrangement serves against solar radiation.

2. Thermostatic bimetal actuator according to claim 1, characterized in that the two spirals (13, 15) are arranged coaxially next to one another and their outer ends are connected to one another, and that the inner end of one spiral (13) on a fixed pipe socket ( 11) befesiigi is! and the inner end of the other spiral (15) is connected to the shaft (18) guided through the pipe socket to be adjusted.

3. Thermostatic bimetal actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the spiral thermal bimetal arrangement (13, 15) in a box-shaped housing (19, 20) consisting of two parts is accommodated and one part (20) of the housing on the pipe socket (11) and the other part (19) is attached to the shaft (18) to be adjusted.

4. Thermostatic bimetal actuator according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the thermal bimetallic arrangement (13, 15) for electrical heating with heating wires (32) is provided, which is applied in a meandering manner to the bimetallic springs (30).