DE19627095C1

DE19627095C1 - Two-position latching electromagnetic valve of liquid-pressurised pipe systems e.g. for space flight vehicles drive systems

Info

Publication number: DE19627095C1
Application number: DE19627095A
Authority: DE
Inventors: Manfred Steenborg
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus DS GmbH
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2016-07-06

Abstract

The valve has its inlet (2) and outlet (3) at opposite ends of its housing (1) which encloses a hollow cylindrical armature (6) with a central annular ferromagnetic projection (8) movable axially in the gap between two coils (4,5). The armature extends into a plunger (9) carrying a sealing head (10) and bellows (11) at the outlet end. The inlet end is terminated with a flange (17) and another bellows (16). At each end a main spring washer (21) is provided with a subsidiary spring washer (22) sliding along it in the same annular space (19).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ventil für flüssigkeitsbeaufschlagte Leitungssysteme, das in seiner geöffneten und geschlossenen Endlage jeweils stromlos geschaltet und mittels Federkraft in dieser Endlage verriegelt wird.The invention relates to an electromagnetic valve for liquid pressurized piping systems, the in its open and closed end positions each switched off and by spring force in it End position is locked.

Ventile dieser Art finden unter anderem in Antriebs systemen von Raumflugkörpern Verwendung, wo sie als Sicherheitsventile in Treibstoffleitungen sowie zur Steuerung der Treibstoffzufuhr aus einer Anzahl von Vorratsbehältern dienen. Sie werden insbesondere als sogenannte Latching-Valves eingesetzt. Dies sind Ventile, die in das Treibstoffzufuhrsystem in der Nähe der Treibstoffbehälter integriert sind und die ein Aus laufen dieser Behälter bei einer Beschädigung oder Undichtigkeit des nachgeschalteten Rohrleitungssystems verhindern sollen, indem sie in einem solchen Fall die Treibstoffzufuhr unterbrechen oder in ein aus Redundanzgründen vorgesehenes zweites Rohrleitungs system umleiten, so daß die Funktion des Antriebs systems nach wie vor erhalten bleibt.Valves of this type are found, among other things, in actuators systems of spacecraft use where they as Safety valves in fuel lines and for Control fuel delivery from a number of Serve storage containers. In particular, they are considered so-called latching valves are used. these are Valves in the fuel delivery system nearby the fuel tank are integrated and the one This container will run out if damaged or Leakage of the downstream piping system should prevent by in such a case the Shut off or in on Second pipeline provided for reasons of redundancy redirect system so that the function of the drive systems remains intact.

Latching-Valves sind üblicherweise so konstruiert, daß nur für den eigentlichen Schaltvorgang ein elektrischer Strom fließen muß, während die geschlossene bzw. offene Endlage des Ventilstößels jeweils mechanisch verriegelt wird, zumeist mittels Federkraft.Latching valves are usually designed so that an electric one only for the actual switching process Electricity must flow while the closed or open End position of the valve lifter mechanically locked mostly by spring force.

Insbesondere bei Raumfahrtsystemen wird an ein solches Ventil die zusätzliche Anforderung gestellt, daß es auch noch die Funktion eines Rückschlagventils über nehmen können muß. Dies ist beispielsweise dann von Bedeutung, wenn sich, bedingt durch thermische Ein flüsse, ein Druckanstieg in einem der beiden vor bzw. hinter dem Ventil befindlichen Flüssigkeitsvolumina einstellt. Sofern dieser Druckanstieg vor dem Ventil entsteht, ist dies in der Regel nicht problematisch, da sich die Flüssigkeit gleichsam nach rückwärts in den Treibstofftank ausdehnen kann, dessen Wandungen eine geringfügige Volumenvergrößerung ohne weiteres tolerieren und der dadurch als Druckausgleichsbehälter wirkt. Diese Möglichkeit ist in dem triebwerksseitig vom Ventil befindlichen Rohleitungssystem gewöhnlich nicht gegeben, so daß hier ein Druckanstieg aufgrund der Inkompressibilität der Treibstoffflüssigkeit zu Beschädigungen des Leitungssystems und damit zu einem ungewollten Austritt des Treibstoffs führen kann.Such is particularly the case with space systems Valve made the additional requirement that it also the function of a check valve must be able to take. This is for example from Meaning if, due to thermal on flows, a pressure increase in one of the two before or Volume of liquid behind the valve sets. If this pressure increase before the valve arises, this is usually not problematic because the liquid moves backwards into the Can expand fuel tank, the walls of which slight increase in volume without further ado tolerate and thus as a surge tank works. This possibility is in the engine side pipe system located from the valve usually not given, so that here an increase in pressure due the incompressibility of the fuel liquid Damage to the pipe system and thus to one can lead to unwanted fuel leakage.

Im Prinzip ist bei einem derartigen Ventil die Möglichkeit eines rückwärtigen Druckausgleichs, des sogenannten Back Reliefs, zurück zum Treibstofftank zwar dadurch gegeben, daß bei Erreichen eines gewissen Maximaldrucks die Vorspannkraft der Feder überschritten wird, die das Ventil in seiner geschlossenen Endlage fixiert. Um aber eine sichere Schließfunktion des Ventils zu gewährleisten, wird diese Vorspannkraft üblicherweise recht hoch gewählt. Der zu ihrer Über windung erforderliche Flüssigkeitsdruck wäre so hoch, daß bereits die Gefahr von Leitungsbeschädigungen gegeben wäre. Andererseits würde ein Herabsetzen dieser Vorspannkraft die Gefahr in sich bergen, daß bei auftretenden Vibrationsbeanspruchungen in der Bewegungsrichtung des Ventilstößels dieser ohne einen elektrischen Schaltimpuls möglicherweise von selbst aus der geschlossenen in die offene Endlage umspringen würde.In principle, with such a valve Possibility of a back pressure equalization, the so-called back reliefs, back to the fuel tank given that when a certain Maximum pressure exceeded the preload force of the spring the valve is in its closed end position fixed. However, in order to ensure that the To ensure the valve, this preload usually chosen quite high. The one about her fluid pressure required would be so high that already the risk of line damage would be given. On the other hand, reducing this would Preload force the danger that at occurring vibration stresses in the Direction of movement of the valve lifter without this electrical switching pulse possibly by itself switch from the closed to the open end position would.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es bei einem möglichst einfachen Aufbau in der Lage ist, auftretende Druckdifferenzen zwischen der Einlaß- und Auslaßseite zuverlässig auszugleichen.The object of the invention is a valve of the beginning mentioned type so that it is at a the simplest possible structure is able to occur Pressure differences between the inlet and outlet side balance reliably.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Ventil, bei dem zusätzlich zu einer die jeweilige Endlage verriegelnden ersten Feder wenigstens eine weitere Feder vorgesehen ist, die in Reihe mit der die ge schlossene Endlage verriegelnden Feder geschaltet ist und deren Federkraft geringer bemessen ist als die jenige der die Endlage verriegelnden Feder.The invention solves this problem with a valve in addition to the respective end position locking first spring at least one more Spring is provided in series with the ge closed end position locking spring is switched and whose spring force is smaller than that that of the spring locking the end position.

Das Ventil nach der Erfindung weist dabei nicht nur den Vorteil auf, daß sich durch eine geeignete Wahl der zusätzlichen Feder das Druckniveau, bei dem das Ventil seine Back Relief-Funktion wahrnimmt, sehr genau vor geben läßt, sondern daß es sich insbesondere auch für eine problemlose Nachrüstung eignet. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Ventil sehr einfach und kosten günstig zu fertigen.The valve according to the invention not only has the Advantage on that through a suitable choice of additional spring the pressure level at which the valve performs its back relief function very precisely can be given, but that it is especially for easy retrofitting is suitable. Beyond that the valve according to the invention very simple and cost cheap to manufacture.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet. Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.Further advantageous embodiments are the Characterized the subclaims. Below the invention is based on Darge in the drawing presented embodiments are explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ventil, Fig. 1 shows a longitudinal section through a valve,

Fig. 2 und 3 jeweils eine Detaildarstellung der Anordnung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 and 3 are a detailed representation of the arrangement of FIG. 1 and

Fig. 4 eine Detaildarstellung eines zweiten Ventils. Fig. 4 shows a detail of a second valve.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein elektrisch betätigtes Ventil, das als sogenanntes Latching-Valve für das Treibstoff versorgungssystem eines Raumflugkörpers vorgesehen ist. Ähnliche Ventile werden aber beispielweise auch in Hydrauliksystemen von Flugzeugen eingesetzt. Das Ventil besteht aus einem Gehäuse (1), an das endseitig je ein Einlaß (2) und ein Auslaß (3) angesetzt sind. Der Einlaß (2) ist über eine Zuleitung mit einem hier nicht dargestellten Treibstoffbehälter bzw. mit einer Anzahl solcher Behälter zur Aufnahme eines flüssigen Treib stoffes verbunden. Der Auslaß (3) führt zu einem in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten Leitungs system, das in einem oder mehreren Triebwerken mündet. The embodiment shown in FIG. 1 is an electrically operated valve which is provided as a so-called latching valve for the fuel supply system of a spacecraft. Similar valves are also used, for example, in hydraulic systems in aircraft. The valve consists of a housing ( 1 ) to which an inlet ( 2 ) and an outlet ( 3 ) are attached at each end. The inlet ( 2 ) is connected via a feed line to a fuel tank, not shown here, or to a number of such tanks for receiving a liquid fuel. The outlet ( 3 ) leads to a line system, also not shown in the drawing, which opens into one or more engines.

Im Inneren des Ventilgehäuses sind zwei stromdurch flossene Spulen (4 bzw. 5) angeordnet, zwischen denen ein Anker (6) in Richtung der Längsachse des Ventils beweglich gehaltert ist. Der Anker (6) besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Hohlkörper (7), der in seinem mittleren Bereich einen ringförmigen Ansatz (8) trägt. Letzterer ragt in den von den beiden Spulen (4 und 5) gebildeten Ringspalt und wird, da er aus einem ferromagnetischen Wertstoff besteht, vom Magnetfeld der Spulen (4 und 5), sofern diese von Strom durchflossen sind, beaufschlagt.Two coils ( 4 and 5 ) through which current flows are arranged in the interior of the valve housing, between which an armature ( 6 ) is movably held in the direction of the longitudinal axis of the valve. The armature ( 6 ) consists essentially of a cylindrical hollow body ( 7 ) which carries an annular extension ( 8 ) in its central region. The latter protrudes into the annular gap formed by the two coils ( 4 and 5 ) and, since it consists of a ferromagnetic material, is acted upon by the magnetic field of the coils ( 4 and 5 ), provided that current flows through them.

In Richtung auf den Auslaß (3) verjüngt sich der Hohl körper (7) und läuft in einen Stempel oder Stößel (9) aus, der einen Dichtkopf (10) trägt. Der Stößel (9) ist von einem Wellenbalg (11) umgeben, wobei der Raum zwischen dem Stößel (9) und dem Wellenbalg (11) einlaß seitig über Durchlaßbohrungen (12) mit dem Innenraum des Hohlkörpers (7) verbunden ist, während er auslaß seitig durch einen ebenfalls mit Durchlaßbohrungen (13) versehenen Flansch (14) begrenzt wird. Die Durchlaß bohrungen (13) führen zu einem weiteren Hohlraum (15), in dem sich der Dichtkopf (10) bewegen kann.In the direction of the outlet ( 3 ) the hollow body ( 7 ) tapers and runs into a stamp or plunger ( 9 ) which carries a sealing head ( 10 ). The plunger ( 9 ) is surrounded by a bellows ( 11 ), the space between the plunger ( 9 ) and the bellows ( 11 ) on the inlet side being connected via passage bores ( 12 ) to the interior of the hollow body ( 7 ) while it is outlet is limited on the side by a flange ( 14 ) also provided with through bores ( 13 ). The passage bores ( 13 ) lead to a further cavity ( 15 ) in which the sealing head ( 10 ) can move.

Auf der Einlaßseite geht der Hohlkörper (7) in einen zweiten Wellenbalg (16) über, der durch einen mit einer zentralen Bohrung versehenen Flansch (17) begrenzt wird. In zwei Ringräumen (18 und 19) des Ventilgehäuses (1) sind Tellerfedern (20 bis 22) angeordnet, deren Funktion nachfolgend noch näher erläutert wird. Zwei große Tellerfedern (20 und 21) stützen sich jeweils mit ihrem äußeren Rand über Folienscheiben (23) bzw. (24), die der Einstellung der Federvorspannkraft dienen, am Ventilgehäuse (1) ab. Während sich der innere Rand der Tellerfeder (20) unmittelbar an einem Ansatz des Hohlkörpers (7) abstützt, liegt der innere Rand der einlaßseitig angeordneten Tellerfeder (21) an einer zweiten, kleineren Tellerfeder (22) an, die zusätzlich zur Tellerfeder (21) im Ringraum (19) angeordnet ist und deren innerer Rand, wie in Fig. 2 im Detail zu erkennen ist, am Hohlkörper (7) anliegt. Der äußere Rand dieser kleineren Tellerfeder (22) gleitet, wie anhand der Fig. 2 und 3 ersichtlich, auf der größeren Tellerfeder (21) entlang. Die kleinere Tellerfeder (22) ist dabei im wesentlichen in einer ringförmigen Ausnehmung einer Führungsscheibe (25) untergebracht, an der sich andererseits die größere Tellerfeder (21) abstützt.On the inlet side, the hollow body ( 7 ) merges into a second bellows ( 16 ) which is delimited by a flange ( 17 ) provided with a central bore. Disc springs ( 20 to 22 ) are arranged in two annular spaces ( 18 and 19 ) of the valve housing ( 1 ), the function of which will be explained in more detail below. Two large disc springs ( 20 and 21 ) are supported on the valve housing ( 1 ) with their outer edge by means of film disks ( 23 ) and ( 24 ), which are used to adjust the spring preload. While the inner edge of the plate spring ( 20 ) is supported directly on a shoulder of the hollow body ( 7 ), the inner edge of the plate spring ( 21 ) arranged on the inlet side rests on a second, smaller plate spring ( 22 ) which, in addition to the plate spring ( 21 ) is arranged in the annular space ( 19 ) and, as can be seen in detail in FIG. 2, the inner edge of which rests on the hollow body ( 7 ). The outer edge of this smaller plate spring ( 22 ) slides along the larger plate spring ( 21 ), as can be seen from FIGS. 2 and 3. The smaller plate spring ( 22 ) is essentially accommodated in an annular recess in a guide disk ( 25 ), on the other hand, on which the larger plate spring ( 21 ) is supported.

Soll das Ventil, das in Fig. 1 in seiner geschlossenen Endlage dargestellt ist, in der der Dichtkopf (10) an dem am Auslaß (3) angeordneten Ventilsitz anliegt, geöffnet werden, so wird die Spule (4) durch einen Stromimpuls beaufschlagt. Das sich dabei aufbauende Magnetfeld zieht den Anker (6) so weit in Richtung auf die Spule (4), bis der Ansatz (8) an dieser anliegt. Die Bewegung des Ankers (6) erfolgt dabei zunächst gegen den Widerstand der kleineren Tellerfeder (22) und anschließend gegen den Widerstand der Tellerfeder (21), die nach dem Ende des Öffnungsvorgangs und dem Wegschalten des Stromimpulses den Anker (6) in seiner geöffneten Endlage verriegelt. Damit ist der Durchfluß für den Treibstoff vom Vorratsbehälter in Richtung auf das Triebwerk freigegeben. Die beiden Wellenbälge (11 und 16) ermöglichen dabei die Bewegungen des Hohl körpers (7) bzw. des Ankers (6).If the valve, which is shown in Fig. 1 in its closed end position, in which the sealing head ( 10 ) bears against the valve seat arranged at the outlet ( 3 ), the coil ( 4 ) is acted upon by a current pulse. The magnetic field that builds up pulls the armature ( 6 ) towards the coil ( 4 ) until the extension ( 8 ) bears against it. The movement of the armature ( 6 ) takes place first against the resistance of the smaller plate spring ( 22 ) and then against the resistance of the plate spring ( 21 ) which, after the end of the opening process and the switching off of the current pulse, the armature ( 6 ) in its open end position locked. So that the flow for the fuel from the reservoir towards the engine is released. The two bellows ( 11 and 16 ) allow the movements of the hollow body ( 7 ) or the armature ( 6 ).

Soll das Ventil wieder geschlossen werden, so wird nun mehr die Spule (5) von einem Stromimpuls beaufschlagt, wodurch der Anker (6) in Richtung auf diese Spule (5) bewegt wird, bis der Ansatz (8) an dieser anliegt. Bei dieser Bewegung muß zunächst die Ver riegelungshaltekraft der Tellerfeder (21) überwunden werden. Nach Erreichen der geschlossenen Endlage, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, wird der Anker (6) durch die Tellerfeder (20) verriegelt.If the valve is to be closed again, a current pulse is now applied to the coil ( 5 ), causing the armature ( 6 ) to be moved in the direction of this coil ( 5 ) until the shoulder ( 8 ) bears against it. With this movement, the locking force of the disk spring ( 21 ) must first be overcome. After reaching the closed end position, as shown in Fig. 1, the armature ( 6 ) is locked by the plate spring ( 20 ).

In diesem Zustand ist, sofern keine Einflüsse von außen auf das System einwirken, der Druck auf der Einlaßseite des Ventils gleich dem Druck auf der Auslaßseite. Kommt es nun zu einer einseitigen Erwärmung des Systems, so hat dies, sofern es auf der Einlaßseite geschieht, keine signifikante Auswirkung. Die am Ventil anstehende Flüssigkeit kann sich praktisch ungehindert nach rückwärts in den Vorratsbehälter ausdehnen, da dieser eine Volumenvergrößerung bei geringem Druckanstieg ohne weiteres toleriert. Anders dagegen, wenn Erwärmung und Druckanstieg auf der Auslaßseite auftreten, wo es keine derartige Möglichkeit eines Druckabbaus gibt. Ohne Druckausgleich könnte es in dieser Situation leicht zu einer Beschädigung des Rohrleitungssystems kommen.In this state, provided there are no external influences act on the system, the pressure on the inlet side of the valve is equal to the pressure on the outlet side. Coming there is now a one-sided heating of the system, so if it happens on the inlet side, no significant impact. The pending at the valve Liquid can replenish itself practically unhindered Extend backwards into the storage container as this a volume increase with little pressure increase without further tolerated. Different when heating and Pressure rise will occur on the outlet side where there is none there is such a possibility of a pressure reduction. Without Pressure equalization could be easy in this situation damage to the piping system.

Dies wird dadurch verhindert, daß die kleinere Teller feder (22), deren Federkraft wesentlich geringer gewählt ist als diejenige der Tellerfeder (21), unter dem sich aufbauenden Druck nachgibt, so daß sich der Dichtkopf (10) kurzzeitig und mit einem nur minimalen Weg vom Ventilsitz abhebt und dadurch einen Druckaus gleich in rückwärtiger Richtung, den sogenannten Back Relief, ermöglicht, bei dem ein Teil des flüssigen Treibstoffes zurück in Richtung auf den Vorratsbehälter fließen kann. Der Dichtkopf (10) drückt bei diesem Druckausgleichsvorgang den Hohlkörper (7) so weit zurück, bis schließlich die kleine Tellerfeder (22) vollständig an der großen Tellerfeder (21) anliegt, wie in Fig. 3 dargestellt, und wegen der nunmehr wirksam werdenden Verriegelungskraft dieser großen Feder keine weitere Bewegung des Ankers (6) mehr möglich ist. Nach erfolgtem Druckausgleich kehrt die Tellerfeder (22) wieder in ihre in Fig. 2 gezeigte Ausgangsposition zurück.This is prevented in that the smaller plate spring ( 22 ), the spring force of which is selected to be significantly lower than that of the plate spring ( 21 ), yields under the pressure that builds up, so that the sealing head ( 10 ) is briefly and with only a minimal path lifts off the valve seat and thereby enables pressure equalization in the backward direction, the so-called back relief, in which part of the liquid fuel can flow back towards the storage container. During this pressure equalization process, the sealing head ( 10 ) presses the hollow body ( 7 ) back until finally the small plate spring ( 22 ) lies completely against the large plate spring ( 21 ), as shown in FIG. 3, and because of the locking force which now becomes effective this large spring no further movement of the armature ( 6 ) is possible. After the pressure has been equalized, the plate spring ( 22 ) returns to the starting position shown in FIG. 2.

In der Regel ist für einen Druckausgleichsvorgang aber ein nur geringerer Öffnungsweg erforderlich, bei dem sich lediglich der Winkel zwischen großer und kleiner Tellerfeder (21 bzw. 22) verringert, ohne daß die kleine Feder vollflächig an der großen anliegt.As a rule, however, only a smaller opening path is required for a pressure equalization process, in which only the angle between the large and small disc springs ( 21 or 22 ) is reduced, without the small spring being in full contact with the large one.

Diese, in Fig. 3 gezeigte Stellung, wird vielmehr in der Regel erst dann erreicht, wenn durch Strombeauf schlagung der Öffnungsspule (4) der Anker (6) gegen die Tellerfeder (21) gepreßt wird.This position, shown in Fig. 3, rather is generally only achieved when the armature ( 6 ) is pressed against the plate spring ( 21 ) by current impingement of the opening coil ( 4 ).

Das gleiche Wirkungsprinzip gilt auch für die in Fig. 4 gezeigte Anordnung, die im wesentlichen der vorangehend beschriebenen gleicht. Der wesentliche Unterschied liegt darin, daß in diesem Fall statt einer zwei, gegeneinander gestellte kleine Tellerfedern (32 und 33) vorgesehen sind, die vor eine große Tellerfeder (31) geschaltet sind, welche wiederum vollständig der Tellerfeder (21) entspricht und wieder an einer Führungsscheibe (35) anliegt. Diese Maßnahme hat zur Folge, daß der für einen Druckausgleich im vorangehend beschriebenen Sinn zur Verfügung stehende Öffnungsweg des Dichtkopfes wesentlich größer ist als bei der Anordnung gemäß den Fig. 2 und 3, was in einigen Anwendungsfällen erhebliche Vorteile mit sich bringen kann.The same principle of operation also applies to the arrangement shown in FIG. 4, which is essentially the same as that described above. The main difference is that in this case instead of two, opposed small disc springs ( 32 and 33 ) are provided, which are connected in front of a large disc spring ( 31 ), which in turn completely corresponds to the disc spring ( 21 ) and again on one Guide disc ( 35 ) rests. The consequence of this measure is that the opening travel of the sealing head available for pressure equalization in the sense described above is considerably larger than in the arrangement according to FIGS. 2 and 3, which can bring considerable advantages in some applications.

Claims

1. Electromagnetic valve for liquid-loaded line systems, which in its open and closed end positions are each de-energized and locked by spring force in this end position, characterized in that in addition to a respective end position locking first spring ( 21 ; 31 ) at least one further Spring ( 22 ; 32 , 33 ) is provided which is connected in series with the spring ( 21 ; 31 ) locking the closed end position and the spring force of which is dimensioned less than that of the spring ( 21 , 31 ) locking the end position.

2. Valve according to claim 1, characterized in that the springs ( 20 , 21 , 31 , 32 , 33 ) are each formed as a plate springs.

3. Valve according to claim 2, characterized in that in addition to the first spring ( 31 ) two further springs ( 32 , 33 ) are provided which are combined to form a two-part plate spring.

4. Valve according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that it is used as a safety valve Fuel delivery system for an engine Spacecraft is provided.