DE2054062B2 - Von einem stroemungsmittel unter waermezufuhr durchstroemte vorrichtung, bei der eine ventiloeffnung durch unterschiedliche waermedehnung der ventilteile gesteuert wird - Google Patents

Description

rung erfolgen, die von der Geschwindigkeit der dagegen ein Spiel zwischen dem Hohlkörper und dem Wärmeübertragung abhängt und vorher festgelegt Kern, durch das eine bestimmte Menge Gas hinwird·, durchströmen kann. Das Ventil hat eine progressive

d) selbsttätige Regelung des Systems, wobei jeg- öffnuagscharakteristik, wobei der Durchsatz des Venliche Überhitzung der Vorrichtung den öffnungsquer- 5 tils eine Funktion der Temperatur und des Durchschnitt des Ventils und somit den Durchsatz des flußverlustes, den man bei dem Ventil hinnimmt, Strömungsmittels vergrößert, was wiederum die Tem- ist.
peratur der Vorrichtung verringert. Ein Ventil, das im wesentlichen wie das gerade be-

Die erfindungtgemäße Vorrichtung ist insbesondere schriebene Ventil aufgebaut ist, eignet sich besonders

bei Antrieben für Raumfahrzeuge von Bedeutung, "> zum Einbau in ein Steuertriebwerk für Satelliten,

bei denen Strömungsmittelströme von sehr geringem Bestimmte Triebwerke (F i g. 2), die für die Steue-

Durchsatz gesteuert werden müssen und eine absolute rung von Satelliten verwendet werden, weisen einen

Dichtheit sichergestellt sein muß. Hauptkörper 16 auf, der von einem Heizwiderstand

An Hand der Zeichnungen werden einige Ausfüh- 19 auf eine hohe Temperatur gebracht wird; die Ener-

rungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt 15 giequeüe befindet sich außerhalb des Triebwerkes.

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs- Der Hauptkörper bildet einen »Ofen«, der für die

gemäßen Ventils mit elektrischer Aufheizunp, Erwärmung und gegebenenfalls die chemische Dis-

F i g. 2 ein erfindungsgemäßes Triebwerk mit soziaüon des Gases sorgt, das durch den Hauptkör-

einem solchen Ventil, per strömt und durch die Düse 17 ausgestoßen wird.

F i g. 3 und 4 einen Teil eines Ionenantriebs, des- ^a° Die thermischen Abstrahlverluste werden durch eine sen Ventil in der einen Figur geschlossen und in der Reihe von Abschirmungen 11,12,15 weitgehend veranderen Figur geöffnet 1st. hindert, die auf Grund dieser Tatsache von der Mitte

Das in F i g. 1 gezeigte Ventil weist einen zylindri- nach außen abnehmenden Temperaturen ausgesetzt

sehen Hohlkörper 1 aus Stahl oder einer Legierung sind.

mit einem großen thermischen Ausdehnungskoeffi- ²5 Wie man sieht, ist das Durchflußsteuer-Ventil 1, 2 zienten auf, in dessen Innerem ein als Schließorgan in das Triebwerk eingebaut. In Fig. 2 ist der Heizdienender Kern 2 aus einer Legierung mit sehr klei- widerstand 5 der Fig. 1 weggelassen worden. Statt nem Ausdehnungskoeffizienten angeordnet ist. Wenn dessen ist eine thermische Verbindung 18 zwischen die Vorrichtung heiß ist, ist zwischen den beiden dem Ventilgehäuse und der Abschirmung 15 des Bauteilen über dem gesamten Bereich Z ein kleiner 30 Triebwerkes vorhanden.

ringförmiger Zwischenraum vorhanden, und das Strö- Die Betriebsweise der beschriebenen Vorrichtung

mungsmittel, das durch den Einlaßkanal 3 zuströmt, ist wie folgt: Wenn die Vorrichtung kalt ist, ist das

kann durch diesen Zwischenraum zu dem Auslaß- Ventil 1, 2 zunächst geschlossen. Es wird nun ein

kanal 4 strömen. elektrischer Strom zugeführt, der den Hauptkörper

Ein Heizwiderstand 5, der um einen isolierenden 35 16 aufheizt. Die Wärme, die bei 18 auf das Ventil

Anker 6 aus Bornitrid gewickelt ist, wird durch einen übertragen wird, öffnet das Ventil. Die Antriebsgase

elektrischen Strom aufgeheizt, der gleichzeitig die bei- treten in den Hauptkörper 16 ein, werden dort erhitzt

den Bauteile 1, 2 aufheizt. Auf Grund der unter- und dann mit großer Geschwindigkeit aus der Düse

schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten 17 ausgestoßen.

dehnt sich der Hohlkörper 2 bezüglich des Kerns 1 40 Die Steuerung ist somit äußerst einfach, da die

aus, wodurch der zum Durchfluß des Strömungsmit- Spannungszufuhr zum Ofen sowohl die Aufheizung

tels erforderliche Zwischenraum geschaffen wird. des Hauptkörpers als auch das öffnen des Ventils

Die Querstücke 7, 8 dienen zur Fixierung des bewirkt. Die Temperatur, die der Hauptkörper anKerns; der Einlaß'Anschluß 9 und der Auslaß-An- nimmt, ist jedoch eine Funktion des Durchsatzes, den schluß 10 sind am Hohlkörper 1 angelötet oder ange- 45 die Vorrichtung selbsttätig regelt. Der Schutz gegen schweißt. Die Abschirmungen 11,12, die auf isolie- Überhitzungen wird durch die synchron erfolgende renden Flanschen 13, 14 zentriert sind, stellen die Steuerung des Gasdurchsatzes und der Erwärmung thermische Isolierung sicher. Gegebenenfalls können sichergestellt.

der Hohlkörper 1 und der Kern 2 mit einem Ober- In den F i g. 3 und 4 sind Teile eines Ionenantriebs

flächenschutz überzogen werden, der einen Schutz 5o (und zwar in geschlossener bzw. geöffneter Stellung)

gegen Korrosion oder eine bessere Abdichtung sicher- dargestellt, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung

stellen soll. darstellt. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen

Die Bauteile 1, 2 sind derart dimensioniert, daß das aus der Verbindung eines Ventils 21, 22 mit einem

Spiel und die Druckspannung zwischen den beiden Verdampfer 23. Der Ionenantrieb wekt ferner einen

Bauteilen bei einer Temperatur T₀ genau Null sind. 55 bei 24 mit dem Verdampfer verbundenen Sammel-

Bei Temperaturen T, die niedriger als T₀ sind, ist eine behälter für flüssiges Zäsium (nicht dargestellt), das

Druckspannung zwischen den beiden Bauteilen vor- das Antriebsströmungsmittel bildet, und einen bei 25

Inmdcn. Diese Spannung stellt die Abdichtung sicher, mit dem Ausgang des Ventils verbundenen Ejektor

hat jedoch auch eine Verformung der Bauteile zur (nicht gezeigt) auf. Das Ventil hat in diesem Fall

Folge. Bei absinkenden Temperaturen bleibt diese ^6o einen anderen Aufbau als das Ventil der Fig. 1

Verformung bis zu einer Temperatur T₁ im elasti- oder 'J., und zwar insofern, als die Verschiebung des

sehen Bereich. Unterhalb von T₁ sind die durch die Kerns 22 im Hohlkörper 21 im vorliegenden Fall in

Spannung hervorgerufenen Verformungen so groß. Längsrichtung erfolgt.

daß eine bleibende Verformung die Folge ist. Die Der Kern 22, der das Schließorgan bildet, ist mit Bauteile nehmen danach nicht mehr ihre Ursprung- ⁶5 dem zylindrischen Hohlkörper 21 bei 21 α verlötet, liehe Gestalt an. wenn man sie wieder auf T₁₁ er- Der Kern 22 besteht aus einem Metall, das einen gewärmt, ringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der

Bei Temperaturen, die höher als T₀ sind, entsteht Hohlkörper des Ventils besitzt. Im kalten Zustand

ruht der Kern auf einem Sitz 26, wodurch das Ventil geschlossen gehalten wird. In dem Verbindungsflansch 28 des Kerns 22 sind Löcher 27 gebildet, und in einem Führungsflansch 30, der zur Führung des Kerns dient, sind Löcher 29 gebildet.

Bei normaler Temperatur ist das Ventil geschlossen. Bei Erwärmung des Verdampfers (wenn beispielsweise ein Heizstrom durch einen den Verdampfer umgebenden Heizwiderstand 31 geschickt wird) gelangt die Wärme durch Wärmeleitung in den Hohlkörper des Ventils. Die Temperaturerhöhung ruft eine Ausdehnung des Hohlkörpers in Längsrichtung hervor, die den Kern 22 mitnimmt, wie F i g. 4 zeigt. Der Sitz 26 wird somit freigegeben und läßt den Dampf durchströmen, der somit durch die Löcher 27, 29 und die Auslaßleitung 25 strömen kann. Weitere Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind:

a) ein elektrothermischer Lichtbogen-An trieb;

b) ein mit einem Festkörpersublimat arbeitender Antrieb;

c) ein mit katalytischer Zersetzung arbeitender Antrieb, wenn der Katalysator vorher aufgeheizt werden muß (hierbei genügt es, Wärme nur zum Inbetriebsetzen der Anlage zuzuführen; die katalytische Zersetzung des Strömungsmittels liefert danach die Wärme, die erforderlich ist, um das Ventil geöffnet zu halten);

d) Ionenantriebe mit vorheriger Verdampfung des Antriebsmittels.

Es versteht sich, daß diese Aufzählung, die lediglich Beispiele geben soll, keineswegs erschöpfend ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Von einem Strömungsmittel unter Wärmezufuhr durchströmte Vorrichtung, insbesondere Triebwerk, mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Strömungsmittelzufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Steuereinrichtung in den aufgeheizten Teil der Vorrichtung eingebaut ist und ein thermisches Durchflußsteuer-Ventil aufweist, und daß das Ventil zwei Bauteile (1, 2; 21, 22) unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, die zwischen sich einen Strömungskanal für das Strömungsmittel begrenzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme, die zur Steuerung des Ventils erforderlich ist, dem aufgeheizten Teil der Vorrichtung entnehmbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekcmuc ichnct, daß der aufgeheizte Teil der Vorrichtung und mindestens ein Teil des Ventils von mindestens einer Wärmeabschirmung (11; 12; IS) umgeben sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein wärmeleitendes Bauteil (18), das an seinem einen Ende mit einer Wärmeabschirmung (IS) und an seinem anderen Ende mit einem (1) der Bauteile, die den Strömungskanal begrenzen, verbunden ist, derart, daß die Aufheizung des Ventils durch die Wärmeabschirmung (15) mittels Wärmeleitung erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Ventil die Zufuhr eines Strömungsmittels steuert, das zur Erzeugung einer Vortriebskraft durch Ausstoß von Heißgasen in einem entsprechend ausgebildeten Strahltriebwerk dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Bauteile des Ventils von einer Umhüllung (21) und das andere Bauteil von einem Kern (22), der mit der Umhüllung verlötet oder verschweißt ist und im Kaltzustand einen im Inneren der Umhüllung gebildeten Sitz (26) verschließt, gebildet ist, und daß der Kern einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Umhüllung hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgeheizte Teil der Vorrichtung einen Verdampfer (23) für das Strömungsmittel bildet und mit der Umhüllung (21) einstückig ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Strömungsmittel einen Ionenantrieb speist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem thermischen Ventil gesteuerte Strömungsmittel einen elektrothermischcn Lichtbogen-Antrieb speist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel ein Festkörpersublimat ist und einen entsprechend ausgebildeten Antrieb speist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Ventil einem mit katalytischer Zersetzung arbeitenden Antrieb zugeordnet ist.

DieErfindung betrifft Vorrichtungen, die von einem aufzuheizenden Strömungsmittel durchströmt werden, insbesondere Triebwerke, die von einem Strömungsmittelstrom unter Wärmezufuhr durchströmt werden. S Bei ilen weiter unten beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen wird vor allem ein mit einem Gasstrahl arbeitendes Rückstoßtriebwerk, insbesondere ein Steuertriebwerk für Raumfahrtzwecke, betrachtet, obgleich das fragliche Strömungsmittel ein Gas, Dampf, eine

ίο Flüssigkeit oder ein Festkörpersublimat und die Vorrichtung von anderer Bauart sein können, wobei Beispiele hierfür weiter unten angegeben werden.

Zur Steuerung des Strömungsmitteldurchflusses verwendet man im allgemeinen Kegelventile, bei

t5 denen auf Grund ihrer Fuüktionsweise der Anpreßdruck des Ventilkegels auf dem Ventilsitz für die Abdichtung verantwortlich ist. Um bei diesen bekannten Ventilen Platz zu sparen und nicht zuviel Energie zu verbrauchen, wird die Schließkraft mögliehst klein gemacht, und um einen genügenden Anpreßdruck aufrechtzuerhalten, werden die Abmessungen entsprechend verringert, was wiederum für die Dichtheit des Ventils von Nachteil ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu unigehen. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag werden die Vorrichtung und ihr Durchflußsteuerventil baulich miteinander vereinigt, wobei das Durchflußsteuerventil zwei Bauteile unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, die den Strömungskanal für den Durchfluß des Strömungsmittels begrenzen. Das durch die Erfindung vorgeschlagene Ventil ist somit von anderer Bauart als die obenerwähnten, üblicherweise verwendeten Ventile, besitzt demgemäß nicht deren Nachteile und bietet darüber hinaus eine Reihe von Vorteilen und Möglichkeiten, wie im folgenden erläutert wird.

Es ist bekannt, bei einem Hubventil dasVerschlußteil und das dieses konzentrisch umgebende Sitzteil aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszubilden und an einer vom Ventilsitz abgelegenen Stelle miteinander zu verbinden, so daß die Ventilöffnung selbsttätig durch die Temperatur des Durchflußmediums gesteuert wird. (USA.-Patentschrift 2 966 170.) Weiterhin ist bekannt, bei einem Ventil mit demselben Aufbau das außenliegende Sitzteil elektrisch zu beheizen und auf diese Weise eine Temperaturdifferenz und dadurch eine variable Längendifferenz an den beiden Ventilteilen hervorzurufen. (Deutsche Auslegeschrift 1 108 024.) Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann elektrisch oder in anderer Weise aufgeheizt werden. Das Ventil arbeitet, wie man noch sehen wird, auch mit Wärme, die der Vorrichtung, in die es eingebaut ist, entnommen wird. Ferner besitzt die Erfindung mit dem thermischen Ventil gegenüber einer Anordnung mit einer Vorrichtung und einem getrennten Ventil folgende Vorteile:

a) Vereinfachung und Gewichtsverringerung der Vorrichtung auf Grund der integrierten Bauweise;

b) geringer Energiebedarf für die Steuerung des Ventils, da Wärme benutzt wird, die zumindest teilweise nach außen verlorenginge;

c) Synchronisation des ÖfTnens des Ventils und des Autiieizens der Vorrichtung, wobei eine einzige Steuergröße gleichzeitig zwei Betriebsvorgänge auslöst; das Öffnen des Ventils kann mit einer Verzöge-