DE2054062C

DE2054062C - Device through which a fluid flows with the supply of heat, in which a valve opening is controlled by different thermal expansion of the valve parts

Info

Publication number: DE2054062C
Application number: DE19702054062
Authority: DE
Inventors: Ange Pierre Bordeaux-Caude-Ran; Morin Rene Theophile Albert Le Bouscat; Guerin (Frankreich)
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion S.A., Puteaux (Frankreich)
Priority date: 1969-11-03
Filing date: 1970-11-03
Publication date: 1973-03-29

Description

rung erfolgen, die von der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung abhängt und vorher festgelegt wird;tion, which depends on the speed of heat transfer and is determined in advance will;

d) selbsttätige Regelung des Systems, wobei jegliche Überhitzung der Vorrichtung den öffnungsquerschnitt des Ventils und somit den Durchsatz des Strömungsmittels vergrößert, was wiederum die Temperatur der Vcirichtung verringert.d) automatic regulation of the system, with any Overheating of the device, the opening cross-section of the valve and thus the throughput of the Fluid increases, which in turn reduces the temperature of the device.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere bei Antrieben für Raumfahrzeuge von Bedeutung, bei denen Strömungsmittelströme von sehr geringem Durchsatz gesteuert werden müssen und eine absolute Dichtheit sichergestellt sein muß.The device according to the invention is particularly important for propulsion systems for spacecraft, where very low flow rates of fluid have to be controlled and an absolute one Leak tightness must be ensured.

An Hand der Zeichnurgen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigtSome exemplary embodiments are shown on the basis of the drawings the invention explained in more detail. It shows

Fig. Ϊ ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ventils mit elektrischer Aufheizung,Fig. Ϊ an embodiment of an inventive Valve with electrical heating,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Triebwerk mit einem solchen Ventil,2 shows an engine according to the invention such a valve,

F i g. 3 und 4 einen Teil Hnes lonenai.iriebs, dessen Ventil in der einen Figur geschlossen und in der anderen Figur geöffnet ist.F i g. 3 and 4 a part of Hnes lonenai.iriebs, whose Valve is closed in one figure and open in the other figure.

Das in F i g. 1 gezeigte Ventil weist einen zylindrischen Hohlkörper 1 aus Stahl oder einer Legierung mit einem großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, in dessen Innerem ein als Schließorgan dienender Kern 2 aus eine' Legierung mit sehr kleinem Ausdehnungskoeffizienten angeordnet ist. Wenn die Vorrichtung heiß ist, ist zwischen den beidta Bauteilen über dem gesamten Bereich Z ein kleiner ringförmiger Zwischenraum vorhanden, und das Strömungsmittel, das durch den Einlaßkanal 3 zuströmt, kann durch diesen Zwischenraum zu dem Auslaßkanal 4 strömen.The in Fig. 1 has a cylindrical hollow body 1 made of steel or an alloy with a large coefficient of thermal expansion, inside it as a closing element Serving core 2 is arranged from an 'alloy with a very small coefficient of expansion. When the device is hot, there is a small one over the entire area Z between the two components there is an annular gap, and the fluid flowing through the inlet channel 3, can flow through this gap to the outlet channel 4.

Ein Heizwiderstand 5, der um einen isolierenden Anker 6 aus Bornitrid gewickelt ist, wird durch einen elektrischen Strom aufgeheizt, der gleichzeitig die beiden Bauteile 1, 2 aufheizt. Auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dehnt sich der Hohlkörper 2 bezüglich des Kerns 1 aus, wodurch der zum Durchfluß des Strömungsmittels erforderliche Zwischenraum geschaffen wird.A heating resistor 5, which is wound around an insulating armature 6 made of boron nitride, is through a heated electric current, which simultaneously heats the two components 1, 2. Because of the different thermal expansion coefficient, the hollow body 2 expands with respect to the core 1 thereby creating the space required for the fluid to flow through.

Die Querstücke 7, 8 dienen zur Fixierung des Kerns; der Einlaß-Anschluß 9 und der Auslaß-Anschluß 10 sind am Hohlkörper 1 angelötet oder angeschweißt. Die Abschirmungen Ll, 12, die auf isolierenden Flanschen 13, 14 zentriert sind, stellen die thermische Isolierung sicher. Gegebenenfalls können der Hohlkörper 1 und der Kern 2 mit e"~em Oberflächenschutz überzogen werden, der einen Schutz gegen Korrosion oder eine bessere Abdichtung sicherstellen soll.The cross pieces 7, 8 are used to fix the core; the inlet port 9 and the outlet port 10 are soldered or welded to the hollow body 1. The shields Ll, 12, which are on insulating Flanges 13, 14 are centered, ensure thermal insulation. If necessary, can the hollow body 1 and the core 2 with surface protection be coated, which ensure protection against corrosion or a better seal target.

DieBauteile 1, 2 sind derart dimensioniert, daß das Spiel und die Druckspannung zwischen den beiden Bauteilen bei einer Temperatur T₀ genau Null sind. Bei Temperaturen T, die niedriger als T₀ sind, ist eine Druckspannung zwischen den beiden Bauteilen vorhanden. Diese Spannung stellt die Abdichtung sicher, hat jedoch auch eine Verformung der Bauteile zur Folge. Bei absinkenden Temperaturen bleibt diese .Verformung bis zu einer Temperatur T₁ im elastischen Bereich. Unterhalb von T₁ sind die durch die Spannung hervorgerufenen Verformungen so groß, daß eine bleibende Verformung die Folge ist. Die Bauteile nehmen danach nicht mehr ihre ursprüngliche Gestalt an, wenn man sie wieder auf T₀ erwärmt. The components 1, 2 are dimensioned such that the play and the compressive stress between the two components at a temperature T _{0 are} exactly zero. At temperatures T that are lower than T ₀ , there is compressive stress between the two components. This tension ensures the seal, but also deforms the components. When the temperature drops, this deformation remains in the elastic range _{up to a temperature T 1.} Below T ₁ , the deformations caused by the stress are so great that permanent deformation is the result. The components then no longer assume their original shape when they are reheated _{to T 0.}

Bei Temperaturen, die höher als T₀ sind, entsteht dagegen ein Spiel zwischen dem Hohlkörper und dem Kern, durch das eine bestimmte Menge Gas hindurchströmen kann. Das Ventil hat eine progressive Öffnungscharakteristik, wobei der Durchsatz des Ventils eine Funktion der Temperatur und des Durchflußverlustes, den man bei dem Ventil hinnim.Tit. ist.At temperatures higher than T ₀ , on the other hand, there is a play between the hollow body and the core through which a certain amount of gas can flow. The valve has a progressive opening characteristic, the flow rate of the valve being a function of the temperature and of the flow loss that is tolerated by the valve. is.

Ein Ventil, das im wesentlichen wie das gerade beschriebene Ventil aufgebaut ist, eignet sich besondersA valve which is constructed essentially like the valve just described is particularly suitable

ίο zum Einbau in ein Steuertriebwerk für Satelliten.ίο for installation in a control engine for satellites.

Bestimmte Triebwerke (Fig. 2), die für die Steuerung von Satelliten verwendet werden, weisen einen Hauptkörper 16 auf, der von einem Heizwiderstand 19 auf eine hohe Temperatur gebracht wird; die Energiequelle befindet sich außerhalb des Triebwerkes.Certain thrusters (Fig. 2) necessary for control used by satellites have a main body 16 supported by a heating resistor 19 is brought to a high temperature; the energy source is outside the engine.

Der Hauptkörper bildet einen »Ofen«, der für die Erwärmung und gegebenenfalls die chemische Dissoziation des Gases sorgt, das durch den Hauptkörper strömt und durch die Düse 17 ausgestoßen wird.The main body forms a "furnace" that is used for heating and, if necessary, chemical dissociation of the gas flowing through the main body and discharged through the nozzle 17.

Die thermischen Abstrahlverluste werden durch eine Reihe von Abschirmungen 11, 12, 15 weitgehend verhindert, die auf Grund dieser Tatsache von der Mitt·.-nach außen abnehmenden Temperaturen ausgesetzt sind.The thermal radiation losses are largely prevented by a series of shields 11, 12, 15, which due to this fact from the mid-.-after are exposed to decreasing temperatures outside.

Wie man sieht, ist das Durchflußsteuer-Ventil 1, 2 in das Triebwerk eingebaut. In Fig. 2 ist der Heizwiderstand 5 der Fig. 1 wegge'.assen worden. Statt dessen ist eine thermische Verbindung 18 zwischen . dem Ventilgehäuse und der Abschirmung 15 des Triebwerkes vorhanden.As you can see, the flow control valve 1, 2 is built into the engine. In Fig. 2 is the heating resistor 5 of Fig. 1 has been omitted. Instead, there is a thermal connection 18 between . the valve housing and the shield 15 of the engine.

Die Betriebsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt: Wenn die Vorrichtung kalt ist, ist das Ventil 1, 2 zunächst geschlossen. Es wird min ein elektrischer Strom zugeführt, der den Haupikörper 16 aufheizt. Die Wärme, die bei 18 auf das Ventil übertragen wird, öffnet das Ventil. Die Antriebsgase treten in den Hauptkörper 16 ein, werden dort erhitzt und dann mit großer Geschwindigkeit aus der Düse 17 ausgestoßen.The operation of the device described is as follows: If the device is cold, that is Valve 1, 2 initially closed. An electric current is supplied to the main body 16 heats up. The heat transferred to the valve at 18 opens the valve. The drive gases enter the main body 16, are heated there and then exit the nozzle at high speed 17 ejected.

Die Steuerung ist somit äußerst einfach, da die Spannungszufuhr zum Ofen sowohl die Aufheizung des Hauptkörpers als auch das öffnen des Ventils bewirkt. Die Temperatur, die der Hauptkörper annimmt, ist jedoch eine Funktion des Durchsatzes, den die Vorrichtung selbsttätig regelt. Der Schutz gegen Überhitzungen wird durch die synchron erfolgende Steuerung des Gasdurchsatzes und der Erwärmung sichergestellt.The control is extremely simple, since the voltage supply to the furnace as well as the heating of the main body as well as the opening of the valve. The temperature that the main body assumes however, it is a function of the throughput which the device regulates automatically. Protection against Overheating is caused by the synchronous control of the gas flow rate and the heating ensured.

!n den Fig. 3 und 4 sind Teile eines Ionenantriebs (und zwar in geschlossener bzw. geöffneter Stellung) dargestellt, der eine erfindungsgerr.äße Vorrichtung darstellt. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus der Verbindung eines Ventils 21, 22 mit einem Verdampfer 23. Der Ionenantrieb weist ferner einen bei 24 mit dem Verdampfer verbundenen Sammelbehälter für flüssiges Zäsium (nicht dargestellt)) das das Antriebsströmungsmittel bildet, und einen bei 25 mit dem Ausgang des Ventils verbundenen Ejektor (nicht gezeigt) auf. Das Ventil hat in diesem Fall einen anderen Aufbau als das Ventil der Fig. I oder 2, und zwar insofern, als die Verschiebung des Kerns 22 im Hohlkörper 21 im vorliegenden Fall in Längsrichtung erfolgt.3 and 4 are parts of an ion engine (namely in the closed or open position) is shown, which is a device according to the invention represents. The device consists essentially of the connection of a valve 21, 22 with a Evaporator 23. The ion drive also has a collecting container connected at 24 to the evaporator for liquid cesium (not shown)) that constitutes the motive fluid, and an ejector connected at 25 to the outlet of the valve (not shown). In this case, the valve has a different structure than the valve of FIG or 2, to the extent that the displacement of the core 22 in the hollow body 21 in the present case in Longitudinal direction takes place.

Der Kern 22, der das Schließorgan bildet, ist mit dem zylindrischen Hohlkörper 21 bei 21 α verlötet. Der Kern 22 besteht aus einem Metall, das einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Hohlkörper des Ventils besitzt. Im kalten ZustandThe core 22, which forms the closing member, is soldered to the cylindrical hollow body 21 at 21 α. The core 22 consists of a metal which has a lower coefficient of thermal expansion than the hollow body of the valve. When cold

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.the core rests on a seat 26, thereby keeping the valve closed. Holes 27 are formed in the connecting flange 28 of the core 22, and Holes 29 are formed in a guide flange 30, which serves to guide the core.

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 erfindungsgemäßcn Vorrichtung sind:At normal temperature the valve is closed. When the vaporizer heats up (if for example a heating current is sent through a heating resistor 31 surrounding the evaporator) the heat reaches the hollow body of the valve by conduction. The increase in temperature calls an expansion of the hollow body in the longitudinal direction, which entrains the core 22, as shown in FIG. 4 shows. The seat 26 is thus released and allows the steam to flow through, which is thus through the holes 27, 29 and the outlet line 25 can flow. Further possible uses of the invention Device are:

a) ein clcktrothermischcr Lichtbogen-Antrieb;a) a thermal thermal arc drive;

b) ein mit einem Festkörpersublimat arbeitende! Antrieb;b) one working with a solid sublimate! Drive;

c) ein mit katalytischer Zersetzung arbeitender Antrieb, wenn der Katalysator vorher aufgeheizt werder muß (hierbei genügt es, Wärme nur zum Inbetrieb setzen der Anlage zuzuführen; clic katalytische Zer· Setzung des Strömungsmittels liefert danach di< Wanne, die erforderlich ist, um das Ventil geöffne zu halten);c) a drive operating with catalytic decomposition, if the catalytic converter has to be heated up beforehand (in this case it is sufficient to heat only to start up set to feed the plant; clic catalytic decomposition of the fluid then gives di < Tub that is required to keep the valve open);

d) Ioncnantriebe mit vorheriger Verdampfung de: Antriebsmittel.d) Ion drives with previous evaporation de: drive means.

Es versteht sich, daß diese Aufzählung, die ledig Hch Beispiele geben soll, keineswegs erschöpfend ist.It goes without saying that this list, which is only intended to give examples, is by no means exhaustive.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device through which a fluid flows with the supply of heat, in particular Propulsion unit, with a control device for controlling the flow medium supply, characterized in that that at least part of the control device in the heated part of the Vo. direction is installed and e'.n has thermal flow control valve, and that the Valve has two components (I, 2; 21, 22) with different coefficients of thermal expansion, which delimit a flow channel for the fluid between them.

2. Device according to claim 1, characterized in that that the heat required to control the valve is transferred to the heated part the device can be integrated.

3. device η j according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the heated part of the device and at least a part of the valve are surrounded by at least one heat shield (11; 12; 15).

4. Device according to one of the preceding claims, characterized by a thermally conductive Component (18), which at its one end with a heat shield (15) and at its other End is connected to one (1) of the components bounding the flow channel in such a way that that the heating of the valve through the heat shield (15) takes place by means of heat conduction.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal valve controls the supply of a fluid that is used to generate a pre Propulsive power is used by the expulsion of hot gases in a suitably designed jet engine.

6. The device according to claim 1, characterized in that one of the two components of the Valve from one envelope (21) and the other "0 Component of a core (22) which is soldered or welded to the casing and in the cold state a seat (26) formed inside the envelope closes, is formed, and that the Core has a smaller coefficient of thermal expansion than the cladding.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that d ^ - heated part of the device forms an evaporator (23) for the fluid and is formed in one piece with the casing (21).

8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the vaporized fluid feeds an ion engine.

9. Apparatus according to claim 5, characterized in that that of the thermal valve controlled fluid an electrothermal Arc drive feeds.

10. Apparatus according to claim 5, characterized in that the fluid is a Fesikörpersublimate is and feeds a suitably designed drive.

11. Device: .according to claim 5, characterized characterized in that the thermal valve is a drive operating with catalytic decomposition assigned.

The invention relates to devices through which a fluid to be heated flows, in particular engines through which a flow of fluid flows with the addition of heat. In the exemplary embodiments described below is above all a recoil engine operating with a gas jet, in particular a control engine for aerospace purposes, although the fluid in question is a gas, steam, a Liquid. or a solid sublimate and the device may be of other types, examples being for this purpose are given below.

To control the fluid flow vtAvendet ma ·: generally cone valves, at which, due to their mode of operation, the contact pressure of the valve cone on the valve seat is responsible for the seal. To be known at these To save space for valves and not to consume too much energy, the closing force is as high as possible made small, and in order to maintain sufficient pressure, the dimensions correspondingly reduced, which in turn is disadvantageous for the tightness of the valve.

The object of the invention is to circumvent these difficulties. According to the invention, this is achieved by the in claim 1 specified features achieved.

According to the proposal according to the invention the device and its flow control valve are structurally combined with one another, the flow control valve being two components with different coefficients of thermal expansion has, which limit the flow channel for the flow of the fluid. The valve proposed by the invention is thus of a different design than the above-mentioned, commonly used valves, accordingly does not have their disadvantages and also offers a Range of advantages and possibilities, as follows is explained.

It is known, in the case of a lift valve, the closure part and the seat part concentrically surrounding it from materials with different coefficients of thermal expansion and at one of the To connect valve seat remote point together, so that the valve opening automatically through the Temperature of the flow medium is controlled. (USA.-Patent 2,966,170.) It is also known in the case of a valve with the same structure, to electrically heat and open the external seat part this way a temperature difference and thereby a variable length difference at the two valve parts to evoke. (German Auslegeschrift 1 108 024.) The device according to the invention can be heated electrically or in some other way. The valve works, as we shall see, too with heat extracted from the device in which it is built. The invention also has the thermal valve versus an arrangement with a device and a separate valve the following advantages:

a) Simplification and weight reduction of the device due to the integrated design;

b) low energy consumption for controlling the valve, since heat is used at least partially would be lost to the outside;

c) Synchronization of the opening of the valve and the Heating up the device, a single control variable simultaneously triggering two operating processes; opening of the valve can be delayed