DE4136196C2 - Tropfenkollektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tropfenkollektor nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Aus der DE 38 29 129 C2 ist eine Anordnung zum Kühlen von Raumflugkörpern bekannt, die einen Tropfenabscheider zum Aufsammeln nicht verdampfter Kühlflüssigkeit hat. Nähere bauliche Ausgestaltungen des Tropfenabscheiders sind nicht angegeben.

Tropfenkollektoren finden Einsatz in Tropfenradiatoren. Tropfenradiatoren werden zum Abkühlen von Kühlflüssigkeiten im Weltraum verwendet, die bei großen thermischen Radiatorleistungen eingesetzt werden. Sie kühlen die Kühlflüssigkeit, die von einem Gerät wie einer Turbine oder einem Elektro­ generator erwärmt wurde, wieder ab. Beschrieben ist ein solcher Tropfenradi­ ator (Liquid Droplet Radiator) in "Conceptual Design of a Liquid Droplet Radi­ ator, Space-Flight Experiment" von S. Pfeiffer und A. White, SAE Technical Paper 89/565, 1989.

Das Prinzip des Tropfenradiators besteht darin, daß Tropfen durch Strahlung abkühlen, die frei im Weltraum von einem Ejektor zu einem Kollektor fliegen. Der Tropfenstrom wird im Kollektor eingefangen und zu einem geschlossenen Flüssigkeitsstrom umgewandelt. Dabei sind Flüssigkeitsverluste durch Sprit­ zen beim Aufschlag der Tropfen auf den Kollektor möglichst zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tropfenkollektor vorzuschlagen, der Flüs­ sigkeitsverluste beim Aufprall der Tropfen vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Tropfenkollektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegen­ stände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß enthält der Tropfenkollektor Absorptionsflächen, die aus offenporigem (porösem) Kapillarmaterial bestehen. Die Auffangvorrichtung des Tropfenkollektors be­ steht also z. B. aus V-förmig angeordneten, trichterförmigen, oder rillenförmigen, rechteckigen oder runden Absorptionsflächen aus grobem, offenporigen Kapillarmaterial. Die rauhe Oberfläche mindert dabei die Spritzneigung der auftreffenden Tropfen ganz entscheidend. Durch die Kapillarkräfte wird die Flüssigkeit der Tropfen nach dem Auftreffen in das Innere transportiert, so daß auf der Oberfläche kein Film entstehen kann. Dies reduziert wiederum die Spritzneigung.

Im Inneren des Kapillarmaterials wird die Flüssigkeit durch Oberflächenkräfte gleichmäßig verteilt und damit zu Konzentrationssenken transportiert. Sieht man dort einen Einsatz aus feinporigerem Material (die Porengröße ist kleiner als die des Materials im Trichter) vor, so wird die Sammlung der Flüssigkeit nochmals verbessert. Die Oberflächenkräfte sind umgekehrt proportional zu den Porenradien der Kapillarmaterialien. Eine Konzentrationssenke für ein grobporiges Material ist somit das bevorzugt eingesetzte feinporigere Materi­ al. Dieses feinporige Material ist z. B. am Fluidausgang des Kapillarkollektors angeordnet und fördert durch Kapillarkräfte Flüssigkeit aus dem grobporigen Material, bis Sättigung eingetreten ist.

Die Flüssigkeit wird dann von einer Pumpe weiterbefördert. Die Förderung des Fluids aus dem Kapillarmaterial in die Rohrleitung erfordert die Zufuhr von Energie. Der Transport des Fluids aus dem Kapillarmaterial erfolgt z. B. durch Volumenänderung, also formschlüssig, mit Hilfe einer Membran-Verdränger­ pumpe, die hydraulisch oder pneumatisch wirken kann und bei der unter­ schiedliche Zellen vorgesehen sind, die sich periodisch vergrößern und ver­ kleinern und dadurch auf die Flüssigkeit fördernd einwirken. Der Innenraum der Pumpe ist mit einem reversibel verformbarem Kapillarmaterial (ähnlich einem Schwamm) gefüllt.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Tropfenkollektor,

Fig. 2 die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Förderpumpe.

Fig. 1 zeigt einen Tropfenkollektor mit der Absorptionsfläche A. Ihre Form ist im wesentlichen dem Flug der Tröpfchen angepaßt. Sie kann V-förmig, trich­ terförmig, rillenförmig oder ähnlich aufgebaut sein. Die Absorptionsfläche A ist aus porösem Kapillarmaterial (CCS, coarse capillary structure) aufgebaut oder mit einem solchen Material auf der Auffangseite der Tröpfchen belegt. Auf der Rückseite kann, wenn die die Absorptionsfläche A aus dem Kapillar­ material besteht eine Teflonfolie (ATF, annodized teflon foil) vorgesehen sein, die den Tropfenkollektor flüssigkeitsdicht nach hinten abschließt. Im Inneren des hier gezeigten Tropfenkollektors befindet sich ein Einsatz aus einem fein­ porigerem Material (FCS, fine capillary structruce). An dieses Material schließt sich die Pumpe zur Abförderung der Flüssigkeit. Als Pumpe ist hier eine Verdrängerpumpe (DP, displacement pump) vorgesehen. Ganz links ist der Flüssigkeitsausgang eingezeichnet.

Die aufzufangende Flüssigkeit kommt in Tropfenform von rechts (Pfeile in Fig. 1). Die Kapillarstruktur CCS der Absorptionsfläche A fängt die Tropfen auf und leitet diese nach innen zu dem sammelnden Einsatz FCS. Von dort wird er von der Pumpe DP weggeleitet.

Fig. 2 zeigt in acht Stufen die Wirkung der hydraulisch arbeitenden Membran- Verdrängerpumpe DP. Die Pumpe besteht hier aus mehreren Zellen, die sich gegenüberliegen oder die konzentrisch um ein Stück Kapillarmaterial herum angeordnet sind. Die Zellen sind untereinander mit engen Verbindungsleitun­ gen verbunden. Die erste Zelle ist mit einer Druckflüssigkeit beaufschlagbar.

Im Ausgangszustand (in Fig. 2 oben links) ist das im Inneren der Pumpe vor­ gesehene verformbare Kapillarmaterial nicht komprimiert. Die Flüssigkeit strömt durch Kapillarkräfte in die Pumpzone. Im Zyklus 1 wird eine Druckflüs­ sigkeit in die erste Zelle (cell 1) zwischen äußerer Rohrwand und Membran gepumpt, z. B. durch Volumenänderung in einem Faltenbalg. Die Membran verformt sich und schließt die Verbindung des Kapillarmaterials auf beiden Seiten der Zelle 1. Das zwischen den Zellen liegende Kapillarmaterial wird im Extremfall bis auf sein Eigenvolumen zusammengepreßt. Zwischen den ein­ zelnen Zellen 1, 2 und den weiteren Zellen ist jeweils eine kleine Öffnung vorgesehen, die einen Strömungswiderstand dergestalt darstellt, daß erst Zelle 1 (im wesentlichen) vollständig gefüllt ist, bevor die Zellen 2 bis n gefüllt werden. Durch weitere Förderung von Druckflüssigkeit in dem Raum zwischen Membran und Außenwand wird die Membran in Richtung Mittellinie bewegt und verkleinert das Volumen des Kapillarmaterials. Die darin gespeicherte Flüssigkeit wird aus dem Kapillarmaterial herausgefördert.

Im Zyklus 2 (gezeigt auf der rechten Seite der Fig. 2 von unten beginnend) wird die Druckflüssigkeit wieder aus den Zellen durch Federkräfte im Kapillar­ material und in der Membran herausgefördert. Der Strömungswiderstand zwi­ schen den Zellen bewirkt, daß zuerst die Zelle 1 geöffnet wird. Es folgt dann Zelle 2, Zelle 3 bis Zelle n. Durch die Geschwindigkeit des Druckflüssigkeits­ stroms wird dabei sichergestellt, daß nur eine Förderung der Arbeitsflüssigkeit in der gewünschten Strömungsrichtung erfolgt. Falls die Pumpe zu schnell ge­ öffnet wird, kann auch schon aus dem Kapillarmaterial herausgepreßte Flüs­ sigkeit durch Adhäsionskräfte wieder zurückbefördert werden und das Kapill­ armaterial füllen. Wenn jedoch entsprechend langsam geöffnet wird, fördern die Kapillarkräfte nur aus der Richtung der Tropfen, da Zelle n noch verschlos­ sen ist. Das Zellinnere kann vollständig leer sein; in den Zellen kann auch ein grobes, offenporiges Kapillarmaterial verwendet sein. Wird ein grobes, offen­ poriges Kapillarmaterial verwandt, so kann dieses eine Zellenkonstruktion er­ setzen. Grobes, offenporiges Kapillarmaterial mit passenden kleinen Verbin­ dungskanälen zwischen den Poren kann anstelle der einzelnen Zellen einge­ setzt werden. Der Pumpeninnenraum, durch den Flüssigkeit gefördert werden soll, ist jedoch immer mit einem (feinporigen) Kapillarmaterial gefüllt.

Claims (6)

1. Tropfenkollektor zum Einfangen von Tropfen und zur Weiterleitung der Flüssigkeit, mit einer oder mehreren Absorptionsflächen (A), dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsflächen (A) aus offenporigem Kapillarmaterial (CCS) bestehen.

2. Tropfenkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch V-för­ mige, trichterförmige oder rillenförmige Absorptionsflächen (A).

3. Tropfenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch einen Sammeleinsatz aus feinporigem Kapillarmaterial (FCS).

4. Tropfenkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Verdrängerpumpe (DP) zur Weiter­ leitung der Flüssigkeit.

5. Tropfenkollektor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Membran-Verdrängerpumpe (DP) mit mehreren gegenüberliegen­ den oder konzentrisch angeordneten Zellen, die nacheinander mit­ tels Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit aktivierbar sind, und die of­ fenporiges, reversibel verformbares Kapillarmaterial umschließen.

6. Tropfenkollektor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, gekennzeich­ net durch ein reversibel verformbares Kapillarmaterial innerhalb der Zellen für die Hydraulikflüssigkeit.