DE60308538T2

DE60308538T2 - Ventil für Raumfahrtanwendungen mit SMA-AKTOR

Info

Publication number: DE60308538T2
Application number: DE60308538T
Authority: DE
Inventors: Anthony Mignon; Rudy Stalmans
Original assignee: Techspace Aero SA
Current assignee: Safran Aero Boosters SA
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: US20050173661A1; DE60308538D1; EP1548342A1; ATE340324T1; EP1548342B1

Description

Gegenstand der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Stellglied aus einer Formgedächtnis-Legierung (FGL) und mit einem System, das die Steuerung der Ventilbetätigungstemperatur ermöglicht.
Das in dieser Druckschrift beschriebene Ventil ist für die Verwendung in Antriebssystemen von Raumfahrzeugen bestimmt, genauer gesagt in Druckbeaufschlagungssystemen, in denen es eine Leitung infolge eines bestimmten elektrischen Steuervorgangs öffnen oder schließen kann.
Stand der Technik
Die bemerkenswerten Eigenschaften von Formgedächtnis-Legierungen (FGL) aufgrund einer Umwandlung der thermoelastischen Phasen, im Laufe derer einer anfänglichen Austenit-Phase in umkehrbarer Form eine Martensit-Phase folgt, sind bekannt. Dieser Übergang erfolgt durch die Wirkung einer Temperaturänderung und/oder durch Anwendung einer mechanischen Kraft. Von den zahlreichen bekannten Eigenschaften sei der Einweg-Memory-Effekt erwähnt, bei dem der Werkstoff im martensitischen Zustand in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn er über seinen Umwandlungsbereich hinaus erwärmt wird. Je nach durchgeführter thermomechanischer Behandlung kann der Memory-Effekt auch ein Zweiweg-Effekt sein.
Die bekannten und derzeit bei der Herstellung von Ventilen (siehe zum Beispiel US 2002/0130284) oder anderen Mechanismen verwendeten FGL haben eine Übergangstemperatur (von der Martensit-Phase in die Austenit-Phase), die bestenfalls bei 85°C liegt (Nitinol^®, Nickel-Titan-Legierung). Das bedeutet, dass die Betätigung des Ventils oder des Mechanismus ohne weitere äußere Beeinflussung spontan erfolgt, sobald diese Temperatur von 85°C überschritten wird.
Die typische thermische Umgebung von Ventilen für die Druckbeaufschlagung von Antriebssystemen für Raumfahrzeuge bewegt sich in einem Bereich zwischen –90°C und +100°C. Daher ist die Verwendung einer Standard-Formgedächtnis-Legierung aufgrund der Gefahr einer spontanen Betätigung des Ventils ausgeschlossen; die Folgen wären katastrophal für die Mission (zum Beispiel vollständiger Verlust des Fahrzeugs, Aufgabe der Mission).
Folglich ist es erforderlich, eine Lösung zu finden, die es ermöglicht, den Wert der Übergangstemperatur der FGL auf über +100°C zu erhöhen und sogar noch einen gewissen Sicherheitsspielraum in Bezug auf diesen Temperaturwert zu erhalten.
Ziele der Erfindung
Diese Erfindung hat die Aufgabe, eine Lösung anzubieten, die bei der Verwendung von Stellgliedern aus einer Formgedächtnis-Legierung in Ventilen nicht die Nachteile nach dem Stand der Technik aufweist.
Ein Ziel der Erfindung ist es insbesondere, die Verwendung eines solchen Stellglieds in einer typischen thermischen Umgebung von Antriebssystemen von Raumfahrzeugen, die sich beispielsweise über +100°C hinaus erstreckt, zu ermöglichen, ohne dass die Gefahr einer spontanen Betätigung des Ventils besteht.
Die Erfindung hat zusätzlich die Aufgabe, eine Lösung zu liefern, die es ermöglicht, den Wert der Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung auf über +100°C zu erhöhen.
Wichtigste charakteristische Elemente der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Stellglied, das im Wesentlichen aus einer Formgedächtnis-Legierung (FGL) hergestellt ist und mit Mitteln ausgestattet ist, um die Betätigungstemperatur dieses Stellglieds zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Mittel einen Mechanismus für die Rückstellung in Sperrrichtung (reverse biasing) umfassen.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Mechanismus zur Rückstellung in Sperrrichtung vom Typ Sollbruchstift.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Mechanismus zur Rückstellung in Sperrrichtung vom Typ Federriegel (spring latch).
Die FGL ist vorzugsweise eine Nickel-Titan-Legierung.
Das Ventil gemäß der Erfindung ist ein Ventil vom Typ „normal offen" oder „normal geschlossen".
In vorteilhafter Weise beträgt die Ventilbetätigungstemperatur mehr als 100°C, vorzugsweise mehr als 110°C.
In besonders vorteilhafter Weise ist der Bias-Mechanismus so konfiguriert, dass die erforderliche Kraft für die Überwindung des Bias-Elements (F_bias) in Beziehung zu der Kraft steht, die zum Öffnen oder Verschließen des Mediumleitungsquerschnitts (F_open/close) erforderlich ist.
Vorzugsweise ist der Bias-Mechanismus so konfiguriert, dass zwischen beiden Kräften eine maximale Differenz besteht.
Weiterhin weist das Ventil gemäß der Erfindung elektrische Heizmittel zum Auslösen der Betätigung des FGL-Stellglieds auf.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des beschriebenen Ventils, für das ein Patent beantragt wird, in Antriebssystemen von Raumfahrzeugen, vorzugsweise in Druckbeaufschlagungskreisen dieser Systeme.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung des Prinzips des „Reverse Biasing".
2 zeigt die Eigenschaft eines Bias-Mechanismus vom Typ „Sollbruchstift" oder vom Typ Riegelfeder.
Die 3a und 3b sind eine schematische Darstellung des Öffnungsmechanismus gemäß der Erfindung im Fall eines normalerweise geschlossenen Ventils mit „Reverse Biasing" vom Typ „Sollbruchstift".
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung besteht darin, das Prinzip des „Reverse Biasing" zu verwenden, um die Ventilbetätigungstemperatur auf über +100°C zu erhöhen. Das „Reverse Biasing", dessen Prinzip in 1 dargestellt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Element aus Formgedächtnis-Legierung (FGL) eine hohe anfängliche Kraft ausgeübt wird, um die Übergangstemperatur dieses Elements so stark wie möglich zu erhöhen. Diese Kraft nimmt anschließend im Lauf der Formänderung der FGL ab.
Um den Energieverbrauch des Stellglieds so gering wie möglich zu halten, ist es wesentlich, dass die Fläche unter der Kurve aus der oben dargestellten 1 so klein wie möglich ist. Die vorgeschlagene Lösung besteht darin, einen Bias-Mechanismus vom Typ „Sollbruchstift" oder ein Federriegelsystem (spring latch) zu verwenden, beide charakterisiert wie in 2 beschrieben.
Der Scheitel A (Kraft F_bias) stellt die Energie dar, die vom Stellglied aufgebracht werden muss, um das Bias-Element zu überwinden, während der Scheitel B (Kraft F_open/close) die erforderliche Energie zum Öffnen oder Schließen des Mediumleitungsquerschnitts darstellt, je nachdem, ob es sich um ein normalerweise geschlossenes Ventil (NC-Ventil) oder um ein normalerweise offenes Ventil (NO-Ventil) handelt.
Durch die Kontrolle der relativen Höhe der Scheitel A und B kann der Betätigungstemperaturbereich perfekt gesteuert werden. Außerdem kann durch die Kontrolle der Scheitel A und B die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Ventils geregelt werden. Je größer die Differenz zwischen F_bias und F_open/close ist, desto plötzlicher erfolgt die Betätigung des Ventils.
Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Einsatz des „Reverse Biasing" in einem Ventil für Raumfahrtanwendungen so dargestellt werden, wie in den 3a und 3b schematisiert.
Die 3a und 3b entsprechen einem normalerweise geschlossenen Ventil mit „Sollbruchstift" (Position 2 in den Figuren), aber das Prinzip ist für ein normalerweise offenes Ventil und/oder für ein Ventil mit Bias vom Typ „spring latch" ähnlich.
Die Betätigung des FGL-Elements erfolgt durch Erwärmung, zum Beispiel durch direkte Joulsche Erwärmung, das heißt, indem ein elektrischer Strom durch die FGL geleitet wird, die in Form von Drähten 3 vorhanden ist. Dieser Strom muss ausreichend sein, um die FGL auf eine Temperatur zu erwärmen, die größer oder gleich der bei der Auslegung der FGL und ihres Bias gewählten Betätigungstemperatur ist (> 100°C). Im hier gezeigten Beispiel wird die FGL so gewählt, dass sie sich bei der Übergangstemperatur zusammenzieht.
Der Hauptvorteil dieser Erfindung liegt darin, dass ein FGL-Stellglied über seine herkömmliche Gebrauchstemperatur hinaus benutzt werden kann, ohne dass die Gefahr einer spontanen Betätigung besteht.

Claims

Ventil mit einem Stellglied (3), das im Wesentlichen aus einer Formgedächtnis-Legierung (FGL) hergestellt ist und mit Mitteln ausgestattet ist, um die Betätigungstemperatur dieses Stellglieds zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Mittel einen Mechanismus für die Rückstellung in Sperrrichtung umfassen, d.h. einen Mechanismus, der eine hohe anfängliche Kraft auf ein Element aus Formgedächtnis-Legierung ausübt, die dann im Lauf der Formänderung des Elements aus Formgedächtnis-Legierung abnimmt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus (2) zur Rückstellung in Sperrrichtung vom Typ Sollbruchstift ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus (2) zur Rückstellung in Sperrrichtung vom Typ Federriegel ist.
Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die FGL eine Nickel-Titan-Legierung ist.
Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es vom Typ „normal offen" oder „normal geschlossen" (1) ist.
Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilbetätigungstemperatur mehr als 100°C, vorzugsweise mehr als 110°C beträgt.
Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bias-Mechanismus (2) so konfiguriert ist, dass die erforderliche Kraft für die Überwindung des Bias-Elements (F_bias) in Beziehung zu der Kraft steht, die zum Öffnen oder Verschließen des Mediumleitungsquerschnitts (F_open/close) erforderlich ist.
Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bias-Mechanismus so konfiguriert ist, dass zwischen beiden Kräften eine maximale Differenz besteht.
Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es elektrische Heizmittel zum Auslösen der Betätigung des FGL-Stellglieds aufweist.
Verwendung eines Ventils nach einem der vorstehenden Ansprüche in Antriebssystemen von Raumfahrzeugen, vorzugsweise in Druckbeaufschlagungskreisen dieser Systeme.