DE4117999A1 - Vorrichtung zur steuerung eines fluessigkeitsstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Intensität und der räumlichen Verteilung eines Flüssigkeitsstromes, insbesondere eines in einer Anlage zur Ableitung von Abfallwärme in Raumflugkörpern zu verdampfenden Mediums, bestehend aus einem als Düse ausgebildeten Gehäuse sowie einem in diesem gehalter­ ten, in Richtung auf eine als Düsenmündung ausgebildete Auslaßöffnung bewegbaren Körper.

Vorrichtungen, mit denen die Intensität und die räum­ liche Verteilung eines Flüssigkeitsstromes beeinflußt werden können, sind als Düse allgemein bekannt. Des­ gleichen sind unter der Bezeichnung Ventil Vorrich­ tungen bekannt, mit denen ein Flüssigkeitsstrom unter anderem vollständig unterbrochen werden kann.

Im Zusammenhang mit dem Problem, die in einem Raumflug­ körper entstehende Abfallwärme, hervorgerufen bei­ spielsweise durch die an Bord befindlichen elektrischen Geräte, an die Umgebung abzuführen, finden Einrich­ tungen Verwendung, die als Verdampfungswärmetauscher bezeichnet werden und die beispielsweise in der Druck­ schrift "Shuttle Orbiter Flash Evaporator", J. R. Mason, Hamilton Standard, 79-ENAS-14, American Society of Mechanical Engineers (Hrsg.), beschrieben sind. Bei diesen Verdampfungswärmetauschern wird eine zu mehreren aktiven Kühlkreisläufen gehörende Kühlflüssigkeit in thermischen Kontakt mit einem zu verdampfenden Medium gebracht, das über eine Einspritzdüse in Form eines aus Flüssigkeitströpfchen bestehenden Strahls in den Prozeßraum des Wärmetauschers gesprüht wird. Dabei gelangen die Tröpfchen in Kontakt mit den diesen Raum begrenzenden Wänden, die von der Kühlflüssigkeit durch­ strömt werden. Unter Aufnahme von Wärme aus den Wänden, die damit zugleich der Kühlflüssigkeit entzogen wird, gehen die Tröpfchen in die Dampfphase über und werden als solcher in die Umgebung des Raumflugkörpers abge­ blasen.

Häufig erfolgt das Einspritzen der zu verdampfenden Flüssigkeit in den Prozeßraum intermittierend, um zu erreichen, daß die von der Flüssigkeit benetzten Ober­ flächen zunächst vollständig wieder abtrocknen, bevor sie erneut benetzt werden. Auf diese Weise soll er­ reicht werden, daß das zu verdampfende Medium, das auf Kosten zusätzlicher Nutzlast im Raumfahrzeug mitgeführt werden muß, möglichst vollständig in Dampf überführt und damit optimal ausgenutzt wird. Da insbesondere bei dieser intermittierenden Betriebsweise der Druck im Inneren des Prozeßraumes niedriger liegen kann als Dampfdruck der zugeführten Flüssigkeit, besteht die Gefahr, daß die Austrittsöffnung der Einspritzdüse vereist. Aus diesem Grund müssen häufig zusätzliche Heizelemente in diesem Bereich vorgesehen werden, um eine solche Vereisung zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine möglichst exakt definierte räumliche Verteilung des in den Prozeßraum eingespritzten Flüs­ sigkeitsstromes ermöglicht, die Gefahr einer Vereisung verhindert und die eine Minimierung des Gewichtes und des Energieverbrauchs einer solchen Anordnung ermög­ licht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im Gegensatz zu einer konventionellen, aus einem Ventil sowie einer nachfolgenden Düse bestehenden Anordnung, kein zusätzlicher Hohlraum zwischen dem Ventilsitz und der Düsenmündung vorhanden ist, ist nicht nur der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesent­ lich geringer, sondern es entfällt zugleich auch ein kritischer Bereich, in dem die beschriebene Vereisung auftreten könnte. Außerdem ist durch die Kombination von Ventilnadel einerseits und Düsennadel andererseits eine Anordnung mit extrem geringen beweglichen Massen gegeben, die die angestrebte exakte Dosierung ermög­ licht.

Im folgenden soll die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 jeweils Querschnitte durch verschie­ dene Ausführungsformen der Einspritz­ vorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 4 und 5 je eine vollständige Einheit zur Zuführung eines zu verdampfenden Mediums in einen Prozeßraum.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zeigt ein Gehäu­ se 1, das mit einer Auslaßöffnung 2 und einer Düsenmün­ dung versehen ist. Im Inneren des von dem Gehäuse 1 umschlossenen Hohlraumes 3 ist ein Körper 4 angeordnet, der in der in Fig. 1 durch Pfeile angedeuteten Weise in Richtung auf die Düsenmündung 2 beweglich gehaltert ist. Die Düsenmündung 2 ist dabei zugleich als Ventil­ sitz für den entsprechend geformten Endbereich des Körpers 4 ausgebildet.

Durch kurzzeitiges Verschließen der Düsenmündung 2 mit dem Körper 4 ist eine intermittierende Betriebsweise realisierbar, zugleich wird die räumliche Verteilung des aus der Düsenmündung 2 austretenden Stromes der Flüssigkeitströpfchen durch die Form des zwischen der Gehäusewandung 1 und dem Körper 4 verbleibenden Hohl­ raumes 3 bestimmt.

Während bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung die An­ steuerung des Körpers 4 und damit die Intensität und Verteilung des austretenden Tröpfchenstromes durch die Einwirkung elektromagnetischer Kräfte auf den Körper 4 realisiert werden kann, erfolgt bei der in Fig. 2 dar­ gestellten Anordnung die Kontrolle unmittelbar durch den Druck der zu verdampfenden Flüssigkeit. Bei dieser Anordnung ist, wiederum in einem Gehäuse 11, ein in diesem Fall stempelartig geformter Körper 14 über ein elastisches Element, im vorliegenden Fall eine elastische Membran 15, gehaltert. Die stempelförmige Verdickung 16 dient auch hier dem vollständigen Ver­ schließen einer Düsenmündung 12. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist jedoch bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Richtung der Schließ­ bewegung der Ausströmrichtung des zu verdampfenden Mediums aus der Düsenmündung 12 entgegengerichtet.

Das in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel zeigt schließlich eine Anordnung, bei der zusätzliche Mittel zur Beeinflussung der Bewegung des austretenden Tröpfchenstromes vorgesehen sind. Zu diesem Zweck ist ein Gehäuse 21 zumindest teilweise mit einem Innen­ gewinde 26 versehen, das in den Hohlraum 23 ragt. Dadurch wird erreicht, daß die durch eine hier nicht dargestellte Flüssigkeit schraubenförmig in Richtung auf die Düsenmündung 22 strömt und aus dieser mit einem Drall austritt. Auch hier ist die Düsenmündung 22 durch einen Körper 24 verschließbar.

Die Darstellung in Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, die in etwa der bereits anhand von Fig. 2 beschriebenen entspricht, in einer Baueinheit mit zwei elektromagne­ tischen Steuerventilen 30 und 40, deren prinzipieller Aufbau allgemein bekannt ist und die deshalb hier nicht näher beschrieben werden soll. Die Steuerventile 30 und 31, die aus Redundanzgründen zweifach vorgesehen sind, sind auf einen Trägerkörper 31 montiert, der zugleich das Gehäuse für eine kombinierte Einspritzdüse/Ventil bildet. In diesem Gehäuse 31 ist in einem Hohlraum 33 ein Körper 34 längsbeweglich gehaltert, durch den eine Düsenmündung 32 verschließbar ist. Der Körper 34 ist einerseits an einer elastischen Membran 35 aufgehängt und stützt sich andererseits über eine Spiralfeder 36 an einem Einsatzkörper 37 ab. Letzterer ist in einen Deckel 38 eingeschraubt, der mit Schraubenbolzen am Gehäuse 31 befestigt ist und der den Hohlraum 32 ver­ schließt. Der Körper 34 ist dabei in einer Gleitbuchse 39 geführt, die in den Einsatzkörper 37 eingesetzt ist.

Die Verspannung, mit der die Spiralfeder 36 auf einen Ansatz 41 des Körpers 34 drückt und die der elastischen Kraft der Membran 35 überlagert bzw. dem Flüssigkeits­ druck entgegengerichtet ist, ist durch die Einschraub­ tiefe des Einsatzkörpers 37 in den Deckel 38 vorgebbar. Der Einsatzkörper 37 ist zu diesem Zweck mit einer Innensechskantausnehmung 42 versehen. Ferner weist der Einsatzkörper 37 eine Entlüftungsbohrung 43 auf. Der Körper 34 trägt an seinem der Düsenmündung 32 zuge­ wandten Ende einen stempelförmigen Ansatz 44, der auf seiner Unterseite plan ausgebildet ist und der bei der in der Figur dargestellten geschlossenen Stellung der Anordnung voll flächig auf einer ringförmigen Begrenzung 45 der Düsenmündung 32 aufliegt. In den Ansatz 44 ist im Dichtbereich ein Dichtring 46 eingesetzt.

Das Innere des Gehäuses 31, d. h. der Hohlraum 33, steht über zwei Kanäle 47 und 48 mit den Auslaßöffnungen der Steuerventile 30 und 40 in Verbindung, über die er mit dem zu verdampfenden Medium gefüllt wird.

Die Bewegung des Körpers 34 wird über den Druck der zugeführten Flüssigkeit einerseits sowie die Rückstell­ kraft der Spiralfeder 36 und der Membran 35 anderer­ seits in Zusammenwirken mit der Ansteuerung der elektromagnetischen Steuerventile 30 und 40 kontrol­ liert. Die Anordnung ist dabei so ausgelegt bzw. einge­ stellt, daß ein intermittierender Flüssigkeitsstrom aus der Düsenmündung 32 austritt.

Eine weitgehend ähnlich aufgebaute Anordnung ist schließlich auch in Fig. 5 dargestellt, in der zwei elektromagnetische Steuerventile 50 und 60 einander gegenüberliegend an einem Gehäuse 51 angeordnet sind, das einen Hohlraum 53 umschließt. In diesem Hohlraum 53 ist ein Körper 54 längsverschieblich gelagert, der von einer Druckfeder 56 beaufschlagt wird und der zugleich über einen Membranbalg 55 an der Innenwand des Gehäuses 51 befestigt ist. Der Körper 54 verschließt eine Düsen­ mündung 52, aus der das zu verdampfende Medium aus­ tritt, das über eines der Steuerventile 50 bzw. 60 und den zugehörigen Leitungskanal 57 oder 58 in den Hohl­ raum 53 gelangt.

Das Gehäuse 51 wird, ebenso wie auch das Gehäuse 31, an die Kopfplatte eines Verdampfungswärmetauschers ange­ flanscht, dessen Innenraum durch die aus den Düsen­ mündungen 32 bzw. 52 austretenden Flüssigkeitströpfchen benetzt wird, die dort den eingangs beschriebenen Abkühleffekt des Kühlmediums bewirken.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Steuerung der Intensität und der räumlichen Verteilung eines Flüssigkeitsstromes, insbesondere eines in einer Anlage zur Ableitung von Abfallwärme in Raumflugkörpern zu verdampfenden Mediums, bestehend aus einem als Düse ausgebildeten Gehäuse sowie einem in diesem gehalterten, in Rich­ tung auf eine als Düsenmündung ausgebildete Auslaß­ öffnung bewegbaren Körper, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Düsenmündung (2, 12, 22, 32, 52) als Ventilsitz für den Körper (4, 14, 24, 34, 54) aus­ gebildet ist und daß der der Düsenmündung (2, 12, 22, 32, 52) benachbarte Endbereich des Körpers (4, 14, 24, 34, 54) in seiner äußeren Form der Form des Ventilsitzes zur Erzielung einer Dichtwirkung ange­ paßt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Körper (4, 24) über eine elektromagne­ tische Kraft beaufschlagbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Körper (14, 34, 54) über ein elastisches Element (15, 35, 55) beaufschlagbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das elastische Element (15, 35, 55) vom Flüssigkeitsdruck beaufschlagbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das elastische Element als Membran (15, 35) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das elastische Element als Membranbalg (55) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente (26) zur Erzeugung eines Dralls in dem austretenden Flüssig­ keitsstrom vorgesehen sind.