DE4117999A1 - DEVICE FOR CONTROLLING A LIQUID FLOW - Google Patents

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.The invention relates to a device for control the intensity and spatial distribution of a Liquid flow, especially one in a plant to dissipate waste heat in spacecraft evaporating medium, consisting of a nozzle trained housing and a holder in this ten, in the direction of a nozzle mouth Exhaust opening movable body.

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. Devices with which the intensity and the spatial Liche distribution of a liquid flow affected are generally known as a nozzle. Des The same are under the name Ventil Vorrich lines known with which a liquid flow under other can be completely interrupted.  

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.Related to the problem in a space flight waste heat generated by the body, caused by for example by the electrical on board Devices for discharging to the environment are found by Einrich tion use as an evaporative heat exchanger are referred to and for example in the print "Shuttle Orbiter Flash Evaporator", J.R. Mason, Hamilton Standard, 79-ENAS-14, American Society of Mechanical Engineers (ed.). At these evaporative heat exchangers become one coolant belonging to active cooling circuits in thermal contact with a medium to be evaporated brought that out in the form of an injection nozzle Liquid droplets existing in the jet Process room of the heat exchanger is sprayed. Here the droplets come into contact with this space delimiting walls by the coolant be flocked. Taking heat from the walls, which is also removed from the coolant, the droplets go into the vapor phase and become as such abge in the environment of the spacecraft blow.

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.Often, the ones to be evaporated are injected Intermittent liquid in the process space to achieve that the surface wetted by the liquid First completely dry the surfaces before they are wetted again. That way he should be sufficient that the medium to be evaporated, the Costs of additional payload carried in the spacecraft must be converted as completely as possible into steam and is thus optimally used. Because especially at this intermittent mode of operation the pressure in Interior of the process room can be lower than Vapor pressure of the liquid supplied, there is Danger that the outlet opening of the injector  icy. Because of this, additional often need Heating elements can be provided in this area to avoid such icing.

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.The object of the invention is to provide a device create a spatial as precisely defined as possible Distribution of the river injected into the process space liquid flow enables the risk of icing prevents and minimizing weight and the energy consumption of such an arrangement light.

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.The invention solves this problem with a device with the characteristic features of the patent saying 1. Further advantageous embodiments are by the features specified in the subclaims featured.

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.The fact that in the device according to the invention in Contrary to a conventional one valve and a subsequent nozzle existing arrangement, no additional cavity between the valve seat and the nozzle mouth is not just that Space requirement of the device according to the invention is essential Lich less, but it is also eliminated critical area in which the described icing could occur. It is also through the combination of valve needle on the one hand and nozzle needle on the other an arrangement with extremely low moving masses given, which enables the desired exact dosage light.

Im folgenden soll die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen: In the following the invention with reference to the drawing illustrated embodiments explained in more detail will. Show it:  

Fig. 1 bis 3 jeweils Querschnitte durch verschie­ dene Ausführungsformen der Einspritz­ vorrichtung nach der Erfindung und Figs. 1 to 3 are cross-sections through various embodiments of the dene injection device according to the invention, and

Fig. 4 und 5 je eine vollständige Einheit zur Zuführung eines zu verdampfenden Mediums in einen Prozeßraum. FIGS. 4 and 5 each a complete unit for supplying a medium to be evaporated into a process space.

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.The arrangement shown in Fig. 1 shows a hous se 1 , which is provided with an outlet opening 2 and a nozzle mouth. Arranged in the interior of the cavity 3 enclosed by the housing 1 is a body 4 which is movably supported in the direction indicated by the arrows in FIG. 1 in the direction of the nozzle mouth 2 . The nozzle mouth 2 is also designed as a valve seat for the correspondingly shaped end region of the body 4 .

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.By briefly closing the nozzle mouth 2 with the body 4 , an intermittent mode of operation can be realized, at the same time the spatial distribution of the stream of liquid droplets emerging from the nozzle mouth 2 is determined by the shape of the cavity 3 remaining between the housing wall 1 and the body 4 .

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.While in the arrangement shown in FIG. 1, the control of the body 4 and thus the intensity and distribution of the emerging droplet stream can be realized by the action of electromagnetic forces on the body 4 , the control shown in FIG. 2 is carried out immediately by the pressure of the liquid to be evaporated. In this arrangement, again in a housing 11 , a body 14 shaped like a stamp in this case is held by an elastic element, in the present case an elastic membrane 15 . The stamp-shaped thickening 16 also serves to completely close a nozzle mouth 12 . In contrast to the arrangement shown in Fig. 1, however, the direction of the closing movement of the outflow direction of the medium to be evaporated from the nozzle mouth 12 is opposite in the embodiment shown here.

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.The third exemplary embodiment shown in FIG. 3 finally shows an arrangement in which additional means for influencing the movement of the emerging droplet stream are provided. For this purpose, a housing 21 is at least partially provided with an internal thread 26 which projects into the cavity 23 . It is thereby achieved that the liquid flows helically through a liquid, not shown here, in the direction of the nozzle mouth 22 and exits from it with a swirl. Here, too, the nozzle mouth 22 can be closed by a body 24 .

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.The illustration in Fig. 4 shows a device which corresponds approximately to that already described with reference to Fig. 2, in a structural unit with two electromagnetic control valves 30 and 40 , the basic structure of which is generally known and which is therefore not to be described in more detail here . The control valves 30 and 31 , which are provided twice for reasons of redundancy, are mounted on a carrier body 31 , which at the same time forms the housing for a combined injection nozzle / valve. In this housing 31 , a body 34 is held in a longitudinally movable manner in a cavity 33 , through which a nozzle mouth 32 can be closed. The body 34 is suspended on the one hand on an elastic membrane 35 and, on the other hand, is supported on an insert body 37 via a spiral spring 36 . The latter is screwed into a cover 38 which is fastened to the housing 31 with bolts and which closes the cavity 32 ver. The body 34 is guided in a sliding bush 39 which is inserted into the insert body 37 .

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.The tension with which the spiral spring 36 presses on a shoulder 41 of the body 34 and which is superimposed on the elastic force of the membrane 35 or the liquid pressure is opposed can be predetermined by the screwing depth of the insert body 37 into the cover 38 . The insert body 37 is provided with a hexagon socket recess 42 for this purpose. Furthermore, the insert body 37 has a vent hole 43 . The body 34 carries at its end facing the nozzle mouth 32 a ram-shaped projection 44 which is flat on its underside and which, in the closed position of the arrangement shown in the figure, lies flat over an annular boundary 45 of the nozzle mouth 32 . A sealing ring 46 is inserted into the shoulder 44 in the sealing area.

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.The interior of the housing 31 , ie the cavity 33 , is connected via two channels 47 and 48 to the outlet openings of the control valves 30 and 40 , via which it is filled with the medium to be evaporated.

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.The movement of the body 34 is controlled on the one hand via the pressure of the supplied liquid and the restoring force of the spiral spring 36 and the diaphragm 35 in cooperation with the actuation of the electromagnetic control valves 30 and 40 . The arrangement is designed or set so that an intermittent flow of liquid emerges from the nozzle mouth 32 .

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.A largely similar arrangement is finally also shown in FIG. 5, in which two electromagnetic control valves 50 and 60 are arranged opposite one another on a housing 51 which encloses a cavity 53 . A body 54 is mounted in a longitudinally displaceable manner in this cavity 53 , which is acted upon by a compression spring 56 and which is at the same time fastened to the inner wall of the housing 51 via a diaphragm bellows 55 . The body 54 closes a nozzle mouth 52 , from which the medium to be evaporated emerges, which passes through one of the control valves 50 and 60 and the associated conduit 57 or 58 into the cavity 53 .

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.The housing 51 , like the housing 31 , is flanged to the top plate of an evaporative heat exchanger, the interior of which is wetted by the liquid droplets emerging from the nozzles 32 and 52 , which there cause the cooling medium described above.