(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流チャンバ（２０６）と、
下流チャンバ（２０７）と、
上流チャンバ（２０６）と下流チャンバ（２０７）との間に並列の流体流接続を提供する複数の導電性キャピラリ管（２０１〜２０５）と、
電流源に接続されるのに適した第１および第２の電気端子（２０８，２０９）と、
前記複数の導電性キャピラリ管（２０１〜２０５）のうちの１つの導電性キャピラリ管を、または、前記複数の導電性キャピラリ管（２０１〜２０５）のうちの２つ以上の導電性キャピラリ管を、前記電気端子（２０８，２０９）の間に直列に選択的に接続するように配置された少なくとも１つの電気スイッチ（２１０ａ，２１０ｂ，２１１ａ，２１１ｂ）と、
を備える、流量調整装置（１０９）。
【請求項２】
少なくとも３つの前記キャピラリ管（２０１〜２０５）と、前記電気端子（２０８，２０９）の間に直列に接続されるいくつかの前記キャピラリ管（２０１〜２０５）を選択するように配置された複数の電気スイッチ（２１０ａ，２１０ｂ，２１１ａ，２１１ｂ）と、を備える、請求項１に記載の流量調整装置（１０９）。
【請求項３】
前記キャピラリ管（２０１〜２０５）の１つに接続され、前記キャピラリ管（２０１〜２０５）の別の１つへの電気的接続と前記電気端子（２０８，２０９）の１つへの電気的接続との間で切り替えられるのに適した、少なくとも１つの電気スイッチ（２１０ａ，２１０ｂ，２１１ａ，２１１ｂ）を含む、請求項１または２に記載の流量調整装置（１０９）。
【請求項４】
第１のキャピラリ管（２０１）の第１の端部（２０１ａ）が第１の電気端子（２０８）に接続され、第２のキャピラリ管（２０２）の第１の端部（２０２ａ）が第２の電気端子（２０９）に接続され、第１のキャピラリ管（２０１）の第２の端部（２０１ｂ）に接続された電気スイッチ（２１１ａ）が、第２の電気端子（２０９）への電気的接続と第２のキャピラリ管（２０２）の第２の端部（２０２ｂ）への電気的接続との間で切り替えられるのに適した、請求項３に記載の流量調整装置（１０９）。
【請求項５】
宇宙用電気スラスタ（１０１）へ推進剤ガスを供給するためのシステムであって、前記推進剤ガスの流量を調整するために、請求項１〜４のいずれか１項に記載の少なくとも１つの流量調整装置（１０９）を含む、システム。
【請求項６】
請求項５に記載の推進剤ガス供給システムを含む、宇宙用電気スラスタ（１０１）。
【請求項７】
上流チャンバ（２０６）と下流チャンバ（２０７）との間の流体流量を調整する方法であって、複数のキャピラリ管（２０１〜２０５）を通って上流チャンバ（２０６）から下流チャンバ（２０７）へ流れる流体流量を調整するために、少なくとも１つの電気スイッチ（２１０ａ，２１０ｂ，２１１ａ，２１１ｂ）が、上流チャンバ（２０６）と下流チャンバ（２０７）との間に並列に流体流接続を提供する複数の導電性キャピラリ管（２０１〜２０５）からの１つのキャピラリ管を、または前記複数の導電性キャピラリ管（２０１〜２０５）からの２つ以上のキャピラリ管を、２つの電気端子（２０８，２０９）の間に直列に選択的に接続して、このようにして前記２つの電気端子（２０８，２０９）の間に電気接続されたキャピラリ管（２０１〜２０５）をジュール効果を用いて加熱する、方法。
【請求項８】
前記複数のキャピラリ管（２０１〜２０５）を通って流れる流体流量を調整するために、前記２つの電気端子（２０８，２０９）の間を流れる電流も調整される、請求項７に記載の流体流量を調整する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体流量の調整、特に、宇宙用電気スラスタに推進剤ガスが供給される流量などの微少流量の調整の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
当業者に既知のこのような流量の調整のための１つの手段は、「サーモキャピラリ」装置として知られている装置、すなわち、電流源に接続されるのに適した導電性キャピラリ管である。キャピラリ管内を流れるこのような電流により、キャピラリ管はジュール効果によって加熱され、この加熱はキャピラリ管による損失水頭を変え、したがって、決められた供給圧力のためにキャピラリ管に沿って流れる流体の質量流量を変える。
【０００３】
しかし、既知のサーモキャピラリ装置の主な欠点は、これが、非常に限られた範囲にわたってのみ、特に供給圧力が一定の場合に、流体流量を変化させることができることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、比較的大きな範囲にわたって極めて正確に微少流体流量の調整を可能にする流量調整装置を提案することにより、これらの欠点を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、流量調整装置が、上流チャンバと、下流チャンバと、上流チャンバと下流チャンバとの間に並列の流体流接続を提供する複数の導電性キャピラリ管と、電流源に接続されるのに適した第１および第２の電気端子と、１つまたは複数の前記キャピラリ管を電気端子の間に選択的に接続するように配置された少なくとも１つの電気スイッチと、を備えることによって達成される。
【０００６】
複数のキャピラリ管を並列に配置し、個々のダクトを選択的に作動させることにより、ジュール効果によって加熱されるのに適した単一のキャピラリ管に沿って流れの全てが流れるシステムと比較して、流体流量の調整が可能な範囲を非常に著しく拡大することが可能である。
【０００７】
２つの電気端子の間を流れる電流の調整、したがってキャピラリ管の加熱および流量の調整を簡略化するために、前記少なくとも１つの電気スイッチは、前記キャピラリ管の１つ、または複数の前記キャピラリ管を、電気端子の間に直列に選択的に接続するように配置されてもよい。具体的には、流量の調整ができる範囲を拡大するために、流量調整装置は、少なくとも３つの前記キャピラリ管と、電気端子の間に直列に接続されるいくつかの前記キャピラリ管を選択するように配置された複数の電気スイッチと、を備えてもよい。
【０００８】
特に単純な電気回路でこれらの結果を得るために、流量調整装置は、前記キャピラリ管の１つに接続され、前記キャピラリ管の別の１つへの電気的接続と前記電気端子の１つへの電気的接続との間で切り替えられるのに適した、少なくとも１つの電気スイッチを含んでもよい。具体的には、第１のキャピラリ管の第１の端部が第１の電気端子に接続されてもよく、第２のキャピラリ管の第１の端部が第２の電気端子に接続されてもよく、第１のキャピラリ管の第２の端部に接続された電気スイッチが、第２の電気端子への電気的接続と第２のキャピラリ管の第２の端部への電気的接続との間で切り替えられるのに適してもよい。したがって、この電気スイッチを切り替えることにより、第２の電気管を挿入すること、または２つの端子の間に形成された電気回路から第２の電気管を除外することが可能になる。
【０００９】
本開示の流量調整装置は、特に困難な環境において、微少流量のガスを正確かつ確実な方法で調整するのに特に有用である。したがって、本開示はまた、特に、たとえばホール効果スラスタなどの宇宙用電気スラスタにおける、たとえばキセノンなどの推進剤ガスを供給するためのシステムであって、前記推進剤ガスの流量を調整するために少なくとも１つのこのような流量調整装置を含むシステムに関し、さらに、このような推進剤ガス供給システムを含む宇宙用電気スラスタに関する。
【００１０】
本開示はまた、上流チャンバと下流チャンバとの間の流体流量を調整する方法であって、複数のキャピラリ管を通って上流チャンバから下流チャンバへ流れる流体流量を調整するために、少なくとも１つの電気スイッチが、上流チャンバと下流チャンバとの間に流体流接続を並列に提供する複数の導電性キャピラリ管からの１つまたは複数のキャピラリ管を２つの電気端子の間に選択的に接続して、このようにして２つの電気端子の間に電気接続されたキャピラリ管を、ジュール効果を用いて加熱する、方法に関する。したがって、流体流量を調整するために、複数の前記キャピラリ管が２つの電気端子の間に直列に電気接続されてもよい。複数のキャピラリ管を通って流れる流体流量を調整するために、２つの電気端子の間を流れる電流も調整される。
【００１１】
非限定的な例として示される以下の実施形態の詳細な説明を読めば、本発明がよく理解でき、その利点がさらに明らかになる。本明細書は、添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電気式宇宙用スラスタの一例の図である。
【図２Ａ】１つの動作モードの流量調整装置の実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】別の動作モードの流量調整装置の実施形態を示す図である。
【図２Ｃ】さらに別の動作モードの流量調整装置の実施形態を示す図である。
【図２Ｄ】さらに別の動作モードの流量調整装置の実施形態を示す図である。
【図２Ｅ】さらに別の動作モードの流量調整装置の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、電気式宇宙用スラスタ１０１を示す。スラスタ１０１、より具体的にはホール効果静電スラスタは、上流端が閉塞され下流端が開放された環状部の流路１５０と、流路１５０の上流端に位置するアノード１５１と、流路１５０の下流端の下流に位置し、少なくとも１つの加熱要素１５３を装備したエミッタカソード１５２と、流路１５０の径方向内側および外側に位置する電磁石１５４と、流路１５０の上流端に位置する推進剤流体噴射器１５５とを備える。このようなスラスタ１０１は、特に、人工衛星、宇宙探査機、または発射装置の最上段などの宇宙機の軌道および向きの制御に適用できる。これは、（１５００秒（ｓ）〜２０００ｓオーダの）非常に高い比推力を得る働きをし、したがって、推進剤ガスをごくわずかしか消費しない。しかし、このようなスラスタの最大推力は、今のところかなり限られている。
【００１４】
図１に見られるように、スラスタ１０１はまた、静電スラスタ１０１に推進剤ガスを供給するための供給ライン１０５であって、静電スラスタ１０１の噴射器１５５に接続された供給ライン１０５を備える（たとえば、キセノンを供給するための）推進剤流体供給システム１０４を有する。ライン１０５には、静電スラスタ１０１に推進剤ガスが供給される圧力を調整するための調整器１０７が取り付けられている。したがって、この圧力調整器１０７は、上流供給圧力が激しく変化するときでも、２つのスラスタに供給するために実質的に一定の圧力を確保する働きをする。
【００１５】
静電スラスタ１０１の推進剤ガス供給ライン１０５には、圧力調整器１０７の下流かつ静電スラスタ１０１に推進剤流体を噴射するための噴射器１５５の上流に、開閉バルブ１１０および流量調整装置１０９も直列に取り付けられる。開閉バルブ１１０は、静電スラスタへの推進剤ガスの供給を制御する働きをし、流量調整装置１０９は、その流量を調整する働きをする。さらに、推進剤流体供給回路１０４はまた、中空カソードであるカソード１５２に微少流量のガスを運び、それによってカソード１５２からの電子放出を促進し、さらにカソード１５２の冷却もするために、流量調整装置１０９の下流のライン１０５をカソード１５２に接続する分岐接続部１７１を含む。分岐接続部１７１中および噴射器１５５の上流にある狭窄部１７２は、カソード１５２に推進剤ガスが供給される流量を、噴射器１５５から推進剤ガスが噴射される流量と比較して制限する。
【００１６】
流量調整装置１０９は、通常、推進剤ガス供給を数ミリグラム毎秒（ｍｇ／ｓ）オーダの非常に低い質量流量に調整するのに適している。この目的のため、当業者は通常、ジュール効果によりキャピラリ管を加熱することによってガス流量を調整するために、電流源に接続されたキャピラリ管をガスが流れる、いわゆる「サーモキャピラリ」または「サーモリストリクタ」タイプの流量調整装置を使用する。しかし、実際には、このような従来技術の流量調整装置は、かなり狭い範囲にわたってのみ、特に供給圧力が一定の場合に、流量の調整を可能にする。したがって、２６５キロパスカル（ｋＰａ）のキセノン供給圧力を持つＰＰＳ（Ｒ）１３５０ホール効果スラスタに使用される流量調整器は、わずか４ｍｇ／ｓ〜８ｍｇ／ｓの範囲にわたって流量を変化させることができる。この範囲は、アノードとカソードとの間で１．５キロワット（ｋＷ）の電力および３５０ボルト（Ｖ）の電圧で単一の動作点に最適化される既存のホール効果スラスタには十分であるが、大きな電力および推力範囲にわたる動作を意図した静電スラスタには明らかに不十分であり、したがって、たとえば、１０ｍｇ／ｓ〜１７ｍｇ／ｓ、さらには１７ｍｇ／ｓ〜５０ｍｇ／ｓの範囲にわたって、推進剤ガス流量が調整されることを必要とする。
【００１７】
この必要性を満たすために、一実施形態における流量調整装置１０９は、図２Ａ〜図２Ｅに詳細に示されるように、上流チャンバ２０６と下流チャンバ２０７との間に並列の流体流接続を提供する５つのキャピラリ管２０１〜２０５を備える。上流チャンバ２０６は、圧力調整器１０７および開閉バルブ１１０の下流の供給ライン１０５を介して、推進剤ガス供給源からの推進剤ガスを受け取ることができ、下流チャンバ２０７は、調整された流量および圧力で噴射器１５５に推進剤ガスを供給するために、噴射器１５５の上流に接続される。
【００１８】
キャピラリ管２０１〜２０５はまた、導電性であり、流量調整装置１０９はまた、上流チャンバ２０６に隣接するキャピラリ管２０１の第１の端部２０１ａに接続された第１の電気端子２０８と、下流チャンバ２０７に隣接するキャピラリ管２０５の第２の端部２０５ｂに接続された第２の電気端子２０９と、それぞれ上流チャンバ２０６および下流チャンバ２０７に位置する電気回路２１０および２１１とを含む。キャピラリ管２０１〜２０５の端部と上流チャンバ２０６および下流チャンバ２０７との間には、これらの端部を回路２１０および２１１から、また互いに絶縁するために、絶縁継手２２０を介在させてもよい。電気端子２０８および２０９は、電流源、特に可変電流源に接続されてもよい。
【００１９】
回路２１０は２つのスイッチ２１０ａおよび２１０ｂを有し、回路２１１は２つの他のスイッチ２１１ａおよび２１１ｂを有する。スイッチ２１０ａは、キャピラリ管２０２の端部２０２ａに接続され、キャピラリ管２０３の端部２０３ａへの接続と第２の電気端子２０９への接続とを切り替えることができるように構成される。同様に、スイッチ２１０ｂは、キャピラリ管２０４の端部２０４ａに接続され、キャピラリ管２０５の端部２０５ａへの接続と第２の電気端子２０９への接続とを切り替えることができるように構成される。回路２１１においては、スイッチ２１１ａは、キャピラリ管２０１の端部２０１ｂに接続され、キャピラリ管２０２の端部２０２ｂへの接続と第２の電気端子２０９への接続とを切り替えることができるように構成される。同様に、スイッチ２１１ｂは、キャピラリ管２０３の端部２０３ｂに接続され、キャピラリ管２０４の端部２０４ａへの接続と第２の電気端子２０９への接続とを切り替えることができるように構成される。
【００２０】
したがって、スイッチ２１０ａ，２１０ｂおよび２１１ａ，２１１ｂは、第１の電気端子２０８と第２の電気端子２０９との間に直列に電気接続されるために、５つのキャピラリ管２０１〜２０５の中からいくつかのキャピラリ管を選択することを可能にする。したがって、図２Ａに示される構成において、スイッチ２１１ａは、キャピラリ管２０１の端部２０１ｂを第２の電気端子２０９に接続する。このようにして、他のスイッチの位置とは無関係に、キャピラリ管２０１のみが２つの電気端子２０８および２０９の間に接続されるため、２つの端子２０８および２０９の間を流れる電流は、キャピラリ管２０１〜２０５のセットからこのキャピラリ管２０１のみを流れ、それによって、ガス流量を調整するためにこのキャピラリ管２０１を加熱する。対照的に、図２Ｂに示される構成において、スイッチ２１１ａは、キャピラリ管２０１の端部２０１ｂを隣接するキャピラリ管２０２の端部２０２ｂに接続する。スイッチ２１０ａは、残りのスイッチの位置とは無関係に、キャピラリ管２０１および２０２のみが第１の電気端子２０８と第２の電気端子２０９との間に直列に接続され、これらの２つの端子２０８および２０９の間を流れる電流が、キャピラリ管２０１〜２０５のセットの中からこれらのキャピラリ管２０１および２０２のみに沿って流れ、それによって、ガス流量を調整するためにこれらのキャピラリ管２０１および２０２を加熱するように、キャピラリ管２０２の他方の端部２０２ａを第２の端子２０９に接続する。
【００２１】
図２Ｃに示される構成において、スイッチ２１１ａは、キャピラリ管２０１の端部２０１ｂを隣接するキャピラリ管２０２の端部２０２ｂに接続し、スイッチ２１０ａは、キャピラリ管２０２の他方の端部２０２ａを隣接するキャピラリ管２０３の端部２０３ａに接続し、それによって、３つのキャピラリ管２０１，２０２，および２０３を直列に接続する。さらに、スイッチ２１１ｂは、スイッチ２１０ｂの位置とは無関係に、キャピラリ管２０１，２０２，および２０３のみが第１の電気端子２０８と第２の電気端子２０９との間に直列に接続され、これらの２つの端子２０８および２０９の間を流れる電流が、キャピラリ管２０１〜２０５のセットの中からこれらのキャピラリ管２０１，２０２，および２０３のみを通って流れ、それによって、ガス流量を調整するためにキャピラリ管２０１，２０２，および２０３を加熱するように、キャピラリ管２０３の端部２０３ｂを第２の電気端子２０９に接続する。
【００２２】
図２Ｄに示される構成において、スイッチ２１１ａは、キャピラリ管２０１の端部２０１ｂを隣接するキャピラリ管２０２の端部２０２ｂに接続し、スイッチ２１０ａは、キャピラリ管２０２の他方の端部２０２ａを隣接するキャピラリ管２０３の端部２０３ａに接続し、スイッチ２１１ｂは、キャピラリ管２０３の他方の端部２０３ｂを隣接するキャピラリ管２０４の端部２０４ｂに接続し、それによって、４つのキャピラリ管２０１〜２０４を直列に接続する。さらに、スイッチ２１０ｂは、キャピラリ管２０１，２０２，２０３，および２０４のみが第１の電気端子２０８と第２の電気端子２０９との間に直列に接続され、これらの２つの端子２０８および２０９の間を流れる電流が、キャピラリ管２０１〜２０５のセットからこれらのキャピラリ管２０１，２０２，２０３，および２０４のみを通って流れ、それによって、ガス流量を調整するためにこれらのキャピラリ管２０１，２０２，２０３，および２０４を加熱するように、キャピラリ管２０４の端部２０４ａを第２の電気端子２０９に接続する。
【００２３】
最後に、図２Ｅに示される構成において、スイッチ２１１ａは、キャピラリ管２０１の端部２０１ｂを隣接するキャピラリ管２０２の端部２０２ｂに接続し、スイッチ２１０ａは、キャピラリ管２０２の他方の端部２０２ａを隣接するキャピラリ管２０３の端部２０３ａに接続し、スイッチ２１１ｂは、キャピラリ管２０３の他方の端部２０３ｂを隣接するキャピラリ管２０４の端部２０４ｂに接続し、スイッチ２１０ａは、キャピラリ管２０４の他方の端部２０４ａを隣接するキャピラリ管２０５の端部２０５ａに接続し、それによって、これらの２つの端子２０８および２０９の間を流れる電流が５つのキャピラリ管２０１〜２０５を通って流れるように、５つのキャピラリ管２０１〜２０５を直列に接続し、ガス流量を調整するためにこれらのキャピラリ管２０１〜２０５の全てを加熱する。
【００２４】
したがって、スイッチ２１０ａ，２１０ｂ，２１１ａ，および２１１ｂを使用して、上流チャンバと下流チャンバとの間に並列の流体流接続を提供する５つのキャピラリ管２０１〜２０５の中から選択される１つまたは複数のキャピラリ管を、２つの電気端子２０８および２０９の間に選択的に接続することにより、このようにして選択されたキャピラリ管を、ジュール効果を用いて加熱し、加熱されたいくつかのキャピラリ管を用いて、キャピラリ管２０１のセットを通って上流チャンバ２０６から下流チャンバ２０７へ流れるガスの流量を調節することが可能である。２つの電気端子２０８および２０９の間を流れる電流を調整することは、ガス流量を正確に調整することにも寄与することができる。
【００２５】
したがって、５つのキャピラリ管を有し、各々がＰＰＳ（Ｒ）１３５０スラスタに使用されるダクトに等しく、２５６ｋＰａのキセノンガスが供給され、０．５アンペア（Ａ）〜３Ａの範囲にわたって調整された電流を使用する、図示される流量調整装置は、図２Ａに示される構成においては７８ｍｇ／ｓ〜６８ｍｇ／ｓの範囲にわたって、図２Ｂに示される構成においては７５ｍｇ／ｓ〜５５ｍｇ／ｓの範囲にわたって、図２Ｃに示される構成においては７１ｍｇ／ｓ〜４３ｍｇ／ｓの範囲にわたって、図２Ｄに示される構成においては６８ｍｇ／ｓ〜３０ｍｇ／ｓの範囲にわたって、図２Ｅに示される構成においては６４ｍｇ／ｓ〜１７ｍｇ／ｓの範囲にわたって、ガスの流量の調整を可能にし、したがって、１７ｍｇ／ｇ〜７８ｍｇ／ｓの範囲の全体的な調整を実現する。
【００２６】
本発明は特定の実施形態を参照して説明されているが、特許請求の範囲で定義される本発明の一般的な範囲を超えることなく、この例に様々な修正および変更が行われてよいことは明らかである。たとえば、キャピラリ管の数は、５つ未満でも、または５つを超えてもよい。さらに、キャピラリ管の全ての中からキャピラリ管の１つまたは複数のサブセットに電気を選択的に供給することができる限り、スイッチの配置は変わってもよい。その結果、明細書および図面は、限定的意味ではなく例示的意味であると考えられるべきである。
【図１】
0006724037.tif 000002
【図２Ａ】
0006724037.tif 000003
【図２Ｂ】
0006724037.tif 000004
【図２Ｃ】
0006724037.tif 000005
【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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