УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА
DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING FLOW RATE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области регулирования расходов текучей среды и, в частности, регулирования сверхнизких расходов, таких как расходы при питании рабочим газом космических электрических двигателей.
Уровень техники
Средством регулирования такого расхода, известным специалисту в данной области, является устройство, называемое «термокапиллярным», то есть электропроводящий капиллярный канал, который можно подсоединить к источнику электрического тока. Такой электрический ток, проходящий через капиллярный канал, вызывает его нагрев за счет эффекта Джоуля, при этом нагрев меняет потерю напора в капиллярном канале и, следовательно, массовый расход текучей среды, проходящей по капиллярному каналу, при определенном давлении питания.
Однако серьезным недостатком известных термокапиллярных устройств является то, что они позволяют изменять расход текучей среды только в очень ограниченном диапазоне, в частности, когда давление питания является постоянным.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков за счет создания устройства регулирования расходов, которое позволяет регулировать сверхнизкие расходы текучей среды с высокой точностью в относительно широких диапазонах.
Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство регулирования расхода содержит входную камеру, выходную камеру, множество электропроводящих капиллярных каналов, соединяющих гидравлически и параллельно входную камеру и выходную камеру, первую и вторую электрические клеммы, выполненные с возможностью соединения с источником электрического тока, и по меньшей мере один электрический переключатель, расположенный таким образом, чтобы выборочно подсоединять один или несколько указанных капиллярных каналов между электрическими клеммами.
Благодаря параллельному расположению множества капиллярных каналов и выборочной активации отдельных каналов, можно существенно расширить диапазон, в котором можно регулировать расход текучей среды, по сравнению с системой, в которой весь поток проходит только через один капиллярный канал, который может нагреваться за счет эффекта Джоуля.
Чтобы упростить регулирование тока, проходящего между двумя электрическими клеммами, и, следовательно, регулирование нагрева капиллярных каналов и расхода, указанный по меньшей мере один переключатель можно расположить таким образом, чтобы выборочно подсоединять между электрическими клеммами один из указанных капиллярных каналов или последовательно несколько из указанных капиллярных каналов. В частности, чтобы расширить диапазон регулирования расхода, устройство регулирования расхода может содержать по меньшей мере три из указанных капиллярных каналов и несколько электрических переключателей, расположенных таким образом, чтобы обеспечивать выбор числа указанных капиллярных каналов для их последовательного подсоединения между электрическими клеммами.
Для получения этих результатов при помощи исключительно простой электрической схемы устройство регулирования расхода может содержать по меньшей мере один электрический переключатель, соединенный с одним из указанных капиллярных каналов и выполненный с возможностью переключения между электрическим соединением с одним другим из указанных капиллярных каналов и электрическим соединением с одной из указанных электрических клемм. В частности, первый конец первого капиллярного канала можно соединить с первой электрической клеммой, первый конец второго капиллярного канала можно соединить с второй электрической клеммой, и электрический переключатель, соединенный с вторым концом первого капиллярного канала, может переключаться между электрическим соединением с второй электрической клеммой и электрическим соединением с вторым концом второго капиллярного канала. Таким образом, переключение электрического переключателя позволяет вставлять или исключать второй электрический канал из электрической схемы, образованной между двумя клеммами.
Устройство регулирования расхода согласно настоящему изобретению представляет особый интерес для регулирования сверхнизких расходов газа с точностью и надежностью в исключительно сложных условиях окружающей среды. Таким образом, настоящее изобретение относится также к системе питания рабочим газом, например, таким как ксенон, космического электрического двигателя, например, такого как двигатель на эффекте Холла, содержащей по меньшей мере одно такое устройство регулирования расхода указанного рабочего газа, а также к космическому электрическому двигателю, содержащему такую систему питания рабочим газом.
Объектом настоящего изобретения является также способ регулирования расхода текучей среды между входной камерой и выходной камерой, в котором по меньшей мере один электрический переключатель выборочно подсоединяет между двумя электрическими клеммами один или несколько капиллярных каналов среди множества электропроводящих капиллярных каналов, гидравлически соединяющих параллельно входную камеру и выходную камеру, чтобы нагревать за счет эффекта Джоуля капиллярный канал или капиллярные каналы, электрически подсоединенные между двумя электрическими клеммами, с целью регулирования расхода текучей среды, проходящей через множество капиллярных каналов от входной камеры к выходной камере. Таким образом, несколько из указанных капиллярных каналов можно электрически соединить последовательно между двумя электрическими клеммами с целью регулирования расхода текучей среды. Ток, проходящий между двумя электрическими клеммами, тоже регулируют, чтобы регулировать расход текучей среды, проходящей через множество капиллярных каналов.
Краткое описание чертежей
Изобретение и его преимущества будут более понятны из нижеследующего подробного описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера. Описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично показан пример космического электрического двигателя;
на фиг. 2А-2Е схематично показано устройство регулирования расхода согласно варианту осуществления в пяти разных режимах работы.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан космический электрический двигатель 101. Двигатель 101, в частности, электростатический двигатель на эффекте Холла, содержит канал 150 кольцевого сечения, закрытый на своем входном конце и открытый на своем выходном конце, анод 151, находящийся на входном конце канала 150, излучающий катод 152, находящийся на выходе выходного конца канала 150 и оснащенный по меньшей мере одним нагревательным элементом 153, электромагниты 154, расположенные радиально внутри и снаружи канала 150, и форсунки 155 для впрыска рабочей текучей среды, расположенные на входном конце канала 150. Такой двигатель 101 можно применять для управления траекторией и ориентацией космического аппарата, такого как спутник, зонд или верхняя ступень ракеты-носителя. Он позволяет получать очень большие специфические импульсы (порядка 1500-2000 секунд) и, следовательно, обеспечивает очень низкое потребление рабочего газа. Вместе с тем, максимальная тяга пока остается очень ограниченной.
Как показано на фиг. 1, двигатель 101 содержит также систему 104 питания рабочей текучей средой (например, ксеноном) с линией 105 питания электростатического двигателя 101 рабочим газом, соединенной с форсунками 155 электростатического двигателя 101. На линии 105 установлен регулятор 107 давления питания электростатического двигателя 101 рабочим газом. Этот регулятор 107 давления обеспечивает, таким образом, по существу постоянное давление питания двух двигателей, даже когда давление питания на входе сильно меняется.
На линии 105 питания электростатического двигателя 101 рабочим газом на выходе регулятора 107 давления, а также на входе форсунок 155 впрыска рабочей среды в электростатический двигатель 101 установлены также двухпозиционный клапан 110 и устройство 109 регулирования расхода. Двухпозиционный клапан 110 служит для управления питанием электростатического двигателя рабочим газом, тогда как устройство 109 регулирования расхода служит для регулирования его расхода. Кроме того, схема 104 питания рабочей текучей средой содержит также отвод 171, соединяющий линию 105 на выходе регулятора 109 расхода с катодом 152, чтобы подавать очень ограниченный расход газа на этот катод 152, который является полым катодом, чтобы облегчать эмиссию электронов из катода 152, а также его охлаждение. Дроссели 172 на этом отводе 171 и на входе форсунок 155 ограничивают расход рабочего газа, поступающего на катод 152, по отношению к рабочему газу, впрыскиваемому через форсунки 155.
Устройство 109 регулирования расхода обычно должно регулировать очень низкий массовый расход питания рабочим газом, порядка нескольких мг/с. Для этого, специалист в данной области обычно применяет устройства регулирования расхода, называемые «термокапиллярными» или «термоограничительными», в которых газ проходит по капиллярному каналу, соединенному с источником тока для регулирования расхода газа посредством нагрева капиллярного канала за счет эффекта Джоуля. Однако на практике эти известные устройства регулирования расхода позволяют изменять расход только в узких диапазонах, особенно когда давление питания является постоянным. Так, устройство регулирования расхода, применяемое в двигателе на эффекте Холла PPS 1350 с давлением питания ксеноном в 265 кПа, может изменять расход только в диапазоне от 4 до 8 мг/с. Хотя этого достаточно для существующего двигателя на эффекте Холла, который оптимизирован для единственной рабочей точки с 1,5 кВт мощности и 350 В электрического напряжения между анодом и катодом, этого явно недостаточно для электростатических двигателей, предусмотренных для работы в широких диапазонах мощности и тяги и, следовательно, требующих регулирования расхода рабочего газа, который может меняться, например, между 10 и 17 мг/с и даже между 17 и 50 мг/с.
Чтобы удовлетворить эту потребность, устройство 109 регулирования расхода согласно варианту осуществления, детально представленному на фиг. 2А-2Е, содержит пять капиллярных каналов 201-205, гидравлически соединяющих параллельно входную камеру 206 с выходной камерой 207. Входная камера 206 предназначена для заполнения рабочим газом, поступающим из источника рабочего газа через линию 105 питания на выходе регулятора 107 давления и двухпозиционного клапана 110, тогда как выходная камера 207 предназначена для соединения с входом форсунок 155 для их питания рабочим газом с регулируемым расходом и давлением.
Капиллярные каналы 201-205 являются также электропроводящими, и устройство 109 регулирования расхода содержит также первую электрическую клемму 208, соединенную с первым концом 201а капиллярного канала 201, смежным с входной камерой 206, вторую электрическую клемму 209, соединенную с вторым концом 205b капиллярного канала 205, смежным с выходной камерой 207, а также с электрическими схемами 210, 211, находящимися соответственно на входной 206 и выходной 207 камерах. Между концами капиллярных каналов 201-205 и входной и выходной камерами 206, 207 можно также расположить изолирующие наконечники 220, чтобы изолировать эти концы от схем 210, 211 и друг от друга. Электрические клеммы 208, 209 могут быть подсоединены к источнику электрического тока и, в частности, к источнику переменного электрического тока.
Схема 210 содержит два переключателя 210а и 210b, и схема 211 содержит два других переключателя 211а и 211b. Переключатель 210а соединен с концом 202а капиллярного канала 202 и выполнен с возможностью переключаться между соединением с концом 203а капиллярного канала 203 и соединением с второй электрической клеммой 209. Аналогично, переключатель 210b соединен с концом 204а капиллярного канала 204 и выполнен с возможностью переключаться между соединением с концом 205а капиллярного канала 205 и соединением с второй электрической клеммой 209. На схеме 211 переключатель 211а соединен с концом 201b капиллярного канала 201 и выполнен с возможностью переключаться между соединением с концом 202b капиллярного канала 202 и соединением со второй электрической клеммой 209. Аналогично, переключатель 211b соединен с концом 203b капиллярного канала 203 и выполнен с возможностью переключаться между соединением с концом 204а капиллярного канала 204 и соединением со второй электрической клеммой 209.
Таким образом, переключатели 210а, 210b и 211а, 211b позволяют выбирать число капиллярных каналов среди пяти капиллярных каналов 201-205 для последовательного электрического соединения между первой и второй электрическими клеммами 208, 209. Так, в конфигурации, показанной на фиг. 2А, переключатель 211а соединяет конец 201b капиллярного канала 201 с второй электрической клеммой 209. Таким образом, независимо от положений других переключателей, между двумя электрическими клеммами 208, 209 подсоединен только капиллярный канал 201, и электрический ток, циркулирующий между этими двумя клеммами 208, 209, будет проходить только через этот капиллярный канал 201 среди множества капиллярных каналов 201-205, нагревая капиллярный канал 201, чтобы регулировать расход газа. С другой стороны, в конфигурации, показанной на фиг. 2В, переключатель 211а соединяет конец 201b капиллярного канала 201 со смежным концом 202b капиллярного канала 202. Переключатель 210а соединяет другой конец 202а капиллярного канала 202 с второй клеммой 209, поэтому, независимо от положений остальных переключателей, между первой и второй электрическими клеммами 208, 209 последовательно подсоединены только капиллярные каналы 201 и 202, и электрический ток, циркулирующий между этими двумя клеммами 208, 209, будет проходить только через эти капиллярные каналы 201, 202 среди совокупности капиллярных каналов 201-205, нагревая эти капиллярные каналы 201, 202, чтобы регулировать расход газа.
В конфигурации, показанной на фиг. 2С, переключатель 211а соединяет конец 201b капиллярного канала 201 со смежным концом 202b капиллярного канала 202, тогда как переключатель 210а соединяет другой конец 202а капиллярного канала 202 со смежным концом 203а капиллярного канала 203, соединяя, таким образом, последовательно три капиллярных канала 201, 202, 203. С другой стороны, переключатель 211b соединяет конец 203b капиллярного канала 203 с второй клеммой 209, поэтому, независимо от положения переключателя 210b, между первой и второй электрическими клеммами 208, 209 последовательно подсоединены только капиллярные каналы 201, 202 и 203, и электрический ток, циркулирующий между этими двумя клеммами 208, 209, будет проходить только через эти капиллярные каналы 201, 202 и 203 среди совокупности капиллярных каналов 201-205, нагревая эти капиллярные каналы 201, 202 и 203, чтобы регулировать расход газа.
В конфигурации, показанной на фиг. 2D, переключатель 211а соединяет конец 201b капиллярного канала 201 со смежным концом 202b капиллярного канала 202, переключатель 210а соединяет другой конец 202а капиллярного канала 202 со смежным концом 203а капиллярного канала 203, и переключатель 211b соединяет другой конец 203b капиллярного канала 203 со смежным концом 204b капиллярного канала 204, соединяя, таким образом, последовательно четыре капиллярных канала 201-204. С другой стороны, переключатель 210b соединяет конец 204а капиллярного канала 204 с второй клеммой 209, поэтому между первой и второй электрическими клеммами 208, 209 последовательно подсоединены только капиллярные каналы 201, 202, 203 и 204, и электрический ток, циркулирующий между этими двумя клеммами 208, 209, будет проходить только через эти капиллярные каналы 201, 202, 203 и 204 среди совокупности капиллярных каналов 201-205, нагревая эти капиллярные каналы 201, 202, 203 и 204, чтобы регулировать расход газа.
Наконец, в конфигурации, показанной на фиг. 2Е, переключатель 211а соединяет конец 201b капиллярного канала 201 со смежным концом 202b капиллярного канала 202, переключатель 210а соединяет другой конец 202а капиллярного канала 202 со смежным концом 203а капиллярного канала 203, переключатель 211b соединяет другой конец 203b капиллярного канала 203 со смежным концом 204b капиллярного канала 204, и переключатель 210а соединяет другой конец 204а капиллярного канала 204 со смежным концом 205а капиллярного канала 205, соединяя, таким образом, последовательно пять капиллярных каналов 201-205, поэтому электрический ток, циркулирующий между этими двумя клеммами 208, 209, будет проходить через пять капиллярных каналов 201-205, нагревая эти капиллярные каналы 201-205, чтобы регулировать расход газа.
Таким образом, подсоединяя выборочно между двумя электрическими клеммами 208,209 при помощи переключателей 210а, 210b, 211a и 211b один или несколько капиллярных каналов 201-205 и гидравлически соединяя параллельно входную камеру и выходную камеру, можно нагревать за счет эффекта Джоуля выбранный или выбранные таким образом капиллярный канал или капиллярные каналы, чтобы регулировать посредством числа нагреваемых капиллярных каналов расход газа, проходящего от входной камеры 206 к выходной камере 207 через совокупность капиллярных каналов 201. Регулирование электрического тока, циркулирующего между двумя электрическими клеммами 208,209, тоже обеспечивает точное регулирование расхода газа.
Таким образом, представленное устройство регулирования расхода с пятью капиллярными каналами, каждый из которых эквивалентен капиллярному каналу, используемому для двигателя PPS 1350, питаемому газообразным ксеноном при 265 кПа и электрическим током, регулируемым в диапазоне между 0,5 и 3 А, может регулировать расход газа между 78 и 68 мг/с в конфигурации, представленной на фиг. 2В, между 71 и 43мг/с в конфигурации, представленной на фиг. 2С, между 68 и 30 мг/с в конфигурации, представленной на фиг. 2D, и между 64 и 17 мг/с в конфигурации, представленной на фиг.2Е, что в итоге дает общий диапазон регулирования от 17 до 78 мг/с.
Хотя настоящее изобретение было описано в связи с конкретным примером осуществления, разумеется, что в этот пример можно вносить различные изменения, не выходя за рамки общего объема изобретения, определенного формулой изобретения. Например, число капиллярных каналов может быть меньше или больше пяти. Кроме того, компоновка переключателей может меняться при условии, что она обеспечивает выборочное питание одной или нескольких групп капиллярных каналов среди всех каналов. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать как иллюстративные, а неограничивающие.