DE19641731A1 - Arcjet cooling apparatus especially for spacecraft propulsion system - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von mindestens zwei Elektroden aufweisenden Licht bogengeneratoren.The invention relates to a device for cooling light having at least two electrodes bow generators.
Lichtbogengeneratoren, die auch als thermische Lichtbogentriebwerke (Arcjets) bezeichnet werden, weisen mindestens zwei Elektroden auf, zwischen denen ein Lichtbogen brennt. Die Wärme des Lichtbo gens dient dazu, Materialien, beispielsweise Gase, so stark zu erwärmen, daß diese durch eine Düse ge leitet werden und als Antrieb für Raumfahrtsysteme verwendet werden können. Es ist auch möglich, für Antriebe der hier angesprochenen Art Metalle zu verdampfen. Herkömmliche Lichtbogengeneratoren wei sen den Nachteil auf, daß ein großer Anteil der zu geführten elektrischen Energie in Form von Verlust wärme abgegeben und normalerweise durch Strahlung an die Umwelt weitergeleitet wird. Dieser Energie anteil geht beispielsweise für die Vortriebserzeu gung verloren, so daß der spezifische Energieinhalt reduziert wird.Arc generators, also called thermal Arc engines are called, have at least two electrodes between which burns an arc. The warmth of the Lichtbo gens is used to remove materials such as gases to heat so much that it ge through a nozzle be directed and as a drive for space systems can be used. It is also possible for Drives of the kind mentioned here metals evaporate. Conventional arc generators white sen the disadvantage that a large proportion of the conducted electrical energy in the form of loss emitted heat and usually by radiation is passed on to the environment. That energy for example, part goes for the tunneling equipment tion lost, so that the specific energy content is reduced.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrich tung zur Kühlung von Lichtbogengeneratoren zu schaffen, die diesen Nachteil nicht aufweist. It is therefore an object of the invention, a Vorrich device for cooling arc generators create that does not have this disadvantage.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Dadurch, daß wenigstens eine der Elektroden des Lichtbogengenerators einen porösen Kühlkörper aufweist, kann die Abstrahlung von Wärme reduziert und damit der spezifische Energieinhalt erhöht werden.To solve this problem, a device proposed that mentioned in claim 1 Features. Because at least one of the Electrodes of the arc generator are porous Has heat sink, can radiate heat reduced and thus the specific energy content increase.
Bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrich tung, das sich dadurch auszeichnet, daß der Kühl körper von einem Gas durchströmt und damit gekühlt wird. Das erwärmte Gas kann dem Aufheizvorgang zu geführt werden, so daß die im Lichtbogen gebildete Wärme besser ausgenutzt wird.An embodiment of the device is preferred tion, which is characterized in that the cooling body is flowed through by a gas and thus cooled becomes. The heated gas can cause the heating process be performed so that the arc formed Heat is better utilized.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der das Gas innerhalb des porösen Kühlkörpers zum Lichtbogen strömt und dabei die durch den Lichtbo gen entstehende Wärme aufnimmt und zum Lichtbogen zurückführt. Eine derartige Vorrichtung ist beson ders einfach aufgebaut und dazu geeignet, sehr kleine Baugrößen zu realisieren.An embodiment in which which the gas inside the porous heat sink for Arc flows and thereby through the Lichtbo absorbs heat and arcs leads back. Such a device is special it’s simply constructed and very suitable to realize small sizes.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den übrigen Un teransprüchen.Further advantages result from the remaining Un claims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich nung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Prinzipskizze eines Lichtbogengenerators im Längs schnitt.The invention is based on the drawing tion explained in more detail. The only figure shows one Principle sketch of an arc generator in the longitudinal direction cut.
Der Lichtbogengenerator 1 weist zwei Elektroden 3 und 5 auf, an die eine Spannung angelegt wird, so daß zwischen den Elektroden 3 und 5 ein Lichtbogen 7 ausgebildet wird. Bei dem hier dargestellten Aus führungsbeispiel ist die innere Elektrode mit einer negativen Spannung beaufschlagt. Sie wird im fol genden als Kathode 3 bezeichnet. An ihrem vorderen Ende ist die Kathode 3 mit einer Spitze 9 versehen, die innerhalb einer konischen Vertiefung 11 inner halb der im folgenden als Anode 5 bezeichneten Elektrode 5 so angeordnet ist, daß ein Spalt ausge bildet wird. Innerhalb der Anode 5 ist hier ein po röser Kühlkörper 13 vorgesehen, der sich vorzugs weise ringförmig um die Vertiefung 11 erstreckt und insbesondere als durchgehender Ring ausgebildet ist.The arc generator 1 has two electrodes 3 and 5 , to which a voltage is applied, so that an arc 7 is formed between the electrodes 3 and 5 . In the exemplary embodiment shown here, a negative voltage is applied to the inner electrode. It is referred to as cathode 3 below. At its front end, the cathode 3 is provided with a tip 9 which is arranged within a conical recess 11 within the electrode 5, which is referred to below as anode 5 , in such a way that a gap is formed. Within the anode 5 a po röses cooling body 13 is provided, which preferably extends annularly around the recess 11 and is in particular designed as a continuous ring.
Am Grund der Vertiefung 11 ist eine Öffnung 15 vor gesehen, die in einer sich konisch erweiternden Düse 17 mündet.At the bottom of the recess 11 , an opening 15 is seen before, which opens into a conically widening nozzle 17 .
Der Bereich der Vertiefung 11 ist von einer Abdeckung 19 überspannt, die einerseits dichtend an der Stirnseite 21 der Anode 5 anliegt und andererseits an der Außenfläche der Kathode 3. Die Abmessung der Abdeckung 19 ist so gewählt, daß die Vertiefung 11 vollständig abgedeckt wird. Vorzugsweise sind die Innenmaße der Abdeckung 19 so gewählt, daß auch ein Bereich, der die Vertiefung 11 umgibt, abgedeckt wird. Andererseits ist das Außenmaß der Abdeckung 19 so gewählt, daß der poröse Kühlkörper 13, der sich bis zur Stirnseite erstreckt, nicht vollstän dig abgedeckt wird. The area of the depression 11 is spanned by a cover 19 which, on the one hand, lies sealingly on the end face 21 of the anode 5 and, on the other hand, on the outer surface of the cathode 3 . The dimension of the cover 19 is chosen so that the recess 11 is completely covered. The inner dimensions of the cover 19 are preferably selected such that an area surrounding the recess 11 is also covered. On the other hand, the outer dimension of the cover 19 is chosen so that the porous heat sink 13 , which extends to the end face, is not completely covered dig.
Der die Abdeckung 19 überragende, hier mit der Stirnseite 21 zusammenfallende Bereich des porösen Kühlkörpers 13 wird mit einem Arbeitsgas, bei spielsweise mit Wasserstoff, Argon, Hydrazin, Ammo niak oder Stickstoff, beaufschlagt. Dazu kann die Kathode 3 innerhalb eines Zufuhrkanals 23 angeord net sein, in die das Arbeitsgas eingespeist wird. Der Zufuhrkanal 23 wird im Bereich der Elektroden durch die Abdeckung 19 und durch die Stirnseite 21 abgeschlossen, so daß das Arbeitsgas in den porösen Kühlkörper 13 in dem Bereich einströmt, der von der Abdeckung 19 nicht überspannt wird. Das Arbeitsgas kann in dem Bereich außerhalb der Abdeckung 19 in den porösen Kühlkörper 13 eindringen und durch den Kühlkörper hindurch bis zum Lichtbogen 7 gelangen. Dabei nimmt das Arbeitsgas die vom Lichtbogen 7 ausgehende und in den porösen Kühlkörper 13 sowie in die Anode 5 eingeleitete Wärme auf und transpor tiert diese in den Bereich des Lichtbogens 7 zu rück.The overhanging the cover 19 , here coinciding with the end face 21 area of the porous heat sink 13 is charged with a working gas, for example with hydrogen, argon, hydrazine, ammonia or nitrogen. For this purpose, the cathode 3 may be net angeord within a supply channel 23 , into which the working gas is fed. The supply channel 23 is closed off in the region of the electrodes by the cover 19 and by the end face 21 , so that the working gas flows into the porous cooling body 13 in the region which is not spanned by the cover 19 . The working gas can penetrate into the porous heat sink 13 in the area outside the cover 19 and pass through the heat sink to the arc 7 . The working gas absorbs the heat emanating from the arc 7 and introduced into the porous heat sink 13 and into the anode 5 and transports it back into the area of the arc 7 .
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß die Kathode 3 zylindrisch ausgebildet ist, daß die Vertiefung 11 kegelförmig ist und daß schließlich die Anode 5 ebenfalls eine zylindrische Ausgestaltung aufweist. Der Kühlkörper 13 ist entsprechend kreisrund ausgebildet, er ist in die Stirnseite 21 der Anode 5 eingelassen und bildet einen Teil der Stirnseite 21 und nimmt die Vertiefung 11 auf. Der Kühlkörper 13 erstreckt sich im Inneren des Grundkörpers 25 der Anode 5 bis in den Bereich der Düse 17, so daß das in den Kühlkör per 13 eingeleitete Arbeitsgas auch von der Düse abgegebene Wärme aufnehmen und zum Lichtbogen 7 transportieren kann.In the embodiment shown here, it is assumed that the cathode 3 is cylindrical, that the recess 11 is conical and that finally the anode 5 also has a cylindrical configuration. The heat sink 13 is correspondingly circular, it is embedded in the end face 21 of the anode 5 and forms part of the end face 21 and receives the depression 11 . The heat sink 13 extends in the interior of the base body 25 of the anode 5 into the region of the nozzle 17 , so that the working gas introduced into the heat sink by 13 can also absorb heat emitted by the nozzle and transport it to the arc 7 .
Der Kühlkörper 13 ist nach allem so ausgebildet, daß der Gasfluß im wesentlichen antiparallel und/oder orthogonal zum Wärmegradienten erfolgt. Da die Zufuhr des Arbeitsgases aus dem Zufuhrkanal 23 zum Lichtbogen 7 hier ausschließlich über den po rösen Kühlkörper 13 erfolgt, wirkt dieser auch als Drossel und damit zur Regulierung des Gasflusses. Es ist selbstverständlich auch möglich, zusätzlich über geeignete Öffnungen in der Abdeckung 19 Ar beitsgas zum Lichtbogen 7 zu leiten. Eine optimale Kühlung beziehungsweise Wärmerückführung ergibt sich jedoch, wenn das dem Lichtbogen 7 zugeführte Arbeitsgas ausschließlich durch den Kühlkörper 13 geführt wird.After all, the heat sink 13 is designed such that the gas flow is essentially antiparallel and / or orthogonal to the thermal gradient. Since the supply of the working gas from the supply channel 23 to the arc 7 takes place here exclusively via the po röses cooling body 13 , this also acts as a throttle and thus to regulate the gas flow. It is of course also possible to additionally conduct gas to the arc 7 via suitable openings in the cover 19 Ar. Optimal cooling or heat recovery results, however, if the working gas supplied to the arc 7 is led exclusively through the heat sink 13 .
Nach allem wird deutlich, daß es grundsätzlich auch möglich ist, im Inneren der Kathode 3 einen porösen Kühlkörper vorzusehen, der bis an die Spitze 9 der Kathode 3 reicht und von Arbeitsgas durchströmt werden kann. Auf diese Weise kann an der Kathode 3 anfallende Wärme auch an den Lichtbogen 7 zurückge führt werden.After all, it is clear that it is in principle also possible to provide a porous heat sink in the interior of the cathode 3 , which extends to the tip 9 of the cathode 3 and through which working gas can flow. In this way, heat generated at the cathode 3 can also be returned to the arc 7 .
Der poröse Kühlkörper 13 kann als Sinterkörper aus gebildet sein, der entweder in eine Form gepreßt und in die Anode eingesetzt oder mechanisch bear beitet wird. Innerhalb des porösen Kühlkörpers 13 ergeben sich sehr feine Kanäle, innerhalb derer das Gas strömt. Der Kühlkörper hat eine überaus große Oberfläche, so daß die anfallende Wärme praktisch vollständig an das Gas übergeleitet und dem Ver brennungsvorgang zugeführt werden kann. Zumindest ist sichergestellt, daß die Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert sind. Besonders geeignet zur Her stellung des Kühlkörpers ist Wolfram.The porous heat sink 13 can be formed as a sintered body, which is either pressed into a mold and inserted into the anode or machined mechanically. Within the porous heat sink 13 there are very fine channels within which the gas flows. The heat sink has an extremely large surface area, so that the heat generated can be almost completely transferred to the gas and fed to the combustion process. At least it is ensured that the heat losses are reduced to a minimum. Tungsten is particularly suitable for the manufacture of the heat sink.
Durch die ringförmige Ausgestaltung des Kühlkörpers und die Einleitung des Arbeitsgases in einem äuße ren Ringbereich über die Stirnseite 21 des Kühlkör pers 13 stellt sich eine optimale radiale Tempera turverteilung ein.Due to the annular configuration of the heat sink and the introduction of the working gas in an outer ring area on the front side 21 of the heat sink 13 , an optimal radial temperature distribution is achieved.
Aus dem Obengesagten wird deutlich, daß bei einem Lichtbogengenerator 1 der hier beschriebenen Art das kalte Arbeitsgas, das außerhalb der Abdeckung 19 in den Kühlkörper 13 einströmt, sich gleichmäßig im Kühlkörper 13 verteilt und optimal die Wärme aufnehmen kann, die an der Innenkontur beziehungs weise der Vertiefung 11 der Anode 5 frei wird. Das Gas strömt aus der Innenfläche der Vertiefung 11 aus und wird im Lichtbogen 7 stark erwärmt. Es tritt daher mit hoher Geschwindigkeit durch die Öffnung 15 und aus der Düse 17 aus, so daß von dem Lichtbogengenerator Vorschubkräfte erzeugt werden.From the above it is clear that in an arc generator 1 of the type described here, the cold working gas, which flows outside the cover 19 into the heat sink 13 , is evenly distributed in the heat sink 13 and can optimally absorb the heat, the relationship to the inner contour Indentation 11 of the anode 5 becomes free. The gas flows out of the inner surface of the depression 11 and is strongly heated in the arc 7 . It therefore exits through the opening 15 and out of the nozzle 17 at high speed, so that feed forces are generated by the arc generator.
Durch die hohe Nußeltzahl im Bereich der Poren des Kühlkörpers und durch die relativ niedrige Strö mungsgeschwindigkeit des Gases innerhalb des Kühl körpers 13 besteht eine extrem gute Kopplung zwi schen der heißen Anode 5 und dem Arbeitsgas, so daß das Gas immer die höchstmögliche Temperatur, näm lich die des Kühlkörpers 13 annimmt, so daß prak tisch die gesamte anfallende Wärme dem Aufheizvor gang wieder zugeführt werden kann.Due to the high Nusselt number in the pores of the heat sink and the relatively low flow velocity of the gas inside the heat sink 13 there is an extremely good coupling between the hot anode 5 and the working gas, so that the gas always the highest possible temperature, naem Lich that of the heat sink 13 assumes, so that practically all the heat generated can be fed to the heating process again.
Der Lichtbogengenerator 1 der hier beschriebenen Art zeichnet sich durch seinen besonders einfachen und damit störungsunanfälligen Aufbau aus. Insbe sondere kann auf übliche Injektorringe mit Bohrun gen oder ähnliche Vorrichtungen zur Drosselung des Zustroms des Arbeitsgases verzichtet werden.The arc generator 1 of the type described here is distinguished by its particularly simple and therefore failure-prone structure. In particular, special injector rings with bores or similar devices for throttling the inflow of the working gas can be dispensed with.
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