DE19708245A1 - Vorrichtung zum Erzeugen einer gleichförmig variablen Öffnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Feld der Öffnungen und Flußrestriktoren mit sehr kleinen Öffnungen und insbesondere auf eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen einer mechanisch einstellbaren und präzis variablen, ringförmi­ gen Öffnung mit einem extrem kleinen Flußdurchgang.

Beim Regeln des Treibstoffflusses in ein elektrischen Ionenantriebstriebwerk für ein Raumfahrzeug ist es notwendig, die Einstellung einer extrem klein bemessenen Öffnung kontinuierlich und präzise beizubehalten.

Eine wohlbekannte Ausführung einer präzis bemessenen Öffnung ist das Nadelven­ til, bei dem eine mit einem sehr kleinen Winkel abgeschrägte Nadel so montiert ist, daß sie sich zu und von einem kreisförmigen Sitz bewegen kann, so daß sie eine ringförmige Öff­ nung mit variabler Fläche zwischen sich und dem Sitz bildet. Jedoch sind die für die Rege­ lung eines Ionenantriebs erforderlichen Flüsse so gering, daß sie die praktischen Möglich­ keiten auch dieser Vorrichtung übersteigen.

Es ist bekannt, eine Öffnung mit variabler Fläche zu erzeugen, indem man eine feste, kugelförmige Kugel in einem knapp passenden, runden Durchgang anordnet oder indem man die Kugel mit einem Sitz verbindet und danach das Gehäuse oder den Sitz ela­ stisch verformt, um den Fluß zu modulieren. Die Anwendung einer passenden Kraft, übli­ cherweise eine Preß- oder Dehnkraft entlang einer transversalen Querachse des Gehäuses, erzeugt eine elliptische Öffnung in dem beweglichen Element und bildet diametral gegen­ überliegende, vergrößerte, sichelförmige Flußkanäle auf beiden Seiten der Kugel. Bei dieser Art von Vorrichtung ändert sich die Öffnungsfläche als Funktion der angelegten mecha­ nischen Verformung. Jedoch ist die Verstärkung dieser Vorrichtung nicht linear in dem Sinne, daß sich die Fläche der Öffnung nicht proportional mit der angelegten Verformungs­ kraft ändert. Beispiele dieses Typs von variabler Öffnung können in den US-Patenten Nr. 2 518 165, 2 946 165, 3 758 037, 4 456 223 und 4 730 634 gefunden werden.

Ein weiterer Typ von Vorrichtung, der die elastische Verformung eines Flußdurch­ gangs verwendet, bildet ein längliches, röhrenförmiges Element, das elastische um seine Achse verdreht werden kann, um seinen inneren Durchmesser zu verringern. Beispiele dieses Vorrichtungstyps können in den US-Patenten Nr. 2, 844 351, 3 329 390 und 4 523 737 gefunden werden. Jedoch besitzt keine dieser Vorrichtungen ein inneres Element in­ nerhalb des äußeren, verformbaren Elements, um eine variable, ringförmige Öffnung da­ zwischen zu bilden.

Jeder der oben beschriebenen Typen von mechanisch variablen Öffnung besitzt seine eigenen, speziellen Nachteile. Es wäre daher allgemein wünschenswert, eine ver­ besserte, mechanisch einstellbare Vorrichtung zu schaffen, bei der sich die Öffnungsfläche im wesentlichen proportional mit der angelegten, mechanischen Auslenkung ändert.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in den beigefügten Patentansprüchen definierte Vorrichtung zum Erzeugen einer variablen Öffnung gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft allgemein eine Vorrichtung, die eine variable Öffnung bildet, deren Fläche als eine im wesentlichen lineare Funktion einer angelegten, mechanischen Auslenkung moduliert werden kann.

Unter Bezugnahme auf die entsprechenden Teile, Bereiche und Oberflächen der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Fig. 1 und 2 ge­ zeigt, auf die nur als Beispiel Bezug genommen wird und die nicht einschränkend sein soll, umfaßt die verbesserte Vorrichtung (20): einen Gegenstand (21) mit einer äußeren Ober­ fläche; eine Wand (24), die den Gegenstand in einem engen Abstand zur äußeren Ober­ fläche umgibt und eine Öffnung dazwischen bildet; und Vorrichtungen, die bewirken, daß sich die Oberfläche oder die Wand elastisch und senkrecht zu oder von der Wand bezie­ hungsweise der Oberfläche bewegt, um den Abstand dazwischen gleichmäßig zu ändern, ohne die anfängliche geometrische Form der Öffnung wesentlich zu ändern, wodurch die bewegliche Oberfläche oder die bewegliche Wand senkrecht zur Wand beziehungsweise zur Oberfläche bewegt werden kann, um die Fläche der Öffnung zu ändern.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Wand als eine Drehfläche ausge­ bildet, die um die Achse der Öffnung gebildet ist. Die äußere Oberfläche des Gegenstands ist vorzugsweise als Drehfläche ausgebildet, die um wenigsten einen Punkt auf der Öff­ nungsachse ausgebildet ist. Der Gegenstand kann eine Kugel (21) sein, und die äußere Oberfläche kann im wesentlichen kugelförmig sein. Alternativ kann der Gegenstand ein Stab (41) sein, und die äußere Oberfläche kann im wesentlichen zylindrisch sein. Der Ge­ genstand kann auch andere Konfigurationen aufweisen.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ändert sich der radiale Abstand zwischen der äußeren Oberfläche des Gegenstands und der Wand im wesentlichen proportional und gleichmäßig um die Peripherie des Gegenstands, wenn sich die beweglich Oberfläche oder die bewegliche Wand relativ zur Oberfläche beziehungsweise zur Wand bewegt.

Die Verformungsvorrichtungen bilden im allgemeinen eine Vorrichtung oder einen Mechanismus zum Umwandeln einer mechanischen Auslenkung in eine elastische Verfor­ mung der beweglichen Oberfläche oder der beweglichen Wand relativ zueinander. Diese können eine Vorrichtung zum Anlegen einer auf einer Linie oder einer Fläche verteilten Drucklast, einer Zugkraft, einer Drehkraft oder eine Fluidvorrichtung zum Erzeugen der mechanischen Auslenkung als Ergebnis einer Inflation oder Deflation umfassen. Andere Typen von mechanischen oder Fluidvorrichtungen können verwendet werden, um die die Öffnung verändernde Bewegung zu erzeugen.

Um die Fläche der Öffnung zu verändern, kann sich die Wand zu oder von dem Gegenstand bewegen, die Gegenstandsoberfläche kann sich zu oder von der Wand bewe­ gen, oder beide Elemente können sich relativ zueinander oder voneinander bewegen.

Folglich ist es die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer variablen Öffnung zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer variablen Öffnung zu schaffen, deren offene Fläche sich in Abhängigkeit von einer daran angelegten, mechanischen Auslenkung ändert, die eine mechanische Span­ nung verursacht, die eine elastische Verformung bewirkt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer variablen Öffnung zu schaffen, bei der sich die Fläche der Öffnung im we­ sentlichen proportional zur angelegten, mechanischen Auslenkung ändert.

Diese und weitere Aufgaben und Vorteile werden aus der vorstehenden und nach­ folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen deutlich.

Fig. 1 ist ein fragmentarischer, schematischer, vertikaler Querschnitt einer ersten Ausführungsform der verbesserten Vorrichtung, wobei diese Ansicht den Gegenstand als eine kugelförmige Kugel zeigt, die innerhalb einer zentralen Bohrung einer mit Flanschen versehenen Röhre angeordnet ist.

Fig. 2 ist ein fragmentarischer, schematischer, vertikaler Querschnitt im allgemeinen ähnlich dem der Fig. 1, der aber die mit Flanschen versehene Röhre durch Anlegen einer gleichmäßigen Drucklast um die Peripherie des Flanschs deformiert zeigt, so daß eine Bie­ gung oder Krümmung einer solchen Röhre mit einer gleichzeitigen Einwärtsbiegung der Wand zum Verändern der Fläche der Öffnung bewirkt wird.

Fig. 3 ist ein fragmentarischer, schematischer, vertikaler Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der verbesserten Vorrichtung, wobei diese Ansicht wiederum den Gegen­ stand als kugelförmige Kugel zeigt, die operativ in der zentralen Bohrung einer mit Flan­ schen versehenen Röhre angeordnet ist.

Fig. 4 ist ein fragmentarischer, schematischer, vertikaler Querschnitt im allgemeinen ähnlich dem Fig. 3, der aber die Wand der mit Flanschen versehenen Röhre in Abhängigkeit von dem Anlegen einer Drehauslenkung an der mit Flanschen versehenen Röhre radial nach innen zum Gegenstand hin gebogen zeigt.

Fig. 5 ist ein fragmentarischer, schematischer, vertikaler Querschnitt einer dritten Ausführungsform der verbesserten Vorrichtung, wobei diese Ansicht den Gegenstand als einen vertikal länglichen Zylinderstab zeigt, der operativ in die zentrale Öffnung eines Dich­ tungsringelements des Bellevilletyps eindringt.

Fig. 6 ist ein fragmentarischer, schematischer, vertikaler Querschnitt im allgemeinen ähnlich dem der Fig. 5, der aber das Dichtungsringelement des Bellevilletyps unter dem Anlegen einer Druckauslenkung zum Verändern der Öffnungsfläche verformt zeigt.

Von Anfang an sollte klar sein, daß gleiche Bezugszeichen konsistent für mehrere Zeichnungen gleiche strukturelle Elemente, Bereiche oder Oberfläche bezeichnen sollen, da diese Elemente, Bereiche oder Oberflächen innerhalb der gesamten Anmeldung beschrieben oder erklärt werden können, von der diese detaillierte Beschreibung ein Teil ist. Wenn es nicht anders festgestellt ist, sollen die Zeichnungen zusammen mit der Beschreibung gele­ sen werden (zum Beispiel Schraffierungen, Anordnungen von Teilen, Proportionen, usw.) und sollen als Teil der gesamten Offenbarung der vorliegenden Erfindung betrachtet wer­ den. In der nachfolgenden Beschreibung sollen sich Ausdrücke wie "horizontal", "vertikal", "links", "rechts", "oben" und "unten" ebenso wie ihre adverbialen Entsprechungen einfach auf die Orientierung der gezeigten Strukturen, wie sie dem Leser gegenüberliegen, bezie­ hen. Auf ähnliche Weise beziehen sich Ausdrücke wie "nach innen" und "nach außen" im allgemeinen auf die Orientierung einer Oberfläche relativ zu ihrer Ausdehnungsachse oder, je nach dem, auf ihre Rotationsachse.

Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, schafft die vorliegende Erfindung im allgemei­ nen eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen einer Öffnung mit variabler Fläche. In den beigefügten Zeichnungen sind drei spezielle Ausführungsformen gezeigt. Eine erste Aus­ führungsform ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt, eine zweite Ausführungsform ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt, und eine dritte Ausführungsform ist in den Fig. 5 und 6 ge­ zeigt. Der Einfachheit halber werden diese drei verschiedenen Ausführungsformen hiernach der Reihe nach beschrieben.

Erste Ausführungsform (Fig. 1 und 2)

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch eine erste Ausführungsform der verbesser­ ten Vorrichtung. In dieser Ausführungsform ist die verbesserte Vorrichtung, allgemein mit 20 bezeichnet, so gezeigt, daß sie allgemein einen Gegenstand 21 umfaßt, der innerhalb der zentralen, vertikalen Bohrung einer mit Flanschen versehenen Röhre, allgemein mit 22 bezeichnet, angeordnet ist. In dieser ersten Ausführungsform ist der Gegenstand 21 eine Kugel mit einer kugelförmigen, äußeren Oberfläche. Die Kugel wird operativ mittels eines Stabes, von dem ein Teil fragmetarisch durch 23 angedeutet ist, in Position gehalten.

Die mit Flanschen versehenen Röhre 22 ist mit einer nach innen weisenden, zylin­ drischen Oberfläche oder Wand 24, die ihre Bohrung bildet, die einen dünnwandigen Röh­ renbereich 25 aufweist, und oberen und unteren, scheibenförmigen Flanschen 26 und 28 gezeigt, die sich radial von den oberen und unteren Rändern eines mittleren Wandbereichs 25 nach außen erstrecken.

Fig. 1 zeigt den Gegenstand in der Bohrung angeordnet, die sich entlang der verti­ kalen y-y-Achse erstreckt. Somit wird in der unverformten Form, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, eine ringförmige Öffnung mit einem radialen Abstand c₁ zwischen dem Gegenstand und der Wand gebildet.

Fig. 2 zeigt den ringförmigen Wandbereich 25 in Abhängigkeit von dem Anlegen einer gleichmäßigen, peripheren, drückenden, vertikalen Auslenkung der äußeren Ränder der oberen und unteren Flansch zueinander, die durch eine Kraft F₁ erzeugt wird, nach innen zur Kugel gebogen. Mit anderen Worten erzeugt diese Auslenkung Drehmomente entlang des Umfangs um die Verbindung der Flansche und der Enden des röhrenförmigen Bereichs herum, so daß sich die Röhrenwand 24 radial nach innen zur Kugel 21 hin be­ wegt. Die Auswirkung dieses sich nach innen Biegens der Wand ist eine Verringerung des anfänglichen Abstand c₁ auf einen geringeren Wert, der in Fig. 2 als c₂ gezeigt ist. Da die anliegende Auslenkung darüber hinaus auf den gesamten Umfang der oberen und unteren Flansche wirkt, biegt sich die Wand im wesentlichen gleichmäßig um ihren Umfang herum radial nach innen. Daher ändert sich der radiale Abstand in Abhängigkeit von der elasti­ schen Verformung der Flansche im Gegensatz zu den sichelförmigen Öffnungen im Stand der Technik im wesentlichen gleichförmig um die Kugel herum.

Zweite Ausführungsform (Fig. 3 und 4)

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der verbesserten Vor­ richtung, die allgemein mit 30 bezeichnet ist.

In dieser zweiten Ausführungsform ist der Gegenstand 21 ebenfalls als Kugel be­ zeichnet, wie sie zuvor beschrieben worden ist. Die Vorrichtung ist wiederum als eine mit Flanschen versehenen Röhre, wiederum mit 22 bezeichnet, mit den verschiedenen Teilen, Bereichen und Oberflächen, wie sie zuvor beschrieben worden sind, gezeigt.

Der Unterschied bei dieser zweiten Ausführungsform ist, daß eine reine Drehung, mit T bezeichnet, auf die oberen und unteren Flansche wirkt, wobei die Richtung der Dre­ hung in Fig. 4 symbolisch gezeigt ist. Eine solche Drehung der Flansche bewirkt ein gleich­ zeitiges nach innen Biegen der Wand 24. Während Fig. 3 die unbelastete Form mit einer Öffnung mit einem radialen Abstand von c₁ zeigt, wird, wenn die Drehung auf den röhren­ förmigen Abschnitt wirkt, der radiale Abstand aufgrund des nach innen Biegens der Wand auf einen geringeren Wert reduziert, wie er in Fig. 4 mit c₂ bezeichnet ist.

Dritte Ausführungsform (Fig. 5 und 6)

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine dritte Ausführungsform der verbesserten Vorrich­ tung. Bei dieser Ausführungsform besitzt die Vorrichtung, nun allgemein mit 40 bezeich­ net, einen Gegenstand in der Form eines vertikal länglichen, zylindrischen Stabes 41, der operativ in die zentrale Öffnung eines Dichtungsscheibenpaares des Bellevilletyps, allgemein mit 42 bezeichnet, eindringt. Die dichtungsscheibenartigen Flansche sind einstückig mit einem kurzen, röhrenförmigen Zwischenstück geformt, so daß sie als eine Einheit verformt werden können.

In dieser Ausführungsform bewirkt eine gleichförmig verteilte, drückende, vertikale Auslenkung (F₃) der oberen und unteren, äußeren Randkanten der Flansche, die zu einem Abflachen des "Belleville-Dichtungsscheibenstapels" führt, wie in Fig. 6 gezeigt, eine Dre­ hungsverformung der dichtungsscheibenförmigen Elemente, so daß der Innendurchmesser verringert wird und der radiale Abstand sich von einem Anfangswert c₁ in Fig. 5 auf einen kleineren Wert c₂ in Fig. 6 ändert.

Daher schafft die vorliegende Erfindung allgemein eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen einer Öffnung mit variabler Fläche mit einem Gegenstand mit einer äußeren Oberfläche, einer Wand, die den Gegenstand eng umgibt und eine Öffnung zwischen sich und dem Gegenstand bildet, und Vorrichtungen zum elastischen Verformen der Oberfläche oder der Wand auf solche Weise, daß eine senkrechte Bewegung des betroffenen Elements von oder zu der Wand beziehungsweise der Oberfläche bewirkt wird, um den Zwischen­ raum dazwischen ohne eine wesentliche Änderung der Anfangsgeometrie der Öffnung zu ändern.

Modifikationen

Die vorliegende Erfindung erlaubt viele Änderungen und Modifikationen.

In den beigefügten Zeichnungen wurde der Gegenstand in der Form einer kugelför­ migen Kugel oder eines zylindrischen Stabes gezeigt. Der Gegenstand kann aber auch andere Formen aufweisen. Es wird bevorzugt, daß der Gegenstand eine äußere Oberfläche besitzt, die als Drehoberfläche ausgeführt ist. Somit kann der Gegenstand viele verschiede­ ne Formen und Konfigurationen annehmen.

Bei den ersten beiden Formen wurde die Wand schematisch in Verbindung mit einer mit Flanschen versehenen Röhre beschrieben. Dies erlaubt einfach eine einfach zu verste­ hende Form, bei der die Anwendung verschiedener, mechanischer Auslenkungen die ge­ wünschte Bewegung der röhrenförmigen Wand entweder zum Gegenstand hin oder von diesem weg bewirkt. Jedoch muß der Wandbereich nicht notwendigerweise röhrenförmig sein. Zum Beispiel kann das Äquivalent einer Wand als die Kante einer inneren, kreisförmi­ gen Öffnung eines Belleville-artigen Dichtungselements, wie es in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, oder als ein anders ausgeführtes Element vorgesehen sein.

Es sollte ebenfalls festgestellt werden, daß entweder die Wand oder der Gegenstand sich relativ zum Gegenstand beziehungsweise zur Wand bewegen können muß, um die Fläche der Öffnung zu verändern. In einer entsprechenden Situation kann sich die periphere Oberfläche des Gegenstands durch selektive Zunahme oder Abnahme des Fluiddrucks innerhalb einer hohlen, elastisch verformbaren Kugel zu einer Wand mit einem festen Durchmesser hin oder von ihr weg bewegen. Alternativ kann sich der Gegenstand relativ zu einer festen Wand bewegen, oder die Wand und der Gegenstand können sich beide relativ zu- oder voneinander bewegen.

Die Materialen für die Konstruktion können ebenfalls je nach Bedarf geändert wer­ den. Während die verschiedenen, röhrenförmigen Elemente und das Belleville-Dichtungs­ scheibenelement als Metall schraffiert sind, könnten sie alternativ aus einem geeigneten Plastikmaterial oder einem plastomeren Material oder einem anderen Material, so wie es gewünscht ist, bestehen. In anderen Ausführungsformen kann die zur Änderung der Öff­ nung führende Verformung durch eine Druck- oder Zuglast erzeugt werden, die über eine größere Fläche verteilt ist.

Daher wird, auch wenn verschiedene Ausführungsformen der verbesserten Vor­ richtung gezeigt und beschrieben worden sind und verschiedene Modifikationen diskutiert worden sind, der Fachmann feststellen, daß verschiedene, weitere Änderungen und Modifi­ kationen durchgeführt werden können, ohne vom Wesen der Erfindung, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims (8)

1. Vorrichtung (20, 30, 40) zum Erzeugen einer variablen Öffnung, welche umfaßt:
einen Gegenstand (21, 41) mit einer äußeren Oberfläche;
ein Element mit einer Wand (24), die den Gegenstand in einem engen Abstand zur äußeren Oberfläche umgibt und eine Öffnung dazwischen bildet; und
Vorrichtungen zum elastischen Verformen der Oberfläche oder der Wand senkrecht zu oder von der Wand beziehungsweise der Oberfläche, um den Abstand dazwischen gleichmäßig zu ändern, ohne die anfängliche geometrische Form der Öffnung wesentlich zu ändern,
wodurch die bewegliche Oberfläche oder die bewegliche Wand senkrecht zur Wand beziehungsweise zur Oberfläche bewegt werden kann, um die Fläche der Öffnung zu än­ dern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand als Ober­ fläche eines um eine Achse erzeugten Drehkörpers geformt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand eine zylin­ drische Oberfläche ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Ober­ fläche des Gegenstands als Oberfläche eines um die Achse erzeugten Drehkörpers geformt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand eine Kugel (21) mit einer im wesentlichen kugelförmigen, äußeren Oberfläche ist und die Öff­ nung ringförmig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand ein Stab (41) mit einer im wesentlichen zylindrischen, äußeren Oberfläche ist und die Öffnung ringförmig ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungs­ vorrichtungen auf eine mechanische Auslenkung reagieren, die eine elastische Verformung der Oberfläche oder der Wand erzeugen, um eine relative Bewegung der Oberfläche oder der Wand bezuglich der Wand beziehungsweise der Oberfläche zu bewirken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der radiale Abstand um den Gegenstand herum zwischen der äußeren Oberfläche und der Wand pro­ portional zu der mechanischen Auslenkung ändert, wenn sich die beweglich Oberfläche oder die bewegliche Wand relativ zu der Wand beziehungsweise der Oberfläche bewegt.