Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

SE527154C2 - Internal gas heating device for e.g. space rocket micropropulsion systems, comprises heating coils located in central gas flow region - Google Patents

Internal gas heating device for e.g. space rocket micropropulsion systems, comprises heating coils located in central gas flow region

Info

Publication number
SE527154C2
SE527154C2 SE0202678A SE0202678A SE527154C2 SE 527154 C2 SE527154 C2 SE 527154C2 SE 0202678 A SE0202678 A SE 0202678A SE 0202678 A SE0202678 A SE 0202678A SE 527154 C2 SE527154 C2 SE 527154C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
gas
heat
heating
tube
heating element
Prior art date
Application number
SE0202678A
Other languages
Swedish (sv)
Other versions
SE0202678L (en
SE0202678D0 (en
Inventor
Lars Stenmark
Original Assignee
Nanospace Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanospace Ab filed Critical Nanospace Ab
Priority to SE0202678A priority Critical patent/SE527154C2/en
Publication of SE0202678D0 publication Critical patent/SE0202678D0/en
Publication of SE0202678L publication Critical patent/SE0202678L/en
Publication of SE527154C2 publication Critical patent/SE527154C2/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/40Arrangements or adaptations of propulsion systems
    • B64G1/409Unconventional spacecraft propulsion systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/80Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof characterised by thrust or thrust vector control

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

The device comprises heating coils located in the central gas flow region, enabling the cold gas to be heated up without significant heat loss via the nozzle chamber walls.

Description

20 25 30 35 527 154 Z mikrofi-amdrivningssystem uppvisa överlägsna prestanda., speciellt om proportionell kontroll används. 20 25 30 35 527 154 Z micro fi propulsion systems exhibit superior performance, especially if proportional control is used.

Sättet att öka den specifika irnpulsen är att höja gas temperaturen. Det är en enkel kvadratsrelation mellan gas temperatur och specifik impuls. Om temperaturen ökas fiän 300° K till l200° K fördubblas Isp och vid 2700° K är Isp tre gånger högre, nmt 200 sek. för kvävgas.The way to increase the specific pulse is to raise the gas temperature. It is a simple square relationship between gas temperature and specific impulse. If the temperature is increased fi than 300 ° K to l200 ° K, Isp doubles and at 2700 ° K Isp is three times higher, nmt 200 sec. for nitrogen gas.

Det finns två svårigheter med att implementera en sådan temperaturhöjning i ett mikrofiamdrivningssystem. Det fiirsta problemet är att kisel, som används fór att mikromekaniskt framställa de små strukturer som krävs, leder värme mycket bra vilket leder till betydande värmeförluster.There are two difficulties in implementing such a temperature increase in a micro drive system. The first problem is that silicon, which is used to micromechanically produce the small structures required, conducts heat very well, which leads to significant heat losses.

Det andra problemet är de små dimensionerna som är inblandade, under vissa dimensioner dominerar laminârt flöde, detta medför problem med gasblandning.The second problem is the small dimensions involved, under certain dimensions laminar fate dominates, this causes problems with gas mixing.

I den aktuella uppfirmingen har nackdelen med flöde vänts till en betydande ßrdel. Om en elektrisk värmare placeras inuti en gastrarisportkarial med ett givet avstånd till de omgivande väggarna kommer det larninära flödet i de lager som är närmast väggen att fimgera som en isolation för den heta gasen i centrum.In the current warming, the disadvantage of fate has turned into a significant part. If an electric heater is placed inside a gastronomic port area at a given distance from the surrounding walls, the near-fate of the layers closest to the wall will act as an insulation for the hot gas in the center.

Flödeshastigheten har en parabolisk fördelning (1 1) i ett rör (10) med noll hastighet vid väggen , se figur 1. Detta betyder att mängden ”kall” gas som trycks ut genom dysan är liten jämfört med den varma huvudströmmen.The flow rate has a parabolic distribution (1 1) in a tube (10) with zero velocity at the wall, see Figure 1. This means that the amount of “cold” gas expelled through the nozzle is small compared to the hot main stream.

Eftersom väggtemperaturen i röret (10) reduceras betydligt så kommer värmetörlusterna på grund av termisk ledning att reduceras i motsvarande grad. 4 KORT BESKRIVNING Av FIGURER Figur I ger flödeshastigheten av en gas i ett rör.Since the wall temperature in the pipe (10) is significantly reduced, the heat loss due to thermal conduction will be reduced accordingly. 4 BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES Figure I ger gives the rate of fate of a gas in a pipe.

- Figur 2 är en genomskärning genom en dubbel membrane värmare.Figure 2 is a section through a double membrane heater.

- Figur 3 är en top vy över ett membran med ett typiskt värmarelement mönster.Figure 3 is a top view of a membrane with a typical heating element pattern.

- Figur 4A är en bild av en cylindrisk glödtrådsvärmare.Figure 4A is a view of a cylindrical filament heater.

- Figur 4B är en bild av en konisk glödtrådsvärrnare.Figure 4B is a view of a conical filament protector.

- Figur 5 visar ett dubbelt glödtrådsarrangemang.Figure 5 shows a double filament arrangement.

- Figur 6 illustrerar tillverkningsmetoder for en glödtrâd.Figure 6 illustrates manufacturing methods for a filament.

- Figur 7 visar resultatet av en temperaturfórdelningssimulering. 10 15 20 25 30 35 40 527 154 - Figur 8 är ett diagram som visar den radiella temperaturfördelnirigen. 5 DETALmEsKRIvNmG Av UPPFINNmGI-:N I känd teknik finns det två direkta svårigheter att införa en kraftig temperaturhöjning av gastemperaturen i ett mikrofiamdrivningssystem. Det första är att kisel, som används för att mikromekanisk framställa de små strukturer som krävs, leder värme mycket bra, vilket leder till betydande värmeförluster. Kisel förlorar även sina goda mekaniska egenskaper vid förhöjda temperaturer. Redan vid 1000° K avtar den mekaniska hållfastheten och vid l680° K smälter materialet. Det andra problemet är de små dimensionerna det handlar om. Under en viss storlek dominerar laminärt flöde, vilket medför att gasblandning och effektiv värmeöverföring fi-ån en yttre värmare försvåras.Figure 7 shows the result of a temperature distribution simulation. 10 15 20 25 30 35 40 527 154 - Figure 8 is a diagram showing the radial temperature distribution. 5 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the prior art, there are two direct difficulties in introducing a sharp temperature rise of the gas temperature into a micro-propulsion system. The first is that silicon, which is used to micromechanically produce the small structures required, conducts heat very well, leading to significant heat losses. Silicon also loses its good mechanical properties at elevated temperatures. Already at 1000 ° K the mechanical strength decreases and at 160 ° K the material melts. The second problem is the small dimensions involved. Under a certain size, laminar fl fate dominates, which means that gas mixing and efficient heat transfer fi from an external heater is made more difficult.

I den presenterade uppfinningen har nackdelen med laminärt flöde vänts till en betydande fördel. Om ett elektrisktvärmeelement är placerat inuti gastransport kanalen på ett visst avstånd från väggarna kommer det laminära flödet i skiktet nära väggen att tjänstgöra som en termisk isolering för den heta gasen i kanalens centrum Flödeshastigheten har en parabolisk fördelning (l l) i ett rör (10) med nollhastighet vid väggen, se figur 2. Detta betyder att mängden kall gas, som trycks genom dysan , är liten jämfört rned den varma huvudströmmen.In the present invention, the disadvantage of laminar fate has been turned into a significant advantage. If an electric heating element is placed inside the gas transport duct at a certain distance from the walls, the laminar fl in the layer near the wall will serve as a thermal insulation for the hot gas in the center of the duct. zero speed at the wall, see Figure 2. This means that the amount of cold gas, which is forced through the nozzle, is small compared to the hot main stream.

Två olika typer av värmeelement kan tänkas, membranvärmare och glödtrådsvärrnare.Two different types of heating elements are conceivable, membrane heaters and filament heaters.

Bägge typerna beskrivs kortfattat i det följande.Both types are briefly described in the following.

I en inembranvärrnare består värmeöverföringskanalen av två bondade kiselbrickor, var och en med en anisotropt etsad kanal (30), ett eller flera icke värmeledande membran (22) som mekaniskt stöder den elektriska Figur 3 är en topp vy av ett rnembranen. Membranet (31) består av ett tjockt oxidlager med ett värmeledarmönster deponerat på oxiden. Efter detta skapas kanalen i ett andra etssteg. Värmeledarrnönstret ansluts till en terminal på kiselkroppen.In an membrane membrane heater, the heat transfer channel consists of two bonded silicon wafers, each with an anisotropically etched channel (30), one or more non-thermally conductive membranes (22) which mechanically support the electrical Figure 3 is a top view of a membrane membrane. The membrane (31) consists of a thick oxide layer with a thermal conductor pattern deposited on the oxide. After this, the channel is created in a second etching step. The heat conductor pattern is connected to a terminal on the silicon body.

En metod att tillverka värmeledarrnönstret kan vara laserassisterad deponering av wolfram genom processen WóF + 3H2 4- -> Wß) + 6HF(,)_ Ett annat designkoncept för värmaren kan vara interna glödtrådsvärmare, vilka är upphängda centralt i värmeöverföringskammaren. Värmespolarna kan vara cylindriska eller komiska, figur 4.One method of manufacturing the heat conductor pattern may be laser assisted deposition of tungsten through the process WóF + 3H2 4- -> Wß) + 6HF (,) _ Another design concept for the heater may be internal filament heaters, which are suspended centrally in the heat transfer chamber. The heating coils can be cylindrical or comic, figure 4.

Det koniska utförandet är förmodligen mer effektivt eftersom varje lindringsvarv är direkt exponerat mot gasströmmen Spelarna är upphängda centralt i gaskanalen och t.ex. svetsade mot de elektriska terminalerna med hjälp av FIB wolfiarn deponering.The conical design is probably more efficient because each relief lap is directly exposed to the gas flow. The players are suspended centrally in the gas duct and e.g. welded to the electrical terminals using FIB wol fi arn deposition.

Effektiviteten och system tillförlitligheten kan ökas genom att montera mer än en värmare i värmeöverföringskammaren och koppla dem parallellt till krafrterminalerna. En bild av ett två-spole arrangemang visas i figur 5.The efficiency and system reliability can be increased by mounting more than one heater in the heat transfer chamber and connecting them in parallel to the power terminals. An image of a two-coil arrangement is shown in Figure 5.

Det mest lovande glödtrådsrmterialet ser ut att vara diamantlikt kol med ett tunnfilmsöverdrag av wolfram pålagt med hjälp av en CVD process.The most promising filament material appears to be diamond-like carbon with a thin tungsten coating of tungsten applied by means of a CVD process.

Tillverkningsprocessen för att tillverka det diamantlika kolet är laser assisterad deposition av kol från etan genom processen C2H4 -> 2C(,) + 2H2 _ Deponeringsprocessen är illustrerad i figur 6. 10 20 25 30 35 527 154 ff Erforderligt värmeeiïekt och värmefórluster genom väggarna är studerade med hjälp av finita element metoden. Resultatet av simuleringen visar hur mycket effekt det krävs och hur stora värnieíörlustema är genom väggarna. Temperatur och hastighetsßrdelrningarnar är även delrcsultat.The manufacturing process for producing the diamond-like carbon is laser assisted deposition of carbon from ethane through the process C2H4 -> 2C (,) + 2H2 - The deposition process is illustrated in Figure 6. 10 20 25 30 35 527 154 ff Required heat output and heat losses through the walls are studied using the rivet element method. The result of the simulation shows how much power is required and how large the protective losses are through the walls. Temperature and velocity distributions are also partial results.

Numeriskt är ett axialsymmetriskt system studerat, kanaldiametern är 220 pm och glödnädsdiarnetern 120 pm. Glödtrådsvärrnarens längd är 1 mm Syfiet med simuleringen är att mmm vilken effekt som krävs fór att fördubbla den specifika irnpulsen. Detta kräver en fyrfaldig höjning av gastemperatumen från 300° K till 1200° K. Det varma gasflödet matar dysan, beskriven i en tidigare sektion och massflödet är satt fór att ge en reaktionskraít av ca. 1 mN. I sirnuleringen är inmatad effekt satt till 1.24 W.Numerically, an axial symmetrical system has been studied, the channel diameter is 220 μm and the glow diaphragm 120 μm. The length of the filament deflector is 1 mm. The purpose of the simulation is to mmm what effect is required to double the specific pulse. This requires a fourfold increase in the gas temperature from 300 ° K to 1200 ° K. 1 mN. In the synchronization, the input power is set to 1.24 W.

Eiïektiörhisterna är beräknade till 0.43 W och medelutgångstemperaturen är 139l° K, se figur 7. Den begränsade faktorn i denna optimering är att topptemperatirren i värmespolen ökar med minsta spoldiametcr, i detta exempel är max temperaturer 2680° K.The electric heaters are calculated to be 0.43 W and the average output temperature is 139l ° K, see Figure 7. The limited factor in this optimization is that the peak temperature in the heating coil increases with the minimum coil diameter, in this example maximum temperatures are 2680 ° K.

Som fiamgår av figur 7 är ternperaturökningar störst nära centralaxeln. Detta illustreras i figur 8 där utgångstemperatnren är plottad som funktion av det radiella avståndet från central axeln.As shown in Figure 7, temperature increases are greatest near the central axis. This is illustrated in Figure 8 where the output temperature is plotted as a function of the radial distance from the central axis.

Claims (1)

1. 0 20 25 30 35 527 154 S 6 PAn-:mmznv Följande patentkrav kännetecknar uppfinningen:1. 0 20 25 30 35 527 154 S 6 PAn-: mmznv The following patent claims characterize the invention: 1. En metod för att värma gasen i ett flöde (ll) genom ett rör (10) med mikmskopkka dimensioner till en högre rnedeltemperanrr än den rmximala ßrnnterialetirörväggen. Metoden centralt i röret genom ett värmeelement upphettad gas samt utnyttjandet av två fenomen. För det törsta, rörväggen isoleras av det, genom de små dimensionerna påtvingade laminâragasflñdet, som ßrhindrarattvarmgaskomnrerikorrtaktmedrörvåggen. Fördetandrabidrardetirniluoskalarelativttjockagrârisskflrtetavfim stillastående gas även till isoleringen. Ett system lör värmning avett gasflöde genomett rör i mikroskala med hjälp av elekniskenergíßystennetkâmxetechnsaveüeflerflemcenuahplacerade värmeelement (33, 53), somârresistivtupphettade. Ett system enligt hav 2, kämeteeknat av att sagda värmeelement är upphângt genom icke värmeledande membran eller genom dåligt vârmeledande lcrafiamlumingar, lör att minska termiska ledningsßrlrlster. Ettsystemenligtlcravlkänrretecknatavattsagdarörüen värmeövertöringskanmrare ansluten till en dysa (54). Ett system enligt krav 4, kännetecknat av att sagda värmeövertöringskarnnnare har envärmaeflektmandebeläggnmgpåytanßraüminskasuålnmgslörlusterfiån htna. Ett system enligt krav 4, kännetecknat av att sagda värmekmpp består av ett antal parallellkopplade värmeelement. Ett systemenligt krav 6, kärmeteclcnat avalt sagdavümeelenientkanlmolika eíïekttäthet eller värmeöverförirrgstörnmâga beroende på sin fysiska phcering i vârmeöverföringskamnraren.A method of heating the gas in a desert (II) through a tube (10) of microscopic dimensions to a higher part temperature than the maximum material wall of the tube. The method centrally in the pipe through a heating element heated gas and the use of two phenomena. First of all, the pipe wall is insulated by the lamina gas forced through the small dimensions, which prevents the hot gas from coming into contact with the pipe wall. The tooth decay differs from the niluoscale relative to the thick gray grain of stagnant gas even to the insulation. A system for heating a gas-desolate genomic tube on a microscale by means of electrically energized systems of electromechanical heating elements (33, 53) which are resistively heated. A system according to sea 2, characterized in that said heating element is suspended by non-heat-conducting membranes or by poorly heat-conducting lcra lum lumens, in order to reduce thermal conductivity. A system similar to a crawler is characterized by a water transfer chamber connected to a nozzle (54). A system according to claim 4, characterized in that said heat transfer core has a heat-exerting coating on the surface and reduces the loss of heat. A system according to claim 4, characterized in that said heating element consists of a number of heating elements connected in parallel. A system according to claim 6, characterized in that said heat exchanger may have a dense density or heat transfer capacity depending on its physical location in the heat transfer chamber.
SE0202678A 2002-09-09 2002-09-09 Internal gas heating device for e.g. space rocket micropropulsion systems, comprises heating coils located in central gas flow region SE527154C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0202678A SE527154C2 (en) 2002-09-09 2002-09-09 Internal gas heating device for e.g. space rocket micropropulsion systems, comprises heating coils located in central gas flow region

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0202678A SE527154C2 (en) 2002-09-09 2002-09-09 Internal gas heating device for e.g. space rocket micropropulsion systems, comprises heating coils located in central gas flow region

Publications (3)

Publication Number Publication Date
SE0202678D0 SE0202678D0 (en) 2002-09-09
SE0202678L SE0202678L (en) 2004-03-10
SE527154C2 true SE527154C2 (en) 2006-01-10

Family

ID=20288949

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE0202678A SE527154C2 (en) 2002-09-09 2002-09-09 Internal gas heating device for e.g. space rocket micropropulsion systems, comprises heating coils located in central gas flow region

Country Status (1)

Country Link
SE (1) SE527154C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008030175A1 (en) * 2006-09-04 2008-03-13 Nanospace Ab Nozzle arrangement for use in a gas thruster, gas thruster, method for manufacturing a nozzle arrangement, method for in-situ repairing of a nozzle arrangement and a method for operating a gas thrusters
CN104401507A (en) * 2014-10-21 2015-03-11 上海微小卫星工程中心 Cold gas micro-thruster

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008030175A1 (en) * 2006-09-04 2008-03-13 Nanospace Ab Nozzle arrangement for use in a gas thruster, gas thruster, method for manufacturing a nozzle arrangement, method for in-situ repairing of a nozzle arrangement and a method for operating a gas thrusters
US8336314B2 (en) 2006-09-04 2012-12-25 Nanospace Ab Method of manufacturing a nozzle arrangement and method for in-situ repairing a nozzle arrangement
CN104401507A (en) * 2014-10-21 2015-03-11 上海微小卫星工程中心 Cold gas micro-thruster

Also Published As

Publication number Publication date
SE0202678L (en) 2004-03-10
SE0202678D0 (en) 2002-09-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20100046934A1 (en) High thermal transfer spiral flow heat exchanger
US5930458A (en) High efficiency ultra-pure fluid heater
JP3980187B2 (en) Semiconductor holding device, its manufacturing method and its use
CN101004287B (en) Heating up parts of capillary
US8336314B2 (en) Method of manufacturing a nozzle arrangement and method for in-situ repairing a nozzle arrangement
KR20090068117A (en) Substrate temperature adjusting-fixing device
JP2987085B2 (en) Semiconductor wafer holding device, method of manufacturing the same, and method of using the same
JP2009525570A (en) Heating element of hot air device
JP2013134880A (en) Ceramic heater and electric heating type hot water heating device using the same
CN110418438B (en) Temperature control device with PTC module
US10780762B2 (en) Electrical heating device
US8407980B2 (en) Microthruster
JP2020026949A (en) Heat exchange means with elastocaloric element, which surrounds fluid line
US20210153306A1 (en) Heating module
CN107975462B (en) Electric heating micro thruster
CN105972570B (en) Steam generator and steaming plant
SE527154C2 (en) Internal gas heating device for e.g. space rocket micropropulsion systems, comprises heating coils located in central gas flow region
JP2960645B2 (en) Ceramic heater and method of manufacturing the same
JP4528495B2 (en) Baking method of heat insulation pipe for superconducting cable
US4608821A (en) Heat exchanger for electrothermal devices
WO2021107832A1 (en) An electric gas heater device and a system of electric gas heater devices
JP2022546917A (en) electric heater
CN105888884A (en) Microthruster chip of microsatellite
JPS58120040A (en) Hot-water heater
JP2002313546A (en) Heating cell for electromagnetic induction type fluid heating device

Legal Events

Date Code Title Description
NUG Patent has lapsed