Tank zur Separation von Flüssigkeiten im Orbit

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Tank zur Trennung einer flüssigen von einer gasförmigen Phase und zur Lagerung der aus der gasförmigen Phase abgetrennten Flüssigkeit für einen Einsatz bei Experimenten im Weltraum unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit, mit einer Zuleitung, durch die eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch aus beiden in den Tank einleitbar ist, und mit einem Auslass, aus dem reines Gas austritt.

[0002] Die in einen solchen Tank, der im Allgemeinen als Separatortank bezeichnet wird, eingebrachte Flüssigkeit wird darin für die Dauer eines Weltraumexperimentes gelagert, wobei die Treibstoffzuhr in diesen Separatortank über einen vorgeschalteten Tank erfolgt. Zur Förderung der im vorgeschalteten Tank enthaltenen Flüssigkeit dient ein Treibgas, üblicherweise ein Inertgas wie Helium (He) oder Stickstoff (N₂), das unter Druck in den vorgeschalteten Tank gepreßt wird und das auf diese Weise die Flüssigkeit, das Gas oder ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch durch ein Rohrleitungssystem in den Separatortank fördert. Gleichzeitig wird aus dem Separatortank eine entsprechende Menge an Gas abgeführt, wobei diese Gase üblicherweise aus dem Experimentmodul in das im Orbit herrschende Vakuum entlassen werden. Wird jedoch bei diesem Vorgang ein Gas-Flüssigkeitsgemisch aus dem Tank in das Vakuum entlassen, so führen, je nach Mischungsverhältnis, die unterschiedlichen Dichten von Flüssigkeit und Gas zu einem nicht-konstanten Schubprofil, weshalb das Austreiben von Gemischen aus Flüssigkeit und Gas unerwünscht ist.

[0003] Für eine sichere Trennung der Gas- und Flüssigkeitsphasen werden in der Raumfahrttechnik bisher die folgenden Verfahren angewandt:

• Durch die Erwärmung des Treibstoffs wird die aus dem Treibstofftank austretende Flüssigkeit verdampft. Dieses Verfahren erfordert einen vergleichsweise hohen Energieaufwand für die Verdampfung der Flüssigkeit.
• Es wird eine zusätzliche Beschleunigung aufgebracht, die bewirkt, dass sich der Treibstoff zum Zeitpunkt der Druckentlastung nicht am Gasauslaß befindet. Dies erfordert eine gerichtete Beschleunigung mittels eines zusätzlichen Antriebssystems, was im Falle eines Experimentes unter Schwerelosigkeit ausgeschlossen ist, da es die Randbedingungen des Experimentes beeinträchtigen würde.

[0004] Daneben ist aus der US 40 27 494 A die Verwendung von Phasenseparatoren zur Trennung einer flüssigen von einer gasförmigen Phase bekannt geworden, wobei in dieser bekannten Vorrichtung ein Phasenseparator für Betriebszustände mit geringer Beschleunigung zum Einsatz kommt und die Trennung unter Verwendung supraleitender Magnete erfolgt. Desweiteren beschreibt die US 48 48 987 A einen Phasenseparator, bei dem Pumpen und eine Reihe von Ventilen vorgesehen sind. Schließlich wird bei einem in der US 70 77 885 B2 beschriebenen Phasenseparator ein Propeller verwendet, der ein Flüssigkeits-Gasgemisch in Rotation versetzt und bei dem eine Membran aus Polyethylen oder Nylon die Flüssigkeit, in diesem Fall Wasser, abtrennt. Dieses letztgenannte bekannte System ist für einen Einsatz zusammen mit Brennstoffzellen vorgesehen und eignet sich nicht zur Trennung kryogener Flüssigkeiten. Weitere, aus der US 44 35 196 A und der US 46 17 031 A bekannt gewordene Vorrichtungen sind auf einen Einsatz im Schwerefeld der Erde beschränkt.

[0005] Weiterhin ist in der US 40 27 494 A eine Anordnung beschrieben, bei der reine, von etwaigen Gasbeimischungen gereinigte Flüssigkeit gefördert wird, weshalb bei dieser bekannten Anordnung eine wabenartige Struktur direkt über einem enstprechenden Auslass angeordnet ist Dadurch wird sichergestellt, dass kein Gas in die entsprechende Auslassleitung gelangt.

[0006] Bei einer in der US 44 35196 A beschriebenen Anordnung ist eine poröse Bettstruktur in Form eines an sich bekannten Katalysatorbettn zur Erzeugung von Gas aus einem flüssigen Treibstoff, beispielsweise Hydrazin, vorgesehen. Zudem ist in dieser Druckschrift ein Flüssigkeits/Gas-Separator beschrieben, in dem ein Titannetz angeordnet ist, das dazu dienen soll, durch die Wirkung von Kapillarkräften und Oberflächenspannung Gasblasen zurückzuhalten.

[0007] Aus der DE 10 2007 005 539 B3 ist eine Anordnung der eingangs genannten Art bekannt geworden, bei der ein Separator als Bauteil in einem Treibstofftank angeordnet ist, wobei ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch an verschiedenen Stellen des Treibstofftanks ein für die Lagerung vorgesehenes Reservoir erreichen kann.

[0008] Schließlich ist aus der WO 2006/106204 A2 ein diphasisches Kaltgasantriebssystem für ein Raumfahrzeug, sowie ein dafür geeignetes sphärischer Tank bekannt. Ein unterer Bereich des Tanks weist eine poröse Struktur auf, welche den zweiphasigen Treibstoff in seiner flüssigen Phase durch Kapillarkräfte bindet. Über ein Ausgangsrohr kann der Treibstoff in gasförmiger Phase entweichen. Im oberen Bereich des Tanks ist eine Heizeinrichtung angeordnet, die den Tank und somit auch der Treibstoff erwärmt. Durch die Erwärmung befindet sich der Treibstoff im oberen Bereich des Tanks im überhitzten gasförmigen Zustand und kann durch das Ausgangsrohr entweichen.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Tank so auszubilden, dass auf einfache Weise eine sichere Phasentrennung sowohl für kryogene als auch für nicht kryogene Treibstoffe und Flüssigkeiten bei Beschleunigungen, wie sie beispielsweise wahrend eines Weltraumexperimentes in einer Höhenforschungsrakete auftreten, gewährleistet ist und dass die einmal in diesem Tank gespeicherte Flüssigkeit den Tank weder durch den Ein- noch durch den Auslass wieder verlassen kann.

[0010] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass in dem Tank Körper aus einem schwammartigen Material in Form eines Metallschaums angeordnet sind, deren Gesamtporenvolumen größer gewählt ist als das Volumen der aufzunehmenden Flüssigkeit.

[0011] Durch die Ausbildung des Tanks gemäß der Erfindung wird erreicht, dass die Flüssigkeit kapillar von dem schwammartigen Material in Form eines Metallschaums aufgenommen und in diesem für die Dauer des Experimentes stabil gelagert wird.

[0012] Das Volumen des Metallschaums, bei dem es sich in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tanks um Aluminiumschaum handelt, ist gemäß der Erfindung größer gewählt als das Volumen der insgesamt aufzunehmenden Flüssigkeit. Das Flüssigkeits-Gas-Gemisch wird, ausgehend von der Eintrittsöffnung, mäandernd durch den als Separatortank wirkenden Tank nach der Erfindung geführt und dabei wird die Flüssigkeit kapillar in das schwammartige Material abgeführt. Vor dem Auslass aus dem Separatortank befindet sich ein Metallgewebe, das verhindert, dass etwaige sich ablösende Partikel des schwammartigen Materials unerwünscht mit in die Auslassöffnung gelangen.

[0013] Die Flüssigkeit wird auf diese Weise in dem als Reservoir dienenden Tank zwischengespeichert, wobei sich unter Umständen zunächst in diesem Tank befindliches Treibgas ausgetrieben und durch die Flüssigkeit ersetzt wird. Der Tank ist dabei erfindungsgemäß derart ausgeführt, dass die Flüssigkeit aufgrund von der Kapillarwirkung des Metallschaums in diesem gespeichert wird. Metallschäume eignen sich auch deshalb zu der gemäß der Erfindung vorgesehenen Art der Lagerung kryogener Flüssigkeiten, da sie eine sehr geringe strukturelle Masse besitzen, so dass nur wenig strukturelle Masse durch die Flüssigkeit gekühlt werden muss. Weiter wirkt sich der hohe Kapillardruck des Metallschaums positiv aus, so dass Flüssigkeiten auch bei hohen Störbeschleunigungen sicher im Metallschaum gehalten werden können. Die Speicherkapazität ist dann erreicht, wenn die Körper aus Metallschaum vollständig mit Flüssigkeit getränkt sind. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß das Volumen des Metallschaumes so dimensioniert, dass die maximale Flüssigkeitsmenge geringer als das Porenvolumen des Metallschaumes ist. Die Erfindung eignet sich besonders gut für solche Weltraumexperimente unter Schwerelosigkeit, die den Einsatz kryogener Flüssigkeiten erfordern.

[0014] Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1

einen typischen Aufbau einer Tankanordnung für ein Weltraumexperiment mit einem Vorrats- und einem Separatortank in schematischer Darstellung,

Fig. 2

einen Schnitt durch den Separatortank gemäß Fig. 1,

Fig. 3

einen Schnitt durch ein Detail des Separatortanks gemäß Fig. 2,

Fig. 4

weitere Details des Separatortanks gemäß Fig. 2 in perspektivischer Darstellung,

Fig. 5

eine Darstellung des Strömungsverlaufs durch den Separatortank gemäß Fig. 2,

Fig. 6

eine Prinzipdarstellung der Separation der Flüssigkeit vom Gas in einem Separatortank gemäß Fig. 2 und

Fig. 7

eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Separatortank und einem Testtank für eine Verwendung kryogener Flüssigkeiten.

[0015] In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0016] Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung handelt es sich um eine typische Tankanordnung für ein Weltraumexperiment. Dabei ist ein Vorrats- oder Testtank 3 über eine Zuführleitung 2 mit einem Druckgastank 1 verbunden. Mithilfe des Druckgases kann der Testtank 3 entleert werden, so dass entweder Flüssigkeit oder Gas aus dem Testtank 3 abgeführt wird. Die Flüssigkeit oder das Gas werden über die Leitung 4 in einen Separatortank 5 abgeleitet. Dieser Separatortank 5 speichert die eingeleitete Flüssigkeit und führt über eine Leitung 6 und weiter über Entgasungsleitungen 7 das aus dem Separatortank 5 entweichende Gas ab.

[0017] Der Aufbau des Separatortanks 5 wird insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich. Er besteht aus im Fall dieses Ausführungsbeispiels ringförmigen Plattenelementen oder Körpern 8 aus einem Metallschaum, wobei es sich bei dem Metallschaum in diesem Fall um Aluminium handelt. Diese Körper 8 sind in den Separatortank 5 eingesetzt, wobei der Separatortank 5 durch je einen oberen 9 und einen unteren Deckel 10 begrenzt ist und von einem zylindrischen Mantel 11 umschlossen ist. Die hier dargestellte äußere Form des Separatortanks 5 dient dabei nur als Beispiel und kann generell an die geometrischen Verhältnisse in einem Raumflugkörper angepasst werden.

[0018] Der in Fig. 3 im Detail dargestellte Einlaufbereich in den Separatortank 5 besteht aus einer Zuführleitung 12, die in einen umlaufenden Einspritzkanal 13 mündet. Dieser Einspritzkanal 13 ist in Richtung des zylindrischen Mantels 11 durch einen Spalt 14 mit dem Inneren des Separatortanks 5 verbunden.

[0019] In die Körper 8 aus Metallschaum sind, von Körper zu Körper alternierend, im Bereich des unteren 10 und oberen Deckels 9 Ausnehmungen 15 eingebracht, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt ferner, dass im Zentrum des Separatortanks 5 eine Hülse 16 angeordnet ist, die sich vor den Porenöffnungen 17 im Körper 8 aus Metallschaum befindet. Im Inneren der Hülse 16 befindet sich wiederum eine weitere Hülse 18 aus einem Metallgewebe, die mit einem Auslass 19 des Separatortanks 5 verbunden ist. Diese Hülse aus Metallgewebe 18 hat die Funktion einer Sieb- oder Filterkartusche, d.h., etwaige Verschmutzungen nachgeschalteter, in den Figuren nicht dargestellter Geräte oder Ventile durch Partikel werden durch diese Hülse 18 vermieden.

[0020] Nachfolgend soll der Separationsprozess, der zu einer Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch führt, näher erläutert werden. Dazu ist in Fig. 5 der Strömungsverlauf 20 durch den Separatortank 5 dargestellt. Die Separation der Flüssigkeit vom Gas erfolgt durch das kapillare Eindringen der Flüssigkeit 21 in die schwammartigen Körper 8 aus Metallschaum, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Der mit Flüssigkeit getränkte Bereich des Metallschaumes ist dabei in Fig. 6 durch einen gestrichelt dargestellten Bereich 22 gekennzeichnet. Mit zunehmender Flüssigkeitsmenge dringt die Flüssigkeit 21 immer weiter in die schwammartigen Körper 8 aus Metallschaum ein. Fig. 6 stellt einen solchen Zustand während des Eindringprozesses exemplarisch dar. Die Linien 23 kennzeichnen dabei die momentane Grenze zwischen der Flüssigkeit (gestrichelter Bereich 22) und dem Gas (im Rest des Metallschaumes). Die Strömungsrichtung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches ist durch den Pfeil 24 gekennzeichnet.

[0021] Ist das Porenvolumen der schwammartigen Körper 8 aus Metallschaum mindestens so groß gewählt wie die Gesamtmenge der eindringenden Flüssigkeit 21, so erfolgt eine vollständige Speicherung der Flüssigkeit im Metallschaum. Um eine etwa konstante Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeits-Gas-Gemisches 24 und damit ein gleichmäßiges Eindringen der Flüssigkeit 21 in die schwammartigen Körper 8 aus Metallschaum zu gewährleisten, wird der Querschnitt 20 zwischen den einzelnen Metallschaum-Körpern entsprechend angepasst. Dieser Querschnitt 20 zwischen den einzelnen Metallschaum-Körpern wird in Strömungsrichtung 24 immer breiter. Entsprechend werden auch die Ausnehmungen 15 in den schwammartigen Körpern 8 aus Metallschaum in Richtung auf das Zentrum des Separatortanks 5 immer tiefer, wie dies aus den Figuren 4 und 5 hervorgeht.

[0022] Der vorangehend beschriebene Separatortank ist sowohl für kryogene als auch für nicht-kryogene Flüssigkeiten geeignet. Die Darstellung gemäß Fig. 7 zeigt abschließend eine Anordnung, in der der Separatortank 5 für kryogene Flüssigkeiten verwendet wird. Dabei ist wichtig, dass die Temperatur des Separatortanks 5 nahe der Flüssigkeitstemperatur liegt. Deshalb wird in diesem Fall der Separatortank 5 zusammen mit dem Testbehälter 3 im Inneren eines Kryostaten 25 angeordnet, in dem ferner Heizer 26 vorgesehen sind. Schließlich sind in dieser Figur schematisch je eine Gaszuführvorrichtung 27 sowie eine Gasentnahmevorrichtung 28 eingezeichnet.

[0023] Der Separatortank 5 wird zu Beginn mit Flüssigkeit gefüllt, deren Temperatur sich durch Vorgabe eines entsprechend der Sättigungskurve vorgegebenen Druckes einstellen lässt. Die Flüssigkeit verdampft daraufhin mit der Zeit, so dass der Separatortank 5 zu Beginn der eigentlichen Verwendung kryogene Temperaturen annimmt. Ist die Flüssigkeit vollständig verdampft, so ist der Separator verwendbar. Zur Beschleunigung des Verdampfungsprozesses ist zusätzlich eine Heizvorrichtung 26 vorgesehen, die der Vorbereitung des Separatortanks 5 dient.

Ansprüche

1. Tank zur Trennung einer flüssigen von einer gasförmigen Phase und zur Lagerung von Flüssigkeit, für einen Einsatz bei Eperimenten im Weltraum unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit, mit einer Zuleitung, durch die eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch aus beiden in den Tank einleitbar ist, und mit einem Auslass, aus dem reines Gas austritt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tank (5) Körper (8) aus einem schwammartigen Material in Form eines Metallschaumes angeordnet sind, deren Gesamtporenvolumen größer gewählt ist als das Volumen der aufzunehmenden Flüssigkeit (21).

2. Tank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum aus Aluminium besteht.

3. Tank nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er durch je einen,oberen (9) und einen unteren Deckel (10) begrenzt ist und von einem zylindrischen Mantel (11) umschlossen ist.

4. Tank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführleitung (12) in einen umlaufenden Einspritzkanal (13) mündet, der in Richtung des zylindrischen Mantels (11) durch einen Spalt (14) mit dem Inneren des Tanks (5) verbunden ist.

5. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (8) als ineinander liegend angeordnete ringförmige Platten ausgebildet sind.

6. Tank nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper (8) alternierend an gegenüberliegenden Enden mit Ausnehmungen (15) versehen sind.

7. Tank nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Ausnehmungen (15) gebildeten Strömungsquerschnitte bezüglich des Strömungsverlaufes (20) konstant sind.

8. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in seinem Zentrum eine Hülse (16) mit einer Entnahmevorrichtung (19) angeordnet ist, die sich vor den Porenöffnungen (17) in den schwammartigen Körpern (8) befindet.

9. Tank nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmevorrichtung (19) durch eine Siebkartusche (18) vom Inneren des Tanks (5) abgetrennt ist.

10. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das er zur Aufnahme kryogener Flüssigkeiten zusammen mit einem vorgeschalteten Vorratstank (3) in einem Kryostaten (25) angeordnet ist.

11. Tank nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kryostaten (25) eine Heizvorrichtung (26) vorgesehen ist.

Claims

1. A tank for separating a liquid phase from a gaseous phase and for storing liquids for use in experiments in aerospace under the conditions of weightlessness, comprising a supply line through which a liquid, a gas or a mixture of both can be introduced into the tank, and comprising an outlet through which pure gas exits, characterized in that bodies (8) from a spongy material in the form of a metal foam are arranged in the tank (5), the total pore volume of which bodies is selected to be greater than the volume of the liquid (21) to be absorbed.

2. The tank according to claim 1, characterized in that the metal foam is composed of aluminum.

3. The tank according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the tank is limited in each case by an upper (9) and a lower cover (10) and is enclosed by a cylindrical shell (11).

4. The tank according to claim 3, characterized in that a supply line (12) ends in a circumferential injection channel (13) which, in the direction of the cylindrical shell (11), is connected to the interior of the tank (5) through a gap (14).

5. The tank according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the bodies (8) are formed as annular plates arranged lying inside of each other.

6. The tank according to claim 5, characterized in that the bodies (8), at opposing ends thereof, are alternately provided with recesses (15).

7. The tank according to claim 6, characterized in that the flow cross-section formed by the recesses (15) are constant with respect to the flow profile (20).

8. The tank according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in the center thereof a sleeve (16) having an extraction device (19) is arranged, which is located in front of the pore openings (17) in the spongy bodies (8).

9. The tank according to claim 8, characterized in that the extraction device (19) is separated from the interior of the tank (5) by a sieve cartridge (18).

10. The tank according to any one of claims 1 to 9, characterized in that for absorbing cryogenic liquids, the tank together with an upstream storage tank (3) is arranged in a cryostat (25).

11. The tank according to claim 10, characterized in that a heating unit (26) is provided in the cryostat (25).

Revendications

1. Réservoir destiné à la séparation d'une phase liquide d'une phase gazeuse et pour stocker du liquide, pour un emploi lors d'expériences dans l'espace dans les conditions d'apesanteur, comprenant une arrivée à travers laquelle du liquide, un gaz ou un mélange des deux peut être introduit dans le réservoir, et comprenant une sortie de laquelle sort du gaz pur, caractérisé en ce que des corps (8) en matériau spongieux sous forme d'une mousse métallique sont disposés dans le réservoir (5), dont le volume total de pores est sélectionné plus grand que le volume du liquide à recevoir (21).

2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mousse métallique est en aluminium.

3. Réservoir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est limité par respectivement un couvercle supérieur (9) et inférieur (10) et est entouré par une enveloppe cylindrique (11).

4. Réservoir selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une ligne d'alimentation (12) débouche dans un canal d'injection (13) circulaire qui est relié à l'intérieur du réservoir (5) par une fente (14), en direction de l'enveloppe métallique (11).

5. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les corps (8) sont conçus en tant que plaques annulaires disposées en reposant l'une dans l'autre.

6. Réservoir selon la revendication 5, caractérisé en ce que les corps (8) sont dotés d'évidements (15) en alternance sur des extrémités opposées.

7. Réservoir selon la revendication 6, caractérisé en ce que les sections transversales d'écoulement formées par les évidements (15) sont constantes par rapport au tracé d'écoulement (20).

8. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un manchon (16) avec un dispositif de prélèvement (19) est disposé en son centre, qui se trouve devant les ouvertures de pore (17) dans les corps (8) en matériau spongieux.

9. Réservoir selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de prélèvement (19) est séparé de l'intérieur du réservoir (5) par une cartouche à tamis (18).

10. Réservoir selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est disposé dans un cryostat (25) conjointement avec un réservoir de réserve (3) monté en amont, pour recevoir des liquides cryogéniques.

11. Réservoir selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un dispositif de chauffage (26) est prévu dans le cryostat (25).

Zeichnung