一種空心陰極加熱器的陶瓷組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天空間電推進(jìn)技術(shù)、真空電子領(lǐng)域，尤其涉及一種空心陰極加熱器 絕緣、保溫陶瓷組件，可用于空間電推進(jìn)空心陰極加熱器等局部高溫物體保溫使用。
【背景技術(shù)】
[0002] 空心陰極在點火之前采用加熱器加熱發(fā)射體，當(dāng)發(fā)射體溫度達(dá)到1800k左右的電 子發(fā)射溫度時，通過脈沖高壓擊穿工質(zhì)氣體，產(chǎn)生氣體自持放電，空心陰極點火成功。當(dāng)空 心陰極點火成功后陰極加熱器組件不再需要輔助加熱，只靠自身的等離子體轟擊發(fā)射體材 料就能維持其工作溫度。為了提高陰極加熱器加熱效率、降低與外界熱交換，要求空心陰極 組件具有良好的保溫隔熱效果?？招年帢O主要應(yīng)用于空間霍爾推力、離子推力器及其他離 子源使用。國外空心陰極壽命最長可達(dá)數(shù)萬小時，國內(nèi)空心陰極壽命目前產(chǎn)品最長為18000 小時左右。但是隨著深空探測任務(wù)的開展，要求空心陰極壽命至少在40000小時左右，加 熱器失效是制約空心陰極壽命的主要因素。目前空間電推進(jìn)空心陰極加熱器采用的陶瓷組 件是陶瓷外套與陶瓷骨架采取緊密配合的裝配方式，并且陶瓷外套加工有數(shù)量不等的排氣 孔。此結(jié)構(gòu)應(yīng)用在長壽命空心陰極時，加熱器由于雜質(zhì)排除不充分，長時間工作時雜質(zhì)將累 積在陶瓷組件、加熱絲表面并在高溫環(huán)境下與其反應(yīng)，最終出現(xiàn)陶瓷絕緣下降、加熱絲斷裂 等現(xiàn)象，從而造成加熱器失效。陶瓷骨架與陶瓷外套的直接接觸，不但增大了加熱器的熱傳 導(dǎo)，降低加熱器有效加熱效率，而且不能將加熱絲、陶瓷組件內(nèi)部雜質(zhì)有效排除，制約了加 熱器使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種空心陰極加熱器絕緣、保溫陶瓷組件，可以有效降低 陶瓷骨架與陶瓷外套之間的熱交換，提高空心陰極加熱器壽命。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0005] -種空心陰極加熱器的陶瓷組件，包括陶瓷外套和陶瓷骨架；所述陶瓷外套為一 端開口、一端封閉的空心圓柱體；陶瓷外套內(nèi)壁由兩個直徑不同的內(nèi)圓周面構(gòu)成；
[0006] 所述陶瓷骨架為加工有外螺紋的圓柱體，外螺紋的凹槽內(nèi)纏繞加熱絲；陶瓷骨架 的一端外圓與所述陶瓷外套底部直徑較小的內(nèi)圓配合并固定安裝在一起；陶瓷骨架外圓與 所述階梯結(jié)構(gòu)上部的陶瓷外套內(nèi)圓之間留有間隙。
[0007] 較佳的，陶瓷外套和陶瓷骨架的材料選用氧化鈹陶瓷。
[0008] 較佳的，陶瓷外套和陶瓷骨架選用的陶瓷材料的抗折強度最少為200MPa。
[0009] 較佳的，所述陶瓷外套內(nèi)壁的兩個內(nèi)圓周面的直徑差最大為0. 3mm。
[0010] 較佳的，所述外螺紋的凹槽壁厚最小為0. 3mm。
[0011] 較佳的，所述陶瓷骨架與陶瓷外套之間的間隙最小為〇. 1mm。
[0012] 較佳的，所述陶瓷外套厚度為最小為0. 8mm。
[0013] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0014] (1)本發(fā)明的陶瓷組件中的陶瓷外套通過底部階梯結(jié)構(gòu)與陶瓷骨架裝配，主體部 分與陶瓷骨架留有間隙，陶瓷外套采用階梯結(jié)構(gòu)，減小了陶瓷組件的接觸面積，降低加熱絲 產(chǎn)生熱量的損失。高溫環(huán)境下加熱絲、陶瓷組件蒸發(fā)的雜質(zhì)通過陶瓷組件之間間隙排除。此 結(jié)構(gòu)應(yīng)用于空心陰極可以有效降低陶瓷骨架與陶瓷外套之間的熱交換，提高空心陰極加熱 器壽命。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的陶瓷組件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 其中，1-陶瓷外套，2-陶瓷骨架、3-環(huán)狀階梯結(jié)構(gòu)、4-外螺紋。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0018] 如圖1所示，為本發(fā)明陶瓷組件的結(jié)構(gòu)示意。根據(jù)空心陰極加熱器工作條件及工 作溫度要求，陶瓷組件需在高溫下具有良好的絕緣、導(dǎo)熱性能。同時陶瓷組件具有良好的工 質(zhì)排除或凈化功能，將高溫下產(chǎn)生的雜質(zhì)有效排除，避免雜質(zhì)與陶瓷或加熱絲反映，影響加 熱器壽命。根據(jù)以上限制條件，設(shè)計的陶瓷組件包括陶瓷骨架2和陶瓷外套1，其材料選用 氧化鈹陶瓷。陶瓷外套1為一端開口、一端封閉的空心圓柱體；陶瓷外套1內(nèi)壁由兩個直徑 不同的內(nèi)圓周面構(gòu)成，形成環(huán)狀階梯結(jié)構(gòu)3 ;陶瓷骨架2為加工有外螺紋4的圓柱體，外螺 紋4的凹槽內(nèi)纏繞加熱絲；陶瓷骨架2的一端外圓與所述陶瓷外套1底部直徑較小的內(nèi)圓 配合并固定安裝在一起；陶瓷骨架2外圓與所述階梯結(jié)構(gòu)3上部直徑較大的內(nèi)圓之間留有 間隙，以降低陶瓷骨架2的熱損耗，并將高溫?fù)]發(fā)雜質(zhì)排除。
[0019] 陶瓷組件設(shè)計需要考慮以下方面：
[0020] 1.空心陰極產(chǎn)品所處力學(xué)環(huán)境及陶瓷材料自身強度限制
[0021] 根據(jù)其空心陰極產(chǎn)品隨機(jī)力學(xué)條件總均方根加速度約為20g，所用陶瓷材料的抗 折強度約為200MPa，根據(jù)計算得出空心陰極加熱器陶瓷組件陶瓷外套1厚度為最小0. 8_， 階梯結(jié)構(gòu)3高度為最大為0. 3_。陶瓷骨架2的外螺紋4通過加熱絲繞制工藝將其繞制在 外螺紋4凹槽內(nèi)，繞制過程中陶瓷螺紋4需承受繞絲力矩，避免繞制過程中螺紋4凹槽壁 破裂，導(dǎo)致加熱絲短路。同時陶瓷骨架2設(shè)計需考慮氧化鈹陶瓷材料的強度限制，經(jīng)計算外 螺紋4凹槽壁厚最小為0. 3mm。
[0022] 2?高溫下陶瓷材料熱應(yīng)力
[0023] 根據(jù)Kingery和Hasselman理論研究?？焖贉囟雀淖兛赡軙鹛沾刹牧系木植?應(yīng)力/應(yīng)變突變，Kingery給出了當(dāng)傳熱系數(shù)h非常大，脆性材料表面迅速從高溫轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán) 境溫度時，恰好發(fā)生破壞的溫差：
[0024]
[0025]式中R-抗熱沖擊斷裂參數(shù)，°C;
[0026] S-樣本幾何形狀因子；
[0027] 〇*-斷裂應(yīng)力，Pa;
[0028] y-泊松比；
[0029] E一彈性模量，Pa;
[0030] a-線性熱膨脹系數(shù)，X106/°C;
[0031] 其中，剪切或者拉伸條件下的斷裂應(yīng)力〇 %是指材料在急劇受熱或冷卻條件下， 假設(shè)材料表面瞬間就達(dá)到了與熱沖擊介質(zhì)相同的溫度時，材料所承受的最大熱應(yīng)力。
[0032] 空心陰極加熱器工作時溫度約為1800K，氧化鈹陶瓷熱導(dǎo)率為177. 6W/MK、加熱絲 在1600°C時延伸率約為20%，由此計算得出，陶瓷骨架2與陶瓷外套1之間的間隙最小為 0. lmm〇
[0033] 綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種空心陰極加熱器的陶瓷組件，其特征在于，包括陶瓷外套（1)和陶瓷骨架（2); 所述陶瓷外套（1)為一端開口、一端封閉的空心圓柱體；陶瓷外套（1)內(nèi)壁由兩個直徑不同 的內(nèi)圓周面構(gòu)成； 所述陶瓷骨架（2)為加工有外螺紋（4)的圓柱體，外螺紋（4)的凹槽內(nèi)纏繞加熱絲；陶 瓷骨架（2)的一端外圓與所述陶瓷外套（1)底部直徑較小的內(nèi)圓配合并固定安裝在一起； 陶瓷骨架⑵外圓與所述階梯結(jié)構(gòu)⑶上部的陶瓷外套⑴內(nèi)圓之間留有間隙。2. 如權(quán)利要求1所述的一種空心陰極加熱器的陶瓷組件，其特征在于，陶瓷外套（1)和 陶瓷骨架（2)的材料選用氧化鈹陶瓷。3. 如權(quán)利要求1所述的一種空心陰極加熱器的陶瓷組件，其特征在于，陶瓷外套（1)和 陶瓷骨架（2)選用的陶瓷材料的抗折強度最少為200MPa。4. 如權(quán)利要求1所述的一種空心陰極加熱器的陶瓷組件，其特征在于，所述陶瓷外套 (1) 內(nèi)壁的兩個內(nèi)圓周面的直徑差最大為0.3mm。5. 如權(quán)利要求1所述的一種空心陰極加熱器的陶瓷組件，其特征在于，所述外螺紋（4) 的凹槽壁厚最小為〇. 3mm。6. 如權(quán)利要求1所述的一種空心陰極加熱器的陶瓷組件，其特征在于，所述陶瓷骨架 (2) 與陶瓷外套（1)之間的間隙最小為0? 1_。7. 如權(quán)利要求1所述的一種空心陰極加熱器的陶瓷組件，其特征在于，所述陶瓷外套 (1)厚度為最小為〇? 8mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空心陰極加熱器的陶瓷組件，包括陶瓷外套和陶瓷骨架，陶瓷外套內(nèi)壁由兩個直徑不同的內(nèi)圓周面構(gòu)成；陶瓷骨架為加工有外螺紋的圓柱體，外螺紋的凹槽內(nèi)纏繞加熱絲；陶瓷骨架的一端外圓與所述陶瓷外套底部直徑較小的內(nèi)圓配合并固定安裝在一起；陶瓷骨架外圓與所述階梯結(jié)構(gòu)上部的陶瓷外套內(nèi)圓之間留有間隙；陶瓷外套采用階梯結(jié)構(gòu)，減小了陶瓷組件的接觸面積，降低加熱絲產(chǎn)生熱量的損失；高溫環(huán)境下加熱絲、陶瓷組件蒸發(fā)的雜質(zhì)通過陶瓷組件之間間隙排除。此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于空心陰極可以有效降低陶瓷骨架與陶瓷外套之間的熱交換，提高空心陰極加熱器壽命。
【IPC分類】H01J1/88
【公開號】CN105006412
【申請?zhí)枴緾N201510421024
【發(fā)明人】楊威, 賈艷輝, 孫運奎, 馮杰
【申請人】蘭州空間技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月16日