CN101999042B - 用于导出损耗热量的设备以及具有这种设备的离子加速器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括电离室的离子加速器装置，所述电离室由室壁和布置在所述室壁外部的磁铁装置环绕。采取步骤导出所述室壁上产生的损耗热量，且提供有利的解决方案以用于保护所述磁铁装置的永磁元件。

Description

用于导出损耗热量的设备以及具有这种设备的离子加速器装置
技术领域
本发明涉及一种用于导出损耗热量的设备以及具有这种设备的离子加速器装置。
背景技术
离子加速器装置以用于卫星或者其它航天器的电力驱动装置而为人们所熟知。例如WO2003/000550A1中描述了此类有利的离子加速器驱动器。已知的离子加速器包括具有永磁环和极靴环的多级磁铁装置，这些永磁环和极靴环围绕电离室的室壁。
在此类离子加速器装置的运行过程中，损耗热量在横向界定电离室的室壁处产生，该热量必须被驱散到外界。由于在被用于航天器时的体积和重量限制，以及由于在这种离子加速器装置内使用的高压，对用来除去可释放的损耗热量的设备有特定要求，尤其是在航天器中使用该设备的情况下，损耗热量仅通过发散到作为吸热器(heat sink)的自由空间内，而且经由磁铁装置便能被至少部分地带离室壁。在这一点上，尤其是在使用永久磁铁时，磁铁装置承受温度应力的能力受到限制。
在行波管内，主要由于电子射束冲击到作为集电极的阳极上而产生损耗热量。阳极例如由铜组成。除去损耗热量一般通过散热器装置来实现，该散热器装置直接地或者通过中间结构与阳极导热联接。
在用于除去损耗热量的设备中，尤其是在诸如离子加速器装置或者行波管装置之类的电动设备中，远离损耗热源面向的散热装置假定与承载结构连接，例如，一方面，以机械固定方式分别与离子加速器装置的磁铁装置或者行波管装置的集电极连接，另一方面，具有良好的导热率，其中，在每种情况下，磁铁装置或者集电极的材料、几何形状和结构通常分别在很大程度上由电动设备的功能预先确定。
已知的是提供散热装置中由铜制成的本体，这些本体将热量导向外界，并通过面向外界的表面使热量到达散发热量的散热器装置，且这些本体用专用的过渡结构联接至承载结构以抵消随着温度变化而产生的机械应力或者被焊接到承载结构的金属表面上。
发明内容
本发明的任务基于用于导出损耗热量的改进设备以及具有这种设备的离子加速器装置。
根据本发明的解决方案在独立权利要求中予以描述。从属权利要求包括本发明的优选实施例和进一步发展。
在通过导热装置将来自损耗热源、特别地上述电动期间中的一个的损耗热量导向至吸热器的情形中，设备在导热装置中使用铝硅合金经被证明是出乎意料地有利，上述导热装置与面向损耗热源的承载结构导热连接。该导热装置有利地主要由铝硅合金组成，优选地完全由铝硅合金组成。
具体而言，使用具有过共晶比例硅的铝硅合金是尤其有利的。铝硅合金的热膨胀系数与承载结构的热膨胀系数的不同率有利地小于30％，特别地小于20％，优选为小于10％。在这一点上，认识到在改变合金中铝和硅的比例时，过共晶铝硅合金的热膨胀系数可在大范围内得以调节并因此能很好地适应由承载结构的材料预定的热膨胀系数而作出使用决定是非常有利的。
以环绕承载结构的形式来构造导热装置是有利的。承载装置相对于纵向轴线环绕地在侧向上围绕包括损耗热源的空间是有利的。导热装置有利地抵靠处于弹性张紧下的承载结构，由此在承载结构与导热装置之间的边界面上形成永久的大面积热传递。导热装置抵靠处于弹性张紧下的承载结构的情况尤其能通过将导热装置热压配合到承载结构上来实现。导热装置尤其还能有利地形成承载结构的多个部件的机械连接。
在承载结构之间的边界面上设置通常小于1毫米且尤其小于0.1毫米的更薄层对承载结构与导热装置之间的良好热传递也是有利的，该更薄层由延展性比承载结构和导热装置材料的延展性更好的材料组成。在上述中间层中使用金是尤其有利的。也可将承载结构和导热装置焊接在一起。
承载装置有利地包括磁铁装置，尤其是具有永磁体的磁铁装置。此类永磁装置的材料优选为稀土合金，尤其是钐钴SmCo合金。永磁装置有利地包括至少一个、优选为多个环形磁体，这些磁体具有相对于环形轴成轴向的磁性。
在另一有利实施例中，导热装置还可至少主要由铍组成而代替铝硅合金，铍同样具有良好的热膨胀系数和小的比重，但很昂贵，而且很难处理。
甚至与导热装置的材料无关，通过将永磁装置热压配合到导热装置上来制造具有相互轴向紧挨的多个环形磁体的永磁装置也特别有利，其原因是这样做能以简单而有利的方式来获得多个环形磁体和/或通过四周都均衡的压应力来稳定和保护处于一定破裂风险的例如由SmCo制成的磁体。如果没有必须要驱散的损耗热量，则此时主要作为机械护套的导热装置的导热率就变得次要了。
用于除去损耗热量的此类设备对在航天器中产生损耗热量的电动设备尤其有利，其中，永久而良好的热传递因不存在维修可能性而显得尤其重要，而材料接合处因为电动设备的停机状态和运行状态之间的较大温差而处于特定的应力。就航天器中由铝硅合金制成的导热装置的有利用途而言，导热装置有利地使得承载结构所吸收的热量经过到达散热器装置上，该散热器装置将热量作为热辐射释放到作为吸热器的环绕空间。
在具有磁铁装置的离子加速器装置的情形中，令人惊讶的是，作为导热装置的至少主要部分的材料且具有过共晶比例硅的铝硅合金尤其可与磁铁装置的由离子加速器装置的功能预定的典型可磁化材料一致。过共晶铝硅合金中硅的比例优选为总共小于40％。合金中硅的比例有利地总共最多达60％。就共析铝硅合金而言，硅比例大约为12％。
过共晶铝硅合金比磁铁装置的材料有利地具有更高导热率和更小比重，且可与因其材料性质而具有特别有利的热传递的离子加速器装置的磁铁装置的典型材料的表面联接。具体而言，过共晶铝硅合金所具有的热膨胀系数非常接近典型磁铁装置中优选使用的可磁化材料的热膨胀系数，这些可磁化材料优选为作为软磁材料的铁或者稀土材料，优选为作为永磁材料的SmCo。由于在所述类型的离子加速器装置中会出现大的温度变化，因此热膨胀系数的微小差距是极其有利的。
典型承载结构的可磁化材料，尤其是Fe和SmCo在优选实施例中具有8×10-6/K到16×10-6/K之间，尤其是11×10-6/K到13×10-6/K之间的热膨胀系数。根据本发明设置在导热装置中的过共晶铝硅合金的热膨胀系数有利地可通过铝和硅的百分比而进一步变化，并适用于磁铁装置的材料。过共晶铝硅合金的热膨胀系数在每种情况下与磁铁装置材料的不同率小于30％，特别地小于20％，优选为小于10％。
在有利的实施例中，导热装置相对于离子加速器装置的中心轴线成径向地环绕磁铁装置，并优选地在材料的弹性张紧下热压配合到磁铁装置上或者磁铁装置的部件上，以便导热装置和磁铁装置在弹性张紧下以良好的表面接触彼此抵靠。在有利实施例中，可将很好地传导热量而且较之磁铁装置和导热装置的材料更软的材料(例如金)的中间层设置于边界面，由此通过由于中间层的变形而变得特别大的接触表面来实现特别好的热传递。
导热装置有利地通过散热器装置的远离磁铁装置面向的表面区域将热量作为热辐射释放到周围环境中，在航天器中优选使用离子加速器装置的情况下，尤其将热量释放到周围的真空中，上述散热器装置与导热装置联接。将热辐射发散到周围环境中的表面可由与过共晶铝硅合金不同的材料制成，而且特别可由涂层获得。
例如除表面涂层以外，导热装置有利地至少主要(＞50％)，优选为基本上完全由过共晶铝硅合金组成。优选地，散热器装置还主要或者基本上完全由过共晶铝硅合金组成。
离子加速器装置包括电离室，其中将损耗热源分布在室壁上或者室壁处，该室壁界定腔室，而且通常为电介质，例如陶瓷。工作气体在电离室中被电离，且离子得以在电离室的纵向方向上优选为静电地加速，并经由腔室一侧上的开口射出。
磁铁装置包括环绕离子加速器装置电离室的多个永磁环，这些环在腔室的纵向方向上相互间隔开。在优选实施例中，在纵向方向上彼此靠近的永磁环在纵向方向上具有相反极向，从而相邻磁环的具有相同方向的磁极在纵向方向上彼此相对。由此，如上所述，例如在最初就已提及的文献WO2003/000550A1的离子加速器中，在腔室内，在纵向方向上于相邻环形磁铁之间出现磁场的波峰结构(cusp structure)。特别有利的是多级磁铁装置，其在静电离子加速器的电离室中具有至少2个在纵向方向上间隔开的上述磁场波峰结构。永磁环的材料优选为稀土合金，尤其是具有钐和钴主要组分。钐钴永久磁铁为已知和常用的，其特征在于较之钕磁铁具有更高的居里温度。
有利地，由软磁材料尤其是铁制成的极靴环被布置在纵向方向上间隔开的永磁环之间。
所产生的损耗热量尤其对永磁材料不利，因为永磁材料不允许高温，且另一方面，永磁材料导热率低，因此它们本身也只为导热装置除去很少的损耗热量。
磁铁装置的永磁体通常不直接位于横向界定腔室的室壁的外表面上，而是通过狭隙与该表面间隔开，借此通过热辐射进行从室壁到永磁体的热传递。借助于室壁与永磁体之间的热辐射反射镜器件，降低了这种热传递，并防止永磁材料过热。此类热辐射反射镜器件可包括径向布置在外室壁与永磁体之间的镜体。优选地，热辐射反射镜器件通过面向室壁的永磁体表面的反射涂层形成，从而可有利地将金用作涂层材料。有利的是，没有热辐射反射镜器件径向位于外室壁与软磁极靴的面向该外室壁的表面之间，从而通过极靴将损耗热量排到外界，并排到导热装置，这些极靴优选地由铁制成，并且不热敏，但都具有良好的导热性。即便独立于导热装置的材料，由永磁体通过热辐射反射镜器件实现的吸热量减少有利地用于对永磁体的过热保护和产生的损耗热量的分布。
对行波管装置而言，使用具有过共晶比例硅的铝硅合金也被证明是特别有利的。这里，导热装置有利地与作为承载结构的阳极本体(集电极)间接或者优选地直接连接，从而，在此情况下通常可将铝硅合金的硅比例选定为小于离子加速器的前述示例，其原因在于阳极本体的热膨胀系数总体上大于离子加速器装置的磁铁装置的热膨胀系数，上述承载结构通常由特别地热压配合到提供良好导热性的永久表面接触上的铜制成。也可将承载结构焊接至阳极本体。
附图说明
下面将使用更优选的示例性实施例并参照附图更详细地说明本发明。这些附图示出：
图1是离子加速器的示意性结构，
图2是行波管装置的详细图。
具体实施方式
图1示意性并详细地示出了离子加速器装置的截面，该离子加速器装置被假定为未作任何一般性限定地关于纵向轴线LA旋转对称地放置。出于对称性原因，仅示出了截面图像的位于纵向轴线LA上方的一半。纵向轴线LA平行于图中与半径坐标R一同示出的纵向方向LR。电离室IK由室壁KW在径向方向上限定，室壁KW由电介质尤其是陶瓷材料制成。假定腔室横截面在纵向方向LR上是恒定的。电离室于图中的右边在纵向方向上朝向一侧打开，这使得加速等离子束PB能射出，这样，在被用作航天器驱动设备的离子加速器装置中产生驱动推力。阳极装置AN布置在电离室IK的底部，在纵向方向上与射束口AO相对。在射束口AO的区域内，优选地从其横向偏离地布置阴极装置KA。在装置的运行期间，阴极装置KA与阳极装置AN之间存在高电压，该电压在电离室内产生电场，该电场指向纵向方向LR，并试图在朝向阳极装置的方向上对电子进行加速，并在射束口AO的方向上对通过工作气体的电离而产生的正离子进行加速。
磁铁装置位于等离子体室外部并环绕该等离子体室，上述磁铁装置包括尤其由SmCo制成的永磁体MR以及靠近这些永磁体并在纵向方向上位于它们之间的极靴体PR。永磁体MR和极靴体PR优选地在每种情况下均被构造为相对于纵向轴线LA成环状。但是，也可将多个单独体环绕在上述轴线的周围。磁体的磁极在纵向方向上的定向，且在纵向方向上彼此邻近的磁体具有彼此相对的磁极，从而相同磁极例如图1中两个南磁极彼此相对。此类永磁体的布置使得能在电离室IK中形成磁场MF，换言之，这些区域中的场力线成曲线地从纵向轴线LA朝着室壁KW过渡到大致径向磁场线行进，上述电离室IK在磁体磁极区域内形成所谓波峰结构。借助于极靴体PR，有利的是该场的行进形成进一步改进离子加速器装置功能的形状。
此类离子加速器装置的结构和功能例如可从最初提及的现有技术获知。尽管对此类离子加速器装置而言，室壁上的热应力较之霍尔离子加速器确实已经减小了，但面向电离室的室壁表面上的损耗热效应还是通过冲击室壁表面的电子和离子，并通过电离室中形成的等离子体的发射而仍然保持，因此，室壁上的热效应在极靴体PR的纵向区域内较之包括磁体PR的纵向区域略微增大。通过对室壁的加热，热量还在磁铁装置的方向上从径向朝外的室壁的侧面散发。而且，出于散热器装置有利地具有大面积散热器结构SS的目的，通过磁铁装置径向朝外输送这些热量，并散发到周围空间。
所显示的有利示例中的散热设备一方面包括径向地位于外部的散热器装置，该散热器装置具有外罩SM和已经提及的散热器结构SS，该散热设备另一方面还包括位于散热器装置与磁铁装置之间的导热装置。导热装置至少主要由过共晶铝硅合金组成。导热装置包括作为导热体的多个环状体LM、LP，其中，环状体LP布置在极靴体PR的纵向区域内，而导热体LM布置在永磁体MR的区域内，并且这些导热体在每种情况下均分别与极靴体PR和永磁体MR机械或者导热连接。这些导热体和/或散热器装置SM、SS有利地至少主要由具有至少40％的硅的过共晶铝硅合金组成。过共晶铝硅合金中硅的比例有利地总共至多60％。低比例的其它混合物基本上也可以。
利用用于导热体的过共晶铝-硅合金，可获得非常接近铁或者SmCo的热膨胀系数。优选地，导热体LP和LM构造成闭环体。导热体优选地利用径向张紧分别抵靠极靴体PR和永磁体MR的向外面向的表面，从而实现永久性机械稳定表面接触，并确保在径向方向上的良好热传递。有利地，具有良好导热率并分别比导热体和极靴体及永磁体的材料更软的材料中间层能够分别插入导热体LP至极靴体PR或者导热体LM至永磁体MR之间的边界面。这样的中间层因更大的接触表面而进一步提高了至外部的径向热传递。在上述中间层中使用金尤其有利。也可将此类中间层设置在具有散热器外罩SM的散热器装置与具有导热体LP、LM的导热装置之间。有利的是，以极靴体PR与导热体LP相连、永磁体MR与导热体LM相连的方式来形成具有散热设备的磁铁装置的结构，然后，在轴向方向上将以此方式相连的环状装置固定在一起，并使其刚性连接。随后，由导热体LP、LM形成的导热装置的外部有利地为平滑的，且具有限定的外部尺寸。此后，有利的是使得散热器装置的温度相对于导热装置升高，由此，该散热器装置变宽，并在纵向方向上被推到导热装置上方。在散热器装置的冷却和相关收缩期间，散热器装置本身利用径向张紧抵靠导热装置的外部，从而再次形成良好的导热接触。
径向面对室壁KW的永磁体MR的表面设置有作为反射镜器件的涂层RE，该反射镜器件降低了热辐射的吸收能力，并因此而减弱了从室壁到永磁体的热传递。上述涂层有利地由金制成。该涂层未延伸至极靴体的面向室壁的表面，换言之，该涂层在纵向方向上在极靴体处中断。
在离子加速器装置的运行期间，室壁受热并在磁铁装置的方向上径向地向外部散发热量。由磁铁装置吸收的热量通过永磁体MR、极靴体PR以及具有导热体LP、LM的导热装置根据径向温度梯度被传递至散热器装置的外罩SM，然后特别地通过散热器结构SS作为热辐射释放到空间中。
由于例如由SmCo制成的永磁体MR的较低导热率，尽管极靴体在纵向方向上较窄，但径向热传递主要通过尤其由铁制成的极靴体PR产生。在这一点上，磁铁装置中的径向导热比例分布有利地对应于在极靴体的纵向区域内的更高壁温，其原因是在这些纵向位置处的吸热率更高。有利的是热辐射反射镜器件在纵向方向上在极靴体的纵向区域处中断，并仅存在于永磁体的纵向区域内。从室壁到优选由铁制成的极靴体的良好热传递对径向除热是有利的。
通过在永磁体的面向室壁的表面上的反射镜器件，室壁处的温度在永磁体纵向区域内比极靴体纵向区域内更高。可在有限的程度上通过室壁材料内部的热传导在纵向方向上实现热量均衡。但是特别地，更高的燃烧室壁温度也造成向电离室内散发更多的热量，从而再次部分地补偿径向向外所减少的辐射。
甚至对行波管装置的磁铁装置而言，可有利地将反射镜器件设置在磁铁装置的面向损耗热源的表面上。
图2详细且示意性地示出了根据本发明的行波管装置的结构，该行波管装置具有用于除去损耗热能的设备。所述行波管装置通常包括真空室内的例如螺旋线或者梳形线形式的延迟线VL。具有延迟线VL的真空室由在真空室内产生磁场的磁铁装置PP围绕，其中，电子束ES分别得以在真空室的纵向中心轴线上或者延迟线VL上被导向。电子束ES从左边、图2未示出的电子束源进给，然后经过延迟线VL，并被导向至集电极KO。电子束ES在其经由真空室的向前移动期间与进给到延迟线VL中的高频信号相互作用，电子束通过输出端HF以放大形式脱开。电子束与延迟静电场相对地移动，并在其与延迟静电场的相互作用过程中将能量释放到延迟线。在集电极KO中，电子汇集，且其剩余能量在集电极KO中被转换成热量。集电极例如可由铜制成，而且还可以以已知的方式被构造成多级集电极。
散热体SK安置在集电极KO的外表面上，并与集电极KO相连，从而很好地导热。散热体SK由铝硅合金制成，该铝硅合金的合金百分比被以如下方式设定，即硅铝合金的热膨胀系数与集电极KO材料的热膨胀系数不同率小于30％，特别地小于20％，优选为小于10％。散热体SK有利地可在弹性偏压下抵靠集电极的外表面，在有利实施例中，可在升高的温度下将散热体推到集电极上方，并随着散热体冷却而使其热压配合到集电极的外表面上。还可将散热体SK焊接至集电极的外表面。
类似于图1的装置，还可将图2中以整体示出的散热体SK相对于装置的纵向轴线径向构造成两部分，其原因是铝硅合金体附接至集电极KO，而具有散热器结构的外本体附接至基部本体。
就行波管装置的空间应用而言，在行波管装置的运行期间在集电极中产生的损耗热能通过由具有良好导热率的材料制成的集电极到达散热器结构上，以及集电极与由具有良好导热率的铝硅合金材料制成的散热器本体SK之间的良好热传导接点上，并由于发散功率被释放到周围环境，尤其是释放到空间内。
上述和权利要求书中的特征以及从附图中得到的特征能够有利地单独和以各种组合形式实现。本发明并不局限于所描述的示例性实施例，而是能够在本领域技术人员力所能及的范围内以很多不同的方式修改。特别地，就离子加速器装置而言，反射镜器件也能够有利地不依赖于铝硅材料选择地实现器件。

Claims (20)

1.用于通过导热装置将损耗热源的损耗热量导向吸热器的设备，其中，所述导热装置与布置在所述损耗热源和所述导热装置之间的承载结构导热连接，并且其中，所述承载结构和所述导热装置由不同的材料制成，其特征在于，所述导热装置至少主要由铝硅合金制成，所述铝硅合金包含过共晶比例的硅。 
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述铝硅合金的热膨胀系数与所述承载结构的材料的热膨胀系数的偏差小于30%。 
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，另一材料的层被插入所述承载结构与所述导热装置之间的边界面处，所述材料比承载结构和导热装置的材料具有更高的延展性。 
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述导热装置环绕所述承载结构，并在弹性张紧下抵靠所述承载结构。 
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述导热装置热压配合到所述承载结构上。 
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述承载结构相对于纵向轴线环绕地在侧向上包围一个包括所述损耗热源的空间。 
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述导热装置被焊接至所述承载结构。 
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述设备应用于航天器中，使得所述吸热器为周围自由空间，并且与所述导热装置相连的散热器装置将热辐射释放到所述空间中。 
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述承载结构包括在损耗热源与导热装置之间的磁铁装置。 
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述承载结构为行波管的集电极。 
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述集电极至少主要由铜组成。 
12.离子加速器装置，所述离子加速器装置具有用于导出损耗热量的设备，具有包括损耗热源的电离室以及环绕所述电离室的磁铁装置，并且还具有用于导散产生于室壁的损耗热量的导热装置，其中，所述导热装置与承载结构导热地且机械固定地连接，并且所述导热装置比所述承载结构具有更大的导热率和/或更小的比重，其特征在于，所述导热装置至少主要由具有过共晶比例的硅的铝硅合金组成，所述磁铁装置包括环绕所述电离室的多个永磁环，所述永磁环在所述电离室的纵向方向上相互间隔开，由软磁材料制成的极靴环被插入在纵向方向上相邻的永磁环之间。 
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述硅的比例至少为30%。 
14.根据权利要求12或13所述的装置，其特征在于，所述硅的比例最多为60%。 
15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述导热装置环绕所述磁铁装置并相对于所述磁铁装置得以径向张紧。 
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述导热装置热 压配合到所述磁铁装置上。 
17.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述磁铁装置的材料具有8×10-6/K到16×10-6/K之间的热膨胀系数。 
18.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，在所述电离室的纵向方向上相邻的永磁环具有沿纵向方向相反定向的磁极。 
19.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述导热装置与散热器装置联接，所述散热器装置通过辐射将热量释放到周围环境。 
20.根据权利要求12所述的装置，其特征在于所述装置在航天器中的布置。 
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