CN105006412A - 一种空心阴极加热器的陶瓷组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心阴极加热器的陶瓷组件，包括陶瓷外套和陶瓷骨架，陶瓷外套内壁由两个直径不同的内圆周面构成；陶瓷骨架为加工有外螺纹的圆柱体，外螺纹的凹槽内缠绕加热丝；陶瓷骨架的一端外圆与所述陶瓷外套底部直径较小的内圆配合并固定安装在一起；陶瓷骨架外圆与所述阶梯结构上部的陶瓷外套内圆之间留有间隙；陶瓷外套采用阶梯结构，减小了陶瓷组件的接触面积，降低加热丝产生热量的损失；高温环境下加热丝、陶瓷组件蒸发的杂质通过陶瓷组件之间间隙排除。此结构应用于空心阴极可以有效降低陶瓷骨架与陶瓷外套之间的热交换，提高空心阴极加热器寿命。

Description

一种空心阴极加热器的陶瓷组件

技术领域

本发明涉及航天空间电推进技术、真空电子领域，尤其涉及一种空心阴极加热器绝缘、保温陶瓷组件，可用于空间电推进空心阴极加热器等局部高温物体保温使用。

背景技术

空心阴极在点火之前采用加热器加热发射体，当发射体温度达到1800k左右的电子发射温度时，通过脉冲高压击穿工质气体，产生气体自持放电，空心阴极点火成功。当空心阴极点火成功后阴极加热器组件不再需要辅助加热，只靠自身的等离子体轰击发射体材料就能维持其工作温度。为了提高阴极加热器加热效率、降低与外界热交换，要求空心阴极组件具有良好的保温隔热效果。空心阴极主要应用于空间霍尔推力、离子推力器及其他离子源使用。国外空心阴极寿命最长可达数万小时，国内空心阴极寿命目前产品最长为18000小时左右。但是随着深空探测任务的开展，要求空心阴极寿命至少在40000小时左右，加热器失效是制约空心阴极寿命的主要因素。目前空间电推进空心阴极加热器采用的陶瓷组件是陶瓷外套与陶瓷骨架采取紧密配合的装配方式，并且陶瓷外套加工有数量不等的排气孔。此结构应用在长寿命空心阴极时，加热器由于杂质排除不充分，长时间工作时杂质将累积在陶瓷组件、加热丝表面并在高温环境下与其反应，最终出现陶瓷绝缘下降、加热丝断裂等现象，从而造成加热器失效。陶瓷骨架与陶瓷外套的直接接触，不但增大了加热器的热传导，降低加热器有效加热效率，而且不能将加热丝、陶 瓷组件内部杂质有效排除，制约了加热器使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空心阴极加热器绝缘、保温陶瓷组件，可以有效降低陶瓷骨架与陶瓷外套之间的热交换，提高空心阴极加热器寿命。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种空心阴极加热器的陶瓷组件，包括陶瓷外套和陶瓷骨架；所述陶瓷外套为一端开口、一端封闭的空心圆柱体；陶瓷外套内壁由两个直径不同的内圆周面构成；

所述陶瓷骨架为加工有外螺纹的圆柱体，外螺纹的凹槽内缠绕加热丝；陶瓷骨架的一端外圆与所述陶瓷外套底部直径较小的内圆配合并固定安装在一起；陶瓷骨架外圆与所述阶梯结构上部的陶瓷外套内圆之间留有间隙。

较佳的，陶瓷外套和陶瓷骨架的材料选用氧化铍陶瓷。

较佳的，陶瓷外套和陶瓷骨架选用的陶瓷材料的抗折强度最少为200MPa。

较佳的，所述陶瓷外套内壁的两个内圆周面的直径差最大为0.3mm。

较佳的，所述外螺纹的凹槽壁厚最小为0.3mm。

较佳的，所述陶瓷骨架与陶瓷外套之间的间隙最小为0.1mm。

较佳的，所述陶瓷外套厚度为最小为0.8mm。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的陶瓷组件中的陶瓷外套通过底部阶梯结构与陶瓷骨架装配，主体部分与陶瓷骨架留有间隙，陶瓷外套采用阶梯结构，减小了陶瓷组件的接触面积，降低加热丝产生热量的损失。高温环境下加热丝、陶瓷组件蒸发的杂质通过陶瓷组件之间间隙排除。此结构应用于空心阴极可以有效降低陶瓷骨架与陶瓷外套之间的热交换，提高空心阴极加热器寿命。

附图说明

图1为本发明的陶瓷组件结构示意图。

其中，1-陶瓷外套，2-陶瓷骨架、3-环状阶梯结构、4-外螺纹。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，为本发明陶瓷组件的结构示意。根据空心阴极加热器工作条件及工作温度要求，陶瓷组件需在高温下具有良好的绝缘、导热性能。同时陶瓷组件具有良好的工质排除或净化功能，将高温下产生的杂质有效排除，避免杂质与陶瓷或加热丝反映，影响加热器寿命。根据以上限制条件，设计的陶瓷组件包括陶瓷骨架2和陶瓷外套1，其材料选用氧化铍陶瓷。陶瓷外套1为一端开口、一端封闭的空心圆柱体；陶瓷外套1内壁由两个直径不同的内圆周面构成，形成环状阶梯结构3；陶瓷骨架2为加工有外螺纹4的圆柱体，外螺纹4的凹槽内缠绕加热丝；陶瓷骨架2的一端外圆与所述陶瓷外套1底部直径较小的内圆配合并固定安装在一起；陶瓷骨架2外圆与所述阶梯结构3上部直径较大的内圆之间留有间隙，以降低陶瓷骨架2的热损耗，并将高温挥发杂质排除。

陶瓷组件设计需要考虑以下方面：

1.空心阴极产品所处力学环境及陶瓷材料自身强度限制

根据其空心阴极产品随机力学条件总均方根加速度约为20g，所用陶瓷材料的抗折强度约为200MPa，根据计算得出空心阴极加热器陶瓷组件陶瓷外套1厚度为最小0.8mm，阶梯结构3高度为最大为0.3mm。陶瓷骨架2的外螺纹4通过加热丝绕制工艺将其绕制在外螺纹4凹槽内，绕制过程中陶瓷螺 纹4需承受绕丝力矩，避免绕制过程中螺纹4凹槽壁破裂，导致加热丝短路。同时陶瓷骨架2设计需考虑氧化铍陶瓷材料的强度限制，经计算外螺纹4凹槽壁厚最小为0.3mm。

2.高温下陶瓷材料热应力

根据Kingery和Hasselman理论研究。快速温度改变可能会引起陶瓷材料的局部应力/应变突变，Kingery给出了当传热系数h非常大，脆性材料表面迅速从高温转变为环境温度时，恰好发生破坏的温差：

$T_c=S\frac{{\mathrm{\σ}}^{*}(1-\mathrm{\γ})}{E\mathrm{\α}}=SR$

式中R—抗热冲击断裂参数，℃；

S—样本几何形状因子；

σ^*—断裂应力，Pa；

γ—泊松比； 

E—弹性模量，Pa；

α—线性热膨胀系数，×10^-6/℃；

其中，剪切或者拉伸条件下的断裂应力σ^*，是指材料在急剧受热或冷却条件下，假设材料表面瞬间就达到了与热冲击介质相同的温度时，材料所承受的最大热应力。

空心阴极加热器工作时温度约为1800K，氧化铍陶瓷热导率为177.6W/MK、加热丝在1600℃时延伸率约为20％，由此计算得出，陶瓷骨架2与陶瓷外套1之间的间隙最小为0.1mm。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空心阴极加热器的陶瓷组件，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)为一端开口、一端封闭的空心圆柱体；陶瓷外套(1)内壁由两个直径不同的内圆周面构成；

所述陶瓷骨架(2)为加工有外螺纹(4)的圆柱体，外螺纹(4)的凹槽内缠绕加热丝；陶瓷骨架(2)的一端外圆与所述陶瓷外套(1)底部直径较小的内圆配合并固定安装在一起；陶瓷骨架(2)外圆与所述阶梯结构(3)上部的陶瓷外套(1)内圆之间留有间隙。

2.如权利要求1所述的一种空心阴极加热器的陶瓷组件，其特征在于，陶瓷外套(1)和陶瓷骨架(2)的材料选用氧化铍陶瓷。

3.如权利要求1所述的一种空心阴极加热器的陶瓷组件，其特征在于，陶瓷外套(1)和陶瓷骨架(2)选用的陶瓷材料的抗折强度最少为200MPa。

4.如权利要求1所述的一种空心阴极加热器的陶瓷组件，其特征在于，所述陶瓷外套(1)内壁的两个内圆周面的直径差最大为0.3mm。

5.如权利要求1所述的一种空心阴极加热器的陶瓷组件，其特征在于，所述外螺纹(4)的凹槽壁厚最小为0.3mm。

6.如权利要求1所述的一种空心阴极加热器的陶瓷组件，其特征在于，所述陶瓷骨架(2)与陶瓷外套(1)之间的间隙最小为0.1mm。

7.如权利要求1所述的一种空心阴极加热器的陶瓷组件，其特征在于，所述陶瓷外套(1)厚度为最小为0.8mm。