CN108458801A - 耐高温管式铠装铂电阻及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天飞行器单组元推力器的热控设施，具体地说是一种耐高温管式铠装铂电阻及其应用。该铠装铂电阻的铂电阻元件通过铂电阻过渡线与外引线连接，铂电阻元件与过渡线采用点焊工艺连接，采用双孔陶瓷管保护焊点；将铂电阻元件、焊点和双孔陶瓷管封装在一端封闭的铂电阻保护管中，构成元件保护组件；由过渡线及其绝缘保护材料构成过渡引出组件，元件保护组件与过渡引出组件封装在不锈钢变径铠管中并保持与铠体绝缘；过渡线与外引线采用微弧焊连接，接头绝缘保护，并将接头、铠管细段末端及外引线固封在引出段内。本发明铠装铂电阻独立成件，便于安装，力学性能好，可应用于航天飞行器姿、轨控推进系统的热控。

Description

耐高温管式铠装铂电阻及其应用

技术领域

本发明涉及航天飞行器单组元推力器的热控设施，具体地说是一种耐高温管式铠装铂电阻及其应用，安置在推力器催化床外壁的管式铠装铂电阻，精确测量推力器催化床身的温度，作为遥感和遥控的依据，确保卫星正常运行。

背景技术

卫星推力器是调整卫星运行轨道和飞行姿态的控制分系统中的关键部件。在单组元催化分解式推力器上，需要通过热控使肼分解室维持一定的启动温度，以维护推力器的工作寿命，故须用特制的加热、测温及保温器件组成的热控设施来达到目的。中国科学院金属研究所于九十年代末研制出微型铠装加热器和铠装热敏电阻，其耐温为900℃，使用寿命为2年，首先应用于“资源一号”卫星1N、20N单组元肼推力器上，性能完全满足设计要求，随后广泛应用于低轨道对地观察卫星。

目前，由于无毒和比冲高，绿色单组元推力器得到迅速发展，正逐步取代单组元肼推力器。绿色单组元推力器工作温度可以达到1100℃，对维持推力器正常工作的热控设施提出更高要求，原有的铠装热敏电阻已经无法满足绿色单组元推力器的耐温需求。因此，为了满足我国航天任务的需要，突破绿色单组元推力器测温的技术瓶颈，亟需开展用于推力器热控的耐高温铠装铂电阻的研制，对提高我国卫星的在轨性能、机动能力、运行寿命和可靠性等具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温管式铠装铂电阻及其应用，耐高温铠装铂电阻应用于航天飞行器推进系统中单组元推力器上，其耐受温度高、使用寿命长；测温准确、高温绝缘性能好；整体铠装，易于安装使用。

本发明的技术方案是：

一种耐高温管式铠装铂电阻，包括元件保护组件、过渡引出组件、铠体、引出段及外引线，具体结构如下：

管式铠装铂电阻的元件保护组件由铂电阻元件、铂电阻过渡件和铂电阻保护管组成，铂电阻元件的一端设置铂电阻过渡件，铂电阻元件、铂电阻过渡件设置于铂电阻保护管中；采用与铂电阻元件引脚的同种材料的Pt丝作为铂电阻过渡线，并施以脉冲贮能点焊，保证铂电阻过渡线与铂电阻元件引脚间良好的冶金焊合形成过渡线焊点，过渡线焊点保护在铂电阻过渡件中；

两根铂电阻过渡线外分别穿装绝缘件一和绝缘件二，构成过渡引出组件；

管式铠装铂电阻的铠体包括铠帽和铠管，铠管为高温合金变径管，从铠管粗端将元件保护组件和过渡引出组件装入铠管，再将铠管的粗端与铠帽点焊在一起；在铠体与过渡引出组件的孔隙间填充绝缘件四，以保持过渡引出组件与铠体绝缘；

管式铠装铂电阻的外引线与铂电阻过渡线的连接采用氩气保护微弧焊接方式，将接头用绝缘件三包覆进行绝缘保护，采用固封胶与铠管细端和外引线一起固封在外套管中，构成引出段。

所述的耐高温管式铠装铂电阻，铂电阻元件为耐高温铂电阻元件，2B级，能承受900℃环境，采用薄膜或丝绕模式，其引脚为铂丝。

所述的耐高温管式铠装铂电阻，铂电阻保护管为石英管，铂电阻过渡件为双孔陶瓷管，铂电阻元件的两个引脚分别伸于双孔陶瓷管的双孔中。

所述的耐高温管式铠装铂电阻，将铂电阻元件、过渡线焊点和铂电阻过渡件放入一端封闭的铂电阻保护管中，用高温水泥封住铂电阻保护管端口，构成元件保护组件；两根铂电阻过渡线间保持距离，铂电阻元件通过铂电阻过渡线与外引线连接。

所述的耐高温管式铠装铂电阻，高温水泥的主要成分为三氧化二铝和硅溶胶，二者的质量比例为1：1～3。

所述的耐高温管式铠装铂电阻，绝缘件一为单孔陶瓷管，绝缘件二为聚酰亚胺套管，绝缘件三为聚四氟热缩套管，绝缘件四为氧化镁微粉。

所述的耐高温管式铠装铂电阻，铠管和铠帽的材料为变形能力好的镍基高温合金，外引线为聚酰亚胺膜绕包镀银铜导线，固封胶为耐高温环氧胶，外套管为不锈钢外套管。

所述的耐高温管式铠装铂电阻，铠管为利用模具经反复拉拔而成，铠管粗段外径3～5mm，铠管细段外径2～3mm，铠管壁厚0.1～0.2mm；铠帽采用厚度0.1～0.2mm的合金薄带经冲床加工而成，铠帽内径与铠管粗段外径一致，铠帽翻边的长度0.4～0.6mm；铠帽与铠管粗段采用储能点焊焊接在一起，焊点数为6～10个。

所述的耐高温管式铠装铂电阻，铂电阻过渡线与外引线采用氩气保护微弧焊时，将多股聚酰亚胺膜绕包镀银铜导线缠绕在铂电阻过渡线上，将多余的聚酰亚胺膜绕包镀银铜导线剪掉，在铂电阻过渡线的端头实施焊接，形成小熔球。

所述的耐高温管式铠装铂电阻的应用，管式铠装铂电阻应用于航天飞行器姿或轨控单组元推力器的热控装置中。

本发明具有如下优点及有益效果：

1.本发明选用一端封闭的石英管对铂电阻元件进行保护，对提高器件的耐温性能起到关键作用。在高温真空环境中，金属铠体材料的蒸气压较高，使铠体内部存在大量的金属原子，金属原子进入到铂电阻元件内部，与铂元素化合，形成铂合金，是造成铂电阻失效的根本原因。由于管式铠装铂电阻自身存在较大的温度分布，其工作段温度为1100℃，固封段温度为150℃。为此，采用一端封闭的石英管对铂电阻元件进行保护，石英管开口端的环境温度为600℃。一方面，石英材料本身具有很好的气密性，金属原子不能直接渗透石英管壁进入到铂电阻元件中；另一方面，石英管开口端的环境温度为600℃，金属铠体材料的蒸气压大大降低，金属原子的含量非常低，再有高温水泥的阻挡作用，不足以影响铂电阻元件的性能。正是由于石英管的保护作用，使能耐受900℃的铂电阻元件，铠装后能够耐受1100℃真空环境。

2.本发明采用薄壁变径高温合金管为铠体，从而保证本发明器件的耐热性和寿命。薄壁管材的低导热能力，可以有效减少微型热控器件从工作段向引出固封段、法兰盘安装处的传导热损和向环境的辐射热损。高温合金具有良好的抗高温氧化性能和耐热性能，在真空条件下可以长期耐受1100℃高温并保持一定的机械性能。以往铠装热敏电阻(设计使用寿命为2年)采用的是不锈钢铠体，器件经历全程试验后，热敏电阻元件外部的铠体已经严重受损，说明不锈钢材料已经不能保证铠体的可靠性。

3.本发明过渡线与外引线的连接采用氩气保护微弧焊工艺。利用微弧焊机实现多股铜线与镍铬丝的氩气保护熔焊，其优势在于：1)实现二者冶金融合，器件阻值更稳定；2)焊球尺寸可以控制，操作简便；3)焊点几乎不随使用时间的增加而变化，能够延长产品寿命和提高产品可靠性。

4.本发明外引线与过渡线接点采用聚四氟乙烯型热缩套管保护。以往铠装热敏电阻使用聚乙烯型热缩套管，二者相比较，聚乙烯型热缩套管的耐热性差，易破损。聚四氟乙烯型热缩套管在耐高温、耐腐蚀、机械强度等方面均优于聚乙烯型热缩套管。选择聚四氟乙烯型热缩套管，进一步提高器件的可靠性。

总之，本发明通过采用石英管保护铂电阻元件、高温合金铠体、聚四氟乙烯型热缩套管和氩气保护微弧焊工艺，显著提高器件的耐温性和使用寿命，能够满足新型绿色单组元推力器的需要。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明元件保护组件示意图。

图中，1铠帽；2铠管；3绝缘件一；4绝缘件四；5绝缘件二；6绝缘件三；7固封胶；8铂电阻保护管；9铂电阻元件；10铂电阻过渡件；11高温水泥；12外套管；13外引线；14铂电阻过渡线；15过渡线焊点。

具体实施方式

下面，通过附图和实施例对本发明进一步详细阐述。

如图1-图2所示，本发明中的耐高温管式铠装铂电阻，主要由元件保护组件、过渡引出组件、铠体、引出段及外引线等部分组合而成，其具体结构如下：

管式铠装铂电阻的元件保护组件由铂电阻元件9、铂电阻过渡件10(双孔陶瓷管)和铂电阻保护管8(石英管)组成，铂电阻元件9的一端设置铂电阻过渡件10，铂电阻元件9、铂电阻过渡件10设置于铂电阻保护管8中，铂电阻元件9的两个引脚分别伸于铂电阻过渡件10的双孔中。铂电阻元件为耐高温铂电阻元件，2B级，能承受900℃环境，可以采用薄膜或丝绕模式，其引脚为铂丝。使用前对铂电阻元件的外观、尺寸和冰点零功率电阻进行测量，铂电阻元件检验合格后，采用与其引脚的同种材料的Pt丝作为铂电阻过渡线14，并施以脉冲贮能点焊，保证铂电阻过渡线14与铂电阻元件9引脚间良好的冶金焊合形成过渡线焊点15，过渡线焊点15保护在铂电阻过渡件10中。将铂电阻元件9、过渡线焊点15和铂电阻过渡件10放入一端封闭的铂电阻保护管8中，用高温水泥11封住铂电阻保护管8端口，构成元件保护组件；注意两根铂电阻过渡线14间保持一定距离，铂电阻元件通过铂电阻过渡线14与外引线13连接。室温放置12小时，120℃下固化2小时，即完成元件保护组件的制备。两根铂电阻过渡线14外再分别穿装绝缘件一3(单孔陶瓷管)和绝缘件二5(聚酰亚胺套管)等绝缘保护材料，构成过渡引出组件，依据器件自身温度分布情况，选择多种绝缘材料，保证器件的绝缘性能和工艺的可实施性。

管式铠装铂电阻的铠体包括铠帽1和铠管2(高温合金变径管)，铠体材料为变形能力好的镍基高温合金；从铠管2粗端将元件保护组件和过渡引出组件装入铠管2，再将铠管2的粗端与铠帽1点焊在一起；在铠体与过渡引出组件的孔隙间填充绝缘件四4(氧化镁微粉)，以保持过渡引出组件与铠体绝缘，显著提高器件抗振动等力学性能。

管式铠装铂电阻的外引线13为聚酰亚胺膜绕包镀银铜导线，外引线13与铂电阻过渡线14的连接采用氩气保护微弧焊接方式，将接头用绝缘件三6(聚四氟热缩套管)包覆进行绝缘保护，采用固封胶7(耐高温环氧胶)与薄壁铠管2细端和外引线13一起固封在玻璃钢套管中，玻璃钢套管外再粘接一个不锈钢外套管12，构成引出段。

实施例

本实施例中，以5N空间推力器所需的铠装铂电阻为例。

选用德国贺利氏丝绕PT100铂电阻元件，其尺寸为Φ1.5×15mm，精度为2B级。首先对铂电阻元件的外观和尺寸进行检测，并测量其冰点电阻，保证元件为合格产品。

截取一段长70mm、直径Φ0.3mm的铂丝(退化态)为铂电阻过渡线，采用点焊工艺将铂电阻元件的引脚与铂电阻过渡线焊接在一起；用CNC划片机切割Φ2.8mm的双孔陶瓷管12mm，将焊点保护在双孔陶瓷管中；将铂电阻元件和双孔陶瓷管放入一端封口的铂电阻保护管中，铂电阻保护管的外径4mm、内径3mm、长29mm；将硅溶胶和三氧化二铝按质量比例2：1进行配制，充分搅拌并陈化24小时，形成高温水泥；用高温水泥封住铂电阻保护管的管口，室温放置12小时，120℃下固化2小时，完成元件保护组件的制备工作。

按设计图纸，采用线切割技术切变径铠管(粗段内径Φ4.5mm，细段内径Φ2.5mm)，粗段长30mm、细段长40mm，然后对铠管2进行去油、清洗；将元件保护组件与过渡引出组件从铠管的粗端装入变径铠管中；用冲压模具在冲床上把厚度为0.15mm的不锈钢带加工成铠帽(Φ4.8mm×0.5mm)，铠帽内径与铠管粗段外径一致，铠帽翻边的长度0.5mm，利用储能点焊机将铠帽与铠管焊接在一起，焊点8个，在铠管的内部空隙中充填氧化镁微粉。

采用弯管器将变径铠管细段弯成满足安装需要的形状，把铂电阻过渡线与外引线(长度600mm的聚酰亚胺包覆多股镀银铜导线)缠绕在一起，再利用氩气保护微弧焊工艺连接起来；连接点用聚四氟乙烯热缩套管保护，在两个连接点间夹聚酰亚胺薄膜；再利用环氧树脂胶在模具中，将接头固封在20mm长的玻璃钢套管中，玻璃钢套管外再粘接一个20mm的不锈钢套管。

5N耐高温铠装铂电阻制成后，测量其冰点电阻值为100.10Ω，常温绝缘大于250MΩ/250V D.C.。

真空中使用寿命考核条件为：

(1)持续高温试验：每次高温(900±20)℃条件下持续时间不小于2小时，累积50小时；

(2)温度交变试验：低温(250±20)℃←→高温(1100±20)℃，高低温各停留3分钟，每轮不少于10次，累积500次。器件经历以上考核，达到航天部门的技术指标。

实施例结果表明，本发明铠装铂电阻独立成件，便于安装，力学性能好。本发明应用于航天飞行器姿、轨控推进系统的热控，耐受温度为1100℃，使用寿命为3年，其测温性能、绝缘性能和装配性能均能满足航天部门的要求。

Claims (10)

1.一种耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，包括元件保护组件、过渡引出组件、铠体、引出段及外引线，具体结构如下：

管式铠装铂电阻的元件保护组件由铂电阻元件、铂电阻过渡件和铂电阻保护管组成，铂电阻元件的一端设置铂电阻过渡件，铂电阻元件、铂电阻过渡件设置于铂电阻保护管中；采用与铂电阻元件引脚的同种材料的Pt丝作为铂电阻过渡线，并施以脉冲贮能点焊，保证铂电阻过渡线与铂电阻元件引脚间良好的冶金焊合形成过渡线焊点，过渡线焊点保护在铂电阻过渡件中；

两根铂电阻过渡线外分别穿装绝缘件一和绝缘件二，构成过渡引出组件；

管式铠装铂电阻的铠体包括铠帽和铠管，铠管为高温合金变径管，从铠管粗端将元件保护组件和过渡引出组件装入铠管，再将铠管的粗端与铠帽点焊在一起；在铠体与过渡引出组件的孔隙间填充绝缘件四，以保持过渡引出组件与铠体绝缘；

管式铠装铂电阻的外引线与铂电阻过渡线的连接采用氩气保护微弧焊接方式，将接头用绝缘件三包覆进行绝缘保护，采用固封胶与铠管细端和外引线一起固封在外套管中，构成引出段。

2.按照权利要求1所述的耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，铂电阻元件为耐高温铂电阻元件，2B级，能承受900℃环境，采用薄膜或丝绕模式，其引脚为铂丝。

3.按照权利要求1所述的耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，铂电阻保护管为石英管，铂电阻过渡件为双孔陶瓷管，铂电阻元件的两个引脚分别伸于双孔陶瓷管的双孔中。

4.按照权利要求1所述的耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，将铂电阻元件、过渡线焊点和铂电阻过渡件放入一端封闭的铂电阻保护管中，用高温水泥封住铂电阻保护管端口，构成元件保护组件；两根铂电阻过渡线间保持距离，铂电阻元件通过铂电阻过渡线与外引线连接。

5.按照权利要求4所述的耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，高温水泥的主要成分为三氧化二铝和硅溶胶，二者的质量比例为1：1～3。

6.按照权利要求1所述的耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，绝缘件一为单孔陶瓷管，绝缘件二为聚酰亚胺套管，绝缘件三为聚四氟热缩套管，绝缘件四为氧化镁微粉。

7.按照权利要求1所述的耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，铠管和铠帽的材料为变形能力好的镍基高温合金，外引线为聚酰亚胺膜绕包镀银铜导线，固封胶为耐高温环氧胶，外套管为不锈钢外套管。

8.按照权利要求1所述的耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，铠管为利用模具经反复拉拔而成，铠管粗段外径3～5mm，铠管细段外径2～3mm，铠管壁厚0.1～0.2mm；铠帽采用厚度0.1～0.2mm的合金薄带经冲床加工而成，铠帽内径与铠管粗段外径一致，铠帽翻边的长度0.4～0.6mm；铠帽与铠管粗段采用储能点焊焊接在一起，焊点数为6～10个。

9.按照权利要求1所述的耐高温管式铠装铂电阻，其特征在于，铂电阻过渡线与外引线采用氩气保护微弧焊时，将多股聚酰亚胺膜绕包镀银铜导线缠绕在铂电阻过渡线上，将多余的聚酰亚胺膜绕包镀银铜导线剪掉，在铂电阻过渡线的端头实施焊接，形成小熔球。

10.一种权利要求1至9之一所述的耐高温管式铠装铂电阻的应用，其特征在于，管式铠装铂电阻应用于航天飞行器姿或轨控单组元推力器的热控装置中。