CN113458086A - 一种火箭发动机零件的清洗装置及清洗方法 - Google Patents

Abstract

一种火箭发动机零件的清洗装置，包括用于放置待清洗零件的箱体、用于使箱体内部处于真空环境的真空组件、用于清洗零件的等离子清洗组件以及用于向箱体内部泵入反应气体的反应气体泵组，所述箱体包括相连通的主腔室和副腔室，所述等离子清洗组件包括设于所述主腔室内用于电容耦合放电的第一极板和第二极板，以及设于所述副腔室内用于进行电感耦合放电的电感线圈。本发明还提供一种基于上述火箭发动机零件的清洗装置的火箭发动机零件的清洗方法。本发明能清洗火箭发动机零件的残留的污染物，清洗效率高的同时又避免了对零件的损伤。

Description

一种火箭发动机零件的清洗装置及清洗方法

技术领域

本发明涉及火箭发动机零件清洗技术领域，更具体地，涉及一种火箭发动机零件的清洗装置及清洗方法。

背景技术

液氧煤油火箭发动机是新一代可重复使用的液体火箭发动机。在发动机运行过程中，部分零件的表面会受到污染，主要污染物为残留的燃料(煤油)和积碳。及时清理零件表面污染物可以提高发动机重复使用的安全性和可靠性，大幅度延长发动机整机的使用寿命。对于精密复杂的发动机零件，其清洗处理需满足的条件为：1)无残留；2)零件表面无损伤；3)避免水腐蚀。目前我国主要采用氟利昂替代类物质(如HCFC类含氢氟氯化碳)进行发动机整机及其零部件表面清洗。但该方法成本高，而且由于材料相容性等问题无法处理积碳。传统的清洗技术(如机械清洗、水洗和化学清洗等)无法同时满足以上三个条件，故不适用于火箭发动机零件表面污染物的清洗。

等离子清洗技术是利用等离子体内各种高能粒子和自由基的活化作用，将附着在零件表面的碳氢化合物、碳/氧化物等污垢逐步活化分解，最终蒸发或者脱离零件表面的过程。只要合理控制等离子清洗参数，该技术完全满足火箭发动机零件的清洗要求。然而，现有的等离子清洗设备主要适用于半导体封装领域，设备昂贵、工艺复杂、操作繁琐，而且一般需要通入一定配比的混合气体和加热，成本较高。

公开号为CN106180079A的中国专利文献，公开了一种三氟化氮等离子清洗装置，包括壳体、电解仓和热触点，所述壳体左侧设有开口并与清洗仓外壳左端固定连接，所述清洗仓左侧设有开口并与仓盖通过螺纹连接，所述清洗仓腔体内侧壁粘贴条形电极板，并且清洗仓底部内壁和仓盖内壁粘贴圆形电极板，所述清洗仓外壳外部套装螺旋线圈，所述粒子加速器通过特制弧形管道与清洗仓右端连接，所述清洗仓右端通过导管与真空泵连接，所述真空泵固定安装在壳体内部并通过排气管与尾气处理装置连接，所述热触点与清洗仓内部支架固定连接，所述热触点和标定块均通过导线与电压表连接。

但上述方案通过电容耦合产生能量较大的等离子体，等离子体具有较大的速度，长时间对零件清洗时易损伤零件表面，不适用于高精度的火箭发动机零件的清洗。

发明内容

本发明的目的在于克服目前等离子清洗装置易损伤被清洗物表面的不足，提供一种火箭发动机零件的清洗装置及清洗方法，本发明能清洗火箭发动机零件的残留的污染物，清洗效率高的同时又避免了对零件的损伤。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种火箭发动机零件的清洗装置，包括用于放置待清洗零件的箱体、用于使箱体内部处于真空环境的真空组件、用于清洗零件的等离子清洗组件以及用于向箱体内部泵入反应气体的反应气体泵组，所述箱体包括相连通的主腔室和副腔室，所述等离子清洗组件包括设于所述主腔室内用于电容耦合放电的第一极板和第二极板，以及设于所述副腔室内用于进行电感耦合放电的电感线圈，所述主腔室和副腔室其中一个的侧壁上设有进气口，另一个的侧壁上设有出气口，所述真空组件连接于所述出气口上，所述反应气体泵组连接于所述进气口上。待清洗零件被放入所述主腔室内部后，所述真空组件先对箱体内部抽气，使得所述箱体内部达到一定的真空度后，所述等离子清洗组件对所述箱体内部通入反应气体。清洗的过程中，所述真空组件一边抽气，所述反应气体泵组一边泵入反应气体，使得箱体内部的工作气压维持在一定范围之内，并且清洗过程中因零件表面污染物氧化产生的二氧化碳会被所述真空组件抽出去，反应消耗的反应气体也会不断补充。然后所述主腔室内的第一极板和第二极板接通电源对反应气体电离，产生速度较大能量较高的等离子体，对零件表面进行初步快速清洗。待污染层较薄时，所述第一极板和第二极板断开电源，副腔室内的电感线圈接通电源，对反应气体电离，产生能量较低的等离子体，清洗残留的污染物。这样先利用功率较大的电容耦合电离石英清洗腔内的气体产生等离子体对零件进行清洗，快速高效地去除零件表面的大部分污染物，再利用功率较小的电感耦合电离气体产生等离子体，去除零件表面残留的污染物，这种分步的工作方式，不仅能高效快速的去除表面的污染物，做到不残留，且不会对零件表面造成损伤，使得零件的可靠性和安全性得到提高。

进一步的，所述第一极板和第二极板之间设有用于放置被清洗零件的样品台。所述第一极板和第二极板可以设置在所述主腔室相对的两个内侧壁上，也可以设置在所述主腔室内底部和顶部等等位置，均不影响本方案的实现，所述样品台可避免零件直接与所述第一极板或第二极板直接接触。

进一步的，所述样品台上设有用于调节样品台与所述第一极板之间距离的调节装置。这样，可根据样品的尺寸调节其与所述第一极板之间的距离。

进一步的，所述主腔室和副腔室为石英腔室。石英腔室为耐划伤的透明材料，能用来观察腔室内清洗的状况，且在长时间的等离子轰击下，内部表面不会出现划痕损伤，不会出现随着使用时间的增加石英腔室的清晰度降低的情况。

进一步的，所述第一极板和第二极板表面设有耐高温的绝缘层。所述绝缘层作为电容极板的介质阻挡，当极板间电压高于气体击穿电压时，会产生流注形式的微放电，电荷积累在所述绝缘层上，形成与极板相反的反向电场，熄灭放电，使生成的等离子体均匀性得到改善，其次所述绝缘层可以保护极板不被刻蚀，不会增加污染离子。所述绝缘层的材料可以是氧化铝、玻璃等等均不影响本方案的实现。

进一步的，所述绝缘层的厚度为1-2mm。当产生微电流时，电荷集中于绝缘层表面，形成一个反向电场，这个厚度可以较好的产生一个反向电场，消除放电现象；如果太厚，产生的反向电场强度不够，不能完全消除放电现象；如果过于薄，长时间的等离子轰击，会出现脱落的现象，导致失效。

进一步的，所述主腔室上设有腔盖。打开所述腔盖即可把零件放入或取出，所述腔盖上设有密封结构防止在抽真空或充入反应气体时漏气。

进一步的，所述等离子清洗组件包括用于给所述箱体内部通入反应气体的反应气体泵组，所述主腔室底部设有与所述真空组件相连的出气口，所述副腔室顶部设有与所述反应气体泵组相连的进气口。所述出气口用于所述真空组件在清洗前抽取所述主腔室和副腔室内的气体达到真空状态。所述进气口用于所述反应气体泵组对所述主腔室和副腔室内充入反应气体，以及用于清洗结束后打开腔盖前平衡腔室内压与大气压。清洗过程中所述出气口位于主腔室底部，所述进气口位于副腔室顶部，所述真空组件一边抽气所述反应气体泵组一边进气，此过程中气体会流动，反应气体的密度比空气小，这样保证足够多的反应气体能够进入主腔室，并且清洗过程产生的二氧化碳气体，可以较快的通过出气口去除。同时，反应气体的流动有助于等离子体的扩散。

一种火箭发动机零件的清洗方法，包括如下步骤：

S1：打开腔盖(5)，并把待清洗零件放置在样品台(8)上，调整样品与第一极板(4)之间的距离，关上腔盖(5)；

S2：打开清洗装置电源，开启真空组件对箱体内部进行抽真空，当真空度达到3Pa以下时，开启反应气体泵组，向箱体内部通入反应气体，反应气体泵组和真空组件持续工作，使箱体内部的工作气压维持在20～100Pa；

S3：启动等离子清洗组件，在控制装置上设定第一极板(4)和第二极板(9)的功率和工作时间以及电感线圈(2)的功率和工作时间；

S4：启动控制程序，控制装置先控制第一极板(4)和第二极板(8)接通电源并按设定的功率工作，第一极板(4)和第二极板(8)电离主腔室(7)中的气体产生等离子体，对样品进行清洗，待达到预设工作时间时，控制装置控制第一极板(4)和第二极板(8)断开电源；

S5：控制装置控制电感线圈(2)接通电源并按设定的功率工作，电感线圈(2)电离副腔室(1)中的气体产生等离子体，继续对样品进行清洗，待达到预设工作时间时，控制装置控制电感线圈(2)断开电源，清洗结束；

S6：关闭真空泵组，使主腔室(7)和副腔室(1)的气压恢复至大气压，取出样品，关闭腔盖(5)，关闭清洗装置电源。

进一步的，所述反应气体为氧气和氩气的混合气体。氧气和氩气作为反应气体，被电离之后，产生氧离子和氩离子，氧离子会与污染物碳发生化学反应，生产二氧化碳，加快污染物的去除。氩离子则通过物理机制，对污染物进行轰击，使其脱落，且氩离子易电离，可以提高与氧气的碰撞，增强等离子体。

进一步的，所述混合气体中氧气和氩气的比例为1:3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过所述第一极板和第二极板先产生速度较大能量较高的等离子体，对零件表面进行初步快速清洗，再通过电感线圈产生能量较低的等离子体，清洗残留的污染物。通过采用电容耦合和电感耦合分步工作的方式，以及控制主要的工艺参数，能够快速去除火箭发动机零件表面的污染物，如煤油和积碳等，做到不残留，且不会对零件表面造成损伤，使火箭发动机的零件可靠性及安全性得到了提高，有效提高火箭发动机零件的使用寿命。而且清洗装置结构简单，操作方便，维护便捷，成本低廉。

附图说明

图1为本发明火箭发动机零件的清洗装置的结构示意图。

图示标记说明如下：

1-副腔室，2-电感线圈，3-进气口，4-第一极板，5-腔盖，6-绝缘层，7-主腔室，8-样品台，9-第二极板，10-出气口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种火箭发动机零件的清洗装置，包括用于放置待清洗零件的箱体、用于使箱体内部处于真空环境的真空组件、用于清洗零件的等离子清洗组件以及用于向箱体内部泵入反应气体的反应气体泵组，所述箱体包括相连通的主腔室7和副腔室1，所述等离子清洗组件包括设于所述主腔室7内用于电容耦合放电的第一极板4和第二极板9，以及设于所述副腔室1内用于进行电感耦合放电的电感线圈2，所述主腔室7和副腔室1其中一个的侧壁上设有进气口3，另一个的侧壁上设有出气口10，所述真空组件连接于所述出气口10上，所述反应气体泵组连接于所述进气口3上。待清洗零件被放入所述主腔室7内部后，所述真空组件先对箱体内部抽气，使得所述箱体内部达到一定的真空度后，所述等离子清洗组件对所述箱体内部通入反应气体。清洗的过程中，所述真空组件一边抽气，所述反应气体泵组一边泵入反应气体，使得箱体内部的工作气压维持在一定范围之内，并且清洗过程中因零件表面污染物氧化产生的二氧化碳会被所述真空组件抽出去，反应消耗的反应气体也会不断补充。然后所述主腔室7内的第一极板4和第二极板9接通电源对反应气体电离，产生速度较大能量较高的等离子体，对零件表面进行初步快速清洗。待污染层较薄时，所述第一极板4和第二极板9断开电源，所述副腔室1内的电感线圈2接通电源，对反应气体电离，产生能量较低的等离子体，清洗残留的污染物。这样先利用功率较大的电容耦合电离石英清洗腔内的气体产生等离子体对零件进行清洗，快速高效地去除零件表面的大部分污染物，再利用功率较小的电感耦合电离气体产生等离子体，去除零件表面残留的污染物，这种分步的工作方式，不仅能高效快速的去除表面的污染物，做到不残留，且不会对零件表面造成损伤，使得零件的可靠性和安全性得到提高。

如图1所示，所述第一极板4和第二极板9之间设有用于放置被清洗零件的样品台8。所述第一极板4和第二极板9分别设置在所述主腔室7内底部和顶部，所述样品台8可避免零件直接与所述第一极板4或第二极板9直接接触。

如图1所示，所述样品台8上设有用于调节样品台8与所述第一极板4之间距离的调节装置。这样，可根据样品的尺寸调节其与所述第一极板4之间的距离。

如图1所示，所述主腔室7和副腔室1为石英腔室。石英腔室为耐划伤的透明材料，能用来观察腔室内清洗的状况，且在长时间的等离子轰击下，内部表面不会出现划痕损伤，不会出现随着使用时间的增加石英腔室的清晰度降低的情况。

如图1所示，所述第一极板4和第二极板9表面设有耐高温的绝缘层6。所述绝缘层6作为电容极板的介质阻挡，当极板间电压高于气体击穿电压时，会产生流注形式的微放电，电荷积累在所述绝缘层6上，形成与极板相反的反向电场，熄灭放电，使生成的等离子体均匀性得到改善，其次所述绝缘层6可以保护极板不被刻蚀，不会增加污染离子。本实施例中所述绝缘层6的材料为氧化铝。

如图1所示，所述绝缘层6的厚度为1mm。

如图1所示，所述主腔室4上设有腔盖5。打开所述腔盖5即可把零件放入或取出，所述腔盖5上设有密封结构防止在抽真空或充入反应气体时漏气。

如图1所示，所述等离子清洗组件包括用于给所述箱体内部通入反应气体的反应气体泵组，所述主腔室7底部设有与所述真空组件相连的出气口10，所述副腔室1顶部设有与所述反应气体泵组相连的进气口3。所述出气口10用于所述真空组件在清洗前抽取所述主腔室7和副腔室1内的气体达到真空状态。所述进气口3用于所述反应气体泵组对所述主腔室7和副腔室1内充入反应气体，以及用于清洗结束后打开腔盖5前平衡腔室内压与大气压。清洗过程中所述出气口10位于主腔室7底部，所述进气口3位于所述副腔室1顶部，所述真空组件一边抽气所述反应气体泵组一边进气，此过程中气体会流动，反应气体的密度比空气小，这样保证足够多的反应气体能够进入主腔室7，并且清洗过程产生的二氧化碳气体，可以较快的通过出气口10去除。同时，反应气体的流动有助于等离子体的扩散。

实施例2

本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中所述第一极板4和第二极板9设置在所述主腔室7内前侧壁和后侧壁上。所述绝缘层6的材料为玻璃，厚度为2mm。所述进气口与出气口分别位于所述主腔室和副腔室的侧壁上。

实施例3

本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中所述绝缘层6的厚度为1.5mm。

实施例4

一种火箭发动机零件的清洗方法，包括如下步骤：

S1：打开腔盖5，并把待清洗零件放置在样品台8上，调整样品与第一极板4之间的距离，关上腔盖5；

S2：打开清洗装置电源，开启真空组件对箱体内部进行抽真空，当真空度达到3Pa以下时，开启反应气体泵组，向箱体内部通入反应气体，反应气体泵组和真空组件持续工作，使箱体内部的工作气压维持在20～100Pa；

S3：启动等离子清洗组件，在控制装置上设定第一极板4和第二极板9的功率和工作时间以及电感线圈2的功率和工作时间；功率及工作时间根据零件的尺寸和脏污程度设定；

S4：启动控制程序，控制装置先控制第一极板4和第二极板8接通电源并按设定的功率工作，第一极板4和第二极板8电离主腔室7中的气体产生等离子体，对样品进行清洗，待达到预设工作时间时，控制装置控制第一极板4和第二极板8断开电源；

S5：控制装置控制电感线圈2接通电源并按设定的功率工作，电感线圈2电离副腔室1中的气体产生等离子体，继续对样品进行清洗，待达到预设工作时间时，控制装置控制电感线圈2断开电源，清洗结束；

S6：关闭真空泵组，使主腔室7和副腔室1的气压恢复至大气压，取出样品，关闭腔盖5，关闭清洗装置电源。

其中，所述反应气体为氧气和氩气的混合气体。氧气和氩气作为反应气体，被电离之后，产生氧离子和氩离子，氧离子会与污染物碳发生化学反应，生产二氧化碳，加快污染物的去除。氩离子则通过物理机制，对污染物进行轰击，使其脱落，且氩离子易电离，可以提高与氧气的碰撞，增强等离子体。所述混合气体中氧气和氩气的比例为1:3。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种火箭发动机零件的清洗装置，其特征在于，包括用于放置待清洗零件的箱体、用于使箱体内部处于真空环境的真空组件、用于清洗零件的等离子清洗组件以及用于向箱体内部泵入反应气体的反应气体泵组，所述箱体包括相连通的主腔室(7)和副腔室(1)，所述等离子清洗组件包括设于所述主腔室(7)内用于电容耦合放电的第一极板(4)和第二极板(9)，以及设于所述副腔室(1)内用于进行电感耦合放电的电感线圈(2)，所述主腔室(7)和副腔室(1)其中一个的侧壁上设有进气口(3)，另一个的侧壁上设有出气口(10)，所述真空组件连接于所述出气口(10)上，所述反应气体泵组连接于所述进气口(3)上。

2.根据权利要求1所述的火箭发动机零件的清洗装置，其特征在于，所述第一极板(4)和第二极板(9)之间设有用于放置被清洗零件的样品台(8)。

3.根据权利要求2所述的火箭发动机零件的清洗装置，其特征在于，所述样品台(8)上设有用于调节所述样品台(8)与所述第一极板(4)之间距离的调节装置。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的火箭发动机零件的清洗装置，其特征在于，所述主腔室(7)和副腔室(1)为石英腔室。

5.根据权利要求4所述的火箭发动机零件的清洗装置，其特征在于，所述第一极板(4)和第二极板(9)表面设有耐高温的绝缘层(6)。

6.根据权利要求5所述的火箭发动机零件的清洗装置，其特征在于，所述绝缘层(6)的厚度为1-2mm。

7.根据权利要求6所述的火箭发动机零件的清洗装置，其特征在于，所述主腔室(7)上设有腔盖(5)。

8.一种火箭发动机零件的清洗方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：打开腔盖(5)，并把待清洗零件放置在样品台(8)上，调整样品与第一极板(4)之间的距离，关上腔盖(5)；

S2：打开清洗装置电源，开启真空组件对箱体内部进行抽真空，当真空度达到3Pa以下时，开启反应气体泵组，向箱体内部通入反应气体，反应气体泵组和真空组件持续工作，使箱体内部的工作气压维持在20～100Pa；

S3：启动等离子清洗组件，在控制装置上设定第一极板(4)和第二极板(9)的功率和工作时间以及电感线圈(2)的功率和工作时间；

S4：启动控制程序，控制装置先控制第一极板(4)和第二极板(8)接通电源并按设定的功率工作，第一极板(4)和第二极板(8)电离主腔室(7)中的气体产生等离子体，对样品进行清洗，待达到预设工作时间时，控制装置控制第一极板(4)和第二极板(8)断开电源；

S5：控制装置控制电感线圈(2)接通电源并按设定的功率工作，电感线圈(2)电离副腔室(1)中的气体产生等离子体，继续对样品进行清洗，待达到预设工作时间时，控制装置控制电感线圈(2)断开电源，清洗结束；

S6：关闭真空泵组，使主腔室(7)和副腔室(1)的气压恢复至大气压，取出样品，关闭腔盖(5)，关闭清洗装置电源。

9.根据权利要求8所述的火箭发动机零件的清洗方法，其特征在于，所述反应气体为氧气和氩气的混合气体。

10.根据权利要求9所述的火箭发动机零件的清洗方法，其特征在于，所述混合气体中氧气和氩气的比例为1:3。

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