一种空心阴极加热丝三维引出结构

1.本发明属于航天电推进技术领域，特别涉及到空心阴极的加热丝的引出结构。


背景技术：

2.随着商业航天及各种卫星的发展，霍尔推力器因其具有结构简单、体积小、总冲高、推功比大的优点，成为在轨应用数量最多的电推进装置。霍尔推力器需要使用一个空心阴极作为电子源与中和器，这是霍尔推力器的核心部件之一。长寿命和高可靠性是现阶段空心阴极主要的发展方向。目前的空心阴极的启动大都利用欧姆效应以恒定电流对加热丝通电，将发射体从常温加热到1600℃，因此需要在单位长度的发射体上有尽可能多的加热功率，因此空心阴极加热丝的连接方式对空心阴极的影响非常大。
3.由欧姆定律：恒定电流下，电阻越大的地方加热效果越明显，所以在使用中希望加热丝电阻需要尽可能大，而其他导线处需要电阻尽可能小。加热丝电阻大的结果是加热功率大，但是加热功率大的同时也容易导致加热丝本身的熔断失效，因此，在不需要加热的导电部分减小电阻不仅仅是加热效率的要求，还是延长寿命的要求。
4.在目前的加热丝连接方法中，为了减小导线的无用电阻，通常采用的是将加热丝末端连接一根更粗的其他材质的耐高温导电金属丝，但是这种办法会大多使得加热丝出现一个直角转折或部分加热丝悬空又或者两中情况同时存在。直角转折会造成强烈的应力集中，使得该部位成为薄弱部位；部分加热丝悬空不仅会造成体系抗震动能力下降，还会因为加热丝的悬空部分与导热陶瓷没有接触，导致加热丝与导热陶瓷之间的热量传递只能以热辐射的方式进行，传热效果不及热传导，导致加热丝本身承担了过多的加热功率，温度升高，发生熔断。
5.由于空心阴极内工作温度达到了1600℃，因此加热丝大多采用的是钨丝或者铼钨合金丝等耐高温金属丝，这为加热丝的连接带来了极大的困难，不能使用相对稳定可靠的焊接方式，更不能使用焊锡连接，在加热丝和导电引出金属丝连接的时候只能将两个圆柱侧面贴在一起形成，形成线接触，为了减小接触电阻，必须要增加该接触的长度，减小接触电阻，减小无效功率，并且在接触电阻很大的时候，还容易在连接处由于温度过高烧坏连接处，造成加热电路断路。
6.因此，需要找到一种可以避免加热丝悬空，避免加热丝出现弯折的应力集中，在有限的空间内具有更大加热丝与导电粗丝接触面积和更小的接触电阻，并且保证其具有一定的抗震动性能的连接方式。
7.要尽可能的降低导电部分的无用电阻，cn 112543522 a所述的加热装置部分解决了这个问题，但是其中加热丝需要完成一个存在一个近乎直角的转折，这将会造成强烈的应力集中，成为加热丝的薄弱部位。而在cn 110335794a中所述的冷端引出方法仍然需要让加热丝在空间上弯折一个角度，并且还会使得一部分加热丝悬空，这不仅会造成体系抗震动能力下降，还会因为加热丝的悬空部分与导热陶瓷没有接触，导致加热丝与导热陶瓷之间的热量传递只能以热辐射的方式进行，传热效果不及热传导，导致加热丝本身承担了过
多的加热功率，温度升高，发生熔断。该方案中加热丝与引出的导电金属丝之间的接触只是直线接触，并且由于连接方式的影响，加热丝和引出导电引出丝连接段长度不能无线延长，极限情况下不能超过空心阴极的长度。此外在该专利中提到的三根引出丝并没有轴向固定，在震动剧烈的恶劣情况下三根金属丝和夹在其中的加热丝可能发生错位，加热丝本身导致最终导电效果不理想甚至会发生断路。在上述两个专利当中，整个引出结构里也没有导热陶瓷和引出丝位置的相对位置的固定，这使得同时与导热陶瓷和引出丝接触的加热丝非常危险，一旦导热陶瓷和引出丝两者之间相对位置发生变化，加热丝就会发生形变，久而久之造成疲劳损伤，在有加热丝存在悬空部分的时候更为明显，并且加热丝大多采用钨丝，钨丝受热后韧性下降，变得更加脆弱，因此需要一种新的空心阴极加热丝引出方式。


技术实现要素：

8.空心阴极的加热器当中加热丝悬空、加热丝转折应力集中、加热丝与引出的导电丝的接触长度小接触电阻大、引出结构整体的稳定性差等问题亟待解决。
9.本发明提供了一种新的空心阴极加热丝三维引出结构，由导热陶瓷(2)、加热丝(1)、导电引出丝(5)、导电限位丝(7)以及绝缘限位套管(6)组成。图1中空心阴极发射体(3)和空心阴极阴极管(4)为空心阴极本身的组件，其形状并无限制，图1中给出的空心阴极发射体(3)和空心阴极阴极管(4)仅仅是经典构型中的一种，即空心阴极发射体固定于空心阴极阴极管内部顶端。导热陶瓷固定在空心阴极阴极管外侧，其轴向应完全覆盖空心阴极发射体的轴向以满足加热效果，加热丝缠绕在导热陶瓷上的螺旋槽中，加热丝的一端与阴极管相连作为加热丝的负极接电，另一端需要正极接电作为引出端，与导电引出丝相连，加热丝细密缠绕在导电引出丝其中一根的导电引出丝直段上数匝，缠绕了加热丝的导电引出丝圆环部分可以卡在导热陶瓷末端，加热丝在导电引出丝圆环区围绕导电引出丝的圆环部分螺旋缠绕一周，绝缘限位套管套在导电引出丝直段上，导电引出丝直段两根金属丝分别位于导电限位丝鳍部的左右两边，穿过导电限位丝的左右两个限位孔，导电限位丝前端插入绝缘限位套管。
10.导电引出丝(5)是一根三维空间曲线结构的金属丝，分为导电引出丝圆环部分(5-1)和导电引出丝直段(5-1)；其中导电引出丝圆环部分圆环所在平面与直段相垂直，导电引出丝直段有两根。导电引出丝的基本功能是导电、减小非加热段的电阻，得益于其三维构型使其能够利用除了一维轴向以外的空心阴极内部空间，可以不受空心阴极内部长度的限制下有效增加加热丝和导电引出丝的接触长度，减小接触电阻。
11.导电限位丝(7)是一根三维空间曲线结构的金属丝，分为导电限位丝前端(7-1)、鳍部(7-2)、连接段(7-5)、限位孔(7-3)和导电限位丝接电端(7-4)四个部分。导电限位丝是一整根金属丝，导电限位丝前端为直线形状，在导电限位丝后金属丝隆起，在导电限位丝前端所在平面上(有无数平面，任意一个平面都可以)经过三次直角弯折后形成缺少一边的矩形，该结构为鳍部，在鳍部后为限位孔，之间连接段为直线形状，在空间上与导电限位丝前端在一根直线上，用于调节两者之间的距离，限位孔位于与导电限位丝前端垂直的平面上，金属丝经过一次直角弯折后来到此平面，随后在该平面上弯折成一个∞形状，其左右两个圆形即为限位孔，两圆相切处切点即为弯折起始位置，同时也为弯折结束位置，两个圆心之间的连线与导电限位丝前端所在直线所在的平面与鳍部所在平面垂直，在经过一次直角弯
折后即可再次与导电限位丝前端位于同一直线上，该段为导电限位丝接电端。导电限位丝基本功能是导电，得益于其在导电限位丝前端所在平面内隆起的鳍部和与导电限位丝前端和鳍部所在平面垂直的限位孔这样的三维结构，使其可以对整个引出结构加以固定。
12.加热丝细密缠绕在导电引出丝其中一根的导电引出丝直段上数匝，使得加热丝末端与导电引出丝连接固定。加热丝在导电引出丝圆环区围绕导电引出丝的圆环部分螺旋缠绕一周，螺旋缠绕越细密越好，借助三维构型的导电引出丝形成了加热丝引出的三维构型，能够在不用延长加热丝和引出导电引出丝连接段的情况下增加了一段加热丝与引出导电引出丝的接触，破除了空心阴极内部空间轴向长度的一维限制，减小了接触电阻。
13.要求导电引出丝圆环区的内径比需要配合的导热陶瓷外径稍大，使得缠绕了加热丝的导电引出丝圆环部分可以卡在导热陶瓷末端的固定槽中，在绝缘限位套管套上之后可以收紧导电引出丝的圆环部分，使其紧紧卡在导热陶瓷末端的固定槽中，完成导电引出丝和导热陶瓷的固定，强化结构的抗震性能。随后的加热丝部分就在导热陶瓷上缠绕，这样既保证了加热丝的所有部分都紧贴着导热陶瓷表面或者导电引出丝表面或者两者兼而有之，没有加热丝任何部分的悬空，又使得加热丝没有可以产生强烈应力集中的转折角度，因此就保证了加热丝的传热效果，也延长了加热丝的寿命。
14.导电引出丝直段上套有绝缘限位套管，导电引出丝直段有两根，这两根分别位于导电限位丝鳍部的左右两边穿过导电限位丝的左右两个限位孔，导电限位丝前端插入绝缘限位套管。鳍部将导电引出丝间距扩张，使其紧贴在绝缘限位套管内壁面形成摩擦力，完成绝缘限位管的固定；限位孔固定两根导电引出丝在鳍部的距离，使得两根导电引出丝紧靠在鳍部上形成摩擦力，完成导电限位丝的固定；而对于导电引出丝的固定和绝缘限位管的固定也使得导电引出丝与绝缘限位管的相对位置固定，让绝缘限位管对导电引出丝圆环段的收紧作用更加稳定，进而使得导电引出丝与导热陶瓷的连接更加稳定，在整套连接稳定的体系下，缠绕在其上的加热丝就会避免因结构件之间的震动而发生疲劳损伤。与此同时引出了三根导电引出丝、减小了无用电阻的同时强化了抗震性能，防止连接错位。
15.绝缘限位套管为细长圆筒形结构，其内径为1.5-1.7倍导电限位丝的直径，圆筒1-2mm壁厚。
16.导热陶瓷为一圆筒形结构，其上有螺旋凹槽(2-2)用以缠绕加热丝，在螺旋槽一端有一个轴线沿导热陶瓷径向的圆孔，为穿丝孔(2-1)。在导热陶瓷的另一端有一个围绕导热陶瓷外壁的环形槽，为固定槽(2-3)。
17.空心阴极发射体为一圆筒形结构，其外径略小于空心阴极阴极管，壁厚2-3mm。
18.空心阴极阴极管为一带有顶盖的圆筒形结构，顶盖中心具有开孔。
19.值得注意的是，空心阴极发射体(3)和空心阴极阴极管(4)为空心阴极本身的组件，本发明所述的引出结构对于其形状并无要求和限制，可以配合多种形状的空心阴极发射体和空心阴极阴极管，图1中给出的空心阴极发射体(3)和空心阴极阴极管(4)仅仅是经典构型中的一种，即空心阴极发射体固定于空心阴极阴极管内部顶端。
20.本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
21.解决了加热丝存在悬空部分的问题，防止传热恶化导致的即热式断裂；杜绝了加热丝连接部分的应力集中，延长了空心阴极加热丝的寿命；在有限的空间内有效利用空间增大了加热丝与导电引出丝的接触面积，减小了接触电阻；引出结构整体更加具有稳定性
和抗震性。
附图说明
22.图1为引出结构总体剖视图。
23.图2为导电引出丝-导电限位丝-绝缘限位套管装配示意图。
24.图3为导电引出丝结构图。
25.图4为导电引出丝-加热丝配合局部图。
26.图5为导电引出丝-加热丝总体配合图。
27.图6为导电限位丝结构图。
28.图7为导热陶瓷结构图
29.附图标号说明如下：
30.1：加热丝2：导热陶瓷3：空心阴极发射体
31.4：空心阴极阴极管5：导电引出丝6：绝缘限位套管
32.7：导电限位丝
33.2-1：穿丝孔2-2螺旋凹槽2-3固定槽
34.5-1：导电引出丝圆环部分5-2：导电引出丝直段
35.7-1：导电限位丝前端7-2：鳍部7-3：限位孔
36.7-4：导电限位丝接电端7-5：连接段
具体实施方式
37.接下来将给出应用中采用的一些优选和次选方案：
38.所述加热丝常常采用钨丝，也可以使用铼钨丝或者镍铬合金等常见加热丝材料，其直径为0.2-0.4mm，对于不同的加热丝材料，其直径一般不同，加热功率等于加热电流的平方乘以加热丝电阻，需要保证在加热功率满足空心阴极点火条件的前提下，根据电源的工作电流决定加热丝的电阻，而加热丝长度由导热陶瓷直接决定，在不更换导热陶瓷的前提下加热丝长度是一致的，进而就可以确定加热丝的直径。
39.所述导电引出丝和导电限位丝采用钼丝，其直径为0.5-1mm，在满足空心阴极内部空间限制的前提下越粗越好，其材质也可以采用钽其他耐高温金属。
40.所述导电引出丝圆环部分的直径应稍大于导热陶瓷外径，使其缠绕加热丝后能够与所用的导热陶瓷的固定槽形成过盈配合，能够卡在导热陶瓷的固定槽上。
41.所述导热陶瓷的螺旋槽直径应该等于或者稍大于加热丝直径，其穿丝孔直径应该稍大于加热丝直径。
42.所述导电引出丝优选的，可以使用一根金属丝弯折而成，若工艺较差，次选的，则可以采用焊接等其他工艺将几部分连接在一起形成一根导电限位丝。
43.所述导电限位丝有鳍部和限位孔两个特殊结构，优选的，导电限位丝可以采用一根金属丝弯折而成，若工艺较差，次选的，则可以采用焊接等其他工艺将几部分连接在一起形成一根导电限位丝。
44.所述导电限位丝上鳍部与限位孔两部分不应相距过远，0.5cm到1.5cm即可，超过2cm会使得固定摩擦力较小，难以完成固定任务，使得整体结构松散。
45.绝缘限位套管为细长圆筒形结构，其内径为1.5-1.7倍导电限位丝的直径，圆筒1-2mm壁厚。
46.本文接下来将从装配的过程来讲解该结构的一种实现形式：
47.第一步：加热丝细密缠绕在导电引出丝其中一根的直段上5-6匝，使得加热丝末端与导电引出丝连接固定；第二步：加热丝在导电引出丝圆环区围绕导电引出丝的圆环部分螺旋缠绕一周，螺旋缠绕尽可能细密；第三步：将缠有加热丝的导电引出丝圆环区卡在导热陶瓷末端的固定槽中；第四步：在导电引出丝直段套上绝缘限位套管，尽可能收紧导电引出丝圆环部分，使其紧紧卡在导热陶瓷末端的限位槽；第五步：将导电引出丝直段两根分别位于导电限位丝鳍部的左右两边穿过导电限位丝的左右两个限位孔；第六步：导电限位丝前端插入绝缘限位套管；第七步：加热丝在导热陶瓷上缠绕；第八步：将加热丝穿过穿丝孔，至此，加热陶瓷-导电引出丝-导电限位丝-绝缘限位套管装配体装配完成，接下来的步骤是将加热陶瓷-导电引出丝-导电限位丝-绝缘限位套管装配体安装在空心阴极中。第一步：将导热陶瓷-导电引出丝-导电限位丝-绝缘限位套管装配体中的加热陶瓷固定在阴极管上，两者之间固定；第二步：将加热丝末端与空心阴极阴极管接触，可以采用焊接的方式也可以采用加热丝末端与空心阴极阴极管缠绕的方式。这样一套无用电阻小、稳定、高效利用空间、能够较好保护加热丝的引出结构就应用在了空心阴极上。
48.值得注意的是，空心阴极发射体为一圆筒形结构，其外径略小于空心阴极阴极管，壁厚2-3mm。空心阴极阴极管为一带有顶盖的圆筒形结构，顶盖中心具有开孔。空心阴极发射体(3)和空心阴极阴极管(4)为空心阴极本身的组件，本发明所述的引出结构对于其形状并无要求和限制，可以配合多种形状的空心阴极发射体和空心阴极阴极管，图1中给出的空心阴极发射体(3)和空心阴极阴极管(4)仅仅是经典构型中的一种，即空心阴极发射体固定于空心阴极阴极管内部顶端。
49.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：由导热陶瓷、加热丝、导电引出丝、导电限位丝以及绝缘限位套管组成；同时，空心阴极本身组件包括空心阴极发射体和空心阴极阴极管，形状并无限制；导热陶瓷固定在空心阴极阴极管外侧，其轴向应完全覆盖空心阴极发射体的轴向以满足加热效果，加热丝缠绕在导热陶瓷上的螺旋槽中，加热丝的一端与空心阴极阴极管相连作为加热丝的负极接电，另一端需要正极接电作为引出端，与导电引出丝相连，加热丝细密缠绕在导电引出丝其中一根的导电引出丝直段上数匝，缠绕了加热丝的导电引出丝圆环部分卡在导热陶瓷末端，加热丝在导电引出丝圆环区围绕导电引出丝的圆环部分螺旋缠绕一周，绝缘限位套管套在导电引出丝直段上，导电引出丝直段两根金属丝分别位于导电限位丝鳍部的左右两边，穿过导电限位丝的左右两个限位孔，导电限位丝前端插入绝缘限位套管。2.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：空心阴极发射体固定于空心阴极阴极管内部顶端，空心阴极发射体为一圆筒形结构，外径小于空心阴极阴极管；空心阴极阴极管为一带有顶盖的圆筒形结构，顶盖中心具有开孔。3.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：导电引出丝是一根三维空间曲线结构的金属丝，分为导电引出丝圆环部分和导电引出丝直段；其中，导电引出丝圆环部分圆环所在平面与直段相垂直，导电引出丝直段有两根。4.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：导电限位丝是一根三维空间曲线结构的金属丝，分为导电限位丝前端、鳍部、连接段、限位孔和导电限位丝接电端四个部分；导电限位丝是一整根金属丝，导电限位丝前端为直线形状，在导电限位丝后金属丝隆起，在导电限位丝前端所在平面上经过三次直角弯折后形成缺少一边的矩形，该结构为鳍部，在鳍部后为限位孔，之间连接段为直线形状，在空间上与导电限位丝前端在一根直线上，用于调节两者之间的距离，限位孔位于与导电限位丝前端垂直的平面上，金属丝经过一次直角弯折后来到此平面，随后在该平面上弯折成一个∞形状，左右两个圆形即为限位孔，两圆相切处切点即为弯折起始位置，同时也为弯折结束位置，两个圆心之间的连线与导电限位丝前端所在直线所在的平面与鳍部所在平面垂直，在经过一次直角弯折后即再次与导电限位丝前端位于同一直线上，该段为导电限位丝接电端。5.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：加热丝细密缠绕在导电引出丝其中一根的导电引出丝直段上数匝，使得加热丝末端与导电引出丝连接固定；加热丝在导电引出丝圆环区围绕导电引出丝的圆环部分螺旋缠绕一周，螺旋缠绕越细密越好，借助三维构型的导电引出丝形成了加热丝引出的三维构型，能够在不用延长加热丝和引出导电引出丝连接段的情况下增加了一段加热丝与引出导电引出丝的接触，减小了接触电阻。6.根据权利要求1或3或5所述的一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：导电引出丝圆环区的内径比需要配合的导热陶瓷外径大，使得缠绕了加热丝的导电引出丝圆环部分卡在导热陶瓷末端的固定槽中，在绝缘限位套管套上之后收紧导电引出丝的圆环部分，使其紧紧卡在导热陶瓷末端的固定槽中，完成导电引出丝和导热陶瓷的固定，强化结构的抗震性能。7.根据权利要求6所述的一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：导电引出丝直段上套有绝缘限位套管，导电引出丝直段有两根，分别位于导电限位丝鳍部的左右两边
穿过导电限位丝的左右两个限位孔，导电限位丝前端插入绝缘限位套管；鳍部将导电引出丝间距扩张，使其紧贴在绝缘限位套管内壁面形成摩擦力，完成绝缘限位管的固定；限位孔固定两根导电引出丝在鳍部的距离，使得两根导电引出丝紧靠在鳍部上形成摩擦力，完成导电限位丝的固定；对于导电引出丝的固定和绝缘限位管的固定也使得导电引出丝与绝缘限位管的相对位置固定，让绝缘限位管对导电引出丝圆环段的收紧作用更加稳定，使得导电引出丝与导热陶瓷的连接更加稳定。8.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：绝缘限位套管为细长圆筒形结构，其内径为1.5-1.7倍导电限位丝的直径，圆筒1-2mm壁厚。9.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝三维引出结构，其特征在于：导热陶瓷为一圆筒形结构，其上有螺旋凹槽用以缠绕加热丝，在螺旋槽一端有一个轴线沿导热陶瓷径向的圆孔，为穿丝孔；在导热陶瓷的另一端有一个围绕导热陶瓷外壁的环形槽，为固定槽。10.一种根据权利要求1所述的空心阴极加热丝三维引出结构的实现方法，其特征在于：首先，需要完成加热陶瓷-导电引出丝-导电限位丝-绝缘限位套管装配体装配，具体为：第一步：加热丝细密缠绕在导电引出丝其中一根的直段上5-6匝，使得加热丝末端与导电引出丝连接固定；第二步：加热丝在导电引出丝圆环区围绕导电引出丝的圆环部分螺旋缠绕一周，螺旋细密缠绕；第三步：将缠有加热丝的导电引出丝圆环区卡在导热陶瓷末端的固定槽中；第四步：在导电引出丝直段套上绝缘限位套管，收紧导电引出丝圆环部分，使其紧紧卡在导热陶瓷末端的限位槽；第五步：将导电引出丝直段两根分别位于导电限位丝鳍部的左右两边穿过导电限位丝的左右两个限位孔；第六步：导电限位丝前端插入绝缘限位套管；第七步：加热丝在导热陶瓷上缠绕；第八步：将加热丝穿过穿丝孔，至此完成；接着将加热陶瓷-导电引出丝-导电限位丝-绝缘限位套管装配体安装在空心阴极中；具体为：步骤一：将导热陶瓷-导电引出丝-导电限位丝-绝缘限位套管装配体中的加热陶瓷固定在阴极管上，两者之间固定；步骤二：将加热丝末端与空心阴极阴极管接触，采用焊接的方式或者采用加热丝末端与空心阴极阴极管缠绕的方式。

技术总结
本发明提出一种空心阴极加热丝三维引出结构，由导热陶瓷、加热丝、导电引出丝、导电限位丝以及绝缘限位套管组成；空心阴极本身组件包括空心阴极发射体和空心阴极阴极管；导热陶瓷固定在空心阴极阴极管外侧，加热丝缠绕在导热陶瓷上的螺旋槽中，加热丝的一端与空心阴极阴极管相连作为负极接电，另一端正极接电，与导电引出丝相连，加热丝细密缠绕在导电引出丝直段上数匝，导电引出丝圆环部分卡在导热陶瓷末端，加热丝在导电引出丝圆环区围绕导电引出丝的圆环部分螺旋缠绕一周，绝缘限位套管套在导电引出丝直段上，导电引出丝直段两根金属丝分别位于导电限位丝鳍部的左右两边，穿过导电限位丝的左右两个限位孔，导电限位丝前端插入绝缘限位套管。绝缘限位套管。绝缘限位套管。


技术研发人员：王伟宗 柳然 刘伟 李亦非 薛舒文
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.01.16
技术公布日：2023/5/16