內置式多孔加熱器制造技術

本發明專利技術公開了一種內置式多孔加熱器。該加熱器由條形螺旋狀發熱體往復穿繞在發熱體骨架中制成一體化發熱芯；所述發熱體骨架是用七根多孔氮化硼管密排構成；一體化發熱芯和過渡引出組件封裝在鎧裝殼體中并保持與殼體絕緣；發熱體通過過渡線與外引線連接，過渡線與外引線的接頭絕緣保護，并將接頭、變徑管細段末端及外引線固封在引出段內，實現了加熱元件與推力室集成化。本發明專利技術應用于航天飛行器姿、軌控推進系統的熱控，電熱推力器所用推進劑介質從內置式多孔加熱器中通過，直接與網狀多孔電熱材料接觸被迅速加熱，一體化發熱芯的熱交換率高，功率密度低。內置式多孔加熱器的電熱性能、絕緣性能和裝配性能均能滿足航天部門的要求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及航天飛行器推進系統中電熱推力器內部的加熱元件，具體地說是一種安置在推力器內部的內置式多孔加熱器，當推進劑介質通過加熱器中的網狀多孔電熱材料時能被迅速加熱。
技術介紹
推力器是保持或改變航天飛行器運行軌道和運動姿態的推進系統執行機構。電熱推力器的加熱元件一方面可以提升推進劑的溫度以提高推力器的比沖，從而提高推力器的效率；另一方面，有些推進劑可以在推力器中直接被電熱后分解，免用催化劑，從而提高推力器的可靠性。因此，在國際上，無論是軍用衛星還是商用衛星，電熱推力器在微型推進系統中都得到了廣泛的應用；在我國，電熱推力器還處在研制階段。電熱推力器中的加熱元件是其關鍵部件。英國SSTL公司研制的一種電熱推力器用于軌道提升，其所采用加熱器的發熱體為鎳鉻絲，可以把推進劑介質加熱到1000K，但功率達到100W，體積也較大，不能滿足小型電熱推力器的需要。SSTL公司還對碳材料的整體加熱器的加熱性能進行了試驗，當功率為30W時，可以將O. 09克/秒的推進劑Xe從常溫加熱到210°C，但其耐熱溫度僅為600°C。本專利技術中的內置式多孔加熱器，當功率為20W時，力口熱器的中心溫度能達到700°C，并具有體積小，加熱面積大，加熱效率高等優點，能滿足小型低功率電熱推力器的要求。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供一種應用于航天飛行器推進系統中電熱推力器上的內置式多孔加熱器，該加熱器熱交換面積大，功率密度低，體積小、絕緣和密封性能好；加熱元件內置并實現了與推力室集成化。本專利技術的技術方案是一種內置式多孔加熱器，包括一體化發熱芯、鎧裝殼體、過渡引出組件、引出段和外引線；所述一體化發熱芯包括發熱體和發熱體骨架；發熱體為條形螺旋狀，其材質為網狀多孔鎳鉻合金或網狀多孔鎳鉻鋁合金，發熱體骨架由七根氮化硼管經密排而成，所述密排具體為六根周邊氮化硼管以一根中心氮化硼管為中心對稱排布；中心氮化硼管管內軸向放置隔片，周邊氮化硼管的兩端開有槽口，發熱體經槽口依次往復穿裝入周邊氮化硼管；氮化硼管間以無機膠固定；所述鎧裝殼體包括不銹鋼圓筒、法蘭盤和變徑管，不銹鋼圓筒和變徑管通過法蘭盤焊接在一起，一體化發熱芯封裝在不銹鋼圓筒中，法蘭盤中心留有過渡線的引出孔；所述過渡引出組件包括過渡線和復合組成的絕緣材料部件，過渡線為多股鎳鉻合金絲，其截面積為發熱體真實截面積的4 5倍；復合組成的絕緣材料部件包括雙孔氮化硼圓片、石英管、無機膠和氧化鎂微粉；雙孔氮化硼圓片利用無機膠粘接在一體化發熱芯與法蘭盤之間，過渡線其一端與發熱體兩端相連后從中心多孔氮化硼管中隔片兩側引出(以保證兩根過渡線之間絕緣)，然后經雙孔氮化硼圓片上的兩個孔進入變徑管中，過渡線引出變徑管后與外引線相連，變徑管中的過渡線外套石英管，變徑管中充填無機膠和氧化鎂微粉；兩根過渡線經雙孔氮化硼圓片上的兩個孔引出，以保證發熱體與鎧體的絕緣。過渡線與外引線連接點用熱縮套管包覆后，采用耐高溫環氧膠將其與變徑管末端一起固封在不銹鋼管中，構成引出段；所述過渡線為多股鎳鉻絲(鎳的質量百分含量80%，鉻的質量百分含量20% )，所述外引線為多股鍍銀銅導線(聚酰亞胺膜繞包)。所述發熱體是由相互連通的中空薄壁金屬棱構成三維網狀多孔結構，其孔隙相互連通、分布均勻；孔隙率為90 98%，孔徑尺寸為90 110PPI ;所述網狀多孔鎳鉻合金中鉻的質量百分含量為18 35% ;所述網狀多孔鎳鉻鋁合金中鉻的質量百分含量為18 35%，鋁的質量百分含量為2 10%。所述發熱體是將泡沫鎳板加工為條形螺旋狀的泡沫鎳后，對條形螺旋狀的泡沫鎳采用固相滲鉻法滲鉻后進行真空熱處理，獲得網狀多孔鎳鉻合金；或者將條形螺旋狀的泡沫鎳采用固相滲鉻、再滲鋁后進行真空熱處理，獲得網狀多孔鎳鉻鋁合金。所述氮化硼管是利用激光打孔技術在每根氮化硼管壁上制成均勻密集的孔洞，管兩端開槽制成；氮化硼管的兩端開槽口，用以安裝和固定發熱體。所述氮化硼管其孔洞在管的圓周上均勻分布，相鄰二排孔洞間隔排列，即某一個孔洞的圓心在鄰排兩孔洞圓心連線的垂直平分線上；孔洞總面積大于管壁面積的50% ；所述周邊氮化硼管的內徑為3 5mm,壁厚為O. 2 O. 5mm,長度為10 15mm ;所述中心氮化硼管其長度為周邊氮化硼管的五分之四到二分之一之間，其厚度為周邊氮化硼管的一倍到二倍之間，其內徑與周邊氮化硼管相同；所述隔片為條形氮化硼，其長度和厚度分別與中心氮化硼管的長度和壁厚相同，其寬度與中心氮化硼管的內徑相同；所述變徑管由薄壁變徑管和薄壁管組成，薄壁變徑管和薄壁管通過連接環焊接在一起；所述石英管為粗單孔石英管和細單孔石英管，過渡線在薄壁管中的部分外套粗單孔石英管，過渡線在薄壁變徑管中的部分外套細單孔石英管；薄壁管中充填無機膠，薄壁變徑管中充填氧化鎂微粉。所述過渡線固定在薄壁管中后，將過渡線在對折點處切斷，每根過渡線拆分為兩股過渡線；把連接環套在薄壁管與薄壁變徑管的對接處，對連接環與薄壁管搭接處及連接環與薄壁變徑管搭接處采用脈沖激光進行焊接；在四股過渡線上分別套上細單孔石英管，向薄壁變徑管中充填氧化鎂微粉，固定細單孔石英管和過渡線；當過渡線從薄壁變徑管中引出后，利用儲能式點焊機將每根過渡線的兩股鎳鉻絲在斷開處重新焊接起來。所述無機膠為硅酸鹽耐高溫無機膠，其固相成分與液相成分質量比為2 I;液相成分為硅酸鉀溶液，其模數比Si02/K20 = 4 ;固相成分為二氧化硅粉末與氧化鋁粉末混合而成，二氧化硅粉末與氧化鋁粉末的質量比3 I ;二氧化硅粉末中不同粒徑二氧化硅的質量比為10納米1000目600目400目200目=1: 2 : 2. 5 : 2. 5 : 2 ;氧化鋁粉末中不同粒徑氧化鋁的質量比為1200目40目=2 : 8。所述一體化發熱芯下端放置氮化硼環，所述法蘭盤為圓形，邊緣處有與不銹鋼圓筒上端焊接的臺階；所述不銹鋼圓筒上端開口，下端有介質流出孔，筒壁上開有介質流入孔。所述耐高溫環氧膠是由環氧樹脂、固化劑和氧化鎂微粉混合后室溫放置24小時固化而成，環氧樹脂、固化劑和氧化鎂微粉的重量比例為10 10 1，所述固化劑為二乙烯三胺；所述粗單孔石英管與薄壁管等長，所述熱縮套管其材質為聚四氟乙烯。上述內置式多孔加熱器應用于航天飛行器姿、軌控推力器所用的熱控裝置中。本專利技術內置式多孔加熱器，其一體化發熱芯的電阻值由網狀多孔發熱體的電阻率、截面積和長度確定；其功率密度由螺旋狀發熱體直徑、螺距及發熱體骨架長度、直徑確定；其熱交換率由網狀多孔材料的比表面積和發熱體的體積確定。不銹鋼圓筒既是一體化發熱芯的鎧體，也是電熱推力器推力室的外殼，其尾端為加熱或分解后的介質流出孔，留有與拉瓦噴管連接的工藝臺階；其前端與法蘭盤焊合，其筒壁上開有切向孔，作為推進劑的流入口，一體化發熱芯裝在不銹鋼圓筒中，尾端隔有氮化硼環，靠近法蘭盤端隔有雙孔氮化硼圓片，兩根過渡線經孔引出，以保證發熱體與鎧體的絕緣。用不銹鋼連接環把薄壁管和薄壁變徑管焊接在一起，過渡引出組件裝在其中。鎧裝殼體的設計實現了加熱元件與推力室集成化。本專利技術內置式多孔加熱器的封裝技術采用高、低溫分別封裝和加長密封距離的方案。在高溫段，法蘭盤附近的過渡線、雙孔氮化硼圓片與鎧裝殼體間采用無機膠密封、并在不銹鋼材料的薄壁管中充填本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種內置式多孔加熱器，其特征在于：包括一體化發熱芯、鎧裝殼體、過渡引出組件、引出段和外引線；所述一體化發熱芯包括發熱體和發熱體骨架；發熱體為條形螺旋狀，其材質為網狀多孔鎳鉻合金或網狀多孔鎳鉻鋁合金，發熱體骨架由七根氮化硼管經密排而成，所述密排具體為六根周邊氮化硼管以一根中心氮化硼管為中心對稱排布；中心氮化硼管管內軸向放置隔片，周邊氮化硼管的兩端開有槽口，發熱體經槽口依次往復穿裝入周邊氮化硼管；氮化硼管間以無機膠固定；所述鎧裝殼體包括不銹鋼圓筒、法蘭盤和變徑管，不銹鋼圓筒和變徑管通過法蘭盤焊接在一起，一體化發熱芯封裝在不銹鋼圓筒中，法蘭盤中心留有過渡線的引出孔；所述過渡引出組件包括過渡線和復合組成的絕緣材料部件，過渡線為多股鎳鉻合金絲，其截面積為發熱體真實截面積的4～5倍；復合組成的絕緣材料部件包括雙孔氮化硼圓片、石英管、無機膠和氧化鎂微粉；雙孔氮化硼圓片利用無機膠粘接在一體化發熱芯與法蘭盤之間，過渡線其一端與發熱體兩端相連后從中心多孔氮化硼管中隔片兩側引出，然后經雙孔氮化硼圓片上的兩個孔進入變徑管中，過渡線引出變徑管后與外引線相連，變徑管中的過渡線外套石英管，變徑管中充填無機膠和氧化鎂微粉；過渡線與外引線連接點用熱縮套管包覆后，采用耐高溫環氧膠將其與變徑管末端一起固封在不銹鋼管中，構成引出段；所述過渡線為多股鎳鉻絲，所述外引線為多股鍍銀銅導線。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：段德莉，李曙，侯思焓，張榮祿，劉陽，丁筱筠，王鵬，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發明
國別省市：