內置式多孔加熱器的電引出、封裝結構及其方法

2023-05-14 03:03:11

專利名稱：內置式多孔加熱器的電引出、封裝結構及其方法
技術領域：
本發明涉及航天飛行器用於調整其姿態、軌道的電熱推力器，具體為一種內置式 多孔加熱器的電引出、封裝結構及其方法。
背景技術：
內置式多孔加熱器應用於空間飛行器推進系統中，推進劑直接噴注到加熱器的發 熱體上，迅速被加熱(或發生化學反應)，產生大量的氣體，從尾噴管噴出，產生推力。以 電熱肼推力器為例，肼的熱分解溫度為450°C，分解時放出大量的熱，使推力室的溫度達到 900°C。也就是說，內置式多孔加熱器的發熱芯須承受900°C高溫，而可與衛星插座相連的外 引線(聚醯亞胺包覆多股鍍銀銅導線)只能承受200°C以下的溫度。因此，加熱器發熱體 不能採用直接由外引線引出的方式。三維網狀多孔鎳鉻合金是由中空的金屬杆相互連接而 成，杆壁很薄(微米量級)，所以泡沫合金與金屬絲的焊接非常困難。如果採用熔焊，溫度太 高容易損傷薄壁的泡沫材料；如果採用釺焊，高溫下可能發生不良的冶金反應。
內置式多孔加熱器應用於空間飛行器推進系統中，依據推力器工作時加熱器各段 溫度不同，可以把加熱器分成3段工作段(900°C)、過渡引出段(900 200°C)和固封段 (200°C )。一體化發熱芯的鎧體即為推力器的推力室，為保證推進劑全部由尾噴管噴出，對 加熱器的氣密性提出較高要求。因此，在器件封裝過程中必須根據使用溫度選擇封裝材料， 還要考慮加熱器自身的各種材料特性，選擇可以實施的工藝方案，同時必須保證器件的絕 緣性能。這些給封裝工作帶來困難，沒有可以借鑑的方案。發明內容
本發明的目的在於提供一種對於內置式多孔加熱器可實現連接可靠、氣密效果 好、絕緣性能佳的內置式多孔加熱器的電引出、封裝結構及其方法。
本發明的技術方案是
一種內置式多孔加熱器的電引出、封裝結構，包括一體化發熱芯、鎧體、過渡線和 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入周邊 氮化硼管，氮化硼管間用無機膠固定；所述鎧體由不鏽鋼圓筒、法蘭盤和變徑管通過雷射焊 接在一起構成，一體化發熱芯封裝在不鏽鋼圓筒中；所述過渡線其一端與發熱體兩端相連 後從中心多孔氮化硼管中隔片兩側引出，引出後其另一端與外引線相連；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；過渡線外套絕緣件 封裝在薄壁管和薄壁變徑管中；薄壁管中充填無機膠，薄壁變徑管中充填氧化鎂微粉，薄壁 變徑管末端及過渡線與外引線的接點用高溫環氧膠固封在不鏽鋼管中；所述過渡線為多股 鎳鉻絲，所述外引線為多股鍍銀銅導線。
所述一體化發熱芯上端粘接雙孔氮化硼圓片，一體化發熱芯下端為氮化硼環以保證一體化發熱芯與鎧體間的絕緣性能；所述隔片其材質為氮化硼；與發熱體兩端相連的過 渡線從中心多孔氮化硼管引出後再從雙孔氮化硼圓片的兩個孔中穿出，然後進入薄壁管。
所述法蘭盤為圓形，邊緣處有與不鏽鋼圓筒上端焊接的臺階，中心處有孔，用於與 薄壁管焊接；薄壁管的外徑與法蘭盤中心的孔的直徑相同，以使焊接時二者緊密貼合。
所述無機膠為矽酸鹽耐高溫無機膠，其固相成分與液相成分質量比為2 I;液相 成分為矽酸鉀溶液，其模數比Si02/K20 = 4 ;固相成分為二氧化矽粉末與氧化鋁粉末混合而 成，二氧化矽粉末與氧化鋁粉末的質量比3 I ;二氧化矽粉末中不同粒徑二氧化矽的質量 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。
所述絕緣件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。
所述不鏽鋼圓筒上端開口，下端有介質流出孔，筒壁上開有介質流入孔。
內置式多孔加熱器的電引出、封裝的方法，包括如下步驟
(I)過渡線與發熱體的連接將過渡線(Ni的質量百分含量為80%、Cr的質量百 分含量為20%的多股鎳鉻合金絲((H).3mm、100~300mm))對摺，一端反覆摺疊，作為 與發熱體的搭接處，另一端作為與發熱體的纏繞絲；將發熱體末端壓實放到搭接處，用纏繞 絲纏繞；然後用儲能式點焊機將纏繞絲、發熱體和搭接處點焊在一起；再將過渡線從中心 氮化硼管中引出；
(2)薄壁管與法蘭盤的焊接將薄壁管的下端插入法蘭盤中心的孔中，使薄壁管 的下端與法蘭盤靠近不鏽鋼圓筒的上端面對齊，採用脈衝雷射焊設備將二者熔焊在一起；
(3)法蘭盤與雙孔氮化硼圓片的粘接用微型鑽在氮化硼圓片的中心部位開出兩 個小孔，即為雙孔氮化硼圓片，在法蘭盤下端面上塗抹無機膠，將雙孔氮化硼圓片壓在無機 膠上，膠層厚度為O. 2 O. 3mm，將其在室溫下放置12小時，然後在爐中80°C保溫2小時， 再150°C保溫2小時，隨爐冷卻後取出；
(4) 一體化發熱芯在不鏽鋼圓筒中的封裝先將氮化硼環片放入不鏽鋼圓筒底 部，再將一體化發熱芯放入不鏽鋼圓筒中；從中心氮化硼管中引出的過渡線再從雙孔氮化 硼圓片的兩個孔中引出後，進入薄壁管；不鏽鋼圓筒的上端與法蘭盤邊緣的臺階貼合，採用 脈衝雷射焊接技術將不鏽鋼圓筒與法蘭盤焊接在一起，使一體化發熱芯固定在不鏽鋼圓筒 中；
(5)薄壁管中無機膠的填充將無機膠填充入薄壁管中，隨後將兩根粗單孔石英 管分別套在兩根過渡線上，並把石英管完全插入薄壁管中，在真空箱中排氣，10分鐘後取 出；再向薄壁管中添加無機膠，灌封壓實，室溫放置24小時後，將器件放入爐中固化，80°C 保溫2小時後，120°C保溫2小時，再150°C保溫2小時，隨爐冷卻後取出；
(6)過渡線在薄壁變徑管中的封裝過渡線固定在薄壁管中後，將過渡線在對摺 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採用脈衝雷射進行焊接；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後，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。
(7)外引線的連接將多股鍍銀銅導線平分為兩股，呈人字形分別纏繞在兩根過 渡線上，搪錫加固形成外引線接頭，在外引線接頭外套以熱縮套管保護。
所述高溫環氧膠是由環氧樹脂、固化劑和氧化鎂微粉混合後室溫放置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。
所述薄壁管和薄壁變徑管壁厚相同，薄壁變徑管與連接環連接處的直徑與薄壁管 直徑相同，連接環的內徑與薄壁管的外徑相同。
上述內置式多孔加熱器的電引出、封裝結構應用於航天飛行器姿、軌控推力器所 用的熱控裝置中。
所述的一體化發熱芯中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，是由相互連通的中空薄壁金屬稜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 %， 招的質量百分含量為2 10%。
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；孔洞總面積大於管壁面積的50%。
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。
發熱體骨架前端面從第一周邊氮化硼管到第六周邊氮化硼管間隔著於兩管相切 處開前端面雙壁槽口三處，分別為第一周邊氮化硼管和第二周邊氮化硼管相切處、第三周 邊氮化硼管和第四周邊氮化硼管相切處、第五周邊氮化硼管和第六周邊氮化硼管相切處； 發熱體骨架後端面在第二周邊氮化硼管和第三周邊氮化硼管相切處、第四周邊氮化硼管和 第五周邊氮化硼管相切處開後端面雙壁槽口二處；發熱體骨架後端面在第一周邊氮化硼管 和中心氮化硼管相切延伸處、第六周邊氮化硼管和中心氮化硼管相切延伸處開單壁槽口兩 處。
上述的一體化發熱芯的製備方法，包括如下步驟
(I)條形螺旋狀發熱體的製備
將泡沫鎳板加工為條形螺旋狀的泡沫鎳後，對條形螺旋狀的泡沫鎳採用固相滲鉻 法滲鉻後進行真空熱處理，獲得網狀多孔鎳鉻合金；或者將條形螺旋狀的泡沫鎳採用固相 滲鉻、再滲鋁後進行真空熱處理，獲得網狀多孔鎳鉻鋁合金；
(2)發熱體骨架的製備
首先製備氮化硼管和氮化硼隔片的製備採用化學氣相沉積法在不同外徑的碳棒 或碳片上沉積不同厚度和長度的氮化硼管，用機械和煅燒的方法去除氮化硼管內或碳片上 的碳，獲得氮化硼管或氮化硼隔片；
然後按設計要求在氮化硼管上打孔，再切割為所設計的尺寸；
最後將七根有孔的氮化硼管緊密排列，用微型鑽按照設計要求在周邊氮化硼管兩端開槽口 ；
(3)發熱體的穿繞
發熱體從第一周邊氮化硼管後端穿入，然後依次通過第二周邊氮化硼管到第六周 邊氮化硼管及前端面雙壁槽口、後端面雙壁槽口，最後從第六周邊氮化硼管後端穿出；發熱 體兩端再經單壁槽口穿入中心氮化硼管中由過渡線引出；條形螺旋狀發熱體的各彎折處須 嵌入各槽口 ；具體為條形螺旋狀的發熱體從第一周邊氮化硼管後端放入，到達第一周邊 氮化硼管前端後，再從第二周邊氮化硼管前端進入，到達第二周邊氮化硼管後端後，再進入 第三周邊氮化硼管，依次往復，最後從第六周邊氮化硼管中穿出，然後將第一周邊氮化硼管 和第六周邊氮化硼管中的發熱體兩端與兩根過渡線分別焊接，然後將過渡線從中心氮化硼 管中引出，保證兩個焊接點在中心氮化硼管內；發熱體從一根氮化硼管進入另一根氮化硼 管時，其彎折處要嵌入各雙壁槽口，發熱體兩端與過渡線連接後進入中心氮化硼管時，要經 由兩個單壁槽口進入。
(4)發熱體的引出
發熱體兩端分別由同成分合金過渡線連接，過渡線截面積為網狀多孔材料真實截 面積的4 5倍；每根過渡線整根對摺，兩個併攏端頭的一端往返摺疊作為搭接處，另一端 作為纏繞絲；發熱體的端頭與過渡線的搭接處捏合，用纏繞絲固定後採用脈衝點焊；兩根 過渡線從中心氮化硼管中引出，隔片將兩根過渡線分開。
氮化硼管間固定用的無機膠為矽酸鹽耐高溫無機膠，由液相成分與固相成分混合 而成，其固相成分與液相成分質量比為2 :1 ;液相成分為娃酸鉀溶液,固相成分為二氧化 矽粉末與氧化鋁粉末混合而成，二氧化矽粉末與氧化鋁粉末的質量比3 I。
一體化發熱芯的製備工藝具體步驟如下
I)氮化硼管和氮化硼片的製備
採用化學氣相沉積法在不同外徑的碳棒上沉積不同厚度和長度的氮化硼管，用機 械和煅燒的方法去除氮化硼管內的碳棒。氮化硼片製備方法相似。
2)氮化硼管打孔
確定好周邊氮化硼管和中心氮化硼管的長度、孔洞的個數、孔徑、孔間距等參數， 設置好脈衝雷射加工機設備參數，按設計要求打孔。
3)氮化硼管和氮化硼片的切割
使用劃片切割機將打好孔洞的氮化硼管和氮化硼片按設計尺寸切割，然後清洗乾淨。
4)多孔氮化硼管端面開槽口
將7根氮化硼管緊密排列，中心為略短的氮化硼管，各管前端面對齊，然後用細金 屬絲綑紮緊固；用微型鑽按照設計要求在發熱芯的上下端面開槽口，操作時緩慢打磨，避免 大片氮化硼脫落。
5)條形螺旋狀發熱體的製備
將泡沫鎳板材用數控線切割工具機加工成所需尺寸的條形，然後在細陶瓷管上纏繞 為螺旋狀，清洗乾燥後經固相滲鉻(或滲鉻後再滲鋁)、真空熱處理，得到三維網狀多孔的 條形螺旋狀的鎳鉻或鎳鉻鋁發熱體。
6)發熱體的穿繞
將條形螺旋狀發熱體依次往復穿裝入周邊的六根多孔氮化硼管，注意發熱體在各 管端的彎折處應放置在槽口內。
7)發熱體的電引出
在中心氮化硼管中，將發熱體兩端分別與兩根過渡線焊接在一起，過渡線從插入 氮化硼隔片的中心氮化硼管穿出，隔片將兩根過渡線分開，防止短路。
8)發熱體骨架的固定
將穿繞發熱體的周邊六根氮化硼管與中心氮化硼管按照排列順序和開槽口位置 用無機膠粘牢並放置一定時間固化。
上述條形螺旋狀發熱體的製備方法中所述泡沫鎳板由聚氨酯泡沫經過導電化處 理、電鍍和還原燒結製成；泡沫鎳板加工為細條形後，根據內置式多孔加熱器的結構及技術 指標，確定繞制螺徑和螺距，將其纏繞成螺旋狀，製成條形螺旋狀泡沫鎳。
泡沫鎳固相滲鉻法即為粉末包埋滲鉻法，粉末包埋滲鉻法在管式高溫爐中進行， 其中溫度950 1100°C，保溫時間10 60min，滲劑由氧化鋁粉(1200目)、鉻粉(300目) 和氯化銨(分析純)混合後並經充分研磨而成，氧化鋁粉、鉻粉和氯化銨的重量百分為含量 為(70 83) (15 25) (2 5)。
所述固相滲鋁法即為粉末包埋滲鋁法，在條形螺旋狀的泡沫鎳經固相滲鉻後再 進行固相滲鋁，粉末包埋滲鋁法在管式高溫爐中進行，其中溫度700 800°C，保溫時間 10 40min，滲劑由氧化鋁粉(1200目)、鋁鎳合金(化學純)和氯化銨(分析純)混合後 並經充分研磨而成，氧化鋁粉、鋁鎳合金和氯化銨的重量比例為(80 83) : 15 : (2 5)。
所述粉末包埋法滲鉻和滲鋁時，首先用機械泵抽真空30min，去除管式高溫爐、管 路和滲劑中的氧氣，再通入保護性氣體(純氬氣)，同時對保護性氣體進行除氧和除水處 理。採用活性鎳除氧劑去除氧，採用4A分子篩去除水。滲鉻或者滲鋁時將滲劑和樣品裝載 在石英管或者氧化鋁管中，兩端用高矽氧布或者鎳箔封口。
所述真空熱處理方法為，將滲鉻或者滲鋁後的樣品放入真空爐中，真空度為(I 5) X10_3Pa，加熱到1000 1100°C後，保溫2 10h，然後隨爐冷卻至室溫，得到網狀多孔電 熱材料，冷卻速率由材料要求決定。
所述泡沫鎳板，依據內置式多孔加熱器的結構和技術指標，確定其規格和尺寸。
本發明的有益效果是
1、將過渡線對摺；一端反覆摺疊形成搭接平臺，另一端作為纏繞絲，將發熱體末端 和搭接平臺纏繞在一起，再採用儲能式點焊機將纏繞絲、發熱體和搭接平臺點焊在一起。保 證了發熱體與過渡線可靠的電連接，器件在經歷2萬次冷熱交變後沒有出現開路現象。
2、通過對過渡線的拆分與合併的工藝處理，並配以變徑鎧管的應用，使加熱器的 過渡段溫度迅速從900°C降低到200°C，減少器件的質量，節約星上能源。
3、採用雙孔氮化硼圓片與法蘭盤粘接的技術，在解決了內置式多孔加熱器一體化 發熱芯絕緣保護的同時，減少了氣流外漏的渠道，並實現了一體化發熱芯具有一定抗熱氣 流衝擊的能力。
4、採用自行配置的的矽酸鹽耐高溫無機膠，通過在真空條件下排氣工藝，解決了 在殼體內部高溫膠由於流動性差產生氣孔等缺陷的問題，同時提高了膠體與殼體的黏結強度，延長了密封通道的長度，增大了器件的氣密性。
5、通過連接環的應用，避免了薄壁管與薄壁變徑管之間的對接熔焊，降低了焊接難度，保證了變徑管的密封性。。
6、通過對無機膠粘劑固態粉末不同粒徑的選取與配比，使得膠體的微觀顆粒之間的接觸面積增大，提升了膠體的黏結強度，液體相選擇高模數矽酸鉀溶液，在一定程度上改善無機膠的耐水性能。


圖1為本發明內置式多孔加熱器裝置結構示意圖。
圖2為本發明發熱體與過渡線連接示意圖。
圖3為本發明發熱體骨架 結構示意圖。
圖4為本發明發熱體骨架前端面結構示意圖。
圖5為本發明一體化發熱芯後端面結構示意圖。
圖6為本發明一體化發熱芯前端面結構示意圖。
圖中I外引線，2不鏽鋼管，3薄壁變徑管，4連接環，5薄壁管，6法蘭盤，7介質流入孔，8不鏽鋼圓筒，9高溫環氧膠，10外引線接頭，11熱縮套管，12單股過渡線，13細單孔石英管，14氧化鎂微粉，15雙股過渡線，16粗單孔石英管，17無機膠，18雙孔氮化硼圓片，19 一體化發熱芯，20發熱體，21中心氮化硼管，22過渡接點，23氮化硼環，24隔片，25第一周邊氮化硼管，26第二周邊氮化硼管，27第三周邊氮化硼管，28第四周邊氮化硼管，29第五周邊氮化硼管，30第六周邊氮化硼管，31前端面雙壁槽口，32後端面雙壁槽口，33為後端面單壁槽口 ；圖中相同編號具有相同意義。
具體實施例方式
以下通過具體實施例及附圖詳述本發明。
將過渡線200ι πιΦ0· 3mm的80Ni20Cr合金絲對摺；一端以5mm為標準反覆摺疊四次，作為與發熱體的搭接平臺；另一端作為與發熱芯的纏繞絲。將發熱體末端稍壓實放到過渡線的搭接處，用纏繞絲纏繞大約5 6匝(圖2);採用儲能式點焊機將纏繞絲、發熱體和搭接處點焊在一起，點焊參數電壓14. 5V、壓力ION ;將過渡線穿入中心氮化硼管21中引出。
將薄壁管5 (Φ4. 5 X 15mm,壁厚O. 15mm)插入法蘭盤6中心孔中，薄壁管5的外徑與中心孔的直徑相同，使二者緊配合；薄壁管5 —端與法蘭盤6 (Φ 18. 2X 3mm)靠近不鏽鋼圓筒8的端面對齊，採用脈衝雷射焊設備將二者熔焊在一起。
用微型鑽在氮化硼圓片18(Φ15Χ0. 5mm)的中心部位開出兩個小孔(Φ0. 6，兩孔間距1. 3mm)，在法蘭盤6靠近不鏽鋼圓筒8的端面上塗抹無機膠，將BN圓片壓在高溫無機膠上，膠層厚度在O. 2 O. 3mm之間；將樣品在室溫下放置12小時，後在爐中80°C保溫2小時，150°C保溫2小時，隨爐冷卻後取出。
將BN環23放入不鏽鋼圓筒8尾部，再把一體化發熱芯19(Φ15Χ25πιπι)放入不鏽鋼圓筒8 (內部尺寸Φ 15. 2 X 26. 2mm,壁厚1. 5mm)中；過渡線15從雙孔BN圓片18的兩個孔中引出後，進入薄壁管5 ;不鏽鋼圓筒8的前端正好與法蘭盤6邊緣的臺階貼合，採用脈衝雷射焊接技術將圓筒8與法蘭盤6焊接在一起，使一體化發熱芯19固定在不鏽鋼圓筒8 中。採用脈衝雷射焊接工藝為電流100A ;脈衝O. 8 ;頻率10 ;離焦量35mm ;雷射聚焦鏡焦距 75mm。
將無機膠17填充入薄壁管5中，隨後將兩根粗單孔石英管16 (Φ1. 5 X 15mm)分別套在兩根過渡線15上，並把石英管完全插入套管中，在真空箱中排氣，10分鐘後取出；再添加無機膠17，灌封壓實，室溫放置24小時，將器件放入爐中固化，80°C保溫2小時，120°C保溫2小時，150°C保溫2小時，隨爐冷卻後取出。
過渡線15固定在薄壁管5中後，將過渡線在對摺點處切斷，每根過渡線拆分為兩股過渡線12 ;把連接環4(Φ4.8Χ5πιπι，壁厚O. 15mm)套在薄壁管5與薄壁變徑管 3(Φ4. 5X5mm, Φ2. 5X35mm，壁厚O. 15mm)的對接處，對連接環4與薄壁管5搭接處及連接環4與薄壁變徑管3搭接處採用脈衝雷射進行焊接，脈衝雷射焊接工藝為電流100A、脈衝 O. 8、頻率24、離焦量40mm、雷射聚焦鏡焦距75mm ;在四股過渡線上分別套上細單孔石英管 13(Φ0. 8X40mm)，向變徑管中充填氧化鎂微粉14，固定石英管和過渡線；當過渡線15從薄壁變徑管3中引出後，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，點焊工藝電壓14. 5V、壓力10N。
撥開外引線l(Fy_21聚醯亞胺包覆多股鍍銀銅導線)一端5mm絕緣皮，露出多股鍍銀銅絲，把多股絲平分兩股，呈人字形纏繞在過渡線上，搪錫加固形成接點10，在接點外套以熱縮套管11保護，熱風槍吹縮；採用高溫環氧膠9將薄壁變徑管末端及過渡線與外引線接頭固封在不鏽鋼管2(Φ3· 4Χ 15mm，壁厚O. 15mm)中。
用於內置式多孔加熱器的一體化發熱芯骨架如圖3所示。
內置式多孔加熱器允許一體化發熱芯佔有的整體空間大小為Φ15πιπιΧ25πιπι;周邊氮化硼管的長度為25mm,外徑為5mm,壁厚O. 3mm ;中心氮化硼管21長度為20mm,外徑為 5mm,壁厚為O. 5mm ;氣隔片8尺寸為20mmX 4mmX O. 5mm。·
圖3為發熱體骨架，由周邊氮化硼管和略短的帶有氮化硼隔片24的中心氮化硼管 21組成，周邊氮化硼管以相同管徑的中心氮化硼管21為中心形成密排結構；同時表示出發熱體骨架後端面氮化硼管上開後端面雙壁槽口 32兩處，分別為第二周邊氮化硼管26和第三周邊氮化硼管27相切處、第四周邊氮化硼管28和第五周邊氮化硼管29相切處；單壁槽口 33兩處，分別為第一周邊氮化硼管25與中心氮化硼管21相切延伸處、第六周邊氮化硼管30與中心氮化硼管21相切延伸處。圖4為骨架前端面，表示出骨架對齊端在六根周邊氮化硼管間隔著於兩管相切處開前端面雙壁槽口 31三處，分別為第一周邊氮化硼管25和第二周邊氮化硼管26相切處、第三周邊氮化硼管27和第四周邊氮化硼管28相切處、第五周邊氮化硼管29和第六周邊氮化硼管30相切處。圖5為一體化發熱芯後端面，條形螺旋狀發熱體20的各彎折處嵌入各後端面雙壁槽口 32 ;發熱體20兩端經第一周邊氮化硼管25 和第六周邊氮化硼管30的單壁槽口 33穿入帶有隔片24的中心氮化硼管21。圖6為一體化發熱芯前端面，條形螺旋狀發熱體20的各彎折處嵌入各前端面雙壁槽口 31 ;過渡線15 從帶有隔片24的中心氮化硼管21穿出。
內置式多孔加熱器的一體化發熱芯的關鍵工藝如下
I)氮化硼管和氮化硼片的製備
氮化硼管採用化學氣相沉積法在碳棒上沉積製備，共有兩種規格，規格一其長度為90mm,外徑為5. Omm,壁厚為O. 3mm,規格二其長度為90mm,外徑為5. Omm,壁厚為O. 5mm。 同時沉積氮化硼片，規格為100mmX4mmX0. 5mm。用機械去除和煅燒的方法去除氮化硼管內的碳棒，機械去除時小心操作，避免損傷氮化硼，煅燒溫度在750°C為宜。
2)氮化硼管打孔
採用雷射打孔製備多孔氮化硼管，將工藝I中的氮化硼管安裝在脈衝雷射加工機上，調試好設備參數(電流190A脈衝2頻率8離焦量_28雷射聚焦鏡焦距100mm)，在同一圓周上每隔45°打一孔洞，共8個孔洞，孔徑為1mm，兩排孔洞之間的距離為1. 8mm，共有12排孔洞，每隔12排孔洞預留4. 2mm不打孔。
3)氮化硼管和氮化硼片的切割
規格一的氮化硼管用金剛石劃片切割機切割為25mm長的小段，壁厚為O. 3mm，管端面兩端各有2.1mm未打孔，切管後的多孔氮化硼管作為周邊氮化硼管。規格二的氮化硼管切割為長度20mm的小段，壁厚O. 5mm，兩端面各有2.1mm未打孔，切管後的多孔氮化硼管作為中心氮化硼管。氮化硼片切割為20mmX4mmX0.5mm的小片。將切割好的多孔氮化硼管和氮化硼片用常規方法清洗乾淨。
4)多孔氮化硼管端面開槽口
將6根相同的多孔氮化硼管分別標號為I到6，與另一根標號為7的中心多孔氮化硼管緊密排列，形成繞中心氮化硼管對稱相切的六方密排結構的發熱體骨架。在骨架前端面各多孔氮化硼管對齊，然後用細金屬絲綑紮緊固，用微型鑽按照設計要求在前後端面的管壁上開槽口，槽口的寬度和深度分別為1. 5和2. 0mm，緩慢操作，避免打落大片的氮化硼。
5)條形螺旋狀發熱體的製備
將泡沫鎳材料切成1. 5mmX1. 2mmX 1000mm的長條形，以螺距O. 5mm和螺徑1. Omm的規範在Φ1. Omm細陶瓷管上纏繞為螺旋狀，螺旋發熱體的長度在220_左右，利用固相滲技術滲鉻，經真空熱處理後形成三維網狀多孔鎳鉻合金髮熱體。
固相滲技術滲鉻過程在1000°C下保溫滲鉻。所用滲劑組成為1200目的高純氧化鋁粉、300目的高純鉻粉和分析純的氯化銨混合併充分研磨，其質量配比為73 : 25 : 2。首先用機械泵抽真空30min，然後對保護性氣體氬氣進行除氧和除水處理，保溫時間30min ； 隨爐冷卻至200°C後關閉氬氣，至室溫後清洗乾燥樣品，稱重；計算鉻質量分數為20 22% (能譜測量結果與此十分接近)，測量電阻及尺寸，電阻值約為42 50 Ω，計算電阻率為 85 90 μ Ω . m ;隨後將滲鉻後的樣品放入真空爐中，真空度為5 X 10_3Pa，以10°C /min的升溫速率升溫至1100°C，保溫6h ;隨爐冷卻至室溫，清洗乾燥後，得到鉻質量分數為20%的網狀多孔鎳鉻合金電熱材料。
經測量其電阻值約為45 55 Ω，計算電阻率為90 96 μ Ω . m，孔隙率約為 96. 3% ;截取電阻值在36. 5±3. 5 Ω的一段作為為內置式多孔加熱器一體化發熱芯的網狀多孔鎳鉻合金髮熱體。
6)發熱體的穿繞
將周邊的6根氮化硼管編號，然後將條形螺旋狀多孔鎳鉻合金髮熱體20從第一氮化硼管後埠穿入，依次穿過其他周邊氮化硼管，最後從第六周邊氮化硼管30後埠穿出，注意發熱體從一根管到另一根管的各彎折處均應嵌入槽口內。
7)發熱芯的引出
將條形螺旋狀網狀多孔鎳鉻發熱體兩端分別與兩根過渡線15焊接在一起，過渡 線為80Ni20Cr (鎳與鉻的質量百分含量分別為80%和20%)合金絲，其截面積為網狀多孔 電熱材料真實截面積的數倍；每根過渡線須整根對摺，兩個併攏端頭的一端往返摺疊作為 搭接處，另一端作為纏繞絲；發熱體的端頭與過渡線的搭接處捏合，用纏繞絲固定後採用脈 衝點焊；兩根過渡線從骨架安插氮化硼隔片8的中心氮化硼管7中引出，須保證兩根過渡線 之間絕緣。
8)發熱體骨架的固定
將穿繞發熱體的周邊6根氮化硼管與中心氮化硼管21用無機膠固定，放置一定時 間後待無機膠固化，去除細金屬絲。
權利要求
1.一種內置式多孔加熱器的電引出、封裝結構，其特徵在於包括一體化發熱芯、鎧體、過渡線和外引線；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入周邊氮化硼管，氮化硼管間用無機膠固定；所述鎧體由不鏽鋼圓筒、法蘭盤和變徑管通過雷射焊接在一起構成，一體化發熱芯封裝在不鏽鋼圓筒中；所述過渡線其一端與發熱體兩端相連後從中心多孔氮化硼管中隔片兩側引出，引出後其另一端與外引線相連；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；過渡線外套絕緣件封裝在薄壁管和薄壁變徑管中；薄壁管中充填無機膠，薄壁變徑管中充填氧化鎂微粉，薄壁變徑管末端及過渡線與外引線的接點用高溫環氧膠固封在不鏽鋼管中；所述過渡線為多股鎳鉻絲，所述外引線為多股鍍銀銅導線。
2.根據權利要求1所述的電引出、封裝結構，其特徵在於所述一體化發熱芯上端粘接雙孔氮化硼圓片，一體化發熱芯下端為氮化硼環；所述隔片其材質為氮化硼；與發熱體兩端相連的過渡線從中心多孔氮化硼管引出後再從雙孔氮化硼圓片的兩個孔中穿出，然後進入薄壁管。
3.根據權利要求1所述的電引出、封裝結構，其特徵在於所述法蘭盤為圓形，邊緣處有與不鏽鋼圓筒上端焊接的臺階，中心處有孔，用於與薄壁管焊接；薄壁管的外徑與法蘭盤中心的孔的直徑相同。
4.根據權利要求1所述的電引出、封裝結構，其特徵在於所述無機膠為矽酸鹽耐高溫無機膠，其固相成分與液相成分質量比為2 I ;液相成分為矽酸鉀溶液，其模數比SiO2/K2O = 4 ;固相成分為二氧化矽粉末與氧化鋁粉末混合而成，二氧化矽粉末與氧化鋁粉末的質量比3 I ;二氧化矽粉末中不同粒徑二氧化矽的質量比為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。
5.根據權利要求1所述的電引出及封裝技術，其特徵在於所述絕緣件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。
6.根據權利要求1所述的電引出、封裝結構，其特徵在於所述不鏽鋼圓筒上端開口，下端有介質流出孔，筒壁上開有介質流入孔。
7.根據權利要求1-6任一所述的內置式多孔加熱器的電引出、封裝的方法，其特徵在於包括如下步驟(1)過渡線與發熱體的連接將過渡線對摺，一端反覆摺疊，作為與發熱體的搭接處，另一端作為與發熱體的纏繞絲；將發熱體末端壓實放到搭接處，用纏繞絲纏繞；然後用儲能式點焊機將纏繞絲、發熱體和搭接處點焊在一起；再將過渡線從中心氮化硼管中引出；(2)薄壁管與法蘭盤的焊接將薄壁管的下端插入法蘭盤中心的孔中，使薄壁管的下端與法蘭盤靠近不鏽鋼圓筒的上端面對齊，採用脈衝雷射焊設備將二者熔焊在一起；(3)法蘭盤與雙孔氮化硼圓片的粘接用微型鑽在氮化硼圓片的中心部位開出兩個小孔，即為雙孔氮化硼圓片，在法蘭盤下端面上塗抹無機膠，將雙孔氮化硼圓片壓在無機膠上，將其在室溫下放置12小時，然後在爐中80°C保溫2小時，再150°C保溫2小時，隨爐冷卻後取出；(4)一體化發熱芯在不鏽鋼圓筒中的封裝先將氮化硼環片放入不鏽鋼圓筒底部，再將一體化發熱芯放入不鏽鋼圓筒中；從中心氮化硼管中引出的過渡線再從雙孔氮化硼圓片的兩個孔中引出後，進入薄壁管；不鏽鋼圓筒的上端與法蘭盤邊緣的臺階貼合，採用脈衝雷射焊接技術將不鏽鋼圓筒與法蘭盤焊接在一起，使一體化發熱芯固定在不鏽鋼圓筒中；(5)薄壁管中無機膠的填充將無機膠填充入薄壁管中，隨後將兩根粗單孔石英管分別套在兩根過渡線上，並把石英管完全插入薄壁管中，在真空箱中排氣，10分鐘後取出；再向薄壁管中添加無機膠，灌封壓實，室溫放置24小時後，將器件放入爐中固化，80°C保溫2小時後，120°C保溫2小時，再150°C保溫2小時，隨爐冷卻後取出；(6)過渡線在薄壁變徑管中的封裝過渡線固定在薄壁管中後，將過渡線在對摺點處切斷，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採用脈衝雷射進行焊接；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後，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。(7)外引線的連接將多股鍍銀銅導線平分為兩股，呈人字形分別纏繞在兩根過渡線上，搪錫加固形成外引線接頭，在外引線接頭外套以熱縮套管保護。
8.根據權利要求7所述的電引出、封裝的方法，其特徵在於所述高溫環氧膠是由環氧樹脂、固化劑和氧化鎂微粉混合後室溫放置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。
9.根據權利要求7所述的電引出、封裝的方法，其特徵在於所述薄壁管和薄壁變徑管壁厚相同，薄壁變徑管與連接環連接處的直徑與薄壁管直徑相同，連接環的內徑與薄壁管的外徑相同。
10.根據權利要求1所述的電引出、封裝結構，其特徵在於該電引出、封裝結構應用於航天飛行器姿、軌控推力器所用的熱控裝置中。
全文摘要
本發明公開了一種內置式多孔加熱器電引出及封裝技術，所述電引出技術是採用過渡線過渡引出方式，內置式多孔加熱器採用鎧體封裝；鎧體由不鏽鋼圓筒、法蘭盤和變徑管通過雷射焊接在一起構成，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；內置式多孔加熱器的一體化發熱芯封裝在不鏽鋼圓筒中，過渡線外套絕緣件封裝在變徑管中；薄壁管中充填無機膠，薄壁變徑管中充填氧化鎂微粉，薄壁變徑管末端及過渡線與外引線的接點用高溫環氧膠固封在不鏽鋼管中。本發明應用於空間飛行器電熱推力器所需熱控設施的內置式多孔加熱器上，使其能夠耐高溫、抗熱震，並具有良好的高溫絕緣性能和氣密性。
文檔編號B64G1/40GK103002603SQ201110278478
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月19日 優先權日2011年9月19日
發明者張榮祿, 段德莉, 劉陽, 趙宇航, 張月來, 李曙 申請人:中國科學院金屬研究所